CN206650589U - 变频器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种变频器(1)，所述变频器用于使交流电压源(10)处的电机(50)运转，其中所述变频器(1)具有整流的供电单元(20)和逆变器(40)，所述供电单元和所述逆变器通过具有中间电路电容器(31)的直流电压中间电路(30)彼此连接，脉冲式的开关(S5)布置在所述直流电压中间电路(30)的逆变器侧部分的电路路径(32)中，所述电路路径将所述直流电压中间电路(30)和所述逆变器(40)连接起来，所述脉冲式的开关设计为用于能选择地断开或闭合所述电路路径(32)或者用于脉冲式的运转。本实用新型提供的变频器能够阻止馈电至电源并且能够更好地控制功率损耗以及能够降低逆变器中的半导体损失。

Description

变频器
技术领域
本实用新型涉及一种用于变频器的电路布局，该变频器用于使交流电压源处的电机运行。
背景技术
已知的变频器具有供电单元，该供电单元通过直流电压中间电路而与逆变器连接。在直流电压中间电路中通常提供有中间电路电容器。
在DE19739553A1中公知有一种变频器。变频器原则上的工作原理是已知的。那么借由变频器能够使电能在供给侧的交流电压源和电机之间交换。原则上，电机能够是电动马达或发电机。相应地，电能不是从交流电压源交换至电机就是从电机交换至交流电压源。
本实用新型主要研究用于控制电动马达、特别是控制电子换向马达(EC-Motor)的布局中的变频器。由此如果电机指的是电动马达或者普遍能够在马达运转中运行的机器，则供电单元起到整流器的作用，借由整流器能够将电能从交流电压源供至中间电路。
在此借由变频器能够使具有预设的电源频率的电源交流电压和具有电机运转所必需的特定频率的交流电压之间发生转换。对此分两步进行电压转换。第一步，变频器的电源侧的供电单元引起电源交流电压和直流电压中间电路的直流电压之间的转换。直流电压中间电路另一方面也连接了供电单元和逆变器。
逆变器的目的是将中间电路直流电压转换成适用于马达的交流电压。
直流电压中间电路中的具有足够大电容的所谓的中间电路电容器负责使用于利用逆变器进行接下来的电压转换而产生的中间电路直流电压的波度平整。优选地，中间电路电容器的电容也足够大到当供给侧的电源交流电压短暂中断时用于实现电机不间断的运转。
在供电单元与交流电压源的相相连之后，整流器在中间电路生成直流电压，通过直流电压给中间电路电容器充电。在给中间电路电容器充电到中间电路直流电压达到要求的电压值之后，由此能够使马达运转。逆变器生成交流电压，因此在马达的线路中有三相交流电通过。对此已知的逆变器例如有H桥或全电桥，就此将不再进一步阐述。
当在交流电压源处使用电子换向马达时，目前典型地会使用中间电路电容器，脉冲式多相逆变器通过中间电路电容器给电子换向马达提供与期望的运转点相匹配的电流/电压或能量。
如果已知变频器的中间电路电压降至由电动马达生成的感应电压以下，那么能量将通过逆变器的二极管从马达自动地回馈至电子设备并且生成负的转矩，由此减少马达的转数或制动马达。
相应大的电解电容器在此有助于将电压骤降保持在小的值，但是根据不同的配置、整流器在电源处失真的电能损耗同时会导致变频器的功率因数的降低。
如果大幅降低电解电容器的电容(小巧的中间电路)，那么在电源过零点或者短暂的电源中断时中间电路电压会出现骤降，这同样会导致馈电以及在马达中形成噪音。
除了电压会从马达回馈至中间电路的问题之外，在已知的电路布局中亦不可自由选择电源周期中的功率损耗的时间点。此外，通过高脉冲频率的脉冲在逆变器中会出现不利的以及不期望的半导体损失。
实用新型内容
因此本实用新型的目的在于克服前述缺陷并提供一种变频器，该变频器能够阻止馈电至电源并且能够更好地控制功率损耗以及能够降低逆变器中的半导体损失。
通过以下特征组合达到本目的。
本实用新型的基本思想在于五开关布局，其中四个开关布置为H桥电路，一个附加的开关布置在或连接在直流电压中间电路的逆变器侧部分的电路路径中。
附加的开关在此以特定的高频脉宽调制频率进行开合(德语：getaktet)。H桥电路中的开关仅以低频进行开合，用于使马达电流换向。如果闭合附加的开关，那么电流能够通过中间电路并且将能量供至马达。但是如果断开附加的开关，马达则会陷入空转。
因此根据本实用新型建议一种变频器，其能够使交流电压源处的电机运转，其中变频器具有整流的供电单元和逆变器，供电单元和逆变器通过直流电压中间电路彼此连接。在直流电压中间电路中设置有中间电路电容器，其中脉冲式的开关布置在直流电压中间电路的逆变器侧部分的电路路径中，所述电路路径将直流电压中间电路和逆变器连接起来，脉冲式的开关设计为用于能选择地断开或闭合电路路径或者用于脉冲式的运转。逆变器实施为具有四个开关的H桥电路。逆变器实施为三相逆变器。
附加的开关或直流电压中间电路和逆变器之间的相应的开关装置能够实施为闭合开关、具有并联连接的空转二极管的半导体开关(例如MOSFET)或者是实施为两个串联连接的、各自具有一个并联连接的空转二极管的半导体开关，其中空转二极管的导通方向相反。
此外有利的是，在开关装置或相应的用于实施附加的开关的电路路径中在流通方向设置二极管，二极管设计为用于防止电流从直流电压中间电路的逆变器侧部分流入供电单元。
本实用新型的另一方面涉及用于使前述变频器运转的方法，其中借由脉宽调制计时使所述附加的开关进行开合。
有利的是，在电机的运转过程中H桥电路的开关以低频的周期进行开合，而直流电压中间电路的逆变器侧部分的电路路径中的附加的开关以高频周期进行开合，优选地，高频周期比低频周期高出多倍。
有利的运转情况如下，当开关断开时马达陷入空转，而当开关闭合时，电流能够通过直流电压中间电路流向马达，其中用于在空转和马达供电之间变换的H桥电路的两个开关是无需切换的，而借由其他两个开关的开关位置能够控制流过H桥电路的前面提到的两个开关的电流，由此将逆变器内的损失分配给各个开关。
本方法的有利的设计如下，H桥电路的开关的换向仅用于使施加在马达处的电压符号换向。
在本实用新型的其他有利的实施方式中设置为，朝向逆变器地断开直流电压中间电路的逆变器侧部分的电路路径中的开关，一旦中间电路直流电压下降至由电机生成的端电压以下，就能由此有目的地防止电机的感应能量回馈至直流电压中间电路。
本实用新型提供的变频器能够阻止馈电至电源并且能够更好地控制功率损耗以及能够降低逆变器中的半导体损失。
附图说明
接下来将展示本实用新型的其他有利扩展方案或根据图示和本实用新型的有利实施方式进一步说明。
其中：
图1示出了根据本实用新型的变频器的电路布局；
图2示出了根据图1的电路布置，其在直流电压中间电路的逆变器侧部分的电路路径中具有闭合的开关；
图3示出了根据图1的电路布置，其在直流电压中间电路的逆变器侧部分的电路路径中具有断开的开关；
图4a-4c示出了三种示例性的电路布置，其用于在直流电压中间电路的逆变器侧部分的电路路径中实现开关；
图5示出了通过图1中的电路布局中的开关的电流的特性曲线；以及
图6示出了邻接于图1中的电路布局的马达的马达参数。
具体实施方式
接下来参考图1至图6对本实用新型进一步阐述，其中相同的附图标记指的是功能和/或结构相同的特征。
图1至图3示出了根据本实用新型的变频器1的电路布局的实施例，其中图2示出了闭合的开关S5且图3中以相应的电流路径SP(虚的箭头线)示出了开关的断开状态。
变频器1设计成用于使电机50运行，电机在本实施例中是电动马达50。变频器1邻接于交流电压源10，其中变频器1具有整流的供电单元20和逆变器40，供电单元即由四个二极管DG1、DG2、DG3、DG4构成的整流器，整流器和逆变器通过直流电压中间电路30彼此连接。
直流电压中间电路30具有中间电路电容器31。逆变器40实施为具有四个功率开关S1、S2、S3、S4(例如MOSFET)的H桥电路，其中可见的是，脉冲式的开关S5布置在直流电压中间电路30的逆变器侧部分的电路路径32中，电路路径将直流电压中间电路30和逆变器40连接起来，开关S5设计为用于可选择地断开或闭合电路路径32或者用于脉冲式的运转。
如图4a-4c所示，开关S5或直流电压中间电路30和逆变器40之间的相应的开关装置不是实施为闭合开关(图4a)就是实施为具有并联连接的空转二极管的半导体开关(图4b)或者是实施为两个串联连接的、各自具有一个并联连接的空转二极管D1、D2的半导体开关S51、S52(图4c)，其中空转二极管D1、D2的流通方向相反。
示例性地，以下观察是关于从接线柱51通过马达到接线柱52的正电流的，其中马达作为驱动装置运转。
图2中的开关S5是闭合的，马达50作为驱动装置工作并且在马达50的接线柱51、52处施加有正的感应电压。因此有电流通过中间电路30和两个开关S1、S4并且有能量供给马达50。
图3中的开关S5是断开的。基于开关断开前流经马达50的马达绕组的正电流和由此储存在马达50中的能量，通过马达绕组暂时维持电流。根据图3中标出的电路路径接通电流。因此在马达50的接线柱51、52之间没有施加的电压。
在供电(如图2)和空转(如图3)的变换之间无需切换开关S1和S4。根据开关S1和S4的开关状态有电流通过S2和S3。由此能够在半导体开关S1、S3或者S2、S4之间分配逆变器40内的损失或使逆变器40内的损失最小化。只有当施加在马达50的电压必须调换符号时开关S1、S2、S3和S4才需换向。可见当马达电流为正且开关S5闭合时没有电流流过半导体S2和S3。但是如果开关S5是断开的且S1和S4仍然是闭合的，那么电流既通过半导体S2的空转路径也通过S3的空转路径。由此电流在开关S1和S4处减小且在成对电路S1和S3处以及S2和S4处分配，这些将在图5中进一步阐述。
图5示出了通过所述电路布局的开关S1、S2、S3、S4和S5的电流特性曲线，其中开关S5为脉冲式开关。
图6示出了马达50的马达参数随时间的电变化曲线和机械变化曲线，即依次示出了在标准运转过程中、例如在马达50的加速阶段施加的电压u_Motor以及马达电流i_Motor和通过EMK产生的感应马达电压u_i_Motor以及转数n_mech_rpm。
如图6中的u_Motor的包络线所示，通过半导体开关S1、S2、S3、S4改变施加于马达50的电压的极性。那么通过开关S5的脉冲会出现矩形电压。马达电流i_Motor和EMK的u_i_Motor彼此同相，能量由此传递至马达50，图6中示出的转数n_mech_rpm由此在加速阶段上升。

Claims (8)

1.一种变频器(1)，所述变频器用于使交流电压源(10)处的电机(50)运转，其中所述变频器(1)具有整流的供电单元(20)和逆变器(40)，所述供电单元和所述逆变器通过具有中间电路电容器(31)的直流电压中间电路(30)彼此连接，其特征在于，脉冲式的开关(S5)布置在所述直流电压中间电路(30)的逆变器侧部分的电路路径(32)中，所述电路路径将所述直流电压中间电路(30)和所述逆变器(40)连接起来，所述脉冲式的开关设计为用于能选择地断开或闭合所述电路路径(32)或者用于脉冲式的运转。
2.根据权利要求1所述的变频器(1)，其特征在于，所述逆变器(40)实施为具有四个开关(S1、S2、S3、S4)的H桥电路。
3.根据权利要求1或2所述的变频器(1)，其特征在于，所述逆变器(40)实施为三相逆变器。
4.根据权利要求1或2所述的变频器(1)，其特征在于，所述脉冲式的开关(S5)实施为闭合开关。
5.根据权利要求1或2所述的变频器(1)，其特征在于，所述脉冲式的开关(S5)实施为具有并联连接的空转二极管(D1)的半导体开关。
6.根据权利要求5所述的变频器(1)，其特征在于，所述脉冲式的开关(S5)实施为MOSFET。
7.根据权利要求1或2所述的变频器(1)，其特征在于，所述脉冲式的开关(S5)实施为两个串联连接的、各自具有一个并联连接的空转二极管(D1、D2)的半导体开关(S51、S52)，其中所述空转二极管(D1、D2)的流通方向相反。
8.根据权利要求7所述的变频器(1)，其特征在于，所述脉冲式的开关(S5)的二极管(D1、D2)设计为用于防止电流从所述直流电压中间电路(30)的逆变器侧部分流入所述供电单元(20)。
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