專利名稱：具有限流裝置的變頻器和用于運行變頻器的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在供電電源上運行電機的變頻器。該變頻器具有整流器，利用該整流器能將電源的交流電壓轉換成經過整流的電壓。在整流器的直流電壓輸出端處連接有中間電路電容器。可以利用來自電源的電流為該中間電路電容器充電，其中，借助限流裝置來限制充電電流的電流強度。
背景技術：
下面借助圖I中所示的框圖來詳細闡述所述種類的變頻器的原理上的工作方式。所示的變頻器10具有電源接頭12。借助該電源接頭，變頻器通過(未示出的)主接觸器連接在供電電源上，或簡言之連接在電源14上。電源14可以是例如三相的三相電源(例如400V,50Hz 或60Hz)。
變頻器10具有整流器16，該整流器將電源的交流電壓轉換成經過整流的電壓，在此以Uzk來表示該電壓。在整流器16的直流電壓輸出端上連接有中間電路18的匯流排ZK+，ZK-。在匯流排ZK+，ZK-上可以連接一個或多個逆變器，這出于清晰原因在圖I中沒有示出。借助這種逆變器可以在第二轉換步驟中由直流電壓Uzk產生出用于運行電機的交流電壓。該交流電壓的頻率在此可以通過逆變器來進行調節。在中間電路18中通過至少一個中間電路電容器22來提供中間電路電容，通過該中間電路電容來平穩化直流電壓Uzk。在此將中間電路電容理解成這樣一種電容，該電容足夠大，從而能夠在所述轉換過程中將由整流器16所產生的直流電壓Uzk的波動性平穩化，從而使其不會影響到第二個轉換步驟。優選地該中間電路電容也足夠大到能夠在電源交流電壓的歷時幾毫秒的短時間失效的情況下不中斷地運行電機。為了借助變頻器10來運行電機，所述主接觸器閉合。整流器接著產生了直流電壓Uzk,由此為中間電路電容器22充電。下面將該充電過程稱為預充電階段或中間電路電容器的預充電。在對中間電路電容器20進行充電直至直流電壓Uzk達到期望的電壓值之后，則可以運行電機。為此，變頻器的逆變器由直流電壓Uzk產生了交流電壓，通過該交流電壓在電機中產生了三相電流。這個過程在下面被稱為運行階段。在閉合主接觸器之前，中間電路電容器22通常是未充電的。在預充電階段中由此出現了以下問題，即，在閉合主接觸器之后從電源14流到未充電的中間電路電容器22中的充電電流的電流強度由于中間電路電容器的大電容而可能大到損害整流器16的部件。因此在變頻器10中，流入變頻器10的各個電源相導體中的充電電流由此流經預充電電阻R1, R2, R3。其共同實現了限制電流。預充電電阻R1, R2, R3可以是例如與溫度相關的PTC-電阻(PTC-正溫度系數)。在變頻器10中，可以將不同的逆變器連接在中間電路18的匯流排ZK+和ZK-上。這也可以隨后由變頻器10的使用者來進行。由此在連接時可能導致錯誤。例如，在中間電路18或在通過逆變器與該中間電路相連接的電機中引起短路。在主接觸器閉合之后，在預充電階段中隨后流過短路電流，該短路電流的電流強度僅受到了預充電電阻R1, R2, R3的限制。與在對中間電路電容器22進行充電時不同的是，短路電流卻持續地以短路電流強度流過。在此，在預充電電阻R1, R2, R3中進行轉換的損耗功率可能強烈地加熱這些預充電電阻并且最終將其損壞。
發明內容
本發明的目的在于，為上述類型的變頻器的部件提供足夠的保護。該目的通過根據權利要求I所述的變頻器以及根據權利要求7所述的方法來實現。根據本發明的變頻器以及根據本發明的方法的有利的改進方案由從屬權利要求給出。根據本發明的變頻器用于在電源上運行電機。如這種類型的變頻器那樣，該變頻器具有整流器，在其直流電壓輸出端上連接了具有至少一個中間電路電容器的中間電路。 在根據本發明的變頻器中提供了限流裝置，借助該限流裝置可以對從電源流向中間電路的電流的電流強度進行限制。該限流裝置在此設計為，將用于限制電流的中間電路與電源接頭電容性地相耦合。為了以限制在某電流強度下的充電電流來為處在預充電階段中的中間電路電容器充電，該中間電路電容器也與電源電容性地相耦合。處在預充電階段中的中間電路電容器的充電電流的電流強度受到了耦合電容器的阻抗的限制。根據本發明的變頻器還具有以下優點，即，在直流電壓輸出端處的短路也不會導致限流裝置的過熱。由此能夠有效地限制短路電流的電流強度，并且格外有效地限制充電電流的電流強度。由此始終有效地防止整流器的部件受到過載電流的熱損害。在根據本發明的變頻器的一個有利的設計方案中，限流裝置具有至少一個耦合電容器。該設計方案在此設計為為了限制電流而在電源接頭的連接元件和中間電路電容器的接頭之間串聯地連接至少一個耦合電容器。中間電路電容器的充電電流(在整流之前)是交流電流，并且由此流過耦合電容器。該電容性的耦合由此與如現有技術中所公知的用于過濾電源電壓的諧波的電容性耦合完全不同。在現有技術中，濾波電容器被連接在變頻器的電源相導體之間，并且不像耦合電容器那樣是串聯的。在此要將耦合電容器理解成以下這種電容器，對其電容這樣進行選擇，從而為電源交流電壓的頻率產生了耦合電容器的阻抗值，該阻抗值將電流限定在期望的最高值上。在此情況下，應用串聯連接的耦合電容器能夠實行費用低廉地制造根據本發明的變頻器。作為獨立的耦合電容器的可替換方式，還可以考慮中間電路電容器自身的特殊的設計方案。在根據本發明的變頻器中，可以選擇性地橋接限流裝置。在用于運行電機的運行階段中，隨后可以在中間電路電容器和電源之間提供低歐姆的電流連接(除了電容性的耦合之外或代替電容性的耦合)。由此提供了以下優點，即，能夠降低在運行階段期間的功率損耗。概念“選擇性的”在此指的是，可以根據控制裝置的控制信號或變頻器的運行狀態來進行橋接。為了進行橋接可以例如應用與接觸器并聯連接的接觸器。還可以設計為僅僅部分地橋接限流裝置來代替完全地橋接限流裝置。隨后仍在電路中起作用的部分在運行階段中由此可以承擔其他功能，例如，過濾交流電壓。通過這種雙重的應用可以節省構件并且由此降低了制造費用。
可以將限流裝置連接在電源接頭和整流器之間。由此產生以下優點，即，在預充電階段中可以使用在運行階段中用于整流負載電流的那個整流器來整流預充電電流。根據本發明的變頻器還可以具有另一個整流器，該整流器是限流裝置的組成部分。由此產生以下優點，即，無需橋接限流裝置便能夠降低運行階段中的功率損耗。在根據本發明的變頻器的另一個實施方式中，限流裝置具有用于耦合電容器的開關裝置。借助該開關裝置可以將耦合電容器連接在變頻器的電源相導體之間。由此，該耦合電容器在運行階段中可以充當濾波電容器。在換向之后，耦合電容器則不再串聯地連接在電源連接元件和中間電路電容器的接頭之間(如預充電階段中那樣)，而是兩個電源連接元件一直彼此相連接。耦合電容器在此例如能以星形聯結或三角形聯結的連接方式彼此相連接。限流裝置也適用于，當例如相位之一中的半波消失時，在短時間的停電之后在運行階段期間保護變頻器。這種停電導致由整流器從電源接收的電功率通量被中斷。當功率通量隨后重新接入時，中間電路電容器可以幾乎完全地放電，從而使得其充電電流重新達 到相應的大小。因此按照根據本發明的方法的一個改進方案，為了在再充電階段中重新為中間電路電容器充電，借助限流裝置來限制充電電流的電流強度。
下面將借助實施例來詳細地闡述本發明。其中圖I示出了具有根據現有技術的預充電電阻的變頻器；圖2示出了按照根據本發明的變頻器的一個實施方式的具有可橋接的耦合電容器的變頻器；圖3示出了按照根據本發明的變頻器的另一個實施方式的變頻器，該變頻器具有完全受控的主整流器和另一個整流器；圖4示出了按照根據本發明的變頻器的另一個實施方式的變頻器，該變頻器具有半受控的主整流器和另一個整流器；圖5示出了按照根據本發明的變頻器的另一個實施方式的變頻器，該變頻器具有獨立的濾波電容器；圖6示出了按照根據本發明的變頻器的另一個實施方式的變頻器，該變頻器具有率禹合電容器，該稱合電容器也可被用作為濾波電容器；圖7示出了按照根據本發明的變頻器的另一個實施方式的變頻器，該變頻器同樣具有稱合電容器，該稱合電容器也可被用作為濾波電容器；圖8示出了一個圖表，該圖表示出了如在預充電階段中根據圖2的變頻器中所產生的電壓信號的原則上的曲線；圖9-圖11分別示出了具有電壓信號和電流信號的曲線的圖表，如電壓信號和電流信號在預充電階段的不同時間段中根據圖2的變頻器中的模擬所產生出的曲線，以及圖12示出了具有電流信號和電壓信號的有效值的曲線的圖表，如電流信號和電壓信號在預充電階段中根據圖I和圖2的變頻器的模擬所產生的曲線。
具體實施方式
實例示出了本發明的優選的實施方式。在圖2中示出了變頻器24。變頻器24的電源接頭26通過(未示出的)主接觸器連接到電源14上。電源14與圖I所示的具有相同附圖標號的電源相應。在變頻器24中，整流器28從電源14的三個電源相位的交流電壓中產生出經過整流的電壓、在此被稱為直流電壓UZK。在圖2所示的整流器28中，借助全波整流來產生直流電壓UZK。整流器28為此具有三個具有二極管的半橋。直流電壓Uzk施加在整流器的直流電壓輸出端34的兩個直流電壓接頭30，32之間。在直流電壓接頭30，32上分別連接有變頻器28的中間電路36的匯流排ZK+，ZK-0匯流排ZK+，ZK-通過中間電路電容器38彼此電容性地耦合。中間電路電容器38的接頭40，42在此與匯流排ZK+，ZK-相連接。通過中間電路電容器38在中間電路36中提供了中間電路電容。為了能夠在預充電階段中利用受限的充電電流對中間電路電容器38進行充電， 在電源接頭26的通過閉合主接觸器能夠與電源14的外導體或電源相導體電連接的各個連接元件R，S，T和整流器28的交流電壓輸入端E1, E2, E3之間串聯地連接耦合電容器C1, C2,C3O通過耦合電容器C1, C2, C3形成了限流裝置44。耦合電容器C1, C2, C3可以是金屬化的薄膜電容器。限流裝置44可以通過閉合接觸器46來橋接在變頻器24的工作相位中。對于這種情況，即源于電源14的功率通量將被中斷，則接觸器46自行斷開。當源于電源14的電流重新流入整流器28中時，該電流首先通過限流裝置44進行引導，直至接觸器46重新閉合為止。下面所闡述的圖3至圖7中的元件在其功能方面與已經闡述過的元件相應，分別具有與相應的已經闡述過的元件相同的附圖標記。在圖3中示出了另一個變頻器24'。除了整流器28以外，變頻器24'具有另一個整流器46。該整流器屬于限流裝置44'。整流器26被設計成其額定功率小于整流器28。整流器46通過電源接頭24而接收到的交流電流受到了耦合電容器C1, C2, C3的限制，這些耦合電容器在限流裝置44'中串聯地連接在整流器46前方。在變頻器24'的預充電階段中，整流器28的晶閘管接入斷開狀態。中間電路36的中間電路電容器38隨后通過限流裝置44進行充電。在運行階段中隨后可以通過運行整流器28來在中間電路36中傳輸更大的電功率。對此無需橋接限流裝置44'。在變頻器24'的整流器28中，通過在半橋的去流支路和回流支路中均構造晶閘管，還可以在接地時避免電流通過整流器28不受控制地流動。在圖4中示出了變頻器24"，在其構造方面該變頻器可與變頻器24'相比較。在變頻器24"中，整流器28與變頻器24'的相應的整流器不同地具有三個晶閘管和三個二極管。由此可以更廉價地制造變頻器24"。然而與在變頻器24'中一樣，也能夠通過斷開晶閘管來防止變頻器24"的部件受到中間電路電容器38的過大的充電電流的損害，并且能夠借助限流裝置44'的整流器46產生直流電壓。圖5中示出了變頻器24"，，該變頻器具有有源的整流器48，該有源的整流器能夠作為升壓變流器進行工作。在升壓變流器工作時，在中間電路36中產生了直流電壓UZK，其有效值不取決于加載在電源接頭26的連接元件R，S，T之間的交流電壓。為了運行升壓變流器，在整流器48的交流電壓輸入端前方連接了整流扼流圈L1, L2, L3和濾波電容器50，52，54。整流器48也是反饋性的，也就是說，利用該整流器可以從直流電壓Uzk中產生出交流電壓并且由此將功率反輸送給供電電源。為了能夠限制變頻器24"，的中間電路電容器38的充電電流的電流強度，在變頻器24"'中構造了限流裝置44。該限流裝置可以通過閉合接觸器56而接通。額外地可以斷開接觸器58，從而使得限流裝置44的耦合電容器C1, C2, C3不通過整流扼流圈L1, L2,L3進行橋接。圖6中示出了變頻器24""，該變頻器如變頻器24"' 一樣地具有有源的整流器48。限流裝置44"在此具有專屬的整流器。耦合電容器C1, C2，C3能夠通過閉合接觸器60而聯接成星形聯結，從而使得耦合電容器C1, C2，C3的接頭在零點62中彼此相連。然后橋接了整流器46，從而使得沒有電流再流經該整流器。相應地，耦合電容器C1, C2, C3隨后也不再串聯地連接在連接元件R，S，T和中間電路電容器的接頭40，42之間。換言之，這些耦合電容器在接觸器60閉合時連接在連接元件R，S，T之間。這些耦合電容器則用作為與濾波 電容器50，52，54類似的濾波電容器。接觸器60在預充電階段中保持斷開并且在運行階段開始時閉合。圖7中示出了變頻器24""'，該變頻器與變頻器24'類似地具有由晶閘管形成的整流器28。對于這種變頻器而言也能夠使用限流裝置44"，其中，耦合電容器C1, C2, C3能夠借助接觸器60將其功能改變成濾波電容器。通過斷開接觸器64避免了，在預充電階段中耦合電容器C1, C2, C3和整流扼流圈L1, L2, L3之間流過無功電流。但也可以設計為，在預充電階段中將接觸器64保持在閉合狀態下，從而借助整流扼流圈L1, L2, L3實現無功功率補償。然后與此相應地設置構件。下面借助圖8至圖11再次詳細地闡述用于變頻器24的、中間電路電容器38的預充電、也就是說預充電階段。由此采用以下設置，S卩，在其上連接有變頻器24的電源14中，相連接的電源電壓(也就是說分別在連接元件R，S，T中的兩個之間下降的交流電壓)具有400V的有效值。電源頻率為f=50Hz。另外，變頻器24設計為，能夠傳輸100KW的額定功率。耦合電容器C1,C2, C3應具有C=20yF的電容。其等效的串聯電阻(ESR-等效的串聯電阻)為RESK=10mQ。中間電路電容器38的整流電容為4mF。圖8中示出了整個充電過程，該圖具有關于時間t，關于電壓仏的電壓值，關于耦合電容器C1,以及電壓U40和U42的電壓值的曲線，其中，電壓U40表示的是施加在接頭40和(圖I中未示出的)中性導體之間的電壓，而電壓U42代表的是施加在接頭42和中性導體之間的電壓。中性導體的電位與電源14的零點N的電位相同。電壓U40和U42的差值與中間電路電壓Uzk相應。在圖8中示出的電壓U1, U40, U42僅示出在其原理性的曲線中。和曲線隨著時間t正弦地變化的頻率實際上是電源頻率f=50Hz的三倍，也就是150Hz。圖8中所示的包絡曲線(虛線)示出，匯流排ZK+，ZK-上的中間電路36中的電壓如何從在3s之內的一定數值上升到約為310V的平均值。以相同的程度，電壓U1的極值的數值下降到電容器C1之上。圖9至圖11中再一次示出了預充電階段的各個時間段的電壓U1, U40, U42的曲線。額外地還示出了施加在連接元件R和零點N之間的電壓Uk的曲線，流過耦合電容器C1的相電流Ik的曲線，以及從耦合電容器C1流到匯流排ZK+中的電流I1的曲線。相電流Ik被否定地作為-Ik示出。圖9示出了接通的瞬間。電流I1和相位電壓Uk相比提前了 90°并且在最初的小的中間電路電壓中幾乎成正弦形。通過電容器C1的有效電流IK,rff等于IK, eff=UE ω C=230V2 π f 20 μ F=L 44Α (均方根)。一秒以后(見圖10)，中間電路電容器38已經充電達到了 UZK=390V。通過C1的有效電流下降到O. 8A。在電容器C1上的電壓降低。五秒以后(見圖8)中間電路電容器38完全充電完畢。耦合電容器C1沒有引導電流，該耦合電容器沒有導致明顯的電壓下降。在此時間點不存在限流裝置44由于閉合接觸器46而被橋接的風險。圖12中示出了中間電路電壓Uzk、充電電流Izk和相電流Ik的有效值的曲線的比較，如其在預充電階段中一方面在變頻器10 (現有技術)和另一方面在變頻器24中所得到 的。 在變頻器24中的中間電路電壓Uzk的有效值的曲線110與變頻器10中的Uzk的有效值的相應的曲線112之間并沒有明顯的區別。中間電路電容器在這兩個變頻器10，24中在幾乎相同的時間內進行充電。借助電容性的耦合也就能夠像利用預充電電阻進行充電那樣迅速地為中間電路電容器充電。相電流Ik的有效值的曲線114和充電電流Izk的有效值的曲線116在變頻器24中與此相反地具有比變頻器10中的相應的曲線118 (Ie)或120 (Izk)明顯更小的最高值。在變頻器10中，預充電電阻R1, R2, R3在所示實例中具有R=68Q的電阻值。在中間電路18中出現短路的情況下，R1必須能夠在預充電過程中持續地接收功率PK1 =UkVr=(230V)2/68Q=778ffo在此，預充電電阻可能被劇烈加熱。不能以經濟上合理的支出為這種功率構造出足夠耐用的預充電電阻。與此相反地，在相同的情況下在耦合電容器C1中只有功率=Pci=Ik2Resk= (UeQC)2Rese= (I. 44A) 210mQ=21mff被轉換。由此在短路的情況下限流裝置44也不會被明顯的加熱。甚至可以利用市場上常見的薄膜電容器來實現這個優點。利用充足的電壓可負載性能和電流可負載性能以及規定的Resk便可實現該薄膜電容器。由此也可以在經濟上有利地為變頻器提供IOOkW的額定功率。在構造體積上也是有利的。也就是說，如預充電電阻&那樣，電阻僅僅具有6. 5cm3的體積。但在此既不考慮冷卻裝置的構造體積又不考慮用于排出受熱氣體所必要的自由空間。正如其能夠作為耦合電容器C1所應用地那樣，薄膜電阻器總共具有57cm3的體積，這在可能的緊湊布置構件的情況下能夠使得限流裝置整體上具有更小的總體積。此外制造費用也更少。在合適的構件布置中，利用額外的開關元件(在實例中該額外的開關元件是接觸器60)也能夠將耦合電容器C1, C2，C3作為薄膜電容器使用。(在圖中未示出的)由在進行轉換時為了電容器放電所必需的電阻所組成的放電裝置不存在任何技術上的或經濟上的問題。整體上通過實例示出了變頻器在以下故障情況中如何提供有效的保護
-中間電路短路；-地線位于中間電路中或位于與該中間電路相耦合的電機中；-利用過多的逆變器或利用具有過大的額定功率的逆變器運行；-在短時間的停電之后的再充電過程。
由于在限流裝置中在短路電流的情況下也僅轉換少量的有效功率，所以不會損壞該限流裝置。
權利要求
1.一種用于在電源(14)上運行電機的變頻器(24至24""')，所述變頻器包括 -電源接頭(26)，用于將變頻器(24至24""')連接在電源(14)上， -與所述電源接頭(26)相連接的整流器(28，48)，用于將所述電源(14)的交流電壓(Ue)轉換成經過整流的電壓(Uzk)； -連接在所述整流器(28，48)的直流電壓輸出端(34)上的中間電路(36)，所述中間電路具有至少一個中間電路電容器(38)，以及 -限流裝置(44，44'，44")，用于限制從所述電源(14)流入到所述中間電路(36)中的電流(Izk)的電流強度， 其特征在于， -所述限流裝置(44，44'，44")設計為，將用于限制所述電流(Izk)的所述中間電路(36)與所述電源接頭(26)電容性地相連接。
2.根據權利要求I所述的變頻器(24至24""')，其特征在于，所述限流裝置(44，44')具有至少一個耦合電容器(C1,C2，C3)并且所述限流裝置(44，44')設計為，為了限制電流而在所述電源接頭(26)的連接元件(R，S，T)和所述中間電路電容器(38)的接頭(40，42)之間串聯地連接至少一個耦合電容器(C1, C2, C3)。
3.根據權利要求I或2所述的變頻器(24，24〃'，24" " '，24""')，其特征在于，所述限流裝置(44，44")或所述限流裝置的一部分能選擇性地橋接。
4.根據前述權利要求中任一項所述的變頻器(24，24"，)，其特征在于，所述限流裝置(44 )連接在所述電源接頭(26 )和所述整流器(28，48 )之間。
5.根據前述權利要求中任一項所述的變頻器(24'，24"，24"" '，24""')，其特征在于另一個整流器(46)，所述另一個整流器是所述限流裝置(44'，44")的組成部分。
6.根據前述權利要求中任一項所述的變頻器(24""，24""')，其特征在于，所述限流裝置(44")具有開關裝置(60)，所述開關裝置設計為，在所述變頻器的電源相導體(R，S，T)之間選擇性地連接所述限流裝置(44")的耦合電容器(C1, C2, C3)作為濾波電容 器，其中，所述耦合電容器在此優選地能以星形聯結或三角形聯結的形式彼此相連接。
7.一種用于運行根據前述權利要求中任一項所述的變頻器的方法，其中，在所述方法中，中間電路電容器在預充電階段中充電，并且所述中間電路電容器為此與電源電容性地相率禹合。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在用于運行電機的運行階段中，在所述中間電路電容器和所述電源之間提供了電流連接。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其特征在于，在運行階段中，在由整流器從所述電源中所接收的電功率通量被中斷之后，所述中間電容器在再充電階段中重新進行充電，并且在此借助限流裝置限制充電電流的電流強度。
全文摘要
本發明涉及一種變頻器(24)，在變頻器中可以將不同的逆變器連接在中間電路(36)的匯流排(ZK+，ZK-)上。這也可以隨后由變頻器(24)的使用者來實現。由此可能在連接時出現錯誤。例如，可能在中間電路(36)中引起短路。這可能在為中間電路電容器(38)充電時導致變頻器(24)的部件的過熱。本發明的目的在于為變頻器及其部件提供充分的保護。在根據本發明的變頻器(24)中使用了限流裝置(44)，借助該限流裝置來限制從供電源(14)流到中間電路(36)中的電流(IZK)的電流強度。限流裝置(44)在此設計為，將用于限制電流(IZK)的中間電路(36)與電源接頭(26)電容性地、例如通過電容器(C1，C2，C3)相耦合。
文檔編號H02M1/32GK102820792SQ201210190390
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月8日 優先權日2011年6月10日
發明者諾伯特·斯塔德特 申請人:西門子公司