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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtereinrichtung zum Zuführen von Energie zu einem Motor sowie ein Motorsystem, das eine solche Stromrichtereinrichtung verwendet.
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Stand der Technik
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Es wurden bereits verschiedene Arten von Wechselrichtereinrichtungen zum Umwandeln von DC-Energie in AC-Energie und zum Zuführen der Energie zu einem Motor vorgeschlagen. Beispielsweise gibt es eine Stromrichtereinrichtung, die es einem Stromrichter ermöglicht, im Dreipegelbetrieb oder im Zweipegelbetrieb zu sein (siehe beispielsweise Patentdokument 1), wobei - damit eine Wechselrichtereinrichtung die Verluste im Wechselrichterbetrieb verringert - Folgendes gilt:
- Zumindest zwei Gleichrichtereinrichtungen, die aus Halbleitereinrichtungen gebildet sind, sind in Reihe geschaltet, so dass sie einen Strang bilden; zumindest drei Stränge sind parallelgeschaltet; zwischen einen wechselseitigen Verbindungspunkt bei den Gleichrichtereinrichtungen in jedem Strang und einen wechselseitigen Verbindungspunkt bei den DC-Energiequellen ist ein AC-Schalter geschaltet, bei dem zumindest zwei Gleichrichtereinrichtungen in Reihe geschaltet sind, die jeweils eine Halbleitereinrichtung und eine antiparallel zur Halbleitereinrichtung geschaltete Diode aufweisen; und jeder der AC-Schalter wird ein- oder ausgeschaltet.
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Literaturverzeichnis
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Patentdokument
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösende Probleme
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Bei einer Stromrichtereinrichtung, wie sie in dem Patentdokument 1 offenbart ist, wird der Pegel des Betriebs des Wechselrichters auf Zwei-/Drei-Pegel umgeschaltet, um nur die Verluste der Wechselrichtereinrichtung zu verringern. Eine Verringerung der Gesamtverluste inklusive derjenigen der Last (z. B. ein Motor), die mit der Wechselrichtereinrichtung verbunden ist, wird nicht berücksichtigt. Selbst in dem Fall, in dem die Verluste der Wechselrichtereinrichtung verringert werden, besteht daher das Problem, dass die Verringerung der Verluste als ein Gesamtsystem inklusive der Last, wie z. B. dem Motor, nicht erzielt werden kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichtereinrichtung anzugeben, die zum Verringern der Gesamtverluste der Stromrichtereinrichtung und des Motors imstande ist, sowie ein Motorsystem, das eine solche Stromrichtereinrichtung verwendet, um das oben erwähnte Problem zu lösen.
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Wege zum Lösen der Probleme
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Eine Stromrichtereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Kondensator-Reihenschaltung, die eine Mehrzahl von Kondensatoren aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei beide Enden der Kondensator-Reihenschaltung mit beiden Enden einer DC-Spannungsquelle verbunden sind, eine Wechselrichterschaltung, bei der eine Mehrzahl von Zweigen, die jeweils eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, parallelgeschaltet sind, DC-Eingangsanschlüsse der Wechselrichterschaltung mit beiden Enden der Kondensator-Reihenschaltung verbunden sind, und AC-Ausgangsanschlüsse der Wechselrichterschaltung mit einem Motor verbunden sind, einen Schaltkreis, der eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen aufweist, wobei das eine Ende des Schaltkreises mit einem Verbindungspunkt der Mehrzahl von Kondensatoren verbunden ist und andere Enden des Schaltkreises mit einer Mehrzahl von Verbindungspunkten der Schalteinrichtungen der Wechselrichterschaltung verbunden sind, und eine Steuerungsschaltung zum Steuern der Wechselrichterschaltung und des Schaltkreises, wobei die Wechselrichterschaltung zum Zweipegelbetrieb imstande ist, indem sie die Mehrzahl von Schalteinrichtungen ausschaltet, die im Schaltkreis enthalten sind, und zum Dreipegelbetrieb imstande ist, indem sie die Mehrzahl von Schalteinrichtungen einschaltert/ausschaltet, die im Schaltkreis enthalten sind, und die Steuerungsschaltung zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb auf der Basis eines Drehmomentbefehls und eines Drehzahlbefehls für den Motor umschaltet.
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Außerdem weist ein Motorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: die Stromrichtereinrichtung und den Motor, der mit den AC-Ausgangsanschlüssen der Stromrichtereinrichtung verbunden ist, wobei die Steuerungsschaltung der Stromrichtereinrichtung zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb auf der Basis des Drehmomentbefehls und des Drehzahlbefehls für den Motor umschaltet.
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Wirkung der Erfindung
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Gemäß der Stromrichtereinrichtung und dem Motorsystem der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Gesamtverluste in der Stromrichtereinrichtung und im Motor zu verringern.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Motorsystems gemäß Ausführungsform 1.
- 2 ist ein Diagramm zum Erläutern von harmonischen Eisenverluste im Motor, gemäß Ausführungsform 1.
- 3 ist ein Diagramm zum Erläutern der Relation von Verlusten in einem Motor und der Relation von Verlusten in einem Wechselrichter, gemäß Ausführungsform 1.
- 4 ist ein schematisches Diagramm, das eine Prozedur zum Bestimmen eines Betriebskennfelds eines Wechselrichters zeigt, gemäß Ausführungsform 1.
- 5 ist ein schematisches Diagramm, das das Betriebskennfeld des Wechselrichters gemäß Ausführungsform 1 zeigt, das auf eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Motors abgebildet ist.
- 6 ist ein Konfigurationsdiagramm des Motorsystems gemäß Ausführungsform 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ausführungsform 1
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Eine Stromrichtereinrichtung und ein Motorsystem gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die Stromrichtereinrichtung gemäß Ausführungsform 1 und ein Motorsystem zeigt, das eine solche Stromrichtereinrichtung verwendet. In dem in 1 gezeigten Motorsystem ist die Stromrichtereinrichtung mit einer DC-Spannungsquelle 1 und einem Motor 5 verbunden, und sie betreibt den Motor, indem sie DC-Energie aus der DC-Spannungsquelle 1 in AC-Energie umwandelt und die AC-Energie an den Motor 5 ausgibt.
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Die Stromrichtereinrichtung ist eine dreiphasige Wechselrichtereinrichtung, die zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren (Kondensatoren 2a, 2b), eine Wechselrichterschaltung 3, einen Schaltkreis 4 und eine Steuerungsschaltung 6 aufweist. Es sei angemerkt, dass in der Ausführungsform die dreiphasige Wechselrichtereinrichtung gezeigt ist, aber dass sie keine mit drei Phasen zu sein braucht und auch mit einer Phase oder mehr als drei Phasen betrieben werden kann.
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Die Kondensatoren 2a, 2b sind miteinander in Reihe geschaltet und bilden so eine Kondensator-Reihenschaltung 2. Hier wird der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 2a und dem Kondensator 2b als ein erster Verbindungspunkt beschrieben. Beide Enden der Kondensator-Reihenschaltung 2 sind mit beiden Enden der DC-Spannungsquelle 1 und DC-Eingangsanschlüssen der Wechselrichterschaltung 3 verbunden, wie später noch beschrieben. Obwohl die Kondensator-Reihenschaltung 2 hier in einem Fall gezeigt ist, wo zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, besteht keine Beschränkung auf diesen Fall, und es können auch drei oder mehr Kondensatoren verbunden werden.
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Die Wechselrichterschaltung 3 hat eine Konfiguration, bei der drei Zweige, die jeweils aus zwei in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen gebildet sind, parallelgeschaltet sind, und beide Enden jedes Zweigs sind mit beiden Enden der Kondensator-Reihenschaltung 2 und beiden Enden der DC-Spannungsquelle 1 verbunden. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Schalteinrichtungen 3a und 3b zueinander in Reihe geschaltet, und das gleiche gilt für die Schalteinrichtungen 3c und 3d sowie die Schalteinrichtungen 3e und 3f.
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Hier werden die jeweiligen Verbindungspunkte der Schalteinrichtungen als ein zweiter Verbindungspunkt bis vierter Verbindungspunkt beschrieben. Der zweite bis vierte Verbindungspunkt dienen als AC-Ausgangsanschlüsse der Wechselrichterschaltung 3. Der Motor 5 ist mit dem zweiten bis vierten Verbindungspunkt verbunden, und der Wechselrichter 3 führt umgewandelte AC-Energie in den Motor 5, und zwar über den zweiten bis vierten Verbindungspunkt.
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Der Schaltkreis 4 weist eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen auf, und das Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb, das später noch beschrieben wird, kann durchgeführt werden, indem diese Schalteinrichtungen gesteuert werden. Der Schaltkreis 4, der in 1 gezeigt ist, ist zwischen dem zweiten bis vierten Verbindungspunkt der Wechselrichterschaltung 3 und dem ersten Verbindungspunkt der Kondensatoren 2a, 2b angeordnet und hat eine Struktur, bei der Halbleitereinrichtungen vom rückwärts sperrenden Typ, wie z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT), einander zugewandt verbunden sind.
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Der Schaltkreis 4 hat IGBTs als Schalteinrichtungen, nämlich 4a bis 4f, und jene, die antiparallel zueinander geschaltet sind, sind die Schalteinrichtungen 4a und 4b, die Schalteinrichtungen 4c und 4d sowie die Schalteinrichtungen 4e und 4f. Das eine Ende des Schaltkreises 4 ist mit dem ersten Verbindungspunkt der Kondensator-Reihenschaltung 2 verbunden, und dessen andere Enden sind mit den jeweiligen Verbindungspunkten - zweiter bis vierter - verbunden.
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Bei dieser Konfiguration gilt Folgendes: Wenn die Schalteinrichtung 4a eingeschaltet wird, kann ein Strom vom zweiten Verbindungspunkt zum ersten Verbindungspunkt fließen, und wenn die Schalteinrichtung 4b eingeschaltet ist, kann ein Strom vom ersten Verbindungspunkt zum zweiten Verbindungspunkt fließen. Auf ähnliche Weise kann durch Einschalten der Schalteinrichtungen 4c oder 4e ein Strom vom dritten oder vierten Verbindungspunkt zum ersten Verbindungspunkt fließen, und indem die Schalteinrichtungen 4d oder 4f eingeschaltet werden, kann ein Strom vom ersten Verbindungspunkt zum dritten oder vierten Verbindungspunkt fließen. Es sei angemerkt, dass der Schaltkreis 4 nicht auf die in 1 gezeigte Konfiguration beschränkt ist, solange die Richtung, in der der Strom fließt, gesteuert werden kann, indem eine der Schalteinrichtungen ein oder ausgeschaltet wird.
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Der Motor 5 ist mit den AC-Ausgangsanschlüssen der Wechselrichterschaltung 3 verbunden und wird durch die AC-Energie betrieben, die von der Wechselrichterschaltung 3 ausgegeben wird. Der Motor 5 kann von jeglichem Typ sein, und ein Drehmomentbefehl und ein Drehzahlbefehl werden durch eine Steuerungseinrichtung berechnet, die in 1 nicht gezeigt ist, und die Steuerungsschaltung 6 steuert jede Schalteinrichtung der Stromrichtereinrichtung auf der Basis des Drehmomentbefehls und des Drehzahlbefehls, so dass der Motor 5 gesteuert wird. Die Steuerungseinrichtung zum Erzeugen des Drehmomentbefehls und des Drehzahlbefehls kann auch von der Steuerungsschaltung 6 verwirklicht werden.
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Die Steuerungsschaltung 6 steuert die Wechselrichterschaltung 3 und den Schaltkreis 4. Das heißt, die AC-Energie, die an den Motor 5 ausgegeben wird, wird auf der Basis einer Wechselrichter-Betriebszustand-Information, einer Motor-Betriebszustand-Information und einer Befehlswert-Information gesteuert. Beispielsweise werden eine Spannung der DC-Spannungsquelle 1, Spannungen und fließende Ströme der Kondensatoren 2a, 2b sowie Temperaturen der Wechselrichterschaltung 3 und des Schaltkreises 4 berücksichtigt, eine Information über die Phasenströme und die Drehposition vom Motor und eine Information über den Drehmomentbefehl und den Drehzahlbefehl (NT-Kennlinie) werden berücksichtigt, und die Steuerung der Wechselrichterschaltung 3 und des Schaltkreises 4 wird auf der Basis der oben beschriebenen Informationen durchgeführt.
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Außerdem hält die Steuerungsschaltung 6 ein Betriebskennfeld im Voraus, und bestimmt und gibt ein Betriebsverfahren für die Wechselrichterschaltung und den Schaltkreis vor, so dass die Gesamtverluste der Stromrichtereinrichtung und des Motors minimiert werden, wobei das Betriebskennfeld die Trägerfrequenz der Wechselrichterschaltung und eine Information darüber enthält, ob der Zweipegelbetrieb oder der Dreipegelbetrieb, die die Verluste gemäß den Betriebszuständen des Wechselrichters und des Motors minimal machen, auf der NT-Kennlinie des Motors definiert sind. Die Einzelheiten werden später beschrieben.
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Nachstehend werden der Zweipegelbetrieb und der Dreipegelbetrieb beschrieben. 2 zeigt schematische Diagramme von Motorströmen, wenn die Wechselrichterschaltung 3 im Zweipegelbetrieb ist und wenn die Wechselrichterschaltung 3 im Dreipegelbetrieb ist. Zunächst wird der Zweipegelbetrieb beschrieben. Im Zweipegelbetrieb der Stromrichtereinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird jede der Schalteinrichtungen des Schaltkreises 4 ausgeschaltet, und die Schalteinrichtungen der Wechselrichterschaltung 3 werden eingeschaltet und ausgeschaltet, so dass eine positive oder negative Spannung der Gesamtspannung der Kondensatoren 2a, 2b an den Motor 5 in jeder Phase ausgegeben werden kann. Indem die Zeitdauern der positiven oder negativen Spannungen gesteuert werden, können dreiphasige sinusförmige Spannungen an den Motor 5 angelegt werden. Der Zweipegelbetrieb ist der Betrieb einer typischen dreiphasigen Wechselrichtereinrichtung, und dessen detaillierte Beschreibung wird weggelassen.
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Der Dreipegelbetrieb wird beschrieben. Hier wird der Betrieb für eine Phase beschrieben, und die Beschreibung für die anderen zwei Phasen wird weggelassen, da der Betrieb dazu ähnlich ist. Zunächst wird als ein Beispiel der Zustand beschrieben, in dem ein Strom von der Wechselrichterschaltung 3 zum Motor 5 fließt. Die Beschreibung beginnt mit einem Zustand, in dem die Schalteinrichtungen 3a und 3b und die Schalteinrichtungen 4a und 4b im Ausschaltzustand sind, und der Strom fließt durch die Diode, die antiparallel zur Schalteinrichtung 3b geschaltet ist, und fließt zurück zum Motor 5. Aus diesem Zustand wird die Schalteinrichtung 4b eingeschaltet, und die Schalteinrichtungen 3a, 3b und die Schalteinrichtung 4a werden im Ausschaltzustand belassen, so dass ein Strom in den Motor 5 fließt, und zwar mit der Spannung des Kondensators 2b.
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Wenn die Schalteinrichtung 3a eingeschaltet wird, während die Schalteinrichtung 4b im Einschaltzustand belassen wird (die Schalteinrichtung 3b und die Schalteinrichtung 4a werden im Ausschaltzustand belassen), gilt dann Folgendes: Da die Schalteinrichtung 4b den Rückwärtsstrom bzw. Sperrstrom blockiert, fließt kein Strom durch die Schalteinrichtung 4b, und der Strom, der in den Motor 5 fließt, nimmt infolge der Spannung der Kondensatoren 2a, 2b zu, die in Reihe geschaltet sind. Wenn der Strom zum Motor 5 abnehmen soll, werden wiederum die Vorgänge in der umgekehrten Reihenfolge zu dem oben beschriebenen durchgeführt.
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Das heißt, die Schalteinrichtungen 3a, 3b und die Schalteinrichtung 4a werden ausgeschaltet, während die Schalteinrichtung 4b im Einschaltzustand belassen wird, so dass der Strom dem Motor 5 zugeführt wird, und zwar infolge der Spannung des Kondensators 2b, zum Verringern des Stroms. Dann wird schließlich ein Vorgang durchgeführt, in dem sämtliche Schalter ausgeschaltet sind. Wenn die Wechselrichterschaltung 3 und der Schaltkreis 4 auf diese Weise arbeiten, nimmt die Spannungsänderung jeder Schalteinrichtung die Hälfte der Spannung der in Reihe geschalteten Kondensatoren an, d. h. die Hälfte der Energieversorgungsspannung. Dadurch werden die Schaltverluste verringert, und die Stromverzerrung wird verringert, da die Spannung zum Steuern des Stroms klein ist.
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Es wird der Fall beschrieben, in dem ein Strom vom Motor 5 zur Wechselrichterschaltung 3 fließt. Wenn die Schalteinrichtung 4a eingeschaltet wird, die Schalteinrichtung 3b eingeschaltet wird und die Schalteinrichtung 4b ausgeschaltet wird, gilt zunächst Folgendes: Da die Schalteinrichtung 4a den Rückwärtsstrom bzw. Sperrstrom blockiert, fließt kein Strom vom Kondensator 2b aus, und der Strom vom Motor 5 fließt in die Schalteinrichtung 3b und fließt zurück zum Motor 5. Wenn die Schalteinrichtung 3b ausgeschaltet wird (wobei die Schalteinrichtungen 3a und 4b im Ausschaltzustand verbleiben) fließt dann der Strom vom Motor 5 durch die Schalteinrichtung 4a zum Kondensator 2b.
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Wenn die Schalteinrichtung 4a ausgeschaltet wird, fließt dann der Strom vom Motor 5 durch die Diode, die antiparallel zur Schalteinrichtung 3a geschaltet ist, zu den Kondensatoren 2a, 2b. Danach wird der Schaltvorgang in der umgekehrten Reihenfolge durchgeführt, so dass der Strom vom Motor 5 verringert wird. Obwohl der Vorgang einer einzigen Phase als ein Beispiel beschrieben ist, sind die Vorgänge in den übrigen Phasen die gleichen wie derjenige der einen Phase, mit Ausnahme von deren Phasen.
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Beim Vergleich der Strom-Wellenformen der Motor-Phasenströme im Zweipegelbetrieb und im Dreipegelbetrieb, wie in 2 gezeigt, ist die Strom-Wellenform im Zweipegelbetrieb verglichen mit der Strom-Wellenform im Dreipegelbetrieb verzerrt. Dies rührt daher, dass im Zweipegelbetrieb die Spannung zum Erzeugen des Stroms das Doppelte zum Steuern des Stroms beträgt wie im Vergleich mit dem Fall des Dreipegelbetriebs.
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Im Zweipegelbetrieb ist die Stromverzerrung groß, so dass die harmonischen Eisenverluste des Motors groß sind. Im Hinblick auf diese Tendenz gilt außerdem Folgendes: Wenn die Drehzahl des Motors zunimmt, nimmt die Anzahl von Schaltvorgängen innerhalb eines Zyklusses des Phasenstroms ab, was zu einer größeren Verzerrung und einem Anstieg der harmonischen Eisenverluste führt.
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3 (a) zeigt einen Einbruch der Motorverluste, und 3 (b) zeigt einen Einbruch der Wechselrichterverluste, in den Fällen vom Zweipegelbetrieb und Dreipegelbetrieb. Es sei angemerkt, dass hier die Wechselrichterverluste den Gesamtwert der Verluste in der Stromrichtereinrichtung in jedem von Zweipegelbetrieb und Dreipegelbetrieb bezeichnen. Bei den Motorverlusten, die in 3 (a) und im Dreipegelbetrieb gezeigt sind, sind die mechanischen Verluste und die Kupferverluste des Motors nahezu die gleichen wie diejenigen im Zweipegelbetrieb, aber die Motorverluste nehmen ab, da die harmonischen Eisenverluste abnehmen.
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Hier ist der Wert der Verringerung der Motorverluste im Dreipegelbetrieb, verglichen mit demjenigen im Zweipegelbetrieb, als ΔPm definiert. Hinsichtlich der Wechselrichterverluste, die in 3(b) gezeigt sind, gilt im Gegensatz dazu Folgendes: In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Einrichtungen, die den Schaltkreis 4 bilden, die es nicht erlauben, dass der Strom während des Zweipegelbetriebs hindurchgeht, und nur während des Dreipegelbetriebs arbeiten, können die Verluste im Dreipegelbetrieb eher als im Zweipegelbetrieb zunehmen, und zwar in Abhängigkeit des Betriebszustands der Wechselrichterschaltung 3.
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Hier ist der Wert der Zunahme der Wechselrichterverluste im Zweipegelbetrieb, verglichen mit demjenigen im Dreipegelbetrieb, als ΔPinv definiert. Um die Verluste des Motorsystems zu minimieren, muss ΔPm > ΔPinv erfüllt sein, und die Steuerungsschaltung 6 schaltet zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb um, damit diese Bedingung erfüllt ist.
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4 zeigt schematisch eine Prozedur zum Bestimmen eines Betriebskennfelds der Stromrichtereinrichtung zum Minimieren der Verluste des Motorsystems, d. h. der Gesamtverluste aus Stromrichtereinrichtungs-Verlusten und Motorverlusten. In dem Motorsystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden das Drehmoment und die Drehzahl, die notwendig sind, aus der Motorposition und dem Wert der dem Motor zugeführten Energie berechnet, und so der Drehmomentbefehl und der Drehzahlbefehl erzeugt. Aus dem Drehmomentbefehl und dem Drehzahlbefehl, die erzeugt werden, werden die Verluste der Stromrichtereinrichtung und des Motors in jedem von Zweipegelbetrieb und Dreipegelbetrieb berechnet.
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Das Berechnungsverfahren, das für die Verluste verwendet werden soll, kann frei ausgewählt werden. Beispielsweise können mathematische Formeln zum Berechnen der Verluste der Wechselrichterschaltung und des Motors während des Zweipegelbetriebs und des Dreipegelbetriebs aus dem Drehmomentbefehl oder dem Drehzahlbefehl gespeichert werden, oder eine im Voraus auf der Basis von Messdaten oder dergleichen vorbereitete Betriebstabelle kann vorgehalten werden.
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Wenn die Wechselrichterverluste geschätzt werden, so werden der Motor-Phasenstrom, die Modulationsrate der Wechselrichter-schaltung 3, die Trägerfrequenz und der Leistungsfaktor aus dem Motor-Drehmoment-befehl und dem Drehzahlbefehl berechnet, und die Wechselrichterverluste während des Zweipegelbetriebs und des Dreipegelbetriebs können aus diesen Werten und einer detektierten Spannung der DC-Spannungsquelle berechnet werden.
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Was die Motorverluste, die Kupferverluste, die Grundwellen-Eisenverluste, die harmonischen Eisenverluste und die mechanischen Verluste des Motors anbelangt, können diese außerdem aus dem Drehmomentbefehl und der Drehzahl des Motors berechnet werden, und die Motorverluste können aus der Summe aus diesen berechnet werden.
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Auf der Basis der berechneten Gesamtverluste aus den Verlusten der Wechselrichterschaltung und des Motors während des Zweipegelbetriebs und des Dreipegelbetriebs wählt die Steuerungsschaltung 6 diejenige mit den kleineren Gesamtverlusten aus dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb aus und schaltet die Betriebsbedingung um.
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In der obigen Beschreibung ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Steuerungsschaltung 6 zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb umschaltet, um die Gesamtverluste der Stromrichtereinrichtung und des Motors zu minimieren. Zusätzlich zum Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb kann die Steuerung jedoch auch so durchgeführt werden, dass die Trägerfrequenz zum Steuern des Betriebs der Wechselrichterschaltung geändert wird. Da die Stromverzerrung im Dreipegelbetrieb verbessert wird, wie oben beschrieben, nehmen die Motor-Eisenverluste ab. Wenn die Trägerfrequenz verringert wird, nehmen die Motor-Eisenverluste zu, da die Stromverzerrung zunimmt.
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Die Verluste der Stromrichtereinrichtung nehmen jedoch ab. Demzufolge können die Gesamtverluste in Abhängigkeit der Bedingungen verringert werden. Wenn der Drehzahlbefehl gleich ist, wird daher die Trägerfrequenz im Dreipegelbetrieb so vorgegeben, dass sie gleich groß wie oder niedriger ist als diejenige im Zweipegelbetrieb. Das heißt, wenn die Trägerfrequenz im Zweipegelbetrieb als fx_2lv definiert ist und die Trägerfrequenz im Dreipegelbetrieb als fx_3lv definiert ist, wird die Trägerfrequenz so vorgegeben, dass sie die Relation fx_2lv ≥ fx_3lv erfüllt.
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5 zeigt die Drehzahl- und Drehmoment-Kennlinie des Motors, auf der der Betrieb im Zweipegel- und Dreipegelbetrieb des Wechselrichters und deren Frequenzen schematisch abgebildet sind. Wie in 5 gezeigt, schaltet, wenn der Drehzahlbefehl des Motors gleich ist, die Steuerungsschaltung 6 den Betrieb auf den Zweipegelbetrieb um, wenn der Drehmomentbefehl gleich groß wie oder größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, und schaltet den Betrieb in den Dreipegelbetrieb um, wenn der Drehmomentbefehl kleiner ist als der vorbestimmte Schwellenwert. Der vorbestimmte Schwellenwert ist ein Verlust-Umkehrpunkt des Motorsystems.
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Obwohl das in 5 gezeigte Beispiel nur einen einzigen Schwellenwert hat, kann eine Hysteresesteuerung durchgeführt werden, indem eine Mehrzahl von Schwellenwerten verwendet wird, um den Betrieb zu stabilisieren. Beispielsweise kann der Schwellenwert zum Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb in Abhängigkeit von dem Drehmomentbefehl so vorgegeben werden, dass er für die Fälle verschieden ist, wenn der Drehmomentbefehl zunimmt bzw. abnimmt. Indem der Schwellenwert für den Fall der Zunahme höher als der Schwellenwert für den Fall der Abnahme vorgegeben wird, kann außerdem ein unnötiges Umschalten zwischen dem Zweipegelbetrieb und dem Dreipegelbetrieb verhindert werden, und der Betrieb kann stabilisiert werden.
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Im Betriebskennfeld, das in 5 gezeigt ist, wird die Trägerfrequenz ebenfalls in Abhängigkeit von dem Drehzahlbefehl des Motors geändert. Hinsichtlich der Vorgabe der Trägerfrequenz gilt Folgendes: Da die Stromverzerrung des Motors im Dreipegelbetrieb klein ist, sind die harmonischen Eisenverluste kleiner als im Zweipegelbetrieb. Außerdem sind die Schaltverluste des Wechselrichters proportional zur Schaltfrequenz, und demzufolge ist ein Betrieb mit verringerten Wechselrichterverlusten möglich, wenn die Frequenz verringert wird, obwohl eine Zielkonflikt-Relation mit den harmonischen Eisenverlusten des Motors besteht.
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Auf diese Weise ist die Trägerfrequenz ein in Konflikt stehender Parameter für den Wechselrichter und den Motor, und es ist notwendig, die Trägerfrequenz so vorzugeben, dass die Gesamtverluste des Wechselrichters und des Motors minimiert werden, während die Steuerbarkeit gewährleistet ist. Typischerweise werden in einer Region, wo die Drehzahl hoch ist, die Verluste im Motorsystem von den harmonischen Eisenverlusten des Motors dominiert, und folglich kann die Trägerfrequenz so vorgegeben werden, dass sie erhöht wird, wenn die Drehzahl erhöht wird.
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In dem in 5 gezeigten Beispiel wird daher die Trägerfrequenz in drei Stufen gemäß der Drehzahl geändert, wobei die drei Stufen die folgende Relation haben: fl_3lv < f2_3lv < f3_3lv.
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Es sei angemerkt, dass zusätzlich zum Drehmomentbefehl und zum Drehzahlbefehl auch andere Parameter verwendet werden können, um die Verluste der Wechselrichterschaltung und des Motors während des Zweipegelbetriebs und des Dreipegelbetriebs zu berechnen. Beispielsweise können die Parameter die Spannung der DC-Spannungsquelle und die Temperatur der Stromrichtereinrichtung sein, und zwar zusätzlich zum Drehmomentbefehl und zum Drehzahlbefehl. Wenn eine Betriebstabelle gemäß zumindest einem Parameter unter der Spannung der DC-Spannungsquelle und der Temperatur der Stromrichtereinrichtung vorgehalten wird, können die Verluste der Stromrichtereinrichtung und des Motors auf der Basis dieser Betriebstabelle berechnet werden.
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Bei der oben beschriebenen Stromrichtereinrichtung ist der Schaltkreis 4, der zum Durchführen des Dreipegelbetriebs vorhanden ist, mit den IGBTs vom rückwärts sperrenden Typ konfiguriert, aber die Wechselrichterschaltung 3 und der Schaltkreis 4, die in 6 gezeigt sind, werden von Metalloxid-Halbleitern (MOS) gebildet. Bei der in 6 gezeigten Stromrichtereinrichtung weist der Schaltkreis 4 MOS-Schalteinrichtungen 4a bis 4f auf. Der Schaltkreis 4 weist somit MOS Schalteinrichtungen auf, nämlich 4a bis 4f, und die Schalteinrichtung 4a und die Schalteinrichtung 4b sind in Reihe in entgegengesetzten Richtungen geschaltet, und das gleiche gilt für die Schalteinrichtung 4c und die Schalteinrichtung 4d sowie für die Schalteinrichtung 4e und die Schalteinrichtung 4f.
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Das eine Ende des Schaltkreises 4 ist mit dem ersten Verbindungspunkt der Kondensator-Reihenschaltung 2 verbunden, und dessen andere Enden sind mit den jeweiligen Verbindungspunkten - zweiter bis vierter Verbindungspunkt - verbunden. Die Stromrichtereinrichtung, die auf diese Weise konfiguriert ist, und das Motorsystem, das die Stromrichtereinrichtung verwendet, können auch die gleichen Wirkungen wie diejenigen des oben beschriebenen Motorsystems zeigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- DC-Spannungsquelle
- 2
- Kondensator-Reihenschaltung
- 2a, 2b
- Kondensator
- 3
- Wechselrichterschaltung
- 3a bis 3f
- Schalteinrichtung
- 4
- Schaltkreis
- 4a bis 4f
- Schalteinrichtung
- 5
- Motor
- 6
- Steuerungsschaltung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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