EP3111540A1 - Frequency converter - Google Patents

Frequency converter

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EP3111540A1
EP3111540A1 EP15709134.9A EP15709134A EP3111540A1 EP 3111540 A1 EP3111540 A1 EP 3111540A1 EP 15709134 A EP15709134 A EP 15709134A EP 3111540 A1 EP3111540 A1 EP 3111540A1
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EP
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output voltage
frequency converter
frequency
converter output
converter
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EP15709134.9A
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German (de)
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Inventor
Dirk Schekulin
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Schmidhauser AG
Original Assignee
Schmidhauser AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention has for its object to provide a frequency converter with high efficiency available.
  • the invention solves this problem by a frequency converter according to claim 1.
  • the frequency converter is designed to generate at least one drive voltage or frequency converter output voltage which serves to drive an electric motor.
  • the at least one frequency converter output voltage is typically an AC voltage.
  • the frequency converter output voltage may be a phase voltage of an electric motor.
  • the at least one frequency converter output voltage has an adjustable frequency converter output voltage amplitude and an adjustable frequency converter output voltage frequency.
  • the frequency converter output voltage frequency determines, for example, a rotational frequency of a resulting magnetic field and thus a rotational speed of the electric motor, wherein the frequency converter output voltage amplitude determines, for example, the torque caused by the electric motor.
  • the frequency converter further comprises a clocked inverter with a number of controllable switching means, which may for example be part of a bridge circuit (for example, a three-phase transistor bridge).
  • the inverter is connected to the DC voltage converter output voltage is applied and is adapted to control its switching means regardless of the predetermined frequency converter output voltage amplitude with a respective inverter switching frequency such that generated from the DC voltage converter output voltage, the at least one frequency converter output voltage with the predetermined frequency converter output voltage frequency becomes.
  • the inverter switching frequency i. the switching frequency of a respective switching means of the inverter, may correspond to the frequency converter output voltage frequency, i. the inverter switching frequency and the frequency converter output voltage frequency may be identical, i.
  • the inverter is operated in basic cycle clocking or block clocking.
  • the DC-DC converter may be configured to generate the DC-DC converter output voltage level as a function of the predefinable frequency converter output voltage amplitude and in addition in dependence on a pilot signal or modulation signal.
  • the frequency converter or a control unit of the frequency converter which controls, for example, the operation of the frequency converter and generates associated drive signals for all the components to be controlled, can also be designed to generate the pilot or modulation signal, and in particular to generate such that a torque ripple is minimized.
  • the pilot or modulating signal may be, for example, a sinusoidal or a rectified sinusoidal signal having a frequency that is a multiple, for example, three to six times, the frequency converter output voltage frequency.
  • An amplitude of the pilot or modulation signal may depend, for example, on the frequency converter output voltage amplitude and / or on the frequency converter output voltage frequency.
  • the precontrol or modulation signal in particular the amplitude and / or the frequency of the precontrol or modulation signal, can be further generated as a function of the following variables:
  • the frequency converter may have suitable sensors for detecting the above sizes.
  • the DC-DC converter can be designed, for example, to generate the DC voltage converter output voltage level as a function of the predefinable or predetermined frequency converter output voltage amplitude and additionally in dependence on the pilot signal or modulation signal such that the DC voltage converter Output voltage level corresponds to a sum or a difference of the predetermined frequency inverter output voltage amplitude and the pilot or modulation signal.
  • the precontrol or modulation signal By means of the precontrol or modulation signal, the increased torque ripple caused by the fundamental oscillation clocking or block timing can be reduced or eliminated at low speeds by precontrol of the DC adjuster.
  • the frequency converter may have a polyphase rectifier for generating the input DC voltage.
  • Fig. 2 shows a frequency converter according to another embodiment
  • FIG. 3 shows a phase current and a phase voltage of an electric motor controlled by means of the frequency converter from FIGS. 1 and 2 with and without modulation of an output level of a DC-DC converter output voltage of a DC-DC converter of the frequency converter from FIGS. 1 and 2.
  • the frequency converter 1 shows a frequency converter 1 for generating frequency converter output voltages S1, S2, S3, which are applied to associated phase windings of a conventional three-phase electric motor 2.
  • the frequency converter output voltages S1, S2, S3 have an adjustable frequency converter output voltage amplitude AA and an adjustable frequency converter output voltage frequency AF (see FIG. 3).
  • the frequency converter 1 conventionally comprises a three-phase rectifier 6 for generating a DC input voltage UE from a three-phase AC line voltage. Downstream of the rectifier 6 is a clocked DC-DC converter or converter 3 in the form of a buck converter, which is adapted to generate from the input DC voltage UE a DC-DC converter output voltage UA buffered by means of a capacitor 15 with a lower level compared to the input DC voltage UE.
  • the DC-DC converter 3 has two capacitors 7 and 8, which are connected in series between the input DC voltage UE.
  • a diode 16 is connected in series with another of the controllable switching means 5, which is not part of a half-bridge, between the DC voltage converter output voltage UA and is conventionally used to drive a brake chopper resistor 17.
  • the control of the associated switching means 5 of the brake chopper Resistor 17 is dependent on the level of the DC-DC converter output voltage UA.
  • a hysteresis controller which switches on when an upper limit level is exceeded and switches it off again when it falls below a lower limit level.
  • All switching means 5, 9 and 10 are controlled by a control unit, not explicitly shown, which controls the operation of the frequency converter 1 and which may be, for example, a microprocessor or a digital signal processor.
  • 3 shows a phase current IP and a phase voltage UP of a phase winding of the electric motor 2 driven by the frequency converter from FIGS. 1 and 2 without modulation (illustration on the left) and with modulation (representation on the right) of the output level of the DC voltage converter output voltage UA.
  • the phase voltage UP corresponds (ideally) to one of the frequency converter output voltages S1, S2 or S3, in the present case exemplarily the frequency converter output voltage S1.
  • the two remaining phase voltages have a (idealized) course identical except for a phase shift.
  • the illustration on the left shows that the inverter 4 is operated in basic oscillation or block timing.
  • the switches 5 of the inverter 3 are clocked at the fundamental frequency AF of the frequency converter output voltage S1 or UP, ie an inverter switching frequency with which the switches 5 are driven corresponds to the frequency converter output voltage frequency AF.
  • the inverter 4 sets only the frequency AF of the frequency converter output voltage S1 or UP, but not the frequency converter output voltage amplitude AA.
  • the frequency converter output voltage amplitude AA is (idealized) identical to the level of the DC voltage converter output voltage UA.
  • a DC converter (step-down converter) 3 is inserted between the voltage intermediate circuit and the three-phase transistor bridge 4.
  • the three-phase transistor bridge 4 can be clocked with the fundamental, for example in a frequency range between 0 Hz to 1 kHz. Due to the low inverter switching frequency of the inverter switch 5 can be optimized for the forward losses and the switching losses are subordinate.
  • the DC-DC converter 3 takes over the amplitude position, clocks high-frequency, for example in a frequency range between 50 kHz and 200 kHz, and can thus be optimized for the switching losses.

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Abstract

A frequency converter (1) is used to produce at least one frequency converter output voltage (S1, S2, S3) for an electric motor (2), wherein the at least one frequency converter output voltage (S1, S2, S3) has a prescribable frequency converter output voltage amplitude (AA) and a prescribable frequency converter output voltage frequency (AF). The frequency converter (1) has: a clocked DC-DC voltage converter (3) that is designed to take an input DC voltage (UE) with an input voltage level and produce a DC-DC voltage converter output voltage (UA) with a DC-DC voltage converter output voltage level, wherein the DC-DC voltage converter (3) is designed to produce the DC-DC voltage converter output voltage level on the basis of the prescribable frequency converter output voltage amplitude (AA), and a clocked inverter (4) with a number of controllable switching means (5), which has the DC-DC voltage converter output voltage (UA) applied to it and which is designed to actuate the switching means (5) at an inverter switching frequency such that the at least one frequency converter output voltage (S1, S2, S3) with the prescribable frequency converter output voltage frequency (AF) is produced from the DC-DC voltage converter output voltage (UA).

Description

Frequenzumrichter  frequency converter
Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter. The invention relates to a frequency converter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter mit hohem Wirkungsrad zur Verfügung zu stellen. The invention has for its object to provide a frequency converter with high efficiency available.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Frequenzumrichter nach Anspruch 1 . The invention solves this problem by a frequency converter according to claim 1.
Der Frequenzumrichter ist dazu ausgebildet, mindestens eine Ansteuerspannung oder Frequenzumrichter-Ausgangsspannung zu erzeugen, die zur Ansteuerung eines Elektromotors dient. Die mindestens eine Frequenzumrichter-Ausgangsspannung ist typisch eine AC- Spannung. Die Frequenzumrichter-Ausgangsspannung kann eine Phasenspannung eines Elektromotors sein. Die mindestens eine Frequenzumrichter-Ausgangsspannung weist eine einstellbare Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude und eine einstellbare Frequen- zumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz auf. Die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs- Frequenz bestimmt beispielsweise eine Drehfrequenz eines resultierenden Magnetfelds und damit eine Drehzahl des Elektromotors, wobei die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs- Amplitude beispielsweise das mittels des Elektromotors bewirkte Drehmoment bestimmt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. The frequency converter is designed to generate at least one drive voltage or frequency converter output voltage which serves to drive an electric motor. The at least one frequency converter output voltage is typically an AC voltage. The frequency converter output voltage may be a phase voltage of an electric motor. The at least one frequency converter output voltage has an adjustable frequency converter output voltage amplitude and an adjustable frequency converter output voltage frequency. The frequency converter output voltage frequency determines, for example, a rotational frequency of a resulting magnetic field and thus a rotational speed of the electric motor, wherein the frequency converter output voltage amplitude determines, for example, the torque caused by the electric motor. In that regard, reference is also made to the relevant specialist literature.
Der Frequenzumrichter weist einen getakteten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) auf, der dazu ausgebildet, aus einer Eingangsgleichspannung mit einem Eingangsspannungspegel eine Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung mit einem Gleichspannungswandler- Ausgangsspannungs-Pegel zu erzeugen, wobei sich Eingangsspannungspegel und Gleich- spannungswandler-Ausgangsspannungs-Pegel unterscheiden können. Der Gleichspannungswandler ist dazu ausgebildet, den Gleichspannungswandler-Ausgangsspannungs-Pegel in Abhängigkeit von der vorgebbaren, vorgegebenen oder gewünschten Frequenzumrichter- Ausgangsspannungs-Amplitude zu erzeugen. Der Gleichspannungswandler kann den Gleich- spannungswandler-Ausgangsspannungs-Pegel derart erzeugen, dass dieser der vorgebbaren Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude entspricht bzw. gleich der vorgebbaren Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude ist. The frequency converter includes a clocked DC-DC converter configured to generate a DC-DC converter output voltage having a DC-DC converter output voltage level from an input DC voltage having an input voltage level, wherein input voltage levels and DC-DC converter output voltage levels can distinguish. The DC-DC converter is configured to generate the DC-DC converter output voltage level as a function of the predefinable, predetermined or desired frequency converter output voltage amplitude. The DC-DC converter may generate the DC-DC converter output voltage level such that it corresponds to the predefinable frequency converter output voltage amplitude or is equal to the predefinable frequency converter output voltage amplitude.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen getakteten Wechselrichter mit einer Anzahl von steuerbaren Schaltmitteln auf, die beispielsweise Bestandteil einer Brückenschaltung (beispielsweise einer dreiphasigen Transistorbrücke) sein können. Der Wechselrichter ist mit der Gleich- spannungswandler-Ausgangsspannung beaufschlagt und ist dazu ausgebildet, seine Schaltmittel unabhängig von der vorgebbaren Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude mit einer jeweiligen Wechselrichter-Schaltfrequenz derart anzusteuern, dass aus der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung die mindestens eine Frequenzumrichter-Ausgangsspannung mit der vorgebbaren Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz erzeugt wird. The frequency converter further comprises a clocked inverter with a number of controllable switching means, which may for example be part of a bridge circuit (for example, a three-phase transistor bridge). The inverter is connected to the DC voltage converter output voltage is applied and is adapted to control its switching means regardless of the predetermined frequency converter output voltage amplitude with a respective inverter switching frequency such that generated from the DC voltage converter output voltage, the at least one frequency converter output voltage with the predetermined frequency converter output voltage frequency becomes.
Die Wechselrichter-Schaltfrequenz, d.h. die Schaltfrequenz eines jeweiligen Schaltmittels des Wechselrichters, kann der Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz entsprechen, d.h. die Wechselrichter-Schaltfrequenz und die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz können identisch sein, d.h. der Wechselrichter wird in Grundschwingungstaktung bzw. Blocktak- tung betrieben. The inverter switching frequency, i. the switching frequency of a respective switching means of the inverter, may correspond to the frequency converter output voltage frequency, i. the inverter switching frequency and the frequency converter output voltage frequency may be identical, i. The inverter is operated in basic cycle clocking or block clocking.
Der Gleichspannungswandler kann dazu ausgebildet sein, den Gleichspannungswandler- Ausgangsspannungs-Pegel in Abhängigkeit von der vorgebbaren Frequenzumrichter- Ausgangsspannungs-Amplitude und zusätzlich in Abhängigkeit von einem Vorsteuersignal oder Modulationssignal zu erzeugen. Der Frequenzumrichter bzw. eine Steuereinheit des Frequen- zumrichters, die beispielsweise den Betrieb des Frequenzumrichters steuert und zugehörige Ansteuersignale für sämtliche anzusteuernden Bauelemente erzeugt, kann auch dazu ausgebildet sein, das Vorsteuer- oder Modulationssignal zu erzeugen, und insbesondere derart zu erzeugen, dass eine Drehmomentwelligkeit minimiert wird. The DC-DC converter may be configured to generate the DC-DC converter output voltage level as a function of the predefinable frequency converter output voltage amplitude and in addition in dependence on a pilot signal or modulation signal. The frequency converter or a control unit of the frequency converter, which controls, for example, the operation of the frequency converter and generates associated drive signals for all the components to be controlled, can also be designed to generate the pilot or modulation signal, and in particular to generate such that a torque ripple is minimized.
Das Vorsteuer- oder Modulationssignal kann beispielsweise ein sinusförmiges oder ein gleich- gerichtetes sinusförmiges Signal sein, das eine Frequenz aufweist, die eine Vielfache, beispielsweise eine Drei- bis Sechsfache, der Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz ist. Eine Amplitude des Vorsteuer- oder Modulationssignals kann beispielsweise von der Fre- quenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude und/oder von der Frequenzumrichter- Ausgangsspannungs-Frequenz abhängen. Das Vorsteuer- oder Modulationssignal, insbesonde- re die Amplitude und/oder die Frequenz des Vorsteuer- oder Modulationssignals, kann/können weiter in Abhängigkeit von folgenden Größen erzeugt werden: The pilot or modulating signal may be, for example, a sinusoidal or a rectified sinusoidal signal having a frequency that is a multiple, for example, three to six times, the frequency converter output voltage frequency. An amplitude of the pilot or modulation signal may depend, for example, on the frequency converter output voltage amplitude and / or on the frequency converter output voltage frequency. The precontrol or modulation signal, in particular the amplitude and / or the frequency of the precontrol or modulation signal, can be further generated as a function of the following variables:
Motorspannungen, Motor voltages,
Motorströmen,  Motor currents,
eine SolMstwinkellage eines Rotors des angesteuerten Elektromotors,  a SolMstwinkellage a rotor of the driven electric motor,
- eine SolMstwinkellage eines mit den Ausgangsspannungen korrespondierenden Spannungsvektors, a solestangular position of a voltage vector corresponding to the output voltages,
eine SolMstwinkellage eines Stromvektors und/oder  a SolMstwinkellage a current vector and / or
beliebigen Kombinationen der oben genannten Größen. Es versteht sich, dass der Frequenzumrichter zur Erfassung der oben genannten Größen geeignete Sensoren aufweisen kann. any combination of the above sizes. It is understood that the frequency converter may have suitable sensors for detecting the above sizes.
Der Gleichspannungswandler kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, den Gleichspan- nungswandler-Ausgangsspannungs-Pegel in Abhängigkeit von der vorgebbaren bzw. vorgege- benen Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude und zusätzlich in Abhängigkeit von dem Vorsteuersignal oder Modulationssignal derart zu erzeugen, dass der Gleichspannungs- wandler-Ausgangsspannungs-Pegel einer Summe oder einer Differenz aus der vorgebbaren bzw. vorgegebenen Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude und dem Vorsteueroder Modulationssignal entspricht. Mittels des Vorsteuer- oder Modulationssignals kann die durch die Grundschwingungstaktung bzw. Blocktaktung bedingte erhöhte Drehmomentwelligkeit bei niedrigen Drehzahlen durch Vorsteuerung des Gleichstromstellers reduziert bzw. eliminiert werden. The DC-DC converter can be designed, for example, to generate the DC voltage converter output voltage level as a function of the predefinable or predetermined frequency converter output voltage amplitude and additionally in dependence on the pilot signal or modulation signal such that the DC voltage converter Output voltage level corresponds to a sum or a difference of the predetermined frequency inverter output voltage amplitude and the pilot or modulation signal. By means of the precontrol or modulation signal, the increased torque ripple caused by the fundamental oscillation clocking or block timing can be reduced or eliminated at low speeds by precontrol of the DC adjuster.
Der Frequenzumrichter kann zum Erzeugen von genau drei Frequenzumrichter- Ausgangsspannungen ausgebildet sein, die dann beispielsweise die Phasenspannungen eines dreiphasigen Elektromotors bilden, um beispielsweise einen Drehstrommotor anzusteuern. The frequency converter can be designed to generate exactly three frequency converter output voltages, which then form, for example, the phase voltages of a three-phase electric motor in order, for example, to control a three-phase motor.
Die steuerbaren Schaltmittel des Wechselrichters und/oder ein oder mehrere steuerbare Schaltmittel des Gleichspannungswandlers können unipolare Leistungsschalter sein, beispielsweise MOSFETs. Mindestens zwei der steuerbaren Schaltmittel des Wechselrichters und/oder des Gleichspannungswandlers können parallel geschaltet sein. Erfindungsgemäß erfolgt mittels des Gleichspannungswandlers bzw. Gleichstromstellers eine Entkopplung von Spannungsstellung und Frequenzstellung der Frequenzumrichter- Ausgangsspannung bzw. Frequenzumrichter-Ausgangsspannungen. Infolge der damit möglichen niedrigen Wechselrichter-Schaltfrequenz (Grundschwingungstaktung oder Blocktaktung) bzw. eines unidirektionalen Gleichstromstellerbetriebs ist der Einsatz von unipolaren Leistungs- Schaltern (MOSFETs) möglich. Durch die Möglichkeit der Parallelschaltung der Leistungsschalter kann die Verlustleistung soweit reduziert werden, dass kostengünstige neue Aufbau- und Kühlkonzepte möglich werden. Durch die Verwendung von parallel geschalteten unipolaren Leistungshalbleitern sowohl beim Gleichspannungswandler als auch im Wechselrichter können beispielsweise mit SMD-Leistungshalbleitern Ausgangsleistungen im mehrere kW-Bereich ohne massive Kühlkörper zur Verfügung gestellt werden. Neben MOSFET können jedoch auch bipolare Leistungshalbleiter wie IGBTs verwendet den. Auch sind Kombinationen aus MOSFETs und IGBTs denkbar. The controllable switching means of the inverter and / or one or more controllable switching means of the DC-DC converter may be unipolar power switches, for example MOSFETs. At least two of the controllable switching means of the inverter and / or the DC-DC converter can be connected in parallel. According to the invention by means of the DC-DC converter or DC adjuster decoupling of voltage position and frequency position of the Frequenzumrichter- output voltage or frequency converter output voltages. As a result of the possible low inverter switching frequency (fundamental oscillation or block timing) or a unidirectional DC actuator operation, the use of unipolar power switches (MOSFETs) is possible. Due to the possibility of parallel connection of the circuit breaker, the power loss can be reduced so far that cost-effective new construction and cooling concepts are possible. By using parallel-connected unipolar power semiconductors both in the DC-DC converter and in the inverter, output powers in the several kW range without massive heat sinks can be made available, for example, with SMD power semiconductors. However, bipolar power semiconductors such as IGBTs can be used in addition to MOSFETs. Also, combinations of MOSFETs and IGBTs are conceivable.
Der Frequenzumrichter kann einen mehrphasigen Gleichrichter zum Erzeugen der Eingangs- gleichspannung aufweisen. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen schematisch: The frequency converter may have a polyphase rectifier for generating the input DC voltage. The invention will be described in detail below with reference to the drawings. Here are shown schematically:
Fig. 1 einen Frequenzumrichter gemäß einer ersten Ausführungsform, 1 shows a frequency converter according to a first embodiment,
Fig. 2 einen Frequenzumrichter gemäß einer weiteren Ausführungsform und Fig. 2 shows a frequency converter according to another embodiment and
Fig. 3 einen Phasenstrom und eine Phasenspannung eines mittels des Frequenzum- richters aus Fig. 1 bzw. 2 angesteuerten Elektromotors mit und ohne Modulation eines Ausgangspegels einer Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung eines Gleichspannungswandlers des Frequenzumrichters aus Fig. 1 bzw. 2. 3 shows a phase current and a phase voltage of an electric motor controlled by means of the frequency converter from FIGS. 1 and 2 with and without modulation of an output level of a DC-DC converter output voltage of a DC-DC converter of the frequency converter from FIGS. 1 and 2.
Fig. 1 zeigt einen Frequenzumrichter 1 zum Erzeugen von Frequenzumrichter- Ausgangsspannungen S1 , S2, S3, die an zugehörige Phasenwicklungen eines herkömmlichen Dreiphasenelektromotors 2 angelegt werden. Die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungen S1 , S2, S3 weisen eine einstellbare Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude AA und eine einstellbare Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz AF auf (siehe Fig. 3). 1 shows a frequency converter 1 for generating frequency converter output voltages S1, S2, S3, which are applied to associated phase windings of a conventional three-phase electric motor 2. The frequency converter output voltages S1, S2, S3 have an adjustable frequency converter output voltage amplitude AA and an adjustable frequency converter output voltage frequency AF (see FIG. 3).
Der Frequenzumrichter 1 weist herkömmlich einen dreiphasigen Gleichrichter 6 zum Erzeugen einer Eingangsgleichspannung UE aus einer dreiphasigen Netzwechselspannung auf. Dem Gleichrichter 6 nachgeschaltet ist ein getakteter Gleichstromsteller oder Gleichspannungswandler 3 in Form eines Tiefsetzstellers, der dazu ausgebildet, aus der Eingangsgleichspannung UE eine mittels eines Kondensators 15 gepufferte Gleichspannungswandler- Ausgangsspannung UA mit verglichen zur Eingangsgleichspannung UE niedrigerem Pegel zu erzeugen. Der Gleichspannungswandler 3 weist zwei Kondensatoren 7 und 8 auf, die in Reihe zwischen die Eingangsgleichspannung UE eingeschleift sind. Zwischen einen Anschlusspol des Kondensators 7, an dem das positive Potential der Eingangsgleichspannung UE anliegt, und einen Ausgangsanschlusspol des Gleichspannungswandlers 3, an dem das positive Potential der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung UA anliegt, sind in Reihe ein Schaltmittel in Form eines MOSFET 9 und eine Spule 13 eingeschleift. Zwischen einen Anschlusspol des Kondensators 8, an dem das negative Potential der Eingangsgleichspannung UE anliegt, und den anderen Ausgangsanschlusspol des Gleichspannungswandlers 3, an dem das negative Potential der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung UA anliegt, sind in Reihe ein Schaltmittel in Form eines MOSFET 10 und eine Spule 14 eingeschleift. The frequency converter 1 conventionally comprises a three-phase rectifier 6 for generating a DC input voltage UE from a three-phase AC line voltage. Downstream of the rectifier 6 is a clocked DC-DC converter or converter 3 in the form of a buck converter, which is adapted to generate from the input DC voltage UE a DC-DC converter output voltage UA buffered by means of a capacitor 15 with a lower level compared to the input DC voltage UE. The DC-DC converter 3 has two capacitors 7 and 8, which are connected in series between the input DC voltage UE. Between a terminal pole of the capacitor 7, to which the positive potential of the input DC voltage UE is applied, and an output terminal pole of the DC voltage converter 3, at which the positive potential of the DC voltage converter output voltage UA is applied, a switching means in the form of a MOSFET 9 and a coil 13 are connected in series. Between a terminal pole of the capacitor 8 to which the negative potential of the DC input voltage UE is applied and the other output terminal pole of the DC-DC converter 3 to which the negative potential of the DC-DC converter output voltage UA is applied are in series a switching means in the form of a MOSFET 10 and a coil 14 looped.
Dioden 1 1 und 12 sind in Reihe zwischen einen Verbindungsknoten des MOSFET 9 und der Spule 13 und einen Verbindungsknoten des MOSFET 10 und der Spule 14 eingeschleift, wobei die Anoden der Dioden 1 1 und 12 elektrisch miteinander verbunden sind. Dem Gleichspannungswandler 3 nachgeschaltet ist ein getakteter Wechselrichter 4 mit einer Anzahl von steuerbaren Schaltmitteln 5 in Form von MOSFETs, die drei Halbbrücken bilden. Anders als dargestellt, können mehrere MOSFET parallel geschaltet sein, um Leitend-Verluste zu reduzieren. Diodes 1 1 and 12 are connected in series between a connection node of the MOSFET 9 and the coil 13 and a connection node of the MOSFET 10 and the coil 14, wherein the anodes of the diodes 1 1 and 12 are electrically connected together. Downstream of the DC-DC converter 3 is a clocked inverter 4 with a number of controllable switching means 5 in the form of MOSFETs, which form three half-bridges. Unlike shown, multiple MOSFETs may be connected in parallel to reduce conduction losses.
Eine Diode 16 ist in Reihe mit einem weiteren der steuerbaren Schaltmittel 5, das nicht Be- standteil einer Halbbrücke ist, zwischen die Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung UA eingeschleift und dient herkömmlich zur Ansteuerung eines Bremschopper-Widerstands 17. Die Steuerung des zugehörigen Schaltmittels 5 des Bremschopper-Widerstands 17 erfolgt abhängig vom Pegel der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung UA. Es kann hierzu beispielsweise ein Hysterese-Regler verwendet werden, der bei Überschreiten eines oberen Grenzpegels einschaltet und bei Unterschreiten eines unteren Grenzpegels wieder ausschaltet. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. A diode 16 is connected in series with another of the controllable switching means 5, which is not part of a half-bridge, between the DC voltage converter output voltage UA and is conventionally used to drive a brake chopper resistor 17. The control of the associated switching means 5 of the brake chopper Resistor 17 is dependent on the level of the DC-DC converter output voltage UA. For this purpose, it is possible, for example, to use a hysteresis controller which switches on when an upper limit level is exceeded and switches it off again when it falls below a lower limit level. In that regard, reference is also made to the relevant specialist literature.
Sämtliche Schaltmittel 5, 9 und 10 sind durch eine nicht explizit dargestellte Steuereinheit angesteuert, die den Betrieb des Frequenzumrichters 1 steuert und die beispielsweise ein Mikroprozessor oder ein digitaler Signalprozessor sein kann. Fig. 3 zeigt einen Phasenstrom I P und eine Phasenspannung UP einer Phasenwicklung des mittels des Frequenzumrichters aus Fig. 1 bzw. 2 angesteuerten Elektromotors 2 ohne Modulation (Darstellung links) und mit Modulation (Darstellung rechts) des Ausgangspegels der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung UA. Die Phasenspannung UP entspricht (idealisiert) einer der Frequenzumrichter-Ausgangsspannungen S1 , S2 bzw. S3, vorliegend exempla- risch der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung S1 . Die zwei verbleibenden Phasenspannungen weisen einen (idealisiert) bis auf eine Phasenverschiebung identischen Verlauf auf. Aus der Darstellung links geht hervor, dass der Wechselrichter 4 in Grundschwingungstaktung bzw. Blocktaktung betrieben wird. Die Schalter 5 des Wechselrichters 3 werden mit der Grundfrequenz AF der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung S1 bzw. UP getaktet, d.h. eine Wechselrichter-Schaltfrequenz, mit der die Schalter 5 angesteuert sind, entspricht der Frequenzum- richter-Ausgangsspannungs-Frequenz AF. Der Wechselrichter 4 stellt bzw. bestimmt ausschließlich die Frequenz AF der Frequenzumrichter-Ausgangsspannung S1 bzw. UP, nicht jedoch die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude AA. Die Frequenzumrichter- Ausgangsspannungs-Amplitude AA ist (idealisiert) identisch mit dem Pegel der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung UA. Durch geeignetes Takten der Schalter 9 und 10 des Gleichspannungswandlers 3 ist folglich die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude AA vorgebbar bzw. einstellbar und durch geeignetes Takten der Schalter 5 ist die Frequenzum- richter-Ausgangsspannungs-Frequenz AF einstellbar bzw. vorgebbar. All switching means 5, 9 and 10 are controlled by a control unit, not explicitly shown, which controls the operation of the frequency converter 1 and which may be, for example, a microprocessor or a digital signal processor. 3 shows a phase current IP and a phase voltage UP of a phase winding of the electric motor 2 driven by the frequency converter from FIGS. 1 and 2 without modulation (illustration on the left) and with modulation (representation on the right) of the output level of the DC voltage converter output voltage UA. The phase voltage UP corresponds (ideally) to one of the frequency converter output voltages S1, S2 or S3, in the present case exemplarily the frequency converter output voltage S1. The two remaining phase voltages have a (idealized) course identical except for a phase shift. The illustration on the left shows that the inverter 4 is operated in basic oscillation or block timing. The switches 5 of the inverter 3 are clocked at the fundamental frequency AF of the frequency converter output voltage S1 or UP, ie an inverter switching frequency with which the switches 5 are driven corresponds to the frequency converter output voltage frequency AF. The inverter 4 sets only the frequency AF of the frequency converter output voltage S1 or UP, but not the frequency converter output voltage amplitude AA. The frequency converter output voltage amplitude AA is (idealized) identical to the level of the DC voltage converter output voltage UA. By suitable clocking of the switches 9 and 10 of the DC-DC converter 3 consequently the frequency converter output voltage amplitude AA can be predetermined or set and by suitable clocking of the switch 5, the frequency converter output voltage frequency AF can be set or predefined.
Vorliegend beträgt die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude AA exemplarisch ca. 60 V und die Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz AF ca. 5 Hz. Aus der Darstellung rechts geht hervor, dass der Gleichspannungswandler 3 dazu ausgebildet ist, den Gleichspannungswandler-Ausgangsspannungs-Pegel zusätzlich zur Abhängigkeit von der vorgebbaren Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude AA weiter in Abhängigkeit von einem Vorsteuer- oder Modulationssignal zu erzeugen, um eine Drehmomentwelligkeit bei niedrigen Drehzahlen zu reduzieren. Das Vorsteuer- oder Modulationssignal ist ein gleichge- richtetes sinusförmiges Signal mit der sechsfachen Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs- Frequenz AF und einer ca. 0, 1 -fachen Amplitude der Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs- Amplitude AA, wobei der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannungs-Pegel einer Differenz zwischen der Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude AA und dem Vorsteuer- oder Modulationssignal entspricht. Das Modulationssignal kann von der Steuereinheit erzeugt werden, die auch die Schaltmittel 5, 9 und 10 ansteuert bzw. deren Ansteuersignale erzeugt. In the present case, the frequency converter output voltage amplitude AA is approximately 60 V as an example and the frequency converter output voltage AF is approximately 5 Hz. The representation on the right shows that the DC-DC converter 3 is designed to increase the DC-DC converter output voltage level in addition to Depend on the predetermined frequency converter output voltage amplitude AA further in response to a pilot or modulation signal to produce to reduce torque ripple at low speeds. The pre-control or modulation signal is a rectified sinusoidal signal having six times the frequency inverter output voltage AF and an approximately 0.1-fold amplitude of the frequency converter output voltage amplitude AA, the DC-DC converter output voltage level being a difference between the Inverter output voltage amplitude AA and the pilot or modulation signal corresponds. The modulation signal can be generated by the control unit, which also controls the switching means 5, 9 and 10 or generates their control signals.
Fig. 2 zeigt eine Variante des Gleichstromstellers 3, bei der der Kondensator 15 aus Fig. 1 durch zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 15a und 15b ersetzt ist, wobei ein Verbindungsknoten der Kondensatoren 15a und 15b mit den Anoden der Dioden 1 1 und 12 elektrisch gekoppelt ist. Fig. 2 shows a variant of the DC adjuster 3, in which the capacitor 15 of Fig. 1 is replaced by two series-connected capacitors 15a and 15b, wherein a connection node of the capacitors 15a and 15b to the anodes of the diodes 1 1 and 12 electrically coupled is.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen weichen grundsätzlich von einer herkömmlichen Umrichter-Topologie ab. Herkömmlich werden durch Pulsbreitenmodulation (PWM) und Wech- selrichter-Schaltfrequenzen im Bereich von typ. 4 bis 16 kHz Ausgangsspannungsamplitude und -frequenz entsprechend den Erfordernissen des Motors gestellt. Aufgrund der getakteten Frequenzumrichter-Ausgangsspannung sind aus EMV-Gründen meistens abgeschirmte Motorleitungen oder zusätzliche Sinusfilter erforderlich. Die Leistungshalbleiterschalter werden häufig als IGBTs in einem Leistungsmodul integriert ausgeführt, bei dem die Wärme konzentriert entsteht und über einen Aluminiumkühlkörper an die Umgebungsluft oder Kühlwasser abgegeben wird. Dadurch, dass die IGBT-Brücke im kHz-Bereich getaktet werden muss, muss diese gute Kommutierungseigenschaften besitzen und es sind Kompromisse hinsichtlich Schalt- und Leitendeigenschaften der Leistungshalbleiter erforderlich. Schalt- und Leitendverluste sind bei die- ser Umrichter-Topologie grundsätzlich nicht getrennt voneinander optimierbar. The embodiments according to the invention fundamentally deviate from a conventional converter topology. Conventionally, pulse width modulation (PWM) and alternating frequency switching frequencies in the range of typ. 4 to 16 kHz output voltage amplitude and frequency according to the requirements of the motor. Due to the clocked frequency converter output voltage, shielded motor cables or additional sine filters are usually required for EMC reasons. The power semiconductor switches are often implemented as IGBTs integrated in a power module in which the heat is concentrated and released through an aluminum heat sink to the ambient air or cooling water. The fact that the IGBT bridge must be clocked in the kHz range, this must have good Kommutierungseigenschaften and compromises in terms of switching and conduction properties of the power semiconductors are required. In principle, switching and line losses can not be optimized separately from each other in this converter topology.
Die Erfindung löst dieses Problem grundsätzlich und ermöglicht dadurch vollständig neue Aufbau- und Kühlkonzepte. The invention solves this problem in principle and thereby allows completely new construction and cooling concepts.
Erfindungsgemäß wird zwischen dem Spannungszwischenkreis und der dreiphasigen Transistorbrücke 4 ein Gleichstromsteller (Tiefsetzsteller) 3 eingefügt. Damit kann die dreiphasige Transistorbrücke 4 mit der Grundschwingung getaktet werden, beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 0 Hz bis 1 kHz. Infolge der niedrigen Wechselrichter-Schaltfrequenz der Wechselrichterschalter 5 kann auf die Durchlassverluste optimiert werden und die Schaltverluste sind untergeordnet. Der Gleichstromsteller 3 übernimmt die Amplitudenstellung, taktet hochfrequent, beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 50 kHz und 200 kHz, und kann somit auf die Schaltverluste hin optimiert werden. According to the invention, a DC converter (step-down converter) 3 is inserted between the voltage intermediate circuit and the three-phase transistor bridge 4. Thus, the three-phase transistor bridge 4 can be clocked with the fundamental, for example in a frequency range between 0 Hz to 1 kHz. Due to the low inverter switching frequency of the inverter switch 5 can be optimized for the forward losses and the switching losses are subordinate. The DC-DC converter 3 takes over the amplitude position, clocks high-frequency, for example in a frequency range between 50 kHz and 200 kHz, and can thus be optimized for the switching losses.
Durch Verwendung von parallel geschalteten unipolaren Leistungshalbleitern sowohl beim Gleichstromsteller als auch im Wechselrichterteil können die Verluste soweit reduziert werden, dass mit SMD-Leistungshalbleitern Ausgangsleistungen im mehrere kW-Bereich ohne massive Kühlkörper möglich sind. Durch den fehlenden massiven Kühlkörper sind ganz neue Aufbaukonzepte z.B. SMD-Kühlkörper auf der Leiterplatte möglich. By using parallel-connected unipolar power semiconductors both in the DC chopper and in the inverter part, the losses can be reduced to such an extent that output powers in the several kW range without massive heat sinks are possible with SMD power semiconductors. Due to the lack of massive heat sink completely new construction concepts, e.g. SMD heatsink on the PCB possible.
Der Nachteil einer erhöhten Drehmomentwelligkeit bei niedrigen Drehzahlen infolge der Grund- schwingungstaktung kann durch Vorsteuerung des Gleichstromstellers 3 gelöst werden. The disadvantage of an increased torque ripple at low speeds as a result of the basic oscillation cycle can be solved by precontrol of the DC adjuster 3.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Frequenzumrichter (1 ) zum Erzeugen mindestens einer Frequenzumrichter- Ausgangsspannung (S1 , S2, S3), die zur Ansteuerung eines Elektromotors (2) dient, wobei die mindestens eine Frequenzumrichter-Ausgangsspannung (S1 , S2, S3) eine vorgebbare Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude (AA) und eine vorgebbare Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz (AF) aufweist, wobei der Frequenzumrichter (1 ) aufweist: 1 . Frequency converter (1) for generating at least one Frequenzumrichter- output voltage (S1, S2, S3), which serves to drive an electric motor (2), wherein the at least one frequency converter output voltage (S1, S2, S3) a predetermined frequency converter output voltage amplitude (AA) and a predetermined frequency converter output voltage frequency (AF), wherein the frequency converter (1) comprises:
einen getakteten Gleichspannungswandler (3), der dazu ausgebildet, aus einer Eingangsgleichspannung (UE) mit einem Eingangsspannungspegel eine Gleichspannungswandler- Ausgangsspannung (UA) mit einem vorgebbaren Gleichspannungswandler- Ausgangsspannungs-Pegel zu erzeugen, wobei der Gleichspannungswandler (3) dazu ausgebildet ist, den Gleichspannungswandler-Ausgangsspannungs-Pegel in Abhängigkeit von der vorgebbaren Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Amplitude zu erzeugen, und  a clocked DC-DC converter (3) adapted to generate from a DC input voltage (UE) having an input voltage level a DC-DC converter output voltage (UA) with a predeterminable DC-DC converter output voltage level, wherein the DC-DC converter (3) is adapted to the DC-DC converter Output voltage level in dependence on the predetermined frequency converter output voltage amplitude, and
einen getakteten Wechselrichter (4) mit einer Anzahl von steuerbaren Schaltmitteln (5), der mit der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung (UA) beaufschlagt ist und der dazu ausgebildet ist, die Schaltmittel (5) mit einer Wechselrichter-Schaltfrequenz derart anzusteuern, dass aus der Gleichspannungswandler-Ausgangsspannung (UA) die mindestens eine Frequenzumrichter-Ausgangsspannung (S1 , S2, S3) mit der vorgebbaren Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz (AF) erzeugt wird.  a clocked inverter (4) having a number of controllable switching means (5), which is acted upon by the DC-DC converter output voltage (UA) and which is adapted to drive the switching means (5) with an inverter switching frequency such that from the DC-DC converter Output voltage (UA), the at least one frequency converter output voltage (S1, S2, S3) is generated at the predetermined frequency converter output voltage frequency (AF).
2. Frequenzumrichter (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass 2. frequency converter (1) according to claim 1, characterized in that
die Wechselrichter-Schaltfrequenz der Frequenzumrichter-Ausgangsspannungs-Frequenz (AF) entspricht.  the inverter switching frequency corresponds to the frequency converter output voltage frequency (AF).
3. Frequenzumrichter (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 3. frequency converter (1) according to claim 1 or 2, characterized in that
der Gleichspannungswandler (3) dazu ausgebildet ist, den Gleichspannungswandler- Ausgangsspannungs-Pegel in Abhängigkeit von der vorgebbaren Frequenzumrichter- Ausgangsspannungs-Amplitude (AA) und in Abhängigkeit von einem Modulationssignal zu erzeugen.  the DC-DC converter (3) is designed to generate the DC-DC converter output voltage level as a function of the predefinable frequency converter output voltage amplitude (AA) and in dependence on a modulation signal.
4. Frequenzumrichter (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4. frequency converter (1) according to claim 3, characterized in that
der Frequenzumrichter (1 ) dazu ausgebildet ist, das Modulationssignal derart zu erzeugen, dass eine Drehmomentwelligkeit minimiert wird. the frequency converter (1) is adapted to generate the modulation signal such that a torque ripple is minimized.
5. Frequenzumrichter (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 5. frequency converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
der Frequenzumrichter (1 ) zum Erzeugen von genau drei Frequenzumrichter- Ausgangsspannungen (S1 , S2, S3) ausgebildet ist.  the frequency converter (1) is designed to generate exactly three frequency converter output voltages (S1, S2, S3).
6. Frequenzumrichter (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 6. frequency converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
die steuerbaren Schaltmittel (5) des Wechselrichters (4) unipolare Leistungsschalter sind.  the controllable switching means (5) of the inverter (4) are unipolar circuit breakers.
7. Frequenzumrichter (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass 7. frequency converter (1) according to claim 6, characterized in that
mindestens zwei der steuerbaren Schaltmittel (5) des Wechselrichters (4) parallel geschaltet sind.  at least two of the controllable switching means (5) of the inverter (4) are connected in parallel.
8. Frequenzumrichter (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch 8. Frequency converter (1) according to one of the preceding claims, characterized by
einen Gleichrichter (6) zum Erzeugen der Eingangsgleichspannung (UE).  a rectifier (6) for generating the input DC voltage (UE).
9. Frequenzumrichter (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 9. frequency converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
der Gleichspannungswandler (3) ein Tiefsetzsteller ist.  the DC-DC converter (3) is a buck converter.
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