ШУНТИРУЮЩИЙ МОДУЛЬ
BYPASS MODULE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к области силовых электронных средств, и, в частности, данное изобретение относится к шунтирующему модулю, предназначенному для замыкания ячейки преобразователя, к ячейке преобразователя, к преобразователю и к способу замыкания ячейки преобразователя.
Предшествующий уровень техники
Определенные типы преобразователей, например модульные многоуровневые преобразователи (преобразователи M2LC), могут иметь множество ячеек преобразователя, которые содержат силовые электронные переключатели, посредством которых переключают ток, переключаемый преобразователем. В ячейках такого типа всегда возможно возникновение проблемы, связанной с тем, что одну или больше ячеек в преобразователе требуется обойти или шунтировать. Такой случай может возникнуть, например, когда избыточный ток или избыточное напряжение присутствует на одной или множестве ячеек, что может быть связано с внешней неисправностью (например, неисправностью цепи заземления) или внутренней неисправностью внутри ячейки преобразователя.
В случае значительной внутренней неисправности в ячейке преобразователя может быть предпочтительным постоянно шунтировать такую ячейку преобразователя. С этой целью ранее были предложены: контакт, формируемый пиротехническими средствами (WO 2009/092621 А1), вакуумный прерыватель (WO 2008/125494 А1) или разрушаемые полупроводниковые компоненты (DE 10323220 А1, WO 2007/023064).
В случае внешних неисправностей может потребоваться на короткое время пропустить токи выброса через шунтирующий модуль, с тем чтобы сформировать обход для таких токов выброса мимо ячейки преобразователя. С этой целью было предложено, например, использовать тиристор, подключенный параллельно с обратно включенным диодом к переключателям преобразователя (WO 2008/067786 А1).
Шунтирующие модули без возможности их сброса (например, с пиротехническим контактом или разрушаемые компоненты) должны быть удалены из ячеек преобразователя и заменены новыми шунтирующими модулями, которые еще не использовались, и это требует определенных усилий. Такая операция может потребовать значительного времени и может быть дорогостоящей.
С тиристорами также возникает проблема, состоящая в том, что они обеспечивают шунтирование до тех пор, пока не будут переведены в открытое состояние в отсутствие подачи внешнего питания. Полное прекращение подачи питания преобразователя в таком случае также приведет к переключению шунтирующих модулей дефектных ячеек обратно в закрытое состояние.
В GB 1163507 А описан шунтирующий модуль такого общего типа, предназначенный для замыкания первого входа и второго входа ячейки преобразователя в преобразователе. Кроме того, в US 5986909 раскрыт шунтирующий модуль для ячейки преобразователя, работающий на основе реле.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить преобразователь, имеющий удобные для технического обслуживания и надежные ячейки преобразователя.
Эта цель достигается с помощью изобретений в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Кроме того, варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Первый аспект изобретения относится к шунтирующему модулю, предназначенному для шунтирования первого входа и второго входа ячейки преобразователя модульного преобразователя.
Преобразователь может представлять собой силовой преобразователь, который разработан для преобразования тока от нескольких десятков до несколько сотен ампер, при напряжении несколько тысяч вольт. В этом случае преобразование означает процесс, в ходе которого напряжение переменного тока формируется из напряжения постоянного тока, напряжение постоянного тока получают из напряжения переменного тока, или напряжение переменного тока на другой частоте формируют из напряжения переменного тока на первой частоте. Преобразователь может представлять собой модульный многоуровневый преобразователь (M2LC), непрямой преобразователь или прямой преобразователь. Эти два типа преобразователей часто также называются цепными преобразователями, поскольку их ячейки преобразователей расположены в форме цепи.
Ячейка преобразователя может представлять собой однополярную ячейку (полумостовую), например в случае непрямого преобразователя M2LC, или в других случаях она может представлять собой биполярную ячейку (полный мост), например в случае прямого преобразователя M2LC или цепного преобразователя. Ячейка преобразователя обычно имеет множество электронных переключателей, таких как тиристоры или IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором). Кроме того, ячейка преобразователя имеет накопитель энергии, например конденсатор. Множество ячеек преобразователей могут быть соединены последовательно через их входы для формирования преобразователя.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения шунтирующий модуль содержит бистабильное механическое реле, в котором бистабильное механическое реле выполнено с возможностью электрического соединения первого входа со вторым входом и/или для повторного прерывания соединения. Бистабильное механическое реле не меняет свое текущее состояние переключения при отключенном входе управления.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения шунтирующий модуль содержит мощный электронный переключатель. Мощный электронный переключатель может быть выполнен с возможностью электрического соединения первого входа со вторым входом ячейки преобразователя и для повторного прерывания этого соединения.
Мощный электронный переключатель может выполнять переключение на несколько порядков по магнитуде быстрее, чем реле. Например, шунтирующий модуль может одновременно передавать сигнал управления в мощный электронный переключатель и в бистабильное механическое реле, в результате чего происходит замыкание мощного электронного переключателя, прежде всего, через очень короткий период времени (микросекунды), и затем замыкается бистабильное механическое реле (миллисекунды).
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения мощный электронный переключатель разработан с возможностью замыкания в течение от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения бистабильное механическое реле разработано с возможностью его замыкания в течение от нескольких миллисекунд до нескольких десятков миллисекунд.
Даже если ячейка преобразователя потеряет внутреннее возбуждение, в течение некоторого периода времени, например, из-за того, что шунтирующий модуль был замкнут, бистабильное механическое реле остается в его замкнутом состоянии.
Шунтирующий модуль может быть разработан с использованием простой технологии. При этом не требуется использования каких-либо пиротехнически формируемых контактов или вакуумным прерывателей. Благодаря использованию бистабильного механического реле шунтирующий модуль надежно и стабильно сохраняет свое состояние после операции, даже без подачи внешнего питания. Поскольку бистабильное механическое реле и мощный электронный переключатель могут быть разработаны с возможностью их сброса, шунтирующий модуль также может быть разработан с возможностью его сброса. Кроме того, входы шунтирующего модуля и входы ячейки преобразователя могут быть включены параллельно, в отличие от разрушаемых полупроводниковых компонентов. Кроме того, шунтирующий модуль обеспечивает возможность ограничения биполярного избыточного напряжения для ячейки преобразователя с высоким импедансом.
Кроме того, множество ситуаций неисправности на уровне преобразователя может быть охвачено шунтирующим модулем, в частности включающие в себя неисправность цепи заземления и короткое замыкание. Кроме того, шунтирующий модуль может обеспечить избыточный путь, например, для пути короткого замыкания соединения постоянного тока.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения мощный электронный переключатель содержит два включенных параллельно противоположных друг другу тиристора. В более общем случае, также возможно выполнить шунтирующий модуль, по меньшей мере, на одном тиристоре.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения мощный электронный переключатель содержит симистор.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения шунтирующий модуль содержит накопитель энергии для подачи питания для цепей управления, механического реле и мощного электронного переключателя. Такой накопитель энергии может, например, представлять собой конденсатор, который может быть заряжен, например, непосредственно или опосредованно через напряжение, прикладываемое к ячейке преобразователя. В частности, также возможно специально дополнительно заряжать накопитель энергии или конденсатор, используя избыточное напряжение на ячейке преобразователя.
В соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения шунтирующий модуль содержит цепь управления для переключения бистабильного механического реле и мощного электронного переключателя.
В соответствии с одним вариантом осуществления цепи управления разработаны для приема сигнала замыкания или сброса реле и/или мощного электронного переключателя и замыкания или размыкания реле и/или мощного электронного переключателя (то есть для их сброса), как реакции на сигнал замыкания или сигнал сброса.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения цепи управления разработаны для определения избыточного напряжения и/или избыточного тока между первым входом и вторым входом ячейки преобразователя. В качестве примера, это может быть выполнено с помощью цепей управления, которые принимают сигналы измерения из модуля измерения напряжения и модуля измерения тока на первом и/или втором выходе ячейки преобразователя, и при их дополнительной обработке.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения цепи управления разработаны с возможностью замыкания реле и/или мощного электронного переключателя, когда определяют избыточное напряжение и/или избыточный ток. Например, цепи управления могут замыкать два переключающих элемента, когда напряжение между первым входом и вторым входом превышает заданное пороговое значение. Таким же образом, цепи управления могут замыкать два переключающих элемента, когда ток на первом входе и/или втором входе превышает заданное пороговое значение.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения шунтирующим модулем управляют с использованием пассивного детектирования избыточного напряжения между точками XI и Х2. В этом случае пассивное детектирование избыточного напряжения может означать электронный компонент, который изменяет свое внутреннее состояние исключительно в результате присутствия избыточного напряжения. Примеры компонентов, таких как эти, представляют собой двунаправленные диоды TRANSIL и подавляющие диоды.
В качестве примера, пассивное детектирование избыточного напряжения может содержать, по меньшей мере, один подавляющий диод или может содержать подавляющую цепь, состоящую из последовательно подключенных подавляющих диодов. Подавляющие диоды начинают проводить ток при определенном пороговом напряжении, и цепочку подавляющих диодов поэтому можно использовать для выбора порогового напряжения, при котором цепочка начинает проводить ток.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения цепочки из последовательно включенных подавляющих диодов, которые выбирают таким образом, чтобы они начали проводить ток при заданном пороговом напряжении, производят соответствующий сигнал для переключения бистабильного механического реле и/или мощного электронного переключателя в шунтирующем модуле.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, если превышается избыточное напряжение, выполняется заряд накопителя энергии или дополнительный его заряд за счет избыточного напряжения.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения цепь управления имеет дополнительный электронный переключатель, который замыкается, когда напряжение на накопителе энергии превышает заданное значение, и цепи управления передают ток от накопителя энергии в бистабильное реле и/или в мощный электронный переключатель.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения цепь управления обладает гистерезисом, таким образом, что, если напряжение в накопителе энергии будет недостаточным, реле и/или мощный электронный переключатель все еще получает ток от источника энергии. В качестве примера, в реле может быть передан ток и напряжение от накопителя энергии, когда напряжение накопителя энергии превышает определенное значение, что обеспечивает подачу в реле тока до тех пор, пока оно не сможет переключиться в разомкнутое состояние или в замкнутое состояние. В реле затем подают напряжение от накопителя энергии до тех пор, пока напряжение на накопителе энергии не станет ниже, чем определенное значение, и накопитель энергии снова отключается с помощью реле. В качестве примера, гистерезис и определение порогового значения для напряжения в накопителе энергии могут быть обеспечены с помощью динистора, который включен последовательно с подавляющим диодом.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения управление шунтирующим модулем разработано (например, в дополнение к сигналу замыкания в случае избыточного напряжения) для приема или детектирования внешнего сигнала замыкания и/или сигнала сброса. Такой внешний сигнал замыкания может поступать от модуля диагностики ячейки преобразователя или из модуля защиты системы преобразователя.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения цепь управления разработана с возможностью замыкания реле и/или мощного электронного переключателя, когда детектируют внешний сигнал замыкания.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения цепь управления разработана так, что она открывает реле и/или мощный электронный переключатель, когда детектируют внешний сигнал сброса.
Дополнительный аспект изобретения относится к ячейке преобразователя.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения ячейка преобразователя содержит шунтирующий модуль, как описано выше и в следующем тексте.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения ячейка преобразователя содержит модуль диагностики, который разработан для передачи сигнала замыкания и/или сигнала сброса для шунтирующего модуля. Кроме того, модуль диагностики может подавать важные результаты измерения и переменные состояния в центральный преобразователь и блок управления системой.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения ячейка преобразователя содержит разъединение избыточного тока, которое может представлять собой разъединение избыточного тока, действующее независимо от шунтирующего модуля. Например, разъединение избыточного тока может разъединять полупроводники в ячейке преобразователя, в случае избыточного напряжения и/или избыточного тока.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения ячейка преобразователя может автоматически прерывать ток в случае неисправности в активных переключателях в ячейке преобразователя (IGBT, IGCT) в течение микросекунд в случае выраженного избыточного тока (или тока короткого замыкания).
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения ячейка преобразователя содержит мониторинг устранения насыщения IGBT в ячейке преобразователя. Неисправности или проблемы, такие как эти, могут быть идентифицированы на основе мониторинга устранения насыщения IGBT или транзисторов. Однако они также могут быть основаны на очень быстром детектировании избыточного тока в случае IGCT или других элементов, которые могут быть отключены.
Дополнительный аспект изобретения относится к преобразователю.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения преобразователь содержит множество ячеек преобразователя, как описано выше и в следующем тексте.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения преобразователь содержит модуль защиты системы. Модуль защиты системы может быть выполнен с возможностью замыкания всех или выбранных мощных электронных переключателей и/или реле в шунтирующих модулях ячеек преобразователей в случае неисправности преобразователя и/или системы и их избирательного повторного сброса после устранения неисправности (то есть размыкания). Он разработан для передачи сигнала шунтирования и/или сигнала сброса в каждую ячейку преобразователя из множества ячеек преобразователя. В ситуациях определенных неисправностей быстрое и автономное разъединение на уровне ячейки преобразователя не достаточно, и модуль защиты системы передает скоординированный сигнал шунтирования во все ячейки или выбранные ячейки.
Дополнительный аспект изобретения относится к способу короткого замыкания ячейки преобразователя.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ содержит следующие этапы: принимают или определяют сигнал замыкания из модуля управления, например, на основе идентификации перенапряжения и/или избыточного тока на входах ячеек преобразователя или внешнего сигнала; замыкают мощный электронный переключатель с помощью модуля управления в ответ на сигнал замыкания; замыкают бистабильное механическое реле с помощью модуля управления в ответ на сигнал замыкания; получают энергию из накопителя энергии (например, локального накопителя энергии) для замыкания мощного электронного переключателя и/или бистабильного реле.
В этом случае сигнал замыкания может быть подан из модуля управления одновременно для мощного электронного переключателя и бистабильного реле, в ответ на который мощный электронный переключатель начинает проводить в течение миллисекунд, но бистабильное реле реагирует только через миллисекунды.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап: заряжают накопитель энергии путем подачи напряжения для ячейки преобразователя во время нормальной работы или замыкают накопитель энергии от избыточного напряжения во входах ячейки преобразователя.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап: размыкают бистабильное реле и/или мощный электронный переключатель в ответ на сигнал сброса.
В целом, следует также понимать, что описанные модули, такие как модуль управления, модуль диагностики и модуль возбуждения, могут быть воплощены как запрограммированные программные модули или функции. Однако возможно выполнить эти функциональные модули также частично или полностью в виде аппаратных средств.
Поэтому дополнительный аспект также относится к компьютерной программе, которая при работе ее в процессоре обеспечивает выполнение процессором способа, описанного выше и в следующем тексте.
Дополнительный аспект изобретения также направлен на считываемый компьютером носитель информации, в котором записана программа, такая как эта.
В этом случае считываемый компьютером носитель информации может представлять собой гибкий диск, CD, DVD, жесткий диск, запоминающее устройство USB, ОЗУ, ПЗУ, EPROM, EEPROM или EPROM типа флэш. Считываемый компьютером носитель информации также может представлять собой сеть передачи данных, такую как Интернет, которая обеспечивает возможность загрузки программного кода.
Примерные варианты осуществления изобретения будут подробно описаны в следующем тексте со ссылкой на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан преобразователь в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.2 показан дополнительный преобразователь в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.3 показана цепь ячеек преобразователя в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На фиг.4 представлена униполярная ячейка преобразователя в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.5 показана биполярная ячейка преобразователя в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.6 показана ячейка преобразователя в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.7 показана ячейка преобразователя в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.8 показана блок-схема последовательности операций способа короткого замыкания ячейки преобразователя в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.9 показан примерный вариант осуществления шунтирующего модуля в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
На фиг.10 показана схема с профилями напряжения для шунтирующего модуля, как показано на фиг.9, в соответствии с одним примерным вариантом осуществления изобретения.
Номера ссылочных позиций, используемые на чертежах, и их значения приведены в сводной форме в списке номеров ссылочных позиций. В принципе, идентичные или аналогичные части обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций.
Осуществление изобретения
DC
AC
DC
AC
На фиг.1 показан непрямой преобразователь 10, который может преобразовывать постоянное напряжение U в переменное напряжение U. С этой целью непрямой преобразователь 10 имеет две ветви 12 преобразователя, которые соединяют входы непрямого преобразователя 10, между которым приложено напряжение U, с выходом, на котором формируется напряжение U, в каждом случае через индуктор 14. Каждая из ветвей 12 преобразователя содержит множество последовательно включенных ячеек преобразователя.
Непрямой преобразователь 10, показанный на фиг.1, разработан для преобразования одной фазы тока. Также известны преобразователи, которые могут преобразовывать ток, имеющий множество фаз, например многофазный (как показано на фиг.1). Такие преобразователи имеют по одному преобразователю 10 для каждой фазы R, Y, В, выходы которых, соответственно, ассоциированы с одной из фаз, и входы которых, соответственно, ассоциированы с входами других преобразователей.
AC2
AC1
AC1
AC2
AC1
AC2
AC2
AC2
AC2
На фиг.2 показан прямой преобразователь, который формирует выходное напряжение U с частотой 2 из входных напряжений U трех входных фаз R, Y, В с частотой 1. Прямой преобразователь 16 выполнен с возможностью соединения напряжения U фазы на первой частоте с напряжением U фазы. С этой целью прямой преобразователь 16 снова имеет ветвь 12 преобразователя, которая соединяет два входа, к которым приложено два напряжения U и U, через индуктор 14. Множество выходных напряжений U на частоте 2 могут быть сформированы соответствующим образом, например для полифазных систем U. Выходное напряжение U также может, соответственно, поддерживаться в непосредственной близости к 0, например, для получения устройств с коррекцией коэффициента мощности.
На фиг.3 показаны ветви 12 преобразователя, содержащие множество ячеек 18 преобразователя. Каждая из ячеек 18 преобразователя имеет первый вход X1 и второй вход Х2, которые соединены либо с входом и выходом ветви 12 преобразователя, или с дополнительной ячейкой 18 преобразователя. Ячейки 18 преобразователя соединены последовательно через их входы и выходы X1, Х2.
На фиг.4 показана униполярная ячейка 18а преобразователя, которую используют в ветвях 12 преобразователя непрямого преобразователя 10, показанного на фиг.1. Ячейка 18а преобразователя имеет два обратно включенных диода 20, два мощных электронных переключателя 22, накопитель 24 энергии в форме конденсатора и шунтирующий модуль 26. В качестве примера, мощные электронные переключатели 22 могут быть выполнены на основе тиристоров, IGCT или IGBT. Шунтирующий модуль 26 включен параллельно с другими компонентами ячейки 18а преобразователя и подключен к входам X1 и Х2 ячейки 18а преобразователя.
В принципе, шунтирующий модуль 26 представляет собой компонент, который имеет очень низкий импеданс в первом выключенном состоянии, когда ток протекает между входами X1 и Х2 через шунтирующий модуль 26, а не через другие физические компоненты ячейки 18а преобразователя. Во втором, выключенном состояния, в котором шунтирующий модуль 26 имеет очень высокий импеданс, ток не протекает, или протекает очень малый ток через шунтирующий элемент 26. В этой ситуации ячейка 18а преобразователя ведет себя, как будто шунтирующий модуль 26 не присутствует.
На фиг.5 показана биполярная ячейка 18b преобразователя, которая сформирована, в принципе, из двух униполярных ячеек 18а преобразователя, которые используют один и тот же накопитель 24 энергии. Биполярная ячейка 18b преобразователя может использоваться в прямом преобразователе 16. Кроме того, биполярная ячейка 18b преобразователя имеет четыре мощных электронных переключателя 22 и четыре обратно включенных диода 20. В качестве примера, мощные электронные переключатели 22 могут представлять собой тиристоры, IGCT или IGBT. Кроме того, ячейка 18b преобразователя также имеет шунтирующую схему 26, которая включена параллельно с другими компонентами ячейки 18b преобразователя и подключена параллельно с входами X1 и Х2 ячейки 18b преобразователя. В этом случае шунтирующий элемент 26 имеет те же характеристики, что и шунтирующий элемент 26, показанный на фиг.4. Кроме того, малая индуктивность может быть установлена между униполярной или биполярной ячейкой преобразователя и шунтирующим элементом 26.
В качестве альтернативы, два шунтирующих модуля можно использовать для биполярной ячейки преобразователя, каждый из которых подключает одно внешнее соединение (X1, Х2) к тому же выводу конденсатора. Биполярная ячейка затем точно соответствует двум униполярным ячейкам, которые подключены к двум выводам конденсатора.
На фиг.6 показана ячейка 18 преобразователя, которая может представлять собой униполярную ячейку 18а преобразователя или биполярную ячейку 18b преобразователя. В этом случае шунтирующий модуль 26 имеет два компонента, которые включены параллельно друг другу, элемент 28 импульсных выбросов тока и избыточный элемент 30.
Элемент 28 импульсных выбросов тока обеспечивает сопротивление ячейки 18 преобразователя импульсным выбросам тока. В качестве примера, предложено внешние импульсные выбросы тока, в случае различных неисправностей преобразователя или неисправностей внешней системы, краткосрочно поглощают через входы XI и Х2 ячейкой преобразователя, с помощью элемента 28 импульсного выброса тока. Кроме того, тот же элемент защиты также можно использовать для поглощения внутренних импульсных выбросов тока внутри ячейки, для защиты избыточных элементов. В качестве примера, это возможно для разряда промежуточной цепи с конденсатором 24, когда, например, мощный электронный переключатель 22, показанный в верхней части на фиг. 4, закрыт в случае униполярной ячейки 18а преобразователя.
Избыточный элемент 30 обеспечивает возможность избыточности для ячейки 18 преобразователя. В этом случае избыточная емкость ячейки преобразователя означает постоянное короткое замыкание ячейки как следствие неисправности ячейки.
На фиг.7 показан дополнительный вариант осуществления шунтирующего модуля 26. Интеллектуальный, комбинированный, механический и содержащий мощное электронное устройство шунтирующий модуль 26 вставлен между входами и выходами X1 и Х2 униполярной или биполярной ячейки 18 преобразователя, что делает возможным обеспечить управляемое предоставление избыточности (неисправность одной или больше ячеек 18 преобразователя) и возможность передачи импульсных выбросов тока в случае внешних неисправностей системы.
Шунтирующий модуль 26 содержит комбинированный механико-электрический шунтирующий элемент 32, сформированный из бистабильного реле 34 и мощного электронного переключателя 36, который содержит два обратно включенных тиристора 38 или симистор. Мощный электронный переключатель 36 имеет модуль 40 управления затвором или модуль 40 возбуждения затвора, который может переключать электронные элементы 38 переключения, например тиристоры 38, через их затворы. Комбинированным механико-электрическим шунтирующим элементом 32 управляют модулем 42 возбуждения, который может подавать сигнал открывания или замыкания через первую линию 44 сигнала в механическое реле 34 и сигнал открывания или замыкания через вторую линию 46 сигнала в модуль 40 управления затвором и поэтому - в мощный электронный переключатель 36.
Модуль 42 возбуждения и компоненты шунтирующего элемента 32, то есть реле 34, модуль 40 возбуждения затвора и два тиристора 38, получают энергию питания от накопителя 48 энергии. Накопитель 48 энергии разработан для предоставления достаточной энергии для подачи энергии в случае неисправности к механическому и мощному электронному шунтирующему элементу 32, а также к ассоциированной интеллектуальной системе защиты, в форме модуля 42 возбуждения. Накопитель 48 энергии подключен параллельно с реле 34 и двумя тиристорами 36 к входам X1 и Х2 ячейки 18 преобразователя и может подавать энергию от напряжения, которое приложено к ячейке 18 преобразователя через эти два входа X1, Х2. Однако также возможен отбор энергии накопителем 48 энергии от источника питания для ячейки 18 преобразователя.
Механическое реле 34, например коммерчески доступное реле, которое подключено к выходам X1 и Х2, может работать с управляющим напряжением, прикладываемым при включении питания, которое находится за пределами спецификации. Это позволяет сократить время переключения реле 34. Кроме того, реле 34 может работать с напряжением переключения на контактах за пределами описания, при условии, что обеспечивается требуемое разделение функциональной изоляции. Реле 34 может представлять собой коммерчески доступное бистабильное реле.
AC
Модуль 42 возбуждения разработан для воплощения команд внешней защиты, которые, например, поступают из модуля 60 защиты системы, для оценки локальных неисправностей, таких как избыточное напряжение, избыточный ток или сообщение неисправности из диагностической 58 ячейки преобразователя. С этой целью модуль 50 измерения напряжения может быть подключен к двум входам X1, Х2, и/или устройство 52 измерения тока может быть соединено с входом X1 или входом Х2. Модуль 42 возбуждения может принимать мгновенное значение напряжения U между входами X1 и Х2 из устройства 50 измерения напряжения через линию 54 сигнала и может принимать мгновенное значение тока IC из устройства 52 измерения тока через линию 56 сигнала.
AC
AC
DC
Кроме того, модуль 42 возбуждения может принимать сигналы открывания и замыкания через линию 62 сигнала из модуля 58 управления и диагностики для ячейки 18 преобразователя. В качестве примера, для определения неисправности в ячейке 18 преобразователя модуль 58 может принимать значения напряжения U, тока I, напряжения U и осуществлять мониторинг устранения насыщения (в случае IGBT) или прямой проводимости ячейки (в случае IGCT). Модуль 42 возбуждения может, в случае необходимости, также передавать сигнал разъединения в модуль 58 управления для ячейки 18 преобразователя через линию 62 сигнала.
Кроме того, возможен прием модулем 42 возбуждения сигналов открывания и замыкания из модуля 60 защиты системы, который отслеживает весь преобразователь 10, 16, в котором установлена ячейка 18 преобразователя.
На фиг.8 показана блок-схема последовательности операций для способа, с помощью которого шунтирующий модуль 26 может защищать ячейку 18 преобразователя.
AC
AC
Напряжение U и/или ток I между двумя входами X1, Х2 ячейки 18 преобразователя определяют на этапе S10.
AC
AC
На этапе S12 модуль 42 возбуждения определяет, было ли превышено пороговое значение напряжения U и/или тока I. Если это случилось, модуль 42 возбуждения принимает решение закрыть механико-электрический шунтирующий элемент 32.
На этапе S14 модуль 58 диагностики определяет внутреннюю неисправность в ячейке 18 преобразователя. На этапе S16 модуль 58 диагностики передает сигнал замыкания в модуль 42 возбуждения.
На этапе S18 модуль 60 защиты системы детектирует внешнюю или внутреннюю неисправность в преобразователе 10, 16. Модуль 60 защиты системы затем передает сигнал замыкания через линию 62 сигнала в модуль 42 возбуждения.
Этапы S10 и S12, S14 и S16, а также S18 и S20 могут осуществляться поочередно друг с другом, или даже одновременно.
На этапе S22, принимая во внимание всю информацию, модуль 42 возбуждения, в случае необходимости, передает сигнал замыкания через линию 44 сигнала на реле 34, которое закрывается в течение миллисекунд, и сигнал замыкания через линию 46 сигнала в модуль 40 управления затвором, который затем включает два тиристора 38. Тиристоры начинают проводить в течение микросекунд.
Если модуль 58 диагностики или модуль 60 защиты системы детектируют, что внутренняя неисправность была исправлена, или что внутренняя или внешняя неисправность преобразователя 10, 16 больше не присутствует, он передает сигнал открывания в модуль 42 возбуждения, который затем на этапе S24 передает сигнал открывания в управление 40 реле и/или затвором, в ответ на который выбранные элементы переключения 34 и/или 36 снова открываются, и, если это соответствует, шунтирование шунтирующего элемента 26 снова отключают.
Внешняя неисправность, которая может быть детектирована модулем 60 защиты системы, может представлять собой, например, неисправность цепи заземления. В случае неисправности цепи заземления или, в общем, в случае неисправности, которую детектируют с помощью модуля 60 защиты системы, сигнал замыкания передают во все шунтирующие модули 26 во всех ячейках 18 преобразователя в преобразователе 18. В этих ситуациях указание сводится к закрыванию только мощных электронных переключателей. Это приводит к шунтированию всех ячеек 18 преобразователя, которые шунтируют шунтирующим модулем 26. Кроме того, в этом случае основные прерыватели в преобразователе 10, 16 также активируют с помощью модуля 60 защиты системы.
На фиг.9 показан один примерный вариант осуществления части шунтирующего модуля 26. В одном или больше бистабильных реле 34 и/или в одном или больше модулях 40 управления затвором для мощных электронных переключателей реле 36 могут получать сигналы управления через выходы Y1 и Y2 схемы 26, показанной на фиг.9. Вход U3 схемы 26 соединен с входом X1 ячейки преобразователя 18, и вход GND соединен с выходом Х2 ячейки 18 преобразователя.
Энергия, которая требуется для одновременного переключения (например, одного или больше бистабильных реле 34 и/или одного или больше мощных электронных переключателей 36) накоплена в виде заряда в конденсаторе С1 через напряжение или емкость. Накопитель 48 энергии содержит конденсатор С1.
Цепь от Y1 через конденсатор С1 к выходу Y2 замыкается тиристором Т1 для отключения реле 34 и/или модуля 40 управления затвором. В результате этого ток протекает из конденсатора С1 после инициирующего импульса до полного разряда конденсатора С 1, или выполняют прерывание цепей.
Энергию для накопителя 48 энергии отбирают либо от источника напряжения, соединенного с ячейкой преобразователя через вход U2 или через последовательные цепи диодов TRANSIL или подавляющих диодов 70 (с последующим выпрямлением), от напряжения, которое прикладывают к входам X1, Х2 ячейки преобразователя (то есть параллельно контактам реле 34 или параллельно тиристорам 38).
Тиристор Т1 может переключаться либо в результате чрезмерно высокого напряжения на входе U3, или XI цепи 26, или через управляющий вход CTR.
Для переключения тиристора Т1 через вход CRT управления, к которому, например, может быть подключен модуль 58 диагностики и/или модуль 60 защиты системы, заряд и поэтому напряжение U1 на конденсаторе С1 поддерживают на значении напряжения U2 посредством модуля источника питания, который встроен в модуль 58, 60 управления. Как только модуль 58, 60 управления формирует команду, или сигнал замыкания шунтирует ячейку 18 преобразователя, соединением управления тиристора Т1 управляют непосредственно через вход CTR, и тиристор Т1 поэтому включается. Вследствие этого конденсатор С1 разряжается через подключенное бистабильное реле 34 или модуль 40 управления затвором.
Для переключения тиристора Т1 в результате чрезмерно высокого напряжения U3, напряжение U1 отводят от конденсатора С1, подают в соединение управления тиристора Т1 через последовательные цепи из стабилитронов 66 или диодов 66 TRANSIL и динисторов 68. Последовательные цепи 66, 68 приводят к протеканию тока в управляющее соединение тиристора Т1 и его переключению при превышении специфичного порогового напряжения U1. Одновременно с этим динистор 68 изменяет свою характеристику пропускания таким образом, что падение напряжения на нем уменьшается, в основной степени. Это увеличивает ток возбуждения для тиристора Т1 и увеличивает гистерезис к схеме 26 отключения. Это приводит к надежному отключению при превышении порогового напряжения U1 даже при однократном превышении порогового напряжения U1.
Модуль 42 возбуждения содержит элементы 66, 68 и Т1.
Цепь 70 из диодов TRANSIL содержит один или больше последовательно включенных диодов TRANSIL, что позволяет устанавливать пороговое напряжение для заряда конденсатора С1. Пороговое напряжение в блоках 66, 68 должно быть выше, чем напряжение U2, в противном случае механизм триггера пороговой цепи 26 будет активирован даже во время нормальной работы, когда модуль источника питания для подключенной ячейки 18 преобразователя подает напряжение U2.
На фиг.10 показана схема профилей напряжения, полученных в результате измерений, выполненных в отношении шунтирующей цепи 26, как показано на фиг.9. Время t отмечено в секундах с правой стороны, и напряжение отмечено в вольтах в направлении вверх на схеме. В этом случае напряжение 72 конденсатора требуется делить на 10.
На графике 72 показан профиль напряжения на конденсаторе С1, в течение которого напряжение U3 74 постоянно увеличивали до порогового напряжения, при котором цепь 70 TRANSIL начинает проводить, и конденсатор С1 заряжается, как только было достигнуто пороговое напряжение для переключения тиристора Т1, он закорачивает напряжение U3 и, таким образом, шунтирует ячейку 18 преобразователя.
Следует понимать, что шунтирующую схему 26, показанную на фиг.9, также можно использовать для шунтирования общих мощных электронных компонентов, а не только ячейки 18 преобразователя. С этой целью шунтирующая схема 26 может быть подключена через входы U3 и GND к входам мощных электронных компонентов и/или может быть подключена к модулю источника питания через вход U2.
Кроме того, следует отметить, что термин "содержащий" не исключает любые другие элементы, или этапы, и "один", "а" или "an" не исключают множественное число. Кроме того, следует отметить, что свойства или этапы, которые были описаны со ссылкой на один из приведенных выше примерных вариантов осуществления, также можно использовать в комбинации с другими свойствами или этапами других примерных вариантов осуществления, описанных выше. Символы ссылочных позиций в формуле изобретения не следует рассматривать, как имеющие ограничительный эффект.
Список позиций на чертежах
10 Непрямой преобразователь
12 Ветвь преобразователя
14 Дроссель
16 Прямой преобразователь
18 Ячейка преобразователя
18а Униполярная ячейка преобразователя
18b Биполярная ячейка преобразователя
20 Включенный обратный диод
22 Силовой электронный переключатель
24 Накопитель энергии
26 Шунтирующий модуль
28 Элемент выброса импульса тока
30 Резервный элемент
32 Шунтирующий элемент
34 Реле
36 Электронный переключатель
38 Тиристор
40 Модуль управления затвором
42 Модуль возбуждения
44 Линия сигнала
46 Линия сигнала
48 Накопитель энергии
50 Устройство измерения напряжения
52 Устройство измерения тока
54 Линия сигнала
56 Линия сигнала
58 Модуль управления/диагностики
60 Модуль защиты системы
62 Линия сигнала
64 Линия сигнала
66 Диод TRANSIL
68 Динистор
70 Цепь TRANSIL
72 Напряжение конденсатора
74 Напряжение между X1 и Х2