DE102006003397A1

DE102006003397A1 - Verfahren zur vereinheitlichten Leistungssteuerung von doppelendigen Umrichterantriebssystemen für Hybridfahrzeuge

Info

Publication number: DE102006003397A1
Application number: DE102006003397A
Authority: DE
Inventors: Brian Torrance Welchko; James M. Cerritos Nagashima
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2006-08-10
Also published as: CN100505512C; US20060164027A1; CN1829073A; US7154237B2; JP2006211891A

Abstract

Ein Verfahren zum Bereitstellen einer vereinheitlichten Leistungssteuerung eines Motors, das umfasst, dass ein erstes Umrichtersystem, ein zweites Umrichtersystem und ein Motor, der dazwischen eingekoppelt ist, bereitgestellt werden; das mit einer ersten Energiequelle gekoppelte erste Umrichtersystem gekoppelt wird; das mit einer sekundären Energiequelle gekoppelte zweite Umrichtersystem gekoppelt wird; ein erste pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; und ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird. Das erste Umrichtersystem und das zweite Umrichtersystem werden mit dem ersten pulsweitenmodulierten Signal bzw. dem zweiten pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, um eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung des ersten Umrichtersystems bzw. des zweiten Umrichtersystems zu steuern und somit den Motor zu steuern.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Hybridfahrzeuge und spezieller Hybridfahrzeuge mit einem doppelendigen Umrichterantriebssystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Derzeit existiert eine Vielzahl an Vortriebs- oder Antriebstechnologien, die verwendet werden, um Fahrzeuge anzutreiben. Diese Technologien umfassen Verbrennungsmotoren (ICEs), elektrische Antriebssysteme, die Batterien und/oder Brennstoffzellen als eine Energiequelle verwenden, und Hybridsysteme, die eine Kombination aus verschiedenen Antriebssystemen verwenden. Die steigenden Kosten von fossilen Brennstoffen und der Wunsch, bei Fahrzeugen die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und Abgase zu reduzieren, führten zu der Entwicklung von fortschrittlichen Hybridfahrzeugen.

Hybridfahrzeuge umfassen typischerweise einen Verbrennungsmotor und einen elektrischen Traktionsmotor. Hybridfahrzeuge können auch zwei separate DC-Energiequellen für den elektrischen Traktionsmotor umfassen. Während veränderlichen Fahrbedingungen wechseln Hybridfahrzeuge zwischen diesen separaten Energiequellen in Abhängigkeit von der effizientesten Betriebsweise jeder Energiequelle.

Hybridfahrzeuge werden in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Antriebsstränge auch allgemein in serielle oder parallele Antriebe klassifiziert. Bei dem seriellen Antriebsstrang, der den ICE und den elektrischen Traktionsmotor verwendet, treibt nur der Elektromotor die Räder des Fahrzeugs an. Der ICE wandelt eine Kraftstoffquelle in mechanische Energie um, die einen Generator dreht, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, um den Elektromotor anzutreiben. Bei einem parallelen Hybridantriebsstrangsystem arbeiten der ICE und der elektrische Traktionsmotor parallel, um das Fahrzeug anzutreiben.

Sekundärbatterien/Akkumulatoren sind eine wichtige Komponente eines Hybridfahrzeugsystems. Sekundärbatterien speichern Energie, die durch den elektrischen Traktionsmotor verwendet wird, um das Fahrzeug anzutreiben. Zusätzlich ermöglichen Sekundärbatterien einem Elektromotor/Generator (MoGen), Energie zu speichern, die während eines Bremsens zurückgewonnen wird. Demgemäß führen die Batterien einen Lastausgleich, ein Absorbieren oder ein Übermitteln der momentanen Differenz der Energie, die durch den ICE erzeugt wird, zu der, die durch die Fahrbedingungen erforderlich ist, aus.

Ein Batteriemodul kann mehrere in Serie geschaltete elektrochemische Zellen umfassen. Typische Spannungen elektrochemischer Zellen liegen in dem Bereich von ein bis zwei Volt. Momentane Batteriemodul-Ausgangsspannungen liegen in dem Bereich von 12 bis 42 Volt. Herkömmliche Fahrzeugtraktionsantriebssysteme arbeiten mit einer DC-Busspannung in dem Bereich von ungefähr 300 bis 400 Volt. Bei herkömmlichen Elektro- oder Hybridfahrzeuganwendungen sind Batteriemodule in Serie geschaltet, um die gewünschten DC-Spannungspegel, die durch das Hochspannungs-Fahrzeugtraktionsantriebssystem erforderlich sind, bereitzustellen.

Im Allgemeinen bietet ein Hochspannungs-Fahrzeugtraktionsantriebssystem im Vergleich zu Niederspannungs-Traktionsantriebssystemen Kosten-, Leistungs- und Gewichtsvorteile.

Elektrofahrzeuge, die Batterie-, Hybrid- und Brennstoffzellenelektrofahrzeuge umfassen, verwenden typischerweise einen Umrichter in der Form eines getakteten Netzteils, um dem Elektroantriebsmotor des Fahrzeugs einen Mehrphasenantriebsstrom zu liefern. Die am häufigsten verwendete Umrichterkonstruktion ist ein Pulsweitenmodulations-(PWM-)Spannungsquellenumrichter, der Leistungstransistoren verwendet, die die hohen Ströme liefern können, die benötigt werden, um die Drehmomentforderungen zu erfüllen, die von dem Fahrzeugantriebsmotor verlangt werden. Der Umrichter schaltet von einem Gleichstrom-(DC-)Bus Leistung zu den Antriebsmotorwicklungen. Bei einem Niederspannungssystem arbeitet der DC-Bus bei ungefähr 42 V, bei einem Hochspannungssystem arbeitet der DC-Bus bei ungefähr 350–400 Volt (VDC).

Das Standardverfahren, um einen Energiespeicher in ein elektrisches Vortriebssystem für Hybridfahrzeuge einzukoppeln, besteht darin, einen Stromrichter zwischen dem Energiespeichersystem und dem Hauptvortriebs-DC-Bus einzusetzen. Es sei jedoch angemerkt, dass die Verwendung eines solchen Stromrichters unnötigerweise die Komplexität und Kosten des Fahrzeugs erhöht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die ein vorteilhaftes Verwendungsverfahren aufweist, ist ein doppelendiges Umrichtersystem zum Antreiben eines Motors oder einer anderen Last eines Fahrzeugs be reitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer vereinheitlichten Leistungssteuerung eines Motors, das umfasst, dass ein erstes Umrichtersystem, ein zweites Umrichtersystem, und ein Motor, der dazwischen eingekoppelt ist, bereitgestellt werden; das mit einer ersten Energiequelle gekoppelte erste Umrichtersystem gekoppelt wird; das mit einer sekundären Energiequelle gekoppelte zweite Umrichtersystem gekoppelt wird; ein erstes pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; und ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird. Das erste Umrichtersystem und das zweite Umrichtersystem werden mit dem ersten pulsweitenmodulierten Signal bzw. dem zweiten pulsweitenmodulierten Signal angesteuert, um eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung des ersten Umrichtersystems bzw. des zweiten Umrichtersystems zu steuern und somit den Motor zu steuern.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung, die hierin nachfolgend bereitgestellt ist, ersichtlich. Es sei angemerkt, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutern, nur Erläuterungszwecken dienen, und nicht beabsichtigen, den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen klarer verständlich, in denen:

1A eine schematische Ansicht ist, die das doppelendige Umrichterantriebssystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erläutert;

1B eine zusätzliche schematische Ansicht ist, die das doppelendige Umrichterantriebssystem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erläutert;

2 ein Phasenersatzschaltbild ist, das das doppelendige Umrichterantriebssystem erläutert;

3A ein Zeigerdiagramm des doppelendigen Umrichterantriebssystems während eines Versorgens einer sekundären Energiequelle mit Energie ist;

3B ein Zeigerdiagramm des doppelendigen Umrichterantriebssystemsist, wenn die sekundäre Energiequelle geladen wird;

4 ein Zeigerdiagramm des doppelendigen Umrichterantriebssystemsist, wenn die sekundäre Energiequelle um 90° phasenverschoben arbeitet; und

5 ein Zeigerdiagram des doppelendigen Umrichterantriebssystemsist, wenn die primären und sekundären Energiequellen einen maximalen Ausgang erzeugen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und beabsichtigt auf keine Weise, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschränken. Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Modul" auf einen anwendungsspezifi schen Schaltkreis (ASIC), einen elektronischen Schaltkreis, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, einen Schaltkreis mit kombinatorischer Logik und/oder andere geeignete Bauteile, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Die vorliegende bereitgestellte Erfindung vereinfacht das Traktionsumrichtervortriebs- und Energieverwaltungssystem in Hybridfahrzeugen, so dass Kostenreduzierungen realisiert werden könnten. Zu diesem Zweck ist, wie es in 1A und 1B erläutert ist, ein doppelendiges Umrichtersystem 10 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Das doppelendige Umrichtersystem 10 umfasst zwölf strombidirektionale, spannungsunidirektionale Halbleiterschalter 12. Die Halbleiterschalter 12 sind in zwei Umrichter- oder Wechselrichterabschnitte aufgeteilt, nämlich einen ersten Abschnitt 100 und einen zweiten Abschnitt 200. Der erste Abschnitt 100 und der zweite Abschnitt 200 sind jeweils in drei Strängen 14a, 14b, 14c bzw. 14d, 14e und 14f ausgebildet. Jeder der Stränge 14a–14f umfasst ein Paar Halbleiterschalter 12, die in Serie angeordnet sind. Der erste Abschnitt 100 und der zweite Abschnitt 200 umfassen jeweils eine DC-Energiequelle, nämlich eine primäre Energiequelle 16 bzw. eine sekundäre Energiequelle 18, die einen DC-Strom I_DC1 bzw. I_DC2 ausgeben.
Die primäre Energiequelle 16, die den ersten Abschnitt 100 mit Energie versorgt, wird aus der Hauptenergiequelle des Fahrzeugs (nicht dargestellt) erhalten. Diese Hauptenergiequelle kann eine Brennstoffzelle, einen gleichgerichteten Ausgang eines Generators und/oder jede andere bekannte Energiequelle umfassen. Die sekundäre Energiequelle 18, die den zweiten Abschnitt 200 mit Energie versorgt, wird von einem fahrzeugeigenen Energiespeichersystem (nicht dargestellt) erhalten. Dieses fahrzeugeigene Energiespeichersystem kann eine oder mehrere Batterien, einen Su perkondensator und/oder jede andere bekannte Energiespeicherquelle umfassen. Bei der vorliegenden Erfindung gibt es keine implizite Annahme bezüglich der relativen Leistungs- und Energiekapazität von entweder der primären oder sekundären Energiequelle. Kondensatoren 30 und 32 sind parallel zu der primären Energiequelle 16 bzw. der sekundären Energiequelle 18 gekoppelt, um eine Stromwelligkeit zu glätten.
Immer noch Bezug nehmend auf 1 ist ein Dreiphasenwechselstrommotor 20 mit Wicklungen 22 bereitgestellt. Die Wicklungen 22 stehen mit dem ersten Abschnitt 100 in elektrischer Verbindung. Spezieller werden ein erster Ausgang i_a, der von einer Stelle a₁ zwischen dem Paar Halbleiterschaltern 12 von Strang 14a entnommen ist; ein zweiter Ausgang i_b, der von einer Stelle b₁ zwischen dem Paar Halbleiterschaltern 12 von Strang 14b entnommen ist; und ein dritter Ausgang i_c, der von einer Stelle c₁ zwischen dem Paar Halbleiterschaltern 12 von Strang 14c entnommen ist, über Leitungen 24, 26 bzw. 28 geliefert, um eine Antriebsspannung auf den Dreiphasenwechselstrommotor 20 zu übertragen. Die Leitungen 24, 26 und 28 stehen des weiteren mit einer Stelle a₂ zwischen dem Paar Halbleiterschaltern 12 von Strang 14d, einer Stelle b₂ zwischen dem Paar Halbleiterschaltern 12 von Strang 14e und einer Stelle c₂ zwischen dem Paar Halbleiterschaltern 12 von Strang 14f in elektrischer Verbindung.
Es ist ein Controller 300 bereitgestellt und steht mit dem ersten Abschnitt 100 und dem zweiten Abschnitt 200 an Leitungen 302 und 304 in einer Wirkverbindung. Der Controller 300 antwortet auf Befehle, die von dem Fahrer des Fahrzeugs 306 empfangen werden (z.B. Gaspedal), und liefert dem ersten Abschnitt 100 und dem zweiten Abschnitt 200 Befehle, wie es beschrieben wird, um den Ausgang von jedem Abschnitt 100 und 200 zu steuern. Es wird eine Hochfrequenz-Pulsweitenmodulation (PWM) eingesetzt, um sowohl den ersten Abschnitt 100 als auch den zweiten Abschnitt 200 über den Controller 300 zu steuern und somit die durch den ersten Abschnitt 100 und den zweiten Abschnitt 200 erzeugte Spannung zu steuern. Unter Verwendung dieser PWM-Steuerverfahren erzeugen der erste Abschnitt 100 und der zweite Abschnitt 200 jeweils eine äquivalente symmetrische Dreiphasenwechselstrom-Ausgangsspannung mit der gleichen Grundfrequenz. Aufgrund von einer Dreiphasensymmetrie kann das doppelendige Umrichtersystem 10 (konzeptionell) auf das Ein-Liniendiagramm reduziert werden, das in 2 gezeigt ist.
Ein Einsetzen von PWM-Verfahren, um die Amplitude und Phase der Grundschwingung der Ausgangsspannung des ersten Abschnitts 100 und des zweiten Abschnitts 200 zu steuern, ermöglicht, dass die Amplitude und Phase der Spannung über der Last, in diesem Fall dem Wechselstrommotor 20, gesteuert werden. Dies ermöglicht eine Steuerung der Phasenströme des Wechselstrommotors 20 und somit des Drehmoments, das durch den Wechselstrommotor 20 erzeugt wird. Da der Laststrom auch der Strom ist, der über die Halbleiterschalter 12 fließt, wird die Energie, die durch jeden Abschnitt 100 und 200 bezogen (oder abgeführt) wird, auch durch Steuern der Ausgangsspannung und -phase, die durch jeden Abschnitt 100 und 200 erzeugt werden, geregelt. Durch eine geeignete Steuerung der Ausgangsspannung und des Laststroms des ersten Abschnitts 100 und des zweiten Abschnitts 200 wird ein gesteuerter Leistungsfluss zwischen der primären Energiequelle 16 und der sekundären Energiequelle 18 erreicht. Natürlich wird bei dem doppelendigen Umrichtersystem 10 ein anderer Eingang benötigt, um die Leistungsteilung zwischen der primären Energiequelle 16 und der sekundären Energiequelle 18 zu bestimmen. Dies würde von einem Fahrzeugsystemcontroller einer höheren Ebene herrühren, der den Ladezustand der sekundären Energiequelle 18 regelt.
Deshalb kann gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung eine Energieverwaltung des Hybridfahrzeugs ohne die Notwendigkeit eines separaten Stromrichters erreicht werden. Dies führt dazu, dass zusätzlich zu einer Gewichtsreduktion Kostenersparnisse realisiert werden können, da zusätzliche sperrige magnetische Komponenten, die normalerweise erforderlich sind, wenn ein separater Stromrichter verwendet wird, nicht mehr erforderlich sind.
LEISTUNGSFLUSSSTEUERUNG
Die vorliegende Erfindung beschreibt des Weiteren die Steuerung des doppelendigen Umrichtersystems 10. Im speziellen sind drei Verfahren des Steuerns der Leistungsteilung oder Leistungsverteilung zwischen der primären Energiequelle 16 und der sekundären Energiequelle 18 ausgeführt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Steuerung des Leistungsflusses zwischen der primären Energiequelle 16 und der sekundären Energiequelle 18, ohne die Steuerung (Drehmoment, Drehzahl) des Wechselstrommotors 20 zu beeinflussen. Als ein Ergebnis wird eine vereinheitlichte Steuerung des doppelendigen Umrichtersystems 10 erreicht.
Weiterhin Bezug nehmend auf ein Hybridfahrzeug, das das doppelendige Umrichtersystem 10, das in 1 gezeigt ist, einsetzt, sei angemerkt, dass die Leistung, nämlich das Drehmoment und die Drehzahl, die zu dem Traktionsantriebssystem (nicht dargestellt) übermittelt werden, für einen geeigneten Betrieb gesteuert werden muss. Des weiteren müssen auch die Leistungsflussbeschränkungen verwaltet werden. Wenn zum Beispiel eine der DC-Verbindungen von der primären Energiequelle 16 erhalten wurde und eine von der sekundären Energiequelle 18 erhalten wurde, dann muss der Leistungsfluss zwischen der primären Energiequelle 16, der se kundären Energiequelle 18 und dem Traktionsantriebssystem verwaltet werden.
Die vorliegende Erfindung ist somit dazu in der Lage, den Leistungsfluss in dem doppelendigen Umrichtersystem 10 zu steuern wie folgt. Die Gesamtleistung, die der Last (d.h. dem Wechselstrommotor 20) übermittelt wird, ist unter Vernachlässigung von Umrichterverlusten die Summe der zwei Umrichterleistungen, die gegeben ist durch P = Pc1 + Pc2 (1)wobei die tiefgestellten Indizes c1 bzw. c2 den ersten Abschnitt 100 bzw. den zweiten Abschnitt 200 darstellen. Es sollte aus Gleichung (1) erkannt werden, dass beliebige zwei der Leistungen der Gleichung zu jeder gegebenen Zeit gesteuert werden können.
Die Leistung, die der Last (d.h. dem Wechselstrommotor 20) von jedem Abschnitt 100 und 200 übermittelt wird, kann in Bezug auf die synchronen Rahmenspannungen und -ströme von jedem Abschnitt 100 und 200 geschrieben werden wie folgt:
Das Minuszeichen bei dem Leistungsausdruck für den zweiten Abschnitt 200 in Gleichung (3) ist ein Ergebnis der Strompolaritäten, die in 1 definiert sind, was zeigt, dass der Phasenstrom von dem ersten Abschnitt 100 zu dem zweiten Abschnitt 200 flißt. Ein Substituieren von Gleichung (2) und Gleichung (3) in Gleichung (1) liefert:
Somit ist der Leistungsfluss zu der Last in Gleichung (4) nun im Hinblick auf die einzelnen Umrichterausgänge definiert.
Das doppelendige Umrichtersystem 10 kann besser verstanden werden, wenn es als zwei AC-Quellen aufweisend, die über eine gemeinsame Last verbunden sind, betrachtet wird. Aus der Kirchhoffschen Regel folgt:
Bei Hybridfahrzeugen umfasst eine wahrscheinliche Ausgestaltung, dass die Verbindungen des Umrichters der primären Energiequelle durch eine Antriebsmaschine versorgt werden und des Weiteren die Verbindungen des Umrichters der sekundären Energiequelle durch ein Energiespeicherelement wie beispielsweise eine Batterie versorgt werden. Deshalb sind in den folgenden Abschnitten unter der Annahme, dass die Verbindung für den ersten Abschnitt 100 die primäre Energiequelle ist und die Verbindung für den zweiten Abschnitt 200 die sekundäre Energiequelle ist, drei mögliche Verfahren dargestellt, um die gesamten Umrichterleistungen aktiv zu steuern, während gleichzeitig die gewünschte Motorausgangsleistung erzeugt wird.
STEUERUNG VON LEISTUNGSFAKTOR EINS
Ein Verfahren zum Steuern des Leistungsausgangs des zweiten Abschnitts 200 ist, diesen Umrichter mit Leistungsfaktor Eins zu betreiben, während seine Ausgangspannungsamplitude gesteuert wird. Das Zeigerdiagramm für dieses Verfahren ist in 3a und 3b gezeigt.
Insbesondere Bezug nehmend auf 3A gibt der zweite Abschnitt 200 eine Spannung aus, die zu dem Laststrom um 180° phasenverschoben ist. Dies stellt einen Zustand dar, in dem der zweite Abschnitt 200 der Last mit einem Leistungsfaktor Eins Leistung liefert. Es ist wichtig, sich an das Minuszeichen in Gleichung (3) aufgrund der Strom- und Spannungsdefinitionen zu erinnern, das zu dem phasenverschobenen Zustand führt. Die an die Last angelegte Gesamtspannung ist des Weiteren in 3B gezeigt. 3B zeigt das Zeigerdiagram für den gleichen Laststrom- und Lastspannungszustand, abgesehen davon, dass nun die sekundäre Energiequelle 18 Leistung absorbiert oder geladen wird. Als ein Ergebnis wurde der erforderliche Spannungsausgang des ersten Abschnitts 100 erhöht. Um die Leistung der sekundären Energiequelle 18 zu regeln, sei angenommen, dass der zweite Abschnitt 200 bei Leistungsfaktor Eins betrieben wird. Deshalb folgt:
wobei der Index * befohlene Werte von dem Systemcontroller angibt.
Gleichung (6) kann umgestellt werden zu:
Gleichung (7) kann in Gleichung (3) substituiert werden wie folgt:
Ein Auflösen von Gleichung (8) und Einsetzen von Gleichung (7) liefert:
Die Lösungen, die in Gleichung (9) und Gleichung (10) gegeben sind, stellen die erforderlichen Befehlsspannungen für die sekundäre Energiequelle 18 dar, die durch den zweiten Abschnitt 200 geliefert werden, um die Leistung der sekundären Energiequelle 18 zu steuern. Es ist wichtig, zu beachten, dass die befohlenen Ströme von dem Systemcontroller resultieren, der die Befehle für das gewünschte Motordrehmoment erzeugt. Des weiteren werden keine Systemverluste berücksichtigt.
Als ein Ergebnis fungiert der erste Abschnitt 100 darin als der "Slack-Bus", dass er die Leistung erzeugen muss, um diese, die der sekundären Energiequelle 18, der Last geliefert wird, und Systemverluste auszugleichen. Unter Verwendung von Gleichung (5) und Substituieren von Gleichung (9) und Gleichung (10) lautet der Spannungsbefehl für den Raumvektormodulator für den ersten Abschnitt 100 wie folgt:
STEUERUNG DER SPANNUNGSPHASENVERSCHIEBUNG UM 90°
Es existiert ein wichtiger Betriebszustand, bei dem die primäre Energiequelle 16 der Last die gesamte Leistung liefert. In diesem Fall liefert die sekundäre Energiequelle 18 keine Leistung und befindet sich auch nicht in einem Ladezustand. Ein Weg, damit dies auftritt, ist, einfach die drei oberen oder die drei unteren Halbleiterschalter 12 in dem zweiten Abschnitt 200 zu schließen, um bei den Wicklungen 22 eine künstliche Sternschaltung zu erzeugen. Während ein Erzeugen einer künstlichen Sternschaltung jegliche Schaltverluste in dem zweiten Abschnitt 200 beseitigt, beschränkt es auch die Spannung, die an den Wechselstrommotor 20 angelegt werden kann, auf die, die der erste Abschnitt 100 selbst erzeugen könnte. Als ein Ergebnis erreicht der Wechselstrommotor 20 die Grenze, bei der bei einer niedrigeren Drehzahl eine Feldschwächung auftreten muss. Es ist möglich, durch Erzeugen einer Spannung durch den zweiten Abschnitt 200, die um 90° zu dem Strom des Wechselstrommotors 20 phasenverschoben ist, wie es in 4 gezeigt ist, die verfügbare Motorspannung weiter zu erhöhen.
Wenn die Ausgangsspannung des zweiten Abschnitts 200 zu der des Phasenstroms um 90° phasenverschoben ist, verarbeitet der zweite Abschnitt 200 keine Wirkleistung. Die durch den zweiten Abschnitt 200 erzeugte Spannung trägt jedoch zu der verfügbaren Spannung des ersten Abschnitts 100 bei, so dass die maximal verfügbare Spannung des Systems erhöht wurde. Im Wesentlichen liefert der zweite Abschnitt 200 einen Teil (weniger oder gleich 100 %) der Blindleistung, die durch die Last ver braucht wird, während der erste Abschnitt 100 die gesamte Wirkleistung und die verbleibende Blindleistung liefert. Wenn der erste Abschnitt 100 nur die Wirkleistung liefert (Abschnitt 200 liefert 100 % Blindleistung), arbeitet er mit einem Leistungsfaktor Eins zu dem Laststrom.
Aus den Systembefehlen und dem Stromreglerausgang sind die befohlenen Spannungs- und Stromwinkel wie folgt gegeben:
Die Beträge der einzelnen Umrichterspannungen können wie folgt berechnet werden:
Die Spannungswinkel der einzelnen Umrichter sind wie folgt gegeben: θ*dq1 = θ*i (16) θ*dq2 = θ*i – 90° (17)
Deshalb können aus den Gleichungen (12)–(17) die einzelnen d- und q-Umrichterspannungsbefehle wie folgt berechnet werden:
STEUERUNG DER OPTIMALEN UMRICHTERVERWENDUNG
Die maximale Ausgangsspannung des doppelendigen Umrichtersystems 10 (durch die Last gezeigt) tritt auf, wenn der erste Abschnitt 100 und der zweite Abschnitt 200 jeweils ihre maximale Phasenspannung ausgeben, wobei die Phasenspannungen um 180° phasenverschoben sind. Das Zeigerdiagramm für dieses Steuerverfahren ist in 5 gezeigt.
Für die Steuerung der optimalen Umrichterverwendung sind die Ausgangsspannungen des ersten Abschnitts 100 und des zweiten Abschnitts 200 kolinear. Als ein Ergebnis sind die erforderlichen Spannungen einfach proportional zu der gewünschten Leistung. Deshalb sind Befehle des zweiten Abschnitts 200 wie folgt gegeben:
wobei P die befohlene Lastleistung ist, die erhalten werden kann aus:
Die befohlene Spannung für den ersten Abschnitt 100 kann dann durch Substituieren von Gleichung (22) und Gleichung (23) in Gleichung (24) berechnet werden.
Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit wird beabsichtigt, dass Abwandlungen, die nicht von dem Kern der vorliegenden Erfindung abweichen, innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Solche Abwandlungen sind nicht als eine Abweichung von dem Gedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer vereinheitlichten Leistungssteuerung eines Motors, wobei das Verfahren umfasst, dass ein erstes Umrichtersystem, ein zweites Umrichtersystem und ein Motor, der dazwischen eingekoppelt ist, bereitgestellt werden; das mit einer ersten Energiequelle gekoppelte erste Umrichtersystem gekoppelt wird; das mit einer sekundären Energiequelle gekoppelte zweite Umrichtersystem gekoppelt wird; ein erstes pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; und das erste Umrichtersystem und das zweite Umrichtersystem mit dem ersten pulsweitenmodulierten Signal und dem zweiten pulsweitenmodulierten Signal angesteuert werden, um eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung des ersten Umrichtersystems und des zweiten Umrichtersystems zu steuern und somit den Motor zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen eines zweiten pulsweitenmodulierten Signals umfasst, dass ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundschwingung erzeugt wird, die phasenverschoben zu einer Grundschwingung des ersten pulsweitenmodulierten Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen eines zweiten pulsweitenmodulierten Signals umfasst, dass ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundschwingung erzeugt wird, die um 180° phasenverschoben zu einer Grundschwingung des ersten pulsweitenmodulierten Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen eines zweiten Umrichtersystems umfasst, dass ein zweites Umrichtersystem mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen ersten Strang definieren, einem dritten Halbleiterschalter und einem vierten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen zweiten Strang definieren, und einem fünften Halbleiterschalter und einem sechsten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen dritten Strang definieren, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, das des Weiteren umfasst, dass die ersten, dritten und fünften Halbleiterschalter gleichzeitig geschlossen werden, um eine Spannung, die an den Motor angelegt wird, zu begrenzen.
Verfahren zum Bereitstellen einer vereinheitlichten Leistungssteuerung eines Motors, wobei das Verfahren umfasst, dass ein erstes Umrichtersystem bereitgestellt wird; ein zweites Umrichtersystem mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen ersten Strang definieren, einem dritten Halbleiterschalter und einem vierten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen zweiten Strang definieren, und einem fünften Halbleiterschalter und einem sechsten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen dritten Strang definieren, bereitgestellt wird; ein Motor bereitgestellt wird, der zwischen dem ersten Umrichtersystem und dem zweiten Umrichtersystem eingekoppelt ist; das mit einer ersten Energiequelle gekoppelte erste Umrichtersystem gekoppelt wird; das mit einer sekundären Energiequelle gekoppelte zweite Umrichtersystem gekoppelt wird; ein erstes pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; und das erste Umrichtersystem und das zweite Umrichtersystem mit dem ersten pulsweitenmodulierten Signal und dem zweiten pulsweitenmodulierten Signal angesteuert werden, um eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung des ersten Umrichtersystems und des zweiten Umrichtersystems zu steuern und somit den Motor zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erzeugen eines zweiten pulsweitenmodulierten Signals umfasst, dass ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundschwingung erzeugt wird, die phasenverschoben zu einer Grundschwingung des ersten pulsweitenmodulierten Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erzeugen eines zweiten pulsweitenmodulierten Signals umfasst, dass ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundschwingung erzeugt wird, die um 180° phasenverschoben zu einer Grundschwingung des ersten pulsweitenmodulierten Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bereitstellen eines ersten Umrichtersystems umfasst, dass ein erstes Umrichtersystem mit einem siebten Halbleiterschalter und einem achten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen vierten Strang definieren, einem neunten Halbleiterschalter und einem zehnten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen fünften Strang definieren, und einem elften Halbleiterschalter und einem zwölften Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen sechsten Strang definieren, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, das des Weiteren umfasst, dass die ersten, dritten und fünften Halbleiterschalter gleichzeitig geschlossen werden, um eine Spannung, die an den Motor angelegt wird, zu begrenzen.
Verfahren zum Bereitstellen einer vereinheitlichten Leistungssteuerung eines Motors, wobei das Verfahren umfasst, dass ein erstes Umrichtersystem mit einem ersten Halbleiterschalter und einem zweiten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen ersten Strang definieren, einem dritten Halbleiterschalter und einem vierten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen zweiten Strang definieren, und einem fünften Halbleiterschalter und einem sechsten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen dritten Strang definieren, bereitgestellt wird; ein zweites Umrichtersystem mit einem siebten Halbleiterschalter und einem achten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen vierten Strang definieren, einem neunten Halbleiterschalter und einem zehnten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen fünften Strang definieren, und einem elften Halbleiterschalter und einem zwölften Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen sechsten Strang definieren, bereitgestellt wird; ein Motor bereitgestellt wird, der zwischen dem ersten Umrichtersystem und dem zweiten Umrichtersystem eingekoppelt ist; das mit einer ersten Energiequelle gekoppelte erste Umrichtersystem gekoppelt wird; das mit einer sekundären Energiequelle gekoppelte zweite Umrichtersystem gekoppelt wird; ein erstes pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird; und das erste Umrichtersystem und das zweite Umrichtersystem mit dem ersten pulsweitenmodulierten Signal und dem zweiten pulsweitenmodulierten Signal angesteuert werden, um eine Grundschwingung einer Ausgangsspannung des ersten Umrichtersystems und des zweiten Umrichtersystems zu steuern und somit den Motor zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erzeugen eines zweiten pulsweitenmodulierten Signals umfasst, dass ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundschwingung erzeugt wird, die phasenverschoben zu einer Grundschwingung des ersten pulsweitenmodulierten Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Erzeugen eines zweiten pulsweitenmodulierten Signals umfasst, dass ein zweites pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundschwingung erzeugt wird, die um 180° phasenverschoben zu einer Grundschwingung des ersten pulsweitenmodulierten Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen eines ersten Umrichtersystems umfasst, dass ein erstes Umrichtersystem mit einem siebten Halbleiterschalter und einem achten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen vierten Strang definieren, einem neunten Halbleiterschalter und einem zehnten Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen fünften Strang definieren, und einem elften Halbleiterschalter und einem zwölften Halbleiterschalter, die in Serie angeordnet sind und einen sechsten Strang definieren, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren umfasst, dass die siebten, neunten und elften Halbleiterschalter gleichzeitig geschlossen werden, um eine Spannung, die an den Motor angelegt wird, zu begrenzen.