CN109983683A - 对变流器的输出电流的调节 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调节变流器(1)的输出电流(i、iu、iv、iw)的方法，变流器具有直流电压中间电路(Z)和半导体开关(17)，半导体开关处于桥式电路中以对直流电压中间电路(Z)的直流电压(Uz)进行变流。借助直接滞环电流调节来调节输出电流(i、iu、iv、iw)，其中，输出电流(i、iu、iv、iw)的实际值(iist)被保持在围绕理论值(isoll)的滞环窗之内。此外，调制滞环窗的滞环宽度(W)，以设定输出电流(i、iu、iv、iw)的频谱。

Description

对变流器的输出电流的调节
技术领域
本发明涉及对变流器的输出电流的调节，变流器具有直流电压中间电路和半导体开关，半导体开关处于桥式电路中以对直流电压中间电路的直流电压进行变流。
背景技术
为了调节这种变流器的输出电流，能够使用两种不同的方法。最常用的是使用所谓的间接电流调节。在此，借助电流调节器计算输出电压，其随后借助脉宽调制方法来产生。替选地，使用所谓的直接的电流调节。在此，直接通过评估实际电流确定变流器的下一初始状态，即电流调节的脉冲模式直接从电流误差中导出。
发明内容
本发明的目的在：提供一种用于调节变流器的输出电流的改进方法和一种实现应用该方法的变流器。
根据本发明，所述目的在方法方面通过权利要求1的特征实现并且在变流器方面通过权利要求8的特征实现。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。
在根据本发明的用于调节变流器的输出电流的方法中，该变流器具有直流电压中间电路和半导体开关，半导体开关处于桥式电路中以对直流电压中间电路的直流电压进行变流，借助直接的滞环电流调节(Hysteresestromreglung)来调节输出电流，其中，输出电流的实际值被保持在围绕理论值的滞环窗之内。在此，调制滞环窗的滞环宽度，以设定输出电流的频谱。
将滞环调节理解为如下调节，在该调节中调节变量被保持在围绕理论值的公差范围中。公差范围在此称作为滞环窗，公差范围的宽度称作为滞环宽度。
本发明将变流器的输出电流的直接滞环电流调节与滞环宽度的调制组合。与基于脉宽调制的间接电流调节相比，直接的电流调节有利地实现了更高的动态和鲁棒性，例如相对于受控系统的参数的变化的动态和鲁棒性，因为在基于脉宽调制的间接电流调节中必须预先计算脉宽调制在脉冲周期之内使用的脉冲模式。本发明利用了：在使用输出电流的直接滞环电流调节的情况下，变流器的开关频率能够通过改变滞环电流调节的滞环宽度来影响。通过影响开关频率，又能够改变输出电流的频谱。这实现：通过调制直接滞环电流调节的滞环宽度来设定输出电流的频谱。例如，由此能够有利地避免激发由变流器和负载构成的总系统中的谐振频率。此外，能够将输出电流不期望的谐波分量有针对性地推移到如下频率范围中，在该频率范围中谐波分量被系统更强地衰减，或者在该频率范围中谐波分量是非临界的。如果变流器与例如为马达电感的负载连接，那么还能够通过如下方式抑制通常由这种负载产生的干扰性噪声：即将频谱匹配于人类听觉的声学灵敏度。
本发明的一个设计方案提出：针对变流器的不同的工作点预先计算滞环宽度的调制，并且在变流器的运行过程中与工作点相关地根据该预先计算来进行设定。本发明的该设计方案实现了，以低计算耗费在变流器运行时与工作点相关地调制滞环宽度，因为预先计算了滞环宽度的调制。
本发明的前述设计方案的替选设计方案提出：在变流器的运行过程中根据变流器的当前的工作点来计算滞环宽度的调制。尽管本发明的该设计方案需要在变流器运行中以更高的计算耗费来调制滞环宽度，然而实现了将滞环宽度调制更灵活地也匹配于没有预见进而不可事先计算的工作点。
本发明的一个替选于上面两个设计方案的设计方案提出：在变流器的运行过程中调节滞环宽度。本发明的该设计方案还实现了，在没有精确地了解变流器的当前工作点和其参数的情况下，以期望的方式调制滞环宽度。
本发明的另一设计方案涉及与电网滤波器连接的变流器。本发明的该设计方案提出：根据电网滤波器的振幅特性来调制滞环宽度。例如，调制滞环宽度，使得输出电流的谐波分量从第一频率范围推移到第二频率范围中，在该第二频率范围中电网滤波器具有比在第一频率范围中更高的衰减。本发明的该设计方案有利地实现了，将输出电流的匹配于电网滤波器和其振幅响应。例如，新的变流器变体形式能够以最优的方式匹配于现有的电网滤波器，使得能够进一步利用现已可用的电网滤波器。此外，能够最小化由已经存在的变流器和电网滤波器构成的总系统的网络反馈。此外，能够将变流器和电压滤波器的频谱作为一体进行优化。这有利地提高了在设计电网滤波器时的优化可行性。也能够在保持现有的电压滤波器的情况下，有利地用具有直接滞环电流调节的变流器来取代常规的变流器。
本发明的另一设计方案提出：使用SDHC电流调节作为滞环电流调节。将SDHC电流调节(SDHC＝Switched Diamond Hysteresis Control切换的菱形滞环控制)理解为如下电流调节方法，其在H.Wieβmann,Hochdynamisches direktes Stromregelverfahren fürPulswechselrichter im Vergleich zu PWM-Verfahren(用于脉冲逆变器的高动态直接的电流调节方法与PWM方法的比较),ISBN 978-3843904759,Verlag Dr.Hut 2012中公开。在SDHC方法中，在每个时间点使用四个相邻的空间矢量用于对变流器进行电流调节，这些空间矢量的前端形成菱形。SDHC方法有利地将直接的滞环电流调节的高动态和鲁棒性与空间矢量调制的变流器的突出的静态特性相关联。
根据本发明的变流器具有直流电压中间电路、半导体开关、滞环调节器和调制单元。直流电压中间电路具有高电势总线和低电势总线，在高电势总线和低电势总线之间施加有直流电压。半导体开关在桥式电路中连接在高电势总线和低电势总线之间以对直流电压进行变流。滞环调节器设计用于对变流器的输出电流进行直接滞环电流调节，其中，输出电流的实际值被保持在围绕理论值的滞环窗之内。调制单元设计用于调制滞环窗的滞环宽度。这种变流器实现了，按照根据本发明的方法进行电流调节。因此，变流器的优点从根据本发明的方法的上述优点中得到。
变流器的设计方案提出：桥式电路具有双电平拓扑或多电平拓扑，和/或变流器设计为单相的或多相的逆变器，或设计为直流电压变换器。该设计方案实现了将根据本发明的方法用于不同类型的变流器。
变流器的另一设计方案提出：调制单元具有控制单元，该控制单元用于存储预先计算的与工作点相关的调制模式和用于在变流器的运行过程中根据预先计算的与工作点相关的调制模式来控制滞环宽度，其中调制模式用于调制滞环宽度。
变流器的替选于上述设计方案的设计方案提出：调制单元具有控制单元，该控制单元用于根据变流器的当前的工作点在运行过程中计算滞环宽度的调制并且用于根据计算的调制来控制滞环宽度。
变流器的一个替选于上述两个设计方案的设计方案提出：调制单元具有用于调节滞环宽度的调节单元。
变流器的上述彼此替选的设计方案对应于根据本发明的方法的上面已经提出的设计方案，它们具有在那里已经提出的优点。
附图说明
本发明的上面描述的特性、特征和优点以及如何实现其的方式和方法结合实施例的下面的示意描述理解上变得更加清晰和明确，实施例结合附图详细阐明。在此示出：
图1示出变流器的第一实施的等效电路图；
图2示出变流器的输出电流和开关频率的第一变化曲线；
图3示出变流器的输出电流和开关频率的第二变化曲线；
图4示出变流器的输出电流的第一振幅谱；
图5示出变流器的输出电流和开关频率的第三变化曲线，
图6示出变流器的输出电流的第二振幅谱；
图7示出变流器的输出电流的第四变化曲线；
图8示出变流器的输出电流的第三振幅谱；
图9示出变流器的第二实施例的等效电路图；
图10示出变流器的第二实施例的电路图；
图11示出由变流器、电网滤波器和电网构成的系统的等效电路图；
以及
图12示出电压滤波器的振幅响应。
彼此相应的部件在全部附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出变流器1的第一实施例的等效电路图，在其上连接有负载3。变流器1具有直流电压中间电路Z、开关S、滞环调节器5和调制单元7。
直流电压中间电路Z具有处于低电势Z-的低电势总线9和处于高电势Z+的高电势总线11。直流电压中间电路Z提供直流电压UZ，该直流电压是高电势Z+和低电势Z-的差。
开关S具有第一开关状态和第二开关状态，该第一开关状态将开关S的输出端置于高电势Z+，并且该第二开关状态将开关S的输出端置于低电势Z-。开关S例如类似于图10通过两个互联成半桥15的半导体开关17实现。
负载3在等效电路图中作为欧姆电阻R和具有反向电压UQi的电感L示出。
借助滞环调节器5通过直接滞环电流调节来调节变流器1的输出电流i，使得输出电流i的实际值iist保持在围绕理论值isoll的滞环窗之内。输出电流i的实际值iist由电流测量设备13检测并且输送给滞环调节器5。滞环调节器5驱控开关S，使得输出电流i的实际值iist当其离开滞环窗时被导回到滞环窗中。
借助调制单元7来调制滞环窗的滞环宽度W，以便设定输出电流i的频谱。
图2示出了针对25A的输出电流i的恒定的反向电压UQi和恒定的理论值isoll，在图1中示出的变流器1的输出电流i的实际值iist和开关S的开关频率fs关于时间t的第一变化曲线，其中，以正弦的形式调制滞环窗的滞环宽度W。滞环窗关于理论值isoll对称，并且滞环宽度W在此被限定为滞环窗的上限与理论值isoll的距离，使得滞环窗是滞环宽度W的两倍宽。开关频率fs根据滞环宽度W的调制改变，其中开关频率fs与滞环宽度W非线性地相关。在没有调制滞环宽度W的情况下，根据瞬态响应来设定固定的稳态的开关频率fs。
图3示出了针对具有50Hz频率的正弦形反向电压UQi和25A的输出电流i的恒定的理论值isoll，图1中示出的变流器1的输出电流i的实际值iist和开关S的开关频率fs的第二时间变化曲线，其中，不调制滞环窗的滞环宽度W。反向电压UQi的时间变化引起开关频率fs的相应的时间变化。
图4示出了输出电流i的振幅关于频率f的第一振幅谱其从在图3中示出的开关频率fs和输出电流i的时间变化曲线中得出。振幅谱 具有作为开关频率fs的时间变化曲线的结果的振幅在大频率范围上的分布，使得振幅谱的平滑的包络线H在宽的范围上不具有零点。
图5示出了如在图3中那样针对具有50Hz的正弦形的反向电压UQi和25A的输出电流i的恒定的理论值isoll，图1中示出的变流器1的输出电流i的实际值iist和开关S的开关频率fs的第三时间变化曲线，其中，调制滞环窗的滞环宽度W，从而得到开关S的大约750Hz的几乎恒定的开关频率fs。
图6示出f输出电流i的振幅关于频率的第二振幅谱其从开关频率fs和输出电流i的图5中示出的时间变化曲线中得出。与图4中示出的第一振幅谱不同，图6中示出的第二振幅谱的振幅集中在窄的频率范围上，频率范围分别设置在开关S的大约750Hz的几乎恒定的开关频率fs附近或是该开关频率fs的数倍，使得振幅谱的平滑的包络线H在该频率范围之间下降到零。这显示出：通过调制滞环窗的滞环宽度W能够影响和设定变流器1的输出电流i的频谱。特别地，图4和6中示出的振幅谱的比较显示出：通过适当地调制滞环窗的滞环宽度W能够将变流器1的输出电流i的谐波分量集中到特定的频率范围。
图7示出了针对正弦形的反向电压UQi和输出电流i的以正弦形式以50Hz和理论振幅延伸的理论值isoll，图1中示出的变流器1的输出电流i的实际值iist的第四时间变化曲线，其中，以正弦形式以100Hz的频率来调制滞环窗的滞环宽度W，使得在输出电流i的理论值isoll具有极值的时间点滞环宽度W取得最小值。
图8示出输出电流i的振幅与图7相对应的关于频率f的第三振幅谱其中，仅示出振幅谱的包络线H。通过调制滞环宽度W，类似于图6，输出电流i的谐波分量被集中到相对窄的频率范围上。在理论值isoll的频率为50Hz的情况下，振幅谱具有最大值。
图9和10示出了变流器1的第二实施例。在此，图9示出等效电路图并且图10示出变流器1的电路图。变流器1是三相逆变器，具有直流电压中间电路Z，针对每个相具有一个开关Su、Sv、Sw以及滞环调节器5和调制单元7。
如在图1中示出的实施例那样，直流电压中间电路Z具有处于低电势Z-的低电势总线9和处于高电势Z+的高电势总线11，并且提供直流电压UZ，直流电压是高电势Z+和低电势Z-的差。
每个开关Su、Sv、Sw都具有第一开关状态和第二开关状态，该第一开关状态将开关Su、Sv、Sw的输出端置于高电势Z+，并且该第二开关状态将开关Su、Sv、Sw的输出端置于低电势Z-，并且与变流器1的相应相的连接端子L1、L2、L3连接。每个开关Su、Sv、Sw由两个互联成半桥15的半导体开关17形成。每个半导体开关17例如被实施为具有绝缘栅电极的双级晶体管(IGBT＝Insulated-Gate Bipolar Transistor)和反并联的二极管的双级晶体管。
借助滞环调节器5，通过直接滞环电流调节来调节变流器1的相的输出电流iu、iv、iw。优选地使用SDHC电流调节作为滞环电流调节。对此，借助电流测量设备13检测变流器1的输出电流iu、iv、iw。从所检测的输出电流iu、iv、iw中，由滞环调节器5在定子固定的复坐标系中形成实际电流空间矢量。实际电流空间矢量通过驱控开关Su、Sv、Sw来由滞环调节器5保持在围绕理论电流空间矢量的滞环窗之内，其中，在SDHC方法中在每个时间点使用四个相邻的电压空间矢量，这些电压空间矢量的前端形成菱形，以便确定对开关Su、Sv、Sw的驱控。因为实际电流空间矢量是复变量，所以滞环窗具有用于实际电流空间矢量的实部和虚部的各一个滞环宽度W。
借助调制单元7调制用于实际电流空间矢量的实部和虚部的滞环宽度W。通过调制这些滞环宽度W，能够类似于上面根据图2至8描述的对图1中示出的变流器1的输出电流i的频谱的影响那样来影响输出电流iu、iv、iw的频谱。特别地，能够将匹配的谐波分量集中于特定的频率范围上。
在本发明的每个根据图1至10描述的实施例中，或者针对变流器的不同的工作点来预先计算滞环窗W的调制，并且在变流器1运行过程中与工作点相关的根据预先计算来设定，或者在变流器1运行过程中根据变流器1的当前的工作点来计算滞环宽度W的调制，或者在变流器1的运行过程中调节滞环宽度W。在此，变流器1的工作点至少通过输出电流i或输出电流iu、iv、iw，和/或者一个或多个理论输出电流相对于直流电压UZ的调制系数(Aussteuersgrad)来限定。
代替图1、9和10中示出的具有双电平拓扑的变流器1，本发明能够类似地针对具有多电平拓扑的变流器1来实施，其中，双电平拓扑的开关S、Su、Sv、Sw仅具有两个开关状态，其中，多电平拓扑的开关S、Su、Sv、Sw具有多于仅有两个的开关状态。此外，变流器1能够具有中性导体端子和/或设计为用于不同于单相和三相的相数的逆变器。
变流器1的输出电流i、iu、iv、iw的滞环宽度W的调制尤其能够有利地用于：将输出电流i、iu、iv、iw的频谱匹配于与变流器1连接的电网滤波器19。
图11示出由变流器1、电网滤波器19和电网21构成的系统的方框图。变流器1是逆变器，其经由电网滤波器19连接于电网21。电网滤波器19示例性地被实施为具有衰减的扼流的LCL滤波器。
图12示出了在图11中示出的电网滤波器19针对不同电网电感的振幅响应A1、A2、A3，这些电网电感为电网21与电网滤波器19的联接点处的电网电感。在设计频率为大约9kHz的情况下，振幅响应A1、A2、A3分别具有明显的衰减最大值。将上面根据图1至10描述类型的变流器1用于变流器1的输出电流i、iu、iv、iw有利地实现：通过调制滞环宽度W将输出电流i、iu、iv、iw的频谱的谐波分量集中于围绕设计频率的频率范围内，在该设计频率中出现衰减最大值，其中，该变流器具有直接滞环电流调节和滞环窗的可调制滞环宽度W。由此，能够有利地将频谱匹配于电网滤波器19。特别地，能够有利地通过具有直接滞环电流调节的变流器1在保持现有的电网滤波器19的情况下取代常规的变流器1。
尽管详细地通过优选的实施例详细地阐述和表述了本发明，然而本发明不通过所公开的实例而限制，并且能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型形式，而没有偏离本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于调节变流器(1)的输出电流(i、iu、iv、iw)的方法，所述变流器具有直流电压中间电路(Z)和半导体开关(17)，所述半导体开关处于桥式电路中以对所述直流电压中间电路(Z)的直流电压(Uz)进行变流，其中，
-借助直接滞环电流调节来调节所述输出电流(i、iu、iv、iw)，其中，所述输出电流(i、iu、iv、iw)的实际值(iist)被保持在围绕理论值(isoll)的滞环窗之内，并且
-调制所述滞环窗的滞环宽度(W)，以设定所述输出电流(i、iu、iv、iw)的频谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对所述变流器(1)的不同的工作点预先计算所述滞环宽度(W)的调制，并且在所述变流器(1)的运行过程中，根据工作点按照该预先计算来设定所述滞环宽度的调制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述变流器(1)的运行过程中，根据所述变流器(1)的当前的工作点来计算所述滞环宽度(W)的调制。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述变流器(1)的运行过程中调节所述滞环宽度(W)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述变流器(1)与电网滤波器(19)连接，其特征在于，根据所述电网滤波器(19)的振幅特性(A1、A2、A3)来调制所述滞环宽度(W)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，调制所述滞环宽度(W)，使得所述输出电流(i、iu、iv、iw)的谐波分量从第一频率范围推移到第二频率范围中，在所述第二频率范围中所述电网滤波器(19)具有比在所述第一频率范围中更高的衰减。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用SDHC电流调节作为滞环电流调节。
8.一种变流器(1)，具有：
-直流电压中间电路(Z)，具有高电势总线(11)和低电势总线(9)，在所述高电势总线和低电势总线之间施加有直流电压(UZ)；
-半导体开关(17)，所述半导体开关连接在所述高电势总线(11)和所述低电势总线(9)之间的桥式电路中，以对所述直流电压(UZ)进行变流；
-滞环调节器(5)，用于对所述变流器(1)的输出电流(i、iu、iv、iw)进行直接滞环电流调节，在所述直接滞环电流调节中，所述输出电流(i、iu、iv、iw)的实际值(iist)被保持在围绕理论值(isoll)的滞环窗之内，
-和，调制单元(7)，用于对所述滞环窗的滞环宽度(W)进行调制。
9.根据权利要求8所述的变流器(1)，其特征在于，所述桥式电路具有双电平拓扑或多电平拓扑。
10.根据权利要求或8或9所述的变流器(1)，其特征在于，所述变流器(1)设计为单相的或多相的逆变器，或设计为直流电压变换器。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的变流器(1)，其特征在于，所述调制单元(7)具有控制单元，所述控制单元用于存储预先计算的与工作点相关的调制模式，其中，所述调制模式用于调制所述滞环宽度(W)，并且所述控制单元用于在所述变流器(1)的运行过程中按照预先计算的与工作点相关的调制模式来控制所述滞环宽度(W)。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的变流器(1)，其特征在于，所述调制单元(7)具有控制单元，所述控制单元用于根据所述变流器(1)的当前的工作点在运行过程中计算所述滞环宽度(W)的调制，并且所述控制单元用于按照所计算的调制来控制所述滞环宽度(W)。
13.根据权利要求8至10中任一项所述的变流器(1)，其特征在于，所述调制单元(7)具有用于调节所述滞环宽度(W)的调节单元。
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