CN104956564A - 变流器和运行变流器的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的方法，为了运行具有至少一个变流器模块(2)的变流器(1)，其中，该变流器模块包括用于连接至电压网络(7)的初级开关回路(3)、用于连接至负载(17)的次级开关回路(4)以及具有中间回路电容(22)的中间连接的电压中间回路(5)，在中间回路电容(22)上下降的中间回路电压(UZ)通过对初级开关回路(3)的控制而被调节到预设的电压额定值(U0，U01-U03)上。在此，电压额定值(U0，U01-U03)取决于在次级开关回路(4)中的功率流的方向而可变地预设。

Description

变流器和运行变流器的方法
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个变流器模块、但是优选多个变流器模块的变流器。此外，本发明涉及用于运行这样的变流器的方法。
背景技术
变流器在电驱动技术中用于为电负载、尤其是电动机供给来自(电压)网络的电功率。在此，用于变流器的示例性的应用领域是对驱动电机或者电动汽车的驱动电机的供给。电压网络在该种情况中是车辆的牵引电池的-输送直流电流-的电池回路。在固定的应用中，变流器的初级侧相反地在多数情况下连接至单相的或者多相的交流电压网络。
变流器通常包括用于连接至网络的初级开关回路和用于连接至负载的次级线圈。初级线圈和次级线圈通过(电压)中间回路彼此连接，在该中间回路中连接有中间电容。视初级侧需要连接的网络的类型而定，初级开关回路被设计成直流调节器或者变流器(整流器)。次级侧通常是单相或者多相的全桥电路形式的反用换流器。
由初级开关回路、次级开关回路和中间回路(具有设置于其中的中间回路电容)形成的组件在接下来也被称为“变流器模块”。尤其是在机动车驱动技术中使用模块化的变流器，其中，多个这样的变流器模块在初级侧串联。这样的模块化的变流器例如由Lukas Lambertz等人的"ModularerHochfrequenzumrichter für Fahrzeugantriebe(用于车辆驱动器的模块化的高频变流器)",EMA 2010,08.-09.09.2010,阿沙芬堡("Modularhigh-frequency converter for vehicle drives")所公开。
电动机以及另外通过变流器供给的负载经常具有功率因数，其明显地低于值一(100％)。在这样的负载的运行中，在连接至负载的变流器模块的次级开关回路中规律性地出现瞬时功率流的周期性方向转换。因此，在向负载输出的输出电压的每个周期期间，变流器模块都经历在“电动机式的功率流”和“发电机式的功率流”之间的一次或者多次转换，其中，在电动机式的功率流中，电功率由中间回路输出至负载，在发电机式的功率流中，负载将电功率回馈到中间回路中。
当回馈的电功率不能或者不能足够快地被输出至网络时，该回馈的电功率必须存储在中间电容中。这在中间电容的尺寸没有被足够大地设计时会导致中间回路电压的不允许的超高并因此导致变流器的过载或者甚至损坏。然而较大设计的中间回路电容对于变流器的构造空间要求、生产成本和重量又产生不利影响。
发明内容
本发明的目的在于，在构造空间要求、生产成本和/或重量方面对(尤其是模块化的)变流器作出改进，而无需承担一个或者每个变流器模块的过载的风险。
在用于运行变流器的方法方面，该目的根据本发明通过权利要求1的特征实现。在变流器方面，该目的根据本发明通过权利要求8的特征以及与之不相关的权利要求9的特征实现。本发明的优选的和对于自身而言部分有创造性的设计方案和改进方案在从属权利要求和接下来的描述中展现。
本发明由具有至少一个变流器模块的变流器出发。这个或每个变流器模块在此包括用于连接至电压网络的初级开关回路和用于连接至负载的次级开关回路。这个或每个变流器模块此外包括：(电压)中间回路，其将初级开关回路和次级开关回路中间连接；以及连接在中间回路中的、一个电容器或者多个电容器形式的中间回路电容。
根据本发明的变流器尤其应用在电动汽车的车辆驱动装置中。初级开关回路因此优选地设置用于连接至车辆的牵引电池的作为电压网络的电池电路上。相应地，初级开关回路优选的是直流调节器。需要在次级侧上连接至变流器模块的负载优选的是电动机或者电动机的相线圈。相应地，次级开关回路优选地设计成单相或者多相的全桥电路。
但是，根据本发明的方法也可以应用在用于其他应用领域的变流器中，尤其是应用于这样的变流器，该变流器的初级侧设计用于连接至三相交流电网。
在特殊的使用情况中，根据本发明的方法在这样的变流器的情况中被使用，其初级开关回路设计成单象限调节器并因此可以为仅仅一个功率流方向服务。在另外的使用情况中，根据本发明的方法在这样的变流器的情况中被使用，其初级侧基本上有回馈能力地设计，但是其中一个或者每个初级开关回路不能足够快地与功率流方向的短暂的变换相适应。然后，该方法并不限定于这种使用情况。
在该方法的过程中，对于一个或每个变流器模块来说，在中间电容上下降的中间回路电压通过对初级开关回路的控制被调节到预设的电压额定值上。该电压额定值在此根据本发明不是固定地预设的，而是根据在次级开关回路中的功率流的方向来改变的。
对电压额定值以及进而中间回路电压的变化的控制实现了中间回路电容对功率流方向的预期的变换提前做出准备，从而能够良好地充分利用电容器的存储能力。尤其是，在中间回路电容必须接受回馈功率之前，该中间回路电容在此通过中间回路电压的下降来放电。附加地或者可替换的是，在中间回路电容必须向负载输出功率时，该中间回路电容通过中间回路电压的升高来充电。由此，中间回路电容可以设计的特别小，而不必成承担在中间回路中通过电压峰值造成的变流器模块过载的风险。
在该方法的优选的设计方案中，在占优势的电动机式的功率流的情况下，-也就是在变流器的一个运行模式中，在该模式中，在时间上平均向负载输出的功率要多于负载回馈的功率-电压额定值事先在发电机式的功率流阶段的开始时降低。由此确保了中间回路电容在在发电机式的功率流阶段的开始时至少部分地放电并且能接收被供给的功率而没有不允许的电压变化的情况。在此，电压额定值优选地调节到由次级侧的整流器设定的输出电压的取决于时间的绝对值。电压额定值因此匹配于整流后的输出电压的时间上的走向-优选地加上预设的安全余量(电压偏差)。
对此可替换的是，电压额定值以足够的时间间隔在发电机式的功率流阶段的开始时下降到一个值，根据负载的无功功率和中间回路电容的电容值这样地计算该值，即中间回路电压在发电机式的功率流阶段期间刚好不超过中间回路电压的允许的最大值。
在占优势的发电机式的功率流的情况下-也就是在变流器一个运行模式中，在该运行模式中，在时间上平均通过负载馈送的功率要多于由中间回路向负载输出的功率-电压额定值精确地或者至少接近地提升到中间回路电压的允许的最大值。由此确保，负载在短暂的电动机式的功率流阶段中能够足够地由完全或者至少几乎完全充满电的中间回路电容来供应功率。
优选地是，变流器是模块化的变流器，其包括多个之前描述类型的变流器模块。在这样的变流器中使用根据本发明的方法时，以优选的方式为多个变流器模块中的每一个独立地根据之前描述的方法确定出模块特定的电压额定值。因此，在每个变流器模块中基本上单独地对中间回路电压进行调节，其中，相应的电压额定值根据在相应的变流器模块中的功率流方向来变化。
在该方法的优选的改进方案中，对于各个变流器模块确定的电压额定值附加地根据共同的校正项来修改。该校正项在此这样地确定，即所有的变流器模块的总功率都被调节到预设的总功率额定值上。该总功率在此尤其涉及变流器模块的输入功率。因此，概念总功率尤其描述这种电功率，其总体上在一方面的变流器模块和另一方面的网络之间进行交换。由此，由变流器从网络中获取的或者回馈到网络中的功率在很大程度上保持恒定，并且据此实现变流器的高网络兼容性。
在适宜的设计方案中，根据本发明的变流器自动地执行前述的方法。该变流器为此包括控制装置，该控制装置被配置用于以电路技术地和/或程序技术地执行在前述的设计方案变体中的根据本发明的方法。在此，控制装置尤其包括微控制器，在该微控制器中可执行地实施在变流器运行中自动地执行该方法的控制程序(固件)。可替换地或者附加的是，控制装置包括至少一个不可编程的硬件电路(例如ASIC)，在该电路中利用电路技术装置来执行该方法或者该方法的一部分。
一旦变流器具有多个变流器模块，那么控制装置在此就尤其配置用于为每个变流器模块单独地确定模块特定的电压额定值，并且-可选的是-附加地根据用于将总功率调节到预设的总功率额定值上的共同的校正项来修改模块特定的电压额定值。
在多个变流器模块的情况中，控制装置也可以在本发明的范畴中通过唯一的、对所有的模块进行驱控的控制单元形成，例如也就是说通过唯一的微控制器形成。对此来说可替换的或者附加的是，控制装置但是也可以在本发明的范畴中完全或者部分地非中央地结构化，其中为每个变流器模块对应(也至少)一个自身的控制单元。
附图说明
接下来根据附图对本发明的实施例进一步说明。图中示出：
图1以示意性的简化电路图示出了具有变流器模块的变流器，该变流器模块包括用于连接至电压网路的初级开关回路、连接至负载的次级开关回路、中间连接的电压中间回路以及控制装置，其中初级开关回路通过单象限调节器(降压调节器)形成，
图2在用于根据图1的变流器的占优势的电动机式的运行的两个上下布置的同步图表中示出了由次级开关回路向负载输出的输出电压的、流过负载的负载电路的和流过次级开关回路的电输出功率的示意性的曲线(下方的图表)以及输出电压的绝对值的、用于调节中间回路电压的电压额定值的和中间回路电压的曲线(上方的图表)，
图3在根据图1的附图中示出了变流器的替换的实施例，其中，初级开关回路通过两象限调节器形成，
图4在根据图2的用于根据图3的变流器的占优势的发电机式的运行的图示中示出了输出电压的、负载电流的和输出功率的时间上的曲线(下方的图表)以及电压额定值和中间回路电压的时间上的曲线(上方的图表)，以及
图5在根据图1的附图中示出了具有多个变流器模块的根据图3的变流器的另外的设计方案。
具体实施方式
图1示出了具有唯一的(变流器)模块2的变流器1，该模块通过初级开关回路3、次级开关回路4和中间回路5形成。变流器1还包括控制装置6。
初级开关回路3设计用于在输入侧连接至(电压)网络7，其中，其在示出的实施例中是通过电池8供电的直流电压网络，并且通过该网络为初级开关回路3通过输入端子9和10输送电池电压UB。
相应的是，初级开关回路3设计成直流调节器。在根据图1的实施例中，其具体是简单的降压调节器的形式的单象限调节器。初级开关回路3在此基本上通过一个输入端子9与电池8的正极连接的半导体开关11(其在此设计成IGBT)和与之串联地连接的电感12构成。初级开关回路3还包括二极管13，其在截止方向上连接在半导体开关11的发射极和与电池8的负极连接的输入端子10之间。
次级开关回路4通过单相全桥电路(H桥)形成。其以已知的方式由两个并联的半桥14构成。每个半桥14包括两个串联的半导体开关15(在此为MOS-FET的形式)。在每个半桥14的内部在该处的半导体开关15之间设置的中间抽头16在此分别为了连接(在此单相的)负载17而与次级开关回路4的输出端子18或19连接，并且在运行中向负载17输出输出电压UA。与根据图1的附图不同的是，次级开关回路4也可以-为了对多相的(尤其是三相的)负载供电-通过多相全桥电路形成。
通过中间回路5、初级开关回路3和次级开关回路4彼此连接。中间回路5为此包括正母线20和负母线21，在二者之间连接有一个或者多个电容器形式的(中间回路)电容22。在电容22上下降的电压被描述为中间回路电压UZ。
控制单元6在示出的是实例中通过微控制器形成，在该微控制器中在软件技术方面执行用于自动运行变流器1的控制程序。
尤其在用于电动车辆(电动汽车)的驱动系统的范畴中提供变流器1。电池8因此尤其是车辆的驱动电池(牵引电池)。负载17相应地尤其是车辆的电驱动电机或者该电动机的相绕组。
在控制程序运行时，通过控制装置6对初级开关回路3的半导体开关11以及次级开关回路4的半导体开关15进行控制。半导体开关11和15的栅极接口为此与用于输送开关信号C的控制装置6连接。控制装置6此外输送中间回路电压UZ的测量值。
在变流器1的运行中，控制装置6通过相应地对半导体开关15的脉宽调制(以及按节拍的)的驱控来产生作为具有正弦形取决于时间t的交流电压的输出电压UA。输出电压UA的时间上的曲线在图2的下方的图表中通过实现示出。
输出电压UA引出流动通过负载17的负载电流IL，其同样正弦形式的曲线在图2的下方的图表中以虚线示出。基于负载17的感应特性，负载电流IL跟随输出电压UA。这导致-以相对于输出电压UA双倍的频率-从次级开关回路4输出给负载17的(输出)功率PO(参见在图2的下方图表中的点化线)的振荡的走势，该功率通过输出电压UA和负载电流IL的瞬间值的乘积获得：
PO(t)＝UA(t)·IL(t)
如从图2中获知，功率PO在输出电压UA的每个周期期间变换四次其符号。在此，功率PO的值占优势地为正。这对应于电动机式的功率流，其中，电功率从次级开关回路4输出至负载17。该电动机式的功率流阶段然而被短暂的发电机式的功率流阶段中断，在该发电机式的功率流阶段中，功率PO的值是负的，并且在该阶段中电功率因此从负载17回馈到中间回路5中。
初级开关回路3的半导体开关11由控制装置6同样脉宽调制地(以及按节拍地)驱控，从而将在电容22上下降的中间回路电压UZ调节到电压额定值U0上。
然而，在其作为单象限调节器的特性中，初级开关回路3能在根据图1的实施例的情况下将电功率仅仅从网络7传输到中间回路5中，但是不能反向进行。由负载17在发电机式的功率流阶段中回馈到中间回路5中的功率PO必须因此由电容器22接收。由此，在发电机式的功率流阶段期间，中间回路电压UZ临时迅速上升。
为了避免-在电容22的相对较小的设计中(也就是相对较小的存储容量)-中间回路电压UZ上升超过对于变流器1的运行来说允许的最大值Umax(图2)，现在通过控制装置6分别实现在每个发电机式的功率流阶段开始之前降低电压额定值U0，由此也降低了中间回路电压UZ。借此，电容22直至发电机式的功率流阶段被在很大程度上放电。电容22的存储能力因此差不多完全用于接收由负载17在发电机式的功率流阶段馈入的功率PO，由此在发电机式的功率流阶段期间使中间电流电压UZ的上升最小化。
在由控制装置6执行的方法的优选的设计方案中，电压额定值U0适合于输出电压UA的绝对值UA +(具有UA +＝|UA|)加上预设的安全余量的曲线(接下来描述为偏差电压Uoff)：
在图2的上方的图表中，电压额定值U0的曲线-只要该曲线没有被中间回路电压UZ的曲线覆盖就-以点画线示出。为了进行比较，在图2的上方的图表中，输出电压UA的绝对值UA +以实线示出。
从图2中能够获知，即-在那里在上方的图表中以点画线示出的-中间回路电压UZ由于调节而占优势地跟随电压额定值U0的曲线。仅仅在发电机式的功率流阶段中出现中间回路电压UZ短时地上升超过电压额定值U0。在此，中间回路电压UZ的值由于电容22的之前的放电而一直保持在最大值Umax之下。
图3示出了变流器1的另外的设计方案。其与图1中示出的实施例的区别在于，再次唯一的变流器模块2的初级开关回路3被设计成两象限调节器。替代根据图1的实施例中的半导体开关11、电感12和二极管13，根据图3的初级开关回路3包括具有两个半导体开关31的半桥30，该半导体开关彼此串联地连接在中间回路5的正母线20和负母线21之间。在此，输入端子9与中间回路5的正母线20直接连接。相反，输入端子10与在半桥30的半导体开关31之间的中间抽头32连接。
在根据图3的设计方案中，初级开关回路3设计为升压调节器。初级开关回路3为此与连接在网络7中的输入端子9之前的电感33共同作用(然而，其与根据图3的图不同的是，其也能够集成在初级开关回路3中)。
与根据图1的初级开关回路3不同的是，在根据图3的实施例中的初级开关回路3不仅适合接收来自网络7的功率，也适合将功率回馈到网络7中。因此，变流器1在根据3的实施例中不仅仅可以经历占优势的电动机运行，而在也可以经历占优势的发电机运行。在此，变流器1的占优势的发电机式的运行的特征在于，经过输出电压UA的多个周期为模块2提供的来自负载17的输出电压PA多于向负载输出的输出电压。接收的输出功率PO的一部分在此由变流器1回馈的网络7中。
然后，当驱动电机为了对车辆进行制动时，在电动车辆的驱动系统中例如出现这样的占优势的发电机式的运行阶段。车辆的动能在此至少部分地复原成电能。
视在根据图3的实施例中的变流器1是否占是优势的电动机式或者占优势的发电机式运行而定，控制装置6在其中执行的控制程序的运行时在两个不同的控制模式之间切换。在变流器1的占优势的电动机式的运行中引入的控制模式在此与根据图2描述的方法相同。
在变流器1的占优势的发电机式的运行中由控制装置6引入的控制模式相反根据图4进一步描述。如由此可见的那样，控制装置6在此将电压额定值U0恒定地设定到一个值，该值基本上对应于允许的最大值Umax，然而优选稍微(例如最大5％)地低于后者。
如由图4中可见，中间回路电压UZ由于调节的原因再次在很大程度上调节到电压额定值U0，并且因此具有基本上相应于最大值Umax的一个值，从而电容22进入到满冲状态。仅仅在短暂的电动机式的功率流期间出现短暂地中断中间回路电压UZ(并进而出现中间回路电压UZ相对于电压额定值U0的巨大的偏差)。在该阶段中向着负载17指向的功率流在此可以仅仅由电容22提供，从而使得初级开关回路3中的功率流的反转变得不必要。
最后，在图5中示出了变流器1的第三个设计方案。在该设计方案中，变流器1包括三个变流器模块2，它们在初级侧串联在网络7中。每个模块2在此在其内部结构上都与根据图3的变流器的模块2相应。
作为负载17，在三个模块2中的每一个上分别连接有三相电动机的一个相绕组。
变流器1在根据图5的设计方案中包括为控制装置6的一部分的中央控制单元50，其执行跨模块的控制过程。中央控制单元50优选地通过具有在其中软件技术地执行的控制程序的微控制器。附加的是，每个模块2还包括(未详细示出的)模块内部的控制单元，其执行对相应的中间回路电压UZ的实际的调节。
在根据图5的变流器1中，对于每个模块2单独地执行联系图3和图4描述的控制方法。对于每个模块2而言，在此相应的(输入)功率PI1，PI2或者PI3的实际值被输送给中央控制单元50和在此的相应的模块特定的电压控制装置51，其取决于相应的功率PI1，PI2或者PI3为相应所属的模块2确定模块特定的电压额定值U01，U02或U03。输入功率PI1，PI2或者PI3在此由相应的子模块2(或者可替换地由中央控制单元50)分别由在电压网络7中流动的电流的电流强度、相应的模块2的中间回路电压UZ以及由相应的模块2的初级开关回路3的半导体开关31的控制度来计算。
与之并行的是，模块特定的功率PI1，PI2，PI3被输送给中央控制单元50的加法器52，其由此根据ΣP＝PI1+PI2+PI3计算出总功率ΣP。总功率ΣP在连接在后面的(总功率)调节器53中与预设的总功率额定值比较。根据获得的总功率差，该调节器53确定用于共同地校正所有模块特定的电压额定值U01，U02和U03的校正项K。该校正项K在此加入到三个对应于各一个模块2的加法器54中，该加法器分别具有与该模块2对应的电压额定值U01，U02或U03。由该相加分别得出的调制过的电压额定值U01′，U02′或U03′为了调节模块特定的中间回路电压UZ被回馈给相应的模块2。
校正项K在此由总功率调节器53这样地确定，即由模块2从网络7中总共提取的(输入)功率被调节至总功率额定值。因此，在恒定的总功率额定值时，通过控制装置6确保模块2在总体上展示出基本上恒定的功率消耗。
在图5中示出的控制装置6的组件，也就是说电压控制装置51、加法器52和54以及总功率调节器53优选地在软件技术方面实施。在图5中示出的变流器1以及所属的调节方法可以在本发明的范畴中毫无问题地以任意多的模块2扩展。
此外，本发明的范围不受示出的实施例限制。更多的是，本领域技术人员能够由之前的描述推导出另外的实施例。尤其是，根据实施例描述的特征也能够以另外的方式组合，而不会与本发明的主体偏离。此外，实施例的各个特征可以被放弃或者加入。

Claims (9)

1.一种用于运行具有至少一个变流器模块(2)的变流器(1)的方法，所述变流器模块包括：
-用于连接至电压网络(7)的初级开关回路(3)，
-用于连接至负载(17)的次级开关回路(4)，
-中间连接所述开关回路(3，4)的电压中间回路(5)，以及
-连接在所述电压中间回路(5)中的中间回路电容(22)，
其中，根据所述方法
-在所述中间回路电容(22)上下降的中间回路电压(UZ)通过对所述初级开关回路(3)的控制而被调节到预设的电压额定值(U0，U01-U03)上，并且
-其中所述电压额定值(U0，U01-U03)取决于在所述次级线圈(4)中的功率流的方向而能变地预设。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压额定值(U0，U01-U03)在占优势的电动机式的功率流的情况下事先在发电机式的功率流阶段开始时降低。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电压额定值(U0，U01-U03)调节到由所述次级开关回路(4)设定的输出电压(UA)的取决于时间的绝对值(UA +)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电压额定值(U0，U01-U03)下降至最大值(Umax)，根据所述负载(17)的无功功率和所述中间回路电容(22)的电容值如下计算所述最大值，即所述中间回路电压(UZ)在所述发电机式的功率流阶段期间刚好不超过所述中间回路电压(UZ)的允许的最大值(Umax)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在占优势的发电机式的功率流的情况下，所述电压额定值(U0，U01-U03)精确地或者至少接近地提升至所述中间回路电压(UZ)的允许的最大值(Umax)。
6.一种用于运行具有多个变流器模块(2)的变流器(1)的方法，所述变流器模块中的每一个包括：
-用于连接至电压网络(7)的初级开关回路(3)，
-用于连接至负载(17)的次级开关回路(4)，
-中间连接所述开关回路(3，4)的电压中间回路(5)，以及
-连接在所述电压中间回路(5)中的中间回路电容(22)，
其中，根据所述方法，用于每个所述变流器模块(2)的模块特定的电压额定值(U01-U03)独立地根据权利要求1至5中任一项所述的方法来确定。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所有模块特定的所述电压额定值(U01-U03)根据共同的校正项(K)进行修改，从而将所有的变流器模块(2)的总功率(ΣP)调节至预设的总功率额定值。
8.一种变流器(1)，
-具有至少一个变流器模块(2)，所述变流器模块包括：
-用于连接至电压网络(7)的初级开关回路(3)，
-用于连接至负载(17)的次级开关回路(4)，
-中间连接所述开关回路(3，4)的电压中间回路(5)，和
-连接在所述电压中间回路(5)中的中间回路电容(22)，以及
-所述变流器具有用于控制所述初级开关回路(3)的控制装置(6)，其中，所述控制装置(6)配置用于执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
9.一种变流器(1)，
-具有多个变流器模块(2)，所述变流器模块中的每一个包括：
-用于连接至电压网络(7)的初级开关回路(3)，
-用于连接至负载(17)的次级开关回路(4)，
-中间连接所述开关回路(3，4)的电压中间回路(5)，和
-连接在所述电压中间回路(5)中的中间回路电容(22)，以及
-所述变流器具有用于控制所述初级开关回路(3)的控制装置(6)，其中，所述控制装置(6)配置用于执行根据权利要求6或7所述的方法。
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