專利名稱：用于把正弦電流饋入到交流網(wǎng)絡(luò)的變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變換器，用于把正弦電流饋入到一個(gè)交流網(wǎng)絡(luò)或者一個(gè)公共供電網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)于這種變換器，幾乎都是把電源開(kāi)關(guān)配置于三相橋中，如

圖1所示。這樣的變換器由直流/電壓源產(chǎn)生U、V和W相的多相交變電流。由于電源開(kāi)關(guān)T1-T6的逆平行連接，如圖1所示，利用合適的二極管，四象限的操作模式是有可能的，因此，可以以很高的萬(wàn)能方式使用這樣的變換器電路。
這種變換器的缺點(diǎn)是，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)如T1和T2出現(xiàn)交叉短路的情況下會(huì)有非常高的能量流發(fā)生，這往往會(huì)導(dǎo)致毀壞整個(gè)變換器，并有可能導(dǎo)致火災(zāi)突發(fā)，并因此而最終導(dǎo)致毀壞整個(gè)裝置的所有連接的部件。另一個(gè)缺點(diǎn)是隨著直流電壓的增加，相應(yīng)的部件也必須不斷提高性能，但這僅在使用非常昂貴的部件時(shí)才有可能。
本發(fā)明的目的是提高變換器抗短路的能力，并且同時(shí)避免上面提到的缺點(diǎn)，并且尤其是盡可能避免采用非常昂貴的部件。
按照本發(fā)明，上述目標(biāo)可以通過(guò)采用具有符合權(quán)利要求1至3中任一個(gè)的特征的變換器來(lái)達(dá)到，在所附的權(quán)利要求中提出了有益的改進(jìn)。
本發(fā)明是基于實(shí)現(xiàn)這樣一種狀況，即僅有一個(gè)單一電路或開(kāi)關(guān)單元被用于產(chǎn)生一個(gè)正弦振蕩的半周振蕩，因此，為了產(chǎn)生一個(gè)正弦振蕩的正半周振蕩，及為了產(chǎn)生正弦電流的負(fù)半部份，使用了不同的電路或開(kāi)關(guān)單元，其結(jié)果是用于產(chǎn)生正弦電流的正半周振蕩以及負(fù)半周振蕩的開(kāi)關(guān)單元被彼此分離開(kāi)，并且僅通過(guò)公用的電流抽頭連接在一起，其中，一個(gè)開(kāi)關(guān)部分中電流的產(chǎn)生不可能包括其它開(kāi)關(guān)部分中的相互作用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)在電流抽頭路徑中的一個(gè)開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)部分相對(duì)于其它的開(kāi)關(guān)部分被得以保護(hù)。
將變換器的正弦輸出電流分成一個(gè)正半周和負(fù)半周振蕩，就提供了向用于正和負(fù)半周振蕩的兩個(gè)開(kāi)關(guān)部分共享直流電壓源的可能性。因此，變換器中產(chǎn)生正半周振蕩的的該部分可以以直流電壓運(yùn)行，例如Ud1＝660伏，以及變換器中產(chǎn)生正弦電流的負(fù)半周振蕩的開(kāi)關(guān)部分也可以以直流電壓運(yùn)行，例如Ud2＝660伏，因此，整個(gè)直流電壓于是給出各自的直流電壓之雙倍，即1320伏。這樣，在使用為660伏直流電壓設(shè)計(jì)的部件時(shí)，結(jié)果導(dǎo)致該變換器具有雙倍的功率輸出。
該變換器的各自開(kāi)關(guān)單元的輸出感應(yīng)在例如正電流成分期間是利用部分的直流電壓Ud1起作用的，而不是利用整個(gè)直流電壓Ud1+Ud2。這就會(huì)節(jié)省材料和成本。由于使用單個(gè)的開(kāi)關(guān)單元產(chǎn)生正弦振蕩的半周振蕩，用于不同的半周振蕩的開(kāi)關(guān)單元也可以在空間上彼此遠(yuǎn)距離分開(kāi)配置，這樣在整體上會(huì)改善該變換器和開(kāi)關(guān)裝置之所有部件的安全性與可靠性，并且還可以在其所含空間方面大大地簡(jiǎn)化其配置。按照本發(fā)明的本變換器的設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸出軛流的感應(yīng)以及為此目的而所需的部件成本可以減半。
以下通過(guò)在附圖中說(shuō)明的實(shí)施例詳細(xì)地描述本發(fā)明。
圖1為一個(gè)已知的變換器的基本原理圖；圖2為用于正弦輸出電流的正半周振蕩的開(kāi)關(guān)部分結(jié)構(gòu)圖；圖3為用于正弦輸出電流的負(fù)半周振蕩的開(kāi)關(guān)部分結(jié)構(gòu)圖；圖4表示利用在圖2和圖3中的開(kāi)關(guān)T1，S1，T2，S2并相對(duì)于正弦輸出電流的時(shí)間圖；圖5表示按照本發(fā)明的三相變換器的一種電路圖；圖6表示說(shuō)明如圖2和3所示的多個(gè)開(kāi)關(guān)部分的互連以產(chǎn)生三相交變電流的基本原理的電路圖，以及圖7表示用于單相的變換器的電路圖；圖2表示用于從直流電壓Ud產(chǎn)生交流的正半部分或三相網(wǎng)絡(luò)電流的開(kāi)關(guān)單元1或一個(gè)橫向分支的電路圖。開(kāi)關(guān)單元1包括作為第一開(kāi)關(guān)的一個(gè)功率晶體管T1，如IGBT(絕緣柵型雙極晶體管)或GTO(閘門(mén)電路斷開(kāi)半導(dǎo)體閘流管)以及一個(gè)二極管D1，該二極管D1與電源開(kāi)關(guān)T1串行連接到直流電壓端子。用于輸出電流的電流抽頭介于電源開(kāi)關(guān)T1與二極管D1之間，布置在該電流抽頭內(nèi)是第二開(kāi)關(guān)S1，該開(kāi)關(guān)S1依次與一個(gè)輸出電感器L1串行連接。圖3是利用與圖2中所示的電路相反的電路結(jié)構(gòu)按照基本原理表示用于產(chǎn)生該交流或三相網(wǎng)絡(luò)電流的負(fù)半周的開(kāi)關(guān)單元的電路圖。
圖4是表示利用在圖2和3中所示的開(kāi)關(guān)單元1和2的正弦輸出電流的時(shí)間圖，這里所示的是關(guān)于電源開(kāi)關(guān)T1和T2的時(shí)間的導(dǎo)通行為，以及布置在電流抽頭內(nèi)的開(kāi)關(guān)S1和S2的導(dǎo)通與關(guān)斷行為。在正弦電流的正半波期間(如圖4的左上側(cè))，在規(guī)定的循環(huán)模式內(nèi)只有電源開(kāi)關(guān)T1被導(dǎo)通和斷開(kāi)，同時(shí)電源開(kāi)關(guān)T2在該階段被斷開(kāi)。在產(chǎn)生正弦電流的正半波期間，在電流抽頭內(nèi)的開(kāi)關(guān)S1被導(dǎo)通(關(guān)閉)，同時(shí)該電流抽頭中的、用于負(fù)半波的另一個(gè)開(kāi)關(guān)S2被斷開(kāi)(打開(kāi))。通過(guò)電源開(kāi)關(guān)T1的打開(kāi)與關(guān)閉狀態(tài)的循環(huán)操作以及二極管D1的作用就可以產(chǎn)生一個(gè)‘鋸齒波’正弦電流。在產(chǎn)生正弦電流的負(fù)半波期間，其情況與正弦電流的正半周波的產(chǎn)生正好相反。在產(chǎn)生負(fù)半波時(shí)，開(kāi)關(guān)S1被斷開(kāi)，同時(shí)電源開(kāi)關(guān)T1按照規(guī)定的循環(huán)操作模式導(dǎo)通、斷開(kāi)，且開(kāi)關(guān)S2總是導(dǎo)通。在正弦波的最大電流區(qū)域，電源開(kāi)關(guān)T1和T2各自被導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)于在低電流值的區(qū)域的導(dǎo)通時(shí)間，尤其是長(zhǎng)于零通道區(qū)域(the region ofthe zero-passage)。
圖5和6給出了在圖2和3中所示的多個(gè)開(kāi)關(guān)單元的互連，以建立一個(gè)按照本發(fā)明的、用于產(chǎn)生三相交變電流的變換器。兩圖中所示電路的區(qū)別在于在圖6中用于產(chǎn)生輸出電流的負(fù)半周振蕩的開(kāi)關(guān)部分與用于產(chǎn)生輸出電流的正半周振蕩的開(kāi)關(guān)部分是分開(kāi)配置的。從這方面講，分開(kāi)的配置也表示這些開(kāi)關(guān)部分在不同的空間并且僅通過(guò)它們的公用電流抽頭進(jìn)行連接。用于產(chǎn)生正半波的開(kāi)關(guān)單元連接到直流電壓端子+Ud1和-Ud1。用于產(chǎn)生正弦電流的負(fù)半波的開(kāi)關(guān)部分連接到直流電壓端子+Ud2和-Ud2。
圖1給出一種已知的變換器電路圖，它是利用電源開(kāi)關(guān)與二極管的逆平行連接可以進(jìn)行四象限操作模式，因此可以作為一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置以高通用方式使用，但在兩個(gè)開(kāi)關(guān)如T1和T2交叉短路的情況下，也包含有非常高的硬短路危險(xiǎn)，這將導(dǎo)致?lián)p壞整個(gè)變換器并可能引起火災(zāi)，從而導(dǎo)致連接到其上的整個(gè)裝置之所有部件的完全損壞。為了產(chǎn)生輸出電流的正半波，該已知的變換器可以提供開(kāi)關(guān)T1和T2連續(xù)地導(dǎo)通與斷開(kāi)。與如圖5和6所示的按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)相對(duì)比，對(duì)于半波來(lái)說(shuō)，這意味著在半波期間T1和T2要被連續(xù)地導(dǎo)通與斷開(kāi)多次，從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看已明顯地增加了交叉短路的概率。
圖7針對(duì)三相中的一相給出了用于輸出電流的正半周振蕩的開(kāi)關(guān)部分與用于輸出電流的負(fù)半周的開(kāi)關(guān)部分的互連。
在原理上，由于分開(kāi)電流分支、在各個(gè)開(kāi)關(guān)單元的互連中正和負(fù)交叉分支(cross-branches)(見(jiàn)圖2至7)，從而防止了硬短路，見(jiàn)圖5至7。如果即便如此，在不同的開(kāi)關(guān)部分中的電源開(kāi)關(guān)還會(huì)發(fā)生有缺陷的電源開(kāi)關(guān)操作，則它們不僅通過(guò)電感器L1’-L6’，L1-L6互相去耦和保護(hù)，而且短路也肯定不會(huì)發(fā)生，這是因?yàn)檫@樣的事實(shí)即布置在電流抽頭上的開(kāi)關(guān)S1-S6可以防止由于它們以相反的關(guān)系被導(dǎo)通和斷開(kāi)而使一個(gè)分支對(duì)另一個(gè)分支產(chǎn)生相互影響。如圖2至圖7所示的變換器，其設(shè)計(jì)使得構(gòu)成包含極高能功率的變換器成為可能。在兩個(gè)互連開(kāi)關(guān)單元的電流抽頭之間的去耦軛流L1’-L6’可以同時(shí)用作高頻軛流并且也可以用作dU/dt-衰減的濾波器，這表明在電源開(kāi)關(guān)T1-T6之后虛假發(fā)射已經(jīng)被急劇地直接衰減了。
上面描述的變換器尤其適用于風(fēng)力變換器(wind powerconverter)或者另外一種產(chǎn)生直流電(如太陽(yáng)能裝置)的電力發(fā)電機(jī)。對(duì)于風(fēng)力變換器，該發(fā)電機(jī)通常產(chǎn)生一個(gè)直流電或該發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)交變電流，但是該交變電流必須再被整流以便可以被上面描述的變換器轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)電流/電壓。為了產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于輸出電流的精確的正弦形狀，如果電源開(kāi)關(guān)T1(相對(duì)于正半波)和T2(相對(duì)于負(fù)半波)分別在零通道中的導(dǎo)通與斷開(kāi)頻率能大大地高于在電流最大的區(qū)域，將是非常有利的。在電流最大的區(qū)域，電源開(kāi)關(guān)T1與T2的導(dǎo)通/斷開(kāi)頻率分別大約是100Hz(如在100-600Hz的范圍內(nèi))，而在零通道區(qū)域，電源開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與斷開(kāi)頻率是其它的頻率(如5-18kHz)。
權(quán)利要求
1.一種將正弦電流饋入到交流網(wǎng)絡(luò)的變換器，包括a)開(kāi)關(guān)單元(1)，該單元產(chǎn)生該網(wǎng)絡(luò)電流之正的部分；b)該開(kāi)關(guān)單元具有第一開(kāi)關(guān)(T1，T3，T5)和一個(gè)與其串連的二極管(D1，D3，D5)，電流抽頭位于第一開(kāi)關(guān)(T1，T3，T5)與二極管(D1，D3，D5)之間；以及c)在該電流抽頭上布置一個(gè)第二開(kāi)關(guān)(S1，S3，S5)，該開(kāi)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)電流之正的部分產(chǎn)生期間被打開(kāi)。
2.一種將正弦電流饋入到一個(gè)交流網(wǎng)絡(luò)的變換器，包括a)開(kāi)關(guān)單元(2)，該單元產(chǎn)生該網(wǎng)絡(luò)電流之負(fù)的部分；b)該開(kāi)關(guān)單元具有第三開(kāi)關(guān)(T2，T4，T6)和一個(gè)與其串連的二極管(D2，D4，D6)，電流抽頭位于該開(kāi)關(guān)(T2，T4，T6)與該二極管(D2，D4，D6)之間；以及c)在該電流抽頭上布置一個(gè)第四開(kāi)關(guān)(S2，S4，S6)，該開(kāi)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)電流之負(fù)的部分產(chǎn)生期間被打開(kāi)。
3.按照權(quán)利要求1或2的將正弦電流饋入到一個(gè)交流網(wǎng)絡(luò)的變換器，其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)單元(1，2)是以相互并聯(lián)的關(guān)系連接的。
4.一種按照前述任一權(quán)利要求的變換器，其中耦合電感器L1’-L6’設(shè)置在電流抽頭內(nèi)。
5.一種按照前述任一權(quán)利要求的變換器，其中為了產(chǎn)生三相電流，至少提供各自連接在一起的三個(gè)第一開(kāi)關(guān)單元和三個(gè)第二開(kāi)關(guān)單元。
6.一種按照前述任一權(quán)利要求的變換器，其中第一開(kāi)關(guān)單元與第二開(kāi)關(guān)單元是在空間上彼此分開(kāi)地構(gòu)成的。
7.一種按照前述任一權(quán)利要求的變換器，其中，為了產(chǎn)生正弦振蕩的半周振蕩，僅有開(kāi)關(guān)單元(1，2)的第一或第二開(kāi)關(guān)(T1，T2)各自多次地導(dǎo)通與斷開(kāi)。
8.一種按照前述任一權(quán)利要求的變換器，其中在電流抽頭內(nèi)的開(kāi)關(guān)是半導(dǎo)體晶閘管，且最好是GTO或IGBT型的。
9.一種按照前述任一權(quán)利要求的變換器，其中，在電流抽頭內(nèi)的第二(或第四)開(kāi)關(guān)僅當(dāng)在該電流抽頭路徑內(nèi)的第四(或第二)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)被打開(kāi)。
10.一種按照前述任一權(quán)利要求的變換器，其中，多個(gè)第一和第二開(kāi)關(guān)單元是通過(guò)它們的電流抽頭連接在一起的，以提供三相電流網(wǎng)絡(luò)的單相(U，V，W)之電流。
11.一種具有按照前述任一權(quán)利要求的變換器的風(fēng)力轉(zhuǎn)換器或產(chǎn)生直流電的另一個(gè)發(fā)電裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將正弦電流饋入到交流網(wǎng)絡(luò)的變換器,其目的是提高抗短路的能力和降低短路的危險(xiǎn)。本發(fā)明是基于實(shí)現(xiàn)了僅使用單個(gè)開(kāi)關(guān)單元產(chǎn)生正弦振蕩的半周振蕩。因此,為產(chǎn)生正弦振蕩的正半周振蕩,使用了與產(chǎn)生負(fù)半周振蕩不同的開(kāi)關(guān)單元,其結(jié)果是在產(chǎn)生正半周振蕩期間僅有開(kāi)關(guān)單元的一個(gè)開(kāi)關(guān)被循環(huán)或激勵(lì),而在產(chǎn)生正弦電流的負(fù)半周振蕩期間是另一個(gè)開(kāi)關(guān)工作,兩個(gè)開(kāi)關(guān)間的短路危險(xiǎn)被分別降低到從正半周振蕩變化到負(fù)半周振蕩的時(shí)刻或從負(fù)變化到正的時(shí)刻。
文檔編號(hào)H02M7/48GK1320296SQ99811386
公開(kāi)日2001年10月31日 申請(qǐng)日期1999年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月24日
發(fā)明者阿洛伊斯·沃貝恩 申請(qǐng)人:阿洛伊斯·沃貝恩