本發(fā)明涉及頻率轉換器。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明以該任務為基礎，提供具有高效率的頻率轉換器。

本發(fā)明通過根據權利要求1所述的頻率轉換器來解決。

頻率轉換器構造成產生至少一個控制電壓或頻率轉換器輸出電壓，其用于控制電動機。至少一個頻率轉換器輸出電壓通常是AC電壓。頻率轉換器輸出電壓可以是電動機的相電壓。至少一個頻率轉換器輸出電壓具有可調頻率轉換器輸出電壓幅度和可調頻率轉換器輸出電壓頻率。頻率轉換器輸出電壓頻率確定例如導致的磁場的旋轉頻率以及因此電動機的轉速，其中頻率轉換器輸出電壓幅度確定例如借助于電動機導致的扭矩。在此還參考相關專業(yè)文獻。

頻率轉換器具有時鐘式直流變壓器(DC/DC變換器)，其構造成，根據具有輸入電壓電平的輸入直流電壓產生具有直流變壓器輸出電壓電平的直流變壓器輸出電壓，其中輸入電壓電平和直流電壓變換器輸出電壓電平可以不同。直流變壓器構造成，根據可預定的，規(guī)定或期望的頻率轉換器輸出電壓幅度產生直流變壓器輸出電壓電平。直流變壓器可以如此產生直流變換器輸出電壓電平，使得其對應于可預定的頻率轉換器輸出電壓幅度或者等于可預定的頻率轉換器輸出電壓幅度。

頻率轉換器此外具有帶多個可控的開關裝置的時鐘式逆變器，其可以是例如橋電路(例如三相晶體管橋)的部件。對逆變器施加以直流變壓器輸出電壓并且構造成，與可預定的頻率轉換器輸出電壓幅度無關地以相應逆變器切換頻率如此控制其開關裝置，使得根據直流變壓器輸出電壓產生具有可預定的頻率轉換器輸出電壓頻率的至少一個頻率轉換器輸出電壓。

逆變器切換頻率（也就是，逆變器的相應開關裝置的切換頻率）可以對應于頻率轉換器輸出電壓頻率，也就是逆變器切換頻率和頻率轉換器輸出電壓頻率可以相同，也就是逆變器以基本振蕩時鐘或者塊時鐘（Blocktaktung）運行。

直流變壓器可以構造成，根據可預定的頻率轉換器輸出電壓幅度并且附加地根據預調信號（Vorsteuersignal）或調制信號產生直流變壓器輸出電壓電平。頻率轉換器或者頻率轉換器的控制單元（其控制例如頻率轉換器的運行并且產生全體要控制的部件的所屬驅動信號）還可以構造成產生預調或調制信號，并且尤其是如此產生，使得扭矩波紋最小化。

預調或調制信號可以例如正弦形的或整流的正弦形的信號，該信號具有頻率，該頻率是頻率轉換器輸出電壓頻率的多倍（例如三到六倍）。預調或調制信號的幅度可以例如與頻率轉換器輸出電壓幅度和/或頻率轉換器輸出電壓頻率有關。此外預調或調制信號（尤其是預調或調制信號的幅度和/或頻率）與下列參量有關地產生：

-電動機電壓，

-電動機電流，

-驅動的電動機的轉子的額定/實際角位置，

-與輸出電壓對應的電壓矢量的額定/實際角位置，

-電流矢量的額定/實際角位置和/或

-上述參量的任意組合。

認識到，用于獲取上述參量的頻率轉換器可以具有適當的傳感器。

直流變壓器可例如構造成，根據可預定的或者預定頻率轉換器輸出電壓幅度以及附加地根據預調信號或調制信號如此產生直流電壓變換器輸出電壓電平，使得直流電壓變換器輸出電壓電平對應于可預定的或者預定頻率轉換器輸出電壓幅度和預調或調制信號的總和或差。

借助于預調或調制信號與基本振蕩時鐘或者塊時鐘有關的提高的扭矩波紋可以在較低轉速的情況下通過直流調節(jié)器的預調來減小或者限制。

頻率轉換器可以構造用于產生正好三個頻率轉換器輸出電壓，其形成例如三相的電動機的相電壓，以便驅動例如三相交流電動機。

逆變器的可控的開關裝置和/或直流變壓器的一個或多個可控的開關裝置可以是單極的功率開關，例如MOSFET。逆變器和/或直流變壓器的可控的開關裝置中的至少兩個可以并聯(lián)。

根據本發(fā)明借助于直流變壓器或者直流調節(jié)器實現(xiàn)一個或多個頻率轉換器輸出電壓的電壓調整和頻率調整的解耦。由于因此盡可能低的逆變器切換頻率(基本振蕩時鐘或塊時鐘)或者單向的直流調節(jié)器運行可以使用單極的功率開關(MOSFET)。由于功率開關的并聯(lián)電路的可能功率損耗可以減低到，可實現(xiàn)成本低的新結構和冷卻設計。通過使用并聯(lián)連接的單極的功率半導體不但在直流變壓器的情況下而且在逆變器中可以例如以SMD功率半導體提供在幾KW范圍中的輸出功率而沒有大量冷卻體。

但是除了MOSFET外還可以使用雙極功率半導體如IGBT。還可設想MOSFET和IGBT的組合。

頻率轉換器可以具有多相整流器用于產生輸入直流電壓。

附圖說明

下面本發(fā)明參考附圖詳細描述。在此示意性示出：

圖1示出根據第一實施方式的頻率轉換器，

圖2示出根據另一實施方式的頻率轉換器以及

圖3示出具有和不具有圖1或者2的頻率轉換器的直流變壓器的直流變壓器輸出電壓的輸出電平的調制的、借助于圖1或者2的頻率轉換器驅動的電動機的相電流和相電壓。

圖1示出用于產生頻率轉換器輸出電壓S1，S2，S3的頻率轉換器1，其在常規(guī)三相電動機2的所屬相繞組上提供。頻率轉換器輸出電壓S1，S2，S3具有可調節(jié)頻率轉換器輸出電壓幅度AA和可調節(jié)頻率轉換器輸出電壓頻率AF(見圖3)。

頻率轉換器1具有用于從三相網交流電壓產生輸入直流電壓UE的常規(guī)三相整流器6。

在整流器6之后連接降壓變換器形式的時鐘式直流調節(jié)器或直流變壓器3，其構造成，從輸入直流電壓UE產生具有與輸入直流電壓UE相比較低的電平的借助于電容器15緩沖的直流變壓器輸出電壓UA。

直流變壓器3具有兩個電容器7和8，其串聯(lián)地植入在輸入直流電壓UE之間。在電容器7的連接極（其上存在輸入直流電壓UE的正電位）和直流變壓器3的輸出連接極（其上存在直流變壓器輸出電壓UA的正電位）之間串聯(lián)地植入MOSFET9形式的開關裝置和線圈13。在電容器8的連接極（其上存在輸入直流電壓UE的負電位）和直流變壓器3的其他輸出連接極（其上存在直流變壓器輸出電壓UA的負電位）之間串聯(lián)地植入MOSFET 10形式的開關裝置和線圈14。

二極管11和12串聯(lián)地植入在MOSFET 9和線圈13的連接結節(jié)和MOSFET 10和線圈14的連接結節(jié)之間，其中二極管11和12的陽極彼此電連接。

在直流變壓器3之后連接具有形成三個半橋的MOSFET形式的多個可控的開關裝置5的時鐘式逆變器4。與所示不同的是，可以并聯(lián)連接多個MOSFET，以便減少傳導損耗。

二極管16與另一可控的開關裝置5（其不是半橋的組件）串聯(lián)地植入在直流變壓器輸出電壓UA之間并且一般用于控制制動斬波器電阻17。制動斬波器電阻17的所屬開關裝置5的控制與直流變壓器輸出電壓UA的電平有關地實現(xiàn)。對此可以使用例如滯后調節(jié)器，該調節(jié)器在超過上臨界電平時接入并且在低于下臨界電平時又關掉。在這方面還可以參考有關的專業(yè)文獻。

全體開關裝置5，9和10通過未明確表示的控制單元來操控，其控制頻率轉換器1的運行并且可以是例如微處理器或數字信號處理器。

圖3示出沒有直流變壓器輸出電壓UA的輸出電平的調制(圖左)和具有直流變壓器輸出電壓UA的輸出電平的調制(圖右)、借助于圖1或者2的頻率轉換器驅動的電動機2的相繞組的相電流IP和相電壓UP。相電壓UP對應于(理想化的)頻率轉換器輸出電壓S1，S2或者S3之一，當前示例性的頻率轉換器輸出電壓S1。兩個剩余的相電壓具有(理想化的)直到相移相同走向。

從圖左可得知，逆變器4以基本振蕩時鐘或者塊時鐘運行。逆變器3的開關5以頻率轉換器輸出電壓S1或者UP的基本頻率AF定時，即，逆變器切換頻率（用該逆變器切換頻率操控開關5）對應于頻率轉換器輸出電壓頻率AF。逆變器4設置或者確定僅頻率轉換器輸出電壓S1或者UP的頻率AF，而不是頻率轉換器輸出電壓幅度AA。頻率轉換器輸出電壓幅度AA(理想化的)與直流變壓器輸出電壓UA的電平相同。通過直流變壓器3的開關9和10的合適的時鐘因此可調節(jié)頻率轉換器輸出電壓幅度AA可預定的或者并且通過開關5的合適的時鐘頻率轉換器輸出電壓頻率AF可調節(jié)或者可預定的。

當前頻率轉換器輸出電壓幅度AA示例性地為大約60V并且頻率轉換器輸出電壓頻率AF大約為5Hz。

從圖右可以得出，直流變壓器3構造成，附加地根據可預定的頻率轉換器輸出電壓幅度AA又根據預調或調制信號產生直流變壓器輸出電壓電平，以便減少在低轉速時的扭矩波紋。預調或調制信號是具有6倍頻率轉換器輸出電壓頻率AF和大約0.1倍頻率轉換器輸出電壓幅度AA的幅度的整流的正弦信號，其中直流變壓器輸出電壓電平對應于在頻率轉換器輸出電壓幅度AA和預調或調制信號之間的差。

調制信號可以由控制單元產生，控制單元還操控開關裝置5，9和10或者產生其驅動信號。

圖2示出直流調節(jié)器3的變體，其中圖1的電容器15通過兩個串聯(lián)連接的電容器15a和15b替代，其中電容器15a和15b的連接結節(jié)與二極管11和12的陽極電耦合。

根據本發(fā)明的實施方式原理上與常規(guī)轉換器拓撲結構不同。通常通過脈寬調制(PWM)和在典型在4到16kHz的范圍中的逆變器切換頻率對應于電動機的要求設定輸出電壓幅度和頻率。由于時鐘式頻率轉換器輸出電壓出于EMV原因需要通常屏蔽的電動機線路或附加的正弦濾波器。功率半導體開關經常實施作為IGBT集成在功率模塊中，其中熱量集中地產生并且通過鋁冷卻體散發(fā)到環(huán)境空氣或冷卻水。通過下列方式：IGBT橋必須在kHz范圍中定時，該IGBT橋必然具有良好的整流特性并且它關于功率半導體的開關和傳導特性要求妥協(xié)。開關和傳導損耗在該轉換器拓撲結構的情況下基本上可不彼此分開地優(yōu)化。

本發(fā)明基本上解決該問題并且由此實現(xiàn)全新的構造和冷卻設計。

根據本發(fā)明在電壓中間電路和三相晶體管橋4之間插入直流調節(jié)器(降壓變換器)3。因此三相晶體管橋4可以以基本振蕩例如在0Hz到1kHz的頻率范圍中定時。由于較低逆變器切換頻率逆變器開關5在通過損耗上可以優(yōu)化并且開關損耗是次要的。直流調節(jié)器3承擔幅度設置，定時高頻率，例如在50kHz和200kHz的頻率范圍中，并且因此可以在開關損耗上優(yōu)化。

通過使用并聯(lián)的單極的功率半導體不但在直流調節(jié)器的情況下而且在逆變器部分的情況下可以減少損失使得利用SMD功率半導體實現(xiàn)在幾個kW范圍中的輸出功率而無需大量冷卻體。由于沒有大量冷卻體實現(xiàn)電路板上的全新構造設計例如SMD冷卻體。

在低轉速時提高的扭矩波紋的缺點由于基本振蕩時鐘可以通過預調直流調節(jié)器3來解決。