СИСТЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТОКА С МНОГОФАЗНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ ТОКА
CURRENT RECTIFIER SYSTEM WITH MULTIPHASE CURRENT RECTIFIER

Изобретение относится к системе выпрямителя тока, включающей в себя многофазный выпрямитель тока, который для каждой фазы выпрямителя тока включает в себя несколько электрически соединенных друг с другом модулей выпрямителя тока.
Имеющие модульную конструкцию выпрямители тока зачастую располагаются в шкафах для выпрямителей тока. При повреждении одного модуля выпрямителя тока, например в случае короткого замыкания в модуле выпрямителя тока, зачастую также загрязняются или повреждаются другие модули выпрямителя тока или даже все внутреннее пространство шкафа выпрямителя тока, так что шкаф выпрямителя тока должен очищаться, что связано с большими временными и экономическими затратами, и/или модули выпрямителя тока или их сборные шины должны заменяться.
В основе изобретения лежит задача по предоставлению системы выпрямителя тока, которая улучшена, в частности, с точки зрения занимаемого объема и расходов на техническое обслуживание и ремонт.
Согласно изобретению задача решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Соответствующее изобретению система выпрямителя тока включает в себя многофазный выпрямитель тока, который для каждой фазы выпрямителя тока включает в себя несколько электрически соединенных друг с другом модулей выпрямителя тока, и шкаф выпрямителя тока, в котором расположен выпрямитель тока. Каждый модуль выпрямителя тока имеет охлаждающее тело и, по меньшей мере, один расположенный на охлаждающем теле полупроводниковый конструктивный элемент. Модули выпрямителя тока расположены в шкафу выпрямителя тока таким образом, что модули выпрямителя тока каждой фазы выпрямителя тока образуют ряд расположенных горизонтально друг за другом модулей выпрямителя тока, а ряды модулей различных фаз выпрямителя тока расположены вертикально друг над другом.
Расположение модулей выпрямителя тока в расположенных друг над другом рядах модулей делает возможным занимающее мало места расположение модулей выпрямителя тока. Таким образом, большее количество модулей выпрямителя тока может располагаться в имеющем заданные размеры шкафу выпрямителя тока, или для заданного количества модулей выпрямителя тока требуется меньший и тем самым более легкий шкаф выпрямителя тока, чем при обычных системах. Эта экономия места и веса оказывается наиболее предпочтительной, например, при использовании системы выпрямителя тока на корабле или в окружении, которое имеет похожие ограничения по месту или весу. Кроме того, согласование отдельных рядов модулей в каждом случае с одной фазой выпрямителя тока делает возможной упрощенную сборную шину выпрямителя тока для электрического соединения модулей выпрямителя тока, которая будет описываться еще более подробно ниже.
Вариант осуществления изобретения предусматривает то, что, по меньшей мере, один модуль выпрямителя тока заключен в ячейку выпрямителя тока. При этом, по меньшей мере, одна ячейка выпрямителя тока предпочтительно имеет корпус ячейки из поликарбоната или полиметилметакрилата (оргстекла).
Заключение модулей выпрямителя тока в отдельные ячейки выпрямителя тока предпочтительно позволяет локально ограничивать воздействия от повреждений отдельных модулей выпрямителя тока, в частности от повреждений посредством коротких замыканий, так что подобные повреждения не воздействуют на соседние модули выпрямителя тока. Вследствие этого для системы выпрямителя тока предпочтительно сокращаются расходы на техническое обслуживание и ремонт. При этом исполнение ячеек выпрямителя тока с корпусами ячеек из поликарбоната или полиметилметакрилата является наиболее предпочтительным, так как подобные корпуса ячеек экранируют модули выпрямителя тока друг от друга наиболее хорошо.
Дальнейшие варианты осуществления изобретения предусматривают то, что ряды модулей электрически соединены с проходящей вертикально сборной шиной промежуточного контура, и/или модули выпрямителя тока каждого ряда модулей электрически соединены с проходящей горизонтально сборной шиной фазы.
Эти варианты осуществления изобретения предпочтительно используют то, что модули выпрямителя тока одного ряда модулей в каждом случае согласованы с одной фазой выпрямителя тока. Вследствие этого для электрического соединения фаз выпрямителя тока достаточно одной проходящей вертикально сборной шины промежуточного контура, а для каждой фазы выпрямителя тока достаточно одной проходящей горизонтально сборной шины фазы.
Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает то, что полупроводниковые конструктивные элементы модулей выпрямителя тока в каждом случае выполнены в виде биполярного транзистора с изолированным затвором или в виде диода.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor) наиболее предпочтительно подходит в качестве полупроводникового конструктивного элемента для модулей выпрямителя тока ввиду своего хорошего режима пропускания, своего высокого обратного напряжения (отсечки), своей прочности и управления без затраты мощности. Тем не менее, не все полупроводниковые конструктивные элементы модулей выпрямителя тока должны быть выполнены в виде IGBT. Некоторые модули выпрямителя тока вместо IGBT могут также иметь существенно более экономичные диоды. Соответствующие электрические схемы разъясняются в описанных ниже примерах осуществления.
Частные варианты осуществления изобретения предусматривают, по меньшей мере, один первый модуль выпрямителя тока с ровно двумя первыми полупроводниковыми конструктивными элементами, которые подключены друг к другу электрически параллельно или последовательно, и которые в каждом случае выполнены в виде IGBT, и с ровно одним конструктивным узлом управления, при помощи которого могут управляться оба полупроводниковых конструктивных элемента.
Эти варианты осуществления являются предпочтительными, так как оба IGBT могут управляться общим конструктивным узлом управления, так что для подобного модуля выпрямителя тока также требуется лишь один конструктивный узел управления. Обычные же модули выпрямителя тока имеют для каждого IGBT отдельный конструктивный узел управления.
Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает то, что каждый ряд модулей имеет ровно три, четыре или пять модулей выпрямителя тока.
Три модуля выпрямителя тока, как правило, являются достаточными в диапазоне напряжений между примерно 2,3 кВ и примерно 3,3 кВ, а четыре или пять моделей выпрямителя тока, как правило, требуются в диапазоне напряжений между примерно 3,3 кВ и примерно 7,2 кВ.
Дальнейшие варианты осуществления изобретения предусматривают выпрямитель, который электрически соединен с рядами модулей и расположен в шкафу выпрямителя тока, или инвертор прямого и обратного питания, который электрически соединен с выпрямителем тока и расположен в шкафу выпрямителя тока, и который обозначается также как активный фильтр (AFE = Active Front End).
Благодаря выпрямителю или инвертору прямого и обратного питания частота соединенной с выпрямителем тока сети энергоснабжения может предпочтительно адаптироваться к исполнению модулей выпрямителя тока. Кроме того, инвертор прямого и обратного питания предпочтительно делает возможной обратную подачу энергии, которая производится приведенной в действие выпрямителем тока нагрузкой, например электродвигателем, в сеть энергоснабжения.
Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает тормозной прерыватель, который соединен с рядами модулей и расположен в шкафу выпрямителя тока, и который обозначается также как тормозной преобразователь.
Благодаря тормозному прерывателю может предпочтительно уменьшаться избыточная энергия, в частности энергия, которая не может подаваться в сеть энергоснабжения.
Дальнейший вариант осуществления изобретения предусматривает вводный шкаф, который имеет соединенные электрически с рядами модулей подключения для электрического контактирования рядов модулей.
Подобный вводный шкаф имеет то преимущество, что шкаф выпрямителя тока не должен открываться для электрического контактирования выпрямителя тока, например для подсоединения кабелей. Это с одной стороны упрощает электрическое контактирование выпрямителя тока, а с другой стороны предпочтительно предотвращает загрязнение шкафа выпрямителя тока посредством открытия шкафа выпрямителя тока при электрическом контактировании выпрямителя тока.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения становятся более понятными в связи с последующим описанием примеров осуществления, которые разъясняются более подробно в связи с чертежами. При этом на чертежах показаны:
фиг.1 - электрическая схема трехфазного выпрямителя тока,
фиг.2 - схематично первый пример осуществления системы выпрямителя тока,
фиг.3 - схематично второй пример осуществления системы выпрямителя тока,
фиг.4 - первый модуль выпрямителя тока,
фиг.5 - два расположенных друг около друга первых модуля выпрямителя тока,
фиг.6 - первый вид сборной шины промежуточного контура и расположенных на ней сборных шин фаз, и
фиг.7 - второй вид сборной шины промежуточного контура и расположенных на ней сборных шин фаз.
Соответствующие друг другу элементы снабжены на всех чертежах одинаковыми ссылочными позициями.
Фиг.1 показывает электрическую схему трехфазного выпрямителя 1 тока. Выпрямитель 1 тока выполнен в виде так называемого трехточечного инвертора в топологии с фиксированной нейтральной точкой (NPC = Neutral Point Clamped) и для каждой фазы выпрямителя тока имеет четыре первых модуля 3 выпрямителя тока, один второй модуль 5 выпрямителя тока и фазовый проводник L1, L2, L3. Каждый первый модуль 3 выпрямителя тока имеет два первых полупроводниковых конструктивных элемента 7, которые подключены друг к другу электрически последовательно и в каждом случае выполнены в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor). Каждый второй модуль 5 выпрямителя тока имеет четыре вторых полупроводниковых конструктивных элемента 9, которые подключены друг к другу электрически последовательно и в каждом случае выполнены в виде диода.
Четыре первых модуля 3 выпрямителя тока каждой фазы выпрямителя тока подключены друг к другу электрически последовательно. Второй модуль 5 выпрямителя тока соответствующей фазы выпрямителя тока подключен электрически параллельно к обоим внутренним первым модулям 3 выпрямителя тока этого последовательного подключения. Кроме того, последовательное подключение первых модулей 3 выпрямителя тока электрически соединено между своими обоими внутренними первыми модулями 3 выпрямителя тока с фазовым проводником L1, L2, L3 соответствующей фазы выпрямителя тока.
В каждом случае один из обоих внешних первых модулей 3 выпрямителя тока каждой фазы выпрямителя тока электрически соединен с первым проводником 11 промежуточного контура. Другой из обоих внешних первых модулей 3 выпрямителя тока каждой фазы выпрямителя тока электрически соединен со вторым проводником 13 промежуточного контура. Второй модуль 5 выпрямителя тока каждой фазы выпрямителя тока соединен с третьим проводником 15 промежуточного контура. Первый проводник 11 промежуточного контура находится на первом, например положительном электрическом потенциале, второй проводник 13 промежуточного контура находится на втором, например отрицательном электрическом потенциале, и третий проводник 15 промежуточного контура находится на третьем электрическом потенциале, например потенциале заземления.
Кроме того, на фиг.1 изображен тормозной прерыватель 17. Тормозной прерыватель 17 имеет два первых модуля 3 выпрямителя тока, которые в каждом случае выполнены как первые модули 3 выпрямителя тока фаз выпрямителя тока, и из которых один соединен с первым проводником 11 промежуточного контура, а другой соединен со вторым проводником 13 промежуточного контура. Оба первых модуля 3 выпрямителя тока тормозного прерывателя 17 соединены электрически последовательно с подключенным между ними сопротивлением 19 тормозного прерывателя. Кроме того, тормозной прерыватель 17 имеет один второй модуль 5 выпрямителя тока, который выполнен как вторые модули 5 выпрямителя тока фаз выпрямителя тока, подключен электрически параллельно к сопротивлению 19 тормозного прерывателя и электрически соединен с третьим проводником 15 промежуточного контура.
Фиг.2 схематично показывает первый пример осуществления соответствующей изобретению системы 100 выпрямителя тока на изображении в перспективе, на котором видна передняя сторона системы 100 выпрямителя тока. Система 100 выпрямителя тока этого примера осуществления включает в себя трехфазный выпрямитель 1 тока, тормозной прерыватель 17, выпрямитель 21 и шкаф 23 выпрямителя тока, в котором расположены выпрямитель 1 тока, тормозной прерыватель 17 и выпрямитель 21.
Выпрямитель 1 тока и тормозной прерыватель 17 выполнены и соединены, как это описано выше при помощи фиг.1. При этом каждый модуль 3, 5 выпрямителя тока имеет не изображенное более подробно на фиг.2 охлаждающее тело 25, на котором для своего охлаждения расположены полупроводниковые конструктивные элементы 7, 9 соответствующего модуля 3, 5 выпрямителя тока, что можно увидеть на фиг.4. Кроме того, каждый модуль 3, 5 выпрямителя тока расположен в собственной ячейке 33 выпрямителя тока, которая имеет корпус 35 ячейки из поликарбоната или полиметилметакрилата (оргстекла), что можно увидеть на фиг.5.
Модули 3, 5 выпрямителя тока расположены в шкафу 23 выпрямителя тока таким образом, что модули 3, 5 выпрямителя тока каждой фазы выпрямителя тока образуют ряд C1, C2, C3 расположенных горизонтально друг за другом модулей 3, 5 выпрямителя тока, а ряды C1, C2, C3 модулей различных фаз выпрямителя тока расположены "поэтажно" друг над другом. При этом второй модуль 5 выпрямителя тока в каждом случае расположен в качестве среднего модуля 3, 5 ряда C1, C2, C3 модулей выпрямителя тока.
Тормозной прерыватель 17 в этом примере осуществления расположен на отдельном ярусе шкафа 23 выпрямителя тока над модулями 3, 5 выпрямителя тока фаз выпрямителя тока. Выпрямитель 21 расположен на дальнейшем отдельном ярусе шкафа 23 выпрямителя тока над тормозным прерывателем 17.
Проводники 11, 13, 15 промежуточного контура выполнены в виде проходящей вертикально сборной шины 37 промежуточного контура, которая расположена на задней стороне системы 100 выпрямителя тока и потому не видна на фиг.2. Фазовые проводники L1, L2, L3 в каждом случае выполнены в виде проходящей горизонтально сборной шины 39 фазы, которая также расположена на задней стороне системы 100 выпрямителя тока и потому не видна на фиг.2 (см. для этого фиг.6 и 7). Между модулями 3, 5 выпрямителя тока и сборными шинами 37, 39 предпочтительно расположены защитные пластины для защиты сборных шин 37, 39.
Выпрямитель 21 выполнен, например, в виде 12-пульсного выпрямителя.
Фиг.3 схематично показывает второй пример осуществления соответствующей изобретению системы 100 выпрямителя тока на изображении в перспективе. Этот пример осуществления отличается от изображенного на фиг.2 первого примера осуществления лишь тем, что модули 3, 5 выпрямителя тока не расположены на отдельном ярусе шкафа 23 выпрямителя тока, а распределены по ярусам шкафа 23 выпрямителя тока, на которых расположены модули 3, 5 выпрямителя тока фаз выпрямителя тока. При этом модули 3, 5 выпрямителя тока тормозного прерывателя 17 расположены друг над другом в каждом случае на другом ярусе шкафа 23 выпрямителя тока, и второй модуль 5 выпрямителя тока тормозного прерывателя 17 расположен между обоими первыми модулями 3 выпрямителя тока тормозного прерывателя 17.
Фиг.4 показывает первый модуль 3 выпрямителя тока на виде в перспективе. Охлаждающее тело 25 выполнено по существу прямоугольным для приема охлаждающей жидкости и имеет два подсоединения 27 охлаждающей жидкости для подвода и отвода охлаждающей жидкости. Кроме того, на охлаждающем теле 25 опционально расположена рукоятка 28 для упрощения вставки модуля 3 выпрямителя тока в ячейку 33 выпрямителя тока и извлечения модуля 3 выпрямителя тока из ячейки 33 выпрямителя тока. Первые полупроводниковые конструктивные элементы 7 расположены на охлаждающем теле 25. На отвернутой от охлаждающего тела 25 стороне первых полупроводниковых конструктивных элементов 7 расположен конструктивный узел 29 управления, при помощи которого могут управляться оба полупроводниковых конструктивных элемента 7, и который выполнен в виде оснащенной соответствующими электронными конструктивными элементами платы управления. Кроме того, первый модуль 3 выпрямителя тока имеет сборную шину 31 модуля, при помощи которой он может электрически соединяться с другими модулями 3, 5 выпрямителя тока и сборной шиной 37 промежуточного контура или сборной шиной 39 фазы.
Фиг.5 показывает изображение в перспективе двух расположенных друг около друга первых модулей 3 выпрямителя тока, которые в каждом случае выполнены как изображенный на фиг.4 первый модуль 3 выпрямителя тока. При этом один из модулей 3 выпрямителя тока изображен внутри корпуса 35 ячейки, в то время как другой изображен без корпуса 35 ячейки. Корпус 35 ячейки имеет форму открытого прямоугольного полого цилиндра, в который может вставляться модуль 3, 5 выпрямителя тока.
Фиг.6 и 7 показывают две противоположные стороны одной сборной шины 37 промежуточного контура и трех расположенных на ней сборных шин 39 фаз в каждом случае на изображении в перспективе. Проводники 11, 13, 15 промежуточного контура сборной шины 37 промежуточного контура и сборные шины 39 фаз выполнены в виде плоскопараллельных, проводящих электричество пластин, причем первый проводник 11 промежуточного контура и второй проводник 13 промежуточного контура проходят на первой стороне третьего проводника 15 промежуточного контура, а сборные шины 39 фаз проходят на стороне третьего проводника 15 промежуточного контура, которая противоположна его первой стороне. Первый проводник 11 промежуточного контура и второй проводник 13 промежуточного контура распространяются в горизонтальном направлении, будучи на расстоянии друг от друга, по отличным друг от друга участками горизонтальной протяженности третьего проводника 15 промежуточного контура, а в вертикальном направлении по всей вертикальной протяженности третьего проводника 15 промежуточного контура, причем они выступают над верхним концом третьего проводника 15 промежуточного контура. Сборные шины 39 фаз, будучи на вертикальном расстоянии друг от друга, распространяются в горизонтальном направлении в каждом случае по участку горизонтальной протяженности третьего проводника 15 промежуточного контура и выступают за третий проводник 15 промежуточного контура в горизонтальном направлении на одном из его боковых концов.
Дальнейшие исполнение описанного выше примера осуществления предусматривает вводный шкаф, который расположен, например, рядом со шкафом 23 выпрямителя тока. Вводный шкаф имеет электрические подключения, которые электрически соединены с расположенными в шкафу 23 выпрямителя тока электрическими компонентами для электрического контактирования этих компонентов, в частности для подсоединения кабелей.
Кроме того, альтернативные примеры осуществления предусматривают вместо выпрямителя 21 инвертор прямого и обратного питания (активный выпрямитель). Инвертор прямого и обратного питания включает в себя, например, для каждой фазы выпрямителя тока дальнейшие модули 3, 5 выпрямителя тока, количество и исполнение которых соответствуют описанным выше модулям 3, 5 выпрямителя тока соответствующей фазы выпрямителя тока, и которые располагаются на том же ярусе шкафа 23 выпрямителя тока, как и эти описанные выше модули 3, 5 выпрямителя тока, например в каждом случае над соответствующим модулем 3, 5 выпрямителя тока описанных выше примеров осуществления.
Дальнейшие альтернативные примеры осуществления предусматривают вместо охлаждающих тел 25, которые предназначены для приема охлаждающей жидкости, охлаждающие тела 25 для воздушного охлаждения модулей 3, 5 выпрямителя тока. Подобные охлаждающие тела 25 предпочтительно имеют охлаждающие ребра для отвода тепла в воздух.
Несмотря на то, что изобретение было подробно и в деталях проиллюстрировано и описано посредством предпочтительных примеров осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и другие варианты могут выводиться из этого специалистом, не отступая от объема защиты изобретения. В частности, изобретение не ограничено определенным количеством фаз выпрямителя тока, или определенным количеством модулей 3, 5 выпрямителя тока на фазу выпрямителя тока, или определенными количествами полупроводниковых конструктивных элементов 7, 9 модулей 3, 5 выпрямителя тока, и описанные выше примеры осуществления могут понятным для специалиста образом адаптироваться к другим количествам, чем количества, указанные в этих примерах осуществления.