DE102010017810A1

DE102010017810A1 - Leistungswandler für drehende elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE102010017810A1
Application number: DE102010017810A
Authority: DE
Inventors: Taizo Kariya-city Kondo; Masakazu Kariya-city Tago; Harumi Kariya-city Horihata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2011-02-10
Also published as: FR2947970A1; FR2947970B1; US20110006710A1; JP2011036121A; CN101951219B; JP5510729B2; US8513907B2; CN101951219A

Abstract

Es ist ein Leistungswandler für drehende elektrische Maschinen vorgesehen, der ausgebildet ist, eine gewünschte Länge einer Strom-Freilauf-Dauer zu gewährleisten, in der zugelassen wird, dass ein Strom aus der drehenden elektrischen Maschine frei läuft, selbst dann, wenn sich der Leistungswandler in einem transienten Zustand befindet oder einer plötzlichen Veränderung unterworfen ist. Der Leistungswandler ist mit einer Steuervorrichtung und einer Umschalt-Schaltung, die zwischen einer Leistungszufuhr und Wicklungen der elektrisch drehenden Maschine angeordnet ist, ausgebildet. Die Umschalt-Schaltung weist Schalter auf, die zu einem oberen und einen unteren Arm gruppiert sind. Die Steuervorrichtung dient dazu, einen Ausschaltvorgang von einem der Schalter von einem der oberen und unteren Arme derart zu steuern, dass eine gewünschte Länge der Strom-Freilauf-Dauer erzeugt wird, die auf das Ausschalten des einen der Schalter folgt, wodurch ein Verlust bei der Gleichrichtung minimiert und der Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu den Wicklungen verhindert wird.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE DRUCKSCHRIFT
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2009-162448 , die am 9. Juli 2009 eingereicht wurde und deren Offenbarung durch diesen Verweis hierin miteingebunden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Leistungswandler für drehende elektrische Maschinen, der mit einem Gleichrichter bzw. einer Umschalt-Schaltung (swichting circuit) und einer Steuervorrichtung ausgestattet ist, und betrifft insbesondere einen Leistungswandler, der ausgebildet ist, um eine verbesserte Zuverlässigkeit des Betriebs zu gewährleisten, wenn sich der Leistungswandler in einem transienten Zustand befindet oder einer unerwarteten Veränderung unterworfen ist.
2. Stand der Technik
Die erste Offenlegungsschrift des Japanischen Patents Nr. 2004-7964 , die auf selbigen Anmelder wie diese Anmeldeschrift angemeldet ist, offenbart einen Wechselrichter für einen Drei-Phasen- bzw. Drehstrom-Motor/Generator und lehrt ein Verfahren zum Einstellen einer Ausschaltzeit eines MOS-Transistors für eine der Phasen, die derjenigen Zeit entspricht, wenn der MOS-Transistor ausgeschaltet werden soll (zum Beispiel nach einem Vorhalt von 120° elektrischer Winkel bzw. Phasenwinkel) und die auf einer Einschaltzeit eines MOS-Transistors für eine andere Phase basiert, die derjenigen Zeit entspricht, wenn der MOS-Transistor ausgeschaltet werden soll, und die bezüglich des Ausschaltzeitpunkts durch ein Maximum von 60° elektrischer Winkel bzw. Phasenwinkel auf der Drehzahl des Motor/Generators oder einem Abtastzyklus eines Puls-Signals für Schalter einer Feldstrom-Steuervorrichtung basiert.
Das oben genannte System verändert eine Einschaltdauer des MOS-Transistors zwischen 120° und 180° Phasenwinkel. Der Bereich der Änderung wird durch eine Funktion der Drehzahl des Motor/Generators oder des Abtastzyklus der Schalter der vorwärtsgekoppelten Feldstrom-Steuervorrichtung bzw. Feldstrom-Vorsteuerung bestimmt. Diese Steuervorrichtung ist jedoch beim exakten Einstellen der Einschaltdauer des MOS-Transistors mit Problemen behaftet, wenn sich das System in einem transienten Zustand befindet oder einer unerwarteten Veränderung unterworfen ist, wie zum Beispiel einer altersbedingten Verschlechterung der Charakteristik des Systems oder einer Veränderung der Umgebungstemperatur, was zu ungewollten Verstellungen in der Ausschaltzeit führt. Wenn sich das System in einem transienten Zustand befindet, kann sich zum Beispiel die Ausschaltzeit, ungeachtet des Abtastzyklus der Schalter der Feldstrom-Steuervorrichtung, aufgrund von Auswirkungen einer Zeitkonstanten einer angeregten Spule verändern. Wenn die unerwartete Veränderung auftritt, wirkt sich dies ebenso in unerwünschten Verstellungen in der Ausschaltzeit aus. Die Verbesserung der Ausschaltzeit führt üblicherweise zu einer Zunahme des Verlusts bei der Gleichrichtung in dem Wechselrichter. Umgekehrt führt eine Verzögerung der Ausschaltzeit zu einem Rückfluss eines Stroms von einer Leistungszufuhr zu den Wicklungen des Motor/Generators. Mit anderen Worten ist die Dauer, in der ein Strom zu den als Gleichrichtungsvorrichtungen dienenden MOS-Transistoren frei läuft störanfällig, was zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Betriebs des Systems führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher das Hauptziel der Erfindung die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen verbesserten Aufbau eines Leistungswandlers für drehende elektrische Maschinen bereitzustellen, der dazu ausgebildet ist, eine Strom-Freilauf-Dauer konstant zu halten und dadurch die Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers zu gewährleisten, wenn sich der Leistungswandler in einem transienten Zustand befindet oder einer unerwarteten Veränderung unterworfen ist.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist ein Leistungswandler für drehende elektrische Maschinen, wie zum Beispiel ein Motor/Generator zur Verwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehen. Der Leistungswandler weist auf (a) eine Umschalt-Schaltung (switching circuit), die zwischen einer Leistungszufuhr und einer Phasenwicklung einer drehenden elektrischen Maschine angeordnet ist, wobei die Umschalt-Schaltung mit Schaltern ausgestattet ist, die zu einem oberen und einem unteren Arm gruppiert sind; und (b) eine Steuervorrichtung, die Ein- und Ausschaltvorgänge der oberen und unteren Arme steuert. Die Steuervorrichtung steuert den Ausschaltvorgang von einem der oberen und unteren Arme, um eine Strom-Freilauf-Dauer, in welcher zugelassen wird, dass ein Freilauf-Strom, das heißt ein freilaufender Strom aus der drehenden elektrischen Maschine, aus der drehenden elektrischen Maschine fließt und welche eine Zeitlänge bzw. einem Zeitabschnitt von dem Zeitpunkt an, bei dem eine induzierte Phasenspannung einen ersten Schwellwert überschreitet bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Phasenspannung unter einen zweiten Schwellwert sinkt entspricht, auf eine ausgewählte Zeitlänge bzw. einen ausgewählten Zeitabschnitt einzustellen, der auf den Ausschaltvorgang des einen der oberen und unteren Arme folgt.
Die drehende elektrische Maschine ist nicht nur auf einen elektrischen Generator beschränkt. Es kann auch ein Motor/Generator als drehende elektrische Maschine verwendet werden. Die Anzahl der oberen und unteren Arme hängt von der Anzahl der Phasen der drehenden elektrischen Maschine ab. Die drehende elektrische Maschine kann eine einzelne Phase, zwei Phasen, oder drei, oder mehrere Phasen aufweisen. Die Schalter können jeweils durch einen FET (zum Beispiel einen MOSFET, einen JFET, oder einen MESFET), einen IGBT, einen GTO, oder einen Leistungstransistor realisiert werden. Die Strom-Freilauf-Dauer stellt einen Zeitabschnitt dar, in welchem Strom aufgrund von einer Spannung (zum Beispiel eine gegenelektromotorische Kraft), die an den Phasenwicklungen induziert wird, frei läuft, wenn der Schalter zu Ein- und Ausschaltvorgängen gesteuert wird. Die Strom-Freilauf-Dauer kann für den gesamten Leistungswandler oder für jede einzelne Phase eingestellt werden. Der Freilaufstrom kann eine parasitäre Diode, die durch einen P-N Übergang in einem Schalter hergestellt wird, eine Gleichrichtervorrichtung (zum Beispiel eine Freilaufdiode), die parallel zu dem Schalter verbunden ist, oder eine Beschaltung, die parallel zu dem Schalter verbunden ist, durchlaufen. Die Werte des ersten Schwellwerts und des zweiten Schwellwerts, die den Beginn und das Ende der Strom-Freilauf-Dauer definieren, hängen von den Nutzungsbedingungen (zum Beispiel der Typ der drehenden elektrischen Maschine, die Aufgabe der Verwendung der drehenden elektrischen Maschine, die Anzahl der Phasen der drehenden elektrischen Maschine, dem Typ der Schalter, oder der Gegenwart der Gleichrichtervorrichtung oder der Beschaltung, die parallel zu dem Schalter verbunden sind) ab. Auch das Größenverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert kann von den Nutzungsbedingungen abhängen. Der erste Schwellwert kann größer oder kleiner als der zweite Schwellwert sein.
Der oben beschriebene Leistungswandler der Erfindung dient dazu, den Ausschaltvorgang der Arme derart zu steuern, dass die Strom-Freilauf-Dauer, die auf den Ausschaltvorgang des einen der Arme folgt, auf einer gewünschten Länge gehalten wird und dadurch die Genauigkeit beim Einstellen der Zeit zu gewährleisten, in welcher der andere Arm anschließend zum Ein- und Ausschaltvorgang gesteuert wird. Dies minimiert einen Verlust bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung.
Bei der bevorzugten Art und Weise der Erfindung kann die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme einschalten, wenn die Phasenspannung einen dritten Schwellwert und dann einen vierten Schwellwert erreicht. Das Größenverhältnis zwischen dem dritten und dem vierten Schwellwert hängt von den Nutzungsbedingungen ab. Die Steuervorrichtung dient dazu, den Arm ohne Verwendung der Winkelposition und des Stroms in der drehenden elektrischen Maschine auszuschalten, sodass keine Sensoren zum Messen der Winkelposition und des Stroms in der drehenden elektrischen Maschine erforderlich sind. Dies führt zu einer Abnahme der Produktionskosten des Leistungswandlers sowie zu einer Abnahme des Verlustes bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung.
Wenn der Phasenstrom einen fünften Schwellwert erreicht, kann die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme einschalten. Der fünfte Schwellwert kann in Abhängigkeit von den Nutzungsbedingungen bestimmt werden. Wenn die Steuervorrichtung den einen der Arme nicht einschaltet wenn der Phasenstrom den fünften Schwellwert erreicht, führt dies zu einer Zunahme des Verlusts bei der Gleichrichtung und zu einem Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung. Der obenstehende Vorgang der Steuervorrichtung verringert solche Probleme.
Wenn eine Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine eine gegebene Position erreicht, kann die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme einschalten. Ein Positionsmelder, wie zum Beispiel ein Drehmelder oder ein Drehwertgeber können verwendet werden, um die Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine zu messen. Die Winkelposition kann wahlweise unter Verwendung der Ausgangsgröße eines anderen Sensors mathematisch berechnet werden. Wenn eine Referenz-Winkelposition (zum Beispiel ein elektrischer Winkel bzw. Phasenwinkel von Null (0)) der drehenden elektrischen Maschine bekannt ist, kann die Winkelposition als Funktion der abgelaufenen Zeit abgeleitet werden, von dem Zeitpunkt an, wenn die drehende elektrische Maschine die Referenzwinkelposition passiert. Wenn die Steuervorrichtung den einen der Arme nicht einschaltet wenn die Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine die gegebene Position erreicht hat, führt dies zu einer Zunahme des Verlusts bei der Gleichrichtung und einem Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung. Der obenstehende Vorgang der Steuervorrichtung verringert solche Probleme.
Der Leistungswandler kann weiterhin einen Positionssensor umfassen, der dazu dient, die Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine zu messen und ein Signal auszugeben, das hierfür bezeichnend ist. Die Steuervorrichtung kann den einen der oberen und unteren Arme basierend auf der Ausgangsgröße des Positionssensors ausschalten. Wenn zum Beispiel die Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine, die durch den Positionssensor gemessen wird, einen der Phasenwinkel von 0°, 120° und 240° erreicht hat, schaltet die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme aus, um die anschließende Strom-Freilauf-Dauer zu gewährleisten. Wenn eine unerwartete Veränderung, wie zum Beispiel eine plötzliche Drehzahländerung, an der drehenden elektrischen Maschine auftritt, jedoch die Steuervorrichtung den einen der Arme zur regulären Zeit ausschaltet, kann dies eine Verzögerung auf die Startzeit der Strom-Freilauf-Dauer bewirken, was zu einem Fehler bei der Gewährleistung einer gewünschten Länge der Strom-Freilauf-Dauer führt. Der oben genannte Vorgang der Steuervorrichtung verringert ein solches Problem und minimiert somit den Verlust bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwindung, ungeachtet der Betriebsbedingungen der drehenden elektrischen Maschine.
Der Leistungswandler kann weiterhin einen Stromsensor umfassen, der dazu dient, einen in der Phasenwicklung erzeugten Phasenstrom zu messen und ein Signal auszugeben, dass hierfür bezeichnend ist. Die Steuervorrichtung kann den einen der oberen und unteren Arme basierend auf der Ausgangsgröße des Stromsensors ausschalten. Wenn eine unerwartete Veränderung, wie zum Beispiel eine plötzliche Drehzahländerung, an der drehenden elektrischen Maschine auftritt, jedoch die Steuervorrichtung den einen der Arme zur regulären Zeit ausschaltet, kann dies eine Verzögerung auf die Startzeit der Strom-Freilauf-Dauer bewirken, was zu einem Fehler bei der Gewährleistung einer gewünschten Länge der Strom-Freilauf-Dauer führt. Der oben genannte Vorgang der Steuervorrichtung verringert ein solches Problem und minimiert somit einen Verlust bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung, ungeachtet einer elektrischen Ladung an der drehenden elektrischen Maschine.
Die Steuervorrichtung kann die Länge der Strom-Freilauf-Dauer basierend auf zumindest einer Drehzahl, einem Phasenstroms oder einer Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine bestimmen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung eine gewünschte Länge der Strom-Freilauf-Dauer ungeachtet des ersten und zweiten Schwellwerts ableiten. Die Steuervorrichtung kann zum Beispiel die Strom-Freilauf-Dauer verlängern oder verkürzen, die durch den ersten und zweiten Schwellwert bestimmt wird. Wahlweise kann die Steuervorrichtung, wenn noch keine Strom-Freilauf-Dauer bereitgestellt ist, eine erforderliche Länge der Strom-Freilauf-Dauer durch eine Funktion von zumindest der Drehzahl, dem Phasenstrom, oder der Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine neu bestimmen. Dies minimiert den Verlust bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers führt.
Wenn zumindest die Drehzahl, der Phasenstrom oder die Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine einen zulässigen Bereichs verlässt, kann die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme unmittelbar oder nach Ablauf einer gegebenen Zeitdauer ausschalten. Der zulässige Bereich kann durch obere und untere Änderungsgrenzen der Drehzahl, des Phasenstroms, oder der Phasenspannung pro Zeiteinheit oder durch zulässige Werte derselben pro Zeiteinheit bestimmt werden. Die gegebene Zeitdauer kann, wie obenstehend beschrieben, in Abhängigkeit der Nutzungsbedingungen bestimmt werden. Der oben genannte Vorgang der Steuervorrichtung minimiert den Verlust bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung.
Die Steuervorrichtung versetzt die oberen und unteren Arme in einen Ausschaltzustand, wenn ein in der Phasenwicklung erzeugter Strom nicht größer als ein gegebener Wert ist. Mit anderen Worten beginnt die Steuervorrichtung das Schalten der oberen und unteren Arme wenn der erzeugte Strom größer als ein gegebener Wert wird und gewährleistet somit die Stabilität der Steuerung der drehenden elektrischen Maschine.
Die Steuervorrichtung überwacht die Phasenspannung. Wenn die Phasenspannung einen ungewöhnlichen Wert einnimmt, kann die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme ausschalten, um den Leistungswandler voreinzustellen, wodurch ein Fehler bei der Steuerung der Arme verhindert wird und die Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers verbessert wird.
Die Steuervorrichtung kann eine Sequenz von einer der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge der Schalter der oberen und unteren Arme überwachen. Wenn die überwachte Sequenz eine ungewöhnliche Sequenz ist, kann die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme ausschalten, um den Leistungswandler voreinzustellen, wodurch ein Fehler bei der Steuerung der Arme verhindert wird und die Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers verbessert wird.
Die Steuervorrichtung kann die oberen und unteren Arme basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer ausschalten. Dadurch ist kein Sensor erforderlich, der die Winkelposition oder einen Strom in der drehenden elektrischen Maschine misst, wodurch die Produktionskosten des Leistungswandlers und der Verlust bei der Gleichrichtung minimiert werden und der Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr zu der Phasenwicklung vermieden wird.
Wenn die Strom-Freilauf-Dauer nicht bereitgestellt wird, kann die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme früher als zu dem Zeitpunkt ausschalten, der auf Basis der Strom-Freilauf-Dauer berechneten wird. Mit anderen Worten schaltet die Steuervorrichtung, wenn die Strom-Freilauf-Dauer noch nicht bestimmt ist, einen der Arme früher als zu dem Zeitpunkt aus, wenn die Phasenspannung den ersten Schwellwert erreicht, das heißt zu Beginn der Strom-Freilauf-Dauer, die durch den ersten und zweiten Schwellwert festgelegt wird. Dies gewährleistet eine Zeitdauer, in welcher der freilaufende Strom fließen kann und die länger als die Länge der Strom-Freilauf-Dauer ist.
Gemäß des zweiten Aspekts der Erfindung ist ein Leistungswandler für mehrphasige drehende elektrische Maschinen vorgesehen mit: (a) einer Umschalt-Schaltung, die zwischen einer Leistungszufuhr und einer Phasenwicklung einer drehenden elektrischen Maschine angeordnet ist, wobei die Umschalt-Schaltung mit Schaltern ausgestattet ist, die für jede Phase zu einem oberen Arm und einem unteren Arm gruppiert sind; und (b) eine Steuervorrichtung, die Ein- und Ausschaltvorgänge für jeden der Schalter der oberen und unteren Arme steuert. Die Steuervorrichtung steuert den Ausschaltvorgang von einem der Schalter von einem der oberen und unteren Arme, um eine Strom-Freilauf-Dauer, in welcher zugelassen wird, dass ein Freilaufstrom, das heißt ein freilaufender Strom aus der drehenden elektrischen Maschine, aus der drehenden elektrischen Maschine fließt, und welche einem Zeitabschnitt von dem Zeitpunkt an, bei dem eine Phasenspannung, die an einer Ziel-Phasenwicklung, die einem Schalter zugeordnet ist, auf den Ausschaltvorgang abzielt, induziert wird, einen ersten Schwellwert überschreitet, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Phasenspannung unter einen zweiten Schwellwert sinkt, entspricht, auf einen ausgewählten Zeitabschnitt einzustellen, der auf den Ausschaltvorgang von dem einen der Schalter folgt. Wenn die Phasenspannung einen dritten Schwellwert und dann einen vierten Schwellwert erreicht, schaltet die Steuervorrichtung den einen der Schalter ein.
Bei einer bevorzugten Art und Weise der Erfindung kann die Steuervorrichtung den einen der Schalter basierend auf einer ersten Verzögerungszeit von dem Zeitpunkt an ausschalten, bei dem ein Ziel-Schalter, das heißt einer der Schalter von einer der Phasen, auf der Ausschaltvorgang abzielt, oder ein Nicht-Ziel-Schalter, das heißt einer der Schalter von einer der anderen Phasen, auf die der Ausschaltvorgang nicht abzielt, eingeschaltet worden ist.
Die Steuervorrichtung kann den einen der Schalter basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer ausschalten, die für eine der Phasen eingestellt ist, die dem einen der Schalter zugeordnet ist.
Die Steuervorrichtung kann den einen der Schalter basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer ausschalten, die für einen Nicht-Ziel-Schalter, das heißt einen der Schalter, auf den der Ausschaltvorgang nicht abzielt, eingestellt ist.
Die Steuervorrichtung kann den einen der Schalter nach Ablauf einer zweiten Verzögerungszeit von dem Zeitpunkt an ausschalten, bei dem ein Nicht-Ziel-Schalter, das heißt einer der Schalter, auf den momentan der Ausschaltvorgang nicht abzielt, ausgeschaltet wurde.
Die Steuervorrichtung kann eine Länge der Strom-Freilauf-Dauer basierend auf zumindest einer Drehzahl, einem Phasenstrom oder einer Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine berechen.
Wenn zumindest eine Drehzahl, ein Phasenstrom oder eine Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine einen zulässigen Bereich verlässt, kann die Steuervorrichtung den einen der Schalter unmittelbar, oder nach Ablauf einer gegebenen Zeitdauer ausschalten.
Die Steuervorrichtung versetzt die oberen und unteren Arme in einen Ausschaltzustand, wenn ein in einer entsprechenden der Phasenwicklungen erzeugter Strom nicht größer als ein gegebener Wert ist. Mit anderen Worten beginnt die Steuervorrichtung das Schalten der oberen und unteren Arme, wenn der erzeugte Strom größer als der gegebene Wert wird und gewährleistet somit die Stabilität der Steuerung der drehenden elektrischen Maschine.
Die Steuervorrichtung kann die Phasenspannung überwachen. Wenn die Phasenspannung einen ungewöhnlichen Wert einnimmt, kann die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme abschalten.
Die Steuervorrichtung kann eine Sequenz von einem der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge der Schalter der oberen und unteren Arme überwachen. Wenn die überwachte Sequenz eine ungewöhnliche Sequenz ist, kann die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme abschalten.
Wenn keine Strom-Freilauf-Dauer bereitgestellt ist, kann die Steuervorrichtung den einen der Schalter früher als zu dem Zeitpunkt ausschalten, der basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer berechnet wird.
Gemäß des dritten Aspekts der Erfindung ist ein Leistungswandler für eine mehrphasige drehende elektrische Maschine vorgesehen, mit einer Vielzahl von Gleichrichter-Modulen, die dazu dienen einen Wechselstrom bzw. Drehstrom, der in der mehrphasigen drehenden elektrischen Maschine erzeugt wird, in einen Gleichstrom bzw. Gleichstrom zu wandeln. Jedes der Gleichrichter-Module ist jeweils für eine Phasenwicklung der drehenden elektrischen Maschine vorgesehen und ist zwischen einer Leistungszufuhr und einer Phasenwicklung angeordnet. Jedes der Gleichrichter-Module ist mit Schaltern, welche die Funktionsweise eines oberen Arms und eines unteren Arms einnehmen und mit einer Steuervorrichtung, die Ein- und Ausschaltvorgänge von jedem der oberen und unteren Arme steuert, ausgestattet. Die Steuervorrichtung steuert den Ausschaltvorgang von einem der oberen und unteren Arme, um eine Strom-Freilauf-Dauer, in welcher zugelassen wird, dass ein Freilaufstrom fließt, das heißt ein freilaufender Strom aus einer entsprechenden Phasenwicklungen, und welche in einem Zeitabschnitt besteht von dem Zeitpunkt an, bei dem eine Phasenspannung, die an einer Ziel-Phasenwicklung, die dem einen der oberen und unteren Arme zugeordnet ist, induziert wird, einen ersten Schwellwert überschreitet, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Phasenspannung unter einen zweiten Schwellwert sinkt, entspricht, auf einen ausgewählten Zeitabschnitt einzustellen, der auf den Ausschaltvorgang des einen der oberen und unteren Arme folgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist besser verständlich durch die untenstehende, ausführliche Beschreibung sowie die begleitende Zeichnung der bevorzugten Ausführungsformen, die jedoch nicht als Begrenzung der Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen verstehen sind, sondern lediglich der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
Die Zeichnungen:
1 ist ein Schaltplan eines Leistungswandlers gemäß der Erfindung;
2 ist eine exemplarische Abbildung eines transienten Zustands eines Steuerbetriebs des Leistungswandlers von 1;
3 ist ein Flussdiagramm eines Treiber-Steuer-Programms zum Ansteuern einer Wechselrichterschaltung des Leistungswandlers von 1;
4 und 5 sind Flussdiagramme eines Synchron-Steuer-Programms, das in dem Programm von 3 ausgeführt wird;
6 ist ein Zeitablaufplan, der die Veränderung der Phasenspannung und den Zustand der Arme eines Wechselrichters des Leistungswandlers von 1 aufzeigt;
7(a) ist eine Abbildung, die die Veränderung der Phasenspannung bei verschiedenen Drehzahlen der drehenden elektrischen Maschine aufzeigt;
7(b) und 7(c) sind Abbildungen, die aufzeigen wie eine Strom-Freilauf-Dauer zu verändern ist, wenn eine plötzliche Änderung der Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine zu erwarten ist;
8 ist eine Abbildung, die ein beispielhaftes Muster einer Änderung der Phasenspannung in einer drehenden elektrischen Maschine enthält;
9 ist ein Blockdiagramm, das einen Leistungswandler gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
10 ist ein Schaltplan, der einen internen Aufbau eines Gleichrichter-Moduls zeigt, das in dem Leistungswandler von 9 eingebaut ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Hinsichtlich der Zeichnung, bei der sich in verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile beziehen, ist insbesondere in 1 ein Leistungswandler 10 gemäß der Erfindung gezeigt.
In der folgenden Erläuterung bedeutet „Verbindung” eine „elektrische Verbindung” soweit nicht anders angegeben. Die Wahrheitswerte folgen der positiven Logik. Der Hoch-Pegel (wahr, eins (1), oder ein) wird durch „H” dargestellt, während der Niedrig-Pegel (falsch, null (0), oder aus) durch „L” dargestellt wird.
Der Leistungswandler 10 ist ausgebildet, um einen Betrieb (zum Beispiel Drehen oder Stoppen) einer drehenden elektrischen Maschine 20 (auch dynamo-elektrische Maschine genannt) zu steuern und ist mit einer Feld-Steuervorrichtung 12, einem Treiber 16, einer Steuervorrichtung 17, einer Umschalt-Schaltung 18 und einer Leistungszufuhr E ausgestattet. Die Leistungszufuhr E, auf die hierin Bezug genommen wird, ist eine DC-Leistungsquelle.
Die drehende elektrische Maschine 20 wird zum Beispiel durch einen bürstenlosen DC-Drehstrom-Motor, das heißt eine Synchronmaschine mit Feldwicklungen, realisiert. Die drehende elektrische Maschine 20 umfasst eine U-Phasenwicklung Lu, eine V-Phasenwicklung Lv, und eine W-Phasenwicklung Lw, die sterngeschaltet sind und eine Feldwicklung Lf, durch die ein Feldstrom If fließt.
Die Umschalt-Schaltung 18 ist eine Dreiphasen- (U-Phase, V-Phase und W-Phase) bzw. Drehstrom-Wechselrichter-Schaltung, und dient in einem Motor-Modus dazu, eine Gleichspannung, die von der Leistungszufuhr E zugeführt wird, in eine dreiphasige bzw. drehende Wechselspannung zum Antrieb der drehenden elektrischen Maschine 20 zu wandeln, sowie in einem Generator-Modus dazu, die dreiphasige bzw. drehende Wechselspannung, die von der drehenden elektrischen Maschine 20 zugeführt wird, Voll-Weg gleichzurichten. Ein Basisbetrieb des Leistungswandlers 10 (zum Beispiel der Umschalt-Schaltung 18) ist üblicherweise bekannt und ausführliche Erklärungen hierzu werden ausgelassen. Die Umschalt-Schaltung 18 ist mit Schaltern Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 und mit Gleichrichtervorrichtungen D1, D2, D3, D4, D5 und D6 ausgestattet. Die Schalter Q1 bis Q6 können durch einen MOSFET realisiert werden. Die Gleichrichtervorrichtungen D1 bis D6 können durch Dioden realisiert werden. Die Schalter Q1, Q3 und Q5 bilden einen oberen Arm. Die Schalter Q2, Q4 und Q6 bilden einen unteren Arm. Die Schalter Q1 und Q4 dienen der U-Phase. Die Schalter Q2 und Q5 dienen der V-Phase. Die Schalter Q3 und Q6 dienen der W-Phase. Die Gleichrichtervorrichtung D1 ist mit dem Schalter Q1 parallel geschaltet und dient als freilaufende Diode, durch die der Strom fließt, der von der drehenden elektrischen Maschine frei läuft. Gleichermaßen sind die Gleichrichtervorrichtungen D2 bis D6 mit den Schaltern Q2 bis Q6 jeweils parallel geschaltet, um in gleicher Weise wie die Gleichrichterdiode D1 zu funktionieren.
Die Steuervorrichtung 17 erhält Anweisungen von der internen Steuervorrichtung (nicht dargestellt) oder Ausgangsgrößen von verschiedenen Typen von Sensoren (nicht dargestellt), um in dem Motor-Modus Steuersignale, das heißt PWM(Puls-Weiten-Modulation)-Signale, für die Schalter Q1 bis Q6 und in dem Generator-Modus Steuersignale (zum Beispiel PWM-Signale) zur Erreichung einer synchronen Gleichrichtung durch die Schalter Q1 bis Q6, zu erzeugen. Die Steuervorrichtung 17 wird durch eine CPU gebildet, um logische Programm durchzuführen, sie kann jedoch auch durch eine festverdrahtete Logik, die mit einigen Schaltungselementen ausgestattet ist, realisiert werden.
Der Treiber 16 kann auf die Steuersignale von der Steuervorrichtung 17 reagieren, um Ausgangs-Ansteuersignale für die Gatter der Schalter Q1 bis Q6 der Umschalt-Schaltung 18 zum An- und Ausschalten der Schalter Q1 bis Q6 zu erzeugen.
Die Feld-Steuervorrichtung 12 kann auf eine Ausgangsgröße von der Steuervorrichtung 17 reagieren, um den Feldstrom If, der durch die Feldwicklung Lf fließt, zu steuern. Die Feld-Steuervorrichtung 12 wird durch einen Schalter Q7 und durch eine Gleichrichtervorrichtung D7 gebildet. Der Schalter Q7 kann beispielsweise ein MOSFET sein. Die Gleichrichtervorrichtung D7 ist zum Beispiel eine Diode.
Der Leistungswandler 10 umfasst ebenso Stromsensoren 11, 13 und 14. Der Stromsensor 11 misst den Wert des Freilaufstroms Ir, der aus der drehenden elektrischen Maschine 20 fließt. Der Stromsensor 13 misst den Wert des Feldstroms If, der durch die Feldwicklung Lf fließt. Der Stromsensor 14 misst die Werte des U-Phasen-Stroms Iu, der durch die U-Phasenwicklung fließt, des V-Phasen-Stroms Iv, der durch die V-Phasenwicklung fließt und des W-Phasen-Stroms Iw, der durch die W-Phasenwicklung fließt. Die Stromsensoren 11, 13 und 14 können magnetischen Typs sein, die mit einer Hall-Vorrichtung ausgestattet sind. Der Leistungswandler 10 umfasst weiterhin einen Positionssensor 15, der eine Winkelposition P eines drehenden Elements misst, wie zum Beispiel ein Rotor, der in der drehenden elektrischen Maschine 20 eingebaut ist. Der Positionssensor 15 wird durch einen Drehmelder gebildet, der entweder magnetischen oder optischen Typs ist.
Der Betrieb des Leistungswandlers 10 zur Steuerung eines Schaltvorgangs der Umschalt-Schaltung 18 wird untenstehend unter Bezugnahme auf die 2 bis 8beschrieben. Die 2 zeigt einen transienten Zustand des Leistungswandlers 10 auf. 3 ist ein Flussdiagramm eines Treiber-Steuer-Programms. Die 4 und 5 sind Flussdiagramme eines Synchron-Steuer-Programms. Die 6 ist ein Zeitablaufplan, der eine Veränderung der Phasenspannung oder des Zustands der Arme abbildet. 7(a) zeigt eine Veränderung der Phasenspannung für verschiedene Drehzahlen der drehenden elektrischen Maschine 20 auf. Die 7(b) und 7(c) zeigen eine Veränderung der Phasenspannung auf, wenn eine plötzliche Drehzahländerung der drehenden elektrischen Maschine 20 zu erwarten ist. 8 bildet ein Beispiel für ein Wellenmuster von Veränderungen der Phasenspannung ab, um die drehende elektrische Maschine 20 basierend auf der dreiphasigen Spannung zu diagnostizieren. Die drei Phasen: die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase unterscheiden sich lediglich im elektrischen Winkel bzw. Phasenwinkel und die nachfolgenden Erläuterungen werden sich zur Vereinfachung lediglich auf die U-Phase beziehen. Demzufolge wird auf den Schalter Q1 als oberer Arm Bezug genommen. Ebenso wird auf den Schalter Q4 als unterer Arm Bezug genommen.
Die Steuervorrichtung 17 gibt basierend auf dem transienten Zustand Steuersignale an den Schalter-Schaltkreis 18 aus, wie in 2 dargestellt. In 2 stellen die eingekreisten Nummern sequentielle Zustände des Leistungswandlers 10 dar. In einem voreingestellten Zustand oder dem Zustand 0 wird der Leistungswandler 10 mit dem Treiber-Steuer-Betrieb belegt, wie in 3 dargestellt. In den Zuständen 1 bis 6 wird der Leistungswandler 10 mit dem Synchron-Steuer-Betrieb belegt, wie in den 4 und 5 dargestellt. Die in 2 aufgezeigten Zustände sind für die U-, V-, und W-Phasen dieselben. Die nachfolgenden Erläuterungen werden, wie bereits genannt, zur Vereinfachung für die U-Phase ausgeführt.
Die folgenden Bedingungen werden in den 2 bis 5 verwendet.

C1:: Der U-Phasenstrom Iu ist größer als ein voreingestellter Bewegungsstromwert Is (lu > Is);
C2:: Der Steuerzustand ist der Zustand 0;
C3:: Die U-Phasenspannung Vu ist niedriger als eine Schwellwertspannung V_TH+ (Vu < V_TH+);
C4:: Der Steuerzustand ist Zustand 1;
C5:: Die U-Phasenspannung Vu ist höher oder gleich groß wie die Schwellwertspannung Vs (Vu ≥ V_TH+);
C6:: Der Steuerzustand ist der Zustand 2;
C7:: Eine Einschaltdauer T_ONU des oberen Arms ist länger oder gleich groß wie eine Schwellwertdauer T_THU (T_ONU ≥ T_THU);
C8:: Der Steuerzustand ist der Zustand 3;
C9:: Die U-Phasenspannung Vu ist niedriger als die Schwellwertspannung V_TH+ (Vu < V_TH+)
C10:: der Steuerzustand ist der Zustand 4;
C11:: die U-Phasenspannung Vu ist niedriger oder gleich groß wie eine Schwellwertspannung V_TH- (Vu < V_TH-);
C12:: der Steuerzustand ist der Zustand 5;
C13:: eine Einschaltdauer T_OND des unteren Arms ist länger oder gleich groß wie eine Schwellwertdauer T_THD (T_OND ≧ T_THD);
C14:: der Steuerzustand ist der Zustand 6; und
C15:: die U-Phasenspannung Vu ist niedriger als die Schwellwertspannung V_TH+ (Vu < V_TH+).

Der voreingestellte Zustand stellt einen Zustand des Leistungswandlers 10 unmittelbar nachdem der Leistungswandler 10 eingeschaltet oder voreingestellt wurde dar, wenn die drehende elektrische Maschine 20 hierdurch eine unerwartete Veränderung der Betriebsbedingungen erfährt. Die Steuervorrichtung 17 schaltet alle Schalter Q1 bis Q6 aus. Der voreingestellte Zustand hält an, bis die Bedingung C1 getroffen ist. Wenn die Bedingung C1 erfüllt ist, tritt der Zustand 0 ein.
Der Zustand 0 ist ein Zustand, bei dem begonnen wurde, die U-Phasenspannung Vu an der U-Phasenwicklung Lu der drehenden elektrischen Maschine 20 anzulegen. Der Zustand 0 hält an bis die Bedingung C3 getroffen ist. Wenn die Bedingung C3 erfüllt ist, wird der Zustand 0 zu Zustand 1 wechseln.
Der Zustand 1 ist ein Zustand, bei dem die U-Phasenspannung Vu erhöht wird, jedoch erreicht sie nicht die Schwellwertspannung V_TH+. Der Zustand 1 hält an bis die Bedingung C5 getroffen ist. Wenn die Bedingung C5 erfüllt ist, wird der Zustand 1 zu Zustand 2 wechseln.
Der Zustand 2 ist ein Zustand, bei dem die U-Phasenspannung Vu die Schwellwertspannung V_TH+ überschritten hat. Die Steuervorrichtung 17 schaltet den oberen Arm, beispielsweise den Schalter Q1, an. Der Zustand 2 hält an bis die Bedingung C7 getroffen ist. Wenn die Bedingung C7 erfüllt ist, wird Zustand 2 zu Zustand 3 wechseln.
Der Zustand 3 ist ein Zustand, bei dem die Einschaltdauer des Schalter Q1 die Schwellwertdauer T_THU überschritten hat. Die Steuervorrichtung 17 schaltet den Schalter Q1 aus. Der Zustand 3 hält an bis die Bedingung C9 getroffen ist. Wenn die Bedingung C9 erfüllt ist, wird der Zustand 3 zu Zustand 4 wechseln.
Der Zustand 4 ist ein Zustand, bei dem die Spannung aufgrund des Ausschaltens des Schalters Q1 an der U-Phasenwicklung Lu der drehenden elektrischen Maschine 20 induziert wird, so dass der Strom zu der Umschalt-Schaltung 18 frei läuft. Der Zustand 4 hält an bis die Bedingung C11 getroffen ist. Wenn die Bedingung C11 erfüllt ist, wird der Zustand 4 zu Zustand 5 wechseln.
Der Zustand 5 ist ein Zustand, bei dem die Spannung, die an der U-Phasenwicklung Lu der drehenden elektrischen Maschine 20 induziert wurde, unter die Schwellwertspannung V_TH- gefallen ist. Die Steuervorrichtung 17 schaltet den unteren Arm, zum Beispiel den Schalter Q4, ein. Der Zustand 5 hält an, bis die Bedingung C13 getroffen ist. Wenn die Bedingung C13 erfüllt ist, wird der Zustand 5 zu Zustand 6 wechseln.
Der Zustand 6 ist ein Zustand, bei dem die Einschaltdauer des Schalter Q4 die Schwellwertdauer T_THD überschritten hat. Die Steuervorrichtung 17 schaltet den Schalter Q4 aus. Der Zustand 6 hält an bis die Bedingung C15 getroffen ist. Wenn die Bedingung C15 zutrifft, wird der Zustand 6 zu Zustand 1 zurückkehren.
Nachstehend wird eine Sequenz der Schritte zur Erreichung des transienten Zustands von 2 mit Bezugnahme auf die 3 bis 5 beschreiben. Die Programme der 3 bis 5 werden für jede der drei Phasen ausgeführt: die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase. Zur Vereinfachung wird nachstehend nur auf die U-Phase Bezug genommen.
Nachdem der Treiber-Steuer-Betrieb eingetreten ist, wird das Programm von 3 voreingestellt. Die Routine setzt bei Schritt 10 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q1 des oberen Arms und den Schalter Q4 des unteren Arms ausschaltet und der Steuerzustand auf den Zustand 0 voreingestellt wird. Dasselbe wie obenstehend beschrieben wird auf die V-Phase und die W-Phase angewandt. Insbesondere werden bei Schritt 10 alle Schalter Q1 bis Q6 mit dem Ausschalt-Zustand belegt. Wenn die Schalter Q1 bis Q6 alle ausgeschaltet werden führt dies dazu, dass die Gleichrichtung lediglich durch die Gleichrichtervorrichtungen D1 bis D6 erreicht wird. Dasselbe gilt für Schritt 13, der später beschrieben wird.
Nachdem der Steuerzustand voreingestellt ist setzt die Routine bei Schritt 11 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 die Betriebsbedingungen der drehenden elektrischen Maschine 20 überwacht. Insbesondere analysiert die Steuervorrichtung 17 die Ausgangsgrößen des Positionssensors 15, um die Winkelposition P und die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 zu bestimmen. Zudem analysiert die Steuervorrichtung die Ausgangsgrößen der Stromsensoren 13 und 14 und bestimmt jeweils den Feldstrom If und den U-Phasenstrom Iu (zum Beispiel ein elektrischer Strom, der in der U-Phasenwicklung Lu erzeugt wird). Unter Verwendung des U-Phasenstroms Iu kann die U-Phasenspannung Vu basierend auf dem Widerstandswert der U-Phasenwicklung Lu berechnet werden.
Die Routine setzt bei Schritt 12 fort, bei dem bestimmt wird, ob der U-Phasenstrom Iu, der in Schritt 11 abgeleitet wird, größer als der voreingestellte Bewegungsstromwert Is ist oder nicht, d. h. die Bedingung C1 getroffen ist oder nicht. Wenn eine NEIN-Antwort erhalten wird, bedeutet dies, dass der U-Phasenstrom Iu kleiner als der voreingestellten Bewegungsstromwert Is ist und die Steuervorrichtung 17 schließt daraus, dass die U-Phasenspannung Vu noch nicht an der U-Phasenwicklung Lu der drehenden elektrischen Maschine 10 anliegt. Die Routine setzt dann bei Schritt 13 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 wie bei Schritt 10 die Schalter Q1 bis Q4 ausgeschaltet lässt und den Steuerzustand in den Zustand 0 versetzt. Die Routine kehrt dann zu Schritt 11 zurück.
Wenn bei Schritt 12 alternativ eine JA-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der U-Phasenstrom Iu größer als der voreingestellte Bewegungsstromwert Is ist, schließt die Steuervorrichtung daraus, dass die U-Phasenspannung Vu beginnt an der U-Phasenwicklung Lu der drehenden elektrischen Maschine 20 anzuliegen und tritt bei Schritt 14 in den Synchron-Steuer-Betrieb ein.
Wenn Schritt 14 erreicht wird, beginnt die Steuervorrichtung 17 das Programm aus 4 auszuführen. Es wird eine erste Prüfung vorgenommen, ob die Bedingungen C2 und C3 getroffen sind oder nicht. Insbesondere wird in Schritt 20 bestimmt, ob der Steuerzustand 0 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Anwort erhalten wird, setzt die Routine bei Schritt 21 fort, bei dem bestimmt wird, ob die U-Phasenspannung Vu niedriger als die Schwellwertspannung V_TH+ ist oder nicht, d. h. die Bedingung C3 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, schließt die Steuervorrichtung 17 daraus, dass die U-Phasenspannung Vu ansteigt, jedoch noch nicht die Schwellwertspannung V_TH+ erreicht hat. Die Routine setzt dann bei Schritt 22 fort, bei dem der Steuerzustand auf den Zustand 1 gesetzt wird. Anschließend wird eine zweite Prüfung vorgenommen. Schritt 22 dient zur Feststellung des elektrischen Winkels bzw. Phasenwinkels und wird daher unter der Bedingung vorgenommen, dass der Steuerzustand der Zustand 0 war. Demzufolge wird Schritt 22 lediglich dann vorgenommen, wenn der Steuerzustand von dem voreingestellten Zustand verändert wurde, wobei der Leistungswandler 10 eingeschaltet wird oder unmittelbar nachdem die drehende elektrische Maschine 20 einem unerwarteten Wechsel unterworfen ist. Die zweite Prüfung wird dann vorgenommen, wenn eine NEIN-Antwort in Schritt 20 erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand nicht der Zustand 0 ist, oder wenn eine NEIN-Antwort in Schritt 21 erhalten wird, was bedeutet, dass die U-Phasenspannung Vu höher oder gleich groß wie die Schwellwertspannung V_TH+ ist.
Die zweite Prüfung dient dazu zu bestimmen, ob die Bedingungen C4 und C5 getroffen sind oder nicht. Insbesondere wird in Schritt 23 bestimmt, ob der Steuerzustand der Zustand 1 ist oder nicht, d. h. die Bedingung C4 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, setzt die Routine bei Schritt 24 fort, bei dem bestimmt wird, ob die U-Phasenspannung Vu höher oder gleich groß wie die Schwellwertspannung V_TH+ ist oder nicht, d. h. die Bedingung C5 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, schließt die Steuervorrichtung 17 daraus, dass eine gegebene Spannung an der U-Phasenwicklung Lu anliegt.
Bei Schritt 24 kann wahlweise bestimmt werden, ob der Phasenstrom (z. B. U-Phasenstrom Iu), der durch den Stromsensor 14 gemessen wird, größer oder gleich groß wie der Schwellwertstrom I_TH+ ist oder nicht, oder kleiner oder gleich groß wie der Schwellwertstrom I_TH- ist oder nicht. Wenn die drehende elektrische Maschine 20 in dem Generator-Modus betrieben wird, mit anderen Worten als elektrischer Generator dient, kann bestimmt werden, ob der Strom, der zu einer externen Last fließt, größer oder gleich groß wie der Schwellwertstrom I_TH+ ist, oder kleiner oder gleich groß wie der Schwellwertstrom I_TH- ist. Wahlweise kann bestimmt werden, ob die Winkelposition P des Rotors der drehenden elektrischen Maschine 20, der durch den Positionssensor 15 gemessen wird, an einem gegebenen Winkel (zum Beispiel 5 Grad) ist oder nicht. Die Bestimmung kann vorgenommen werden, wenn die oben stehenden Bedingungen zeitgleich eintreten oder nicht. Der Schwellwertstrom I_TH+ und der Schwellwertstrom I_TH- werden bevorzugt zum Erhalten von jeweils voneinander unterschiedlichen Hysteresiswerten bestimmt, um ein Kontaktgrellen zu vermeiden. Der Referenzstromwert ist der Wert des Stroms Ir bei der Zunahme, er kann jedoch auch auf diesen bei der Abnahme eingestellt werden.
Wenn die Bedingungen C4 und C5 getroffen sind, setzt die Routine bei Schritt 25 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q1 anschaltet, die Anschaltdauer T_ONU, welche die Länge der Zeit, in welcher der Schalter Q1 auf Null (0) gehalten wird angibt, voreinstellt und den Steuerzustand in den Zustand 2 versetzt. Danach führt die Routine eine dritte Prüfung durch. Die Routine führt die dritte Prüfung wahlweise dann aus, wenn eine NEIN-Antwort in Schritt 23 erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand nicht der Zustand 1 ist, oder wenn eine NEIN-Antwort in Schritt 24 erhalten wird, was bedeutet, dass die U-Phasenspannung Vu niedriger als die Schwellwertspannung V_TH+ ist.
Die dritte Prüfung wird vorgenommen, um zu bestimmen, ob die Bedingungen C6 und C7 getroffen sind oder nicht. Insbesondere wird in Schritt 26 bestimmt, ob der Steuerzustand der Zustand 2 ist oder nicht, d. h. die Bedingung C6 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, setzt die Routine bei Schritt 27 fort, bei dem bestimmt wird, ob die Einschaltdauer T_ONU länger oder gleich groß wie die Schwellwertdauer T_THU ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Zeitpunkt, an dem der Schalter Q1 ausgeschaltet werden sollte erreicht wurde, setzt die Routine bei Schritt 29 fort.
Die Bestimmung bei Schritt 27 kann wahlweise wie folgt vorgenommen werden. Es kann bestimmt werden, ob der Phasenstrom (z. B. der U-Phasenstrom Iu), der durch den Stromsensor 14 gemessen wird, einen gegebenen Wert erreicht hat oder nicht. Wahlweise kann bestimmt werden, ob die Winkelposition P der drehenden elektrischen Maschine 20 (z. B. der Rotor), die durch den Positionssensor 15 gemessen wird, an einem bestimmten Winkel (z. B. 150 Grad) ist oder nicht. Wahlweise kann bestimmt werden, ob eine erste Verzögerungszeit (z. B. mehrere Millisekunden), d. h. die Zeit, die ab dem Zeitpunkt abläuft, wenn der Arm von einer der drei Phasen U, V und W, welcher derzeitig gezielt für den durch die Steuervorrichtung 17 vorzunehmenden Ausschaltvorgang ausgewählt ist (z. B. der Schalter Q1 oder Q4 für die U-Phase) oder eine andere Phase (z. B. die V- oder W-Phase) angeschaltet wurde, erreicht worden ist oder nicht. Wenn der Schalter Q1 der U-Phase gezielt zum Ausschalten ausgewählt ist, bestimmt die Steuervorrichtung 17, ob die erste Verzögerungszeit, die ab dem Zeitpunkt abläuft, wenn der Schalter Q1 oder Q4, oder der Schalter Q6 des unteren Arms der W-Phase, welcher derzeitig nicht gezielt zum Ausschalten gewählt ist, angeschaltet wurde, erreicht worden ist oder nicht. Wahlweise kann bestimmt werden, ob eine zweite Verzögerungszeit (z. B. mehrere Millisekunden), d. h. die Zeit, die ab dem Zeitpunkt abläuft, wenn der Arm einer Nicht-Ziel-Phase, welcher derzeitig nicht gezielt zum Ausschalten ausgewählt ist (z. B. der Schalter der V-Phase oder W-Phase) ausgeschaltet wurde, erreicht worden ist oder nicht. Wenn der Schalter Q1 der U-Phase gezielt zum Ausschalten gewählt ist, bestimmt die Steuervorrichtung 17, ob die zweite Verzögerungszeit, die ab dem Zeitpunkt abläuft, wenn der Schalter Q5 des unteren Arms der V-Phase, welcher derzeitig nicht gezielt zum Ausschalten gewählt ist, bereits ausgeschaltet wurde, erreicht ist oder nicht. Nachstehend wird einer der Schalter Q1 bis Q6 oder eine der drei Phasen U, V und W, die durch die Steuervorrichtung 17 derzeitig gezielt zum Ein- oder Ausschalten ausgewählt ist, auch als Ziel-Schalter oder Ziel-Phase bezeichnet. Ein anderer der Schalter Q1 bis Q6 oder eine andere der drei Phasen U, V, W wird auch als nicht Nicht-Ziel-Schalter oder Nicht-Ziel-Phase bezeichnet. Es kann wahlweise bei Schritt 27 bestimmt werden, ob die Zeit, die als eine Funktion der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD der Ziel-Phase gewählt wird, abgelaufen ist oder nicht. Wahlweise kann bestimmt werden, ob zumindest die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20, der Phasenstrom oder die Phasenspannung außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt oder nicht. Zum Beispiel kann bestimmt werden, ob eine Veränderung von zumindest der Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20, dem Phasenstrom oder der Phasenspannung pro Zeiteinheit eine obere Grenze überschritten hat oder unter eine untere Grenze gefallen ist. Wenn diese über eine obere Grenze gestiegen ist oder unter eine untere Grenze gefallen ist, fährt die Routine bei Schritt 29 fort. Vorzugsweise werden entweder die obere oder die untere Grenze, oder beide hinsichtlich der Umgebungsbedingungen ausgewählt. Wenn keine Strom-Freilauf-Dauer T_RU bereitgestellt ist, kann die Steuervorrichtung 17 bestimmen, dass die Bedingung C7 getroffen worden ist bevor die Einschaltdauer T_ONU die Schwellwertdauer T_THU überschreitet, mit anderen Worten, früher als zu dem Zeitpunkt, der basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer T_RU berechnet wird. Danach setzt die Routine bei Schritt 29 fort, um den Schalter Q1 auszuschalten. Die Bestimmung kann unabhängig davon vorgenommen werden, ob einige der obenstehenden Bedingungen zeitgleich getroffen sind oder nicht.
Nachstehend wird unter Bezug auf 7(a) ein Beispiel beschrieben, bei dem die Veränderung der Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 pro Zeiteinheit außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. Eine obere Kurve zeigt eine Veränderung der U-Phasenspannung Vu an, wenn die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 niedrig ist. Eine untere Kurve zeigt eine Veränderung der U-Phasenspannung Vu an, wenn die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 hoch ist. Die obere und untere Kurve sind derart eingezeichnet, dass sie an dem Zeitpunkt t12, wenn der obere Arm eingeschaltet werden soll, deckungsgleich sind. Wenn der obere Arm zu dem Zeitpunkt t12 eingeschaltet wird und die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 gering ist, wird das Ausschalten des oberen Arms zum Zeitpunkt t15 die Strom-Freilauf-Dauer T_RU gewährleisten. Wenn die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 aus verschiedenen Gründen einer plötzlichen Veränderung unterworfen ist nachdem der obere Arm zum Zeitpunkt t12 eingeschaltet ist, kann selbst dann, wenn eine Regelung durchgeführt wird, ein Ausschalten des oberen Arms zum Zeitpunkt t15 ohne Bezug zu der Länge der Einschaltdauer T_ONU zu Problemen bei der Gewährleistung der erforderlichen Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU führen.
Um das oben benannten Problem zu vermeiden, verkürzt die Steuervorrichtung 17 die Einschaltdauer T_RU mittels einer Funktion der Drehzahländerung der drehenden elektrischen Maschine 20 pro Zeiteinheit und schaltet den oberen Arm zu einem früheren Zeitpunkt t13 als dem Zeitpunkt t15 aus. Wenn beispielsweise die Änderungsrate der Drehzahl größer als 10.000 rpm/sec ist, wird eine erste und eine zweite Zeitlänge (die später näher beschrieben werden) mit 1,5 multipliziert, um die Schwellwertdauer T_THU zu verkürzen und dabei durch den Schritt 27 eine Verkürzung der Einschaltdauer T_ONU zu bewirken. Dies gewährleistet die notwendige Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU. Die 7(a) zeigt den Fall lediglich für den oberen Arm auf. Dasselbe wird auf den unteren Arm angewendet.
Die Schwellwertspannung V_TH4+ bei welcher der obere Arm zum Zeitpunkt t12 eingeschaltet werden soll und die Schwellwertspannung V_TH4-, bei welcher der untere Arm zu den Zeitpunkten t15 und t18 eingeschaltet werden soll, werden nachstehend als vierter Schwellwert bezeichnet. Die Schwellwertspannungen V_TH3a und V_TH3b, die nachstehend auch als dritter Schwellwert bezeichnet werden, werden zwischen der Schwellwertspannung V_TH4+ und V_TH4- eingestellt. Bei dem Beispiel von 7(a) wird bestimmt, dass die Schwellwertspannung V_TH3a höher sein soll als die Schwellwertspannung V_TH3b, jedoch kann auch wahlweise bestimmt werden, dass die Schwellwertspannung V_TH3a niedriger oder gleich groß wie die Schwellwertspannung V_TH3b sein soll (V_TH3a ≤ V_TH3b). Die Schwellwertspannung V_TH3a wird verwendet, wenn die U-Phasenspannung Vu ansteigt. Die Schwellwertspannung V_TH3b wird verwendet, wenn die U-Phasenspannung Vu sinkt. Insbesondere erreicht die U-Phasenspannung Vu bei dem Beispiel aus 7(a) die Schwellwertspannung V_TH3a zu dem Zeitpunkt ta und erreicht ebenso die Schwellwertspannung V_TH3b zu den Zeitpunkten tb und tc.
Wenn in Rückbezug auf die 4 bei Schritt 27 eine JA-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass die Bedingungen C6 und C7 getroffen sind, setzt die Routine bei Schritt 29 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q1 ausschaltet, die Strom-Freilauf-Dauer T_RU des Schalter Q1 auf Null (0) voreinstellt und den Steuerzustand auf den Zustand 3 setzt. Anschließend wird eine vierte Prüfung vorgenommen. Der Schalter Q1 kann zu derselben Zeit ausgeschaltet werden wenn die Bedingungen C6 und C7 getroffen sind (z. B. ohne jedes Zeitintervall), oder nach Ablauf einer gegebenen Zeitdauer (z. B. mehrere Millisekunden) ab dem Zeitpunkt, wenn die Bedingungen C6 und C7 getroffen sind.
Die vierte Prüfung wird vorgenommen, wenn bei Schritt 26 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass die Bedingung C6 noch nicht getroffen ist, d. h. der Steuerzustand nicht der Zustand 2 ist. Wenn bei Schritt 27 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand der Zustand 2 ist, jedoch die Einschaltdauer T_ONU kürzer als die Schwellwertdauer T_THU ist (T_ONU ≤ T_THU), setzt die Routine bei Schritt 28 fort, bei dem die Einschaltdauer T_ONU verlängert wird. Danach setzt die Routine bei der vierten Prüfung fort.
Die vierte Prüfung dient dazu zu bestimmen, ob die Bedingungen C8 und C9 getroffen sind oder nicht. Insbesondere wird bei Schritt 30 bestimmt, ob der Kontrollzustand der Zustand 3 ist oder nicht, d. h. die Bedingung C8 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, setzt die Routine bei Schritt 31 fort, bei dem bestimmt wird, ob die U-Phasenspannung Vu niedriger als die Schwellwertspannung V_TH+ ist oder nicht, d. h. die Bedingung C9 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird bedeutet dies, dass der Freilaufstrom Ir, der durch das Ausschalten des Schalter Q1 bei Schritt 29 erzeugt wird, von der drehenden elektrischen Maschine 20 zu der Gleichrichtervorrichtung D1 fließt. Danach setzt die Routine bei Schritt 33 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 die Schwellwertdauer T_THU berechnet, die in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet werden wird und den Steuerzustand auf den Zustand 4 setzt. Die Routine setzt bei der fünften Prüfung fort. Die Schwellwertdauer T_THU, die in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet wird, wird bei Schritt 33 gemäß der folgenden Gleichung (1) bestimmt. Schwellwertdauer T_THU zur Verwendung in dem anschließenden Steuerzyklus = Schwellwertdauer T_THU in diesem Steuerzyklus + (erster Zeitabschnitt – Strom-Freilauf-Dauer TRU) (1)
Der erste Zeitabschnitt in Gl. (1) wird als gewünschter Wert bzw. Sollwert der Strom-Freilauf-Dauer T_RU bestimmt, die in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet wird. Die Strom-Freilauf-Dauer T_RU kann als Funktion von wenigstens einer Größe, der Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20, dem Phasenstrom oder der Phasenspannung bestimmt werden. Die Strom-Freilauf-Dauer T_RU, die entweder für den oberen oder den unteren Arm vorbereitet wird, kann für jede der drei Phasen verwendet werden.
Der Vorgang der Steuervorrichtung 17 zu der Zeit, wenn die Strom-Freilauf-Dauer T_RU auf einen Standardwert eingestellt wird und wenn die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 einer plötzlichen Veränderung unterworfen ist, ist in Bezug auf die 7(a) erläutert worden. Mit Bezug auf die 7(b) und 7(c) wird nachstehend ein weiterer Vorgang der Steuervorrichtung 17 beschrieben, wenn zu erwarten ist, dass sich die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 plötzlich ändert.
Bei dem Beispiel von 7(b) wird die Strom-Freilauf-Dauer T_RU derart geändert, dass sie länger als diejenige in dem Beispiel von 7(a) ist. Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung 17 die Strom-Freilauf-Dauer T_RU zu dem Zeitpunkt verändern oder verlängern, wenn eine Drehzahländerung der drehenden elektrischen Maschine 20 pro Zeiteinheit einen ersten Änderungsschwellwert überschreitet, oder wann immer die Steuervorrichtung 17 dies verlangt. Je länger die Strom-Freilauf-Dauer T_RU ist, desto kürzer ist die Schwellwertdauer T_THR, die in Gleichung Gl. (1) berechnet und in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet wird. Dies führt zu einer kürzeren Einschaltdauer T_ONU, die durch den Schritt 27 bestimmt wird. Demzufolge wird selbst dann, wenn die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 aus einigen Gründen plötzlich ansteigt nachdem der obere Arm eingeschaltet ist, ein gewünschter Wert für die Strom-Freilauf-Dauer T_RU erhalten. Dasselbe trifft für den unteren Arm zu, weshalb nähere Erläuterungen hierzu ausgelassen werden.
In dem Beispiel von 7(c) ist der erste Zeitabschnitt kleiner eingestellt als derjenige in dem Beispiel von 7(a). Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 17 den ersten Zeitabschnitt zu dem Zeitpunkt verändern oder verkürzen, wenn eine Drehzahländerung der drehenden elektrischen Maschine 20 pro Zeiteinheit einen zweiten Veränderungsschwellwert überschreitet, oder wann immer die Steuervorrichtung 17 dies verlangt. Der zweite Veränderungsschwellwert kann gleich groß oder unterschiedlich zu dem ersten Veränderungsschwellwert sein. Je kleiner der erste Zeitabschnitt ist, desto kürzer ist die Schwellwertdauer T_THR, die in der Gleichung (1) berechnet und in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet wird, wie sich im Vergleich mit 7(b) ergibt. Dies führt zu einer kürzeren Einschaltdauer T_ONU, die durch den Schritt 27 bestimmt wird. Demzufolge wird selbst dann, wenn die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 aus einigen Gründen plötzlich ansteigt nachdem der obere Arm eingeschaltet ist, ein gewünschter Wert für die Strom-Freilauf-Dauer T_RU erhalten werden, da die Einschaltdauer T_ONU verkürzt wurde. Dasselbe trifft auf den unteren Arm zu, weshalb nähere Erläuterungen hierzu ausgelassen werden.
Wenn in Rückbezug auf 4 bei Schritt 30 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand nicht der Zustand 3 ist, wird die fünfte Prüfung vorgenommen. Gleichermaßen setzt die Routine dann, wenn bei Schritt 31 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand der Zustand 3 ist, jedoch die U-Phasenspannung Vu höher oder gleich groß wie die Schwellwertspannung V_TH+ ist, bei Schritt 32 fort, bei dem die Strom-Freilauf-Dauer T_RU verlängert wird. Danach setzt die Routine bei der fünften Prüfung fort.
Die fünfte Prüfung wird bei den Schritten 40 und 41 in 5 vorgenommen, um zu bestimmen, ob die Bedingungen C10 und C11 getroffen sind oder nicht.
Bei Schritt 40 wird bestimmt, ob der Steuerzustand 4 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, setzt die Routine bei Schritt 41 fort, bei dem bestimmt wird, ob die U-Phasenspannung Vu niedriger oder gleich groß wie die Schwellwertspannung V_TH- ist oder nicht, d. h. die Bedingung C11 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, schließt die Steuervorrichtung 17 daraus, dass der freilaufende Strom Ir, der aus der drehenden elektrischen Maschine 20 fließt, nahezu verschwunden ist. Die Bestimmung bei Schritt 41 kann wahlweise in einer anderen Weise vorgenommen werden, wie obenstehend mit Bezug auf 4 beschrieben. Bei einer Sequenz der Schritte in 5 steht der Nicht-Ziel-Arm beispielsweise für den Schalter Q1.
Wenn bei Schritt 41 eine JA-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass die Bedingung C11 getroffen ist, setzt die Routine bei Schritt 42 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q4 des unteren Arms ausschaltet, die Einschaltdauer T_ONU, welche die Länge der Zeit angibt, in welcher der Schalter Q4 auf Null (0) gehalten wird voreinstellt, und den Steuerzustand auf den Zustand 5 setzt. Danach führt die Routine die sechste Prüfung aus. Die Routine führt die sechste Prüfung wahlweise dann aus, wenn bei Schritt 40 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet dass der Steuerzustand nicht der Zustand 4 ist, oder wenn eine NEIN-Antwort bei Schritt 41 erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand der Zustand 4 ist, jedoch die U-Phasenspannung Vu höher als die Schwellwertspannung V_TH- ist.
Die sechste Prüfung wird vorgenommen, um zu bestimmen, ob die Bedingungen C12 und C13 getroffen sind oder nicht. Insbesondere wird bei Schritt 43 bestimmt, ob der Steuerzustand der Zustand 5 ist oder nicht, d. h. die Bedingung C12 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, setzt die Routine bei Schritt 44 fort, bei dem bestimmt wird, ob die Einschaltdauer T_ONU länger oder gleich der Schwellwertdauer T_THD ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Zeitpunkt zu dem der Schalter Q4 ausgeschaltet werden sollte erreicht wurde, setzt die Routine bei Schritt 46 fort. Die Bestimmung bei Schritt 44 kann wahlweise auf eine andere Weise vorgenommen werden, wie bei Schritt 27 in 4 beschrieben ist. Wenn keine Strom-Freilauf-Dauer T_RD bereitgestellt ist, kann die Steuervorrichtung 17 daraus schließen, dass die Bedingung C13 getroffen worden ist bevor die Einschaltdauer T_OND die Schwellwertdauer T_THD überschreitet, mit anderen Worten früher als zu dem Zeitpunkt, der basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer T_RD berechnet wird, und schaltet den Schalter Q4 bei dem nachfolgenden Schritt 46 aus.
Insbesondere setzt die Routine dann, wenn die Bedingungen C12 und C13 getroffen worden sind, bei Schritt 46 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 den Schalter 4 ausschaltet, die Strom-Freilauf-Dauer T_RD auf Null (0) voreinstellt und den Steuerzustand auf Zustand 6 setzt. Die Routine setzt danach mit der siebten Prüfung fort. Der Schalter Q4 kann zu der gleichen Zeit ausgeschaltet werden wenn die Bedingungen C12 und C13 getroffen sind (z. B. ohne jedes Zeitintervall) oder nach Ablauf einer gegebenen Zeitdauer (z. B. mehrere Millisekunden) ab dem Zeitpunkt, wenn die Bedingungen C12 und C13 getroffen sind.
Wenn bei Schritt 43 eine NEIN-Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand nicht der Zustand 5 ist, d. h. die Bedingung C12 nicht getroffen ist, setzt die Routine mit der siebten Prüfung fort. Wenn eine NEIN-Antwort bei Schritt 45 erhalten wird, was bedeutet dass der Steuerzustand der Zustand 5 ist, jedoch die Einschaltdauer T_OND kürzer als die Schwellwertdauer T_THD ist (T_OND ≤ T_THD), setzt die Routine wahlweise bei Schritt 45 fort, bei dem die Einschaltdauer T_OND verlängert wird. Danach setzt die Routine bei der vierten Prüfung fort.
Die siebte Prüfung dient dazu zu bestimmen, ob die Bedingungen C14 und C15 getroffen sind oder nicht. Insbesondere wird bei Schritt 47 bestimmt, ob der Steuerzustand der Zustand 6 ist oder nicht, d. h. die Bedingung C14 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, setzt die Routine bei Schritt 48 fort, bei dem bestimmt wird, ob die U-Phasenspannung Vu niedriger als die Schwellwertspannung V_TH+ ist oder nicht, d. h. die Bedingung C15 getroffen ist oder nicht. Wenn eine JA-Antwort erhalten wird, bedeutet dies, dass der Freilaufstrom Ir, der durch das Ausschalten des Schalters Q4 bei Schritt 46 erzeugt wird, von der drehenden elektrischen Maschine 20 zu der Gleichrichtervorrichtung D4 fließt. Die Routine setzt dann bei Schritt 50 fort, bei dem die Steuervorrichtung die Schwellwertdauer T_THD bestimmt, die in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet werden wird, und den Steuerzustand auf den Zustand 1 setzt. Die Routine setzt danach bei Schritt 51 fort, wobei die Schwellwertdauer T_THD, die in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet wird, bei Schritt 50 gemäß der folgenden Gleichung (2) bestimmt wird. Schwellwertdauer T_THD in dem anschließenden Steuerzyklus = Schwellwertdauer T_THD in diesem Steuerzyklus + (zweiter Zeitabschnitt – Strom-Freilauf-Dauer T_RD) (2)
Der zweite Zeitabschnitt, der in Gleichung Gl. (2) verwendet wird, wird als gewünschter Wert bzw. Soll-Wert der Strom-Freilauf-Dauer T_RD bestimmt, die in dem anschließenden Steuerzyklus verwendet wird. Der zweite Zeitabschnitt kann derart gewählt sein, dass er gleich oder unterschiedlich zu dem ersten Zeitabschnitt ist, wie obenstehend beschrieben. Die Strom-Freilauf-Dauer T_RD kann als eine Funktion von zumindest der Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20, dem Phasenstrom, oder der Phasenspannung bestimmt werden. Die Strom-Freilauf-Dauer T_RD, die entweder für den oberen oder den unteren Arm vorbereitet wird, kann für jede der drei Phasen U, V, W verwendet werden.
Wenn eine NEIN-Antwort bei Schritt 47 erhalten wird, was bedeutet, dass der Steuerzustand nicht der Zustand 6 ist, setzt die Routine bei Schritt 51 fort. Wahlweise kann die Routine dann, wenn der Steuerzustand der Zustand 6 ist, jedoch die U-Phasenspannung Vu höher oder gleich der Schwellwertspannung V_TH+ ist, d. h. eine NEIN-Antwort bei Schritt 48 erhalten wird, bei Schritt 49 fortsetzen, bei dem die Strom-Freilauf-Dauer T_RD verlängert wird. Danach setzt die Routine bei Schritt 51 fort.
Bei Schritt 51 führt die Steuervorrichtung 17 eine Phasenspannungs-Diagnose-Funktion zum Diagnostizieren der drehenden elektrischen Maschine 20 basierend auf einer Kombination der Phasenspannungen Vu, Vv und Vw durch. Danach setzt die Routine bei Schritt 52 fort, bei dem die Steuervorrichtung 17 eine Phasenspannungs-Diagnose-Funktion zum Diagnostizieren der drehenden elektrischen Maschine 20 basierend auf einem Ansteuerungsmuster, bei dem die Schalter Q1 bis Q6 angesteuert oder erregt werden, durchführt. Die Diagnosevorgänge bei Schritt 51 und 52 werden später unter Bezugnahme auf 8 näher beschrieben. Nach Schritt 52 beendet die Routine die Aufgabe der Synchronsteuerung und kehrt zu Schritt 20 zurück, um diesen erneut zu beginnen. Wenn bei Schritt 51 oder Schritt 52 eine Fehlfunktion der drehenden elektrischen Maschine 20 bestimmt wird, kann die Steuervorrichtung 17 das Treiber-Steuer-Programm aus 3 starten, oder wahlweise einen entsprechenden Abschnitt der oberen und unteren Arme, der die Fehlfunktion aufweist, abschalten. Wenn zum Beispiel die U-Phase eine Fehlfunktion aufweist, kann die Steuervorrichtung 17 die Schalter Q1 und Q4 abschalten.
Ein Beispiel für die Sequenz der Schritte in 3 bis 5 wird untenstehend mit Bezug auf die 6 beschrieben. In 6 zeigt die X-Achse die Zeit an. Die oberste Kurve zeigt eine gesteuerte Änderung des U-Phasenstroms Iu an. Die zweite Kurve zeigt eine gesteuerte Änderung der U-Phasenspannung Vu an. Die dritte und vierte Kurve zeigen Ein- und Ausschaltvorgänge der Schalter Q1 und Q4 an. Die fünfte Kurve zeigt die Strom-Freilauf-Dauer T_RU an. Die sechste Kurve zeigt die Strom-Freilauf-Dauer T_RD an. Es ist davon auszugehen, dass der Leistungswandler 10 zu dem Zeitpunkt t0, an dem der Leistungswandler 10 eingeschaltet oder zurückgesetzt wird, voreingestellt ist.
Wenn die U-Phasenspannung Vu die Schwellwertspannung V_TH- zum Zeitpunkt t1 überschreitet, wird der Steuerzustand des Leistungswandlers 10 (z. B. die Umschalt-Schaltung 18) in den Zustand 1 versetzt (siehe Schritt 22 in 4). Wenn die U-Phasenspannung Vu anschließend die Schwellwertspannung V_TH+ zu dem Zeitpunkt t2 überschreitet, wird der Steuerzustand in den Zustand 2 versetzt (siehe Schritt 25 in 4). Zum Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t8, der sich in dem anschließenden Steuerzyklus (z. B. der anschließende Ein-Aus-Zyklus) mit dem Zeitpunkt t2 deckt, überschreitet der U-Phasenstrom Iu den Schwellwertstrom I_TH+. Der Schwellwertstrom I_TH+ wird nachstehend auch als fünfter Schwellwert bezeichnet.
Wenn der Zustand 2 eingetreten ist, schaltet die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q1 des oberen Arms ein, sodass die U-Phasenspannung Vu zwischen die Schwellwertspannung V_TH+ und die Spannung V_B+ (an dem Plus-Anschluss) der Leistungszufuhr sinkt. Die Einschaltdauer T_ONU wird fortsetzend verlängert so lange der Schalter Q1 eingeschaltet bleibt (siehe Schritt 28).
Zum Zeitpunkt t3, an dem die Einschaltdauer T_ONU die Schwellwertdauer T_THU überschreitet, wird der Schalter Q1 ausgeschaltet, sodass der Steuerzustand in den Zustand 3 versetzt wird (siehe Schritt 29 aus 4). Wenn der Schalter Q1 ausgeschaltet wird, sodass der freilaufende Strom Ir aus der drehenden elektrischen Maschine 20 fließt, führt dies dazu, dass die U-Phasenspannung Vu über die Schwellwertspannung T_TH+ ansteigt. Die Schwellwertspannung V_TH+, die zum Zeitpunkt t3 verwendet wird, wird nachstehend als dritter Schwellwert bezeichnet. Die Strom-Freilauf-Dauer T_RU wird fortsetzend verlängert, so lange die U-Phasenspannung über der Schwellwertspannung V_TH+ liegt (siehe Schritt 32). Die Strom-Freilauf-Dauer T_RU hält bis zum Zeitpunkt t4 an, bei dem die U-Phasenspannung Vu zusammen mit einer Abnahme des freilaufenden Stroms Ir unter die Schwellwertspannung V_TH+ gesenkt wird. Die Schwellwertspannung V_TH+, die zum Zeitpunkt t4 verwendet wird, wird nachstehend als zweiter Schwellwert bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform werden der erste und der zweite Schwellwert derart bestimmt, dass sie denselben Wert einnehmen, sie können sich jedoch wahlweise auch voneinander unterscheiden.
Zu dem Zeitpunkt t4 wird der Steuerzustand in den Zustand 4 versetzt. Wenn der Fluss des freilaufenden Stroms Ir endet führt dies dazu, dass die U-Phasenspannung Vu schnell sinkt. Wenn die U-Phasenspannung Vu zum Zeitpunkt t5 unter die Schwellwertspannung V_TH- sinkt, wird der Steuerzustand in den Zustand 5 versetzt (siehe Schritt 42 aus 5). Zum Zeitpunkt t5 ist der U-Phasenstrom Iu kleiner als der Schwellwertstrom I_TH-. Der Schwellwertstrom I_TH- ist der fünfte Schwellwert. In dem Zustand 5 wird der Schalter Q4 des unteren Arms eingeschaltet, sodass die U-Phasenspannung Vu zwischen die Schwellwertspannung V_TH- und die Spannung V_B- (an den Minus-Anschluss) der Leistungszufuhr E sinkt. Die Einschaltdauer T_OND wird fortsetzend verkürzt, solange der Schalter Q4 eingeschaltet bleibt (siehe Schritt 45 in 5).
Zum Zeitpunkt t6, an dem die Einschaltdauer T_OND die Schwellwertdauer T_THD überschreitet, wird der Schalter Q4 ausgeschaltet, sodass der Steuerzustand in den Zustand 6 versetzt wird (siehe Schritt 46 in 5). Wenn der Schalter Q4 ausgeschaltet wird, sodass der freilaufende Strom Ir aus der drehenden elektrischen Maschine 20 fließt, führt dies dazu, dass die U-Phasenspannung Vu unter die Schwellwertspannung T_TH- sinkt. Die Schwellwertspannung V_TH-, die zu dem Zeitpunkt t6 verwendet wird, stimmt mit dem ersten Schwellwert überein. Die Strom-Freilauf-Dauer T_RD wird fortsetzend verlängert, solange die U-Phasenspannung Vu unterhalb der Schwellwertspannung V_TH- liegt (siehe Schritt 49). Die Strom-Freilauf-Dauer T_RD hält bis zum Zeitpunkt t7 an, bei dem die U-Phasenspannung Vu die Schwellwertspannung V_TH- überschreitet. Nach dem Zeitpunkt t7 werden dieselben Vorgänge wie diejenigen zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t7 wiederholt. Die Schwellwertspannung V_TH-, die zu dem Zeitpunkt t7 verwendet wird, entspricht dem zweiten Schwellwert. Der Anstieg der U-Phasenspannung Vu nach dem Zeitpunkt t7 entspricht demjenigen nach dem Zeitpunkt t1. Die Schwellwertspannung V_TH- entspricht ebenfalls dem zweiten Schwellwert.
Die vorgenommene Diagnose bei Schritt 51 aus 5 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 8 näher beschrieben. In 8 zeigt die X-Achse die Zeit an. Die oberste Kurve zeigt die U-Phasenspannung Vu an. Die zweite Kurve zeigt die V-Phasenspannung Vv an. Die dritte Kurve zeigt die W-Phasenspannung Vw an.
Der Zeitpunkt, bei dem zum Beispiel jeweils die Schalter Q1 und Q4 eingeschaltet werden sollen, wird zunächst mit Bezug auf die U-Phasenspannung Vu beschrieben. Das Intervall zwischen dem Zeitpunkt t20, bei dem der Schalter Q1 des oberen Arms eingeschaltet wird und dem Zeitpunkt t26, bei dem der Schalter Q4 des unteren Arms eingeschaltet wird, entspricht dem elektrischen Winkel bzw. Phasenwinkel von 180 Grad. Gleichermaßen entspricht das Intervall zwischen dem Zeitpunkt t26, bei dem der Schalter Q4 eingeschaltet wird und dem Zeitpunkt t32, bei dem der Schalter Q1 eingeschaltet werden soll, einem elektrischen Winkel bzw. Phasenwinkel von 180 Grad. Mit anderen Worten werden der Schalter Q1 des oberen Arms und der Schalter Q4 des unteren Arms in einem Intervall von 180 Grad elektrischen Winkels bzw. Phasenwinkels alternierend eingeschaltet. Dasselbe trifft für die V-Phasenspannung Vv zu, auf die bei einem Phasenwinkel von 120 Grad von der U-Phasenspannung Vu umgeschaltet wird und für die W-Phasenspannung Vw, auf die bei einem Phasenwinkel von 240 Grad von der U-Phasenspannung Vu umgeschaltet wird. Die Zeitpunkte, bei denen der Schalter Q1 des oberen Arms und der Schalter Q4 des unteren Arms alternierend ausgeschaltet werden sollen, sind für die V- und W-Phase dieselben.
Nachstehend werden die Zeitpunkte beschrieben, zu denen die Schalter Q1 bis Q3 des oberen Arms eingeschaltet werden sollen. Das Intervall zwischen dem Zeitpunkt 20, bei dem der Schalter Q1 für die U-Phase eingeschaltet werden soll und dem Zeitpunkt t24, bei dem der Schalter Q2 für die V-Phase eingeschaltet werden soll, entspricht einem Phasenwinkel von 120 Grad. Das Intervall zwischen dem Zeitpunkt t24, bei dem der Schalter Q2 für die V-Phase eingeschaltet werden soll und dem Zeitpunkt t28, bei dem der Schalter 3 für die W-Phase eingeschaltet werden soll, entspricht einem Phasenwinkel von 120 Grad. Gleichermaßen entspricht das Intervall zwischen dem Zeitpunkt t28, bei dem der Schalter Q3 für die W-Phase eingeschaltet werden soll und dem Zeitpunkt t32, bei dem der Schalter Q1 für die U-Phase eingeschaltet werden soll, einem Phasenwinkel von 120 Grad. Insbesondere werden die Schalter Q1, Q2 und Q3 bei einem Zyklus von 120 Grad Phasenwinkel in dieser Reihenfolge nacheinander eingeschaltet. Dasselbe trifft für die Schalter Q4, Q5 und Q6 der unteren Arme zu. Die Zeitpunkte, bei denen die Schalter Q4, Q5 und Q6 ausgeschaltet werden sollen sind für die V- und W-Phase ebenfalls dieselben.

Wenn sich die drehende elektrische Maschine 20 ordnungsgemäß dreht, wird die oben genannte Sequenz von Ein- und Ausschaltvorgängen der Schalter Q1 bis Q6 diejenigen Spannungen bilden, die in der untenstehenden Tabelle 1 aufgelistet sind. Die Tabelle 1 stellt die Spannungen der U-Phase, V-Phase und W-Phase Vu, Vv und Vw dar, wenn die Schalter Q1 und Q4 für die U-Phase ein- und ausgeschaltet werden. Dieselben Spannungen werden ebenfalls durch die Ein-Ausschaltvorgänge der Schalter Q2 und Q5 für die V-Phase und die Schalter Q3 und Q6 für die W-Phase erhalten. Tabelle 1

Schalter	Steuervorgang	Zeitpunkt	Vu	Vv	Vw
Q1	EIN	t10	V_B+ oder höher	V_B- oder niedriger	V_B- oder höher
Q1	AUS	t15	V_B+ oder höher	V_B- oder höher	V_B- oder niedriger
Q4	EIN	t16	V_B- oder niedriger	V_B+ oder höher	V_B+ oder niedriger
Q4	AUS	t21	V_B- oder niedriger	V_B+ oder niedriger	V_B+ oder höher

Wenn wenigstens eine der Spannungen der U-Phase, V-Phase oder W-Phase Vu, Vv oder Vw einen Wert einnimmt, der sich von denjenigen, die in der Tabelle 1 aufgelistet sind, unterscheidet, bedeutet dies, dass sich die drehende elektrische Maschine 20 in einem transienten Zustand befindet oder einer unerwarteten Veränderung unterworfen ist, mit anderen Worten liegt an wenigstens einem der Schalter Q1 bis Q6 ein anderer Spannungspegel als derjenige in Tabelle 1 an. Bei einem solchen Ereignis wird der Steuerzustand der Umschalt-Schaltung 18 in den voreingestellten Zustand versetzt. Insbesondere führt die Steuervorrichtung 17 den Schritt 10 von 3 aus, um alle Schalter Q1 bis Q6 auszuschalten und das Treiber-Steuer-Programm und das Synchron-Steuer-Programm erneut zu beginnen. Wahlweise kann die Steuervorrichtung 17 die Schalter Q1 bis Q3 des oberen Arms und einen der Schalter Q4 bis Q6 des unteren Arms, der zu derjenigen der U-Phase, der V-Phase oder W-Phase gehört, die einen ungewöhnlichen Spannungspegel aufweist, ausschalten und die obenstehenden Vorgänge weiterführen.
Die bei Schritt 52 vorgenommene Diagnose wird nachstehend näher beschrieben.
Wenn sich die drehende elektrische Maschine 20 ordnungsgemäß dreht, steuert die Steuervorrichtung 17 die Einschaltvorgänge der Schalter Q1 bis Q6 in einer aufeinanderfolgenden Reihenfolge, wie unten dargestellt. Dasselbe wird auf die Ausschaltvorgänge der Schalter Q1 bis Q6 angewandt.
Der obere Arm der U-Phase (z. B. der Schalter Q1) → der untere Arm der W-Phase (z. B. der Schalter Q6) 4 der obere Arm der V-Phase (z. B. der Schalter Q2) → der untere Arm der U-Phase (z. B. der Schalter Q4) → der obere Arm der W-Phase (z. B. der Schalter Q3) → der untere Arm der W-Phase (z. B. der Schalter Q5)
Wenn die Ein- oder Ausschaltvorgänge der Schalter Q1 bis Q6 nicht in der oben genannten, aufeinanderfolgenden Reihenfolge durchgeführt worden sind, bedeutet dies, dass sich die drehende elektrische Maschine 20 in einem transienten Zustand befindet oder einer unerwarteten Veränderung unterworfen ist. Bei einem solchen Ereignis wird der Steuerzustand der Umschalt-Schaltung 18 in einen voreingestellten Zustand versetzt, ungeachtet der Diagnose bei Schritt 51. Insbesondere führt die Steuervorrichtung 17 den Schritt 10 von 3 aus, um alle Schalter Q1 bis Q6 auszuschalten und das Treiber-Steuer-Programm und das Synchron-Steuer-Programm erneut zu beginnen. Wahlweise kann die Steuervorrichtung 17 einen der Schalter Q1 bis Q3 des oberen Arms und einen der Schalter Q4 bis Q6 des unteren Arms, der zu derjenigen der U-Phase, der V-Phase oder der W-Phase gehört, die außerhalb der oben genannten aufeinanderfolgenden Reihenfolge liegt, ausschalten und danach die oben genannten Vorgänge weiterführen.
Der Leistungswandler 10 dieser Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf.
Wie den 4, 5 und 6 zu entnehmen ist dient die Steuervorrichtung 17 dazu, die Ausschaltvorgänge des einen der oberen und unteren Arme (z. B. des Schalter Q1, Q2 oder Q3) derart zu steuern, dass eine gewünschte Zeitdauer, in der zugelassen wird, dass der freilaufende Strom Ir aus der drehenden elektrischen Maschine 20 fließt (z. B. die Strom-Freilauf-Dauer T_RU) von dem Zeitpunkt an, an dem die U-Phasenspannung Vu die Schwellwertspannung T_TH+ (z. B. der ersten Schwellwert) überschreitet bis zu dem Zeitpunkt, an dem die U-Phasenspannung Vu anschließend unterhalb der Schwellwertspannung T_TH+ (z. B. der zweite Schwellwert) sinkt, sichergestellt ist. Derselbe Vorgang wird für die V-Phasenspannung Vv und die W-Phasenspannung Vw vorgenommen. Derjenige der oberen und unteren Arme, der als Ziel-Arm für die Steuerung des Ausschaltvorgangs gewählt ist, entspricht in Abhängigkeit des zyklischen Steuerablaufs den Schaltern Q1, Q2 und Q3 oder den Schaltern Q4, Q5 und Q6. Die Steuervorrichtung 17 belässt die Strom-Freilauf-Dauer T_RU und T_RD jeweils auf dem ersten und zweiten Zeitabschnitt und gewährleistet dabei die Genauigkeit beim Einstellen der Zeitpunkte, bei denen einer der Arme (z. B. die Schalter Q4, Q5 und Q6) in einem aufeinanderfolgenden Steuerzyklus gesteuert wird. Dies führt zu einer Abnahme der Verluste bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw.
Wenn die U-Phasenspannung Vu die Schwellwertspannung V_TH3a (d. h. der dritte Schwellwert) und dann die Schwellwertspannnung V_TH4+ (d. h. der vierte Schwellwert) erreicht, schaltet die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q1 (d. h. der obere Arm) ein, wie den Schritten 23 und 24 und der 7 zu entnehmen ist. Gleichermaßen schaltet die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q4 (d. h. der untere Arm) ein, wenn die U-Phasenspannung Vu unter die Schwellwertspannung V_TH3b (d. h. der dritte Schwellwert) sinkt und dann die Schwellwertspannung V_TH4- (d. h. der vierte Schwellwert) erreicht, wie den Schritten 40 und 41 sowie der 7 zu entnehmen ist. Die Steuervorrichtung 17 steuert die V-Phasenspannung Vv und die W-Phasenspannung Vw in gleicher Weise wie die U-Phasenspannung Vu. Bei den oben genannten Anordnungen dient die Steuervorrichtung 17 zur Steuerung der Einschaltvorgänge der Arme der Umschalt-Schaltung 18 ohne Verwendung der Winkelposition P und des Stroms, wodurch keine Sensoren zur Messung der Winkelposition P und des Stroms in der drehenden elektrischen Maschine 20 erforderlich sind. Dies führt zu einer Abnahme der Produktionskosten des Leistungswandlers 10 sowie zu einer Abnahme des Verlusts bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw.
Wenn der U-Phasenstrom Iu den fünften Schwellwert (d. h. der Schwellwertstrom I_TH+ oder I_TH-) erreicht, schaltet die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q1 oder den Schalter Q4 (siehe Schritt 24 von 4 und Schritt 41 von 5) ein. Die Steuervorrichtung 17 führt denselben Vorgang ebenso für den V-Phasenstrom Iv und den W-Phasenstrom Iw durch. Wenn die Steuervorrichtung 17 die Schalter Q1 bis Q6 nicht in der oben genannten Weise einschaltet wenn der U-Phasenstrom Iu, der V-Phasenstrom Iv oder der W-Phasenstrom Iw den fünften Schwellwert erreicht, führt dies zu einer Zunahme des Verlusts bei der Gleichrichtung und dem Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu den Phasenwicklungen Lu, Lv und Lw. Der oben genannte Vorgang verringert jedoch diese Probleme.
Wenn die Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine 20 eine gegebene Position erreicht, kann die Steuervorrichtung 17 den Schalter Q1 oder den Schalter Q4 (siehe Schritt 24 der 4 und Schritt 41 der 5) einschalten, wie obenstehend beschrieben. Wenn die Steuervorrichtung 17 die Schalter Q1 bis Q6 nicht in der oben genannten Weise ausschaltet wenn die Winkelposition P die gegebene Position erreicht hat, erhöht dies die Möglichkeit einer Zunahme des Verlusts bei der Gleichrichtung und des Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu den Phasenwicklungen Lu, Lv und Lw. Der oben genannte Vorgang verringert jedoch diese Probleme.
Die Steuervorrichtung 17 kann ausgebildet sein, um den einen der oberen und unteren Arme basierend auf einer Eingangsgröße von dem Positionssensor 15 auszuschalten (siehe Schritt 27 der 4 und Schritt 46 der 5). Wenn eine unerwartete Veränderung (z. B. eine plötzliche Drehzahländerung) an der drehenden elektrischen Maschine 20 auftritt, kann dies zu einem Fehler bei der Gewährleistung einer gewünschten Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD führen. Die Steuervorrichtung 17 schaltet jedoch einen der Arme aus, wenn die Position der drehenden elektrischen Maschine 20 eine gegebene Position erreicht und gewährleistet somit die gewünschte Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD. Dies minimiert den Verlust bei der Gleichrichtung, ungeachtet des Betriebs der drehenden elektrischen Maschine 20 und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw.
Die Steuervorrichtung 17 kann wahlweise ausgebildet sein, um einen der oberen und unteren Arme basierend auf einer Eingangsgröße von dem Stromsensor 14 auszuschalten (siehe Schritt 27 der 4 und Schritt 46 der 5). Wenn eine unerwartete Veränderung (z. B. ein plötzlicher Drehzahlwechsel) bei der drehenden elektrischen Maschine 20 auftritt, kann dies zu einem Fehler bei der Gewährleistung einer gewünschten Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD führen. Die Steuervorrichtung 17 schaltet jedoch einen der Arme aus, wenn der Phasenstrom der drehenden elektrischen Maschine 20 einen gegebenen Wert erreicht und gewährleistet somit die gewünschte Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD. Dies minimiert den Verlust bei der Gleichrichtung, ungeachtet des Betriebs der drehenden elektrischen Maschine 20 und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw.
Die Steuervorrichtung 17 kann ausgebildet sein, um einen der oberen und unteren Arme (d. h. der Ziel-Arm) basierend auf der ersten Verzögerungszeit, d. h. die Zeit, die von dem Zeitpunkt an abläuft, wenn einer der Arme der Ziel-Phase oder einer der Arme der Nicht-Ziel-Phase eingeschaltet worden ist, auszuschalten (siehe Schritt 27 der 4 und Schritt 46 der 5). Wenn eine unerwartete Veränderung (z. B. eine plötzliche Drehzahländerung) bei der drehenden elektrischen Maschine 20 auftritt, kann dies zu einem Fehler bei der Gewährleistung einer gewünschten Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD führen. Die Steuervorrichtung 17 schaltet jedoch einen der oberen und unteren Arme nach Ablauf der gegebenen Zeitdauer (d. h. die erste Verzögerungszeit) unter Beachtung der Drehung des einen der oberen und unteren Arme der Ziel-Phase oder der Nicht-Ziel-Phase aus und gewährleistet somit die gewünschte Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD. Wenn beispielsweise der Schalter Q1 der U-Phase gezielt für den Ausschaltvorgang ausgewählt ist, schaltet die Steuervorrichtung 17 nach Ablauf der ersten Verzögerungszeit, die von dem Zeitpunkt an abläuft, wenn der Schalter Q1 angeschaltet wurde oder wenn der Schalter Q6 des untere Arms der W-Phase, die nicht gezielt für den Ausschaltvorgang ausgewählt ist, angeschaltet wurde, aus. Dies minimiert den Verlust bei der Gleichrichtung ungeachtet des Betriebs der drehenden elektrischen Maschine 20 und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw.
Die Steuervorrichtung 17 kann ausgebildet sein, um einen der oberen und unteren Arme basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD, die für eine gezielte (d. h. die Ziel-Phase) der U-, V- und W-Phase bereitgestellt ist, auszuschalten (siehe Schritt 27 der 4 und Schritt 46 der 5). Insbesondere steuert die Steuervorrichtung 17 den Vorgang des Arms der Ziel-Phase basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD, die für die Ziel-Phase vorgesehen ist, ungeachtet der Winkelposition P oder dem Strom in der drehenden elektrischen Maschine 20. Dadurch ist kein Sensor zum Messen der Winkelposition P oder des Stroms in der drehenden elektrischen Maschine 20 erforderlich, was zu einer Abnahme der Produktionskosten des Leistungswandlers 10 sowie zu einer Abnahme des Verlusts bei der Gleichrichtung führt und ebenso den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw vermeidet.
Die Steuervorrichtung 17 kann wahlweise ebenso ausgebildet sein, um einen der oberen und unteren Arme basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD, die für eine nicht gezielte (d. h. die Nicht-Ziel-Phase) der U-, V- und W-Phase bereitgestellt ist, auszuschalten (siehe Schritt 27 der 4 und Schritt 46 der 5). Insbesondere steuert die Steuervorrichtung 17 den Vorgang des Arms der Nicht-Ziel-Phase basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD, welche für die Nicht-Ziel-Phase vorgesehen ist, ungeachtet der Winkelposition P oder des Stroms in der drehenden elektrischen Maschine 20. Hierdurch ist kein Sensor zur Messung der Winkelposition P oder des Stroms in der drehenden elektrischen Maschine 20 erforderlich, was zu einer Abnahme der Produktionskosten des Leistungswandlers 10 sowie einer zu einer Abnahme des Verlusts der bei der Gleichrichtung führt und den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw vermeidet. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 17 selbst dann, wenn die Ziel-Phase einer zyklischen elektrischen Störung unterworfen ist, den Vorgang des Arms basierend auf der Nicht-Ziel-Phase steuern, wodurch ein Fehler in dem Steuervorgang minimiert wird und die Reaktionsrate der Steuervorrichtung 17 verbessert wird.
Die Steuervorrichtung 17 kann wahlweise ausgebildet sein, um einen der oberen und unteren Arme einer ausgewählten der U-, V- oder W-Phase basierend auf der zweiten Verzögerungszeit, d. h. die Zeit, die von dem Zeitpunkt an abläuft, wenn der Arm der Nicht-Ziel-Phase ausgeschaltet wurde, auszuschalten (siehe Schritt 27 der 4 und Schritt 46 der 5). Insbesondere dient die Steuervorrichtung 17 dazu einen der oberen und unteren Arm der Ziel-Phase nach Ablauf einer gegebenen Zeitdauer (d. h. die zweite Verzögerungszeit), die auf das Ausschalten des Arms der Nicht-Ziel-Phase folgt, auszuschalten, wodurch kein Sensor zum Messen der Winkelposition P oder des Stroms in der drehenden elektrischen Maschine 20 erforderlich ist. Dies führt zu einer Abnahme der Produktionskosten des Leistungswandlers 10, minimiert den Verlust bei der Gleichrichtung ungeachtet des Betriebs der drehenden elektrischen Maschine 20 und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 17 selbst dann, wenn die Ziel-Phase einer zyklischen elektrischen Störung unterworfen ist, den Vorgang des Arms basierend auf der Nicht-Ziel-Phase zu steuern, wodurch ein Fehler bei dem Steuervorgang minimiert wird und die Reaktionsrate der Steuervorrichtung 17 verbessert wird.
Die Steuervorrichtung 17 kann ausgebildet sein, um die Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD basierend auf zumindest der Drehzahl, dem Phasenstrom Lu, Lv oder Lw oder der Phasenspannung Vu, Vv oder Vw, zu bestimmen (siehe Schritt 33 der 4 und Schritt 50 der 5). Insbesondere spezifiziert oder modifiziert die Steuervorrichtung 17 die Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD ungeachtet des ersten und zweiten Schwellwerts. Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung 17 die Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD, die durch den ersten und zweiten Schwellwert bestimmt wird, verlängern oder verkürzen. Wahlweise bestimmt die Steuervorrichtung 17 erneut eine erforderliche Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD als Funktion von zumindest der Drehzahl, dem Phasenstrom oder der Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine 20, wenn die Strom-Freilauf-Dauer T_RU oder T_RD noch nicht bereitgestellt ist. Dies gewährleistet die gewünschte Länge der Zeitdauer, in der zugelassen wird, dass der freilaufende Strom Ir aus der drehenden elektrischen Maschine 20 fließt. Dies führt zu einer Abnahme des Verlusts bei der Gleichrichtung, vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw und verbessert die Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers 10.
Die Steuervorrichtung 17 kann ausgebildet sein, um die Anne der Umschalt-Schaltung 18 zur gleichen Zeit wenn, oder eine vorbestimmten Zeitdauer nachdem, zumindest die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20, der Phasenstrom Iu, Iv oder Iw oder die Phasenspannung Vu, Vv oder Vw einen zulässigen Bereich verlässt (siehe Schritte 27 und 29 der 4 und Schritte 44 und 46 der 5). Insbesondere schaltet die Steuervorrichtung 17 dann, wenn eine unerwartete Veränderung (zum Beispiel eine plötzliche Drehzahländerung) bei der drehenden elektrischen Maschine 20 auftritt, sodass zumindest die Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20, der Phasenstrom Iu, Iv oder Iw, oder die Phasenspannung Vu, Vv oder Vw aus den zulässigen Bereich verlässt, die Arme aus, wodurch eine gewünschte Länge der Strom-Freilauf-Dauer T_ru oder T_rd gewährleistet wird. Dies minimiert den Verlust bei der Gleichrichtung und vermeidet den Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenbindung Lu, Lv oder Lw.
Die Steuervorrichtung 17 kann derart ausgebildet sein, dass wenn der freilaufende Strom Ir, der durch das Ausschalten eines der oberen und unteren Arme erzeugt wird, den Referenzstromwert erreicht, der andere der oberen und unteren Arme eingeschaltet wird (siehe Schritte 24 und 25 der 4 und Schritte 41 und 42 der 5). Dies vermeidet einen übermäßigen Fluss des freilaufenden Stroms Ir zu einem der oberen und unteren Arme, wodurch die Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers 10 gewährleistet wird.
Die Steuervorrichtung 17 überwacht die Phasenspannungen Vu, Vv und Vw während die oberen und unteren Arme der Umschalt-Schaltung 18 jeweils bei ihrem Ein-Ausschaltvorgängen gesteuert werden. Wenn wenigstens eine der Phasenspannungen Vu, Vv und Vw einen ungewöhnlichen Pegel aufweist, setzte die Steuervorrichtung 17 einen entsprechenden Abschnitt der Arme oder alle Arme aus (siehe Schritt 51 und Tabelle 1). Insbesondere schaltet die Steuervorrichtung 17 den entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der Arme aus, um den Steuerzustand in den voreingestellten Zustand zu versetzen und verhindert dabei aufgrund des Anlegens einer der Phasenspannungen Vu, Vv und Vw an den entsprechenden Schaltern Q1–Q6, dass der entsprechende Arm aus der Steuerung gerät.
Die Steuervorrichtung 17 dient dazu eine Sequenz von Ein- und Ausschaltvorgängen der Arme im Verhältnis zu den Phasen U, V und W zu diagnostizieren. Wenn festgestellt wird, dass sich eine diagnostizierte Sequenz von einer bestimmten Sequenz unterscheidet, setzt die Steuervorrichtung 17 einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der Arme aus (zum Beispiel die Schalter Q1–Q6), wie in Schritt 52 der 5 und 8 beschrieben. Insbesondere schließt die Steuervorrichtung 17 aus dem oben genannten Ereignis, dass eine Fehlfunktion der drehenden elektrischen Maschine 20 vorliegt und schaltet den entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der Arme aus, um den Steuerzustand in den voreingestellten Zustand zu versetzen und verhindert dabei aufgrund der Veränderung der Sequenz der Ein- und Ausschaltvorgänge der Arme, dass der entsprechende Arm aus der Steuerung gerät, wodurch die Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers 10 gewährleistet wird.
Wenn keine Strom-Freilauf-Dauer T_ru oder T_rd bereitgestellt ist, schaltet die Steuervorrichtung 17 den Arm früher als zu dem Zeitpunkt aus, der basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer T_ru oder T_rd berechnet wird (siehe Schritt 29 der 4 und Schritt 46 der 5). Beispielsweise verkürzt die Steuervorrichtung 17 die Schwellwertdauer T_THU oder T_THD, durch die Gl. (1) oder (2), bestimmt und in einem nachfolgenden Steuerzyklus verwendet wird, sodass die Schalter Q1 und Q4 ausgeschaltet werden bevor die Strom-Freilauf-Dauer T_ru oder T_rd beginnt (zum Beispiel Zeitpunkt t3 oder Zeitpunkt t6 in 6). Dies gewährleistet eine Zeitdauer, in der zugelassen wird, dass der freilaufende Strom Ir aus der drehenden elektrischen Maschine 20 fließt und die länger als die Strom-Freilauf-Dauer T_ru oder T_rd ist, wodurch der Verlust bei der Gleichrichtung minimiert wird und der Rückfluss eines Stroms von der Leistungszufuhr E zu der Phasenwicklung Lu, Lv oder Lw vermieden wird, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit des Betriebs des Leistungswandlers 10 führt.
Wenn der Strom, der jeweils in den Phasenwicklungen Lu, Lv und Lw erzeugt wird, größer als ein gegebener Wert ist, führt die Steuervorrichtung 17 einen Schaltvorgang durch, um die entsprechenden der Schalter Q1–Q6 einzuschalten. Mit anderen Worten hält die Steuervorrichtung 17 die entsprechenden der Schalter Q1–Q6 in dem ausgeschalteten Zustand, wenn jeder der Phasenströme Iu, Iv und Iw nicht groß genug ist, um die Stabilität der Steuerung der drehenden elektrischen Maschine 20 zu gewährleisten (siehe Schritt 13 der 3). Die Steuervorrichtung 17 kann ausgebildet sein, um die Phasenspannungen Vu, Vv und Vw während den Schaltvorgängen der Schalter Q1–Q6 zu überwachen und die entsprechenden der Schalter Q1–Q6 ausgeschaltet zu halten, wenn eine der Phasenspannungen Vu, Vv und Vw kleiner als ein gegebener Wert sind, um eine Instabilität der Steuerung der drehenden elektrischen Maschine 20 zu vermeiden. Anstelle der Phasenspannungen Vu, Vv und Vw kann die Steuervorrichtung 17 den Phasenstrom Iu, Iv und Iw überwachen.
Während die vorliegende Erfindung im Sinne der bevorzugten Ausführungsform offenbart wurde, um diese leichter nachvollziehen zu können, sollte berücksichtigt werden, dass die Erfindung auf viele Weisen ausgeführt werden kann ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich somit, dass die Erfindung alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen der abgebildeten Ausführungsformen umfasst, die ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen ausgeführt werden können, und die in den abhängigen Ansprüchen dargelegt sind.
Die Steuervorrichtung 17 der obenstehenden Ausführungsform misst die Phasenströme Iu, Iv und Iw unter Verwendung der Ausgangsgröße von dem Stromsensor 14 (siehe Schritt 11 in 3), jedoch kann sie ausgebildet sein, um die Phasenströme Iu, Iv und Iw basierend auf einem anderen Parameter, wie zum Beispiel der Winkelposition P oder der Drehzahl der drehenden elektrischen Maschine 20 oder den Feldstrom If, zu berechnen. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass der Phasenstrom Iu zum Beispiel durch die Gleichrichtervorrichtung D1 und D4 derart demoduliert wird, dass er einen trapezförmigen Funktionsverlauf aufweist. Wenn die berechneten Phasenströme Iu, Iv und Iw den voreingestellten Bewegungsstrom Is überschreiten kann die Steuervorrichtung 17 feststellen, dass die Phasenströme Iu, Iv und Iw begonnen haben an den Phasenwicklungen Lu, Lv und Lw der drehenden elektrischen Maschine 20 anzuliegen, wodurch dieselben Vorgänge und Effekte wie diejenigen der obenstehenden Ausführungsformen erhalten werden.
Die Bedingung C3 erfordert, dass die U-Phasenspannung Vu unter die Schwellwertspannung V_TH+ sinkt, um den elektrischen Winkel bzw. Phasenwinkel festzustellen (siehe Schritt 21 der 4), jedoch kann bei Schritt 21 eine andere Bedingung geprüft werden. Es kann beispielsweise bestimmt werden, ob der Phasenstrom (zum Beispiel U-Phasenstrom Iu), der durch den Stromsensor 14 gemessen wird, einen gegebenen Stromwert erreicht hat oder nicht. Es kann ebenso bestimmt werden, ob die Winkelposition P der drehenden elektrischen Maschine 20, die durch den Positionssensor 15 bestimmt wird, eine gegebene Position erreicht hat oder nicht. Es können entweder eine oder beide dieser Bedingungen verwendet werden.
Die Feldsteuerung 12 der obenstehenden Ausführungsform besteht aus dem Schalter Q7 und der Gleichrichtervorrichtung D7, sie kann jedoch wahlweise durch einen Regelkreis des Generators gebildet werden. Dieser Aufbau kann ebenso den Feldstrom If steuern, wodurch dieselben Vorgänge und Effekte, wie diejenigen bei der oben genannten Ausführungsform erhalten werden.
Jeder der Stromsensoren 11, 13 und 14 ist magnetischen Typs, der mit einer Hall-Vorrichtung ausgestattet ist, sie können aber wahlweise durch einen anderen Typ eines Stromsensors gebildet werden. Zum Beispiel kann ein Sensor eines Typs mit elektromagnetischer Induktion oder ein Sensor mit einem Faraday Effekt verwendet werden. Im Falle der Verwendung eines Sensors des Typs mit der elektromagnetischen Induktion werden ein ringförmiger Kern und eine Spule um eine Strom-Sammelschiene angeordnet, um eine induzierte elektromotorische Kraft, die durch den Fluss des Phasenstroms erzeugt wird, zu messen. Im Falle der Verwendung des Faraday Effektsensors wird ein Drehwinkel des Richtungswinkels einer polarisierten Welle, die sich im Verhältnis zu der Stärke eines magnetischen Felds dreht, wenn ein linear polarisiertes Licht in eine optische Phase eintritt, die in einer Richtung des Felds angeordnet ist, gemessen, um die Stärke des Felds (d. h. des Stroms) zu bestimmen.
Der Positionssensor 15 wird, wie obenstehend beschrieben, durch einen Drehmelder gebildet, jedoch kann auch ein anderer Typ eines Sensors zum Messen der Position des Rotors der drehenden elektrischen Maschine 20 eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Drehgeber (d. h. ein photoelektrischer Detektor) oder eine Spule verwendet werden. Der Drehgeber besteht aus einer Drehscheibe mit Schlitzen, einer Lichtquelle und einem Photodetektor. Der Photodetektor reagiert auf eine Eingangsgröße des Lichts, die von der Lichtquelle emittiert wird, um ein analoges oder digitales Signal an die Steuervorrichtung 17 auszugeben. Die Spule erzeugt eine elektromotorische Kraft, wenn ein magnetisch ausgeprägter Pol in der Nähe der Spule vorbeigeführt wird, und gibt die elektromotorische Kraft in Form eines analogen oder digitalen Signals an die Steuervorrichtung 17 aus.
Die Schalterschaltung 18 ist mit einer Drehstromwechselrichterschaltung ausgestattet, die der Anzahl der Phasen der drehenden elektrischen Maschine 20 entspricht, sie kann jedoch eine Wechselrichterschaltung mit oberen und unteren Armen für eine einzelne Phase, zwei Phasen, oder vier oder mehrere Phasen umfassen. Insbesondere weist die verwendete Wechselrichterschaltung ebenso viele Phasen wie die drehende elektrische Maschine 20 auf.
9 bildet eine zweite Ausführungsform des Leistungswandlers 10 ab, der dazu ausgebildet ist, den Betrieb eines elektrischen Generators 31 zur Verwendung in einem Fahrzeug zu steuern. Der Generator 31 dient als drehende elektrische Maschine und umfasst zwei Statorwicklungen 32 und 33, eine Feldwicklung 34, zwei Gleichrichter-Modul-Gruppen 35 und 36 und eine Erzeugungs-Steuervorrichtung 37. Jede der Gleichrichter-Modul-Gruppen 35 und 36 dient als Umschalt-Schaltung für eine der Statorwicklungen 32 und 33. Die Erzeugungs-Steuervorrichtung 37 und die Gleichrichter-Modul-Gruppen 35 und 36 können wahlweise außerhalb des Generators 31 angeordnet sein.
Die Statorwicklung 32 ist eine mehrphasige Wicklung, die zum Beispiel aus einer X-Phasenwicklung, einer Y-Phasenwicklung und einer Z-Phasenwicklung gebildet wird und um den Statorkern gewickelt ist (nicht dargestellt). Gleichermaßen ist die Statorwicklung 33 eine mehrphasige Wicklung, die zum Beispiel aus einer U-Phasenwicklung, einer V-Phasenwicklung und einer W-Phasenwicklung gebildet wird und mit einem Intervall von 30° elektrischer Winkel bzw. Phasenwinkel von der Statorwicklung 32 beabstandet um den Statorkern herum gewickelt ist. Die Statorwicklungen 32 und 34 und der Statorkern bilden den Stator des Generators 31.
Die Feldwicklung 34 ist um einen Feldpol gewunden (nicht dargestellt), der dem Innenumfang des Statorkerns gegenüberliegt und einen Rotor des Generators 31 bildet. Wenn ein Feldstrom durch die Feldwicklung 34 fließt, führt dies zu einer Magnetisierung des Feldpols, wodurch ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt wird, sodass sich eine Wechselspannung an den Statorwicklungen 32 und 33 aufbaut.
Die Gleichrichter-Modul-Gruppe 34 ist mit der Statorwicklung 32 elektrisch verbunden, um eine Dreiphasen- bzw. Drehstrom-Voll-Weg-Gleichrichter-Schaltung (Brückenschaltung) einteilig zu bilden und dient dazu den Wechselstrom, der in der Statorwicklung 32 induziert wird, in den Gleichstrom zu wandeln. Die Gleichrichter-Modul-Gruppe 34 wird aus ebenso vielen Gleichrichter-Modulen, wie die Anzahl der Phasen der Statorwicklung 32 gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird die Gleichrichter-Modul-Gruppe 34 aus den Gleichrichtermodulen 35X, 35Y und 35Z gebildet. Das Gleichrichter-Modul 35X ist mit der X-Phasenwicklung der Statorwicklung 32 verbunden. Das Gleichrichter-Modul 35Y ist mit der Y-Phasenwicklung der Statorwicklung 32 verbunden. Gleichermaßen ist das Gleichrichter-Modul 35Z mit der Z-Phasenwicklung der Statorwicklung 32 verbunden.
Die Gleichrichter-Modul-Gruppe 36 ist mit der Statorwicklung 33 elektrisch verbunden, um eine Dreiphasen- bzw. Drehstrom-Voll-Weg-Gleichrichter-Schaltung (Brückenschaltung) einteilig zu bilden und dient dazu den Wechselstrom, der in der Statorwicklung 33 induziert wird, in den Gleichstrom zu wandeln. Die Gleichrichter-Modul-Gruppe 36 wird aus ebenso vielen Gleichrichter-Modulen, wie die Anzahl der Phasen der Statorwicklung 33 gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird die Gleichrichter-Modul-Gruppe 36 durch die Gleichrichter-Module 36U, 36V und 36W gebildet. Das Gleichrichter-Modul 36U ist mit der U-Phasenwicklung der Statorwicklung 33 verbunden. Das Gleichrichter-Modul 36V ist mit der V-Phasenwicklung der Statorwicklung 33 verbunden. Gleichermaßen ist das Gleichrichter-Modul 36W mit der W-Phasenwicklung mit der Statorwicklung 33 verbunden.
Die Erzeugungs-Steuervorrichtung 37 dient als eine Erregerstrom-Steuerungs-Schaltung zur Steuerung eines Erregerstroms (ebenso Magnetisierungsstrom genannt), der durch die Feldwicklung 34 fließt, um die durch den Generator 31 erzeugte Spannung zu regeln (d. h. eine Ausgangsspannung der jeweiligen Gleichrichter-Module 35X, 35Y und 35Z und der Gleichrichter-Module 36U, 36V und 36W). Die Erzeugungs-Steuervorrichtung 37 ist auch über Kommunikationsanschlüsse und Kommunikationsleitungen mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 38 verbunden, das heißt eine externe Steuervorrichtung zum Aufbau einer bidirektionalen seriellen Kommunikation (zum Beispiel das sogenannte LIN (Local Interconnect Network) Kommunikation unter Verwendung des LIN-Protokolls) zwischen sich selbst und der ECU 38, zum Übertragen oder Empfangen von Nachrichten zu der oder von der ECU 38.
10 bildet einen internen Aufbau des Gleichrichter-Moduls 35X ab. Die anderen Gleichrichter-Module 35Y, 35Z, 36U, 36V und 36W weisen denselben Aufbau auf, daher werden nähere Erläuterungen zu diesen ausgelassen.
Das Gleichrichter-Modul 36X besteht aus zwei MOS-Transistoren 50 und 51 und einer Steuerschaltung 54. Der MOS-Transistor 50 dient als ein Schalter des oberen Arms (d. h. des hochstehenden Arms), der an einer Quelle desselben mit der X-Phasenwindung der Statorwicklung 32 verbunden ist und an einer Ableitung desselben mit einem positiven Anschluss eines Batteriespeichers 39 sowie mit einer elektrischen Last 40 über eine Ladeleitung 42 verbunden ist. Der MOS-Transistor 51 dient als Schalter des unteren Arms (d. h. des nach unten stehenden Arms), der an einer Ableitung desselben mit der X-Phasenwicklung der Statorwicklung 32 und an einer Quelle desselben mit einem negativen Anschluss (d. h. die Erdung) des Batteriespeichers 39 verbunden ist. Jeder der MOS-Transistoren 50 und 51 ist in der 10 eindeutig dargestellt und mit einer Diode ausgestattet, die parallel zwischen der Quelle und der Ableitung desselben angeordnet ist. Die Diode, die mit den MOS-Transistoren 50 und 51 parallel geschaltet ist wird durch eine parasitäre Diode (d. h. einen Diodenkörper) realisiert, sie kann jedoch auch wahlweise eine separate Diode sein. Wenigstens einer der MOS-Transistoren 50 und 51 kann durch einen anderen Typ einer Schaltvorrichtung ersetzt werden.
Die MOS-Transistoren 50 und 51 des Gleichrichter-Moduls 35X formen jeweils den oberen und unteren Arm. Die anderen Gleichrichter-Module 35V, 35Z, 36U, 36V und 36W weisen denselben Aufbau wie das Gleichrichter-Modul 35X auf, wie obenstehend beschrieben. Insbesondere weist das Gleichrichter-Modul 35V die MOS-Transistoren 50 und 51 auf und bildet den oberen und unteren Arm der V-Phasenwicklung. Das Gleichrichter-Modul 35Z weist die MOS-Transisotoren 50 und 51 auf und bildet den oberen und unteren Arm der Z-Phasenwicklung. Das Gleichrichter-Modul 36U weist die MOS-Transisotoren 50 und 51 auf und bildet den oberen und unteren Arm der U-Phasenwicklung. Das Gleichrichter-Modul 36V weist die MOS-Transistoren 50 und 51 auf und bildet den oberen und unteren Arm der V-Phasenwicklung. Das Gleichrichter-Modul 36W weist die MOS-Transistoren 50 und 51 auf und bildet den oberen und unteren Arm der W-Phasenwicklung. Für jede der X-, V-, Z-, U-, V- und W-Phasenwicklungen werden die gleichen oberen und unteren Arme verwendet, wodurch der Herstellungsaufwand von Leistungswandlern, die eine unterschiedliche Anzahl an Phasenwindungen aufweisen, erleichtert wird.
Wie aus der obenstehenden Erläuterung ersichtlich wird ist jedes der Gleichrichter-Module 35X, 35V, 35Z, 36U, 36V und 36W dazu ausgebildet Funktionen eines Abschnitts der Umschalt-Schaltung 18, des Treibers 16 und der Steuervorrichtung 17 durchzuführen, wie in 1 abgebildet. Mit anderen Worten dient die Steuerschaltung 54 zur Überwachung der Phasenspannungen, die an den entsprechenden der X-, V-, Z-, U-, V- und W-Phasenwicklungen entsteht, und steuert die Ausschaltvorgänge der oberen und unteren Arme (d. h. der MOS-Transistoren 50 und 51) derart, dass die gewünschte Länge der Zeit sichergestellt ist, in der zugelassen wird, dass der freilaufende Strom Ir in derselben Weise fließen kann, wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Die Phasenspannung kann in der Steuerschaltung 54 durch Messung einer abgeleiteten Spannung, die an einem der MOS-Transistoren 50 oder 51 entsteht, hergeleitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2009-162448 [0001]
- JP 2004-7964 [0003]

Claims

Leistungswandler für drehende elektrische Maschinen mit: einer Umschalt-Schaltung, die zwischen einer Leistungszufuhr und einer Phasenwicklung einer drehenden elektrischen Maschine angeordnet ist, wobei die Umschalt-Schaltung mit Schaltern ausgestattet ist, die zu einem oberen und einem unteren Arm gruppiert sind; und eine Steuervorrichtung, die Ein- und Ausschaltvorgänge der oberen und unteren Arme steuert, wobei die Steuervorrichtung den Ausschaltvorgang von einem der oberen und unteren Arme steuert, um eine Strom-Freilauf-Dauer, in welcher zugelassen wird, dass ein Freilauf-Strom, das heißt ein freilaufender Strom von der drehenden elektrischen Maschine, aus der drehenden elektrischen Maschine fließt, und welche eine Zeitlänge von dem Zeitpunkt an, bei dem eine induzierte Phasenspannung einen ersten Schwellwert übersteigt bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Phasenspannung unter einen zweiten Schwellwert sinkt, entspricht, auf eine ausgewählte Zeitlänge einzustellen, der auf den Ausschaltvorgang des oberen oder unteren Arms folgt.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme einschaltet, wenn die Phasenspannung einen dritten Schwellwert und dann einen vierten Schwellwert erreicht.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme einschaltet, wenn ein Phasenstrom einen fünften Schwellwert erreicht.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme einschaltet, wenn eine Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine eine gegebene Position erreicht.
Leistungswandler nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend einen Positionssensor, der dazu dient eine Winkelposition der drehenden elektrischen Maschine zu messen und ein Signal auszugeben, dass für diese bezeichnend ist, und wobei die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme basierend auf einer Ausgangsgröße des Positionssensors ausschaltet.
Leistungswandler nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend einen Stromsensor, der dazu dient einen Phasenstrom zu messen, der in der Phasenwicklung erzeugt wird und ein Signal auszugeben, dass für diesen bezeichnend ist, und wobei die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme basierend auf einer Ausgangsgröße des Stromsensors ausschaltet.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung basierend auf zumindest einer Drehzahl, ein Phasenstrom oder eine Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine eine Länge der Strom-Freilauf-Dauer bestimmt.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme unmittelbar oder nach Ablauf einer gegebenen Zeitdauer ausschaltet, wenn zumindest eine Drehzahl, eine Phasenstrom oder eine Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine einen zulässigen Bereich verlässt.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung die oberen und unteren Arme in einen Ausschaltzustand versetzt, wenn ein in der Phasenwicklung erzeugter Strom nicht größer als ein gegebener Wert ist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung die Phasenspannung überwacht, und wobei die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme ausschaltet, wenn die Phasenspannung einen ungewöhnlichen Wert aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung eine Sequenz von einem der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge der Schalter der oberen und unteren Armen überwacht, und wobei die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme ausschaltet, wenn die überwachte Aufeinanderfolge eine ungewöhnliche Sequenz ist.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den einen der oberen und unteren Arme basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer ausschaltet.
Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung dann, wenn keine Strom-Freilauf-Dauer bereitgestellt ist, den einen der oberen und unteren Arme früher als zu dem Zeitpunkt ausschaltet, der basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer berechnet wird.
Leistungswandler für eine mehrphasige drehende elektrische Maschinen mit: einer Umschalt-Schaltung, die zwischen einer Leistungszufuhr und Phasenwicklungen einer drehenden elektrischen Maschine angeordnet ist, wobei die Umschalt-Schaltung mit Schaltern ausgestattet ist, die für jede der Phasenwicklungen zu einem oberen und einem unteren Arm gruppiert sind; und eine Steuervorrichtung, die Ein- und Ausschaltvorgänge von jedem Schalter der oberen und unteren Arme steuert, wobei die Steuervorrichtung den Ausschaltvorgang von einem der Schalter von einem der oberen und unteren Arme steuert, um eine Strom-Freilauf-Dauer, in welcher zugelassen wird, dass ein Freilauf-Strom, das heißt ein freilaufender Strom aus der drehenden elektrischen Maschine, aus der drehenden elektrischen Maschine fließt, und welche eine Zeitlänge von dem Zeitpunkt an, bei dem eine Phasenspannung, die an einer Ziel-Phasenwicklung, die mit einem Schalter assoziiert ist, auf den der Ausschaltvorgang abzielt, induziert wird, einen ersten Schwellwert übersteigt, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Phasenspannung unter einen zweiten Schwellwert sinkt, entspricht, auf eine ausgewählte Zeitlänge einzustellen, der auf den Ausschaltvorgang des einen der Schalter folgt, wobei die Steuervorrichtung den einen der Schalter einschaltet, wenn die Phasenspannung einen dritten Schwellwert und danach einen vierten Schwellwert erreicht.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung den einen der Schalter basierend auf einer ersten Verzögerungszeit von dem Zeitpunkt an ausschaltet, bei dem ein Ziel-Schalter, das heißt einer der Schalter von einer der Phasen, auf die der Ausschaltvorgang abzielt, oder ein Nicht-Ziel-Schalter, das heißt einer der Schalter von einer der anderen Phasen, auf die der Ausschaltvorgang nicht abzielt, eingeschaltet worden ist.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung den einen der Schalter basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer, die für eine der Phasen eingestellt ist, die dem einen der Schalter zugeordnet ist, ausschaltet.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung den einen der Schalter basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer ausschaltet, die für einen Nicht-Ziel-Schalter, das heißt einen der Schalter, auf den der Ausschaltvorgang nicht abzielt, eingestellt ist.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung den einen der Schalter nach Ablauf einer zweiten Verzögerungszeit von dem Zeitpunkt an ausschaltet, wenn ein Nicht-Ziel-Schalter, das heißt einer der Schalter, auf den momentan der Ausschaltvorgang nicht abzielt, ausgeschaltet wurde.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung basierend auf zumindest einer Drehzahl, einem Phasenstrom oder einer Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine eine Länge der Strom-Freilauf-Dauer bestimmt.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung den einen der Schalter unmittelbar oder nach Ablauf einer gegebenen Zeitdauer ausschaltet, wenn zumindest eine Drehzahl, ein Phasenstrom oder eine Phasenspannung der drehenden elektrischen Maschine einen zulässigen Bereich verlässt.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung die oberen und unteren Arme in einen Ausschaltzustand versetzt, wenn ein in einer entsprechenden der Phasenwicklung erzeugter Strom nicht größer als ein gegebener Wert ist.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung die Phasenspannung überwacht, und wobei die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme ausschaltet, wenn die Phasenspannung einen ungewöhnlichen Wert aufweist.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung eine Sequenz von einem der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge der Schalter der oberen und unteren Armen überwacht, und wobei die Steuervorrichtung einen entsprechenden Abschnitt oder alle Abschnitte der oberen und unteren Arme ausschaltet, wenn die überwachte Sequenz eine ungewöhnliche Sequenz ist.
Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei die Steuervorrichtung dann, wenn keine Strom-Freilauf-Dauer bereitgestellt ist, den einen der Schalter früher als zu dem Zeitpunkt ausschaltet, der basierend auf der Strom-Freilauf-Dauer berechnet wird.
Leistungswandler für eine mehrphasige drehende elektrische Maschine mit: einer Vielzahl an Gleichrichter-Modulen, die dazu dienen einen Wechselstrom, der in der mehrphasigen drehenden elektrischen Maschine erzeugt wird, in einen Gleichstrom zu wandeln, wobei jedes der Gleichrichter-Module für eine der Phasenwicklungen der drehenden elektrischen Maschine vorgesehen und zwischen einer Leistungszufuhr und der einen der Phasenwicklungen angeordnet ist, und wobei jedes der Gleichrichter-Module mit Schaltern ausgestattet ist, welche die Funktion eines oberen Arm und eines unteren Arms einnehmen, sowie einer Steuervorrichtung, die Ein- und Ausschaltvorgänge von jedem der oberen und unteren Arme steuert, wobei die Steuervorrichtung den Ausschaltvorgang von einem der oberen und unteren Arme steuert, um eine Strom-Freilauf-Dauer, in welcher zugelassen wird, dass ein Freilauf-Strom, das heißt ein freilaufender Strom von einer entsprechenden Phasenwicklung, fließt, und welche eine Zeitlänge von dem Zeitpunkt an, bei dem eine Phasenspannung, die an einer gezielten Phasenwicklung, die einem gezielt für den Ausschaltvorgang ausgewählten der oberen oder unteren Armen zugeordnet ist, induziert wird, einen ersten Schwellwert übersteigt, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Phasenspannung unter einen zweiten Schwellwert sinkt, entspricht, auf eine ausgewählte Zeitlänge einzustellen, der auf den Ausschaltvorgang der oberen oder unteren Arme folgt.