Трехточечный вентильный преобразователь

Изобретение относится к области электротехники. Предложен трехточечный вентильный преобразователь (1) с активными фиксаторами уровня, который содержит по меньшей мере одну полумостовую схему (5), включенную в контур (2) постоянного напряжения. Данная или каждая полумостовая схема (5) содержит последовательно соединенные входной полумост (20) стороны высокого потенциала и входной полумост (21) стороны низкого потенциала. Полумостовая схема (5) также содержит выходной полумост (22), включенный между средними отводами (25, 31) входных полумостов (20, 21). При этом полная индуктивность (Lg) внутри выходного полумоста (22), а также между тремя полумостами (20-22) рассчитана таким образом, что при отказе любого силового полупроводника (23, 24, 26, 27, 29, 30, 32, 33, 35, 36, 38, 39) полумостовой схемы (5) короткое замыкание через образованную между тремя полумостами (20-22) полумостовой схемы (5) цепь короткого замыкания может надежно отключаться посредством работоспособных силовых полупроводников (23, 24, 26, 27, 29, 30, 32, 33, 35, 36, 38, 39) в этой цепи короткого замыкания.16 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится трехточечному вентильному преобразователю. В качестве трехточечного вентильного преобразователя обозначается электронная схема, которая с помощью силовых полупроводников (в частности, полупроводниковых переключателей и/или диодов) преобразует подведенное входное напряжение в выходное напряжение, причем это выходное напряжение в статическом случае - в частности, в каждый отдельный момент времени – может принимать три дискретных значения (или уровня потенциала), например, по отношению к входному напряжению, значения "0", "1/2" и "1".

В случае трехточечных вентильных преобразователей, речь идет, в частности, о трехточечном инверторе, который преобразует поданное на вход постоянное напряжение в переменное напряжение, выдаваемое в цепь нагрузочного тока. При этом изобретение относится, в частности, к трехточечному вентильному преобразователю, который рассчитан на использование в диапазоне мегаватт (например, в диапазонах 1 МВт-20 МВт), например, в ветроэнергетической установке или в прокатном стане.

В таком трехточечном вентильном преобразователе однократные неисправности (т.е. отказ отдельного силового полупроводника вентильного преобразователя) могут приводить к тому, что последующие силовые полупроводники выходят из строя в результате последующей (зависимой) неисправности. В качестве отказа при этом, в частности, обозначается отказ запирания соответствующего силового полупроводника, при котором силовой полупроводник постоянно (также, когда это уместно, в конструктивно обусловленном направлении запирания) является электропроводным. Отказ нескольких силовых полупроводниковых переключателей может привести к низкоиндуктивным коротким замыканиям внутри вентильного преобразователя или к многополюсным коротким замыканиям для подключенной нагрузки. При этом возникающий ток короткого замыкания может привести к высокому ударному моменту в электрической машине, подключенной в качестве нагрузки к вентильному преобразователю. Ожидаемый для случая короткого замыкания ударный момент при этом может быть релевантным при проектировании для механической системы подключенной электрической машины и, таким образом, требовать проектирования с повышенным запасом механики этой машины.

Кроме того, ударный ток в случае короткого замыкания приводит к значительной нагрузке диодов в цепи короткого замыкания со стороны нагрузки, в случае полного поперечного зажигания даже всех диодов, подключенных к тому же контуру постоянного тока. Для того чтобы защитить диоды от разрушения ударным током, перед вентильным преобразователем часто на стороне переменного тока включают дроссели. Эти дроссели приводят в значительной степени к более высоким затратам, большей массе и требуют больше места для размещения. Кроме того, эти дроссели также вызывают повышенные потери и сниженное выходное напряжение.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения можно рассматривать известный из EP 2323459 A от 18-05-2011 трехточечный вентильный преобразователь с контуром постоянного напряжения входной стороны, который содержит шину высокого потенциала и шину низкого потенциала, и с по меньшей мере одной полумостовой схемой, которая содержит входной полумост стороны высокого потенциала, входной полумост стороны низкого потенциала и выходной полумост, причем оба входных полумоста включены последовательно между шиной высокого потенциала и шиной низкого потенциала, причем выходной полумост включен между средним отводом входного полумоста стороны высокого потенциала и средним отводом входного полумоста стороны низкого потенциала, причем средний отвод выходного полумоста образует фазный вывод для подключения к цепи нагрузочного тока или соединен с таким фазным выводом.

В основе изобретения лежит задача обеспечить улучшенный с учетом вышеописанной проблематики трехточечный вентильный преобразователь.

Эта задача в соответствии с изобретением решается посредством признаков пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные и частично рассматриваемые сами по себе на уровне изобретения варианты осуществления и дальнейшие развития изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения и нижеследующем описании.

Соответствующий изобретению трехточечный вентильный преобразователь имеет контур постоянного напряжения входной стороны, который содержит шину высокого потенциала и шину низкого потенциала. Контур постоянного тока может быть, в частности, промежуточным контуром постоянного напряжения, который в вентильном преобразователе переменного тока включен между участком выпрямителя и участком инвертора.

Кроме того, трехточечный вентильный преобразователь содержит по меньшей мере одну полумостовую схему, которая включена между шиной высокого потенциала и шиной низкого потенциала. Предпочтительно, трехточечный вентильный преобразователь включает в себя несколько (в частности, три) полумостовых схем, которые включены параллельно друг другу между шиной высокого потенциала и шиной низкого потенциала. Полумостовые схемы также упоминаются далее как фазы вентильного преобразователя.

Трехточечный вентильный преобразователь выполнен как трехточечный вентильный преобразователь с активными фиксаторами уровня (конвертор с активной фиксацией нейтральной точки), как известно само по себе, например, из DE 101 40 747 A1. Данная или каждая полумостовая схема для этого (соответственно) образована из трех полумостов, а именно, из

- (входного) полумоста стороны высокого потенциала,

- (входного) полумоста стороны низкого потенциала и

- (выходного) полумоста.

Оба входных полумоста включены последовательно между шиной высокого потенциала и шиной низкого потенциала контура постоянного напряжения. Выходная полумостовая схема, напротив, со стороны входа включена между средним отводом входного полумоста стороны высокого потенциала и средним отводом входного моста стороны низкого потенциала. Средний отвод выходного полумоста образует фазный вывод, к которому по определению подключается цепь нагрузочного тока или соединена с таким фазным выводом.

Средний отвод входного полумоста стороны высокого потенциала далее обозначается как "первый средний отвод". Средний отвод входного полумоста стороны низкого потенциала далее обозначается как "второй средний отвод". Средний отвод выходного полумоста далее обозначается как "третий средний отвод". Каждый из трех средних отводов размещен, соответственно, между двумя силовыми полупроводниками или двумя группами силовых полупроводников.

Таким образом, каждый из трех полумостов содержит, в частности, в последовательности (то есть, в последовательном соединении), соответственно, полупроводник стороны высокого потенциала и полупроводник стороны низкого потенциала, между которым размещен соответствующий средний отвод.

Конкретно, входной полумост стороны высокого потенциала содержит первый полупроводниковый переключатель стороны высокого потенциала и первый полупроводниковый переключатель стороны низкого потенциала, которые через первый средний отвод включены последовательно. Соответственно, входной полумост стороны низкого потенциала содержит второй полупроводниковый переключатель стороны высокого потенциала и второй полупроводниковый переключатель стороны низкого потенциала, которые через второй средний отвод включены последовательно. Выходной полумост имеет, наконец, третий полупроводниковый переключатель стороны высокого потенциала и третий полупроводниковый переключатель стороны низкого потенциала, которые соединены последовательно через третий средний отвод. С каждым полупроводниковым переключателем параллельно соединен, в частности, безынерционный диод.

Параллельно обоим входным полумостам включен, соответственно, конденсатор. Эти оба конденсатора по своему значению емкости выбраны предпочтительно одинаковыми, так что в статическом случае на каждом входном полумосте, соответственно, падает половина входного напряжения, приложенного между шиной высокого потенциала и шиной низкого потенциала. Электрический потенциал между конденсаторами обозначается как потенциал средней точки.

В соответствии с изобретением полная индуктивность (т.е. сумма отдельных индуктивностей)

- внутри выходного полумоста,

- между входным полумостом стороны высокого потенциала и входным полумостом стороны низкого потенциала,

- между входным полумостом стороны высокого потенциала и выходным полумостом, а также

- между входным полумостом стороны низкого потенциала и выходным полумостом

рассчитывается таким образом, что при отказе любого силового полупроводника полумостовой схемы (или одной из, возможно, нескольких полумостовых схем) короткое замыкание через образованную между тремя полумостами этой полумостовой схемы цепь короткого замыкания может надежно отключаться посредством работоспособных силовых полупроводников в этой цепи короткого замыкания. В фокусе настоящего изобретения находится, таким образом, надежное отключение внутренних для вентильного преобразователя коротких замыканий, которые, таким образом не блокируют цепь нагрузочного тока, внутри полумостовой схемы, но выходят за пределы отдельного полумоста.

При этом надежное отключение выражается, в частности, в том, что в случае короткого замыкания – также и прямо при отказе силового полупроводника – предотвращаются перекрывающие полумост электрические последующие неисправности. Посредством целенаправленного расчета индуктивностей внутри выходного полумоста, таким образом, между тремя полумостами данной или каждой полумостовой схемы также исключается то, что возрастание тока или напряжения вследствие однократной неисправности (то есть отказа отдельного силового полупроводника полумоста) влечет за собой отказ по меньшей мере одного другого силового полупроводника другого полумоста той же самой полумостовой схемы.

За счет того, что исключаются охватывающие полумост электрические последующие неисправности, гарантируется, что при однократной неисправности еще поддерживается по меньшей мере половинное входное напряжение в качестве противодействующего напряжения в цепи нагрузочного тока. Протекающий в случае короткого замыкания ток короткого замыкания может быть сокращен, таким образом, примерно на треть по сравнению с обычными трехточечными вентильными преобразователями. Соответственно, снижаются также ударные моменты и нагрузка диодов в вентильном преобразователе.

Данная или каждая полумостовая схема при этом предпочтительно выполнена таким образом, что упомянутая полная индуктивность (Lg) имеет значение индуктивности между 100 нГн (предпочтительно 300 нГн) и 10 мкГн (предпочтительно 1 мкГн).

Для регулировки полной индуктивности предпочтительно

- внутри выходного полумоста и/или

- между входным полумостом стороны высокого потенциала и входным полумостом стороны низкого потенциала и/или

- между входным полумостом стороны высокого потенциала и выходным полумостом и/или

- между входным полумостом стороны низкого потенциала и выходным полумостом

расположен по меньшей мере один дроссель (следовательно, дискретный компонент в форме магнитной катушки).

При этом предпочтительным образом внутри выходного полумоста по обе стороны от среднего отвода размещен, соответственно, дроссель. Дополнительно или альтернативно, предпочтительно между тремя полумостами данной или каждой полумостовой схемы расположен, соответственно, дополнительный дроссель.

При обеспечении достаточно большой полной индуктивности один или несколько из этих дросселей, в общем случае, могут также отсутствовать. К тому же, один или несколько или даже все дроссели могут также быть заменены конструктивно обусловленными индуктивностями рассеяния.

В предпочтительном дальнейшем развитии изобретения три полумоста данной или каждой полумостовой схемы таким образом механически отделены друг от друга, что механическое или термическое разрушение или ухудшение одного полумоста одним из обоих других полумостов той же самой полумостовой схемы исключается. Таким способом предотвращается то, что надежное отключение короткого замыкания трехточечного вентильного преобразователя оказывается под угрозой из-за механических или термических осложнений (механических или термических последующих неисправностей). Например, отдельные полумосты той же самой полумостовой схемы при этом в достаточной степени пространственно разнесены (например, размещены на расстоянии от 10 см до 1 м друг от друга) и/или отделены друг от друга перегородками или защитными корпусами (например, из стального листа с толщиной стенки по меньшей мере 1 мм или из пластика с толщиной стенки по меньшей мере 5 мм). В случае многофазных вентильных преобразователей в рамках изобретения, в общем случае, полумосты различных полумостовых схем могут размещаться в общем корпусе.

Предпочтительным образом контур постоянного напряжения выполнен таким образом, что электрический пробой между шиной высокого потенциала и шиной низкого потенциала исключается. Предпочтительным образом, для этого шина высокого потенциала и шина низкого потенциала контура постоянного напряжения отделены посредством перегородки, лежащей на потенциале средней точки, выполненной из электропроводного материала, в частности, листовой стали.

Ниже более подробно описаны примеры выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг. 1 – схематично показанная упрощенная блок-схема трехфазного трехточечного вентильного преобразователя с контуром постоянного напряжения входной стороны, который включает в себя шину высокого потенциала и шину низкого потенциала, а также с тремя полумостовыми схемами, из которых каждая соединена через фазный вывод с соответствующей фазой трехфазной цепи нагрузочного тока, и

Фиг. 2 - электрическая блок-схема одной из трех полумостовых схем вентильного преобразователя согласно фиг. 1.

Соответствующие друг другу элементы и величины на всех чертежах снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

Представленный на фиг. 1 (трехточечный) вентильный преобразователь 1 содержит на входной стороне контур 2 постоянного напряжения, через который к вентильному преобразователю 1 подводится постоянное входное напряжение Ue. Контур 2 постоянного напряжения содержит шину 3 высокого потенциала и шину 4 низкого потенциала, между которыми приложено входное напряжение Ue.

Вентильный преобразователь 1 содержит, кроме того, три – на фиг. 1 только обозначенные - полумостовые схемы 5, которые включены параллельно друг другу между шиной 3 высокого потенциала и шиной 4 низкого потенциала.

Каждая из (обозначенных также как фазы вентильного преобразователя) полумостовых схем 5 соединена через ассоциированный фазный вывод 6 с соответственно ассоциированной фазой 7 трехфазной цепи 8 нагрузочного тока. В цепи 8 нагрузочного тока включена, например, электрическая машина 9 в качестве нагрузки.

При работе вентильного преобразователя 1 входное напряжение Ue посредством полумостовых схем 5 преобразуется в выходное напряжение Ua в форме трехфазного переменного напряжения. Выходное напряжение Uа через фазные выводы 6 вводится в цепь 8 нагрузочного тока.

На фиг. 2 детально представлена структура одной из трех конструктивно подобных полумостовых схем 5.

Как видно из представления, каждая из полумостовых схем 5 разделена на три полумоста 20, 21 и 22, а именно, на

- (входной) полумост 20 стороны высокого потенциала,

- (входной) полумост 21 стороны низкого потенциала и

- (выходной) полумост 22.

Полумост 20 включает в себя (первый) полупроводниковый переключатель 23 стороны высокого потенциала и (первый) полупроводниковый переключатель 24 стороны низкого потенциала, которые соединены через (первый) средний отвод 25 последовательно. С каждым из полупроводниковых переключателей 23 и 24, соответственно, параллельно включен безынерционный диод 26 или 27. Параллельно последовательному соединению полупроводниковых переключателей 23 и 24 подключен конденсатор 28, на котором падает напряжение Ud1.

Полумост 21 также включает в себя (второй) полупроводниковый переключатель 29 стороны высокого потенциала и (второй) полупроводниковый переключатель 30 стороны низкого потенциала, которые соединены через (второй) средний отвод 31 последовательно. С каждым из полупроводниковых переключателей 29 и 30, соответственно, параллельно включен безынерционный диод 32 или 33. Параллельно последовательному соединению полупроводниковых переключателей 29 и 30 подключен конденсатор 34, на котором падает напряжение Ud2.

Наконец, полумост 22 также включает в себя (третий) полупроводниковый переключатель 35 стороны высокого потенциала и (третий) полупроводниковый переключатель 36 стороны низкого потенциала, которые соединены через (третий) средний отвод 37 последовательно. С каждым из полупроводниковых переключателей 35 и 36, соответственно, параллельно включен безынерционный диод 38 или 39.

Полупроводниковые переключатели 23, 24, 29, 30, 35 и 36, предпочтительно, образованы, соответственно, биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT). В общем случае могут быть использованы также другие полупроводниковые переключатели.

Полумосты 20 и 21 подсоединены последовательно между шиной 3 высокого потенциала и шиной 4 низкого потенциала. Полумост 22 с входной стороны включен между средним отводом 25 полумоста 20 и средним отводом 31 полумоста 21. Средний отвод 37 полумоста 22 соединен с соответственно ассоциированным фазным выводом 6.

Полумосты 20 и 21 выполнены, соответственно, низкоиндуктивными, так что индуктивностью этих полумостов 20 и 21 можно пренебречь. В частности, индуктивность рассеяния (не показанная явным образом на фиг. 2) внутри каждого из полумостов 20 и 21 имеет значение меньше 100 нГн.

В отличие от этого, на фиг 2 в виде эквивалентной схемы показаны:

- между полумостами 20 и 21 индуктивность 40 со значением индуктивности L1,

- между полумостами 20 и 22 индуктивность 41 со значением индуктивности L2 и

- между полумостами 21 и 22 индуктивность 42 со значением индуктивности L3.

Кроме того, внутри полумоста 22 между полупроводниковым переключателем 35 и средним отводом 37, а также между средним отводом 37 и полупроводниковым переключателем 36 показаны две дополнительные индуктивности 43 и 44 со значениями индуктивности L4 или L5.

Индуктивности 40-44 предпочтительно образованы дискретными компонентами в форме дросселей (например, магнитными катушками индуктивности). В качестве альтернативы, однако, одна, несколько (т.е. по меньшей мере две) или даже все индуктивности 40-44 могут быть образованы, соответственно, конструктивно обусловленной индуктивностью рассеяния полумостовой схемы 5 в соответствующем месте полумостовой схемы 5.

В любом случае, индуктивности 40-44 рассчитаны таким образом, что получающаяся в сумме из значений индуктивности от L1 до L5 полная индуктивность Lg (Lg=L1+L2+L3+L4+L5), настолько велика, что полумостовая схема 5 может надежно отключать внутреннее для вентильного преобразователя короткое замыкание между полумостами 20-22 и в том случае, если один из полупроводниковых переключателей 23, 24, 29, 30, 35 или 36 или один из безынерционных диодов 26, 27, 32, 33, 38 или 39, ввиду отказа запирания, вышел из строя и, таким образом, замыкает накоротко относящуюся к нему ветвь провода полумостовой схемы 5.

Для этого полная индуктивность Lg выбрана в диапазоне между 100 нГн и 10 мкГн. Предпочтительным образом, полная индуктивность выбрана большей чем 300 нГн, и/или меньшей чем 1 мкГн. В конкретном варианте осуществления полная индуктивность предпочтительно определяется как функция от номинального тока In полупроводниковых переключателей 23, 24, 29, 30, 35, 36, а также в зависимости от входного напряжения Uе. При особенно предпочтительном выборе параметров, полная индуктивность Lg устанавливается таким образом, что значение математического произведения Lg⋅In/Ue находится в диапазоне от 25 нс (наносекунд) до 150 нс.

Вышеописанный выбор параметров позволяет надежно отключать следующие – внутренние для фазы вентильного преобразователя переменного тока, но охватывающие полумост – цепи короткого замыкания:

1. Первая цепь короткого замыкания (ток короткого замыкания, обусловленный напряжением Ud1)

Эта первая цепь короткого замыкания замыкается через

- конденсатор 28,

- полупроводниковый переключатель 23 или параллельный безынерционный диод 26,

- индуктивность 41,

- полупроводниковый переключатель 35 или параллельный безынерционный диод 38,

- индуктивность 43,

- индуктивность 44,

- полупроводниковый переключатель 36 или параллельный безынерционный диод 39,

- индуктивность 42,

- безынерционный диод 32 и

- индуктивность 40.

2. Вторая цепь короткого замыкания (ток короткого замыкания, обусловленный напряжением Ud2)

Эта вторая цепь короткого замыкания замыкается через

- конденсатор 34,

- индуктивность 40,

- безынерционный диод 27,

- индуктивность 41,

- полупроводниковый переключатель 35 или параллельный безынерционный диод 38,

- индуктивность 43,

- индуктивность 44,

- полупроводниковый переключатель 36 или параллельный безынерционный диод 39,

- индуктивность 42 и

- полупроводниковый переключатель 30 или параллельный безынерционный диод 33.

3. Третья цепь короткого замыкания (ток короткого замыкания, обусловленный обоими напряжениями Ud1 и Ud2)

Эта третья цепь короткого замыкания замыкается через

- конденсатор 28,

- полупроводниковый переключатель 23 или параллельный безынерционный диод 26,

- индуктивность 41,

- полупроводниковый переключатель 35 или параллельный безынерционный диод 38,

- индуктивность 43,

- индуктивность 44,

- полупроводниковый переключатель 36 или параллельный безынерционный диод 39,

- индуктивность 42,

- полупроводниковый переключатель 30 или параллельный безынерционный диод 33,

- конденсатор 34 и

- индуктивность 40.

В частности, за счет достаточно большой полной индуктивности Lg предотвращаются электрические последующие неисправности в вышеописанных цепях короткого замыкания.

При этом в качестве "последующей неисправности" или "последующего отказа" в общем случае обозначается выход из строя (отказ запирания) полупроводникового переключателя или включенного параллельно ему безынерционного диода, который вызывается предшествующим отказом ("первой неисправностью" или "первичным отказом") другого полупроводникового переключателя или другого безынерционного диода. Такая последующая неисправность при этом обозначается как "электрическая последующая неисправность", когда перенапряжение или перегрузка по току вследствие первой неисправности является причиной последующей неисправности.

Полная индуктивность Lg может, в принципе, произвольно распределяться на индуктивности 40-44. Однако, предпочтительно, полная индуктивность Lg распределяется следующим образом:

- индуктивность 40:L1=1/4 Lg;

- индуктивность 41:L2=1/4 Lg;

- индуктивность 42:L3=1/4 Lg;

- индуктивность 43:L4=1/8 Lg;

- индуктивность 44:L5=1/8 Lg.

При вышеописанном вентильном преобразователе 1 могут, в частности, возникать следующие варианты неисправностей.

1. Протекание тока через полупроводниковые переключатели 23 и 35 или параллельные безынерционные диоды 38 и 26

1.1. Первая неисправность: полупроводниковый переключатель 24 или безынерционный диод 27.

Индуктивность преобразователя во внутренней для вентильного преобразователя цепи короткого замыкания: нет.

Последующая неисправность: полупроводниковый переключатель 23 или безынерционный диод 26.

Еще работоспособны: полупроводниковые переключатели 29, 30, 35 и 36.

Противодействующее напряжение для короткого замыкания нагрузки: Ud2.

1.2. Первая неисправность: полупроводниковый переключатель 36 или безынерционный диод 39.

Индуктивность во внутренней для вентильного преобразователя цепи короткого замыкания: Lg.

Последующая неисправность: нет.

Еще работоспособны: полупроводниковые переключатели 23, 24, 29, 30 и 35.

Нет короткого замыкания нагрузки.

1.3. Первая неисправность: полупроводниковый переключатель 30 или безынерционный диод 33.

Индуктивность во внутренней для вентильного преобразователя цепи короткого замыкания: Lg.

Последующая неисправность: нет.

Еще работоспособны: полупроводниковые переключатели 23, 24, 29, 35 и 36.

Нет короткого замыкания нагрузки.

2. Протекание тока через безынерционный диод 27 и полупроводниковый переключатель 35 или через безынерционный диод 38 и полупроводниковый переключатель 24

2.1. Первая неисправность: полупроводниковый переключатель 23 или безынерционный диод 26.

Индуктивность во внутренней для вентильного преобразователя цепи короткого замыкания: нет.

Последующая неисправность: полупроводниковый переключатель 24 или безынерционный диод 27.

Еще работоспособны: полупроводниковые переключатели 29, 30, 35 и 36.

Противодействующее напряжение для короткого замыкания нагрузки: Ud2.

2.2. Первая неисправность: полупроводниковый переключатель 36 или безынерционный диод 39.

Нет внутренней для вентильного преобразователя цепи короткого замыкания.

Последующая неисправность: нет.

Еще работоспособны: полупроводниковые переключатели 23, 24, 29, 30 и 35.

Нет короткого замыкания нагрузки.

2.3. Первая неисправность: полупроводниковый переключатель 30 или безынерционный диод 33.

Индуктивность во внутренней для вентильного преобразователя цепи короткого замыкания: Lg.

Последующая неисправность: нет.

Еще работоспособны: полупроводниковые переключатели 23, 24, 29, 35 и 36.

Нет короткого замыкания нагрузки.

3. Короткое замыкание между шиной 3 высокого потенциала и потенциалом средней точки

Противодействующее напряжение для короткого замыкания нагрузки: Ud2.

Для других вариантов неисправности, которые отличаются от вышеописанных случаев зеркально отраженными неисправностями в соответственно другой половине вентильного преобразователя переменного тока, справедливы вышеописанные соотношения соответственно.

1' Протекание тока через полупроводниковые переключатели 36 и 30 или параллельные безынерционные диоды 33 и 39.

1.1' Первая неисправность: полупроводниковый переключатель 29 или безынерционный диод 32.

Индуктивность во внутренней для вентильного преобразователя цепи короткого замыкания: нет.

Последующая неисправность: полупроводниковый переключатель 30 или безынерционный диод 33.

Еще работоспособны: полупроводниковые переключатели 23, 24, 35 и 36.

Противодействующее напряжение для короткого замыкания нагрузки: Ud1

и т.д.

Вследствие достаточной величины полной индуктивности Lg для всех вышеописанных вариантов неисправностей надежно отключаются короткие замыкания следующих типов.

Короткое замыкание типа 1:

В этом случае один из полупроводниковых переключателей 23, 24, 29, 30, 35 и 36 включается при существующем коротком замыкании.

Короткое замыкание типа 2:

В этом случае возникает короткое замыкание, в то время как соответствующий полупроводниковый переключатель 23, 24, 29, 30, 35 или 36 включен. В обычном случае этого типа короткого замыкания полупроводниковый переключатель 23, 24, 29, 30, 35 и 36 при возникновении короткого замыкания проводит ненулевой ток. В особом случае этого типа короткого замыкания, напротив, ток нагрузки при возникновении короткого замыкания является нулевым.

Короткое замыкание типа 3:

В этом случае, соответствующий полупроводниковому переключателю 23, 24, 29, 30, 35 и 36 безынерционный диод 26, 27, 32, 33, 38 или 39 является проводящим до возникновения короткого замыкания.

Приведенные выше типы короткого замыкания 1-3 описаны более подробно, например, в S. Pierstorf, H.-G. Eckel: "Different Short Circuit Types of IGBT Voltage Source Inverters", PCIM Europe 2011, 17.-19. Mai 2011, VDE Verlag (Berlin), ISBN 978-3-8007-3344-6.

В дополнение к вышеописанным электрическим последующим неисправностям, могут, в принципе, в случае вентильного преобразователя 1 вышеописанного типа также возникать механические или термические последующие неисправности, при которых первая неисправность, то есть отказ первого полупроводникового переключателя 23, 24, 29, 30, 35, 36 или параллельно включенного безынерционного диода 26, 27, 32, 33, 38, 39 за счет механического взаимодействия (например, разлетающихся частей) или термических взаимодействий (например, оплавления из-за возникающих электрических дуг) вызывает последующую неисправность.

Чтобы избежать потери безопасного отключения вентильного преобразователя 1 в случае короткого замыкания в результате такой механической или термической последующей неисправности, полумосты 20-22 предпочтительно отделены друг от друга механически. Это отделение может быть в принципе реализовано тем, что полумосты 20-22 расположены на достаточном пространственном расстоянии друг от друга. Предпочтительно, полумосты 20–22 отделены друг от друга перегородками взрывобезопасным и дугостойким образом. В частности, каждый из полумостов 20-22, согласно фиг.2 герметизирован в отдельном корпусе 50 и, таким образом, отделен от других соответствующих полумостов 20-22. Каждый корпус 50 имеет соответственно выполненные стенки из листовой стали с толщиной стенки по меньшей мере 1 мм или из пластика с толщиной стенки по меньшей мере 5 мм.

Если вентильный преобразователь 1 согласно фиг.1 выполнен многофазным, несколько полумостов 20-22 также могут быть совместно расположены в корпусе 50, при условии, что эти полумосты 20-22 принадлежат разным полумостовым схемам 5 (то есть, различным фазам вентильного преобразователя). Например, соответственно, полумосты 20 трех полумостовых схем 5 вентильного преобразователя 1 совместно расположены в первом корпусе 50, в то время как полумосты 21 трех полумостовых схем 5 совместно расположены во втором корпусе 50, и три полумоста 22 трех полумостовых схем 5 расположены в третьем корпусе 50.

Чтобы исключить электрические пробои между шиной 3 высокого потенциала и шиной 4 низкого потенциала контура 2 постоянного напряжения, между шиной 3 высокого потенциала и шиной 4 низкого потенциала предусмотрена перегородка 51 из электропроводного материала, в частности стального листа, которая электрически лежит на потенциале средней точки между потенциалом шины 3 высокого потенциала и потенциалом шины 4 низкого потенциала. Для этого индуктивность 40 разделена на две последовательно соединенные частичные индуктивности 52 и 53 с одинаковым значением индуктивности L11 (с L1=2⋅L11). При этом перегородка 51 контактирует со средним отводом 54 между частичными индуктивностями 52 и 53.

Средние отводы 54 трех полумостовых схем 5 коротко замкнуты друг с другом, так что для всех трех полумостовых схем 5 существует общий потенциал средней точки. Альтернативно этому, - согласно фиг. 2 разделенная на частичные индуктивности 52 и 53 - индуктивность 40 имеется для всех трех полумостовых схем, так что, в свою очередь, единый потенциал средней точки определен для всех полумостовых схем 5. В этом случае входные полумосты 20 стороны высокого потенциала всех полумостовых схем 5 соединены в параллельном включении с положительным полюсом общей индуктивности 40, в то время как входные полумосты 21 стороны низкого потенциала всех полумостовых схем 5 соединены в параллельном включении с отрицательным полюсом индуктивности 40.

В итоге, посредством изобретения, в частности, вышеописанного примера выполнения, обеспечивается так называемый трехточечный вентильный преобразователь с активными фиксаторами уровня, в котором в возможную внутреннюю для вентильного преобразователя цепь короткого замыкания через три полумоста фазы вентильного преобразователя вводится достаточно много индуктивности, так что полупроводниковые переключатели 23, 30, 35 и 36 могут надежно отключать короткие замыкания в этой цепи короткого замыкания во всех рабочих точках.

Предмет настоящего изобретения особенно ясно описан на примере выполнения, приведенном выше. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничивается этим примером выполнения. Скорее, другие формы выполнения изобретения могут быть получены специалистом в данной области на основе предшествующего описания и формулы изобретения.

1. Трехточечный вентильный преобразователь (1) с контуром (2) постоянного напряжения входной стороны, который содержит шину (3) высокого потенциала и шину (4) низкого потенциала, и с по меньшей мере одной полумостовой схемой (5), которая содержит входной полумост (20) стороны высокого потенциала, входной полумост (21) стороны низкого потенциала и выходной полумост (22),

- причем оба входных полумоста (20, 21) включены последовательно между шиной (3) высокого потенциала и шиной (4) низкого потенциала,

- причем выходной полумост (22) включен между средним отводом (25) входного полумоста (20) стороны высокого потенциала и средним отводом (31) входного полумоста (21) стороны низкого потенциала,

- причем средний отвод (37) выходного полумоста (22) образует фазный вывод (6) для подключения к цепи (8) нагрузочного тока или соединен с таким фазным выводом (6),

отличающийся тем, что

полная индуктивность (Lg), которая является суммой значений индуктивности (L1-L5):

внутри выходного полумоста (22),

между входным полумостом (20) стороны высокого потенциала и входным полумостом (21) стороны низкого потенциала,

между входным полумостом (20) стороны высокого потенциала и выходным полумостом (22), и

между входным полумостом (21) стороны низкого потенциала и выходным полумостом (22),

определяется в зависимости от номинального тока (In) полупроводниковых переключателей (23, 24, 29, 30, 35, 36) и в зависимости от входного напряжения (Ue) трехточечного вентильного преобразователя (1) так, что при отказе любого силового полупроводника (23, 24, 26, 27, 29, 30, 32, 33, 35, 36, 38, 39) полумостовой схемы (5) короткое замыкание через образованную между тремя полумостами (20-22) полумостовой схемы (5) цепь короткого замыкания может надежно отключаться посредством работоспособных силовых полупроводников (23, 24, 26, 27, 29, 30, 32, 33, 35, 36, 38, 39) в этой цепи короткого замыкания.

2. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 1, причем упомянутая полная индуктивность (Lg) установлена таким образом, что значение математического произведения полной индуктивности (Lg) на номинальный ток (In) полупроводниковых переключателей (23, 24, 29, 30, 35, 36), деленный на входное напряжение (Ue): (Lg⋅In/Ue), находится в диапазоне от 25 нс (наносекунд) до 150 нс.

3. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 1 или 2, причем упомянутая полная индуктивность (Lg) имеет значение индуктивности между 100 нГн и 10 мкГн.

4. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 1 или 2, причем

- внутри выходного полумоста (22), и/или

- между входным полумостом (20) стороны высокого потенциала и входным полумостом (21) стороны низкого потенциала, и/или

- между входным полумостом (20) стороны высокого потенциала и выходным полумостом (22), и/или

- между входным полумостом (21) стороны низкого потенциала и выходным полумостом (22)

расположен по меньшей мере один дроссель.

5. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 3, причем

- внутри выходного полумоста (22), и/или

- между входным полумостом (20) стороны высокого потенциала и входным полумостом (21) стороны низкого потенциала, и/или

- между входным полумостом (20) стороны высокого потенциала и выходным полумостом (22), и/или

- между входным полумостом (21) стороны низкого потенциала и выходным полумостом (22)

расположен по меньшей мере один дроссель.

6. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 1, или 2, или 5, причем три полумоста (20-22) одной и той же полумостовой схемы (5) таким образом пространственно и/или механически отделены друг от друга, что механическое или термическое разрушение или ухудшение одного полумоста (20-22) одним из обоих других полумостов (20-22) той же самой полумостовой схемы исключается.

7. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 3, причем три полумоста (20-22) одной и той же полумостовой схемы (5) таким образом пространственно и/или механически отделены друг от друга, что механическое или термическое разрушение или ухудшение одного полумоста (20-22) одним из обоих других полумостов (20-22) той же самой полумостовой схемы исключается.

8. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 4, причем три полумоста (20-22) одной и той же полумостовой схемы (5) таким образом пространственно и/или механически отделены друг от друга, что механическое или термическое разрушение или ухудшение одного полумоста (20-22) одним из обоих других полумостов (20-22) той же самой полумостовой схемы исключается.

9. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по любому из пп. 1, 2, 5, 7 или 8, причем контур (2) постоянного напряжения выполнен таким образом, что электрический пробой между шиной (3) высокого потенциала и шиной (4) низкого потенциала исключается.

10. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 3, причем контур (2) постоянного напряжения выполнен таким образом, что электрический пробой между шиной (3) высокого потенциала и шиной (4) низкого потенциала исключается.

11. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 4, причем контур (2) постоянного напряжения выполнен таким образом, что электрический пробой между шиной (3) высокого потенциала и шиной (4) низкого потенциала исключается.

12. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 6, причем контур (2) постоянного напряжения выполнен таким образом, что электрический пробой между шиной (3) высокого потенциала и шиной (4) низкого потенциала исключается.

13. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по любому из пп. 1, 2, 5, 7, 8 или 10-12, причем входной полумост (20) стороны высокого потенциала и входной полумост (21) стороны низкого потенциала, соответственно, выполнены низкоиндуктивными.

14. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 3, причем входной полумост (20) стороны высокого потенциала и входной полумост (21) стороны низкого потенциала, соответственно, выполнены низкоиндуктивными.

15. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 4, причем входной полумост (20) стороны высокого потенциала и входной полумост (21) стороны низкого потенциала, соответственно, выполнены низкоиндуктивными.

16. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 6, причем входной полумост (20) стороны высокого потенциала и входной полумост (21) стороны низкого потенциала, соответственно, выполнены низкоиндуктивными.

17. Трехточечный вентильный преобразователь (1) по п. 9, причем входной полумост (20) стороны высокого потенциала и входной полумост (21) стороны низкого потенциала, соответственно, выполнены низкоиндуктивными.