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CN112970161B - Ac/dc转换器布置 - Google Patents

Ac/dc转换器布置 Download PDF

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CN112970161B
CN112970161B CN201980071054.8A CN201980071054A CN112970161B CN 112970161 B CN112970161 B CN 112970161B CN 201980071054 A CN201980071054 A CN 201980071054A CN 112970161 B CN112970161 B CN 112970161B
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Eaton Intelligent Power Ltd
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Abstract

在一种AC/DC转换器布置中，提出：AC断路器(1)的输入形成所述布置的AC输入(8)，所述AC断路器(1)的输出连接至整流器(21)的输入(9)，平滑电容器(4)将所述整流器(21)的第一输出(10)连接至第二输出(11)，所述整流器(21)的所述第一输出(10)连接至第一隔离继电器(7)，所述第一隔离继电器(7)的输出形成用于连接DC网络的DC输出(12)，控制和监测单元(15)被设计成在检测到短路电流时在第一步骤中引发所述AC输入(8)与所述DC输出(12、28)的分离，使得由所述平滑电容器(4)和连接至所述第一DC输出(12、28)的所述DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，所述第一隔离继电器(7)随后断开。

Description

AC/DC转换器布置
技术领域
本发明涉及一种电AC/DC转换器布置。
背景技术
图1示出根据现有技术的电AC/DC转换器布置。所述AC/DC转换器布置在每一情况下由以下单独部件组成：
·有源整流器3，其包括实际整流器21和连接至整流器21的输出的电容器4，特别是所谓的电容器组，
·输入线圈20，其也称为“升压电感”，
·机电AC断路器30，其对于长DC线路中的AC侧上的短路保护具有5至9ms的典型响应时间，
·AC接触器31，其具有20至30ms的典型响应时间以确保电隔离且切换额定电流或操作电流，
·用于在整流器3与电容器组之间发生故障的情况下保护整流器3或二极管的“快速”保险丝32，因为AC断路器30和AC接触器31两者都将过慢而无法确保在此情况下的保护，
·机电DC断路器34，其对于DC侧上的短路保护具有5至9ms的典型响应时间，
·DC隔离开关35，其具有20至30ms的典型响应时间以确保电隔离。
此外，所述设施具有EMC滤波器33和可连接不同负载的DC分配器36，在每一情况下，另一DC断路器29连接至DC分配器36的相应输出。相应部件如图1中所示连接。此外，根据现有技术水平的布置在每一情况下在DC断路器29的下游具有在每一情况下未在图1中示出的断路器。
如从此设施可看出，此类系统或设施的保护非常繁杂，且需要大量不同的单独装置。特别是，需要特殊的DC断路装置和DC电力开关。因为由于缺乏电压的过零，断开高直流电比断开交流电显著更加困难，因此与相当的AC切换装置相比，对应大功率DC切换装置在每一情况下在技术上要复杂得多。所述DC切换装置不仅在设计上更复杂，而且具有较大的体积，并且由于复杂性增大，还比相当的AC切换装置更昂贵。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种在开始时所提到的类型的电AC/DC转换器布置，通过所述布置，可以避免前述缺点，并且可以简单地确保对电AC/DC转换器布置的保护，并且在所需部件的数目和类型方面具有极小复杂性。
这通过根据本发明的以下特征实现：一种电AC/DC转换器布置，其至少包括以下部件：AC断路器，以及整流器，以及至少一个平滑电容器，以及用于电隔离的至少一个第一隔离继电器，以及至少一个第一电流传感器，以及控制和监测单元，所述AC断路器的输入形成所述布置的AC输入，所述AC断路器的输出至少间接地借助于电路连接至所述整流器的输入，所述平滑电容器将所述整流器的第一输出连接至所述整流器的第二输出，所述整流器的所述第一输出进一步至少间接地借助于电路连接至所述第一隔离继电器的输入，所述第一隔离继电器的输出形成所述布置的第一DC输出并且被提供用于将DC网络连接至至少一个第一DC负载，所述第一电流传感器布置于所述平滑电容器与所述隔离继电器之间，且所述AC断路器、所述第一电流传感器和所述第一隔离继电器借助于控制器连接至所述控制和监测单元，所述控制和监测单元被设计成在检测到短路电流时在第一步骤中引发所述AC输入与所述DC输出的分离，使得由所述平滑电容器和连接至所述第一DC输出的所述DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，所述第一隔离继电器随后断开。
结果，可提供与具有已知AC/DC转换器布置的情况相比具有显著较少部件的安全电AC/DC转换器布置。此外，不再需要使用能够在直流电的情况下淬熄电弧的特殊DC切换装置，因为在AC侧上发生解除连接且通过DC侧上的谐振产生过零，所述过零显著地简化DC侧上的额外解除连接。
在主题布置中，即使第一隔离继电器布置在DC侧上，也有可能将所述隔离继电器设计为不具有DC电弧淬熄装置的常规AC隔离继电器。在DC侧上，完全不再需要特殊DC切换装置和自动开关。
此外，可以在AC侧上省去保险丝。在AC侧上，AC电力开关的机电AC断路器以及保险丝由单个混合或半导体断路装置替换。
综上所述，因此可以说，本主题措施确保保护电AC/DC转换器布置所需的切换装置的数目显著减小，特别是无需技术上繁杂且复杂的DC断路器和DC电力开关。此外，可以省去处置繁琐的保险丝。因为在发生故障的情况下必须更换且相应地存放此类保险丝，所以仅通过不需要保险丝这一事实就可以显著提高系统的可用性。
本发明进一步涉及使以下所述的主题电AC/DC转换器布置断开连接的方法：
一种在发生DC短路时使上述的AC/DC电转换器布置解除连接的方法，通过所述第一电流传感器检测短路电流，在第一步骤中切断所述AC断路器，使得由所述平滑电容器和连接至所述第一DC输出的所述DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，随后断开所述第一隔离继电器。
一种在发生DC短路时使上述的电AC/DC转换器布置断开连接的方法，通过所述第一电流传感器检测短路电流，在第一步骤中切断所述第一半导体开关，使得由所述平滑电容器和连接至所述第一DC输出的所述DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，随后断开所述第一隔离继电器。
结果，实现了上述电AC/DC转换器布置所述的优点。
以下涉及本发明的另外的有利实施例：
优选的，所述AC断路器特别地被设计为混合断路器或半导体断路器，且用于使所述AC输入与所述DC输出分离的所述控制和监测单元使所述AC断路器跳脱。
优选的，所述AC/DC转换器布置具有布置在所述整流器的所述第一输出与所述平滑电容器之间的第一半导体开关，且用于使所述AC输入与所述DC输出分离的所述控制和监测单元使所述第一半导体开关解除连接。
优选的，所述第一隔离继电器被设计为包括短路脱扣器的自动AC断路器。
优选的，所述第一隔离继电器被设计为能远程跳脱的AC开关，所述第一隔离继电器的跳脱输入连接至所述控制和监测单元。
优选的，所述控制和监测单元被设计成确定在所述谐振电路开始振荡之后所述振荡的所述电流的过零的时间，且随后将解除连接脉冲输出至所述第一隔离继电器以在所述过零的所述所确定时间前后的可预定时间范围中断开所述第一隔离继电器。
优选的，至少两个部件，特别是所有部件作为集成单元布置在共同外壳中。
附图说明
参考附图更详细地描述本发明，附图中仅作为实例描绘优选实施例。在图中：
图1为根据现有技术的电AC/DC转换器布置的示意图；
图2为主题电AC/DC转换器布置的第一实施例的示意图；以及
图3为主题电AC/DC转换器布置的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图2和3各自示出电AC/DC转换器布置，其至少包括以下部件：
-AC断路器1，以及
-整流器21，以及
-至少一个平滑电容器4，以及
-用于电隔离的至少一个第一隔离继电器7，以及
-至少一个第一电流传感器6，以及
-控制和监测单元15。
特别地，主题电AC/DC转换器布置在AC侧上不具有其它的断路装置。
特别是，主题电AC/DC转换器布置在DC侧上不具有特殊DC断路装置或所谓的自动断路器。由于在直流电本身的情况下缺乏过零，因此已知的是，在直流电的情况下淬熄解除连接电弧比在交流电的情况下要显著地更为复杂。因此，直流电或DC断路装置比对应的AC断路装置显著地更为复杂且还更大。
图中所示的主题设施已通过导体接地。然而，所述设施还可设计成无接地或具有接地中等电位。
AC断路器1具体地说是所谓的混合断路器2或半导体断路器。半导体断路器排他性地借助于电流恒定地流过的至少一个功率半导体来中断电流。混合断路器2具有由旁路开关和功率半导体电路组成的并联电路，以及另外优选地用于电隔离的开路触点。
此类断路装置例如从申请人的WO 2015/028634 A1中已知。
AC断路器1形成主题设施的一个或多个AC输入8。示意性表示描绘AC电源27被示出，所述AC电源在每一情况下示出为三相电源。具体来说，AC供应的外部导体的特定数目以及中性导体的存在并非必需的，且不具有限制性。AC断路器1将相应地设计，或可并联地提供多个AC断路器1。
AC断路器1的一个输出或AC断路器1的多个输出至少间接地借助于电路连接至整流器21的一个或多个输入9。在此情况下，EMC滤波器33优选地连接在AC断路器1与整流器21之间。
所述设施具有整流器21。整流器21或整流器切换布置21优选地被设计以便包括可预定数目个可切换半桥，如从逆变器技术中已知。整流器21也可以不同方式设计。
所述设施具有至少一个平滑电容器4，其当然可由彼此连接的任何数目个离散电容器4形成。如图2和3所示，平滑电容器4将整流器21的第一输出10连接至整流器21的第二输出11。
优选地规定，整流器21和平滑电容器4一起形成“有源整流器3”的一部分。此类“有源整流器3”也称为“有源前端”。
此外可以规定，所示的输入线圈20，也称为“升压电感”，与“有源整流器3”一起设计。此类布置称为“升压转换器”。
提供第一隔离继电器7以确保电隔离。整流器21的第一输出10至少借助于电路连接至第一隔离继电器7的输入。整流器21具有两个不同极性的输出。优选地规定，第一隔离继电器7具有两个输入和两个输出，并且相应地还具有两个接触断开距离，每个接触断开距离具有接触断路器点，并且整流器21的两个输出10、11都连接至第一隔离继电器7，如图2和3所示。
在主题布置中，即使第一隔离继电器7布置在DC侧上，也有可能将所述隔离继电器设计为不具有DC电弧淬熄装置的常规AC隔离继电器。
应注意，根据第一优选实施例，在整流器21的输出10、11与第一隔离继电器7之间的连接线路中不布置另外的半导体开关。因此，对应连接是无开关的。
根据第二优选实施例，如图3所示，规定所述布置进一步具有第一半导体开关5，所述第一半导体开关连接在整流器21的第一输出10与平滑电容器4之间。
第一隔离继电器7的输出12或输出12、18形成所述布置的第一DC输出，并且被提供用于将DC网络连接至至少一个第一DC负载13。不需要额外的DC断路器。图2和3进一步示出了DC侧上的电故障26。
所述设施或布置具有布置在平滑电容器4与隔离继电器7之间的至少一个第一电流传感器6。第一电流传感器6也可以称为电流测量布置。在此情况下，第一电流传感器6用以检测过电流和/或短路电流，或用以记录从AC侧分离之后的电流曲线。
第一电流传感器6为AC电流传感器，且因此还能够检测负极性电流。此外，第一电流传感器优选地不是有效值传感器，而替代地测量电流的瞬时值。
为了控制主题布置，规定所述布置包括至少一个前述控制和监测单元15作为另一部件。此控制和监测单元15可被设计为单独单元或集成于其它部件中的一个中。
因此，规定控制和监测单元15至少间接地借助于控制器连接至AC断路器1和第一电流传感器6，且优选地还连接至第一隔离继电器7。控制和监测单元15优选地进一步连接至整流器21。如果控制和监测单元15已经集成在这些部件中的一个中，则当然不再需要与这一个部件连接。那么，在此情况下，部件中的一个是主控器，而其它部件是对应的受控器。相关的控制工程智能可以布置在不同部件上。
控制和监测单元15特别地被设计成包括μC或μΡ。
在单独设计的部件的情况下，个别部件优选地借助于总线14连接至控制和监测单元15。此总线14可由分别在24V和28V下操作的数个控制线形成。然而，可提供任何其它形式的总线14，例如Modbus或USB。然而，还可提供无线电连接。
结果，可提供与具有已知AC/DC转换器布置的情况相比具有显著较少部件的安全电AC/DC转换器布置。此外，不再需要使用能够在直流电的情况下淬熄电弧的特殊DC切换装置，因为在AC侧上发生解除连接且通过DC侧上的谐振产生过零，所述过零显著地简化DC侧上的额外解除连接。
此外，有可能省去AC侧上的保险丝32。在AC侧上，AC电力开关31的机电AC断路器30以及保险丝32由混合或半导体断路装置2替换。
在主题布置中，即使第一隔离继电器7布置在DC侧上，也有可能将所述隔离继电器设计为不具有DC电弧淬熄装置的常规AC隔离继电器。在DC侧上，完全不再需要特殊DC切换装置和自动开关。
综上所述，因此可以说，本主题措施确保保护电AC/DC转换器布置所需的切换装置的数目显著减小，特别是无需技术上繁杂且昂贵的DC断路器和DC电力开关。此外，可以省去处置繁琐的保险丝32。因为在发生故障的情况下必须更换且相应地存放此类保险丝，所以仅通过不需要保险丝32这一事实就可以显著提高系统的可用性。因此，主题布置被设计成不含保险丝。
主题设施或布置旨在保护下游或连接的DC网络。如下文所解释，待保护的此DC网络自身与装置的操作模式相关。
当电流传感器6在DC侧上检测到可预定的短路电流时，规定控制和监测单元15在第一步骤中引发AC输入8与DC输出12、28的分离。
在根据图2的第一优选实施例中，AC输入8通过控制和监测单元15与DC输出12、28分离，所述控制和监测单元相应地使AC断路器1跳脱或致动所述AC断路器。
结果，可实现在DC侧上具有特别低的电阻的简单设计。这立即停止了电流的流动。
AC断路器1被设计为混合断路器2或半导体断路器被证明是特别有利的。
在任何情况下，这确保分离过程快速发生，以使得当AC输入的分离已结束时，在平滑电容器4处的电压不为零。这对于在DC侧上产生振荡是重要的，如若干段落将更详细地解释。
作为另一部件，根据图3的第二优选实施例具有第一半导体开关5，所述第一半导体开关布置在整流器21的第一输出10与平滑电容器4之间。AC侧可借助于第一半导体开关5与DC侧快速地分离，而无关于AC断路器1的相应设计。
在任何情况下，可确保此分离快速发生，以使得振荡发生于DC侧上。结果，即使AC断路器1被设计为“较慢”AC断路器1，也可确保预期操作模式。在此实施例中，当然，AC断路器1还可被设计为混合断路器2或半导体断路器。第一半导体开关5的主题布置与DC侧上的SSCB的布置相比基本上更有效。此外，整流器21和第一半导体开关5的主题布置使得双向电流流动成为可能。
第一半导体开关5优选地设计为IGBT或MOSFET。当半导体开关5设计为IGBT时，还提供所谓的反并联二极管，如图3所示。也可能在此位置处布置多个并联连接的第一半导体开关5。
在根据图3的第二优选实施例中，AC输入8通过控制和监测单元15与DC输出12、28分离，所述控制和监测单元使第一半导体开关5断开连接以使AC输入8与DC输出12、28分离。
优选地规定，AC断路器1也被切断，但这不是必须的。
根据优选的改进方案，在两个实施例中进一步规定，额外或基本上在AC输入8与DC输出12、28分离的同时，整流器21的有源切换元件也断开连接。在此情况下，特别规定，在检测到DC侧上的可预定过电流或短路电流时，整流器21的有源切换元件首先断开连接，且AC断路器1或第一半导体开关5随后或基本上同时切断。
作为借助于第一电流传感器6检测过电流的替代方案，还可通过整流器21的驱动电路检测过电流。此外，当借助于PWM适当地设计时，整流器21还可限制过电流。
通过将AC输入8与DC输出12、28断开连接，由平滑电容器4的电容和连接至第一DC输出12、28的DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡。在此情况下或作为此的结果，在DC网络内发生交流电衰减。为此目的，必须进行AC输入的分离，只要在平滑电容器4处的电压不为零即可。这始终由典型平滑电容器4的电容值和现代电子件的响应时间本身来保证。此外，平滑电容器4可以不是具有预定极性的电容器，即例如电解电容器。
由于必须存在的线路，所连接的DC网络的典型电感值介于10μΗ与200μΗ之间，所述电感也可称为泄漏电感。在从AC侧断开连接时，这产生以100Hz与1000Hz之间的频率振荡的电流。
当然，此处可出现其它振荡频率。这是已经被激发的振荡，且其振幅归因于电容器电荷减少以及阻尼而减小。
由此产生的振荡具有过零并且简化DC侧上的解除连接，这对于实现电隔离是必要的，这就是在AC输入8与DC输出12、28分离之后第一隔离继电器7断开的原因。
取决于第一隔离继电器7的设计，第一隔离继电器7以不同方式断开或断开连接，或者可以不同方式断开或断开连接。
根据第一隔离继电器7的第一优选实施例，规定第一隔离继电器7被设计为包括短路脱扣器的自动AC断路器，所述自动AC断路器优选地为机电的。具有短路脱扣器的此类自动AC断路器例如是所谓的MCB。然而，相关自动AC断路器还可被设计为混合切换装置。已经表明，此类自动AC断路器的短路脱扣器通过解除连接时产生的谐振电路电流来跳脱，并且此类自动AC断路器甚至在没有额外致动的情况下断开连接。
根据第一隔离继电器7的第二优选实施例，规定第一隔离继电器7被设计为可远程跳脱的AC开关，所述第一隔离继电器7的跳脱输入连接至控制和监测单元15。在此情况下，还可规定呈自动AC断路器形式的第一隔离继电器7同样被设计成可远程跳脱且具备跳脱输入。
控制和监测单元15优选地被设计成在谐振电路开始振荡之后确定振荡的电流的过零的时间，且随后将解除连接脉冲输出到第一隔离继电器7以在过零的所确定时间前后的可预定时间范围中断开第一隔离继电器7。
结果，当切换触点上的负载非常低时，可断开第一隔离继电器7的切换触点。可由此显著增大适合用作第一隔离继电器7的开关或继电器的带宽。即使AC-MCB能够在任何时间中断高交流电且淬熄所得AC开关电弧，但这并非用于旨在切换操作电流的常规继电器的情况。通过在期望小电流的特定时间处有意地断开连接，特别是在过零之前的最短可能时间处，也有可能使用本身仅设计用于在操作期间切换的继电器。
可以各种方式确定振荡的电流的过零的时间。根据一个实施例，进一步规定，主题设施在其安装期间基于多个测试故障或测试版本进行训练。结果，控制和监测单元15已经“知晓”关断时的振荡频率的预期量值。在后续操作期间发生解除连接的情况下，接着确定电流上升的梯度。接着可以使用梯度和先前的训练非常轻松地以很少的计算精力来相当精确地确定相关振荡的频率或周期或第一次过零的预期时间。
在此情况下，当确定第一次过零的时间时，特别要考虑待测量的另一实际电流曲线，特别是直到第一拐点，且对于此电流曲线，特别要考虑第一拐点的时间。此外，此处确定的数据还用于调整在训练之后存储在控制和监测单元15中的设置。
主题布置可以完全设计为具有单独的部件。然而，也可以规定，至少两个部件，特别是所有部件作为集成单元布置在共同外壳中。
结果，实现了紧凑的设计，且可避免布线错误。
因此，如果发生DC短路，主题设施进行以下方法：通过第一电流传感器6检测短路电流，在第一步骤中切断AC断路器1，使得由平滑电容器4和连接至第一DC输出12、28的DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，随后断开第一隔离继电器7。
如果第一半导体开关5布置在相关设施中的所描述位置处，则规定：在所述方法中通过第一电流传感器6检测短路电流，在第一步骤中切断第一半导体开关5和AC断路器1，使得由平滑电容器4和连接至第一DC输出12、28的DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，随后断开第一隔离继电器7。

Claims (11)

1.一种AC/DC电转换器装置，其至少包括以下部件
-AC断路器（1），以及
-整流器（21），以及
-至少一个平滑电容器（4），以及
-用于电隔离的至少一个第一隔离继电器（7），以及
-至少一个第一电流传感器（6），以及
-控制和监测单元（15），
所述AC断路器（1）的输入形成所述装置的AC输入（8），所述AC断路器（1）的输出至少间接地借助于电路连接至所述整流器（21）的输入（9），所述平滑电容器（4）将所述整流器（21）的第一输出（10）连接至所述整流器（21）的第二输出（11），所述整流器（21）的所述第一输出（10）进一步至少间接地借助于电路连接至所述第一隔离继电器（7）的输入，所述第一隔离继电器（7）的输出形成所述装置的第一DC输出（12）并且被提供用于将DC网络连接至至少一个第一DC负载（13），所述第一电流传感器（6）布置于所述平滑电容器（4）与所述第一隔离继电器（7）之间，且所述AC断路器（1）、所述第一电流传感器（6）和所述第一隔离继电器（7）借助于控制器连接至所述控制和监测单元（15），所述控制和监测单元（15）被设计成在检测到短路电流时在第一步骤中引发所述AC输入（8）与所述DC输出（12、28）的分离，使得由所述平滑电容器（4）和连接至所述第一DC输出（12、28）的所述DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，所述第一隔离继电器（7）随后断开。
2.根据权利要求1所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，所述AC断路器（1）被设计为混合断路器（2）或半导体断路器，且用于使所述AC输入（8）与所述DC输出（12、28）分离的所述控制和监测单元（15）使所述AC断路器（1）跳脱。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，所述AC/DC电转换器装置具有布置在所述整流器（21）的所述第一输出（10）与所述平滑电容器（4）之间的第一半导体开关（5），且用于使所述AC输入（8）与所述DC输出（12、28）分离的所述控制和监测单元（15）使所述第一半导体开关（5）解除连接。
4.根据权利要求1所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，所述第一隔离继电器（7）被设计为包括短路脱扣器的自动AC断路器。
5.根据权利要求1所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，所述第一隔离继电器（7）被设计为能远程跳脱的AC开关，所述第一隔离继电器（7）的跳脱输入连接至所述控制和监测单元（15）。
6.根据权利要求1所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，所述控制和监测单元（15）被设计成确定在所述谐振电路开始振荡之后所述振荡的所述电流的过零的时间，且随后将解除连接脉冲输出至所述第一隔离继电器（7）以在所确定的所述过零的时间前后的可预定时间范围中断开所述第一隔离继电器（7）。
7.根据权利要求1所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，至少两个部件作为集成单元布置在共同外壳中。
8.根据权利要求1所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，所有部件作为集成单元布置在共同外壳中。
9.根据权利要求4所述的AC/DC电转换器装置，其特征在于，所述自动AC断路器为机电的。
10.一种在发生DC短路时使根据权利要求1所述的AC/DC电转换器装置解除连接的方法，通过所述第一电流传感器（6）检测短路电流，在第一步骤中切断所述AC断路器（1），使得由所述平滑电容器（4）和连接至所述第一DC输出（12、28）的所述DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，随后断开所述第一隔离继电器（7）。
11.一种在发生DC短路时使根据权利要求3所述的AC/DC电转换器装置断开连接的方法，通过所述第一电流传感器（6）检测短路电流，在第一步骤中切断所述第一半导体开关（5），使得由所述平滑电容器（4）和连接至所述第一DC输出（12、28）的所述DC网络的电感组成的谐振电路被激发以便振荡，随后断开所述第一隔离继电器（7）。
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