專利名稱：用于控制同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置和方法
用于控制同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置和方法本申請要求在2010年I月14日提交的美國臨時(shí)申請No. 61/295，161的優(yōu)先權(quán)，并且將其并入作為非臨時(shí)性的部分。該申請也要求在2010年I月13日提交的現(xiàn)有的瑞士國家申請No. 0038/2010的優(yōu)先權(quán)。為了所有的意圖和目的，瑞士申請No. 0038/2010和美國臨時(shí)申請No. 61/295，161的全部通過引用作為整體合并在這里，如同在這里提出一祥。本發(fā)明涉及一種用于同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，包括連接到轉(zhuǎn)子繞組的電壓源，用于通過如下的方式將來自電源的電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子繞組，即，通過在定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)。此外，本發(fā)明涉及一種用于控制同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的方法，其中，通過如下的方式將來自電源的電能經(jīng)由連接到所述轉(zhuǎn)子繞組的電壓源饋送到轉(zhuǎn)子繞組，即，通過在定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)是長久以來就已知的，并且作為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)兩者 用于非常廣泛的目的。作為無刷直流電動機(jī)，它們也占據(jù)了在直流驅(qū)動技術(shù)中的較大的領(lǐng)域。在逆變器的輔助下，從DC電壓生成用于定子激勵(lì)的AC電壓。同步電機(jī)可以進(jìn)一歩地分為永磁同步電機(jī)和他勵(lì)同步電機(jī)。在第一設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子包括永磁體，而在第二設(shè)計(jì)的情形中，設(shè)置轉(zhuǎn)子繞組，當(dāng)電流流過該轉(zhuǎn)子繞組時(shí)，該轉(zhuǎn)子繞組就建立起相應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁場。他勵(lì)同步電機(jī)的普遍的實(shí)施方式由在轉(zhuǎn)子上布置的轉(zhuǎn)子繞組和與轉(zhuǎn)子一起運(yùn)行的整流器組成。所述整流器經(jīng)由集電環(huán)或經(jīng)由旋轉(zhuǎn)變壓器被提供AC電壓，并且將所述AC電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子繞組所需的DC電壓。如果繞組是磁化的，則同步電機(jī)原理上可以在施加在定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場中運(yùn)行。除了在啟動同步電機(jī)時(shí)的已知困難之外，還存在轉(zhuǎn)子繞組的退磁方面的其它問題。例如，同步發(fā)電機(jī)通常被關(guān)閉使得轉(zhuǎn)子繞組退磁。在定子側(cè)，在不存在旋轉(zhuǎn)磁場的情況下，沒有AC電壓被引入繞組中。特別地，在故障的情況下，轉(zhuǎn)子繞組必須被盡快地退磁使得不再生成電壓，這可能引起損壞。現(xiàn)有技術(shù)公開了用于轉(zhuǎn)子繞組的退磁的ー些解決方案。例如，AT362456B公開了其轉(zhuǎn)子可以經(jīng)由閘流晶體管和共同旋轉(zhuǎn)的電阻器而退磁的同步電機(jī)。此外，DE1638344A公開了如下的無刷同步電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子包括兩個(gè)極性相反的轉(zhuǎn)子繞組，該兩個(gè)極性相反的轉(zhuǎn)子繞組可以經(jīng)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器和兩個(gè)共同旋轉(zhuǎn)的整流器來單獨(dú)地起動。除此之外，DE2737541A1描述了具有共同旋轉(zhuǎn)的受控整流器的無刷同步電機(jī)，該受控整流器根據(jù)操作在勵(lì)磁機(jī)電壓的正半波期間或負(fù)半波期間導(dǎo)通。最后，EP0152719A1公開了具有共同旋轉(zhuǎn)的整流器的同步電機(jī)，其中，在經(jīng)由集電環(huán)起動的兩個(gè)共同旋轉(zhuǎn)的閘流晶體管的輔助下，可以使轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向反向。盡管已知的解決方案適合用于特定的應(yīng)用或特定的條件，但是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，退磁進(jìn)行得既不非常快也不有效的事實(shí)是有問題的。然而，特別地，當(dāng)在電動車輛結(jié)構(gòu)中使用同步電動機(jī)時(shí)，這些限制通常是不可接受的。因此，本發(fā)明的目的是提供用于控制同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的改善的控制裝置和改善的方法，特別地，在轉(zhuǎn)子繞組的快速和有效退磁方面。
根據(jù)本發(fā)明，通過在開始提到的類型的控制裝置來實(shí)現(xiàn)該目的，該控制裝置具有用電設(shè)備，該用電設(shè)備連接到轉(zhuǎn)子繞組并且用于將電能從轉(zhuǎn)子繞組傳輸?shù)诫娫础８鶕?jù)本發(fā)明，通過在開始提到的類型的方法來實(shí)現(xiàn)該目的，在該方法中，經(jīng)由連接到轉(zhuǎn)子繞組的用電設(shè)備從轉(zhuǎn)子繞組回收電能并且將該電能傳輸?shù)诫娫础Ｍㄟ^本發(fā)明，同時(shí)克服了現(xiàn)有技術(shù)的幾個(gè)缺陷。首先，可以非常快速地退磁轉(zhuǎn)子繞組；其次，可以非常有效地實(shí)現(xiàn)退磁。這是可能實(shí)現(xiàn)的原因在于，在轉(zhuǎn)子繞組中存儲的能量沒有如通常一樣被轉(zhuǎn)換為熱量，而是傳送回到電源。因此，也沒有必要提供能夠應(yīng)對必要的熱功率的大尺寸的電阻器。這意味著，在設(shè)計(jì)同步電機(jī)時(shí)，工程人員不再面臨在體積大的負(fù)載電阻器/快速退磁和小負(fù)載電阻器/緩慢磁化之間的有沖突的選擇。另外，沒有能量以熱量的形式被“消耗”。盡管本發(fā)明當(dāng)然也可以用于其它領(lǐng)域中，但是，特別是當(dāng)同步電機(jī)用于電動車輛時(shí)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。因?yàn)殡妱榆囕v通常用于運(yùn)送人，所以必須采取特別的安全預(yù)防措施以避免危及乘客的健康。 例如，用于為定子繞組提供能量的轉(zhuǎn)換器可能是有故障的并且可能不能將其斷開。這將意味著車輪仍然將以不期望的方式被驅(qū)動，直到轉(zhuǎn)子退磁。而且，在定子繞組之間的短路可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的阻塞并且因此導(dǎo)致車輛的驅(qū)動輪的阻塞，除非轉(zhuǎn)子被盡快地退磁?？焖偻舜乓虼艘部梢员徽J(rèn)為是與在具有內(nèi)燃機(jī)的車輛中的(機(jī)械)離合器的起動等效。有利地，該部件現(xiàn)在可以被省略并且可以由通常比機(jī)械離合器更小、更輕、更可靠并且也更便宜的電子電路代替。而且，轉(zhuǎn)子的快速退磁的可能性也改善了車輛對駕駛者的要求的反應(yīng)(カロ速/減速)(加速裝置)。除了用于增加安全性的轉(zhuǎn)子繞組的快速退磁之外，能量方面當(dāng)然也起了決定性的作用。特別是在電動車輛的情形中，無論如何都是供應(yīng)不足的存儲的電能應(yīng)該被仔細(xì)地管理。如上所述，在已知的解決方案中，在退激時(shí)，在轉(zhuǎn)子中存儲的磁能經(jīng)由負(fù)載電阻器而被轉(zhuǎn)換為熱量，并且因此在沒有使用的情況下就被消耗了，而根據(jù)本發(fā)明，在轉(zhuǎn)子中存儲的磁能被饋送回電動車輛的車載電源(通常是具有數(shù)百伏特的電壓的DC電壓源)中。能量因此沒有被損失而是可以用于接下來的磁化過程。由于能量有效的退磁，本發(fā)明具有與現(xiàn)有技術(shù)中的解決方案相比相當(dāng)顯著的優(yōu)點(diǎn)。車輛的“離合器”實(shí)際上被非常頻繁地操作，特別是在城市中，例如以允許車輛滾動到交通紅燈，從而使用在車輛中的動能(除非無論如何它都經(jīng)由駕駛而反饋回電池中)。最后，還應(yīng)該注意的是，術(shù)語“電壓源”和“用電設(shè)備”與轉(zhuǎn)子繞組的“認(rèn)識觀點(diǎn)”相關(guān)。在電能中，能量源的特征在于電流和電壓被不同地定向；在用電設(shè)備中，方向是相同的。在磁化的情形中，轉(zhuǎn)子繞組是用電設(shè)備并且因此被從電壓源或能量源提供能量。在退磁的情形中，轉(zhuǎn)子繞組是如下的能量源，即，能量經(jīng)由用戶設(shè)備從該能量源回收。然而，按照能量供應(yīng)的觀點(diǎn)，與轉(zhuǎn)子繞組協(xié)作的電壓源用作用電設(shè)備并且與轉(zhuǎn)子繞組協(xié)作的用電設(shè)備用作電壓源。因此，嚴(yán)格來說，與轉(zhuǎn)子繞組協(xié)作的電壓源和與轉(zhuǎn)子繞組協(xié)作的用電設(shè)備是“轉(zhuǎn)換
典”
o當(dāng)結(jié)合附圖
考慮時(shí)，根據(jù)從屬權(quán)利要求和說明書，本發(fā)明的有利構(gòu)造和進(jìn)ー步的實(shí)施方式是明顯的，或者被它們所公開。如果饋送到轉(zhuǎn)子繞組的能量和/或從轉(zhuǎn)子繞組回收的能量是可調(diào)的，則是有利的。如此,磁化或退磁的動態(tài)過程將以非常不同的方式進(jìn)行。這意味著同步電機(jī)可以以非常敏感的方式被感應(yīng)。如果控制裝置被設(shè)置為針對磁化，與經(jīng)由用電設(shè)備回收的電能相比，更多的電能經(jīng)由電壓源提供給轉(zhuǎn)子繞組，并且針對退磁，與經(jīng)由用電設(shè)備回收的電能相比，更少的電能應(yīng)該經(jīng)由電壓源從轉(zhuǎn)子繞組回收，則是更加有利的。電壓源和用電設(shè)備不僅可以交替地操作，而且還可以同時(shí)地操作。通過提供或回收的電能的適當(dāng)調(diào)整，轉(zhuǎn)子繞組可以被磁化或退磁。如果電壓源包括連接到電源的升壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器并且/或者用電設(shè)備包括連接到所述電源的升壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器，則是更加有利的。如此，在轉(zhuǎn)子電路中所需的電壓可以容易地適應(yīng)在電源中存在的電壓。如果電壓源包括固定的第一逆變器、第一旋轉(zhuǎn)變壓器的連接到所述逆變器的原級 繞組和連接到所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器的次級繞組并且與所述轉(zhuǎn)子繞組共同旋轉(zhuǎn)的第一整流器，則是特別有利的。如此，可以在沒有接觸的情況下將能量從定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子。如此獲得的控制裝置和如此獲得的系統(tǒng)因此是尤其耐用的并且不是非常容易發(fā)生故障?！靶D(zhuǎn)變壓器”通常是如此的變壓器，即，在該變壓器中，原級繞組和次級繞組被安裝為可相對于彼此旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)變壓器或“旋轉(zhuǎn)傳輸器”還特別用于將電能或電信號從固定部分傳輸?shù)叫D(zhuǎn)部分，或者反之亦然。因?yàn)樾D(zhuǎn)變壓器原理上也在単相AC電壓下作用，所以應(yīng)該將它與通常沒有可旋轉(zhuǎn)地安裝的原級繞組或次級繞組的“三相變壓器”區(qū)別開。如果用電設(shè)備包括連接到轉(zhuǎn)子繞組并且與其共同旋轉(zhuǎn)的第二逆變器、第二旋轉(zhuǎn)變壓器的連接到第二逆變器的原級繞組和連接到第二旋轉(zhuǎn)變壓器的次級繞組的固定的第二整流器，則是更加特別有利的。如此，可以在沒有接觸的情況下將能量從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ?。如此獲得的控制裝置和如此獲得的系統(tǒng)因此同樣是尤其耐用的并且不是非常容易發(fā)生故障。如果控制裝置包括與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)連接的變阻器，則是特別有利的。即使在沒有連接到電源的用電設(shè)備的情況下，這也提供了用于退磁轉(zhuǎn)子繞組的可選的可能性。在該文中，如果控制裝置被設(shè)置為關(guān)閉兩個(gè)逆變器以用于轉(zhuǎn)子繞組的退磁，則是特別有利的。這使得可以實(shí)現(xiàn)“緊急退磁”，其中，通過上述變阻器實(shí)現(xiàn)退磁。當(dāng)然，該可能性不僅當(dāng)故意關(guān)閉逆變器時(shí)存在，而且當(dāng)逆變器偶然發(fā)生故障時(shí)也存在。根據(jù)本發(fā)明的電路的該變型例因此是特別安全的。如果控制裝置包括用于將控制信號變換傳輸?shù)降谝荒孀兤骱?或第二逆變器的裝置，則也是特別有利的。這是用于使得根據(jù)本發(fā)明的控制裝置或根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)耐用并且不是非常容易發(fā)生故障的進(jìn)ー步的措施。在該文中，如果第一旋轉(zhuǎn)變壓器包括一個(gè)或更多個(gè)次級線圈(在該次級線圈處，用于第二逆變器的控制信號被引出)，則是特別有利的。如此，第一逆變器的輸出電壓可以直接用于起動第二逆變器，原因在于，該輸出電壓經(jīng)由第一旋轉(zhuǎn)變壓器的多個(gè)次級線圈傳輸?shù)降诙孀兤鞯目刂七B接，即，在大多數(shù)情形中，傳輸?shù)皆撃孀兤鞯木w管的柵極連接。最后，如果控制裝置包括針對單個(gè)轉(zhuǎn)子繞組的連接，則是有利的。如此，控制裝置和同步電機(jī)都可以保持是簡單的。如此獲得的部件首先是輕的，并且其次，由于降低的復(fù)雜性，也是自動防故障的。因此它們特別適合于安裝在電動車輛中。
本發(fā)明的上述構(gòu)造和進(jìn)ー步的實(shí)施方式可以以任何期望的方式結(jié)合。下面參考在示意性的附圖中示出的工作示例更加詳細(xì)地描述本發(fā)明。圖I示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第一變型例；圖2示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的另外包括升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器的
第二變型例；圖3詳細(xì)地示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第三實(shí)施方式；以及圖4詳細(xì)地示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第四實(shí)施方式。在附圖中，相同和相似的部分被賦予相同的附圖標(biāo)記，并且功能相似的元件和部件被賦予相同的附圖標(biāo)記但是帶有不同的下標(biāo)，除非明確地指出不同。 圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)Ia的第一變型例，由控制裝置和連接到該控制裝置的同步電機(jī)組成。該圖被較大程度地簡化，因此，僅示出了同步電機(jī)的ー個(gè)他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組Lro用于將來自電源4的電能E傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子繞組Lk的電壓源2作為控制裝置的一部分連接到所述轉(zhuǎn)子繞組。根據(jù)本發(fā)明，控制裝置還包括連接到轉(zhuǎn)子繞組Lk并且用于將電能E從轉(zhuǎn)子繞組Lk傳輸?shù)诫娫?的用電設(shè)備3。在圖I中示出的裝置的功能如下所述。如果經(jīng)由電壓源2將來自電源4的電能E饋送到轉(zhuǎn)子繞組Lk，則轉(zhuǎn)子繞組Lk被激勵(lì)或磁化，并且在定子繞組(未示出)中生成的旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子繞組Lk以已知的方式旋轉(zhuǎn)并且因此使得轉(zhuǎn)子本身以已知的方式旋轉(zhuǎn)。為了退激或退磁，可以在用電設(shè)備3的輔助下，從定子繞組Lk回收電能E并且將其饋送回電源4中。在定子繞組中的旋轉(zhuǎn)磁場然后不再導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組Lk的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)用電設(shè)備3的設(shè)計(jì)，可以偶爾非?？斓貓?zhí)行該過程，特別是當(dāng)將如此的同步電機(jī)用于電動車輛中時(shí)這是有利的。如已經(jīng)提到的，用于定子繞組的電源的轉(zhuǎn)換器可能例如是有故障的并且可能不能使得它自己被斷開?？蛇x地，在定子繞組之間的短路可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的阻塞并且因此導(dǎo)致車輛的驅(qū)動輪的阻塞。除了轉(zhuǎn)子繞組Lk的快速退磁以用于增加安全性之外，如已經(jīng)提到的，能量方面當(dāng)然也能夠起到?jīng)Q定性的作用。特別是在電動車輛的情形中，無論如何都是供應(yīng)不足的存儲的電能確實(shí)應(yīng)該被仔細(xì)地管理。當(dāng)然，本發(fā)明還可以用于其它目的，例如，用于固定的同步電機(jī)。針對用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場的不同的可能性，如果饋送到轉(zhuǎn)子繞組Lk的和/或從轉(zhuǎn)子繞組Lk回收的能量E是可調(diào)的，則也是有利的。結(jié)果，轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場的相互影響可能是非常容易被感應(yīng)的。當(dāng)然，電壓源2和用電設(shè)備3不僅能夠交替地連接，而且它們還可以同時(shí)處于操作中。針對磁化，與經(jīng)由用電設(shè)備3回收的電能相比，更多的電能應(yīng)該經(jīng)由電壓源2提供到轉(zhuǎn)子繞組Lk，并且針對退磁，與經(jīng)由用電設(shè)備3回收的電能相比，更少的電能應(yīng)該經(jīng)由電壓源2饋送到轉(zhuǎn)子繞組Lk。圖2示出了與圖I中所示的系統(tǒng)Ia非常相似的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第二變型例lb。系統(tǒng)Ia以如下方式擴(kuò)展，即，電壓源2包括連接到電源4的降壓轉(zhuǎn)換器5，并且用電設(shè)備3包括連接到電源4的升壓轉(zhuǎn)換器6。如此，可以非常容易地建立在電壓源2、用電設(shè)備3和電源4之間的電勢差，從而引起期望的能量流E。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的更加詳細(xì)的第三變型例lc。在圖3中，在上部區(qū)域示出了同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子并且在下部區(qū)域示出了定子。通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器T1和T2形成在轉(zhuǎn)子和定子之間的分界線。系統(tǒng)Ic包括到電源(在圖3中未示出)的連接，經(jīng)由該連接，系統(tǒng)Ic被提供DC電壓Up針對下面的說明，為了簡易，假設(shè)電壓U1是固定不變的。在實(shí)際的系統(tǒng)中，該前提不是完全滿足的。因此應(yīng)該考慮電壓變化。轉(zhuǎn)子繞組Lk再一次經(jīng)由電壓源2和用電設(shè)備3連接到電源。電壓源2包括降壓轉(zhuǎn)換器5、連接到該降壓轉(zhuǎn)換器5的固定的第一逆變器8、第一旋轉(zhuǎn)變壓器T1的連接到所述逆變器的原級繞組和連接到第一旋轉(zhuǎn)變壓器T1的次級繞組并且與轉(zhuǎn)子繞組Lk共同旋轉(zhuǎn)的第一整流器7。用電設(shè)備3包括連接到轉(zhuǎn)子繞組Lk并且與其共同旋轉(zhuǎn)的第二逆變器9、第二旋轉(zhuǎn)變壓器T2的連接到第二逆變器9的原級繞組、連接到第二旋轉(zhuǎn)變壓器T2的次級繞組的固定的第二整流器10和連接到整流器10的升壓轉(zhuǎn)換器6。另外，變阻器11與轉(zhuǎn)子繞組Lk并聯(lián)連接。而且，控制裝置包括連接到降壓轉(zhuǎn)換器5、升壓轉(zhuǎn)換器6和第一逆變器8的監(jiān)控單元12。最后，控制裝置包括用于將控制信號變換傳輸?shù)降谝荒孀兤?和/或第二逆變器9的裝置。這些首先是通過第三變壓器T3形成，其中，經(jīng)由所述第三變壓器T3的四個(gè)次級線圈來起動第一逆變器8的晶體管，并且其次通過在第一旋轉(zhuǎn)變壓器T1上的四個(gè)另外的次級線圈形成，其中，在所述四個(gè)另外的次級線圈處，引出用于第二逆變器9的控制信號。盡管在本示例中，在定子和轉(zhuǎn)子之間的電能E和電信號的傳輸全部都以感應(yīng)的方式發(fā)生，但是其中傳輸例如經(jīng)由集電環(huán)而進(jìn)行的實(shí)施方式當(dāng)然也是可設(shè)想的。例如，無線電數(shù)據(jù)傳輸或光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸原理上也是可以用于信號傳輸?shù)?。在圖3中示出的裝置的功能如下。經(jīng)由降壓轉(zhuǎn)換器5，輸入電壓U1被變換為任意的更低的電壓U2。該電壓U2經(jīng)由第一逆變器8被轉(zhuǎn)換為AC電壓，該AC電壓經(jīng)由第一旋轉(zhuǎn)變壓器T1而被傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子，并且在那里，在第一整流器7的輔助下，變換為DC電壓U3。第二逆變器9也與第一逆變器8同時(shí)地起動，所述第二逆變器9將DC電壓U4轉(zhuǎn)換為AC電壓，該AC電壓經(jīng)由第二旋轉(zhuǎn)變壓器T2而從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)蕉ㄗ?，并且在那里，在第二整流?0的輔助下，轉(zhuǎn)換回到DC電壓U5。該DC電壓U5經(jīng)由升壓轉(zhuǎn)換器6而升壓為電壓U10通過降壓轉(zhuǎn)換器5的適當(dāng)?shù)钠饎?，可以設(shè)置任何期望的電壓U3。類似地，通過升壓轉(zhuǎn)換器6的適當(dāng)?shù)钠饎?，可以設(shè)置任何期望的電壓U4。因此，可以在轉(zhuǎn)子繞組Lk處設(shè)置任何期望的電壓。如果電壓U3大于電壓U4,則通過轉(zhuǎn)子繞組Lk增加了電流し；如果電壓U3小于電壓U4，則減小了電流込。當(dāng)然，電壓比率也是由兩個(gè)逆變器8和9的占空因數(shù)以及兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器T1和T2的變換比率所確定。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可選地，設(shè)置升壓轉(zhuǎn)換器代替降壓轉(zhuǎn)換器5以及/或者設(shè)置降壓轉(zhuǎn)換器代替升壓轉(zhuǎn)換器6也可以是適當(dāng)?shù)?。通過提供相應(yīng)的電勢，在任何情形中都可以實(shí)現(xiàn)從電源到轉(zhuǎn)子繞組Lk的能量E的傳送或者反之亦然。通過監(jiān)控単元12控制降壓轉(zhuǎn)換器5、升壓轉(zhuǎn)換器6和第一逆變器8，從而獲得通過轉(zhuǎn)子繞組Lk的所需的電流ら?？梢詤^(qū)分不同的操作情形，在如下的示例中，針對兩個(gè)旋轉(zhuǎn) 變壓器T1和T2，假設(shè)變換比率為I :-基本負(fù)載例如，U2=U3=150V,U4=U5=100V ;轉(zhuǎn)子繞組Lk處的電壓為U3_U4=50V ；
-增加的負(fù)載例如，U2=U3=300V,U4=U5=0V ;轉(zhuǎn)子繞組Lk處的電壓為U3-U4=300V ；-受控退磁例如，U2=U3=150V,U4=U5=450V ;轉(zhuǎn)子繞組Lk處的電壓為U3-U4=-300V,并且轉(zhuǎn)子電流L快速地減??；-緊急退磁第一逆變器8被斷開。結(jié)果，第二逆變器9也變得無效，并且所有的晶體管(在該情形中為M0FET)被斷開。在轉(zhuǎn)子繞組Lk處的電壓被變阻器11限制為例如-1000V。在轉(zhuǎn)子繞組中存在的能量在變阻器11中被轉(zhuǎn)換為熱量。因?yàn)樵诒臼纠忻咯`個(gè)均具有600V的反向電壓的兩個(gè)晶體管在逆變器上是串聯(lián)的，所以這些沒有過載。在示出的示例中，進(jìn)ー步假設(shè)大約6V的柵極電壓對于互連轉(zhuǎn)子MOSFET是足夠的，并且20V的最大值是允許的。在該示例中，電壓U2或U3因此可以在大約1:3的比率范圍中變化。如果想要避免該限制，則柵極電壓也可能被經(jīng)由單獨(dú)的第三旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)的柵極起動或者適當(dāng)?shù)拇胧┧拗啤?
最后，討論本發(fā)明的第四變型例。原理上可以設(shè)法僅利用一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器來應(yīng)對，但是那樣的話，就需要在次級電源電路(逆變器)中的雙極開關(guān)或者在逆變器和轉(zhuǎn)子繞組之間的極性變換器。在該情形中，用于控制信號的至少ー個(gè)另外的變壓器是有利的。圖4示出了如下的裝置，S卩，其中，該裝置的轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。因此，下面的子電路彼此結(jié)合為單個(gè)電路，該單個(gè)電路執(zhí)行相應(yīng)的子電路的功能。-通過由具有反向井聯(lián)ニ極管的兩個(gè)MOSFET構(gòu)造的半橋13來執(zhí)行降壓轉(zhuǎn)換器5和升壓轉(zhuǎn)換器6的功能。-通過由具有反向并聯(lián)ニ極管的兩個(gè)MOSFET構(gòu)造的第一逆變器8來執(zhí)行第一逆變器8和第二整流器10的功能。-通過每ー個(gè)均由具有反向并聯(lián)ニ極管的兩個(gè)反串聯(lián)的MOSFET組成的全橋14來執(zhí)行第一整流器7和第二逆變器9的功能。通過在第一逆變器8的第三變壓器T3處的控制信號和在第四旋轉(zhuǎn)變壓器T4處的控制信號的相位來限定在變阻器11處的電壓Ue的極性。如果兩個(gè)信號同相，則電壓Ue為正。如果兩個(gè)信號反相，則電壓Uk為負(fù)。應(yīng)該注意的是,在這一點(diǎn)上,對于半橋13、第一逆變器8和全橋14，可以應(yīng)用IGBT代替MOSFET或者可以應(yīng)用IGBT和MOSFET。此外，應(yīng)該注意的是，無論如何，MOSFET都包括內(nèi)部反向井聯(lián)ニ極管，從而外部反向井聯(lián)ニ極管可以省略。然而，因?yàn)镮GBT不包括內(nèi)部反向井聯(lián)ニ極管，所以在該情形中需要外部ニ極管。最后，注意的是，描述的變型例僅代表來自關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的控制裝置的許多可能中的選擇，并且一定不是用于限制本發(fā)明的申請的范圍。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在沒有脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，基于這里描述的考慮而將使本發(fā)明適應(yīng)它的需要應(yīng)該是容易的。另外，應(yīng)該指出，在圖中示出的設(shè)備的各個(gè)部分也能夠構(gòu)成獨(dú)立的發(fā)明的基礎(chǔ)。附圖標(biāo)記列表la. . Ic由控制裝置和轉(zhuǎn)子繞組組成的系統(tǒng)2電壓源3用電設(shè)備4 電源5降壓轉(zhuǎn)換器
6升壓轉(zhuǎn)換器7第一整流器8第一逆變器9第二逆變器10第二整流器11變阻器
12監(jiān)控單元13 半橋14 全橋E 能量Le轉(zhuǎn)子繞組Il通過轉(zhuǎn)子繞組的電流U1電源電壓U2在第一逆變器處的電壓U3在第一整流器處的電壓U4在第二逆變器處的電壓U5在第二整流器處的電壓Ue在變阻器處的電壓T1第一旋轉(zhuǎn)變壓器T2第二旋轉(zhuǎn)變壓器T3第三變壓器T4第四(旋轉(zhuǎn))變壓器
權(quán)利要求
1.一種用于同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組(Lk)的控制裝置，所述控制裝置包括電壓源(2)，所述電壓源(2)連接到所述轉(zhuǎn)子繞組(LK)，并且用于以通過在定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場使所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)旋轉(zhuǎn)的方式將來自電源(4)的電能(E)傳輸?shù)剿鲛D(zhuǎn)子繞組(Lk);和用電設(shè)備(3)，所述用電設(shè)備(3)連接到所述轉(zhuǎn)子繞組(LK)，并且用于將電能(E)從所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)傳輸?shù)剿鲭娫?4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制裝置，其中，提供到所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)的能量(E)和/或從所述轉(zhuǎn)子繞組(1^)回收的能量(E)是可調(diào)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的控制裝置，其中，所述控制裝置被設(shè)置為針對磁化，與經(jīng)由所述用電設(shè)備(3)回收的電能相比，將更多的電能經(jīng)由所述電壓源(2)提供給所述轉(zhuǎn)子繞組(LK)，而針對退磁，與經(jīng)由所述用電設(shè)備(3)回收的電能相比，將更少的電能經(jīng)由所述電壓源(2)從所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)回收。
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3中的任何一項(xiàng)所述的控制裝置，其中，所述電壓源(2)包括連接到電源(4)的降壓轉(zhuǎn)換器(5 )或升壓轉(zhuǎn)換器，并且/或者，所述用電設(shè)備(3 )包括連接到所述電源(4)的降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I到4中的任何一項(xiàng)所述的控制裝置，其中，所述電壓源(2)包括固定的第一逆變器(8)、第一旋轉(zhuǎn)變壓器(T1)的連接到所述逆變器的原級繞組以及連接到所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器(T1)的次級繞組并且與所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)共同旋轉(zhuǎn)的第一整流器(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I到5中的任何一項(xiàng)所述的控制裝置，其中，所述用電設(shè)備(3)包括連接到所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)并且與其共同旋轉(zhuǎn)的第二逆變器(9)、第二旋轉(zhuǎn)變壓器(T2)的連接到所述第二逆變器(9)的原級繞組以及連接到所述第二旋轉(zhuǎn)變壓器(T2)的次級繞組的固定的第二整流器(10)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的控制裝置，所述控制裝置包括與所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)并聯(lián)連接的變阻器(11)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5和7或者6和7所述的控制裝置，其中，所述控制裝置設(shè)置為關(guān)閉所述逆變器(8，9)兩者以對所述轉(zhuǎn)子繞組(1^)進(jìn)行退磁。
9.根據(jù)權(quán)利要求5到8中的任何一項(xiàng)所述的控制裝置，所述控制裝置包括用于將控制信號變換傳輸?shù)剿龅谝荒孀兤?8)和/或所述第二逆變器(9)的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制裝置，其中，所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器(T1)包括一個(gè)或更多個(gè)次級線圈，在所述一個(gè)或更多個(gè)次級線圈處，引出用于所述第二逆變器(9 )的控制信號。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的控制裝置，其中，所述控制裝置包括針對單個(gè)轉(zhuǎn)子繞組(Lk)的連接。
12.—種系統(tǒng)(la-lc)，所述系統(tǒng)包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的控制裝置和連接到所述控制裝置的同步電機(jī)，其中，所述同步電機(jī)僅包括單個(gè)轉(zhuǎn)子(Lk)。
13.一種用于控制同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組(Lk)的方法，其中，按照通過在定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場使所述轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)的方式，從電源(3)經(jīng)由連接到所述轉(zhuǎn)子繞組的電壓源(2)將電能(E)提供給所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk);并且其中，電能(E)經(jīng)由連接到所述轉(zhuǎn)子繞組的用電設(shè)備(3)從所述轉(zhuǎn)子繞組(Lk)回收并且傳輸?shù)剿鲭娫?3)。
14.一種用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置包括 電壓源，所述電壓源電連接到轉(zhuǎn)子繞組的第一側(cè)；所述電壓源將來自電源的電能傳輸?shù)剿鲛D(zhuǎn)子繞組； 用電設(shè)備電路，所述用電設(shè)備電路電連接到所述轉(zhuǎn)子繞組的第二側(cè)，以將電能從所述轉(zhuǎn)子繞組傳輸?shù)剿鲭娫础?br> 15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，其中 所述電壓源被構(gòu)造為可控地調(diào)節(jié)提供給所述轉(zhuǎn)子繞組的電能。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，其中 所述用電設(shè)備電路被構(gòu)造為可控地調(diào)節(jié)從所述轉(zhuǎn)子繞組回收的電能。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括在所述電壓源中的降壓轉(zhuǎn)換器，所述降壓轉(zhuǎn)換器電連接到所述電源。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括在所述電壓源中的升壓轉(zhuǎn)換器，所述升壓轉(zhuǎn)換器電連接到所述電源。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括在所述用電設(shè)備電路中的降壓轉(zhuǎn)換器，所述降壓轉(zhuǎn)換器電連接到所述電源。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括在所述用電設(shè)備電路中的升壓轉(zhuǎn)換器，所述升壓轉(zhuǎn)換器電連接到所述電源。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括變阻器，所述變阻器與所述轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)地電連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括 在所述電壓源中的固定的第一逆變器； 連接到所述固定的第一逆變器的第一旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組； 第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組，所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組電連接到第一整流器，并且所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組被耦接以與所述轉(zhuǎn)子繞組共同旋轉(zhuǎn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括 第二逆變器，所述第二逆變器電連接到所述轉(zhuǎn)子繞組并且被耦接以與所述繞組共同旋轉(zhuǎn); 第二旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組，所述第二旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組電連接到所述第二逆變器；和 固定的第二整流器，所述第二整流器電連接到第二旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括控制信號傳輸器，所述控制信號傳輸器被構(gòu)造為將控制信號傳送到所述第一逆變器。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括第二控制信號傳輸器，所述第二控制信號傳輸器被構(gòu)造為將控制信號傳送到所述第二逆變器。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組和所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組形成第一旋轉(zhuǎn)變壓器；和次級線圈，所述次級線圈被構(gòu)造為從所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器引出用于所述第二逆變器的控制信號。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括監(jiān)控單元，所述監(jiān)控單元被構(gòu)造為控制所述第一逆變器，所述監(jiān)控單元連接到所述控制信號傳輸器。
28.一種用于控制他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的方法，所述方法包括 從電源提供電能； 在電壓源接收來自所述電源的電能； 將在所述電壓源接收的電能提供給所述轉(zhuǎn)子繞組； 通過定子側(cè)旋轉(zhuǎn)磁場的作用來旋轉(zhuǎn)所述轉(zhuǎn)子繞組； 利用用電設(shè)備電路從所述轉(zhuǎn)子繞組回收電能；以及 將從所述轉(zhuǎn)子繞組回收的電能傳輸回到所述電源中。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的用于控制他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的方法，所述方法進(jìn)一步包括 在磁化中，與經(jīng)由所述用電設(shè)備電路從所述轉(zhuǎn)子繞組回收較少的電能相比，同時(shí)經(jīng)由所述電壓源將較多的電能提供給所述轉(zhuǎn)子繞組。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的用于控制他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的方法，所述方法進(jìn)一步包括 針對退磁，與經(jīng)由所述用電設(shè)備電路從所述轉(zhuǎn)子繞組回收較多的電能相比，同時(shí)經(jīng)由所述電壓源從所述轉(zhuǎn)子繞組回收較少的電能。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的用于控制他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的方法，所述方法進(jìn)一步包括 關(guān)閉在所述電壓源和在所述用電設(shè)備電路中的逆變器，以對所述轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行退磁。
32.一種用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置包括 電壓源，所述電壓源電連接到轉(zhuǎn)子繞組的第一側(cè)，所述電壓源被構(gòu)造為可控地調(diào)節(jié)提供給所述轉(zhuǎn)子繞組的電能； 所述電壓源將來自電源的電能傳輸?shù)剿鲛D(zhuǎn)子繞組； 所述電壓源包括電連接到所述電源的降壓轉(zhuǎn)換器，所述電壓源包括固定的第一逆變器，所述電壓源包括連接到所述固定的第一逆變器的第一旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組，所述電壓源包括第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組，所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組電連接到第一整流器，并且所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組被耦接以與所述轉(zhuǎn)子繞組共同旋轉(zhuǎn)； 用電設(shè)備電路，所述用電設(shè)備電路電連接到所述轉(zhuǎn)子繞組的第二側(cè)，以將電能從所述轉(zhuǎn)子繞組傳輸?shù)剿鲭娫?，所述用電設(shè)備電路被構(gòu)造為可控地調(diào)節(jié)從所述轉(zhuǎn)子繞組回收的電能； 所述用電設(shè)備電路包括電連接到所述電源的升壓轉(zhuǎn)換器，所述用電設(shè)備電路包括電連接到所述轉(zhuǎn)子繞組并且被耦接以與所述繞組共同旋轉(zhuǎn)的第二逆變器，所述用電設(shè)備電路包括第二旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組，所述第二旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組電連接到所述第二逆變器，所述用電設(shè)備電路包括固定的第二整流器，所述第二整流器電連接到第二旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組； 所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器原級繞組和所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器次級繞組形成第一旋轉(zhuǎn)變壓器；和變阻器，所述變阻器與所述轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)地電連接。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的用于他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組的控制裝置，所述控制裝置進(jìn)一步包括次級線圈，所述次級線圈被構(gòu)造為從所述第一旋轉(zhuǎn)變壓器引出用于所述第二逆變器的控制信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組(LR)的控制裝置，該控制裝置包括電壓源(2)，該電壓源(2)連接到轉(zhuǎn)子繞組(LR)，并且用于以通過在定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場使所述轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)的方式將來自電源(4)的電能(E)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子繞組(LR)。根據(jù)本發(fā)明，該控制裝置進(jìn)一步包括用電設(shè)備(3)，該用電設(shè)備(3)連接到轉(zhuǎn)子繞組(LR)，并且用于將電能(E)從轉(zhuǎn)子繞組(LR)傳輸?shù)诫娫?4)。而且，公開了一種用于控制同步電機(jī)的他勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組(LR)的方法。
文檔編號H02P9/14GK102714479SQ201180006077
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者A·克勞澤 申請人:布魯薩電子公司