CN113348621A - 操作多电平能量转换器的开关元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于操作使用至少三个电势(22、24、26)的多电平能量转换器(28)的开关元件(40至56)的方法，将多相电机(30)连接至该多电平能量转换器，其中，能够借助于相应的开关信号(70、72、74)在预设的时钟控制模式中操作多电平能量转换器(28)的开关元件(40至56)，其中，根据相应的额定电压信号(94、96、98)求出对于与相位(U、V、W)中的相应的相位相关联的开关元件(40至56)的开关信号(70、72、74)，以便对多相电机(30)的每个相位加载相应的相位电压，其中，补充地根据预设的叠加电压信号(86)求出开关信号(70、72、74)，使得将与叠加电压信号(86)相关的叠加电压叠加至相应的相位电压(64、66、68)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作使用至少三个电势的多电平能量转换器的开关元件的方法，多相电机连接至多电平能量转换器处，其中，能够借助于相应的开关信号在预设的时钟控制模式中操作多电平能量转换器的开关元件，其中，根据相应的额定电压信号求出对于与相位中的相应的相位相关联的开关元件的开关信号，以便对多相电机的每个相位加载相应的相位电压。本发明还涉及一种用于控制使用至少三个电势的多电平能量转换器的开关元件的控制单元，该多电平能量转换器构造用于连接至多相电机处，其中，控制单元构造为，借助于相应的开关信号在预设的时钟控制模式中操作多电平能量转换器的开关元件，为此目的，控制单元根据相应的额定电压信号求出用于与相位中的相应的相位相关联的开关元件的开关信号，以便对多相电机的每个相位加载相应的相位电压。本发明还涉及一种多电平能量转换器，该多电平能量转换器构造用于连接至多相电机处并且该多电平能量转换器使用至少三个电势，该多电平能量转换器具有：开关元件，用于对多相电机的每个相位加载相应的相位电压；和控制单元，用于借助于相应的电压信号在预设的时钟模式中控制开关元件。最后，本发明还涉及一种驱动装置，其具有多相电机和连接至多相电机处的多电平能量转换器，该多电平能量转换器使用至少三个电势。
背景技术
在现有技术中广泛已知这种类型的用于操作多电平能量转换器的开关元件的方法、为此目的的控制单元、具有控制单元的多电平能量转换器以及还有驱动装置，从而为此不需要单独的文献证明。多电平能量转换器是专门的能量转换器，该能量转换器为了执行能量转换功能使用多个电势，该电势例如能够通过一个或多个直流电压中间回路提供。本发明尤其旨在使用至少三个电势的这样的多电平能量转换器，以便实现期望的能量转换功能。
这种多电平能量转换器通常在能量供应的领域中或在功率驱动器中使用。优选地，这种多电平能量转换器双向运行，使得能够将电能从交流电压侧转换至直流电压侧，以及反过来转换。
例如从WO 02/23703 A1中已知一种多电平能量转换器。
从US 2005/071090 A1中公开评估半导体中的温度变化。
EP 2 849 331 A1的目的是经由多电平能量转换器的电容分压器平衡电压。由此补偿中性点处的电压差。
参考文献“变速驱动器中模块化多级转换器的改进循环电流注入方法(AnImproved Circulating Current Injection Method for Modular MultilevelConverters in Variable-Speed Drives)”(IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL，ELECTRON I CS。，Vol.63，No.11，2016年11月1日(2016-11-01)，第7215-7225页，XP055600388，美国)致力于抑制电容器中的纹波电压或减少多电平能量转换器的必要的电容。在此的目的是，将电容器电压的波动保持在特定的公差区间内，为此需要相应的功率交换。相应的共模电压仅使用直到极限频率。
多电平能量转换器通常用于将一个或多个直流电压中间回路与交流电网络、特别是多相交流电网络耦合。通常，通过相应的多相电机提供交流电压网络。在这方面，多电平能量转换器匹配于多相电机，使得电机的每个相位能够相应地加载电能。
在现有技术中，多相电机同样是众所周知的。多相电机在现有技术中用于大量应用，其中，需要借助于多相电机来实现特定的驱动功能。根据应用，甚至能够直接与三相位的公共能量供应网络耦合的三相电机的使用尤其广泛，以便提供期望的驱动功能。然而，在这种场景中控制可行性受限，因为多相电机在此期间通常经由相应的个体关联的能量转换器(特别是逆变器)运行。这同时允许，对于电机符合规定的运行所需的电能也从电能量存储器、例如电池、尤其高压电池、光伏装置等提供。由此，例如能够提供驱动装置，该驱动装置不仅适合于固定式应用，而且也适合于移动使用、例如在机动车中。也能够以该方式实现大量其他的应用。
特别地，如果将多电平能量转换器构造为逆变器，则可行的是，以灵活的方式控制多相电机，更确切地说即使电机具有多于三相位、例如四相位、五相位六相位或甚至更多相位也如此也能够以灵活的方式控制。但是，即使当三相电机如今是主要的或者是非常广泛的，尤其在特定应用中也会有意义的是，电机多于三个相位，即例如在船舶驱动器等中。电机例如能够构造为同步电机、异步电机等。这种电机通常构造用于被加载交流电压。
尤其使用逆变器来运行多相电机能够实现以非常动态的方式运行多相电机。多相电机通常构造为旋转电机，旋转电机具有构造为定子的支架，该支架通常提供用于容纳构造为转子的转动件的基本上圆形的开口。在开口中，转动件可转动地支承布置，其中，在转动件与支架之间构造有气隙。
旋转电机是将电能转换成机械能、特别是将在马达运行中的动能和/或机械能转换成发电机运行中的电能的设备。运动通常是转动件实施的转动运动。支架与转动件不同，通常抗扭地布置，也就是说，转动运动是转动件相对于支架的转动运动。
旋转电机的支架和转动件借助于磁通量连接，由此，在马达运行中产生力作用或转矩，该力作用或转矩以转动方式相对于支架驱动转动件。在发电机中，输送给转动件的机械能或输送的转矩以旋转的形式变换成电能。为此目的，支架分别具有相应多相位的绕组，绕组由相应的相位电流通流。在支架中或者在转动件中，也能够通过永磁体取代或至少部分地补充绕组。
这种类型的旋转电机例如是旋转场电机，旋转场电机连接至相应的多相位的、尤其三相的交流电压网络处，例如为异步电机、同步电机、具有减震笼的同步电机等。优选通过逆变器提供交流电压网络。
支架和转动件通常具有磁激活单元，该磁激活单元除了相应的绕组之外至少还能够包括相应的叠片组。叠片组通常由各个彼此电绝缘的铁磁的叠片构成。叠片能够根据应用目的称作为电动机叠片、马达叠片、变压器叠片等等。这种叠片经过标准化、例如EM10106、EM 10107等。
在逆变器的运行中，尤其当其构造为多电平能量转换器时，还通过开关元件的开关运行引起损耗。
此外，在开关元件处于接通的开关状态并且加载相应的电流时，也产生正向损耗。通常在借助于控制单元进行脉宽调制(PWM)的范畴中产生并提供用于控制开关元件的开关信号。控制单元能够被相应的多电平能量转换器所包括。但是，该控制单元也能够至少部分地通过上级的控制器、例如驱动装置的控制器等来提供。
在脉宽调制时，在相对于基本振荡周期短的时间范围中或时钟速率、也称为PWM周期中，提供呈如下时间关系(占空比)的两个直流电压电势作为开关信号，使得在PWM周期之上取平均值的电压大致对应于在PWM周期的相应的时间点的期望的相位电压。相应的相位电流相应地调节。
相应的相位电压的上述平均值的时间曲线对于关于相位电压的频率的基本振荡构成相应的相位电流是绝对性的。
多电平能量转换器也称作三级逆变器或三点式逆变器，其中，能够将相应的相位端子借助于相应的开关元件与三个电势之一耦合。
相位电流能够根据由能量转换器提供的相位电压与电机的内部电压之间的差来构造。相应的相位电压的当前值越接近所提供可用的电势之一，则在相应的PWN周期中相应的相位端子就越长时间地与该电势连接。如果例如提供小的相位电压，则结果能够是关于三点式逆变器中的中间电势持续地接近。因此，在这种运行状态中，所谓的中点路径、即逆变器的电势中的中间电势与相位端子之间的开关元件相对长时间地接通。由此，在那里能够形成大的正向损耗。然而附加地，能够考虑由于到相应的此外的电势所需的开关过程引起的开关损耗。
在大量实际应用中、例如在使用异步电机时，在关于基本振荡的相应的相位电压与基本振荡的相应的频率之间存在近似成比例的关联。特别地，这会导致在相位电压小的情况下，于是相应的频率也低，即基本振荡周期的持续时间相应长。这能够导致在中点路径中在长时间段上相对于脉冲路径和或负路径会出现正向损耗，进而会导致中点路径的相关的开关元件的大的热学负载以及还有相应的大的温度变化。
在此，就本公开意义而言的开关元件优选是可控的电子的开关元件，例如，可控的电子半导体开关、如在开关模式中运行的晶体管、晶闸管、它们的组合电路优选地具有并联的反向二极管、栅极截止晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、它们的组合等。然而，原则上，开关元件也能够通过场效应晶体管、特别是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成。
为了提供多电平能量转换器或逆变器的期望的能量转换功能，开关元件在开关模式中运行。关于使用晶体管情况下的半导体开关，开关模式表示，使得在接通的开关状态中，在晶体管的形成开关路线的端子之间提供非常小的电阻，使得在剩余电压非常小的情况下高的通过电流是可行的。相反，在关断的开关状态下，晶体管的开关路线是高阻的，即晶体管提供高的电阻，使得在施加在开关路线上的电压高的情况下也基本上不存在或仅存在非常小的、尤其可忽略的通过电流。与其不同的是晶体管中的线性运行，但是在这种类型的多电平能量转换器或逆变器中通常不使用线性运行。在从接通的开关状态切换到关断的开关状态时，流经开关元件的电流降低并且施加在开关元件处的电压上升。通过同时出现电压和电流，在该过渡时间期间产生损失能量。
损失能量同样在从关断的开关状态过渡到接通的开关状态时产生。
开关元件为了实现开关功能而具有至少一个控制端子，在该控制端子处能够对该开关元件加载由时钟发生器提供的开关信号，使得能够实现开关元件的期望的开关功能。开关信号能够是二进制的开关信号，该开关信号能够占据两个状态值，以便能够提供开关元件的期望的开关功能。例如，能够通过脉冲序列形成开关信号，借助该脉冲序列加载控制端子。这主要在晶闸管和GTO中是适宜的。此外，在晶体管中能够设置为，使得开关信号构造为矩形波信号，其中，开关元件的相应的开关状态能够与矩形波信号的电势相关联。这种信号例如对于晶体管、尤其对于双极晶体管、场效应晶体管等是适宜的。两个电势的时间上的比例通常确定占空比。
控制单元提供关于产生开关信号的功能。其他功能、特别是关于多电平能量转换器或逆变器的运行的功能也能够通过控制单元实现，例如监视功能、安全功能和/或类似功能。为此目的，控制单元能够包括硬件电路和/或程序控制的计算机单元等。当然，控制单元能够构造为单独的组件。但是，控制单元也能够至少部分地由上级的控制器、例如用于驱动装置等的控制器所包括。
多电平能量转换器通过电子硬件电路形成，该电子硬件电路具有对应于多相电机的相位数量的开关元件，借助于该开关元件能够将电机的相应的相位与多电平能量转换器的相应的电势耦合。为此目的，多电平能量转换器包括相应的相位端子，能够将电极连接至该相位端子处。通过根据脉宽调制的开关信号的适当的脉冲模型，能够实现期望的能量耦合。在此，已知基础的与之相关的运行方法，因此，在此不进一步进行与之相关的描述。对于能量转换的符合规定的运行，通常，开关信号的时钟速率显著大于相交变电流或相位电压的频率或基本频率。
在符合规定的运行中，开关元件不超过最大的额定温度。在额定温度以上，不再能够保证开关元件的可靠运行。会导致开关元件的干扰和/或失效。
此外，应该注意的是：周期性的温度变化在额定温度之下也已经会导致开关元件的老化、尤其当开关元件构造为半导体开关元件时。这种温度上升例如能够在相交变电流或相位电压的基本振荡的频率的相应的基本振荡周期的过程中相应地出现。这也会导致开关元件失效。尤其在三点式逆变器的情况下，提供小幅值的相位电压在基本频率小的同时能够导致中点路径的不利的热负荷，使得总体上结果是至少关于中点路径的大的老化。
发明内容
本发明所基于的目的是，改进这种类型的方法、控制单元、多电平能量转换器和驱动装置，使得能够尤其在部分负载运行中实现开关元件的改进的热负载。
作为解决方案，本发明提出根据独立权利要求的方法、控制单元、多电平能量转换器以及驱动装置。
有利的改进形式通过从属权利要求的特征得出。
关于这种类型的方法特别提出，开关信号补充地根据预设的叠加电压信号来求出，使得将与叠加电压信号相关的叠加电压叠加至相应的相位电压。
关于这种类型的控制单元尤其提出，控制单元还构造用于根据预设的叠加电压信号补充地求出开关信号，以便将与叠加电压信号相关的叠加电压叠加至相应的相位电压。
关于这种类型的多电平能量转换器尤其提出，该多电平能量转换器包括根据本发明的控制单元。
关于这种类型的驱动装置尤其提出，该驱动装置包括根据本发明的多电平能量转换器。
本发明基于以下思想，即，通过相位电压的电势移位，开关元件的负荷、尤其在相位电压幅值小以及相位电压的基本频率小的情况下，或者在部分负载范围中更好地分布到多电平能量转换器的所有开关元件上。这通过以下方式实现，将叠加电压叠加至相位电压中的相应的相位电压。叠加电压优选对于所有相位电压是相同大的。因为多相电机通常不接地地连接至多电平能量转换器，所以这不需要导致关于电机的运行特性的任何变化。
该原理既不限于通过多电平能量转换器使用三个电势，也不限于在三相电机中使用。因此，多电平能量转换器还能够使用四个不同的电势、五个电势或甚至还更多不同的电势。在多相电机的情况下，相位数量同样不是关键的。因此，本发明提供了一种简单的可能性，利用该可行性能够实现开关元件的更均匀的负载，而不必接受其他缺点。
例如，时钟速率也能够降低。时钟速率的降低尽管允许减小开关元件的开关损耗，但是导致所谓的纹波电流及其影响变大。纹波电流通过相位电压与在相应的相位端子处的PWM周期内由多电平能量转换器或逆变器实际提供的输出电压之间的差引起，并叠加至实际的相交变电流。这能够导致在所连接的多相电机中更高的损耗、更高的温度和噪声，以及可能导致其他不期望的副作用。
此外，还能够减小相交变电流。由此，除了开关损耗之外，还能够减小开关元件的正向损耗。但是，在此当然也导致功率减小，该功率减小在电机中导致转矩相应地减小。
此外，也能够考虑在开关信号中的时钟间隙。时钟间隙是基本振荡或基本频率的相应的周期内的时间段，在该时间段中在相应的相位中不执行开关元件的开关过程。然而，对于开关元件的均匀的负载，时钟间隙必须周期性地在所有开关元件之间切换。这种脉冲模式也被称为是不连续的。但是，在此不利的是，相交变电流具有较不利的频谱。例如，当两个参与的相位都开关时，则在相应的相位的双倍的脉冲频率之间切换连接的电压的有效频率，并且当两个相位之一具有时钟间隙时，切换单脉冲频率。由此，也提高了叠加至相交变电流的纹波电流。
此外，在此通常所形成的共模电压被证实为是不利的，其中，例如在基本振荡周期的每六分之一之后所有相位电压都能够相对于参考电势、如地电势突变。这种电压突变交替地沿两个方向进行，并且其大小对应于直流电压并且其斜率通常取决于开关元件的开关速度。结合寄生电容、例如在多相位电机的绕组和电机的接地壳体之间的寄生电容能够导致相对大的共模电流，该共模电流同时还能够导致关于电磁兼容性(EMV)的相应的干扰。
通过根据本发明的方法能够避免该缺点。在此，利用了这样一个事实，即对于多相电机的运行表现而言至关重要的是适应于连接的相位电压，这就是为什么该相位电压应当移动相应的相同的电压值，而不损害电机的符合规定的功能。
即使当前对于相交变电流或相位电压设有正弦曲线，本发明也不限于此。当然，相交变电流或相位电压也能够具有相应的其他的谐波曲线，该曲线能够取决于相应的特定的应用。
因此，根据本发明，在求出开关信号时补充地考虑叠加电压信号，其中，补充地根据预设的叠加电压信号求出开关信号，使得将取决于叠加电压信号的叠加电压叠加至相应的相位电压。
优选地，该叠加电压对于所有相位电压都是相同的，使得尤其能够将对于多相电机的影响保持得尽可能小。叠加电压信号能在控制单元的控制信号单元中够用于影响开关信号的占空比，使得在多电平能量转换器的相应的相位端子处提供与叠加电压叠加的相应的相位电压，其中，该开关信号单元从相位电压或相交变电流的预设值中提供用于开关元件的相应的开关信号。由此，能够减小在开始所描述的关于不利的负载、尤其关于三点式逆变器中的中点路径方面的问题，因为通过由于叠加的电压引起的相应的相位电压的移动将负载至少部分地转移到相应的其他的路径上。
由此可行的是，尤其在相位电压的幅值小的情况下以及在相位电压的基础频率小的情况下减小中点路径的负载。相应地，其他的路径被更强地负载，使得整体上关于热负荷实现开关元件的更均匀的负荷。该远离基本上与使用多电平能量转换器的多少电势以实现期望的能量转换功能无关。同样地，该原理当然与多相电机具有多少相位无关。原则上，因此能够利用本发明将电势中的至少一个单独的电势的负荷至少部分地移动到其他电势上。
因此，通过本发明能够实现，使得多电平能量转换器的开关元件整体上更均匀地被负载，使得除了多电平能量转换器的较大的负荷之外，整体上也能够减小开关元件的老化进而也减小整个多电平能量转换器的老化。由此，能够整体上提高多电平能量转换器的可负载性和/或但是减小其在结构负荷方面的设计。能够提高可靠性和/或能够降低成本。
相位电压是在多电平能量转换器或逆变器或电机的相应的相位端子处的交流电压，并且在此涉及在多电平能量转换器或逆变器的相应的相位端子处的交流电压，其中多相电机连接至该相位端子。在此，对于多相电机的每个相位优选通过多电平能量转换器或逆变器提供至少一个相位端子，其中，多相电机的相应的相位能够连接至该相位端子。对于每个相位单子，通过多电平能量转换器或逆变器分别设有具有适当数量开关元件的至少一个电路装置，借助该电路装置能够将相应的相位端子选择性地与多电平能量转换器或逆变器的至少一个电势耦合。
通常，通过由控制单元提供的开关信号的合适的脉冲模型调节关于多相电机的相应的相位电流，其中，利用控制单元控制相应的开关元件。相关联的相位电压限制能够通过如下方式从该脉冲模型中求出，即例如相应的脉冲模型借助于适当的低通滤波器来滤波，求出傅里叶变换，借助于功率测量设备求出相应的相位电压等。因此，相位电压不对应于直接的脉冲模型，该脉冲模型直接在多电平能量转换器或逆变器的相应的相位端子处提供。出于该原因，相应的相位电压的基本振荡的频率通常显著小于开关信号的时钟频率，据此将相应的脉冲模型提供给相应的相位端子。
根据一个改进方案提出，至少当额定电压信号的频率小于预设的比较频率时，才进行叠加。预设的比较频率能够例如是大约30Hz或更小的频率。这能够考虑，开关元件的热时间常数相对较小并且相应的温度上升对于相应的开关元件已经会是显著的。在比较频率之上，能够减少或甚至停下叠加电压信号的提供。由此，开关元件的根据本发明的控制或运行仅当这由于多电平能量转换器、尤其其开关元件的运行特性在符合规定的运行中证实为是适宜的时才需设有。因为额定电压信号的基本频率通常基本上对应于相交变电流的基本频率，所以比较频率当然也能够与相交变电流的基本频率相关。
根据一个改进方案提出，至少当额定电压信号的幅值小于预设的比较幅值时，才进行叠加。由此能够避免电势或者与该电势电耦合的开关元件被特别地负载，该电势或开关元件对于实现这种相位电压是重要的。这优选是处于最大正电势与最大负电势之间的中间范围中的电势或其开关元件。在三点式逆变器的情况下，这优选是中间电势或中点路径。通过叠加叠加电势因此能够将负载分布到其他电势或与其相关联的开关元件上。在比较幅值之上，因此无需实现根据本发明的开关元件的控制或开关元件的操作。当然，该改进方案也能够与关于频率的前述改进方案组合。
能够提出，为每个相位提供单独的叠加电压信号，借助于该叠加电压信号为每个相位调节相应的叠加电压的幅值。由此，可行的是，为每个相位单独地调节相应的叠加电压。这具有的优点是，使得由此能够更好地考虑或者补偿相位特定的特殊性等的公差，特别是关于提供额定电压信号以及还有关于多相电机的相应的相位的电学特性。此外，当然也能够设有其他的应用，其中，能够对不同的相位加载彼此偏差的叠加电压，使得能够在驱动装置的符合规定的运行中补偿这些相位。由此，能够实现特定效果，该效果对于可能的特定应用是重要的。但是优选地，叠加电压信号以及相应的相关联的叠加电压基本上相同大。
还提出，求出开关元件的温度并且根据所求出的温度来调节叠加电压信号。该改进方案具有的优点是，能够将开关元件的控制专门匹配于开关元件的相应的热负载。由此，能够以简单的方式实现开关元件尤其关于热负荷的中等的均匀的负荷。叠加电压或者叠加电压信号因此不需要是强制恒定的，而是能够按需变化。叠加电压信号能够是直流电压信号，其中，直流电压信号的幅值能够按需适配。除了温度相关性之外，叠加电压信号的幅值当然也能够与相位电压和/或相交变电流的幅值相关，或者也与相位电压或相交变电流的频率、尤其基本振荡的频率相关。能够以已知的方式求出开关元件的温度，例如通过检测开关元件的开关特性等。当然也能够提出，开关元件具有相应的温度传感器，该温度传感器连接至控制单元并且由该控制单元相应地评估该温度传感器的传感器信号。也能够设有它们的组合。
还能够提出，求出开关元件的老化状态，并且根据所求出的老化状态来调节叠加电压信号。在半导体开关元件的情况下，尤其在符合规定的运行中相应温度的提高被证实为是老化状态的指示。这能够对于提供叠加电压信号来补充地考虑，使得或者也能够对于叠加交流电压的调节考虑多电平能量转换器的开关元件的不同的老化状态。
叠加电压信号例如能够是直流电压信号。此外，该叠加电压信号当然也能够通过交流电压信号形成。由此可行的是，根据交流电压信号将负载周期性地分布到可用的电势或其开关元件上。根据交流电压的类型或者在考虑频率的情况下，能够实现热负载的相应的分布。因此，能够进一步改进多电平能量转换器或逆变器、特别是其开关元件的可负载性。
此外提出，根据开关元件的热学时间常数来调节交流电压信号的幅值和/或频率。由此，尤其能够整体上改进地考虑多电平能量转换器或逆变器的开关元件的特性。因此，例如，能够选择交流电压的频率，使得相应的开关元件的温度上升尽可能小。例如也能够考虑开关元件的热学时间常数。
交流电压能够是正弦交流电压。然而，其尤其有利地为梯形交流电压等。也能够提出，将其他信号形式用于交流电压，以便能够实现负载的尽可能有利的分布。当然，该设计方案也能够彼此组合。该组合能够包括，使得按需、例如以预设的时间格、根据开关元件的检测到的温度等切换信号形状。交流电压的信号形状能够是可变的，例如根据开关元件的检测到的负荷、多电平能量转换器的运行状态等来改变。
交流电压信号优选是梯形交流电压信号。如果例如在三点式逆变器中中点路径在其可负载性方面比其他路径可更弱负载地设计，则该设计方案是尤其适合的。因此，在这种逆变器的情况下，根据现有技术的运行会迅速导致中点电压路径的相应小地设计的开关元件的大的负荷。在此，通过选择梯形交流电压信号，中点路径的不利的负载能够更好地分布到其他路径上。总体上，当然也能够以匹配于多电平能量转换器或逆变器的设计的方式选择交流电压信号的信号形状，以便更好地考虑开关元件的不同设计。这当然也能够包括开关元件的相应的冷却。
对于根据本发明的方法提出的优点和效果自然也同样适用于根据本发明的控制单元、根据本发明的多电平能量转换器以及根据本发明的驱动装置，并且反之亦然。相应地，还能够针对方法特征制定设备特征，反之亦然。
附图说明
根据附图从以下实施例的描述中得出其他特征、优点和效果。在附图中，相同的附图标记表示相同的特征和功能。
附图示出：
图1示出具有三相异步电机的驱动装置的示意电路图，该三相异步电机连接至三点式逆变器处；
图2示出根据图1的三点式逆变器的示意电路图；
图3示出在电压幅值小的情况下的根据图2的逆变器的相位端子处的相位电压的额定电压信号的示意图形视图；
图4示出图3中的区域IV的在时间上放大的部分图；
图5示出根据图2的逆变器的相位端子处的输出电压的示意图形视图，该输出电压根据图4求出，
图6示出相位中的所选择的相位的如图4的示意图形视图，其中，示出叠加电压对于沿朝向正电势的方向的移动的作用，
图7示出根据图6的相位端子处的输出电压的如图5的示意图；
图8示出相位端子处的负输出电压的如图6的示意的图形视图，其中，示出叠加电压对于沿朝向负电势的方向的移动的作用；
图9示出用于求出根据图8的输出电压的如图7的示意图形视图；
图10示出如图4的示意图形视图，其中，相位电压被叠加用于移动至正电势的叠加电压，
图11示出用于根据图10的相应的开关信号的用于开关信号的如图5的示意图形视图，
图12示出如图10的示意图形视图，其中，从现在起叠加电压引起到负电势的移动；
图13示出用于根据图12的场景的如图11的示意图形视图；
图14示出如图10的另一个示意图形视图，其中，叠加电压小于在根据图10的设计方案中的叠加电压；
图15示出用于根据图14的场景的开关信号的示意图形视图；
图16示出用于根据第一设计方案的用于相位电压的个体的叠加电压的示意图形视图；
图17示出用于第二设计方案的如图16的示意图形视图；
图18示出用于第三设计方案的如图16的示意图形视图；
图19示出通过叠加电压叠加的相位电压的示意图形视图；
图20示出根据图19的叠加电压信号的示意图形视图，以及
图21示出示意图形视图，其中，借助于相位电压的基本振荡的不同频率的图形示出开关元件的电流应力能力。
具体实施方式
图1示出根据本发明的驱动装置10的示意电路图，该驱动装置包括三相异步电机30，该三相异步电机具有相应的相位U、V、W。此外，驱动装置10包括连接至三相异步电机30的三点式逆变器28作为多电平能量转换器，该多电平能量转换器使用三个电势22、24、26。三点式逆变器28具有相位端子32、34、36，异步电机30的相位U、V、W连接至这些相位端子处。
三点式逆变器28还连接至直流电压中间回路12和第二直流电压中间回路14处，直流电压中间回路和第二直流电压回路在端子点20处彼此电耦合。由此，为三点式逆变器28提供电势22、24、26。直流电压中间回路12、14分别提供中间回路直流电压U1、U2，该中间回路直流电压当前大致相同大。但是，根据需要该中间回路直流电压能够彼此偏差。
在符合规定的运行中，借助于逆变器28将直流电压中间回路12、14与异步电机30相应地以能量技术的方式耦合。当前提出，能够实现双向的能量交换，使得异步电机30能够在四象限模式中运行。异步电机30因此能够作为电动机和作为发电机运行。利用逆变器28建立到直流电压中间回路12和14的相应的能量技术的方式的耦合。三点式逆变器28对于其符合规定的运行包括控制单元38，该控制单元与驱动装置10的未示出的上级的控制装置以通信技术的方式耦合。但是，控制单元39能够以其他设计方案也至少部分地与驱动装置10的上级的控制装置一件式地构造。
图2示出三点式逆变器28的原理构造的另一个示意电路图。三点式逆变器28包括三个电路装置58、60、62，电路装置包括相应的开关元件40至56。因此，电路装置58包括开关元件40、42、44。电路装置60包括开关元件46、48、50。电路装置62包括开关元件52、54、56。电路装置58的开关元件40、42、44分别利用其端子连接至电势22。相应地，电路装置60的开关元件46、48、50分别利用其端子连接至电势24。最后，开关元件52、54、56分别利用其端子连接至电势26。当前通过IGBT形成开关元件。
开关元件40、46、52的第二端子分别连接至相位端子32，开关元件42、48、54的第二端子分别连接至相位端子34，并且开关元件44、50、56的第二端子分别连接至相位端子36。
通过上述电路拓扑，根据相应的开关元件40至56的开关状态，每个相位端子32、34、36能够与电势22、24、26中的相应的电势电耦合。与相位端子32、34、36中的相应的相位端子电耦合的开关元件40至56通常彼此以电子的方式锁定，使得它们不会同时占据接通的开关状态。由此，能够避免电势22、24、26之间的短路。
三点式逆变器28还包括控制单元38，该控制单元38用于以预设的时钟模式来控制开关元件40至56，为此目的，控制单元产生相应的开关信号，以将输出电压70、72、74提供给相应的相位端子32、34、36(图5)。当前，根据脉宽调制来产生开关信号，如将在下面进一步解释。
图3示出示出额定电压信号64、66、68的示意的图形视图，该额定电压信号为被提供用于脉宽调制，用于在相应的相位端子32、34、36处产生相应的相位电压70、72、74。纵坐标与电势相关联，而横坐标与时间相关联。在根据图3的图像中，借助于图像76示出额定电压信号64、66、68的基本振荡的周期。额定电压信号64、66、68分别彼此相移，更确切地说当前移动大约120°。
从图3中可见，额定电压信号64、66、68的电压幅值相对小，这就是为什么通过电路装置60形成的三点式逆变器28的中点路径被强烈负荷的原因。在当前的驱动装置10中，当异步电机30在转速小的情况下该运行状态才出现。通常，额定电压信号64、66、68之一的电压幅值大约与基本振荡的频率成比例。这通过以下方式作用于逆变器28，即相应的电路装置60和在此尤其电路装置的开关元件46、48、50在基本振荡电压小的情况下在热学方面受到强烈负荷。
图4示出图3中的区域IV的时间上的放大图。利用附图标记64、66、68表示相位电压70、72、74的相应的额定电压信号(图5)，如其通过控制单元38处理。为了根据脉宽调制产生用于相位电压70、72、74的开关信号，将额定电压信号64、66、68分别输送给控制单元38的未示出的比较器，该比较器将该信号与相应的三角信号比较，在图4中利用图像80、82示出该三角信号。图像80示出额定电压信号64、66的三角信号，额定电压信号的电势在电势22、24之间。图像82示出三角信号，该三角信号用于将额定电压信号、如根据图4的额定电压信号68比较，该额定电压信号在电势24、26之间。
通过比较操作得到用于相位电压70、72、74的相应的开关信号，如其在图5中所示。该开关信号导致在相位端子32、34、36处的相应的相位电压。在图4和图5中，分别利用图像78示出开关信号的时钟速率的各个时钟周期。在此，纵坐标又与电势相关联，而横坐标与时间相关联。
图6示出的如图4的示意图形视图，当在开关信号生成期间借助于叠加电压信号86(图像20)将叠加电压叠加到比较函数上时，相位中的单个相位(当前为相位U)的事实。如从图6可见，在考虑如根据图7所示的时间段t3、t4的情况下得到相位电压70的开关信号的开关时间点，该开关时间点示出了根据图5的相应的视图。由于叠加电压信号86，通过叠加电压的作用，时间移动，使得现在根据时间段t5、t6确定开关时间点，如这借助于用于相位电压108的开关信号所示出的那样。由此，相应的相位端子32处的中间电势移动。
图8和9对应于图6和7示出对于以下情况的关系，即额定电压信号具有处于电势24与26之间的当前的瞬时电势。叠加电压信号86在此引起负的叠加电压。根据图9的时间段相应地移动。这在图8和9中对于相位W示出。相应地，图9示出在没有叠加电压信号86的作用下的相位电压74，而图9示出在叠加电压信号86的作用下的相位电压110的事实。
由于当前相位U、V、W的叠加电压信号86是相同的(图20)，所以这如下作用为，使得在相位端子32、34、36处额定电压信号64、66、68分别移动相同的量。对于异步电机30，这没有作用，因为对于异步电机30的运行仅连接的电压是重要的。
相反，叠加电压如下作用，使得三点式逆变器28的中点路径较少负载。因此，不仅电路装置60的开关元件不那么强地被负载，而且由此负载也能够分布到其他电路装置58、62的开关元件上。由此，开关元件40至56能够整体上更均匀地被负载，由此能够提高可靠性并且能够减少老化。此外，三点式逆变器28的可负载性能够被整体增加。
图10和11示出当将大的叠加电压叠加至相应的额定电压信号64、66、68时的关系的如图4和5的示意图形视图。图11示出相应的相位电压70、72、74。图12和13示出叠加电压为负的相应的情况，这就是说，额定电压信号64、66、68的电势处于电势24、26之间。相应的相位电压70、72、74在图13中示出。
利用图14和15示出叠加电压的中间值，从中可见，叠加电压也能够连续地变化，于是由此能够同样优选连续地改变开关元件40至56的负载。因此，图14和图15示出中间值，如其已经针对根据图10至图13的场景所解释的那样。
图16借助于相应的图像94、96、98示出通过梯形的额定电压信号86叠加的电压信号64、66、68，如其能够由于叠加电压而时间上变化。当前，通过梯形的交流电压形成叠加电压，该交流电压的频率大于相位电压64、66、68的频率。在此，叠加交流电压信号86因此例如是梯形的。
图17示出如图16的相应的示意图形视图，其中，叠加电压信号86具有大致矩形的信号形状，其中，角被倒圆。
图18示出由于叠加电压信号86产生的叠加电压的另一个设计方案，该叠加电压信号具有大约正弦形的信号形状。
叠加交流电压信号的频率不需要是恒定的。当然，该频率能够根据需要变化，例如，还与三点式逆变器28的结构、瞬时的负载状态等相关。
在根据图16至18的图像中，横坐标分别与时间相关联，而纵坐标与电势相关联。
图19示出额定电压信号64、68、66的时间上的曲线，以及相应的额定电压信号的通过叠加电压叠加的曲线与相应的相关联的如根据图16示出的图像88、90、92的另一个示意图形。可识别的是，所有的额定电压信号64、66、68根据叠加电压信号86电势移动，使得相应的电路装置58、60、62被更均匀地负载。
图20示出相应的叠加电压信号86的电压时间图形，该叠加电压信号具有幅值84。
利用明能够实现以下优点：
-额定电压信号的基本振荡的频率小的情况下，能够增大开关元件的允许的电流，
-在电机的情况下，在转速低时就已经提供最大转矩，
-能够减少纹波电流从而减少电机的发热和噪音，
-寄生电容相同的情况下，能够减少共模电流和由此在电磁兼容领域中引起的干扰。
通常，通过其中调节最大温度的开关元件限制整个逆变器或多电平能量转换器的电流应力能力。在所有相位电压移动相同量的情况下，连接的电压保持相同，使得可忽略对电机的影响。
但是，同时，能够影响正向损耗在多电平能量转换器的不同的开关元件上的分布。通过将损耗从最大负荷的开关元件转移至其他开关元件，在电流相同的情况下能够减小该最大负荷的开关元件的温度。因此，该开关元件的最大允许温度在电流较大时才达到。
特别有利的是，使得能够持续地实施额定电压信号的移动，并且这同样能够导致持续地改变损耗的分布。由此，尽管开关元件的正向特性和冷却特性可能不同而其损耗或其最大温度能够被补偿。纹波电流能够被减小，因为不需要时钟间隙。对于纹波电流决定性的频率例如在基本振荡的整个周期上保持双倍的脉冲频率。
共模电流通常与共模电路中的电容和与共模电压的变化速度成比例。在使用时钟间隙的情况下，这会非常大，因为其通常对应于开关元件的开关速度，并且为了实现小的开关损耗需要尽可能快速地开关该开关元件。在根据本发明的在此描述的方法中，相反地，共模电压的变化速度与开关元件的开关行为解耦并且可自由调节。
由于损耗以可自由选择的方式分布到开关元件上，能够实现开关元件整体的更小的温度和开关元件更均匀的负载。各个开关元件的较小的热负荷在电流保持相同的情况下会导致更高的可靠性。相反地，在允许的最大温度相同的情况下能够实现更大的电流，使得能够提高功率。
第一直流电压中间电路12提供第一中间电路直流电压U1并且第二直流电压中间电路14提供第二中间电路直流电压U1。当前，第一和第二中间电路直流电压U1、U2具有相同的大小。但是，根据应用也能够提出，第一和第二中间电路直流电压彼此不同。
图21示出能够利用根据本发明的运行方法实现的作用的示意图形视图。横坐标与频率相关联，而纵坐标与电流相关联。
利用图21中示出的图像100、102、104、106示出开关元件40至56的最大的电流应力能力，进而也示出多电平能量转换器或三点式逆变器28的电流应力能力。
图像104示出对于不使用叠加电压的符合规定的运行情况的降额，其中，不考虑温度脉动。根据图像104可见，允许的电流应力能力随频率下降而下降。利用图像106示出对于开关元件40至56中的相应的开关元件的最大允许的阻挡层温度结合对于预设的使用寿命允许的温度脉动的情况的事实。温度脉动涉及在额定电压信号64、66、68的基本振荡的一个周期期间的温度上升。过载时间越长，就将降额设置得越强。这能够根据图像104和106示出。
现在，图像100和102示出相应地在利用叠加电压的情况下的事实。在此，关于运行条件，将图像100与图像104相关联，将图像102与图像106相关联。可识别的是，通过使用叠加电压能够显著地提高多电平能量转换器或三点式逆变器28的可负载性，更确切地说尤其在小于大约30Hz的频率范围内。然而，这也能够根据多电平能量转换器或三点式逆变器28的结构改变，因为本发明的效果尤其还能够取决于多电平能量转换器或三点式逆变器28的结构实际上如何实施。
示例性实施例仅用于解释本发明，而不应限制本发明。
Claims (11)
1.一种用于操作使用至少三个电势(22、24、26)的多电平能量转换器(28)的开关元件(40至56)的方法，多相电机(30)连接至所述多电平能量转换器处，其中，借助于相应的开关信号(70、72、74)在预设的时钟控制模式中操作所述多电平能量转换器(28)的开关元件(40至56)，其中，根据相应的额定电压信号(64、66、68)求出对于与相位(U、V、W)中的相应的相位相关联的所述开关元件(40至56)的所述开关信号(70、72、74)，以便对所述多相电机(30)的每个相位加载相应的相位电压(70、72、74)，其中，补充地根据预设的叠加电压信号(86)求出所述开关信号，使得将与所述叠加电压信号(86)相关的叠加电压叠加至相应的所述相位电压(70、72、74)，其特征在于，通过由于所述叠加电压引起的相应的所述相位电压(70、72、74)的移动将所述开关元件(40至56)的负载更均匀地分布到所述多电平能量转换器(28)的所有所述开关元件(40至56)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述额定电压信号(64、66、68)的频率小于预设的比较频率时进行叠加。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当所述额定电压信号(64、66、68)的幅值小于预设的比较幅值时进行叠加。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，求出所述开关元件(40至56)的温度，并且根据求出的所述温度来调节所述叠加电压信号(86)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，求出所述开关元件(40至56)的老化状态，并且根据求出的所述老化状态来调节所述叠加电压信号(86)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用交流电压信号作为所述叠加电压信号(86)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述开关元件(40至56)的热学时间常数来调节所述交流电压信号的振幅和/或频率。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述交流电压信号是梯形的交流电压信号。
9.一种用于控制使用至少三个电势(22、24、26)的多电平能量转换器(28)的开关元件(40至56)的控制单元(38)，所述多电平能量转换器构造用于连接至多相电机(30)处，借助于相应的开关信号(70、72、74)在预设的时钟控制模式中操作所述多电平能量转换器(28)的开关元件(40至56)，为此目的，所述控制单元(38)根据相应的额定电压信号(64、66、68)求出对于与相位中的相应的相位相关联的所述开关元件(40至56)的所述开关信号(70、72、74)，以便对所述多相电机(30)的每个相位(U、V、W)加载相应的相位电压(70、72、74)，其中，所述控制单元(38)还构造用于根据预设的叠加电压信号(86)补充地求出所述开关信号(70、72、74)，以便将与所述叠加电压信号(86)相关的叠加电压叠加至相应的所述相位电压(64、66、68)，其特征在于，所述控制单元(38)构造用于，通过由于所述叠加电压引起的相应的所述相位电压(70、72、74)的移动将所述开关元件(40至56)的负载更均匀地分布到所述多电平能量转换器(28)的所有开关元件(40至56)上。
10.一种多电平能量转换器(28)，所述多电平能量转换器构造用于连接至多相电机(30)处，并且所述多电平能量转换器使用至少三个电势(22、24、26)，所述多电平能量转换器具有：
-开关元件(40至56)，用于对所述多相电机(30)的每个相位(U、V、W)加载相应的相位电压(70、72、74)，和
-控制单元(38)，用于借助于相应的电压信号在预设的时钟控制模式中控制所述开关元件(40至56)，
其特征在于，
所述控制单元(38)根据权利要求9构造。
11.一种驱动装置(10)，具有
-多相电机(30)，和
-连接至所述多相电机(30)的多电平能量转换器(28)，所述多电平能量转换器使用至少三个电势(22、24、26)，
其特征在于，所述多电平能量转换器(28)根据权利要求10构造。
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