變流器和運行變流器的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種具有至少一個變流器模塊、但是優選多個變流器模塊的變流器。 此外，本發明涉及用于運行這樣的變流器的方法。
【背景技術】
[0002] 變流器在電驅動技術中用于為電負載、尤其是電動機供給來自（電壓）網絡的電 功率。在此，用于變流器的示例性的應用領域是對驅動電機或者電動汽車的驅動電機的供 給。電壓網絡在該種情況中是車輛的牽引電池的-輸送直流電流-的電池回路。在固定的 應用中，變流器的初級側相反地在多數情況下連接至單相的或者多相的交流電壓網絡。 [0003] 變流器通常包括用于連接至網絡的初級開關回路和用于連接至負載的次級線圈。 初級線圈和次級線圈通過（電壓）中間回路彼此連接，在該中間回路中連接有中間電容。視 初級側需要連接的網絡的類型而定，初級開關回路被設計成直流調節器或者變流器（整流 器）。次級側通常是單相或者多相的全橋電路形式的反用換流器。
[0004] 由初級開關回路、次級開關回路和中間回路（具有設置于其中的中間回路電容） 形成的組件在接下來也被稱為"變流器模塊"。尤其是在機動車驅動技術中使用模塊化的 變流器，其中，多個這樣的變流器模塊在初級側串聯。這樣的模塊化的變流器例如由Lukas Lambertz等人的〃ModularerHochfrequenzumrichterfilrFahrzeugantriebe(用于車 輛驅動器的模塊化的高頻變流器）〃，EMA2010,08.-09.09. 2010,阿沙芬堡（"Modular high-frequencyconverterforvehicledrives"）所公開。
[0005] 電動機以及另外通過變流器供給的負載經常具有功率因數，其明顯地低于值一 (100% )。在這樣的負載的運行中，在連接至負載的變流器模塊的次級開關回路中規律性 地出現瞬時功率流的周期性方向轉換。因此，在向負載輸出的輸出電壓的每個周期期間， 變流器模塊都經歷在"電動機式的功率流"和"發電機式的功率流"之間的一次或者多次轉 換，其中，在電動機式的功率流中，電功率由中間回路輸出至負載，在發電機式的功率流中， 負載將電功率回饋到中間回路中。
[0006] 當回饋的電功率不能或者不能足夠快地被輸出至網絡時，該回饋的電功率必須存 儲在中間電容中。這在中間電容的尺寸沒有被足夠大地設計時會導致中間回路電壓的不允 許的超高并因此導致變流器的過載或者甚至損壞。然而較大設計的中間回路電容對于變流 器的構造空間要求、生產成本和重量又產生不利影響。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于，在構造空間要求、生產成本和/或重量方面對（尤其是模塊化 的）變流器作出改進，而無需承擔一個或者每個變流器模塊的過載的風險。
[0008] 在用于運行變流器的方法方面，該目的根據本發明通過權利要求1的特征實現。 在變流器方面，該目的根據本發明通過權利要求8的特征以及與之不相關的權利要求9的 特征實現。本發明的優選的和對于自身而言部分有創造性的設計方案和改進方案在從屬權 利要求和接下來的描述中展現。
[0009] 本發明由具有至少一個變流器模塊的變流器出發。這個或每個變流器模塊在此包 括用于連接至電壓網絡的初級開關回路和用于連接至負載的次級開關回路。這個或每個變 流器模塊此外包括：（電壓）中間回路，其將初級開關回路和次級開關回路中間連接；以及 連接在中間回路中的、一個電容器或者多個電容器形式的中間回路電容。
[0010] 根據本發明的變流器尤其應用在電動汽車的車輛驅動裝置中。初級開關回路因此 優選地設置用于連接至車輛的牽引電池的作為電壓網絡的電池電路上。相應地，初級開關 回路優選的是直流調節器。需要在次級側上連接至變流器模塊的負載優選的是電動機或者 電動機的相線圈。相應地，次級開關回路優選地設計成單相或者多相的全橋電路。
[0011] 但是，根據本發明的方法也可以應用在用于其他應用領域的變流器中，尤其是應 用于這樣的變流器，該變流器的初級側設計用于連接至三相交流電網。
[0012] 在特殊的使用情況中，根據本發明的方法在這樣的變流器的情況中被使用，其初 級開關回路設計成單象限調節器并因此可以為僅僅一個功率流方向服務。在另外的使用情 況中，根據本發明的方法在這樣的變流器的情況中被使用，其初級側基本上有回饋能力地 設計，但是其中一個或者每個初級開關回路不能足夠快地與功率流方向的短暫的變換相適 應。然后，該方法并不限定于這種使用情況。
[0013] 在該方法的過程中，對于一個或每個變流器模塊來說，在中間電容上下降的中間 回路電壓通過對初級開關回路的控制被調節到預設的電壓額定值上。該電壓額定值在此根 據本發明不是固定地預設的，而是根據在次級開關回路中的功率流的方向來改變的。
[0014] 對電壓額定值以及進而中間回路電壓的變化的控制實現了中間回路電容對功率 流方向的預期的變換提前做出準備，從而能夠良好地充分利用電容器的存儲能力。尤其是， 在中間回路電容必須接受回饋功率之前，該中間回路電容在此通過中間回路電壓的下降來 放電。附加地或者可替換的是，在中間回路電容必須向負載輸出功率時，該中間回路電容通 過中間回路電壓的升高來充電。由此，中間回路電容可以設計的特別小，而不必成承擔在中 間回路中通過電壓峰值造成的變流器模塊過載的風險。
[0015] 在該方法的優選的設計方案中，在占優勢的電動機式的功率流的情況下，-也就是 在變流器的一個運行模式中，在該模式中，在時間上平均向負載輸出的功率要多于負載回 饋的功率-電壓額定值事先在發電機式的功率流階段的開始時降低。由此確保了中間回路 電容在在發電機式的功率流階段的開始時至少部分地放電并且能接收被供給的功率而沒 有不允許的電壓變化的情況。在此，電壓額定值優選地調節到由次級側的整流器設定的輸 出電壓的取決于時間的絕對值。電壓額定值因此匹配于整流后的輸出電壓的時間上的走 向-優選地加上預設的安全余量（電壓偏差）。
[0016] 對此可替換的是，電壓額定值以足夠的時間間隔在發電機式的功率流階段的開始 時下降到一個值，根據負載的無功功率和中間回路電容的電容值這樣地計算該值，即中間 回路電壓在發電機式的功率流階段期間剛好不超過中間回路電壓的允許的最大值。
[0017] 在占優勢的發電機式的功率流的情況下-也就是在變流器一個運行模式中，在該 運行模式中，在時間上平均通過負載饋送的功率要多于由中間回路向負載輸出的功率-電 壓額定值精確地或者至少接近地提升到中間回路電壓的允許的最大值。由此確保，負載在 短暫的電動機式的功率流階段中能夠足夠地由完全或者至少幾乎完全充滿電的中間回路 電容來供應功率。
[0018] 優選地是，變流器是模塊化的變流器，其包括多個之前描述類型的變流器模塊。在 這樣的變流器中使用根據本發明的方法時，以優選的方式為多個變流器模塊中的每一個獨 立地根據之前描述的方法確定出模塊特定的電壓額定值。因此，在每個變流器模塊中基本 上單獨地對中間回路電壓進行調節，其中，相應的電壓額定值根據在相應的變流器模塊中 的功率流方向來變化。
[0019] 在該方法的優選的改進方案中，對于各個變流器模塊確定的電壓額定值附加地根 據共同的校正項來修改。該校正項在此這樣地確定，即所有的變流器模塊的總功率都被調 節到預設的總功率額定值上。該總功率在此尤其涉及變流器模塊的輸入功率。因此，概念 總功率尤其描述這種電功率，其總體上在一方面的變流器模塊和另一方面的網絡之間進行 交換。由此，由變流器從網絡中獲取的或者回饋到網絡中的功率在很大程度上保持恒定，并 且據此實現變流器的高網絡兼容性。
[0020] 在適宜的設計方案中，根據本發明的變流器自動地執行前述的方法。該變流器為 此包括控制裝置，該控制裝置被配置用于以電路技術地和/或程序技術地執行在前述的設 計方案變體中的根據本發明的方法。在此，控制裝置尤其包括微控制器，在該微控制器中可 執行地實施在變流器運行中自動地執行該方法的控制程序（固件）。可替換地或者附加的 是，控制裝置包括至少一個不可編程的硬件電路（例如ASIC)，在該電路中利用電路技術裝 置來執行該方法或者該方法的一部分。
[0021] 一旦變流器具有多個變流器模塊，那么控制裝置在此就尤其配置用于為每個變流 器模塊單獨地確定模塊特定的電壓額定值，并且-可選的是-附加地根據用于將總功率調 節到預設的總功率額定值上的共同的校正項來修改模塊特定的電壓額定值。
[0022] 在多個變流器模塊的情況中，控制裝置也可以在本發明的范疇中通過唯一的、對 所有的模塊進行驅控的控制單元形成，例如也就是說通過唯一的微控制器形成。