逆变器系统中的逆变器之间的数据交换.pdf

本发明涉及一种具有多个逆变器(2)的逆变器系统(1)，每个逆变器(2)具有至少一个控制单元(6)，至少一个数据线(7)设置在逆变器(2)之间用于数据交换，本发明还涉及一种逆变器(2)和用于操作这种逆变器系统(1)中的逆变器(2)的方法。为了实现高传输安全性和高的数据传输率，每个逆变器(2)具有与该逆变器(2)的控制单元(6)连接并且与两个相邻的逆变器(2)的数据线(7)连接的通信装置(8)，所述通信装置(8)具有切换装置(13)，所述切换装置(13)被构造成在一环形系统和逻辑基于环形系统的总线系统之间切换数据线(7)。

1.  一种具有多个逆变器(2)的逆变器系统(1)，每个逆变器(2)具有至少一个控制单元(6)，至少一个数据线(7)设置在逆变器(2)之间用于数据交换，其特征在于，每个逆变器(2)具有与该逆变器(2)的控制单元(6)连接并且与两个相邻的逆变器(2)的数据线(7)连接的通信装置(8)，所述通信装置(8)具有切换装置(13)，所述切换装置(13)被构造成在一环形系统和逻辑基于环形系统的总线系统之间切换数据线(7)，在所述环形系统中，所有逆变器(2)通过数据线(7)互连成环，在所述总线系统中，所有逆变器(2)连接到由数据线(7)形成的公共总线。

2.  根据权利要求1所述的逆变器系统(1)，其特征在于，每个逆变器(2)的切换装置(13)通过至少一个发送线(14)和一个接收线(15)连接到至少一个控制单元(6)上。

3.  根据权利要求1或2所述的逆变器系统(1)，其特征在于，每个逆变器(2)的通信装置(8)具有发送器(9)和接收器(10)。

4.  根据权利要求3所述的逆变器系统(1)，其特征在于，所述发送器(9)通过发送线(11)连接到所述切换装置(13)，所述接收器(10)通过接收线(12)连接到所述切换装置(13)。

5.  根据权利要求4所述的逆变器系统(1)，其特征在于，所述控制单元(6)的所述接收线(15)通过切换装置(13)永久地连接到所述接收器(10)的所述接收线(12)上。

6.  根据权利要求4或者5所述的逆变器系统(1)，其特征在于，通过所述切换装置(13)，所述发送线(11)可以选择地连接到所述控制单元(6)的所述发送线(14)或者连接到所述接收器(10)的所述接收线(12)。

7.  根据权利要求1到6中任一项权利要求所述的逆变器系统(1)，其特征在于，每个逆变器(2)的切换装置(13)包括至少一个开关(17)，所述开关(17)通过控制线(16)连接到该逆变器(2)的控制单元(6)。

8.  根据权利要求1到7中任一项权利要求所述的逆变器系统(1)，其特征在于，所述切换装置(13)包括CMOS逻辑芯片。

9.  根据权利要求3到8中任一项权利要求所述的逆变器系统(1)，其特征在于，逆变器(2)的发送器(9)与下游逆变器(2)的接收器(10)连接，逆变器(2)的接收器(10)与上游逆变器(2)的发送器(9)连接。

10.  根据权利要求1到9中任一项权利要求所述的逆变器系统(1)，其特征在于，逆变器(2)之间的数据线(7)是光波导。

11.  一种用于根据权利要求1到10中任一项权利要求所述的逆变器系统(1)的逆变器(2)，其具有至少一个控制单元(6)和用于数据线(7)连接的连接部，所述数据线(7)用于连接到其他逆变器(2)进行数据交换，其特征在于，设置通信装置(8)，其连接到所述控制单元(6)和用于数据线(7)连接的连接部，所述通信装置(8)具有切换装置(13)，所述切换装置(13)被构造成在一环形系统和逻辑基于环形系统的总线系统之间切换数据线(7)，在所述环形系统中，所有逆变器(2)通过数据线(7)互连成环，在所述总线系统中，所有逆变器(2)连接到由数据线(7)形成的公共总线。

12.  根据权利要求11所述的逆变器(2)，其特征在于，所述切换装置(13)通过至少一个发送线(14)和一个接收线(15)连接到至少一个控制单元(6)上。

13.  根据权利要求11或者12所述的逆变器(2)，其特征在于，所述通信装置(8)具有发送器(9)和接收器(10)。

14.  根据权利要求13所述的逆变器(2)，其特征在于，所述发送器(9)通过发送线(11)连接到所述切换装置(13)，所述接收器(10)通过接收线(12)连接到所述切换装置(13)。

15.  根据权利要求14所述的逆变器(2)，其特征在于，所述控制单元(6)的所述接收线(15)通过切换装置(13)永久地连接到所述接收器(10)的所述接收线(12)上。

16.  根据权利要求14或者15所述的逆变器(2)，其特征在于，通过所述切换装置(13)，所述发送线(11)可以选择地连接到所述控制单元(6)的所述发送线(14)或者连接到所述接收器(10)的所述接收线(12)。

17.  根据权利要求11到16中任一项所述的逆变器(2)，其特征在于，所述切换装置(13)包括至少一个开关(17)，所述开关(17)通过控制线(16)连接到所述控制单元(6)。

18.  根据权利要求11到17中任一项所述的逆变器(2)，其特征在于，所述切换装置(13)包括CMOS逻辑芯片。

19.  一种操作逆变器系统(1)的多个逆变器(2)的方法，每个逆变器具有一个控制单元(6)，数据通过至少一个数据线(7)在逆变器(2)之间交换，其特征在于，在所述逆变器系统(1)的起动程序期间，所述逆变器(2)通过具有切换装置(13)的通信装置(8)互连成物理和逻辑的环形系统，在该环形系统中，所有逆变器(2)通过所述数据线(7)互连成环形，在所述起动程序完成之后，所述逆变器(2)的连接切换到逻辑基于环形系统的总线系统，在所述总线系统中，所有逆变器(2)通过有所述数据线(7)形成的公共总线连接。

20.  根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述起动程序期间，一个逆变器(2)定义为主逆变器。

21.  根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述起动程序期间，所述定义为主逆变器的逆变器(2)对所述逆变器系统(1)中的逆变器(2)进行初始化。

22.  根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述定义为主逆变器的逆变器(2)发送数据包到与之相连的逆变器(2)，所述数据包在发送到下游逆变器(2)之前由初始化数据包补充。
23 根据权利要求21或者22所述的方法，其特征在于，逆变器(2)发送数据包到环形系统中的下一逆变器(2)，直到该数据包再次由所述定义为主逆变器的逆变器(2)接收。

24.  根据权利要求21到23中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，检查在所述起动程序期间哪个逆变器(2)连接到多相网络(4)的哪个相，并且作为该检测结果的函数，逆变器(2)被适当地同步。

25.  根据权利要求20到24中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过由定义为主逆变器的逆变器(2)发送的数据包将逆变器(2)的连接切换到下游逆变器(2)，其中逆变器(2)在接收到该数据包(2)时切换到总线系统，然后数据包被传送到下游逆变器，直到该数据包再次由定义为主逆变器的逆变器(2)接收。

26.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，与用于切换的数据包一起，用于发送数据的时间帧分配到逆变器系统(1)的每个逆变器(2)。

27.  根据权利要求25或者26所述的方法，其特征在于，当数据正被发送时，逆变器(2)的切换装置(13)将逆变器(2)的控制单元(6)连接到输出端。

28.  根据权利要求25到27中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在数据已经被发送之后，逆变器(2)的切换装置(13)从输出端断开逆变器(2)的控制单元(6)。

29.  根据权利要求25到28中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在切换到总线系统之后，由逆变器(2)发送的数据自动传送到逆变器系统(1)中的所有其他逆变器(2)，这与发送基本上同时发生，并且在发送之后立即发生。

30.  根据权利要求25到29中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述切换装置(13)使用由逆变器系统(1)的逆变器(2)发送的重置数据包来将逆变器(2)的连接切换到环形系统。

逆变器系统中的逆变器之间的数据交换
技术领域
本发明涉及一种具有多个逆变器的逆变器系统，每个逆变器具有至少一个控制单元，至少一个线路设置在逆变器之间用于数据交换。
此外，本发明还涉及一种用于上述逆变器系统的逆变器，该逆变器具有至少一个控制单元以及用于连接到其他逆变器进行数据交换的线路连接。
同样，本发明还涉及一种用于操作逆变器系统的多个逆变器的方法，每个逆变器具有一个控制单元，数据通过逆变器之间的至少一个线路进行交换。
发明内容
本发明的目的是提供上述逆变器系统、逆变器以及操作逆变器系统的多个逆变器的方法，从而一方面确保高的传输安全性，另一方面确保高的数据传输率。
本发明的目的通过一种具有多个逆变器的逆变器系统实现，其中每个逆变器具有与该逆变器的控制单元连接并且与两个相邻的逆变器的数据线连接的通信装置，所述通信装置具有切换装置，所述切换装置被构造成在一环形系统和逻辑基于环形系统的总线系统之间切换数据线，在所述环形系统中，所有逆变器通过数据线互连成环，在所述总线系统中，所有逆变器连接到由数据线形成的公共总线。这里，有利的是，可以通过一个物理连接实现两个相反的总线系统。因此，可以特别利用不同的总线系统的优点。也就是说，在起动程序期间利用环形系统的传输安全性，在允许操作期间利用总线系统的高传输率。这里，“逻辑基于环形系统的总线系统”，理解为不同于真正的总线系统的连接系统，其中没有双向数据发生，而是通过互连到总线系统的数据线通常从一个逆变器到其他逆变器的单向数据传输。
权利要求2到5的技术方案提供了优点，其中每个逆变器的控制单元总是包括传输的数据，与是否需要评估或者处理无关。因此，数据在各种情况下都被传输，没有时间延迟，数据同时提供给控制单元。
权利要求6到8的技术方案防止了接收到数据导向控制单元的发送线，并且放置了控制单元发送的数据导向接收器的接收线。
权利要求9到10的技术方案提供了逆变器之间的自动电流分离，不需要额外的电路。
本发明的目的还通过一种上述用于逆变器系统的上述逆变器来实现，其中设有与该逆变器的控制单元连接并且与两个相邻的逆变器的数据线连接的通信装置，所述通信装置具有切换装置，所述切换装置被构造成在一环形系统和逻辑基于环形系统的总线系统之间切换数据线，在所述环形系统中，所有逆变器通过数据线互连成环，在所述总线系统中，所有逆变器连接到由数据线形成的公共总线。这些和其他从属权利要求12到18的优点可以从上述逆变器系统的描述中看出。
本发明的目的还通过一种操作逆变器系统的多个逆变器的方法实现，其中，在所述逆变器系统的起动程序期间，所述逆变器通过具有切换装置的通信装置互连成物理和逻辑的环形系统，在该环形系统中，所有逆变器通过所述数据线互连成环形，在所述起动程序完成之后，所述逆变器的连接切换到逻辑基于环形系统的总线系统，在所述总线系统中，所有逆变器通过有所述数据线形成的公共总线连接。这里，有利的是，逆变器系统的设置被自动检测。由于环形系统中的物理位置，各个逆变器可以被独特地鉴别，例如不需要预定编号。
权利要求20到21的技术方案允许以高的传输安全性实现对逆变器系统的所有逆变器的自动初始化。
根据权利要求22和23，有利的是，检测到所有逆变器准备就绪进行操作，因此确保了安全起动。同样，这使得能够立即检测逆变器的再配、新逆变器等。
通过权利要求24的技术方案，有利的实现了：逆变器系统构造成完全自动，这可以通过与物理连接基本上无关的方式进行。
通过权利要求25到28的技术方案，有利地防止了通信链路上的数据冲突。
根据权利要求29，有利的是，数据被转送而基本上没有时间延迟或者具有非常小的等待时间，因为数据不必激活转送，并且不需要对控制单元进行与之相关的处理。这是为什么该拓扑结构特别适于逆变器的同步的原因，
逆变器系统的逆变器发送的重置数据包允许切换装置将逆变器的连接切换到环形系统。
其他的优点可以从下面的描述中获取。
附图说明
现在将借助示例，参照附图来详细描述本发明，其中：
图1示出了包括多个逆变器的逆变器系统的示意图；
图2示出了通信装置，其中本发明的逆变器的切换装置处于第一开关位置；以及
图3示出了图2的通信装置，其处于第二开关位置。
具体实施方式
首先，指出各个示例性实施方式中的相同部件用相同的附图标记表示。
图1示出了逆变器系统的通常布置，其具有多个逆变器2，在该实施例中为6个，这些逆变器在输出端并联。由于现有技术中已经知道了逆变器2的单个部件和/或结构单元和功能，下面不对这些方面进行更详细的描述。
逆变器2例如具有DC-DC变换器、中间电路和DC-AC变换器(没有显示出)。能量源3和/或能量发生器连接在DC-DC变换器的输入端，该能量源3和/或能量发生器例如可以由并联和/或串联的一个或者多个太阳能电池组件、蓄电池形成。每个逆变器2的输出端通过AC网络或者多相网络4(例如三相网络)连接到一个或者多个耗电装置5上。耗电装置5例如包括发动机、电冰箱、无线电单元等。
优选的是，逆变器系统1用作电绝缘逆变器系统，其对与公共电网断开的耗电装置5供电。多个逆变器2的使用一方面可以对操作耗电装置5提供更多能量。由于多个逆变器2的使用形成的多结构允许另一方面降低逆变器系统1故障的可能性，由此使得重要的耗电装置5的供电以低故障的方式进行。
此外，逆变器2具有控制单元6，该控制单元6可以例如由微处理器、微控制器或者计算机形成，可以通过该控制单元6适当控制各个结构单元，特别是其中的电路元件。为此，通过适当的软件程序和/或数据和/或特征曲线将各个控制序列存储在控制单元6中。
如图1所示的多个逆变器2并联的布置优选用于确保将耗电装置5所需的能量限定分配到各个逆变器2。这里，可以将多个逆变器2设计成具有相同的结构，以便在逆变器2能给进行对称和均匀的负载分布。此外，可以例如采用不同功率级别和/或不同额定功率的不同类型的逆变器2并联运行操作，其中，在这种情况下，对逆变器2进行适当比率的负载分布，特别是依赖于额定功率的负载分布。例如，在具有两个逆变器2的逆变器系统1的情况下，第二逆变器2相比于第一逆变器2具有双倍额定功率，逆变器系统1被控制使得第二逆变器2对耗电装置5提供两倍的能量。
为了确保逆变器系统1的并联的逆变器2安全运行操作，这些逆变器2每个通过至少一个数据线7例如光波导互连，以便进行信号和/或数据交换。为此，逆变器2具有通信装置8，如图2所示，该通信装置8具有发送器9和接收器10，发送器9和接收器10通过发送线11和接收线12连接到控制单元6上。特别的是，在运行操作期间逆变器2通过数据线7同步，使得在逆变器2的输出端正弦AC电压处于相同相位，即具有相同的零交叉。因此，通过数据线7的相应快速通信是必须的。
根据本发明，数据线7也用作逆变器系统1的安全起动，施加与同步完全不同类型的数据传输要求。因此，必须确保高的传输安全性，用于检测逆变器系统1中的所有逆变器2。
为了允许通过逆变器2例如具有HF变压器的电绝缘逆变器之间的线路7来实现这点，切换装置13结合到逆变器2的通信装置8中。下面将参照图1、2和3来更详细描述切换装置13、在环式系统和总线系统之间切换的相应方法。
本发明的切换装置13集成在通信装置8中，其中与控制单元6连接的传输线11和接收线12可以被适当地中断和/或切换。为此，切换装置13优选包括CMOS逻辑芯片、中继器、EPLD(可擦除的可编程逻辑装孩子)，简单的模拟开关等。
如图1所示，逆变器2之间的数据线7物理实现为环形系统和/或环形拓扑的形式。也就是说，每个逆变器2连接到相邻的逆变器2上。这里，数据和/或数据包从一个逆变器2步进的方式传输到下一个，每个逆变器2必须在转送数据之前对数据进行评价。
为此，切换装置13的切换方式为：发送器9的发送线11连接到控制单元的发送线14上，接收器10的接收线12连接到控制单元6的接收线15上。也就是说，由控制单元6通过控制线16起动的并且连接发送线11和发送线14的开关17被关闭。同样，连接接收线12和发送线11的另一开关18由控制单元6起动，该开关18的行为方式与开关17相反，也就是说，在这种情况下是打开的。在切换装置13的开关17和18的这种位置，逆变器2使用环形系统来通信。当然，开关17和18也可以是一个开关，即仅仅有开关17。这里，开关17用作转换开关，其将发送线11连接到发送线14上或者连接到接收线12上。由于环形系统确保了高的数据传输的安全性，因此确保了当逆变器系统1起动时所有的逆变器2被检测。
逆变器系统1被起动，开始起动程序，其中例如在逆变器系统1首次起动期间已经定义为主逆变器的逆变器2首先发送重置数据包。
在逆变器还没有处于环形拓扑结构的情况下，该重置数据包促使所有逆变器2切换到起动所需的环形拓扑。当然，逆变器系统中的主逆变器可以以自动的方式确定。例如，首先发送数据包的每个逆变器2可以确定为主逆变器。
在发送重置数据包之后，主逆变器发送另一数据包，例如所谓的“总线-初始化包”。根据环形拓扑，总线-初始化包通过接收器10、接收线12、切换装置13和接收线15转送到逆变器2的控制单元6，之后被评估。在总线-初始化包通过发送线14、切换装置13、发送线11和发送器9发送到下一逆变器2之前，通过数据线7控制单元6将所谓的逆变器ID和/或初始化包附着到主逆变器的总线-初始化包。因此，下一逆变器2接收到已经加有逆变器ID的总线-初始化包，并加上其自己的逆变器ID。重复该程序直到主逆变器接收到其自身已经发送的包括各个附着的逆变器ID的总线-初始化包。由于所附着的逆变器ID的数量，主逆变器直到该逆变器系统1中有多少个逆变器2。同样，接收总线-初始化包确保了所有的逆变器2都准备就绪用于操作，并且主逆变器已经知悉各个逆变器2的构造的信息。这些信息优选包含在逆变器ID中，例如通过逆变器2的序列号或者通过其序列号与软件号的结合等。逆变器ID也确保了逆变器系统1中的每个逆变器2可以被单独寻址，这点可以被实现，不需要预定的寻址。例如，也可以通过逆变器2在逆变器系统1的物理位置来独特地对该逆变器2寻址。
逆变器系统1中的逆变器2的这种初始化确保了安全通信，特别是关于在运行操作期间所需的逆变器2的同步，因为适当的寻址允许数据包被独特地分配该相应的逆变器2。这里，数据包只会转送给环形系统中的下一逆变器2，直到其被适当的逆变器2接收。然后，完成初始化，起动的逆变器系统1可以切换到运行操作。
根据本发明，然而，在逆变器系统1的运行操作期间的通信是通过总线拓扑进行，提供明显更快的数据传输，特别是关于同步。优选的是，总线拓扑中的数据传输是串行的或者同步的。也就是说，组成数据包的位被接连传输，其中一个起始位在数据位例如八个数据位之前发送，一个停止位在数据位之后发送。由于控制单元6中的数据传输通常是并行，因此需要(串行-并行)转换，例如连接了发送线14和接收线15的UART(通过通用异步收发器)。
优选的是，在开始程序之后的逻辑基于环形系统的从环形系统到总线系统的切换过程如下：
主逆变器对下一逆变器2发送切换数据包，其中所述数据包被控制单元6评估。评估结果促使由主逆变器接收到的数据包发送到下一逆变器2，首先经由发送线14、切换装置13和发送线11，然后控制单元6通过控制线16切换开关17、18。也就是说，通过开关17中断发送线14和发送线11之间的连接，通过开关18建立接收线12和发送线11之间的连接。通过这种方式，逆变器系统1的每个逆变器2以步进的方式切换到总线拓扑，直到主逆变器再次接收到其自身发送的数据包。
优选的是，其他信息也与切换数据包一起发送到逆变器2，例如，逆变器系统1中的所有逆变器2的逆变器ID，允许每个逆变器2将数据包直接发送到每个其他逆变器2。同样，有利的是，时间帧通过切换数据包分配给逆变器2，在该时间帧期间，逆变器2被允许发送数据包到数据线7和/或总线。优选的是，在时间帧期间的时间段，没有逆变器2发送任何数据。因此，在下一逆变器2在其时间帧允许发送数据到总线之前，逆变器系统1中总是只有一个逆变器2发送基本上被其他逆变器直接接收的数据。这防止了数据冲突，确保了安全快捷的通信。
由于切换程序，逆变器系统1现在处于逻辑基于环形系统的总线拓扑结构。这也是为什么在总线系统中数据传输不是双向的而是单向的原因。但是，更重要得多的是，根据本发明的逆变器2的并行切换系统，用于检测系统中的逆变器2的传输安全性与操作运行期间高的数据传输率结合。此外，从一个逆变器2到相邻的逆变器2的数据传输的延迟时间是可忽略的，其中，数据通过所有其他逆变器2传输。因此，可以确定地说数据传输没有时间延迟。
如果逆变器2发送数据包到总线，系统1中的逆变器2自动接收数据包，因为其通过接收线12、开关18和发送线11被接收器10接收，发送到发送器9，并且被适当转送到下一逆变器2。也就是说，在数据被转送之前，控制单元6不评估数据。根据切换装置13的结构，接收到的数据包也会通过接收线15转送到控制单元6。如果其指定为该逆变器2，这允许控制单元6评估并且选择性处理数据包，即没有任何时间压力。
为了使得逆变器2及其控制单元6能够应答给其指定的数据包，该逆变器2必须等待分配给其的时间帧。为了在该时间帧期间发送数据，必须通过打开开关18来切断接收线12与发送线11。同时，该程序通过控制单元6关闭开关17，由此将发送线14与发送线11相连。因此，控制单元6可发送其响应到总线。在发送数据之后，开关17、18又通过控制线16被切换，并且接收线12又连接到发送线11。
不管什么原因，如果逆变器2导致危害逆变器2之间的通信的错误，控制单元6发送重置数据包到总线。因此，该系统1中的所有逆变器2会切换到环形系统，以便允许重新起动系统1。
为了安全的原因，可以设想，在逆变器2中结合一自动闭合机构和一分立电源。也就是说，例如，在一个逆变器2中断电的情况下，系统1中的通信不会被中断。因此，切换装置13永久地切换到总线系统，以便保持数据线7。例如，自动闭合系统可以包括可再触发的单稳多谐振荡器。
此外，还可以设想，基本上与初始化一起，可以在多相网络例如相网络4中检查哪个逆变器2连接到哪个相。这例如可以通过一个逆变器2将电压施加到该相上进行。将检测所施加的电压的所有逆变器2相应地发送数据包到数据线7，由已经施加电压的逆变器2相应地接收。对于每个相这将相应地进行，其中优选的是，逆变器2允许将电压施加到首先这样做的相。因此，关于哪个逆变器2连接到三相网络4中的哪个相的信息可以在逆变器2之间交换。当逆变器2的各个连接随机连接到三相网络4的一个相上时，或者当至少一个逆变器2添加到逆变器系统1中时，这点特别重要。因此，所有逆变器2直到多少个其他逆变器2也连接到相同的相，对于负载和/或耗电装置5的分配以及对于逆变器2的同步是重要的。因此，这种系统允许逆变器系统1具有完全自动的构造。