[发明专利]用于将直流功率转换为三相交流电功率的系统、安装转换系统的方法及电机系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于转换电能的转换器领域，尤其是用于高速和/或变速电机。

背景技术

固态转换器是能够将一种电信号转换为具有不同特征的另一电信号的系统。例如，转换器可以使交流电压转换成具有不同频率和/或幅度的另一个交流电压变得可能，该转换器被称为交/交或AC/AC转换器。根据另一个实施例，转换器可以使交流电压转换成直流电压变得可能，该转换器被称为交/直或AC/DC转换器。对于反向的直/交转换，应用DC/AC转换器。根据最终的实施例，转换器可以将直流电压转换成具有不同电压的直流电压，其随之被称为DC/DC转换器。该转换器可以是可逆的或不可逆的。一般地，转换是通过受控开关来实现的。

为了用一个(或多个)电能存储系统(例如，电池)来驱动电动机，尤其是具有永久磁铁的电动机，必须要将直流电能转换成三相交流电能。这种转换可以通过DC/AC转换器来完成。这样的转换器必须提供相对于彼此电气相移120°的三个正弦电压，其幅值直接取决于转矩需求(也取决于旋转速度)，并且其频率只取决于连接到转换器的电动机的旋转速度。

通常，DC/AC转换器包括三个开关臂。各开关臂包括两个受控开关和与受控开关并联设置的两个二极管。根据负载电流需求，臂可以由多个并联的“子臂”构成。电动机的各相被连接到每个臂的中点。每个臂通过在斩波周期内打开和闭合开关来分别进行控制，从而形成三相信号。

图1示出了这样一种传统的DC/AC转换器。来自电能储存装置的直流电压为指示的Udc。三相电机M由三个线圈示意性的表示，并且由电流Ia，Ib和Ic供电。转换器包括三个开关臂A，B，C，每个开关臂A，B，C被分别连接到电动机M的一个相。每个开关臂包括两个开关1和两个二极管2。开关臂A，B，C在电压转换器Udc的两个直流输入相之间并联设置。开关臂A，B，C的输出相被连接到开关臂的中点(两个开关之间)。

图2示出了用于传统的DC/AC转换器(如上面参照图1所描述的)中的，具有恒定的50％占空比的用于开关的控制信号COM，开关端子处的电压Udc和电流Ic。对于控制信号COM，脉冲的低压部分对应于打开开关，并且该脉冲的高压部分对应于闭合所述开关。这种切换情况被称为硬或《开/关》切换。需要注意的是，对于这种设计的转换器，会发生过冲电压Udc和过冲电流Io。电流Io对应于Ic的永久值，并对应于发送到电动机的电流。

因此，该传统转换器设计的主要缺点如下：

·开关损耗：该设计表现出极大的开关损耗，这可能会使得它的使用与高开关频率不兼容，并因此使其与在极高速度下使用的电动机不相容，

·电流/电压过冲：如图2中所示，这种策略在开关的瞬时切换时表现出电压和电流过冲。因此，这种类型的驱动需要在转换器(也被称为逆变器)的设计上对于各不同部件的电压和电流设计中有一定的余量。这涉及到所用部件的尺寸过大，(例如：对于300伏的DC总线电压，要采用具有600伏标称电压的IGBT开关)，以及

·显著的电磁辐射(EMC)。

从“硬开关”策略的弊端(损耗，与高速电机不兼容)入手，发展出了所谓的软开关(soft switching)设计。因此，为了限制开关上的电流和电压的过冲，线圈和电容器被添加到前面的电路中。线圈调制电流di/dt的变化(打开)，以及电容调制电压dv/dt的变化(关断)。此外，为了确保该电路的操作，并因此确保零能量平衡，在所使用的电源的电压和电容电路之间的电路中加入电阻器。此电阻能够确保该电路的操作，并将电容电路的端子处的电压降回来。在专利申请WO 11016854中特别描述了这样的DC/AC转换器的设计。