具有缩短的预充电时间的变频器

技术领域

本发明涉及一种变频器，

-其中，变频器具有在输入侧的整流器和在整流器的下游布置的至少一个支持电容器，

-其中，整流器具有多个半桥，整流器的相应的输入侧相通过该半桥对支持电容器供电，

-其中，半桥具有有源开关元件，使得整流器设计为能回馈的转换器，

-其中，整流器的输入侧相通过上游电路与多相供电网络的电网侧相连接，

-其中，电网侧相在上游电路的内部通过相应的相电容器各自与输入侧相之一连接。

背景技术

由电网供电的变频器通常在供电网络与变频器的输入侧的整流器之间需要滤波电路和预充电电路。滤波电路用于限制电网干扰。仅在将变频器连接到供电网络时才需要预充电电路。预充电电路用于限制对支持电容器充电的预充电电流。一旦支持电容器被充电，电流限制就可以终止。为此目的，例如可以通过继电器来桥接预充电电路。

简单且广泛使用的预充电电路设计成在从供电网络的电网侧相到整流器的输入侧相的线路中布置电阻器，该电阻器在支持电容器预充电后通过继电器的开关触点桥接。该预充电电路的缺点在于，在预充电时在电阻器中发生大功率损耗，因此电阻器被显著加热。特别在支持电容器的电容较大的情况下，电阻也必须设计得很大。可替换地，也可以选择相对较大的电阻值。然而，在这种情况下，预充电所需的时间增加。此外，由于电阻器需要相对较长的时间来再次冷却，因此通常只能在有限的程度上进行重复的预充电。

可替代地，已知使用单独的功率半导体来对支持电容器进行预充电。然而，该措施在电路方面是复杂的并且昂贵的。

从EP 2 533 409 A1中已知上述类型的变频器。在这种变频器中，在包括相电容器的线路中还布置有开关。因此，相电容器不用于滤波，而是用于限制充电电流。另外还设有滤波电容器，其分别布置在电网侧的两个相或输入侧的相之间。

由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，因为在预充电期间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。此外，需要相对较长的时间来对支持电容器进行预充电。

从H.D.Tafti等人的技术论文“Control of Active Front-End Rectifier ofthe Solid-State Transformer with Improved Dynamic Performance duringRecharging(在充电过程中改善动态性能的固态转换器的有源前端整流器的控制)”中得知一种变频器，该变频器具有在输入侧的整流器和布置在整流器下游的支持电容器。整流器具有半桥，整流器的相应的输入侧相通过该半桥对支持电容器供电。半桥具有有源开关元件，使得整流器设计为能回馈的转换器。整流器的输入侧相通过上游电路与供电网络的电网侧相连接。整流器具有控制装置，该控制装置在支持电容器达到第一充电状态时控制有源开关元件，使得支持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部分所述类型的变频器，使得预充电可以在相对短的时间内实现。

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5的内容。

根据本发明，开头部分所述类型的变频器设计为，使得变频器具有控制装置，从支持电容器达到第一充电状态起，控制装置驱控有源开关元件，以通过有源开关元件在输入侧相处施加输入侧相电压，该输入侧相电压与在通过相电容器与输入侧相连接的电网侧相处施加的电网侧相电压反向地运行。

由此，可以增加相电容器两侧的有效电势差，从而使相电容器在电网电压的每个周期内将更多的电荷输送到支持电容器。

在一个有利的设计方案中提出，

-电网侧相在上游电路的内部还通过相应的开关直接与相应的另一输入侧相连接，使得电网侧相在开关闭合时与输入侧相短路，并且相电容器分别将两个电网侧相或两个输入侧相相连，并且

-控制装置在支持电容器被预充电时保持开关的断开并且在达到支持电容器的预定的第二充电状态时闭合开关，其中，在支持电容器被预充电期间在第一充电状态之后采用第二充电状态。

由此，同一个电容器、即相电容器能够以简单的方式一方面在预充电期间实现电流限制，另一方面在正常运行期间可以作为滤波电容器进行电流滤波。

相连的电网侧相和输入侧相的互换没有大的问题，特别是，有源开关元件的控制可以通过控制装置相应容易地调整。因为仅需将各个控制信号分配给有源开关元件。这样的控制可以保持不变。

有利的是，在该种情况下变频器设计为，使得在达到预定的第二充电状态时，控制装置

-首先驱控有源开关元件，以通过有源开关元件将输入侧相电压施加到输入侧相处，该输入侧相电压在幅值和相位方面对应于在通过相电容器与输入侧相连接的电网侧相处施加的电网侧相电压，

-然后驱控有源开关元件，以使通过有源开关元件施加到输入侧相处的输入侧相电压持续地转换为在通过开关与输入侧相连接的电网侧相处施加的电网侧相电压，并且

-该开关仅在输入侧相电压转换为在通过开关与输入侧相连接的电网侧相处施加的电网侧相电压之后才闭合。

由此可以显着降低开关闭合时可能出现的电流峰值和电压跳变。

有利的是，上游电路在至电网侧相和/或至输入侧相的线路中具有电感。通过该设计方案能够实现特别简单和有效的滤波。

有利的是，电感布置在线路中，使得由供电网络供应的和/或流过半桥的相电流在开关断开和闭合时都穿流电感。由此，相电容器的两种作用的组合的实施(即一种用于滤波并且一种用于电流限制)特别简单和有效。

附图说明

结合实施例的以下描述，本发明的特性、特征和优点及其实现方式和方法变得更加清楚和易懂，实施例结合附图进行详细说明。在此以示意图示出：

图1示出了变频器，

图2示出了网络连接、上游电路和输入侧整流器，

图3示出了流程图，

图4示出了时序图，并且

图5示出了另一时序图。

具体实施方式

根据图1，变频器具有在输入侧的整流器1。另一装置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支持电容器3，该支持电容器布置在整流器1与另一装置2之间。该另一装置通常设计为逆变器。在这种情况下涉及中间电流转换器。然而，该另一装置也可以设计为其他类型，例如为直流电耗电器、直流电网、光伏设备或能量存储器。

整流器1在输入侧具有U、V、W相，其通过上游电路4与供电网络5的相L1、L2、L3连接。因此，整流器1和供电网络5都是多相的，也就是说，它们分别具有多个相U、V、W或L1、L2、L3。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，为了从整流器1的输入侧相U、V、W进行术语区分，将供电网络5的相L1、L2、L3称为电网侧相L1、L2、L3。

输入侧相U、V、W的数量通常为三。然而，不管输入侧相U、V、W的数量如何，输入侧相U、V、W的数量都等于电网侧相L1、L2、L3的数量。

电网侧相L1可以在电方面比电网侧相L2超前120°，同样，电网侧相L2在电方面比电网侧相L3超前120°，电网侧相L3在电方面比电网侧相L1超前120°。然而，优选相反，电网侧相L1在电方面比电网侧相L2落后120°，并且同样，电网侧相L2在电方面比电网侧相L3落后120°，并且电网侧相L3在电方面比电网侧相L1落后120°。

如图2所示，整流器1具有多个半桥6。整流器1的输入侧相U、V、W之一经由每个半桥6对支持电容器3供电。半桥6如图2所示具有二极管7。此外，其具有与二极管7并联连接的有源开关元件8。开关元件8是电子半导体开关、例如MOSFET。由于有源开关元件8，整流器1能够回馈。它们由相应的控制信号C1至C6控制。二极管7可以是独立的组件。可替代地，二极管7可以是有源开关元件8的集成部件。

如图2所示，电网侧相L1、L2、L3在上游电路4的内部经由相应的电容器9分别与输入侧相U、V、W之一连接。具体地，相应通过电容器9之一，电网侧相L1与输入侧相U连接，电网侧相L2与输入侧相V连接，电网侧相L3与输入侧相W连接。但是，其他设计方案也是可能的。特别地，上游电路4也可以设计为如EP 2 533 409 A1的图5所示的那样。电容器9在下文中被称为相电容器9，以与支持电容器3在语言方面区分。

此外，电网侧相L1、L2、L3在上游电路4的内部通过相应的开关10与输入侧的相U、V、W之一相应连接。在此优选的是，对应于图2，电网侧相L1、L2、L3相对于电网侧相L1、L2、L3经由相电容器9连接的输入侧相U、V、W通过相应的开关10分别与另外的输入侧相U、V、W连接。具体地，电网侧相L1与输入侧相V连接，电网侧相L2与输入侧相W连接，电网侧相L3与输入侧相U连接。电网侧相L1与输入侧相V的连接、电网侧相L2与输入侧相W的连接、以及电网侧相L3与输入侧相U的连接是直接连接的。当开关10闭合时，电网侧相L1、L2、L3与输入侧相U、V、W短路。在根据图2的设计方案的情况下，相电容器9相应将两个电网侧相L1、L2、L3或两个输入侧相U、V、W相连。特别地，优选相应通过相电容器9，

-电网侧相L1和输入侧相V(其在该种情况中通过开关10彼此短路)与电网侧相L2和输入侧相W(其在该种情况中通过另一个开关10彼此短路)连接，

-电网侧相L1和输入侧相V与电网侧相L3和输入侧相U(其在该种情况中同样通过另一个开关10彼此短路)连接，并且

-电网侧相L2和输入侧相W与电网侧相L3和输入侧相U连接。

根据图1，变频器还具有控制装置11。控制装置11尤其产生控制信号C1至C6。此外，当支持电容器3被预充电时，控制装置11使开关10保持断开。由此，支持电容器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可以如下地实现，即控制装置11不对操纵开关10的继电器12加载电流。然而，在稍后的时间点，控制装置11闭合开关10。例如用于继电器12的相应的控制信号在图2中以C0示出。在该状态中(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，控制装置11尤其还控制另一装置2。例如，如图1所示，可以通过逆变器向负载13提供电能。该状态例如可以通过以下事实来定义，即在支持电容器3两端下降的支撑电压UZK已经达到其设定值的预定百分比，例如至少90％。

在图1和图2中，尤其在图2中，还示出了许多有利的设计方案。特别地，上游电路4可以在至电网侧相L1、L2、L3的线路14中具有电感15。如果存在电感15，则它们优选如下地布置在线路14中，即电感不仅都由自供电网络5馈入的相电流I1、I2、I3(电网侧相电流I1、I2、I3)穿流。可替代地或附加地，上游电路4可以在至输入侧相U、V、W的线路14中具有电感16。如果存在电感16，则它们优选如下地布置在线路14中，即电感不仅在断开的开关10而且在闭合的开关的情况中由由半桥流动的相电流IU、IV、IW(输入侧相电流IU、IV、IW)穿流。开关10连接到线路14的节点17、18因此布置在相位电容器9与电感15、16之间。

下面结合图3说明变频器的运行模式。在该上下文中，还说明了另外两个有利的设计方案。这些设计方案是相互关联的。然而，无论电感15、16是否布置在线路14中，都可以实现它们。

首先，说明根据本发明的基本设计。

根据图3，当整流器1连接到供电网络5时，控制装置11在步骤S1中检查支持电容器3是否已经达到充电状态Z1、以下称为第一充电状态Z1。特别地，控制装置11可以在步骤S1中检查支撑电压UZK是否达到或超过合适的预定值，其例如在支撑电压UZK的额定值的30％至70％之间，特别是在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使开关10和有源开关元件8都保持断开。这在图3中通过以下事实来表示，即没有控制信号C0至C6的输出(由符号“./.”表示)。

当支持电容器3达到第一充电状态Z1时，控制装置11在步骤S3中控制有源开关元件8。该控制使得输入侧相电压UU经由有源开关元件8馈送到相应的相电容器9，通过该开关元件8来切换输入侧相U，该输入侧相电压与电网侧相电压U1反向运行(相位相反)。图4在其左侧区域中示出了作为时间t的函数的电网侧相电压U1和输入侧相电压UU的相关曲线。

以类似的方式，控制装置11控制有源开关元件8，通过有源开关元件来切换输入侧相V，使得相应的相电容器9被配置输入侧相电压UV，该输入侧相电压与电网侧相电压U2反向运行(相位相反)。同样控制装置11控制有源开关元件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被配置输入侧相电压UW，该输入侧相电压与电网侧相电压U3反向运行(相位相反)。由此，相对大的电势差被施加到相电容器9，使得相对大的相电流I1、I2、I3、IU、IV、IW在线路14中流动。由此，支持电容器3被快速充电。由于电网侧相电压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的控制必须满足这些条件。然而，对有源开关元件8的控制的相应确定是本领域技术人员通常已知的，因此不需要详细解释。

在支持电容器3的预充电期间，但是仅在第一充电状态Z1之后才采用第二充电状态Z2。如已经提到的那样，第二充电状态Z2可以例如被如下地定义，即在支持电容器3的两端下降的支撑电压UZK已经达到其额定值的预定百分比，例如至少90％。因此，控制装置11在步骤S4中检查支持电容器3是否已经达到第二充电状态Z2。只要不是这种情况，控制装置4就返回到步骤S3。

当达到第二充电状态Z2时，完成了本发明的基本原理。如果相应地确定第二充电状态Z2(特别是在支持电容器3两端下降的支撑电压UZK已达到其额定值的足够高的百分比)并且相应地设计了上游电路4，则可以直接进行正常运行(请参见稍后的步骤S7)。但是，图2还示出了两个有利的设计方案。这些将在下面结合说明。发生这种情况是因为这两种设计方案是相互关联的。特别地，它们涉及在闭合开关10之前和之前不久所采取的措施。

在这种情况下，第二电荷状态Z2仅对应于支持电容器3的部分充电。例如，如已经提到的，可能需要在支持电容器3的两端下降的支撑电压UZK已经达到其额定值的预定百分比，例如至少90％。

在该有利设计方案的范畴中，控制装置11尚未立即闭合开关10，而是预先进入步骤S5。在步骤S5中，控制装置11控制用于相U的有源开关元件8，使得经由相关联的有源开关元件8将输入侧相电压UU施加到输入侧相U，该相电压在幅值和相位方面对应于电网侧相电压Ul。图4在其右侧中示出了作为时间t的函数的相电压U1和相电压UU的相关曲线。图5在其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从反向运行的曲线(左侧区域)切换到同相的曲线(右侧区域)。如图4所示，然后优选地在相电压U1、UU的过零点处实现切换。

以类似的方式，在步骤S5中还实现了输入侧相V的相电压UV从相对于相电压U2的曲线反向运行的曲线到相对于相电压U2的曲线同相的曲线的切换。这同样适用于输入侧相W的相电压UW从相对于相电压U3的曲线反向运行的曲线到相对于相电压U3的曲线同相的曲线的切换。

然后在步骤S6中，控制装置11控制用于相U的有源开关元件8，使得经由相关联的有源开关元件8将输入侧相电压UU施加到输入侧相U，其在幅值和相位方面与电网侧相电压U3对应。在这种情况下，如图5所示，进行连续的转化。这例如如下地实现，即如图5所示从时间点t1开始恒定地保持输入侧相电压UU的特定电压值，直到电网侧相电压U3在时间点t2达到特定电压值。一旦达到特定电压值，则相电压UU跟随电网侧相电压U3。

以类似的方式，还在步骤S6中实现输入侧相V的相电压UV从与相电压U2的曲线同相的曲线到与相电压U1的曲线同相的曲线的转换。这同样适用于将输入侧相W的相电压UW从与相电压U3的曲线同相的曲线到与相电压U2的曲线同相的曲线的转换。

可以同时进行刚刚说明的相电压UU、UV、UW的转换。在这种情况下，尤其有利的是，电网侧相L1在电方面比电网侧相L2落后120°，并且同样，电网侧相L2在电方面比电网侧相L3落后120°，并且电网侧相L3在电方面比电网侧相L1落后120°。这是因为相应的输入侧相电压UU、UV、UW仅必须在电网侧相电压U1、U2、U3的三分之一的期间内保持恒定值。否则，输入侧的相电压UU、UV、UW必须在电网侧相电压U1、U2、U3的三分之二周期内保持恒定值。

各个输入侧相U、V、W可以通过相应的半桥6彼此独立地控制。作为替代方案，因此可以相继进行刚刚说明的相电压UU、UV、UW的转换。在这种情况下，甚至可能将输入侧相电压UU、UV、UW从与电网侧相电压Ul、U2、U3之一同相的曲线切换到与电网侧相电压U1、U2、U3中的另一个同相的曲线，而不会引起电压跳变并进而像以前一样连续地进行切换。然而，在这种情况下，例如对于相U，切换必须在电网侧相电压U1和U3具有相同值的时间点进行。以类似的方式，相V的切换必须在电网侧相电压U1和U2具有相同值的时间点进行。在这种情况下，也必须在电网侧相电压U2和U3具有相同值的时间点进行W相的切换。

在刚刚说明的相电压UU、UV、UW的转换之后，控制装置11在步骤S7中闭合开关10。应当在时间t2之后尽快闭合开关10。随着开关10的闭合，支持电容器3的预充电以及整个变频器的预充电就完成了。这之后是正常运行，在该正常运行中，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可以例如以闭合开关10的方式控制继电器12。

总之，本发明涉及以下事实：

变频器具有在输入侧的整流器1和在整流器1的下游布置的至少一个支持电容器3。整流器1具有多个半桥6，整流器1的相应的输入侧相U、V、W通过该半桥对支持电容器3供电。半桥6具有有源开关元件8，使得整流器1设计为能回馈的转换器。输入侧相U、V、W通过上游电路4与多相供电网络5的电网侧相L1、L2、L3连接。电网侧相L1、L2、L3在上游电路4的内部通过相应的相电容器9与输入侧相U、V、W之一连接。从支持电容器3达到第一充电状态Z1起，变频器的控制装置11驱控有源开关元件8，以通过有源开关元件8在输入侧相U、V、W处施加输入侧相电压UU、UV、UW，该输入侧相电压与电网侧相电压U1、U2、U3反向运行，该电网侧相电压被施加到通过相电容器9与输入侧相U、V、W连接的电网侧相L1、L2、L3处。

本发明具有许多优点。特别地，可以对支持电容器3进行快速且低损耗的预充电。此外，大大简化了上游电路4。特别地，与现有技术相比，可以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可以更加廉价和高效地实现。特别地，与现有技术相比，上游电路4的成本可以减少超过50％。相电容器9所需的电容值能以实现快速预充电和良好滤波效果的方式进行匹配。

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，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明保护范围的情况下从其中得出其他变化方案。