CN102820792A

CN102820792A - 具有限流装置的变频器和用于运行变频器的方法

Info

Publication number: CN102820792A
Application number: CN2012101903904A
Authority: CN
Inventors: 诺伯特·斯塔德特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2012-12-12
Also published as: EP2533409A1

Abstract

本发明涉及一种变频器（24），在变频器中可以将不同的逆变器连接在中间电路（36）的汇流排（ZK+，ZK-）上。这也可以随后由变频器（24）的使用者来实现。由此可能在连接时出现错误。例如，可能在中间电路（36）中引起短路。这可能在为中间电路电容器（38）充电时导致变频器（24）的部件的过热。本发明的目的在于为变频器及其部件提供充分的保护。在根据本发明的变频器（24）中使用了限流装置（44），借助该限流装置来限制从供电源（14）流到中间电路（36）中的电流（I_ZK）的电流强度。限流装置（44）在此设计为，将用于限制电流（I_ZK）的中间电路（36）与电源接头（26）电容性地、例如通过电容器（C₁，C₂，C₃）相耦合。

Description

具有限流装置的变频器和用于运行变频器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在供电电源上运行电机的变频器。该变频器具有整流器，利用该整流器能将电源的交流电压转换成经过整流的电压。在整流器的直流电压输出端处连接有中间电路电容器。可以利用来自电源的电流为该中间电路电容器充电，其中，借助限流装置来限制充电电流的电流强度。

背景技术

下面借助图1中所示的框图来详细阐述所述种类的变频器的原理上的工作方式。所示的变频器10具有电源接头12。借助该电源接头，变频器通过（未示出的）主接触器连接在供电电源上，或简言之连接在电源14上。电源14可以是例如三相的三相电源（例如400V，50Hz或60Hz）。

变频器10具有整流器16，该整流器将电源的交流电压转换成经过整流的电压，在此以U_ZK来表示该电压。在整流器16的直流电压输出端上连接有中间电路18的汇流排ZK+，ZK-。

在汇流排ZK+，ZK-上可以连接一个或多个逆变器，这出于清晰原因在图1中没有示出。借助这种逆变器可以在第二转换步骤中由直流电压U_ZK产生出用于运行电机的交流电压。该交流电压的频率在此可以通过逆变器来进行调节。

在中间电路18中通过至少一个中间电路电容器22来提供中间电路电容，通过该中间电路电容来平稳化直流电压U_ZK。在此将中间电路电容理解成这样一种电容，该电容足够大，从而能够在所述转换过程中将由整流器16所产生的直流电压U_ZK的波动性平稳化，从而使其不会影响到第二个转换步骤。优选地该中间电路电容也足够大到能够在电源交流电压的历时几毫秒的短时间失效的情况下不中断地运行电机。

为了借助变频器10来运行电机，所述主接触器闭合。整流器接着产生了直流电压U_ZK，由此为中间电路电容器22充电。下面将该充电过程称为预充电阶段或中间电路电容器的预充电。

在对中间电路电容器20进行充电直至直流电压U_ZK达到期望的电压值之后，则可以运行电机。为此，变频器的逆变器由直流电压U_ZK产生了交流电压，通过该交流电压在电机中产生了三相电流。这个过程在下面被称为运行阶段。

在闭合主接触器之前，中间电路电容器22通常是未充电的。在预充电阶段中由此出现了以下问题，即，在闭合主接触器之后从电源14流到未充电的中间电路电容器22中的充电电流的电流强度由于中间电路电容器的大电容而可能大到损害整流器16的部件。

因此在变频器10中，流入变频器10的各个电源相导体中的充电电流由此流经预充电电阻R₁，R₂，R₃。其共同实现了限制电流。预充电电阻R₁，R₂，R₃可以是例如与温度相关的PTC-电阻（PTC-正温度系数）。

在变频器10中，可以将不同的逆变器连接在中间电路18的汇流排ZK+和ZK-上。这也可以随后由变频器10的使用者来进行。由此在连接时可能导致错误。例如，在中间电路18或在通过逆变器与该中间电路相连接的电机中引起短路。在主接触器闭合之后，在预充电阶段中随后流过短路电流，该短路电流的电流强度仅受到了预充电电阻R₁，R₂，R₃的限制。与在对中间电路电容器22进行充电时不同的是，短路电流却持续地以短路电流强度流过。在此，在预充电电阻R₁，R₂，R₃中进行转换的损耗功率可能强烈地加热这些预充电电阻并且最终将其损坏。

发明内容

本发明的目的在于，为上述类型的变频器的部件提供足够的保护。

该目的通过根据权利要求1所述的变频器以及根据权利要求7所述的方法来实现。根据本发明的变频器以及根据本发明的方法的有利的改进方案由从属权利要求给出。

根据本发明的变频器用于在电源上运行电机。如这种类型的变频器那样，该变频器具有整流器，在其直流电压输出端上连接了具有至少一个中间电路电容器的中间电路。

在根据本发明的变频器中提供了限流装置，借助该限流装置可以对从电源流向中间电路的电流的电流强度进行限制。该限流装置在此设计为，将用于限制电流的中间电路与电源接头电容性地相耦合。为了以限制在某电流强度下的充电电流来为处在预充电阶段中的中间电路电容器充电，该中间电路电容器也与电源电容性地相耦合。处在预充电阶段中的中间电路电容器的充电电流的电流强度受到了耦合电容器的阻抗的限制。

根据本发明的变频器还具有以下优点，即，在直流电压输出端处的短路也不会导致限流装置的过热。由此能够有效地限制短路电流的电流强度，并且格外有效地限制充电电流的电流强度。由此始终有效地防止整流器的部件受到过载电流的热损害。

在根据本发明的变频器的一个有利的设计方案中，限流装置具有至少一个耦合电容器。该设计方案在此设计为：为了限制电流而在电源接头的连接元件和中间电路电容器的接头之间串联地连接至少一个耦合电容器。中间电路电容器的充电电流（在整流之前）是交流电流，并且由此流过耦合电容器。该电容性的耦合由此与如现有技术中所公知的用于过滤电源电压的谐波的电容性耦合完全不同。在现有技术中，滤波电容器被连接在变频器的电源相导体之间，并且不像耦合电容器那样是串联的。

在此要将耦合电容器理解成以下这种电容器，对其电容这样进行选择，从而为电源交流电压的频率产生了耦合电容器的阻抗值，该阻抗值将电流限定在期望的最高值上。在此情况下，应用串联连接的耦合电容器能够实行费用低廉地制造根据本发明的变频器。作为独立的耦合电容器的可替换方式，还可以考虑中间电路电容器自身的特殊的设计方案。

在根据本发明的变频器中，可以选择性地桥接限流装置。在用于运行电机的运行阶段中，随后可以在中间电路电容器和电源之间提供低欧姆的电流连接（除了电容性的耦合之外或代替电容性的耦合）。由此提供了以下优点，即，能够降低在运行阶段期间的功率损耗。概念“选择性的”在此指的是，可以根据控制装置的控制信号或变频器的运行状态来进行桥接。为了进行桥接可以例如应用与接触器并联连接的接触器。

还可以设计为仅仅部分地桥接限流装置来代替完全地桥接限流装置。随后仍在电路中起作用的部分在运行阶段中由此可以承担其他功能，例如，过滤交流电压。通过这种双重的应用可以节省构件并且由此降低了制造费用。

可以将限流装置连接在电源接头和整流器之间。由此产生以下优点，即，在预充电阶段中可以使用在运行阶段中用于整流负载电流的那个整流器来整流预充电电流。

根据本发明的变频器还可以具有另一个整流器，该整流器是限流装置的组成部分。由此产生以下优点，即，无需桥接限流装置便能够降低运行阶段中的功率损耗。

在根据本发明的变频器的另一个实施方式中，限流装置具有用于耦合电容器的开关装置。借助该开关装置可以将耦合电容器连接在变频器的电源相导体之间。由此，该耦合电容器在运行阶段中可以充当滤波电容器。在换向之后，耦合电容器则不再串联地连接在电源连接元件和中间电路电容器的接头之间（如预充电阶段中那样），而是两个电源连接元件一直彼此相连接。耦合电容器在此例如能以星形联结或三角形联结的连接方式彼此相连接。

限流装置也适用于，当例如相位之一中的半波消失时，在短时间的停电之后在运行阶段期间保护变频器。这种停电导致由整流器从电源接收的电功率通量被中断。当功率通量随后重新接入时，中间电路电容器可以几乎完全地放电，从而使得其充电电流重新达到相应的大小。因此按照根据本发明的方法的一个改进方案，为了在再充电阶段中重新为中间电路电容器充电，借助限流装置来限制充电电流的电流强度。

附图说明

下面将借助实施例来详细地阐述本发明。其中：

图1示出了具有根据现有技术的预充电电阻的变频器；

图2示出了按照根据本发明的变频器的一个实施方式的具有可桥接的耦合电容器的变频器；

图3示出了按照根据本发明的变频器的另一个实施方式的变频器，该变频器具有完全受控的主整流器和另一个整流器；

图4示出了按照根据本发明的变频器的另一个实施方式的变频器，该变频器具有半受控的主整流器和另一个整流器；

图5示出了按照根据本发明的变频器的另一个实施方式的变频器，该变频器具有独立的滤波电容器；

图6示出了按照根据本发明的变频器的另一个实施方式的变频器，该变频器具有耦合电容器，该耦合电容器也可被用作为滤波电容器；

图7示出了按照根据本发明的变频器的另一个实施方式的变频器，该变频器同样具有耦合电容器，该耦合电容器也可被用作为滤波电容器；

图8示出了一个图表，该图表示出了如在预充电阶段中根据图2的变频器中所产生的电压信号的原则上的曲线；

图9-图11分别示出了具有电压信号和电流信号的曲线的图表，如电压信号和电流信号在预充电阶段的不同时间段中根据图2的变频器中的模拟所产生出的曲线，以及

图12示出了具有电流信号和电压信号的有效值的曲线的图表，如电流信号和电压信号在预充电阶段中根据图1和图2的变频器的模拟所产生的曲线。

具体实施方式

实例示出了本发明的优选的实施方式。

在图2中示出了变频器24。变频器24的电源接头26通过（未示出的）主接触器连接到电源14上。电源14与图1所示的具有相同附图标号的电源相应。

在变频器24中，整流器28从电源14的三个电源相位的交流电压中产生出经过整流的电压、在此被称为直流电压U_ZK。在图2所示的整流器28中，借助全波整流来产生直流电压U_ZK。整流器28为此具有三个具有二极管的半桥。

直流电压U_ZK施加在整流器的直流电压输出端34的两个直流电压接头30，32之间。在直流电压接头30，32上分别连接有变频器28的中间电路36的汇流排ZK+，ZK-。汇流排ZK+，ZK-通过中间电路电容器38彼此电容性地耦合。中间电路电容器38的接头40，42在此与汇流排ZK+，ZK-相连接。通过中间电路电容器38在中间电路36中提供了中间电路电容。

为了能够在预充电阶段中利用受限的充电电流对中间电路电容器38进行充电，在电源接头26的通过闭合主接触器能够与电源14的外导体或电源相导体电连接的各个连接元件R，S，T和整流器28的交流电压输入端E₁，E₂，E₃之间串联地连接耦合电容器C₁，C₂，C₃。通过耦合电容器C₁，C₂，C₃形成了限流装置44。耦合电容器C₁，C₂，C₃可以是金属化的薄膜电容器。

限流装置44可以通过闭合接触器46来桥接在变频器24的工作相位中。对于这种情况，即源于电源14的功率通量将被中断，则接触器46自行断开。当源于电源14的电流重新流入整流器28中时，该电流首先通过限流装置44进行引导，直至接触器46重新闭合为止。

下面所阐述的图3至图7中的元件在其功能方面与已经阐述过的元件相应，分别具有与相应的已经阐述过的元件相同的附图标记。

在图3中示出了另一个变频器24′。除了整流器28以外，变频器24′具有另一个整流器46。该整流器属于限流装置44′。整流器26被设计成其额定功率小于整流器28。整流器46通过电源接头24而接收到的交流电流受到了耦合电容器C₁，C₂，C₃的限制，这些耦合电容器在限流装置44′中串联地连接在整流器46前方。

在变频器24′的预充电阶段中，整流器28的晶闸管接入断开状态。中间电路36的中间电路电容器38随后通过限流装置44进行充电。

在运行阶段中随后可以通过运行整流器28来在中间电路36中传输更大的电功率。对此无需桥接限流装置44′。

在变频器24′的整流器28中，通过在半桥的去流支路和回流支路中均构造晶闸管，还可以在接地时避免电流通过整流器28不受控制地流动。

在图4中示出了变频器24″，在其构造方面该变频器可与变频器24′相比较。

在变频器24″中，整流器28与变频器24′的相应的整流器不同地具有三个晶闸管和三个二极管。由此可以更廉价地制造变频器24″。然而与在变频器24′中一样，也能够通过断开晶闸管来防止变频器24″的部件受到中间电路电容器38的过大的充电电流的损害，并且能够借助限流装置44′的整流器46产生直流电压。

图5中示出了变频器24″′，该变频器具有有源的整流器48，该有源的整流器能够作为升压变流器进行工作。在升压变流器工作时，在中间电路36中产生了直流电压U_ZK，其有效值不取决于加载在电源接头26的连接元件R，S，T之间的交流电压。为了运行升压变流器，在整流器48的交流电压输入端前方连接了整流扼流圈L₁，L₂，L₃和滤波电容器50，52，54。整流器48也是反馈性的，也就是说，利用该整流器可以从直流电压U_ZK中产生出交流电压并且由此将功率反输送给供电电源。

为了能够限制变频器24″′的中间电路电容器38的充电电流的电流强度，在变频器24″′中构造了限流装置44。该限流装置可以通过闭合接触器56而接通。额外地可以断开接触器58，从而使得限流装置44的耦合电容器C₁，C₂，C₃不通过整流扼流圈L₁，L₂，L₃进行桥接。

图6中示出了变频器24″″，该变频器如变频器24″′一样地具有有源的整流器48。限流装置44″在此具有专属的整流器。耦合电容器C₁，C₂，C₃能够通过闭合接触器60而联接成星形联结，从而使得耦合电容器C₁，C₂，C₃的接头在零点62中彼此相连。然后桥接了整流器46，从而使得没有电流再流经该整流器。相应地，耦合电容器C₁，C₂，C₃随后也不再串联地连接在连接元件R，S，T和中间电路电容器的接头40，42之间。换言之，这些耦合电容器在接触器60闭合时连接在连接元件R，S，T之间。这些耦合电容器则用作为与滤波电容器50，52，54类似的滤波电容器。接触器60在预充电阶段中保持断开并且在运行阶段开始时闭合。

图7中示出了变频器24″″′，该变频器与变频器24′类似地具有由晶闸管形成的整流器28。对于这种变频器而言也能够使用限流装置44″，其中，耦合电容器C₁，C₂，C₃能够借助接触器60将其功能改变成滤波电容器。通过断开接触器64避免了，在预充电阶段中耦合电容器C₁，C₂，C₃和整流扼流圈L₁，L₂，L₃之间流过无功电流。但也可以设计为，在预充电阶段中将接触器64保持在闭合状态下，从而借助整流扼流圈L₁，L₂，L₃实现无功功率补偿。然后与此相应地设置构件。

下面借助图8至图11再次详细地阐述用于变频器24的、中间电路电容器38的预充电、也就是说预充电阶段。

由此采用以下设置，即，在其上连接有变频器24的电源14中，相连接的电源电压（也就是说分别在连接元件R，S，T中的两个之间下降的交流电压）具有400V的有效值。电源频率为f=50Hz。另外，变频器24设计为，能够传输100KW的额定功率。耦合电容器C₁，C₂，C₃应具有C=20μF的电容。其等效的串联电阻（ESR-等效的串联电阻）为R_ESR=10mΩ。中间电路电容器38的整流电容为4mF。

图8中示出了整个充电过程，该图具有关于时间t，关于电压U₁的电压值，关于耦合电容器C₁，以及电压U₄₀和U₄₂的电压值的曲线，其中，电压U₄₀表示的是施加在接头40和（图1中未示出的）中性导体之间的电压，而电压U₄₂代表的是施加在接头42和中性导体之间的电压。中性导体的电位与电源14的零点N的电位相同。电压U₄₀和U₄₂的差值与中间电路电压U_ZK相应。

在图8中示出的电压U₁，U₄₀，U₄₂仅示出在其原理性的曲线中。和曲线随着时间t正弦地变化的频率实际上是电源频率f=50Hz的三倍，也就是150Hz。图8中所示的包络曲线（虚线）示出，汇流排ZK+，ZK-上的中间电路36中的电压如何从在3s之内的一定数值上升到约为310V的平均值。以相同的程度，电压U₁的极值的数值下降到电容器C₁之上。

图9至图11中再一次示出了预充电阶段的各个时间段的电压U₁，U₄₀，U₄₂的曲线。额外地还示出了施加在连接元件R和零点N之间的电压U_R的曲线，流过耦合电容器C₁的相电流I_R的曲线，以及从耦合电容器C₁流到汇流排ZK+中的电流I₁的曲线。相电流I_R被否定地作为-I_R示出。

图9示出了接通的瞬间。电流I₁和相位电压U_R相比提前了90°并且在最初的小的中间电路电压中几乎成正弦形。通过电容器C₁的有效电流I_R， _eff等于：

I_R，eff=U_RωC=230V2πf 20μF=1.44A（均方根）。

一秒以后（见图10），中间电路电容器38已经充电达到了U_ZK=390V。通过C₁的有效电流下降到0.8A。在电容器C₁上的电压降低。五秒以后（见图8）中间电路电容器38完全充电完毕。耦合电容器C₁没有引导电流，该耦合电容器没有导致明显的电压下降。在此时间点不存在限流装置44由于闭合接触器46而被桥接的风险。

图12中示出了中间电路电压U_ZK、充电电流I_ZK和相电流I_R的有效值的曲线的比较，如其在预充电阶段中一方面在变频器10（现有技术）和另一方面在变频器24中所得到的。

在变频器24中的中间电路电压U_ZK的有效值的曲线110与变频器10中的U_ZK的有效值的相应的曲线112之间并没有明显的区别。中间电路电容器在这两个变频器10，24中在几乎相同的时间内进行充电。借助电容性的耦合也就能够像利用预充电电阻进行充电那样迅速地为中间电路电容器充电。

相电流I_R的有效值的曲线114和充电电流I_ZK的有效值的曲线116在变频器24中与此相反地具有比变频器10中的相应的曲线118（I_R）或120（I_ZK）明显更小的最高值。

在变频器10中，预充电电阻R₁，R₂，R₃在所示实例中具有R=68Ω的电阻值。在中间电路18中出现短路的情况下，R₁必须能够在预充电过程中持续地接收功率：P_R1=U_R ²/R=（230V）²/68Ω=778W。在此，预充电电阻可能被剧烈加热。不能以经济上合理的支出为这种功率构造出足够耐用的预充电电阻。

与此相反地，在相同的情况下在耦合电容器C₁中只有功率：P_C1=I_R ²R_ESR=（U_RωC）²R_ESR=（1.44A）²10mΩ=21mW被转换。由此在短路的情况下限流装置44也不会被明显的加热。

甚至可以利用市场上常见的薄膜电容器来实现这个优点。利用充足的电压可负载性能和电流可负载性能以及规定的R_ESR便可实现该薄膜电容器。由此也可以在经济上有利地为变频器提供100kW的额定功率。

在构造体积上也是有利的。也就是说，如预充电电阻R₁那样，电阻仅仅具有6.5cm³的体积。但在此既不考虑冷却装置的构造体积又不考虑用于排出受热气体所必要的自由空间。正如其能够作为耦合电容器C₁所应用地那样，薄膜电阻器总共具有57cm³的体积，这在可能的紧凑布置构件的情况下能够使得限流装置整体上具有更小的总体积。此外制造费用也更少。

在合适的构件布置中，利用额外的开关元件（在实例中该额外的开关元件是接触器60）也能够将耦合电容器C₁，C₂，C₃作为薄膜电容器使用。（在图中未示出的）由在进行转换时为了电容器放电所必需的电阻所组成的放电装置不存在任何技术上的或经济上的问题。

整体上通过实例示出了变频器在以下故障情况中如何提供有效的保护：

-中间电路短路；

-地线位于中间电路中或位于与该中间电路相耦合的电机中；

-利用过多的逆变器或利用具有过大的额定功率的逆变器运行；

-在短时间的停电之后的再充电过程。

由于在限流装置中在短路电流的情况下也仅转换少量的有效功率，所以不会损坏该限流装置。

Claims

1.一种用于在电源（14）上运行电机的变频器（24至24″″′），所述变频器包括：

-电源接头（26），用于将变频器（24至24″″′）连接在电源（14）上，

-与所述电源接头（26）相连接的整流器（28，48），用于将所述电源（14）的交流电压（U_R）转换成经过整流的电压（U_ZK）；

-连接在所述整流器（28，48）的直流电压输出端（34）上的中间电路（36），所述中间电路具有至少一个中间电路电容器（38），以及

-限流装置（44，44′，44″），用于限制从所述电源（14）流入到所述中间电路（36）中的电流（I_ZK）的电流强度，

其特征在于，

-所述限流装置（44，44′，44″）设计为，将用于限制所述电流（I_ZK）的所述中间电路（36）与所述电源接头（26）电容性地相连接。

2.根据权利要求1所述的变频器（24至24″″′），其特征在于，所述限流装置（44，44′）具有至少一个耦合电容器（C₁，C₂，C₃）并且所述限流装置（44，44′）设计为，为了限制电流而在所述电源接头（26）的连接元件（R，S，T）和所述中间电路电容器（38）的接头（40，42）之间串联地连接至少一个耦合电容器（C₁，C₂，C₃）。

3.根据权利要求1或2所述的变频器（24，24″′，24″″′，24″″′），其特征在于，所述限流装置（44，44″）或所述限流装置的一部分能选择性地桥接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的变频器（24，24″′），其特征在于，所述限流装置（44）连接在所述电源接头（26）和所述整流器（28，48）之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的变频器（24′，24″，24″″′，24″″′），其特征在于另一个整流器（46），所述另一个整流器是所述限流装置（44′，44″）的组成部分。

6.根据前述权利要求中任一项所述的变频器（24″″，24″″′），其特征在于，所述限流装置（44″）具有开关装置（60），所述开关装置设计为，在所述变频器的电源相导体（R，S，T）之间选择性地连接所述限流装置（44″）的耦合电容器（C₁，C₂，C₃）作为滤波电容器，其中，所述耦合电容器在此优选地能以星形联结或三角形联结的形式彼此相连接。

7.一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的变频器的方法，其中，在所述方法中，中间电路电容器在预充电阶段中充电，并且所述中间电路电容器为此与电源电容性地相耦合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在用于运行电机的运行阶段中，在所述中间电路电容器和所述电源之间提供了电流连接。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在运行阶段中，在由整流器从所述电源中所接收的电功率通量被中断之后，所述中间电容器在再充电阶段中重新进行充电，并且在此借助限流装置限制充电电流的电流强度。