用於操控多相電機的方法
2023-10-05 02:36:59 3
用於操控多相電機的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於操控與直流電壓源連接的多相電機的方法，所述多相電機具有配備有中間迴路電容器的中間迴路、相繞組並且對於每相具有高側開關和低側開關。分配給各個相的開關由控制單元施加控制信號。為減小中間迴路電流，控制單元對於分配給各個相的開關提供塊狀控制信號，使得預先給定梯形或脈衝形相電流，使得在每個操控循環的每個時刻接通至少一個相電流並且按數值如此選擇預先給定的相電流的振幅比，使得所接通的相電流對應於直流電壓源的當前電流。
【專利說明】用於操控多相電機的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於操控多相電機的方法。
【背景技術】
[0002]電旋轉場驅動是已知的。在此採用不同的調製方式。在旋轉場驅動情況下，脈寬調製(PWM)的採用是非常普遍的。在這種旋轉場驅動時的調節根據分別存在的要求按照以下方法之一進行:
-使用正弦形電流調節(正弦換向)，
-使用塊狀電流調節(塊通電)，
-使用塊狀電壓(利用塊電壓控制)，
-使用具有疊加的零電壓的正弦形電壓調節。
[0003]原則上可以在具有任意相數的電機情況下使用前述技術。實際上最經常地想到具有三相的電機。但是也存在具有不同相數的電機，例如具有一相、兩相、四相、五相、六相、七相或九相的電機。
[0004]此外，已經已知所謂的起動停止系統。這些起動停止系統用於停止和用於重新起動內燃機用於減小燃料消耗和廢氣排放目的。
[0005]由發明人研製的起動停止系統基於常規起動器工作。在此，相應的起動器通過電子控制設備操控並且藉助於小齒輪與在飛輪處所設置的齒環嚙合。
[0006]此外，已經建議基於具有附加電控制設備的爪極發電機來在皮帶傳動(RSG)中實現起動器發電機。在這種起動器發電機情況下經常將相直接經由電子半導體開關與諸如電池的直流電壓源連接，而不應用諸如PWM的時鐘控制方法。
[0007]為了能夠在制動情況下回收較高能量，需要具有較高電壓的系統。在較高電壓時，對於內燃機的起動，在逆變器中供應電壓的時鐘控制變得必要，以便將電機中的電流限制到預先給定的最大值。受時鐘控制的逆變器需要具有高電容的電容器的中間迴路，以便平滑耗用電流中的交變分量。在末級中，中間回流的規格確定經常確定用於相應的末級的位
置需求。
[0008]如上所詳述的，在所述電機中，在較高電壓時採用具有時鐘控制方法(PWM)的運行方式並且在較低電壓情況下或在較高轉速情況下採用具有塊換向(無PWM)的運行方式。在時鐘控制方法情況下，電流測量具有特殊意義，因為在這些時鐘控制方法情況下執行電流調節，為了該電流調節，實際電流的測量是必要的。
[0009]為了在電機的各個相中測量電流，採用將電流轉換成等效電壓信號的分流電阻，或者使用間接電流測量方法，例如電流變換器或LEM轉換器。
【發明內容】
[0010]具有在權利要求1中所說明的特徵的方法與此相應地具有以下優點:相比於已知的操控方法，出現的中間迴路電流強烈減少。該優點通過用於操控與直流電壓源相連接的多相電機的方法實現，所述電機具有配備有中間迴路電容器的中間迴路並且對於每相具有高側開關和低側開關，其中分配給各個相的開關由控制單元施加控制信號，其中控制單元為了減小中間迴路電流而對於分配給各個相的開關提供塊狀控制信號，使得預先給定梯形或脈衝形相電流，在每個操控循環的每個時刻接通至少一個相電流並且按數值如此選擇預先給定的相電流的振幅比，使得當前接通的相電流對應於直流電壓源的當前電流。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]下面根據附圖更詳細地闡述本發明。其中:
圖1示出用於闡述以具有B10橋的五角星接線的連接到諸如電池的直流電壓源上的五相電機的簡圖，
圖2示出用於闡明已知的中心對齊操控模式和在此出現的電流的圖表，
圖3示出在圖2中所示的圖表的放大片段，
圖4不出用於闡明五相正弦系統的圖表，
圖5示出用於闡明經改善的第一操控模式和在此出現的中間迴路電流的圖表，
圖6示出用於闡明經改善的第二操控模式和在此出現的中間迴路電流的圖表，
圖7示出用於闡明本發明的第一實施例的在以2*Pi說明的電氣周期上的相電流變化曲線的圖表(4:1)，
圖8示出用於闡明本發明的第二實施例的在以2*Pi說明的電氣周期上的相電流變化曲線的圖表，其中相對於圖7而言，相電流被翻轉(4:1)，
圖9示出用於闡明本發明的第三實施例的在以2*Pi說明的電氣周期上的相電流變化曲線的圖表(3:2)，
圖10示出用於闡明在圖7中所示的第一實施例的操控模式的圖表(4:1)，
圖11示出用於闡明在圖9中所示的實施例的操控模式的圖表(3:2)，
圖12示出用於闡明根據本發明的第四實施例利用2:3操控實現塊電流的操控模式的圖表，
圖13示出用於闡明根據本發明的五實施例利用1:4操控實現塊電流的操控模式的圖
表，
圖14示出用於闡明本發明第六實施例的圖表，
圖15示出用於闡明在使用圖10中所示的操控模式時的電流變化曲線的圖表，
圖16示出用於闡明在已知的中心對齊操控時的電流變化曲線的圖表，和圖17示出用於闡明在使用圖11中所示的操控模式時電流變化曲線的圖表。
【具體實施方式】
[0012]本發明涉及一種用於操控與諸如電池的直流電壓源相連接的多相電機的方法，所述多相電機具有配備有中間迴路電容器的中間迴路並且對於每相具有高側開關和低側開關，其中分配給各個相的開關由控制單元施加控制信號。該方法不受電機的確定的相數約束，但是以下根據五相電機更詳細地予以闡述。
[0013]圖1示出用於闡述以具有B10橋的五角星接線的五相電機的簡圖。將以下接線類型理解為五角星接線，其中電路的總共五個相繞組相互電連接，使得電路圖的形狀得出五角星。
[0014]所示的電機總共具有五個相端子A1、A2、A3、A4、A5和總共五個相繞組1、2、3、4、5，其中這些相繞組中的每一個接在所述相端子中的兩個之間。此外，所示的電機具有與相端子連接的功率電子設備LE和諸如電池B的直流電壓源。直流電壓源B具有正極B+和負極B-。中間迴路ZK位於直流電壓源B和功率電子設備LE之間，所述中間迴路包含中間迴路電容器c_ZK。
[0015]功率電子設備LE包含五個支路Phl、Ph2、Ph3、Ph4和Ph5，其中每一個均具有兩個開關的串聯電路，其中二極體與這些開關中的每一個反並聯連接。該裝置在使用傳統的場效應電晶體作為開關情況下得出，因為這些場效應電晶體包含反向二極體。但是原則上也可以使用其它開關元件，例如IGBT。
[0016]功率電子設備LE的包含開關HS1和LSI的支路Phi在兩個開關HS1和LSI之間的連接點處與電機的定子的相端子A1連接。支路Phi的開關HS1是高側開關。二極體與開關HS1反並聯連接。支路Phi的開關LSI是低側開關。二極體與開關LSI反並聯連接。開關HS1和LSI由控制單元S利用控制信號S1和S2操控。
[0017]功率電子設備LE的包含開關HS2和LS2的支路Ph2在兩個開關HS2和LS2之間的連接點處與電機的定子的相端子A2連接。支路Ph2的開關HS2是高側開關。二極體與開關HS2反並聯連接。支路Ph2的開關LS2是低側開關。二極體與開關LS2反並聯連接。開關HS2和LS2由控制單元S利用控制信號S3和S4操控。
[0018]功率電子設備LE的包含開關HS3和LS3的支路Ph3在兩個開關HS3和LS3之間的連接點處與電機的定子的相端子A3連接。支路Ph3的開關HS3是高側開關。二極體與開關HS3反並聯連接。支路Ph3的開關LS3是低側開關。二極體與開關LS3反並聯連接。開關HS3和LS3由控制單元S利用控制信號S5和S6操控。
[0019]功率電子設備LE的包含開關HS4和LS4的支路Ph4在兩個開關HS4和LS4之間的連接點處與電機的定子的相端子A4連接。支路Ph4的開關HS4是高側開關。二極體與開關HS4反並聯連接。支路Ph4的開關LS4是低側開關。二極體與開關LS4反並聯連接。開關HS4和LS4由控制單元S利用控制信號S7和S8操控。
[0020]功率電子設備LE的包含開關HS5和LS5的支路Ph5在兩個開關HS5和LS5之間的連接點處與電機的定子的相端子A5連接。支路Ph5的開關HS5是高側開關。二極體與開關HS5反並聯連接。支路Ph5的開關LS5是低側開關。二極體與開關LS5反並聯連接。開關HS5和LS5由控制單元S利用控制信號S9和S10操控。
[0021]在圖1中所示的電機的運行中，對於每個任意時刻，下面的關係適用:I_ZK=I_Bat-1_Gen。
[0022]在此，發電機電流I_Gen根據功率電子設備的開關的位置由其高側開關在相應的時刻導通的相的相電流1_1至1_5的疊加得出。
[0023]所謂的中心對齊操控已經是已知的。在該中心對齊操控情況下，電流流動的時間範圍被集中到小的時間範圍。用於這種中心對齊操控的和在此出現的電流的操控模式在圖2中所示的圖表中被闡明，其中在圖2中用於分配給相的開關的操控脈衝用U、V、W、X和Y表示並且相電流用I_U、I_V、I_W、I_X和I_Y表示。
[0024]在此，在圖2a中示出用於開關的操控信號，在圖2b中示出中間迴路電流I_ZK，在圖2c中示出在直流電壓源的正極上所施加的電&V_B+，在圖2d中示出直流電壓源的電流I_Bat以及在圖2e中示出相電流I_X至I_Y。
[0025]從圖2a中尤其是可以看出，在中心對齊操控時操控脈衝的脈衝中心在時間上重合，如通過豎直虛線在圖2a中所表明的。另外從圖2a中得知，操控脈衝的邊沿在時間上相互不同並且處於有限的時間範圍中。用文本「空轉LS」表明，在該時間間隔中所有低側開關導通。用文本「空轉HS」表明，在該時間間隔中所有高側開關導通。用文本「驅動」表示在該窄的時間窗中通過開關位置將電機連接到外部電壓。由此在定子繞組中引起電流變化。如果操控脈衝處於電壓水平16 V，則分別所屬的高側開關導通。如果操控脈衝處於0 V的電壓水平，則分別所屬的低側開關接通。
[0026]從圖2b可以得出，中間迴路電流I_ZK在操控脈衝的邊沿的該時間範圍中經歷強烈變化，如還要根據圖3更詳細地闡明的。
[0027]從圖2c可以看出，電池電壓V_B+在操控脈衝的邊沿的時間範圍中經歷強烈變化。
[0028]圖2d示出直流電壓源的電流I_Bat並且圖2e示出相電流I_X至I_Y，所述相電流根據分別所屬的高側開關的位置貢獻於或者不貢獻於中間迴路電流。
[0029]圖3示出在圖2中所示的圖表的放大片段。在此在圖3a中又示出用於開關的操控信號，在圖3b中示出中間迴路電流I_ZK，在圖3c中示出在直流電壓源的正極處施加的電壓V_B+，在圖3d中示出直流電壓源的電流I_Bat以及在圖3e中示出相電流I_X至I_Y。[0030]從圖3b可以看出，中間迴路電流I_ZK通過直流電壓源的電流I_Bat與所述一個或多個分別激活的相電流的疊加構成並且在屬於相端子X、U和W的高側開關導通的情況下有高的中間回流電流流動，所述中間迴路電流在當前示例中大約為-420A，而直流電壓源的電流大約為80A並且有效相電流大約為200A。
[0031]儘管如此，從圖2和3中得知，在使用已知中心對齊操控情況下在中間迴路中出現電流階躍，所述電流階躍與各個開關事件在時間上相關。在圖2中表明的空轉時間期間、也即當所有高側或低側開關閉合時，I_Gen=0。因此對於中間迴路電流適用的是:I_ZK=I_Bat。在該相中，中間迴路電容器被再充電。在該操控相中，電流彼此相加。
[0032]對於中間迴路電容器的損耗功率觀察，有效電流是決定性的。以下關係適用:
【權利要求】
1.用於操控與直流電壓源連接的多相電機的方法，所述多相電機具有配備有中間迴路電容器的中間迴路、相繞組並且對於每相具有高側開關和低側開關，其中分配給各個相的開關由控制單元施加控制信號，其特徵在於，為減小中間迴路電流，控制單元對於分配給各個相的開關提供塊狀控制信號，使得預先給定梯形或脈衝形的相電流，在每個操控循環的每個時刻接通至少一個相電流並且按數值這樣選擇預先給定的相電流的振幅比，使得當前接通的相電流對應於直流電壓源的當前電流。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述電機是η相電機，並且對於預先給定的相電流的振幅比，以下關係適用:其中
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述電機是五相電機，並且預先給定的相電流的振幅比為4:1、3:2、2:3或1:4。
4.根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所述控制單元按照平頂方法操控分配給各個相的開關，使得一個或多個相在PWM窗內不被時鐘控制。
5.根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，所述控制單元產生控制信號，使得在操控循環內在預先給定的電流值的相電流的每次關斷時接通具有相同電流值的另一相電流。
6.根據前述權利要求之 一所述的方法，其特徵在於，所述控制單元產生控制信號，使得所有接通的相電流的電流值始終不同於零。
7.根據權利要求1-5之一所述的方法，其特徵在於，所述控制單元產生控制信號，使得一個或多個接通的相電流的電流值在此期間是零，其中分別在關斷具有不等於0的值的相電流之後接通具有相同電流值的另一相電流。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，在五相電機的情況下其電流值不等於零的相電流處於3:1、2:1、2:2、1:2、1:3或1:1的振幅比中。
9.根據前述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在每個操控循環的每個時刻，一個預先給定的相電流具有正電流值，其它接通的預先給定的相電流分別具有相同的負電流值，並且接通的相電流的負電流值的總和等於該正電流值。
10.根據權利要求1-8之一所述的方法,其特徵在於,在每個操控循環的每個時刻，一個預先給定的相電流具有負電流值，其它接通的預先給定的相電流分別具有相同的正電流值，並且接通的相電流的正電流值的總和等於負電流值。
11.根據權利要求1-8之一所述的方法，其特徵在於，在每個操控循環的每個時刻，多個預先給定的相電流具有相同的正電流值，其它接通的預先給定的相電流分別具有相同的負電流值，並且接通的相電流的負電流值的總`等於接通的相電流的正電流值的總和。
【文檔編號】H02M7/66GK103650324SQ201280033690
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年6月20日 優先權日:2011年7月8日
【發明者】P.梅林格, F.馬吉尼 申請人:羅伯特·博世有限公司