CN106849695B - 逆变器、电气多相系统和方法 - Google Patents

逆变器、电气多相系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电动机器，具有带第一和第二端子的绕组，存在至少一个节点，绕组中相应的一个绕组的两个端子中一者与节点电连接且绕组中相应的一个绕组对应的另一个端子与相位端子电连接，以及模块化多电平逆变器，具有串联连接成环的单独模块且至少一个提供相位端子的分接部相应安排在两个相邻单独模块之间，电动机器的绕组中的一个绕组的第一或第二端子与相位端子电连接，模块化多电平逆变器的分接部数目相等地对应于电动机器的绕组中的绕组数目且模块化多电平逆变器的单独模块分别具有能量存储器和开关元件，使得相邻单独模块的能量存储器能够连接，由此在两个相邻相位端子之间可提供可由控制单元对应于多相旋转磁场曲线进行调节的电压差。

Description

逆变器、电气多相系统和方法
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平逆变器、一种电气多相系统和一种用于运行电气多相系统的方法。
背景技术
常规电池(其作用应不止于小型电子产品)经常构成为由多个单个部件构成的牢固接线的单元，例如电池单元。此类电池在一个输出端处几乎仅提供直流电压。相反，大多数耗电设备需要交流电压，该交流电压具有例如带有确定的频率、幅值和相位的谐波电压曲线。此外，充电状态之上的直流电压不是恒定的。为了在峰值电压和充电终止电压下能够运行所连接的耗电设备并且提取所需的功率，这些耗电设备必须使用高耗费的供应电路。当一个耗电设备所需要的电压远离该电池所提供的电压时，该功率电子电路(通过所谓的低调制指数)引起在该输出电压中的高损耗和高度失真。这尤其涉及电动车辆的驱动，这种驱动一般在低速度的情况下需要幅值明显低于最大幅值的交流电压。这些失真一般由于脉冲宽度调制出现，此外这些失真对电动机的绝缘造成负担并且由此对电动机的使用寿命产生影响。基于这些电池单个部件(例如这些电池单元)的物理和化学行为中的分散性，必须提供对该电池的高耗费的监测并且尤其提供局部的电荷交换(所谓的电池管理系统)，以便实现所有电池部件的均匀的充电状态。当一个电池仅有一部分有故障时，例如一个电池单元，则整个电池一般是不可使用的。在车辆的情况下，必须考虑到该车辆的完全故障。在适当时，甚至必须主动强制该车辆或该电池停止运转，由此在进一步负载时，(一个或多个)有故障的电池部件不会过热和起火。
车辆的电气驱动器及还有电能供应经常使用两相或三相的交流电压系统。为了产生交流电压，使用变流器或逆变器，以便产生所期望的交流电压。这些系统(即源和负荷)一般相对于一个共用的对称的参考点(星形系统)或相对彼此差分地(三角系统)进行设计。在此，所出现的电压一般近似地是正弦形的。然而，这些相位的数目正好在电动机中确定能够多么精细地控制环绕的区域并且由此能够多么精细地控制该扭矩。例如通过该电机的一个定子或一个转子的铁齿所产生的失真仅能够有限地得到补偿。从该电动机的观点来看更多的相位数目可能具有更多的优点。能够用已知的变流器(这些变流器始终针对相同的参考点产生该电压)、然而只有在更高的耗费下才能产生更多数目的相位。
现在通常使用三相的交流电动机，其中这三个绕组的电压曲线一般偏置120°。由此，这些绕组具有相对彼此的差值电压。通过相位数目的增加，能够减小这些电压差。
US 6,657,334描述了变流器和电气异步机器的一种组合，该组合相应地具有多于三个相位。在此，该异步机器具有多个绕组，其中，每个绕组具有两个端子。一个绕组的每个端子与该变流器的不同的相位端子单独地连接。在此，该变流器的每个端子与该异步机器的两个不同的绕组的两个端子连接。即每个绕组与该变流器的两个相位端子连接，其中，在这些相位端子之间存在相同的相位偏移。
发明内容
本发明的目的现在在于提供一种系统，用该系统能够以简单的方式产生多个用于电动机器的相位，其中，在每两个邻近的相位端子之间能够分别提供一个可调节的电压差。
根据本发明，该目的通过根据下述1所述的一种模块化多电平逆变器、根据下述9所述的一种电气多相系统以及根据下述19所述的一种根据本发明的方法实现。从说明书和下述2-8、10-18和20-29中得出多个改进设计。
1.模块化多电平逆变器，带有多个单独模块，每个单独模块具有多个开关元件和至少一个电能存储器，其中这些单独模块彼此前后地连接成一个闭合的环，其中该多个开关元件使得相邻的单独模块的能量存储器能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间能够提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节,其中在两个相邻的单独模块之间相应地安排至少一个分接部，该分接部提供一个相位端子，其中在两个相邻的分接部之间安排形成一个相位模块的至少两个单独模块，并且其中该模块化多电平逆变器具有从环形安排分支出来的、包括至少两个单独模块的一个相位模块，该相位模块的一个末端连接到一个分接部处并且另一个末端与一个参考电位连接。
2.根据上述1所述的模块化多电平逆变器，其中所述单独模块具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
3.根据上述2所述的模块化多电平逆变器，其中所述单独模块相应地借由两个电导体彼此电连接。
4.根据上述3所述的模块化多电平逆变器，其中该分接部安排在这两个电导体中的一者处以用于提供相位端子。
5.根据上述3所述的模块化多电平逆变器，其中该分接部安排在这两个电导体二者处以用于提供相位端子。
6.根据以上1至5之一所述的模块化多电平逆变器其中至少一个分接部通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位连接。
7.根据上述6所述的模块化多电平逆变器，其中多个分接部分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位连接，其中该多个分接部对称地划分所述单独模块的环。
8.根据以上1至7之一所述的模块化多电平逆变器，其中该多个单独模块的所述开关元件是低电压半导体开关元件。
9.电气多相系统，带有
-一个电动机器，该电动机器具有多个绕组，这些绕组带有第一端子和第二端子，其中存在至少一个节点，该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子或第二端子与该节点电连接，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子电连接，以及
-一个模块化多电平逆变器，该模块化多电平逆变器具有多个单独模块，这些单独模块串联连接成一个环，其中至少一个分接部相应地安排在两个相邻的单独模块之间，该分接部提供一个相位端子，该电动机器的该多个绕组中的一个绕组的第一端子或第二端子与该相位端子电连接，
其中该模块化多电平逆变器的分接部的数目相等地对应于该电动机器的该多个绕组中的绕组的数目，并且
其中该模块化多电平逆变器的每个单独模块具有一个能量存储器和多个开关元件，该多个开关元件使得相邻的单独模块的能量存储器能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间能够提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节。
10.根据上述9所述的电气多相系统，其中该电动机器作为发电机或电动机工作。
11.根据上述9或10所述的电气多相系统，其中所述单独模块具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
12.根据上述11所述的电气多相系统，其中所述单独模块相应地借由两个电导体彼此电连接。
13.根据上述12所述的电气多相系统，其中该分接部安排在这两个电导体中的一者处以用于提供相位端子。
14.根据上述12所述的电气多相系统，其中该分接部安排在这两个电导体二者处以用于提供相位端子。
15.根据上述9至14之一所述的电气多相系统，其中该模块化多电平逆变器具有从环形安排分支出来的、包括至少两个单独模块的一个相位模块，该相位模块的一个末端连接到一个分接部处并且另一个末端与一个参考电位连接。
16.根据上述9至14之一所述的电气多相系统，其中至少一个分接部通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位连接。
17.根据上述16所述的电气多相系统，其中多个分接部分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位连接，其中该多个分接部对称地划分所述单独模块的环。
18.根据上述9至17之一所述的电气多相系统，其中该多个单独模块的所述开关元件是低电压半导体开关元件。
19.用于运行电气多相系统的方法，其中使用一个电动机器和一个模块化多电平逆变器，其中该电动机器具有多个带有第一端子和第二端子的绕组并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子或第二端子与一个节点连接，该多个绕组中的每个绕组与该节点连接，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子连接，并且其中该模块化多电平逆变器具有多个单独模块，这些单独模块串联连接成一个环并且至少一个分接部相应地安排在两个相邻的单独模块之间，该分接部提供一个相位端子，该电动机器的该多个绕组中的一个绕组的第一端子或第二端子与该相位端子电连接，其中该模块化多电平逆变器的每个单独模块具有一个能量存储器和多个开关元件，该多个开关元件使得相邻的单独模块的能量存储器能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节。
20.根据上述19所述的方法，其中在两个分接部之间安排形成一个相位模块的至少两个单独模块。
21.根据上述19或20所述的方法，其中所使用的单独模块是具有第一侧和第二侧的单独模块，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
22.根据上述21所述的方法，其中所述单独模块相应地借由两个电导体彼此电连接。
23.根据上述22所述的方法，其中该分接部安排在这两个电导体中的一者处以用于提供相位端子。
24.根据上述22所述的方法，其中该分接部安排在这两个电导体二者处以用于提供相位端子。
25.根据上述19至24之一所述的方法，其中该逆变器具有安排在其上的一个相位模块，该相位模块从环形安排分支出来，且该相位模块的一个末端连接到一个分接部处并且另一个末端与一个参考电位连接。
26.根据上述19至24之一所述的方法，其中至少一个分接部通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位连接。
27.根据上述25所述的方法，其中多个分接部分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与一个参考电位连接，其中该多个分接部对称地划分所述单独模块的环。
28.根据上述19至27之一所述的方法，其中将低电压半导体开关元件用作该多个单独模块的开关元件。
29.根据上述19至28之一所述的方法，其中该电动机器作为发电机或电动机工作。
相应地，本发明提出了一种电气多相系统，该电气多相系统带有一个电动机器和一个模块化多电平逆变器，其中该电动机器具有多个分别带有第一端子和第二端子的绕组，其中存在至少一个节点，该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子或第二端子与该节点电连接并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子电连接，并且该模块化多电平逆变器具有多个单独模块，这些单独模块串联连接成一个环并且至少一个分接部相应地安排在两个相邻的单独模块之间，该分接部提供一个相位端子，该电动机器的该多个绕组中的一个绕组的第一端子或第二端子与该相位端子电连接，其中该模块化多电平逆变器的分接部的数目精确地对应于该电动机器的该多个绕组中的绕组的数目，并且其中该模块化多电平逆变器的每个单独模块具有一个能量存储器和多个开关元件，该开关元件使得相邻的单独模块的能量存储器能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间能够提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节。
此外，本发明提出了一种带有多个单独模块的模块化多电平逆变器，每个单独模块具有多个开关元件和至少一个电能存储器，其中这些单独模块彼此前后地连接成一个闭合的环。
这个目的是如下实现的，一个电动机器与一个模块化多电平逆变器共同作用，其中该模块化多电平逆变器的宏观拓扑结构形成一个回路，即该模块化多电平逆变器的单独模块彼此连接成一个回路。通过在两个相邻的单独模块之间添加一个分接部能够产生新的相位端子，该电动机器的这些绕组能够连接到这些相位端子处。现在因为有更多的相位端子可供使用，由此同样能够增加该电动机器的相位数目或绕组数目。多相电动机的优点在于低的扭矩波动。此外，能够更精细地控制这样产生的环绕的交流电场或旋转磁场，由此也产生对应的电动机的更精细的可控性。额外地提高故障安全性并且能够可靠地提供一种紧急工作方式，该紧急工作方式使得车辆能够回到或驶入车间。如果例如一个单独的相位完全发生故障，不会自动导致完全的系统故障。扭矩的波动也仅仅无关紧要地增加并且剩余的电动机功率几乎不受损害。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的一个实施方式中，在两个相邻的单独模块之间相应地安排至少一个分接部，该分接部提供一个相位端子，其中在两个相邻的分接部之间安排形成一个相位模块的至少两个单独模块。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的另一个实施方式中，这些单独模块具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的又一实施方式中，这些单独模块相应地借由两个电导体彼此电连接。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的一个实施方式中，该分接部安排在这两个电导体中的一者处以用于提供相位端子。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的另一个实施方式中，该分接部安排在这两个电导体二者处以用于提供相位端子。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的又一实施方式中，该模块化多电平逆变器具有从环形安排分支出来的、包括至少两个单独模块的一个相位模块，该相位模块的一个末端连接到一个分接部处并且另一个末端与一个参考电位连接。
在根据本发明的电气模块化多电平逆变器的一个实施方式中，至少一个分接部通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与一个参考电位连接。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的另一个实施方式中，多个分接部分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与一个参考电位连接，其中该多个分接部对称地划分这些单独模块的环。
在根据本发明的模块化多电平逆变器的又一实施方式中，该多个单独模块的开关元件是低电压半导体开关元件。
在根据本发明的电气多相系统的一个实施方式中，该电动机器作为发电机工作。
在根据本发明的电气多相系统的另一个实施方式中，该电动机器作为电动机工作。
此外，本发明提出了一种用于运行电气多相系统的根据本发明的方法，其中使用一个电动机器和一个模块化多电平逆变器，其中该电动机器具有多个带有第一端子和第二端子的绕组并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子或第二端子与一个节点连接，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子连接，并且其中该模块化多电平逆变器具有多个单独模块，这些单独模块串联连接成一个环，其中至少一个分接部相应地安排在两个相邻的单独模块之间，该分接部提供一个相位端子，该电动机器的该多个绕组中的一个绕组的第一端子或第二端子与该相位端子电连接，其中该模块化多电平逆变器的每个单独模块具有一个能量存储器和多个开关元件，该开关元件使得相邻的单独模块的能量存储器能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节。
在根据本发明方法的一个实施方式中，在两个分接部之间安排形成一个相位模块的至少两个单独模块。
在根据本发明方法的另一个实施方式中，所使用的单独模块是具有第一侧和第二侧的单独模块，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
在根据本发明方法的又一实施方式中，这些单独模块相应地借由两个电导体彼此电连接。
在根据本发明方法的一个实施方式中，该分接部安排在这两个电导体中的一者处以用于提供相位端子。
在根据本发明方法的另一个实施方式中，该分接部安排在这两个电导体二者处以用于提供相位端子。
在根据本发明方法的又一实施方式中，该逆变器具有安排在其上的一个相位模块，该相位模块从环形安排分支出来，且该相位模块的一个末端连接到一个分接部处并且另一个末端与一个参考电位连接。
在根据本发明方法的一个实施方式中，至少一个分接部通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与一个参考电位连接。
在根据本发明方法的另一个实施方式中，多个分接部分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与一个参考电位连接，其中该多个分接部对称地划分这些单独模块的环。
在根据本发明方法的又一实施方式中，将低电压半导体开关元件用作该多个单独模块的开关元件。
在根据本发明方法的一个实施方式中，该电动机器作为发电机工作。
在根据本发明方法的另一个实施方式中，该电动机器作为电动机工作。
在说明书和附图中得出本发明的进一步的优点和构型。
不言而喻，以上提及的这些特征以及还有待在以下说明的那些特征不仅能在对应指示的组合中使用，而且还在其他组合中或者单独使用而不脱离本发明的范围。
附图说明
本发明借助于在附图中示意性展示的多个实施方式并且参照附图进行示意性及详细说明。
图1示出根据本发明的并且根据本发明待使用的模块化多电平逆变器的一个示例性宏观拓扑结构的示意图，其中，多个单独模块彼此连接成一个环。
图2示出根据本发明的并且根据本发明待使用的模块化多电平逆变器的另一个示例性宏观拓扑结构的示意图，该模块化多电平逆变器具有一个额外的相位模块。
图3示出一个示例性的单独模块的实施方式以用于在来自图1或图2的一个模块化多电平逆变器中使用。
图4示出一个图表，该图表展示了通过矢量差值电压的形成。
图5示出一个图表，该图表展示了相位数目的增加对相位电压的影响。
图6示出一个图表，该图表展示了在增加相位数目的情况下对不同参数的影响。
具体实施方式
现有技术的电动车辆为了提供交流电压(该交流电压对于运行该电机是必要的)使用变流器或逆变器，这些变流器或逆变器将由一个直流电压源提供的直流电压转换成所需的交流电压。对于电机经常需要三相的交流电，即该电机具有三个绕组，其中当这些绕组以规则的距离安排在一个回路上时，在单独的绕组中的相应电压的曲线的相位偏移120°。
根据本发明，通过增加该电动机器的绕组的数目来增加电动机器的相位数目。根据该电动机器应该具有多少相位，该电动机器对应地具有多少绕组。即每个绕组与一个相位相关。该多个绕组一般应该均匀地分布在一个回路的圆周上，由此设定在这些单独绕组的电压曲线之间的一个均匀的相位角。
这些绕组能够以不同的方式彼此连接。所谓的星形电路形成一种可能性。在星形电路的情况下，这些单独的绕组的相应的一个端子在所有绕组的一个共用的节点(所谓的星形点)处彼此电连接。如果这些绕组规则地分布在该回路上，则在该星形点处的电压为零，由此一个零线或中性导线能够连接到该星形点处。一个绕组的对应的另一个端子与一个相位端子连接并且具有一个电压，该电压相对于该星形点提高。
该相位端子由一个逆变器提供。图1展示了一个根据本发明的逆变器10(一个所谓的模块化多电平逆变器10)的示意性框图。根据本发明的模块化多电平逆变器10具有多个单独模块12。这些单独模块12本身能够具有任意的拓扑结构，即所谓的微观拓扑结构，该拓扑结构通常由多个开关元件和各自至少一个电能存储器(例如电容器或一个电池单元)组成。
图3示出一个示例性的单独模块300。示例性的单独模块300具有两侧，这两侧分别具有两个端子。在一个第一侧上安排端子314a和314b。在一个第二侧上安排端子318a和318b。在所示出的实施方式中，示例性的单独模块300具有八个开关元件316-1、316-2、316-3、316-4、316-5，316-6、316-7、316-8。由此，对于这些端子314a、314b与端子318a、318b的电连接，对于每个连接，即314a-318a、314a-318b、314b-318a和314b-318b，相应地提供两个载荷路径。这使得这些开关元件316-1至316-8能够设计用于更低的载流能力。由此，对于这些开关元件也能够使用低电压开关元件或低电压半导体开关元件，因为最大电压(必须将这些开关元件316-1至316-8设计为用于该最大电压)明显低于该系统的总电压，即例如仅在一个单独模块(这些开关元件316-1至316-8与该单独模块相关)的电能存储器312的最大电压的情况下。该电能存储器312能够是一个任何类型的电容器或一个单独的电池单元或多个电池单元(例如一个小的电池包)。应理解为，能够使用例如原电池、二次电池或仅提供直流电压的能量源和能量存储器作为电池。
对于在该能量存储器312与一个相邻的同类单独模块的对应的能量存储器之间的几乎所有连接，图3所示的这些开关元件允许两个并联路径。对应地，并联地使用这些开关元件。然而能够取消这些开关元件，以便降低复杂性。然而，如果使用半导体开关元件，这些剩余的开关元件然后应该用对应的更大的半导体来实现，以便实现相同的载流能力。通过适当地选择半导体，能够允许特定的开关状态相对于其他开关状态在其损耗方面得到优化。
这些开关元件316-1和316-2以此方式形成一个路径，该路径平行于通过这些开关元件316-3和316-4形成的路径并且引导至相同的目标，即根据方向引导至该端子314a或引导至该端子318a。这些开关元件316-5和316-4形成一个路径，该路径引导至同一个目标，例如通过这些开关元件316-7和316-2形成的路径，即根据方向引导至该端子314b或引导至该端子318a。这些开关元件316-1和316-8形成一个路径，该路径引导至相同的目标，例如通过这些开关元件316-3和316-6形成的路径。此外，这些开关元件316-7和316-8形成一个路径，该路径平行于通过这些开关元件316-5和316-6形成的路径并且引导至同一个目标，即根据方向引导至该端子314b或318b。
在取消的情况下现在能够移除一个任意的开关元件。然而，应该以此方式选择一个待取消的第二开关元件，使得仍然能够通过这些剩余的开关元件产生从任一端子到任一其他端子的连接。由此得出一系列减少的电路。
应理解为，对于模块化多电平逆变器10不仅能够使用所示出的示例性单独模块300作为单独模块12，这些单独模块12也能够具有现有技术的任意一个已知的拓扑结构。
用配备有一种此类单独模块12、300的模块化多电平逆变器10能够将迄今为止牢固接线的电池包以如下方式划分成多个单独部件或单独模块12、300，使得能够在运行中动态地改变这些单个部件12、300(即相邻的单独模块的能量存储器)的电连接。相邻的单独模块的这些能量存储器能够在单独或多个单独模块的并联连接、串联连接、旁路连接和断开之间转换。这使得通过在这些单独模块或能量存储器之间的电荷交换能够允许实施例如常规电池管理，以便使这些能量存储器均匀地承受负载。此外，在不失去整体功能的情况下，能够跨过有故障的单独模块12。在这些端子(例如314a、314b、318a、318b)处的任意的输出电压和随时间的电流曲线或电压曲线尤其能够直接通过这些单独模块产生，而不需要额外的功率电子逆变器。
如在图1中可以看出，这些单独模块12通过其端子(例如图3的单独模块的这些端子314a、314b、318a、318b)与一个相邻的单独模块12通过两个电导体16和18电连接。根据本发明，这些单独模块12安排在一个回路中，使得第n个单独模块12与第一个单独模块12电连接。为了能够分接由这些单独模块12产生的电流曲线或电压曲线，在两个相邻的单独模块12之间安排一个分接部14，该分接部提供用于该电动机器的绕组的第二端子的一个相位端子。首先在图1中示出三个此类的分接部14。如在图1中通过箭头所展示的，通过简单地添加一个额外的分接部14*能够提供一个额外的相位端子。带有多个安排在回路中的单独模块10的一种此类逆变器或模块化多电平逆变器10现在能够以简单的方式配备任意多个相位端子(根据存在多少个单独模块12，然而也能够任意增加其数目)。这些端子14能够以不同的类型实现。一个端子14a例如能够包括两个电导体16、18并且连接到这些电导体处，其方式为将这两个电导体16、18相结合。然而，由此这些单独模块的相邻能量存储器的并联连接是不可行的。替代性地，能够实现一个端子14b，该端子仅连接到一个电导体16或18处。然而，由此用于这些开关元件的、操作相应的电气导线的电流负载是更大的。这些对应的单独模块在两个分接部14之间形成一个相位模块20。
通过这些单独模块12在该模块化多电平逆变器10中的此类安排能够通过动态的重新构型直接产生用于一个或多个耗电设备(例如作为电动机工作的一个电动机器)的交流电压和多相电压。与现有技术的逆变器不同，调制指数，即对应的频率调制的特征值，能够在所有幅值的情况下保持为最大。此外，在低电压的情况下损耗甚至降低，因为通过所连接电池的电池部件(即这些相应的能量存储器)的并联连接降低了有效的内部电阻。此外，一个所连接的电池(其中这些能量存储器能够在并联连接和串联连接之间来回切换)产生几乎不失真的输出电压，因为在两个构型的电压之间的阶跃能够保持为十分小。此外，在此类电压之间能够通过开关调制进行调制，以便进一步平滑化。
根据本发明，能够用根据本发明的多相系统以简单的方式增加相位数目。在此，该电动机器的这些绕组连接成所谓的星形电路并且该模块化多电平逆变器10作为n角电路或环形电路运行。在此，该电动机器的这些绕组的一个端子相应地与该多电平逆变器10的一个相位端子14电连接。图4示出这些所参与电压的一个示意性图示，其中在纵坐标上示出这些电压的虚部38并且在横坐标上示出实部40。在图4中，邻接在该电动机器的一个绕组处的电压用42标明并且由一个相位端子14提供的电压用44标明。在现有技术中，该电动机器总是针对该星形点43工作，由此在该绕组处的电压42与该星形点43之间总是存在高的电压差。此外，这些电压的曲线在不同的绕组处发生相位偏移，其中，一个三相系统偏移120°的相位角46，由此在两个绕组之间的电压差也可以是较大的。用根据本发明的多相系统，尤其通过使用带有环形安排的单独模块12的模块化多电平逆变器10，现在能够直接形成且提供在两个相邻的相位支路或该电动机器的绕组之间的电压差。如果增加相位数目，在这些绕组处的电压42保持恒定，然而该相位电压44线性地降低。在常规的功率电子电路的情况下，这种联系是无关紧要的，因为现有技术的变流器始终针对一个参考电位(例如一个中间电路电容器的端部)产生相应的相位电压并且不能在两个绕组之间形成电压差。然而，这些电压差能够直接通过该模块化多电平逆变器10产生。通过使用一个n相系统，即带有高的(大于3)相位数目的系统(尤其在该电动机器的情况下)，其中，负荷(电动机器)和源(模块化多电平逆变器)不同地进行连接(电动机器呈星形电路，模块化多电平逆变器呈n角或环形电路)，能够产生带有十分低的电压的额外的相位。能够用一个相位模块20中的少数的单独模块12产生十分低的电压。一个相位模块20一般具有至少两个单独模块12。
如果该模块化多电平逆变器10具有例如三个相位端子14，则该逆变器在一个已知的三角电路中工作。用于添加一个另外的相位的耗费仅在于添加一个额外的分接部14。在此，在相同的驱动功率的情况下这些单独模块12的电流负载一级近似地保持为常数。然而同时，该电动机器的每个相位的平均的电流强度随着相位数目而逆向线性地下降。因为在这些绕组之间的电压差现在直接由该逆变器10提供，在该绕组处的电压现在不再相对于该星形点43，而是相对一个相邻的绕组。由此，该星形点43是在调节算法中的自由度，并且能够作为在该逆变器的调节算法中的约束条件来实现。
通过增加相位数目，正如已经提到的，降低了在该逆变器中的相位电压。在图5中示出降低该相位电压的示意性曲线。在纵坐标轴线上示出该相位电压26并且在横坐标轴线上示出相位数目24。借助于该曲线可以清楚地看出，随着相位数目24的增加，该相位电压26持续下降。这允许十分精细地控制在该电动机器中的磁性感应。在此，该控制能够通过这些谐波(Harmonischen)或通过扭矩特性曲线进行。在该控制中，通过该扭矩特性曲线也能够调控该机器的振动。
由于带有该模块化多电平逆变器的多相系统的更高的波形质量，不再存在陡峭的电压边缘，这些电压边缘在常规的驱动电流逆变器的情况下由于这些最高水平之间的快速转换而是常见的。然而，这些现在省却的陡峭边缘是破坏绝缘的主要原因，破坏绝缘是电动机器的主要老化原因。由于现在减小的绝缘负载，在相同的绝缘的情况下能够提高电压，由此一方面例如提高电动机功率密度并且另一方面提高使用寿命。
此外，能够避免该电动机的磁场弱化区域或向更高的转速偏移。该磁场弱化区域是无法通过提高输出电压的频率而提高该电动机的转速的区域。避免额外的磁场弱化电流的可能性实质性地提高了在较宽的运行区域内整个系统的效率并且提高调节稳定性。
图6示意性地示出在提高相位数目28的情况下对其他参数的影响。相位数目28在横坐标轴线上示出。在此，纵坐标轴线不示出绝对值，而是在相应的参考值上标准化的值，使得仅示出比例。该曲线30示出在这些相应的相邻的相位之间的差值电压的曲线。可以清楚地看到，在提高相位数目28的情况下，该差值电压持续减小。该曲线32描述相位模块的数目(图1和2中的参考符号20)，在提高相位数目28的情况下使用该曲线。该曲线34描述在提高相位数目28的情况下该电动机的每个相位(即一个绕组)的电流。在此可以看到，该电流在提高相位数目28的情况下首先大幅度地降低并且在高的相位数目28的情况下在提高时几乎没有减少。这同样适用于每个单独模块的电流(图1和2的参考符号12)，该电流在曲线36中示出。在此可以看到，每个模块的电流接近一个极限值。
图2示出一个模块化多电平逆变器10’的另一个实施方式以用于在一个根据本发明的多相系统中使用。在此，该模块化多电平逆变器10’具有一个额外的相位模块22。该额外的相位模块22具有至少两个单独模块12。该额外的相位模块22连接到一个分接部14处并且主动产生相对于一个参考点或参考电位24的电压参考值。这用于确保车辆中的高电压系统的无电势性(Potentialfreiheit)。车辆中的高电压系统一般实施为无电势的，即例如与该车辆的车身并且也与所有其他的低电压部件是电流隔离的。该无电势性提高了故障事件中的安全。即使直接或间接地接触该高电压系统的一个任意的导体，例如与该车身连接，也没有持久的电流流动。当该模块化多电平逆变器10’(根据本发明作为柔性的多相电池工作)与一个或多个负载(例如该电动机器)连接时，为了获得该无电势性必须通过适合地调节相对彼此的相位电流来产生一个虚拟的星形点。然而如果产生一个固定的参考电位，这能够以至少两种方式进行。一方面，一个或多个、尽可能对称地划分该环的点能够通过阻抗(电阻、电感和混合电感-电阻元件)与对应的参考电位连接。在此，对该阻抗的选择示出流经这些阻抗的电流的能量损耗和相对于该参考电位的过强的漂移之间的折中。代替此类无源元件如阻抗，一个额外的相位模块22，正如已经提到的，同样能够产生相对于该参考电位24的电压参考值。图2中，该参考电位24是接地。然而，任何其他任意的参考电位同样是可设想的。不同于带有阻抗的替代方案，相位模块22能够提供高的补偿电流，以便相对于该参考电位阻止宽的漂移。
此外，在图2中示出的该模块化多电平逆变器10’的实施方式具有多个单独模块12，这些单独模块彼此连接成一个环。在此，这些单独模块12通过两个电导体16、18彼此连接。至少两个单独模块12形成一个相位模块。在两个相邻的单独模块12之间安排分接部14以用于形成一个相位端子。在此，能够结合两个电导体16、18以便形成一个端子14a。或者，一个端子14b仅安排在一个电导体16、18处。
能够用根据本发明的多相系统防故障地覆盖在电动机器中的所有三种典型的相位损失情况。一方面，能够避免绝缘故障，这些绝缘故障导致两个相位的或多或少导电连接。为此，该模块化多电平逆变器一方面能够有效地断开这些所涉及的相位，其方式为通过合适的电压曲线将在这些相位(作为该调节的约束条件)中的电流调节至零。另一方面，该模块化多电平逆变器在有关于相间短路的位置的充足信息的情况下，将在这两个相位的两个不期望地彼此接触的点之间的电压控制或调节至零并且由此将在这两个相位之间的电流控制或调节至零。通过阻止在该相间短路上的电流能够防止仅中等程度导电连接的加热。如果该相间短路的两个连接点以相同的比例划分这些相应的相位，解决方案在于这两个相位的精确的并联运行。
此外，能够在一个相位内避免绝缘故障，这些绝缘故障导致在不同的线圈之间的导电连接，使得该电流的一部分不穿过整个线圈，而是“缩短”路程。此外能够避免相位的损耗，例如由于烧毁或中断的连接或氧化的连接点。对于这两个最后提及的故障，能够切断所涉及的相位，其方式为将在这些相位中的电流或相对一般不可直接接近的星形点的电压最小化或调节为零。
在该多相系统中的相位数目越高，在一个单独的相位发生故障的情况下，该电动机器能够提供越多的剩余功率和更少的扭矩波动。由此该电动机器运行得更为平稳。该电动机器能够经受至少如此多的相位故障，使得在每个120°的扇区中仍然存在至少一个起作用的相位。在此，一般也应该实现该电动机器的启动。
该扭矩波动或不均匀的扭矩基于高次谐波，这些高次谐波通过常规的电动机器和其常规的变流器大幅度地产生。为此，在机器侧，原因在于不完全的正弦形感生的反电压。在该电动机器的定子的情况下，原因在于稳固的电极和极靴边缘效应(Polschuhrandeffekten)。在该转子的情况下，原因是空间上的电极尺寸、饱和效应、气穴和用于强度的机械结构，使得不完全地正弦形感生这些反电压。在变流器侧，原因在于借助于开关调制(例如脉冲宽度调制、相位角调制、块交换(Blockkommutierung)等)在少量固定的电压水平之间的转换。然而，根据本发明的多相系统的许多相位允许将在气隙中的磁场在几乎每个点处十分准确地在空间上控制在0与2π之间。此外，基于该多电平逆变器的多相系统的高动态性(该动态性近似地等于所有单独模块的动态性的总和)使得能够对在该气隙中的磁场的时间曲线进行十分准确的控制。这允许随时使用迄今为止未知的高动态性对在该气隙中的每个位置处的磁场关系进行精确控制。此外，用于在一个空载过程中产生该转子的谐波的可能性在于带有十分高的精确性的定子绕组，以便补偿扭矩波动或变动。通过精确地产生空间上(由于许多相位)和时间上(由于该多电平逆变器的无可比拟的高动态性)的磁场曲线，使得减小该扭矩波动也能够作为调节算法的规则目标来使用。
在大多数电动机器中，除了铜损耗(在这些绕组中的欧姆功率损耗)之外，铁损耗形成第二重要的损耗类别。这些铁损耗的值随着该磁场的频率升高，该磁场流经在铁中的相应的位置。除了减小该扭矩波动外，也能够尤其在具有该磁场的最高场强的铁部件中通过在这些单独相位中的电流的适当失真(由此从正弦电流曲线偏离)来减少所获得的转数，使得在这些铁部件中产生较低的铁损耗。
此外应提及的是，也可以运行一个电气多相系统，在该电气多相系统中该电动机器的这些绕组彼此连接成一个环(即形成一个n角电路)并且该模块化多电平逆变器10、10’的这些相位模块20连接成一个星形电路。该模块化多电平逆变器10、10’以此方式提供这些相位模块的完全的电压，其中该星形点是固定的。该电动机器的这些绕组现在仅将该电压差视为一个相邻的绕组并且能够由此将尺寸设定为更小。以此方式，这些绕组中的电流能够在该回路中流动，由此，这些环流的时间曲线能够作为约束条件包括在该调节中。在该回路中也能够产生不同强度的电流。

Claims (29)

1.模块化多电平逆变器(10，10’)，带有多个单独模块，每个单独模块具有多个开关元件(316-1至316-8)和至少一个电能存储器(312)，其中这些单独模块彼此前后地连接成一个闭合的环，其中该多个开关元件(316-1至316-8)使得相邻的单独模块(12)的能量存储器(312)能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间能够提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节,其中在两个相邻的单独模块(12)之间相应地安排至少一个分接部(14)，该分接部提供一个相位端子，在两个相邻的分接部(14)之间安排形成一个相位模块(20)的至少两个单独模块(12),并且其中该模块化多电平逆变器(10’)具有从环形安排分支出来的、包括至少两个单独模块(12)的一个相位模块(22)，该相位模块的一个末端连接到所述闭合的环的一个分接部(14)处并且另一个末端与一个参考电位(24)连接。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平逆变器(10，10’)，其中所述单独模块(12)具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子(314a，314b)并且该第二侧具有两个端子(318a，318b)。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平逆变器(10，10’)，其中所述单独模块(12)相应地借由两个电导体(16，18)彼此电连接。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平逆变器(10，10’)，其中该分接部安排在这两个电导体(16，18)中的一者处以用于提供相位端子。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平逆变器(10，10’)，其中该分接部安排在这两个电导体(16，18)二者处以用于提供相位端子。
6.根据权利要求1所述的模块化多电平逆变器(10，10’)，其中至少一个分接部(14)通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位(24)连接。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平逆变器(10，10’)，其中多个分接部(14)分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位(24)连接，其中该多个分接部(14)对称地划分所述单独模块(12)的环。
8.根据权利要求1所述的模块化多电平逆变器(10，10’)，其中该多个单独模块(12)的所述开关元件(316-1至316-8)是低电压半导体开关元件。
9.电气多相系统，带有
-一个电动机器，该电动机器具有多个绕组，这些绕组带有第一端子和第二端子，其中存在至少一个节点，该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子或第二端子与该节点电连接，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子电连接，以及
-一个模块化多电平逆变器(10，10’)，该模块化多电平逆变器具有多个单独模块(12)，这些单独模块串联连接成一个环，其中至少一个分接部(14)相应地安排在两个相邻的单独模块(12)之间，该分接部提供一个相位端子，该电动机器的该多个绕组中的一个绕组的第一端子或第二端子与该相位端子电连接，
其中该模块化多电平逆变器(10，10’)的分接部(14)的数目相等地对应于该电动机器的该多个绕组中的绕组的数目，并且
其中该模块化多电平逆变器(10，10’)的每个单独模块(12)具有一个能量存储器(312)和多个开关元件(316-1至316-8)，该多个开关元件使得相邻的单独模块(12)的能量存储器(312)能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间能够提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节。
10.根据权利要求9所述的电气多相系统，其中该电动机器作为发电机或电动机工作。
11.根据权利要求9或10所述的电气多相系统，其中所述单独模块(12)具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子(314a，314b)并且该第二侧具有两个端子(318a，318b)。
12.根据权利要求11所述的电气多相系统，其中所述单独模块(12)相应地借由两个电导体(16，18)彼此电连接。
13.根据权利要求12所述的电气多相系统，其中该分接部安排在这两个电导体(16，18)中的一者处以用于提供相位端子。
14.根据权利要求12所述的电气多相系统，其中该分接部安排在这两个电导体(16，18)二者处以用于提供相位端子。
15.根据权利要求9或10所述的电气多相系统，其中该模块化多电平逆变器(10’)具有从环形安排分支出来的、包括至少两个单独模块(12)的一个相位模块(22)，该相位模块的一个末端连接到一个分接部(14)处并且另一个末端与一个参考电位(24)连接。
16.根据权利要求9或10所述的电气多相系统，其中至少一个分接部(14)通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位(24)连接。
17.根据权利要求16所述的电气多相系统，其中多个分接部(14)分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位(24)连接，其中该多个分接部(14)对称地划分所述单独模块(12)的环。
18.根据权利要求9或10所述的电气多相系统，其中该多个单独模块(12)的所述开关元件(316-1至316-8)是低电压半导体开关元件。
19.用于运行电气多相系统的方法，其中使用一个电动机器和一个模块化多电平逆变器(10，10’)，其中该电动机器具有多个带有第一端子和第二端子的绕组并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子或第二端子与一个节点连接，该多个绕组中的每个绕组与该节点连接，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一端子和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子连接，并且其中该模块化多电平逆变器(10，10’)具有多个单独模块(12)，这些单独模块串联连接成一个环并且至少一个分接部(14)相应地安排在两个相邻的单独模块(12)之间，该分接部提供一个相位端子，该电动机器的该多个绕组中的一个绕组的第一端子或第二端子与该相位端子电连接，其中该模块化多电平逆变器(10，10’)的每个单独模块(12)具有一个能量存储器(312)和多个开关元件(316-1至316-8)，该多个开关元件使得相邻的单独模块(12)的能量存储器能够连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间提供一个电压差，该电压差能够由一个控制单元对应于一个多相的旋转磁场的曲线进行调节。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在两个分接部(14)之间安排形成一个相位模块(20)的至少两个单独模块(12)。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中所使用的单独模块(12)是具有第一侧和第二侧的单独模块(12)，其中该第一侧具有两个端子(14a，14b)并且该第二侧具有两个端子(18a，18b)。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述单独模块(12)相应地借由两个电导体(16，18)彼此电连接。
23.根据权利要求22所述的方法，其中该分接部(14)安排在这两个电导体(16，18)中的一者处以用于提供相位端子。
24.根据权利要求22所述的方法，其中该分接部(14)安排在这两个电导体(16，18)二者处以用于提供相位端子。
25.根据权利要求19或20所述的方法，其中该逆变器(10’)具有安排在其上的一个相位模块(22)，该相位模块从环形安排分支出来，且该相位模块的一个末端连接到一个分接部(14)处并且另一个末端与一个参考电位(24)连接。
26.根据权利要求19或20所述的方法，其中至少一个分接部(14)通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与参考电位(24)连接。
27.根据权利要求25所述的方法，其中多个分接部(14)分别通过具有至少一个电阻和/或电感的电连接与一个参考电位(24)连接，其中该多个分接部(14)对称地划分所述单独模块(12)的环。
28.根据权利要求19或20所述的方法，其中将低电压半导体开关元件用作该多个单独模块(12)的开关元件(316-1至316-8)。
29.根据权利要求19或20所述的方法，其中该电动机器作为发电机或电动机工作。
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