在功率和頻率上可縮放的逆變器的製作方法

2023-04-26 05:14:06

專利名稱：在功率和頻率上可縮放的逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於提供在功率和頻率上可縮放的逆變器輸出信號的逆變器。
背景技術：
提供具有限定的頻率或功率的電流或電壓信號在許多技術應用中是重要的。典型地使用逆變器的電路的例子是感應加熱裝置和感應爐。在市面上可以獲得用於感應加熱設備的逆變器或者反向變換器並且提供有各種變型的形式。例如，德國GH-1nduktion公司提供基於IGBT和MOSFET的逆變器。在一定範圍內可縮放的頻率逆變器也有銷售。(例如由EMA Indutec GmbH公司銷售的設備)。該設備在高電壓情況下的製造費用越來越高。成本、開關損耗和體積是目前努力改善的方面。例如在出版物DE 39 10 118 AUDE 103 61 458AUDE 10 20040 21 217 Al和DE 10 2006 032 640 Al中描述了對逆變器的技術改進。存在對頻率上可縮放的逆變器的需求，該逆變器是低開銷的並且可以用於高電流和聞電壓。

發明內容
該技術問題通過獨立權利要求中限定的並且通過從屬權利要求進一步形成的逆
變器得以解決。根據本發明的逆變器提供了頻率上可縮放的輸出信號(例如交變電流或交變電壓)。為了產生這種輸出信號，將信號疊加成具有針對逆變器輸出信號預給定的頻率值的信號。在此涉及例如相同的信號(例如脈衝頻率或振蕩信號)。這些信號藉助中央控制裝置在時間上偏移(例如藉助相位偏移)，使得在疊加時形成具有所期望的或所設定的頻率的輸出信號。該控制裝置可以為此被構建為引發生成具有可調節的頻率的疊加的信號。具有針對逆變器輸出信號預給定的頻率值的信號要麼已是逆變器輸出信號要麼被用於生成逆變器輸出信號(輸出信號的生成例如藉助對利用疊加產生的信號的合適變換)。根據本發明的逆變器因此也允許低開銷地產生具有高頻率的輸出信號。根據本發明主題的一個改進方案，該逆變器包括多個逆變器單元。逆變器於是被構建為將逆變器單元的信號連結(例如疊加或組合)以生成逆變器輸出信號。優選地，逆變器單元分別形成為利用變壓器(隔離變壓器)來保護電子裝置，使得實現電流隔離或去耦，以便改進對電磁幹擾的安全性。此外，逆變器包括中央冷卻裝置，藉助冷卻裝置對各個逆變器單元進行冷卻。逆變器單元例如可以按並聯電路或串聯電路或級聯方式來布置。低開銷地構建根據本發明的逆變器。該逆變器由各個逆變器元件組成，所述逆變器元件針對較低頻率或功率來設計。具有較低要求的各元件構成的結構能夠實現提供一種逆變器，其避免了具有相應高要求的傳統逆變器的開銷和負荷。該逆變器能夠實現在寬頻域中進行縮放。這通過如下方式而變得清楚理論上最低的頻率通過逆變器元件的下頻率邊界給定，與之相對，最高頻率通過逆變器元件的最高頻率與逆變器元件的輸出信號的最大數目相乘。在此，各逆變器單元優選也可以在頻率方面進行縮放。在逆變器單元的第一實施形式或布置的過程中，逆變器被構建為將逆變器單元的輸出信號疊加為逆變器輸出信號。控制裝置於是為此被構建為通過輸出信號的時間偏移來引發將輸出信號疊加成具有預給定的頻率值的逆變器輸出信號。逆變器輸出信號於是通常具有比逆變器單元的輸出信號更高的頻率。該實施形式可以具有用於將逆變器單元的輸出信號疊加的(可能為附加的)隔離變壓器。此外可以設置針對逆變器單元的輸出信號的頻率調節。 在逆變器單元的第二實施形式或布置的範圍中，逆變器根據逆變器單元的級聯來構建。控制裝置於是為此被構建為在逆變器單元中的至少一個逆變器單元內通過時間偏移以及隨後的信號疊加來產生逆變器單元的具有預給定的頻率值的輸出信號。根據本申請的主題的一個改進方案，控制裝置為此被構建為通過確定或激活(例如用於逆變器的輸出信號的多個)逆變器單元來實現對逆變器的輸出功率或輸出頻率的控制。在逆變器單元的上面所表述的第一實施形式或布置中，通過逆變器單元的數目來確定疊加的信號的數目(例如接入或斷開為生成逆變器輸出信號所使用的逆變器單元)(每個逆變器單元一個信號)。輸出頻率在要疊加的信號的給定的信號頻率的情況下直接與多少信號以何種時間偏移來疊加有關。也就是說，通過所使用逆變器單元的數目可以影響輸出頻率。此外，可以設置對逆變器單元的信號頻率的控制裝置，使得在此給出另一控制參數。在逆變器單元的第二實施形式或布置的範圍中，可以設置的是，逆變器單元在兩個狀態(激活或去活)之間切換，其中在第一狀態中實現信號變換，而在第二狀態中逆變器單元對輸出信號沒有影響。


以下在一實施例中更為詳細地示出了發明主題。其中
圖1示出了根據本發明的逆變器，
圖2示出了根據本發明的信號或脈衝疊加，
圖3示出了根據本發明的帶有進入輸出變壓器的僅僅一個初級繞組中的饋入裝置的逆變器的變型方案，
圖4示出了根據本發明的帶有串聯連接的逆變器元件的逆變器。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明的逆變器。該逆變器利用逆變器元件或電力櫃I至5。另一電力櫃η以虛線繪出。這表明可以擴展到更高數目的電力櫃。尤其是，已安裝的整個系統在需要時可以通過安裝附加的電力櫃的方式比較簡單地擴展或者高度可縮放。藉助電力櫃I示意性地示出了這種元件的結構。電力櫃I具有三個輸入線路L1、L2和L3。在此情況下涉及三相電源的三相電流輸入端。三個輸入線路在大約440V或超過其的電壓U (中壓)上。輸入線路引向部件11，該部件包含電網濾波器和接通控制裝置。部件11包括用於連續開動的開關元件(例如電容器)和整流器。部件11與設置在開關櫃I中的開關元件尤其是變壓器13的控制裝置12連接。藉助針對250kVA設計的變壓器13實現了與電源電壓電流隔離(隔離變壓器)。該變壓器是250kVA 50/60 Hz的變壓器，其具有5個帶有5X3的繞組的次級三相系統或柱體131、132、133,134 和 135。此外，電力櫃I具有電流/電壓轉換器14和輸出濾波器15。藉助輸出濾波器15可以限制電壓提升速度，以便保護輸出線纜(LC線纜)。這種線纜保護的要求與線纜的出現的負載和功率特性有關。最後，櫃體內部空調裝置16設置在電力櫃I中。設置有五個相應的電力櫃。這些電力櫃通過中央控制裝置20來控制。各電力櫃(電力櫃I的元件16)的空調裝置藉助中央水/空氣冷卻裝置21來供給。五個電力櫃現在由控制裝置20時間偏移地進行激勵，使得輸出信號在時間上相繼。這參照圖2來示出。上部曲線Kl至K5對應於電力櫃I至5的輸出信號，在此涉及藉助LC振蕩迴路產生的正弦振蕩脈衝。各振蕩分別彼此偏移了 IOys並且(如在曲線Kl中所表示的)具有50 μ s的周期或者20 kHz的頻率。這些振蕩於是藉助另一變壓器來組合成總信號G，總信號G在圖2中在下部示出並且該總信號G的頻率是各電力櫃的輸出信號的頻率的五倍(100kHz)。具體而言，可以給出如下功率數據每個逆變器元件I至5在20kHz的重複率的情況下採用IOOkHz的振蕩器。逆變器元件的輸出電壓於是在使用250kVK的變壓器的情況下為大約2kV。於是也有200kW和(最大)20kHz的功率單元或轉換器單元。總系統包括例如5個最大頻率為IOOkHz的、IMV的功率單元。最大功率和頻率於是通過更多的或更少的功率單元來進行縮放，例如其中僅採用五個電力櫃中的一部分來形成總輸出信號。通過變壓器實現了與電源的電流隔離，以便在此滿足安全方面的要求。所需的大於400V的輸入電壓可以簡單地實現，功率單元的輸出電壓達到2kV。總單元於是由五個相同的具有200kW和20kHz的輸出電流的功率單元構成，這些功率單元並聯連接到輸出變壓器40上，該輸出變壓器40具有5個初級繞組401、402、403、404和405 (為了看到該系統的可縮放性，附加地表示了初級繞組40η)。在此例如涉及具有鐵氧體磁芯的高頻變壓器。 圖1中所表示的輸出變壓器40的五倍或η倍的初級繞組並不一定是必需的，硬並聯連接在一繞組上同樣是可能的。這在圖3中示出，在該圖3中逆變器元件I至5的信號饋送至初級繞組401中。通過添加或移除功率單元可以將電流的輸出頻率按照直至20kHz的數量分級地提高或者減小。可能的輸出信號同樣以直至200kW的數量進行縮放。每個功率單元在輸出電壓中產生了直至2kW，這減小了所需的電流並且由此減小了線路橫截面以及布線開銷。設置輸出傳輸器50，所有功率單元基本上對該輸出傳輸器50進行饋送。上級控制裝置20將功率單元同步並且為功率單元供給設定值。同樣設置有液體冷卻裝置21。藉助開關電路50可以使用應用的輸出信號，例如用於從油砂獲取油時感應加熱的應用的輸出信號。轉換器可以調諧到為此所需的諧振頻率上。本發明主題的另一擴展方案在圖4中示出。為此，逆變器單元1、2、3、4和5串聯連接。在此也可以確定使用了多少逆變器單元。不需要的逆變器單元可以被切換為貫穿(Durchzug)或連接通過(durchschalten)並且因此對輸出信號沒有影響。該解決方案提供了附加的故障保護，因為對於大多數幹擾情況而言，一個受到幹擾的逆變器單元的表現如同切換為貫穿的單元。因此，可以低開銷地實現產生高功率等級的中頻電流。為此僅需要200kW且最大頻率為20kHz的較低功率單元。最大功率頻率的可放縮性通過更多的或更少的功率單元來實現。出於此原因，該總系統與傳統解決方案相比具有更低的開銷和更低的成本。在一個實施例的範圍中示出了本發明，該實施例是描述性的而並非是限制性的。對於本領域技術人員而言，其他變型方案直接清楚，這些變形方案基於相同的原理並且應包含在保護範圍中。例如，可以使用逆變器的其他擴展方案，也可以不同於藉助變壓器毫無問題地實現各輸出信號的疊加。
權利要求
1.一種用於提供頻率上可縮放的逆變器輸出信號的逆變器，該逆變器輸出信號尤其具有高輸出功率， -具有根據預給定的值的針對逆變器輸出信號頻率的控制裝置(12)，其中-控制裝置(12)為此被構建為為了生成具有針對逆變器輸出信號預給定的頻率值的信號而引發信號的時間偏移並且引發將該信號疊加成具有針對逆變器輸出信號預給定的頻率值的信號。
2.根據權利要求1所述的逆變器，其特徵在於，控制裝置(12)為此被構建為引發生成具有可調節的頻率的疊加的信號。
3.根據權利要求1或2所述的逆變器，其特徵在於， -逆變器包括多個逆變器單元(1，2，3，4，5，11)，以及 -逆變器被構建為將逆變器單元(1，2，3，4，5，n)的信號進行連結以生成逆變器輸出信號。
4.根據權利要求3所述的逆變器，其特徵在於，這些逆變器單元(l，2，3，4，5，n)各自包括變壓器(13)。
5.根據權利要求3或4所述的逆變器，其特徵在於， -逆變器被構建為將逆變器單元(1，2，3，4，5，n)的輸出信號疊加成逆變器輸出信號，以及 -控制裝置(12)為此被構建為通過輸出信號的時間偏移來引發輸出信號疊加成具有預給定的頻率值的逆變器輸出信號。
6.根據權利要求5所述的逆變器，其特徵在於，逆變器具有用於疊加逆變器單元(I，2，3,4,5, n)的輸出信號的變壓器(40)。
7.根據權利要求3至4之一所述的方法，其特徵在於， -逆變器根據多個逆變器單元(1，2，3，4，5，n)的級聯來構建，以及-控制裝置(12)為此被構建為在逆變器單元中的至少一個逆變器單元內通過時間偏移和隨後的信號疊加來產生逆變器單元的具有預給定的頻率值的輸出信號。
8.根據上述權利要求之一所述的逆變器，其特徵在於，控制裝置(12)為此被構建為通過確定用於逆變器的輸出信號的逆變器單元(1，2，3，4，5，n)的數目來實現對逆變器的輸出頻率和/或輸出功率的控制。
9.根據權利要求8所述的逆變器，其特徵在於，控制裝置被構建為用於通過接入和斷開用於生成逆變器輸出信號的逆變器單元來確定所使用的輸出信號的數目。
10.根據上述權利要求之一所述的逆變器，其特徵在於，逆變器包括中央冷卻裝置(21 )，藉助冷卻裝置(21)對各個逆變器單元進行冷卻。
全文摘要
本發明涉及一種用於提供頻率上可縮放的逆變器輸出信號的逆變器，該逆變器輸出信號尤其具有高輸出功率。逆變器包括用於根據預給定的值對逆變器輸出信號的頻率進行控制的控制裝置(12)。控制裝置(12)根據本發明被構建為為了生成具有針對逆變器輸出信號預給定的頻率值的信號而引發信號的時間偏移並且引發將該信號疊加成具有針對逆變器輸出信號預給定的頻率值的信號。由此提供了針對高電壓或高功率的低開銷逆變器方案。
文檔編號H02M7/5387GK103038996SQ201180039304
公開日2013年4月10日 申請日期2011年7月8日 優先權日2010年8月9日
發明者S.諾瓦克 申請人:西門子公司