DE102008025445A1

DE102008025445A1 - Vorrichtung, Systeme und Verfahren zum verringern von Verlusten eines Spannungszwischenkreisumrichters

Info

Publication number: DE102008025445A1
Application number: DE102008025445A
Authority: DE
Inventors: Silva Hiti; Steven E. Schulz; Brian A. Welchko
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-01-08
Also published as: CN101316094B; CN101316094A; US7755319B2; US20080297100A1

Abstract

Es werden eine Vorrichtung, Systeme und Verfahren zum Verringern von Verlusten eines Spannungszwischenkreisumrichters bereitgestellt. Eine Vorrichtung umfasst einen Sensor, der mit dem Motor koppelbar ist und ausgestaltet ist, um eine Arbeitsfrequenz des Motors und einen Drehmomentbetrag, der von dem Motor erzeugt wird, zu erfassen. Die Vorrichtung umfasst auch einen mit dem Sensor gekoppelten Controller, wobei der Controller ausgestaltet ist, um eine Nullvektormodulation (ZVM) auf der Grundlage der erfassten Frequenz und des erfassten Drehmoments zu ermitteln. Ein System umfasst ein Mittel zum Erfassen einer Schwellenwert-Ausgangsfrequenz des Motors und ein Mittel zum Erfassen eines Schwellenwertdrehmoments des Motors. Das System umfasst auch ein Mittel zum Ermitteln einer ZVM für den Wechselrichter auf der Grundlage der erfassten Schwellenwertfrequenz und des erfassten Schwellenwertdrehmoments. Ein Verfahren umfasst ein Erfassen, dass ein Motor unter einer Schwellenwertfrequenz arbeitet und ein Drehmoment erzeugt, das über einem Schwellenwert-Drehmomentbetrag liegt. Das Verfahren umfasst auch ein Ermitteln einer ZVM für den Wechselrichter auf der Grundlage der erfassten Frequenz und des erfassten Drehmoments.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wechselrichter, wie beispielsweise Spannungszwischenkreisumrichter, und sie betrifft insbesondere das Verwalten der thermischen Eigenschaften und der Stromverzerrung von Leistungsschaltern in Spannungszwischenkreisumrichtern, wenn eine Spannung an einen Elektromotor geliefert wird, der einen großen Drehmomentbetrag bei niedrigen Ausgangsfrequenzen erzeugt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele Anwendungen (z. B. Motorantriebssysteme für Elektro- oder Hybridkraftfahrzeuge) verwenden einen Spannungszwischenkreisumrichter (VSI, VSI von Voltage Source Inverter). Der VSI liefert typischerweise eine Spannung an einen mehrphasigen Elektromotor (z. B. einen Wechselstrommotor (AC-Motor)), welcher wiederum die Räder des Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugs antreibt.
Probleme mit dem Temperaturmanagement betreffs Leistungsschalter in dem VSI treten auf, wenn der VSI eine Spannung an den Elektromotor liefert, wenn der Elektromotor große Drehmomentbeträge bei niedrigen Ausgangsfrequenzen erzeugt (einschließlich einer Ausgangsfrequenz von Null). Das heißt, dass der VSI eine niedrige (oder eine Null-)Spannung an die Motorphasen anlegt, während er eine konstante Eingangsspannung (d. h. eine Gleichspannung (DC-Spannung)) empfängt. Bei einem Betrieb mit niedrigen Ausgangsfrequenzen ist die von dem VSI gelieferte mittlere Spannung klein im Vergleich zu der Eingangsspannung; der Strom jedoch, den der VSI liefert, kann bei dem Schalternennstrom für den VSI liegen.
Diese Probleme mit dem Temperaturmanagement treten typischerweise aufgrund von sich langsam ändernden AC-Strömen in dem VSI auf, wenn der Elektromotor große Drehmomentbeträge bei einer niedrigen Ausgangsfrequenz oder bei einer Ausgangsfrequenz von Null erzeugt. Das heißt, dass es notwendig sein kann, dass ein Leistungsschalter in dem VSI den Phasenspitzenstrom kontinuierlich leitet oder den Phasenspitzenstrom zumindest für eine erweiterte Zeitperiode leitet, was eine konstante hohe Leistungsdissipation in dem Leistungsschalter verursacht und eine ungünstigste (Worst Case) Betriebsbedingung für einen VSI-Schalter darstellt.
Eine herkömmliche Lösung für diese Situation besteht in einer Zeitbegrenzung des VSI-Betriebs bei einer Ausgangsfrequenz von Null und einem vollen Ausgangsstrom. Diese Lösung ist unglücklicherweise bei einigen Anwendungen (z. B. bei Elektro- und Hybridkraftfahrzeugen) problematisch, weil sie die Zeit beschränkt, in welcher große Drehmomentbeträge von dem Elektromotor aufgebracht werden können (z. B. während eines Fahrzeugstarts).
Entsprechend ist es für eine Vorrichtung, für Systeme und für Verfahren wünschenswert, Wechselrichterverluste zu verringern, wenn der Elektromotor große Drehmomentbeträge bei niedrigen Ausgangsfrequenzen (einschließlich einer Ausgangsfrequenz von Null) erzeugt. Darüber hinaus werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es werden Vorrichtungen bereitgestellt, um Verluste bei einem Wechselrichter, der mit einem Motor gekoppelt ist, zu verringern. Eine Vorrichtung umfasst einen Sensor, der mit dem Motor koppelbar ist und ausgestaltet ist, um eine Arbeitsfrequenz und einen von dem Motor erzeugten Drehmomentbetrag zu erfassen. Die Vorrichtung umfasst auch einen Controller, der mit dem Sensor gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um eine Nullvektormodulation (ZVM, ZVM von Zero Vector Modulation) auf der Grundlage der erfassten Frequenz und des erfassten Drehmoments zu ermitteln.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung stellen auch ein System zum Verringern von Verlusten in einem mit einem Motor gekoppelten Wechselrichter bereit. Ein System umfasst ein Mittel zum Erfassen einer Schwellenwert-Ausgangsfrequenz des Motors und ein Mittel zum Erfassen eines Schwellenwertdrehmoments des Motors. Das System umfasst auch ein Mittel zum Ermitteln einer ZVM für den Wechselrichter auf der Grundlage der erfassten Schwellenwert-Ausgangsfrequenz und des erfassten Schwellenwertdrehmoments.
Es werden auch Verfahren zum Verringern von Verlusten in einem mit einem Motor gekoppelten Wechselrichter bereitgestellt. Ein Verfahren umfasst die Schritte, dass erfasst wird, dass der Motor unter einer Schwellenwertfrequenz arbeitet, und dass erfasst wird, dass der Motor ein Drehmoment über einem Schwellenwert-Drehmomentbetrag erzeugt. Das Verfahren umfasst auch den Schritt, dass eine ZVM für den Wechselrichter auf der Grundlage der erfassten Frequenz und des erfassten Drehmoments ermittelt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
1 eine schematische Zeichnung eines herkömmlichen Motorantriebssystems ist;
2 eine schematische Zeichnung einer beispielhaften Ausführungsform eines Systemcontrollers zur Verwaltung der thermischen Eigenschaften und der Stromverzerrung der Leistungsschalter in dem Spannungszwischenkreisumrichter und AC-Motor von 1 ist;
3 eine schematische Zeichnung ist, die eine genauere Ansicht des Systemcontrollers von 2 veranschaulicht;
4 ein beispielhaftes sechseckiges Raumvektorstrukturdiagramm ist, welches verschiedene Kombinationen von Wechselrichterschalterzuständen des Systemcontrollers von 3 veranschaulicht;
5 ein beispielhaftes Raumvektordiagramm ist, das einen Teil des sechseckigen Raumvektorstrukturdiagramms von 4 veranschaulicht und eine Sollgröße und -phase der Ausgangsspannung darstellt;
6 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zum Verringern von Verlusten bei einem Wechselrichter ist, wenn eine Spannung an einem Elektromotor geliefert wird, der einen großen Drehmomentbetrag bei niedrigen Ausgangsfrequenzen erzeugt; und
7 ein Graph ist, der die Bedingungen veranschaulicht, bei denen eine ZVM an den Wechselrichter von 2 gemäß den verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung angelegt wird.
BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Zusammenfassung oder der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen dargestellt ist.
1 ist eine schematische Zeichnung, die ein herkömmliches Motorantriebssystem 100 veranschaulicht, welches einen Spannungszwischenkreisumrichter (VSI) 110 und einen Wechselstrommotor (AC-Motor) 120 umfasst. Der VSI 110 umfasst eine Energieversorgung (V_batt), eine Vielzahl von Dioden (z. B. Dioden D₁₁–D₂₃) und eine Vielzahl von Schaltern (z. B. Schalter 111–123). Zu Veranschaulichungszwecken zeigt 1 den VSI 110 auch so, dass er eine Vielzahl von Knoten (z. B. Knoten N₁₁–N₁₅) aufweist.
Wie in 1 veranschaulicht ist, umfasst V_batt einen mit einem Knoten N₁₁ gekoppelten positiven Anschluss (+) und einen mit einem Knoten N₁₂ gekoppelten negativen Anschluss (–). Die Kathode einer Diode D₁₁ ist mit dem Knoten N₁₁ gekoppelt, und die Anode ist mit einem Knoten N₁₃ gekoppelt. Die Kathode einer Diode D₁₂ ist mit dem Knoten N₁₁ gekoppelt, und die Anode ist mit einem Knoten N₁₄ gekoppelt. Die Kathode einer Diode D₁₃ ist mit dem Knoten N₁₁ gekoppelt, und die Anode ist mit einem Knoten N₁₅ gekoppelt. Auf ähnliche Weise ist die Kathode einer Diode D₂₁ mit dem Knoten N₁₃ gekoppelt, und die Anode ist mit dem Knoten N₁₂ gekoppelt. Die Kathode einer Diode D₂₂ ist mit dem Knoten N₁₄ gekoppelt, und die Anode ist mit dem Knoten N₁₂ gekoppelt. Die Kathode einer Diode D₂₃ ist mit dem Knoten N₁₅ gekoppelt, und die Anode ist mit dem Knoten N₁₂ gekoppelt.
Die Dioden D₁₁–D₂₃ sind jeweils mit einem jeweiligen der Schalter 111–123 parallel geschaltet. Diese Kombination einer mit einem Schalter parallel geschalteten Diode ist als eine "Leistungsschalter"-Konfiguration bekannt. Jeder Leistungsschalter ist in der Lage, einen Strom in zwei Richtungen zu leiten, und ist auch in der Lage, eine Spannung in eine Richtung zu stoppen. Zwei in Reihe geschaltete Leistungsschalter bilden, was allgemein als ein "Wechselrichterzweig" bekannt ist. Wie 1 veranschaulicht, umfasst der VSI 110 drei Wechselrichterzweige (z. B. die Wechselrichterzweige 150, 250 und 350).
Die Schalter 111–123 steuern den Stromfluss in einem Teil jedes jeweiligen Zweiges des VSI 110. Bei einer Ausführungsform (siehe 2) sind die Schalter 111–123 softwaregesteuerte Schalter, die hochfrequente Pulsweitenmodulationstechniken (PWM-Techniken) verwenden. In diesem Kontext bezieht sich ein Verweis auf einen "oberen Schalter" auf einen oder mehrere der Schalter 111–113, und ein Verweis auf einen "unteren Schalter" bezieht sich auf einen oder mehrere der Schalter 121–123.
Der AC-Motor 120 umfasst drei mit dem VSI 110 gekoppelte Anschlüsse (z. B. die Anschlüsse I₁–I₃). Der Anschluss I₁ ist mit dem Knoten N₁₃ gekoppelt, der Anschluss I₂ ist mit dem Knoten N₁₄ gekoppelt und der Anschluss I₃ ist mit dem Knoten N₁₅ gekoppelt. Der AC-Motor 120 wird über eine Spannung, die von dem VSI 110 geliefert wird, mit Energie versorgt und erzeugt auf der Grundlage der gelieferten Spannung eine mechanische Ausgabe.
Der VSI 110 umfasst sechs für einen Strom bidirektionale, für eine Spannung unidirektionale Leistungsschalter (z. B. die Schalter 111, 112, 113, 121, 122 und 123). Im Betrieb ist ein Schalter in jedem Wechselrichterzweig geöffnet und der andere Schalter ist geschlossen. Bei dieser Konfiguration ermöglicht das Schließen eines Schalters einen Stromfluss in einem Teil des Wechselrichterzweigs, wohingegen das Öffnen des Schalters einen Stromfluss in diesem Teil verhindert.
Zum Beispiel (siehe 1) ermöglicht das Schließen des Schalters 111 einen Stromfluss von der Energieversorgung V_batt über den Knoten N₁₃ an den Anschluss I₁. Alternativ kann das Schließen des Schalters 111 auch einen Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung von dem Anschluss I₁ an die Versorgung V_batt (über den Knoten N₁₃) in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des AC-Motors 120 ermöglichen.
Eine hochfrequente PWM-Technik wird verwendet, um die Größe, den Phasenwinkel und die Frequenz der Ausgangsspannung zu steuern. Das heißt, dass die Tastverhältnisse der Schalter moduliert werden, um dreiphasige Spannungen mit der Sollgröße, -phase und -frequenz zu erzeugen, während die Leistungsschalter so gesteuert werden, dass sie mit einer im Wesentlichen konstanten Schaltfrequenz (f_sw) arbeiten.
2 ist eine schematische Zeichnung einer beispielhaften Ausführungsform eines Systemcontrollers 200 zur Verwaltung der thermischen Eigenschaften und der Stromverzerrung der Leistungsschalter in dem VSI 110, wenn der AC-Motor 120 große Drehmomentbeträge bei niedrigen Drehzahlen erzeugt. Das System 200 umfasst einen oder mehrere Sensoren 210, die mit dem AC-Motor 120 gekoppelt sind. Die verwendeten Sensoren können entweder physikalische Hardwaresensoren oder deren virtuelle softwaregestützte oder mathematische Äquivalente oder eine Kombination daraus sein.
Der eine oder die mehreren Sensor(en) 210 ist/sind ausgestaltet, um das Drehmoment, das der AC-Motor 120 erzeugt (oder eine durch einen Strom abgebildete Darstellung des Drehmoments) und die Drehfrequenz des AC-Motors 120 zu erfassen. Das Drehmoment, das der AC-Motor 120 erzeugt, und die Drehfrequenz, mit welcher er arbeitet, werden von dem/den Sensor(en) 210 an den Systemcontroller 220 übertragen.
Der Systemcontroller 220 ist zusätzlich zu der Kopplung mit den Sensoren 210 mit dem VSI 110 gekoppelt. Der Systemcontroller 220 ist ausgestaltet, um die erfassten Drehmoment- und Drehfrequenzdaten des AC-Motors 120 zu empfangen und selektiv eine (nachstehend erörterte) Nullvektormodulation an den VSI 110 anzulegen. Insbesondere legt der Systemcontroller 220 die Nullvektormodulation dann an, wenn der AC-Motor 120 ein Drehmoment erzeugt, das größer als ein Schwellenwert-Drehmomentbetrag ist und bei einer Drehfrequenz arbeitet, die unter einer Schwellenwertdrehfrequenz liegt.
3 ist eine schematische Zeichnung, die eine genauere Ansicht des Systemcontrollers 220 veranschaulicht, welcher eine Vielzahl von Schaltercontrollern 211–223 umfasst, die ausgestaltet sind, um die jeweiligen Schalter 111–123 zu steuern. Der Systemcontroller 220 ist eine Steuerungseinrichtung, die ausgestaltet ist, um Daten von dem Sensor 210 zu empfangen, die empfangenen Daten zu verarbeiten und Steuerungssignale an die Schaltercontroller 211–223 auf der Grundlage der verarbeiteten Daten zu übertragen.
Bei einer Ausführungsform umfasst der Systemcontroller 220 eine Hardware und/oder eine Software, die ausgestaltet ist/sind, um PWM-Signale von einem (nicht gezeigten) Pulsweitenmodulator zu empfangen. Die PWM-Signale umfassen Anweisungen zum Betreiben eines oder mehrerer (nachstehend erörterter) Leistungsschalter und zum Erzeugen einzelner Leistungsschaltersteuerungssignale auf der Grundlage der empfangenen PWM-Signale, wie in der Technik bekannt ist.
Zum Beispiel und mit Bezug auf 1–3 ist der Systemcontroller 220 als eine Verarbeitungseinheit implementiert, die eine oder mehrere Speichereinrichtungen 2210 (z. B. einen programmierbaren Nurlesespeicher (PROM), einen löschbaren programmieren Nurlesespeicher (EPROM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nurlesespeicher (EEPROM) und dergleichen) umfasst, die eine Software speichern, um es dem Systemcontroller 220 zu ermöglichen, verschiedene Operationen auszuführen. Der Systemcontroller 220 umfasst auch eine Datenbank 2220 (z. B. eine Nachschlagetabelle), die eine Raumvektorstruktur umfasst (siehe z. B. nachstehende Tabelle 1), welche einen schaltenden Raumvektor definiert, der den Schaltern in jedem Wechselrichterzweig (nachstehend erörtert) für jede gegebene Schaltkombination zugeordnet ist.
Die Schaltercontroller 211–223 sind Steuerungseinrichtungen, die zum Empfangen von Steuerungssignalen von dem Systemcontroller 220 und zum Liefern von Steuerungssignalen an einen zugeordneten Leistungsschalter ausgestaltet sind. Bei einer Ausführungsform umfassen die Schaltercontroller 211–223 eine Hardware und/oder eine Software, welche zum Liefern von Leistungsschaltersteuerungssignalen an ihren jeweiligen Leistungsschalter in Ansprechen auf die Steuerungssignale, die von dem Systemcontroller 220 geliefert werden, ausgestaltet sind. Das heißt, dass der Schaltercontroller 211 Leistungsschaltersteuerungssignale an den Leistungsschalter liefert, der aus dem Schalter 111 und der Diode D₁₁ besteht. Auf ähnliche Weise liefert jeder der verbleibenden Schaltercontroller Leistungsschaltersteuerungssignale an seinen jeweiligen Leistungsschalter. TABELLE 1

Vektor Status Zweig 150 Zweig 250 Zweig 350

V₀ Null 0 0 0

V₁ Aktiv 1 0 0

V₂ Aktiv 1 1 0

V₃ Aktiv 0 1 0

V₄ Aktiv 0 1 1

V₅ Aktiv 0 0 1

V₆ Aktiv 1 0 1

V₇ Null 1 1 1
Tabelle 1 stellt eine Datenbank 2220 (z. B. eine Nachschlagetabelle) dar, die dem VSI 110 und dem Systemcontroller 220 (siehe 1–3) zugeordnet ist. Die schaltenden Raumvektoren V₀–V₇ in Tabelle 1 sind den Leistungsschaltern in jedem Wechselrichterzweig für jede gegebene Schaltkombination zugeordnet. Jeder Wechselrichterzweig 150, 250 und 350 stellt zwei für einen Strom bidirektionale, für eine Spannung unidirektionale Leistungsschalter dar, wobei ein Schalter in dem Wechselrichterzweig geöffnet ist, während der andere Schalter in dem Wechselrichterzweig geschlossen ist. Die schaltenden Raumvektoren V₀–V₇ werden erzeugt, wenn sich die drei Spannungen von Phase zu Neutral zu Null aufaddieren, wobei es möglich ist, dass jeder schaltende Raumvektor V₀–V₇ einem speziellen Wechselrichterschalterzustand zugeordnet wird.
Wie in Tabelle 1 veranschaulicht ist, liefert ein VSI, der drei Wechselrichterzweige umfasst (wobei jeder Wechselrichterzweig zwei Leistungsschalter umfasst), acht mögliche Kombinationen schaltender Raumvektoren (d. h. V₀–V₇). Bei einem Beispiel und mit Bezug auf 1–3 und Tabelle 1 stellt eine "0" dar, dass der obere Schalter des angegebenen Wechselrichterzweigs der offene Schalter ist, während der untere Schalter in diesem Wechselrichterzweig der geschlossene Schalter ist. Eine "1" stellt dar, dass der untere Schalter des angegebenen Wechselrichterzweigs der offene Schalter ist, während der obere Schalter in diesem Wechselrichterzweig der geschlossene Schalter ist. Bei diesem Beispiel zeigt der schaltende Raumvektor V₁ an, dass der Wechselrichterzweig 150 so ausgestaltet ist, dass der Schalter 111 geschlossen und der Schalter 121 geöffnet ist. Darüber hinaus ist der Wechselrichterzweig 250 so ausgestaltet, dass der Schalter 122 geschlossen und der Schalter 112 geöffnet ist, und der Wechselrichterzweig 350 ist so ausgestaltet, dass der Schalter 123 geschlossen und der Schalter 113 geöffnet ist.
Die Tabelle 1 umfasst zusätzlich eine Statusspalte, die für jede Schaltkonfiguration entweder einen "Null"-Zustand oder einen "Aktiv"-Zustand anzeigt. Ein Aktiv-Zustand zeigt an, dass die zugehörige Schalterkonfiguration dazu führt, dass eine Nettospannung an die Last (z. B. den AC-Motor 120) angelegt wird. Ein Null-Zustand zeigt an, dass die zugehörige Schalterkonfiguration dazu führt, dass die Last effektiv kurzgeschlossen wird.
4 ist ein sechseckiges Raumvektorstrukturdiagramm 400, das mögliche Kombinationen von Wechselrichterschalterzuständen des Systemcontrollers 220 (siehe 2 und Tabelle 1) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. In 4 werden die Aktiv-Zustände (V₁–V₆) von der Tabelle 1 verwendet, um die Eckpunkte des sechseckigen Raumvektorstrukturdiagramms 400 zu bilden, und die Null-Zustände (V₀, V₇) liegen an dem Mittelpunkt des sechseckigen Raumvektorstrukturdiagramms 400. Die zwischen den verschiedenen Aktiv-Zuständen innerhalb der Grenzen des Sechsecks liegenden Flächen sind als "S = 1, S = 2, S = 3, ..., S = 6" beschriftet und werden als "Raumvektor"-Flächen bezeichnet. Die Raumvektorflächen basieren auf einem der schaltenden Raumvektoren V₀–V₇, welche jede jeweilige Fläche definieren.
Bei einer Verwendung kann jede Spannungsanforderung, welche in die Grenzen des sechseckigen Raumvektorstrukturdiagramms 400 fällt, durch eine Kombination der schaltenden Raumvektoren auf einer Basis pro Zyklus erzeugt werden. Das Erzeugen der Spannungsanforderung wird bewerkstelligt, indem eine Kombination eines oder mehrerer Aktiv-Zustands- und/oder eines oder mehrerer Null-Zustands-Tastverhältnisse in einer Periode eingestellt werden (was nachstehend mit Bezug auf 5 erörtert wird). Bei einem Beispiel und mit Bezug auf 4 kann eine Spannungsanforderung, die in die Raumvektorfläche "S = 1" fällt, erzeugt werden, indem eine Kombination der Aktiv-Zustände V₁ und V₂ und der Null-Zustände V₀ und V₇ der Tastverhältnisse in einer gegebenen Periode T_s eingestellt wird, um die erforderliche Spannung zu erreichen.
5 ist ein beispielhaftes Raumvektorflächendiagramm 500, das einen Teil des sechseckigen Raumvektorstrukturdiagramms 400 (siehe 4) und einen Referenzvektor V* veranschaulicht, welcher eine Sollgröße und -phase der Ausgangsspannung des sechseckigen Raumvektorstrukturdiagramms 400 darstellt. Bei einer Ausführungsform (siehe 4 und 5) ermöglicht das Abbilden des Referenzvektors V* in dem Raumvektorflächendiagramm 500, dass die Raumvektorfläche ermittelt werden kann (z. B. die Raumvektorfläche S = 1 von 4). Bei dieser Ausführungsform ermöglicht die Ermittlung der Raumvektorfläche eine Ermittlung der Tastverhältnisse t₁–t₆, die den einen Aktiv-Zustand schaltenden Raumvektoren V₁–V₆ (welche die Raumvektorfläche in einer gegebenen Schaltperiode T_s definieren) zugeordnet sind. Sobald die Tastverhältnisse t₁–t₆ für die einen Aktiv-Zustand schaltenden Raumvektoren V₁–V₆ ermittelt sind, können dann die Tastverhältnisse t₀ und t₇ für die einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ und V₇ ermittelt werden.
Bei einem Beispiel mit Bezug auf 5 ist das Gesamttastverhältnis t₀ + t₇ der einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ und V₇ gleich der Dauer der Periode T_s abzüglich der Tastverhältnisse t₁ und t₂ für die schaltenden Raumvektoren V₁ und V₂. Dieses Beispiel kann als die folgende mathematische Gleichung ausgedrückt werden: d = (t0 + t7)/Ts = 1 – [(t1 + t2)/Ts] (1)
Bei diesem Beispiel können der einen Null-Zustand schaltende Raumvektor V₀ und/oder V₇ während der Schaltperiode T_s verwendet werden, um den Abschluss der Schaltperiode T_s zu erreichen, ohne den Mittelwert der Ausgangsspannung zu beeinflussen, welche an die Last geliefert wird. Bei einer Ausführungsform ermöglicht die Verwendung des einen Null-Zustand schaltenden Raumvektors V₀ und/oder V₇ eine Optimierung der PWM-Abfolge, um beispielsweise minimale Schaltverluste, eine minimale Spannungsverzerrung, eine minimale Stromverzerrung und dergleichen zu erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung der einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ und/oder V₇ eine Verteilung von Leitungsverlusten unter den VSI-Leistungsschaltern in dem Wechselrichterzweig, der den größten Strom führt.
Bei niedrigen Ausgangsfrequenzen weist der Referenzvektor V* eine kleine Größe auf. Bei einer Ausführungsform kann das Nullvektortastverhältnis "d_z" für den Referenzvektor V* mathematisch ausgedrückt werden als: dz >> (t0 + t7)/Ts >> [(t1 + t2)/Ts] (2)
Wenn die PWM so verwendet wird, dass der höchste Phasenstrom nicht geschaltet wird, ist die Leistungsdissipation für den Leistungsschalter, der den größten Strombetrag (I_max) führt, gleich den maximalen Verlusten der Leitungsleistung (P_cond) (d. h. (P_cond) ist eine Funktion von (I_max)). Die Leistungsdissipation kann verringert werden, wenn der Leitungsverlust des Schalters, der den Spitzenstrom führt, für die Dauer des Nullvektortastverhältnisses "d" größer als der Energiebetrag (E_sw) ist, der zum EIN-Schalten und AUS-Schalten des Schalters bei dem Spitzenstrom und der Schaltfrequenz f_sw benötigt wird.
Bei einem Beispiel und weiterhin mit Bezug auf 5 ist das Nullvektortastverhältnis "d_z" das Tastverhältnis d_z für den einen Null-Zustand schaltenden Raumvektor V₇. Bei diesem Beispiel kann der Ausdruck mathematisch ausgedrückt werden als: [Pcond(Imax)·dz] > [Esw·fsw] (3)
Die Verwendung eines der einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ oder V₇ und/oder die Verwendung einer Kombination der einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ und V₇ wird als eine "Nullvektormodulation" (ZVM, ZVM von Zero Vector Modulation) bezeichnet. Die einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ oder V₇ werden periodisch mit einer ZVM-Frequenz f_zvm und einem Nullvektormodulations-Tastverhältnis d_zvm gewählt, um die Leistungsdissipation in dem Schalter, der den größten Strom führt, zu verringern. Eine f_zvm von 100 Hz, die ein ZVM-Tastverhältnis d_zvm von 0,5 verwendet, sind Beispiele einer ZVM-Implementierung.
Wenn die ZVM verwendet wird, kann die mittlere Leistungsdissipation für eine ZVM-Periode (T_zvm) für den Leistungsschalter, der den größten Belastungsbetrag erfährt, mathematisch ausgedrückt werden als: Pcond(Imax) – dzvm[Pcond(Imax)·dz – Esw·fsw], (4)wobei das ZVM-Tastverhältnis d_zvm das komplementäre Null-Zustandstastverhältnis d₀ für den einen Null-Zustand schaltenden Raumvektor V₀ bei der Ausführungsform von 5 ist (d. h. die Leistungsdissipation für den Schalter, der den größten Strom führt, ist verringert). Jedoch werden die Gesamtverluste für den Wechselrichterzweig erhöht, der den größten Strom führt, und die Erhöhung kann mathematisch ausgedrückt werden als: 2·(dzvm)(Esw)·(fsw) (5)
Auf der Grundlage der Gleichungen 4 und 5 führt die Verwendung eines kleineren komplementären ZVM-Tastverhältnisses d_zvm zu einer Verringerung der Leistungsdissipation des Leistungsschalters, der den größten Belastungsbetrag erfährt, während ein relativ kleiner Anstieg bei dem Wechselrichtergesamtverlust erzeugt wird.
Bei einem Beispiel mit Bezug auf 5 führt eine ZVM-Frequenz f_zvm von 10 Hz, die mit einem Tastverhältnis d₇ für den einen Null-Zustand schaltenden Raumvektor V₇ von 0,7 verwendet wird, und die Verwendung eines ZVM-Tastverhältnisses d_zvm von 0,65 für den einen Null-Zustand schaltenden Raumvektor V₀ zu vernachlässigbaren Schaltverlusten in einem Wechselrichter mit Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Bei diesem Beispiel verringert die ZVM die Leistungsdissipation in dem Leistungsschalter, der den größten Strombetrag führt, wodurch sie eine Steuerung der Zonenübergangstemperaturen ermöglicht.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 600 zur Bereitstellung eines verbesserten Temperaturmanagements in einem VSI (z. B. dem VSI 110) unter Verwendung einer ZVM gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Das Verfahren 600 beginnt, indem der AC-Motor 120 überwacht wird (Schritt 610).
Der AC-Motor 120 wird überwacht, um zu ermitteln, ob der AC-Motor 120 mit einer Frequenz arbeitet, die kleiner als eine Schwellenwertfrequenz ist (Schritt 620). Bei einer Ausführungsform liegt die Schwellenwertfrequenz in dem Bereich von etwa 3 Hz bis etwa 5 Hz. Andere Ausführungsformen ziehen in Betracht, dass die Schwellenwertfrequenz kleiner als 3 Hz oder größer als 5 Hz sein kann. Wenn der AC-Motor 120 mit einer Frequenz arbeitet, die größer als die Schwellenwertfrequenz ist, wird keine ZWS an den VSI 110 angelegt (Schritt 625).
Der AC-Motor 120 wird auch überwacht, um zu ermitteln, ob der AC-Motor 120 einen Drehmomentbetrag erzeugt, der größer als ein Schwellenwert-Drehmomentbetrag ist (Schritt 630). Bei einer Ausführungsform liegt der Schwellenwert-Drehmomentbetrag in dem Bereich von etwa 50% bis etwa 70% des maximalen Drehmoments, das der AC-Motor 120 erzeugen kann. Andere Ausführungsformen ziehen in Betracht, dass der Schwellenwert-Drehmomentbetrag kleiner als 50% oder größer als 70% des maximalen Drehmoments sein kann, das der AC-Motor 120 erzeugen kann. Wenn der AC-Motor 120 einen Drehmomentbetrag erzeugt, der kleiner als der Schwellenwert-Drehmomentbetrag ist, wird keine ZVS an den VSI 110 angelegt (Schritt 635).
Wenn der AC-Motor 120 mit einer Frequenz arbeitet, die kleiner als die Schwellenwertfrequenz ist und einen Drehmomentbetrag erzeugt, der größer als der Schwellenwert-Drehmomentbetrag ist, wird für den VSI 110 eine ZVM ermittelt (Schritt 640). Bei einer Ausführungsform wird eine Sollausgangsspannung (Größe und Phase) oder ein Sollausgangsspannungsvektor (z. B. ein "Referenzvektor), welcher der erfassten niedrigen Ausgangsfrequenzbedingung zugeordnet ist, auf eine Raumvektorfläche in einem Raumvektorstrukturdiagramm abgebildet. Bei einem Beispiel mit Bezug auf 4 und 5 kann eine Spannungsanforderung, die in die Raumvektorfläche "S = 1" fällt, durch das Einstellen einer Kombination der Tastverhältnisse für die einen Aktiv-Zustand schaltenden Raumvektoren V₁ und V₂ und die einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ und V₇ innerhalb einer gegebenen Periode T_s erzeugt werden, um die erforderliche Spannung zu erreichen. Bei diesem Beispiel und mit Bezug auf Tabelle 1 umfasst jeder einen Aktiv-Zustand und einen Null-Zustand schaltende Raumvektor drei zugeordnete Wechselrichterzweigkonfigurationen (z. B. der Wechselrichterzweige 150, 250 und 350), die in der Tabelle 1 definiert sind.
Die ermittelte ZVM wird dann an den VSI 110 angelegt, um die thermische Belastung des VSI 110 zu verringern (Schritt 650). Bei einer Ausführungsform wird die Raumvektorfläche, welche den Referenzvektor umfasst, durch zwei einen Aktiv-Zustand schaltende Raumvektoren und einen Nullvektor definiert. Eine Kombination der Verwendung von einen Aktiv-Zustand schaltenden Raumvektoren für eine vorbestimmte Zeit (z. B. das Tastverhältnis im Aktiv-Zustand) in einer Arbeitsperiode erzeugt den Referenzvektor. Die verbleibende Zeit (z. B. die Arbeitsperiode abzüglich des Tastverhältnisses im Aktiv-Zustand) ist für die Verwendung einer Kombination von einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren zugeteilt.
Bei einem Beispiel mit Bezug auf 5 werden die Tastverhältnisse t₁ und t₂ für die schaltenden Raumvektoren V₁ und V₂ auf der Grundlage des Referenzvektors V* ermittelt. Das gesamte Tastverhältnis t₀ + t₇ der einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ und V₇ ist gleich der Dauer der Periode T_s abzüglich der Tastverhältnisse t₁ und t₂ für die schaltenden Raumvektoren V₁ und V₂. Bei diesem Beispiel können während der Schaltperiode T_s entweder die einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ oder V₇ oder eine Kombination der beiden einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren V₀ und V₇ verwendet werden, um den Abschluss der Schaltperiode T_s zu erreichen, ohne den Mittelwert der an die Last gelieferten Ausgangsspannung zu beeinflussen. Auf der Grundlage der Tastverhältnisse der einen Aktiv-Zustand und der einen Null-Zustand schaltenden Raumvektoren, die mit den speziellen Wechselrichterzweigkonfigurationen verbunden sind, welche mit Bezug auf die Tabelle 1 erörtert sind, wird dann eine Leistung an die Last (z. B. den AC-Motor 120) geliefert.
Der AC-Motor 120 wird weiter überwacht, um zu ermitteln, ob eine ZVM an den VSI 110 angelegt werden sollte (Schritt 660). Der AC-Motor 120 kann weiter überwacht werden, nachdem eine ZVM angelegt wurde, um zu ermitteln, ob die Arbeitsfrequenz und die Drehmomentbedingungen weiter bestehen und die ZVM weiterhin angelegt werden soll, oder um zu ermitteln, dass die Arbeitsfrequenz und/oder die Drehmomentbedingungen nicht länger existieren und das Anlegen der ZVM beendet werden soll. Darüber hinaus kann der AC-Motor 120 weiter überwacht werden, bevor eine ZVM angelegt wird, um zu ermitteln, ob die Arbeitsfrequenz und die Drehmomentbedingungen existieren, sodass eine ZVM an den VSI 110 angelegt werden soll, oder um zu ermitteln, dass die Arbeitsfrequenz und/oder die Drehmomentbedingungen weiterhin nicht existieren und eine ZVM weiterhin nicht angelegt werden soll.
7 ist ein Graph 700, der die Bedingungen veranschaulicht, bei denen eine ZVM an den VSI 110 gemäß den verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung angelegt wird. Die vertikale Achse des Graphen 700 stellt den Drehmomentbetrag (als einen prozentualen Wert) dar, den der AC-Motor 120 erzeugen kann, und die horizontale Achse des Graphen 700 stellt die Arbeitsfrequenzen des AC-Motors 120 dar.
Der Graph 700 zeigt an, dass eine ZVM an den VSI 110 angelegt wird, wenn der Drehmomentbetrag, den der AC-Motor 120 erzeugt, größer als ein Schwellenwert-Drehmomentbetrag (z. B. 50–70% des Drehmoments, das der AC-Motor 120 erzeugen kann) ist und die Arbeitsfrequenz des AC- Motors kleiner als eine Schwellenwert-Arbeitsfrequenz (z. B. 3–5 Hz) ist. Der Graph 700 zeigt auch an, dass keine ZVM an den VSI 110 angelegt wird, wenn der Drehmomentbetrag, den der AC-Motor 120 erzeugt, kleiner als der Schwellenwert-Drehmomentbetrag ist und/oder die Arbeitsfrequenz des AC-Motors größer als die Schwellenwert-Arbeitsfrequenz ist.
Obwohl spezielle Bereiche von Schwellenwert-Drehmomentwerten und Schwellenwert-Arbeitsfrequenzen erörtert wurden, zieht die Erfindung die Verwendung beliebiger Drehmomentwerte und/oder Arbeitsfrequenzen in Betracht, unabhängig davon, ob sie als ein prozentualer und/oder ein absoluter Wert ausgedrückt sind. Das heißt, dass die Erfindung nicht auf die voranstehend erörterten beispielhaften Werte beschränkt ist.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen liefern. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten offengelegt ist.

Claims

Vorrichtung zum Verringern von Verlusten in einem mit einem Motor gekoppelten Wechselrichter, die umfasst: einen Sensor, der mit dem Motor koppelbar ist und ausgestaltet ist, um eine Arbeitsfrequenz und einen von dem Motor erzeugten Drehmomentbetrag zu erfassen; und einen Controller, der mit dem Sensor gekoppelt und ausgestaltet ist, um eine Nullvektormodulation (ZVM) für den Wechselrichter auf der Grundlage der erfassten Frequenz und des erfassten Drehmoments zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Controller ausgestaltet ist, um die ermittelte ZVM an den Wechselrichter anzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Controller ausgestaltet ist, um die ermittelte ZVM an den Wechselrichter anzulegen, wenn die erfasste Frequenz kleiner als eine vorbestimmte Frequenz ist und das erfasste Drehmoment größer als ein vorbestimmter Drehmomentbetrag ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Controller ausgestaltet ist, um das Anlegen der ermittelten ZVM an den Wechselrichter zu beenden, wenn die erfasste Frequenz größer als die vorbestimmte Frequenz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Controller ausgestaltet ist, um das Anlegen der ermittelten ZVM an den Wechselrichter zu beenden, wenn das erfasste Drehmoment kleiner als der vorbestimmte Drehmomentbetrag ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Wechselstrommotor ist.
System zum Verringern von Verlusten in einem mit einem Motor gekoppelten Wechselrichter, das umfasst: ein Mittel zum Erfassen einer Schwellenwert-Ausgangsfrequenz des Motors; ein Mittel zum Erfassen eines Schwellenwertdrehmoments des Motors; und ein Mittel zum Ermitteln einer Nullvektormodulation (ZVM) für den Wechselrichter auf der Grundlage der erfassten Schwellenwert-Ausgangsfrequenz und des erfassten Schwellenwertdrehmoments.
System nach Anspruch 7, das ferner ein Mittel zum Anlegen der ermittelten ZVM an den Motor umfasst.
System nach Anspruch 8, das ferner ein Mittel zum Beenden des Anlegens der ermittelten ZVM an den Wechselrichter in Ansprechen darauf umfasst, dass eine Ausgangsfrequenz des Motors erfasst wird, die größer als die Schwellenwert-Ausgangsfrequenz ist.
System nach Anspruch 8, das ferner ein Mittel zum Beenden des Anlegens der ermittelten ZVM an den Wechselrichter in Ansprechen darauf umfasst, dass ein Drehmoment des Motors erfasst wird, das kleiner als das Schwellenwert-Drehmoment ist.
System nach Anspruch 8, das ferner ein Mittel zum Beenden des Anlegens der ermittelten ZVM an den Wechselrichter in Ansprechen darauf umfasst, dass eine Ausgangsfrequenz des Motors, die größer als die Schwellenwert-Ausgangsfrequenz ist, und ein Drehmoment des Motors, das kleiner als das Schwellenwertdrehmoment ist, erfasst werden.
Verfahren zum Verringern von Verlusten in einem mit einem Motor gekoppelten Wechselrichter, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: erfasst wird, dass der Motor unter einer Schwellenwertfrequenz arbeitet; erfasst wird, dass der Motor ein Drehmoment über einem Schwellenwert-Drehmomentbetrag erzeugt; und eine Nullvektormodulation (ZVM) für den Wechselrichter auf der Grundlage der erfassten Frequenz und des erfassten Drehmoments ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt umfasst, dass die ermittelte ZVM an den Wechselrichter angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Schritte umfasst, dass: erfasst wird, dass der Motor über der Schwellenwertfrequenz arbeitet; und das Anlegen der ermittelten ZVM an den Wechselrichter in Ansprechen darauf beendet wird, dass der Motor über der Schwellenwertfrequenz arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Schritte umfasst, dass: erfasst wird, dass der Motor ein Drehmoment unter dem Schwellenwert-Drehmomentbetrag erzeugt; und das Anlegen der ermittelten ZVM an den Wechselrichter in Ansprechen darauf beendet wird, dass der Motor ein Drehmoment unter dem Schwellenwert-Drehmomentbetrag erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Schritte umfasst, dass: erfasst wird, dass der Motor über der Schwellenwertfrequenz arbeitet; erfasst wird, dass der Motor ein Drehmoment unter dem Schwellenwert-Drehmomentbetrag erzeugt; und das Anlegen der ermittelten ZVM an den Wechselrichter in Ansprechen darauf beendet wird, dass der Motor über der Schwellenwertfrequenz arbeitet und ein Drehmoment erzeugt, das unter dem Schwellenwert-Drehmomentbetrag liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schwellenwertfrequenz in dem Bereich von etwa 3 Hz bis etwa 5 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schwellenwertfrequenz etwa 4 Hz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schwellenwert-Drehmomentbetrag etwa 50% eines maximalen Drehmomentbetrags des Wechselrichters beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schwellenwert-Drehmomentbetrag in dem Bereich von etwa 50% bis etwa 70% eines maximalen Drehmomentbetrags des Wechselrichters liegt.