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CN100527583C - 具有一不带电容器的中间电路的变频器 - Google Patents

具有一不带电容器的中间电路的变频器 Download PDF

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CN100527583C CNB2005800236244A CN200580023624A CN100527583C CN 100527583 C CN100527583 C CN 100527583C CN B2005800236244 A CNB2005800236244 A CN B2005800236244A CN 200580023624 A CN200580023624 A CN 200580023624A CN 100527583 C CN100527583 C CN 100527583C
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Abstract

本发明涉及一种变频器，其具有一不带电容器的中间电路(6)与一为所述变频器的一电子装置供电的供电设备(12)，其中，所述供电设备(12)在其输入端上具有一缓冲电容器(CP)，所述缓冲电容器与所述不带电容器的中间电路(6)并联，其中，所述缓冲电容器(CP)的一馈电线(14)具有一去耦二极管(16)。根据本发明，一可断开的半导体(22)与所述去耦二极管(16)反向并联，所述可断开的半导体的控制输入端与一停电识别装置(24)的一输出端相连。由此可获得一经改进的、具有一不带电容器的中间电路(6)的变频器，在所述变频器上可使用一常见的“动态缓冲”选项。

Description

具有一不带电容器的中间电路的变频器
技术领域
本发明涉及一种变频器，所述变频器具有一不带电容器的中间电路与一为所述变频器的电子部件供电的供电设备，其中，所述供电设备在其输入端上具有一缓冲电容器，所述缓冲电容器与所述不带电容器的中间电路并联，其中，所述缓冲电容器的一馈电线具有一去耦二极管。
背景技术
图1详尽显示一种公布在申请号为103 38 476.6的在先德国专利申请(公开号为DE 103 38 476 A1)内的电压中间电路变换器，其最多具有一个小型中间电路。根据附图所示的实施例，这种电压-频率变换器具有一馈电侧变换器2与一负载侧变换器4，这两个变换器借助直流电压侧上的一个小型中间电路6导电相连。馈电侧变换器2为一二极管整流器，负载侧变换器4为一脉冲控制变换器。小型中间电路6具有一个薄膜电容器作为中间电路电容器CZK。与使用电解电容器作为中间电路电容器CZK的电压中间电路变换器相比，这种中间电路电容器CZK的容量明显较低。其后果在于，中间电路电压UZK的脉动系数很大，而其平均值又很小。尽管无须在变换器的输入端或电压中间电路上布置额外的电感器，但由于所述中间电路电容器的容量很小，用电设备对电网的反作用也会小很多。变换器的电源输入端与一供电网络8相连，而其输出端上的接线上则连有一三相交流电动机10。
一为所述电压中间电路变换器的电子部件供电的供电设备12在其输入端上具有一缓冲电容器CP。缓冲电容器CP与小型中间电路6并联，从而也与中间电路电容器CZK并联，其中，缓冲电容器CP的一馈电线14上连有一由去耦二极管16和限流器18构成的串联电路。去耦二极管16使两个电容器CZK和CP彼此去耦。借助限流器18可以将缓冲电容器CP的充电电流调整至一预定值。最简单的情况为，限流器18为一无电抗电阻器，当充电电流流入缓冲电容器CP时，借此可使缓冲电容器上出现功率损耗现象。缓冲电容器CP的尺寸大小由需要适用的供电系统停电时间的长来确定。此外还需考虑的因素是供电网络8中出现或可能出现这种电力中断现象的具体时间间隔。
当供电网络8中出现电力中断时，中间电路电容器CZK和缓冲电容器CP上便不再有电力供入。由于缓冲电容器CP与中间电路电容器CZK去耦，因而无法被变换器的负载放电。因此，缓冲电容器CP中存储的电能只用于维持对变换器的电子部件，尤其是对负载侧变换器4的供电。电压中间电路变换器由此而得以维持在工作状态，当电网恢复供电时，可重新回复至其额定工作点。由于中间电路电容器CZK的电容值较小，因此充电电流也小到无需为馈电侧变换器2配备尺寸过大的二极管(就其I2T值而言)。
普通类型的变频器中的小型中间电路一般都很小，因而通常不带有中间电路电容器CZK。由Kurt 、Rebbereh博士和Sack博士所著，名为“Fundamental Frequency Front End Converter(F3E)-a DC-link drive converterwithout electrolytic capacitor”的文献对这样一种具有不带电容器的中间电路的变频器的这样一种拓扑结构进行了详细说明，该文献刊登于2003年5月在纽伦堡出版的PCIM2003会议手册内。图2显示的就是这样一种具有不带电容器的中间电路的变频器，其具有一如图1所示的供电设备12。这种F3E变频器的一个主要特征在于，馈电侧变换器2还具有与二极管D1至D6相连的可断开的半导体开关T1至T6，这些开关分别与对应的二极管D1至D6并联。此外，这种F3E变频器还在其输入端上具有一电源滤波器20。为在供电网络短时间停电时也能向F3E变频器的电子装置供给电源电压UV，这里也同样配备了一缓冲供电设备12。另一种可行方案是配备一与供电网络相连的供电设备。停电时两个输出端口上的电源电压UV会同时中断。电子装置会由于没有足够的电源电压UV而关闭，从而导致F3E变频器也关闭。
为实现电网停电桥接，传统构型的变频器具有一种被称为“动态缓冲(KIP)”的选项，所述“传统构型”是指具有一带有至少一个电解电容器作为中间电路电容器CZK的电压中间电路。借助所述选项，由变频器和电动机构成的驱动装置能够在电网恢复供电后非常迅速达到其额定转速。如果变频器不具备这样一种选项，则驱动装置就会关闭，从而导致其需要较长的重新起动时间才能再次进入工作状态，因为不仅变频器的信号处理装置需要重新起动及重新初始化，发动机也需要重新被激励，并且可能须重新测定其转速。
停电时，处于“动态缓冲”工作模式下的驱动装置逐渐进入再生区(generatorischer Bereich)，即被制动，使得电动机和变频器的损耗通过电动机和相连作业机器的机械(动)能得到弥补。上述情况的发生须借助一调整器，所述调整器将中间电路电压UZK调至一固定值，例如其额定值的80％。调整值为转矩额定值、或进行磁场定向控制时对转速额定值的一附加值或在用U/f-预定控制器进行驱动时对频率额定值的一附加值。变频器的信号处理装置或者单独由一可靠电源供电，或者优选由直流电压中间电路供电。通过上述方法可使信号处理装置和控制器保持在工作状态，从而也使电动机保持在受激励状态，并且在电力恢复后可直接加速至其额定转速。
“动态缓冲”选项的前提条件是，一变频器的电压中间电路的中间电路电容器的大小必须满足下述条件，即，可以对在一个通断周期内出现的不同符号的中间电路电流进行缓冲。满足这一前提条件，“动态缓冲”选项就会起作用。
对于一个将一二极管整流器用作馈电侧变换器的变频器而言，其电压中间电路需要一个能满足上述前提条件的中间电路电容器。
在开篇所述类型的不具有中间电路电容器或只具有极小型中间电路电容器的变换器中，不可能实现上述“动态缓冲”选项。开篇所述类型的变换器或者不具有用于维持工作状态的电容器，或者所述电容器布置于变换器的馈电侧。
DE 101 35 286 A1中公布了一种在一矩阵变换器中用于电网短时停电桥接的方法和装置。这种馈电侧具有一滤波器的矩阵变换器借助一开关单元可与一供电网络相连。一旦探测到电网停电，矩阵变换器就会与供电网络断开，并切换至一缓冲工作模式，在缓冲工作模式下，一测定的电容器电压实际空间矢量被调整至一预定空间矢量。当电网恢复供电时，对这个电容器电压实际空间矢量进行同步。矩阵变换器在进行同步的同时重新与供电网络接通。通过在矩阵变换器前面连接一个具有快速通断能力的开关单元，可以在“动态缓冲”工作模式下将矩阵变换器的馈电侧滤波器的电容器用作存储电容器。通过断开故障电网，可以将这些电容器用作存储电容器。在一矩阵变换器上成功运行“动态缓冲”工作模式的前提条件是必须配备一个具有快速通断能力的电网开关单元。此外，用于电网同步的控制装置相当复杂。
发明内容
本发明的目的是对一普通类型的变频器进行改进，从而能够在不太复杂的情况下使用已有的“动态缓冲”选项。
根据本发明提出一种变频器，所述变频器具有一不带电容器的中间电路，以及一为所述变频器的一电子部件供电的供电设备，其中，所述供电设备在其输入端上具有一缓冲电容器，所述缓冲电容器与所述不带电容器的中间电路电性并联，其中，所述缓冲电容器的一馈电线具有一去耦二极管，通过将一可断开的半导体开关与去耦二极管反向(Back to back)并联，就可在停电时将供电设备的缓冲电容器在“动态缓冲”工作模式下用作这种工作模式的存储电容器。停电时通过借助所述可断开的半导体开关对去耦二极管进行桥接，可以在“动态缓冲”工作模式下保持发电机电流。如果不对去耦二极管进行这种可控制的桥接，这部分电动机电流就会被遮断(间歇电流)。其后果是，磁化电流中断，引起电动机电压的中断，随后是缓冲电容器被供电设备放电，从而导致当缓冲电容器上的电压低于一个预定的最低电压值时，供电设备被断开。当供电设备关闭时，变频器的电子装置无法继续维持在工作状态，其结果是，所述电子装置和变频器均关闭。
通过对一种普通类型的变频器进行根据本发明的这种改进，可以在不太复杂的情况下在普通类型的变频器上使用可购得的“动态缓冲”选项部件。
附图说明
下面借助附图所示的一个实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为一已有的电压中间电路变换器的一实施例；
图2为一普通类型的变频器的一实施例；
图3为一如图2所示的根据本发明改进的变换器；以及
图4为一具有本发明构型的交流-交流稀疏矩阵变换器。
具体实施方式
图3显示一如图2所示的普通变换器的实施例，其已根据本发明进行了改进。图中一可断开的半导体22与去耦二极管16反向并联，所述半导体尤其是一绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。所述可断开的半导体22在其控制侧上与一停电识别装置24的一输出端相连。所述停电识别装置24根据其输入端上的中间电路电压UZK测定是否出现停电情况。所述停电识别装置24的具体实施方式可参见例如申请号为10 2004 030535.8的在先德国专利申请(公开号为DE 10 2004 030 535 A1)。一停电识别装置24也可与供电网络的相位相连接。在此情况下，停电识别装置分析的则是电网相位电压。在本发明对一普通变换器的改进方案中，如何探测停电情况并不重要，重要的是对这种停电情况进行识别。探测到供电网络出现停电情况后，停电识别装置24的输出端上会产生一个用于控制可控制的半导体22的控制信号SNA。借助这个半导体信号SNA可将可断开的半导体22接通，从而实现对去耦二极管16的桥接。可将一绝缘栅双极晶体管模块用作可断开的半导体22，该模块内部已具有一个二极管，即所谓的反向二极管或续流二极管。由此便不再需要设置一个离散的二极管16，从而也无须再布置其与可断开的半导体22的连接。
对去耦二极管16进行桥接后产生一拓扑结构，其与具有中间电路电容器的传统变频器的拓扑结构相一致。在此情况下即可实施已有的“动态缓冲”选项。电力恢复后控制信号SNA通过改变其电平促使可断开的半导体22断开。
本发明的这种原理同样也适用于一种所谓的间接矩阵变换器。文献“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页，特别是其图3对这样一种间接矩阵变换器进行了详细说明。此外，本发明的这种原理还适用于一种所谓的稀疏矩阵变换器。文献“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”会议手册)对上述类型的稀疏矩阵变换器进行了详细说明与图示(图4)。当识别出电网停止供电时，变换器的馈电侧变换器会被切换至“二极管工作模式”，即接通晶体管Tx2和Tx3(x＝1，2，3)。随后的步骤与图3所示的电压中间电路变换器中的情况相同。电力恢复后，可断开的半导体22首先再次断开。为此在负载侧变换器中连接一个零位指示器是有利的。此后，上述间接矩阵变换器又可开始正常工作。
借助本发明可以在耗费不大的情况下对一种具有一不带电容器的中间电路的变频器进行改进，从而可在其上使用一常见的“动态缓冲”选项，同时，所述变频器也可利用“动态缓冲”选项的优点。

Claims (8)

1.一种变频器，所述变频器具有一不带电容器的中间电路(6)，以及一为所述变频器的一电子部件供电的供电设备(12)，其中，所述供电设备在其输入端上具有一缓冲电容器(CP)，所述缓冲电容器与所述不带电容器的中间电路(6)电性并联，其中，所述缓冲电容器(CP)的一馈电线(14)具有一去耦二极管(16)，
其特征在于，
一可断开的半导体(22)与所述去耦二极管(16)反向并联，所述可断开的半导体的控制输入端与一停电识别装置(24)的一输出端相连。
2.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，
所述可断开的半导体(22)和所述去耦二极管(16)集成在一半导体模块内。
3.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，
所述停电识别装置(24)在其输入端上与所述不带电容器的中间电路(6)电性并联。
4.根据权利要求1所述的变频器，其特征在于，
所述停电识别装置(24)在其输入端上与所述变频器的一供电网络(8)相连。
5.根据权利要求2所述的变频器，其特征在于，
所述半导体模块为一绝缘栅双极晶体管模块。
6.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的变频器，其特征在于，
所述变频器为一F3E变频器。
7.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的变频器，其特征在于，
所述变频器为一间接矩阵变频器。
8.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的变频器，其特征在于，
所述变频器为一三相交流-交流稀疏矩阵变频器。
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