驅動系統及相應的控制方法

2023-10-17 17:20:49

專利名稱：驅動系統及相應的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種包括一驅動變流器、一永磁同步電機和一控制裝置的驅動系統， 其中，所述永磁同步電機在其端子側藉助複數個連接線與所述驅動變流器的複數個輸出端 導電相連，在至少兩個連接線中各布置有一半導體開關，所述半導體開關在其控制側分別 與所述控制裝置的一控制輸出端相連，所述控制裝置在其輸入端與一錯誤輸出端相連，在 其輸出端與所述驅動變流器的複數個控制輸入端相連，本發明此外還涉及一種控制所述驅 動系統的方法。
背景技術：
特別如圖1所示，EP 0718143A1揭示一種與本發明同類型的驅動系統。下面藉助 圖1對這種驅動系統進行詳細說明。在圖1中，3表示驅動變流器，5表示永磁同步電機，4A 表示控制裝置，6a和6b表示位於至少兩個連接線11和w中的開關。用作驅動變流器3的是 一自換相脈衝變流器，該脈衝變流器的變流閥是一個個由門極可關斷晶閘管3a、3b、3c、3d、 3e和3f及續流二極體31構成的並聯電路。每個續流二極體31均與一個門極可關斷晶閘 管3a、3b、3c、3d、3e和3f反向並聯。門極可關斷晶閘管3a、3b、3c、3d、3e和3f也以GTO晶 閘管(Gate Turn-OffThyristoren,門極可關斷晶閘管)而為人所知。在圖1所示的驅動系 統中，驅動變流器3以逆變器模式運行，在此情況下，存在於直流電壓側的直流電壓可在交 流電壓側產生三個交流電壓。控制裝置4A在其輸出端與驅動變流器3及兩個開關6a和6b的控制輸入端相連。 此控制裝置4A在其輸入端一方面與安裝在驅動變流器3中的傳感器(圖中未顯示)相連， 另一方面與轉子軸承傳感器(圖中未顯示)相連。如此就可從驅動變流器3向控制裝置4A 發送信號P，從轉子軸承傳感器向控制裝置4A發送信號R。這個控制裝置4A為驅動變流器 3的每個變流閥的門極可關斷晶閘管3a、3b、3C、3d、3e和3f產生控制信號C，為兩個開關6a 和6b產生控制信號a2。驅動變流器3在其直流電壓側正側通過接觸器2與集電器1導電相連，負側與一 基準電位(地電位)導電相連。附圖所示的這種驅動系統是一種應用於電動車輛特別是有 軌車輛的牽引系統。一或複數個門極可關斷晶閘管3a、3b、3c、3d、3e和/或3f —旦發生故障，這個驅 動變流器就無法再向永磁同步電機5提供端電壓。由於這裡的永磁同步電機5是一驅動電 動機(例如軌道車輛的驅動電動機)，並且該車輛還需繼續行駛，因此永磁同步電機5會以 發電機模式工作。在此情況下，處於「發電機」工作模式的永磁同步電機5會驅使一個短路 電流流經與之相接的連接線u、v和w以及驅動變流器3的變流閥的相應半導體3a、3b、3c、 3d、3e和3f。從而使這些半導體3a、3b、3c、3d、3e和3f及永磁同步電機5出現不允許的發 熱。為了防止出現上述情況的短路電流而在連接線u和w中布置兩個開關6a和6b。 驅動變流器3的變流閥中一旦有半導體3a、3b、3C、3d、3e和3f發生故障，就可通過信號P將這一狀態報告給控制裝置4A。控制裝置隨後產生信號a2，藉此將正常工作狀態下保持閉 合的開關6a和6b斷開。EP 0718143A1還揭示，開關6a和6b也可採用半導體開關。但這個歐洲專利申請 公開案並未揭示這種半導體開關的構建方式。

發明內容
本發明的目的是為上述半導體開關提供一種實施方式，通過這種實施方式可以獲 得一種可應用於上述驅動系統的驅動變換器的易於控制的保護電路。根據本發明，這個目的通過權利要求1特徵部分的特徵而達成。通過採用可控不對稱阻斷半導體開關作為這種半導體開關，並在所述驅動變流器 和所述永磁同步電機之間的所有連接線中各布置一個這種半導體開關，只需產生一個控制 信號，該控制信號可提供給所有半導體開關。如果所述可控不對稱阻斷半導體開關採用的是包括反向並聯二極體的晶閘管，就 可使控制方式得到簡化，從而在故障情況下不必再產生控制信號。流經一處於導通狀態但 不再受控的晶閘管的電流一旦過零，該晶閘管就停止工作並將相應的電流路徑切斷。藉此 可避免故障情況下可控不對稱阻斷半導體開關中產生損耗。根據所述驅動系統的一種有利實施方式，所述可控不對稱阻斷半導體開關布置在 所述驅動變流器中，尤其是與該驅動變流器的冷卻系統導熱相連。由此可確保每個可控不 對稱阻斷半導體開關的半導體都能得到冷卻。在將一晶閘管和一與之反向並聯的二極體用作可控不對稱阻斷半導體開關的情 況下，該晶閘管只需要一個周期性控制信號。正常運行時，所述晶閘管處於導通狀態，因此 該晶閘管可以導通端電壓的任何一個負半波，相應的反向並聯二極體可以導通這個端電壓 的任何一個正半波。亦即，所述驅動變流器和所述永磁同步電機之間的具有可控不對稱阻 斷半導體開關的連接線被貫穿連接。發生故障時，必須確保處於「發電機」工作模式的永磁 同步電機再也不會驅使短路電流經由所述連接線流向所述驅動變流器，之後再流回該永磁 同步電機。這一點通過以下方法而實現，即僅對用於布置在每個連接線中的可控不對稱阻 斷半導體開關的晶閘管的周期性控制信號採取抑制措施。最簡單的做法是，發生故障時根 本就不產生這個周期性控制信號。在每個現有可控不對稱阻斷半導體開關處於導通狀態的 晶閘管不再受到控制的情況下，一旦流經該晶閘管的電流過零，該晶閘管就會進行阻斷。這 樣就可以獲得一種非常易於控制的驅動變流器用保護電路。


下面藉助附圖以示意圖形式加以展示的本發明驅動系統的實施方式對本發明作 進一步說明，其中圖1為一已知驅動系統的框圖；以及圖2為本發明的驅動系統的框圖。
具體實施例方式與圖1所示實施方式不同的是，本發明如圖2所示的驅動系統實施方式採用的是可控不對稱阻斷半導體開關8。每個可控不對稱阻斷半導體開關8均具有一晶閘管10和一 與該晶閘管10反向並聯的二極體12。這種可控不對稱阻斷半導體開關8如此布置在驅動 變流器3和永磁同步電機5之間的連接線u、v或w中，使得二極體12可以導通驅動變流器 3所產生的端電壓的正半波，晶閘管10可以導通該端電壓的負半波。在驅動變流器3的無故障工作過程中，對可控不對稱阻斷半導體開關8的晶閘管 10進行周期性控制。為此，在控制裝置4A中產生控制信號5_通過對每個晶閘管10進行 這種周期性控制，驅動變流器3實現與永磁同步電機5的導電連接。在故障情況下，即當驅 動變流器3產生錯誤信號P時，晶閘管10的控制信號STh會受到抑制，從而使得這些晶閘管 10在流通電流下一次過零時進行阻斷。對控制信號sTh的抑制方式是在故障情況下不再 產生這些控制信號。在位於連接線u、v和W中的所有可控不對稱阻斷半導體開關8的晶閘 管10進行阻斷的情況下，不再存在可供短路電流從永磁同步電機5流向驅動變流器3並且 再流回同步電機5的電流路徑。根據本發明的半導體開關設計方案，不需要設置任何用以 在故障情況下斷開半導體開關的控制信號。如圖2所示，向控制裝置4A提供一個電源電壓Uv。這個電源電壓可能出於種種原 因而中斷。即使在這種情況下，晶閘管10也不再受到周期性控制信號STh的控制，其原因在 於，控制裝置4A由於電源電壓Uv中斷而無法工作。在此情況下，所述驅動系統的保護電路 會自行進入安全狀態(即斷開驅動變流器3和永磁同步電機5之間的連接)。由於所述可控不對稱阻斷半導體開關8的這些晶閘管10隻有在驅動變流器3無 故障運行時才轉換到導通狀態，因此，只有在驅動變流器3無故障運行時才會產生損耗。為 了冷卻這些晶閘管10，需要將其整合在驅動變流器3中。亦即，這些晶閘管10與驅動變流 器3的變流閥的冷卻系統(特別是散熱器)導熱相連。由此可確保可控不對稱阻斷半導體 開關8在所述驅動系統正常工作時得到冷卻。當驅動變流器3發生故障(也可能是冷卻故 障)時，保護電路中不會產生損耗。
權利要求
一種驅動系統，包括一驅動變流器(3)、一永磁同步電機(5)和一控制裝置(4A)，其中，所述永磁同步電機(5)在其端子側藉助複數個連接線(u，v，w)與所述驅動變流器(3)的複數個輸出端導電相連，在兩個連接線(u，w)中各布置有一半導體開關，所述半導體開關在其控制側分別與所述控制裝置(4A)的一控制輸出端相連，所述控制裝置(4A)在其輸入端與一錯誤輸出信號(P)相連，在其輸出端與所述驅動變流器(3)的複數個控制輸入端相連，其特徵在於，所述半導體開關(8)為可控不對稱阻斷半導體開關(8)，且所述驅動變流器(3)和所述永磁同步電機(5)之間的每個連接線(u，v，w)中均布置有一這種類型的半導體開關(8)。
2.根據權利要求1所述的驅動系統，其特徵在於，所述不對稱阻斷半導體開關(8)採用一包含有反向並聯二極體(12)的晶閘管(10)。
3.根據權利要求1和2所述的驅動系統，其特徵在於，所述不對稱阻斷半導體開關(8)布置在所述驅動變流器(3)中。
4.根據權利要求3所述的驅動系統，其特徵在於，所述單向不對稱阻斷半導體開關(8)與所述驅動變流器(3)的一冷卻系統導熱相連。
5.一種對根據權利要求1所述的驅動系統進行控制的方法，其特徵在於，在所述驅動變流器(3)的工作過程中，對所述不對稱阻斷半導體開關(8)的每個晶閘 管(10)都進行周期性控制。
6.根據權利要求5所述的用於控制所述驅動系統的方法，其特徵在於，在所述驅動變流器(3)發生故障的情況下，不再對所述不對稱阻斷半導體開關(8)的 晶閘管(10)進行控制。
全文摘要
本發明涉及一種包括一驅動變流器(3)、一永磁同步電機(5)和一控制裝置(4A)的驅動系統，其中，所述永磁同步電機(5)在其端子側藉助複數個連接線(u，v，w)與所述驅動變流器(3)的複數個輸出端導電相連，在兩個連接線(u，w)中各布置有一半導體開關，所述半導體開關在其控制側分別與所述控制裝置(4A)的一控制輸出端相連，所述控制裝置(4A)在其輸入端與一錯誤輸出信號(P)相連，在其輸出端與所述驅動變流器(3)的複數個控制輸入端相連。本發明採用可控不對稱阻斷半導體開關(8)，在所述驅動變流器(3)和所述永磁同步電機(5)之間的每個連接線(u，v，w)中均布置有一這種類型的可控不對稱阻斷半導體開關。藉此可獲得一種可應用於上述驅動系統的驅動變流器(3)的易於控制的保護電路。
文檔編號H02H3/26GK101884150SQ200880119111
公開日2010年11月10日 申請日期2008年9月8日 優先權日2007年12月14日
發明者馬克·馬蒂亞斯·巴克蘭 申請人:西門子公司