СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ
POWER CONVERSION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе преобразования мощности, преобразующей подведенную электрическую мощность в выходные мощности во множестве различных фаз.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В качестве одной из традиционных систем преобразования энергии известна система управления двигателями, которая подает выходную мощность на многофазный двигатель. Патентная литература 1 раскрывает систему преобразования энергии, включающую в себя шесть трехфазных инверторов. В этой системе преобразования мощности импульсный генератор сравнивает значения команд с опорными значениями, которые периодически изменяются, и затем подает сигналы запуска, соответствующие определенным фазам, на каждый из этих шести инверторов. В этом случае фазы опорных значений для соответствующих инверторов, периодически изменяются, смещаясь друг относительно друга. Это может снижать ток пульсации на общем участке провода постоянного тока.
ЛИТЕРАТУРА
Патентная литература
Патентная литература 1: Публикация нерассмотренной японской патентной заявки № 2008-099436.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Однако в случае, когда мощность одной и той же фазы преобразуется многочисленными инверторами, как в способе, раскрытом в PTL 1, периоды, когда включено верхнее или нижнее плечо в ветвях одной и той же фазы, в некоторых случаях перекрывают друг друга. Токи, протекающие через ветви в положительном или отрицательном направлении, накладываются друг на друга, вызывая, таким образом, недостаток, связанный с увеличением тока пульсации.
Настоящее изобретение было сделано в свете упомянутых выше обстоятельств, и задача данного изобретения заключается в снижении тока пульсации в многофазном преобразователе мощности, содержащем многочисленные ветви в каждой фазе.
Чтобы решить упомянутые выше проблемы, в соответствии с настоящим изобретением для первой и второй ветвей из множества ветвей, подключенных к определенной фазе, составляющей преобразователь мощности, период времени, когда положительный импульсный ток протекает через первую ветвь, и период времени, когда отрицательный импульсный ток протекает через вторую ветвь, перекрывают друг друга в одном периоде управления.
В соответствии с настоящим изобретением, устанавливая одну и ту же фазу для множества ветвей, можно понизить рабочий ток каждой ветви и ток пульсации можно снизить. Кроме того, в одном периоде управления одной и той же фазы ток положительного импульса, протекающий через определенную ветвь, и ток отрицательного импульса, протекающий через другую ветвь, перекрывают друг друга во времени. Соответственно, предотвращается накладывание друг на друга токов, протекающих в одном и том же направлении. Поэтому возможно снизить ток пульсации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 - поясняющий вид, схематически изображающий общую конфигурацию системы управления двигателем в соответствии с первым вариантом осуществления.
Фиг. 2(a) и 2(b) - поясняющие виды, изображающие конфигурацию электромеханической машины, фиг. 2(a) изображает подробную конфигурацию двигателя 10, фиг. 2(b) изображает подробную конфигурацию схемы инвертора 20.
Фиг. 3 - блок-схема, изображающая конфигурацию контроллера 30.
Фиг. 4 - поясняющий вид, изображающий переходной процесс для каждого фазового тока.
Фиг. 5 - поясняющий вид, изображающий переходной процесс импульсных токов, протекающих по каждой фазе и каждой ветви в одном периоде управления в момент времени А, показанный на фиг. 4.
Фиг. 6 - поясняющий вид, изображающий переходной процесс импульсных токов в зависимости от режима управления, в котором фаза несущей смещается в качестве примера по сравнению с режимом управления в соответствии с первым вариантом осуществления.
Фиг. 7(a)-7(c) - поясняющие виды, изображающие наложения токов ветвей, когда продолжительность включения составляет 50%, фиг. 7(a) - случай инвертора, включающего в себя ветвь для каждой из трех фаз, фиг. 7(b) изображает случай, где инвертор включает в себя четыре ветви для каждой из трех фаз и фаза команды продолжительности включения для каждой ветви не изменяется, и фиг. 7(c) изображает случай, где инвертор включает в себя четыре ветви для каждой из трех фаз и фаза команды продолжительности включения каждой ветви изменяется.
Фиг. 8 - поясняющий вид, изображающий конфигурацию инвертора 20 в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Фиг. 9 - поясняющий вид, изображающий переходной процесс импульсных токов, протекающих через каждую фазу и каждую ветвь в одном периоде управления в определенное время.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Первый вариант осуществления
Фиг. 1 - поясняющий вид, схематично изображающий общую конфигурацию системы управления двигателем в соответствии с первым вариантом осуществления. Система управления двигателем, соответствующая первому варианту осуществления, является системой управления двигателем, управляющей приводным двигателем электрического транспортного средства. Эта система управления двигателем включает в себя, главным образом, двигатель 10, инвертор 20 в качестве преобразователя мощности и контроллер 30.
Двигатель 10 включает в себя, главным образом, ротор и статор. Двигатель 10 является синхронным двигателем с постоянным магнитом, включающим в себя n (n - целое число не менее 1) фазовых обмоток, соединенных в звезду с нейтральной точкой, причем фазовые обмотки намотаны вокруг зубцов статора (в этом варианте осуществления трехфазный двигатель имеет фазы U, V и W (n=3)). В этом варианте осуществления каждая фазовая обмотка делится на m частей в соответствии с количеством пазов двигателя 10.
Обмотки, относящиеся к одной и той же фазе, наматываются должным образом вокруг заранее определенных статорных сердечников. Здесь далее m наборов элементов фазы U (обмотка и описанные далее ветви) обозначаются как фазы U1, U2..., Um, и m наборов элементов фаз V и W обозначаются как фазы V1, V2..., Vm и фазы W1, W2..., Wm соответственно.
Двигатель 10 приводится в действие за счет взаимодействия между магнитным полем, создаваемым трехфазным переменным током питания, подаваемым от описанного позднее инвертора 20 к соответствующим фазовым обмоткам, и магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами ротора. Ротор и выходной вал, соединенный с ним, поэтому вращаются. Выходной вал двигателя 10 соединяется, например, с автоматической трансмиссией электрического транспортного средства.
Инвертор 20 соединяется с источником 5 электропитания. Инвертор 20 преобразует мощность постоянного тока (DC), поступающую от источника 5 электропитания, в мощность переменного тока (AC) и подает ее на двигатель 10. Мощность переменного тока генерируется каждой фазой. Мощности переменного тока соответствующих фаз, генерируемых инвертором 20, индивидуально подаются на электрическую машину 10. Входная сторона инвертора 20 соединяется с источником 5 электропитания через сглаживающий конденсатор C.
Инвертор 20 включает в себя m ветвей, соединенных параллельно для каждой из фаз U, V и W. Конкретно, фаза U включает в себя m ветвей, соответствующих фазам U1-Um, ветвей, соединяемых параллельно. Подобным образом фаза V (фаза W) включает в себя m ветвей, соответствующих фазам V1(W1)-Vm(Wm) ветвей, соединяемых параллельно. Каждая из ветвей каждой фазы включает в себя верхнее плечо, соединенное с шиной на положительной стороне источника 5 электропитания, и нижнее плечо, соединенное с отрицательной стороной источника 5 электропитания, причем верхнее и нижнее плечи соединяются последовательно. Каждое из плеч, составляющих каждую ветвь, включает в себя, главным образом, полупроводниковый переключатель, выполненный с возможностью управлять однонаправленной проводимостью (переключающий элемент, такой как, например, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)). Полупроводниковый переключатель соединяется с обратным диодом во встречно-параллельном включении.
Состояние включения/выключения каждого плеча или состояние включения/выключения каждого полупроводникового переключателя (операция переключения) управляется посредством сигнала запуска, выведенного из контроллера 30. Полупроводниковый переключатель, образующий каждое плечо, включается сигналом запуска от контроллера 30 в состояние проводимости и выключается в состояние отсутствия проводимости (состояние запирания).
В первом варианте осуществления двигатель 10 и преобразователь мощности (инвертор 20) интегрируются и реализуются как электромеханическая машина. Например, как показано на фиг. 2(a), в трехфазном двигателе 10 статор 12, расположенный вокруг внешней периферии ротора 11, содержит шесть пазов S1-S6. Посредством выведенных двух обмоток из каждого паза S1-S6 двигатель 10 соединяется с четырьмя ветвями каждой фазы, то есть всего 12 ветвями (количество кратно количеству пазов).
Возвращаясь к фиг. 1, контроллер 30 управляет операцией переключения инвертора 20, чтобы управлять выходным вращающим моментом двигателя 10. Контроллер 30 может состоять из микрокомпьютера, содержащего, главным образом, центральный процессор (CPU), постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM) и интерфейс ввода-вывода. Контроллер 30 выполняет операции по управлению инвертором 20 согласно управляющей программе, хранящейся в ROM. Контроллер 30 выводит управляющие сигналы (сигналы запуска), вычисленные посредством упомянутых выше операций, на инвертор 20.
Контроллер 30 принимает сигналы датчиков, детектированные различными датчиками. Датчик положения (например, синусно-косинусный преобразователь) 40 прикрепляется к двигателю 10 и детектирует электрическую фазу (электрический угол) θ по информации о положении, указывающей положение ротора двигателя 10. Кроме того, датчик 41 тока является датчиком, детектирующим фактический ток, протекающий через каждую фазу. Конкретно, датчик 41 тока детектирует фактические токи, протекающие через m фазовых обмоток каждой фазы (здесь далее все вместе упоминаются как фактические токи Inm).
Контроллер 30 управляет операцией переключения инвертора 20, то есть управляет состояниями включения/выключения верхнего и нижнего плеч, образующих каждую ветвь, на пофазной основе на основе такого способа управления, как генерация переменного напряжения с широтной импульсной модуляцией (PWM). Запуск с помощью напряжения PWM является способом генерации переменного напряжения с PWM из напряжения постоянного тока посредством управления PWM и приложения генерированного переменного напряжения с PWM к двигателю 10. Конкретно, запуск с использованием переменного напряжения с PWM является способом запуска вычисления значения команды продолжительности включения, основываясь на сигнале несущей и значении команды напряжения каждой фазы в каждый период управления, чтобы прикладывать эквивалентное синусоидальное переменное напряжение к двигателю 10.
На фиг. 3 представлена блок-схема, схематически изображающая конфигурацию контроллера 30. С точки зрения функциональности, контроллер 30 включает в себя блок 31 управления вращающим моментом, блок 32 управления током, преобразователь 33 dq координат/трехфазные координаты, блок 34 генерации команды коэффициента модуляции, блок 35 управления PWM, блок 36 управления синхронизацией, преобразователь 37 трехфазных координат/dq координаты и блок 38 вычисления скорости вращения.
Основываясь на команде Т вращающего момента, подаваемой извне (например, от контроллера транспортного средства), и скорости ω вращения двигателя, блок 31 управления вращающим моментом вычисляет текущую команду по d-оси и текущую команду по q-оси, соответствующие поданной команде T вращающего момента (все вместе упоминаются как текущая команда idq по осям dq). Блок 31 управления вращающим моментом хранит таблицу, определяющую соотношения между значением Т команды вращающего момента или скоростью ω вращения двигателя и текущей командой idq по осям dq. Эти соотношения получают заранее посредством экспериментов и моделирований с учетом характеристик двигателя 10 и т.п. Блок 31 управления вращающим моментом обращается к отображению и вычисляет текущую команду idq по осям dq. Вычисленная команда idq по осям dq выводится на блок 32 управления током. Здесь скорость ω вращения двигателя, которая необходима для вычисления текущей команды idq по осям dq, может быть получена как результат вычисления блоком 37 вычисления скорости вращения. Этот блок 37 вычисления скорости вращения вычисляет электрическую угловую скорость, то есть скорость ω вращения двигателя, дифференцируя по времени электрический угол θ, который детектируется датчиком 40 положения.
Блок 32 управления током сначала вычисляет отклонения тока по оси d и отклонения тока по оси q. Для конкретности, в дополнение к команде idq по осям dq блок 32 управления током принимает фактический ток по оси d и фактический ток по оси q, соответствующие трехфазному фактическому току Inm (все вместе упоминаются как фактические токи Idq по осям dq). Здесь фактические токи Idq по осям dq вычисляются таким способом, что преобразователь 38 трехфазных координат/dq координаты выполняет преобразование координат для трехфазных фактических токов Inm, основываясь на электрическом угле θ, определенном датчиком 40 положения. Блок 32 управления током вычисляет отклонения тока по оси d и по оси q, вычитая фактические токи Idq по осям dq из текущих команд idq для осей dq для оси d и оси q. Блок 32 управления током использует управление PI, например, для вычисления команд напряжения по оси d и оси q (все вместе называемые командами Vdq напряжения для осей dq), так чтобы отклонения тока по оси d и оси q были равны 0. Вычисленные команды Vdq напряжения по осям dq выводятся на преобразователь 33 dq координат/трехфазные координаты.
Преобразователь 33 dq координат/трехфазные координаты обращается к электрическому углу θ, определенному датчиком 40 положениями, чтобы выполнить преобразование координат из команд vdq напряжения по осям dq в команды напряжения, соответствующие трем фазам, или команду напряжения U-фазы, команду напряжения V-фазы и команду напряжения W-фазы (все вместе называемые командами vn трехфазного напряжения). Команды vn трехфазного напряжения индивидуально выводятся на блок 34 генерации коэффициента модуляции 34.
Блок 34 генерации коэффициента модуляции стандартизирует команды vn трех фаз напряжения с помощью напряжения источника электропитания, чтобы вычислить команды коэффициента модуляции соответствующих фаз, команду коэффициента модуляции U-фазы, команду коэффициента модуляции V-фазы и команду коэффициента модуляции W-фазы (все вместе называемые командами Mn коэффициентов модуляции). Вычисленные команды Mn коэффициента модуляции для трех фаз выводятся на блок 35 управления PWM.
Блок 35 управления PWM сравнивает уровень сигнала периодически изменяющегося сигнала несущей, такого как сигнал треугольной формы, и команду Mn коэффициента модуляции для трех фаз в каждом периоде управления. Основываясь на результатах сравнения, блок 35 управления PWM генерирует сигналы запуска для включения/выключения полупроводниковых переключателей инвертора 20. Для конкретности, если уровень сигнала для сигнала несущей ниже, чем команда Mn коэффициента модуляции для трех фаз, блок 35 управления PWM выводит сигнал запуска, чтобы включить соответствующее верхнее плечо, и сигнал запуска, чтобы выключить соответствующее нижнее плечо. С другой стороны, если уровень сигнала для сигнала несущей выше, чем команда Mn коэффициента модуляции, блок 35 управления PWM выводит сигнал запуска, чтобы выключить соответствующее верхнее плечо, и сигнал запуска, чтобы включить соответствующее нижнее плечо. Другими словами, каждый сигнал управления соответствует команде продолжительности включения для ветви (полупроводниковые переключатели верхнего и нижнего плеч) в одном периоде управления и генерируется для каждой фазы. В первом варианте осуществления, так как каждая фаза составляется из m ветвей, сигнал запуска каждой фазы делится на m сигналов и сигналы Sp_nm запуска, соответствующие m ветвям, генерируются для каждой фазы. Генерируемые сигналы запуска Sp_nm выводятся на блок 36 управления синхронизацией. Чтобы предотвратить одновременное включение полупроводниковых переключателей верхнего и нижнего плеч, блок 35 управления PWM может установить мертвое время, то есть период времени, когда оба полупроводниковых переключателя ветви выключены, между временем окончания действия полупроводникового переключателя верхнего плеча или нижнего плеча (синхронизация выключения) и началом действия полупроводникового переключателя другого плеча (синхронизация включения).
Блок 36 управления синхронизацией изменяет фазу сигнала запуска Sp_nm по меньшей мере одной из ветвей одной и той же фазы для одной или нескольких фаз U, V и W. В качестве одной из характеристик первого варианта осуществления для первой и второй ветвей из m ветвей, предусмотренных для определенной фазы, блок 36 управления синхронизацией изменяет фазу команды продолжительности включения первой или второй ветви, так чтобы в одном периоде управления период времени, в котором положительный импульсный ток протекает через первую ветвь, и период времени, в котором отрицательный ток импульса протекает через вторую ветвь, перекрывали друг друга. Другими словами, ток положительного импульса, протекающий через первую ветвь, и ток отрицательного импульса, протекающий через вторую ветвь, перекрывают друг друга во времени. Здесь далее приводится подробное описание изменения фазы блока 36 управления синхронизацией.
Фиг. 4 - поясняющий вид, изображающий переходный процесс каждого фазного тока. На фиг. 5 представлено пояснение переходного процесса импульсного тока, протекающего через каждую фазу и каждую ветвь в течение одного периода управления в момент времени A. Здесь для удобства значения токов, показанные на фиг. 5, составляют 1/10 от действительных значений. Инвертор 20 включает в себя пять ветвей для каждой фазы и обеспечивает возможность иметь ток до 100 А через каждую ветвь. Другими словами, в инверторе 20 фазовый ток для каждой фазы является суммой токов пяти ветвей, то есть 500 A. В настоящем описании для токов, протекающих через ветви, ток положительного импульса относится к фактическому току, протекающему через ветвь в таком направлении, что конденсатор C разряжается. Отрицательный импульсный ток относится к фактическому току, протекающему через ветвь в таком направлении, что конденсатор C заряжается. Кроме того, цифры, помещенные в рамках, среди значений токов, протекающих через индивидуальные ветви, изображенные на фиг. 5, представляют значения токов, когда включены нижние плечи, а цифры, не помещенные в рамки, представляют значения токов, когда включены верхние плечи. То же самое относится к фиг. 6 и 9, описанным далее.
Первое условие
Управление осуществляется так, чтобы в отношении произвольных двух ветвей, образующих одну и ту же фазу, например, ветви фаз U1 и U2, период времени, когда отрицательный импульсный ток протекает через ветвь фазы U1, и период времени, когда положительный импульсный ток протекает через ветвь фазы U2, перекрывали друг друга. Упомянутое выше соотношение удовлетворяется не только между фазами U1 и U2, но также и между фазами U2 и U3, между фазами U3 и U4 и между фазами U4 и U5. Дополнительно, упомянутое выше соотношение удовлетворяется не только для фазы U, но также и для фазы V.
Второе условие
Управление осуществляется так, чтобы продолжительности включения (команды продолжительности включения) произвольных двух ветвей, образующих одну и ту же фазу, например, ветви фаз U1 и U2, были равны друг другу. Упомянутое выше соотношение удовлетворяется не только в соотношении между фазами U1 и U2, но также и в соотношениях между фазами U2 и U3, между фазами U3 и U4 и между фазами U4 и U5. Дополнительно, упомянутое выше соотношение удовлетворяется не только для фазы U, но также и для фазы V.
Третье условие
В определенной фазе, например в фазе U, длительность (период) положительного импульсного тока фазы U1 является длинной, а длительность (период) отрицательного импульсного тока является короткой. В этом случае управление осуществляется так, чтобы короткий период отрицательного импульсного тока фазы U2 находился в пределах длинного периода положительного импульсного тока фазы U1. Описанное выше соотношение удовлетворяется не только между фазами U1 и U2, но также и между фазами U2 и U3, между фазами U3 и U4 и между фазами U4 и U5. Кроме того, упомянутое выше соотношение удовлетворяется не только для фазы U, но также и для фазы V.
Четвертое условие
Конфигурация производится таким образом, чтобы ток фазы U или период времени, когда сумма токов фаз U1-U5 минимизирована, и ток фазы V или период времени, когда сумма токов фаз V1-V5 минимизирована, перекрывали друг друга. Другими словами, управление осуществляется так, чтобы период времени, когда общий ток пульсации определенной фазы минимизирован, не перекрывался с периодом времени, когда минимизирован общий ток пульсации другой фазы.
Пятое условие
В момент времени A1 нижние плечи фаз U3, V2 и W1-W5 в ветвях трех фаз включены. С другой стороны, в момент времени A2 нижние плечи фаз U4, V2 и W1-W5 в ветвях трех фаз включены. Управление осуществляется так, чтобы среди всех ветвей, предоставленных для инвертора 20, количество ветвей, чьи верхние или нижние плечи включены, оставалось постоянным в течение одного периода управления. Кроме того, чтобы поддерживать постоянным количество ветвей, чье нижнее плечо включено в течение одного периода управления во всех трех фазах, управление осуществляется таким образом, что количество плеч, через которые протекает отрицательный импульсный ток, или количество плеч, через который протекает положительный импульсный ток, является, по существу, постоянным в течение одного периода управления.
Шестое условие
Как показано для периода, обведенного сплошной линией эллипса, время, когда включенное состояние нижнего плеча изменяется на включенное состояние верхнего плеча для фазы U1, соответствует времени, когда включенное состояние верхнего плеча изменяется на включенное состояние нижнего плеча для фазы U2. Как показано в периоде, обведенном пунктирной линией эллипса, время, когда включенное состояние нижнего плеча изменяется на включенное состояние верхнего плеча для фазы U2, соответствует времени, когда включенное состояние верхнего плеча изменяется на включенное состояние нижнего плеча для фазы U3. Как явно видно на этом чертеже, управление осуществляется таким образом, что в одной и той же фазе период, когда положительный импульсный ток протекает через одну ветвь (например, ветвь фазы U1), заканчивается в то же самое время, когда начинается период, в котором положительный импульсный ток протекает через другую ветвь (например, ветвь фазы U2). Другими словами, управление осуществляется так, чтобы положительный импульсный ток, протекающий через одну ветвь, был одновременным с положительным импульсным током, протекающим через другую ветвь. Описанное выше соотношение удовлетворяется не только в соотношении между фазами U1 и U2, но также и в соотношениях между фазами U2 и U3, между фазами U3 и U4 и между фазами U4 и U5. Дополнительно, упомянутое выше соотношение удовлетворяется не только для фазы U, но также и в ветвях фаз V1-V5 фазы V.
Основываясь на приведенных выше соображениях, блок 36 управления синхронизацией изменяет фазу сигнала Sp_nm запуска по меньшей мере одной из m ветвей одной и той же фазы в любой или некоторых из фаз U, V и W. Блок 36 управления синхронизацией выводит сигналы Spa_nm запуска, подаваемые на инвертор 20 во время изменения фазы. В инверторе 20 m ветвей каждой фазы поэтому выполняют операции переключения в соответствии с сигналами Spa_nm запуска так, чтобы заданные импульсные токи протекали через ветви в заданное время. Соответственно, к двигателю 10 прикладывается заданное напряжение, приводя, таким образом, двигатель 10 в движение.
Как описано выше, в соответствии с первым вариантом осуществления, инвертор 20 сконфигурирован так, чтобы для первой ветви (например, ветви фазы U1) и второй ветви (например, ветви фазы U2) из множества ветвей, предусмотренных для определенной фазы (например, фазы U), положительный импульсный ток, протекающий через первую ветвь, и отрицательный импульсный ток, протекающий через вторую ветвь в одном периоде управления перекрывали друг друга во времени. Другими словами, для первой и второй ветвей контроллер 30 изменяет фазы команд Sp_nm продолжительности включения первой и второй ветвей так, чтобы положительный импульсный ток, протекающий через первую ветвь, и отрицательный импульсный ток, протекающий через вторую ветвь, перекрывали друг друга во времени в течение одного периода управления.
Здесь фиг. 6 изображает в качестве примера режим управления для смещения фазы несущей в сравнении с режимом управления, согласно первому варианту осуществления. Подобно фиг. 5 фиг. 6 изображает переходной процесс импульсных токов, протекающих через каждую ветвь, и каждая фаза в течение одного периода управления, соответствующая моменту времени А, изображенному на фиг. 4. Здесь управление для смещения фазы несущей, изображенное в сравнительном примере, является режимом управления, в котором команды продолжительности включения для соответствующих ветвей, содержащихся в одной и той же фазе, вычисляются, используя несущие, фазы которых смещаются от ветви к ветви.
В периоде, обведенном сплошной линией эллипса для фаз U1 и U2, оба нижних плеча фаз U1 и U2 включены. В этот период отрицательный импульсный ток фазы U1 и положительный импульсный ток фазы U2 не перекрывают друг друга во времени. Соответственно, токи в отрицательном направлении различных ветвей накладываются друг на друга, и ток в отрицательном направлении имеет тенденцию увеличиваться. Кроме того, в период, обведенный сплошной линией эллипса, для фаз U2 и U3 или фаз V2 и V3, периоды времени, когда нижние плечи двух ветвей, содержащихся в одной и той же фазе, включены, перекрывают друг друга, кроме того, периоды времени, когда нижние плечи двух ветвей, содержащихся в разных фазах, включены, перекрывают друг друга. Соответственно, ток в отрицательном направлении имеет тенденцию увеличиваться дальше. В этом случае общий ток пульсации всех ветвей имеет эффективное среднеквадратичное значение приблизительно 92 А, что является большим.
В это время, в соответствии с первым вариантом осуществления, выполняя управление, как описано ранее, предотвращается наложение друг на друга токов в отрицательном направлении или токов в положительном направлении. Это может уменьшить ток пульсации. Другими словами, устанавливая одну и ту же фазу для множества ветвей, возможно снизить рабочий ток каждой фазы и поэтому снизить ток пульсации. Кроме того, для одного периода управления одной и той же фазы период, когда положительный импульсный ток протекает через определенную ветвь, и период, когда отрицательный импульсный ток протекает через другую ветвь, перекрывают друг друга. Соответственно, возможно предотвратить ситуацию, когда токи в одном и том же направлении накладываются друг на друга, снижая, таким образом, ток пульсации.
Кроме того, в этом варианте осуществления команды продолжительности включения для первой и второй ветвей устанавливаются равными друг другу. Эта конфигурация может предотвратить различие между токами, протекающими через первую и вторую ветви в одном периоде управления. Соответственно, возможно предотвратить ухудшение рабочих характеристик управления вращающим моментом двигателя 10.
Когда продолжительность включения составляет 50% (периоды во включенном и выключенном состояниях равны), как изображено на фиг. 7(a)-7(c), как для фаз U1 и U2, положительный импульсный ток фазы U1 и отрицательный импульсный ток фазы U2 полностью перекрывают друг друга (то же самое относится к фазам U3 и U4). Среди Фиг.7(а)-7(с) на фиг. 7(a) предполагается, что в инверторе каждая из трех фаз содержит одну ветвь, показывая ток, протекающий через ветвь фазы U (верхний вид), общий ток фазы U (средний вид) и ток, протекающий через конденсатор C. С другой стороны, на фиг. 7(b) и 7(c) предполагается, что в каждом инверторе каждая из трех фаз содержит четыре ветви и ток схематично показывается как протекающий через каждую ветвь фазы U (верхний вид), как полный ток фазы U (средний вид) и как ток, протекающий через конденсатор C. Здесь на фиг. 7(b) показано состояние, в котором фазы команд продолжительности включения для каждой ветви не изменяются, и на фиг. 7(c) изображено состояние, в котором фазы команд продолжительности включения некоторых ветвей изменяются, как описано в первом варианте осуществления. На чертеже каждая заштрихованная область, обозначенная диагональными линиями, имеющими наклон вверх вправо, изображают состояние, в котором верхнее плечо включено, а заштрихованная область, обозначенная диагональными линиями с наклоном вниз вправо, изображает состояние, в котором включено нижнее плечо.
Дополнительно, в первом варианте осуществления контроллер 30 сравнивает период положительного импульсного тока, протекающего через первую ветвь, с периодом отрицательного импульсного тока, протекающего через вторую ветвь, и затем изменяет фазы команд продолжительности включения так, чтобы более длинный из сравниваемых периодов импульсного тока попадал в пределы короткого периода. При такой конфигурации с любой продолжительностью включения, меняющейся в каждом периоде управления, наложение токов в отрицательном направлении или токов в положительном направлении может быть предотвращено, снижая, таким образом, ток пульсации.
И еще дополнительно, в первом варианте осуществления контроллер 30 изменяет фазы команд продолжительности включения так, чтобы период, когда общий ток пульсации с определенной фазой минимизирован, и период, когда общий ток пульсации другой фазы минимизирован, не перекрывали друг друга. При такой конфигурации возможно предотвратить перекрытие токов в отрицательном направлении или положительном направлении в ветвях, образующих соответствующие фазы, снижая, таким образом, ток пульсации.
Дополнительно, в первом варианте осуществления контроллер 30 изменяет фазы команд продолжительности включения так, чтобы положительный импульсный ток, протекающий через первую ветвь, был непрерывен с положительным импульсным током, протекающим через вторую ветвь. При такой конфигурации возможно предотвратить ток пульсации, вызванный промежутком между положительным импульсным током в первой ветви и положительным импульсным током во второй ветви.
При такой конфигурации управление осуществляется таким образом, что количество плеч, запускаемых для передачи положительного импульсного тока, или количество плеч, запускаемых для передачи отрицательного импульсного тока, оставалось, по существу, постоянным во время переходного периода в течение одного периода управления. Это снижает перекрытие токов в положительном или отрицательном направлениях в ветвях, образующих каждую фазу. Соответственно, сумму токов пульсации можно снизить. Например, в примере, изображенном на фиг. 6, в момент времени В1 нижние плечи ветвей фаз U4, V4 и W1-W5 находятся среди ветвей трех фаз. С другой стороны, в момент времени B2 нижние плечи ветвей фаз U4, U5, V4, V5 и W1-W5 находятся среди ветвей трех фаз. Общее количество нижних плеч, которые включены в трех фазах, изменяется таким образом. Однако в соответствии с первым вариантом осуществления упомянутая выше ситуация может быть предотвращена.
И дополнительно, в первом варианте осуществления двигатель 10 является электромеханическим двигателем, объединяющим вместе двигатель 10 и инвертор 20. Этот электромеханический двигатель включает множество обмоток и множество мостовых схем, образованных из множества ветвей. Точка вывода каждой ветви соединяется с соответствующей обмоткой. Например, в конфигурации, которая делится на отдельные механический и электрический блоки, даже если ветви, предназначенные для одной и той же фазы, соединяются параллельно, фазы импульсных токов ветвей относительно одной и той же фазы не могут смещаться относительно друг друга. Напротив, если импульсные токи не синхронизированы, ток может сосредотачиваться в одной из ветвей. В этом случае необходимо синхронизировать моменты времени в соответствии с характеристиками работы полупроводниковых переключателей, снабженных плечами, усложняя, таким образом, управление. В этом отношении в соответствии с первым вариантом осуществления двигатель 10 может быть скомпонован как электромеханический двигатель. Множество обмоток, разделенных по фазам, может поэтому соединяться с множеством мостовых схем инвертора 20. Соответственно, при использовании многофазного преобразователя мощности, содержащего несколько ветвей, соединенных параллельно для каждой фазы, вышеупомянутое управление может быть эффективно реализовано.
В первом варианте осуществления инвертор 20 включает в себя ветви, количество которых кратно количеству пазов двигателя. При такой конфигурации количество ветвей в одной и той же фазе может быть увеличено и ток, протекающий через каждую ветвь, может быть снижен. Поэтому возможно эффективно предотвращать возникновение тока пульсации.
Второй вариант осуществления
Здесь далее дается описание системы управления двигателем, соответствующей второму варианту осуществления настоящего изобретения. Система управления двигателем, соответствующая второму варианту осуществления, отличается от системы, соответствующей первому варианту осуществления, введением фазовых обмоток пяти фаз и инвертора 20, включающего в себя m ветвей для каждой фазы, причем m ветвей соединяются параллельно. Описание тех же самых вопросов, которые встречаются в первом варианте осуществления, опущены, и здесь далее описание сосредотачивается на отличиях.
Двигатель 10 является синхронным двигателем с постоянным магнитом, содержащим n (n - натуральное число не менее 1) фазовых обмоток, которые наматываются вокруг зубцов статора (в этом варианте осуществления двигатель с пятью фазами имеет фазы U, V, W, X и Y). Каждая фазовая обмотка делится на m частей. Обмотки, относящиеся к одной и той же фазе, должным образом наматываются вокруг заданных сердечников статора. Здесь далее m наборов элементов фазы U (обмотка и описанная позже ветвь) обозначаются как фазы U1, U2..., Um, и элементы фаз V-Y также обозначаются как фазы V1-Y1, V2-Y2... и Vm-Ym соответственно. Во втором варианте осуществления описание приводится для m=5.
Как изображено на фиг. 8, инвертор 20 включает в себя пять ветвей для каждой из фаз U, V, W, X и Y, причем ветви соединяются параллельно. Для конкретности, фаза U снабжается пятью ветвями, соответствующими фазам U1-U5. Точно так же каждая из фаз V, W, X и Y снабжается пятью ветвями, соответствующими фазам V1-V5, W1-W5, X1-X5 и Y1-Y5 соответственно. Пять ветвей каждой фазы соединяются параллельно. Каждая из ветвей, образующих каждую фазу, включает в себя верхнее плечо, соединенное с шиной на стороне положительного электрода источника 5 электропитания, и нижнее плечо, соединенное с шиной на стороне отрицательного электрода источника 5 электропитания, причем верхние и нижние плечи соединяются последовательно. Каждое из плеч, составляющих каждую ветвь, образуется, главным образом, полупроводниковым переключателем, способным управлять однонаправленной проводимостью (переключающий элемент, такой как, например, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)). Полупроводниковый переключатель соединяется с обратным диодом во встречно-параллельном включении.
Даже в электромеханическом двигателе, имеющем вышеупомянутую конфигурацию, такую же, как в первом варианте осуществления, блок 36 управления синхронизацией контроллера 30 изменяет фазу сигнала Sp_nm запуска по меньшей мере одной из пяти ветвей одной и той же фазы в любой одной или нескольких фазах U-Y.
Фиг. 9 - пояснительный вид, изображающий переходной процесс импульсных токов, протекающих через каждую ветвь и каждую фазу в течение одного периода управления в определенное время. На фиг. 9 мгновенный ток фазы U равен 50 A; фазы V - 98 A; фазы W - 10 A; фазы X - 91 A и фазы Y - 67 A. Значения тока, показанные на фиг. 9, составляют 1/10 от действительных значений.
В фазе V с большим током управление осуществляется таким образом, что отрицательный импульсный ток, протекающий через ветвь фазы V1, и положительный импульсный ток, протекающий через ветвь фазы V2, перекрывают друг друга во времени. Описанное выше соотношение удовлетворяется не только между фазами V1 и V2, но также и между фазами V2 и V3, между фазами V3 и V4 и между фазами V4 и V5. Кроме того, то же самое соотношение удовлетворяется не только для фазы V, но также и для фаз X и Y, которая имеет большой ток.
В этом случае управление осуществляется таким образом, что период времени, когда общий ток пульсации фазы V минимизирован (период, обведенный сплошной линией эллипса на чертеже), не перекрывает период времени, когда общий ток пульсации фазы X минимизирован (период, обведенный другой сплошной линией эллипса на чертеже).
Кроме того, чтобы снизить общие токи пульсации фаз U-Y, управление осуществляется таким образом, что период времени отрицательного импульсного тока фазы U, которая является фазой, имеющей второй самый малый ток (период, обведенный пунктирной линией эллипса на чертеже), не перекрывает период отрицательного импульсного тока фазы W, которая является фазой, имеющей самый малый ток.
В соответствии со вторым вариантом осуществления в одном периоде управления период времени, когда положительный импульсный ток протекает через ветвь (первую ветвь) определенной фазы, и период времени, когда отрицательный импульсный ток протекает через другую ветвь (вторую ветвь) той же самой фазы, перекрывают друг друга. При такой конфигурации, как и в первом варианте осуществления, наложение токов в отрицательном или положительном направлении предотвращается, уменьшая, таким образом, ток пульсации.
Кроме того, во втором варианте осуществления контроллер 30 изменяет фазы команд продолжительности включения, так чтобы положительный импульсный ток, протекающий через первую ветвь, был непрерывен с положительным импульсным током, протекающим через вторую ветвь. При такой конфигурации возможно предотвратить ток пульсации, который может создаваться между положительным импульсным током первой ветви и положительным импульсным током второй ветви.
Дополнительно, во втором варианте осуществления контроллер 30 изменяет фазы команд продолжительности включения так, чтобы период времени, когда общий ток пульсации определенной фазы минимизирован, и период времени, когда общий ток пульсации другой фазы минимизирован, не перекрывали друг друга. При такой конфигурации перекрытие токов в отрицательном или положительном направлении снижается для ветвей, образующих соответствующие фазы, снижая, таким образом, ток пульсации.
Здесь выше описана система управления двигателем в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Однако очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается представленными выше вариантами осуществления и может быть по-разному модифицировано, не отступая от сущности изобретения. Например, упомянутые выше варианты осуществления описывают систему управления двигателем, выводящую выходную мощность преобразователя мощности на двигатель. Это изображено на примере и система преобразования мощности, которая преобразует входную мощность и выводит мощность, также функционирует как часть настоящего изобретения. Кроме того, система преобразования мощности может применяться в дополнение к инвертору, который получает постоянный ток (DC) и обеспечивает на выходе мощность переменного тока, к преобразователю энергии, такому как преобразователь DC/DC.
Настоящая заявка заявляет преимущества приоритета и основана на японской патентной заявке № 2010-158419, зарегистрированной 13 июля 2010 г., все содержание которой содержится здесь посредством ссылки.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
В соответствии с системой преобразования мощности, фазы вычисленных команд продолжительности включения изменяются так, чтобы период времени, когда положительный ток протекает через первую ветвь, и период времени, когда отрицательный импульсный ток протекает через вторую ветвь, перекрывали друг друга в одном периоде управления. Это может предотвратить наложение токов в одном и том же направлении. Поэтому возможно снизить ток пульсации. Соответственно, контроллер инвертора мощности, соответствующий настоящему изобретению, является промышленно применимым.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
5 Источник электропитания
10 Двигатель
11 Ротор
12 Статор
20 Инвертор
30 Контроллер
31 Блок управления вращающим моментом
32 Блок управления током
33 Блок преобразования dq координат/трехфазные координаты
34 Блок генерации команды коэффициента модуляции
35 Блок управления PWM
36 Блок управления синхронизацией
37 Блок преобразования трехфазных координат/dq координаты
38 Блок вычисления скорости вращения
40 Датчик положения
41 Датчик тока