供电系统
阅读说明：本技术 供电系统 (Power supply system ) 是由 S·布鲁梅 S·内斯科 D·乌克威克 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：为了提供更有效的供电系统(1),供电系统(1)包括整流器(8)、低压逆变器(2)和低压执行器(4),其中,整流器(8)构造为将主交流电压(u、v、w)转换为低输入直流电压(Ue),其中,低压逆变器(2)与整流器(8)连接,并构造为将低输入直流电压(Ue)转换为低供应交流电压(uv1),并且其中,低压逆变器(2)与低压执行器(4)连接,从而通过低供应交流电压(uv1)为低压执行器(4)供电。根据本发明,还设有直流电压转换器(3),它与整流器(8)连接,并构造为将低输入直流电压(Ue)转换为特低直流电压(Uz)。特低压逆变器(5)与直流电压转换器(3)连接,并构造为将特低直流电压(Uz)转换为特低供应交流电压(uv2)。特低压逆变器(5)与特低压执行器(6)连接,从而通过特低供应交流电压(uv2)向特低压执行器(6)供电。(In order to provide a more efficient power supply system (1), the power supply system (1) comprises a rectifier (8), a low-voltage inverter (2) and a low-voltage actuator (4), wherein the rectifier (8) is configured to convert a main alternating voltage (u, v, w) into a low input direct voltage (Ue), wherein the low-voltage inverter (2) is connected to the rectifier (8) and configured to convert the low input direct voltage (Ue) into a low supply alternating voltage (uv1), and wherein the low-voltage inverter (2) is connected to the low-voltage actuator (4) in order to supply the low-voltage actuator (4) with the low supply alternating voltage (uv 1). According to the invention, a direct-current voltage converter (3) is also provided, which is connected to the rectifier (8) and is designed to convert the low input direct-current voltage (Ue) into an ultra-low direct-current voltage (Uz). The extra-low voltage inverter (5) is connected to the direct voltage converter (3) and is configured to convert the extra-low direct voltage (Uz) into an extra-low supply alternating voltage (uv 2). The extra-low voltage inverter (5) is connected to the extra-low voltage actuator (6) so as to supply power to the extra-low voltage actuator (6) via an extra-low supply alternating voltage (uv 2).)
技术领域
本发明涉及一种供电系统，包括整流器、低压逆变器和低压执行器，其中，整流器构造为将主交流电压(电网交流电压)转换为低输入直流电压，其中，低压逆变器与整流器连接并且被构造为将输入的低直流电压转换为低供应交流电压，并且其中，低压逆变器与低压执行器连接，从而通过低供应交流电压为低压执行器器供电。此外，本发明涉及一种向低压执行器和特低压执行器供电的方法，其中，整流器将主交流电压转换为低输入直流电压，而低压逆变器将低输入直流电压转换为低供应交流电压，从而通过低供应交流电压向低压执行器供电。
背景技术
直流(DC)电压和交流(AC)电压通常分为不同的电压范围。特低直流电压的电压范围是0至120V DC，其中，尽管根据DVC-A(决定性电压分类A，Decisive VoltageClassification A)也可以提供0至60V DC，参照标准EN 61800-5-1。特低交流电压在0至50V AC的范围内。与之相反，低直流电压在120至1500V DC的范围中，而低交流电压在50至100V AC的范围中。高直流电压的在1500V DC以上的范围中，而高交流电压在1000V AC以上的范围中。
供电网络的主交流电压处于低电压范围中，优选地为230V AC、400V AC或480VAC。与之不同，低压执行器根据实施形式需要500至800V AC的低供应交流电压。因此，需要供电系统，以将主交流电压转换为适于低压执行器的低供应交流电压，该供应底交流电压可提供给低压执行器。理论上可以借助一个或多个低压变压器直接转换器将每个低压执行器直接与供电网络相连接。因此，这些低压变压器或直接变频器将供电网络的主交流电压直接转换为低供应交流电压以供应给低压执行器，这当然并不经济。为了创造一个更成本便宜的拓扑结构，在供电系统中经常设有整流器来用于低压执行器的供应。整流器将主交流电压转换为低输入直流电压。然而，因为低压执行器需要低供应交流电压，所以进一步设有低压逆变器，该低压逆变器将低输入直流电压转换为低供应交流电压。低供应交流电压又被提供给所属的低压执行器。通常，每个低压执行器分配有一个低压逆变器，其中，各低压逆变器从同一整流器中获取低输入直流电压。
然而，在长定子直线电机、平面电机和较小的旋转电机等中，常常安装有特低压执行器，而这些特低压执行器的运行又需要特低供应交流电压。由此，在已知的供电系统中，常常设有另一个整流器，它将主交流电压转换为低直流电压，该低直流电压又被提供给特低压逆变器。特低压逆变器将低直流电压转换为低供应交流电压，并将其提供给特低压执行器。
发明内容
本发明的任务是提出一种替代性的供电系统，该供电系统使得能够以不同的供应电压为执行器供电。
根据本发明，该任务这样解决：通过设有与整流器连接并构造为将低输入直流电压转换为特低直流电压的直流电压转换器，其中，设有特低压逆变器，该特低压逆变器与直流电压转换器连接，并构造为将特低直流电压转换为特低供应交流电压，并且其中，特低电逆变器与特低压执行器连接，从而通过特低供应交流电压对特地压执行器供电。此外，该任务通过如下方法解决：低输入直流电压由直流电压转换器(DC-DC转换器)转换成特低直流电压，并且特低压逆变器将特低直流电压转换为特低供应交流电压，从而通过特低供应交流电压向特低压执行器供电。
因此，一方面，低压执行器从主交流电压(例如，由供电网络提供的主交流电压)开始，通过整流器和低压逆变器供电，而另一方面，特低压执行器通过同一整流器、直流电压转换器和特低压逆变器供电。因为直流电压转换器将整流器提供的低输入直流电压转换为特低直流电压，所以不需要将主交流电压转换为特低直流电压的任何其它整流器。整流器优选地设计成用于将220至480V AC±10％的主交流电压转换为120至1500V DC，优选是250至900V DC，更优选是500至900V DC的低输入直流电压。因此，该供电系统可用于全球现有的许多供电系统(TT系统、TN-S系统、TN-C-S系统，其具有范围在220至480V AC±10％的范围中的三相主交流电压)。由于事先知道所需的低输入直流电压和特低直流电压的水平，所以可以使用具有较小的电压范围的直流电压转换器。由此也产生了直流电压转换器的高效率。
优选地，直流电压转换器通过供应连接而与低压逆变器连接，从而通过特低直流电压向低压逆变器供应运行用电(运行能量/运行功率)。与特低压逆变器一样，需要向低压逆变器供应运行用电，从而确保基本功能，即确保对控制单元、开关单元的供应(供电)。因为要转换的特低直流电压已经存在于特低压逆变器的输入侧上，所以这个特低直流电压用于获取特低压逆变器的运行用电并确保其起作用。因此，低压变频器也可以通过供应连接而藉由特低直流电压来供应运行用电。
直流电压转换器可以是整流器的一体的组成部分，也可以实施为独立的单元(装置)。优选地，直流电压转换器实施为隔离的和/或双向的。
双向直流电压转换器是已知的，然而，迄今为止其一直用于向电池、不间断电源(UPS，英语：uninterruptible power supply，UPS)和电池电动汽车(BEV，batteryelectric vehicle)供电。在为电池或不间断电源供电的情况下，在输入侧存在低输入直流电压(基本上是500-1000V DC)，而在输出侧转换为输出特低直流电压(24-48V DC)。
优选地，特低压执行器处的多余能量通过特低压逆变器、直流电压转换器和通过低压逆变器供给(馈送)到低压执行器中。
如果特低压逆变器和直流电压转换器实施为双向的，能量不仅可以从直流电压转换器的输入侧(存在低输入直流电压处)流向直流电压转换器的输出侧(存特低直流电压处)，还可以从输出侧流向输入侧。因此，不仅可以从供电网络通过整流器、直流电压转换器和特低压逆变器向特低压执行器供电，而且可以从特低压执行器通过特低压逆变器和直流电压转换器，即向低输入直流电压供电，并借此又通过低压逆变器向低压执行器供电。因此，从特低压执行器向低压执行器传递电能是可能的，这就是为什么通过双向直流电压转换器提高了系统效率，因为特低压执行器、特别是长定子直线电机和平面电机常常具有动态负载曲线。因此，在特低压执行器处可能存在多余的能量，该多余的能量例如是通过制动过程产生的。
优选地，特低压执行器处的多余能量通过特低压逆变器、直流电压转换器和通过整流器回馈到供电网络中。由此，多余的能量不必消灭(耗散)，并因此不会损失，由此提高了供电系统的效率。如果特低电压逆变器、直流电压转换器和整流器是双向的，则这种回馈就特别可能。
如果直流电压转换器并未实施为双向的(即，单向的)，则任何存在于特低压执行器处的多余的能量都可以在特低压执行器处消灭(耗散/消耗掉)。然而，如果设有双向特低压变频器，那么(在单向直流电压转换器的情况下，以及也在双向直流电压转换器的情况下)多余的能量也可以转换回特低中间电压，并通过其它的特低压逆变器提供给另外的特低压执行器，或者，如果设有供应连接用于为低压逆变器供应运行用电(运行能量)，则多余的能量至少部分用作运行用电。
优选地，低压执行器处的多余的能量通过低压逆变器、经直流电压转换器、并通过特低压逆变器供给到特低压执行器中，并且/或者低压执行器处的多余的能量通过低压逆变器并通过整流器供给到供电网络中。
如果低压逆变器实施为双向的，则从低压执行器开始的能量回馈是可能的，其中，能量可以通过双向整流器回馈到供电网络中，并且/或者能量可以通过直流电压转换器和特低压逆变器馈送到特低压执行器。
优选地，直流电压转换器包括将低输入直流电压转换为初级交流电压的逆变器单元，与逆变器单元连接以将初级交流电压变换为次级交流电压的变压器单元，以及与变压器单元连接以将次级交流电压转换为特低直流电压的整流器单元。
为了给出双向直流电压转换器，并将所使用的电子部件数量保持得较低，双有源桥的实施形式是有利的。优选地，将双有源桥实施成单级式的，并且使用三电平调制进行控制。因此，通过低输入直流电压可以覆盖高的电压范围，由此使直流电压转换器可以通过合适的整流器连接到具有不同主交流电压的供电网络。此外，通过作为双有源桥的直流电压转换器确保了高动态性。如果双有源桥对称地实施，即直流电压-交流电压桥和交流电压-直流电压桥相同地实施，则通过直流电压转换器给出功率对称性，这意味着电能可以以相同的量馈入和回馈。这样的直流电压转换器的功率范围优选达2kW，且重复的峰值负载能力为3kW。
低压执行器可以是运动系统、机床或旋转电机的一部分。
特低压执行器可以是长定子直线电机、平面电机或特低压旋转电机的一部分。
优选地，设有具有所属(相关联)的特低压执行器的第一多个特低压逆变器，其中，所述第一多个特低压逆变器与直流电压转换器连接，从而将特低直流电压转换为相应的特低供应交流电压，并将所属的特低供应交流电压供应给所属(相关联)的特低压执行器。因此，特低直流电压可以作为所述第一个多个特低压逆变器和所属(相关联)的特低压执行器的中央连接点。相应的特低压执行器的特低供应交流电压可以是相同或不同的。
优选地，设有具有所属(相关联)的低压执行器的第二多个低压逆变器，其中，所述第二多个低压逆变器与整流器连接，从而将低输入直流电压转换为相应的供电低交流电压，并分别以该低供应交流电压供应给所属(相关联)的低压执行器。因此，低输入直流电压可以作为用于第一多个低压逆变器和相关联的低压执行器的中央连接点。相应的低压执行器的低供应交流电压可以是相同或不同的。
附图说明
在下文中将参照图1至图5更详细地阐释本发明，图1至图5示例地、示意性地且非限制地示出本发明有利的设计构造。附图中示出：
图1示出了根据现有技术的供电系统，
图2示出了根据本发明的供电系统，
图3示出了具有供应连接的供电系统，
图4示出具有多个逆变器和执行器的供电系统
图5示出了直流电压转换器的优选的实施形式。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的供电系统1。设有低压执行器4，向该低压执行器供应有低供应交流电压uv1(例如，在50至1000V AC的范围内，优选在500至800V AC的范围内)。例如，低压执行器4可以是运动系统、机床或旋转电机等的一部分。
此外，还设有特低压执行器6，向特低压执行器6供应有特低供应交流电压uv2(例如，在0至50V AC的范围内)。特低压执行器6可以是长定子直线电机、平面电机、旋转电机(每个都是针对特低供应交流电压uv2而设计的)等的一部分。
为了提供低供应交流电压uv1，设有低压逆变器2，低压逆变器2与低压执行器4连接，并由此向低压执行器4供应有低供应交流电压uv1。另一方面，为了提供特低供应交流电压uv2，设有特低压逆变器5，该特低压逆变器5与特低压执行器6连接，并由此向特低电压执行器6供应有特低供应交流电压uv2。
此外，设有整流器8，整流器8设计构造为用于将(在此为三相的)主交流电压u、v、w转换为低输入直流电压Ue(120至1500V DC)。主交流电压u、v、w优选作为低交流电压存在(即在50至1000V AC的范围内)，并例如由供电网络提供。
整流器8与低压逆变器2连接，并为低压逆变器2供应低输入直流电压Ue。低压变频器2将低输入直流电压Ue转换为低供应交流电压uv1，该低供应交流电压uv1被提供给低压执行器4。
然而，特低压逆变器5需要特低输入直流电压Uz，以将其转换为特低供应交流电压uv2(0至50V AC)，并提供给特低压执行器6。因此，设有另一个整流器8‘，该整流器8‘设计构造为将主交流电压u、v、w转换为特低直流电压Uz(在0至120V DC的范围中，优选为24至60VDC)。由此，该另一个整流器8‘向特低压逆变器提供特低压直流电压Uz。特低压逆变器5将特低输入直流电压Uz转换为特低供应交流电压uv2，特低供应交流电压uv2被提供给特低压执行器6。
总地来说，在图1中，特低压执行器4通过整流器8和低压逆变器2供电，相反，低压执行器4则通过另一个整流器8‘和特低压逆变器2供电。
与此相反，图2中示出了根据本发明的供电系统1。与图1一样，设有整流器8，整流器8设计构造为将主交流电压u、v、w转换为低输入直流电压Ue(120至1500V DC)。此外，像图1一样，低输入直流电压Ue由低压逆变器2转换为低供应交流电压uv1(在50至1000V AC的范围中，优选在560至800V AC的范围中)，并提供给低压执行器4。
然而，与图1不同的是，在图2中，根据本发明，设有直流电压转换器3，用于向特低压执行器6供电，该直流电压转换器3与整流器8和与特低压逆变器5连接。直流电压转换器3可以是整流器8的一体的组成部分，并设计构造为将由整流器8提供的低输入直流电压Ue转换为特低直流电压Uz(在0至120V DC的范围中，优选是0至60V DC)。特低直流电压由直流电压转换器3提供给特低压逆变器5。特低压逆变器5本身又与特低压执行器6连接，并对应地设计构造为将特低直流电压Uz转换为特低供应交流电压uv2(在0至50V AC的范围内)，并将其提供给特低电压执行器6。
由此不需要另一个整流器8‘以向特低压逆变器5供电。相反，特低压执行器6通过已经存在的整流器8、直流电压转换器3以及最后的特低压逆变器5来供电。
每个逆变器都需要其起作用，即向相关联的控制单元、开关单元等供给运行功率(运行用电)。特低压逆变器5可以利用其输入侧上已经存在的特低直流电压Uz，并从中获取其运行用电。优选地，直流电压转换器3的输出侧不仅与特低压逆变器2的输入侧连接，而且还通过供应连接(供电接线)10与低压逆变器2连接，如图3所示。借助供应连接(供电接线)10，低压逆变器2通过特低直流电压Uz供应有运行用电。
低直流电压Ue也可以由整流器8提供给多个低压逆变器2，其中，所述多个低压逆变器2各自又将低供应交流电压uv1供应给低压执行器4。同样，来自直流电压转换器3的特低压直流电压Uz可以提供给多个特低压逆变器5，其中，所述多个特低压逆变器5各自又将低供应交流电压uv1供应给特低压执行器6。这种供电系统1在图4中示意性地显示。
低压逆变器2和/或特低压逆变器5优选地实施为双向的，其中，整流器8也可实施为双向的。然而，特别优选地，直流电压转换器3实施为双向的和/或隔离的(绝缘的)。由此来自特低压执行器6的多余的能量可以通过特低压逆变器5和进一步通过直流电压转换器3回馈到供电网络中。然而，来自特低压执行器6的多余的能量也可以通过特低压逆变器5、直流电压转换器3和进一步通过低压逆变器2馈送给低压执行器4。当然，来自低压执行器4的多余的能量也可以通过低压逆变器2、直流电压转换器3和特低压逆变器5馈送到特低压执行器4中，或者从低压执行器4通过低压逆变器2和整流器8回馈到供电网络中，如果整流器8同样实施为双向的话。
优选地，直流电压转换器3包括逆变器单元30，用于将低输入直流电压转换为初级电压ue1(并且反过来也行)；与逆变器单元30连接的变压器单元3，用于将初级交流电压ue1变换为次级交流电压ue2(并且反过来也行)；以及与变压器单元31连接的整流器单元32，用于将次级交流电压ue2转换为特低直流电压uz(并且反过来也行)。
图5中示出了直流电压转换器3的一个特别有利的设计构造。在这种情况下，逆变器单元30有利地实施为直流电压/交流电压桥，并包括第一初级侧桥支，其具有第一初级侧功率开关S11和串联的第三初级侧功率开关S13。直流电压/交流电压桥还包括第二初级侧桥支，其具有第二初级侧功率开关S12和串联的第四初级侧功率开关S14。第一初级侧桥支和第二初级侧桥支分别与低输入直流电压Ue并联。相应有一个二极管并联于所有初级侧功率开关S11、S12、S13、S14上，该二极管相对于低输入直流电压Ue正向偏置。初级侧功率开关S11、S12、S13、S14由初级侧控制单元(未示出)进行控制，使得在第一初级侧功率开关S11和第三初级侧功率开关S13的连接点以及在第二初级侧功率开关S12和第四初级侧功率开关S14的连接点之间可以接入初级交流电压ue1。
初级交流电压u1施加于变压器单元31的初级绕组L1。在图5中还示出与初级绕组串联的漏电感Ls。变压器单元31根据转换比率N1:N2将初级交流电压ue1转换为次级交流电压ue2。
此外，整流器单元32有利地实施为交流电压/直流电压桥。交流电压/直流电压桥包括另一第一次级桥支，其具有第一次级功率开关S21和串联的第三次级功率开关S23。此外，交流电压/直流电压桥还包括与第一次级桥支并联的第二次级桥支，其具有第二次级功率开关S22和串联的第四次级功率开关S24。变压器单元31的次级交流电压ue2(施加)在第一次级功率开关S21和第三次级功率开关S23的连接点与第二次级功率开关S22和第四次级功率开关S24的连接点之间。次级功率开关S21、S22、S23、S24由次级控制单元(未示出)进行控制，使得次级交流电压ue2转化为特低直流电压Uz，其并联于第一次级桥支和第二次级桥支。当然，初级控制单元和次级控制单元可以是直流电压转换器控制单元的一体的组成部分。对于所有次级功率开关S21、S22、S23、S24相应并联有一个二极管，该二极管相对于特低直流电压Uz正向偏置。
所示的直流电压转换器3双向地实施，即可以将低输入直流电压Ue转换成特低直流电压Uz，并且反过来进行。因此，从直流电压转换器3的输出侧向输入侧供电并且反过来都是可能的。如果特低直流电压Uz转换为低输入直流电压Ue，则整流器单元32也用作逆变器单元，即，在所示实施例中，交流电压/直流电压桥也用作直流电压/交流电压桥。同样，逆变器单元30也用作整流器单元，即，在所示实施例中，直流电压/交流电压桥也用作交流电压/直流电压桥。
使用隔离的变压器单元31用于将直流电压转换器3的输入侧相对于直流电压转换器3的输出侧隔离。
此外，直流电压转换器3具有与低输入直流电压Ue并联的、可选的输入电容C1输入、C2输入和与特低直流电压Uz并联的、可选的输出电容C输出。同样设有可选的、串联的输入滤波电感Lx输入，以及可选的并联的输入滤波电容Cx输入。此外，还示出了可选的、串联的输出滤波器电感Lx输出和可选的、并联的输出滤波电容Cx输出。
为了对于达到900V的低输入直流电压Ue是可用的，可以使用阻断能力达到1200V的初级功率开关S11、S12、S13、S14。为了实现高效率，优选使用碳化硅作为初级功率开关S11、S12、S13、S14的半导体材料。
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