專利名稱：具有一不帶電容器的中間電路的變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變頻器，所述變頻器具有一不帶電容器的中間電路與一為所述變頻器的電子部件供電的供電設(shè)備，其中，所述供電設(shè)備在其輸入端上具有一緩沖電容器，所述緩沖電容器與所述不帶電容器的中間電路并聯(lián)，其中，所述緩沖電容器的一饋電線具有一去耦二極管。
背景技術(shù)：
圖1詳盡顯示一種公布在申請?zhí)枮?03 38 476.6的在先德國專利申請內(nèi)的電壓中間電路變換器，其最多具有一個(gè)小型中間電路。根據(jù)附圖所示的實(shí)施例，這種電壓-頻率變換器具有一饋電側(cè)變換器2與一負(fù)載側(cè)變換器4，這兩個(gè)變換器借助直流電壓側(cè)上的一個(gè)小型中間電路6導(dǎo)電相連。饋電側(cè)變換器2為一二極管整流器，負(fù)載側(cè)變換器4為一脈沖控制變換器。小型中間電路6具有一個(gè)薄膜電容器作為中間電路電容器CZK。與使用電解電容器作為中間電路電容器CZK的電壓中間電路變換器相比，這種中間電路電容器CZK的容量明顯較低。其后果在于，中間電路電壓UZK的脈動(dòng)系數(shù)很大，而其平均值又很小。盡管無須在變換器的輸入端或電壓中間電路上布置額外的電感器，但由于所述中間電路電容器的容量很小，用電設(shè)備對電網(wǎng)的反作用也會(huì)小很多。變換器的電源輸入端與一供電網(wǎng)絡(luò)8相連，而其輸出端上的接線上則連有一三相交流電動(dòng)機(jī)10。
一為所述電壓中間電路變換器的電子部件供電的供電設(shè)備12在其輸入端上具有一緩沖電容器CP。緩沖電容器CP與小型中間電路6并聯(lián)，從而也與中間電路電容器CZW并聯(lián)，其中，緩沖電容器CP的一饋電線14上連有一由去耦二極管16和限流器18構(gòu)成的串聯(lián)電路。去耦二極管16使兩個(gè)電容器CZW和CP彼此去耦。借助限流器18可以將緩沖電容器CP的充電電流調(diào)整至一預(yù)定值。最簡單的情況為，限流器18為一無電抗電阻器，當(dāng)充電電流流入緩沖電容器CP時(shí)，借此可使緩沖電容器上出現(xiàn)功率損耗現(xiàn)象。緩沖電容器CP的尺寸大小由需要適用的供電系統(tǒng)停電時(shí)間的長來確定。此外還需考慮的因素是供電網(wǎng)絡(luò)8中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)這種電力中斷現(xiàn)象的具體時(shí)間間隔。
當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)8中出現(xiàn)電力中斷時(shí)，中間電路電容器CZW和緩沖電容器CP上便不再有電力供入。由于緩沖電容器CP與中間電路電容器CZW去耦，因而無法被變換器的負(fù)載放電。因此，緩沖電容器CP中存儲(chǔ)的電能只用于維持對變換器的電子部件，尤其是對負(fù)載側(cè)變換器4的供電。電壓中間電路變換器由此而得以維持在工作狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，可重新回復(fù)至其額定工作點(diǎn)。由于中間電路電容器CZW的電容值較小，因此充電電流也小到無需為饋電側(cè)變換器2配備尺寸過大的二極管(就其I2T值而言)。
普通類型的變頻器中的小型中間電路一般都很小，因而通常不帶有中間電路電容器CZW。由Kurt Gpfrich、Rebbereh博士和Sack博士所著，名為“Fundamental Frequency Front End Converter(F3E)-a DC-link driveconverter without electrolytic capacitor”的文獻(xiàn)對這樣一種具有不帶電容器的中間電路的變頻器的這樣一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)說明，該文獻(xiàn)刊登于2003年5月在紐倫堡出版的PCIM2003會(huì)議手冊內(nèi)。圖2顯示的就是這樣一種具有不帶電容器的中間電路的變頻器，其具有一如圖1所示的供電設(shè)備12。這種F3E變頻器的一個(gè)主要特征在于，饋電側(cè)變換器2還具有與二極管D1至D6相連的可斷開的半導(dǎo)體開關(guān)T1至T6，這些開關(guān)分別與對應(yīng)的二極管D1至D6并聯(lián)。此外，這種F3E變頻器還在其輸入端上具有一電源濾波器20。為在供電網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間停電時(shí)也能向F3E變頻器的電子裝置供給電源電壓UV，這里也同樣配備了一緩沖供電設(shè)備12。另一種可行方案是配備一與供電網(wǎng)絡(luò)相連的供電設(shè)備。停電時(shí)兩個(gè)輸出端口上的電源電壓UV會(huì)同時(shí)中斷。電子裝置會(huì)由于沒有足夠的電源電壓UV而關(guān)閉，從而導(dǎo)致F3E變頻器也關(guān)閉。
為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)停電橋接，傳統(tǒng)構(gòu)型的變頻器具有一種被稱為“動(dòng)態(tài)緩沖(KIP)”的選項(xiàng)，所述“傳統(tǒng)構(gòu)型”是指具有一帶有至少一個(gè)電解電容器作為中間電路電容器CZW的電壓中間電路。借助所述選項(xiàng)，由變頻器和電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)裝置能夠在電網(wǎng)恢復(fù)供電后非常迅速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。如果變頻器不具備這樣一種選項(xiàng)，則驅(qū)動(dòng)裝置就會(huì)關(guān)閉，從而導(dǎo)致其需要較長的重新起動(dòng)時(shí)間才能再次進(jìn)入工作狀態(tài)，因?yàn)椴粌H變頻器的信號處理裝置需要重新起動(dòng)及重新初始化，發(fā)動(dòng)機(jī)也需要重新被激勵(lì)，并且可能須重新測定其轉(zhuǎn)速。
停電時(shí)，處于“動(dòng)態(tài)緩沖”工作模式下的驅(qū)動(dòng)裝置逐漸進(jìn)入再生區(qū)(generatorischer Bereich)，即被制動(dòng)，使得電動(dòng)機(jī)和變頻器的損耗通過電動(dòng)機(jī)和相連作業(yè)機(jī)器的機(jī)械(動(dòng))能得到彌補(bǔ)。上述情況的發(fā)生須借助一調(diào)整器，所述調(diào)整器將中間電路電壓UZK調(diào)至一固定值，例如其額定值的80％。調(diào)整值為轉(zhuǎn)矩額定值、或進(jìn)行磁場定向控制時(shí)對轉(zhuǎn)速額定值的一附加值或在用U/f-預(yù)定控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)對頻率額定值的一附加值。變頻器的信號處理裝置或者單獨(dú)由一可靠電源供電，或者優(yōu)選由直流電壓中間電路供電。通過上述方法可使信號處理裝置和控制器保持在工作狀態(tài)，從而也使電動(dòng)機(jī)保持在受激勵(lì)狀態(tài)，并且在電力恢復(fù)后可直接加速至其額定轉(zhuǎn)速。
“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)的前提條件是，一變頻器的電壓中間電路的中間電路電容器的大小必須滿足下述條件，即，可以對在一個(gè)通斷周期內(nèi)出現(xiàn)的不同符號的中間電路電流進(jìn)行緩沖。滿足這一前提條件，“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)就會(huì)起作用。
對于一個(gè)將一二極管整流器用作饋電側(cè)變換器的變頻器而言，其電壓中間電路需要一個(gè)能滿足上述前提條件的中間電路電容器。
在開篇所述類型的不具有中間電路電容器或只具有極小型中間電路電容器的變換器中，不可能實(shí)現(xiàn)上述“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)。開篇所述類型的變換器或者不具有用于維持工作狀態(tài)的電容器，或者所述電容器布置于變換器的饋電側(cè)。
DE 101 35 286 A1中公布了一種在一矩陣變換器中用于電網(wǎng)短時(shí)停電橋接的方法和裝置。這種饋電側(cè)具有一濾波器的矩陣變換器借助一開關(guān)單元可與一供電網(wǎng)絡(luò)相連。一旦探測到電網(wǎng)停電，矩陣變換器就會(huì)與供電網(wǎng)絡(luò)斷開，并切換至一緩沖工作模式，在緩沖工作模式下，一測定的電容器電壓實(shí)際空間矢量被調(diào)整至一預(yù)定空間矢量。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，對這個(gè)電容器電壓實(shí)際空間矢量進(jìn)行同步。矩陣變換器在進(jìn)行同步的同時(shí)重新與供電網(wǎng)絡(luò)接通。通過在矩陣變換器前面連接一個(gè)具有快速通斷能力的開關(guān)單元，可以在“動(dòng)態(tài)緩沖”工作模式下將矩陣變換器的饋電側(cè)濾波器的電容器用作存儲(chǔ)電容器。通過斷開故障電網(wǎng)，可以將這些電容器用作存儲(chǔ)電容器。在一矩陣變換器上成功運(yùn)行“動(dòng)態(tài)緩沖”工作模式的前提條件是必須配備一個(gè)具有快速通斷能力的電網(wǎng)開關(guān)單元。此外，用于電網(wǎng)同步的控制裝置相當(dāng)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對一普通類型的變頻器進(jìn)行改進(jìn)，從而能夠在不太復(fù)雜的情況下使用已有的“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的通過權(quán)利要求1前述部分所述的特征來實(shí)現(xiàn)。
通過將一可斷開的半導(dǎo)體開關(guān)與去耦二極管反向(Back to back)并聯(lián)，就可在停電時(shí)將供電設(shè)備的緩沖電容器在“動(dòng)態(tài)緩沖”工作模式下用作這種工作模式的存儲(chǔ)電容器。停電時(shí)通過借助所述可斷開的半導(dǎo)體開關(guān)對去耦二極管進(jìn)行橋接，可以在“動(dòng)態(tài)緩沖”工作模式下保持發(fā)電機(jī)電流。如果不對去耦二極管進(jìn)行這種可控制的橋接，這部分電動(dòng)機(jī)電流就會(huì)被遮斷(間歇電流)。其后果是，磁化電流中斷，引起電動(dòng)機(jī)電壓的中斷，隨后是緩沖電容器被供電設(shè)備放電，從而導(dǎo)致當(dāng)緩沖電容器上的電壓低于一個(gè)預(yù)定的最低電壓值時(shí)，供電設(shè)備被斷開。當(dāng)供電設(shè)備關(guān)閉時(shí)，變頻器的電子裝置無法繼續(xù)維持在工作狀態(tài)，其結(jié)果是，所述電子裝置和變頻器均關(guān)閉。
通過對一種普通類型的變頻器進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的這種改進(jìn)，可以在不太復(fù)雜的情況下在普通類型的變頻器上使用可購得的“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)部件。
從屬權(quán)利要求2至7涉及的是電壓中間電路變換器的有利的改進(jìn)。


下面借助附圖所示的一個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，其中圖1為一已有的電壓中間電路變換器的一實(shí)施例；圖2為一普通類型的變頻器的一實(shí)施例；圖3為一如圖2所示的根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的變換器；以及圖4為一具有本發(fā)明構(gòu)型的交流-交流稀疏矩陣變換器。
具體實(shí)施例方式
圖3顯示一如圖2所示的普通變換器的實(shí)施例，其已根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行了改進(jìn)。圖中一可斷開的半導(dǎo)體22與去耦二極管16反向并聯(lián)，所述半導(dǎo)體尤其是一絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。所述可斷開的半導(dǎo)體22在其控制側(cè)上與一停電識(shí)別裝置24的一輸出端相連。所述停電識(shí)別裝置24根據(jù)其輸入端上的中間電路電壓UZK測定是否出現(xiàn)停電情況。所述停電識(shí)別裝置24的具體實(shí)施方式
可參見例如申請?zhí)枮?0 2004 030535.8的在先專利申請。一停電識(shí)別裝置24也可與供電網(wǎng)絡(luò)的相位相連接。在此情況下，停電識(shí)別裝置分析的則是電網(wǎng)相位電壓。在本發(fā)明對一普通變換器的改進(jìn)方案中，如何探測停電情況并不重要，重要的是對這種停電情況進(jìn)行識(shí)別。探測到供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)停電情況后，停電識(shí)別裝置24的輸出端上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)用于控制可控制的半導(dǎo)體22的控制信號SNA。借助這個(gè)半導(dǎo)體信號SNA可將可斷開的半導(dǎo)體22接通，從而實(shí)現(xiàn)對去耦二極管16的橋接。可將一絕緣柵雙極晶體管模塊用作可斷開的半導(dǎo)體22，該模塊內(nèi)部已具有一個(gè)二極管，即所謂的反向二極管或續(xù)流二極管。由此便不再需要設(shè)置一個(gè)離散的二極管16，從而也無須再布置其與可斷開的半導(dǎo)體22的連接。
對去耦二極管16進(jìn)行橋接后產(chǎn)生一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其與具有中間電路電容器的傳統(tǒng)變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相一致。在此情況下即可實(shí)施已有的“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)。電力恢復(fù)后控制信號SNA通過改變其電平促使可斷開的半導(dǎo)體22斷開。
本發(fā)明的這種原理同樣也適用于一種所謂的間接矩陣變換器。文獻(xiàn)“Matrix Convert Topologies With Reduced Number of Switches”(Lixiang Wei，T.A.Lipo及Ho Chan著，刊登于2002年第33期的Proc.Conf.Rec.IEEEPESC)的57至63頁，特別是其圖3對這樣一種間接矩陣變換器進(jìn)行了詳細(xì)說明。此外，本發(fā)明的這種原理還適用于一種所謂的稀疏矩陣變換器。文獻(xiàn)“Analytically Closed Calculation of the Conduction and Switching Losses ofThree-Phase AC-AC Sparse Martix Converters”(F.Schafmeister，M.Baumann及J.W.Kolar著，刊登于“EPE 2002 Dubrovnik”會(huì)議手冊)對上述類型的稀疏矩陣變換器進(jìn)行了詳細(xì)說明與圖示(圖4)。當(dāng)識(shí)別出電網(wǎng)停止供電時(shí)，變換器的饋電側(cè)變換器會(huì)被切換至“二極管工作模式”，即接通晶體管Tx2和Tx3(x＝1，2，3)。隨后的步驟與圖3所示的電壓中間電路變換器中的情況相同。電力恢復(fù)后，可斷開的半導(dǎo)體22首先再次斷開。為此在負(fù)載側(cè)變換器中連接一個(gè)零位指示器是有利的。此后，上述間接矩陣變換器又可開始正常工作。
借助本發(fā)明可以在耗費(fèi)不大的情況下對一種具有一不帶電容器的中間電路的變頻器進(jìn)行改進(jìn)，從而可在其上使用一常見的“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)，同時(shí)，所述變頻器也可利用“動(dòng)態(tài)緩沖”選項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種變頻器，所述變頻器具有一不帶電容器的中間電路(6)，以及一為所述變頻器的一電子部件供電的供電設(shè)備(12)，其中，所述供電設(shè)備在其輸入端上具有一緩沖電容器(CP)，所述緩沖電容器與所述不帶電容器的中間電路(6)電性并聯(lián)，其中，所述緩沖電容器(CP)的一饋電線(14)具有一去耦二極管(16)，其特征在于，一可斷開的半導(dǎo)體(22)與所述去耦二極管(16)反向并聯(lián)，所述可斷開的半導(dǎo)體的控制輸入端與一停電識(shí)別裝置(24)的一輸出端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變頻器，其特征在于，所述可斷開的半導(dǎo)體(22)和所述去耦二極管(16)集成在一半導(dǎo)體模塊內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變頻器，其特征在于，所述停電識(shí)別裝置(24)在其輸入端上與所述不帶電容器的中間電路(6)電性并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變頻器，其特征在于，所述停電識(shí)別裝置(24)在其輸入端上與所述變頻器的一供電網(wǎng)絡(luò)(8)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變頻器，其特征在于，所述半導(dǎo)體模塊為一絕緣柵雙極晶體管模塊。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的變頻器，其特征在于，所述變頻器為一F3E變頻器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的變頻器，其特征在于，所述變頻器為一間接矩陣變頻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的變頻器，其特征在于，所述變頻器為一三相交流-交流稀疏矩陣變頻器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變頻器，其具有一不帶電容器的中間電路(6)與一為所述變頻器的一電子裝置供電的供電設(shè)備(12)，其中，所述供電設(shè)備(12)在其輸入端上具有一緩沖電容器(C
文檔編號H02M5/02GK1985429SQ200580023624
公開日2007年6月20日 申請日期2005年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者曼弗雷德·布魯克曼, 赫伯特·希爾林 申請人:西門子公司