ПОДМОДУЛЬ ДЛЯ МОДУЛЬНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
SUBMODULE FOR MODULAR MULTISTAGE FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к подмодулю модульного многоступенчатого преобразователя частоты с однополюсным аккумулятором энергии и с включенной параллельно аккумулятору энергии мощной полупроводниковой последовательной схемой, в которой последовательно включены два включаемых и выключаемых мощных полупроводниковых переключателя с одинаковым направлением пропускания, причем встречно-параллельно каждому включаемому и выключаемому мощному полупроводниковому переключателю включен безынерционный диод, с первым соединительным зажимом, соединенным с аккумулятором энергии, со вторым соединительным зажимом, соединенным с точкой нулевого потенциала между включаемыми и выключаемыми мощными полупроводниковыми переключателями и их безынерционными диодами, и с шунтирующим выключателем в шунтирующей ветви, соединяющей соединительные зажимы между собой.
Такой подмодуль уже известен, например, из патента DE 10 2005 040 543 A1. Там раскрыта сущность так называемого модульного многоступенчатого преобразователя частоты, содержащего несколько фазных модулей. Каждый фазный модуль имеет средний зажим переменного напряжения для подсоединения фаз сети переменного тока. Кроме того, фазный модуль имеет два концевых зажима постоянного напряжения. Между зажимом переменного тока и каждым из обоих зажимов постоянного тока располагается ветвь фазного модуля. Каждая ветвь фазного модуля, в свою очередь, содержит последовательную схему из двухполюсных подмодулей, каждый из которых в качестве аккумулятора энергии содержит однополюсный конденсатор. В случае аварии падение напряжения на конденсаторе становится чрезмерным, так что подмодуль во избежание больших повреждений должен шунтироваться. Для этого предусмотрен шунтирующий блок, установленный между обоими соединительными зажимами каждого подмодуля. В случае шунтирующего блока речь идет о мощном управляемом полупроводниковом приборе.
Из практики известно, что перед коротким замыканием подмодуля модулярного многоступенчатого полупроводникового переключателя мощные полупроводниковые переключатели дефектного подмодуля блокируются, т.е., другими словами, переводятся в свое запертое положение. Если же мощные полупроводниковые переключатели в таком подмодуле больше не управляются, то аккумулятор энергии при подходящем направлении тока продолжает заряжаться через безынерционные диоды подмодуля. Поэтому для предотвращения еще больших напряжений на аккумуляторе энергии соединительные зажимы при определенном напряжении быстро замыкаются накоротко. Это короткозамкнутое соединение должно надежно проводить ток, протекающий через многоступенчатый статический преобразователь частоты, включая возможные импульсные токи, вплоть до следующего интервала обслуживания.
При шунтировании подмодуля может случиться, что быстрое замыкание шунтирующего выключателя вызовет мгновенное отключение тока через безынерционный диод, так что это приведет к разрушению безынерционного диода с последующим коротким замыканием конденсатора под действием электрической дуги между безынерционным диодом и замкнутым короткозамыкателем. Кроме того, при обратном колебании энергии могут быть разрушены и другие безынерционные диоды подмодуля, поскольку ток обратного колебания демпфируется лишь незначительно и поэтому может продолжать сохранять амплитуды и энергии, намного превышающие размеры, допустимые для безынерционных диодов.
Поэтому задачей изобретения является создание подмодуля вышеупомянутого типа, в котором разрушение одного или нескольких безынерционных диодов надежно предотвращается.
Изобретение решет эту задачу за счет того, что по меньшей мере один соединительный зажим или одна шунтирующая ветвь содержат индуктивный элемент.
Согласно изобретению на пути тока короткого замыкания от положительного полюса или положительного зажима аккумулятора энергии до противоположного полюса имеется по меньшей мере одна индуктивность, подобранная таким образом, чтобы, с одной стороны, предотвращалось чересчур быстрое отключение в результате чересчур быстрого нарастания тока. С другой стороны, вследствие наличия индуктивного элемента, подобранного согласно изобретению, при обычном для нормального режима нагрузочном токе не происходит никаких больших потерь. Поэтому при наличии индуктивного элемента, или индуктивных элементов, происходит постепенное отключение тока, причем нагруженному безынерционному диоду предоставляется возможность перехода в свое запертое положение и тем самым восприятия напряжения аккумулятора энергии. Таким образом, разряд аккумулятора энергии через упомянутый безынерционный диод и шунтирующий выключатель предотвращается. По этой причине не разрушаются и остальные элементы подмодуля. Поскольку согласно изобретению большие токи короткого замыкания и импульсные токи предотвращаются, шунтирующий выключатель может быть рассчитан на меньшие максимальные силы тока. Это относится также к остальным компонентам подмодуля, которым в противном случае приходится выдерживать большие силы тока, вызываемые большими токами короткого замыкания. Силы тока в этом смысле возникают при параллельных токах, которые могут притягиваться или отталкиваться.
Согласно первому предпочтительному варианту изобретения предусмотрен индуктивный элемент, установленный на одном из соединительных зажимов или в шунтирующей ветви.
Согласно одному из целесообразных вариантов осуществления изобретения каждый соединительный зажим содержит индуктивный элемент. Таким образом обеспечивается более постепенное отключение тока при замыкании шунтирующего выключателя.
Согласно одному из более целесообразных усовершенствованных в этом отношении вариантов осуществления в шунтирующую ветвь последовательно с шунтирующим выключателем включен еще один индуктивный элемент. Согласно этому предпочтительному варианту осуществления изобретения количество индуктивных элементов увеличивается еще больше, так что появляется возможность улучшения контроля за отключением зарядного тока через безынерционный диод, проводящий зарядный ток.
Предпочтительным образом по меньшей мере один индуктивный элемент выполнен в виде дроссельной катушки. Дроссельные катушки имеются в продаже по подходящим ценам, так что и соответствующий подмодуль остается благоприятным в экономическом отношении.
Однако согласно одному из целесообразных вариантов осуществления изобретения по меньшей мере один из индуктивных элементов выполнен в виде ферритового сердечника. Ферритовые сердечники также имеются в продаже по подходящим ценам. Они тоже элементарно могут быть встроены в уже существующие установки.
Предпочтительным образом ферритовый сердечник является шихтованным. Шихтованные ферритовые сердечники уменьшают потери на вихревые токи в ферритовом сердечнике и тем самым препятствуют сильном нагреву индуктивного элемента в нормальном режиме.
Другие примеры выполнения и преимущества изобретения являются предметом нижеследующего описания примеров выполнения, причем одинаковые позиции относятся к одинаково действующим конструктивным элементам и причем
на фиг. 1 и 2 изображен подмодуль согласно уровню техники, а на фиг. 2 пример выполнения подмодуля согласно изобретению.
На фиг. 1 изображен пример выполнения подмодуля 1 согласно уровню техники. Указанный подмодуль 2 содержит однополюсный конденсатор 2 энергии в качестве аккумулятора энергии, а также последовательную схему 3 мощных полупроводниковых приборов, содержащую два последовательно включенных управляемых мощных полупроводниковых прибора 4 и 5 с одинаковым направлением пропускания. В случае мощных управляемых полупроводниковых переключателей здесь речь идет о так называемых переключателях IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором). Однако в рамках изобретения могут быть использованы другие включаемые и выключаемые мощные полупроводниковые переключатели, как-то: переключатели GTO (запираемые тиристоры) или переключатели IGCT (тиристоры с интегрированным управлением). Мощные полупроводниковые переключатели 4 и 5 являются как включаемыми, так и выключаемыми по сигналу управления и рассчитаны на высокие напряжения в диапазоне 1-10 кВ. В их положении включения протекание тока через мощные полупроводниковые переключатели возможно лишь в их направлении пропускания. В своем выключенном положении они блокируют протекание тока в обоих направлениях. Параллельно каждому из упомянутых мощных полупроводниковых переключателей 4 и 5 встречно-параллельно включен инерционный диод 6 и 7. Кроме того, каждый подмодуль 1 имеет первый соединительный зажим 8, соединенный здесь с одним из полюсов аккумулятора 2 энергии. Второй соединительный зажим 9 соединен с точкой нулевого потенциала между мощными полупроводниковыми переключателями 4 и 5 и тем самым с точкой нулевого потенциала между безынерционными диодами 6 и 7.
Кроме того, на фиг. 1 стрелками показано направление протекания тока. В состоянии, показанном на фиг. 1, зарядный ток I протекает от второго соединительного зажима 9 через безынерционный диод 6, аккумулятор 2 энергии и через первый соединительный зажим 8.
Между соединительными зажимами 8 и 9 установлен шунтирующий выключатель 10. Если шунтирующий выключатель 10, как показано на фиг. 1, замыкается и зарядный ток I протекает через безынерционный диод 6, происходит мгновенное отключение тока, так что безынерционный диод 6 проплавляется и благодаря образованной при этом электрической дуге остается проводящим. Таким образом, после замыкания шунтирующего выключателя 10 накопительный конденсатор 2 замыкается накоротко. Через шунтирующий выключатель 10 протекают большие разрядные токи. При обратном колебании энергии также разрушается безынерционный диод 7. Из-за этих больших токов дело доходит до соответствующих больших механических усилий, поскольку параллельные токи в зависимости от направления тока притягиваются или отталкиваются.
На фиг. 2 изображены токи короткого замыкания после замыкания шунтирующего выключателя 10.
c
На фиг. 3 изображен пример выполнения подмодуля 1 согласно изобретению, отличающегося от подмодуля 1, изображенного на фиг. 1 и 2, тем, что на первом соединительном зажиме 8 установлен индуктивный элемент 11, а на втором соединительном зажиме 9 - индуктивный элемент 12. Кроме того, видно, что шунтирующий выключатель 10 установлен в шунтирующей ветви 13, причем в шунтирующей ветви 13 третий индуктивный элемент 14 включен последовательно с шунтирующим переключателем. Индуктивные элементы 11, 12 и 14 выполнены в виде соответствующих ферритовых сердечников, дополнительно установленных простым закреплением на соединительных зажимах 8, 9, а также на шунтирующей ветви 13. Ферритовые сердечники 11, 12 и 14 ограничивают нарастание тока и осуществляют сравнительно более постепенное отключение зарядного тока I через безынерционный диод 6, так что он оказывается в состоянии перейти в свое запертое положение, чтобы таким образом воспринять напряжение U конденсатора. Таким образом, разряд конденсатора 2 предотвращается.
В отличие от примера выполнения, изображенного на фиг. 3, подмодуль 1 согласно изобретению также может иметь только один индуктивный элемент 11, 12 или 14, установленный в одном из соединительных зажимов 8, 9 или в шунтирующей ветви 13. Указанный индуктивный элемент также является, например, шихтованным ферритовым сердечником.