用于整流器的短路装置

摘要

一种用于将AC电流转换成DC电流的整流器（14），包括：至少两个半桥（22），其包括半导体开关（32），所述半导体开关（32)相对于整流器（14）的DC输出（18）的两个输出相（18a，18b）并联连接，其中每个半桥（22）适合于将整流器（14）的AC输入（16）的输入相（16a，16b，16c）整流；弧检测装置（16），用于检测整流器（14）的电弧故障；短路装置（28），用于在由弧监测装置（26）致动时使输入相（16a，16b，16c）短路；其中短路装置（28）包括用于传导短路电流的晶闸管（34），所述晶闸管（34）三角形连接输入相（16a，16b，16c）；其中将输入相（16a，16b，16c）互连的短路装置（28）的晶闸管（34）以环的方式连接到输入相（16a，16b，16c），在所述环中晶闸管（34）全具有相同取向。

权利要求

1.一种用于将AC电流转换成DC电流的整流器（14），所述整流器（14）包括：至少两个半桥（22），其包括半导体开关（32），其相对于所述整流器（14）的DC输出（18）的两个输出相（18a，18b）并联连接，其中每个半桥（22）适合于将所述整流器（14）的AC输入（16）的输入相（16a，16b，16c）整流；

弧检测装置（26），用于检测所述整流器（14）的电弧故障；

短路装置，用于在由所述弧检测装置（26）致动时将所述输入相（16a，16b，16c）短路；

其中所述短路装置包括用于传导短路电流的晶闸管（34），所述晶闸管（34）三角形连接所述输入相（16a，16b，16c）；

其中将所述输入相（16a，16b，16c）互连的所述短路装置的所述晶闸管（34）以环的方式连接到所述输入相（16a，16b，16c），在所述环中，所述晶闸管（34）全具有相同取向。

2.根据权利要求1所述的整流器，其中所述短路装置仅包括将两个输入相互连的并联连接的晶闸管（34）。

3.根据权利要求1或2所述的整流器（14），其中所述短路装置适合于在由所述弧检测装置（26）致动时将所述输出相（18a，18b）短路，并且所述短路装置包括将所述两个输出相（18a，18b）互连的至少一个晶闸管（34）。

4.根据权利要求1-2中的任一项所述的整流器（14），其中所述短路装置适合于在由所述弧检测装置（26）致动时将所述输出相（18a，18b）短路，并且所述短路装置包括将至少一个输出相（18a，18b）与接地点（30）互连的至少一个晶闸管（34）。

5.根据权利要求1-2中的任一项所述的整流器（14），其中所述短路装置包括用于分配所述短路电流的并联连接的晶闸管（34）。

6.根据权利要求1-2中的任一项所述的整流器（14），其中所述半桥（22）的每个分支（24）包括并联连接的半导体开关（32）。

7.根据权利要求1-2中的任一项所述的整流器（14），其中半桥（22）的每个分支的所述半导体开关（32）与熔丝（36）串联连接。

8.根据权利要求1-2中的任一项所述的整流器（14），其中半桥（22）的所述半导体开关中的每个与单独的熔丝（36）串联连接。

9.根据权利要求1-2中的任一项所述的整流器（14），其中所述半桥的所述半导体开关（32）包括晶闸管（34）和/或二极管。

10.根据权利要求1-2中的任一项所述的整流器（14），其中所述整流器（14）是适合于处理多于5kA的电流的高电流整流器。

11.一种整流器系统（10），包括根据前述权利要求中的任一项所述的至少两个整流器（14），其相对于它们的DC输出（18）并联连接。

说明书

用于整流器的短路装置

技术领域

[0001] 本发明涉及高功率整流器的保护领域。具体而言，本发明涉及整流器和包括至少一个这类整流器的整流器系统。

背景技术

[0002] 对于如同铝电解、氯电解或电弧炉的特定应用，通常非常高的DC电流是必要的。可以处于从40kA到120kA的范围中的这类高DC电流可以通过如同高功率整流器的功率源来提供，其将AC输入电流整流成DC输出电流。

[0003] 如同每个高功率电路系统，这种整流器可能经受弧故障。然而，存在对于在这类整流器中的弧故障的减轻的非常高的要求。

[0004] 一些现有的方法（诸如弧故障断路器）在检测弧故障时将整流器开路以便将外部电路与整流器断开。然而，这种布置可以不使弧故障免于在并联的整流器的电路系统内发生，并且没有快到足以限制损坏。

[0005] 在高功率整流器的情况下，常规方式还可能太慢而不能防止损坏。它也可能太昂贵而不能构建户外容器或外壳以便经受容器内的弧故障爆发。或者，它也可能对限制对于接近整流器的区域的访问以便保护工作人员是不可行的。

[0006] 例如，在EP 1995871 A2中，整流器的半导体用于通过改变触发模式以引入短路来减轻弧故障。

[0007] 在CA 2656319 A1中，在检测到弧故障时，功率源的DC输出以切换装置被短路以便减轻弧故障。

发明内容

[0008] 本发明的目的是要以有效并且容易的方式减轻高功率整流器中的弧故障。

[0009] 这个目的通过独立权利要求的主题来实现。另外的示范性实施例根据从属权利要求和下面描述是显然的。

[0010] 本发明的第一方面涉及用于将AC电流转换成DC电流的整流器，具体是适合于处理多于5kA（例如多于50kA）的电流的高电流和/或高功率整流器。整流器可以是有源整流器，即，可以基于控制的半导体开关和/或可以用于提供电流到高电流和/或高功率负载，诸如铝电解装置、氯电解装置或电弧炉，但不限于这些。然而，整流器也可以是包括二极管的无源整流器。

[0011] 根据本发明的实施例，整流器包括：至少两个半桥，其包括半导体开关，所述半桥相对于整流器的DC输入的两个输入相并联连接，其中每个半桥适合于将整流器的AC输入的输入相整流;弧检测装置，用于检测整流器的电弧故障；以及短路装置，用于在由检测装置致动时将输出相短路和将输入相短路中的至少一个。短路装置包括用于传导短路电流的至少一个可切换半导体，诸如晶闸管。

[0012] 通常，整流器的AC输入包括三个输入相，并且整流器的DC输入包括两个输出相。在这种情况中，三个半桥在DC输出处并联连接。

[0013] AC输入可连接到变压器，其例如将来自电网的AC电流向下变换成要由整流器整流的相当小电压（通常低于1700V）但非常高的电流（通常50到120kA），其可以供应给如上面描述的高电流负载。

[0014] 通常，半桥包括两个分支，其将相应的输入相与两个输出相互连。每个分支包括半导体开关，其可以是有源可切换的，即，整流器可以是有源或相换向整流器。

[0015] 整流器的高功率组件（诸如半桥）可布置在容器内，在所述容器中，还可布置用于电弧的测量装置或感测装置。例如，这种感测装置可以基于通过弧发射的光的光学检测。感测装置可以是控制器的部分，其适合于基于感测装置的信号检测弧故障并且其可以触发或致动短路装置，其适合于将输入相彼此短路和/或将输出相彼此短路和/或将两个输出相中的一个与地连接。

[0016] 该短路装置基于晶闸管，其一方面可在非常短的时间中被切换。以这种方式，相的短路可在弧故障发生后少于4ms生效。这种短时间可以防止壳体和/或整流器的组件的损坏。

[0017] 另一方面，晶闸管可以适合于传导短路电流足够长时间以用于熄灭电弧。必须理解的是，短路装置可以在传导短路电流的同时被损坏。在弧故障之后，短路装置或短路装置的至少部分可以被交换，其与所损坏的整流器相比可以是非常便宜的。因此，感测装置也可以必须触发整流器从馈送源的断开。

[0018] 总之，由晶闸管构成的的短路装置可以用于在（具体为高功率和/或高电流）整流器的AC输入和/或DC输出处的弧熄灭和/或弧保护。

[0019] 通常，短路装置可以将DC输出和/或AC输入短路。该短路可以通过触发一个或多个晶闸管来执行，其可以通过短路装置的栅极单元来控制。该栅极单元可接收信号以便开始将AC输入和/或DC输出从弧感测装置或从连接到感测装置的控制器短路。通常，AC输入可包括三个输入相。在这种情况中，三个相必须通过短路装置彼此短路。

[0020] 将输入相互连的晶闸管被三角形连接，其中短路装置的晶闸管以环的方式连接到输入相，在所述环中，晶闸管全具有相同取向。换言之，将输入相互连的所有三角形连接的晶闸管可以串联连接，使得形成环，即，每个晶闸管以集电极连接到另一个晶闸管的发射极（然而，其以其集电极不连接到第一个晶闸管）。在晶闸管全可以相对于围绕环的第一方向而处于阻挡状态中和/或可以相对于围绕环的与第一方向相反的第二方向而处于传导状态中，晶闸管全可具有相同取向。

[0021] 以这种方式，短路电流可以在任何两个输入相之间流动，即使当两个输入相之间的直接电流（direct current）路径通过一个或多个并联连接的晶闸管（其将两个输入相互连）来阻挡时。短路电流然后可以经由晶闸管流动，晶闸管经由其它输入相串联连接。

[0022] 一个电流路径可以通过将两个输入相互连的晶闸管来提供，并且两个相之间的反并联电流路径可以通过两个串联连接的晶闸管来提供，两个串联连接的晶闸管将这两个相与第三相连接。以这种方式，可节省晶闸管。晶闸管的仅一半可以用于提供相同电流额定。

[0023] 根据本发明的实施例，短路装置仅包括将两个输入相互连的并联连接的晶闸管。可以是，两个输入相的每个通过至少两个并联晶闸管来连接。短路装置不需要包括将两个输入相互连的反并联连接的晶闸管。

[0024] 根据本发明的实施例，短路装置适合于当由弧检测装置致动时缩短（shorten）输出相，并且短路装置包括将至少两个DC输出相互连的至少一个晶闸管。

[0025] 根据本发明的实施例，短路装置适合于当由弧检测装置致动时缩短输出相，并且短路装置包括将至少一个DC输出相与接地点互连的至少一个晶闸管。

[0026] 根据本发明的实施例，短路装置包括用于分配短路电流的并联连接的晶闸管。在任何情况中，即，将输出相短路、将输出相接地、将输入相以三角形连接短路，多于一个晶闸管可以用于传导短路电流。

[0027] 例如，在例如可以将输出相互连的反并联晶闸管的情况中，四个晶闸管，即，两对反并联晶闸管可被使用。

[0028] 根据本发明的实施例，半桥的每个分支包括并联连接的半导体。具体而言，在高功率和/或电流整流器的情况中，用于切换要整流的电流的半导体开关可并联连接以便在多于一个半导体装置之间分配这个电流。

[0029] 根据本发明的实施例，半桥的每个分支的半导体开关与熔丝串联连接。通常，整流器的每个高功率半导体开关可以以熔丝来保护。在整流器的故障的情况中，这个熔丝可以被牺牲以便保护半导体开关。例如，半桥的每个半导体开关与单独的熔丝串联连接。在多于一个半导体开关并联连接以用于分配切换电流的情况下，熔丝也可以并联连接。这些熔丝可以防止使用特定切换模式以便在弧故障的情况下将整流器内部短路。

[0030] 根据本发明的实施例，半桥的半导体开关是晶闸管或二极管。短路装置和整流器可以包括相同类型的半导体装置。

[0031] 本发明的另外的方面涉及包括至少一个或多个如在上面中和在下面中描述的整流器的整流器系统。这些整流器可以相对于它们的DC输出并联连接。AC输入可连接到一个或多个AC源。高功率和/或高电流整流器可并行切换。在这种情况中并且具体而言，在负载过程具有电容量时，提供AC侧和DC侧的短路可以是有益的。

[0032] 本发明的这些和其它方面从下文中所述的实施例将是显而易见的并且参照下文中所述的实施例来阐明。

附图说明

[0033] 在下文中参照在附图中图示的示范实施例将更详细解释本发明的主题。

[0034] 图1根据本发明的实施例示意示出整流器系统的电路图。

[0035] 图2示意示出图1的系统的整流器的分支的电路图。

[0036] 图3示意示出用于图1的系统的DC输出短路装置的电路图。

[0037] 图4示意示出用于图1的系统的AC输入短路装置的电路图。

[0038] 图5示意示出用于图1的系统的另外的AC输入短路装置的电路图。

[0039] 用于附图中的参考符号以及其含义在参考符号的列表中以概括的形式列示。大体上，在附图中同样的部分以相同参考符号提供。

具体实施方式

[0040] 图1示出用于以高功率DC电流供应负载12的整流器系统10。例如，负载可以是铝电解装置，氯电解装置或电弧炉。

[0041] 整流器系统10可以包括一个或多个整流器14，其可以同样地被设计。每个整流器14包括带有至少两个通常三个输入相16a，16b，16c的AC输入16以及带有两个输出相18a，
18b的DC输出18。整流器14的DC输出并联连接到负载12。每个整流器14的AC输入16连接到AC功率源20，其例如可包括连接到电网的变压器。

[0042] 每个整流器14包括至少两个半桥22，其与DC输出18并联连接并且将输入相16a，16b，16c与输出相18a，18b互连。每个半桥包括两个分支24，其包括在图1中以单个半导体象征的半导体开关。整流器的半导体开关可通过控制器切换，其例如可控制供应到负载12的电压和/或电流。每个整流器14可包括单独的控制器。

[0043] 每个整流器14的高功率组件（诸如半桥22或例如汇流排等）可布置在外壳或容器内，其中弧检测装置26（或至少其感测装置诸如光学传感器）也被布置。

[0044] 每个整流器14还包括短路装置28，其包括输入短路装置28a、输出短路装置28b以及输出接地装置28c。必须注意的是，备选地，整流器14仅可包括输入短路装置28a或输出短路装置28b（可选地与输出接地装置28c组合）。

[0045] 在弧故障的情况中，检测装置26可发送弧故障信号到短路装置28，其可将输入相16a，16b，16c和/或输出相18a，18b短路。另外，短路装置28可在接收这个信号时将输出相
18a，18b与接地点30接地。

[0046] 图2示出整流器的半桥22的分支24。分支24包括半导体开关32，其可以是晶闸管34和/或其可以并联连接以用于分配要在这些半导体开关32之间切换的电流。必须理解的是，与图2相反，不仅两个而且多个半导体开关32可并联连接，使得高电流可被切换。

[0047] 分支24的每个半导体开关32可通过个别熔丝36来保护，其与半导体开关32串联连接。也可以有可能的是，分支24的所有半导体开关32通过一个熔丝36来保护，其与所有半导体开关32串联连接。

[0048] 整流器14的半导体开关32可被切换，使得AC输入16处的多相AC输入电流整流成DC输出18处的DC电流。这种切换可以通过整流器14的控制器来控制，其基于整流器内部的测量提供相应的栅极信号。由于熔丝36，将带有内部半导体开关32的整流器14短路以便熄灭整流器14内部的弧可以是不可能的。在整流器14的半导体开关32是二极管的情况中，不存在生成整流器14内部的短路以便熄灭整流器14内部的弧的选项。

[0049] 图3示出输出短路装置28b或输出接地装置28c的实施例。装置28b，28c可包括至少一个晶闸管。在短路和/或接地电流太高的情况中，多个晶闸管34可并联连接。通常在图3和下面的附图中，晶闸管34可以以可切换开关来替换，其可以是线或强制换向的。

[0050] 图3中的并联连接晶闸管34以及下面的附图可以用于在并联晶闸管34之间分配短路电流。

[0051] 图4示出输入短路装置28a的实施例，其中反并联晶闸管34的三个集合将输入相16a，16b，16c星形连接。晶闸管34的每个集合可包括一个或多个并联连接的晶闸管。

[0052] 通常，晶闸管34在阻挡状态中具有非常高的电阻，并且在传导状态中通常作为二极管工作，即，它在其传导方向上具有可比较的低电阻以及在相反方向上具有非常高的电阻。因此，在星形连接的情况下，触发两个反并联晶闸管34以便在两个方向上建立传导短路路径可以是必需的。

[0053] 图5示出备选短路装置28a'的实施例，其中晶闸管34的三个集合将输入相16a，16b，16c三角形连接。晶闸管的每个集合可包括并联连接的一个或多个晶闸管。也有可能的是，仅一个晶闸管将两个输入相16a，16b，16c互连。

[0054] 如图5中所示出的，晶闸管34互连成环，即，每个晶闸管34以发射极连接到另一个晶闸管34（然而，其不以其发射极直接连接第一晶闸管34的集电极）的集电极。以这种方式，当晶闸管34全部切换成传导状态时，第一电流路径可经由晶闸管34在第一输入相（诸如16a）和第二输入相（诸如16b）之间形成。反并联第二电流路径可在第一输入相（诸如16a）和第二输入相（诸如16b）之间经由第三输入相（诸如16c）、经由将第二输入相与第三输入相互连的一个或多个晶闸管34和经由将第三输入相与第一输入相互连的一个或多个晶闸管34形成。

[0055] 必须理解的是，不仅两个而且多个晶闸管34可在图3到图5中并联连接，使得高电流可被切换。然而，也可以有可能的是，在图3到图5中仅一个晶闸管34用于在一个方向上切换电流，即，图4中的晶闸管34的一个反并联对以及在图3和图5中的两个输入相16a，16b，16c之间的仅一个晶闸管。

[0056] 虽然本发明在附图和前述描述中已图示和详细描述，这种说明和描述要认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。对于所公开的实施例的其它变化能够由本领域技术人员以及从附图、公开和所附权利要求的研究实施所要求的发明来理解并实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可满足在权利要求中陈述的若干项的功能。某些措施在互不相同的从属权利要求中陈述的仅事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应解释为限制范围。

[0057] 参考符号的列表

[0058] 10 整流器系统

[0059] 12 负载

[0060] 14 整流器

[0061] 16 AC输入

[0062] 16a，16b，16c 输入相

[0063] 18 DC输出

[0064] 18a，18b 输出相

[0065] 20 AC源

[0066] 22 半桥

[0067] 24 分支

[0068] 26 弧检测装置

[0069] 28 短路装置

[0070] 28a，28a' 输入短路装置

[0071] 28b 输出短路装置

[0072] 28c 输出接地装置

[0073] 30 接地点

[0074] 32 半导体开关

[0075] 34 晶闸管

[0076] 36 熔丝