CN103733507A - 三相交流电机触发方法以及触发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对借助于逆变器来通电的电气的三相交流电机、尤其是同步电机（14）进行触发的方法，其中所述逆变器具有多个功率开关，构造所述功率开关以多相地向所述电机供给电流，其中所述逆变器能够以不同的触发模式（I、II、III、IV、V）进行触发，其中所述触发模式（I、II、III、IV、V）由空间矢量调制（I）、过调制（II、III、IV）或者模块整流（V）构成，并且其中根据所述三相交流电机的转速（n）或者说电频率（FEL）并且根据功率要求或者转矩要求来选择相应的触发模式（I-V）。

Description

三相交流电机触发方法以及触发装置

技术领域

本发明涉及一种用于对借助于逆变器来通电的电气的三相交流电机、尤其是同步电机进行触发的方法，其中所述逆变器具有多个功率开关，构造所述功率开关以多相地向所述电气的三相交流电机供给电流，并且其中所述逆变器能够以不同的触发模式进行触发。

此外，本发明涉及一种用于对电气的三相交流电机、尤其是同步电机进行触发的装置，所述装置具有逆变器，所述逆变器则具有多个半导体开关，以便多相地向所述电气的三相交流电机供给电流；并且所述装置具有用于对所述逆变器进行触发的控制单元。

最后，本发明涉及一种机动车动力传动系，所述机动车动力传动系具有至少一个用于提供驱动功率的电气的三相交流电机，并且具有用于对上面所描述的类型的电机进行触发的装置。

背景技术

在电机的技术领域上，知道不同的触发方法。其中当前为了触发三相交流电机而优选使用空间矢量调制的方法。在这种触发方法中，连续旋转的空间矢量通过彼此先后相随的、对于六个基本电压空间矢量的设定来构成。为了获得所述空间矢量的连续的旋转以及由此正弦状的相电压，以脉宽调制的方式来接通所述基本电压空间矢量，从而在平均值中产生正弦状的触发电压。为了提高所述空间矢量调制的电压利用率或者为了在去磁范围内提高所述电机的所输出的功率或者所输出的转矩，一般使用所述过调制，其中所产生的合成的空间矢量的量进行波动并且在所述六个基本电压空间矢量的角位置上相当于这些基本电压空间矢量的量。

在所述已知的触发方法中，借助于具有功率半导体开关的逆变器来触发所述电机。空间矢量调制的使用的以及在特殊的情况中所述过调制的使用的前提是：所述功率半导体开关的扫描频率或者同步频率比所述电机的电频率大了许多，所述电机的电频率相当于转速乘以所述电机的引线数。只要所述电频率通过所述电机的转速的提高来得到提高并且接近于所述功率半导体开关的扫描频率或者同步频率，那就由于触发信号的严重的失真而不能实现或者不能有效地运行所述空间矢量调制运行或者所述过调制运行。

由文献EP 1 441 436 A2公开了一种触发方法，其中可选借助于脉宽调制或者借助于模块整流（Blockkommutierung）来触发电机。

总之，在所述已知的借助于脉宽调制来实施的触发方法中，不利的是，对于较高的转速以及相应高的电频率来说并且对于较高的所要求的功率或者较高的所要求的转矩来说所述电机不能触发或者只能在能效方面有限制地触发。

发明内容

按照本发明，因此提供一种用于对借助于逆变器来通电的电气的三相交流电机、尤其是同步电机进行触发的方法，其中所述逆变器具有多个功率开关，所述功率开关构造用于多相地向所述电机供给电流，其中所述逆变器能够以不同的触发模式来触发，其中所述触发模式通过空间矢量调制、过调制或者模块整流来构成，并且其中根据所述三相交流电机的转速或者电频率以及功率或者转矩要求来选择相应的触发模式。

此外按照本发明，因此提供一种用于对三相交流电机、尤其是同步电机进行触发的装置，该装置：具有逆变器，该逆变器则具有多个功率半导体开关，用于多相地向所述三相交流电机供给电流；并且具有用来对所述逆变器进行触发的控制单元，其中所述控制单元构造用于执行上面所描述的方法。

最后按照本发明，提供一种机动车动力传动系，该机动车动力传动系具有用于提供驱动功率的三相交流电机并且具有用于对上面所描述的类型的三相交流电机进行触发的装置。

通过本发明可以提供一种方法，通过该方法可以有效地在不同的转速范围内并且以不同的所要求的转速或者所要求的功率来运行三相交流电机。此外，由此可以在一种转速范围内、尤其是在场弱运行（Feldschwächbetrieb）中最佳地运行所述三相交流电机，其中在所述转速范围内所述电频率接近于所述功率开关的同步频率，由此可以最佳地利用所提供的电压并且可以提供能够最大地实现的转矩或者能够最大地实现的功率。

特别有利的是，根据在所述功率开关的同步频率与所述三相交流电机的电频率之间的频率比例来选择所述触发模式。

由此，也可以在所述功率开关的同步频率变化时始终用最佳的触发模式来触发所述电机。

此外优选的是，只要所述频率比例大于预定义的频率比例并且必要的、用于输出所述三相交流电机的所要求的功率或者所要求的转矩的相电压的电压峰值小于或者等于为所述逆变器提供的直流电压，那就借助于空间矢量调制来触发所述逆变器。

由此可以为较高的频率和较低的功率要求来最佳地触发所述电机。在本发明的意义上，必要的、用于输出所述三相交流电机的所要求的功率或者所要求的转矩的相电压的电压峰值的、相对于为所述逆变器提供的直流电压的比例是指过调制因数。

此外优选的是，只要所述频率比例大于预定义的频率比例并且必要的、用于输出所述三相交流电机的所要求的功率或者所要求的转矩的相电压的电压峰值大于为所述逆变器提供的直流电压，那就借助于过调制来触发所述逆变器。换句话说，如果在场弱运行中运行所述三相交流电机并且所述电机的电频率相对于所述功率开关的同步频率不是很高，那就借助于过调制来触发所述三相交流电机。在这种情况下，所述过调制因数大于1。这种运行状态是所谓的场弱运行，其中所诱生的电压与端电压相比与转速成比例地上升。

由此，在过渡区域中可以最佳地触发所述三相交流电机，其中在所述过渡区域中所述空间矢量调制本身不能保证最佳的电压利用率。

此外优选的是，只要所述频率比例小于预定义的频率比例并且必要的、用于输出所述三相交流电机的所要求的功率或者所要求的转矩的相电压的电压峰值大于为所述逆变器提供的直流电压，那就借助于过调制或者模块整流来触发所述逆变器。这种运行状态是所谓的场弱运行，其中所诱生的电压与所述端电压相比与转速成比例地上升。

由此可以在特殊的情况中尤其在转速很高时最佳地触发三相交流电机。

在此优选的是，根据过调制因数与所述频率比例之间的比例从所述两种触发模式中选择一种触发模式。所述过调制因数在此从所述电压峰值与为所述逆变器提供的直流电压之间的比例中获得。

由此，可以为不同的转速用不同的过调制因数来最佳地触发所述三相交流电机。

优选的是，只要所述频率比例低于预定义的数值，那就借助于模块整流来触发所述逆变器，并且只要所述频率比例超过所述预定义的数值，那就借助于过调制来触发所述逆变器。

由此，可以为较高的转矩要求或者功率要求来最佳地利用所提供的电压。

在此特别优选的是，根据所述频率比例或者所述转速来改变所述预定义的数值。

由此可以为不同的转速和不同的功率要求来最佳地触发所述三相交流电机。

在此此外优选的是，线性地改变所述预定义的数值。

由此能够用技术上简单的方法来实现对于所述三相交流电机的控制以及尤其在所述触发模式之间的转换。

此外优选的是，只要所述转速或者所述电频率超过预定义的转速或者电频率或者所述频率比例低于预定义的第二频率比例，那就借助于模块整流来触发所述逆变器。这一点在场弱运行中进行，其中降低了所诱生的电压。

由此在转速较高时尤其能够最佳地并且有能效地触发所述三相交流电机。

在此优选的是，只要所述过调制停用，那就借助于模块整流来触发所述逆变器。

由此可以在功率要求较高并且转速较高时最佳地触发所述三相交流电机。

此外，在此优选的是，线性地改变在所述预定义的第一与第二频率比例之间的预定义的数值。

由此，在所述触发模式之间能够实现最佳的过渡并且能够用简单的方法来控制或者调整所述三相交流电机。

不言而喻，所述按本发明的方法的特性、特性和优点也相应地适用于或者能够运用到所述按本发明的装置上。

附图说明

图1是用于对电气的三相交流电机进行触发的逆变器的示意图；

图2是用于对用来触发三相交流电机的逆变器的空间矢量调制方法进行解释的复杂的矢量图表；

图3是三种不同的、用于三种不同的触发模式的触发电压的时间曲线的示意图；并且

图4是用于对用于不同的频率比例以及不同的过调制因数的不同的触发模式进行解释的图表。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了用于对电机进行触发的逆变器，并且一般地用附图标记10来表示所述逆变器。

所述逆变器10与直流电源12相连接并且用于三相地向电气的三相交流电机14通电。所述逆变器10具有三个半桥16、18、20，这三个半桥与所述直流电源12并联并且分别具有两个开关S。在所述开关S之间分别形成一个半桥分接头22，所述半桥分接头分别与所述电机14的相导体相连接。

通过所述开关S的交替的断开和闭合，在所述相导体之间分别加载触发电压UU、UV、UW，从而相应地分别出现相电流IU、IV、IW，所述相电流驱动着所述电机14。

所述逆变器10优选借助于半导体开关S来构成，其中一般相应地在这里未示出的空载二极管与所述半导体开关S并联。

所述逆变器10的开关S借助于示意性地示出的控制单元23来交替地断开和闭合，用于提供具有特定的曲线的相电压UU、UV、UW并且用所述相电流IU、IV、IW向所述电机14通电。

在图2中示出了用于对用来触发所述电机14的空间矢量调制进行解释的复杂的矢量图表并且普遍地用30来表示该矢量图表。

在所述矢量图表30中示出了所述电机14的两个具有触发角度α1的电压矢量UA、UB。此外，在所述矢量图表30中示出了六个基本电压矢量U1、U2、U3、U4、U5、U6，在将所述逆变器10的特定的开关S闭合并且相应地触发所述电机14时产生所述六个基本电压矢量。因此，比如在所述开关SU1、SV0和SW0闭合并且所述逆变器的其余的开关S断开时产生所述基本电压矢量U1。在图2中这用[100]示出。这是用于以下情况的标志：在所述开关SU1、SV1和SW1中仅仅将所述第一开关SU1闭合。为了有效地运行所述电机并且为了避免短路，从中必然产生用于所述开关SU0、SV0和SW0的开关位置。SV0和SW0闭合。相应地，在所述开关SU1、SV1和SW0闭合并且所述逆变器的其余的开关S断开时产生所述基本电压矢量U2[110]。为了设定在该实施例中具有处于所述基本电压矢量U1与U2之间的触发角度α1的电压矢量UA，根据所述基本电压矢量U1和所述基本电压矢量U2通过对于所述逆变器10的交替的触发来实现所述电压矢量UA。交替地用预定义的开关频率来设定所述两个基本电压矢量U1、U2，从而在所述基本电压矢量U1、U2的频次相同并且接通持续时间相同时刚好产生所述电压矢量UA。只要必须设定具有更大的触发角度α的电压矢量，那就相应地延长所述基本电压矢量U2的接通持续时间并且缩短所述基本电压矢量U1的接通持续时间。

由此，可以通过对于所述逆变器10的开关S的同步的触发来实现具有任意的触发角度α的电压空间矢量UA。

只要应该设定具有比所述电压矢量UA低的量的电压矢量UB，那就相应地设定零电压矢量U0、U7，其中在所述逆变器10的两侧之一上断开了所述开关S。相应地，可以通过所述基本电压矢量U1和U2与所述零电压矢量U0、U7之一的组合来实现所述电压矢量UB。

在图2中，在矢量图表30中示出了单位圆32，所述单位圆对应于所述电压矢量UA的长度。只要均匀旋转地设定所述电压空间矢量UA，那就输出正弦状的触发电压UU、UV、UW并且相应地触发所述电机14。

在图2中示出了六边形34，该六边形由六个基本电压矢量U1到U6来撑开。在所述空间矢量调制方法的一种特殊的实施方式中，如此触发所述逆变器10，从而使得所述电压空间矢量UA的量变化，并且更确切地说根据所述六边形34变化。由此产生触发电压UU、UV、UW，所述触发电压的边沿构造为正弦状并且其中间的区段如下面还要详细解释的那样构造为块状。所述空间矢量调制的这种实施方式也被称为过调制。所述过调制的不利之处是，在所述电机14中产生高次谐波，所述高次谐波可能引起振荡的或者不稳定的特性。

在图3中关于电气周期示出了用于三种不同的触发模式的触发电压UU、UV、UW的三条不同的曲线。在图3中关于电气周期示出了正弦状的触发电压36，该正弦状的触发电压相当于借助于空间矢量调制来产生的触发电压。只要越来越多地以所述过调制模式来运行所述逆变器10，那么所述正弦曲线36的边沿38就如通过箭头40所勾画出来的那样向上运动。由此产生如在42处示出的那样的过调制触发信号。所述过调制触发信号42具有正弦状的边沿38和块状的中间区段44。

此外，在图3中示出了触发电压信号45，该触发电压信号对应于借助于模块整流模式进行的触发。在此，在所述电气周期的第一半轴中，在所述电机14的相导体之间加载正的电压并且在所述电气周期的第二半轴中将负的直流电压加载到所述相导体上。

借助于模块整流模式进行的触发特别好地适合于较高的转速，对于所述较高的转速来说所述电气周期接近于所述空间矢量调制方法的触发频率，在所述模块整流运行中电压利用率为最佳并且可以获得最大能够实现的功率。

在图4中示出了一张图表，该图表用于根据过调制因数以及所述开关S的同步频率与所述电机14的电频率的比例来对不同的触发模式进行解释。在图4中，所述过调制因数用Ü来表示并且所述换流器10的功率开关S的同步频率或者脉宽调制频率用FPWM来表示，并且所述三相交流电机14的电频率用FEL来表示。

在图4中的图表中，沿着纵坐标52绘出了所述过调制因数Ü。在横坐标54上面，绘出了所述同步频率FPWM的相对于所述电频率的、随着所述电机的上升的转速n而下降的频率比例。所述横坐标54与所述纵坐标52比如在一个点中相交，在该点上所述过调制因数Ü等于1并且所述频率比例等于30。如此形成的坐标系撑开了象限，所述象限形成多个不同的触发区域。

从所述正弦状的触发电压36的电压峰值US和所述由直流电源12为所述换流器10提供的电压UDC中计算所述过调制因数Ü。所述过调制因数Ü从以下公式：

，中产生，其中US是所述正弦电压36的峰值并且UDC是所述直流电源12的直流电压。所述正弦电压36的峰值US的水平取决于所述电机14的相应的工作点。只要所述过调制因数Ü小于或者等于1，那么因此所述电压峰值US就小于最大能够提供的电压UDC。只要所述过调制因数Ü大于1，那么由此所要求的、用于对所述电机14进行触发的电压就大于所述最大能够提供的电压UDC，从而必须在所述过调制运行中或者在所述块运行中触发所述电机14，用于如已经在图3中通过箭头40所勾画出来的那样提供相应的转矩或者最佳地利用所述电压。

在图4中，第一触发模式用I来表示，对于小于或者等于1的过调制因数来说或者在没有过调制以及比30大的频率比例FPWM/FEL的情况下使用所述第一触发模式I。在这种触发模式I中，如已经在图2中所解释的那样借助于空间矢量调制在基本转速范围内触发所述逆变器10。对于所述电机14的如此低的转速n以及较低的过调制因数Ü来说，所述空间矢量调制是最为有效的触发模式。

如果在频率比例大于30时在去磁范围（Feldschwächbereich）内运行所述电机14并且比如所述过调制因数Ü＞1，那就可以在过调制运行中运行所述电机14。这在图4中作为另一种触发模式II来示出。如关于图2和3所解释的那样，在这种触发模式中由于相应地提高的转矩要求或者功率要求而在过调制运行中运行所述电机14。所述最大的过调制因数Ü在此为Ü=4/pi，该所述过调制因数Ü对应于图2的六边形34的角点。通过所述角点，所述过调制运行逐渐转变为所述模块整流运行。

在图4中为小于或者等于1的过调制因数和小于30的频率比例示出了另一种触发模式III。在这种触发模式III中，借助于与图2的六边形34的角点相对应的空间矢量调制在基本转速范围内运行所述电机。还没有使用具有比1大的Ü的过调制模式。为了获得有效的电压利用率，可以提高所述PWM频率，使得所述频率比例FPWM/FEL又大于30。对于小于或者等于30的频率比例来说并且只要在去磁范围内运行所述电机，那么按照本发明就选择或者使用两种不同的触发模式IV、V。所述触发模式IV、V通过过渡线条56来彼此分开。所述过渡线条56根据所述频率比例FPWM/FEL从所述过调制因数的最大值中产生。处于所述过渡线条56之下的触发模式IV在此是所述过调制运行。处于所述过渡线条之上的触发模式V在此是所述模块整流。所述最大可能的过调制因数Ü为4/pi=1.27。用过调制因数Ü=4/pi，如已经在图3中示出的那样，所述调制理想地与所述块运行V相同。所述过渡线条56形成在所述过调制因数Ü与所述频率比例FPWM/FEL之间的线性的相关性。对于处于所述过渡线条56之上的运行状态来说，借助于与所述触发模式V相对应的模块整流模式来触发所述电机14。所述过渡线条56在此形成在所述触发模式IV与V之间的转换区域，用于获得最佳的电压利用率和较小的转矩波动性。

所述电机14处于所述区域II、IV、V中或者对于大于1的过调制因数Ü来说处于所述场弱运行中，其中通过所述较高的转速n和所述逆变器10的构件的惯性降低了所诱生的电压。尤其由于所述场弱运行，需要不同的模式II、IV、V，用于提高效率。

只要沿着所述过渡线条56来运行所述电机14，那就为更低的转速n用强烈的过调制来运行所述电机，由此产生所述转矩的以及所述电流及电压的剧烈的波动性。只要沿着所述过渡线条56为更大的转速n来运行所述电机14，那么所述转矩就具有较低的波动性和较小的电压利用率。对于很小的过调制因数Ü来说，在所述去磁范围内由于硬件限制和最小的接通或者切断时间所述电机无法完全利用最大的电压。在这种情况下降低了所述电机14的最大能够实现的转矩。

在过调制与模块整流之间的、关于转矩波动性和电压利用率的、最佳的转换-频率比例FPWM/FEL是18±2的频率比例FPWM/FEL。

一般来讲，可以在所述触发模式I-V中用有效的电压利用率和较高的效率来最佳地触发所述电机14。

Claims (14)

1.用于对借助于逆变器（10）通电的电气的三相交流电机（14）、尤其是同步电机（14）进行触发的方法，其中所述逆变器（10）具有多个功率开关（S），构造所述功率开关以便多相地向电机（14）供给电流（IU、IV、IW），其中所述逆变器（10）能够以不同的触发模式（I、II、III、IV）进行触发，其中所述触发模式（I、II、III、IV、V）由空间矢量调制（I）、过调制（II、III、IV）或者模块整流（V）来构成，并且其中根据所述三相交流电机（14）的转速（n）或者电频率（FEL）并且根据功率要求或者转矩要求来选择相应的触发模式（I-V）。

2.按权利要求1所述的方法，其中根据所述功率开关（S）的同步频率（FPWM）的相对于所述三相交流电机（14）的电频率（FEL）的频率比例来选择所述触发模式（I、II、III、IV、V）。

3.按权利要求2所述的方法，其中只要所述频率比例大于预定义的频率比例并且必要的、用于输出所述三相交流电机（14）的所要求的功率或者所要求的转矩的相电压的电压峰值（US）小于或者等于为所述逆变器（10）提供的直流电压（UDC），那么就借助于空间矢量调制（I）来触发所述逆变器（10）。

4.按权利要求2或3所述的方法，其中只要所述频率比例大于预定义的频率比例并且必要的、用于输出所述三相交流电机（14）的所要求的功率或者说所要求的转矩的相电压的电压峰值（US）大于为所述逆变器（10）提供的直流电压（UDC），那么就借助于过调制（II、IV）来触发所述逆变器（10）。

5.按权利要求2至4中任一项所述的方法，其中只要所述频率比例小于预定义的频率比例并且必要的、用于输出所要求的功率或者所要求的转矩的相电压的电压峰值（US）大于为所述逆变器（10）提供的直流电压（UDC），那就借助于过调制（IV）或者模块整流（V）来触发所述逆变器（10）。

6.按权利要求5所述的方法，其中根据在通过所述电压峰值（US）与为所述逆变器（10）提供的直流电压（UDC）之间的比例构成的过调制因数（Ü）与所述频率比例之间的比例，从所述两种触发模式（IV、V）中选择一种触发模式（IV、V）。

7.按权利要求6所述的方法，其中只要所述过调制因数与所述频率比例之间的比例低于预定义的数值（56），那就借助于模块整流（V）来触发所述逆变器（10），并且只要所述比例超过所述预定义的数值（56），那就借助于过调制（IV）来触发所述逆变器（10）。

8.按权利要求7所述的方法，其中根据所述频率比例或者所述转速（n）来改变所述预定义的数值（56）。

9.按权利要求8所述的方法，其中线性地改变所述预定义的数值（56）。

10.按权利要求1到9中任一项所述的方法，其中只要所述转速（n）或者说所述电频率（FEL）超过预定义的转速或者说预定义电频率，或者所述频率比例低于预定义的第二频率比例，那么就借助于模块整流（V）来触发所述逆变器（10）。

11.按权利要求10所述的方法，其中只要在此去激活所述过调制，那么就借助于模块整流（V）来触发所述逆变器（10）。

12.按权利要求10或11所述的方法，其中线性地改变在预定义的第一频率比例与第二频率比例之间的预定义的数值（56）。

13.用于对电气的三相交流电机（14）、尤其是同步电机（14）进行触发的装置：所述装置具有逆变器（10），所述逆变器则具有多个功率半导体开关（S），以便多相地向所述三相交流电机（14）通电；并且所述装置具有控制单元（23），所述控制单元触发所述逆变器（10），其中构造所述控制单元（23）以实施按权利要求1到12中任一项所述的方法。

14.机动车动力传动系，其具有至少一个用于提供驱动功率的三相交流电机（14），并且具有按权利要求13所述的、用于对所述三相交流电机（14）进行触发的装置。

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