用于桥接电驱动装置中的电压降的模块化能量存储器的制作方法

本发明涉及一种用于桥接电驱动装置中的电压降的模块化能量存储器。

背景技术：

1、在驱动技术中，已知多种功率转换器电路用于将电能低损耗地转换成机械功。尤其在更高的功率范围中，这些功率转换器电路用于控制在电动机器与电力供应网络之间的能量流动，特别是用于变速驱动器。

2、根据图1和图2的具有中间电路的模块化构造的功率转换器（将在附图的描述中更详细地讨论）能够用作已知电路的较高功率和电压范围。采用单元模块的模块化设计能够实现比其他电路更高的电压。

3、在供电网络中发生压降的情况下，取决于压降的幅度，具有直流中间电路的二极管前端（dfe）的pwm逆变器经历降低的电动机输出电压，并且因此经历输出功率的损耗或者甚至电动机负载的主动制动。

4、在中间电路的有源前端（active front end，afe）的情况下，在下降的情况下仍然能够为减少的功率提供剩余电压；然而，在电力供应网络中的深电压降的情况下，甚至可能导致afe被关闭。

5、这对于功率转换器电路的模块化拓扑结构尤其重要，例如m2c拓扑结构，这也从de101 03 031 b4已知。对于m2c拓扑的描述和解释，参考该来源。如果已经发生关机，则不总是能够在没有预先预充电和格式化充电的情况下将该电力转换器切换回。在这种情况下，功率转换器以及因此整个传动系在几秒钟内发生故障。

6、因此，在实际应用中，可以在通过dfe实现的在断电时无残余转矩的高鲁棒性方案和通过afe实现的在断电时有残余转矩的低鲁棒性方案之间选择。

7、具有可用剩余扭矩的鲁棒性方案是未知的。

8、长期以来已经提出了将能量存储集成到转换器的单元中。然而，这具有几个缺点：

9、如果存储装置直接集成到模块中间电路中，那么存储装置的可用电压摆动减小，因为最小模块电压受到限制。当电容器被用作能量存储器时，这是特别不利的。

10、此外，缩放存储装置是困难的，因为模块的数量通常由应用直接预先确定。

11、此外，在预充电期间，这些存储装置也必须被充电，除非它们通过直流-直流转换器连接。

12、已知在包括中间直流电路的所谓的u逆变器的中间电路中提供电容器或电容器组的串联电路。

13、出于能量存储的目的，增加电容器组的尺寸具有几个缺点：

14、-在直流中间电路中短路的情况下，来自直流侧电容器布置的极高放电电流流动，这可能由于极高的机械力和/或电弧引起破坏。

15、-随着电压和能量水平的提升，u型逆变器半导体开关所需电容器布置的极低杂散电感，与实现机械抗短路和电气隔离安全设计的要求之间的矛盾日益突出。

16、-在对电源变换器进行投运之前，通常需要对电容器组进行限流预充电，使其电压达到等于或高于工作电压的水平。否则，电容器组可能会从交流或三相电源侧发生无控制的、类似短路的充电。用于该预充电的辅助电路较为复杂，因为它必须针对较高的（工作）电压进行设计。

17、这些缺点在要求功率半导体串联连接的高电压下特别严重。

技术实现思路

1、在此基础上，本发明的目的是提供一种用于电驱动器、特别是模块化拓扑结构中的脉冲逆变器的功率转换器，该功率转换器在具备抗关断能力的同时能够维持剩余转矩，并且能够避免上述缺点。

2、根据本发明，这个目的是通过独立权利要求的特征来实现的。

3、在从属权利要求中能够找到有利的实施例。

4、根据本发明的功率转换器电路特别地被理解为表示由半桥或全桥模块的串联电路组成的功率转换器电路，其中，这些模块包含能量存储装置，这些能量存储装置具有比电解电容器更高的能量密度，例如超级电容器（supercap）或蓄电池，并且被连接到至少一个三相逆变器（在下文中被称为子转换器）的中间电路上，其方式为使得在这个或这些逆变器与所描述的串联电路之间能够交换能量。设置有能量存储器的模块的串联电路在下文中被称为存储支路。中间电路能够设计为直流电压或交流电压中间电路。包含在模块中的能量存储器可直接连接至相应的模块中间电路或经由直流-直流转换器连接至相应的模块中间电路。

5、在本发明的有利的进一步发展中，子转换器是也称为模块化多电平转换器（m2c）的功率转换器电路。在存储支路中设置的子模块的数量取决于各种因素，诸如需要的能量存储容量或者整个系统的冗余要求。

6、在本发明的有利的进一步发展中，该存储支路被连接到两个子转换器的共用中间电路上，其中，该第一子转换器耦接至电力供应网络，并且该第二子转换器供应负载，如驱动器或第二网络。

7、在这种布置中，存储支路可执行若干有利功能。以此方式，还有可能在第一子转换器处桥接供电网络中的甚至深的电压降。这既适用于第一子转换器被设计成二极管桥的情况——在此存储支路维持中间电路电压使得第二逆变器能够继续为负载供电，又适用于第一逆变器被设计成m2c的情况——在此存储支路减轻第一逆变器，从而使得电源网络电压过低或电压变化不太可能导致关机。此外，如果例如当使用二极管电桥作为第一子转换器时没有能量可能或者能够被反馈到电力供应网络中，则存储支路还能够接收例如在制动操作期间所需要的能量。因此，制动操作不需要通常称为斩波器的受控电阻器。

8、因此，存储支路提供以控制或调节的方式向负载或电力供应网络提供能量或从负载或电力供应网络接收能量的能力。同时，存储支路能够支持中间电路的电压。因此，例如，能够消除或至少显著减少供电网络中的闪烁。此外，能够显著地减少诸如在单相网络中发生的振荡功率，并且能够可靠地防止来自连接至功率转换器的电机的机械振动。

9、换言之：功率转换器包括两个子转换器。第一子转换器，该第一子转换器在交流侧或三相电流侧（一般是电力供应网络侧）到该（特别是直流）中间电路；它能够被实施成整流器桥。第二子转换器，从特别是直流中间电路到交流侧或三相电流侧（通常为负载侧）；它能够被实施成逆变器桥。该功率转换器因此包括中间电路，该中间电路经由该第一和第二子转换器（整流器桥和逆变器桥）电连接到该负载侧，并且在必要时电连接到作为交流侧的该供电网络侧。这些指定具体涉及来自该供电网络的能量供应。除了对该直流中间电路中的这些存储支路模块进行充电之外，例如在该驱动器的制动操作的情况下，取决于该第一子转换器的设计，还能够将能量反馈到该供电网络中。

10、对于交流侧上的每个电势连接存在相模块。该相模块进而包括两个功率转换器支路，其中，串联连接的两个电力转换器支路的连接点表示输出侧电势连接。此外，这些相模块至少大部分包括至少一个支路电感器以减少循环电流谐波。功率转换器支路包括子模块的串联电路。子模块进而包括内部电容器单元，也称为存储电容器。

11、每个子模块能够在其输出端子处提供至少施加于其电容器的电压或零电压。功率转换器的相模块在一端连接到第一（例如正）电势连接。相模块的另一端连接到第二电势连接端，特别是负电势连接端。这两个电势之间的差表示中间电路侧（即直流中间电路）上的电压。输出交流电压（即，输出三相电流系统）由输出侧电势形成。

12、根据本发明，一个或多个能量存储器，特别是超级电容器，现在被集成到配置有子模块的存储支路中，在各种情况下，作为子模块的已经存在的内部能量存储器或存储电容器的补充或替换。这些能量存储器的电压能够通过多个单独的存储元件的串联连接来适配于该子模块的要求；该能量含量能够通过并联连接来改变。

13、根据本发明的超级电容器被理解为电化学电容器。这些仅适用于纯直流电压应用，例如，在直流中间电路中。它们比充电电池具有更长的使用寿命，具有显著更高的功率密度和高的峰值载流容量。此外，它们在无维护操作的情况下具有相对显著更大的循环寿命。

14、在没有中间直流-直流转换器的情况下，能量存储器与相应模块中间电路的直接电连接允许更大数量的串联连接的存储模块以及单独的存储元件的更大的电压摆幅。存储支路的最小总存储电压应当大于最大直流中间电路电压或大于最大交流中间电路电压的峰值。

15、在本发明的有利的进一步发展中，该存储支路能够通过开关与该中间电路分开，以便例如在预充电过程中独立地接收或输送能量。因为不需要在负载下切换，即基本上仅发生断电切换，所以开关可被设计成几乎不费力的隔离开关。

16、有利地，取决于应用，在该直流中间电路中的多个存储支路的并联连接也是可能的。因此，为了缩放能量含量，能够改变单独存储支路中串联连接的存储模块的数量和并联连接的存储支路的数量。从控制的观点来看，经由电感器解耦并联连接是有用的，但不是绝对必要的。在此也能够使用在相模块中的m2c中使用的支路电感器。

17、超级电容器还能够替换为电池，相对于能量含量，在性能和峰值载流容量方面具有折衷。

18、因此，特别地结合合适的控制单元，通过根据本发明的存储支路设置包括例如在中间电路中的超级电容器的子模块，实现电驱动器的最佳操作行为，即使在上述电力供应网络故障的情况下。

19、在直流中间电路中具有二极管前端（dfe）的脉冲逆变器的情况下，甚至在电力供应网络中的电压降期间，电动机处的输出电压保持恒定。避免了输出功率的损失或者甚至避免了电动机负载的主动制动。

20、存储支路的设计针对几乎任意数量的串联连接的相同子模块以及因此它们的能量存储器（特别是具有超级电容器）导致模块化可扩展性。

21、此外，根据本发明，与直接安装在中间电路中的能量存储器相比，在存储支路中的子模块的半导体开关的故障或错误控制的情况下存在至少减少的误差传播。也就是说，即使具有大量的子模块，特别是在存储支路中，也有可靠的可能性在相应的存储支路内使用冗余，例如通过在子模块端子处使用旁路开关。

22、由于根据本发明的存储支路的设计以及相应的控制，能够确保跨能量存储器或其超级电容器模块的均匀电压分布。

23、本发明不仅限于使用m2c技术的存储支路。这样的存储支路模块还能够用作其他直流中间电路中的能量存储器。

24、同样地，这种存储支路模块还可布置在交流中间电路中，必要时具有相应的调节。

25、被设计为超级电容器的能量存储器能够取代现有的电容器，特别是该子模块的薄膜电容器，或者能够另外提供。

26、超级电容器可选地还配备有缓冲器。

27、从空间角度来看，超级电容器布置在子模块的外部或集成到子模块中。

28、在本发明的进一步有利的实施方式中，相模块的子模块和存储支路的子模块在设计上是相同的。已经示出，在存储支路中能够使用与在相模块中相同的子模块。这增加了转换器电路中的相同部件的数量，并允许有成本效益的设计。同时，由于不需要保持不同的子模块供使用，因此降低了维护成本。可替代地，还能够在存储支路的子模块中布置具有比相模块的子模块的半导体更高的阻断电压的半导体。这允许为负载提供更精细的阶梯式电压。已证明，这种精细步进对于存储支路不是必需的，并且对由存储支路提供的能量的控制动力学没有影响。此外，替代性地，在存储支路的子模块中布置具有比相模块的子模块的半导体更低的阻断电压的半导体也是有利的。这些子模块可连接至仅具有低操作电压的超级电容器（supercap或ultracaps）。在这种情况下，存储支路的子模块还能够用于平衡超级电容器（supercap或ultracaps）的电压。

29、在本发明的进一步有利的实施方式中，能量存储器的容量大于内部能量存储器的容量。在该配置中，如果中间电路电压的支持由存储支路提供，则相模块的子模块的能量存储器能够被设计为具有特别低的容量。此外，相模块的子模块不需要有助于维持或控制/调节中间电路电压。这是通过该储存模块的能量存储器来完成的。如果电容器的电容被集中在存储支路中，则这导致更少数量的电容器。已证明，与用于稳定相模块的子模块中的中间电路电压的电容器的布置相比，这减小了总的所需电容。

30、在本发明的进一步有利的实施方式中，存储支路被设计为没有支路。这在中间电路电压的控制中实现了高动力学。此外，防止了较大不平衡的发生。在这种情况下，没有支路意味着在存储支路中既不存在负载连接，也不存在并联的电流路径。