用于控制基于晶闸管开关元件的开关模块的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于控制基于晶闸管半导体开关元件的开关模块的方法。特别是本发明专利技术涉及一种用于控制至少一个开关模块的方法，其中，所述开关模块由第一换向单元和第二换向单元组成，第一换向单元和第二换向单元分别通过第一端子和第二端子配置给调节变压器的调节绕组。每个开关模块配设有馈入线和导出线。

A Method for Controlling Switching Modules Based on Thyristor Switching Elements

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制基于晶闸管开关元件的开关模块的方法
本专利技术涉及一种用于控制基于晶闸管半导体开关元件的开关模块的方法。特别是本专利技术涉及一种用于控制至少一个开关模块的方法，其中，所述开关模块包括第一换向单元和第二换向单元，所述第一换向单元和第二换向单元分别通过第一端子和第二端子配置给调节变压器的调节绕组。每个开关模块设有馈入线和导出线。
技术介绍
在IEEEEnergyConversionCongressundExposition(Raleigh,NC,USA,Sept.2012)范畴中公开的文献“ControlofThyristor-BasedCommutationCells”描述一种用于控制换向单元的方法。所描述的系统设备包括变压器，所述变压器包括由主干绕组和调节绕组组成的初级侧和带有次级绕组的次级侧。初级侧的调节绕组可以借助于由四个半导体开关元件组成的布置结构通过三种不同方式与主干绕组连接。在第一开关模式下，调节绕组可以与主干绕组串联连接。在第二开关模式下，调节绕组可以反向于主干绕组连接。在第三开关模式下，调节绕组可以从电路连接出来，亦即没有电流流经调节绕组。相应地，四个半导体开关元件和调节绕组共同形成一个开关模块。开关模块包括两个换向单元。每个换向单元包括上和下电流路径。两个电流路径可以分别通过反并联连接的晶闸管对连接成“导通”或“关断”状态。根据晶闸管对位于在何种状态，要么上路径要么下路径持久地电流流经。所述文献描述两种可能的换向策略用以将电流由最初导通的路径换向到最初关断的路径中。按照第一换向策略，只要对于换向存在适宜的条件，则等待之前限定的换向时刻。如果达到该换向时刻，那么停用之前导通的晶闸管对并且等待延迟时间，所述延迟时间确保晶闸管不出现不希望的反向点火。在经过延迟时间之后，激活之前关断的晶闸管对，实现电流由之前导通的路径到之前关断的路径的换向，并且结束换向。如果不满足对于换向适宜的条件，那么按照第二换向策略开始换向，也称为强制换向或通过短路的换向。US3,619,765描述一种用于对在电气网络之内变压器的绕组抽头接线的调节设备以及方法。变压器连接交流电压源与负载。变压器的每个绕组抽头配置有半导体开关元件，所述半导体开关元件由分别两个反并联设置的晶闸管组成。按照该方法，如果显示出交流电压源到负载的功率流，那么仅仅允许提高负载电压的切换动作。如果显示出由负载到交流电压源的功率流，那么仅仅允许降低负载电压的切换动作。附加地，在负载电流与交流电压的交零附近抑制切换动作。通过这种方式防止在由第一绕组抽头转换到第二绕组抽头时各绕组抽头的短路。在现有技术中已知的用于控制换向单元的方法在此不考虑歪曲的、特别是快速变化的负载电流。歪曲的负载电流可能在已知的方法中基于不希望的流向变化导致要接通的绕组部分的不希望的短路。晶闸管众所周知是功率半导体，其在功率电子技术中设计为用于切换大电流和电压。在下文中结合晶闸管应用如下术语：》主电压《是在晶闸管的阳极与阴极之间的电压；》主电流《是流经晶闸管的阴极的电流；》控制电压《是在晶闸管的门极与阴极之间的电压，如果门极相比于阴极具有更高的电位，那么控制电压是正的；》控制电流《是通过晶闸管的门极的电流；》点火电流《是流入到门极中的控制电流，于是晶闸管的控制电流是正的；》前向方向《是由阳极到阴极的方向；》前向电压《是沿前向方向极化的主电压，于是主电压是正的；》前向电流《是沿前向方向流动的主电流，于是主电流是正的；》反向方向《是由阴极到阳极的方向；》反向电压《是沿反向方向极化的主电压，于是主电压是负的；》关断状态《和》导通状态《是当前向电流流经时晶闸管可以占据的两个稳定的运行状态，；》闭锁电流《、》保持电流《和》释放时间《是相应的晶闸管的特征性的特性参量且大多在其参数页中说明。晶闸管众所周知可以置于导通状态中，这也称为点火或接通，其方式为施加前向电压，并且至少短时地、典型地大约10μs地施加正的控制电压且产生点火电流，直至前向电流超过闭锁电流。现在晶闸管即使在如下情况下也保持在导通状态，即如果控制电流消失或甚至转换极性，不过仅仅只要前向电流不低于保持电流且存在前向电压。不过一旦主电压转换极性，从而由前向电压变为反向电压，或者前向电流低于保持电流，晶闸管过渡到关断状态，这也称为熄灭或关断。此外，在下文中“停用”表示，停用门极操控，用以阻止晶闸管点火。相应地，“激活”表示，通过操控晶闸管的门极能实现点火。正常的晶闸管——其也称为自然换向的晶闸管——众所周知仅仅可以通过前述方式熄灭。GTO(门极关断)晶闸管可以附加地通过产生熄灭电流被熄灭。因此，正常的晶闸管通常最早在如下情况下熄灭，即如果主电流达到下一交零，相比之下GTO晶闸管可以在每个任意时刻被熄灭。正常的晶闸管现在例如设计用于直至2.2kA和更大的电流以及用于直至7kV和更大的电压，相比之下GTO晶闸管现在仅仅能够设计为用于更低的电流和电压且是更昂贵的。在熄灭之后，晶闸管需要确定的时间间隔，直至其又可以沿前向方向接收电压。该时间间隔称为禁止时间并且由释放时间和安全余量的和形成。换向单元的控制在下文中一般理解为：如此操控换向单元，使得可以安全地达到预期的切换状态。此外区分正常换向与强制换向。如果电流通过换向单元的之前导通的开关元件直接并且在短时间内换向到之前关断的开关元件，那么应用术语正常换向。物理换向——其中电流由一个负载分支换向到另一负载分支——在正常换向地情况下在此在如下时间范围中实现，在该时间范围负载电流和感应电压具有不同符号。相比之下在强制换向的情况下，换向通过有意的短时的短路实现。在构建的且在电压交零之后又衰减的短路电流期间，之前导通的开关元件或其晶闸管具有足够的时间被释放。强制换向可以相比于正常换向而言随时被实施。
技术实现思路
本专利技术基于的任务在于，实现一种用于控制基于半导体开关元件的开关模块的方法，以便降低各个半导体开关元件的电气负载。该任务通过一种包括权利要求1的特征的方法解决。在该背景下，本专利技术按照第一方面提出一种用于控制至少一个开关模块的方法，该开关模块由第一换向单元和第二换向单元组成。换向单元分别通过第一端子和第二端子配置给调节变压器的调节绕组。每个开关模块设有馈入线和导出线。换向单元在此包括第一开关元件和第二开关元件，所述第一开关元件和第二开关元件分别由两个反并联连接的晶闸管组成。在所述用于控制开关模块的方法的范畴中确定如下参量：·交流电压，其称为抽头电压且存在于第一与第二输入端子之间且是在调节变压器的调节绕组上的电压；·交流电压，其称为感应电压且是在调节绕组中感应电压；·交流电流，其称为负载电流且从换向单元的导出线流出；·在负载电流与抽头电压之间的相位移动；在方法的范围中，为了按照第一换向策略将电流由第一开关元件换向到第二开关元件在获得换向命令之后实施第一检测。在此检测：在负载电流与抽头电压之间的相位移动是否位于在极限范围之外。如果相位移动位于在极限范围之外，那么第一检测的结果评估为肯定的。附加地，实施第二检测，即：直至抽头电压的下一预期的交零的时间是否大于换向时间段；以及如果是这样的情况，那么将结果评估为肯定的。换向时间段在此是晶闸管的叠加时间和禁止时间的和。叠加时间描述如下时间，在换向期间在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于控制由第一换向单元(9a)和第二换向单元(9b)组成的至少一个开关模块(5)的方法，所述第一换向单元和第二换向单元分别通过第一端子(10)和第二端子(20)配置给调节变压器(1)的调节绕组(8)，其中，每个开关模块(5)设有馈入线(4a)和导出线(4b)，其中，所述换向单元(9a、9b)包括：·第一开关元件(61)，其具有两个反并联连接的晶闸管(61a、61b)；·第二开关元件(62)，其具有两个反并联连接的晶闸管(62a、62b)；其特征在于如下步骤：·确定抽头电压(vt)，所述抽头电压位于在第一端子(10)与第二端子(20)之间并且是在调节变压器(1)的调节绕组(8)上的电压；·确定感应电压(vi)，所述感应电压是在调节绕组(8)中感应的电压；·检测负载电流(iL)，所述负载电流从换向单元(9a)的导出线(4b)流出；·确定在所述负载电流(iL)与抽头电压(vt)之间的相位移动

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.23 EP 16200251.31.用于控制由第一换向单元(9a)和第二换向单元(9b)组成的至少一个开关模块(5)的方法，所述第一换向单元和第二换向单元分别通过第一端子(10)和第二端子(20)配置给调节变压器(1)的调节绕组(8)，其中，每个开关模块(5)设有馈入线(4a)和导出线(4b)，其中，所述换向单元(9a、9b)包括：·第一开关元件(61)，其具有两个反并联连接的晶闸管(61a、61b)；·第二开关元件(62)，其具有两个反并联连接的晶闸管(62a、62b)；其特征在于如下步骤：·确定抽头电压(vt)，所述抽头电压位于在第一端子(10)与第二端子(20)之间并且是在调节变压器(1)的调节绕组(8)上的电压；·确定感应电压(vi)，所述感应电压是在调节绕组(8)中感应的电压；·检测负载电流(iL)，所述负载电流从换向单元(9a)的导出线(4b)流出；·确定在所述负载电流(iL)与抽头电压(vt)之间的相位移动·按照第一换向策略(400)在获得用于将电流由第一开关元件(61)换向到第二开关元件(62)的第一换向命令之后实施第一检测，其中，所述第一检测(401a)包括：-在所述负载电流(iL)与电压(vt)之间的相位移动是否位于在极限范围之外；以及-如果所述相位移动位于在极限范围之外，那么第一检测(401a)的结果评估为肯定的；·实施第二检测(401c)，其中，所述第二检测(401c)包括：-直至电压(vt)的下一预期的交零的时间是否大于换向时间段(tkomm)；以及-如果是这样的情况，那么将所述结果评估为肯定的；·在第一和第二检测(401a、401c)是肯定的情况下，在步骤(402)中准备换向过程，其方式为停用属于第一开关元件(61)和沿对于感应电压(vi)的阻止方向的第一晶闸管(61a、61b)，并且激活属于第二开关元件(62)和沿对于电压(vi)的关断方向的第二晶闸管(62a、62b)；·在准备换向过程之后，在步骤(402)中：-只要直至抽头电压(vt)的预期的下一交零的时间大于换向时间段(tkomm)(403c)，实施第三检测，即，第一晶闸管(61a、61b)是否变为释放，并且如果是这样的情况，那么检测(403a)评估为肯定的；以及-如果第三检测评估为肯定的，那么在步骤(404)中开始换向，其方式为激活与第二晶闸管(62a、62b)反并联的第三晶闸管(62a、62b)，并且停用与第一晶闸管(61a、61b)反并联的...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·恩格尔，W·R·德东克尔，
申请(专利权)人：赖茵豪森机械制造公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE