Die
Erfindung betrifft eine Motoransteuervorrichtung, die einen Motor
dadurch ansteuert, dass sie mehrphasige Wechselspannungen in solche
gewünschter Größe und Frequenz umwandelt,
und zwar mittels eines Wechselstrom/Wechselstrom-Direktumrichters,
wie beispielsweise einen Matrixumrichter. Insbesondere betrifft
die Erfindung eine Motoransteuervorrichtung, die einen kontinuierlichen
Betrieb eines Leistungsumrichters ermöglicht, wobei dabei
dessen Überhitzung oder eine Beschädigung eines
Motors oder des Leistungsumrichters durch Begrenzen der Amplitude
der Motorströme verhindert wird.The
The invention relates to a motor drive device comprising a motor
thereby driving that they multiphase AC voltages in such
desired size and frequency,
by means of an AC / AC cyclo-converter,
such as a matrix converter. In particular, it concerns
the invention a motor drive device, the continuous
Operation of a power converter allows, while doing
its overheating or damage to a
Motor or power converter by limiting the amplitude
the motor currents is prevented.
Bei
Leistungsumrichtern zum Ansteuern eines Motors, beispielsweise vom
Typ eines Wechselrichters oder eines Matrixumrichters, wird, um
eine Überhitzung oder Beschädigung des Motors
oder des Leistungsumrichters zu verhindern, eine Schutzvorrichtung
bereitgestellt, welche die Amplitude der Motorströme überwacht
und den Betrieb des Leistungsumrichters durch Ausschalten aller
diesen bildenden Halbleiter-Schaltbauelemente stoppt, wenn die Motorströme
einen Grenzwert überschritten haben.at
Power converters for driving an engine, for example from
Type of inverter or matrix converter is to
overheating or damage to the motor
or the power converter to prevent a fender
which monitors the amplitude of the motor currents
and the operation of the power converter by turning off all
these forming semiconductor switching devices stops when the motor currents
have exceeded a limit.
Jedoch
bewirkt ein plötzliches Stoppen des Betriebs des Leistungsumrichters
scharfe Änderungen der an den Motor angelegten Spannungen,
und dies kann den Motor oder die mit diesem verbundenen Ansteuervorrichtungen
beschädigen. Außerdem ist diese Art von Steuerung
nicht für eine Verwendung geeignet, bei der ein kontinuierlicher
Betrieb des Leistungsumrichters angestrebt wird.however
causes a sudden stop of the operation of the power converter
sharp changes in the voltages applied to the motor,
and this may be the motor or the drive devices connected to it
to damage. Besides, this type of control is
not suitable for use in which a continuous
Operation of the power converter is sought.
JP-A-2004-180390 (Abs.
0015 bis 0018, 1 etc.) offenbart ein herkömmliches
Verfahren als Gegenmaßnahme für die zuvor beschriebenen
Probleme, bei dem ein Begrenzungswert festgelegt ist, der unterhalb
des Grenzwerts liegt. Wenn die Motorströme den Begrenzungswert überschritten
haben, bleibt der Leistungsumrichter in Betrieb, hingegen wird eine
weitere Erhöhung der Motorströme verhindert. JP-A-2004-180390 (Paras. 0015 to 0018, 1 etc.) discloses a conventional method as a countermeasure for the problems described above, in which a limit value is set which is below the limit value. If the motor currents have exceeded the limiting value, the power converter will remain in operation, but a further increase in the motor currents will be prevented.
5 ist
ein Blockdiagramm eines wichtigen Teils einer in JP-A-2004-180390 offenbarten
herkömmlichen Vorrichtung. In 5 bezeichnen
Bezugszeichen 102 bis 104 eine Stromquelle, einen
Leistungsumrichter bzw. einen Motor. Eine Ausgangsspannungs-Anweisungsberechnungseinrichtung 100 berechnet
Ausgangsspannungs-Sollwerte für den Leistungsumrichter 103.
Auf Basis der Ausgangsspannungs-Sollwerte berechnet eine PWM-(Pulsweitenmodulations)-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 PWM-Muster,
gemäß denen Halbleiter-Schaltbauelemente des Leistungsumrichters 103 an-/ausgeschaltet
werden. 5 is a block diagram of an important part of an in JP-A-2004-180390 disclosed conventional device. In 5 reference numbers 102 to 104 a power source, a power converter or a motor. An output voltage instruction calculating means 100 calculates output voltage setpoints for the power converter 103 , Based on the output voltage command values, a PWM (Pulse Width Modulation) pattern generator calculates 101 PWM patterns, according to which semiconductor switching components of the power converter 103 be switched on / off.
Andererseits
empfängt eine Strombegrenzungseinrichtung 108 Spannungen
einer Stromquelle, die durch eine Stromquellenspannungs-Messeinrichtung 105 ermittelt
werden, und Motorströme, die durch eine Motorstrom-Messeinrichtung 106 ermittelt
werden, und führt ein Berechnen und Ausgeben von PWM-Mustern durch,
die zum Erzeugen von Ausgangsspannungsvektoren verwendet werden,
deren Richtung entgegengesetzt zu Stromvektoren ist, die aus den
Motorstrom-Messwerten berechnet werden.On the other hand, receives a current limiting device 108 Voltages of a power source generated by a power source voltage measuring device 105 be determined, and motor currents through a motor current measuring device 106 and performs calculation and output of PWM patterns used to generate output voltage vectors whose direction is opposite to current vectors calculated from the motor current measurements.
Bezugszeichen 107 bezeichnet
eine Vergleichseinrichtung, in der ein Begrenzungswert A festgelegt wird,
der unterhalb eines Motorstrom-Grenzwerts liegt. Die Vergleichseinrichtung 107 vergleicht
die Motorstrom-Messwerte mit dem Begrenzungswert A.reference numeral 107 denotes a comparison device in which a limiting value A is set which is below a motor current limit value. The comparison device 107 compares the motor current measured values with the limiting value A.
Falls
die Motorströme den Begrenzungswert überschritten
haben, wird eine Umschalteinrichtung 109 zur Seite der
Strombegrenzungseinrichtung 108 hin umgeschaltet, und zwar
gemäß der Ausgangsgröße der Vergleichseinrichtung 107,
wodurch PWM-Muster zum Erzeugen von Ausgangsspannungsvektoren, deren Richtung
entgegengesetzt zu Stromvektoren ist, dem Leistungsumrichter 103 über
die Umschalteinrichtung 109 zugeführt werden.If the motor currents have exceeded the limiting value, a switching device is activated 109 to the side of the current limiting device 108 switched, according to the output of the comparator 107 whereby PWM pattern for generating output voltage vectors whose direction is opposite to current vectors, the power converter 103 over the switching device 109 be supplied.
Mit
der zuvor beschriebenen Maßnahme werden die Motorströme
verringert und deren Amplitude kann kleiner als oder gleich groß wie
der Begrenzungswert gemacht werden. Als Ergebnis kann verhindert
werden, dass durch den Motor 104 Überströme
fließen, hingegen bleibt der Leistungsumrichter 103 in
Betrieb.With the above-described measure, the motor currents are reduced and their amplitude can be made smaller than or equal to the limit value. As a result, it can be prevented by the engine 104 Overcurrents flow, whereas the power converter remains 103 in operation.
In
Verbindung mit dem herkömmlichen Verfahren der zuvor erwähnten JP-A-2004-180390 offenbart die
nicht vorveröffentlichte japanische
Patentanmeldung Nr. 2005-238593 eine Erfindung, bei der,
um die Ausgangsstromwelligkeit durch Absenken der rechnerischen
Last zu verringern, ein Leistungsumrichter veranlasst wird, Nullspannungen
auszugeben.In conjunction with the conventional method of the aforementioned JP-A-2004-180390 discloses the non-pre-published Japanese Patent Application No. 2005-238593 an invention in which, in order to reduce the output current ripple by lowering the computational load, a power converter is caused to output zero voltages.
6 ist
ein Blockdiagramm eines wichtigen Teils einer Vorrichtung gemäß der
zuvor beschriebenen, früher eingereichten Erfindung. In 6 sind
Bauteile, welche die gleichen Funktionen wie in 5 dargestellte
entsprechende Bauteile haben, mit den gleichen Bezugszeichen wie
diese versehen. 6 Figure 11 is a block diagram of an important part of an apparatus according to the invention previously described. In 6 are components that have the same functions as in 5 have shown corresponding components, provided with the same reference numerals as these.
Die
Vorrichtung von 6 unterscheidet sich von der
von 5 darin, dass eine Nullspannungs-Erzeugungseinrichtung 110 anstelle
der Strombegrenzungseinrichtung 108 vorgesehen ist. Die
Nullspannungs-Erzeugungseinrichtung 110 führt,
auf Basis der Stromquellenspannungen, ein Auswählen und
Ausgeben solcher PWM-Muster durch, dass die Ausgangsspannungen aller
Phasen identisch werden.The device of 6 is different from that of 5 in that a zero voltage generator 110 instead of the current limiting device 108 is provided. The zero voltage generator 110 performs, based on the power source voltages, selecting and outputting such PWM patterns that the output voltages of all phases become identical.
Bei
der zuvor beschriebenen Konfiguration werden, wenn die Motorströme
größer als der Begrenzungswert geworden sind,
von der Nullspannungs-Erzeugungseinrichtung 110 dem Leistungsumrichter 103 über
die Umschalteinrichtung 109 PWM-Muster zugeführt.
Beispielsweise gibt der Leistungsumrichter 103 eine maximale
Phasenspannung der Stromquelle 102 für alle ausgegebenen
Phasen aus. Die Leitungsspannungen werden Null, wenn die Spannungen
aller ausgegebenen Phasen gleich sind. Daher werden die Motorströme
verringert und deren Amplitude überschreitet den Begrenzungswert
nicht.In the configuration described above, when the motor currents have become larger than the limit value, the zero-voltage generating means 110 the power converter 103 over the switching device 109 Supplied PWM pattern. For example, the power converter gives 103 a maximum phase voltage of the power source 102 for all output phases. The line voltages become zero when the voltages of all output phases are equal. Therefore, the motor currents are reduced and their amplitude does not exceed the limit value.
Das
in 5 dargestellte herkömmliche Verfahren
von JP-A-2004-180390 liefert
einen großen Stromverringerungseffekt, da Spannungsvektoren
ausgegeben werden, deren Richtung zu den Motorstromvektoren entgegengesetzt
ist. Jedoch tritt eine große Welligkeit in den ausgegebenen
Strömen in Erscheinung, da eine scharfe Änderung
der Ausgangsspannungen des Leistungsumrichters 103 erfolgt.This in 5 illustrated conventional method of JP-A-2004-180390 provides a large current reduction effect since voltage vectors are output whose direction is opposite to the motor current vectors. However, a large ripple appears in the output currents because of a sharp change in the output voltages of the power converter 103 he follows.
Wenn
der Leistungsumrichter 103 ein Wechselstrom/Wechselstrom-Direktumrichter
wie beispielsweise ein Matrixumrichter ist, werden die Eingangsströme
ebenfalls verzerrt, wenn eine Welligkeit in den ausgegebenen Strömen
vorhanden ist, da die Stromquelle 102 durch bidirektionale
Halbieiterschalter direkt mit dem Motor 104 verbunden ist.
Eine Welligkeit der ausgegebenen Ströme ist nicht zu bevorzugen,
da diese eine Drehmomentwelligkeit oder eine Geräuschentwicklung
im Motor 104 bewirken kann. Und eine Welligkeit der Eingangsströme
ist ebenfalls nicht zu bevorzugen, da sie einen fehlerhaften Betrieb
oder dergleichen in anderen mit der Stromquelle 102 verbundenen
Vorrichtungen bewirken kann.When the power converter 103 is an ac / ac direct converter such as a matrix converter, the input currents are also distorted when ripple is present in the output currents, as the current source 102 by bidirectional Halbieiterschalter directly to the engine 104 connected is. A ripple of the output currents is not preferable, as this torque ripple or noise in the engine 104 can cause. And ripple of the input currents is also not preferable because they cause erroneous operation or the like in others with the power source 102 can cause connected devices.
Andererseits
kann bei der in 6 dargestellten, früher
eingereichten Erfindung anstelle einer Verringerung der Motorströme
vielmehr eine Zunahme von diesen erfolgen, und zwar unter solchen
Betriebsbedingungen, dass die Energie vom Motor 104 zum
Leistungsumrichter 103 zurückgeführt
wird (Regenerierung), beispielsweise im Fall eines Bremsens.On the other hand, at the in 6 instead of reducing the motor currents, an increase of these occur, under such operating conditions that the energy from the motor 104 to the power converter 103 is returned (regeneration), for example in the case of braking.
Der
Grund dafür, dass die Motorströme vergrößert
werden, wenn der Leistungsumrichter 103 während eines
Regenerierungsbetriebs (Generatorbetriebs) Nullspannungen ausgibt,
wird nachfolgend beschrieben.The reason that the motor currents are increased when the power converter 103 during a regeneration operation (generator operation) outputs zero voltages is described below.
7 ist
ein eine einzige Ausgangsphase aufweisendes Schaltungsdiagramm eines
Matrixumrichters im Fall, dass ein Synchronmotor wie beispielsweise
der Motor 104 durch einen Matrixumrichter wie beispielsweise
den Leistungsumrichter 103 von 6 angesteuert
wird. Der Motorstrom während eines Ansteuerbetriebs ist
durch die folgende Gleichung (1) gegeben: wobei
v0 die Ausgangsspannung des Matrixumrichters 1,
em die vom Motor erzeugte Induktionsspannung,
R1 der Primärwicklungswiderstand
des Motors, Lσ ist die Primärsynchroninduktivität
und ω die Primärwinkelfrequenz ist. 7 is a single output phase circuit diagram of a matrix converter in the case of a synchronous motor such as the motor 104 by a matrix converter such as the power converter 103 from 6 is controlled. The motor current during a driving operation is given by the following equation (1): where v 0 is the output voltage of the matrix converter 1 , e m is the induction voltage generated by the motor, R 1 is the primary winding resistance of the motor, L σ is the primary synchronous inductance, and ω is the primary angular frequency.
Andererseits
ist der Motorstrom während eines regenerativen Bremsbetriebs
durch die folgende Gleichung (2) gegeben: On the other hand, during a regenerative braking operation, the motor current is given by the following equation (2):
Es
ist zu erkennen, dass die Vorzeichen der Ausgangsspannung vo und der Induktionsspannung em in Gleichung
(2) entgegengesetzt zu denen in Gleichung (1) sind. In der Konfiguration
von 6 bedeutet eine plötzliche Änderung
der Ausgangsspannung des Matrixumrichters (Leistungsumrichters 103)
auf Null, dass vo in Gleichung (1) gleich
"0" wird (Ansteuerbetrieb). Der Motorstrom io wird
dadurch vermindert. Jedoch wird, wenn vo in
Gleichung (2) gleich "0" wird (regenerativer Bremsbetrieb), der
Term (em – vo)
auf der rechten Seite größer als vor dem Zeitpunkt,
zu dem vo gleich "0" wird, und somit wird,
im Gegensatz zur Absicht, der Motorstrom io vergrößert.
Bezug nehmend auf das Schaltungsdiagramm von 7 wird,
wenn vo zu "0" gemacht wird, für
die Induktionsspannung em im Matrixumrichter
ein Kurzschließen verursacht und dadurch wird der Strom
io vergrößert.It can be seen that the signs of the output voltage v o and the induction voltage e m in equation (2) are opposite to those in equation (1). In the configuration of 6 means a sudden change in the output voltage of the matrix converter (power converter 103 ) to zero, that v o in equation (1) becomes equal to "0" (drive operation). The motor current i o is thereby reduced. However, when v o becomes equal to "0" in Equation (2) (regenerative braking operation), the term (e m -v o ) on the right side becomes larger than before the time point when v o becomes "0", and thus, contrary to the intent, the motor current i o is increased. Referring to the circuit diagram of 7 For example, if v o is made "0", the induction voltage e m in the matrix converter causes short-circuiting, and thereby the current i o is increased.
Es
ist ein Strombegrenzungsverfahren eines Wechselrichters vom Spannungstyp,
der einen Energiepuffer aufweist, bekannt, das in JP-A-3-74175 beschrieben
ist ( japanisches Patent Nr. 2,745,691 ).
Dieses Dokument offenbart ein Verfahren, das, wenn die Größe
eines Stromvektors größer als ein Begrenzungswert
geworden ist, ein Spannungsvektor, dessen Position möglichst
nahe bei einem Vektor ist, dessen Richtung entgegengesetzt zu der
des Stromvektors ist, gewählt wird und der Wechselrichter
vom Spannungstyp veranlasst wird, diesen auszugeben.It is a current limiting method of a voltage-type inverter having an energy buffer known in JP-A-3-74175 is described ( Japanese Patent No. 2,745,691 ). This document discloses a method that, when the magnitude of a current vector has become greater than a limiting value, a voltage vector whose position is as close as possible to a vector whose direction is opposite to that of the current vector is selected and the voltage-type inverter is caused to spend this.
Jedoch
ist bei Direktumrichtern wie beispielsweise Matrixumrichtern, das
PWM-Pulserzeugungsverfahren unterschiedlich von dem bei Wechselrichtern.
Daher ist es schwierig, das zuvor beschriebene herkömmliche
Verfahren auf Direktumrichter unverändert anzuwenden.however
is for direct converters such as matrix converters, the
PWM pulse generating method different from that of inverters.
Therefore, it is difficult to use the conventional one described above
Apply method to cycloconverters unchanged.
Ein
Ziel der Erfindung ist daher, eine Motoransteuervorrichtung bereitzustellen,
die einen Motor mittels eines Wechselstrom/Wechselstrom-Direktumrichters
wie beispielsweise einem Matrixumrichter ansteuert und die keine
Welligkeit verursacht, sogar im Fall scharfer Änderungen
der Motorströme, die Motorströme sowohl bei einem
Ansteuerbetrieb als auch bei einem Bremsbetrieb (regeneratives Bremsen)
verringern kann, und die einen sicheren Betrieb des Direktumrichters
aufrechterhalten kann.One
The aim of the invention is therefore to provide a motor drive device,
a motor by means of an AC / AC direct drive
such as a matrix converter controls and the none
Ripple caused, even in the case of sharp changes
the motor currents, the motor currents both at one
Control operation as well as during braking operation (regenerative braking)
can reduce, and the safe operation of the cycloconverter
can sustain.
Das
zuvor beschriebene Ziel kann mit einer Motoransteuervorrichtung
gemäß Patentanspruch 1 erreicht werden. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The
Goal described above can be with a Motoransteuervorrichtung
can be achieved according to claim 1. advantageous
Further developments are the subject of the dependent claims.
Bei
der Erfindung werden, um die Amplitude der Motorströme
zu begrenzen, Induktionsspannungen des Motors berechnet und dem
Leistungsumrichter als zweite Ausgangsspannungs-Sollwerte anstelle
von ersten Ausgangsspannungs-Sollwerten für einen gewöhnlichen
Betrieb zugeführt. Die Ausgangsspannungen des Leistungsumrichters
werden auf diese Weise gleich groß wie die Induktionsspannungen
gemacht.at
of the invention, the amplitude of the motor currents
to limit, induction voltages of the engine calculated and the
Power converter as second output voltage setpoints instead
of first output voltage command values for an ordinary one
Operation supplied. The output voltages of the power converter
become the same size as the induction voltages in this way
made.
Als
Ergebnis können die Motorströme kleiner oder gleich
groß wie der Begrenzungswert gemacht werden, und zwar ungeachtet
des Motorbetriebszustandes, wie beispielsweise einem Ansteuerzustand
und einem Bremszustand. Es treten keine scharfen Änderungen
in den Ausgangsspannungen des Leistungsumrichters auf und dessen
Betrieb kann sicher fortgeführt werden.When
As a result, the motor currents can be less than or equal to
great as the limit value are made, regardless
the engine operating state, such as a driving state
and a braking state. There are no sharp changes
in the output voltages of the power converter and its
Operation can be safely continued.
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert; es zeigen: embodiments
The invention will be described below with reference to the accompanying drawings
explained in more detail; show it:
1 ein
Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 1 a block diagram of a first embodiment of the invention;
2 ein
Blockdiagramm, das die Konfiguration einer in 1 dargestellten
Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung darstellt; 2 a block diagram showing the configuration of an in 1 illustrated induction voltage calculating means;
3 ein
Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; 3 a block diagram of a second embodiment of the invention;
4 ein
Blockdiagramm, das die Konfiguration einer in 3 dargestellten
Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung darstellt; 4 a block diagram showing the configuration of an in 3 illustrated induction voltage calculating means;
5 ein
Blockdiagramm eines wichtigen Teils einer herkömmlichen
Vorrichtung; 5 a block diagram of an important part of a conventional device;
6 ein
Blockdiagramm eines wichtigen Teils einer Vorrichtung gemäß einer
früher eingereichten Erfindung; und 6 a block diagram of an important part of a device according to a previously submitted invention; and
7 ein
eine einzige Ausgabephase aufweisendes Schaltungsdiagramm in einem
Fall, dass ein Synchronmotor durch einen Matrixumrichter bei der
zuvor eingereichten Erfindung angesteuert wird. 7 a single output phase circuit diagram in a case that a synchronous motor is driven by a matrix converter in the invention previously filed.
1 ist
ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
die in Bezug zu den Ansprüchen 1 und 2 steht. Bauelemente
von 1, welche die gleichen Funktionen wie in 5 oder 6 dargestellte,
entsprechende Elemente haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen
wie diese versehen und werden nachfolgend nicht erläutert.
Das heißt, nachfolgend werden hauptsächlich Bauelemente
beschrieben, die keine Entsprechung zu den Bauelementen von 5 oder 6 haben. 1 is a block diagram of a first embodiment of the invention, which is related to the claims 1 and 2. Components of 1 which have the same functions as in 5 or 6 shown, have corresponding elements are provided with the same reference numerals as these and will not be explained below. That is, hereinafter mainly components are described which do not correspond to the components of 5 or 6 to have.
In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 1 einen Matrixumrichter, der ein Wechselstrom/Wechselstrom-Direktumrichter
ist und aus mehreren bidirektionalen Schaltern aufgebaut ist, welche
die Stromquelle 102 und den Motor 104 direkt verbinden.
Beispielsweise sind, wenn die Stromquelle 102 eine dreiphasige
Wechselstromquelle ist und der Motor 104 ein dreiphasiger
Synchronmotor ist, insgesamt neun bidirektionale Schalter zwischen
die dreiphasigen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen geschaltet.
Beispielsweise handelt es sich bei jedem dieser bidirektionalen
Schalter um zwei antiparallel geschaltete Halbleiter-Schaltbauelemente
wie beispielsweise IGBTs mit großer Durchbruchspannung
in Rückwärtsrichtung.In 1 denotes reference numeral 1 a matrix converter, which is an AC / AC direct converter and is made up of several bidirectional switches, which are the power source 102 and the engine 104 connect directly. For example, if the power source 102 a three-phase change power source is and the engine 104 a three-phase synchronous motor, a total of nine bidirectional switches are connected between the three-phase input and output terminals. For example, each of these bidirectional switches is a pair of anti-parallel connected semiconductor switching devices, such as IGBTs with high breakdown voltage in the reverse direction.
Bezugszeichen 2 bezeichnet
eine Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung, die vom Motor 104 erzeugte
Induktionsspannungen berechnet. Die Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung 2 empfängt Motorstrom-Messwerte,
die von der Motorstrom-Messeinrichtung 106 kommen, Stromquellenspannungs-Messwerte,
die von der Stromquellenspannungs-Messeinrichtung 105 kommen,
und erste Ausgangsspannungs-Sollwerte (für einen gewöhnlichen
Zustand, bei dem die Motorströme gleich groß oder
kleiner als der Begrenzungswert sind), die von der Ausgangsspannungs-Anweisungsberechnungseinrichtung 100 kommen.
Die Induktionsspannungen, die von der Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung 2 berechnet
werden, werden dem einen Satz von Schaltan schlössen der
Umschalteinrichtung 109 als zweite Ausgangsspannungs-Sollwerte
(bei einem Zustand, bei dem die Motorströme größer
als der Begrenzungswert sind und somit eine Strombegrenzung erforderlich
ist) für den Matrixumrichter 1 zugeführt.
Die ersten Ausgangsspannungs-Sollwerte, die von der Ausgangsspannungs-Anweisungsberechnungseinrichtung 100 ausgegeben
werden, werden dem anderen Satz von Schaltanschlüssen zugeführt.reference numeral 2 denotes an induction voltage calculating means, that of the engine 104 calculated induced voltages. The induction voltage calculator 2 receives motor current readings from the motor current measuring device 106 come, power source voltage readings from the power source voltage measuring device 105 , and first output voltage command values (for a normal state in which the motor currents are equal to or smaller than the limit value), from the output voltage command calculating means 100 come. The induction voltages generated by the induction voltage calculator 2 be calculated are the one set of Schaltan statements of the switching device 109 as the second output voltage command values (in a state where the motor currents are greater than the limit value and thus a current limit is required) for the matrix converter 1 fed. The first output voltage command values supplied by the output voltage command calculator 100 are output to the other set of switching terminals.
Wie
im Fall der 5 und 6 schaltet
die Umschalteinrichtung 109 zwischen den Sätzen
von Umschaltanschlüssen gemäß der Ausgabegröße
der Vergleichseinrichtung 107 um. Falls die Vergleichseinrichtung 107 ermittelt,
dass die Amplitude der Motorströme den Begrenzungswert
A Oberschritten hat, wird die Umschalteinrichtung 109 zur
Seite der Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung 2 hin
umgeschaltet, und durch die Einrichtung 2 berechnete Induktionsspannungen
werden als Ausgangsspannungs-Sollwerte der PWM-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 über
die Umschalteinrichtung 109 zugeführt.As in the case of 5 and 6 Switches the switching device 109 between sets of switching ports according to the output of the comparing means 107 around. If the comparator 107 determines that the amplitude of the motor currents has exceeded the limiting value A, the switching device 109 to the side of the induction voltage calculating means 2 switched over, and by the device 2 calculated induction voltages are referred to as output voltage setpoints of the PWM pattern generator 101 over the switching device 109 fed.
Das
Prinzip der Begrenzung der Motorströme gemäß dieser
Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.The
Principle of limiting the motor currents according to this
Embodiment will be described below.
Aus
den obenstehenden Gleichungen (1) und (2) ist zu ersehen, dass,
wenn die Beziehung vo = em hergestellt
ist, die durch die Primärwicklungen des Motors erzeugten
Spannungsabfälle Null werden, und zwar ungeachtet der Tatsache,
ob der aktuelle Betrieb ein Ansteuern oder ein Bremsen ist, und
somit können die Motorströme verringert werden.
Das heißt, zufriedenstellende Ergebnisse können
durch eine Steuerung erzielt werden, bei der die Ausgangsspannungen
des Matrixumrichters 1 gleich groß wie die Induktionsspannungen des
Motors 104 gemacht werden.From the above equations (1) and (2), it can be seen that when the relationship v o = e m is established, the voltage drops generated by the primary windings of the motor become zero, regardless of whether the current operation is on Driving or braking is, and thus the motor currents can be reduced. That is, satisfactory results can be achieved by a control in which the output voltages of the matrix converter 1 the same size as the induction voltages of the motor 104 be made.
Die
Konfiguration und die Funktionsweise der Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung 2 wird nachfolgend
mit Bezug auf 2 erläutert. Es sei
angenommen, dass der Motor 104 ein Synchronmotor ist.The configuration and operation of the induced voltage calculator 2 will be referred to below with reference to 2 explained. It is assumed that the engine 104 is a synchronous motor.
Es
seien vu*, vv* und
vw* die Ausgangsspannungs-Sollwerte der
drei Phasen, die der PWM-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 von
der Ausgangsspannungs-Anweisungsberechnungseinrichtung 100 zugeführt werden.
Eine in 2 dargestellte Koordinatenwandlereinrichtung 21 wandelt
die Ausgangsspannungs-Sollwerte vu*, vv* und vw* in orthogonale
zweiachsige Wechselstrom-Komponenten vα*
und vβ* gemäß der
folgenden Gleichung (3) um: Let v u *, v v * and v w * be the output voltage setpoints of the three phases, that of the PWM pattern generator 101 from the output voltage instruction calculating means 100 be supplied. An in 2 illustrated coordinate converter device 21 converts the output voltage command values v u *, v v * and v w * into orthogonal biaxial AC components v α * and v β * according to the following equation (3):
In ähnlicher
Weise wandelt die Koordinatenwandlereinrichtung 21 die
zu den drei Phasen gehrenden Motorstrom-Messwerte iu,
iv und iw in orthogonale
zweiachsige Wechselstromkomponenten iα und
iβ gemäß der folgenden
Gleichung (4) um: Similarly, the coordinate converter device converts 21 the motor current measurements i u , i v and i w relating to the three phases in orthogonal two-axis alternating current components i α and i β according to the following equation (4):
Außerdem
wandelt die Koordinatenwandlereinrichtung 21 den Satz aus
vα* und vβ*
sowie den Satz aus iα und iβ in die Koordinaten (des d-q-Koordinatensystems)
um, das mit der Primärwinkelfrequenz ω rotiert,
und zwar gemäß den folgenden Gleichungen (5) bzw.
(6), wobei θ = ∫ωdt aus dem durch einen
Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl-Messwert, dem Drehzahl-Sollwert
oder dem Drehzahlschätzwert erhalten werden kann.In addition, the coordinate converter device converts 21 the set of v α * and v β * as well as the sentence from i α and i β into the coordinates (of the dq coordinate system) rotating at the primary angular frequency ω according to the following equations (5) and (6), respectively, where θ = ∫ωdt from the rotational speed detected by a rotational speed sensor Measured value, the speed reference value or the speed estimated value can be obtained.
Eine
Antriebs/Brems-Beurteilungseinrichtung 22 berechnet die
momentane Effektivleistung p aus vd*, vq*, id und iq gemäß der folgenden Gleichung
(7): p = vd*id + vq*iq (7) A drive / brake judging device 22 calculating the instantaneous effective power p from v d *, v q *, i d and i q from the following equation (7): p = v d * i d + v q * i q (7)
Falls
p ≥ 0, beurteilt die Antriebs/Brems-Beurteilungseinrichtung 22,
dass der aktuelle Betrieb ein Ansteuern ist, und gibt ein Ansteuer-Beurteilungssignal
aus. Falls p < 0,
beurteilt die Antriebs/Brems-Beurteilungseinrichtung 22,
dass der aktuelle Betrieb ein Bremsen (regeneratives Bremsen) ist,
und gibt ein Brems-Beurteilungssignal aus. Beim Synchronmotor sind
die Positionen von Stator und Rotor gleich, und daher ist die d-Achsenkomponente
ed der Induktionsspannungen gleich Null.
Andererseits wird die q-Achsenkomponente eq der
Induktionsspannungen gemäß den folgenden Gleichungen
(8) berechnet, die auf den Spannungsgleichungen des Motors basieren.
Die Motorparameter (motorelektrische Konstanten) R1 and
Lσ in den Gleichungen (8) können
entweder Messwerte oder Schätzwerte sein.If p ≥ 0, the drive / brake judging means judges 22 in that the current operation is a drive, and outputs a drive judgment signal. If p <0, the drive / brake judging means judges 22 in that the current operation is braking (regenerative braking) and outputs a brake judgment signal. In the synchronous motor, the positions of stator and rotor are the same, and therefore the d-axis component e d of the induction voltages is zero. On the other hand, the q-axis component e q of the induction voltages is calculated according to the following equations (8) based on the voltage equations of the motor. The engine parameters (engine electrical constants) R 1 and L σ in equations (8) can be either measured values or estimated values.
Eine
Koordinatenwandlereinrichtung 24 wandelt die d-Achsenkomponente
ed (= 0) und die q-Achsenkomponente eq der Induktionsspannungen, bei denen es
sich um durch einen Berechnungs block 23 entsprechend den
Gleichungen (8) erhaltene Sollwerte handelt, in die zu den drei
Phasen gehörenden Wechselspannungskomponenten eu*, ev* und ew* um.A coordinate converter device 24 converts the d-axis component e d (= 0) and the q-axis component e q of the induction voltages, which are defined by a calculation block 23 according to the equations (8) is obtained, in the belonging to the three phases AC components e u *, e v * and e w * to.
Anders
als ein Wechselrichter erzielt der Matrixumrichter Spannungen durch
ein direktes PWM-Steuern der Spannungen der Stromquelle. Daher werden,
um gewünschte Induktionsspannungen herzustellen, Amplitudeninformationen
der Spannungen der Stromquelle benötigt. Daher berechnet
eine Matrixumrichter-Spannungsanweisungs-Berechnungseinrichtung 25 die
Ausgangsspannungs-Sollwerte λu*, λv* und λw*
dadurch, dass sie eu*, ev*
und ew* durch Dividieren durch den Absolutwert
|Vi| der Stromquellenspannungen gemäß der
folgenden Gleichung (9) korrigiert und λu*, λv* und λw*
an die Umschalteinrichtung 109 als die zweiten Ausgangsspannungs-Sollwerte
ausgibt. und viα und viβ die
zweiachsigen Wechselstromkomponenten der Stromquellenspannungen
sind.Unlike an inverter, the matrix converter achieves voltages through direct PWM control of the voltages of the power source. Therefore, to make desired induction voltages, amplitude information of the voltages of the power source is needed. Therefore, a matrix converter voltage instruction calculating means calculates 25 the output voltage command values λ u *, λ v * and λ w * are obtained by dividing by the absolute value | V i |... e u *, e v * and e w * the current source voltages are corrected according to the following equation (9) and λ u *, λ v * and λ w * to the switching means 109 as the second output voltage setpoints. and v iα and v iβ are the biaxial AC components of the power source voltages.
Verschiedene
Verfahren stehen zur Verfügung, um danach An-/Aus-Zeitdauern
der Halbleiter-Schaltbauelemente des Matrixumrichters 1 zu
berechnen, jedoch werden diese hier nicht beschrieben, da sie keinen wichtigen
Teil der Erfindung darstellen.Various methods are available for thereafter on / off durations of the semiconductor switching devices of the matrix converter 1 However, these are not described here because they have no represent important part of the invention.
Wenn
die Motorströme den Begrenzungswert A überschritten
haben, wählt die in 1 dargestellte Umschalteinrichtung 109 die
zweiten Ausgangsspannungs-Sollwerte (siehe Gleichung (9)) gemäß der
Ausgabegröße der Vergleichseinrichtung 107 aus
und gibt diese an die PWM-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 aus.
Wenn die Motorströme abgenommen haben, so dass sie unterhalb
des Begrenzungswerts liegen, wählt die Umschalteinrichtung 109 wieder
die ersten Ausgangsspannungs-Sollwerte (bei einem gewöhnlichen
Zustand) aus, die von der Ausgangsspannungs-Anweisungs-Berechnungseinrichtung 100 kommen,
und gibt diese an die PWM-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 aus,
um einen gewöhnlichen Betrieb zu bewirken.If the motor currents have exceeded the limiting value A, select the in 1 illustrated switching device 109 the second output voltage command values (see Equation (9)) according to the output of the comparator 107 and outputs them to the PWM pattern generator 101 out. When the motor currents have decreased so that they are below the limit value, the switching device selects 109 again, the first output voltage command values (in a usual state) output from the output voltage command calculating means 100 come and pass them to the PWM pattern generator 101 to effect a normal operation.
Wie
zuvor beschrieben, werden gemäß dieser Ausführungsform,
wenn die Motorströme den Begrenzungswert A überschritten
haben, diese dadurch begrenzt, dass die Ausgangsspannungs-Sollwerte
auf Werte umgeschaltet werden, die gleich groß wie die
Induktionsspannungen des Motors sind, und zwar anstelle einer Änderung
der PWM-Muster selbst. Dies ermöglicht es, eine Vergrößerung
der Welligkeit in den Ausgabeströmen zu verhindern, die
andernfalls bedingt durch scharfe Änderungen der Pulsmuster
auftreten würden, um dadurch eine Welligkeit der Eingangsströme
zu vermindern.As
previously described, according to this embodiment,
when the motor currents exceeded the limiting value A.
have this limited by the fact that the output voltage setpoints
be switched to values the same size as the
Induction voltages of the motor are, instead of a change
the PWM pattern itself. This allows for an enlargement
to prevent the ripple in the output currents, the
otherwise due to sharp changes in the pulse pattern
would occur, thereby ripple the input currents
to diminish.
Das
zuvor beschriebene Induktionsspannungsberechnungsverfahren gemäß der
ersten Ausfüh rungsform, d. h. die in 2 dargestellte
Konfiguration, ist lediglich ein Beispiel. Die Berechnungen können
so durchgeführt werden, dass die Variablen in Wechselstromkomponentenform
bleiben (d. h. es wird keine Koordinatenumwandlung durchgeführt).
Und eine Induktionsspannungs-Beobachtungseinrichtung kann verwendet werden,
um Induktionsspannungen gemäß einem Motormodell
abzuschätzen. Außerdem ist der Motor 104 dieser
Ausführungsform nicht auf einen Synchronmotor eingeschränkt,
und dieser kann ein Induktionsmotor sein, falls die Gleichungen
(8) gemäß den Spannungsgleichungen des Motors
modifiziert werden.The above-described induction voltage calculation method according to the first embodiment, that is, the in 2 configuration shown is merely an example. The calculations can be performed so that the variables remain in AC component form (ie no coordinate conversion is performed). And an induction voltage observer can be used to estimate induction voltages according to a motor model. Besides, the engine is 104 This embodiment is not limited to a synchronous motor, and this may be an induction motor if the equations (8) are modified according to the voltage equations of the motor.
3 ist
ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
die sich auf Ansprüche 1 und 3 bezieht. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin,
dass Ausgangsspannungs-Messwerte des Matrixumrichters 1 zur
Berechnung von Induktionsspannungen verwendet werden. 3 is a block diagram of a second embodiment of the invention, which relates to claims 1 and 3. This embodiment differs from the first embodiment in that output voltage measurement values of the matrix converter 1 used to calculate induction voltages.
Das
heißt, eine Ausgangsspannungs-Messeinrichtung 3 wird
zur Konfiguration von 1 hinzugefügt, und
Spannungs-Messwerte der Ausgangsspannungs-Messeinrichtung 3 werden
einer Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung 2A zugeführt
und in dieser verwendet, um Induktionsspannungen zu berechnen.That is, an output voltage measuring device 3 becomes the configuration of 1 added, and voltage readings of the output voltage measuring device 3 are an induction voltage calculating means 2A fed and used in this to calculate induction voltages.
Bei
der ersten Ausführungsform stimmen, wenn die Induktionsspannungen
Berechnungsfehler beinhalten, die Ausgangsspannungs-Sollwerte nicht
mit den tatsächlichen Induktionsspannungen überein,
während die Motorströme begrenzt sind und die
Beziehung v0 = em in
Gleichung (1) oder (2) nicht hergestellt ist, wodurch der Motorstrom-Begrenzungseffekt
vermindert wird. Der Induktionsspannungsberechnungsfehler beinhaltet
verschiedene Fehler, wie beispielsweise Fehler bei den Motorparametern
und einen durch eine Berechnungsverzögerung bewirkten Fehler,
und dominante Teile von diesen sind Kommutationsfehler der Halbleiter-Schaltbauelemente
(d. h. Spannungsfehler, die durch die Tatsache bedingt sind, dass
in Schaltmustern Haltezeiträume vorgesehen sind, um sowohl
ein Kurzschließen der Stromquelle als auch ein lastseitiges Öffnen
des Matrixumrichters zu verhindern) sowie Ausgangsspannungsfehler,
die durch Durchlassspannungsabfälle über die Halbleiter-Schaltbauelemente
bedingt sind.In the first embodiment, when the induced voltages include calculation errors, the output voltage command values do not agree with the actual induction voltages while the motor currents are limited and the relation v 0 = e m in Equation (1) or (2) is not established the motor current limiting effect is reduced. The induced voltage calculation error includes various errors such as errors in the motor parameters and error caused by a calculation delay, and dominant parts thereof are commutation errors of the semiconductor switching devices (ie, voltage errors caused by the fact that holding periods are provided in switching patterns) to prevent both shorting of the current source and load side opening of the matrix converter) as well as output voltage errors due to forward voltage drops across the semiconductor switching devices.
In
Anbetracht des zuvor Beschriebenen werden bei der zweiten Ausführungsform
Ausgangsspannungen ermittelt, die tatsächlich durch den
Matrixumrichter 1 an den Motor 104 angelegt werden,
und es werden Induktionsspannungen unter Verwendung der Spannungs-Messwerte
berechnet, so dass die Berechnungsfehler verringert werden und die
Beziehung vo = em in
Gleichung (1) und (2) immer hergestellt ist, und so, dass der Motorstrom-Begrenzungseffekt
dadurch verbessert wird.In view of the above, in the second embodiment, output voltages are actually detected by the matrix converter 1 to the engine 104 and induction voltages are calculated using the voltage measurements so that the calculation errors are reduced and the relation v o = e m in Equations (1) and (2) is always established, and so that the motor current limiting effect is thereby improved.
4 ist
ein Blockdiagramm der in 3 dargestellten Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung 2A.
Wie in 4 dargestellt, werden Spannungs-Messwerte, die
durch die in 3 dargestellte Ausgangsspannungs-Messeinrichtung 3 ermittelt
werden, einer Koordinatenwandlereinrichtung 21A zugeführt, die,
in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform, die
zweiachsigen Komponenten vd und vq des Drehkoordinatensystems durch eine Koordinatenumwandlung
berechnet. Das heißt, die zweiachsigen Komponenten vα und vβ werden
unter Verwendung der Spannungs-Messwerte vu,
vv und vw anstelle
von vu*, vv* und
vw* berechnet, die in Gleichung (3) verwendet
werden. 4 is a block diagram of in 3 illustrated induction voltage calculating device 2A , As in 4 shown, voltage readings are given by the in 3 illustrated output voltage measuring device 3 be determined, a coordinate converter device 21A supplied, which, in the same manner as in the first embodiment, the biaxial components v d and v q of the rotational coordinate system calculated by a coordinate conversion. That is, the biaxial components v α and v β are calculated using the voltage measurements v u , v v and v w instead of v u *, v v * and v w * used in equation (3).
Und
die zweiachsigen Komponenten vd und vq werden unter Verwendung von vα und
vβ anstelle von vα*
und vβ* berechnet, die in Gleichung
(5) verwendet werden.And the biaxial components v d and v q are calculated using v α and v β instead of v α * and v β * used in equation (5).
Dann
wird die q-Achsenkomponente eq der Induktionsspannungen
durch den Berechnungsblock 23 unter Verwendung von vq anstelle von vq*
berechnet, das in Gleichung (8) verwendet wird. Und die auf diese Weise
berechnete q-Achsenkomponente eq und die
d-Achsenkomponente ed (Sollwerte) werden
anstelle von eq* und ed*
(= 0) in die zu den drei Phasen gehörenden Wechselspannungskomponenten
eu*, ev* und ew* durch die Koordinatenwandlereinrichtung 24 umgewandelt.
Die anschließenden Berechnungen werden hier nicht beschrieben,
da sie denen entsprechen, die in 2 dargestellt
sind.Then, the q-axis component e q of the induction voltages is calculated by the calculation block 23 is calculated using v q instead of v q * used in equation (8). And the q-axis component e q calculated in this way and the d-axis component e d (setpoint values) are instead of e q * and e d * (= 0) in the AC components e u *, e v * belonging to the three phases. and e w * by the coordinate conversion means 24 transformed. The subsequent calculations are not described here, since they correspond to those in 2 are shown.
Gemäß dieser
Ausführungsform werden, da Induktionsspannungen, die unter
Verwendung tatsächlicher Ausgangsspannungen des Matrixumrichters 1 berechnet
werden, als Ausgangsspannungs-Sollwerte für einen Strombegrenzungsbetrieb
ausgegeben werden, die Induktionsspannungsberechnungsfehler verringert, und
die Beziehung vo = em kann
in Gleichung (1) oder (2) immer hergestellt werden. Als Ergebnis
werden die Motorströme zuverlässig begrenzt und
der Leistungsumrichter kann kontinuierlich betrieben werden.According to this embodiment, since induction voltages are generated using actual output voltages of the matrix converter 1 are calculated as output voltage set values for a current limiting operation that reduces induced voltage calculation errors, and the relationship v o = e m can always be established in Equation (1) or (2). As a result, the motor currents are reliably limited and the power converter can be operated continuously.
Bei
jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist die
Umschalteinrichtung 109 zwischen der Induktionsspannungs-Berechnungseinrichtung 2 oder 2A und
der PWM-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 vorgesehen. Jedoch
ist eine alternative Konfiguration möglich, bei der PWM-Muster
vorab auf Basis von berechneten Induktionsspannungen erzeugt und
in einer Speichereinrichtung gespeichert werden, eine Umschalteinrichtung
zwischen der PWM-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 und dem
Matrixumrichter 1 vorgesehen ist, und PWM-Muster für
einen gewöhnlichen Betrieb, die von der PWM-Muster-Erzeugungseinrichtung 101 zugeführt
werden, oder die PWM-Muster für einen Strombegrenzungsbetrieb,
die in der Speichereinrichtung gespeichert sind, durch die Umschalteinrichtung
ausgewählt und dem Matrixumrichter 1 zugeführt
werden.In each of the previously described embodiments, the switching device is 109 between the induction voltage calculating means 2 or 2A and the PWM pattern generator 101 intended. However, an alternative configuration is possible in which PWM patterns are generated in advance on the basis of calculated induced voltages and stored in a memory device, switching means between the PWM pattern generating means 101 and the matrix converter 1 is provided, and PWM pattern for a normal operation, the PWM pattern generating means 101 or the PWM patterns for a current limiting operation stored in the storage means are selected by the switching means and the matrix converter 1 be supplied.
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- JP 3-74175 A [0021] - JP 3-74175 A [0021]
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- JP 2745691 [0021] - JP 2745691 [0021]
