專利名稱：一種晶閘管變流器的集中關(guān)斷回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子學(xué)領(lǐng)域。其出發(fā)點(diǎn)為根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的一種晶閘管變流器的集中關(guān)斷回路。
這樣一種關(guān)斷回路已在“變流器技術(shù)中的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體”一文(etz雜志第21期(1993年)第1310-1319頁(yè)，

圖114)中有過(guò)描述。
為了關(guān)斷變流器的晶閘管，必須使用關(guān)斷回路，對(duì)于不但可工作在逆變器工況而且也可工作在整流器工況的并連接在直流側(cè)的電壓中間回路上的晶閘管變流器也需要關(guān)斷電路，其中該中間回路的電壓例如是由電池，自換流的電壓變換器或另外合適的電源供電。這樣一種晶閘管變流器可以是一種交流電壓變換器裝置的一部分，其中第一個(gè)變流器與第一電網(wǎng)、最好是多相電壓供電網(wǎng)(如50Hz)相連接，及第二變流器與第二電壓供電網(wǎng)(如16.67Hz)相連接，這里的第一及第二變流器通過(guò)中間回路彼此相連接。對(duì)于很高的功率，例如用于靜止鐵道電網(wǎng)供電或直流高壓輸電所需的功率，對(duì)于第一變流器總是有利地使用晶閘管。該第一變流器的關(guān)斷回路在這種電路中起到一個(gè)重要的保護(hù)作用如果在晶閘管變流器的逆變工況時(shí)出現(xiàn)換流失敗，則電流既不會(huì)受到第一晶閘管變流器也不會(huì)受到第二變流器、例如鐵道側(cè)GTO變流器的限制。對(duì)于這種故障狀態(tài)必須要有保護(hù)系統(tǒng)，它能將第一變流器的晶閘管迅速而可靠地關(guān)斷并保護(hù)其免于過(guò)負(fù)荷。
在專業(yè)書(shū)“功率電子學(xué)”(由魯?shù)婪颉だ?Rudolf Lappe)，司普林格出版社(Springer-Verlag)1988年編輯出版)第284～297頁(yè)上給出了各種關(guān)斷回路的變型。其中最昂貴的、對(duì)此最靈活的變型是單個(gè)關(guān)斷回路。在那里對(duì)于每個(gè)橋支路均設(shè)有各自的關(guān)斷裝置。然而這種方案對(duì)于鐵道電網(wǎng)供電來(lái)說(shuō)是太昂貴及浪費(fèi)了。在另一變型的關(guān)斷即所謂相位跟隨關(guān)斷中，其關(guān)斷是基于每個(gè)導(dǎo)流的晶閘管中的電流通過(guò)在時(shí)間上滯后的同一半橋的下一相中晶閘管的觸發(fā)而被換流。用這種電路是不能作到與電網(wǎng)的完全隔離。另外還描述了相關(guān)斷。在這個(gè)方案中關(guān)斷回路由一個(gè)以關(guān)斷電容及換流電抗組成的串聯(lián)振蕩回路構(gòu)成。但這種電路對(duì)于要解決的問(wèn)題來(lái)說(shuō)是不適合的，因?yàn)橐粋€(gè)橋串中的主晶閘管需交替地關(guān)斷。最好還描述了集中或總的關(guān)斷回路。這種方案雖然能借助一個(gè)集中的關(guān)斷電容器來(lái)關(guān)斷所有的橋支路，但是對(duì)于需要解決的任務(wù)還是太昂貴，因?yàn)樵撽P(guān)斷電容必須吸收在變壓器電感及可能具有的平波電抗器電感中存儲(chǔ)的能量，否則會(huì)形成過(guò)電壓，這樣就必然具有過(guò)大的尺寸，這使得整個(gè)的電路裝置不再經(jīng)濟(jì)。
因此本發(fā)明的任務(wù)在于，給出一種用于晶閘管變流器的集中關(guān)斷回路，它能以經(jīng)濟(jì)的方案與方式足夠快速及可靠地關(guān)斷所有導(dǎo)流的晶閘管，而不會(huì)有在變壓器電感及可能具有的平波電抗器電感中存儲(chǔ)的能量在晶閘管及關(guān)斷電容上產(chǎn)生不允許的過(guò)電壓。
這個(gè)任務(wù)將在導(dǎo)言部分所述類型的集中關(guān)斷回路中通過(guò)權(quán)利要求1的特征來(lái)解決。
因而本發(fā)明的核心在于，關(guān)斷晶閘管不是連接在中間回路的直流電壓端子上，而是直接地連接在變壓器上。此外這樣地設(shè)計(jì)集中關(guān)斷回路，即在關(guān)斷過(guò)程中自動(dòng)地形成通過(guò)電路電感流通的電流的續(xù)流。
特別有利的是一種電路變型，其中能夠可靠地避免關(guān)斷電容的過(guò)充電。它是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即將關(guān)斷電容器上的電壓實(shí)際上固定在中間回路的電壓值上。根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)在于，關(guān)斷電容自動(dòng)地以對(duì)于關(guān)斷正確的極性被電壓中間回路預(yù)充電。由此使該集中關(guān)斷回路在一次關(guān)斷過(guò)程后又自動(dòng)地作好關(guān)斷的準(zhǔn)備。
該電路不僅可用于12脈沖的電路而且也能以小規(guī)模適用于6脈沖電路。其它的實(shí)施例可從相應(yīng)的從屬權(quán)利要求書(shū)中得到。
以下將借助實(shí)施例并結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)地解釋本發(fā)明。附圖為圖1具有與一個(gè)直流電壓中間電路相連接的一個(gè)晶閘管變流器的電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2根據(jù)本發(fā)明的一種集中關(guān)斷回路的等效電路圖，它適用于12脈沖變流器；圖3根據(jù)本發(fā)明的一種集中關(guān)斷回路的等效電路圖，它適用于6脈沖變流器。
在附圖中所使用的標(biāo)號(hào)及意義歸納在標(biāo)號(hào)對(duì)照表中。原則上在附圖中相同的部分使用相同的標(biāo)號(hào)。
圖1表示具有與一直流電壓中間回路6相連接的一個(gè)晶閘管變流器2的電路結(jié)構(gòu)框圖。該直流電壓中間回路6例如可由電池或自換流的電壓變換器或由另一適合的電壓源構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的集中關(guān)斷回路將在具有一個(gè)自換流的電壓變換器的電路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，并在以下借助鐵道電網(wǎng)連接的例子進(jìn)行說(shuō)明。但本發(fā)明并不局限在這種電路類型上。
標(biāo)號(hào)4表示第一交流電壓電網(wǎng)，例如50Hz的州電網(wǎng)。在該交流電網(wǎng)4上連接有一個(gè)第一變流器2。該第一變流器通過(guò)直流電壓中間回路6與一個(gè)第二變流器相連接，為簡(jiǎn)明起見(jiàn)后者未示出。在第二變流器上連接了一個(gè)第二交流電網(wǎng)，例如162/3Hz的鐵道電網(wǎng)。這種鐵道電網(wǎng)連接的任務(wù)在于使能量或是從第一電網(wǎng)4傳遞到第二電網(wǎng)或是相反地進(jìn)行。出于經(jīng)濟(jì)的原因，第一變流器2總是使用設(shè)有傳統(tǒng)晶閘管的電路。如果在第一變流器2的逆變器工況中出現(xiàn)了換流失敗，則電流既不會(huì)受到晶閘管變流器2也不會(huì)受到通常為GTO變流器的第二變流器的限制。作為唯一的關(guān)斷裝置仍是鐵道電網(wǎng)側(cè)設(shè)置的功率斷路器。在功率斷路器的關(guān)斷時(shí)間期間(第二電網(wǎng)的一至二個(gè)周期＝60至120ms)第二電網(wǎng)經(jīng)過(guò)第二變流器即設(shè)有GTO的變流器中的二極管向晶體管變流器2供電。這個(gè)非常大的負(fù)荷雖然使變流器的晶閘管仍能工作但不是沒(méi)有損害的。因此必須設(shè)置一個(gè)集中關(guān)斷回路，它使第一變流器2中的晶閘管能快速及可靠地關(guān)斷并沒(méi)有專門(mén)的措施可自動(dòng)地作再關(guān)斷準(zhǔn)備。但是因?yàn)樵陔娏骰芈返碾姼兄小⒅饕谧兞髌髯儔浩麟姼屑翱赡苡械钠讲娍蛊麟姼兄写鎯?chǔ)的能量可導(dǎo)致關(guān)斷電容器及晶閘管上的過(guò)電壓，這在公知的解決方案中必定會(huì)造成尺寸過(guò)大，以致該電路成本太高。因而必須有一種專門(mén)的集中關(guān)斷回路，它能以經(jīng)濟(jì)的方案及方式滿足該要求。
圖2表示這種集中關(guān)斷回路1的等效電路圖，它適用于12脈沖晶閘管變流器。其中設(shè)有一個(gè)電壓供電網(wǎng)4，它通過(guò)具有兩個(gè)次邊繞組3及5的變壓器7與晶閘管變流器相連接。第一次邊繞組3接成三角形，第二次邊繞組5接成星形連接。在每個(gè)次邊繞組上接有晶閘管變流器2.1或2.2。晶閘管變流器設(shè)有反并聯(lián)的晶閘管T+及T-。對(duì)于這里所考慮的晶閘管變流器的逆變器工況僅是實(shí)線所示的晶閘管導(dǎo)通電流。其余在整流器工況中工作的晶閘管用虛線表示。在以下的描述中沒(méi)有另外特別強(qiáng)調(diào)指出的話總是考慮實(shí)線所示的晶閘管。部分變流器2.1及2.2一方面彼此連接，另一方面與以電壓源表示的一個(gè)直流電壓中間回路6的正極或負(fù)極相連接。
以下將圖2中部分變流器2.1的下?lián)Q流組的晶閘管T-及部分變流器2.2的上換流組的晶閘T+稱為“內(nèi)”晶閘管；部分變流器2.1及2.2與直流電壓中間回路端子相連接的換流組的晶閘管T+及T-稱為“外”晶閘管。
關(guān)斷回路1包括作為用于電網(wǎng)每相及用于晶閘管變流器2.1及2.2中每個(gè)橋支路的一個(gè)關(guān)斷晶閘管TL+或TL-。它們用作開(kāi)關(guān)，用于使存儲(chǔ)在關(guān)斷電容CL中的能量反向充電并由此使變流器2.1及2.2中的晶閘管T+或T-關(guān)斷。
該電路結(jié)構(gòu)具有以下特征與三角形連接的繞組3相連的部分變流器2.1的關(guān)斷晶閘管TL+用其陽(yáng)極連接在變流器的相端子上。其陰極構(gòu)成一個(gè)第一公共節(jié)點(diǎn)。在第二部分變流器2.2上關(guān)斷晶閘管TL-的陰極和陽(yáng)極互換，即該關(guān)斷晶閘管的陽(yáng)極構(gòu)成一個(gè)第二公共節(jié)點(diǎn)。在這兩個(gè)公共節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置了所述的關(guān)斷電容CL。此外在第一及第二公共節(jié)點(diǎn)及關(guān)斷電容CL的端子之間各插入一個(gè)關(guān)斷電感LL1及LL2。與第一公共節(jié)點(diǎn)連接的關(guān)斷電感LL1與關(guān)斷電容CL的公共連接點(diǎn)這時(shí)一方面經(jīng)過(guò)第一續(xù)流二極管DF1及第一續(xù)流電阻RF1的串聯(lián)支路與直流電壓中間回路6的正極相連接，及另一方面經(jīng)過(guò)第一反充電電阻RL1與直流電壓中間回路6的負(fù)極相連接。與第二公共節(jié)點(diǎn)連接的關(guān)斷電路LL2及關(guān)斷電容CL的公共連接點(diǎn)則是一方面經(jīng)過(guò)第二續(xù)流二極管DF2及第二續(xù)流電阻RF2的串聯(lián)支路與直流電壓中間回路6的負(fù)極相連接及另一方面經(jīng)過(guò)第二反充電電阻RL2與直流電壓中間回路6的正極相連接。在變流器2.1及2.2的中間回路端子之間可設(shè)置平波電感LD1及LD2。
該電路的功能如下在變流器的正常逆變器工況中，關(guān)斷電容器CL通過(guò)反充電電阻RL1及RL2充電到負(fù)的中間回路電壓(-UD)。關(guān)斷晶閘管TL+/-及續(xù)流二極管DF1，DF2被阻斷。如果在逆變器工況中通過(guò)例如逆變器顛覆檢測(cè)器檢測(cè)到一個(gè)換流失敗，則控制部分發(fā)出一個(gè)通常為200ms的短觸發(fā)脈沖指令給所有的六個(gè)關(guān)斷晶閘管TL+及TL-。同時(shí)不但使晶閘管變流器2.1及2.2也使直流電壓中間回路后面連接的GTO變流器被關(guān)斷。由此就保證了不可能再引起任何新的換流。
通過(guò)所有關(guān)斷晶閘管的觸發(fā)，電流很快地從變流器2.1及2.2的“內(nèi)”晶閘管T-及T+換流到關(guān)斷回路的電流路徑TL+-LL1-CL-LL2-TL-中。關(guān)斷回路除電感LL1及LL2以外沒(méi)有電感，因此換流過(guò)程相當(dāng)快地進(jìn)行。這時(shí)電感LL1及LL2限制了關(guān)斷晶閘管中的電流上升并使電流上升率調(diào)整到允許的量值dITL/dt＝UDmax/(LL1＋LL2)上。除了很小的放電外，關(guān)斷電容CL的電壓總為值(-UD)。這個(gè)過(guò)程稱為第一關(guān)斷過(guò)程。
直到在變流器2.1及2.2的晶閘管中的電流達(dá)到零時(shí)的時(shí)間tL1可由下式確定tL1≈(LL1+LL2)CL·asin[ILUCL·LCCL]]]>接在這個(gè)過(guò)程后面的是所謂的第二關(guān)斷過(guò)程，其中還在導(dǎo)流的“外”晶閘管及關(guān)斷晶閘管同樣必須關(guān)斷。由于在電感中、尤其是變壓器電感LTr及平波電抗器電感LD1，LD2中存儲(chǔ)的能量及工作的中間回路使通過(guò)關(guān)斷電容的電流上升。電流進(jìn)一步上升的后果是關(guān)斷電容上的電壓UCL反向。一旦該電壓達(dá)到中間回路的電壓值，則續(xù)流支路DF1，RF1及DF2，RF2自動(dòng)地導(dǎo)流，并避免了關(guān)斷電容的過(guò)充電。該電容器過(guò)充電的值將通過(guò)續(xù)流電阻RF1，RF2的大小來(lái)控制。剩余的電流現(xiàn)在一方面通過(guò)部分變流器2.1的外晶閘管T+，關(guān)斷晶閘管TL+，LL1及第一續(xù)流支路(DF1，RF1)，另一方面經(jīng)過(guò)部分變流器2.2的外晶閘管T-，關(guān)斷晶閘管TL-，LL2及第二續(xù)流支路(DF2，RF2)流動(dòng)。很小一部分電流流過(guò)CL。
在續(xù)流支路導(dǎo)流后通過(guò)關(guān)斷電容的電流呈指數(shù)地衰減。該電流將由電網(wǎng)疊加了一個(gè)50Hz的振蕩波。由于該振蕩將強(qiáng)制進(jìn)行到電流過(guò)零點(diǎn)。由于該電流過(guò)零，使所有的還導(dǎo)通的晶閘管(變流器晶閘管及關(guān)斷晶閘管)關(guān)斷。由此也使第二關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。
在第二關(guān)斷過(guò)程后又將自動(dòng)地形成再關(guān)斷的準(zhǔn)備，這時(shí)電容器CL通過(guò)反向充電電阻RL1及RL2重新自動(dòng)地反向充電到負(fù)的中間回路電壓(-UD)。
在圖3中表示可用于b脈沖電路的一種集中關(guān)斷回路的等效電路。其工作原理實(shí)際上與12脈沖的情況相同。該電路實(shí)質(zhì)上相應(yīng)于12脈沖電路的上半部分，其中的三個(gè)關(guān)斷晶閘管TL-及下續(xù)流支路DF2，RF2由單個(gè)關(guān)斷晶閘管TL-取代。當(dāng)然電網(wǎng)4也可接成三角形連接。
本發(fā)明雖然是借助鐵道供電網(wǎng)連接來(lái)描述的，但它并不局限在這類電路上，而實(shí)際上可普遍地用在與直流電壓中間回路連接的各種類型的晶閘管變流器上。
權(quán)利要求
1.用于一種裝有晶閘管(T+，T-)的變流器(2；2.1，2.2)的集中關(guān)斷回路(1)，該變流器一方面通過(guò)具有確定變壓器電感(LTr)的變壓器(7)與一個(gè)交流電壓電網(wǎng)(4)相連接，及另一方面與一個(gè)直流電壓中間回路(6)相連接，其中該集中關(guān)斷回路包括至少一個(gè)關(guān)斷晶閘管(TL+，TL-)，其特征在于關(guān)斷晶閘管與變壓器(7)相連接并設(shè)置了一個(gè)用于接收儲(chǔ)存在尤其是變壓器電感及可能具有的另外電感中的能量的續(xù)流支路(RF，DF；RF1，RF2，DF1，DF2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的集中關(guān)斷回路，其特征在于續(xù)流支路包括一個(gè)續(xù)流電阻(RF；RF1，RF2)及一個(gè)續(xù)流二極管(DF；DF1，DF2)的串聯(lián)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的集中關(guān)斷回路，其特征在于電網(wǎng)(4)為多相的及對(duì)于每相設(shè)置了一個(gè)關(guān)斷晶閘管(TL+)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的集中關(guān)斷回路，其特征在于(b)電網(wǎng)(4)及變壓器(7)是多相的及關(guān)斷晶閘管的陽(yáng)極與變壓器的每一相形成連接；(c)關(guān)斷晶閘管(TL+)的陰極形成一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)，該公共節(jié)點(diǎn)一方面經(jīng)過(guò)續(xù)流電阻(RF)及續(xù)流二極管(DF)的串聯(lián)電路與直流電壓中間回路(6)的正極相連接，及另一方面與一個(gè)關(guān)斷電容(CL)相連接，其中關(guān)斷電容經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)(S)與直流電壓中間回路的負(fù)極相連接；及(d)關(guān)斷電容與關(guān)斷晶閘管的陰極節(jié)點(diǎn)的公共連接點(diǎn)經(jīng)過(guò)一個(gè)第一反向充電電阻(RL1)與直流電壓中間回路(6)的負(fù)極相連接，及關(guān)斷電容與開(kāi)關(guān)的公共連接點(diǎn)經(jīng)過(guò)一個(gè)第二反向充電電阻(RL2)與直流電壓中間回路(6)的正極相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3的集中關(guān)斷回路，其特征在于(a)第一變流器(2)構(gòu)成12脈沖串聯(lián)電路并包括一個(gè)第一部分變流器(2.1)及一個(gè)第二部分變流器(2.2)；(b)變壓器(7)包括接成三角形的第一次邊繞組(3)及接成星形的第二繞組(5)，其中第一部分變流器(2.1)與第一繞組及第二部分變流器(2.2)與第二繞組相連接；(c)對(duì)于第一及第二繞組的每相設(shè)有一個(gè)關(guān)斷晶閘管(TL+及TL-)，其中與第一部分變流器(2.1)及與接成三角形連接的繞組相連接的那些關(guān)斷晶閘管(TL+)的陰極形成第一公共節(jié)點(diǎn)，和與第二部分變流器(2.2)及與接成星形連接的第二繞組相連接的那些關(guān)斷晶閘管(TL-)的陽(yáng)極形成第二公共節(jié)點(diǎn)；(d)第一及第二公共節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)關(guān)斷電容(CL)彼此相連接；(e)關(guān)斷電容(CL)及第一公共節(jié)點(diǎn)一方面經(jīng)過(guò)一個(gè)第一續(xù)流二極管(DF1)及一個(gè)第一續(xù)流電阻(RF1)的串聯(lián)電路與直流電壓中間回路的正極相連接，及另一方面經(jīng)過(guò)一個(gè)第一反向充電電阻(RL1)與直流電壓中間回路的負(fù)極相連接；(f)關(guān)斷電容(CL)及第二公共節(jié)點(diǎn)一方面經(jīng)過(guò)一個(gè)第二續(xù)流二極管(DF2)及一個(gè)第二續(xù)流電阻(RF2)的串聯(lián)電路與直流電壓中間回路的負(fù)極相連接，及另一方面經(jīng)過(guò)一個(gè)第二反向充電電阻(RL2)與直流中間回路的正極相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的集中關(guān)斷回路，其特征在于在第一、第二公共節(jié)點(diǎn)及關(guān)斷電容之間各設(shè)置了一個(gè)關(guān)斷電感(LL1，LL2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6的集中關(guān)斷回路，其特征在于變流器(2)或第一和第二部分變流器(2.1，2.2)各經(jīng)過(guò)一個(gè)平波電抗器(LD1，LD2)與直流電壓中間回路(6)相連接。
8.交流電流變換器，它具有一個(gè)由晶閘管構(gòu)成的第一變流器(2)及一個(gè)由可關(guān)斷功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)構(gòu)成的第二變流器，其中第一變流器經(jīng)過(guò)一個(gè)變壓器(7)與第一交流電壓電網(wǎng)(4)相連接，及第二變流器與第二交流電壓電網(wǎng)相連接，和其中在第一變流器(2)及第二變流器之間設(shè)有一個(gè)直流電壓中間回路，其特征在于；對(duì)于第一變流器(2)設(shè)置了一個(gè)根據(jù)以上權(quán)利要求所述的集中關(guān)斷回路。
全文摘要
本發(fā)明給出一種用于晶閘管變流器的集中關(guān)斷回路。該集中關(guān)斷回路尤其適用于交流電流變換器例如鐵道供電網(wǎng)的連接。關(guān)斷晶閘管直接地與變壓器次邊繞組相連接。此外設(shè)有一個(gè)專門(mén)的續(xù)流支路，在尤其是變壓器電感中或另外可能具有的電感中存儲(chǔ)的能量可通過(guò)該續(xù)流支路導(dǎo)出。其優(yōu)點(diǎn)在于，所有變流器晶閘管能可靠地、無(wú)專門(mén)準(zhǔn)備地被關(guān)斷，因?yàn)樵摷嘘P(guān)斷回路能自動(dòng)地作好再關(guān)斷的準(zhǔn)備。此外通過(guò)專設(shè)的續(xù)流支路可避免過(guò)電壓。
文檔編號(hào)H02M7/155GK1154594SQ9612201
公開(kāi)日1997年7月16日 申請(qǐng)日期1996年10月22日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月25日
發(fā)明者P·達(dá)勒, O·高普, G·O·林霍弗, C·舒迪 申請(qǐng)人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司