專利名稱：：用于轉(zhuǎn)換電流的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于轉(zhuǎn)換電流的裝置，具有至少一個(gè)相模塊，該相模塊具有交流電壓接頭和至少一個(gè)直流電壓接頭，其中，在每個(gè)直流電壓接頭和交流電壓接頭之間形成相模塊支路，并且其中，每個(gè)相模塊支路具有由子模塊組成的串聯(lián)電路，這些子模塊分別具有儲(chǔ)能器和至少一個(gè)功率半導(dǎo)體，并且具有用于調(diào)節(jié)所述裝置的調(diào)節(jié)裝置。
背景技術(shù)：
：這樣的裝置例如在A.Lesnicar和R.Marquardt在Powertech2003上發(fā)表的文章"AnInnovativeModularMultilevelConverterTopologySuitableforaWidePowerRange"中已經(jīng)公開(kāi)。在那里公開(kāi)了一種用于連接到交流電網(wǎng)而設(shè)置的變流器。該變流器對(duì)于要與其相連的交流電網(wǎng)的每一相具有一個(gè)相模塊，其中每個(gè)相模塊具有一個(gè)交流電壓接頭以及兩個(gè)直流電壓接頭。相模塊支路在每個(gè)直流電壓接頭和交流電壓接頭之間延伸，從而提供所謂的6脈波橋式電路。模塊支路由子模塊的串聯(lián)電路組成，這些子模塊分別由兩個(gè)分別并聯(lián)連接了反向空程二極管的可關(guān)斷功率半導(dǎo)體組成。可關(guān)斷功率半導(dǎo)體和空程二極管串聯(lián)連接，其中與所述串聯(lián)電路并聯(lián)設(shè)置一個(gè)電容器。子模塊的所述組件這樣互相連接，使得在每個(gè)子模塊的二極的輸出端上降落或者電容器電壓或者零電壓。借助所謂的脈寬調(diào)制來(lái)進(jìn)行對(duì)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體的控制。用于控制功率半導(dǎo)體的調(diào)節(jié)裝置具有用于采集電流以獲得電流值的測(cè)量傳感器。電流值被提供到具有輸入接口和輸出接口的中央控制單元。在輸入接口和輸出接口之間設(shè)置了調(diào)制器，也就是軟件程序。調(diào)制器除了別的之外還具有選擇單元以及脈沖寬度發(fā)生器。脈沖寬度發(fā)生器產(chǎn)生用于單個(gè)子模塊的控制信號(hào)?？申P(guān)斷功率半導(dǎo)體通過(guò)由脈沖寬度發(fā)生器產(chǎn)生的控制信號(hào)從導(dǎo)通狀態(tài)(在該導(dǎo)通狀態(tài)中電流可以流經(jīng)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)(在該截止?fàn)顟B(tài)流經(jīng)過(guò)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體的電流被中斷)。在此，每個(gè)子模塊具有用于采集在電容器上降落的電壓的子模塊傳感器。用于所謂的多級(jí)變流器拓樸結(jié)構(gòu)的控制方法的其它文章在R.Marquardt,A.Lesnicar，J.Hildinger發(fā)表于ETG-FachtagunginBadNauenheim，Deutschland2002的"ModularesStromrichterkonzeptfUrNetzkupplungsanwendungbeihohenSpannungen"，A.Lesnicar,R.Marquarde的"Anewmodularvoltagesourceinvertertopology",EPE，03Toulouse,Frankreich2003，以及R.Marquardt,A.Lesnicar的"NewConceptforHighVoltage-ModularMultilevelConverter",PESC2004ConferenceinAachen,Deutschland中公開(kāi)。在目前尚未公布的德國(guó)專利申請(qǐng)102005045090.3中公開(kāi)了一種用于控制具有分布的儲(chǔ)能器的多相變流器的方法。公開(kāi)的裝置同樣具有帶有相模塊的多級(jí)變流器拓樸結(jié)構(gòu)，這些相模塊具有一個(gè)在每個(gè)相模塊的中間對(duì)稱設(shè)置的交流電壓接頭和兩個(gè)直流電壓接頭。每個(gè)相模塊由兩個(gè)在所述交流電壓接頭和所述直流電壓接頭中的一個(gè)之間延伸的相模塊支路組成。每個(gè)相模塊支路又包括由子模塊組成的串聯(lián)電路，其中每個(gè)子模塊由可關(guān)斷功率半導(dǎo)體和與之反并聯(lián)連接的空程二極管組成。此外每個(gè)子模塊還具有一個(gè)單極的電容器。調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)功率半導(dǎo)體，該調(diào)節(jié)裝置也被用來(lái)調(diào)整在相模塊之間流過(guò)的支路電流。通過(guò)控制支路電流例如可以主動(dòng)地衰減電流波動(dòng)并且避免較小輸出頻率的運(yùn)行稱。相模塊的子模塊分別產(chǎn)生離散的輸出電壓，從而在相模塊之間不相同的電壓比例情況下會(huì)引起單個(gè)相模塊之間的回路電流。該回路電流除了取決于接通頻率(功率半導(dǎo)體以該接通頻率接通)之外，還取決于施加的電壓相對(duì)于電流路徑內(nèi)部的電感的比。在低于200Hz的低的接通頻率情況下回路電流在小的電感情況下在調(diào)節(jié)技術(shù)上幾乎是不可控制的并且不能避免。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種本文開(kāi)頭部分提到種類的裝置，利用該裝置可以有針對(duì)地控制并且減少回路電流。上述技術(shù)問(wèn)題按照本發(fā)明如下地解決每個(gè)相模塊具有至少一個(gè)電感，其中將調(diào)節(jié)裝置設(shè)置用于調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)相模塊流過(guò)的回路電流。按照本發(fā)明每個(gè)相模塊具有至少一個(gè)電感。如下設(shè)置這些電感，使得可以通過(guò)調(diào)節(jié)裝置有針對(duì)地調(diào)節(jié)回路電流。換言之，這些電感與各個(gè)出現(xiàn)的條件，如施加的直流電壓、施加的交流電壓等等匹配。所述調(diào)節(jié)預(yù)先給出期望的回路電壓額定值，該回路電壓額定值作為額定值、例如所涉及的相模塊支路的其它額定電壓被應(yīng)用于關(guān)聯(lián)的相模塊支路的調(diào)節(jié)中，并且提供期望的回路電流。在此，所述調(diào)節(jié)優(yōu)選地具有電流調(diào)節(jié)單元和對(duì)于每個(gè)相模塊支路具有關(guān)聯(lián)的控制單元。電流調(diào)節(jié)單元僅僅經(jīng)過(guò)控制單元而不是直接地與各個(gè)相模塊支路的子模塊相連。在此，電流調(diào)節(jié)單元例如產(chǎn)生提供給控制單元的支路電壓額定值。控制單元提供控制信號(hào)，這些控制信號(hào)被提供到子模塊的可關(guān)斷功率半導(dǎo)體，從而在關(guān)聯(lián)的相模塊支路的子模塊上降落盡可能精確地對(duì)應(yīng)于支路額定電壓的總電壓。通過(guò)電流調(diào)節(jié)單元(該電流調(diào)節(jié)單元將所述額定值線性地、也就是通過(guò)求和和/或求差互相組合)，將回路電壓額定值應(yīng)用于各個(gè)相模塊支路的其它額定電壓。該線性組合的結(jié)果是分別對(duì)應(yīng)于相模塊支路的支路電壓額定值。因?yàn)槊總€(gè)相模塊支路具有相同的電感，所以提供了對(duì)于調(diào)節(jié)技術(shù)上必要的對(duì)稱。每個(gè)相模塊支路優(yōu)選地經(jīng)過(guò)電感與交流電壓接頭相連。按照該合適的擴(kuò)展，交流電壓接頭設(shè)置在兩個(gè)電感之間。按照與此相關(guān)的合適的擴(kuò)展，相模塊的電感互相耦合。通過(guò)耦合提高了總電感，從而可以相應(yīng)地減小單個(gè)電感的尺寸，也就是電感。4姿照這種方式節(jié)省了成本。換言之，在相模塊中可以采用較小的扼流圈或線圈。此外，通過(guò)耦合達(dá)到的總電感僅對(duì)回路電流并且最多對(duì)相模塊支路電流的直流分量起作用。相反，通過(guò)電感的耦合降低了用于交流側(cè)的相電流的電感。電感的耦合可以經(jīng)由空氣、經(jīng)由鐵芯等進(jìn)行。其它優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方式是以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的描述的內(nèi)容，其中，相同的附圖標(biāo)記指示起相同作用的組件，并且其中圖1以示意圖示出了按照本發(fā)明的裝置的一種實(shí)施例，圖2示出了按照?qǐng)D1的裝置的子模塊的等效電路圖，圖3示出了具有耦合的電感的按照?qǐng)D1的裝置，圖4示出了電感的耦合的放大圖，圖5示出了按照?qǐng)D1的裝置的調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)，以及圖6示出了回路電壓額定值應(yīng)用于調(diào)節(jié)裝置的其它額定值。具體實(shí)施例方式圖1示出了按照本發(fā)明的裝置1的一種實(shí)施例，其由三個(gè)相模塊2a、2b和2c組成。每個(gè)相模塊2a、2b和2c與正的直流電壓導(dǎo)線p以及與負(fù)的直流電壓導(dǎo)線n相連，從而每個(gè)相才莫塊2a、2b、2c具有兩個(gè)直流電壓接頭。此外，對(duì)于每個(gè)相模塊2a、2b和2c分別設(shè)置一個(gè)交流電壓接頭3,、32和33。交流電壓接頭3卜32和33經(jīng)過(guò)變壓器4與三相交流電網(wǎng)5相連。在交流電網(wǎng)5的相上降落相電壓U1、U2和U3，其中流過(guò)電網(wǎng)電流Inl、In2和In3。每個(gè)相才莫塊的交流電壓側(cè)的相電流用II、12和13表示。直流電流是Id。在每個(gè)交流電壓接頭3,、32和33和正的直流電壓導(dǎo)線p之間延伸相才莫塊支路6pl、6p2和6p3。在每個(gè)交流電壓接頭3,、32和33和負(fù)的直流電壓導(dǎo)線n之間形成相模塊支路6nl、6n2和6n3。每條相模塊支路6pl、6p2、6p3、6nl、6n2和6n3由在圖1中未詳細(xì)示出的子模塊的串聯(lián)電路和在圖1中用LKr表示的電感組成。在圖2中通過(guò)等效電路圖詳細(xì)示出了子模塊7的串聯(lián)電路以及特別是子模塊的結(jié)構(gòu)，其中在圖2中僅選取出了相模塊支路6pl。但是其余的相模塊支路是相同構(gòu)建的?？梢钥闯觯總€(gè)子模塊7具有兩個(gè)串聯(lián)連接的可關(guān)斷功率半導(dǎo)體T1和T2?？申P(guān)斷功率半導(dǎo)體例如是所謂的IGBT、GTO、IGCT等。對(duì)于專業(yè)人員來(lái)說(shuō)它們本身是公知的，從而對(duì)此不需詳細(xì)示出。與每個(gè)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體T1、T2反并聯(lián)連接一個(gè)空程二極管Dl、D2。與可關(guān)斷功率半導(dǎo)體T1、T2或者說(shuō)空程二極管Dl和D2的串聯(lián)電路并聯(lián)連接了一個(gè)電容器8作為儲(chǔ)能器。每個(gè)電容器8是單極地充電。在每個(gè)子模塊7的二極的接線端子X(jué)1和X2上此時(shí)可以產(chǎn)生兩個(gè)電壓狀態(tài)。例如，如果控制單元9產(chǎn)生控制信號(hào)，用該控制信號(hào)將可關(guān)斷功率半導(dǎo)體T2轉(zhuǎn)換到其導(dǎo)通狀態(tài)，在該導(dǎo)通狀態(tài)中電流可以經(jīng)過(guò)功率半導(dǎo)體T2流過(guò)，則在子模塊7的端子X(jué)1、X2上降落零電壓。在此，可關(guān)斷功率半導(dǎo)體Tl處于其截止?fàn)顟B(tài)，在該截止?fàn)顟B(tài)中經(jīng)過(guò)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體T1的電流被中斷。這防止了電容器8的放電。如果相反可關(guān)斷功率半導(dǎo)體Tl被轉(zhuǎn)換到其導(dǎo)通狀態(tài)，而可關(guān)斷功率半導(dǎo)體T2被轉(zhuǎn)換到其截止?fàn)顟B(tài)，則在子模塊7的接線端子X(jué)I、X2上施加全電容電壓Uc。根據(jù)圖1和2的按照本發(fā)明的裝置的實(shí)施例也被稱為所謂的多級(jí)變流器。這樣的多級(jí)變流器例如適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，例如馬達(dá)等。此外，這樣的多級(jí)變流器還適用于在能量分配和傳輸領(lǐng)域中的應(yīng)用。按照本發(fā)明的裝置例如用作由兩個(gè)直流電壓側(cè)互相連接的變流器組成的短連接，其中變流器分別與交流電網(wǎng)相連。這樣的短連接被應(yīng)用于在兩個(gè)能量分配網(wǎng)之間的能量交換，其中能量分配網(wǎng)例如具有不同的頻率、相位、中性點(diǎn)聯(lián)結(jié)等等。此外，考慮在無(wú)功功率補(bǔ)償、也就是所謂的FACT(FlexibleACTransmissionSystem，柔性交流傳輸系統(tǒng))領(lǐng)域中的應(yīng)用。也可以考慮利用這樣的多級(jí)變流器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的高壓直流傳輸。電感Ur用于限制經(jīng)過(guò)各個(gè)相模塊流過(guò)的電流并且由此用于子模塊7的可關(guān)斷功率半導(dǎo)體T1、T2和空程二極管D1和D2的過(guò)電流保護(hù)。但是在本發(fā)明的范圍內(nèi)選擇各個(gè)電感為這樣大，使得可以主動(dòng)調(diào)節(jié)在相模塊之間流過(guò)的回路電流。在本發(fā)明的范圍內(nèi)由此需要比足夠用于功率半導(dǎo)體的純保護(hù)更大的電感。此外，就調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)在相模塊支路上的電感的對(duì)稱分布是具有優(yōu)勢(shì)的。圖3示出了按照?qǐng)D1的裝置，但是其中相模塊的電感Lkr互相耦合。由于該耦合，在相同的額定電壓情況下并且在相同的使用條件下這些電感可以比在按照?qǐng)D1的實(shí)施例中的更小。換言之，該耦合產(chǎn)生就其結(jié)構(gòu)大小和其它的實(shí)施方式來(lái)說(shuō)減小為構(gòu)建所需要的扼流圈或線圈的可能性。假定用于磁耦合的耦合系數(shù)為K，對(duì)于回路電流方向上的相模塊支路的有效電感LK得出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中Lt對(duì)應(yīng)于不互相耦合的單個(gè)電感的總和的電感。相模塊支路電流除了包括回路電流，還包括直流分量和在交流電壓接頭3,、32和33和所連接的交流電網(wǎng)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>按照這種方式可以降低回路電流并且將其提供到主動(dòng)的調(diào)節(jié)。該耦合可以經(jīng)由空氣、但是也可以經(jīng)由鐵芯等進(jìn)行。在空心線圈情況下產(chǎn)生直至20%的耦合系數(shù)。除了對(duì)回路電流的衰減之外，耦合的電感還保證相電流在相同的相模塊的相模塊支路上以相同的分量的改進(jìn)的分布。圖5示出了調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)。該調(diào)節(jié)裝置包括電流調(diào)節(jié)單元10以及控制單元9pl、9p2、9p3、9nl、9n2和9113。每個(gè)控制單元對(duì)應(yīng)于相模塊支路6pl、6p2、6p3、6nl、6n2以及6n3?？刂茊卧?pl例如與相模塊支路6pl的每個(gè)子模塊7相連并且產(chǎn)生用于可關(guān)斷功率半導(dǎo)體Tl、T2的控制信號(hào)。在每個(gè)子模塊7中設(shè)置一個(gè)未圖形示出的子模塊電壓傳感器。子模塊電壓傳感器用于采集在作為子模塊7的作為能量存儲(chǔ)器的電容器8上降落的電容器電壓以獲得電容器電壓值Uc。電容器電壓值Uc提供給各自的控制單元，此處為9pl?？刂茊卧?pl由此包含與其關(guān)聯(lián)的相模塊支路6pl的所有子模塊7的電容器電壓值并且將其相加以獲得支路能量實(shí)際值(Zweigenergieistwerte)或者此處是支路電壓實(shí)際值^^>1,其同樣對(duì)應(yīng)于相模塊支路6pl。該支路電壓實(shí)際值f/cZ/7被提供到電流調(diào)節(jié)單元10。此外，電流調(diào)節(jié)單元10與不同的未圖形示出的測(cè)量傳感器相連。在相模塊2a、2b、2c的交流電壓側(cè)設(shè)置的電流互感器用于產(chǎn)生和提供相電流測(cè)量值11、12、13，在每個(gè)相模塊上設(shè)置的電流互感器用于產(chǎn)生和提供相模塊支路電流Izwg，以及在變流器的直流電壓回路中設(shè)置的電流互感器用于提供直流電流測(cè)量值Id。交流電網(wǎng)的電壓互感器提供電網(wǎng)電壓測(cè)量值U1、U2、U3,直流電壓互感器提供正的直流電壓測(cè)量值Udp以及負(fù)的直流電壓測(cè)量值Udn，其中，正的直流電壓測(cè)量值Udp對(duì)應(yīng)于在正的直流電壓接頭p和地之間降落的直流電壓，負(fù)的直流電壓測(cè)量值Udn對(duì)應(yīng)于在負(fù)的直流電壓接頭p和地之間降落的電壓。此外，還將額定值提供到電流調(diào)節(jié)單元10。在圖5中示出的實(shí)施例中有功電流額定值Ipref以及無(wú)功電流額定值Iqref被提供到調(diào)節(jié)單元10。此外，直流電壓額定值Udref施加在電流調(diào)節(jié)單元10的輸入端上。替代直流電壓額定值Udref,在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以使用直流電流額定值Idref。額定值Ipref、Iqref和Udref以及所述測(cè)量值在采用不同的調(diào)節(jié)器的條件下互相影響，其中，對(duì)于每個(gè)控制單元9pl、9p2、9p3、9nl、9n2和9n3產(chǎn)生一個(gè)支路電壓額定值Uplref、Up2ref、Up3ref、Unlref、Un2ref、Un3ref。每個(gè)控制單元9產(chǎn)生用于與其關(guān)聯(lián)的子模塊7的控制信號(hào)，從而在子模塊的串聯(lián)電路上降落的電壓Upl、Up2、Up3、Unl、Un2、Un3盡可能對(duì)應(yīng)于各個(gè)支路電壓額定值Uplref、Up2ref、Up3ref、Unlref、Un2ref、Un3ref。電流調(diào)節(jié)單元10從其輸入值中形成合適的支路電壓額定值Uplref、Up2ref、Up3ref、Unlref、Un2ref、Un3ref。圖6示出了，例如通過(guò)電網(wǎng)相電壓額定^直Unetzl、支3各電壓中間額定值Uzwgpl、直流電壓額定〗直Udc、對(duì)稱電壓額定值Uasym以及平tf電壓額定值Ubalpl的線性組合來(lái)計(jì)算支路電壓額定值Upref。這點(diǎn)對(duì)于每一個(gè)相模塊支路6pl、6p2、6p3、6nl、6n2、6n3互相獨(dú)立地進(jìn)4亍。利用支^各電壓中間額定值Uzwg可以結(jié)合被調(diào)整的支路電感有針對(duì)地調(diào)整回路電流。平衡電壓額定值Ubal也用于平衡在相模塊支路6pl、6p2、6p3、6nl、6n2、6n3中存儲(chǔ)的能量的不對(duì)稱。權(quán)利要求1.一種用于轉(zhuǎn)換電流的裝置(1)，具有至少一個(gè)相模塊(2a，2b，2c)，該相模塊具有交流電壓接頭(31，32，33)和至少一個(gè)直流電壓接頭(p，n)，其中，在每個(gè)直流電壓接頭(p，n)和所述交流電壓接頭(31，32，33)之間形成相模塊支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，并且其中，每個(gè)相模塊支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)具有由子模塊(7)組成的串聯(lián)電路，這些子模塊分別具有儲(chǔ)能器(8)和至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(T1，T2)，并且具有用于調(diào)節(jié)所述裝置的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，每個(gè)相模塊(2a，2b，2c)具有至少一個(gè)電感(Lkr)，其中，將所述調(diào)節(jié)裝置設(shè)置用于調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)所述相模塊(2a，2b，2c)流過(guò)的回路電流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(1)，其特征在于，每個(gè)相模塊支路(6pl，6p2，6p3,6nl，6n2,6n3)經(jīng)過(guò)電感(Lkr)與所述交流電壓接頭(3P32,33)相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置(1),其特征在于，相模塊(2a，2b,2c)的電感(Lkr)互相耦合。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置(1)，其特征在于，所述電感(Lkr)經(jīng)由空氣互相耦合。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置(1)，其特征在于，所述電感(Lkr)經(jīng)由鐵芯互相耦合。全文摘要為了提供一種用于轉(zhuǎn)換電流的裝置(1)，具有至少一個(gè)相模塊(2a，2b，2c)，該相模塊具有交流電壓接頭(3₁，3₂，3₃)和至少一個(gè)直流電壓接頭(p，n)，其中，在每個(gè)直流電壓接頭(p，n)和交流電壓接頭(3₁，3₂，3₃)之間形成相模塊支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，并且其中，每個(gè)相模塊支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)具有由子模塊(7)組成的串聯(lián)電路，這些子模塊分別具有儲(chǔ)能器(8)和至少一個(gè)功率半導(dǎo)體(T1、T2)，并且具有用于調(diào)節(jié)所述裝置的調(diào)節(jié)裝置，利用該裝置可以有針對(duì)地調(diào)節(jié)回路電流，按照本發(fā)明，每個(gè)相模塊(2a，2b，2c)具有至少一個(gè)電感(L_kr)，其中，將該調(diào)節(jié)裝置設(shè)置用于調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)相模塊(2a，2b，2c)流過(guò)的回路電流。文檔編號(hào)H02M7/49GK101553977SQ200680056561公開(kāi)日2009年10月7日申請(qǐng)日期2006年12月8日優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日發(fā)明者喬格·蘭,喬格·多恩,克勞斯·沃爾夫林格,夸克-布·圖,英戈·尤勒,達(dá)格·索蘭格爾,邁克·多馬希克申請(qǐng)人:西門(mén)子公司