DE112010002339T5

DE112010002339T5 - Verfahren zur berechnung des leistungsverbrauchs einer motorantriebsvorrichtung und steuerverfahren für eine motorantriebsvorrichtung unter verwendung des verfahrens zur berechnung des leistungsverbrauchs

Info

Publication number: DE112010002339T5
Application number: DE112010002339T
Authority: DE
Inventors: Takashi Yamaguchi; Toru Kakebayashi
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-08-02
Also published as: CN102474209B; JP2011019333A; US20120112671A1; CN102474209A; US8786229B2; JP5343741B2; WO2011004871A1

Abstract

Ein genauer Leistungsverbrauch wird berechnet, ohne Kosten zu erhöhen oder die Vorrichtung zu vergrößern. Der Leistungsverbrauch (P) beim Antreiben eines Motors wird aus einer Eingangsspannung (Vdc), einem Schalttastverhältnisfaktor einer Schaltvorrichtung (Sw1) einer Gleichspannungswandlerschaltung (ch), die mit der Schaltvorrichtung (Sw1) und einer Drosselspule (Ldc) versehen ist, einem Drosselspulenstrom (Idc), einem Motorwicklungs-Blindwiderstand (Lm) und einer Motordrehzahl (N) in einer Motorantriebsvorrichtung berechnet, wobei: die in die Gleichspannungswandlerschaltung (ch) eingegebene Eingangsspannung (Vdc) durch die Gleichspannungswandlerschaltung (ch) abwärts transformiert wird; eine von der Gleichspannungswandlerschaltung (ch) ausgegebene DC-Leistung in AC-Leistung umgesetzt wird und an einen Motor (M) ausgegeben wird, indem ein Gleichrichter/Wechselrichter (INV) mit einer Leitung für 120 Grad betrieben wird; und eine Anstiegsspannung, die erzeugt wird, wenn der Gleichrichter/Wechselrichter (INV) eine Kommutierung durchläuft, durch eine Diode (D1), die zu der Gleichspannungswandlerschaltung (ch) gegenparallel geschaltet ist, an die Eingangsspannung (Vdc) geklemmt wird.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung des Leistungsverbrauchs beim Antreiben einer Motorantriebsvorrichtung (die hier nachstehend als Pseudo-Stromzwischenkreisumrichter bezeichnet wird) mit einer Gleichspannungswandlerschaltung [engl.: chopper circuit] und einem Gleichrichter/Wechselrichter mit Leitung für 120 Grad [engl.: 120-degree conduction inverter] und ein Steuerverfahren unter Verwendung des Verfahrens zur Berechnung des Leistungsverbrauchs.
Hintergrund
1 ist eine Zeichnung einer Schaltungskonfiguration, die ein Beispiel eines allgemeinen Pseudo-Stromzwischenkreisumrichters zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, enthält der Pseudo-Stromzwischenkreisumrichter eine Gleichspannungswandlerschaltung ch, eine Eingangsspannung Vdc, die in die Gleichspannungswandlerschaltung ch eingegeben wird, einen Sechs-Stufen-Gleichrichter/Wechselrichter INV, der ausgestaltet ist, um eine Gleichstromleistung aufzunehmen, die von der Gleichspannungswandlerschaltung ch ausgegeben wird, und um eine Leitung für 120 Grad durchzuführen, und eine Diode D1, die gegenparallel bzw. antiparallel zum Gleichspannungswandlerschaltungsabschnitt ch geschaltet ist.
Zuerst wird ein Gleichstrom Idc durch schaltende Schaltelemente Sw1 und Sw2 der Gleichspannungswandlerschaltung ch gesteuert, um zu bewirken, dass die Eingangspannung Vdc und die Gleichspannungswandlerschaltung ch als Steuerstromquelle dienen. Die Leistung wird an einen Motor M geliefert, der eine Last ist, indem der Betrieb eines Halbleiterschalterelements des Gleichrichters/Wechselrichters INV umgeschaltet wird.
Bei dem Pseudo-Stromzwischenkreisumrichter sind die Steuerstromquelle und der Gleichrichter/Wechselrichter INV getrennt, wie vorstehend erwähnt ist. Die Stromsteuerung wird in der Gleichspannungswandlerschaltung ch dieser Steuerstromquelle durchgeführt.
Patentdokument 1 offenbart einen Pseudo-Stromzwischenkreisumrichter, der eine Eingangsspannung Vdc und eine Gleichspannungswandlerschaltung ch als Steuerstromquelle verwendet und der einen Gleichrichter/Wechselrichter INV mit einem Verfahren mit Leitung für 120 Grad ansteuert.
Darüber hinaus ist eine Vorrichtung bekannt, die einen Pseudo-Stromzwischenkreisurnrichter als einen Gleichrichter/ Wechselrichter zum Antreiben eines PM-Motors in einem Hybridsystem verwendet, bei dem der PM-Motor in einen Turbolader eingebettet ist (Nicht-Patentdokument 1).
Dokumente des Standes der Technik Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2008-295280 (Absätze [0027]–[0035], 1).

Nicht-Patentdokument
Nicht-Patentdokument 1: Yosuke Takata und vier weitere Personen, Heisei 16 (2004) Technisches Komitee 1–9 der Applications Society of the Institute of Electrical Engineers of Japan "220000 r/min, 2 kW PM Motor Drive for Turbocharger".
Zusammenfassung der Erfindung
Probleme, die von der Erfindung gelöst werden sollen Bei dem vorstehend beschriebenen Pseudo-Stromzwischenkreisurnrichter ist es notwendig, den Leistungsverbrauch beim Antreiben des Motors M zu kennen. Dies liegt daran, dass der aktuelle Leistungsverbrauch benötigt wird, wenn der gegenwärtige Leistungsverbrauch an einen Hostcontroller oder eine Erkennungsvorrichtung zurückgekoppelt wird, wenn der Motor M durch einen Leistungsbefehl angetrieben wird usw.
Herkömmlich ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Stromsensor im Abschnitt mit der Eingangsspannung Vdc bereitgestellt wird und bei dem der Leistungsverbrauch aus einem Stromwert des Abschnitts mit der Eingangsspannung Vdc berechnet wird. Der Stromsensor ist jedoch kostspielig und folglich bewirkt dies, dass die Kosten ansteigen. Darüber hinaus benötigt dieser eine Einbaufläche und folglich wird die Größe der Vorrichtung erhöht. Auf ähnliche Weise ist herkömmlich ein Verfahren bekannt, bei dem ein Stromsensor und ein Spannungssensor im Eingangsabschnitt eines Gleichrichters/Wechselrichters bereitgestellt werden und bei dem der Leistungsverbrauch beim Antreiben des Motors M berechnet wird, indem ein Eingangsstrom Iout und eine Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters gemessen werden. Bei diesem Verfahren ist es jedoch erforderlich, zwei neue Sensoren bereitzustellen (einen Stromsensor und einen Spannungssensor). Folglich werden die Kosten erhöht und Einbauraum wird benötigt, so dass die Größe der Vorrichtung erhöht wird.
Für das Verfahren zum Berechnen des Leistungsverbrauchs beim Antreiben des Motors M gibt es darüber hinaus ein Verfahren, bei dem der Leistungsverbrauch beim Antreiben des Motors M aus einem Drosselspulenstrom Idc, der oftmals im Vorfeld bekannt ist, und aus einer Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters, die im Spannungssensor gemessen wird, berechnet wird. Der Drosselspulenstrom Idc enthält jedoch einen Rückwärtsstrom (einen zurück zirkulierenden Strom) Id, der in der Diode D1 aufgrund eines plötzlichen Anstiegs durch die Kommutierung, der beim Schalten des Halbleiterelements des Gleichrichters/Wechselrichters INV erzeugt wird, fließt. Dieser Rückwärtsstrom Id ist eine Blindleistung, die nicht in den Motor M hineinfließt. Zur genauen Berechnung des Leistungsverbrauchs des Motors M unter Verwendung des Drosselspulenstroms Idc ist es folglich notwendig, den Rückwärtsstrom Id in Betracht zu ziehen. Die Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters wird darüber hinaus aufgrund des Schaltens durch die Schaltelemente Sw1 und Sw2 der Gleichspannungswandlerschaltung ch zu einer Rechteckspannungs-Wellenform. Folglich ist es schwierig, den Spannungswert zu erfassen.
Entsprechend besteht das Problem, dass es nicht möglich ist, den genauen Stromwert und den genauen Spannungswert zu ermitteln, selbst wenn der Stromsensor und der Spannungssensor vorhanden sind.
Wie vorstehend beschrieben wurde, besteht die Aufgabe darin, den genauen Leistungsverbrauch ohne eine Zunahme bei den Kosten und bei der Größe zu berechnen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die vorliegende Erfindung ist eine technische Idee, die geschaffen wurde, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und sie löst die Probleme dadurch, dass ein Leistungsverbrauch beim Antreiben eines Motors berechnet wird, indem eine Eingangsspannung, ein Schalttastverhältnisfaktor eines Schaltelements und ein Drosselspulenstrom verwendet werden, die oft im Vorfeld bekannt sind.
Insbesondere wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Berechnung des Leistungsverbrauchs einer Motorantriebsvorrichtung bereitgestellt, die ausgestaltet ist, um eine Eingangsspannung, die in eine Gleichspannungswandlerschaltung eingegeben wird, durch die Gleichspannungswandlerschaltung abwärts zu transformieren, wobei die Gleichspannungswandlerschaltung eine serielle Schaltung aus einem ersten Schaltelement mit einem Ende, das mit einer positiven Spannungsseite der eingegebenen Gleichspannung verbunden ist, und einer Drosselspule mit einem Ende, das mit dem anderen Ende des ersten Schaltelements verbunden ist, und ein zweites Schaltelement enthält, das zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des ersten Schaltelements und dem einen Ende der Drosselspule und einer negativen Spannungsseite der Eingangsspannung angeordnet ist, um eine Gleichstromleistung, die von der Gleichspannungswandlerschaltung ausgegeben wird, in Wechselstromleistung zur Ausgabe an einen Motor umzusetzen, indem ein Gleichrichter/Wechselrichter mit einer Leitung für 120 Grad betrieben wird, und um eine Anstiegsspannung, die bei der Kommutierung des Gleichrichters/Wechselrichters erzeugt wird, durch eine Diode, die zu der seriellen Schaltung gegenparallel geschaltet ist, an die Eingangsspannung zu klemmen, wobei das Verfahren zur Berechnung des Leistungsverbrauchs umfasst, dass: ein Leistungsverbrauch der Motorantriebsvorrichtung beim Antreiben des Motors durch die folgende Gleichung (a) aus der Eingangsspannung an die Gleichspannungswandlerschaltung, einem Schalttastverhältnisfaktor, der ein Verhältnis eines Eingeschaltet-Zustands des ersten Schaltelements zu einem Eingeschaltet/Ausgeschaltet-Zyklus des ersten Schaltelementes darstellt, einem Drosselspulenstrom, der in der Drosselspule fließt, einem Wicklungsblindwiderstand des Motors und einer Drehzahl des Motors berechnet wird.

P:: Leistungsverbrauch
Vdc:: Eingangsspannung
BDuty:: Schalttastverhältnisfaktor des Schaltelements
Idc:: Drosselspulenstrom
Lm:: Motorwicklungs-Drosselspule
N:: Motordrehzahl.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus ein Leistungsverbrauch berechnet, indem der in der Gleichung (a) berechnete Leistungsverbrauch der Motorantriebsvorrichtung mit einem Wirkungsgrad des Gleichrichters/Wechselrichters multipliziert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus eine Leistungssteuerung durchgeführt, indem eine Rückmeldung des Leistungsverbrauchs der Motorantriebsvorrichtung an einen Automatik-Controller durchgeführt wird.
Außerdem wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Steuerverfahren für eine Motorantriebsvorrichtung bereitgestellt, die ausgestaltet ist, um eine in eine Gleichspannungswandlerschaltung eingegebene Eingangsspannung durch die Gleichspannungswandlerschaltung abwärts zu transformieren, wobei die Gleichspannungswandlerschaltung eine serielle Schaltung aus einem ersten Schaltelement mit einem Ende, das mit einer positiven Spannungsseite der eingegebenen Gleichspannung verbunden ist, und einer Drosselspule mit einem Ende, das mit dem anderen Ende des ersten Schaltelements verbunden ist, und ein zweites Schaltelement enthält, das zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des ersten Schaltelements und dem einen Ende der Drosselspule und einer negativen Spannungsseite der Eingangsspannung angeordnet ist, um eine von der Gleichspannungswandlerschaltung ausgegebene Gleichstromleistung in Wechselstromleistung zur Ausgabe an einen Motor umzusetzen, indem ein Gleichrichter/Wechselrichter mit einer Leitung für 120 Grad betrieben wird, und um eine bei der Kommutierung des Gleichrichters/Wechselrichters erzeugte Anstiegsspannung durch eine Diode, welche zu der seriellen Schaltung gegenparallel geschaltet ist, an die Eingangsspannung zu klemmen, wobei das Steuerverfahren umfasst, dass: ein Strombefehlswert durch die nachstehenden Gleichungen (b) oder (c) aus der Eingangsspannung in die Gleichspannungswandlerschaltung, einem Schalttastverhältnisfaktor, der ein Verhältnis eines Eingeschaltet-Zustands des ersten Schaltelements zu einem Eingeschaltet/Ausgeschaltet-Zyklus des ersten Schaltelements darstellt, einem Drosselspulenstrom, der in der Drosselspule fließt, einem Wicklungsblindwiderstand des Motors, einer Drehzahl des Motors, einem Leistungsverbrauchs-Befehlswert der Motorantriebsvorrichtung und einem Wirkungsgrad des Gleichrichters/Wechselrichters berechnet wird und eine Leistungssteuerung unter Verwendung dieses Strombefehlswerts durchgeführt wird.

Vdc:: Eingangsspannung
BDuty:: Schalttastverhältnisfaktor des Schaltelements
Idc:: Drosselspulenstrom
L_m:: Motorwicklungs-Drosselspule
N:: Motordrehzahl
Idc^ref:: Strombefehlswert
P^ref:: Leistungsverbrauchs-Befehlswert
η:: Wirkungsgrad des Gleichrichters/Wechselrichters

Auswirkungen der Erfindung
Wie durch die vorstehend beschriebene Beschreibung offenbart ist, kann der Leistungsverbrauch durch die vorliegende Erfindung berechnet werden, ohne einen Stromsensor und einen Spannungssensor zusätzlich zu dem Spannungssensor, der zum Erfassen der Eingangsspannung angeordnet ist, und zu dem Stromsensor, der zur Erfassung des Drosselspulenstroms angeordnet ist, bereitzustellen. Der Spannungssensor, der Zum Erfassen der Eingangsspannung angeordnet ist, ist oftmals im Vorfeld vorgesehen, um die Batteriespannung usw. zu überwachen. Der Stromsensor, der angeordnet ist, um den Drosselspulenstrom zu erfassen, ist oftmals im Vorfeld vorgesehen, um das Schaltelement der Gleichspannungswandlerschaltung zu steuern usw. In diesem Fall ist es nicht notwendig, zum Berechnen des Leistungsverbrauchs einen neuen Stromsensor und einen neuen Spannungssensor hinzuzufügen. Folglich ist es möglich, den Kostenanstieg und den Größenzuwachs der Vorrichtung aufgrund des Einbauraums der Sensoren zu vermeiden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel eines allgemeinen Pseudo-Stromzwischenkreisumrichters zeigt.
2 ist eine zeitliche Darstellung, die ein Beispiel einer Stromwellenform eines Rückwärtsstroms Id zeigt, der in der Diode D1 fließt.
Arten zum Ausführen der Erfindung
[Erste Ausführungsform]
In 1 bezeichnet das Symbol ch eine Gleichspannungswandlerschaltung, die durch Schaltelemente Sw1 und Sw2 und eine Drosselspule Ldc gebildet wird. Das Symbol Vdc bezeichnet eine Eingangsspannung, die in die Gleichspannungswandlerschaltung ch eingegeben wird. Das Symbol D1 bezeichnet eine Diode. Das Symbol INV bezeichnet einen Gleichrichter/Wechselrichter. Das Symbol M bezeichnet einen Motor.
Die Gleichspannungswandlerschaltung ch enthält beispielsweise eine Reihenschaltung, welche ein erstes Schaltelement, das mit einer positiven Anschlussseite der Eingangsspannung verbunden ist, und eine Drosselspule enthält, und ein zweites Schaltelement, das zwischen einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Schaltelement und der Drosselspule und einem negativen Anschluss der Eingangsspannung angeordnet ist.
Der Pseudo-Stromzwischenkreisumrichter lässt den Strom von der Eingangsspannung Vdc an die Drosselspule Ldc beim Antreiben des Motors M durch Schalten des Schaltelements Sw1 der Gleichspannungswandlerschaltung ch in einen Eingeschaltet-Zustand fließen, um die Energie in der Drosselspule Ldc zu speichern. Wenn das Schaltelement Sw1 in einen Ausgeschaltet-Zustand geschaltet wird, wird die in der Drosselspule Ldc gespeicherte Energie durch eine Diode, die im Schaltelement Sw2 vorgesehen ist, an den Gleichrichter/Wechselrichter INV ausgegeben. Der Gleichrichter/Wechselrichter INV empängt die Gleichstromleistung von der Drosselspule Ldc, setzt diese in eine dreiphasige Wechselstromleistung um und gibt sie an den Motor M aus. In diesem Fall wird ein Halbleiterschaltelement, das den Gleichrichter/Wechselrichter INV bildet, in Übereinstimmung mit der Magnetpolposition des Motors M in den Eingeschaltet-Zustand oder den Ausgeschaltet-Zustand geschaltet und als Gleichrichter/Wechselrichter mit Leitung für 120 Grad betrieben.
Darüber hinaus wird eine Anstiegsspannung erzeugt, wenn der Gleichrichter/Wechselrichter INV alle 120 Grad die Kommutierung durchführt. Diese wird durch die Diode D1 und eine Freilaufdiode des Halbleiterschaltelements, das den Gleichrichter/Wechselrichter INV bildet, an die Eingangsspannung Vdc geklemmt.
Andererseits erzeugt der Motor M im regenerativen Zustand eine induzierte Spannung, die proportional zu der Drehzahl ist. In diesem Fall fließt, wenn das Schaltelement Sw2 der Gleichspannungswandlerschaltung ch in den Eingeschaltet-Zustand geschaltet ist, der Strom an die Drosselspule Ldc durch eine der Freilaufdioden, die in dem Halbleiterschalterelement des Gleichrichters/Wechselrichters INV bereitgestellt sind, um die Energie in der Drosselspule Ldc zu speichern. Wenn in diesem Fall das Schaltelement Sw2 in den Ausgeschaltet-Zustand geschaltet wird, wird die in der Drosselspule Ldc gespeicherte Energie verstärkt (aufwärts transformiert) und durch die Freilaufdiode, die in dem Schaltelement Sw1 bereitgestellt ist, an die Eingangsspannung Vdc geladen. in diesem Fall wird der Gleichrichter/Wechselrichter INV als Synchrongleichrichter betrieben und die regenerative Energie wird an die Eingangsspannung Vdc geladen.
Nebenbei bemerkt kann ein Steuerabschnitt, der ausgestaltet ist, um ein Gatesignal an das Halbleiterschalterelement des Gleichrichters/Wechselrichters INV auszugeben, entweder eine Sensorsteuerung zur Steuerung durch Messen der Magnetpolposition des Motors M durch den Sensor oder eine sensorlose Steuerung zur Steuerung ohne Messen der Magnetpolposition des Motors M durch den Sensor verwenden. Die Eingangsspannung Vdc ist eine Gleichspannungsquelle, etwa eine Leistungsversorgung oder ein Aufwärtswandler [engt.: boost chopper].
Anschließend wird hier ein Verfahren zur Berechnung des Leistungsverbrauchs P beim Antreiben des Motors M dargestellt. Bei der ersten Ausführungsform wird der Leistungsverbrauch P berechnet, indem die Eigangsspannung Vdc, der Drosselspulenstrom Idc und der Schalttastverhältnisfaktor BDuty des Schaltelements Sw1 verwendet werden.
Zuerst werden Variable im Schaltplan von 1 wie folgt definiert. Der Leistungsverbrauch P beim Antreiben des Motors M wird durch die folgende Gleichung (1) dargestellt. Jedoch wird bei der ersten Ausführungsform der Verlust im Gleichrichter/Wechselrichter INV nicht berücksichtigt. P = V_OUT × I_OUT = Vdc x BDuty·(Idc – Id)(1)

P:: Leistungsverbrauch
Vout:: Eingangsspannung des Gleichrichters/Wechselrichters
Iout:: Eingangsstrom des Gleichrichters/Wechselrichters
Vdc:: Eingangsspannung
BDuty:: Schalttastverhältnisfaktor des Schaltelements Sw1
Idc:: Drosselspulenstrom
Id:: Rückwärtsstrom

Wie in der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) gezeigt ist, wird der Leistungsverbrauch P des Motors M berechnet, indem die Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters mit dem Eingangsstrom Iout des Gleichrichters/Wechselrichters multipliziert wird. Die Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters ist eine Spannung, die erhalten wird, indem die Eingangsspannung Vdc durch die Gleichspannungswandlerschaltung ch abwärts transformiert wird. Folglich wird die Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters bestimmt, indem die Eingangsspannung Vdc mit dem Schalttastverhältnisfaktor BDuty des Schaltelements Sw1 multipliziert wird. Der Eingangsstrom Iout des Gleichrichters/Wechselrichters ist ein Wert, der erhalten wird, indem der Rückwärtsstrom Id, der in der Diode D1 fließt, vom Drosselspulenstrom Idc subtrahiert wird.
Der Rückwärtsstrom Id fließt, wenn das Halbleiterschalterelement des Gleichrichters/Wechselrichters INV geschaltet wird (wenn der Kommutierungsanstieg erzeugt wird). Aus den tatsächlich gemessenen Werten ist zu verstehen, dass bei einem zeitlichen Ablauf, der eine Stromwellenform dieses Rückwärtsstroms Id zeigt, diese zu einer Sägezahnwelle wird, und bei der Anstiegsspannung zum Spitzenstrom Ipk wird, wie in 2 gezeigt ist.
Als Nächstes wird ein quadratischer Mittelwert (Effektivwert) I [rms] des Rückwärtsstroms Id berechnet. Der quadratische Mittelwert kann durch das quadratische Mittel eines augenblicklichen Werts in einer Periode berechnet werden. In diesem Fall wird der augenblickliche Wert des Rückwärtsstroms Id durch I dargestellt. Eine Leitzeitperiode wird durch A dargestellt. Die eine Periode wird durch B dargestellt. Der quadratische Mittelwert I [rms] des Rückwärtsstroms Id kann durch die folgende Gleichung (2) bestimmt werden.
Wie in der nachstehenden Gleichung (3) gezeigt ist, wird ein Wert, der durch Dividieren des Spitzenwerts Ipk des Rückwärtsstroms Id durch die Leitzeitperiode A erhalten wird, durch k dargestellt. Der augenblickliche Wert I des Rückwärtsstroms Id während der Leitzeit wird durch die nachstehende Gleichung (4) bestimmt. k = IPk/A (3) I = k(A – t) (4)
Durch Einsetzen von k(A – t) aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (4) für den augenblicklichen Wert I in der Gleichung (2) wird die Gleichung (2) zu der nachstehenden Gleichung (5) reduziert. Durch Einsetzen von Ipk/A aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (3) für k in der nachstehenden Gleichung (5) wird die Gleichung (5) zu der nachstehenden Gleichung (6) reduziert. In der Gleichung (6) entspricht A/B dem Tastverhältnisfaktor des Rückwärtsstroms Id (dem Schalttastverhältnisfaktor des Halbleiterschalterelements des Gleichrichters/Wechselrichters INV). Darüber hinaus ist im Fall des Gleichrichters/Wechselrichters INV bei der ersten Ausführungsform der Spitzenwert Ipk des Rückwärtsstroms Id gleich dem Drosselspulenstrom Idc. Daher kann die nachstehende Gleichung (6) zu der folgenden Gleichung (7) reduziert werden.
Als Nächstes wird der Tastverhältnisfaktor des Rückwärtsstroms Id (der Schalttastverhältnisfaktor des Halbleiterschalterelements des Gleichrichters/Wechselrichters INV) berechnet. Der Tastverhältnisfaktor des Rückwärtsstroms Id wird durch Tastverhältnis = A/B dargestellt, wobei die Leitzeitperiode durch A dargestellt wird und die eine Periode durch B dargestellt wird. Diese Leitzeitperiode A entspricht einer Kommutierungszeit tc (Sekunde) jeder Phase des Gleichrichters/Wechselrichters. Die eine Periode B ist ein Wert, der erhalten wird, indem eine Zeitperiode berechnet wird, die für die eine Drehung des Motors M benötigt wird, indem sechzig Sekunden durch die Drehzahl N (rpm) des Motors M dividiert werden und indem dann dieser Wert durch die Kommutierungsfrequenz bei der einen Drehung des Motors M dividiert wird (die Schaltfrequenz des Gleichrichters/Wechselrichters; bei der ersten Ausführungsform gleich Sechs). Folglich kann der Tastverhältnisfaktor des Rückwärtsstroms Id durch die folgende Gleichung (8) dargestellt werden.
Als Nächstes wird die Kommutierungszeit tc in der vorstehend beschriebenen Gleichung (8) berechnet. Ein Wicklungs-Blindwiderstand des Motors M wird durch Lm dargestellt. Eine Änderungsrate des Stroms mit Bezug auf die Zeit wird durch di dargestellt. Eine Rate v einer Änderung der Anschlussspannung des Motors mit Bezug auf die Zeit kann allgemein durch die nachstehende Gleichung (9) dargestellt werden. Diese Gleichung (9) kann zu der nachstehenden Gleichung (10) reduziert werden.
Wenn in der vorstehend beschriebenen Gleichung (10) dt als die Kommutierungszeit tc beim Schalten des Gleichrichters/Wechselrichters INV in der ersten Ausführungsform betrachtet wird, entspricht die Rate di der Änderung des Stroms mit Bezug auf die Zeit dem Drosselspulenstrom Idc, die Rate v der Änderung der Anschlussspannung des Motors M mit Bezug auf die Zeit entspricht der Eingangsspannung Vdc und der Blindwiderstand Lm entspricht einem Betrag von zwei Phasen des Wicklungs-Blindwiderstands Lm. Entsprechend wird die nachstehende Gleichung (11) gebildet.
Durch Einsetzen der vorstehend beschriebenen Gleichung (11) in die Kommutierungszeit tc in der vorstehend beschriebenen Gleichung (8) wird der Tastverhältnisfaktor des Rückwärtsstroms Id (des Halbleiterschalterelements des Gleichrichters/Wechselrichters INV) zu der folgenden Gleichung (12). Durch Einsetzen des Tastverhältnisfaktors des Rückwärtsstroms Id (des Halbleiterschalterelements des Gleichrichters/Wechselrichters INV), der durch die nachstehende Gleichung (12) berechnet wird, in die vorstehend beschriebene Gleichung (7) kann dann der quadratische Mittelwert I [rms] des Rückwärtsstroms Id durch die nachstehende Gleichung (13) dargestellt werden.
Durch Einsetzen des quadratischen Mittelwerts I [rms] des Rückwärtsstroms Id in der vorstehend beschriebenen Gleichung (13) in den Rückwärtsstrom Id in der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) wird die nachstehende Gleichung (14) erhalten. Durch Berechnen der nachstehenden Gleichung (14) kann der Leistungsverbrauch P beim Antreiben des Motors M berechnet werden.
Durch Verwenden der vorstehend beschriebenen Gleichung (14) wird es möglich, den Leistungsverbrauch P zu berechnen, ohne andere Stromsensoren und andere Spannungssensoren zusätzlich zu dem Spannungssensor zur Erfassung der Eingangsspannung Vdc und dem Stromsensor zur Erfassung des Drosselspulenstroms Idc bereitzustellen. Der Spannungssensor zur Erfassung der Eingangsspannung Vdc wird oftmals im Vorfeld bereitgestellt, um die Batteriespannung usw. zu überwachen. Der Stromsensor zur Erfassung des Drosselspulenstroms Idc wird oftmals im Vorfeld für die Steuerung des Schaltelements der Gleichspannungswandlerschaltung ch usw. bereitgestellt. In diesem Fall ist es unnötig, einen neuen Stromsensor und einen neuen Spannungssensor zur Berechnung des Leistungsverbrauchs P hinzuzufügen. Folglich ist es möglich, den Kostenanstieg und den Größenzuwachs aufgrund des Einbauraums der Sensoren zu vermeiden.
Außerdem wird in der ersten Ausführungsform der Wert, der durch Subtrahieren des quadratischen Mittelwerts des Rückwärtsstroms Id vom Drosselspulenstrom Idc erhalten wird, als der Strom Iout des Gleichrichters/Wechselrichters verwendet, der benötigt wird, wenn der Leistungsverbrauch P berechnet wird. Im Vergleich mit dem Fall, bei dem der Drosselspulenstrom Idc als der Eingangsstrom Iout des Gleichrichters/Wechselrichters verwendet wird, ist es folglich möglich, den genauen Leistungsverbrauch P zu berechnen. Die Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters, die benötigt wird, wenn der Leistungsverbrauch P berechnet wird, wird darüber hinaus aufgrund des Schaltens durch die Gleichspannungswandlerschaltung ch zu einer Rechteckspannungs-Wellenform und entsprechend ist es schwierig, den genauen Spannungswert zu erfassen. In der ersten Ausführungsform wird jedoch der Wert, der durch Multiplizieren der Eingangsspannung Vdc mit dem Schalttastverhältnisfaktor BDuty des Schaltelements Sw1 erhalten wird, gleich der Eingangsspannung Vout des Gleichrichters/Wechselrichters gesetzt. Folglich ist es möglich, den genauen Leistungsverbrauch P zu berechnen.
Durch Berechnen des Leistungsverbrauchs P ist es darüber hinaus möglich, die Rückmeldung des gegenwärtigen Leistungsverbrauchs P an den Hostcontroller, die Erkennungsvorrichtung usw. durchzuführen, und den Motor M durch einen Leistungsbefehl anzutreiben.
Beispielsweise ist es möglich, die Rückmeldung des in der ersten Ausführungsform berechneten Leistungsverbrauchs P an einen Automatik-Controller (z. B. einen APR- oder ACR-Automatik-Controller, der durch eine Kaskadenverbindung gebildet wird) durchzuführen und die Leistungssteuerung durchzuführen. Durch die Verwendung der nachstehenden Gleichung (15), die durch die Umkehroperation der vorstehend beschriebenen Gleichung (14) erhalten wird, ist es darüber hinaus möglich, eine vereinfachte Leistungssteuerung durchzuführen. In diesem Fall ist es möglich, durch Einstellen eines übergeordneten Leistungsbefehls P^ref einen Strombefehlswert Idc^ref zu erhalten, bei dem der Leistungsverbrauch durch den übergeordneten Leistungsbefehl P^ref begrenzt ist. Durch ein Ausführen der Stromsteuerung, indem dieser Strombefehlswert Idc^ref verwendet wird, ist es möglich, die vereinfachte Leistungssteuerung zu erreichen.
[Zweite Ausführungsform]
Als Nächstes wird eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zur Berechnung des Leistungsverbrauchs des Pseudo-Stromzwischenkreisumrichters gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Schaltungskonfiguration des Pseudo-Stromzwischenkreisumrichters in der zweiten Ausführungsform ist zu derjenigen der ersten Ausführungsform identisch.
Der in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform berechnete Leistungsverbrauch P ist ein Wert, der unter Verwendung von Parametern (der Eingangsspannung Vdc, des Abwärtsdrosselspulenstroms (abwärts transformierten Drosselspulenstroms) Idc und des Schalttastverhältnisfaktors BDuty des Schaltelements Sw1) vor und nach der Gleichspannungswandlerschaltung ch berechnet wird. Dieser Wert ist ein Wert, der ohne Berücksichtigung des Verlusts im Gleichrichter/Wechselrichter INV berechnet wird. Daher ist der in der ersten Ausführungsform berechnete Leistungsverbrauch P die mittlere Leistung vor und nach der Gleichspannungswandlerschaltung ch, ohne dass der Pseudo-Stromzwischenkreisumrichter berücksichtigt ist.
In der zweiten Ausführungsform wird daher zuvor ein Wirkungsgrad η des Gleichrichters/Wechselrichters berechnet. Durch Multiplizieren dieses Wirkungsgrads η des Gleichrichters/Wechselrichters mit dem Leistungsverbrauch P, der mit dem gleichen Verfahren wie in der ersten Ausführungsform berechnet wird, wird der Leistungsverbrauch P' unter Berücksichtigung des Verlusts des Gleichrichters/Wechselrichters berechnet, wie in der nachstehenden Gleichung (16) gezeigt ist. P' = ηP (16)
Als ein Verfahren zur Berechnung des Wirkungsgrads η des Gleichrichters/Wechselrichters in der vorstehend beschriebenen Gleichung (16) gibt es ein Verfahren zur Bestimmung des internen Verlusts des Gleichrichters/Wechselrichters INV durch Berechnung usw., ein Verfahren zum Berechnen eines Fehlerbetrags durch tatsächliche Messung usw.
Der in der zweiten Ausführungsform berechnete Leistungsverbrauch P' ist der Leistungsverbrauch, der unter Berücksichtigung des Verlusts des Gleichrichters/Wechselrichters bestimmt wird. Im Vergleich mit dem in der ersten Ausführungsform berechneten Leistungsverbrauch P wird dies ein genauerer Leistungsverbrauch bezüglich des in der ersten Ausführungsform berechneten Leistungsverbrauchs P. Durch Berechnen des Leistungsverbrauchs P beim Antreiben des Motors M wie in der zweiten Ausführungsform ist es darüber auch möglich, den gleichen Effekt wie die erste Ausführungsform zu erreichen.
Durch Berechnen des Leistungsverbrauchs P' wie bei der ersten Ausführungsform ist es darüber hinaus möglich, die Rückmeldung des gegenwärtigen Leistungsverbrauchs P an den Hostcontroller, die Erkennungsvorrichtungen usw. durchzuführen und den Motor M durch den Leistungsbefehl anzutreiben. Nebenbei bemerkt wird bei der zweiten Ausführungsform die vereinfachte Leistungssteuerung durchgeführt, indem eine Stromsteuerung durchgeführt wird, indem der Strombefehlswert Idc^ref berechnet wird, wobei der Strombefehlswert Idc^ref durch die folgende Gleichung (17) berechnet wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend im Detail nur durch Bezugnahme auf die beschriebenen Ausführungsformen beschrieben wurde, werden dem Fachmann auf dem Gebiet innerhalb des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen und Variationen der Ausführungsformen begegnen. Derartige Modifikationen und Variationen gehören selbstverständlich zum Umfang der Ansprüche.
Bezugszeichenliste

Sw1, Sw2

Schaltelement

Ldc

Drosselspule

ch

Gleichspannungswandlerschaltung

Vdc

Eingangsspannung

INV

Gleichrichter/Wechselrichter

M

Motor

D1

Diode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2008-295280 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Yosuke Takata und vier weitere Personen, Heisei 16 (2004) Technisches Komitee 1–9 der Applications Society of the Institute of Electrical Engineers of Japan ”220000 r/min, 2 kW PM Motor Drive for Turbocharger” [0008]

Claims

Verfahren zur Berechnung des Leistungsverbrauchs für eine Motorantriebsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um eine Eingangsspannung, die in eine Gleichspannungswandlerschaltung eingegeben wird, durch die Gleichspannungswandlerschaltung abwärts zu transformieren, welche eine Reihenschaltung aus einem ersten Schaltelement mit einem Ende, das mit einer positiven Spannungsseite der eingegebenen Gleichspannung verbunden ist, und einer Drosselspule mit einem Ende, das mit dem anderen Ende des ersten Schaltelements verbunden ist, und ein zweites Schaltelement enthält, das zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des ersten Schaltelements und dem einen Ende der Drosselspule und einer negativen Spannungsseite der Eingangsspannung angeordnet ist, um eine von der Gleichspannungswandlerschaltung ausgegebene Gleichstromleistung in Wechselstromleistung zur Ausgabe an einen Motor umzusetzen, indem ein Gleichrichter/Wechselrichter mit einer Leitung für 120 Grad betrieben wird, und um eine Anstiegsspannung, die bei der Kommutierung des Gleichrichters/Wechselrichters erzeugt wird, durch eine Diode, die mit der seriellen Schaltung gegenparallel verbunden ist, an die Eingangsspannung zu klemmen, wobei das Verfahren zur Berechnung des Leistungsverbrauchs umfasst, dass: ein Leistungsverbrauch der Motorantriebsvorrichtung beim Antreiben des Motors durch die nachstehende Gleichung (a) aus der Eingangsspannung in die Gleichspannungswandlerschaltung, einem Schalttastverhältnisfaktor, der ein Verhältnis eines Eingeschaltet-Zustands des ersten Schaltelements zu einem Eingeschaltet/Ausgeschaltet-Zyklus des ersten Schaltelements darstellt, einem Drosselspulenstrom, der in der Drosselspule fließt, einem Wicklungsblindwiderstand des Motors und einer Drehzahl des Motors berechnet wird,
P: Leistungsverbrauch Vdc: Eingangsspannung BDuty: Schalttastverhältnisfaktor des Schaltelements Idc: Drosselspulenstrom Lm: Motorwicklungs-Drosselspule N: Motordrehzahl.
Verfahren zur Berechnung des Leistungsverbrauchs für die Motorantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Leistungsverbrauch berechnet wird, indem der Leistungsverbrauch der Motorantriebsvorrichtung, der in der Gleichung (a) berechnet wurde, mit einem Wirkungsgrad des Gleichrichters/Wechselrichters multipliziert wird.
Steuerverfahren für die Motorantriebsvorrichtung unter Verwendung des Verfahrens zur Berechnung des Leistungsverbrauchs nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Leistungssteuerung durchgeführt wird, indem eine Rückmeldung des Leistungsverbrauchs der Motorantriebsvorrichtung an einen Automatik-Controller durchgeführt wird.
Steuerverfahren für eine Motorantriebsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um eine in eine Gleichspannungswandlerschaltung eingegebene Eingangsspannung durch die Gleichspannungswandlerschaltung abwärts zu transformieren, wobei die Gleichspannungswandlerschaltung eine Reihenschaltung aus einem ersten Schaltelement, das ein mit einer positiven Spannungsseite der eingegebenen Gleichspannung verbundenes Ende aufweist, und einer Drosselspule mit einem Ende, das mit dem anderen Ende des ersten Schaltelements verbunden ist, und ein zweites Schaltelement enthält, das zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des ersten Schaltelements und dem einen Ende der Drosselspule und einer negativen Spannungsseite der Eingangsspannung angeordnet ist, um eine von der Gleichspannungswandlerschaltung ausgegebene Gleichstromleistung durch Betreiben eines Gleichrichters/Wechselrichters mit einer Leitung für 120 Grad in Wechselstromleistung zur Ausgabe an einen Motor umzusetzen, und um eine Anstiegsspannung, die beim Kommutieren des Gleichrichters/Wechselrichters erzeugt wird, durch eine Diode, welche zu der Reihenschaltung gegenparallel geschaltet ist, an die Eingangsspannung zu klemmen, wobei das Steuerverfahren umfasst, dass: ein Strombefehlswert durch die nachstehenden Gleichungen (b) oder (c) aus der Eingangsspannung an die Gleichspannungswandlerschaltung, einem Schalttastverhältnisfaktor, der ein Verhältnis eines Eingeschaltet-Zustands des ersten Schaltelements zu einem Eingeschaltet/Ausgeschaltet-Zyklus des ersten Schaltelements darstellt, einem Drosselspulenstrom, der in der Drosselspule fließt, einem Wicklungs-Blindwiderstand des Motors, einer Drehzahl des Motors, einem Leistungsverbrauchs-Befehlswert der Motorantriebsvorrichtung und einem Wirkungsgrad des Gleichrichters/Wechselrichters berechnet wird, und eine Leistungssteuerung unter Verwendung dieses Strombefehlswerts durchgeführt wird,
Vdc: Eingangsspannung BDuty: Schalttastverhältnisfaktor des Schaltelements Idc: Drosselspulenstrom L_m: Motorwicklungs-Drosselspule N: Motordrehzahl Idc^ref: Strombefehlswert P^ref: Leistungsverbrauchs-Befehlswert η: Wirkungsgrad des Gleichrichters/Wechselrichters.