CN101814846A - 利用升压电路操作变频器电路的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用升压电路(2、500)操作变频器电路的方法，该升压电路具有N个半桥(8，510a-c)，它们各自利用其中间接线(9，512a-c)可连接在N相发电机(4，502)的一个相位(P1-5)上并且端侧并联连接在两个电容(19，524a，b)的串联电路上，其中，每个半桥(8，510a-c)包括上开关(12a，516a-c)和下开关(12b，518a-c)，其中在具有固定的周期持续时间(T)的PWM方法中：在周期持续时间(T)开始时，将所有上开关(12a，516a-c)同时接通上接通间隔(Tein，a)的持续时间，在一半的周期持续时间(T/2)后，将所有下开关(12b，518a-c)同时接通下接通间隔(Tein，b)的持续时间，其中，上接通间隔(Tein，a)和下接通间隔(Tein，b)最大为半个周期持续时间(T/2)。

Description

利用升压电路操作变频器电路的方法
技术领域
本发明涉及一种利用升压电路操作变频器电路的方法。
背景技术
三相交流发电机用于产生一般情况下供给电网的电能。在确定的发电机中，例如取决于瞬间风力比的风力发电设备中，其输出转速、功率或者电压波动既不能预见也不可控制。因为由发电机提供的电压因此可能低于所要供给的电网的电压，所以在发电机与电网之间连接升压变流器(Boost)电路。特别是为具有中间接线的发电机使用所谓的变频器电路，其与中间电位相关，在具有两个串联电容器或电容的直流中间电路内产生正和负电压，其中，各自电容器的电压可以彼此独立调整或调节。电网或者发电机内的不对称这样可以得到补偿。为此每个电容器具有所分配的升压变流器电路。
本发明所基于的电路设置500例如由EP 1 313 206 B1有所公开并在图4中(无虚线连接线路11a、b)示出。发电机502的三个相位P1-P3通过轭流组件504或各自通过电抗器L1-L3连接在逆变器上。峰值电压US的三个相位P1-P3在这种情况下通到逆变器三个半桥510a-c的各一个中间接线512a-c上。从每个中间接线，有一个上开关516a-c通向共同的上接线514并且有一个下开关516a-c通向共同的下接线515。每个开关在这种情况下由IGBT 520与逆并联连接的二极管522组成。
上接线514和下接线515之间连接中间电路508，其包括两个串联连接的电容器524a、b，其中间接线526与发电机502的中间接线M连接。
例如US 6,567,283 B2公开了在二极管整流器与中间电路508之间加入两个具有续流二极管的串联连接的上IGBT和下IGBT，它们通过处于上和下接线514、515内的变流器二极管而与电容器524a、b并联连接。这样在一个单独的升压支线内布线出发电机出于逆变器升压目的的短接。
依据图5由US 6,879,053公开了另一种电路设置。相位P1-P3在这里通过扼流组件504通到二极管整流器550上。整流的电压然后输送到为电容524a、b充电的DC-DC变流器552。DC-DC变流器552包括两个升压变压器554a、b，各自具有一个串联连接的电容器524a、b。
所公开的升压变流器的控制相当简单，因为它们作用于已经整流的电压并无需再与发电机相位同步。但利用三个二极管半桥上的三个开关半桥以及四个开关半桥，所需半导体模块的数量提高。
实践中因此为开关和所属变流器二极管的串联电路各自利用具有续流二极管的全装IGBT半桥，其中，并联连接变流器二极管的IGBT未得到利用。
发明内容
本发明的目的在于，采用升压电路和尽可能少数量的元件为变频器电路提供一种控制方法。
该目的通过权利要求1所述的方法得以实现，其中，采用具有N个半桥的升压电路操作变频器电路。半桥各自可利用其中间接线连接在N相位发电机的一个相位上。半桥端侧并联连接在两个电容的串联电路上。根据使用情况，可以附加将发电机的中间接线连接在两个电容之间的中间接线上。每个半桥包括一个上开关和一个下开关。
依据本发明的方法实施一种具有固定周期持续时间的PWM方法。在周期持续时间开始时，将所有上开关同时接通上接通间隔的持续时间。在一半的周期持续时间后，将所有下开关同时接通下接通间隔的持续时间。上和下接通间隔在这种情况下各自小于等于半个周期持续时间。
依据本发明的PWM方法在这种情况下不针对发电机输出电压的相位。仅在PWM频率需要明显高于最大输出频率，例如数十倍，例如60倍的情况下，PWM方法的时钟周期才与发电机的输出频率耦合。
因为全部上开关和全部下开关总是同时接通以及断开，所以在这里也不采取特殊的同步或者其他预防措施。依据图5所公开的电路因此依据本发明扩展为虚线所示的共用控制线路11a、b，它们各自连接所有上和下开关的输入端。
变频器电路的布局保持简单和低成本，因为仅需要N个标准功率半导体模块作为半导体元件。相应的半桥一般情况下仅装备所需的元件，从而这些元件完全得到利用。图5中扼流组件内的线圈的功能在这种情况下由发电机的绕组承担。
上和下接通间隔一般情况下长度相同。充电到各个上和下电容器的电压因而同样大小，电容器中间接线的电压对称处于端电压之间。
在本发明一种优选的实施方式中，选择上和下开关的接通间隔长度不同。这一点也特别简单地实现，因为在这里单相的上或者下开关之间绝对不需要其他的同步。由此实现两个电容器被充电到不同的电压值，换句话说，也就是直流中间电路内的电容器上的中间电压可以移动。
在该方法另一种优选的实施方式中，发电机具有恒定的工作频率或者在波动的情况下具有最大的工作频率fB。于是周期持续时间被选择为在工作频率周期持续时间的1/10或者更小(例如约1/60，也就是1/60fB)范围内的一小部分。换句话说，开关以大于发电机最大工作频率10倍，例如60倍的频率工作。由此在电容器上所产生的直流达到特别小的最小残余纹波，因为通过上和下接通间隔与半个周期持续时间的叠加，产生的频率再次翻番。
所公开的变频器电路也可以级联，方法是K个这种电路并联连接在中间电路的接线上，也就是电容器串联电路的终端接线上。于是，各变频器电路的各个上和下开关在一种优选的实施方式中以1/2K倍周期持续时间的时移接通。
换句话说，例如在四个变频器电路的并联电路中，在PWM方法的第一个半周期持续时间中，以八分之一周期持续时间的相同时间间隔将四个电路的所有四个上开关依次接通接通间隔的持续时间。然后在第二个半周期持续时间中，同样以八分之一周期持续时间的时间偏移依次接通四个升压电路的全部四个下开关。所产生的直流电压的最小残余纹波的频率这样再次以系数K上升。
在另一种具有优点的实施方式中，每个电容被充电到发电机峰值电压一半以上的电压值。由此电路可以用于相对于发电机的电压提高。
利用依据本发明的方法非常简单地控制变频器电路。在多于三相，例如五相的发电机系统中，产生多相系统公知的基本优点，例如像输出电压更小的最小残余纹波。但由于变频器电路以往控制方法的复杂性，多相系统迄今为止只能以高昂的开支加以利用。通过依据本发明的方法，变流器对于多相系统的应用可以简单利用并切实可行。系统的相位数量因此可以任意选择，而不增加变频器电路的控制开支。
附图说明
对本发明的进一步说明参阅附图的实施例。其中各自以示意草图示出：
图1示出对称控制图5所公开的变频器电路时PWM控制信号的时间分布；
图2示出非对称控制时PWM控制信号和所产生的电压的时间分布；
图3示出利用依据本发明的方法工作的五相变频器电路；
图4示出依据现有技术的三相变频器电路；
图5示出依据现有技术的另一种三相变频器电路。
具体实施方式
图1示出PWM信号22a、b，其通过单位为ms的时间t输送到图4中的上和下开关516a-c和518a-c的控制输入端10a、b。产生信号的PWM发电机16(图4中未示出)在这里以明显高于工作频率fB的恒定脉冲频率fT，即fT＝X*fB或周期持续时间T工作。通过上开关516a-c和下开关518a-c依据本发明的并联电路，借助控制线路11a、b对其同时进行控制。依据本发明，PWM信号22a和22b的接通时间点偏移半个周期持续时间T/2。各个上和下开关的接通时间Tein，a和Tein，b被选择为大小相同。如果认为周期持续时间T相当于360°的角度范围，那么上开关的接通时间Tein，a处于0°-40°的范围内且下开关的接通时间Tein，b处于180°-220°的范围内。因此中间电路20或508上的两个电容器的电压U1和U2符号相反而大小相同。
通过依据图1接通时间的相移，输出电压Ua的纹波的频率大于各电压U1和U2相对于中间接线526上的中间电位的频率。
图2示出在另一种对变频器电路500的控制中的PWM信号22a、b，其中，在上述360°观察的情况下，0-60°的上开关接通间隔Tein，a大于180°-220°的下开关接通间隔Tein，b。由于上开关上的PWM脉冲时间更长，所以这些脉冲更长时间通流，由其引起的升压提高，电压U1因此在数值上大于电压U2。中间接线526上的中间电压因此不对称或为输出电压UA的一半。
图3示出变频器电路2，其对应于依据现有技术图4中所公开的变频器电路，但匹配五个相位P1-P5的发电机4。逆变器6因此包括五个半桥8及其中间接线9。
上开关12a的各自控制输入端10a和下开关12b的各自控制输入端10b再通过各自的控制线路11a、b并联连接并各自通到PWM电路16的一个共用控制输出端14a、b上。
发电机4此外没有本来可与中间电路20的中间接线连接的中间接线，电容器19因此仅通过不与发电机连接的中间接线18连接。
五相升压电路2的控制与具有相同作用的三相电路的上述控制相同进行。相位数量的缩放因此很容易利用依据本发明的方法实现。具有高于三相的任意相位数量的多相系统因此可以很容易得到利用。

Claims (5)

1.利用升压电路(2、500)操作变频器电路的方法，该升压电路具有N个半桥(8、510a-c)，这些半桥各自能够利用其中间接线(9、512a-c)连接在N相发电机(4、502)的一个相位(P1-5)上并且端侧并联在两个电容(19、524a、b)的串联电路上，其中，每个半桥(8、510a-c)包括一个上开关(12a、516a-c)和一个下开关(12b、518a-c)，其中在具有固定的周期持续时间(T)的PWM方法中：
-在周期持续时间(T)开始时，将所有上开关(12a、516a-c)同时接通上接通间隔(Tein，a)的持续时间，
-在一半的周期持续时间(T/2)后，将所有下开关(12b、518a-c)同时接通下接通间隔(Tein，b)的持续时间，
-其中，上接通间隔(Tein，a)和下接通间隔(Tein，b)最大为半个周期持续时间(T/2)。
2.按权利要求1所述的方法，其中，选择上接通间隔(Tein，a)和下接通间隔(Tein，b)长度不同。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，发电机(4、502)具有工作频率(fB)，其中选择大致为该工作频率(fB)的倒数的数十倍的值作为周期持续时间(T)。
4.按前述权利要求之一所述的方法，其中，K个变频器电路(2、500)并联连接在其电容(19、524a、b)上，其中，以1/2K倍周期持续时间(T)的时移接通各个变频器电路(2、500)的上开关(12a、516a-c)和下开关(12b、518a-c)。
5.按前述权利要求之一所述的方法，其中，每个电容(19、524a、b)被充电到发电机(4、502)峰值电压(US)的一半以上的电压值。
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