CN1799186A - 电动机的多逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非高速公路车辆，包括引擎、由引擎驱动并经由直流总线(42、44)提供直流电力的直流电源(Vdc)、牵引电动机(46)、用于连接到直流总线(42、44)以便向牵引电动机(46)供电的电路、和控制器。所述电路包括至少两个逆变器(40x、40y)，它们共享提供给牵引电动机(46)的电力。第一逆变器(40x)连接在直流总线(42、44)和牵引电动机(46)之间，并且第二逆变器(40y)也连接在直流总线(42、44)和牵引电动机(46)之间。第二逆变器(40y)与第一逆变器(40x)并行连接。控制器(图2、5)协调第一和第二逆变器的工作。

Description

电动机的多逆变器
技术领域
本发明涉及为电动机供电的逆变器，特别涉及用于为AC牵引电动机，特别是非高速公路车辆(non-highway vehicle)的牵引电动机供电的两个或更多个平衡(balanced)或匹配的逆变器。
背景技术
使用电力牵引的重型不在高速公路上的车辆(off highway vehicle)通常装配有例如柴油机的直流电源，用于为交流发电机供电。对交流发电机的输出进行整流以形成直流环节(DC link)，直流环节为可变频、可变压逆变器供电。逆变器驱动连接到车辆后轮的三相感应电动机。随着对这种车辆的运输能力的要求不断提高，需要相应地增加驱动这种车辆所必需的电力。这就提高了对于提供可变频、可变压逆变器的开关(switching)的半导体的额定功率的要求。
图1A示出了典型的现有技术的三相单逆变器，该逆变器包括直流总线和六个电子开关，这六个电子开关有选择地关断和接通，从而将电力输送到三相AC电动机。电子开关S1-S6一般由IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)或GTO(Gate Turn-Off Thyristor)开关以及与它们相关的二极管和缓冲器(snubber)部件组成。
图1B示出了用于对图1A中所示的六个开关S1-S6进行六步操作的各个命令(command)的现有技术的时序图。这个时序图被称为“理想”时序图，因为所示时序假定了开关的瞬时开关，从而使得开关瞬时地从接通转换到关断或从关断转换到接通。如下面将针对本发明而解释的，实际上这种开关具有时序延迟，如果不对其进行控制和/或补偿，这种时序延迟就会带来问题。在图1B所示的方波或六步操作中，六个电子开关S1-S6被以适当次序每60°接通，以产生三相平衡波形。例如，当开关S1被命令接通(ON)时，其IGBT的栅极被接通，并且电流将流过IGBT或其反向并联(anti-parallel)二极管。如果电流是正向的(positive)(进入AC牵引电动机)，则S1的IGBT将被导通。如果电流是负向的(negative)(来自电动机)，则连接到S1的IGBT的负向并联二极管将被导通。无论在哪种情况下，所命令的开关S1都会导通。
图1C示出了用于图1A的逆变器的脉宽调制(PWM)操作的现有技术的相位命令(phase command)。PWM被用来改变提供到AC电动机的电力。在PWM操作期间，以比图1B所示的接通和关断操作的基频(fundamentalfrequency)高得多的开关频率接通和关断六个电子开关S1-S6。在图1C中，示出了可以施加到一个开关的示范命令。除需要的最小通断时间和缓冲器复位时间之外，提供给与其对应的相位相同的开关的命令与图1C所示的命令相反。例如，当顶部(top)开关S1、S3、S5接通时，其对应的底部(bottom)开关S4、S6、S2被分别关断，反之亦然。图1C示出了给定相位的起始(firing)脉冲。其它相位被延迟120度和240度。
图2示出了现有技术中用于单逆变器的控制逻辑的框图。图2所示的牵引电动机控制逻辑产生对应于相位A的起始命令f4和f5。对频率和时序进行控制，以使得AC电动机产生期望的转矩量。因此，控制逻辑改变机器的通量(flux)、频率、电压、电流等。控制逻辑还起到保护牵引电动机和牵引逆变器部件的作用。该逻辑的输出为三相命令，每一相对应于相位A、B和C中的一个。当起始命令信号为高时，其对应的顶部(正向)开关被接通，而当该信号为低时，则底部(负向)开关被接通。信号f1为相位A命令信号，图2示出了相位A的细节。类似地形成相位B和C。相位A起始命令被分为顶部开关命令信号f2和底部开关命令信号f3。栅极驱动器(gate driver)/开关接收信号f2和f3，并且状态反馈被发送回控制逻辑。信号f4和f5是来自顶部和底部开关的状态反馈。相位B和C的操作是类似的。
图3是现有技术的逻辑命令的时序图。这张附图示出了在图2中描述的相位A的各种信号的时序图。在t0时刻，相位A命令信号f1从0转换为1，指示相位A的顶部开关应该被接通，而底部开关应该被关断。由于之前底部开关是接通的，因此第一个事件(event)发生在t1，此时开关命令信号f3(即施加到底部开关的命令)变低，命令底部开关关断。在t2时刻，底部开关关断，状态反馈信号f5转换为低值以指示该关断。相位A起始命令逻辑检测到这个f5转换，并随后按照通过开关命令信号变高而给出的指示，命令顶部开关在t3时刻接通。这在一段较短时期之后发生，以允许任何缓冲器稳定时间(settling time)或余量(margin)。结果，状态反馈信号f4在t4时刻转换为高值，指示顶部开关接通。这完成了相位A命令信号f1从0到1的转换。类似的从1到0转换的时序在图3中示出。具体地说，在t5时刻，相位A命令信号f1转换为0，在t6时刻，顶部开关命令信号f2转换为关断，在t7时刻，顶部开关状态反馈信号f4转换为关断，在t8时刻，底部开关命令信号f3转换为接通，并且在t9时刻，底部开关状态反馈信号f5转换为接通。从t10时刻开始，再次重复这一完整的周期。
因此如图1A所示，其中单逆变器向AC电动机提供全部电力，很显然，向AC牵引电动机的供电量与能够通过单逆变器每个相位的单个开关提供的电量有关并受其控制。结果，可以提供给AC牵引电动机的总电力受限于每个开关能够处理的额定功率或最大功率。为了提高不在高速公路上的车辆，例如，非高速公路车辆、货运机车或客运机车的承载能力，必须增加提供给它的AC牵引电动机和电力，以便提供更多的转矩以用于处理额外的负载。这反过来就要求增加每个开关所处理的功率。不幸的是，IGBT或GTO具有有限的功率处理能力，并且设计和制造更高功率开关的成本是高得惊人的。因此，就需要用于向AC牵引电动机供电的逆变器能够处理额外的功率需求并具有合理的制造和替换成本。还需要在这种逆变器中采用与目前在现有非公路车辆中使用的部件类似的部件，以便减少为这种车辆提供备件所需的部件清单(inventory)。还存在对于用于向牵引电动机供电的多逆变器配置的需要，在这种多逆变器配置中，逆变器是平衡的或匹配的，以便逆变器能够对不均衡进行处理，这种不均衡例如一个逆变器传送的电流远远多于其它逆变器，这会导致额外开销(overheading)或烧毁(burnout)。
发明内容
在一种形式下，本发明包括一个连接到直流总线的电路，用于向非高速公路车辆的牵引电动机提供电力。第一逆变器连接在直流总线和牵引电动机之间。第二逆变器也连接在直流总线和牵引电动机之间。第二逆变器与第一逆变器并行连接。
在另一种形式下，本发明包括一个非高速公路车辆。一个由引擎驱动的直流电源经由直流总线提供直流电源。一个电路连接在牵引电动机和直流总线之间，用于向牵引电动机提供电力。该电路包括至少两个逆变器，第一逆变器连接在直流总线和牵引电动机之间，并且第二逆变器也连接在直流总线和牵引电动机之间。第二逆变器与第一逆变器并行连接。一个控制器，协调第一和第二逆变器的工作。
本发明的各种其它实施例和独立的方面将在下面描述，和/或被本领域技术人员马上理解。
附图说明
在所附权利要求书中阐述了本发明具有新颖性的特征。然而本发明及其进一步的目的和优点可以通过参考以下结合附图的描述而被最佳地理解，其中：
图1A是根据用于向AC电动机供电的现有技术的三相单逆变器的示意图。
图1B是根据现有技术的时序图，示出了图1A中的晶体管S1-S6的状态。
图1C是根据现有技术的时序图，示出了用于对图1A中的晶体管S1-S6的每一个进行示范性脉宽调制操作的相位命令。
图2是根据现有技术用于产生控制图1A中的开关S1-S6的状态的起始命令的控制逻辑的框图。
图3是当按照现有技术操作时，图2的控制逻辑所采用的逻辑命令f1-f5的现有技术时序图。
图4是根据本发明用于向AC电动机供电的三相双逆变器的示意图。
图5是当按照本发明操作时，图2的控制逻辑所采用的一个相位的逻辑命令f1-f5的时序图。
图6是示出了在负向开关(例如，图5中分别在t2x和t2y时刻由f5x和f5y控制的开关S4x和S4y)的实际关断事件之间的延时的时序图。图6示出了与在开关时的电流方向是从牵引电动机到逆变器时从负向到正向的转换相关的延迟，并假设两个逆变器的电流(iax和iay)是相同的。
图7是示出了在负向开关(例如，图5中分别在t4x和t4y时刻由f4x和f4y控制的开关S1x和S1y)的实际关断事件之间的延时的时序图。图7示出了与在开关时电流方向是从逆变器到牵引电动机时从负向到正向的转换相关的延迟，并假设两个逆变器的电流(iax和iay)是相同的。
图8是示出了在负向开关(例如，图5中分别在t7x和t7y时刻由f4x和f4y控制的开关S1x和S1y)的实际关断事件之间的延时的时序图。图8示出了与在开关时电流方向是从牵引电动机到逆变器时从正向到负向的转换相关的延迟，并假设两个逆变器的电流(iax和iay)相同。
图9是示出了在负向开关(例如，图5中分别在t9x和t9y时刻由f5x和f5y控制的开关S4x和S4y)的实际关断事件之间的延时的时序图。图9示出了与在开关时电流方向是从逆变器到牵引电动机时从正向到负向的转换相关的延迟，并假设两个逆变器的电流(iax和iay)相同。
图10是示出了本发明的三相双逆变器的示意图，其用于向在每个相位都包括阻抗器件的AC电动机供电。
图11是本发明的用于向AC电动机供电的三相双逆变器的示意图，其中所述AC电动机包括将逆变器的每个相位的部件连接到牵引电动机的对应相位的绕组(winding)的独立电缆。
图12是当根据本发明的另一个实施例操作时，图2的控制逻辑所采用的逻辑命令f1-f5的时序图，其中所述本发明的另一个实施例采用控制算法延迟操作较快的开关。
图13是本发明的用于延迟操作较快的开关的逻辑和闭环电流均衡调节器(regulator)的示意图。
图14是根据本发明的另一个实施例的用于延迟操作较快的开关的逻辑和闭环电流均衡调节器的示意图。
图15是当根据本发明的另一个实施例操作时，图2的控制逻辑所采用的逻辑命令f1-f5的时序图，在所述本发明的另一个实施例中，正向接通(ON)事件被延迟。
图16是示出了重叠(overlay)了图15的逻辑命令的差动(differential)正向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图17是示出了重叠了图15的逻辑命令的差动负向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图18是当根据本发明的另一个实施例操作时，图2的控制逻辑所采用的逻辑命令f1-f5的时序图，在所述本发明的另一个实施例中，负向关断(OFF)事件被延迟。
图19是示出了重叠了图18的逻辑命令的差动负向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图20是示出了重叠了图18的逻辑命令的差动正向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图21是当根据本发明的另一个实施例操作时，图2的控制逻辑所采用的逻辑命令f1-f5的时序图，在所述本发明的另一个实施例中，正向关断事件被延迟。
图22是示出了重叠了图21的逻辑命令的差动正向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图23是示出了重叠了图21的逻辑命令的差动负向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图24是当根据本发明的另一个实施例操作时，图2的控制逻辑所采用的逻辑命令f1-f5的时序图，在所述本发明的另一个实施例中，负向接通事件被延迟。
图25是示出了重叠了图24的逻辑命令的差动正向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图26是示出了重叠了图18的逻辑命令的差动负向电流[差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)]的时序图。
图27是示出了在图10的双逆变器中采用了电流和电压传感器的本发明的示意图。
图28是示出了在图11的双逆变器中采用了电流和电压传感器的本发明的示意图。
图29是示出了根据在图11的双逆变器中采用了电流和电压传感器的本发明的另一个实施例的示意图。
图30是示出了根据在图11的双逆变器中采用了电流和电压传感器的本发明的另一个实施例的示意图。
图31是当根据本发明的另一个实施例操作时，图2的控制逻辑所采用的逻辑命令f1-f5的时序图，并且在所述本发明的另一个实施例中，示出了Vx和Vy的正向接通事件被延迟。
具体实施方式
图4示出了根据本发明的“理想的”或“典型的”两个逆变器示意图。如上所述，并且也如将在下面更详细地讨论的，这个实施例被称为“理想的”或“典型的”实施例，因为其假设所有的部件都是平衡的或匹配的，而这在实际上并不是经常能够达到的或成本效率合算的。具体来讲，图4示出了第一三相逆变器40x，包括开关S1x至S6x，和第二三相逆变器40y，包括开关S1y至S6y。逆变器40x和40y被并连到具有正向干线(rail)42和负向干线44的直流总线。两个逆变器40x和40y在结构上与图1中所示的逆变器类似。逆变器40x和40y并行地操作，以便增加提供给AC电动机46的电力的总容量(total capacity)(例如，转矩、电流和/或马力)。两个逆变器的对应的开关被同时接通和关断。例如，逆变器40x的开关S1x和逆变器40y的开关S1y被同步操作，并具有相同的状态。类似的，逆变器40x的其它五个开关和与它们相对应的逆变器40y的开关被同步操作。
本领域的技术人员会理解对图4中所示的双逆变器的改变。例如，虽然本发明已经在这里被描述为一种双逆变器，但是应当能够预见到本发明也可以用两个或更多个逆变器来实施，并且本发明的任何一个实施例都可以包括三个或更多个逆变器。例如，图4表示了用虚线(phantom)表示第三逆变器，在这种情况下，每个逆变器将被配置和调整容量(size)为运送AC电动机46所需电力的三分之一。而且，虽然本发明示出的是并联的逆变器，某些实施例也可以采用串联结构。而且，虽然本发明已经被示为向三相电动机供电，应当能够预见本发明被用来为诸如两相或六相电动机的任何多绕组电动机供电。例如，对于六相电动机，电动机的最初三相可以相隔120°并分别与后三相同步运行，或者最初三相可以相隔120°并分别与后三相相差180°(180°outof synchronism)地运行。并且，虽然本发明已经被示为“典型的”逆变器，但是如下所述，包括那些其中的逆变器为平衡或匹配的实施例在内的其它实施例也落在本发明的保护范围之内。
图5示出了用于图4所示的逆变器40x和40y的相位A的各种逻辑信号的时序图。在t0时刻，相位A命令信号f1从0转换为1，指示顶部开关应当被接通，而底部开关应当被关断。由于之前底部开关是接通的，所以第一个事件(event)发生在t1x和t1y，此时开关命令信号f3x和f3y(施加到底部开关S4x和S4y的命令)变低，命令底部开关关断。在t2x和t2y时刻，如通过状态反馈信号f5x和f5y从高值转换为低值所表示的，底部开关S4x和S4y关断。当相位A起始命令逻辑检测到信号f5x和f5y两者都转换为低信号时，其等待较短的一段时间(用于任何缓冲器稳定时间或余量)，然后如通过开关命令信号f2x和f2y从低值转换为高值所指示的，命令顶部开关S1x和S1y在t3x和t3y时刻接通。结果，状态反馈信号f4x和f4y在t4x和t4y时刻转换为高值，指示顶部开关S1x和S1y为闭合的(closed)或接通的。这完成了相位A命令的从0到1的转换过程。用于从1到0的转换过程的类似的时序也被示出。具体来讲，在t5时刻，电动机控制逻辑信号f1转换为0，在t6x和t6y时刻，顶部开关命令信号f2x和f2y转换为关断，在t7x和t7y时刻，顶部开关反馈状态信号f4x和f4y转换为关断，指示开关S1x和S1y为断开(open)，在t8x和t8y时刻，底部开关命令信号f3x和f3y转换为接通，而在t9x和t9y时刻，底部开关反馈状态信号f5x和f5y转换为接通，指示底部开关S4x和S4y为闭合。这完成了相位A的一个周期，其在t10时刻开始再次重复。相位B顶部开关S5x和相位B底部开关S2x被类似地操作，只是与相位A开关相差120°，或者说比相位A开关晚120°，并且相位B开关是响应于相位B命令信号的。相位C顶部开关S3x和相位C底部开关S6x被类似地在相位B开关之后120°操作。逆变器40x和40y的对应的开关被同步操作。因此，相位A顶部开关S1x和S1y被同步操作；相位A底部开关S4x和S4y被同步操作；相位B顶部开关S5x和S5y被同步操作；相位B底部开关S2x和S2y被同步操作；相位C顶部开关S3x和S3y被同步操作；并且相位C底部开关S6x和S6y被同步操作。
与其中的单一开关为AC牵引电动机提供所有电力的图1A所示的单逆变器的配置形成对比，图4所示的本发明被配置成两个开关同时为AC牵引电动机46供电。由于两个开关在直流总线的相同干线42和44上(off)并行操作，因此每个开关能够具有大约等于将要提供给AC感应电动机46的总电力的一半的额定功率。在图1中，将被提供给电动机的电力受到开关的最大额定功率的限制。相反，根据图4和本发明，提供到AC牵引电动机46的电力受到开关额定功率的两倍的限制。因此，由于能够向AC牵引电动机46提供两倍的电力，而不需要增加部件的容量(sizing)，因此AC牵引电动机46的容量(size)可以被有效地加倍。例如，根据现有技术，IGBT具有0-2500v和0-2400A的标称(nominal)工作范围，还具有1500v和2000A的优选的最大工作限制。根据现有技术，利用这样的IGBT工作的AC感应电动机一般工作在11,000lbft的转矩范围、1000ARMS(amperes RMS，安培有效值)的电流范围、和1500马力额定值。为了提高AC感应电动机的这些参数，将需要具有更大额定值的部件。相反，根据本发明，这样的IGBT可以与具有2000ARMS电流操作范围、22,000lbft转矩操作范围、和3000马力额定值的电动机组合使用。(注意：这些仅仅是工作范围和工作量的一些示例。)
本发明的另一个方面在于图4所示的双逆变器的部件S1x-S6x和S1y-S6y与图1A所示的单三相逆变器的部件S1-S6相同。因此，由于双逆变器和单逆变器使用的开关部件相同，因此与根据现有技术的单逆变器的开关相比较，不需要额外的部件清单来提供根据本发明的双逆变器的开关。本发明的再一个方面在于其提供了故障安全(fail-safe)配置。例如，如果双逆变器中的一个逆变器的一个开关在断开状态出现故障，由于另一个逆变器能够向电动机提供一般电力(或更多)，因此电动机仍有可能能够工作。
图6示出了在发生开关从负向到正向的转换时，流入逆变器的电流的电流波形。在这个示例中，负向开关关断将有效地控制电流。图6表示在负向开关的实际关断之间(例如，图5的开关S4x、S6x和S2x在t2x的关断和开关S4y、S6y和S2y在t2y的关断)的延时的效果。图6假设在开关转换时电流方向为从负载到逆变器，并且还假设在两个逆变器中的电流，也就是逆变器40x中的相位A电流iax和逆变器40y中的相位A电流iay是相同的。
在t2x时刻，逆变器40x的开关S4x关断。逆变器40x中的电流将切换到开关S1x的空程(freewheeling)路径。由于很大的负载电感，总负载电流保持相对恒定。由于S1x和S4y是导通的，两个逆变器中的电流电平将不一致。电流差异的比例基本上取决于这条路径上的电感。在t2y时刻，开关S4y也被关断，并且电流将流经S1x和S1y的空程路径。如果每个逆变器的电感相同，则电流的斜率(slope)将相同。所以在两个逆变器之间的电流差异(difference)将保持本质上相同。这个差异将被基于L/R值弱化。在重复开关事件后，电流差异将趋于保持增加。
图7示出了在开关从负向到正向转换期间，电流流出逆变器时的电流波形。图7示出了在关断时电流方向是从逆变器到负载时，负向开关的实际关断之间的延时的效果。在关断时，电流流经空程二极管，以使得关断器件S4x和S4y的命令没有效果。然而，在t4y时刻，当开关S1y接通时，流经S1y的电流iay将增加，而流经S1x的空程二极管的电流iax将减少。一旦S1x也接通了，电流将提升到一个相等的水平(equal rate)。
图8与图6类似，并示出了在开关从正向到负向的转换期间，电流流出逆变器时的电流波形。图9与图7类似，并示出了在开关从正向到负向转换期间，电流流入逆变器时的电流波形。
因此，就如通过回顾图6到9所见到的，由于包括变动的阻抗和变动的时序的许多因素，在流经双逆变器的开关的电流之间出现了电流差异。为了减少电流差异或不均衡(disparity)，就希望将一个或更多个器件，例如电阻或电抗(例如，电感或电容)、或任何其它的阻抗器件，与每一相串联，以提供与逆变器匹配或平衡电抗。因此，如图10所示，两个逆变器的示意图包括逆变器40x的相位A中的电抗Rxa，还包括逆变器40y的相位A中的电抗Rya。类似地，相位B和C包括电抗Rxb、Ryb、Rxc和Ryc。每相中的这些电抗都限制了电流差异的变化率，并且电抗器件(reactant)的阻抗在每个开关周期之后都将电流差异恢复到零。然而，这样的电抗将会是昂贵的，并需要相当多的封装和冷却工作。
图11示出了本发明的另一个优选方面，其中独立的接线被用作相互连接双逆变器和AC牵引电动机。具体来讲，AC牵引电动机46包括接线头Ta、Tb和Tc，这些接线头位于电动机46上，或非常接近(in close proximity to)电动机46，分别用于接收相位A、B和C的激励电力(energizing power)，用于激励电动机46地分离的绕组。电缆Cxa使逆变器40x的相位A与电动机接线头Ta相互连接。电缆Cxb连接逆变器40x的相位B的开关与电动机接线头Tb。电缆Cxc连接逆变器40x的相位C的开关与电动机接线头Tc。类似地，分离的电缆Cya、Cyb和Cyc分别连接逆变器40y的相位A、B和C与电动机接线头Ta、Tb和Tc。这些电缆将传送来自每个电动机46的一半的电流。因为它们的长度和几何形状，这些电缆提供了一些电感和电阻。与图10所示的电抗器件方案比较，这些电缆提供了更低的成本并且/或者不必需要冷却或其它封装工作。典型地，在电动机(通常放置在平台/卡车的下面)和逆变器(通常放置在平台/甲板的上面)之间有一定的距离(例如，20-100英尺或更长)。
在根据本发明的另一个实施例中，希望控制逆变器开关的控制器采用最优化算法来改变开关转换的时序。图12示出了根据本发明的时序图，其中开关的时序被最优化。通常，这种时序安排延迟了施加给操作较快的开关的命令。根据经验数据、规格数据，根据到其它开关的相对位置，根据诸如在逐电路基础上的实际测试的其它信息，或根据检测电压和/或电流和/或状态反馈，能够确定较快的开关。延迟较快的开关的目的是为了控制在两个逆变器之间存在的任何电流差异。例如，分别作为顶部和底部开关的开关命令信号f3x和f3y的t1x和t1y时刻的转换，与图5所示的时序相比发生在不同的时间。表1表示根据图12的最佳时序图的控制逻辑。在这个逻辑中，对于每个依赖于电流极性的开关点(switching point)，都有一个开关能够被控制以便对电流进行平衡/匹配。
图13示出了根据本发明的另一个实施例，其中开关延迟由属于闭环调节器(增益控制)的一部分的控制逻辑确定。具体来讲，电流iax和iay之间的差异由加法器S或其它部件确定，并被提供到调节器，以便基于差额(differential)确定延迟补偿。闭环调节器130监视延迟补偿信号，以及其它系统参数，诸如电流、电压和/或温度。调节器130具有一个表或算法，其将最佳延迟定义为所监视的参数的函数。如图13所示，延迟被示作电流和电压的函数。其它参数可以包括温度、批次(lot)(硅质量(silicon property)、制造商、门驱特性/类型)等等。调节器130根据系统的当前电流和电压确定对延迟补偿信号的调整，并将其提供到逆变器，该逆变器然后提供相应的信号到混合器M，以用于调整延迟补偿信号。因此，电流误差被用于计算机延迟补偿。调节器130基于器件特性和其它特定特性，使用算法、函数发生器或查表将延迟归一化(normalize)到电流。来自混合器M的包括延迟补偿的混合信号被根据表1中所示的逻辑施加到适当的开关。
表1控制逻辑
  条件  动作   无关   注释
  电流正向|ix|＞|iy|  正向开关控制延迟关断y正向延迟接通x正向   负向开关控制   需要以两倍开关频率对电流进行取样以选择
  电流负向|ix|＞|iy|  负向开关控制延迟关断x负向延迟接通y负向   正向开关控制   需要以两倍开关频率对电流进行取样以选择
希望可以采用三个这样的补偿系统，每个补偿系统用于一个逆变器的每个顶部开关。或者，可以采用根据图13的六个补偿系统，每个补偿系统用于一个逆变器的六个顶部开关的每一个。或者，根据图13可以采用十二个(12)补偿系统，每个补偿系统用于每个沿(edge)、电流极性和相位。
图14示出了用于实施电流调节器的另一个实施例。在图14中，首先基于器件和/或电路特性归一化电流误差。具体来讲，依照调节器(增益控制)40检测的电流和/或电压(和/或温度)，并依照这里使用的程序或表，第一标称延迟信号被提供给电流差额的x/y调整。这个块的输出给出了校正电流所需的百分比/分数(percentage/fractional)延迟。这个调整过的差动电流被提供到产生第二延迟信号的调节器，第二延迟信号随后被通过反馈环路累积。代表百分比/分数延迟校正的这个块的输出被基于电流工作条件变换为增益均衡查找(gain equalization look up)所需要的真实延时。
图15示出了在接通转换期间一个正向开关具有延迟的时序图。所有其它开关都被假设为是理想的。接通转换被延迟。图16(参见改进的图)示出了对应图15的用于正向电流的时序图，而图17(参见改进的图)示出了用于负向电流的时序图。图16示出了电流iax和iay。如果电流在t0和t5时刻被采样(每次开关2次采样)，则在t5时刻，由于在t0到t5期间的开关延迟产生的差动电流由在t0到t5期间在x中的电流改变和在t0到t5期间在y中的电流改变中的差给出。换句话说，差动电流＝(iayt5-iayt0)-(iaxt5-iaxt0)。基于电流极性，这个差动电流可以被用于补偿在适当的开关中的延迟。图17中示出了负向电流不需要补偿的情况。类似地，图18示出了负向关断延迟的时序图的优选实施例，而图19(参见改进的图)和图20(参见改进的图)示出了负向电流和正向电流的时序图。图21示出了正向关断延迟的时序图，而图22(参见改进的图)和图23(参见改进的图)示出了正向和负向电流的时序图。图24示出了负向接通延迟的时序图，而图25(参见改进的图)和图26(参见改进的图)示出了正向和负向电流的时序图。如果电流在每个开关周期中被采样4次，例如在t0、t3、t5和t8时刻采样，则差动电流能够直接确定哪个开关和哪个沿需要被控制。应当注意到由于传导损耗差异以及开关时间差异，电流也可以不同。由于传导损耗差异造成的总电流差异也通过调整开关时间来补偿。通常传导损耗差异都很小。
表2示出了根据本发明使用每个开关周期采样2次的控制选择逻辑的一个优选实施例。表3则表示每个开关周期采样4次的逻辑。
表2控制延迟选择逻辑
  开关   开关延迟沿   电流极性   差动电流/沿   两次采样(在t0和t5时刻)的控制
  正向   接通   正向   正向向负向的命令转换   延迟+接通具有正向差动电流的开关
  正向   接通   负向   不考虑
  正向   关断   正向   负向向正向的命令转换   延迟+关断具有负向差动电流的开关
  正向   关断   负向   不考虑
  负向   接通   正向   不考虑
  负向   接通   负向   负向向正向的命令转换   延迟-接通具有负向差动电流的开关
  负向   关断   正向   不考虑
  负向   关断   负向   正向向负向的命令转换   延迟-关断具有正向差动电流的开关
表3每个开关周期采样4次的控制延迟选择逻辑
  差动电流间隔   控制延迟沿
  T0/t1到t3   延迟t1
  T3到t5   延迟t3
  T5/t6到t8   延迟t6
  T8到t10   延迟t8
图27示出了用于如图10所示的具有电抗器件的两个逆变器配置的电流和电压传感器。电流传感器iax、iay、ibx、iby、icx和icy被用于控制电动机转矩和差动电流控制。电压传感器va、vb和vc被用于控制电动机转矩。或者，图28、29和30示出了如图11所示利用独立接线在根据本发明的两个逆变器的系统中布置电流传感器和电压传感器的三个实施例。这些电流和电压传感器被分别用来提供到图13和14的调节器130和140的输入。在图28中，去除了集总的电感器，而是依赖于电缆阻抗。图29使用两个(电动机)电流传感器和六个电压传感器vax、vay、vbx、vby、vcx和vcy。传感器vax和vay被平均，以用于电动机转矩控制，而差动电压被用于控制均衡/匹配电流。图30使用6个电压传感器和6个电流传感器。这给控制和诊断(diagnostics)提供了各种程度的自由。如果忽略传导损耗差异，则有可能使用例如vax和vay的电压传感器进行补偿，而不使用独立的电流传感器(例如，参见图29中使用的检测方式)。在这种情况下，可以从电压传感器获得准确的开关间隔。图31表示图16所示的情况的电压。Vy将首先从0达到完全直流电压，而Vx将在延迟之后改变。电压延迟可以被确定，并用于补偿适当的(前沿或后沿)沿。例如，如果在t3到t5时刻发生电压转换，则t3的沿将需要被控制，反之，如果电压转换发生在t0和t3之间，则t1的沿需要被控制。差动电压其次(seconds)也可以被用来补偿时序。
本发明解决了长期存在的在以合理的低成本扩展非高速公路车辆的容量且不需要高成本的逆变器部件的问题。本发明解决的另一个长期存在的问题是对于用于更高功率电动机的具有合理的低成本的逆变器系统的需求，其中所述的逆变器系统包括低成本、无需定制的部件。
当介绍本发明或其实施例的要素时，冠词“一个”、“该”和“所述”的意图是表示存在一个或多个该要素。术语“包含”、“包括”和“具有”的意图是表示含有，并且意味着可能还会有除了所列出的元素之外的额外的元素。
虽然示出和描述了本发明的各种实施例，但是本领域的技术人员应当理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行许多修改和改进。因为在不脱离本发明范围的情况下可以对上述结构进行各种变化，所以上述描述中所包含的、或者附图中所示出的内容都应当被解释为是说明性的，而不是限定性的。

Claims (10)

1.一种连接到直流总线(42、44)的电路，用于为非高速公路车辆的牵引电动机(46)供电，所述电路包含：
第一逆变器(40x)，用于连接在直流总线(42、44)和牵引电动机(46)之间；和
第二逆变器(40y)，用于连接在直流总线(42、44)和牵引电动机(46)之间，由此第二逆变器(40y)与第一逆变器(40x)并行连接。
2.如权利要求1所述的电路，还包含在第一逆变器(40x)和牵引电动机(46)之间的第一阻抗器件(Rxa、Rxb、Rxc、Cxa、Cxb、Cxc)，以及在第二逆变器(40y)和牵引电动机(46)之间的第二阻抗器件(Rya、Ryb、Ryc、Cya、Cyb、Cyc)，所述第一和第二阻抗器件用于平衡在第一和第二逆变器之间的负载。
3.一种非高速公路车辆，包含：
引擎；
直流电源(Vdc)，由所述引擎驱动，并经由直流总线(42、44)提供直流电力；
牵引电动机(46)；
一个连接到直流总线(42、44)的电路，用于向牵引电动机(46)提供电力，所述电路包含：
第一逆变器(40x)，用于连接在直流总线(42、44)和牵引电动机(46)之间；和
第二逆变器(40y)，用于连接在直流总线(42、44)和牵引电动机(46)之间，由此第二逆变器(40y)与第一逆变器(40x)并行连接；和
控制器，用于协调第一和第二逆变器(40ys)的操作。
4.如权利要求3所述的车辆，其中所述电路还包含第三逆变器(第三逆变器；图4)，用于连接在直流总线(42、44)和牵引电动机(46)之间，由此第三逆变器与第一和第二逆变器并行连接，并且其中所述控制器协调第三逆变器与第一和第二逆变器(40ys)的操作。
5.如权利要求3所述的车辆，其中所述第一逆变器(40x)和第二逆变器(40y)是平衡的/匹配的，以使得第一逆变器(40x)的部件的工作参数基本上与第二逆变器(40y)的部件的工作参数相同。
6.如权利要求3所述的车辆，其中所述逆变器包括开关部件(S)，并且其中所述控制器以考虑到每个开关部件的接通延迟和/或关断延迟的时序方式操作每个逆变器的开关部件。
7.如权利要求6所述的车辆，还包括：
多个电流传感器(i)，每个电流传感器用于检测一个部件的电流，
多个附加传感器(v)，每个附加传感器用于检测一个部件的电压和/或温度，
延迟生成器(图13、14)，响应于电流传感器和/或附加传感器，用于生成第一延迟信号，
调节器(40)，响应于电流传感器，用于生成第二延迟信号，和
组合器(+)，用于将第一延迟信号和第二延迟信号组合成指示每个具体部件的延迟的延迟补偿信号。
8.如权利要求7所述的车辆，其中所述电流传感器包含位于部件和阻抗器件之间的传感器，并且附加传感器是连接到所述阻抗器件的电压传感器。
9.如权利要求7所述的车辆，其中所述电流传感器包含位于部件和牵引电动机(46)之间的传感器，并且附加传感器是连接到阻抗器件的电压传感器。
10.如权利要求7所述的车辆，其中所述延迟生成器是响应于延迟补偿信号的反馈生成器。
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