CN101501972A - 在低开关损耗下借助逆变器的驱动 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变流器(逆变器，脉冲变换器或者频率变换器)和“磁作用的”设备的驱动。变流器的有效开关频率不应被降低，但应达到冷却耗费的降低。所述设备中所产生的噪声电平同样被保持得低。对此，建议一种电路装置用于向具有至少一个绕组(L1，L2，L3)的设备(电机(M))馈电，该电路装置在至少一个第一分路中具有变频器(WR1)的一第一支路(Z1)，被构造为并且能够用于/以不高于5kHz的开关频率工作，用于向该绕组(L1)输出一以该开关频率产生的、具有低得多的工作频率(f1)的主交变电流。另一变频器(WR2)的第二支路(z1)，被构造并且能够以/用于高于5kHz的开关频率工作，用于向同一绕组(L1)输出一以该开关频率产生的补充交变电流。在所述至少一个的绕组(L1)中，所述两个支路(Z1，z1)的两交变电流(iA (t)；iB (t))被叠加为总电流。这在两个不同的变流器的第一和第二支路(Z1，z1)的并联运行中。

Description

在低开关损耗下借助逆变器的驱动
技术领域
本发明涉及变流器(逆变器，脉冲变换器或者频率变换器)和例如电机的驱动；这作为装置(电路装置)或者作为方法用于向变压器、电动机/发电机(更一般地：电机)意义上的磁作用的设备馈电。驱动装置涉及所述电路装置的调节或者控制。
背景技术
对作为例如“磁作用的”、可电力驱动的设备的例子的电力驱动的驱动装置提出高的要求，一方面关于噪声特性，而另一方面关于基于作为逆变器的变频器和伺服变流器的调节动态性能。所述逆变器提供由一高的开关频率产生的交变电流。对于高于10kW至30kW功率的电机和特别是强迫通风的电动机，在开关频率过低时，该交变电流导致在电动机上通过变流器馈电产生干扰性噪声电平。
为了避免或者至少降低所述噪声电平，必须提高逆变器的脉冲频率(即开关频率)，当所述逆变器需要开关大的电机负载电流时，这同样也增大了所述逆变器中的损耗功率。这会出现在“高的开关频率”时，例如高于8kHz。如果，逆变器(变流器)以该频率开关，则噪声电平能够保持在合理的限度内，以负载分别由多个支路构成的变流器中提高的损耗功率，其中，通常在具有三个磁作用的和馈电的绕组的三相电机中，也使用与这些绕组相协调的具有三个相的变流器。
如果使用高动态的驱动装置，例如直线电动机或者那些必须与从旁边运动的带或者轨道的高速度同步的电动机，高脉冲频率不仅对降低噪声电平是有意义的，而且也是必需的，以便能够实现这些高动态的驱动装置(作为磁作用设备的代表)的快速电流调节。
如果今天要实现所述第一个或者第二个目标或者共同的目标，那么逆变器中的高开关频率是不可避免的，而高开关频率在大输出电流的情况下也导致高开关频率和高冷却耗费。该高的耗费被如下地产生，即在逆变器的支路中分别满足高的开关频率的功率半导体必须在所述高的频率下开关电机的高的发电机负载电流或者电动机负载电流，使得必须相应地确定功率半导体、例如晶体管或者绝缘栅双极晶体管的参数并相应地将其装配在所产生的热量的冷却装置或者导散装置中。
发明内容
本发明的任务在于：不降低用于“磁作用”设备、例如电机的变流器或者逆变器的有效开关频率，但达到冷却耗费的降低，特别是在所述变流器的驱动中。冷却耗费的降低可以理解为三个部分：一是热量生成的降低；二是热量的必要的排导的降低，例如通过冷却器形式的排导；三是排导所需面积的降低。换句话说，即降低用于逆变器中按规定地被控制和驱动的功率半导体的、用于冷却的耗费。如果能够共同地实现，为使所述设备中所产生的噪声电平被保持得低，而不必降低或者不大大降低开关频率，，那么便提出了一个有待解决的复杂的任务。
所述问题通过具有两个不同的变频器(即逆变器)的电路装置来解决，所述变频器本身物理构造也完全不同(权利要求1)。它们在调节/控制意义上的驱动被限定为驱动装置(权利要求22)。该驱动装置具有至少一个调节器。可比较的驱动装置(权利要求25)具有两个电流调节器，所述电流调节器能够控制和运行电路装置(权利要求1)。权利要求30限定了由电路装置(权利要求1)与驱动装置(权利要求22、25)的组合。关于开关频率说明的一种附属的工作方法是权利要求35的技术方案。权利要求20限定了用于说明根据权利要求1的两个物理上不同的支路的开关频率的说明的工作方法。该概述说明了权利要求包括了哪些技术方案。
在此，与现有技术的不同之处主要不在于所使用的变流器的电路概念，而主要在于所使用的功率半导体和所使用的开关频率和因此也在于对于每一个变频器所需的冷却措施。
当本领域技术人员提及频率变换器，简称：变频器时，该变频器具有最少一个、两个或者三个相，它们分别由一个由至少两个半导体构成的支路形成(权利要求6)。用于大多被使用的三相电机的逆变器(权利要求32或者权利要求9)具有三个分路(
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)或者三相(权利要求3)。具有三个或者多个绕组的变压器也同样可以作为具有磁作用的电设备被运行。两分路或者三分路的列举(权利要求2和3)并不是穷尽的，也可以再扩展更多的分路，即四分路或者更多分路，其中，每个分路具有一个第一支路和一个第二支路，并且所述支路中的每一个具有不同的极限工作频率。
这里，权利要求1限定了一个第一变频器的至少一个第一支路，它不能在5kHz以上工作，并且也没有对此进行构造。权利要求1还限定了一个另外的变频器的第二支路，它正好被对此构造并且能够工作在所述频率极限之上，特别是远在所述频率极限之上(权利要求1，权利要求8，权利要求15或者权利要求16)。
如果总体地观察由第一/第二支路组成的这样一个支路对的多个对(权利要求2，权利要求3)，则产生一个多相的变频器(权利要求4，权利要求5)，一个仅能够工作在所述开关极限以下，而一个能够工作在所述频率极限以上。
权利要求1或者权利要求35所限定的至少一个分路的结构是用于输出用于单相负载、例如具有一额定频率的单相电机的单相交变电流的最低前提条件。所输出的交变电流能够至少满足所述额定频率(权利要求36)。
因为所述驱动，所述分路的实际频率也可能根据电机的工作点低于或者高于额定频率。该额定频率大多低于400Hz。该额定频率达不到第一变频器的第一支路的极限开关频率(大大低于)，并且绝达不到所述另外的变频器的第二支路的极限开关频率。工作频率(额定频率意义上)和第一支路或者第一变频器的上极限开关频率之间有至少为10的倍数(权利要求1，20)。这也相应于对于较慢开关支路的必要时需给出的下极限频率的确定大小，参照主电流基波在一个周期上的平均开关频率，该下限频率优选地确定为高于500Hz。
具体的逆变器的物理构造和结构构造被所述上极限频率限定(权利要求1，2和3)。相应的工作方法(权利要求20)相反可说明，这些频率确实出现，确切地说在工作中出现。权利要求20就这个方面限定了一电运行设备的实际情况，该电运行设备具有至少一个绕组并且例如为一个在定子和/或转子中具有优选三个绕组的电机。
如果运行方法(权利要求20)定向在所述极限频率上，即5kHz的上极限频率，第一支路不超过该上极限频率(作为第一变频器的代表)，以及第二支路的一更高的开关频率(作为所述另外的变频器的代表)，那么所述频率极限不是在逆变器(变频器)工作时总出现的频率。但在另一方面，在极限频率意义上，对第一支路是一个上界限。对于第二支路，在运行方法中没有预先给出上极限，第二支路能够以更高的频率开关，但不必持久地以所述更高的频率开关。在运行期间中，出现许多频率，取决于工作点和负载。在第一支路中，这些频率绝不高于第一频率极限。在第二支路中，这些频率可以高于、也可以远远高于所述第一频率极限；但也可以调节出低于所述第一频率极限的开关频率。这里，参照一起叠加为总交变电流的主交变电流和补充交变电流，应该认真地区分实际出现的频率和功能上预定的和要求的频率极限。
单相的观察能够补充至两相的观察(权利要求2，权利要求4，权利要求5)或者三相的观察(权利要求3，权利要求4，权利要求5)并且在此构造独立的逆变器，其中，所述一个工作频率的第一支路分别对应一个逆变器，另一个工作频率的第二支路对应于另外的不同的逆变器。在分路装置中存在用于两个不同极限工作频率的独立的逆变器，这是对“不同的”变频器的技术限定。相应地，这对工作方法也适用(权利要求20，35)。
如果要限定用于例如较慢开关的支路的下极限频率(权利要求21a)，平均频率的说明是有意义的，按目的参照主电流或者总电流的基波。这对于较快开关的支路的下极限频率也适用(权利要求21b)。
不改变所述两个不同的逆变器(变频器)的内部结构，各自相关联的输出端子的输出电流可以经各自的扼流线圈彼此耦合，该扼流线圈具有一个抽头，该抽头输出由两个在并联运行中共同连接的支路的不同的工作频率组成的总电流(叠加的电流)(权利要求7，权利要求19)。该扼流线圈阻止一个支路的电流流到另外一支路，相反两支路的电流应该经该(磁)耦合传导至例如电动机的绕组，在该绕组中所述电流相互叠加(权利要求18)。
并联运行用于形成一个分路的每两个支路，将由其产生的电流叠加，一是低频率开关的变频器的主交变电流，一是高频率工作的变频器的补充交变电流，由此在由一个变频器的支路和另一个变频器的支路形成的总电流中频率相互叠加(权利要求20)。噪声电平降低。提供主电流的变频器的热负载降低。
在例如所连接的电机的绕组中，通过所述两个支路的驱动形成一总交变电流，该总交变电流具有由第二变频器提供的高频脉动(权利要求12)。所述电机在噪声电平上被最小化，能够高动态地工作，其中，另一方面需要开关具有低开关频率的高负载电流，以使得在所述主变频器中也产生相应少的损耗功率。
这些不同的变频器或者说所述两个不同变频器的至少每一个支路的联接负责所述不同地形成的电流的叠加，并且使得能够在电机的相应的绕组中叠加两个交变电流，使得形成并联运行，它能够使少的功率损耗与少的噪声产生相结合(权利要求13)。
两个不同的变频器的两个支路的两个频率能够明显地彼此区分，例如大于倍数2(权利要求8，权利要求15)，特别是在变频器的“慢”工作支路的七倍至九倍频率之间的范围中(权利要求8)。由此运行的、设置有绕组的设备，或者用于驱动例如一种这样的电机的各个变频器的可用性和构造，高于10kW，特别是高于30kW，这用功能性语句对所述支路中以及其所属的分路装置中的开关功率半导体的参数和能力和其所属的电路设备进行了限定(权利要求9)。
换句话说，对变频器的一个相应的支路的构造和工作能力的限定，和由例如三个支路构成的变频器的支路的倍增也应被理解：“构造”指的是支路的部件以及相应的结构，即适合于电流负载和热的排导，“工作能力”指的是不调节高于或者低于所述极限的频率的驱动。
在此，本领域技术人员理解为变频器的一定类别，一种是以其脉冲频率能够工作于不高于最高5kHz，和被构造用于产生有效值高的交变电流，它承接例如大于10kW的电动机的主要负载部分。相反，第二变频器的构造，使得为工作于一明显更高的频率，并在此仅这样构造，使得通过补充交变电流承担小的负载部分。
分别测量输出电流各自的有效值，所述两个负载的比例和负载分布位于大于5，特别是大于10的范围中。在一个例子中可以说，以较低频率工作的逆变器提供直至200A的电流，而补充交变电流位于20A和30A之间的数量级上。
两个支路，即用于较低频率的第一支路和用于较高频率的第二支路，或者说具有多个第一支路和多个第二支路的两个逆变器或变频器的更详细的区别也同样可以给出(权利要求10，权利要求11)。
慢开关的变频器的最高上限频率也可以向下移动，至较低的上限频率，例如4kHz向下降至最大2kHz。第一支路则在它的开关频率上被更强地限制。相应地，第二支路可以以更高的频率开关(权利要求11)。这高于5kHz直至16kHz。由于第一和第二支路的组合(权利要求10和11一起)，这里所述的所有组合也被视为显而易见的，即例如对第一支路不高于4kHz，而对第二支路高于15kHz。
在倍数为4的频率比时，即4kHz和16kHz的情况下，产生整数的倍数，这也可以扩展至其他倍数(权利要求15)。这一切重新附有限定，这样一个被限定的电路装置具有这样的构造和能力，以所述频率工作(第二支路)，或者能够以不高于所述较低频率工作(权利要求10)。
在一个另外的特定实施例中，所述频率的倍数基本为2(权利要求16)。
两个支路(一个和另一个变频器的相)的联接通过一个特别的中间抽头的扼流线圈实现(权利要求7)。这形成所要求保护意义上的一个“分路”，其能够以本发明的优点取代普通变频器的输出相。扼流线圈可以构造为置于一个共同的芯上的双绕组，该扼流线圈将第一支路与第二支路的两个开关的输出端彼此去耦合，并且将所述两个支路的输出电流共同输送至电动机绕组。这又须在具有漏电感和主电感的交流电机中被反映。
由“慢的”变频器所产生的电流脉动通过补充交变电流补偿，该电流脉动具有低频率并因此相对大且明显地构成。在电动机中，仅出现具有高频率的电流脉动。该补偿这样进行使得得到输出电流实际值的一个至少更均匀的特性曲线，该补偿不必是完全的，但能够在主要部分中实现(权利要求12)。该电流脉动(输出端交变电流的基波上的交流分量)表明电机中有效的高次谐波分量，其中，主交变电流的较低的高次谐波在这里不再出现(权利要求13)。
为驱动第一和第二支路，至少使用一个电流调节器(权利要求22，25)。形成一驱动装置。但也可以没有电流调节器地这样工作，使得较慢的逆变器(具有较低的频率)的所形成的电流脉动通过第二支路(具有较高频率的逆变器)的被匹配的脉冲图样来补偿，至少很大程度地补偿(权利要求14)。
在对于构成一个分路(权利要求1)的两个支路所设置的至少一个、优选两个电流调节器(权利要求25)中，驱动被如此设置，使得低频率电流脉动的补偿由调节器侧预先给定。主负载电流仍具有的调节偏差，与作为其电流额定值的指令参量相比较，被作为额定值连接至较快开关的支路的调节器上(权利要求22)。该电流调节器仅获得第一电流调节器的调节偏差，所述第一调节器调节偏差由于第一支路的开关频率的固有的限制不能补偿该调节偏差。
两个电流调节器(权利要求23，25)是独立的，每一个电流调节器调节其执行环节，作为第一支路(权利要求1的特征(a))和作为第二支路(权利要求1的特征(b))。每一个调节器有一个自己的、在信号上不同的额定值。
在一个用于三分路的调节器中，其可以确定地被组合。在场定位时，可以设置一个电流调节器，该电流调节器在矢量空间变换后驱动各个相电流，最少驱动主负载电流。
在控制两个支路的电流时，不测量分路的输出端电流，即不测量两个支路的总电流，而是测量在这些支路的各个电流汇合之前的电流(权利要求26，权利要求27)。
一个同向缠绕的、具有两个以相同的缠绕方向置于一个芯上的绕组段的扼流线圈具有一个用于以较低频率产生的负载电流的输入端和一个用于以较高频率产生的补充负载电流的输入端(权利要求18)。两绕组的另外的一端部的导电连接形成用于叠加的电流的输出端，该叠加的电流作为总电流从所述分路输出。
如此连接的、优选中间抽头、带有抽头的扼流线圈负责，每个分路的两个支路在内部尺寸上基本上不相互大大影响(权利要求19)。
扼流线圈的结构尺寸是不重要的。它按照其目的设计并且能够让分路的主输出电流通过，并且这里几乎不产生或者产生非常少的损耗。因为从两个不同的支路流入两个绕组的电流在大小上非常不同，因此这些绕组在截面上可以匹配，但不是必须的。
可以进行绕组的对于主电流适配的截面选择，该绕组然后被中间抽头，以便形成该分路的输出端子(权利要求7，权利要求18，权利要求19)以及在控制装置中(权利要求26)。
电路驱动装置的调节器可以模拟地、数字地或者编程技术地实现。
附图说明
实施例解释并且补充了所要求保护的发明。在具有至少一个绕组(用于磁作用)的电力驱动设备中的应用以电动机的例子实现。
图1示出了一个分路S1，其示明了具有所属的开关元件的第一逆变器WR1的第一支路Z1和第二逆变器WR2的第一支路z1。同样示出了具有三个绕组的需馈电的电机(例如：作为电动机)，其中，两所示支路Z1，z1构成第一分路S1，并向电机M的第一绕组L1馈电。其他两个分路S2和S3也被相应地构造，并向例如电动机M的其他两个绕组L2，L3馈电，但未被示出。这里，同样也分别设置有第一支路和第二支路。
图2示出控制技术的电路装置，该电路装置调节图1中两支路Z1，z1中的电流。示出了一分路或两个不同逆变器WR1，WR2的一个相应的支路和一个输出扼流线圈21以及输出端子W1上的输出电流，该输出电流输至电动机M。当在场坐标系中进行调节时，图2也可以三倍地说明。
图3示意性地说明了两个单独支路Z1，z1的两个电流的部分，以便所述电流在扼流线圈DR/21中叠加为一个总电流。
图4说明了叠加后的总电流i1(t)，该总电流由图3的两分电流、主交变电流和补充交变电流得到。
图5示出具有两个逆变器的原理框图，一个逆变器WR1用于低开关频率时的高电流，而另一个逆变器WR2用于较高开关频率时的低电流，其中，三个分别为三相的逆变器的输出电流分别经一个扼流线圈21a，21b，21c同相叠加并且提供给三个输出端子W1，W2和W3，以便能够提供给具有相应数量绕组L1，L2，L3(或者所述绕组的各输入端子)的电动机，或者替换地也可以提供给变压器。
图6a，
图6b分别在时间上一致地以20毫秒示出图3中电流iA和图4中已叠加的电流i1(t)的一个完整周期。
图7a，
图7b分别为上面图6a，6b中两电流的放大图。
具体实施方式
图5和图1的概观给出了脉冲逆变器的组织结构和驱动方法的概况。以符号表示的电机M，在该实施例中为作为高动态伺服电动机的电动机，被以该驱动方法馈电。
该电机理解为电动机或者发电机，并在图1所示例子中具有三个绕组，所述绕组或者表述为绕组L1，L2和L3或者通过它们的连接端子(输入端子)来表示。每个绕组具有符号表示的一个电感和一个电阻。电动机M例如为星型连接。
一电流i1(t)输送至一相应的绕组。所示电路装置包括两个逆变器，一个逆变器用于较高电流值并且具有主功率传输，如图5中以逆变器WR1示出，另一个逆变器WR2用于低的电流值，但在较高的开关频率下。该电路装置应被这样说明：首先根据图5给出概况，以便随后仅对图1中连接在一起的各两个逆变器的一个支路进行解释。
支路Z1属于逆变器WR1，而支路z1属于逆变器WR2。它们的输出端子XA和XB通过一扼流线圈21，也称为DR，接在一起，而流过的电流被叠加，其中该扼流线圈具有一个中间抽头20。该绕组同向地缠绕在同一芯上，使得产生负反馈，并且第一支路Z1的电流不流入第二支路z1，反之亦然。叠加后的电流i1(t)从中间抽头20流出至输出端子W1，并在第一绕组L1处供给电动机。
这以相应的方式同样适用于电路装置S2，S3和它们图5中两个逆变器WR1和WR2的支路，它们在这里不单独示出，而是由本领域技术人员相应地同时读。
所述两个逆变器WR1和WR2可以或者通过一个中间电路ZKR被馈电或者连接至交流电网，优选的是具有电压Ug的共同的中间电路的方案。
图5的三个分路的三个扼流线圈21a，21b和21c相应于图1的扼流线圈21，所以以下在解释分路S1时，仅提及所述扼流线圈DR或者21。
由两个逆变器WR1和WR2组成并由端子侧W1，W2，W3“展示”给用户的逆变器(例如变频器或者其他以更高频率开关的变流器)向电动机M馈电。一个逆变器WR1以低的开关频率工作，例如2kHz左右，并负责对所连接的电动机M主功率传输。另一个逆变器WR2以高的开关频率工作，例如16kHz左右，并且负责补偿由第一逆变器保留的2kHz电流脉动，以及使得在电动机中仅出现具有较高频率、例如16kHz、电流脉动。
第二逆变器WR2具有另外一个任务。该任务在高动态电流调节中，第一逆变器WR1因为其低于5kHz、也例如低于2kHz的低开关频率不能进行该高动态的电流调节。高于5kHz，例如高于10kHz，直至高于15kHz的发生器频率的电流脉动的速度达到动态电流调节。
所述两个不同的、以不同的频率范围开关的逆变器中各一个的两个支路Z1和z1通过所述扼流线圈21(或者DR)彼此连接。其中，扼流线圈21的中间抽头20形成总逆变器的一分路S1的输出端子W1(“端子”)，该总逆变器由两个逆变器根据图5构成。根据图1的两个支路通过所述扼流线圈与电动机的绕组L1连接。在这种情况下，对于用以功率传输的高开关转换，在至2kHz时，仅出现很低的开关损耗。相反，在5kHz以上的高开关频率时，产生开关损耗，但该损耗通过支路z1或逆变器WR2的小的必需的补充电流不会变大，图3(下方)的子电流或图4的总电流示出了这一点。
图5中所述两个逆变器的高动态调节配置的电流调节根据图2进行，其中，为了简化解释，这里示出一分路和它的电流调节。用于连接的元件形成具有两个绕组D1，D2和它的输出端W1的扼流线圈21。对分路S1的解释可适用于其他的分路S2，S3(或其他)。
电动机电流的高动态调节通过电流isoll(t)的额定值的预设定实现，该额定值被预先给定给图2中的第一电流调节器V1。它控制第一逆变器WR1，其第一支路的至少一个，其中一支路在图1中以Z1示出。该支路因为开关频率fA也被称作A支路，该开关频率低于5kHz并且在特别的应用中可低于最高3kHz，特别地在最高2kHz的范围内。由于所述的频率限制，第一电流调节器不能够跟踪所述电流额定值，以使得实际值被高动态地跟踪。因此，测量实际值作为电流iA(t)的电流测量产生明显的调节误差，该误差在图3的上部图中由阴影示出。该调节差通过实际测得的具有低开关频率的电流iA(t)和很准确的预先给定的额定值isoll(t)之间的求差50求得并形成一第二额定值Δisoll(t)，该第二额定值被预设定给第二逆变器的第二电流调节器V2，该第二逆变器提供补充交变电流iB(t)并且同样向扼流线圈21馈电。
这些电流在扼流线圈21中的连接或叠加导致：调节器V1控制和承接主负载，但不准确地调节，第二调节器V2贡献补充负载并在此保证总电流i1(t)的精确性。
两个电流调节器可以以通常的方式构造，这里以符号V1，V2示出，而且通常地具有积分部分，以使得调节差在稳定状态时归零。每个电流调节器或者每个逆变器本身负反馈式连接。每一个“独立”地调节。对每一条支路(第一和第二)或者对每一个逆变器WR1，WR2都存在电流iA和iB的相应的调节环路，它们仅仅没有在图2中图示出。它相应于驱动技术中常用的电流调节器，不必再向本领域技术人员单独地解释。
已经提到过，但应再次强调的是，两个逆变器支路Z1和z1的两个频率fA，fB不相同，特别地明显彼此不同，而且在一个简单的限定中位于5kHz的界限以上或者以下。
明显不同的优选实施例为：对于高频开关的逆变器WR2高于10kHz，而对于低频开关的逆变器最高4kHz或者3kHz；但间距可以进一步增大，使得以高频开关的逆变器位于10kHz以上，特别地15kHz以上，与之相反，以低频开关的逆变器最大能够工作于2kHz的范围内并被相应地构造。
图3的结果示出一个正弦型上升的额定电流isoll(t)的一部分，和具有以阴影线画出的相应调节差的以低频开关的主负载电流iA(t)。通过图2的调节和那里所示的额定值控制而另外再产生的第二子电流负责强调节偏差的补偿并达到总电流i1(t)，如在扼流线圈DR/21或21a的中间抽头20处用于电动机M的所述一个绕组可被输出的电流。根据图4，该“总电流”(叠加后的电流)为所述第一分路S1的真实输出电流，所述第一分路S1包括两支路Z1，z1和根据图2的所属的调节。它可由在端子W1处的负载“看到”该总电流。逆变器WR1/WR2的连接对外起作用如一个在高开关频率上且功率强的逆变器那样，该逆变器需要低冷却耗费，仍能够在电流调节方面高动态地工作。
所描述的连接能够如此工作，使得两个可购得的逆变器被共同使用并且在其额定值控制以及它们的输出端子上相应地通过扼流线圈21a，21b，21c错接或补充。
不必设计和制造新的逆变器，而是现有的逆变器可以被使用，根据这里所记载的实施例被相应地适配和改变。
在此不需要对逆变器支路进行深入的更详细描述，对此参见通用的、本领域技术人员已公知的现有技术。应简要提及的是，图1中第一逆变器WR1的支路具有一个上部的开关晶体管TA1，一个下部的开关晶体管TA2和各自的续流二极管。上部的发射极和下部的集电极的连接为第一支路Z1的输出XA，XA输出用低于5kHz的开关频率fA调制后的电流。但所述电流iA(t)的基频大大低于所述开关频率，该电流等于电机M的工作电流，该工作电流在量级上可至50kHz或者在动态调节过程中可至400Hz，但无论如何明显远离上频率极限fA，使得该频率fA无论如何能够至少近似跟踪电动机工作频率的工作电流，如图3例子中(上图)所示。
不同的另一个逆变器的第二支路z1被相应地连接仅仅是具有另外类型的功率半导体TB1，TB2，所述功率半导体能够在开关频率fB时输出一补充交变电流iB(t)，该补充交变电流的脉动在量级上相应于该逆变器的支路的工作频率。
这里，仍要区别的是，电机M或者一变压器的额定频率f0和该电机M或者该变压器的实际频率f1，所相应输送的总电流iA(t)具有该实际频率作为基波。所述实际频率是与负载和运行情况相关的，而电机的额定频率被给定。实际频率f1可以高于或者低于电机的额定频率，但其不在第一逆变器(它以较低频率开关)的最高开关频率fA的范围中，也完全不在第二逆变器(它以较高频率开关)的开关频率fB的范围中。因此，在此为了解释而使用的，有时也被说成是较高或者较低以及较大或者较小的这些频率范围被限定并且对本领域技术人员来说是清楚且易于理解的，在这些频率范围中也使用“高得多”的频率的技术概念。
如果起因于逆变器的描述，它能够工作且被构造得以一不高于上极限频率的开关频率工作，关于逆变器WR1或者其所在的支路例如5kHz或者4kHz或者在2kHz左右的范围内，则应由本领域技术人员表述为，选择用于这种开关频率的功率半导体，并建立和构造所述驱动使得其也不超过所述开关频率。本领域技术人员可以从这些功能性的说明获悉这种逆变器的详细的构造方式和详细的结构。当然，对于这样一种逆变器也可以使用能够开关更高频率的功率半导体，只是可能它们会相应地更贵或者需要更强地冷却。本领域技术人员看来，选择这种价格合理的、装有半导体的逆变器，这些半导体能够正好开关极限频率，并且与其适配地在图2中以符号示出一驱动装置，它以两个调节器和WR1，WR2的内部的脉冲图样工作。
归入图1的支路Z1的A支路被构造用于所述低开关频率，但所述低开关频率仍然明显大于所连接的电机M的额定频率，也明显大于例如在高动态控制任务中、或者在机床或其它要求高动态电流调节和快速调节过程的应用中所馈给的交变电流的对该电机的运行有时需要的实际频率，。这类应用例如为横切割机(同步到轨道速度)或者印刷机(在与印刷标记同步运行时)。
图5中所示的、两个逆变器WR1，WR2通过或者一个多相的交流系统(例如三相电网)或者一个共同的中间电路的馈电的替换方案，在图1中对于具有中间电路电压Ug的中间电路的例子示出，并且由对于两个逆变器WR1，WR2可以是共同的该中间电路向逆变器的所有支路馈电。
在图1中示出第一逆变器WR1的第一支路和第二逆变器WR2的相应于要产生的交流系统的该相的支路。在例子中它被供至电动机线圈L1。L2，L3被相应地馈电。
“相”的概念在这里应该这样理解：一支路，它在逆变器的负载部分中形成一个个别的单元，并且与第二逆变器的另一支路共同形成一个分路S1，在从输出端子W1看，该分路如一个新的逆变器向外起作用。该分路则向电机M的转子或者定子的第一绕组馈电。按意义，一个相是在W1输出的具有实际频率f1的交流电压或者交流电流，该相在三个相应构造的相时组合为一个三相系统。为了避免由所述“相”产生混乱，图1的两个支路被称作分路，这两个支路并联运行地工作并且属于不同的变频器。它们被称作第一分路S1，对该分路S1所属地也还分配了根据图2的控制装置或者驱动装置，以便进行对这两个由两个支路Z1，z1输出的交变电流的电流调节并将它们在中间连接的扼流线圈DR中叠加。
从图3的两个分电流iA和iB的函数可以得知：高频电流部分(它为补充电流)能够补偿第一子电流的相应电流脉动，该第一分电流相应于主交变电流。该补偿不必是完全的，而是能够基本上导致，形成交变电流实际值的尽可能地接近额定值isoll(t)的更均匀的曲线，因此产生根据图4的总电流，它也被称作叠加的电流。
仅能从电动机可以看到的电流脉动和所属的强衰减的噪声被用很少的损耗实现，就像是选择了电动机的功率类型的一个主变流器，它能够开关高开关频率，即两个功率极限必须满足电动机的额定电流和对于低噪声与高动态所要求的高开关频率。
该比较显示，两个较小的变流器的重量和价格总地来看比一个具有电流和开关频率两个极限值的大的变流器的重量和价格更有利。此外，两个不同的逆变器的组合可以通过仅一个控制电子电路单元、一个电网馈电和一个共同的壳体来实现节约。另外，可考虑，通过逆变器WR1(具有低开关频率的那个逆变器)的功率件的有针对性的设计可以实现最优化。这里可以针对性地使用成本上有利的功率半导体，以便获得显著的成本和重量优势，但不出现更差的噪声特性和调节动态性的损失。
图6a示出了在图3中仅在一短的部分中象征性地示出的电流特性曲线的一个整周期。这示出电流iA(t)，它以所述第一逆变器WR1或所述第一支路Z1的低频率转换。在约2kHz的最大开关频率时，可以识别至25A的相对较大的电流脉动，这相应于事先描述的实施例之一。该电流特性曲线的具体值为，额定功率为55kW的电机以100A的额定电流工作。该基波的频率处于35Hz的数量级。该功率强的逆变器WR1的最高开关频率很容易被识别。如果叠加开关频率为16kHz的高频交变电流iB(t)，则生成图6b的特性曲线，作为一个分路的总输出电流(用于电机M的一个端子)。不再能够识别低频率的电流脉动，所述电流脉动通过具有第二逆变器WR2或者第二支路z1的高频开关频率的、图2的调节装置被补偿，第二逆变器WR2或者第二支路z1的电流通过扼流线圈21与图6a的主总电流叠加。
图7a示出了具有放大显示的时间坐标的图6a的放大图。在图7a中示出了图6a的带有时间点2.5毫秒和5毫秒之间的5个周期的说明的局部放大。由此计算得到逆变器WR1的第一支路Z1的约2kHz的频率。如果加上第二、以更高频率开关的逆变器WR2和它的支路z1的电流，并使它们共同到达绕组L1，则得到根据图6b的平整的电流，即在图7b中复合放大示出。该电流仅还有很小的脉动，如特别是时间点10毫秒处与图7a相比较所看到的那样。在所有图6a至7b中，垂直坐标轴被相同地以数字标注，其中，图6a，7a表示电流iA而图6b，7b表示电流i1(t)。
在两支路z1和Z1的输出端上的功率通量取决于逆变器WR1(A支路)的设置。如果WR1设置为其提供总是低于电流的额定值的电流，则在WR2中流过与WR1的电流相比总是提升总电流的电流，以使得达到所述额定值。在此，WR1不回馈电流。
当WR1的电流围绕额定值波动并因此有时大于额定值时，如图7a中带有电流脉动地所示的情况则不同。在这种情况下，电流和功率有时被回馈到WR2中。功率的平均值约为零，因为有时输出功率并且有时吸收功率。
如果WR1的设置使得它总是提供带有电流脉动的过大电流，则WR2与此相反地总是工作并吸收功率。
因为所述两个逆变器优选地根据图1在一个共同的直流电压中间电路Ug上被驱动，则一个支路或者一个逆变器的可能被吸收的功率通过该中间电路又提供给另一支路或者另一个逆变器，并由此输送至负载。所述被吸收的功率没有损失掉，而仅仅是被传导至该电路中(通过该中间电路补偿)。
在另一实施例中不需要设置动态的转速调节或者动态的转矩调节。那么与第一逆变器WR1同步地驱动第二逆变器WR2。适配的脉冲图样可以负责消除电动机中具有较低脉冲频率的电流脉动。
但优选的是通过电流控制的电流的高动态调节，该电流控制如图2所述的那样构造。在此，脉冲图样在第二逆变器中由自身产生。根据图3(上面的函数)的电流脉动的补充通过电路和信号导送实现。
在电流调节器中，来自第一逆变器WR1的馈电的误差作为预给定额定值给第二逆变器，并由该第二逆变器通过执行机构中的高频驱动来补偿，其中，作为第二电流分量的更动态的电流iB(t)在最有利的情况下完全被补偿，至少基本上被补偿。

Claims (38)

1、用于向一磁作用的并且能够电运行的设备、特别是一具有至少一个转子或定子绕组(L1，L2，L3)的电运行的电机(M)馈电的电路装置，该电路装置在至少一个第一分路(S1)中具有
(a)一变频器(WR1)的第一支路(Z1)，被构造并且能够用于/以不高于5kHz的开关频率工作，用于向磁作用的设备(M)的一绕组(L1)输出一以该开关频率产生的、具有低得多的工作频率(f1)的主交变电流；
(b)另一变频器(WR2)的第二支路(z1)，被构造并且能够用于/以高于5kHz的第二开关频率工作，用于向同一绕组(L1)输出一以该开关频率产生的补充交变电流；
以便在用于所述电路装置的至少第一分路(S1)的两个不同的变流器的第一和第二支路(Z1，z1)的并联运行中，在该设备的所述至少一个绕组(L1)中叠加所述两个支路(Z1，z1)的两交变电流(iA(t)；iB(t))为总电流。
2、根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，根据权利要求1构造所述电路装置的至少一个另外的分路(S2)，用于向所述电设备、特别是电机(M)的一个第二绕组(L2)馈电。
3、根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，设置了由不同的变流器的两支路构成的、所述电路装置的一个第三分路(S3)，以便以一叠加的第三交变电流向该电设备、特别是电机的第三绕组(L3)馈电。
4、根据权利要求2或者3所述的电路装置，其特征在于，所述两个或者三个第一支路配置给一个第一变频器(WR1)，该变频器在其结构上构造为仅能够在5kHz以下工作，并且在它的驱动方面被构造为仅能够在同样的频率界限下工作。
5、根据权利要求2或者3所述的电路装置，其特征在于，所述两个或者三个第二支路配置给一个第二变频器(WR2)，该变频器在其结构上构造为能够在5kHz以上工作，并且在它的驱动方面构造为能够在同样的频率界限以上工作。
6、根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述第一和第二支路各自具有至少两个串联连接的开关功率半导体(TA1，TA2；TB1，TB2)，所述功率半导体可由一中间电路(Ug)馈电，以便在它们的连接处(XA，XB)输出可通过开关产生的交变电流(iA(t)，iB(t))。
7、根据权利要求1或者6所述的电路装置，其特征在于，在一分路(S1)中每个支路(Z1，z1)通过一个配置给所述分路的扼流线圈(DR)的一个各自所属的输出绕组(D1，D2)工作到所述设备的相应绕组(L1)上、特别是电机的转子或者定子绕组(L1，L2，L3)上。
8、根据权利要求1，2或3所述的电路装置，其特征在于，所述两个支路的开关频率(fA，fB)为多于2倍的关系，特别地，所述两个支路(Z1，z1)的开关频率的比例设置为7和9之间。
9、根据以上权利要求所述的电路装置，其特征在于，由该电路装置驱动的该电机(M)具有大于10kW的功率；或者该电路装置被构造并且能够工作来驱动具有高于10kW的额定功率的一个这样的电机(M)。
10、根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述一个变频器(WR1)的第一支路(Z1)不能够工作于高于4kHz，特别地，仅能够工作于基本上3kHz以下或者在2kHz左右的范围内工作。
11、根据权利要求10或者1所述的电路装置，其特征在于，另一变频器(WR2)的第二支路(z1)能够在10kHz以上工作，特别地，能够在15kHz以上工作或者在16kHz左右的范围内工作。
12、根据权利要求1或2或3所述的电路装置，其特征在于，所述能以较高频率工作的变频器的支路(z1)，即所述“第二支路”，被适配，用于将所述另一变频器(WR1)的能以较低频率工作的“第一支路”(Z1)的电流中出现的脉动至少基本上补充为一更均匀变化的交变电流实际值，作为各自分路(S1)的输出总电流。
13、根据以上权利要求所述的电路装置，其特征在于，由主交变电流(iA)和补充交变电流(iB)组成的总电流具有一在以较高开关频率(fB)工作的支路的或者变频器(z1，WR2)的频率范围中的有效电流脉动，所述总电流由所述电路装置的至少一个分路(S1)输出。
14、根据权利要求1或12或13所述的电路装置，其特征在于，用于驱动所述另一变频器的第二支路(z1)的脉冲图样被如此调整，使得由一变频器(WR1)的第一支路(Z1)所输出的主交变电流的一产生的电流脉动至少在很大程度上被补偿或者能够被补偿。
15、根据权利要求8所述的电路装置，其特征在于，这些开关频率具有2n的比，其中“n”为大于1的整数。
16、根据权利要求1或2或3所述的电路装置，其特征在于，两支路的开关频率基本上为2倍的关系。
17、根据权利要求9所述的电路装置，其特征在于，所述功率高于30kW。
18、根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，扼流线圈(DR；21)具有两个电导通连接的、同向磁耦合的绕组(D1，D2)，以便将以不同频率(fA，fB)产生的电流、即主交变电流和补充交变电流(iA，iB)进行叠加，使得总电流(i1(t))作为叠加的电流能够在所述磁耦合的绕组的连接处(20)输出。
19、根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，一扼流线圈(DR)的主交变电流和补充交变电流能够以抽头(20)馈电，以便在所述抽头(20)处输出用于所述设备的、特别是电机(M)的至少一个绕组(L1，L2，L3)的总电流。
20、用于运行电路装置的方法，用于向具有至少一个绕组(L1)的电运行设备馈电，例如向具有至少一个转子绕组或者定子绕组(L1，L2，L3)的电机(M)馈电，该电路装置在至少一个第一分路(S1)中具有：
(a)一变频器(WR1)的第一支路(Z1)，被构造并且能够用于/以不高于5kHz的开关频率工作，其中，向至少一个绕组(L1)输出一以所述开关频率产生的主交变电流；
(b)一个另外的变频器(WR2)的第二支路(z1)，被构造并且能够以/用于高于5kHz的开关频率工作，其中，在同一绕组(L1)上输出一以所述开关频率产生的补充交变电流；
其中，在所述电运行设备的至少一个绕组(L1)中，在所述两个不同的变频器的第一和第二支路(Z1，z1)的并联运行中的两个支路(Z1，z1)的两交变电流(iA(t)；iB(t))进行叠加，用于该电路装置的至少第一分路(S1)。
21、根据权利要求20所述的方法，具有相应地不引用权利要求1的权利要求2-19中的一项或多项，相反，它们替代地引用权利要求20。
21a、根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一支路(Z1)的下极限频率在所述主交变电流(iA(t))的一个周期上的平均值比所述主交变电流的额定频率大十倍。
21b、根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二支路(z1)的下极限开关频率在所述主交变电流(iA(t))的一个周期上的平均值高于10kHz。
22、用于根据以上权利要求1至19中至少一项所述的电路装置的驱动装置，用于调节或者控制一总电流(i1)
-其中，对于至少一个第一分路(S1)设置至少一个用于具有较高开关频率的电流的电流调节器(V1，V2)，
-其中，可向或者向所述至少一个用于具有较高开关频率的电流的电流调节器(V2)输送在用于第一分路(S1)的电流额定值(isoll)和所述第一支路(Z1)的输出端上及一扼流线圈(DR，21)之前测得的电流(iA)之间的差值作为额定值。
23、根据权利要求22所述的驱动装置，其特征在于，设置了一个另外的、用于具有较低开关频率的电流的调节器(V1)，并且
-可向所述另外的、用于具有较低开关频率(fA)的电流的调节器(V1)输送用于所述第一分路(S1)的电流额定值(isoll)作为额定值；
并且所述两个电流调节器(V1，V2)的每一个独立地根据其各自的预给定额定值控制或者调节在该电流调节器所对应的支路(Z1，z1)上的输出电流(iA，iB)。
24、根据权利要求22或者23所述的驱动装置，其特征在于，所述两电流(iA，iB)通过一扼流线圈(DR；21；21a，21b，21c)以一抽头(20)被作为总电流(i1)输送至所述分路(S1)的输出端(W1)，这两个电流由所述一个或者所述两个电流调节器(V1，V2)控制或者调节。
25、用于根据在前的权利要求1至19中至少一项所述的电路装置的驱动装置，用于调节或者控制一总电流(i1)，其中，对于至少一个第一分路(S1)设置了两个电流调节器(V1，V2)，其中
-可向所述用于能以较高开关频率产生的电流的第二电流调节器(V2)输送在所述第一分路(S1)的电流额定值(isoll)和所述第一支路(Z1)的输出端上及扼流线圈(DR，21)之前测得的电流(iA)之间的差值作为额定值；
-可向所述用于能够以较低开关频率(fA)产生的电流的第一调节器(V1)输送所述第一分路(S1)的电流额定值(isoll)作为额定值；
其中，所述两个电流调节器(V1，V2)的每一个独立地根据其各自的预给定额定值控制或者调节该电路调节器所对应的支路(Z1，z1)的输出电流(iA，iB)。
26、根据权利要求25所述的装置，其特征在于，所述两电流(iA，iB)通过所述扼流线圈(DR；21；21a，21b，21c)以一抽头(20)作为总电流(i1)输送至所述第一分路(S1)的输出端(W1)，所述两电流(iA，iB)由所述两个电流调节器(V1，V2)控制或者调节。
27、根据权利要求26所述的装置，其特征在于，在所述扼流线圈(DR)之后不进行影响所述两电流调节器的电流检测，但所述第一分路(S1)的两个支路(Z1，z1)的总电流被馈给或者能够馈给至多个设备绕组之一(L1)。
28、根据权利要求7的装置，其特征在于，所述扼流线圈(DR)具有一个带抽头(20)的连续的同向绕组。
29、根据权利要求25或者1所述的装置，其特征在于，所述第一支路(Z1)的一下开关频率，特别是在所述总电流(i1)的一个周期上的平均值，高于基本上500Hz，或者不低于总电流(i1)的额定频率的十倍。
30、电路装置，用于向一磁作用的并且可电运行的设备馈电并且具有一驱动装置，该电路装置在至少一个第一分路(S1)中具有
(a)一变频器(WR1)的第一支路(Z1)，被构造并能够用于/以不高于5kHz的开关频率工作，用于向该磁作用的设备(M)的一绕组(L1)输出一以该开关频率产生的、具有明显低的工作频率(f1)的主交变电流；
(b)一个另外的变频器(WR2)的第二支路(z1)，被构造并能够以/用于高于5kHz的第二开关频率工作，用于向同一绕组(L1)输出一以该开关频率产生的补充交变电流；
以便在用于所述电路装置的至少第一分路(S1)的两个不同的变流器的第一和第二支路(Z1，z1)的并联运行中在所述设备的所述至少一个绕组(L1)中叠加所述两个支路(Z1，z1)的两交变电流(iA(t)；iB(t))作为总电流，并且，其中，该驱动装置
(c)用于调节或者控制总电流(i1)，对于至少第一分路(S1)具有至少一个用于具有较高开关频率的电流的电流调节器(V1，V2)，并且可向所述用于具有较高开关频率的电流的电流调节器(V2)输送在用于第一分路(S1)的电流额定值(isoll)和所述第一支路(Z1)的输出端上测得的电流(iA)之间的差值。
31、根据权利要求30的电路装置，其特征在于，根据权利要求1构造该电路装置的至少一个另外的分路(S2)，用于向电设备、特别是电机(M)的一个第二绕组(L2)馈电。
32、根据权利要求30所述的电路装置，被构造并且适合于驱动具有至少一个转子或者定子绕组(L1，L2，L3)的电运行电机(M)。
33、根据权利要求30所述的电路装置，其特征在于，设置了用于具有较低开关频率的电流的一个另外的调节器(V1)，并且
-可以向用于所述能够以较低开关频率(fA)产生的电流的所述另外的调节器(V1)输送所述分路(S1)的电流额定值(isoll)作为额定值，这样设置了至少两个电流调节器(V1，V2)；
并且所述两个电流调节器(V1，V2)的每一个独立地根据其各自的预给定额定值控制或者调节在所述电流调节器所对应的支路(Z1，z1)上的输出电流(iA，iB)。
34、根据权利要求30或者33所述的电路装置，其特征在于，所述两电流(iA，iB)(由所述两个电流调节器(V1，V2)控制或者调节)通过一扼流线圈(DR；21；21a，21b，21c)借助抽头(20)被输送至所述绕组(S1)的输出端(W1)作为总电流(i1)。
35、用于运行电路装置的方法，用于向具有至少一个绕组(L1)的电运行设备馈电，该电路装置具有一个驱动装置并且在至少一个第一分路(S1)中具有：
(a)一变频器(WR1)的第一支路(Z1)，被构造并能够用于/以不高于5kHz的开关频率工作，其中，向所述至少一个绕组(L1)输出一以所述开关频率产生的主交变电流；
(b)一另外的变频器(WR2)的第二支路(z1)，被构造并能够以/用于高于5kHz的开关频率工作，其中，向同一绕组(L1)输出一以该开关频率产生的补充交变电流iB(t)；
(c)其中，为了调节或者控制一总电流(i1)，对于至少第一分路(S1)设置了至少一个用于以较高开关频率产生的电流的电流调节器(V1，V2)，并且向所述用于以较高开关频率产生的电流的电流调节器(V2)输送在所述第一分路(S1)的电流额定值(isoll)和所述第一支路(Z1)的输出端上测得的电流(iA)之间的差值作为额定值。
其中，在所述两个不同的变频器的第一和第二支路(Z1，z1)的并联运行中，在所述电运行设备的至少一个绕组(L1)中，所述两个支路(Z1，z1)的两交变电流(iA(t)；iB(t))进行叠加，用于所述电路装置的至少第一分路(S1)。
36、根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述第一支路(Z1)的上开关频率至少比所述工作频率或者所述产生的主交变电流(iA(t))的额定频率大十倍。
37、根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述绕组为电机的转子或者定子绕组。
38、根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述各自逆变器或者它的支路的工作能力限定了其结构特性。
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