專利名稱：變換器電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力電子學領域。更具體地說，本發明涉及在交流(AC)供電網中用于電壓維持的變換器電路，其中所述AC供電網具有用于向電力負載供電的各相的相關電壓源，所述變換器電路具有用于各相的相應的變流器，所述變流器在直流側通過儲能電容器連接到供電裝置。
根據美國專利5329222的變換器電路的問題在于需要變壓器來提供電能、以便補償AC供電網的電力網電壓的電壓突降，由于它具有高的雜散電感，該變壓器需要相應的大空間量，涉及到精密安裝，因此導致相當高的成本，特別是材料成本。再者，根據美國專利5329222，用作能量儲存器的儲能電容器是電容器組形式的，以便可以達到足夠大的電容。因此，以這種方式提供的儲能電容器會因它的相當大的空間需求、它的安裝和母線結構而導致額外的成本。
本發明的有利的進展通過以下特征來實現在單相AC供電網中，變流器連接到第一相，而供電裝置連接到所述第一相和第二相。
在多相AC供電網的情況中，變流器連接到第一相，而供電裝置連接到第二相和第三相。
在多相AC供電網的情況中，變流器連接到第一相，而供電裝置連接到所述第一相、以及連接到第二相和第三相。
供電裝置具有多相變壓器，該變壓器的初級繞組連接到相關電壓源與各個變流器之間的所述第一相、第二相以及第三相。
供電裝置具有單相變壓器，該變壓器的初級繞組連接到相關電壓源與各個變流器之間的所述第二相和第三相。
供電裝置具有三相整流器電路，該電路連接到多相變壓器的次級繞組以及在直流側連接到儲能電容器。
供電裝置具有單相整流器電路，該電路連接到單相變壓器的次級繞組以及在直流側連接到儲能電容器。
設置了三相諧波濾波器電路，它以并聯方式與多相變壓器的次級繞組連接，并且連接到三相整流器電路，而且具有調諧到諧波頻率的調諧電路。
設置了單相諧波濾波器電路，它以并聯方式與單相變壓器的次級繞組連接，并且連接到單相整流器電路，而且具有調諧到諧波頻率的調諧電路。
供電裝置具有儲能單元，它在直流側以并聯方式與整流器電路連接，并連接到儲能電容器。
可控功率半導體隔離開關以并聯方式與變流器的交流側連接。
為各相設置開關斷路器，它與連接在各相中的各個變流器并聯。
在根據本發明的用于AC供電網中電壓維持的變換器電路中，為電力網的各相設置變流器，并將其在DC側通過儲能電容器連接到供電裝置。根據本發明，各個變流器在AC側、在與各相相關的電壓源和由該電壓源供電的電力負載之間與各相串聯。這特別有利地表明，不需要在AC側連接到變流器而用于向各相供電的任何變壓器，結果，變換器電路非常簡單，不需要細致的維護，因此成本低。
再者，根據本發明，供電裝置在AC側連接到相關電壓源與各個變流器之間的至少兩相。因此，可以選擇具有小電容量的儲能電容器，因為連接到各相的供電裝置還可以超長時間地從電壓源抽取電能，以便提供給儲能電容器。這使得有可能以特別簡單的方式確保即使AC供電網的電力網電壓超長時間地降低，也可以通過根據本發明的變換器電路來補償。再者，儲能電容器的小的電容量有可能導致物理尺寸的有利減小，從而降低材料和母線的復雜性。
在根據本發明的變換器電路的一個最佳示例性實施例中，多相AC供電網中的供電裝置在AC側連接到相關電壓源與各個變流器之間的各相。這也使得有可能通過從不受電壓突降影響的那些相為供電裝置抽取電能，在一相或多相的電力網電壓降低的情況下、以平衡的方式利用這些相。再者，這種方法有利地使得有可能以非常穩定和平衡的方式向電力負載供電，即使在各相之間未平衡電力網電壓降低的情況下也是如此。
本發明的那些及其他目的、優點和特征將通過以下結合附圖對本發明的最佳示例性實施例的詳細描述而變得清楚圖1表示根據本發明的變換器電路的一個實施例；圖2表示根據本發明的變換器電路的另一個實施例；圖3表示圖1所示的根據本發明的變換器電路的局部細節，它具有附加的單相諧波濾波器電路；以及圖4表示圖2所示的根據本發明的變換器電路的局部細節，它具有附加的三相諧波濾波器電路。
圖1表示根據本發明的變換器電路的一個實施例，它用于在AC供電網1中維持電壓。各種情況中的AC供電網1都具有對應于各相R、S和T的相關電壓源UR、US和UT，這些電壓源是為了給連接到所述電壓源UR、US和UT的電力負載2供電而設計的。AC供電網1具體為三相電網的形式，如圖1所示。根據圖1，在各種情況中，為各相R、S和T設置了變流器3。各個變流器3在DC側通過儲能電容器4連接到供電裝置5，所述供電裝置用于向儲能電容器4供電。變流器3被設計為單相單級橋接電路，或者是單相雙級橋接電器，它具有可控功率半導體開關，但是為了簡明起見，圖中未示出這些項。
根據本發明，圖1所示的變流器3通過其AC側，以串聯方式連接到AC供電網1的相關電壓源UR、US和UT與電力負載2之間的各相R、S和T中。這種方法有利地避免了對先有技術中已知的、在AC側連接到變流器3、用于向各相R、S、T供電的變壓器的需要，結果使得變換器電路設計非常簡單，不需要細致的維護，因此成本較低。
再者，根據本發明，圖1所示的供電裝置5在其AC側連接到相關電壓源UR、US和UT與各個變流器3之間的R、S和T各相中的至少兩相。因此，不需要任何大電容量的大儲能電容器4。因而，有可能采用所選擇的具有小電容量的儲能電容器4，即使在AC供電網1的電力網電壓超長時間的降低的情況下，也可以從供電裝置5得到足夠的供電。這種對儲能電容器4供電的方式，始終有利地使儲能電容器4中有足夠的電能供給變流器3，以便通過將電能供給到相應的相R、S和T(甚至在超長時間里)，對電力網電壓中出現的電壓突降提供足夠的補償。再者，選擇具有小電容量的儲能電容器4，有利地減小了物理尺寸，并相應地減少了材料和母線復雜性。
在變流器3連接到第一相R、S和T的前提下，根據本發明的多相AC供電網1中的圖1所示的變換器電路中的每個供電裝置5連接到第二相R、S和T，以及連接到第三相R、S和T。因此，在所連接的變流器3的相R、S和T中出現電壓突降的情況下，供電裝置5可以有利地從未受到電壓突降影響的其余兩相R、S和T抽取電能，使得相關的相R、S和T中的電壓突降可以得到特別有效的補償。
根據圖1，供電裝置5具有單相變壓器7，它的初級繞組7.1在相關電壓源UR、US和UT與各自變流器3之間連接到第二相R、S和T和第三相R、S和T。在此實例中，單相變壓器7用于變換器電路、特別是供電裝置5與所連接的相R、S和T的DC隔離。再者，供電裝置5具有單相整流器電路8，該電路連接到單相變壓器7的次級繞組7.2。單相整流器電路8用于對單相變壓器7的次級繞組7.2上的AC電壓進行整流，并且在DC側連接到儲能電容器4。已經發現，單相整流器電路8最好是單相單級橋接電路或者單相雙級橋接電路的形式，使得有可能獲得基本沒有元件復雜性的簡單設計。例如，圖1表示單相單級橋接電路形式的單相整流器電路8。再者，圖1所示的供電裝置5具有儲能單元10，該單元在DC側與單相整流器電路8并聯并連接到儲能電容器4。儲能單元10由電氣儲能元件構成，最好由電感和電容、以及兩個串聯的可控功率半導體開關構成，各具有一個背對背與各個功率半導體開關并聯的二極管。儲能元件被有利地用于對加至儲能電容器4的電壓進行電壓匹配。此儲能單元10還使電能可以存儲，該電能是通過單相變壓器7和單相整流器電路8從相應的相R、S和T中抽取的，并且如果需要，還可以有利地用于向儲能電容器4供電。
在為簡化起見而未表示出來的變換器電路的一個實施例中，在單相AC供電網1(比如用于電氣鐵路網的那種)的情況下，根據本發明，例如，變流器3連接到第一相R、S，供電裝置5在相關電壓源UR、US與各個變流器3之間連接到第一相R、S和第二相R、S。這也得到單相AC供電網1的變換器電路的已提及的優點。
圖3表示圖1所示的根據本發明的變換器電路的局部細節，它具有附加的單相諧波濾波器電路14。單相諧波濾波器電路14與單相變壓器7的次級繞組7.2以并聯形式連接，并連接到單相整流器電路8。根據圖3，單相諧波濾波器電路14在單相整流器電路8的AC側連接到單相整流器電路8。單相諧波濾波器電路14有利地包括調諧到諧波頻率的調諧電路，使得借助于單相諧波濾波器電路14的濾波作用，相應各相R、S和T中任何諧波可以遠離負載7，并且遠離電壓源UR、US和UT，從而也遠離AC供電網1。
圖2表示根據本發明的變換器電路的另一個實施例。與圖1所示的根據本發明的變換器電路的實施例相比，在圖2所示的變換器電路中，在多相AC供電網的情況下，供電裝置5在其AC側、在相關電壓源UR、US和UT與各個變流器3之間連接到各個相R、S和T，也就是說它連接到第一相R、S和T、連接到第二相R、S和T以及連接到第三相R、S和T。根據圖2，變流器連接到第一相R、S和T。因此，除關于圖1所示的根據本發明的變換器電路的實施例已經提及的優點之外，它在其中一相R、S、T或多相R、S和T中出現電力網電壓降低的情況下，可以通過從未受電壓突降影響的那些相R、S和T中為供電裝置5抽取電能來使各相R、S、T的負載平衡。
根據圖2，根據本發明的供電裝置5具有特別設計有三相的多相變壓器6。多相變壓器6通過它的初級繞組6.1連接到相關電壓源UR、US和UT與各個變流器3之間的各相R、S和T，也就是說連接到第一相R、S和T、第二相R、S和T以及第三相R、S和T。在此情況下，多相變壓器6用于變換器電路、特別是供電裝置5與所連接的相R、S和T的DC隔離。供電裝置5還包括三相整流器電路9，它連接到多相變壓器6的次級繞組6.2。三相整流器電路9用于對多相變壓器6的次級繞組6.2上的AC電壓進行整流，并且在DC側連接到儲能電容器4。已經發現，三相整流器電路9最好是三相單級橋接電路，或者三相雙級橋接電路的形式，以便可以用少數元件實現簡單的設計。例如，圖1把三相整流器電路9表示為三相單級橋接電路。再者，根據其設計，與已經描述的圖1所示的儲能單元10相對應，圖3所示的供電裝置5具有儲能單元10并連接到儲能電容器4，所述儲能單元10在DC側與三相整流器電路8以并聯方式連接。因此，對于圖2所示的儲能單元10，同樣有可能存儲從相應的相R、S和T通過多相變壓器6和三相整流器電路9抽取的電能，除此之外，在需要時有利地使用它向儲能電容器4供電。
圖4表示圖2所示的根據本發明的變換器電路的局部細節，該變換器電路具有附加的三相諧波濾波器電路13。三相諧波濾波器電路13與三相變壓器6的次級繞組6.2以并聯的形式連接，并連接到三相整流器電路9。根據圖4，三相諧波濾波器電路13在三相整流器電路9的AC側連接到三相整流器電路9。三相諧波濾波器電路13有利地包括調諧到諧波頻率的調諧電路，使得通過三相諧波濾波器電路13的濾波作用，相應的相中的任何諧波可以遠離負載2，以及遠離電壓源UR、US和UT，從而也遠離AC供電網1。
再者，按照圖1和圖2，根據本發明，提出一種可控功率半導體隔離開關11，它以并聯方式與變流器3的AC側連接。可控功率半導體隔離開關11用于在變流器3發生故障或負載短路的情況下、使變流器3快速從其所連接的相R、S和T斷開連接。這種斷開連接是通過閉合功率半導體隔離開關11、使得變流器3被跨接來實現的，最好這種斷開操作在5μs至10μs的時段內發生。功率半導體隔離開關11最好是晶體閘流管的形式，特別是與轉換開關柵電極(IGCT)集成在一起的晶體閘流管，以便可以實現上面提出的斷開時間范圍。
再者，根據圖1和圖2，根據本發明提供一種用于各相R、S和T的開關斷路器12，它以并聯方式與連接在各相R、S和T中的各個變流器3連接。開關斷路器12最好是機械斷路器或電子電源開關的形式，特別是功率半導體開關。如上所述，如果相應的相R、S、T和/或各個變流器3發生故障，開關斷路器12閉合，從而為相應變流器3形成旁路，而變流器3被跨接。
總之，根據本發明的變換器電路提出一種特別簡單有效且成本低的解決方案，用于對AC供電網1的其中一相R、S、T或多相R、S、T中的電力網電壓降低進行補償。此外，根據本發明的變換器電路還使得有可能在這些相R、S、T中的一相或多相中發生過壓時、影響一相或多相R、S、T中的電力網電壓。在此情況下，變流器3從相應的相或多相R、S、T向儲能電容器4提供電能，使得可以有利地降低電力網電壓中的過壓。對電力網電壓中的過壓的這種影響還可以超長時間地有效，因為多余的電能可以通過單相整流器電路8或通過三相整流器電路9耗散。再者，所述變換器電路允許調整電力網電壓，尤其是在電力網電壓可能升高或降低時。此外，所述變換器電路可以有利地用作移相器，以便允許進行AC供電網1可能需要的任何功率因數補償，從而確保AC供電網1以特定的所期望的方式運行。如果所述AC供電網1中出現任何諧波，尤其是由負載2所產生的諧波，則還可能使用變換器電路來補償這些諧波。再者，如果發生負載短路，則可以借助于變換器電路，通過故意地提供反相電壓來限制與此相關的短路電流。
參考符號的列表1AC供電網2電力負載3變流器4儲能電容器5供電裝置6多相變壓器6.1 多相變壓器的初級繞組6.2 多相變壓器的次級繞組7單相變壓器7.1 單相變壓器的初級繞組7.2 單相變壓器的次級繞組8單相整流器電路9三相整流器電路10 儲能單元11 功率半導體隔離開關12 開關斷路器13 三相諧波濾波器電路14 單相諧波濾波器電路UR、US和UT 電壓源
權利要求
1.一種在AC(交流)供電網(1)中用于電壓維持的變換器電路，其中所述AC供電網(1)具有用于向電力負載(2)供電的各相(R；S；T)的相關電壓源(UR；US；UT)，所述變換器電路具有用于各相(R；S；T)的相應的變流器(3)，所述變流器(3)在直流側通過儲能電容器(4)連接到供電裝置(5)，其特征在于在交流側，各個變流器(3)以串聯方式連接在所述各相(R；S；T)中的所述相關電壓源(UR；US；UT)與所述電力負載(2)之間，并且在所述交流側，所述供電裝置(5)連接到所述相關電壓源(UR；US；UT)與所述各變流器(3)之間的至少兩相(R；S；T)上。
2.如權利要求1所述的變換器電路，其特征在于在單相AC供電網(1)中，所述變流器(3)連接到第一相(R；S)，而所述供電裝置(5)連接到所述第一相(R；S)和第二相(R；S)。
3.如權利要求1所述的變換器電路，其特征在于在多相AC供電網(1)的情況中，所述變流器(3)連接到第一相(R；S；T)，而所述供電裝置(5)連接到第二相(R；S；T)和第三相(R；S；T)。
4.如權利要求1所述的變換器電路，其特征在于在多相AC供電網(1)的情況中，所述變流器(3)連接到第一相(R；S；T)，而所述供電裝置(5)連接到所述第一相(R；S；T)、以及連接到第二相(R；S；T)和第三相(R；S；T)。
5.如權利要求4所述的變換器電路，其特征在于所述供電裝置(5)具有多相變壓器(6)，該變壓器的初級繞組(6.1)連接到所述相關電壓源(UR；US；UT)與所述各個變流器(3)之間的所述第一相(R；S；T)、所述第二相(R；S；T)以及所述第三相(R；S；T)。
6.如權利要求3所述的變換器電路，其特征在于所述供電裝置(5)具有單相變壓器(7)，該變壓器的初級繞組(7.1)連接到所述相關電壓源(UR；US；UT)與所述各個變流器(3)之間的所述第二相(R；S；T)和所述第三相(R；S；T)。
7.如權利要求5所述的變換器電路，其特征在于所述供電裝置(5)具有三相整流器電路(9)，該電路連接到所述多相變壓器(6)的次級繞組(6.2)以及在所述直流側連接到所述儲能電容器(4)。
8.如權利要求6所述的變換器電路，其特征在于所述供電裝置具有單相整流器電路(8)，該電路連接到所述單相變壓器(7)的次級繞組(7.2)以及在所述直流側連接到所述儲能電容器(4)。
9.如權利要求7所述的變換器電路，其特征在于設置了三相諧波濾波器電路(13)，它以并聯方式與所述多相變壓器(6)的所述次級繞組(6.2)連接，并且連接到所述三相整流器電路(9)，而且具有調諧到諧波頻率的調諧電路。
10.如權利要求8所述的變換器電路，其特征在于設置了單相諧波濾波器電路(14)，它以并聯方式與所述單相變壓器(7)的所述次級繞組(7.2)連接，并且連接到所述單相整流器電路(8)，而且具有調諧到諧波頻率的調諧電路。
11.如權利要求7至10其中之一所述的變換器電路，其特征在于所述供電裝置(5)具有儲能單元(10)，它在所述直流側以并聯方式與所述整流器電路(8；9)連接，并連接到所述儲能電容器(4)。
12.如上述權利要求其中之一所述的變換器電路，其特征在于可控功率半導體隔離開關(11)以并聯方式與所述變流器(3)的所述交流側連接。
13.如上述權利要求其中之一所述的變換器電路，其特征在于為各相(R；S；T)設置開關斷路器(12)，它與連接在所述各相(R；S；T)中的各個變流器(3)并聯。
全文摘要
為AC供電網(1)中的電壓維持提供一種變換器電路，該AC供電網(1)具有向電力負載(2)供電的與各相(R；S；T)相關的電壓源(UR；US；UT)，該變換器電路具有用于各相(R；S；T)的各個變流器(3)，所述變流器(3)在直流側通過儲能電容器(4)連接到供電裝置(5)。在交流側，各個變流器(3)以串聯方式連接在各相(R；S；T)中相關電壓源(UR；US；UT)與電力負載(2)之間，在交流側，供電裝置(5)連接到相關電壓源(UR；US；UT)與各變流器(3)之間的至少兩相(R；S；T)。
文檔編號H02J3/01GK1426150SQ02122828
公開日2003年6月25日 申請日期2002年6月3日 優先權日2001年6月1日
發明者P·菲舍爾, P·麥巴赫, M·曼雷卡, J·達尼爾 申請人:Abb瑞士有限公司