專利名稱：逆變器的損耗功率分布的制作方法
逆變器的損耗功率分布本發(fā)明涉及一種用于運行電機、特別是永久勵磁的同步電機的逆變器用的調(diào)制方法，其中，所述逆變器包括至少兩個支路。此外，本發(fā)明還涉及一種逆變器、用于逆變器的控制電子裝置和用于逆變器的調(diào)制器。在此，“永久勵磁的同步電機”例如可以理解為阻塞換相(Blockkommutierimg)或者正弦換相的同步電機。本發(fā)明既可用到阻塞換相的也可用到正弦換向的同步電機上。調(diào)制方法確定了在什么條件下使用哪種調(diào)制模式。調(diào)制模式確定了切換模式的時間順序，即不同切換模式使用的順序和持續(xù)時間。切換模式描述了多個開關(guān)中哪個開關(guān)導(dǎo)電、哪個開關(guān)不導(dǎo)電。US 2005/0122072 Al提出，每個相使用多個半橋，以便使電流和因此損耗功率分布到多個開關(guān)上。然而這種設(shè)計方案增加了開關(guān)的數(shù)量，進而也增加了逆變器的制造費用和空間需求。本發(fā)明的目的是，提供這種類型的調(diào)制方法，所述調(diào)制方法可降低逆變器/反向換流器(Wechselrichter)的制造費用和空間需求。此外，本發(fā)明的目的是，提供一種具有這種優(yōu)點的逆變器、用于逆變器的控制電子裝置以及用于逆變器的調(diào)制器。所述目的通過獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中給出本發(fā)明的有利的實施形式。本發(fā)明通過下述方式建立在這種類型的調(diào)制方法的基礎(chǔ)之上，即，時間交替地實施下述兩個步驟首先，根據(jù)第一調(diào)制模式在第一調(diào)制時間間隔內(nèi)實施第一調(diào)制，其中，所述兩個支路中的第一支路與電源的第一極連接，并且所述兩個支路中的第二支路以時間間歇的方式與電源的第二極連接；其次，根據(jù)第二調(diào)制模式在第二調(diào)制時間間隔中實施第二調(diào)節(jié)，其中，所述兩個支路的第二支路與電源的第二極連接，并且所述兩個支路的第一支路以時間間歇的方式與電源的第一極連接。一種優(yōu)選的實施形式提出，所述逆變器包括至少三個支路。在一種有利的實施形式中，在實施所述第一調(diào)制期間，所述兩個支路的第二支路以時間間歇的方式與所述電源的第一極連接，和/或在實施所述第二調(diào)制期間，所述兩個支路的第一支路以時間間歇的方式與所述電源的第二極連接?！N優(yōu)選的實施形式提出，所述調(diào)制方法附加地包括下述步驟將整個調(diào)制時間間隔劃分成第一調(diào)制時間間隔和第二調(diào)制時間間隔。一種優(yōu)選的改進方案提出，所述第一調(diào)制包括脈沖寬度調(diào)制和/或空間矢量調(diào)制，和/或所述第二調(diào)制包括脈沖寬度調(diào)制和/或空間矢量調(diào)制。優(yōu)選地，所述第一調(diào)制模式和所述第二調(diào)制模式具有至少一個協(xié)調(diào)一致的切換模式；當兩個調(diào)制模式具有協(xié)調(diào)一致的切換模式時，實施從所述第一調(diào)制模式到所述第二調(diào)制模式的第一轉(zhuǎn)換，和/或?qū)嵤乃龅诙{(diào)制模式到所述第一調(diào)制模式的第二轉(zhuǎn)換。所述調(diào)制方法可以如此設(shè)計，使得在偽隨機時間和/或在每次調(diào)制過程中，和/或在實施確定數(shù)量或者隨機數(shù)量的調(diào)制過程之后，實施兩個調(diào)制模式之間的變換。此外，本發(fā)明通過下述方式建立在這種類型的逆變器、用于所述逆變器的這種類型的控制電子裝置或者用于逆變器的這種類型的調(diào)制器的基礎(chǔ)之上，即，特別是設(shè)置適合用于實施前述調(diào)制方法之一的逆變器、控制電子裝置或者調(diào)制器。
所述逆變器或者控制電子裝置被設(shè)置成用于接收信號，利用所述信號可引起從第一調(diào)制模式到第二調(diào)制模式的轉(zhuǎn)換和/或從第二調(diào)制模式到第一調(diào)制模式的轉(zhuǎn)換，和/或所述逆變器或控制電子裝置自動地引起從第一調(diào)制模式到第二調(diào)制模式的轉(zhuǎn)換，和/或從第二調(diào)制模式到第一調(diào)制模式的轉(zhuǎn)換，其中，特別是在所述逆變器啟動時和/或在逆變器實施確定數(shù)量或者隨機數(shù)量的啟動后，實施所述兩個調(diào)制模式之間的轉(zhuǎn)換。此外，這樣一種逆變器是優(yōu)選的，在這種逆變器中，在兩個調(diào)制模式中至少有時接通的開關(guān)在所述第一調(diào)制模式期間比在所述第二調(diào)制模式期間產(chǎn)生更大或者更小的損耗功率?，F(xiàn)在參考附圖借助特別優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行闡述。其中示出了


圖1 根據(jù)本發(fā)明的逆變器的第一實施形式的示意性電路圖，在具有三相電機的連接在電流開關(guān)上的繞組相的雙極技術(shù)中，該逆變器具有逆變器的電流開關(guān)的可能的電路技術(shù)結(jié)構(gòu)；
圖2 根據(jù)本發(fā)明的逆變器的第二實施形式的示意性電路圖，在具有三相電機的連接在電流開關(guān)上的繞組相的場效應(yīng)技術(shù)中，該逆變器具有逆變器的電流開關(guān)的可能的電路技術(shù)結(jié)構(gòu)；
圖3 用于說明在第一調(diào)制時間間隔期間損耗功率產(chǎn)生和典型的電流情況的等效電路
圖4 用于說明在第二調(diào)制時間間隔期間損耗功率產(chǎn)生和典型的電流情況的等效電路
圖5 在所述兩個調(diào)制時間間隔期間在時間上描述的、相關(guān)的轉(zhuǎn)換元件中的電流曲線的非比例略圖。在圖1中示出的逆變器10的第一實施形式包括開關(guān)控制裝置14 (在此也叫作控制電子裝置14)和用于繞組相U、V、W中的每一個繞組相的各一個上側(cè)開關(guān)S1、S3、S5以及各一個下側(cè)開關(guān)S4、S6或S2。借助于開關(guān)Si、S2、S3、S4、S5、S6，借助于與正極化的供電線路16和負極化的供電線路18的交替連接，關(guān)于負極化的供電線路18在用于每個相U、 V或W的連接線路Ku、Kv, Kw上分別提供交流電壓Uiu Uv或Uw0借助于開關(guān)控制裝置14， 連接線路Ku、Kv、Kw中的每一個可以在下述三個狀態(tài)中的每一個中接通。在第一開關(guān)狀態(tài)中，引導(dǎo)至相應(yīng)的連接線路的開關(guān)對S1、S4或S3、S6或S5、S2是高歐姆的，也就是說，該開關(guān)對沿電源觀的主流動方向既不能與正極化的供電線路16連接，也不能與負極化的供電線路18連接。在第二開關(guān)狀態(tài)中，相應(yīng)的開關(guān)Si、S3、S5和正的供電線路16連接。在第三開關(guān)狀態(tài)中，相應(yīng)的開關(guān)S4、S6、S2和負的供電線路18連接。為了在電機12的與電位無關(guān)的星形結(jié)點20中使電流流過所述三個相U、V、W中的至少一個，所述三個開關(guān)Si、S3、 S5中的至少一個開關(guān)必須采取第二開關(guān)狀態(tài)，并且三個開關(guān)S4、S6、S2中的其它兩個開關(guān)中的至少一個開關(guān)必須采取第三開關(guān)狀態(tài)。圖1示出了開關(guān)Si的開關(guān)技術(shù)結(jié)構(gòu)，其中每個開關(guān)具有分別帶有空轉(zhuǎn)二極管Di的可控制的半導(dǎo)體Qi，其中，i可以表示數(shù)值1到6，并且可控制的半導(dǎo)體典型地是一種IGBT (insulated - gate bipolar transistor (絕緣柵雙極型晶體管))或者 MOSFET (metal oxide semiconductor fied-effect transistor (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管))。在圖2中示出的逆變器10的第二實施形式的每個開關(guān)Si具有分別帶一個空轉(zhuǎn)二極管Di的可控制的半導(dǎo)體Qi。然而在此并沒有分開地示出空轉(zhuǎn)二極管Di，因為在此該空轉(zhuǎn)二極管并不作為單獨的元器件存在，而是作為可控制的半導(dǎo)體Qi的寄生的或者集成的組成部分，這個組成部分例如可以是M0SFET。在機電的調(diào)節(jié)器中，如機電的轉(zhuǎn)向和電制動中出現(xiàn)如“支承在末端擋板上”或者 “以最大的力擠壓”的運行狀態(tài)。在這些狀態(tài)中所屬的電機12關(guān)于其額定值在較小轉(zhuǎn)速或者甚至是停息狀態(tài)時以高的轉(zhuǎn)矩運行。在常規(guī)的阻塞換相(Blockkommutierung)時，在最有問題的馬達位置中，開關(guān)Si、S2、S3、S4、S5、S6中的至少一個開關(guān)在由360°除以相位數(shù)η 的范圍中持久地導(dǎo)電。為了確保變頻器10和其功率半導(dǎo)體Qi、Di的耐用性，常規(guī)的變頻器 10如此設(shè)計，使得半橋的所有開關(guān)Si能持久地承載整個的相電流。也就是說或者必須使用比在通過可控制的半導(dǎo)體Qi的損耗功率的對稱分布中所要求的更大的(并且因此更貴的) 可控制的半導(dǎo)體Qi，或者必須采取用于冷卻的成本高的措施
圖3和4示出用于根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制方法的等效電路圖(Ersatzschaltbilder)， 該等效電路圖用于說明在第一調(diào)制時間間隔a或者第二調(diào)制時間間隔b期間的損耗功率分布和電路22、24J6，其中，在不限制普遍性的情況下例如通過給三相交流電機12的支路U 和V通電來描述這一點。SwU和SwV象征性地表示開關(guān)對S1、S4或者S3、S6的純轉(zhuǎn)換作用。 在這兩個等效電路圖中分別分開地示出了這些開關(guān)的轉(zhuǎn)換作用和損耗功率產(chǎn)生功能。電阻 Ri象征性地表示在開關(guān)Si中的損耗功率產(chǎn)生功能。典型地，在經(jīng)由各個開關(guān)Si的電流強度和開關(guān)中的損耗功率之間的關(guān)系是非線性的。此外，備用電阻R1、R3、R4、R6、進而損耗功率典型地與電流方向無關(guān)。典型地，在開關(guān)Si中產(chǎn)生的損耗功率隨著電流強度和轉(zhuǎn)換頻率而增加。圖5示出在相關(guān)的開關(guān)Si的轉(zhuǎn)換元件Qi、Di中在時間t上描述的時間電流曲線的非比例略圖。圖3示出了用于說明在第一調(diào)制時間間隔a期間損耗功率形成和典型的電流情況的等效電路圖。在電機相U、V的充電階段30期間轉(zhuǎn)換作用SwU使三相交流電機的相U和正極化的供電線路連接，其中，轉(zhuǎn)換作用SwV使相V和負極化的供電線路連接。其中，用粗箭頭表示的充電電流Ia流過損耗電阻Rl、電機相U和V、損耗電阻R6和電源28 (電路22)。 當電機12的轉(zhuǎn)子緩慢運動時僅產(chǎn)生少量的反電勢(Gegen-EMK)，并且在停止狀態(tài)時幾乎不產(chǎn)生。因此若在起振狀態(tài)時電流Ia在轉(zhuǎn)子緩慢運動和停止狀態(tài)時將會特別地高。因為當缺少反電勢時，在相U和V的歐姆電阻和損耗電阻Rl、R6處的總的電源電壓Up下降。由于相U和V的感應(yīng)特性，當開關(guān)S6變?yōu)閷?dǎo)電之后，電流Ia不能突然間上升。典型地，當變?yōu)閷?dǎo)電后幾微秒，開關(guān)S6重新切換為不導(dǎo)電。因此避免了在第一電路22中的電流Ia大大提高。由于開關(guān)S6變?yōu)椴粚?dǎo)電，所以開關(guān)S3沿二極管D3的通流方向是能導(dǎo)電的。在充電階段30里在第一電路22中已形成的電流Ia在現(xiàn)在開始的空程階段32首先繼續(xù)流經(jīng)開關(guān) S3，更確切地說是流經(jīng)二極管D3 (電路M)。在第二實施形式中，二極管、寄生的或者集成的二極管D3通常具有較高的電阻R3，該電阻導(dǎo)致高的損耗功率。因此在第二實施形式中優(yōu)選的是，在開關(guān)S6切換為不導(dǎo)電之后，控制器盡快地將場效應(yīng)晶體管S3置于導(dǎo)電狀態(tài)。 電阻R3則明顯更小，從而在空程階段就直接減小了逆變器的損耗功率，以及間接減小充電階段中的逆變器的電流消耗。與“正常的”電流方向相反地也使用半導(dǎo)體開關(guān)Q3的可能性通常不能利用雙極的晶體管得出。因為在第二電路M中未設(shè)置電源觀，所以在相電感U、 V中存儲的能量在損耗電阻R1、R3和繞組相U、V的歐姆電阻中逐漸被消耗，從而電流。通
6過二極管D3原則上按指數(shù)地下降。典型地，開關(guān)周期(轉(zhuǎn)換頻率的逆轉(zhuǎn))與充電階段的時間常數(shù)(Lu+Lv)/ (R1+R6)和空程階段的時間常數(shù)(Lu+Lv)/ (R1+R3)相比更短，其中，Lu或 Lv分別表示相U或V的感應(yīng)率。雖然在這種運行方式中電源28典型地僅以輕微的占空率 (Tastgrad)給相U和V直接提供電能，但是在逆變器穩(wěn)態(tài)運行時經(jīng)過電機相U和V的電流的波動性與其高度相比較為輕微。由于大的時間常數(shù)，所以在圖5中示出的上升的和下降的坡部(Flanke)恰好幾乎是直線地示出。然而所述坡部的高度超高地示出，以便更好地說明電路的功能原理。重復(fù)了對于圖3所述的過程，直到第二調(diào)制時間間隔b開始。圖4示出用于說明在第二調(diào)制時間間隔b期間損耗功率出現(xiàn)和典型的電流情況的等效電路圖。在此，該過程和功能方式原則上與在第一調(diào)制時間間隔a中的過程和功能方式相同。特別是在第一電路22和充電電流Ia方面沒有區(qū)別。然而在第二調(diào)制時間間隔b 中，開關(guān)S6保持導(dǎo)電；換言之，開關(guān)Sl在充電階段30結(jié)束時切換為不導(dǎo)電，且開關(guān)S4借助二極管D4在空程階段32開始時切換為導(dǎo)電。由此，第二調(diào)制時間間隔b的空程電路沈與第一調(diào)制時間間隔a的空程電路M不同。重復(fù)對于圖4所描述的過程，直到第一調(diào)制時間間隔a開始。圖5示出可控制的半導(dǎo)體Ql在第一調(diào)制時間間隔a內(nèi)比在第二調(diào)制時間間隔b內(nèi)更強地加載電流，因為可控制的半導(dǎo)體在這個時間間隔內(nèi)除了充電電流Ia外還引導(dǎo)空程電流IE。相反，Q6在時間間隔a中只引導(dǎo)充電電流IA。因為Ql和Q6在調(diào)制時間間隔 b中的電流負載的情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)，所以在這兩個調(diào)制模式Ma和Mb之間的來回轉(zhuǎn)換導(dǎo)致在可控制的半導(dǎo)體Ql和Q6之間的改進的損耗功率分布。如果所述來回轉(zhuǎn)換在Sl和S6同時導(dǎo)電的時間內(nèi)實施，則這種調(diào)制模式的根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換不會導(dǎo)致附加的切換損失。下述實例呈現(xiàn)出所述的極化和方向，當所述裝置10、12、14的定義和/或運行方式有變動時這些極化和方向可以相反。此外，這些考慮也可以轉(zhuǎn)移到具有多于三個相位的或具有三角形電路的裝置和方法中。有利地，電機12的第一相U、V、W在第一時間間隔期間持續(xù)地與直流電源的第一極16連接、在第二時間間隔期間與直流電壓源的另一極18連接。 優(yōu)選地，第一調(diào)制時間間隔a和第二調(diào)制時間間隔b平均相同地長，特別是平均長于0. 2毫秒，和/或平均短于1000毫秒。有利地，不同的調(diào)制模式之間的變換在考慮在變換器10中的電流強度和/或電機12的力矩和/或電的角度和/或轉(zhuǎn)速和/或位置的情況下實現(xiàn)。在電機12上的負載可以是機械的，而驅(qū)動裝置是電的。替代的或附加地，電機12能以機械的方式驅(qū)動，而電機12的負載是電的。
權(quán)利要求
1.一種用于運行電機(12)、特別是永久勵磁的同步電機(12)的逆變器(10)用的調(diào)制方法，其中，所述逆變器(10)包括至少兩個支路(U、V)，所述調(diào)制方法的特征在于，以時間交替的方式執(zhí)行下述步驟a.根據(jù)第一調(diào)制模式(Ma)在第一調(diào)制時間間隔(a)中實施第一調(diào)制(A)，其中，所述兩個支路(U、V)的第一支路(U或V)與電源的第一極(16)連接，并且所述兩個支路(U、V)的第二支路(V或U)以時間間歇的方式與所述電源的第二極(18)連接，b.根據(jù)第二調(diào)制模式(Mb)在第二調(diào)制時間間隔(b)中實施第二調(diào)制(B)，其中，所述兩個支路(U、V)的第二支路(V或U)與電源的第二極(16)連接，并且所述兩個支路(U、V)的第一支路(U或V)以時間間歇的方式與所述電源的第一極(18)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的調(diào)制方法，其特征在于，所述逆變器(10)包括至少三個支路 (U、V、W)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的調(diào)制方法，其特征在于，在實施所述第一調(diào)制(A)期間， 所述兩個支路(U、v)中的第二支路(V或U)以時間間歇的方式與所述電源的第一極(18)連接，和/或在實施所述第二調(diào)制(B)期間，所述兩個支路(U、V)中的第一支路(U或V)以時間間歇的方式與所述電源的第二極(18)連接。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項所述的調(diào)制方法，其特征在于，所述調(diào)制方法附加地包括下述步驟將整個調(diào)制時間間隔劃分成第一調(diào)制時間間隔(a)和第二調(diào)制時間間隔 (b)。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的調(diào)制方法，其特征在于，所述第一調(diào)制(A)包括脈沖寬度調(diào)制和/或空間矢量調(diào)制，和/或所述第二調(diào)制(B)包括脈沖寬度調(diào)制和/或空間矢量調(diào)制。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的調(diào)制方法，其特征在于，所述第一調(diào)制模式 (Ma)和所述第二調(diào)制模式(Mb)具有至少一個協(xié)調(diào)一致的切換模式；當兩個調(diào)制模式(Ma、Mb) 具有協(xié)調(diào)一致的切換模式時，實施從所述第一調(diào)制模式(Ma)到所述第二調(diào)制模式(Mb)的第一轉(zhuǎn)換，和/或?qū)嵤乃龅诙{(diào)制模式(Mb)到所述第一調(diào)制模式(Ma)的第二轉(zhuǎn)換。
7.按照權(quán)利要求1至6中任一項所述的調(diào)制方法，其特征在于，在偽隨機時間和/或在每次調(diào)制過程中，和/或在實施確定數(shù)量或者隨機數(shù)量的調(diào)制過程之后，實施兩個調(diào)制模式(MA、MB)之間的變換。
8.一種逆變器(10)，或者用于逆變器(10)的控制電子裝置(12)，或者用于逆變器 (10)的調(diào)制器，其特征在于，特別地設(shè)置適合用于實施按照權(quán)利要求1至7中任一項所述的調(diào)制方法的逆變器(10)、或者控制電子裝置(12)或者調(diào)制器。
9.按照權(quán)利要求8所述的逆變器(10)或者控制電子裝置(12)，其特征在于，所述逆變器(10)或者控制電子裝置(12)被設(shè)置成用于接收信號，利用所述信號能引起從第一調(diào)制模式(Ma)到第二調(diào)制模式(Mb)的第一轉(zhuǎn)換和/或從第二調(diào)制模式(Mb)到第一調(diào)制模式(Ma) 的第二轉(zhuǎn)換，和/或所述逆變器(10)或控制電子裝置(12)自動地引起從第一調(diào)制模式(Ma) 到第二調(diào)制模式(Mb)的第一轉(zhuǎn)換，和/或從第二調(diào)制模式(Mb)到第一調(diào)制模式(Ma)的第二轉(zhuǎn)換，其中，特別是在所述逆變器(10)啟動時和/或在逆變器(10)實施確定數(shù)量或者隨機數(shù)量的啟動后，實施兩個調(diào)制模式(MA、MB)之間的第一轉(zhuǎn)換或者第二轉(zhuǎn)換。
10.按照權(quán)利要求8或9所述的逆變器(10)，其特征在于，在兩個調(diào)制模式中至少有時接通的開關(guān)(Si)在所述第一調(diào)制模式(Ma)期間比在所述第二調(diào)制模式(Mb)期間產(chǎn)生更大或者更小的損耗功率。
全文摘要
在用于運行電機(12)的逆變器(10)的調(diào)制方法中時間交替地實施第一調(diào)制(A)和第二調(diào)制(B)。在所述第一調(diào)制(A)期間根據(jù)第一調(diào)制模式(MA)，兩個支路(U、V)中的第一支路(U或V)與電源的第一極(16)連接，并且這兩個支路(U、V)中的第二支路(V或U)以時間間歇的方式與所述電源的第二極(18)連接。在所述第二次調(diào)制(B)期間根據(jù)第二調(diào)制模式(MB)，所述兩個支路(U、V)的第二支路(V或U)與電源的第二極(16)連接，并且兩個支路(U、V)的第一支路(U或V)以時間間歇的方式與所述電源的第一極(18)連接。逆變器(10)、用于逆變器(10)的控制電子裝置或者用于該控制電子裝置(14)的調(diào)制器適合用于實施本調(diào)制方法。
文檔編號H02M7/48GK102257717SQ200980150993
公開日2011年11月23日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
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