CN101860233A - 用于运行变频器电路的方法及用于执行该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行变频器电路的方法及用于执行该方法的装置，该电路具有通过两个串联的电感串联的第一和第二子变频器***，子变频器***包括两极开关单元且其有两个串联的可触发的带受控的单向电流方向的双向功率半导体开关及与它的串联电路并联的电容式蓄能器，以触发信号触发第一子变频器***的开关单元的功率半导体开关并以另一触发信号触发第二子变频器***的开关单元的功率半导体开关。电感上的电压振荡信号和第一子变频器***的开关单元的功率半导体开关的开关函数形成触发信号，电压振荡信号和第二子变频器***的开关单元的功率半导体开关的开关函数形成另一触发信号，借助关于输出端子处电压的电压振荡信号和参考信号形成开关函数。

Description

用于运行变频器电路的方法及用于执行该方法的装置
技术领域
本发明涉及功率电子学领域。本发明尤其涉及根据独立权利要求的前序部分所述的用于运行变频器电路的方法以及用于执行该方法的装置。
背景技术
如今，变频器电路被使用在大量应用中。WO 2007/023064A1中说明了一种变频器电路，其电压能够特别容易地比例缩放。其中，该变频器电路具有第一和第二子变频器***，其中这些子变频器***通过两个串联的电感彼此串联。这两个串联电感的连接点构成例如用于电负载的输出端子。每个子变频器***包括至少一个两极的开关单元，其中在一个子变频器***有多个开关单元的情形中，这些开关单元彼此串联。每个两极的开关单元具有两个串联的能够触发的带有受控的单向电流方向的双向功率半导体开关以及一个与该功率半导体开关的串联电路并联的电容式蓄能器。
为了运行根据WO 2007/023064A1的变频器电路而设置常规的如图1中所示的电路，该电路具有用于产生触发第一子变频器***的开关单元的功率半导体开关的触发信号的第一触发电路以及用于产生触发第二子变频器***的开关单元的功率半导体开关的另一触发信号的第二触发电路。
典型的是像WO 2007/023064A1中那样运行变频器电路，以使得在输出端子处提供纯交流电压和纯交流电流。设计开关单元的电容式蓄能器，以使得该电容式蓄能器处的电压脉动对于输出端子处给定的最大电流以及此电流的给定频率而言保持在预定的波动范围内。如果希望得到小于设计时所基于的频率的频率，那么电压脉动会增大。如果应当在输出端子处提供直流电流或者带有直流分量的交流电流，那么电压脉动几乎增大至无穷。在此情形中，电容式蓄能器必须由外部馈电或者被选择成无穷大，以便在输出端子处用直流电流或者直流分量进行运行时不会使这些电容式蓄能器完全放电或者任意地过充电。
用于运行根据WO 2007/023064A1的变频器电路的、实现电容式蓄能器的不依赖于输出端子处的期望电流，即不依赖于该期望电流的频率的设计的方法目前是未知的。
发明内容
因此，本发明的任务在于，说明一种用于运行变频器电路的方法，借助该方法来实现电容式蓄能器的不依赖于输出端子处的期望电流的设计，即不依赖于该期望电流的频率的设计。此外，本发明的任务还在于说明一种装置，利用该装置能够以特别简单的方式来执行根据本发明的方法。
这些任务是通过权利要求1或权利要求10的特征解决的。在从属权利要求中说明了本发明的有利的改进方案。
变频器电路具有第一和第二子变频器***，其中这些子变频器***通过两个串联的电感彼此串联。这两个串联电感的连接点构成输出端子。每个子变频器***包括至少一个两极的开关单元，并且每个开关单元具有两个串联的能够触发的带有受控的单向电流方向的双向功率半导体开关以及一个与该功率半导体开关的串联电路并联的电容式蓄能器。优选地，第一子变频器***的开关单元的数目等于第二子变频器***的开关单元的数目。根据本方法，借助触发信号来触发第一子变频器***的开关单元的功率半导体开关并且借助另一触发信号来触发第二子变频器***的开关单元的功率半导体开关。根据本发明，所述触发信号是由电感上的电压振荡信号和第一子变频器***的开关单元的功率半导体开关的开关函数形成的，并且所述另一触发信号是由电感上的电压振荡信号和第二子变频器***的开关单元的功率半导体开关的开关函数形成的，其中尤其是同时地借助关于输出端子处的电压的电压振荡信号以及能够选择的参考信号来形成这些开关函数。借助所施加的振荡，即通过电感上的用于产生所述触发信号和所述另一触发信号的电压振荡信号以及通过关于输出端子处的电压的用于产生开关函数的电压振荡信号，可以有利地达成：可以在变频器电路的输出端子处的期望电流下显著减小电容式蓄能器处的电压脉动，由此仅必须关于现在经减小的电压脉动来设计电容式蓄能器并且因此该设计不依赖于期望的输出电流。
根据本发明的用于执行运行变频器电路的方法的装置具有用于产生触发信号的第一触发电路，该第一触发电路与第一子变频器***的开关单元的功率半导体开关相连接。此外，该装置还具有用于产生另一触发信号的第二触发电路，该第二触发电路与第二子变频器***的开关单元的功率半导体开关相连接。根据本发明，现在将电感上的电压振荡信号以及第一子变频器***的开关单元的功率半导体开关的开关函数输入第一触发电路，以便形成触发信号。将电感上的电压振荡信号以及第二子变频器***的开关单元的功率半导体开关的开关函数输入第二触发电路，以便形成另一触发信号。此外，设置第一计算单元，其用于由关于输出端子处的电压的电压振荡信号以及能够选择的参考信号来计算开关函数。因此，可特别简单地且成本低廉地实现根据本发明的用于执行运行变频器电路的方法的装置，因为电路耗费能够被保持得非常低并且此外对于构造而言仅需要较少数目的元件。因此，借助此装置可以特别简单地执行根据本发明的方法。
附图说明
本发明的这些和其他任务、优点和特征将在以下结合附图的对本发明优选实施方式的详细描述中变得显而易见。
附图示出：
图1示出了根据现有技术的用于执行运行变频器电路的方法的装置的实施方式，
图2示出了根据本发明的用于执行根据本发明的运行变频器电路的方法的装置的实施方式，
图3示出了变频器电路的输出端子处的电流的时间曲线，
图4示出了变频器电路的输出端子处的电压的时间曲线，
图5示出了通过第一子变频器***的电流的时间曲线以及通过第二子变频器***的电流的时间曲线。
在附图标记列表中汇总地列出了在附图中所使用的附图标记及其意义。原则上，附图中的相同部分配备有相同的附图标记。所描述的实施方式示例性地代表本发明的主题并且不具有限定作用。
具体实施方式
如开头部分已提及的，图1中示出了根据现有技术的用于执行运行变频器电路的方法的装置的实施方式。图2示出了根据本发明的用于执行根据本发明的运行变频器电路的方法的装置的实施方式。根据图2的变频器电路具有第一和第二子变频器***1、2，其中子变频器***1、2通过两个串联的电感L1、L2彼此串联。这两个串联电感L1、L2的连接点构成输出端子A。每个子变频器***1、2一般包括至少一个两极的开关单元3。在一个子变频器***1、2有多个开关单元3的情形中，这些开关单元3彼此串联，如图2中所示的那样。每个开关单元3具有两个串联的能够触发的带有受控的单向电流方向的双向功率半导体开关以及一个与该功率半导体开关的串联电路并联的电容式蓄能器。该能够触发的功率半导体开关尤其被构造为分别具有一个反并联的二极管的可关断晶闸管(GTO-GateTurn-Off Thyristor)或集成门极换流晶闸管(IGCT-Integrated GateCommutated Thyristor)。但是还可以构想将能够触发的功率半导体开关构造为例如具有附加地反并联的二极管的功率MOSFET或者构造为具有附加地反并联的二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。优选地，第一子变频器***1的开关单元3的数目等于第二子变频器***2的开关单元3的数目。
根据本发明的方法，借助触发信号S1来触发第一子变频器***1的开关单元3的功率半导体开关并且借助另一触发信号S2来触发第二子变频器***2的开关单元3的功率半导体开关。第一子变频器***1的开关单元3的触发信号S1和第二子变频器***2的开关单元3的触发信号S2对于每个开关单元3而言优选是时间上错开的，以使得可以有利地以时间上错开的方式来触发每个开关单元3。现在根据本发明，由电感L1、L2上的电压振荡信号VL以及第一子变频器***1的开关单元3的功率半导体开关的开关函数α1，尤其是两者的总和来形成触发信号S1，并且由电感L1、L2的电压振荡信号VL以及第二子变频器***2的开关单元3的功率半导体开关的开关函数α2，尤其是两者的总和来形成触发信号S2，其中尤其同时地借助关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA以及能够选择的参考信号Vref来形成开关函数α1、α2。优选地，将关于输出端子A处的电压Vu的参考电压信号选为参考信号Vref，该参考信号Vref例如是通过将输出端子A处的电流iu的实际值调节到额定值的方式来形成的。
借助所施加的振荡，即通过电感L1、L2上的用于产生触发信号S1和另一触发信号S2的电压振荡信号VL以及通过关于输出端子A处的电压Vu的用于产生开关函数α1、α2的电压振荡信号VA，可以有利地达成：可以在变频器电路的输出端子A处的期望电流iu下显著减小电容式蓄能器处的电压脉动，由此仅必须关于现在经减小的电压脉动来设计电容式蓄能器并且因此该设计不依赖于期望的输出电流iu。
根据本发明，根据下式由关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA以及能够选择的参考信号Vref来形成第一子变频器***1的开关单元3的功率半导体电路的开关函数α1：
α 1 = 1 2 ( 1 - V ref - V A ) - - - [ 1 ]
此外，根据下式由关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA以及能够选择的参考信号Vref来形成第二子变频器***2的开关单元3的功率半导体电路的开关函数α2：
α 2 = 1 2 ( 1 + V ref + V A ) - - - [ 2 ]
根据本发明，由子变频器***1、2的电流振荡信号Vi来形成电感L1、L2上的电压振荡信号VL，如下式所说明的那样：
        VL＝Vi·(jω(L1+L2))                [3]
优选地，同样由电流振荡信号幅值Ah，尤其是通过电流振荡信号幅值Ah与可自由选择的频率ω和相移的振荡相乘的方式来形成子变频器***1、2的电流振荡信号Vi，如下式所说明的那样：
Figure GSA00000080650800054
一般由输出端子A处的电流实际值iu，尤其是输出端子A处的例如测得的电流实际值iu的电流iu直流分量I0以及参考信号Vref来形成电流振荡信号幅值Ah。为了形成电流振荡信号幅值Ah，使用根据式[5.1]的以下关系：
Figure GSA00000080650800055
以及例如根据式[5.2]来设置该关系
            Ah≡Mh                        [5.2]
其中
Figure GSA00000080650800056
一般是所施加的振荡与输出端子A处的电压Vu之间的相位差。应当指出，式[5.2]中Ah与Mh的比值仅是示例性地选择的，即Ah与Mh的比值一般可以自由地选择。因此，为了确定电流振荡信号的振幅Ah，仅必须求式[5.1]中电流振荡信号的振幅Ah的解。
此外，一般由电压振荡信号幅值Mh，优选通过电压振荡信号幅值Mh与可自由选择的频率ω和相移
Figure GSA00000080650800061
的振荡相乘的方式来形成关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA，如下式所说明的那样：
Figure GSA00000080650800062
一般而言，由输出端子A处的电流实际值iu和参考信号Vref形成电压振荡信号幅值Mh，其中可以有利地利用式[5.1]和[5.2]并且为了确定电压振荡信号幅值Mh，仅必须求式[5.1]中电压振荡信号幅值Mh的解。
优选地，子变频器***1、2的电流振荡信号Vi、电感L1、L2上的电压振荡信号VL以及关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA具有相同的频率。此外有利地，子变频器***1、2的电流振荡信号Vi、电感L1、L2上的电压振荡信号VL以及关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA具有相同的相移
Figure GSA00000080650800063
其中该相同的相移
Figure GSA00000080650800064
并不是强制必需的。
根据本发明的方法，可以有利地在输出端子A处产生具有直流分量以及由前述施加的振荡引起的频率为ω的交流分量的电流iu，其中所施加的振荡影响开关单元3的电容式蓄能器处的电压脉动并且该电压脉动可以因此被保持得较小。现在，电容式蓄能器的随之而来的设计可以有利地仅根据该较小的电压脉动来实现，即不依赖于所期望的输出电流iu。因此得到输出端子A处的电流iu
Figure GSA00000080650800065
其中I0是所述直流分量，而
Figure GSA00000080650800066
是所述交流分量的幅度。为了说明起见，图3中示出了变频器电路的输出端子处的电流iu的时间曲线。此外，图4示出了变频器电路的输出端子A处的电压Vu的时间曲线。图5中示出了通过第一子变频器***1的电流i1的时间曲线以及通过第二子变频器***2的电流i2的时间曲线，其中这两个电流i1、i2中同样包括直流分量以及由前述施加的振荡引起的频率为ω的交流分量。出于完整性而应当提及，电容式蓄能器中的电流不具有直流分量并且同样不具有前述施加的振荡的频率为ω的以及频率为ω的两倍的交流分量。
在多相***中，例如在具有三个变频器电路的三相***中，如果所施加的振荡被选择成具有相同的相位，那么该振荡在与相位终端A相连的多相负载处呈现为共模电压。没有产生附加的电流振荡。此方法例如被使用在过调制情况下。与过调制不同，共模电压的频率和相位位置在此处是任意的。那么多相输出电流i0就是纯直流，即该多相输出电流i0不具有交流分量。
如果输出端子A处的电流iu应当具有频率为ωu的期望交流分量
Figure GSA00000080650800071
以及期望相移，那么式[5.1]如下地改变：
Figure GSA00000080650800073
其中为了确定电流振荡信号幅值Ah而可以再次利用式[5.2]并且可以如前面已经描述的那样由式[8]和式[5.2]来确定电流振荡信号幅值Ah和电压振荡信号幅值Mh。那么以期望的方式得到输出端子A处的电流iu
Figure GSA00000080650800074
其中
Figure GSA00000080650800075
是假定的电流幅值。
根据图1的根据本发明的装置具有用于产生触发信号S1的第一触发电路4，该第一触发电路4与第一子变频器***1的开关单元3的功率半导体开关相连接。此外，还设有用于产生另一触发信号S2的第二触发电路5，该第二触发电路5与第二子变频器***2的开关单元3的功率半导体开关相连接。根据本发明，将由电感L1、L2上的电压振荡信号VL与第一子变频器***1的开关单元3的功率半导体开关的开关函数α1构成的总和输入第一触发电路4，以便形成触发信号S1。将由电感L1、L2上的电压振荡信号VL与第二子变频器***2的开关单元3的功率半导体开关的开关函数α2构成的总和输入第二触发电路5，以便形成另一触发信号S2。第一和第二触发电路4、5中的分配表(查找表)例如分别用于形成触发信号S1和另一触发信号S2，在这些分配表中固定地分配对应于开关函数α1的触发信号S1以及对应于开关函数α2的另一触发信号S2，或者基于脉宽调制方法的调制器例如分别用于形成触发信号S1和另一触发信号S2。此外，设有第一计算单元6，其用于借助根据式[1]和[2]的计算由关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA以及能够选择的参考信号Vref来形成开关函数α1、α2。
根据图2设有第二计算单元10，其用于由子变频器***1、2的电流振荡信号Vi来形成电感L1、L2上的电压振荡信号VL，其中第二计算单元10通过借助式[3]的计算来执行电感L1、L2上的电压振荡信号VL的形成。
此外，设有第三计算单元(7)，其用于由电流振荡信号幅值Ah来形成子变频器***1、2的电流振荡信号Vi，该第三计算单元(7)借助根据式[4]的计算来执行子变频器***1、2的电流振荡信号Vi的形成。
此外，设有第四计算单元9，其用于由输出端子A处的电流实际值iu以及参考信号Vref来形成电流振荡信号幅值Ah，其中第四计算单元通过根据式[5.1]和[5.2]或者根据式[8]和[5.2]的计算来执行电流振荡信号幅值Ah的形成。
所设置的第五计算单元8用于由电压振荡信号幅值Mh来形成关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA，其中第五计算单元8通过根据式[6]的计算来执行关于输出端子A处的电压Vu的电压振荡信号VA的形成。
已提及的第四计算单元9同样用于由输出端子A处的电流实际值iu以及参考信号Vref来形成电压振荡信号幅值Mh，其中第四计算单元9通过根据式[5.1]和[5.2]或者根据式[8]和[5.2]的计算来执行电压振荡信号幅值Mh的形成。
总而言之可以证明，可以特别简单且成本低廉地实现根据本发明的尤其是图2中所示的用于执行根据本发明的运行变频器电路的方法的装置，因为电路耗费非常低并且此外对于构造而言仅需要较少数目的元件。因此，利用此装置可以特别简单地执行根据本发明的方法。
附图标记列表：
  1   第一子变频器***
  2   第二子变频器***
  3   开关单元
  4   第一触发电路
  5   第二触发电路
  6   第一计算单元
  7   第三计算单元
  8   第五计算单元
  9   第四计算单元
  10   第二计算单元

Claims (15)

1.一种用于运行变频器电路的方法，其中所述变频器电路具有第一和第二子变频器***(1)，所述子变频器***(2)通过两个串联的电感(L1，L2)彼此串联，这两个串联的电感(L1，L2)的连接点构成输出端子(A)，每个子变频器***(1，2)包括至少一个两极的开关单元(3)并且每个开关单元(3)具有两个串联的能够触发的带有受控的单向电流方向的双向功率半导体开关以及与所述功率半导体开关的串联电路并联的电容式蓄能器，其中借助触发信号(S1)来触发所述第一子变频器***(1)的开关单元(3)的功率半导体开关并且用另一触发信号(S2)来触发所述第二子变频器***(2)的开关单元(3)的功率半导体开关，
其特征在于，
由所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)和所述第一子变频器***(1)的开关单元(3)的功率半导体开关的开关函数(α1)来形成所述触发信号(S1)，由所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)和所述第二子变频器***(2)的开关单元(3)的功率半导体开关的开关函数(α2)来形成所述另一触发信号(S2)，以及借助关于所述输出端子(A)处的电压(Vu)的电压振荡信号(VA)和能够选择的参考信号(Vref)来形成所述开关函数(α1，α2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)是由所述子变频器***(1，2)的电流振荡信号(Vi)形成的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子变频器***(1，2)的电流振荡信号(Vi)是由电流振荡信号幅值(Ah)形成的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电流振荡信号幅值(Ah)是由所述输出端子(A)处的电流实际值(iu)和所述参考信号(Vref)形成的。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，关于所述输出端子(A)处的电压(Vu)的电压振荡信号(VA)是由电压振荡信号幅值(Mh)形成的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电压振荡信号幅值(Mh)是由所述输出端子(A)处的电流实际值(iu)和所述参考信号(Vref)形成的。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子变频器***(1，2)的电流振荡信号(Vi)、所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)以及关于所述输出端子(A)处的电压(Vu)的电压振荡信号(VA)具有相同的频率。
8.根据权利要求2或7所述的方法，其特征在于，所述子变频器***(1，2)的电流振荡信号(Vi)、所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)以及关于所述输出端子(A)处的电压(Vu)的电压振荡信号(VA)具有相同的相移。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，其特征在于，将关于所述输出端子(A)处的电压(Vu)的参考电压信号选为参考信号(Vref)。
10.一种用于执行运行变频器电路的方法的装置，其中所述变频器电路具有第一和第二子变频器***(1)，所述子变频器***(2)通过两个串联的电感(L1，L2)彼此串联，这两个串联的电感(L1，L2)的连接点构成输出端子(A)，每个子变频器***(1，2)包括至少一个两极的开关单元(3)并且每个开关单元(3)具有两个串联的能够触发的带有受控的单向电流方向的双向功率半导体开关以及与所述功率半导体开关的串联电路并联的电容式蓄能器，所述装置具有用于产生触发信号(S1)的第一触发电路(4)，所述第一触发电路(4)与所述第一子变频器***(1)的开关单元(3)的功率半导体开关相连接，并且所述装置具有用于产生另一触发信号(S2)的第二触发电路(5)，所述第二触发电路(5)与所述第二子变频器***(2)的开关单元(3)的功率半导体开关相连接，
其特征在于，
所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)和所述第一子变频器***(1)的开关单元(3)的功率半导体开关的开关函数(α1)被输入所述第一触发电路(4)以形成所述触发信号(S1)，所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)和所述第二子变频器***(2)的开关单元(3)的功率半导体开关的开关函数(α2)被输入所述第二触发电路(5)以形成所述另一触发信号(S2)，并且设置了第一计算单元(5)，所述第一计算单元(5)用于由关于所述输出端子(A)处的电压(Vu)的电压振荡信号(VA)和能够选择的参考信号(Vref)来形成所述开关函数(α1，α2)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，设置了第二计算单元(10)，其用于由所述子变频器***(1，2)的电流振荡信号(Vi)来形成所述电感(L1，L2)上的电压振荡信号(VL)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，设置了第三计算单元(7)，其用于由电流振荡信号幅值(Ah)来形成所述子变频器***(1，2)的电流振荡信号(Vi)。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，设置了第四计算单元(9)，其用于由所述输出端子(A)处的电流实际值(iu)和所述参考信号(Vref)来形成所述电流振荡信号幅值(Ah)。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，设置了第五计算单元(8)，其用于由电压振荡信号幅值(Mh)来形成关于所述输出端子(A)处的电压(Vu)的电压振荡信号(VA)。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第四计算单元(9)被设置用于由所述输出端子(A)处的电流实际值(iu)和所述参考信号(Vref)来形成所述电压振荡信号幅值(Mh)。
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