本發(fā)明涉及一種用于保護電力電子裝置的安排。具體地，本發(fā)明涉及在反相器具有所謂的動態(tài)制動功能并且在對直流電路的開始充電過程中在電動機纜線中存在對地接觸的情況下的一種用于頻率轉換器的部件的保護安排。

背景技術：

在PWM頻率轉換器中，通過大容量的電容器對輸入網(wǎng)絡的交流電壓進行整流和濾波以形成中間電路的直流電壓；然后借助于快速功率半導體開關由直流電壓來形成由脈沖構成的輸出電壓。

由于大容量的電容器，頻率轉換器不可以直接連接至輸入網(wǎng)絡；必須首先以有限的電流將電容器充電幾乎達到其終止電壓，以便避免過大的連接電流脈沖。根據(jù)現(xiàn)有技術，最常見的是借助于充電電阻器來安排對電容器的充電，例如，如在圖1中所示。

專利公開WO 2008/031915披露了所謂的動態(tài)制動，其指的是通過控制頻率轉換器輸出相位的下支路或上支路的功率半導體開關同時導通使電動機連接器短路。

機械損壞、安裝誤差、絕緣老化等可能引起在頻率轉換器與電動機之間的纜線中、或在電動機內(nèi)部發(fā)生對地接觸(即，在相導體與接地電勢之間的低阻抗連接)。在這種情況下，通過輸出相位對地接觸占主導并且動態(tài)制動被激活，當中間電路的電容器充電時形成了電路，在該電路中流經(jīng)充電電阻器的電流根據(jù)沒有對電容器充電，而是穿過充電電阻器直接在對地接觸點與輸入網(wǎng)絡之間(如果輸入網(wǎng)絡接地，例如，TN網(wǎng)絡)流動。如果這種情況繼續(xù)足夠長的時間，則電阻器(以及有可能在電流路徑上的其他部件)將毀壞，因為經(jīng)濟的確定尺寸一般只需要考慮正常的瞬時充電情況。如果充電電阻器毀壞，則頻率轉換器變得不工作，導致較多的維修操作和長時間的停用。

已知技術是在頻率轉換器輸入電路中將根據(jù)全載電流確定尺寸的熔斷器或主接觸器用于過電流和短路保護，并且所期望的是這些器件在以上描述的對地接觸情況中的充電電阻器毀壞之前起作用。在這種情況下，(除了消除對地接觸自身之外)更換熔斷器就將足夠，并且這是與維修或更換頻率轉換器相比顯著更小的操作。然而，此處的問題在于，在故障情況下充電電流將未必足夠大以使根據(jù)正常充電電流脈沖確定尺寸的熔斷器反應得足夠快速以保護電阻器。由于這個原因，電阻器可能需要尺寸過大，這增加了成本和空間需求。使用主接觸器以中斷故障電流需要電流測量和額外的控制邏輯以將故障電流與正常充電電流分開；這種解決方案顯著地增加了成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于保護頻率轉換器的充電電阻器和其他部件的新穎的安排，該安排避免了上述缺點并且使得在故障情況下能夠進行可靠的保護而沒有昂貴的附件。這個目的是借助于根據(jù)本發(fā)明的安排來實現(xiàn)的。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，用于在直流中間電路的電容器的充電過程中保護頻率轉換器的多個部件，該電容器用作能量存儲器，其特征在于，該安排包括被安排在該直流中間電路的兩個支路中的兩個分開的電阻器 R₂₁，R₂₂，其中，充電電流被安排成流經(jīng)這些電阻器，在該安排中，在所謂的動態(tài)制動過程中有一半的功率半導體被控制的那個支路中的電阻器具有比定位在相反的支路中的電阻器的歐姆值R₂₁更小的歐姆值R₂₂，并且其中，該安排進一步包括保護避免過電流的部件，例如熔斷器或斷路器F₂₂，該部件與具有較小的歐姆值的電阻器串聯(lián)安排。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，其特征在于，具有較小的歐姆值的電阻器R₂₂的歐姆值比較大的電阻器R₂₁的歐姆值小10％。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，其特征在于，該安排進一步包括被安排在該直流中間電路的兩個支路中的至少兩個開關部件，其中，該充電電流被安排成流經(jīng)這些開關部件。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，其特征在于，該安排被適配成，當主電容器C_DC已經(jīng)充電至預定值時，控制這些開關部件進入狀態(tài)，在該狀態(tài)中該直流電路的電流旁路繞過這些充電電阻器。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，其特征在于，這些開關部件的觸點是轉換觸點。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，其特征在于，這些開關部件是繼電器或接觸器K₂₁，K₂₂。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，其特征在于，該安排包括在該直流中間電路的每個支路中的兩個分開的開關部件，其中，第一開關部件是與該充電電阻器R₂₁，R₂₂串聯(lián)連接的NC型常閉繼電器或接觸器，并且第二開關部件是被連接成旁路繞過該充電電阻器R₂₁，R₂₂的NO型常開繼電器或接觸器。

根據(jù)本發(fā)明的一種保護安排，其特征在于，該安排包括在該直流中間電路的每個支路中的一個NO型旁路繼電器或旁路接觸器，并且這些電阻器R₂₁，R₂₂與這些NO型旁路繼電器或旁路接觸器并聯(lián)連接。

根據(jù)本發(fā)明，在中間電路的開始充電過程中使用被定位在直流中間電路的兩個分支中的兩個充電電阻器。這些電阻器具有不同的尺寸，其方式使得在動態(tài)制動過程中有一半的功率半導體被控制的那個支路中的電阻器具有比定位在相反的支路中的電阻器的歐姆值更小的歐姆值。此外，保護避免過電流的部件(例如熔斷器或斷路器)被定位成與具有較小的歐姆值的電阻器串聯(lián)。

定位在兩個支路中的上述充電電阻器的組合的歐姆值可以有利地與根據(jù)常規(guī)解決方案的一個充電電阻器的歐姆值相同，在這種情況下，中間電路的充電時間也與正常情況下相同。由于在這些支路之一中的具有小的歐姆值的電阻器，當所謂的動態(tài)制動功能喚醒而充電過程仍在進行并且在電動機電路中存在對地接觸時，故障電路的電流上升至比正常充電電流大得多的值，此時位于電路中的保護部件起作用并且中斷充電過程，從而保護位于故障電路中的充電電阻器和其他部件。

借助于本發(fā)明的解決方案，在根據(jù)現(xiàn)有技術的保護將例如需要根據(jù)全載電流來確定尺寸的主接觸器以及用于其的控制電路的情況下，簡單地并且以適度的成本對PWM頻率轉換器和尤其是其充電電阻器進行保護。

附圖說明

通過參照附圖，以下借助實例對本發(fā)明進行更詳細地解釋，在附圖中

圖1示出了頻率轉換器的主電路以及電動機，

圖2示出了在故障情況下的電流流動路徑，

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于充電電阻器的保護安排，并且

圖4示出了用于與根據(jù)本發(fā)明的安排相關聯(lián)的電流和電壓的特征曲線形式。

具體實施方式

圖1示出了三相電壓控制PWM頻率轉換器的已知基本連接安排的一個實例，該連接安排包括網(wǎng)橋(整流器)REC和負載橋(反相器)INU，該網(wǎng)橋用于對輸入網(wǎng)絡的三相(相位L1、L2、L3)交流電壓進行整流以形成中間電路DC的直流電壓，該直流電壓通過電容器C_DC來濾波，該負載橋用于使中間電路的直流電壓反相以形成三相輸出電壓(相位U、V、W)。頻率轉換器例如可以為三相交流電動機M饋電。負載橋INU是全波橋，其中控制單元CU通過脈沖寬度調(diào)制來控制上支路和下支路的可控功率半導體開關(通常是IGBT)；在功率半導體開關旁邊的是并聯(lián)連接的二極管。由頻率轉換器的控制電路所需的工作電壓形成在輔助電壓源POW中，該輔助電壓源最通常地從如該圖中示出的中間電路DC獲得其輸入電壓。

在這個實例中，網(wǎng)橋REC是由二極管構成的不受控的全波橋。該網(wǎng)橋也可以是受控的，在這種情況下其包括由可控相位開關構成的三相橋接安排，與負載橋INU的安排類似。為了限制干線電流諧波，可以將濾波器連接在網(wǎng)橋與輸入網(wǎng)絡之間，該濾波器在最簡單的情況下是三相交流扼流器，或者在二極管橋的情況下，也通常使用連接在網(wǎng)橋與直流中間電路之間的直流扼流器。

由于用作能量存儲器的濾波電容器C_DC的大的電容值，當頻率轉換器連接至輸入網(wǎng)絡時，通常必須限制濾波電容器的充電電流。用于限制電流的常見解決方案是在該圖中示出的安排，其中充電電阻器R₁₁限制電流直到中間電路的電容器C_DC已經(jīng)充電至足夠高的電壓，之后將定位在主電流的流動路徑中的接觸器K₁₁控制成關閉(以進入電流導通狀態(tài))。

可以容易地計算在充電電阻器中由正常充電過程產(chǎn)生的能量脈沖，并且這使得能夠?qū)﹄娮杵鬟M行經(jīng)濟的確定尺寸。然而在輸入網(wǎng)絡接地的特殊情況下，在電動機電路中存在接地接觸，并且在負載橋中使用在專利公開 WO 2008/031915中披露的所謂的動態(tài)制動功能，充電電阻器的電流永久保持為高，在這種情況下在其中產(chǎn)生的熱能可能使電阻器毀壞。根據(jù)上述專利公開，通過將在負載橋的相同支路中的所有功率半導體開關控制成瞬時導通來實現(xiàn)動態(tài)制動，此時在電動機電路中發(fā)生短路。圖2示出了這種情況，其中負載橋的下支路的功率開關V_UL、V_VL和V_WL被控制成根據(jù)上述動態(tài)制動的需求而進入導通狀態(tài)。當W相導體具有對地接觸時，通過負載橋的導通功率開關V_WL、充電電阻器、和網(wǎng)橋REC的下支路中的與輸入網(wǎng)絡中具有最負的瞬時電壓值的相位相連的二極管形成了由粗線表示的電路。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的中間電路充電安排的一個實例。以簡化形式描繪了網(wǎng)橋REC和負載橋INU，并且用于管理動態(tài)制動的安排對應于圖2 中的情況，其中負載橋的用于管理動態(tài)制動(V_{_L})的可控功率部件被定位在直流中間電路的負支路中。如對本領域技術人員明顯的是，通過在動態(tài)制動過程中控制定位在直流中間電路的正支路側上的功率半導體開關，并且將以下描述的定位在不同支路中的充電電阻器安排的位置進行交換，同樣可以將根據(jù)本發(fā)明的對應安排產(chǎn)生為“鏡像”。

根據(jù)本發(fā)明，中間電路的充電電流被安排成流經(jīng)電阻器R₂₁和R₂₂，這些電阻器被定位在直流中間電路的兩個支路中。在圖3中示出的示例連接安排中，充電電流流經(jīng)配備有轉換觸點(這些觸點處于對應于該圖中的不可控休息狀態(tài)的位置)的繼電器/接觸器K₂₁和K₂₂。一旦主電容器C_DC已經(jīng)充分充電，該裝置的控制單元控制繼電器/接觸器K₂₁和K₂₂進入激活狀態(tài)，此時它們的觸點轉換到由虛線表示的位置中，其中直流電路的電流旁路繞過充電電阻器。在本發(fā)明的一個實施例中，可以用兩個不同的開關部件替換在充電電路中配備有轉換觸點的開關部件，其中與充電電阻器串聯(lián)連接的一個開關部件是NC型常閉繼電器/接觸器，而旁路繞過充電電阻器的另一個開關部件是NO型常開繼電器/接觸器。還可以的是，沒有開關部件與充電電阻器串聯(lián)使用，而該電阻器連續(xù)地與NO型旁路繼電器/接觸器并聯(lián)連接。

根據(jù)本發(fā)明，在動態(tài)制動過程中有一半的功率半導體開關受控的那個支路中使用的電阻器具有比在相反的支路中使用的電阻器更小的歐姆值。電阻的比值例如可以小于1∶10(即，在該圖中示出的實例中R₂₂＜0.1R₂₁)。小的電阻值導致在動態(tài)制動激活時的可能對地接觸電路電流顯著大于正常充電電流，因此與定位在故障電路中的電阻器串聯(lián)連接的保護部件F₂₂快速地起作用，從而在可能發(fā)生損壞之前斷開故障電流。保護部件可以是如在圖3中示出的熔斷器F₂₂，而能夠斷開直流電流的任何其他保護部件適用于此目的，例如斷路器。

圖4描繪了在正常情況下和在故障情況下與根據(jù)本發(fā)明的充電電路的運行相關聯(lián)的特征電流和電壓曲線形式：

-在時間t₀時，輸入電壓連接至網(wǎng)橋的連接器，此時全整流的網(wǎng)絡電壓U_DCN開始通過充電電阻器R₂₁和R₂₂為中間電路充電(該電流由流經(jīng)熔斷器F₂₂的電流的曲線i_F22N來表示)。由于充電電流，主電容器C_DC的電壓開始上升(曲線u_DCN)。

-在時間t₁時，主電容器的電壓(其也為輔助電壓源POW饋電)達到一個水平，在該水平處輔助電壓源喚醒并且開始將工作電壓饋送至裝置控制電路，此時動態(tài)制動操作也開始。在正常情況下，這不影響例如充電電流和電壓的指數(shù)曲線形式的連續(xù)性，但是在輸出相位中對地接觸的情況下，熔斷器電流i_F22F跳躍至大許多倍的值，因為限制其的電阻器R₂₂的歐姆值僅是充電電路的正?？倸W姆值的一小部分。在這種情況下，為主電容器充電的輸入電壓約為其原始值的一半，所以在這種故障情況下電容器電壓的改變速率是緩慢的(u_DCF)。

-在時間t₂時，熔斷器F₂₂的內(nèi)部金屬導體開始熔融并且使電路斷開(或者斷路器激活)，此時充電過程中斷。

-在正常情況下，充電過程在時間t₃時結束，此時主電容器C_DC的電壓已經(jīng)上升至接近其最終值的值，并且該裝置的控制單元控制充電繼電器/ 接觸器K₂₁和K₂₂進入正常位置，其中充電電阻器被旁路繞過。

如從圖4和以上說明中明顯的是，在正常情況下，流經(jīng)充電電阻器R₂₁和R₂₂的由曲線i_F22N描繪的電流只在時間t₀與t₃之間的時間段流動，因此在電阻器中出現(xiàn)的熱能呈脈沖形式并且可以提前計算。在故障情況下，沒有根據(jù)本發(fā)明的在可以提前計算的延遲之后結束充電過程的保護電路，電流可能持續(xù)地保持在高值，并且這將導致電阻器的毀壞。

對本領域技術人員將清楚的是，本發(fā)明的不同實施例不只局限于以上呈現(xiàn)的實例，而是可以在以下權利要求書的框架內(nèi)變化。