用于旋转磁场电机的功率电子电路装置

摘要

功率电子电路装置包括功能块(10、20、100)，用于旋转磁场电机和外部储能器(30)之间的可控的、双向的能量交换，所述旋转磁场电机具有至少一个支路(41、42、43)，所述外部储能器(30)具有正极(P)和负极(N)。至少一个功能块被构造为在功率侧连接端子兼容的功能块(100)，该功能块包括至少一个内部储能器(9)，其中该功能块具有至少一个附加的开关状态，在该开关状态下输出电压(U

说明书

技术领域

本发明涉及用于旋转磁场电机的功率电子电路装置。

背景技术

具有旋转磁场电机、特别是具有永久激励的同步电机的电气驱动系统已经达到高的发展水平。这些电气驱动系统的高的特定的力密度有利地能够在小的重量的同时实现高的起动转矩。在此情况下，所得到的整个驱动系统的效率和功率密度大大依赖于功率电子供电。

为此已经从企业内部的现有技术已知不同的功率电子电路装置。因此图1示出一种装置，其中与直流电压源30连接的永久激励的同步电机的三个支路41-43可彼此独立地借助功率电子功能块10被控制。在图2中示出了一种具有功能块10的装置，在该装置中各个支路41-43不能彼此独立地被控制。

此外图3以作为所谓的半桥电路的两点电路示出图1或者图2中的功能块10的结构，该半桥电路具有两个可控的电子开关1、3和两个反并联的二极管2、4。替代地，也可以采用多点电路。图4示范性地以三点电路示出功能块20的结构，该三点电路具有四个可控的电子开关1、3、5、7、四个反并联的二极管2、4、6、8和两个另外的二极管22、24。

这样的基本电路使该同步电机能够既以电动机方式又以发电机方式运行，在以电动机方式运行的情况下来自外部储能器、例如直流电压源的电能在该同步电机中被转化为机械功，在以发电机方式运行的情况下在该同步电机上完成的机械功在外部储能器中作为电能被存储。为此该外部储能器例如可以作为蓄电池组被放电(电动机运行)或者被充电(发电机运行)。

由此例如能够在机械制动时回收能量。同样能够在混合系统中平衡向驱动系统要求的功率和由内燃机提供的功率之间的随时间变化的差。

发明内容

本发明的任务在于，提供用于旋转磁场电机的功率电子电路装置，其使得能够高效率地运行该旋转磁场电机。

为解决该任务，根据权利要求1的前序部分的功率电子电路装置通过其表征特征进行扩展。

根据本发明的一种实施方案的功率电子电路装置包括一个或者多个功能块，用于具有至少一个支路、优选地具有多个支路、特别是具有三个支路的旋转磁场电机和具有正极和负极的外部储能器之间的可控的、双向的能量交换。一个或者多个功能块可以分别包括两点电路。附加地或者作为替代方案，一个或者多个另外的功能块分别包括多点电路。

至少一个功能块被构造为在功率侧连接端子兼容的功能块，该功能块包括至少一个内部储能器。该在功率侧连接端子兼容的功能块具有至少一个附加的开关状态，在该开关状态下输出电压比外部储能器的正极更正。附加地的或者替代于此，该在功率侧连接端子兼容的功能块具有至少一个附加的开关状态，在该开关状态下输出电压比外部储能器的负极更负。

通过优选地包括一个或者多个串联的或者并联的单极存储电容器的内部储能器，能够表示至少一个附加的开关状态，在该开关状态下在功率侧连接端子兼容的功能块的输出电压在数值上大于储能器的各个极。

通过输出电压比储能器的正极更正或者比储能器的负极更负的附加的开关状态所提供的附加的自由度使得能够显著更高效地运行旋转磁场电机。

在一个特别优选的实施方案中，在功率侧连接端子兼容的功能块具有至少两个附加的开关状态，并且由此与参考图3所说明的装置相比总共具有至少四个可能的输出电压值。在这种情况下在一个附加的开关状态下输出电压比外部储能器的正极更正，并在另外的附加的开关状态下输出电压比外部储能器的负极更负。由此能够特别高效地运行特别是被高度利用的永久激励的同步电机。

在重量和/或空间需求方面被优化的旋转磁场电机仅具有小的纵向电感。这决定功率电子器件或者多点电路的高开关频率(所谓的“脉冲频率”)，以便限制支路电流的不希望的电流波动性。在参考图4所说明的装置中三点电路为此经常不够，这不利地提高技术花费。

同时对旋转磁场电机的所力求的高的功率利用要求(至少短时的)高的支路电流。因此，尽管有小的纵向电感，但是在该旋转磁场电机的基频的情况下就电压的有效分量而言总的电压需求被提高。这也不利地影响已知的装置的效率，并且不利地提高它的技术花费，因为与此相应地必须为定子绕组选择高的直流电压和/或小的匝数。后者导致不希望的高的支路电流。

通过根据本发明的一种实施方案的功率电子电路装置能够减少这些缺点。附加的自由度能够实现更好的适配的控制并且由此能够实现这样的旋转磁场电机的更高效的运行。

直流电压源在实际使用中经常配备有并联的滤波电容器，以便引导功率电子器件的高频电流分量。已知的装置的上述的、由于定子绕组的高的直流电压和/或小的匝数而恶化的效率就这点而言是不利的功率因数，该功率因数在已知的装置中导致较高的有效的电流负载和/或较大尺寸的滤波电容器。

通过根据本发明的一种实施方案的功率电子电路装置的附加的自由度可以在这里设法补救。

在上面参考图1-4所说明的已知的电路装置中，直流电压源30的短路导致支路绕组41-43中的不受控制的过电流。这产生高的制动力矩，该制动力矩能够对该同步电机或者与该同步电机耦合的驱动系统部件(例如传动机构、内燃机或者混合驱动装置)加载并使其损害。当直流电压源的电压U_d例如由于其它耗电器所产生的高负载而显著下降到其额定电压之下时，也出现相似的问题。

该问题可以以已知的方式通过机械脱开旋转磁场电机来防止。而根据本发明的一种实施方案的功率电子电路装置可以在干扰情况下如下面借助实施例更详细说明的那样被连接，使得上述问题在外部储能器的短路或者该外部储能器的电压下降到其额定电压之下时被避免。

优选地，外部储能器包括一个或者多个可再充电的蓄电池组。附加地或者作为替代方案，该外部储能器例如可以包括一个或者多个并联或者串联的燃料电池组。同样该外部储能器也可以包括直流电压网。

如下面借助不同的实施例更详细说明的，可以有利地保持已知的功率电子电路装置的基本结构，其中根据需要通过在功率侧连接端子兼容的功能块代替一个、多个或者所有功能块，该在功率侧连接端子兼容的功能块包括至少一个内部储能器和至少一个附加的开关状态，在该开关状态下输出电压比该外部储能器的正极更正或者比该储能器的负极更负。优选地，一个、多个或者所有在功率侧连接端子兼容的功能块具有至少一个附加的开关状态，在该开关状态下输出电压比该外部储能器的正极更正，并且具有至少一个另外的附加的开关状态，在该开关状态下输出电压比该储能器的负极更负。

虽然根据本发明的在功率侧连接端子兼容的功能块要求比已知的功能块稍高的技术花费，如例如参考图3所示的。然而相反地这样的在功率侧连接端子兼容的功能块开启了控制或者调节的更多的自由度并且总共具有扩展的功能，这些功能使得能够更高效地运行旋转磁场电机。因此，通过用根据本发明的在功率侧连接端子兼容的功能块适当地代替一个、多个或者所有已知结构的功能块，能够根据希望的控制多样性选择由于代替而提高的技术花费和由此得到的效率改善之间的最优的折衷。因此也有利地提高在设计功率电子电路装置时的构造自由度。

特别有利地，根据本发明的一种实施方案的功率电子电路装置被用于永久激励的、被高度利用的同步电机和直流电压源(30)之间的可控的、双向的能量交换。

优选地，内部储能器的电压能够依赖于旋转磁场电机的转速和/或转矩来可变地控制或调节。为此该功率电子电路装置可以包括相应的控制设备。例如该控制设备可以把内部储能器的电压U_C控制或者调节到额定值U_C，soll，该额定值U_C，soll根据该旋转磁场电机的转速和/或转矩而改变。优选地，该额定值U_C，soll在转速或者转矩等于或者接近零时同样基本上等于零。为此该额定值例如可以遵从下述形式的公式

U_C，soll＝∑(c_i×Nⁱ)

其中c_i(i＝1...n)表示常数，以及

N表示转速或转矩。

这在旋转磁场电机的静止状态或者低转速的情况下有利地使电流波动性最小化，并且此外能够使内部储能器的预充电变得多余。

在本发明的优选的尺寸确定中选择内部储能器的允许电压，使得在短路和/或外部储能器低压时不出现旋转磁场电机的不受控制的或者过度的制动。由此能够防止由于在干扰情况下出现的不受控制的冲击力矩或者长时间持续的短路电流而对旋转磁场电机并且由此对所耦合的驱动元件、例如传动装置、内燃机、泵等的上述加载。

在根据本发明的在功率侧连接端子兼容的功能块中，作为可控的电子开关可以采用不对称截止的IGBT和/或反向导通的器件、特别是MOSFET和/或CoolMOS。因为这种开关在反向方向上不必具有截止能力，因此可以有利地采用现代的、损耗被优化的如上所述的器件。

下面再次分别强调一些优点。首先，能够更高效地运行旋转磁场电机。第二，可能的运行范围被扩展到更高的转速和提高的转矩。第三，改善在较低的和/或剧烈波动的直流电压(U_d)时的运行。第四，能够在供电的直流电压(U_d)为低压或者短路(U_d＝0)时避免干扰的制动力矩或者冲击力矩。

附图说明

本发明的另外的任务、特征以及优点由从属权利要求和后面说明的实施例得出。为此，部分示意性地，

图1示出企业内部已知的第一功率电子电路装置；

图2示出企业内部已知的第二功率电子电路装置；

图3示出根据图1或者图2的功率电子电路装置的功能块；

图4示出根据图1或者图2的功率电子电路装置的企业内部已知的变型方案的功能块；

图5示出根据本发明的一种实施方案的功率电子电路装置的在功率侧连接端子兼容的功能块；

图6示出图5的原理电路图；

图7示出根据本发明的第一实施方案的功率电子电路装置；

图8示出根据本发明的第二实施方案的功率电子电路装置；

图9示出根据本发明的第三实施方案的功率电子电路装置；以及

图10示出根据本发明的第四实施方案的功率电子电路装置。

具体实施方式

图1示出企业内部已知的第一功率电子电路装置，用于从形式为蓄电池组的具有电压U_d的直流电压源30给永久激励的同步电机供电。另外未更详细示出的同步电机包括三个支路41、42以及43。给每一支路分别分配两个功能块10，这些功能块将在下面参照图3更详细地说明。该装置允许对各个支路电流进行彼此独立的控制。同样地，该装置允许旋转磁场电机进行电动机运行和发电机运行，亦即允许两个能量方向。

图2示出企业内部已知的第二功率电子电路装置。与根据图1的企业内部已知的第一功率电子电路装置结构相同的元件用相同的附图标记表示，以便下面仅探讨与根据图1的电路装置的不同。

在根据图2的在企业内部称为“三相脉冲逆变器”的第二功率电子电路装置中，给每一支路41、42以及43仅分配各一个功能块10。由此根据图2的装置不再能够实现对支路电流的独立的控制，然而减小构造花费。

图3示出根据图1或者图2的企业内部已知的第一或者第二功率电子电路装置的以两点电路形式构造的功能块10。在图3中所示的布线中，该功能块包括两个可控的电子开关1和3以及两个反并联的二极管2和4。其中用“P”表示外部储能器30的正极或者可与该正极连接的正连接端子，用“N”表示外部储能器30的负极或者该功能块的可与该负极连接的负连接端子，“X1”表示功能块10的功率连接端子，该功率连接端子可与旋转磁场电机的支路41、42或者43的连接端子连接。

图4示出根据图1或者图2的企业内部已知的第一或者第二功率电子电路装置的功能块10的以三点电路形式构造的变型方案20。再次用相同的附图标记表示结构相同的元件，以便下面仅探讨与根据图3的功能块的不同。

可以代替功能块10在根据图1或者图2的功率电子电路装置中被采用的功能块10的变型方案20在图4中所示出的布线中总共包括四个可控的电子开关1、3、5、7、四个反并联的二极管2、4、6、8和两个另外的二极管22、24。

因为这些电路装置和功能块是已知的并且仅用于说明现有技术的缺点，所以它们不需要深入的说明。

图7到图10现在示出部分地对应于图1或者图2的功率电子电路装置，其中根据本发明一半(图7、8)或者全部(图9、10)功能块10或者20通过在功率侧连接端子兼容的功能块100来代替。如由此表明的，可以有利地保留该电路装置的基本结构，其中通过用在功率侧连接端子兼容的功能块100代替可选数目的已知的功能块10或20，能够逐级提高电路装置的功能，并且因此能够表明在由于另外的在功率侧连接端子兼容的功能块100引起的附加花费和由于自由度的提高而由此得到的效果之间的分别最优的折衷。

在图8、9和10中分别示出具有三个支路41、42、43的旋转磁场电机。该数目应被理解为完全示范性的，根据本发明的功率电子电路装置也可以同样被用于外部储能器30和具有更少或者更多支路的旋转磁场电机之间的可控的、双向的能量交换。

外部储能器30同样不限于蓄电池组，而是可以附加地或者作为替代方案例如包括燃料电池组和/或直流电压网。该外部储能器的电压U_d在本实施例中在从200V到800V的范围内。

图5示出在功率侧连接端子兼容的功能块100的一种实施方案，该功能块在根据图7、8、9或者10的电路装置中被采用。图6示出所属的原理电路图。

如由此识别出的，在功率侧连接端子兼容的功能块100如在本发明的第一(图7)、第二(图8)、第三(图9)和第四(图10)实施方案中使用的那样包括：正连接端子P，其可与外部储能器30的正极连接；负极N，其可与外部储能器30的负极连接；和负载连接端子X2，其可与旋转磁场电机的支路41、42或者43的连接端子连接。

从负极N出发，在功率侧连接端子兼容的功能块100包括四个串联的回路，这些回路各具有一个可控的电子开关11、13、15或者17和一个二极管12、14、16或者18。每一个二极管通过它的导通方向定义各回路的旋转方向。

具有可控的电子开关11和二极管12的第一回路与负连接端子N连接，该第一回路的旋转方向在数学上是正的。

具有可控的电子开关13和二极管14的第二回路与第一回路连接，该第二回路的旋转方向在数学上是负的。

具有可控的电子开关15和二极管16的第三回路与第二回路连接，该第三回路的旋转方向在数学上同样是负的。

最后，具有可控的电子开关17和二极管18的第四回路(图5中上方)与正连接端子P和第三回路连接，该第四回路的旋转方向在数学上是正的。

第二和第三回路彼此连接的节点还与负载连接端子X2连接。

此外，设置有形式为单极存储电容器的内部储能器9，该内部储能器的连接端子与第一和第二或者第三和第四回路彼此连接的节点连接。

此外，从图中得出布线。

用U_X1表示根据图3或者图4的已知的功能块10或者20的输出电压，用U_X2表示根据图5或者图6的在功率侧连接端子兼容的功能块100的输出电压。这些输出电压分别相对于作为参考电位的连接端子N被定义。

内部储能器9的电压用U_C表示，并且如图5中所示，从第一和第二回路之间的节点到第三和第四回路之间的节点被定义为正。

可控的电子开关11、13、15或者17被构造为不对称截止IGBT(“insulated-gate bipolar transistor”，绝缘栅双极晶体管)。二极管在其截止电压和开关速度方面与各个可控的电子开关的值适配。该截止电压取决于内部和外部储能器9或者30的电压U_C或者U_d，并且比二极管2、4、6或者8的截止电压高。

在表1中通过在功率侧连接端子兼容的功能块100列出可表示的开关状态，这些开关状态优选地在正常运行中被使用。在此“0”表示各个可控的电子开关11、13、15或者17的关断状态，“1”表示接通状态。此外，为各开关状态给出了输出电压U_X2。

最后，表1示出在功率侧连接端子兼容的功能块100中所存储的能量W针对正的充电电流、即i_W＞0(对于负的充电电流相反的负号相应地适用)的情况所产生的变化dW/dt。在此“+1”表示该能量的增加，“-1”表示减少。“0”意味着在该开关状态下在功率侧连接端子兼容的功能块100中所存储的能量W不发生变化。

表1

上面参考图3说明的、企业内部已知的功能块10仅能表示两个状态“2”和“4”(其中在表1中开关“11”或者“13”可以通过它们的开关“1”或者“3”代替)。

如可以从表1获知的，通过内部储能器9可以实现附加的开关状态“3”，在该开关状态下输出电压U_X2比外部储能器30的正极更正。此外，通过内部储能器9可以实现另外的附加的开关状态“1”，在该开关状态下输出电压U_X2比外部储能器30的负极更负。由此，可能的输出电压值的数目被扩展到四个。

该扩展的功能当然也可以通过不同于按照图5所构成的在功率侧连接端子兼容的功能块得到。就这点而言对于本发明来说重要的仅是该功能块具有至少一个附加的开关状态，在该开关状态下它的输出电压U_X2比外部储能器30的正极更正，和/或具有至少一个附加的开关状态，在该开关状态下它的输出电压U_X2比储能器30的负极更负。这与输出电流(支路电流)的极性无关地适用。为此在功率侧连接端子兼容的功能块100包括至少一个内部储能器9。

因此如果功率电子电路装置根据本发明包括至少一个这样的在功率侧连接端子兼容的功能块，则这使得能够高效率地运行旋转磁场电机。

于是例如在给支路绕组41分配常规的、企业内部已知的功能块10和在功率侧连接端子兼容的功能块100的根据图7的第一实施方案中每一支路绕组可以表示7个不同的输出电压，如表2中所示：

表2

在这种情况下表2在结构和名称表方面对应于表1，其中(U_X1-U_X2)表示支路41的输出电压。可能的输出电压的数目明显提高，其中能够实现多个开关状态，在这些开关状态下输出电压比储能器30的正极更正或者负极更负。由此在控制支路电流时产生更多的自由度。

图7中所示的具有常规的、企业内部已知的功能块10和在功率侧连接端子兼容的功能块100的支路绕组41的布线例如也可以在三个支路绕组41、42、43的情况下被实现，如图8中所示。在这种情况下相应地提高对于旋转磁场电机的运行来说总共可能的开关状态的数目。如上所述，亦即可以通过用在功率侧连接端子兼容的功能块100代替确定数目的已知的功能块10来有目的地提高自由度的数目，其中能够有利地实现由于使用在功率侧连接端子兼容的功能块而提高的花费和通过附加的自由度所得到的效果之间的最优的折衷。因此例如图10示出相应的装置，其中所有的功能块都被构造为在功率侧连接端子兼容的功能块100。

就这点而言优选如图8中所示的装置，其中一半功能块被构造为在功率侧连接端子兼容的功能块，因此附加的花费不会过高。如图9中所示的装置也可以是优选的，其中虽然所有的功能块都被构造为在功率侧连接端子兼容的功能块，然而作为这样的功能块已经采用更少数目的功能块。

附加的开关状态在被高度利用的旋转磁场电机的情况下、特别是即使在具有大的电压容差的较弱的直流电压源30的情况下也能够实现明显更高效率的运行。

在干扰情况下(例如外部储能器30的短路或者它的电压明显下降到额定电压之下)，在功率侧连接端子兼容的功能块100的所有可控的电子开关11、13、15和17在第一、第二、第三或者第四实施方案中一律被关断。由此能够避免在支路绕组41-43中不受控制的过电流和旋转磁场电机的与此关联的高制动力矩。这与外部储能器30的电压U_d无关地适用。有利地，为此充分地电压固定地确定内部储能器9和所属的半导体13、14、15或者16的尺寸，这在通常的例如200V到800V直流电压的电压范围时能够在无明显缺点的情况下被满足。

在表1或者表2中给出了符号(dW/dt)的值。符号对支路电流的正极性适用。对于负极性来说相同的输出电压适用，然而相反的符号(dW/dt)。关于该能量变化的了解能够把内部储能器9的电压Uc调节到预先给定的额定值。该额定值在本实施例中与旋转磁场电机的转速成比例。因此在静止状态或者低转速的情况下产生约等于零的额定值。由此在这种运行状态下使电流波动最小化。此外内部储能器9的电容器的预充电成为不必要。