CN113424420A - 具有简化的预充电电路的变频器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种变频器，该变频器具有在输入侧的整流器(1)和布置在整流器(1)下游的至少一个备用电容器(3)。整流器(1)具有多个半桥(6)，整流器(1)的相应输入侧相(U、V、W)通过该半桥为备用电容器(3)供电。输入侧相(U、V、W)通过前置电路(4)与多相供电网络(5)的网络侧相(L1、L2、L3)连接。网络侧相(L1、L2、L3)在前置电路(4)内通过相应的相电容器(9)与相应的一个输入侧相(U、V、W)连接。此外，网络侧相(L1、L2、L3)在前置电路(4)内部通过相应的开关(10)与相应的另一个输入侧相(U、V、W)直接连接，使得当开关(10)闭合时网络侧相(L1、L2、L3)与输入侧相(U、V、W)短路连接并且相电容器(9)分别将两个网络侧相(L1、L2、L3)或两个输入侧相(U、V、W)彼此连接。变频器具有控制装置(11)，该控制装置在对备用电容器(3)进行预充电时使开关(10)保持断开状态，并在备用电容器(3)达到预定的充电状态(Z1)时使开关(10)闭合。

Description

具有简化的预充电电路的变频器
技术领域
本发明涉及一种变频器，
-其中，变频器在输入侧具有整流器和布置在整流器下游的至少一个备用电容器，
-其中，整流器具有多个半桥，整流器的相应输入侧相通过半桥为备用电容器供电，
-其中，整流器的输入侧相通过前置电路与多相供电网络的网络侧相连接，
-其中，网络侧相在前置电路内通过相应的相电容器与相应的一个输入侧相连接。
背景技术
由电网供电的变频器通常在供电网络与变频器输入侧的整流器之间需要滤波电路和预充电电路。滤波电路用于限制网络干扰。仅在将变频器连接至供电网络时才需要预充电电路。预充电电路用于限制对备用电容器充电的预充电电流。一旦备用电容器充电，电流限制就能够结束。为此目的，例如，能够借助于继电器桥接预充电电路。
一个简单且广泛使用的预充电电路在于，在从供电网络的网络侧相到整流器的输入侧相的线路中布置有电阻器，该电阻器在备用电容器预充电之后借助于继电器的开关触点被桥接。该预充电电路的缺点在于，在预充电时在电阻器中发生高功率损耗并因此出现电阻器的显著变热。特别是在备用电容器的电容大的情况下，电阻也必须设计得很大。替代地，也能够选择较大的电阻值。然而，在这种情况下，预充电所需的时间增加。此外，重复的预充电通常只能在有限的程度上可行，因为电阻器需要较长的时间才能再次冷却。
替代地，已知使用专用的功率半导体来对备用电容器进行预充电。然而，该方法在电路技术方面是复杂的并且昂贵的。
从EP 2 533 409 A1中已知开头提到的几种类型的变频器。在这些变频器中的一个中，网络侧相也通过相应的开关直接与相应的相同的输入侧相连接，从而，当开关处于闭合时，网络侧的相与相同的输入侧相短路连接，并且因此桥接进而停用相位电容器。在这些变频器的另一个中，首先在布置开关的线路路径中布置另外的电容器。此外，在布置有相电容器的线路路径中布置有另外的开关。当前面提到的开关闭合时，其他开关断开，反之亦然。
从EP 2 533 409 A1已知的变频器与传统的现有技术的变频器相比是有利的，因为在预充电时仅出现很小的功率损耗。但是，由于同时需要预充电电路和滤波电路，所以总体积仍然很大。因此，成本仍然很高。
从H.D.Tafti等人的技术论文“在充电过程中改善动态性能的固态变压器的有源前端整流器的控制(Control of Active Front-End Rectifier of the Solid-StateTransformer with Improved Dynamic Performance during Recharging)”中得知一种变频器，该变频器在输入侧具有整流器和布置在整流器下游的备用电容器。整流器具有半桥，整流器的输入侧相通过该半桥对备用电容器供电。该半桥具有有源开关元件，从而该整流器被设计为可反馈转换器(
Figure BDA0003047040490000021
Umrichter)。整流器的输入侧相通过前置电路与供电网络的网络侧相连接。变频器具有控制装置，该控制设备在备用电容器达到第一充电状态时控制有源开关元件，使得备用电容器继续以恒定的充电速率充电。
发明内容
本发明的目的是设计一种开头提到的类型的变频器，使得尽管在预充电期间也实现滤波器功能和电流限制，而且能够简单且廉价地实现相关的前置电路。
该目的通过具有权利要求1的特征的变频器来实现。变频器的有利设计方案是从属权利要求2至6的主题。
根据本发明，开头所述类型的变频器被设计为，
-网络侧相在前置电路内通过相应的开关与相应的另一个输入侧相直接连接，使得当开关闭合时网络侧相与输入侧相短路连接，并且相电容器分别将两个网络侧相或两个输入侧相相互连接，以及
-变频器具有控制装置，控制装置在备用电容器预充电时将开关保持断开，并在备用电容器达到预定的充电状态时将开关闭合。
由此，能够实现一个和相同的电容器、即相电容器一方面在预充电时实现电流限制，另一方面在正常运行时用于作为电流滤波的滤波电容器。
相互连接的网络侧和输入侧相的互换不存在大问题。在非受控的整流器的情况下，也无需采取任何措施。在受控的整流器(即其中半桥具有有源开关元件的整流器)的情况下，有源开关元件的驱控能够通过控制装置相应地以简单的方式进行适配。特别地，仅需要各个控制信号的分配匹配有源开关元件。这样的驱控能够保持不变。
前置电路优选在至网络侧相和/或输入侧相的线路中具有电感。通过这种设计方案能够实现特别简单和有效的滤波。
电感优选地布置在线路中，使得该电感在开关闭合和接通时都由从供电网络馈入的和/或流过半桥的相电流穿流。由此，相电容器的两种作用的组合的实现(即一种用于滤波而一种用于电流限制)设计得特别简单且有效。
半桥优选具有有源开关元件，从而整流器被设计为可反馈转换器。这种设计方案尤其在能源技术方面具有优势。这也提供了进一步的优点。
例如在这种情况下，当达到预定的第一充电状态时，控制装置
-首先驱控有源开关元件，使得通过有源开关元件将输入侧相电压施加至所述输入侧相，该输入侧相电压在幅度和相位方面与施加在网络侧相的网络侧相电压一致，该网络侧相通过相电容器与输入侧相连接，
-然后驱控有源开关元件，使得通过有源开关元件施加至输入侧相的输入侧相电压稳定地转换为施加至网络侧相的网络侧电压，该网络侧相通过开关与输入侧相连接，以及
-仅在将输入侧相电压转换为施加至通过开关与输入侧相连接的网络侧相的网络侧相电压之后，开关才闭合。
由此，能够显著降低在开关闭合时可能出现的电流峰值和电压跳变。
此外，在有源开关元件的情况下，从达到备用电容器的第二充电状态开始，控制装置驱控有源开关元件，使得通过有源开关元件将输入侧相电压施加至输入侧相，该输入侧相电压与施加至通过相电容器与输入侧相连接的网络侧相的网络侧相电压相反，其中，备用电容器的预充电期间该第二充电状态被假定为在第一充电状态之前。通过这种设计，能够显著减少预充电时间。
附图说明
根据下面结合实施例对本发明的实施例的说明，更详细的解释本发明的上述特性，特征和优点以及如何实现它们的方式和方法。在此在示意图中示出：
图1示出了变频器，
图2示出了网络连接、前置电路和输入侧整流器
图3示出了流程图，
图4示出了时间图表，以及
图5示出了另一个时间图表。
具体实施方式
根据图1，变频器在输入侧具有整流器1。另一个装置2在输出侧布置在整流器1的下游。变频器还具有至少一个备用电容器3，该备用电容器布置在整流器1与另一个装置2之间。另一个装置通常被设计为逆变器。在这种情况下，我们说的是中间电路转换器。然而，该另一个装置也能够不同地设计为例如直流电压消耗器、直流电压网络、光伏设施或能量存储器。
整流器1在输入侧具有U、V、W相，其通过前置电路4与供电网络5的L1、L2、L3相连接。因此，整流器1和供电网络5都是多相的，即分别具有U、V、W或L1、L2、L3的多个相。整流器1的相U、V、W在下面被称为输入侧相U、V、W，以将它们与供电网络5的相L1、L2、L3区分开。同样，为了与整流器1的输入侧相U、V、W进行语言区分，将供电网络5的相L1、L2、L3称为网络侧相L1、L2、L3。
输入侧相U、V、W的数量通常为三个。然而，不管输入侧相U、V、W的数量如何，输入侧相U、V、W的数量都等于网络侧相L1、L2、L3的数量。
可行的是，网络侧相L1在电气方面领先网络侧相L2 120°，并且同样，网络侧相L2在电气方面领先网络侧相L3 120°，并且网络侧相L3在电气领先网络侧相L1 120°。然而，优选相反地，网络侧相L1在电气方面落后于线路侧相L2 120°，并且同样，网络侧相L2在电气方面落后网络侧相L3 120°，并且网络侧相L3在电气方面落后网络侧相L1 120°。
如图2所示，整流器1具有多个半桥6。整流器1的相应的一个输入侧相U、V、W经由每个半桥6为备用电容器3供电。半桥6具有如图2所示的二极管7。半桥优选还具有与二极管7并联连接的有源开关元件8。开关元件8(如果存在的话)是电子半导体开关，例如MOSFET。由于有源开关元件8，整流器1是可反馈的。如果源开关元件8存在的话，则通过相应的控制信号C1至C6对源开关元件8进行驱控。如果存在有源开关元件8，则二极管7能够是独立的构件。替代地，二极管7能够是有源开关元件8的集成组成部分。
根据图2的图示，网络侧相L1、L2、L3在前置电路4的内部经由相应的电容器9与相应的一个输入侧相U、V、W连接。具体地，经由相应的一个电容器9，网络侧相L1与输入侧相U连接，网络侧相L2与输入侧相V连接并且网络侧相L3与输入侧相W连接。为了在语言上与备用电容器3区分开来，以下将电容器9称为相电容器9。
此外，网络侧相L1、L2、L3在前置电路4内部经由相应的开关10与输入侧相U、V、W中的相应的另一个连接。具体地，通过开关10中的相应的一个，网络侧相L1与输入侧相V连接，网络侧相L2与输入侧相W连接并且网络侧相L3与输入侧相U连接。网络侧相L1与输入侧相V的、网络侧相L2与输入侧相W的、网络侧相L3与输入侧相U的连接是直接的。当开关10闭合时，网络侧相L1、L2、L3与输入侧相U、V、W短路连接。在这种情况下，相电容器9分别将两个电源侧相L1、L2、L3或两个输入侧相U、V、W彼此连接。特别地，通过每个相电容器将
-网络侧相L1和输入侧相V(二者在该种情况中通过开关10中的一个彼此短路连接)与网络侧相L2和输入侧相W(二者在该种情况下通过开关10中的另一个彼此短路连接)连接，
-网络侧相L1和输入侧相V与网络侧相L3和输入侧相U(二者在该种情况下同样通过开关10中的另一个彼此短路连接)连接，以及
-网络侧相L2和输入侧相W与网络侧相L3和输入侧相U连接。
根据图1，变频器还具有控制装置11。如果需要，控制装置11生成控制信号C1至C6。当备用电容器3被预充电时，控制装置11使开关10断开。由此，备用电容器3经由相电容器9缓慢地充电。将开关10保持在断开状态例如能够由此实现，即致动开关10的继电器12不由控制装置11加载电流。当达到预定的充电状态Z1时(下面称为第一充电状态Z1)，控制装置11闭合开关10。例如，在图2中以C0示出用于继电器12的相应的控制信号。在这种状态下(即，在开关10闭合的情况下)实现变频器的正常运行。在正常运行中，控制设备11还驱控另一个装置2。例如，根据图1的图示，能够通过逆变器向负载13提供电能。第一充电状态Z1例如能够通过以下限定，即，经过备用电容器3下降的支持电压(Stützspannung)UZK达到其额定值的预定百分比，例如至少90％。
在图1和2中，特别是在图2中，不仅示出了本发明的基本的设计方案，而且示出了一系列有利的设计方案。特别地，前置电路4能够在线路14中具有至网络侧相L1、L2、L3的电感15。如果存在电感15，则它们优选地布置在线路14中，使得它们在开关10闭合和断开的情况下都被从供电网络5馈入的相电流I1、12、13(网络侧相电流I1、12、13)穿流。替代地或附加地，前置电路4在至输入侧相U、V、W的线路14中能够具有电感16。如果存在电感16，则它们优选地布置在线路14中，使得它们在开关10闭合和断开的情况下都被流经半桥6的相电流IU、IV、IW(输入侧相电流IU、IV、IW)穿流。开关10连接至线路14处的节点17、18因此布置在相位电容器9与电感器15、16之间。
下面结合图3再次说明变频器的运行方式。在上下文中，还说明了另外两个有利的设计方案。一方面，这些设计方案能够彼此独立地实现。另一方面，这些设计方案也能够不取决于是否在线路14中布置有电感15、16地实现。但前提是存在有源开关元件8。
在说明根据本发明的基本设计之前，还在下面说明两个有利设计中的第一个。这样做是因为它在采取措施的时间顺序上被首先执行。
在该有利设计方案的范畴中，当在步骤S1中将整流器1连接至供电网络5时，控制装置11根据图3检查备用电容器3是否达到充电状态Z2，下面称为第二充电状态Z2。特别地，控制装置11能够在步骤S1中检查支持电压UZK是否达到或超过合适的预定值，预定值例如是额定值的30％至70％之间，特别是在额定值的40％至60％之间的值。
只要不是这种情况，控制装置4就通过步骤S2返回到步骤S1。在步骤S2中，控制装置11将开关10和有源开关元件8都保持断开。这在图3中表示为，没有输出控制信号C0至C6(由符号“./.”表示)。
当备用电容器3达到第二充电状态Z2时，控制装置11在步骤S3中驱控有源开关元件8。该驱控使得输入侧相电压UU经由有源开关元件8馈送至相应的相电容器9，其中，通过该开关元件来切换输入侧相U，该输入侧相电压的变化与网络侧相电压UI相反(反相)。图4在其左侧区域中示出了作为时间t的函数的网络侧相电压UI和输入侧相电压UU的相关曲线。
以类似的方式，控制装置11驱控有源开关元件8，通过该有源开关元件8切换输入侧相V，使得相应的相电容器9被提供有输入侧相电压UV，该输入侧相电压的变化与网络侧相电压U2相反(反相)。同样地，控制装置11驱控有源开关元件8，通过有源开关元件来切换输入侧相W，使得相应的相电容器9被提供有输入侧相电压UW，该输入侧相电压的变化与网络侧相电压U3相反(反相)。由此，相对大的电势差被施加至相电容器9，使得相对大的相电流I1、12、13、IU、IV、IW在线路14中流动。由此，备用电容器3快速充电。由于网络侧相电压U1、U2、U3随时间变化，所以输入侧相电压UU、UV、UW也变化。有源开关元件8的驱控必须满足这些条件。然而，有源开关元件8的驱控的相应的确定是本领域技术人员普遍已知的，因此不需要详细解释。
现在将说明根据本发明的基本设计方案以及与此相关的两个有利设计方案中的第二个。这是结合起来进行的，因为这两个有利的设计方案中的第二个涉及到紧接在开关10闭合之前达到第一充电状态Z1时采取的措施。
在备用电容器3的预充电期间，假定第二充电状态Z2在第一充电状态ZI之前。因此，控制装置11在步骤S4中检查备用电容器3是否已经达到第一充电状态Z1。特别地，控制装置11能够在步骤S4中检查支持电压UZK是否达到或超过合适的预定值。该值必须大于用于第二充电状态Z2的值。
只要不是这种情况，控制装置4就返回到步骤S3。否则，进入步骤S5。在步骤S5中，控制装置11驱控用于U相的有源开关元件8，使得经由相关的有源开关元件8将输入侧相电压UU施加至输入侧相U，该输入侧相电压在幅度和相位方面与网络侧相电压U1一致。图4在其右侧区域中示出了作为时间t的函数的相电压U1和相电压UU的相关曲线。在图5的左侧区域中同样示出了作为时间t的函数的相电压U1和相电压UU的相关曲线。
图4还同时示出了以何种方式和方法实现从相反的曲线(左侧区域)到同相的曲线(右侧区域)的转换。如图4所示，该转换优选在相电压U1、UU的过零的情况下实现。
以类似的方式，在步骤S5中，输入侧相V的相电压UV也从与相电压U2的曲线相反的曲线转换到与相电压U2的曲线相同相的曲线。这同样适用于将输入侧相W的相电压UW从与相电压U3的曲线相反的曲线转换到与相电压U3的曲线相同相的曲线。
然后，在步骤S6中，控制装置11驱控用于相U的有源开关元件8，使得经由相关的有源开关元件8将输入侧相电压UU施加至输入侧相U，该输入侧相电压在幅度和相位方面与网络侧相电压U3一致。在此，根据图5所示，实现连续的转换。例如，这能够通过以下方式实现，即根据图5所示，从时间点t1开始恒定地保持输入侧相电压UU的确定的电压值，直到网络侧相电压U3在时间点t2达到该确定的电压值。从达到该确定的电压值开始，相电压UU跟随网络侧相电压U3。
以类似的方式，在步骤S6中也实现输入侧相V的相电压UV从与相电压U2的曲线同相的曲线切换为与相电压U1的曲线同相的曲线。这同样适用于将输入侧相W的相电压UW从与相电压U3的曲线同相的曲线切换为与相电压U2的曲线同相的曲线。
能够同时执行如上所述的相电压UU、UV、UW的转换。特别是在以下情况下，如果网络侧相L1在电气方面比网络侧相L2滞后120°，并且同样网络侧相L2同样在电气方面比网络侧相L3滞后120°，并且网络侧相L3在电气方面比网络侧L1滞后120°，则是有利的。因为由此相应的输入侧相电压UU、UV、UW仅必须在网络侧相电压U1、U2、U3的三分之一的周期内保持恒定值。否则，输入侧相电压UU、UV、UW必须在网络侧相电压U1、U2、U3的三分之二的周期内保持恒定值。
能够通过相应的半桥6彼此独立地控制各个输入侧相U、V、W。因此替代地，能够依次执行如上所述的相电压UU、UV、UW的转换。在这种情况下，甚至能够执行输入侧相电压UU、UV、UW从与网络侧相电压U1、U2、U3之一同相的曲线到与网络侧相电压U1、U2、U3中的另一个同相的曲线的直接立刻(突然)的切换，而不会引起电压跳变，从而像以前一样连续地执行切换。然而，在这种情况下，例如对于相U，必须在网络侧相电压U1和U3具有相同值的时间点进行切换。以类似的方式，在这种情况下，对于相V的切换必须在网络侧相电压U1和U2具有相同值的时间点进行。在这种情况下，也必须在网络侧相电压U2和U3具有相同值的时间点进行对于W相的切换。
在如上所述的相电压UU、UV、UW的切换之后，控制装置11在步骤S7中闭合开关10。开关10的闭合应该在时间t2之后尽快进行。随着关10的闭合，备用电容器3以及因此变频器的预充电整体完成。这之后是正常运行，其中，另一装置2以通常的方式运行。为了闭合开关10，控制装置11例如能够驱控继电器12，使得开关10闭合。
总之，本发明涉及以下事实：
变频器在输入侧具有整流器1和布置在整流器1下游的至少一个备用电容器3。整流器1具有多个半桥6，整流器1的相应输入侧相U、V、W通过该半桥为备用电容器3供电。输入侧相U、V、W通过前置电路4与多相供电网络5的网络侧相L1、L2、L3连接。网络侧相L1、L2、L3在前置电路4内通过相应的相电容器9与相应的一个输入侧相U、V、W连接。此外，网络侧相L1、L2、L3在前置电路4内通过相应的开关10与相应的另一个输入侧相U、V、W直接连接，使得在开关10闭合的情况下网络侧相L1、L2、L3与输入侧相U、V、W短路连接，并且相电容器9分别将两个网络侧相L1、L2、L3或两个输入侧相U、V、W相互连接。变频器具有控制装置11，该控制装置在备用电容器3预充电时将开关10保持断开状态，并在备用电容器3达到预定的充电状态Z1时将开关10闭合。
本发明具有许多优点。特别地，不仅能够实现对备用电容器3进行低损耗的预充电，而且还能够大大简化前置电路4。特别地，与现有技术相比，能够节省那里所需的预充电电阻器和预充电电容器。因此，与现有技术的变频器相比，根据本发明的变频器能够实现大大节省成本。特别地，与现有技术相比，前置电路4的成本能够减少大于50％。相位电容器9所需的电容值能够被调整为，使得提供快速预充电和良好滤波效果。
尽管已经通过优选的实施例更详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受公开的示例的限制，并且本领域技术人员能够在不脱离本发明保护范围的情况下从中得出其他变体方案。

Claims (6)

1.一种变频器，
-其中，所述变频器在输入侧具有整流器(1)和布置在所述整流器(1)下游的至少一个备用电容器(3)，
-其中，所述整流器(1)具有多个半桥(6)，所述整流器(1)的相应的一个输入侧相(U、V、W)通过所述半桥为所述备用电容器(3)供电，
-其中，所述整流器(1)的所述输入侧相(U、V、W)通过前置电路(4)与多相供电网络(5)的网络侧相(L1、L2、L3)连接，
-其中，所述网络侧相(L1、L2、L3)在所述前置电路(4)内通过相应的相电容器(9)与相应的一个输入侧相(U、V、W)连接，
其特征在于，
-所述网络侧相(L1、L2、L3)还在所述前置电路(4)内通过相应的开关(10)与相应的另一输入侧相(U、V、W)直接连接，使得当所述开关(10)闭合时所述网络侧相(L1、L2、L3)与所述输入侧相(U、V、W)短路连接，并且所述相电容器(9)分别将两个所述网络侧相(L1、L2、L3)或两个所述输入侧相(U、V、W)彼此连接，以及
-所述变频器具有控制装置(11)，所述控制装置在所述备用电容器(3)预充电时将所述开关(10)保持断开，并且在所述备用电容器(3)达到预定的充电状态(Z1)时将所述开关(10)闭合。
2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，所述前置电路(4)在至所述网络侧相(L1、L2、L3)和/或所述输入侧相(U、V、W)的线路(14)中具有电感(15、16)。
3.根据权利要求2所述的变频器，其特征在于，所述电感(15、16)布置在所述线路(14)中，使得在所述开关(10)断开和闭合时从所述供电网络(5)馈入的和/或流经所述半桥(6)的相电流(I1、I2、I3、IU、IV、IW)都流过所述电感。
4.根据权利要求1、2或3所述的变频器，其特征在于，所述半桥(6)具有有源开关元件(8)，使得所述整流器(1)被设计为可反馈转换器。
5.根据权利要求4所述的变频器，其特征在于，
当达到预定的第一充电状态(ZI)时，控制装置(11)
-首先驱控所述有源开关元件(8)，使得通过所述有源开关元件(8)将输入侧相电压(UU、UV、UW)施加至所述输入侧相(U、V、W)，所述输入侧相电压在幅度和相位方面与施加至所述网络侧相(L1、L2、L3)的网络侧相电压(U1、U2、U3)一致，所述网络侧相通过所述相电容器(9)与所述输入侧相(U、V、W)连接，
-然后驱控所述有源开关元件(8)，使得通过所述有源开关元件(8)施加至所述输入侧相(U、V、W)的所述输入侧相电压(UU、UV、UW)稳定地转换为施加至通过所述开关(10)与所述输入侧相(U、V、W)连接的所述网络侧相(LI、L2、L3)的所述网络侧电压(U1、U2、U3)，以及
-仅在将所述输入侧相电压(UU、UV、UW)转换为施加至所述网络侧相(L1、L2、L3)的所述网络侧相电压(U1、U2、U3)之后，所述开关(10)才闭合，其中，所述网络侧相通过所述开关(10)与所述输入侧相(U、V、W)连接。
6.根据权利要求4或5所述的变频器，其特征在于，从在第一充电状态(Z1)之前达到在所述备用电容器(3)的预充电期间获得的所述备用电容器(3)的第二充电状态(Z2)开始，所述控制装置(11)驱控所述有源开关元件(8)，使得通过有源开关元件(8)将所述输入侧相电压(UU、UV、UW)施加至所述输入侧相(U、V、W)，所述输入侧相电压与施加至所述网络侧相(L1、L2、L3)的所述网络侧相电压(U1、U2、U3)是相反的，其中，所述网络侧相通过所述相电容器(9)与所述输入侧相(U、V、W)连接。
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