DE112013006976T5 - Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors - Google Patents

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Ryo Yokozutsumi
Hisanori Yamasaki
Sho KATO
Haruyuki Kometani
Kenta Kaneko
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Abstract

Eine Steuereinheit umfasst eine Eingangssignalerzeugungseinheit 11, die ein Eingangssignal an eine Wechselrichterschaltung ausgibt, und eine Spannungsvektorerzeugungseinheit 8, die einen Spannungsbefehl an die Eingangssignalerzeugungseinheit 11 ausgibt auf der Grundlage eines Drehmomentbefehls PTR von einem Host, einer Rotationsgeschwindigkeit FM eines elektrischen Wechselstrommotors und eines Gleichspannungswerts EFC, der der Wechselrichterschaltung bereitsgestellt wird. Die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 berechnet auf der Grundlage einer Modulationsrate, die ein Verhältnis des Gleichspannungswerts EFC und eines Spannungsamplitudenbefehls im Spannungsbefehl bildet, eine PWM-Stromverzerrungsrate, die als Kennziffer dient, die einen Grad einer Stromoberwelle, die durch die PWM Steuerung erzeugt wird, repräsentiert, erzeugt den Spannungsamplitudensollwert auf der Grundlage der berechneten PWM-Stromverzerrungsrate, und gibt den Spannungsamplitudensollwert an die Eingangssignalerzeugungseinheit aus.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors.
  • Hintergrund
  • Als Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors gemäß der herkömmlichen Technologie offenbart beispielsweise die nachstehend beschriebene Patentliteratur 1, die eine Steuereinheit eines Elektrofahrzeugs beschreibt, eine Technologie zur Berechnung, gemäß einem Drehmomentsollwert, eines ersten Magnetflusssollwerts zur Minimierung eines Verlusts des elektrischen Wechselstrommotors und eines zweiten Magnetflusssollwerts, der ein Magnetflusssollwert bei der Steuerung des elektrischen Wechselstrommotors in einem 1-Pulsmodus ist, zur Berechnung einer Summe eines Verlusts des elektrischen Wechselstrommotors und eines Verlusts einer Hauptschaltung im Fall einer Steuerung mit dem ersten Magnetflusssollwert und einer Summe eines Verlusts des elektrischen Wechselstrommotors und eines Verlusts der Hauptschaltung im Fall einer Steuerung mit dem zweiten Magnetflusssollwert, und zum Auswählen des Magnetflusssollwerts entsprechend einer kleineren Summe der Verluste.
  • Es ist zu beachten, dass zusätzlich zur Patentliteratur 1 die nachstehend beschriebenen Patentliteraturen 2 bis 4 und die Nicht-Patentliteratur 1 und dergleichen auch öffentlich bekannte Literaturen sind, die Technologien betreffend die Steuerung des elektrischen Wechselstrommotors offenbaren (der hier im Nachstehenden, wie geeignet, erforderlichenfalls als „elektrischer Motor“ bezeichnet wird). Auf diese Literaturen wird, wie geeignet, in den nachstehend erläuterten Ausführungsformen Bezug genommen.
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanisches Patent Nr. 4956611
    • Patentliteratur 2: Japanisches Patent Nr. 2654118
    • Patentliteratur 3: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. H11-285299
    • Patentliteratur 4: Japanisches Patent Nr. 2566021
  • Nicht-Patentliteratur
  • Nicht-Patentliteratur 1: Hidehiko Sugimoto "Theory and Practical Design of an AC Servo System" Sogo Denshi Shuppan 1990
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Obwohl gemäß der herkömmlichen Technologie eine Grundwellenverlustcharakteristik des elektrischen Motors berücksichtigt wurde, wird ein Oberwellenverlust aufgrund einer PWM(Pulsweitenmodulations)-Steuerung jedoch nicht berücksichtigt. Daher besteht ein Bedarf zur Verbesserung, um einen Verlust des elektrischen Motors zu reduzieren.
  • Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Obigen gemacht und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinheit für einen elektrischen Wechselstrommotor vorzusehen, die eine weitere Reduktion eines Verlusts eines elektrischen Motors ermöglicht.
  • Lösung des Problems
  • Um die oben angegebenen Probleme zu lösen, ist eine Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung so konstruiert, dass sie umfasst: eine Wechselrichterschaltung, die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung wandelt und die Wechselstromleistung einem elektrischen Wechselstrommotor bereitstellt; eine Gleichspannungserfassungseinheit, die einen Gleichspannungswert erfasst, der der Wechselrichterschaltung bereitgestellt wird; eine Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Rotationsgeschwindigkeit des elektrischen Wechselstrommotors erfasst; eine elektrische Motorstromerfassungseinheit, die einen Wechselstromwert erfasst, der von der Wechselrichterschaltung dem elektrischen Wechselstrommotor bereitgestellt wird; eine Eingangssignalerzeugungseinheit, die ein Eingangssignal an die Wechselrichterschaltung ausgibt; und eine Spannungsvektorerzeugungseinheit, die einen Spannungsbefehl an die Eingangssignalerzeugungseinheit ausgibt auf der Grundlage eines Drehmomentbefehls einer übergeordneten Einheit, der Rotationsgeschwindigkeit, des Gleichspannungswerts und des Wechselstromwerts. Die Spannungsvektorerzeugungseinheit berechnet auf der Grundlage einer Modulationsrate, die ein Verhältnis des Gleichspannungswertes und eines Spannungsamplitudensollwertes im Spannungsbefehl bildet, eine PWM-Stromverzerrungsrate, die als Kennziffer dient, die einen Grad einer Stromoberwelle, die durch die PWM-Steuerung erzeugt wird, repräsentiert, erzeugt den Spannungsamplitudensollwert auf der Grundlage der berechneten PWM-Stromverzerrungsrate, und gibt den Spannungsamplitudensollwert an die Eingangssignalerzeugungseinheit aus.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es einen Effekt, dass es möglich ist, einen Verlust eines elektrischen Motors weiter zu reduzieren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm, das die Auslegung eines elektrischen Gleichstromfahrzeugantriebssystems zeigt, das eine Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors gemäß einer ersten Ausführungsform beinhaltet.
  • 2 ist ein Diagramm, das die detaillierten Auslegungen einer Wechselrichterschaltung und einer Eingangssignalerzeugungseinheit in der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 3-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle und einer Trägerwelle in einem asynchronen Modus eines Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 3-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im asynchronen Modus des Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 4-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle und einer Trägerwelle in einem synchronen Multipulsmodus des Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 4-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im synchronen Multipulsmodus des Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 5-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle und einer Trägerwelle in einem synchronen 3‘-Pulsmodus des Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 5-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im synchronen 3‘-Pulsmodus des Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 6-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle und einer Trägerwelle in einem synchronen 1-Pulsmodus des Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 6-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im synchronen 1-Pulsmodus des Zwei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 7 ist ein Diagramm, das die detaillierte Auslegung einer Spannungsvektorerzeugungseinheit in der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 8 ist eine Kennliniendarstellung, in der PWM-Stromverhältnisse in jeweiligen Pulsmodi geschätzt werden.
  • 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik zeigt, die in einer PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit in der ersten Ausführungsform implementiert wird.
  • 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Grundwellenverlustcharakteristik zeigt, die in einer Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit implementiert wird.
  • 11 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Grundwellenverlustcharakteristik zeigt, die in der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit implementiert wird.
  • 12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Charakteristik eines Drehmomentbefehls PTR, der dem elektrischen Wechselstrommotor erteilt wird, gegenüber der Geschwindigkeit zeigt.
  • 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Gesamtverlustcharakteristik zeigt, die einen PWM Oberwellenstrom im elektrischen Wechselstrommotor berücksichtigt.
  • 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel (im Fall einer geringen Last) der Gesamtverlustcharakteristik zeigt, die den PWM Oberwellenstrom im elektrischen Wechselstrommotor berücksichtigt.
  • 15 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsergebnis eines elektrischen Motorverlusts in der ersten Ausführungsform und eines elektrischen Motorverlusts in einem Vergleichsbeispiel zeigt.
  • 16 ist ein Diagramm, das die Auslegung einer Spannungsvektorerzeugungseinheit zeigt, die im Vergleichsbeispiel verwendet wird.
  • 17 ist ein Diagramm, das die detaillierten Auslegungen einer Wechselrichterschaltung und einer Eingangssignalerzeugungseinheit in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 18-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle für drei Pegel und einer Trägerwelle für drei Pegel in einem asynchronen Modus eines Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 18-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im asynchronen Modus des Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 19-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle für drei Pegel und einer Trägerwelle für drei Pegel in einem synchronen 15-Pulsmodus des Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 19-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im synchronen 15-Pulsmodus des Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 20-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle für drei Pegel und einer Trägerwelle für drei Pegel in einem synchronen 1‘-Pulsmodus (eine Modulationsrate ist 90 %) des Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 20-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im synchronen 1‘-Pulsmodus (die Modulationsrate ist 90 %) des Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 21-1 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer modulierten Welle für drei Pegel und einer Trägerwelle für drei Pegel im synchronen 1‘-Pulsmodus (die Modulationsrate ist 100 %) des Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 21-2 ist ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform im synchronen 1‘-Pulsmodus (die Modulationsrate ist 100 %) des Drei-Pegel-Wechselrichters zeigt.
  • 22 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik zeigt, die in einer PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit in der zweiten Ausführungsform implementiert wird.
  • 23 ist ein Diagramm, das die Auslegung eines elektrischen Wechselstromfahrzeugantriebssystems zeigt, das eine Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors gemäß einer dritten Ausführungsform beinhaltet.
  • 24 ist ein Diagramm, das die detaillierten Auslegungen einer Wechselrichterschaltung und einer Eingangssignalerzeugungseinheit in der dritten Ausführungsform zeigt.
  • 25 ist ein Diagramm, das die detaillierte Auslegung einer Spannungsvektorerzeugungseinheit in der dritten Ausführungsform zeigt.
  • 26 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Gleichspannnung, einer Modulationsrate und einer PWM-Stromverzerrungsrate während des Fahrens mit variabler Geschwindigkeit mit einer hohen Leistung in der dritten Ausführungsform zeigt.
  • 27 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Gleichspannnung, einer Modulationsrate und einer PWM-Stromverzerrungsrate im Fall des Fahrens mit variabler Geschwindigkeit unter einer niedrigen Leistungsbedingung in der dritten Ausführungsform zeigt.
  • 28 ist ein Diagramm, das die Auslegung einer Spannungsvektorerzeugungseinheit in einer vierten Ausführungsform zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Im Nachstehenden werden Beispiele von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehend erläuterten Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 ist ein Diagramm, das die Auslegung eines elektrischen Gleichstromfahrzeugantriebssystems zeigt, das eine Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Wie in 1 gezeigt, beinhaltet das elektrische Gleichstromfahrzeugantriebssystem gemäß der ersten Ausführungsform einen elektrischen Wechselstrommotor (z.B. einen elektrischen Induktionsmotor oder einen elektrischen Synchronmotor) 1, der ein Drehmoment als Leistung eines elektrischen Fahrzeugs erzeugt, eine Geschwindigkeitserfassungseinheit 9, die die Rotationsgeschwindigkeit FM des elektrischen Wechselstrommotors 1 misst, eine Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3a, die aus einer Oberleitung, einem Stromabnehmer, einem Filterkondensator und dergleichen ausgelegt wird, eine Gleichspannungserfassungseinheit 4, die einen Gleichspannungswert EFC der Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3a erfasst, eine Wechselrichterschaltung 7, die auf der Grundlage eines Steuersignals (eines Eingangssignals Sw_i) von einer Eingangssignalerzeugungseinheit 11, die nachstehend erläutert wird, Gleichstromleistung von der Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3a in Wechselstromleistung wandelt und die Wechselstromleistung dem elektrischen Wechselstrommotor 1 bereitstellt, eine elektrische Motorstromerfassungseinheit 13, die Wechselstromwerte Iu, Iv und Iw für den elektrischen Wechselstrommotor 1 erfasst, die aus der Wechselrichterschaltung 7 ausgegeben werden, eine Drehmomentsollwerterzeugungseinheit 10, die einen Sollwert eines Drehmoments (hier im Nachstehenden als „Drehmomentsollwert PTR“ bezeichnet) erzeugt, der vom elektrischen Wechselstrommotor 1 zu erzeugen ist, auf der Grundlage von Steuerbefehlsinformationen der Lenkradbetätigung oder dergleichen eines Fahrers in einem Fahrersitz und den Drehmomentsollwert PTR ausgibt, und eine Spannungsvektorerzeugungseinheit 8, die der Drehmomentsollwerterzeugungseinheit 10 untergeordnet bereitgestellt wird und einen Spannungsbefehl V* erzeugt, der Elemente beinhaltet wie einen Modulationsratenbefehl, einen Phasenwinkelbefehl und einen Frequenzbefehl, auf der Grundlage des Drehmomentsollwerts PTR von der Drehmomentsollwerterzeugungseinheit 10, der Wechselstromwerte Iu, Iv und Iw von der elektrischen Motorstromerfassungseinheit 13, der Rotationsgeschwindigkeit FM von der Geschwindigkeitserfassungseinheit 9 und des Gleichspannungswerts EFC von der Gleichspannungserfassungseinheit 4 und den Spannungsbefehl V* an die Eingangssignalerzeugungseinheit 11 ausgibt. Es ist zu beachten, dass die detaillierten Auslegungen der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 und der Eingangssignalerzeugungseinheit 11 im Nachstehenden erläutert werden.
  • 2 ist ein Diagramm, das die detaillierten Auslegungen der Wechselrichterschaltung 7 und der Eingangssignalerzeugungseinheit 11 in der ersten Ausführungsform zeigt.
  • In 2 ist die Wechselrichterschaltung 7 ein Beispiel eines Zwei-Pegel-Wechselrichters. In der Wechselrichterschaltung 7 werden sechs Halbleiterschaltelemente Su, Sv, Sw, Sx, Sy und Sz bereitgestellt. Zwei der Halbleiterschaltelemente sind in Serie verbunden. Brückenschaltungen mit jeweils einem Zwischenpotenzial, das das Potenzial an einem Verbindungsende der Halbleiterschaltelemente ist, als Ausgangsspannungen werden als äquivalente Anzahl von Ausgangsphasen bereitgestellt. Um Drei-Phasen-Ausgangsspannungen Vu, Vv und Vw zu erhalten, sind in 2 eine u-Phasenbrücke mit Schaltern Su und Sx, eine v-Phasenbrücke mit Schaltern Sv und Sy sowie eine w-Phasenbrücke mit Schaltern Sw und Sz ausgelegt. Der Betrieb der Eingangssignalerzeugungseinheit 11 wird im Nachstehenden erläutert, wobei das Augenmerk auf den Betrieb der Schalter Su und Sx der u-Phasenbrücke gelegt wird.
  • Die Eingangssignalerzeugungseinheit 11 beinhaltet eine Modulationsmodusauswahleinheit 21, eine modulierte Wellenerzeugungseinheit 22, eine Trägerwellenerzeugungseinheit 23 und eine Vergleichseinheit 24. In dieser Eingangssignalerzeugungseinheit 11 erzeugt die modulierte Wellenerzeugungseinheit 22 eine modulierte Welle auf der Grundlage des Spannungsbefehls V*, der von der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 ausgegeben wird. Die modulierte Welle wird in die Vergleichseinheit 24 zusammen mit einer Trägerwelle eingegeben, die von der Trägerwellenerzeugungseinheit 23 ausgegeben wird. Es ist zu beachten, dass Beispiele der modulierten Welle und der Trägerwelle in 3-1 gezeigt sind.
  • Die modulierte Welle ist ein Wellenformsignal, das durch Standardisieren einer Befehlswellenform einer Ausgangsspannung mit der Gleichspannung EFC der Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit erhalten wird, um ein Eingangssignal zu erzeugen. Die modulierte Welle zeigt αu, αv und αw an, die durch die im Nachstehenden beschriebenen Formeln berechnet werden, gemäß einem Ausgang der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8. PMF = 2 / π· |V|* / EFC (1.1)
    Figure DE112013006976T5_0002
  • In den obigen Formeln repräsentiert PMF einen Modulationsratenbefehl. Die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 berechnet den Modulationsratenbefehl PMF auf der Grundlage eines Amplitudensollwerts |V|* der Drei-Phasen-Ausgangsspannungen der Wechselrichterschaltung und des Gleichspannungswerts EFC der Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3a. θ* repräsentiert einen Referenzphasenwinkel der Drei-Phasen-Ausgangsspannungen. Es ist zu beachten, dass sich der Referenzphasenwinkel θ* mit höherer Geschwindigkeit ändert, wenn ein Betriebsfrequenzbefehl höher ist.
  • Die Vergleichseinheit 24 vergleicht die Trägerwelle und die modulierte Welle und gibt ein Eingangssignal aus, um zu steuern: (i) falls die modulierte Welle > die Trägerwelle, ein oberes Element: EIN und ein unteres Element: AUS, und (ii) falls die modulierte Welle < die Trägerwelle, das obere Element: AUS und das untere Element: EIN.
  • Das obere Element entspricht Su im Fall der u Phase und das untere Element entspricht Sx im Fall der u Phase. Ein Beispiel einer Ausgangsspannung, die ausgegeben wird, wenn das auf diese Weise erhaltene Eingangssignal in die Schaltelemente der Wechselrichterhauptschaltung eingegeben wird, ist in 3-2 gezeigt.
  • In 3-2 wird als Ausgangsspannung des Zwei-Pegel-Wechselrichters ein Wert von 0 oder eine Gleichstromleistungsversorgungsspannung Ed gemäß dem EIN/AUS Betrieb des oberen Elements und des unteren Elements ausgegeben (hier im Nachstehenden als „oberes und unteres Element“ bezeichnet). (*Es ist zu beachten: in dieser Erläuterung wird angenommen, dass ein Spannungsabfall der Elemente sehr klein ist und vernachlässigt wird). Es ist zu beachten, dass in 2 Signalleitungen, die den drei Phasen entsprechen, als eine Leitung gesammelt und gezeigt werden. Die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 gibt jedoch Signale der jeweiligen drei Phasen aus. Die modulierten Wellenerzeugungseinheit 22, die Trägerwellenerzeugungseinheit 23 und die Vergleichseinheit 24 nehmen auch arithmetische Operationen der jeweiligen drei Phasen vor. Betreffend die v Phase und die w Phase werden Wellenformen ausgegeben, die jeweils um 120 Grad und 240 Grad unter einem elektrischen Winkel gegenüber den in 3-1 und 3-2 gezeigten Wellenformen verschoben sind.
  • Die modulierte Wellenerzeugungseinheit 22 und die Trägerwellenerzeugungseinheit 23 schalten eine Wellenform der modulierten Welle oder der Trägerwelle mit Bezugnahme auf ein Modulationsmodusauswahlsignal von der Modulationsmodusauswahleinheit 21 um. Die Eingangssignalerzeugungseinheit 11 hat beispielsweise Modulationsmodi, die im Nachstehenden erläutert werden, und Schalter und betreibt die Modi gemäß einem Spannungsbefehl (einer Betriebsbedingung für eine Drei-Phasen-Wechselstromlast). Im Allgemeinen wird gemäß einer Erhöhung einer modulierten Wellenfrequenz (einer Betriebsfrequenz einer Wechselstromlast) eine Operation zum Wechseln von (1) auf (3) und (4) vorgenommen.
  • (1) Asynchroner Modus (siehe Fig. 3-1 und Fig. 3-2)
  • Ein asynchroner Modus ist ein Modus zum Einstellen der Trägerwelle beispielsweise auf einige hundert Hertz und Ausgeben der Trägerwelle unabhängig und asynchron mit der modulierten Welle.
  • (2) Synchroner Multiphasenmodus (siehe Fig. 4-1 und Fig. 4-2)
  • Ein synchroner Multiphasenmodus ist ein Modus zum Festlegen, unter einer Bedingung, dass eine modulierte Wellenfrequenz (eine Betriebsfrequenz einer Wechselstromlast) hoch ist, eines Verhältnisses einer modulierten Wellenfrequenz und einer Trägerwellenfrequenz, um eine Verzerrung einer Ausgangsspannungswellenform zu unterdrücken und jede der ausgegebenen Wellenformen zu synchronisieren. Um eine Pulswellenform eines PWM Modulationsergebnisses zu einer positiven/negativen Symmetrie und einen elektrischen Winkel zu einer 180 Grad Symmetrie zu bringen, wird im Allgemeinen die Trägerwelle mit der modulierten Welle so synchronisiert, dass die Trägerwelle auch im positiven/negativen Zentrum ist und die modulierte Welle an einem positiven/negativen Zentrumspunkt (elektrischer Winkel 0, 180 Grad Zeitpunkt) der modulierten Welle überlappt, wie in 3-2 gezeigt.
  • (3) Synchroner 3-Pulsmodus (einschließlich 3-Strich-(auch einfach als „3‘-“ bezeichnet)Pulsmodus; siehe Fig. 5-1 und Fig. 5-2)
  • Ein synchroner 3-Pulsmodus ist ein Modus für einen glatten Übergang der Ausgangsspannungsamplitude der Wechselrichterhauptschaltung auf ein Maximum. Für einen glatten Übergang des Modulationsmodus vom synchronen Multipulsmodus zu einem 1-Pulsmodus (einem maximalen Spannungsmodus), der im nächsten Absatz erläutert wird, werden eine dedizierte modulierte Welle und eine dedizierte Trägerwelle ausgegeben.
  • (4) Synchroner 1-Pulsmodus (siehe Fig. 6-1 und Fig. 6-2)
  • Ein synchroner 1-Pulsmodus ist ein maximaler Spannungsmodus zum Durchführen eines Schaltens nur unter jedem elektrischen Winkel von 180 Grad. Falls der Modulationsratenbefehl PMF auf 100 % im 3‘-Pulsmodus in (3) eingestellt wird, ist eine Form der modulierten Welle und der Trägerwelle der 1-Pulsmodus.
  • Es ist zu beachten, dass (1) eine Technologie ist, die auch in der oben beschriebenen Nicht-Patentliteratur 1 beschrieben wird. (2) ist eine angewandte Technologie von (1). (3) und (4) sind hingegen Technologien, die in der oben beschriebenen Patentliteratur 2 offenbart werden. Eine modulierte Welle, die von der modulierten Welle, die durch die oben beschriebene Formel (1.2) angedeutet ist, verschieden ist, und eine Trägerwelle, die keine Dreieckwelle ist, werden ausgegeben.
  • Eine in 5-1 gezeigte Wellenform wird zusätzlich erläutert. In 5-1 werden die modulierte Welle (eine Wellenform einer dicken durchgehenden Linie) und die Trägerwelle (eine Wellenform einer dicken gestrichelten Linie) wie folgt beschrieben.
  • Die modulierte Welle (die u Phase): eine Rechteckwelle, deren Positiv und Negativ unter dem Spannungsphasenwinkelbefehl θ* = 0, 180 Grad umgeschaltet werden und deren Amplitude der Modulationsratenbefehl PMF ist.
  • Die Trägerwelle (die u Phase): eine Wellenform, die mit der folgenden Formel übereinstimmt.
    Figure DE112013006976T5_0003
  • Ein Hintergrund des Schaltens der modulierten Welle und der Trägerwelle, wie durch (1) bis (4) angezeigt, gemäß der modulierten Wellenfrequenz (der Betriebsfrequenz der Wechselstromlast) wird zusätzlich erläutert.
  • Wenn eine Drei-Phasen-Wechselstromlast bei einer niedrigen Frequenz angetrieben wird, in der Situation von (1), in der die Trägerwelle beispielsweise auf einige hundert Hertz eingestellt ist, ist es möglich, eine gewünschte Ausgangsspannungswellenform der PWM Modulation zu erhalten und eine Last gleichmäßig anzutreiben. Wenn jedoch die Drei-Phasen-Wechselstromlast beispielsweise der elektrische Wechselstrommotor 1 in dieser Ausführungsform ist und der elektrische Wechselstrommotor 1 eine Beschleunigungsoperation vornimmt, nimmt die Trägerwelle (die Dreieckwelle) in einem Zyklus der modulierten Welle, das heißt die Anzahl von Schaltungen, relativ ab. In diesem Fall wird die Symmetrie der Ausgangsspannungswellenform gestört und ein Steuerfehler und eine Pulsation einer Ausgangsspannung treten auf. Falls ein Frequenzbefehl (der Frequenzbefehl wird im Nachstehenden erläutert) von der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 eine bestimmte Schwelle überschreitet, wird hier der Modulationsmodus zum Modus von (2) (dem synchronen Multipulsmodus) gewechselt, um die Trägerwelle mit der modulierten Welle zu synchronisieren.
  • Wenn im Modus von (2) ein Verhältnis der Trägerwelle und der modulierten Welle (die Trägerwelle/die modulierte Welle) festgelegt ist, steigt die Frequenz der Trägerwelle in einem höheren Geschwindigkeitsbereich weiter an. In diesem Fall besteht ein Nachteil, dass ein Schaltverlust der Wechselrichterschaltung 7 erhöht wird und die Kühlung einer Vorrichtung erschwert ist. Daher wird die Frequenz der Trägerwelle reduziert, während die Trägerwelle und die modulierte Welle synchronisiert gehalten werden, aber eine ultimative Form davon ist der synchrone 3‘-Pulsmodus und der 1-Pulsmodus.
  • Neben der Begrenzung der Trägerwellenfrequenz aufgrund des oben erläuterten Schaltverlusts hat der synchrone 1-Pulsmodus ferner die Bedeutung, dass der synchrone 1-Pulsmodus bereitgestellt wird, um den Betrieb fortzusetzen, während eine Einschränkung erfüllt wird, dass der Betrieb mit einer Spannung vorgenommen wird, die auf eine maximale Spannung festgelegt ist, die die Wechselrichterschaltung ausgeben kann.
  • Als Nächstes wird die Erzeugungsverarbeitung für einen Spannungsvektor auf der Grundlage eines Stromverzerrungsbetriebs erläutert, der eine der Charakteristiken der ersten Ausführungsform ist. 7 ist ein Diagramm, das die detaillierte Auslegung der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 zeigt. Die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 beinhaltet eine PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31, eine Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32, eine Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34, eine Magnetflussbefehl-für-1-Puls-(hier im Nachstehenden als „IP“ abgekürzt)Erzeugungseinheit 35, eine untergeordnete Auswahleinheit 36 und eine Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37.
  • Die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 ist eine Verarbeitungseinheit, die auf der Grundlage der Rotationsgeschwindigkeit FM vom elektrischen Wechselstrommotor 1, des Drehmomentbefehls PTR von einer übergeordneten Einheit und eines Magnetflussbefehls F2R_3 von der Endstufe (in einem in 7 gezeigten Beispiel der untergeordneten Auswahleinheit 36), einen Sollwert einer Spannung berechnet, die dem elektrischen Wechselstrommotor 1 bereitgestellt werden sollte. Die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 kann unter Verwendung der herkömmlichen Technologie in Bezug auf die Vektorsteuerung des elektrischen Wechselstrommotors ausgelegt werden, die in der oben beschriebenen Nicht-Patentliteratur 1 beschrieben wird.
  • Es ist zu beachten, dass die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 in der ersten Ausführungsform als Spannungsbefehl V* einen Phasenwinkelbefehl θ*, der Phasenwinkelinformationen des Spannungsbefehls V* darstellt, einen Frequenzbefehl ωinv*, der Frequenzinformationen des Spannungsbefehls V* darstellt, einen Modulationsratenbefehl α*, der Amplitudeninformationen des Spannungsbefehls V* darstellt, und dergleichen an die Eingangssignalerzeugungseinheit 11 ausgibt. Es ist zu beachten, dass die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 anstelle des Modulationsratenbefehls α* die Modulationsrate PMF, die in der oben beschriebenen Formel (1.1) erläutert wird, an die Eingangssignalerzeugungseinheit 11 ausgeben kann.
  • Die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31, die Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 und die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 assoziieren miteinander zum Zweck der Minimierung eines Verlusts des elektrischen Wechselstrommotors 1 und berechnen einen optimalen Magnetflussbefehl F2R_2 (Details des Prinzips davon werden im Nachstehenden erläutert) gemäß einer Grundwellenfrequenz Finv des Wechselrichters, dem Drehmomentbefehl PTR und der eingegebenen Gleichspannung EFC.
  • Die Magnetflussbefehl-für-1P-Erzeugungseinheit 35 ist eine Verarbeitungseinheit, die beispielsweise unter Verwendung der Technologie ausgelegt ist, die in der oben beschriebenen Patentliteratur 3 beschrieben wird, und berechnet invers einen Magnetflussbefehl F2R_1 zum Einstellen des Ergebnisses PMF der Modulationsratenberechnung in der oben beschriebenen Formel (1.1) auf das Maximum „1“, das heißt eine 180 Grad Erregung, und gibt den Magnetflussbefehl F2R_1 aus.
  • Die untergeordnete Auswahleinheit 36 wählt einen Magnetflusssollwert mit einem kleineren Wert des Magnetflussbefehls F2R_2 aus der Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 und des oberen Grenzmagnetflusses F2R_1 aus der Magnetflussbefehl-für-1P-Erzeugungseinheit 35 aus (der auch eine obere Grenzspannung ist, die die Wechselrichterschaltung 7 ausgeben kann), und gibt den Magnetflusssollwert an die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 als Magnetflussbefehl F2R_3 in der Endstufe aus. Wenn versucht wird, den elektrischen Wechselstrommotor 1 mit dem Magnetflussbefehl F2R_2, der nur die Bedingung zur Minimierung eines Verlusts berücksichtigt, unter einer Bedingung mit hoher Geschwindigkeit und großer Leistung im elektrischen Wechselstrommotor 1 zu betreiben, überschreitet eine Ausgangsspannung die obere Grenzspannung, die die Wechselrichterschaltung 7 ausgeben kann. Der elektrische Wechselstrommotor 1 schaltet in einen Betriebsbereich, in dem die Modulationsrate 1 überschreitet, und es wird schwer, einen stabilen Betrieb fortzusetzen. Wenn hingegen die untergeordnete Auswahleinheit 36 den oberen Grenzmagnetfluss F2R_1 auswählt, der auf die Ausgangsspannungsmaximalbedingung festgelegt ist (die Modulationsrate 1), wird es ermöglicht, einen stabilen Betrieb sogar unter der Bedingung mit hoher Geschwindigkeit und großer Leistung fortzusetzen.
  • Ein Berechnungsverfahren für den Magnetflussbefehl F2R_2 durch die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31, die Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 und die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 wird erläutert.
  • 8 ist eine Kennliniendarstellung, in der PWM-Stromverzerrungsraten in den jeweiligen Pulsmodi geschätzt werden. Die PWM-Stromverzerrungsraten sind Kennziffern, die Pegel (Grade) von Stromoberwellen repräsentieren, die von der PWM-Steuerung erzeugt werden. Die Kennliniendarstellung von 8 zeigt, wie sich eine PWM-Stromverzerrungsrate, die erhalten wird, wenn der elektrische Induktionsmotor von der Wechselrichterschaltung angetrieben wird, in Bezug auf den Modulationsratenbefehl PWM ändert. Es ist zu beachten, dass in 8 die Modulationsmodi drei nachstehend beschriebene Modi sind.
    (2)-a: synchroner 9-Pulsmodus
    (2)-b: synchroner 15-Pulsmodus
    (3): synchroner 3‘-Pulsmodus
  • Um Charakteristiken zu haben, die erhalten werden, wenn der Modulationsratenbefehl PMF bei einer festgelegten Rotationsgeschwindigkeit geändert wird, wird eine Wechselrichterfrequenz auf 50 Hertz gesetzt (ein elektrischer Winkel). Die „PWM-Stromverzerrungsrate“, die durch die Ordinate repräsentiert wird, ist ein pu Wert einer Quadratsumme einer Stromoberwelle (eines Stromverzerrungsmaßes, das eine Kennziffer ist, die einen Grad der Stromoberwelle repräsentiert), die erhalten wird, wenn die PWM Steuerung in jedem der Modi vorgenommen wird. Es ist zu beachten, dass verschiedene Arten einer Steuerung, die im Nachstehenden beschrieben werden, unter Verwendung eines Werts vorgenommen werden können, der nicht der pu Wert ist, d.h. eines „PWM-Stromverzerrungsmaßes“.
  • Wie im Vorstehenden erläutert, ist im synchronen 3‘-Pulsmodus von (3) ein Zustand, in dem die Modulationsrate das Maximum 1 ist, der 1-Pulsmodus von (4). Es ist zu beachten, dass, wenn im Allgemeinen die Modulationsrate 0,75 oder weniger ist, sich der Modulationmodus zum asynchronen Modus von (1) verschiebt. Da die Verschiebung zum asynchronen Modus jedoch mit der Berechnungsverarbeitung für die PWM-Stromverzerrungsrate in der ersten Ausführungsform nicht zusammenhängt, wird eine Erläuterung weggelassen.
  • Aus 8 ist ersichtlich, dass in einem Bereich, in dem der Modulationsratenbefehl PMF 0,9 oder weniger ist, da eine Stromwelligkeit kleiner ist, wenn die Anzahl von Schaltungen größer ist, die PWM-Stromverzerrungsrate kleiner gemacht wird. Wenn die PWM-Stromverzerrungsrate und die Stromwelligkeit kleiner sind, kann ein Oberwellenverlust im elektrischen Wechselstrommotor 1 reduziert werden, und magnetostriktiver Schall und eine Drehmomentwelligkeit sinken ebenfalls. Daher wird eine bevorzugtere Betriebscharakteristik erhalten. Falls die Anzahl von Schaltungen jedoch übermäßig erhöht wird, nimmt ein Schaltverlust der Wechselrichterschaltung 7 zu. Daher besteht eine Konstruktionseinschränkung, dass es notwendig ist, einen Pulsmodus zu bestimmen, wobei die Leistung eines Kühlers der Wechselrichterschaltung 7 berücksichtigt wird. Wenn in diesem Fall die Ausbildung zur Reduktion eines Elementverlusts unter Verwendung eines Halbleiters mit einer breiten Lücke wie SiC möglich ist, wird diese Pulsmodusbeschränkung gelockert, und so kann ein Pulsmodus mit einer größeren Anzahl von Pulsen verwendet werden und die PWM-Stromverzerrung kann reduziert werden. Als Ergebnis, wie in 8 gezeigt, besteht ein Effekt, dass es leicht gemacht wird, eine Einstellung für gleichmäßige verbindende Verzerrungsratencharakteristiken bis zur maximalen Modulationsrate von 1 vorzunehmen.
  • Wenn die Modulationsrate hingegen 0,9 überschreitet, tritt eine sogenannte Übermodulation auf, wobei ein Peak der modulierten Welle einen Trägerwellenpeak überschreitet. Wenn beispielsweise eine Trägerwelle und eine modulierte Welle für den 9-Pulsmodus verglichen werden, verschwindet die Schaltzeit in der Nähe des modulierten Wellenpeaks, die Anzahl von Pulsen wird herabgesetzt und die Anzahl von Pulsen pro einem Zyklus eines elektrischen Winkels einer Spannung sinkt allmählich von 9. Das Gleiche gilt, wenn die Trägerwelle eine Trägerwelle für den 15-Pulsmodus ist. Die Anzahl von Pulsen sinkt gemäß einer Erhöhung der Modulationsrate auf 0,9 oder mehr. Auf diese Weise nähert sich die Spannungswellenform allmählich dem 3‘-Pulsmodus. Daher nähern sich auch die Stromwellenform und die PWM-Stromverzerrungsrate allmählich dem 3‘-Pulsmodus. Dies ist der Grund, warum sich die PWM-Stromverzerrungsraten in den jeweiligen Pulsmodi dem 3‘-Pulsmodus bei der Modulationsrate von 0,94 bis 0,97 in 8 nähern.
  • Daher wird in der ersten Ausführungsform das Schalten des Pulsmodus in einem Zustand durchgeführt, in dem die PWM-Stromverzerrungsraten in den jeweiligen Pulsmodi gleich oder ausreichend klein sind. Wenn beispielsweise der synchrone 9-Pulsmodus verwendet wird, wird ein Schalten zum synchronen 3‘-Pulsmodus in der Nähe der Modulationsrate von 94 % vorgenommen. Wenn der synchrone 15-Pulsmodus verwendbar ist, wird das Schalten zum synchronen 3‘-Pulsmodus in der Nähe der Modulationsrate von 97 % vorgenommen. Demgemäß ist es in jedem der auswählbaren PWM Modi möglich, das Modusschalten gleichmäßig durchzuführen. Die PWM-Stromverzerrungsrate des synchronen 3‘-Pulsmodus hat einen Minimalpunkt in der Nähe der Modulationsrate von 0,97. In der ersten Ausführungsform wird diese Charakteristik, wie im Nachstehenden erläutert, effektiv verwendet.
  • 9 ist hingegen ein Diagramm (ein Graph), worin die PWM-Stromverzerrungsrate, die erhalten wird, wenn der Pulsmodus vom 15-Pulsmodus zum 1-Pulsmodus geschaltet wird, wie im Vorstehenden erläutert, ohne eine Unstetigkeit zu verursachen, für jede der Wechselrichtergrundwellenfrequenzen beschrieben wird (≡ Rotationsgeschwindigkeit). Unter einer Bedingung eines festgelegten Grundwellenstroms sind die PWM-Stromverzerrungsraten bei Rotationsgeschwindigkeiten von 50, 100 und 200 Hertz gezeigt. Die Impedanz des elektrischen Wechselstrommotors beinhaltet eine Induktivitätskomponente und eine Widerstandskomponente. Bei einer hohen Frequenz herrscht jedoch die Induktivitätskomponente vor. Daher ist eine Stromoberwelle niedriger, wenn eine Frequenz höher ist. Aus 9 ist ersichtlich, obwohl ein Punkt, wo das PWM-Stromverzerrungsmaß das Minimum ist, in der Nähe der Modulationsrate von 97 % vorliegt, wie in 8, dass, wenn die Frequenz steigt und die Stromoberwelle und das PWM-Stromverzerrungsmaß insgesamt abnehmen, eine Wendungscharakteristik des PWM-Stromverzerrungsmaßes weniger auffällig wird.
  • Daher werden in der ersten Ausführungsform beispielsweise eine Charakteristik der in 9 gezeigten PWM-Stromverzerrungsrate unter einer repräsentativen Frequenzbedingung aus der Spannungswellenform in jedem der Pulsmodi, die von der Wechselrichterschaltung 7 ausgegeben werden, und die Impedanzcharakteristik des elektrischen Wechselstrommotors 1 berechnet und in der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 implementiert. Die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 berechnet das PWM-Stromverzerrungsmaß gemäß der Frequenz erneut auf der Grundlage der Wechselrichtergrundwellenfrequenz und gibt das PWM-Stromverzerrungsmaß an die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 aus, die im Nachstehenden erläutert wird.
  • Ein spezifisches Rechenbeispiel und ein spezifisches Implementierungsbeispiel der PWM-Stromverzerrungsrate werden erläutert. Zuerst wird eine Beziehung zwischen einer Summe TH_1 von Stromoberwellen und einer Summe von Spannungsoberwellen angenommen, wie durch die folgende Formel angezeigt.
    Figure DE112013006976T5_0004
  • Bedeutungen von Zeichen in der obigen Formel sind wie im Nachstehenden beschrieben.
    • Ih(k):
    eine Komponente k-ter Ordnung eines Phasenstroms eines elektrischen Motorstroms
    Vh(k):
    eine Komponente k-ter Ordnung einer Phasenspannung
    ω:
    eine Wechselrichtergrundwellenfrequenz
    σLs:
    Verlustinduktivität des elektrischen Wechselstrommotors
  • Es ist zu beachten, dass die obige Formel (1.4) eine näherungsweise Berechnungsformel ist, die eine Widerstandskomponente in einer Impedanzkomponente einer Oberwelle vernachlässigt und einen linearen Festwert betreffend auch die Impedanzkomponente ergibt. In der Form einer Quadratsumme einer Oberwelle eines elektrischen Stroms kann jedoch die Beziehung mit einer Oberwellenkomponente einer Spannung näherungsweise beschrieben werden.
  • Wie in 4-2, 5-2 und 6-2 gezeigt, wird bei der synchronen PWM die PWM Spannungswellenform durch das Modulationsverfahren (den Pulsmodus) und die Modulationsrate besonders bestimmt. Das heißt, eine Oberwellenverteilung in einer Spannung (ein Abschnitt von X in der obigen Formel (1.4) entspricht der Oberwellenverteilung) wird durch den Pulsmodus und die Modulationsrate besonders bestimmt.
  • Ferner wird ein Verwendungsbereich des Pulsmodus gemäß der Modulationsrate geteilt, wie im Vorstehenden erläutert. Daher ist in der ersten Ausführungsform X nur eine Kennliniendarstellung in Bezug auf die Modulationsrate und kann leicht aufgezeichnet werden.
  • Demgemäß implementiert die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 eine PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik gegenüber der Modulationsrate in dem Teil von X als X(PMF), gewandelt in eine Karte oder gewandelt in eine Nährungsfunktion. Die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 teilt X(PMF) durch ein Quadrat der Verlustinduktivität und ein Quadrat der Wechselrichtergrundwellenfrequenz, um eine Quadratsumme eines Oberwellenstroms als Quadratsumme des PWM Oberwellenstroms während des Betriebs einfach zu berechnen, und gibt die Quadratsumme als PWM-Stromverzerrungsausmaß TH_1, bezogen auf die PWM-Stromverzerrungsrate, aus.
  • Die obige Erläuterung ist eine Erläuterung betreffend den Betrieb der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31, bezogen auf die PWM-Stromverzerrungsrate und die Modulationsrate. Der Betrieb der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 wird im Nachstehenden erläutert. Zuerst sind als Technologie zum Betreiben des elektrischen Wechselstrommotors 1 mit hoher Effizienz die Patentliteratur 1 und dergleichen bekannt, die im Abschnitt des Hintergrunds erläutert werden.
  • Die Patentliteratur 1 ist eine Literatur, die eine Technologie zur Änderung der Größe eines Magnetflusses gemäß dem Drehmoment offenbart, um einen nutzlosen Erregungskomponentenstrom zu reduzieren und einen Grundwellenverlust zu reduzieren. 10 und 11 sind Darstellungen zur Erläuterung einer Übersicht über diese Technologie. Die Beziehung zwischen einer Modulationsrate und einem elektrischen Motorgrundwellenverlust unter einer spezifischen Geschwindigkeitsbedingung wird schematisch dargestellt.
  • Es besteht eine Beziehung, die durch die im Nachstehenden beschriebenen Formeln angedeutet wird, zwischen einer Stromgröße (einem Drehmomentkomponentenstrom und einem Erregungskomponentenstrom), bezogen auf das Drehmoment, und einer Verlustkomponente (einen primären Kupferverlust, einen sekundären Kupferverlust und einen Eisenverlust), bezogen auf den elektrischen Motorgrundwellenverlust. Drehmoment ∞ Magnetfluss × Drehmomentkomponentenstrom ∞ Erregungskomponentenstrom × Drehmomentkomponentenstrom (1.5)
    Figure DE112013006976T5_0005
  • Wie aus der Beziehung der obigen zwei Formeln verständlich ist, liegt eine Stromvektorbedingung zur Minimierung des elektrischen Motorgrundwellenverlusts bei einer vorherbestimmten Drehmomentbedingung vor. Im Fall einer qualitativen Erläuterung ist es möglich, den elektrischen Motorgrundwellenverlust durch das Optimieren eines Stromverhältnisses einer Erregungskomponente und einer Drehmomentkomponente zu reduzieren, die ein vorherbestimmtes Drehmoment ausgibt, und durch das Unterdrücken eines nutzlosen Drehmomentkomponentenstroms. Es ist zu beachten, dass der Eisenverlust auch eine Frequenzabhängigkeit neben der Größe des Magnetflusses aufweist und eine komplizierte Charakteristik hat. Es ist jedoch möglich, Maßnahmen zu treffen, die von dieser Anmeldung beabsichtigt werden, indem eine Magnetflussbedingung berechnet wird, die eine Verlustminimierungsbedingung ist, wobei das Augenmerk auf der Erregungskomponentenstromabhängigkeit an jeweiligen Betriebspunkten liegt.
  • In 10 und 11 repräsentiert die Abszisse die Modulationsrate PMF (eine Komponente proportional zu einer Eingangsspannung des elektrischen Wechselstrommotors). Die Modulationsrate PMF ist im Wesentlichen proportional zu einem Magnetfluss x Geschwindigkeit. Das heißt, unter einer bestimmten festgelegten spezifischen Geschwindigkeitsbedingung können die Zahlen, da die Modulationsrate PMF proportional zu einem Erregungskomponentenstrom ist, so angesehen werden, dass sie Charakteristiken des elektrischen Motorgrundwellenverlusts unter jeweiligen Drehmomentbedingungen repräsentieren, wobei der Erregungskomponentenstrom auf der Abszisse aufgetragen ist. Es ist ersichtlich, dass eine optimale Bedingung für den Erregungskomponentenstrom zur Minimierung des elektrischen Motorgrundwellenverlusts für jedes Drehmoment vorliegt. Wenn jedoch die Geschwindigkeit als Betriebsbedingung und ein gewünschter Drehmomentbefehl groß sind, falls versucht wird, einen Erregungskomponentenstrom zur Erfüllung einer Grundwellenverlust-Minimalbedingung zu erhalten, wie eine Verlustminimalbedingung (a) einer Drehmoment-100 %-Bedingung in 11, wird eine Induktionsspannung des elektrischen Motors übermäßig groß und überschreitet eine Bedingung einer Spannung, die von der Wechselrichterschaltung 7 ausgegeben werden kann, und es gibt einen Zustand, in dem ein Betrieb unmöglich ist. In diesem Fall wird, wie im Vorstehenden erläutert, zum Magnetflussbefehl F2R_1 geschaltet, um eine Ausgangsspannungs-Maximalbedingung festzulegen (die Modulationsrate PMF = 1, (a‘) Punkt in 11), gemäß der Aktion der Magnetflussbefehl-für-1P-Erzeugungseinheit und der untergeordneten Auswahleinheit 36 in der Post-Stufe. Obwohl dies von der Grundwellenverlust-Minimalbedingung abweicht, besteht in diesem Fall ein Vorteil, dass ein stabiler Betrieb fortgesetzt werden kann.
  • Die erste Ausführungsform kann realisiert werden durch das Berechnen der in 10 und 11 gezeigten Charakteristiken aus einer Drehmomentbefehlsbedingung, einer Geschwindigkeitsbedingung, einer Schaltungskonstante des elektrischen Wechselstrommotors 1 und dergleichen und durch das Implementieren der Charakteristiken in der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32.
  • Die Verarbeitung zur Berechnung des optimalen Magnetflusses F2R_2 in der Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 unter Verwendung der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 und der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 wird erläutert.
  • Sowohl die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik in 9, die in der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 implementiert ist, als auch die Grundwellenverlustcharakteristik in 10 und 11, die in der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 implementiert wird, werden implementiert, wobei die Modulationsrate auf der Abszisse aufgetragen wird, das heißt, in einer Form, in der die Charakteristiken im Wesentlichen proportional sind zum Erregungskomponentenstrom. Im Allgemeinen wird zur Minimierung eines Grundwellenverlusts häufig ein Gesamtverlust beschrieben, wobei ein Magnetflusskomponentenstrom oder ein Magnetfluss auf der Abszisse aufgetragen wird, um eine optimale Magnetflussgröße zu berechnen. Der Gesamtverlust wird jedoch erneut beschrieben, wobei die Modulationsrate auf der Abszisse aufgetragen wird, unter Verwendung des relationalen Ausdrucks (siehe die nachstehende Formel), der als [Math 4] in der oben beschriebenen Patentliteratur 1 und der oben beschriebenen Formel (1.1) beschrieben wird.
    Figure DE112013006976T5_0006
  • Die in der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 implementierte Charakteristik ist eine Charakteristik aufgrund eines PWM Modus, der aus der Kühlausbildung und dergleichen der Wechselrichterschaltung 7 bestimmt wird. Die in der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 implementierte Charakteristik ist eine Charakteristik aufgrund des elektrischen Wechselstrommotors 1. Durch die Beschreibung der Charakteristiken auf einer gemeinsamen Abszisse und mit einem gemeinsamen Argument und durch die Implementierung der Charakteristiken wird es jedoch ermöglicht, Ausgänge beider von der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 und der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 an die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 auszugeben. Die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34, in die die Ausgänge eingegeben werden, berechnet mit einer Verarbeitungsoperation, die eine im Nachstehenden erläuterte Annahme beinhaltet, einen Gesamtverlustwert, der einen PWM Oberwellenstrom im elektrischen Wechselstrommotor 1 berücksichtigt, der in 13 und 14 gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass TH_1 eine Dimension eines Quadrats eines elektrischen Stroms aufweist, wie durch die oben beschriebene Formel (1.4) angzeigt.
    Figure DE112013006976T5_0007
    Figure DE112013006976T5_0008
  • Es ist zu beachten, dass k1 und k2 in der obigen Formel beispielsweise wie durch die folgende Formel angezeigt gesetzt werden können. k1 = (Drehmomentkomponentenstrom2)/(Erregungskomponentenstrom2 + Drehmomentstrom2) k2 = (Erregungskomponentenstrom2)/(Erregungskomponentenstrom2 + Drehmomentstrom2) (1.9)
  • Ursprünglich ist eine genaue Beschreibung des Eisenverlusts extrem kompliziert. Insbesondere weil eine genaue Beschreibung einer Lösung von k2 schwierig ist, ist eine optimale Bedingungsüberwachung auf der Kupferverlustseite möglich, auch wenn k2 experimentell bestimmt wird, wobei beispielsweise ein Grad des Einflusses des Eisenverlusts auf den Gesamtverlust berücksichtigt wird oder als k2 = 0 eingestellt wird unter der Annahme, dass der Einfluss des Oberwellenverlusts vernachlässigt werden kann.
  • Es ist zu beachten, dass Summierungsergebnisse der PWM Oberwellenverlustcharakteristik und der elektrischen Motorgrundwellenverlustcharakteristik bei Geschwindigkeiten von 50, 100, 150 und 200 Hertz jeweils unter einer Ausgangsbedingung des Drehmoments von 100 % in 13 und unter einer Ausgangsbedingung des Drehmoments von 50 % (einer geringen Last) in 14 gezeigt werden. In jeder der Charakteristiken werden Verlustminimalbedingungspunkte bei jeder Betriebsgeschwindigkeit durch weiße Kreiszeichen „O“ angezeigt und Bedingungen von Frequenzen werden zu den Zeichen hinzugefügt.
  • Das „Drehmoment 100 %“ und das „Drehmoment 50 %“ werden zusätzlich erläutert. 12 ist ein Beispiel einer Charakteristik eines Drehmomentbefehls PTR, der dem elektrischen Wechselstrommotor erteilt wird, der einer Vektorsteuerung unterworfen wird, gegenüber der Geschwindigkeit. Das „Drehmoment 100 %“ involviert in dieser Beschreibung die Charakteristik des Drehmomentbefehls PTR gegenüber der Geschwindigkeit, die in 12 gezeigt wird, und wird gemäß Geschwindigkeits-(Grundwellenfrequenz-)Bedingungen ausgegeben oder als Steuerbefehl erteilt. Im Allgemeinen wird (a) das „Drehmoment 100 %“ als festgelegtes Drehmoment in einem Bereich mit niedriger Geschwindigkeit gleich der oder niedriger als die Nenngeschwindigkeit (ein Bereich mit konstantem Drehmoment) angegeben, und (b) wird das Drehmoment mit einer Charakteristik umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit in einem Geschwindigkeitsbereich in der Nähe der Nenngeschwindigkeit angegeben. Das heißt, ein Maschinenausgang (ein Produkt von Drehmoment und Geschwindigkeit) des elektrischen Wechselstrommotors in (b) ist festgelegt, und (b) wird als konstanter Ausgangsbereich bezeichnet. In einem Bereich mit hoher Geschwindigkeit (c) ist eine Ausgangsgrenzcharakteristik des Drehmoments eine Charakteristik umgekehrt proportional zu einem Quadrat der Geschwindigkeit aus einer Beziehung zwischen einer Gleichstromeingangsspannung der Wechselrichterschaltung 7 und einer Schaltungskonstante des elektrischen Wechselstrommotors. Daher wird die Charakteristik umgekehrt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit manchmal angegeben, um eine stabile Drehmomentsteuerung zu realisieren. Es ist zu beachten, dass in dieser Beschreibung eine Charakteristik von 50 % Drehmoment als Charakteristik angenommen wird, die durch die einfache Reduktion eines Drehmomentwerts auf die Hälfte in allen Geschwindigkeitsbereichen in Bezug auf die oben erläuterte 100 % Leistung erhalten wird. Ein Verfahren zum Angeben eines Drehmomentbefehls in einem Bereich einer maximalen Leistung oder darunter ist jedoch in Abhängigkeit von Verwendungen verschieden.
  • In den in 10 und 11 gezeigten Grundwellenverlustcharakteristiken sind ein optimaler Magnetfluss und eine optimale Modulationsrate zur Minimierung eines Verlusts gemäß Drehmoment- und Geschwindigkeits-(Frequenz-)Bedingungen vorhanden. Andererseits hat, wie in 9 gezeigt, die PWM-Stromverzerrungsrate eine Charakteristik, dass die PWM-Stromverzerrungsrate in der Nähe der Modulationsrate von 97 % das Minimum ist. Daher kann in 13 und 14, in denen ein Verlust (W) auf der Ordinate der in 10 und 11 gezeigten Grundwellenverlustcharakteristiken mit einem „Koeffizienten“ unter Verwendung der PWM-Stromverzerrungsrate multipliziert wird, eine Modulationsrate, die weiter zur 97 % Seite der Modulationsrate verschoben ist als eine Modulationsratenbedingung eines Grundwellenverlustminimums, als Minimalbedingung eines kombinierten Gesamtverlusts eines Grundwellenverlusts und eines Oberwellenverlusts berechnet werden. In diesem Fall sinkt eine Stromverzerrung, die den PWM Oberwellenverlust verursacht, bei einer höheren Frequenz gemäß einer Erhöhung einer elektrischen Motorimpedanz, wie durch eine Mehrzahl von Frequenzbedingungen in 9 angezeigt. Daher ist der „Koeffizient“ in einem Bereich mit höherer Geschwindigkeit kleiner. Eine Magnetflussgröße, die mehr gewichtet ist, für eine Reduktion im Grundwellenverlust wird als optimaler Magnetfluss berechnet.
  • Wenn jedoch versucht wird, die Wechselrichterschaltung 7 direkt unter Verwendung des optimalen Magnetflusses F2R_2 zu treiben, der von der Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 erhalten wird, wird insbesondere in einem Bereich mit hoher Geschwindigkeit und unter einer großen Drehmomentbedingung ein Spannungsamplitudensollwert gleich der oder größer als die Spannung, die die Wechselrichterschaltung 7 ausgeben kann, (gleich der oder größer als die Modulationsrate 1), als Spannungsamplitudensollwert ausgegeben. Eine Antriebsbedingung des elektrischen Wechselstrommotors 1 fällt mit einer befohlenen Antriebsbedingung nicht zusammen, und ein Steuerfehler tritt in der Drehmomentsteuerung selbst auf. Ein Teil dieser Situation ist in 13 gezeigt. In 13 sind unter Bedingungen eines Drehmomentausgangs von 100 % und einer Frequenz von 200 Hz, um eine elektrische Motorverlustminimalbedingung zu erhalten, ein Magnetfluss und eine Modulationsrate in der Figur (a-200 Hz) notwendig. Werte des Magnetflusses und der Modulationsrate können jedoch nicht unter einer Bedingung in der Wechselrichterschaltung 7 ausgegeben werden.
  • Daher wird, wie oben erläutert, ein kleinerer Wert des minimalen Magnetflusses F2R_2, der der Ausgang der Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 ist, und des Magnetflussbefehls F2R_1, der der Ausgang der Magnetflussbefehl-für-1P-Erzeugungseinheit 35 ist, von der untergeordneten Auswahleinheit 36 ausgewählt und dann in die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 eingegeben. Demgemäß wird es ermöglicht, den Betrieb fortzusetzen, während die Verlustminimalbedingung und die Bedingung der Spannung gleichmäßig umgeschaltet werden, die von der Wechselrichterschaltung 7 ausgegeben werden kann. Spezifisch wird im Fall von 13 ein Betriebspunkt im Magnetfluss F2R_1 der 1-Pulsbedingung durch (a‘-200 Hz) angezeigt. Wenn beispielsweise eine Beschleunigung von der elektrischen Winkelfrequenz von 150 Hertz beim Drehmoment von 100 % vorgenommen wird, wird der Betrieb mit der Modulationsrate und der Magnetflussbedingung fortgesetzt, die auf die Modulationsrate und die Magnetflussbedingung des 1-Pulsbetriebs gewechselt werden, die obere Ausgangsgrenzwerte sind, so dass (a-150 Hz) → (a‘-200 Hz) anstatt (a-150 Hz) → (a-200 Hz), während die Verlustminimalbedingung in einem Bereich gehalten wird, in dem die Wechselrichterschaltung 7 eine Spannung ausgeben kann.
  • In 15 ist ein Vergleichsergebnis eines elektrischen Motorverlusts in der ersten Ausführungsform und eines elektrischen Motorverlusts in einem Vergleichsbeispiel gezeigt. Das Vergleichsbeispiel ist eine Form, in der die Auslegung der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 und die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 in 16 nicht beinhaltet. Es wird angenommen, dass die Modulationsmodusauswahleinheit 21 in der Eingangssignalerzeugungseinheit 11 eine Steuerung vor Vornahme der PWM Modusauwahl zur Priorisierung der Kleinheit der Anzahl von Modusschaltungen über die PWM Verzerrungsgröße vornimmt.
  • 15(a) zeigt eine Beziehung zwischen einer Wechselrichterfrequenz und einer Modulationsrate, die erhalten wird, wenn der elektrische Motor unter der Drehmoment-100 %-Bedingung beschleunigt wird. 15(b) zeigt eine Beziehung zwischen der Wechselrichterfrequenz und einer PWM-Stromverzerrungsrate. Im Vergleichsbeispiel wird der Pulsmodus vom asynchronen PWM Modus zum 3-Pulsmodus bei einer niedrigeren Frequenz gewechselt als in der ersten Ausführungsform. Daher steigt die PWM-Stromverzerrungsrate schrittweise in der Nähe einer Schaltfrequenz (in diesem Beispiel 58 Hertz). Andererseits ist es in der ersten Ausführungsform beispielsweise möglich, wie in 8 gezeigt, die PWM-Stromverzerrungsrate durch den Wechsel des Pulsmodus wie (2)-b → (3) niedrig zu halten und einen PWM Verlust, magnetostriktiven Schall und dergleichen zu unterdrücken, die vom elektrischen Motor verursacht werden, indem der Modus gewechselt wird, um sich nicht plötzlich zu ändern.
  • Im Vergleichsbeispiel erreicht als Ergebnis der Berücksichtigung nur einer Reduktion eines Grundwellenverlusts die Modulationsrate 100 % bei einer niedrigeren Frequenz. Andererseits weil in der ersten Ausführungsform der elektrische Motor betrieben wird, indem ein Magnetflussbefehl ausgewählt wird, der nicht nur den Grundwellenverlust, sondern auch einen Oberwellenverlust aus einer Stromverzerrung aufgrund der PWM berücksichtigt. Daher wird der elektrische Motor bei einer Modulationsrate betrieben, die geringfügig niedriger ist als die Modulationsrate des Betriebs im Vergleichsbeispiel. In 15(c) werden ein elektrischer Motorverlust im Vergleichsbeispiel und ein elektrischer Motorverlust in der ersten Ausführungsform unter einer Frequenzbedingung verglichen, dass die Modulationsrate von 100 % im Betrieb des Vergleichsbeispiels ausgewählt wird. Insbesonderen werden Details des Grundwellenverlusts und des PWM Oberwellenverlusts gezeigt.
  • Wenn die erste Ausführungsform und das Vergleichsbeispiel verglichen werden, wird in der ersten Ausführungsform der elektrische Motor gemäß dem Magnetflussbefehl betrieben, der eine Verlustsumme berücksichtigt, die den Oberwellenverlust aufgrund der PWM berücksichtigt. Als Ergebnis ist, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel, in dem der elektrische Motor unter Berücksichtigung nur der Reduktion des Grundwellenverlusts betrieben wird, obwohl der Grundwellenverlust selbst geringfügig ansteigt, eine Summe von Verlusten kleiner als eine Summe von Verlusten im Vergleichsbeispiel. Als Ergebnis ist es in der ersten Ausführungsform möglich, einen Betrieb mit größerer Energieeinsparung vorzunehmen als im Vergleichsbeispiel.
  • Wie oben erläutert, wird mit der Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors gemäß der ersten Ausführungsform der Spannungsamplitudensollwert auf der Grundlage der Modulationsrate erzeugt, die das Verhältnis des Gleichspannungswerts und des Spannungsamplitudensollwerts im Spannungsbefehl ist, unter Verwendung der PWM-Stromverzerrungsrate, die als Kennziffer berechnet wird, die den Grad der von der PWM Steuerung erzeugten Stromoberwelle repräsentiert. Nachdem der Modulationsmodus (der PWM Pulsmodus) so ausgewählt wird, dass sich die PWM-Stromverzerrungsrate nicht plötzlich ändert, wird es daher ermöglicht, den elektrischen Motorverlust weiter zu reduzieren als in der Vergangenheit und einen Effekt zu erhalten, dass eine Energieeinsparung eines elektrischen Motorantriebssystems möglich ist.
  • Zweite Ausführungsform
  • 17 ist ein Diagramm, das die detaillierte Ausgestaltung einer Wechselrichterschaltung und einer Eingangssignalerzeugungseinheit in einer zweiten Ausführungsform zeigt. In der in 17 gezeigten Ausgestaltung werden Bezugszahlen und -eichen gleich wie jene der Komponenten in der in 2 gezeigten Ausführungsform verwendet und Indices „b“ oder „b1“ und „b2“ sind hinzugefügt.
  • In der ersten Ausführungsform ist die Wechselrichterschaltung 7 die in 2 gezeigte Zwei-Pegel-Schaltung. Bei einer Verwendung, bei der eine Leistungsversorgungsspannung eine hohe Spannung ist, wie in einer in 17 gezeigten Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3b, wird jedoch eine Wechselrichterschaltung häufig durch eine Drei-Pegel-Schaltung (einen Drei-Pegel-Wechselrichter) wie eine in der Figur gezeigte Wechselrichterschaltung 7b ausgeführt. Im Fall der Drei-Pegel-Schaltung werden zwölf Halbleiterschaltelemente bereitgestellt. Es ist zu beachten, dass, da die Auslegung (Elementanordnung) der Drei-Pegel-Schaltung öffentlich bekannt ist, eine Erläuterung der Auslegung weggelassen wird.
  • Im Fall der Drei-Pegel-Schaltung wird, da die Anzahl von Halbleiterschaltelementen zunimmt, eine Eingangssignalerzeugungseinheit 11b an drei Pegel angepasst. Daher werden als zweite Ausführungsform die Betriebe einer modulierten Wellenerzeugungseinheit 22b, einer Trägerwellenerzeugungseinheit 23b und einer Vergleichseinheit 24b erläutert, die in der Eingangssignalerzeugungseinheit 11b entsprechend der Drei-Pegel-Wechselrichterschaltung 7b bereitgestellt werden. Der Betrieb der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8b wird erläutert, die der Eingangssignalerzeugungseinheit 11b einen Spannungsbefehl V* erteilt.
  • 18-1, 19-1, 20-1 und 21-1 sind Darstellungen, die eine modulierte Welle für die drei Pegel, die von der modulierten Wellenerzeugungseinheit 22b ausgegeben werden, und eine Trägerwelle für drei Pegel, die von der Trägerwellenerzeugungseinheit 23b ausgegeben werden, zeigen. 18-2, 19-2, 20-2 und 21-2 zeigen Ausgangsspannungswellenformen, die durch das Einschalten beliebiger zwei Elemente und Ausschalten der verbleibenden zwei Elemente aus vier Schaltelementen pro einer Phase der Wechselrichterschaltung gemäß einem Amplitudenvergleichsergebnis der Trägerwelle und der modulierten Welle erhalten werden. Es ist zu beachten, dass der einfachen Erklärung halber nur eine Phase (eine U Phase) einer Wechselrichter-Drei-Phasen-Schaltung extrahiert und gezeigt wird.
  • Zuerst wird eine Schaltoperation der Drei-Pegel-Schaltung mit Bezugnahme auf 18-1 und 18-2 erläutert. Bei der Modulation von drei Pegeln werden zwei Wellenformen einer Trägerwelle (obere) und einer Trägerwelle (untere) als Trägerwelle ausgegeben. Die Trägerwelle (obere) ist eine Dreieckwelle mit einer Untergrenze „0“ und einer Obergrenze „1“. Die Trägerwelle (untere) ist eine Dreieckwelle mit einer Untergrenze „–1“ und einer Obergrenze „0“. Die Frequenz dieser Dreieckwellen ist eine sogenannte Trägerwellenfrequenz. Es ist zu beachten, dass in 18-1 die Dreieckwelle, die die Trägerwelle ist, mit der modulierten Welle asynchron ist, die als Spannungsbefehl an einen elektrischen Motor dient, der eine Wechselrichterlast ist.
  • Elemente, die wie in der folgenden Tabelle gezeigt einzuschalten sind, werden auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses der modulierten Welle und der beiden Trägerwellen (der Trägerwelle (obere) und der Trägerwelle (untere)) ausgewählt. Tabelle 1 Element EIN/AUS Bedingungen der Drei-Pegel-Schaltung (gezeigt in der U Phase)
    Modulierte Welle, Trägerwelle, Größenbeziehung Einzuschaltende Elemente (IGBT-leitend) Auszuschaltende Elemente (IGBT-nichtleitend)
    Trägerwelle (obere) < modulierte Welle Su1, Su2 Sx1, Sx2
    Trägerwelle (untere) ≤ modulierte Welle ≤ Trägerwelle (obere) Su2, Sx1 Su1, Sx2
    Modulierte Welle < Trägerwelle (untere) Sx1, Sx2 Su1, Su2
  • Wenn ein in Tabelle 1 gezeigtes Eingangssignal zur Steuerung der Halbleiterschaltelemente ausgegeben wird, wird eine in 18-2 gezeigte Spannungswellenform aus einem U Phasenausgangsanschluss (einem Verbindungspunkt von Su2 und Sx1) der Wechselrichterschaltung 7b ausgegeben.
  • 19-1 und 19-2 werden als synchroner 15-P-Modus veranschaulicht. Die Trägerwelle und die modulierte Welle werden synchronisiert und eine Trägerwellenfrequenz/eine modulierte Wellenfrequenz = 15 wird aufrechterhalten. Außerdem sind die Größenbeziehung zwischen der Trägerwelle und der modulierten Welle und eine Beziehung unter den einzuschaltenden Elementen äquivalent zu den in Tabelle 1 gezeigten Beziehungen.
  • Sowohl 20-1 als auch 21-1 zeigen die Trägerwelle und die modulierte Welle im 1-Strich-Modus (auch einfach als 1‘ bezeichnet). Grundsätzlich ist dies eine öffentlich bekannte Technologie, die in 2 und dergleichen der Patentliteratur 4 beschrieben wird. Es ist zu beachten, dass eine Berechnungsmethode für die Trägerwelle und die modulierte Welle, die in dieser Literatur offenbart wird, spezifisch wie in der folgenden Tabelle gezeigt beschrieben wird. Tabelle 2 Trägerwelle und modulierte Welle eines Drei-Pegel-1-Strich-Pulsmodus
    Spannungsbefehlsphasenwinkel θ* 0 ≤ θ* < 180[Grad] 180 ≤ θ* < 360[Grad]
    Modulierte Welle +PMF –PMF
    Trägerwelle (obere) +|cosθ*| 0
    Trägerwelle (untere) 0 –|cosθ*|
    (PMF: Modulationsrate [p.u] 0 ≤ PMF ≤ 1)
  • Wenn ein in Tabelle 2 gezeigtes Eingangssignal ausgegeben wird, um die Halbleiterschaltelemente zu steuern, werden in 20-1 und 21-2 gezeigte Spannungswellenformen als Wechselrichterausgangsspannungen (Ausgangsspannungen der Wechselrichterschaltung 7b) ausgegeben. Wenn der 1‘-Pulsmodus verwendet wird, ist es auf diese Weise möglich, eine Steuerung zum gleichmäßigen Übergang der Größe einer Spannung bis zur Modulationsrate 1 vorzunehmen.
  • Wie die Modulationsmodusauswahleinheit 21 in der ersten Ausführungsform schaltet eine Modulationsmodusauswahleinheit 21b (siehe 17) in der zweiten Ausführungsform den asynchronen PWM Modus, den synchronen 15-Pulsmodus und den synchronen 1‘-Pulsmodus so um, dass eine PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik gegenüber einer Modulationsrate gleichmäßig glatt ist. Ein Beispiel der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik gegenüber der Modulationsrate, die auf diese Weise erhalten wird, ist in 22 gezeigt.
  • Wenn in der Drei-Pegel-Schaltung ein Modus umgeschaltet wird, um die PWM-Stromverzerrungsrate stetig zu machen, wechselt eine minimale Verzerrungsratenbedingung zu einer geringfügig niedrigeren Modulationsrate und die Nähe der Modulationsrate 95 % wechselt zu einer PWM-Stromverzerrungsratenminimalbedingung. Verglichen mit 9, die die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik in der Zwei-Pegel-Schaltung zeigt, ist eine geringfügig niedrige Modulationsratenseite geeignet.
  • Daher wird in der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8b in der zweiten Ausführungsform 22, umgewandelt in eine Karte oder eine Nährungsfunktion, als PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31b implementiert. Ein Unterschied zwischen der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8 in der ersten Ausführungsform und der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8b in der zweiten Ausführungsform kann grundsätzlich nur als Unterschied der Charakteristiken angesehen werden, die in den PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheiten 31 und 31b gespeichert werden. Mit der Implementierung einer solchen PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik werden ein Magnetfluss und eine Modulationsrate berechnet, die eine elektrische Motorverlustminimalbedingung sind, die eine PWM Oberwelle berücksichtigt, wobei Charakteristiken der drei Pegel berücksichtigt werden. Es wird ermöglicht, einen Betrieb unter der elektrischen Motorverlustminimalbedingung vorzunehmen.
  • Auch wenn die Wechselrichterschaltung die Drei-Pegel-Auslegung ist, wird gemäß der oben erläuterten zweiten Ausführungsform, nachdem der Modulationsmodus (der PWM Pulsmodus) so ausgewählt wird, dass sich die PWM-Stromverzerrungsrate nicht plötzlich ändert, der elektrische Motor betrieben, während sequentiell die elektrische Motorminimalbedingung berechnet wird, die die PWM Oberwelle berücksichtigt. Demgemäß ist es möglich, einen elektrischen Motorverlust weiter zu reduzieren als in der Vergangenheit und einen Effekt zu erhalten, dass es möglich ist, eine Energieeinsparung eines elektrischen Motorantriebssystems vorzunehmen.
  • Dritte Ausführungsform
  • 23 ist ein Diagramm, das die Auslegung eines elektrischen Wechselstromfahrzeugantriebssystems zeigt, das eine Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors gemäß einer dritten Ausführungsform beinhaltet. 24 ist ein Diagramm, das die detaillierte Ausführung einer Wechselrichterschaltung und einer Eingangssignalerzeugungseinheit in der dritten Ausführungsform zeigt. Während die erste und zweite Ausführungsform das elektrische Gleichstromfahrzeugantriebssystem sind, das eine Leistungsbereitstellung von einem Gleichstromoberleitungsdraht empfängt, ist die dritte Ausführungsform das elektrische Wechselstromfahrzeugantriebssystem, das eine Leistungsbereitstellung von einem Wechselstromoberleitungsdraht empfängt. Es ist zu beachten, dass in den in 23 und 24 gezeigten Ausführungen Bezugszahlen und -zeichen gleich wie jene der in 17 und 18 gezeigten Komponenten verwendet werden und Indices „c“ oder „c1“ und „c2“ anstelle der Indices „b“ oder „b1“ und „b2“ verwendet werden.
  • Das elektrische Wechselstromfahrzeugantriebssystem unterscheidet sich dadurch von der ersten und zweiten Ausführungsform, wie in 23 gezeigt, dass elektrische Leistung von einer Wechselstromleistungsbereitstellungseinheit 2 empfangen wird und, nachdem eine Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlung von einer Wandlerschaltung 5 vorgenommen wird, Gleichstromleistung einer Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3c bereitgestellt wird.
  • Wenn im elektrischen Wechselstromfahrzeugantriebssystem die Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3c unter Verwendung der Wandlerschaltung 5 bereitgestellt wird, kann die Größe der Spannung der Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3c, das heißt, eine Eingangsspannung in eine Wechselrichterschaltung 7c, durch Steuerung eingestellt werden. Eine Wandlersteuerschaltung 6, die die Wandlerschaltung 5 steuert, erzeugt auf der Grundlage des Gleichspannungswerts EFC der Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3c, der von den Gleichspannungserfassungseinheiten 4c1 und 4c2 erfasst wird, einen Gleichspannungsbefehl ECR, der aus einer Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c ausgegeben wird, einen Spannungswert der Wechselstromleistungsbereitstellungseinheit 2 und einen Wechselstromeingangsstromwert in die Wandlerschaltung 5, EIN und AUS Signale zur Steuerung der Leitung von Halbleiterschaltelementen, die die Wandlerschaltung 5 auslegen. Demgemäß tritt eine Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandlungsoperation durch die Wandlerschaltung 5 auf. Der Gleichspannungswert EFC wird so gesteuert, dass er dem Gleichspannungsbefehl ECR folgt. Die Wechselrichterschaltung 7c wird unter Verwendung, als Eingang, der Spannung der Gleichstromleistungsbereitstellungseinheit 3c gesteuert, die auf diese Weise gehalten wird, und der elektrische Wechselstrommotor 1 wird angetrieben.
  • Die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c in der dritten Ausführungsform ist gleich wie die erste und zweite Ausführungsform darin, dass die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c einen Spannungsamplitudensollwert (der den Modulationsratenberechnungsausgang der oben beschriebenen Formel (1.1) beinhaltet) an eine Eingangssignalerzeugungseinheit 11c ausgibt, um die Wechselrichterschaltung 7c zu treiben. Die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c gibt jedoch den Gleichspannungssollwert ECR an die Wandlersteuerschaltung 6 in Verbindung mit dem obigen Betrieb aus. Der dazugehörige Betrieb wird im Nachstehenden erläutert.
  • 25 ist ein Diagramm, das die detaillierte Ausführung der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c zeigt. Die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c beinhaltet eine Gleichspannungssollwerterzeugungseinheit 30, die den Gleichspannungsbefehl ECR an die Wandlersteuerschaltung 6 ausgibt. Die Gleichspannungssollwerterzeugungseinheit 30 gibt, als Gleichspannungsbefehl ECR, über eine obere und untere Grenzeinheit 42, ECR_opt (der detaillierte Inhalt wird im Nachstehenden erläutert) aus, der von einer Zwischengleichspannungsbefehlserzeugungseinheit 41 erzeugt wird. Eine Gleichspannung, die die Wandlerschaltung 5 ausgeben kann, hat einen physikalischen oberen Grenzwert und einen physikalischen unteren Grenzwert. Daher beinhaltet im Allgemeinen die Gleichspannungssollwerterzeugungseinheit 30 die obere und untere Grenzeinheit 42. Es ist zu beachten, dass die Gleichspannung den oberen Grenzwert und den unteren Grenzwert aus im Nachstehenden erläuterten Gründen aufweist.
  • (i) Gleichspannungsbefehl ECR unterer Grenzwert
  • Im Fall eines in 24 gezeigten PWM Wandlers ist der Amplitudenpeak einer bereitgestellten Wechselspannung der untere Grenzwert der Gleichspannung, die ausgegeben werden kann. Der untere Grenzwert wird eingestellt, wobei auch eine Spanne zur Steuerung der Gleichspannung berücksichtigt wird.
  • (ii) Gleichspannungsbefehl ECR oberer Grenzwert
  • In Halbleiterelementen, die zur Auslegung einer Wandlerschaltung und einer Wechselrichterschaltung verwendet werden, wie in 24 gezeigt, besteht eine Stehspannungsobergrenze, um die Halbleiterelemente normal zu betreiben, ohne dass sie ausfallen. Der obere Grenzwert wird eingestellt, um die Grenze nicht zu überschreiten, und auch unter Berücksichtigung einer Spanne zur Steuerung.
  • In der dritten Ausführungsform kann, im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform, der Gleichspannungswert EFC, der der Eingang in die Wechselrichterschaltung 7c ist, durch die Wandlerschaltung 5 gesteuert werden, während die Einschränkung der Ober- und Untergrenze eingehalten wird. Daher wird die Steuerung des elektrischen Wechselstrommotors 1 unter Verwendung des Spielraums der Steuerung vorgenommen.
  • In der ersten und zweiten Ausführungsform wird sowohl die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31 als auch die Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32 zur Steuerung des elektrischen Wechselstrommotors 1 und der Wechselrichterschaltung 7 verwendet. In der dritten Ausführungsform wird jedoch eine Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c zur Steuerung der Wechselrichterschaltung 7c wie in der ersten und zweiten Ausführungsform verwendet, und eine PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31c wird zur Steuerung der Wandlerschaltung 5 verwendet, wobei auch ein Spielraum zum Einstellen einer Gleichspannung als Steuerziel genutzt wird.
  • Die Treibsteuerung der Wechselrichterschaltung 7c wird erläutert. In der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c, wie in 7 gezeigt, wird eine Grundwellenverlustcharakteristik gespeichert, wobei eine physikalische Größe (in 7 eine Modulationsrate) äquivalent zu einer (bezogen auf eine) Magnetflussgröße auf der Abszisse aufgetragen wird. Die Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c berechnet auf der Grundlage des Drehmomentbefehls PTR und eines Grundwellenfrequenzbefehls einer Spannung eine Magnetflussbedingung zur Minimierung eines Grundwellenverlusts und gibt die Magnetflussbedingung als F2R_2 aus.
  • Andererseits gibt eine Maximum-Magnetflussbefehlserzeugungseinheit 35 einen Magnetflusswert F2R_1 aus, mit dem eine Wechselrichtermodulationsrate das Maximum „1“ in einem oberen Grenzwert EFC_max einer Gleichspannung ist, die die Wandlerschaltung 5 steuern und ausgeben kann. Die untergeordnete Auswahleinheit 36 wählt einen unteren Wert (einen kleineren Wert) von F2R_1 und F2R_2 aus und gibt den Wert an die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 als Magnetflusssollwert F2R_3 in der Endstufe aus. Die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 berechnet auf der Grundlage des Magnetflusssollwerts F2R_3 den Drehmomentbefehl PTR, die elektrische Winkelrotationsgeschwindigkeit FM des elektrischen Wechselstrommotors und einen Schaltungskonstante des elektrischen Wechselstrommotors 1, einen Sollwert einer Drei-Phasen-Wechselspannung, der dem elektrischen Wechselstrommotor 1 bereitgestellt werden sollte. In diesem Fall wird ein Signal, das tatsächlich an die Eingangssignalerzeugungseinheit 11c ausgegeben wird, über die Berechnungsformel der Modulationsrate (oben beschriebene Formel (1.1)) ausgegeben. Ein Wert des Gleichspannungswerts EFC an diesem Punkt ist ein Wert, der tatsächlich ausgegeben und gemäß der Steuerung der Wandlerschaltung 5 bereitgestellt wird, spezifisch eine Summe von Ausgängen der Gleichspannungserfassungseinheiten 4c1 und 4c2. Der Wert wird als Modulationsrate verwendet.
  • Ein Zwischengleichspannungswert, der in der Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 verwendet wird, ist EFC, der ein Signal ist, das durch das Erfassen eines tatsächlichen Werts nach der Steuerung erhalten wird. Ein Eingangswert für die Maximum-Magnetflussbefehlserzeugungseinheit 35c zur Berechnung von F2R_1 ist ein oberer Steuergrenzwert ECR_max der Zwischengleichspannung. Als Zwischengleichspannungswert und Eingangswert werden jeweils verschiedene Werte verwendet, und dies ist eine Charakteristik, die in der ersten und zweiten Ausführungsform nicht vorliegt. Ein Effekt durch diese Charakteristik kann gemeinsam mit einem Steuerverfahren für die Wandlerschaltung 5 durch das Einstellen des im Nachstehenden erläuterten Wandlerspannungsbefehls ECR erläutert werden.
  • Die Zwischengleichspannungsbefehlserzeugungseinheit 41 berechnet einen Gleichspannungsbefehl ECR_1, wie durch die folgende Formel angezeigt, aus der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31c, die die Befehlsamplitude |V|* der Wechselspannung speichert, die dem elektrischen Wechselstrommotor bereitgestellt werden sollte, und die PWM-Stromverzerrungsrate im elektrischen Wechselstrommotor 1.
    Figure DE112013006976T5_0009
  • In der obigen Formel zeigt PMFopt eine Modulationsrate einer Bedingung zur Minimierung der PWM-Stromverzerrungsrate in der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristik an, die in der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31c gespeichert wird. Wie in der ersten und zweiten Ausführungsform erläutert, werden die in 9 oder 22 gezeigten Charakteristiken gemäß einer Form (der Zwei-Pegel-Schaltung oder der Drei-Pegel-Schaltung) der Wechselrichterschaltung 7 implementiert. Das heißt, die dritte Ausführungsform basiert auch auf der Voraussetzung, dass die Eingangssignalerzeugungseinheit 11c eine Auswahl und ein Schalten des Pulsmodus vornimmt, so dass die PWM-Stromverzerrungsrate nicht unstetig wird. Im Fall der dritten Ausführungsform, in der die Wechselrichterschaltung 7 die Drei-Pegel-Schaltung ist, wie in 24 veranschaulicht, wird die Eingangssignalerzeugungseinheit 11c auf der Grundlage von 22 betrieben.
  • Die in 22 gezeigten Charakteristiken können in der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31c implementiert werden. Die PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31c kann sequentiell die Verzerrungsraten-Minimum-Modulationsratenbedingung PMFopt auf der Grundlage des Spannungsfrequenzbefehls ωinv* berechnen, der von der Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 sequentiell ausgegeben wird. Andererseits hat, wie in 9 und 22 gezeigt, die PWM-Stromverzerrungsrate eine Charakteristik, dass die PWM-Stromverzerrungsrate das Minimum in der Nähe einer im Wesentlichen festgelegten Modulationsratenbedingung ist, ohne von einer Frequenz abhängig zu sein. Daher kann der Ausgang der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31c wie folgt vereinfacht werden:
    im Fall der beiden Pegel: festgelegt auf PMFopt = 0,97
    im Fall der drei Pegel: festgelegt auf PMFopt = 0,95
  • Die Befehlsamplitude |V|* in Formel (3.1) ist ein Amplitudensollwert, der auf der Grundlage des Magnetflussbefehls F2R_2 zur Minimierung eines Grundwellenverlusts berechnet wird, der von der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c des elektrischen Wechselstrommotors 1 abgeleitet wird, wie oben erläutert. Das heißt, unter der Voraussetzung, dass der Gleichspannungswert EFC auf ECR_opt der Formel (3.1) von der Wandlerschaltung 5 gesteuert wird, kann in dieser Ausführungsform eine Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37c, an die Eingangssignalerzeugungseinheit 11c und die Wechselrichterschaltung 7c, einen Sollwert ausgeben, der alle von einer minimalen Verzerrungsratenbedingung PMF_opt auf der Grundlage der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31c, dem optimalen Magnetflussbefehl F2R_2 auf der Grundlage der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c und der Spannungsamplitude |V|* in diesem Fall reflektiert.
  • Der Betrieb der Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c wurde hier im Vorstehenden erläutert. Spezifisch wird der Betrieb des gesamten Systems, der vorgenommen wird, wenn der elektrische Wechselstrommotor 1 von einer niedrigen Geschwindigkeit zu einer hohen Geschwindigkeit gemäß einem Drehmomentbefehl betrieben wird, der durch eine in 12 gezeigte Drehmoment-100 %-Leistungskurve angezeigt wird, mit Bezugnahme auf 26 erläutert. Es ist zu beachten, dass 26(a) den Gleichspannungswert EFC anzeigt, 26(b) die Modulationsrate PMF der Wechselrichterschaltung 7c anzeigt, und 26(c) die PWM-Stromverzerrungsrate im elektrischen Wechselstrommotor anzeigt. Es ist zu beachten, dass in den Figuren der Betrieb durch die dritte Ausführungsform mit einer durchgehenden Linie angezeigt wird, und der Betrieb durch die herkömmliche Technologie durch eine gestrichelte Linie angezeigt wird.
  • Wie oben erläutert, wird der Gleichspannungsbefehl ECR bestimmt, wobei er durch einen unteren Grenzwert ECR_min und einen oberen Grenzwert ECR_max begrenzt wird, die aus einer Hauptschaltungsausbildung in einer späteren Verarbeitung bestimmt werden, gegeben durch ECR_opt von Formel (3.1). Der Gleichspannungswert EFC folgt ECR gemäß der Steueroperation der Wandlersteuerschaltung 6 und der Wandlerschaltung 5. Daher werden Zustände von ECR und EFC in die folgenden drei Zustände geteilt. 26 wird gemäß der Teilung erläuert.
    • (1) Ein Bereich von EFC = ECR = ECR_min
    • (2) Ein Bereich von EFC = ECR = ECR_opt
    • (3) Ein Bereich von EFC = ECR = ECR_max
  • (1) Der Bereich von EFC = ECR = ECR_min
  • In diesem Bereich ist der Spannungsamplitudensollwert |V|* des elektrischen Wechselstrommotors für den niedrigen Geschwindigkeitsbereich klein und der aus der Formel (3.1) erhaltene ECR_opt ist kleiner als der untere Grenzwert ECR_min. Daher wird der elektrische Wechselstrommotor bei einer festgelegten Spannung gemäß dem ECR betrieben, der durch die obere und untere Grenzeinheit 42 auf einen unteren Grenzwert ECT_min begrenzt wird. Unter dieser Bedingung ist der Nenner in der Modulationsratenberechnung der Formel (1.1) in der Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 ein Festwert EFC_min, und der Amplitudensollwert |V|* nimmt gemäß der Geschwindigkeit zu. Daher erhöht sich die Modulationsrate PMF im Wesentlichen proportional zur Geschwindigkeit und einer Rotationsfrequenz in einem Bereich, in dem die Modulationsrate PMF niedriger ist als PMF_opt. Es ist zu beachten, dass, da EFC ≠ EFC_opt und PMF ≠ PMF_opt, eine Oberwellenverlustreduktion durch die PWM nicht berücksichtigt wird. Wenn jedoch die PWM Modusauswahlschaltung mit einer unterdrückten plötzlichen Änderung in der PWM-Stromverzerrungsrate vorgenommen wird, wie in dieser Anwendung, wie in 9 und 22 gezeigt, besteht in einem Bereich, wo die Modulationsrate niedriger ist als der PWM-Stromverzerrungsratenminimalbedingungspunkt PMF_opt, keine große Änderung in der PWM-Stromverzerrungsrate, und die Stromoberwelle bleibt klein. Daher ist es möglich, eine Erhöhung des PWM Oberwellenverlusts in der Praxis zu vermeiden. Es ist zu beachten, dass, wenn die PWM Auswahl einfach implementiert wird, wie in der herkömmlichen Technologie, wie in 26(c) gezeigt, eine plötzliche Änderung oder Erhöhung der Stromverzerrung verursacht wird und ein Oberwellenverlust auftritt.
  • (2) Der Bereich von EFC = ECR = ECR_opt
  • Der Bereich von (2) ist ein Betrieb, der eine größte Charakteristik der dritten Ausführungsform ist. Wie durch (2) in 26(b) angezeigt, ist es gemäß dem Prinzip der oben beschriebenen Formel (3.1) möglich, die Geschwindigkeit zu variieren, während die optimale Modulationsrate PMF_opt zur Unterdrückung der PWM Oberwelle des elektrischen Wechselstrommotors 1 aufrechterhalten wird. Der Gleichspannungswert EFC_opt, um dies zu erreichen, wird durch die Steuerung durch die Wandlerschaltung 5 erreicht. Demgemäß wird es ermöglicht, sowohl einen Grundwellenverlust als auch einen PWM Oberwellenverlust im elektrischen Wechselstrommotor 1 zu unterdrücken. Es ist zu beachten, dass in der herkömmlichen Technologie der Betrieb zur Priorisierung des Übergangs beispielsweise zur maximalen Modulationsrate von 100 % ohne Berücksichtigung der optimalen Modulationsrate PMF_opt vorgenommen wird. Daher erhöht sich der PWM Oberwellenverlust.
  • (3) Der Bereich von EFC = ECR = ECR_max
  • Aufgrund der hohen Geschwindigkeit oder des großen Lastdrehmoments ist in diesem Bereich der Spannungsamplitudensollwert |V|* des elektrischen Wechselstrommotors groß, und EFC_opt in Formel (3.1) ist größer als die Obergrenze ECR_max. Daher wird der elektrische Wechselstrommotor bei einer festgelegten Spannung gemäß dem Gleichspannungsbefehl ECR betrieben, der auf einen oberen Grenzwert ECT_max von der oberen und unteren Grenzeinheit 42 begrenzt wird. Unter dieser Bedingung ist in der Modulationsratenberechnung der Formel (1.1) in der Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 der Nenner der Festwert EFC_max und der Amplitudensollwert |V|* erhöht sich mit der Geschwindigkeit. Daher erhöht sich die Modulationsrate PMF abgesehen von einer PWM Verlustminimalbedingung PMR_opt.
  • Wenn jedoch die Modulationsrate PMF 1 erreicht, wird der elektrische Wechselstrommotor nicht die Modulationsrate PMF überschreitend betrieben. Der elektrische Wechselstrommotor wird stabil und gleichmäßig gesteuert, während die Modulationsrate PMF = 1 aufrechterhalten wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Maximum-Magnetflussbefehlserzeugungseinheit 35c den Magnetflussbefehl F2R_1 zum Wechseln des Betriebs auf dem Maximum ECR_max der Spannung und eine Modulationsrate PMF1 berechnet und die Steuerung der Modulationsrate 1 über die untergeordnete Auswahleinheit 36 und die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 37 erzielt wird.
  • In einem Geschwindigkeitsbereich, in dem ein Muster eines Drehmomentbefehls in einer erforderlichen Spezifikation einer Drehmomentcharakteristik gegenüber der Geschwindigkeit klein wird, wie im Bereich (c) mit hoher Geschwindigkeit, der in 12 gezeigt wird, kann hingegen F2R_2 erneut als Magnetflussbefehl unter einer Betriebsbedingung ausgewählt werden. In diesem Fall wechselt der Betrieb auf die gleiche Weise wie (2) in Absatz [0122]. Als Bedingung eines Betriebsbefehls für den elektrischen Wechselstrommotor 1, wenn der elektrische Wechselstrommotor 1 mit einer leichten Last betrieben wird, wie durch die in 12 gezeigte Drehmoment-50 %-Leistungskurve angezeigt, steigt der Spannungsamplitudensollwert |V|* des elektrischen Wechselstrommotors zuerst nicht. In einigen Fällen überschreitet ECR_opt von Formel (1.9) den oberen Grenzwert ECR_max über alle Geschwindigkeitsbereiche nicht und der Bereich von (3) wird nicht erzeugt. Dieses Betriebsbeispiel ist in 27 gezeigt.
  • Wie oben erläutert, nimmt in der dritten Ausführungsform gemäß dem Betrieb, in dem die Wandlerschaltung 5, die Wechselrichterschaltung 7c und der elektrische Wechselstrommotor 1 durch die Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c geeignet verbunden werden, die Wechselrichterschaltung 7c den Betrieb zur Minimierung eines Grundwellenverlusts des elektrischen Wechselstrommotors 1 vor, und die Wandlerschaltung 5 nimmt den Betrieb zur Minimierung einer PWM Oberwelle des elektrischen Wechselstrommotors 1 vor. Unter einer Betriebsbedingung, bei der es schwer ist, beide Betriebsarten zu erzielen, ist es möglich, eine Zustandsgröße gemäß der Schaltersteuerung stabil zum Magnetflusssollwert F2R_1 für die Wechselrichterschaltung 7c zu wechseln.
  • Wenn eine Eingangsgleichspannung in die Wechselrichterschaltung 7c von der Wandlerschaltung 5 eingestellt werden kann, nachdem der Modulationsmodus (der PWM Pulsmodus) so ausgewählt wird, dass sich die PWM-Stromverzerrungsrate nicht plötzlich ändert, wird gemäß der oben erläuterten dritten Ausführungsform die PWM Oberwellenunterdrückung des elektrischen Wechselstrommotors 1 durch die Gleichspannungssteuerung durch den Wandler vorgenommen, und die Steuerung zur Minimierung eines Grundwellenverlusts wird durch die Magnetflussbefehlserzeugung und die Erzeugung der Wechselrichterausgangsspannung vorgenommen. Demgemäß wird es ermöglicht, einen elektrischen Motorverlust weiter zu reduzieren als in der Vergangenheit und einen Effekt zu erhalten, dass eine Energieeinsparung eines elektrischen Wechselstrommotorantriebssystems möglich ist.
  • Vierte Ausführungsform
  • In der oben erläuterten dritten Ausführungsform wird im Betriebsbereich von (3) in 26 die Zwischengleichspannung EFC auf EFC_max gewechselt. Das heißt, in der dritten Ausführungsform ist im Betriebsbereich, wo die Zwischengleichspannung EFC auf EFC_max gewechselt wird, eine Situation, in der die Zwischengleichspannung EFC festgelegt ist, gleich wie die Situation in der ersten und zweiten Ausführungsform.
  • Falls die Erzeugung des Spannungsbefehls für die Wechselrichterschaltung 7c eine Form ist, die gleich ist wie der Betrieb in der ersten und zweiten Ausführungsform, ist es daher im Betriebsbereich von (3) möglich, einen Verlust weiter zu reduzieren. Die Auslegung einer Spannungsvektorerzeugungseinheit 8d zur Realisierung dieser Form ist 28. Gemäß 28 werden eine PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31d und eine Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d, die während der Gleichspannungsfestlegung verwendet werden wie in der ersten und zweiten Ausführungsform, in der dritten Ausführungsform zur Spannungsvektorerzeugungseinheit 8c hinzugefügt. Als Begrenzerbetriebssituation des Zwischengleichspannungsbefehls erzeugt eine obere und untere Grenzeinheit 42d ein Signal ECR_max_on, das „1“ anzeigt, wenn ECR den oberen Grenzwert ECR_max erreicht, und ansonsten „0“ anzeigt, und gibt das Signal ECR_max_on an eine Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d aus. Dann wird eine Steuerung zum Schalten des Betriebs der Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34 vorgenommen, wie im Nachstehenden erläuert.
  • (i) ECR_max_on = 0 (wenn ECR < ECR_max)
  • In diesem Fall wird die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d veranlasst, einen Betrieb gleich wie den Betrieb in der dritten Ausführungsform vorzunehmen. Das heißt, die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d wählt, aus den in der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c gespeicherten Charakteristiken, einen Magnetflusssollwert zur Minimierung eines Grundwellenverlusts des elektrischen Wechselstrommotors 1 aus und gibt den Magnetflusssollwert an die untergeordnete Auswahleinheit 36 als F2R_2 aus. Daher ist ein spezifischer Betrieb gleich wie der Betrieb in (1) und (2) in 26.
  • (ii) ECR_max_on = 1 (wenn ECR = ECR_max)
  • In diesem Fall ist der Betrieb gleich wie die Spannungsbefehlserzeugung, die vorgenommen wird, wenn der Gleichspannungswert EFC ECR_max (festgelegt) in der ersten und zweiten Ausführungsform erreicht. In einer Situation, in der der Gleichspannungswert EFC gesteuert wird, um festgelegt zu werden, berechnet die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d, unter Berücksichtigung von Charakteristiken sowohl der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31d als auch der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c, einen Magnetflusssollwert zur Minimierung eines Verlusts einer Summe der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31d und der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c und gibt den Magnetflusssollwert an die untergeordnete Auswahleinheit 36 als F2R_2 aus. Im Betriebsbereich von (3) in der dritten Ausführungsform hat die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d keine Funktion der Kooperation einer PWM Verlustreduktion und einer Grundwellenverlustreduktion im Fall von ECR_ECR_max. In der vierten Ausführungsform hingegen besteht sogar in einer Situation von ECR=ECR_max, wie in der ersten und zweiten Ausführungsform, ein Effekt, dass es ermöglicht wird, eine Operation vorzunehmen, die einen Magnetflussbefehl unter Berücksichtigung einer Summe des PWM Oberwellenverlusts und des Grundwellenverlusts berechnet.
  • Fünfte Ausführungsform
  • In der oben erläuterten vierten Ausführungsform berechnet die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d, unter Berücksichtigung der Charakteristiken sowohl der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31d als auch der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c, den Magnetflusssollwert zur Minimierung des Verlusts der Summe der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31d und der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c, das heißt, einen optimalen Magnetflussbefehl zur Reduktion eines Gesamtverlusts des elektrischen Wechselstrommotors 1, und gibt den Magnetflusssollwert an die untergeordnete Auswahleinheit 36 aus. Ohne die Bereitstellung der Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit 32c kann jedoch die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit 34d ausgelegt werden, einen Magnetflusssollwert unter Verwendung nur eines Ausgangs der PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheit 31d zu erzeugen, das heißt, einen optimalen Magnetflusssollwert zur Reduktion eines PWM Verlusts des elektrischen Wechselstrommotors 1, und den Magnetflusssollwert an die untergeordnete Auswahleinheit 36 auszugeben. Auch mit einer solchen Auslegung wird ein Oberwellenverlust aufgrund der PWM Steuerung berücksichtigt. Als Ergebnis wird ein Effekt gleich einem oder größer als ein Festwert für eine Verlustreduktion des elektrischen Wechselstrommotors 1 erhalten.
  • Es ist zu beachten, dass die in der ersten bis fünften Ausführungsform oben erläuterten Ausführungen Beispiele der Ausführung der vorliegenden Erfindung sind. Es versteht sich, dass die Ausführungen mit anderen öffentlich bekannten Technologien kombiniert werden können oder ausgeführt werden können, um geändert zu werden, um beispielsweise einen Teil der Ausführungen wegzulassen, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Ferner wird in den Ausführungsformen der Inhalt der Erfindung unter der Annahme einer Anwendung auf ein elektrisches Fahrzeug erläutert. Ein Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es versteht sich, dass eine Anwendung auf industrielle Gebiete möglich ist, in denen elektrische Wechselstrommotoren verwendet werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie oben erläutert, ist die vorliegende Erfindung als Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors verwendbar, die eine weitere Reduktion eines elektrischen Motorverlusts ermöglicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrischer Wechselstrommotor
    2
    Wechselstromleistungsbereitstellungseinheit
    3a, 3b, 3c
    Gleichstromleistungsbereitstellungseinheiten
    4, 4c1, 4c2
    Gleichspannungserfassungseinheiten
    5
    Wandlerschaltung
    6
    Wandlersteuerschaltung
    7, 7b, 7c
    Wechselrichterschaltungen
    8, 8b, 8c, 8d
    Spannungsvektorerzeugungseinheiten
    9
    Geschwindigkeitserfassungseinheit
    10
    Drehmomentsollwerterzeugungseinheit
    11, 11b, 11c
    Eingangssignalerzeugungseinheiten
    13
    elektrische Motorstromerfassungseinheit
    21, 21b
    Modulationsmodusauswahleinheiten
    22, 22b
    modulierte Wellenerzeugungseinheiten
    23b
    Trägerwellenerzeugungseinheit
    24, 24b
    Vergleichseinheiten
    30
    Gleichspannungssollwerterzeugungseinheit
    31, 31b, 31c, 31d
    PWM-Stromverzerrungsratencharakteristikspeichereinheiten
    32, 32c
    Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheiten
    34, 34d
    Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheiten
    35
    Magnetflussbefehl-für-1P-Erzeugungseinheit
    35c
    Maximum-Magnetflussbefehlserzeugungseinheit
    36
    untergeordnete Auswahleinheit
    37, 37c
    Spannungsbefehlserzeugungseinheiten
    41
    Zwischengleichspannungsbefehlserzeugungseinheit
    42, 42d
    obere und untere Grenzeinheiten

Claims (8)

  1. Steuereinheit eines elektrischen Wechselstrommotors, mit: einer Wechselrichterschaltung, die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung wandelt und die Wechselstromleistung einem elektrischen Wechselstrommotor bereitstellt; einer Gleichspannungserfassungseinheit, die einen Gleichspannungswert erfasst, der der Wechselrichterschaltung bereitgestellt wird; einer Geschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Rotationsgeschwindigkeit des elektrischen Wechselstrommotors erfasst; einer elektrischen Motorstromerfassungseinheit, die einen Wechselstromwert erfasst, der von der Wechselrichterschaltung dem elektrischen Wechselstrommotor bereitgestellt wird; einer Eingangssignalerzeugungseinheit, die ein Eingangssignal an die Wechselrichterschaltung ausgibt; und einer Spannungsvektorerzeugungseinheit, die einen Spannungsbefehl an die Eingangssignalerzeugungseinheit ausgibt auf der Grundlage eines Drehmomentbefehls einer übergeordneten Einheit, der Rotationsgeschwindigkeit, des Gleichspannungswerts und des Wechselstromwerts, wobei die Spannungsvektorerzeugungseinheit auf der Grundlage einer Modulationsrate, die ein Verhältnis des Gleichspannungswerts und eines Spannungsamplitudensollwerts im Spannungsbefehl bildet, eine PWM-Stromverzerrungsrate berechnet, die als Kennziffer dient, die einen Grad einer Stromoberwelle, die durch die PWM Steuerung erzeugt wird, repräsentiert, den Spannungsamplitudensollwert auf der Grundlage der berechneten PWM-Stromverzerrungsrate erzeugt, und den Spannungsamplitudensollwert an die Eingangssignalerzeugungseinheit ausgibt.
  2. Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors nach Anspruch 1, wobei die Eingangssignalerzeugungseinheit eine Betriebsbedingung als Wechselbedingung aus einer Mehrzahl von Modulationsmodi auswählt, um eine Stetigkeit eines Oberwellenverlustes beizubehalten, und den Betriebsmodus wechselt.
  3. Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannungsvektorerzeugungseinheit die PWM-Stromverzerrungsrate auf der Grundlage der Modulationsrate, einer Schaltungskonstante des elektrischen Wechselstrommotors und der Rotationsgeschwindigkeit berechnet.
  4. Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Wechselrichterschaltung ein Zwei-Pegel-Wechselrichter ist und die Eingangssignalerzeugungseinheit einen Modulationsmodus eines 3-Strich-Pulsmodus beinhaltet.
  5. Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Wechselrichterschaltung ein Drei-Pegel-Wechselrichter ist und die Eingangssignalerzeugungseinheit einen Modulationsmodus eines 1-Strich-Pulsmodus beinhaltet.
  6. Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Spannungsvektorerzeugungseinheit aufweist: eine Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit, die einen optimalen Magnetflusssollwert berechnet, um einen PWM Verlust des elektrischen Wechselstrommotors auf der Grundlage der PWM-Stromverzerrungsrate zu reduzieren; und eine Spannungsbefehlerzeugungseinheit, die einen Spannungssollwert auf der Grundlage des optimalen Magnetflusssollwerts, der Rotationsgeschwindigkeit und des Gleichspannungswerts erzeugt und den Spannungssollwert an die Eingangssignalerzeugungseinheit ausgibt.
  7. Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors nach Anspruch 6, wobei die Spannungsvektorerzeugungseinheit ferner eine Grundwellenverlustcharakteristikspeichereinheit aufweist, die eine Grundwellenkomponentenverlustcharakteristik des elektrischen Wechselstrommotors auf der Grundlage des Drehmomentbefehls und der Rotationsgeschwindigkeit ausgibt, und die Optimum-Magnetfluss-Berechnungsverarbeitungseinheit einen optimalen Magnetflusssollwert berechnet, um einen Gesamtverlust des elektrischen Wechselstrommotors auf der Grundlage der PWM-Stromverzerrungsrate und der Grundwellenverlustcharakteristik zu reduzieren.
  8. Steuereinheit des elektrischen Wechselstrommotors nach einem der Ansprüche 1–3, ferner mit: einer Wandlerschaltung, die der Wechselrichterschaltung Gleichstromleistung bereitstellt; und einer Wandlersteuereinheit, die einen Gleichspannungswert, der von der Wandlerschaltung ausgegeben wird, steuert, wobei die Spannungsvektorerzeugungseinheit einen Gleichspannungssollwert, der auf der Grundlage der PWM-Stromverzerrungsrate berechnet wird, an die Wandlersteuereinheit ausgibt.
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