DE112020007064T5 - Leistungsumwandlungsvorrichtung und rotationsmaschinenantriebssystem - Google Patents

Abstract

Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung (80) beinhaltet einen Leistungswandler (10), der DC-Leistung in dreiphasige AC-Leistung für einen Verbraucher umwandelt, und eine Steuervorrichtung (30). Die Steuervorrichtung (30) beinhaltet eine Schaltsignalerzeugungseinheit (50). Die Schaltsignalerzeugungseinheit (50) erzeugt Schaltsignale, sodass Zeitpunkte von mindestens einem der Paare miteinander synchronisiert werden, wobei die Paare aus einem ersten Paar und einem zweiten Paar bestehen. Das erste Paar beinhaltet einen Anstiegszeitpunkt zum Anheben einer Anschlussspannung an einem ersten Verbindungspunkt eines ersten einphasigen Zweigs und einen Abfallzeitpunkt zum Absenken einer Anschlussspannung an einem zweiten Verbindungspunkt eines zweiten einphasigen Zweigs. Das zweite Paar beinhaltet einen Abfallzeitpunkt zum Absenken der Anschlussspannung am ersten Verbindungspunkt und einen Anstiegszeitpunkt zum Anheben der Anschlussspannung am zweiten Verbindungspunkt. Die Schaltsignalerzeugungseinheit (50) bestimmt einen Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten eines Oberarmschaltelements und einen Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten eines Unterarmschaltelements basierend auf Phasenströmen zu einem Anstiegszeitpunkt bzw. einem Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen.

Description

• Gebiet
• Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die eine Ausgabespannung durch Ein- und Ausschalten von Schaltelementen steuert, und ein Rotationsmaschinenantriebssystem, das eine derartige Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Antrieb einer Rotationsmaschine beinhaltet.
• Hintergrund
• In einer Leistungsumwandlungsvorrichtung führt ein Schaltelement einen Schaltvorgang durch, um die Anschlussspannung dieser Phase zu ändern. Dies führt dazu, dass aufgrund einer Streukapazität zur Erde ein Ableitstrom auftritt, der elektromagnetisches Rauschen verursacht.
• Ein Rotationsmaschinenantriebssystem, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung beinhaltet, hat eine von der Produktklasse abhängige Anforderung an elektromagnetisches Rauschen. Dies erfordert Maßnahmen gegen elektromagnetisches Rauschen, um zu verhindern, dass das in einer Leistungsumwandlungsvorrichtung auftretende elektromagnetische Rauschen einen Regelwert überschreitet. Eine typische Gegenmaßnahme gegen elektromagnetisches Rauschen ist die Verwendung eines Rauschfilters mit passiven Elementen; das Problem besteht jedoch darin, dass der Filter in die Stromrichtereinheit eingebaut werden muss, was die Herstellungskosten erhöht.
• Vor diesem technischen Hintergrund wird in der nachstehenden Patentliteratur 1 eine Technologie zum Reduzieren von elektromagnetischem Rauschen durch Einstellung der Phase des Trägers zur Bestimmung des Ein- und Ausschaltens eines Schaltelements vorgeschlagen.
• Entgegenhaltungsliste
• Patentliteratur
• Patentliteratur 1: WO 2014/073247 A
• Kurzdarstellung
• Technisches Problem
• In dem Verfahren der Patentliteratur 1 wird jedoch nicht detailliert beschrieben, wie eine Anschlussspannung während einer Totzeit geschätzt wird, die vorgesehen ist, um einen Kurzschluss zu verhindern, der durch gleichzeitiges Einschalten der Schaltelemente des Ober- und des Unterarms verursacht werden kann. Das Verfahren der Patentliteratur 1 hat also das Problem, dass die Wirkung der Reduzierung des elektromagnetischen Rauschens, das mit einem der Totzeit entsprechenden Zustand des Nichtsynchronisiertseins assoziiert ist, unzureichend ist.
• Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht des Vorstehenden gemacht, und es ist ein Ziel, eine Leistungsumwandlungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, elektromagnetisches Rauschen aufgrund eines Zustands des Nichtsynchronisiertseins entsprechend der Totzeit zu reduzieren.
• Lösung des Problems
• Um die Probleme zu lösen und das vorstehend beschriebene Ziel zu erreichen, ist eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Leistungsumwandlungsvorrichtung zum Umwandeln von Gleichstrom(direct current - DC)-Leistung in dreiphasige Wechselstrom(alternating current - AC)-Leistung für einen Verbraucher und beinhaltet einen Leistungswandler und eine Steuervorrichtung. Der Stromwandler beinhaltet eine Vielzahl von einphasigen Zweigen, die parallel zueinander geschaltet sind. Jeder der mehreren einphasigen Schenkel beinhaltet ein Oberarmschaltelement und ein Unterarmschaltelement, die in Reihe zueinander geschaltet sind. Das Oberarmschaltelement und das Unterarmschaltelement sind an einem Verbindungspunkt zueinander geschaltet, und der Verbindungspunkt ist an den Verbraucher geschaltet. Die Steuervorrichtung steuert den Schaltvorgang des Oberarmschaltelements und des Unterarmschaltelements. Die Steuervorrichtung beinhaltet eine Schaltsignalerzeugungseinheit. Die Schaltsignalerzeugungseinheit erzeugt Schaltsignale, sodass sich die Zeitpunkte eines ersten Paares miteinander synchronisieren. Das erste Paar beinhaltet einen Anstiegszeitpunkt zum Anheben einer Anschlussspannung an einem ersten Verbindungspunkt eines ersten einphasigen Zweigs und einen Abfallzeitpunkt zum Absenken einer Anschlussspannung an einem zweiten Verbindungspunkt eines zweiten einphasigen Zweigs, wobei der erste Verbindungspunkt zu dem Verbraucher geschaltet ist, wobei der zweite Verbindungspunkt zu dem Verbraucher geschaltet ist. Alternativ erzeugt die Schaltsignalerzeugungseinheit Schaltsignale, sodass sich die Zeitpunkte eines zweiten Paares miteinander synchronisieren. Das zweite Paar beinhaltet einen Abfallzeitpunkt zum Absenken der Anschlussspannung am ersten Verbindungspunkt und einen Anstiegszeitpunkt zum Anheben der Anschlussspannung am zweiten Verbindungspunkt. Die Schaltsignalerzeugungseinheit bestimmt einen Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten des Oberarmschaltelements und einen Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten des Unterarmschaltelements basierend auf Phasenströmen zum Anstiegszeitpunkt bzw. zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen.
• Vorteilhafte Effekte der Erfindung
• Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung bietet den Vorteil, dass sie in der Lage ist, elektromagnetisches Rauschen aufgrund eines Zustands des Nichtsynchronisiertseins entsprechend der Totzeit zu reduzieren.
• Figurenliste
• 1 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
• 2 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration der Steuervorrichtung in der Ausführungsform veranschaulicht.
• 3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für eine Hardwarekonfiguration zum Umsetzen der Funktionalität der Steuervorrichtung in der Ausführungsform veranschaulicht.
• 4 ist ein Spannungsvektordiagramm zum Beschreiben eines Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit in der Ausführungsform.
• 5 ist ein erstes Zeitdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit in der Ausführungsform.
• 6 ist ein zweites Zeitdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit in der Ausführungsform.
• 7 ist ein drittes Zeitdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit in der Ausführungsform.
• 8 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration der Schaltsignalerzeugungseinheit in der Ausführungsform veranschaulicht.
• 9 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf des Betriebs in der Steuervorrichtung der Ausführungsform veranschaulicht.
• 10 ist ein Diagramm zum Vergleichen von Betriebswellenformen vor und nach der Anwendung eines Steuerverfahrens gemäß der Ausführungsform.
• 11 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems gemäß einer ersten Variation der Ausführungsform veranschaulicht.
• 12 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems gemäß einer zweiten Variation der Ausführungsform veranschaulicht.
• 13 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems gemäß einer dritten Variation der Ausführungsform veranschaulicht.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung und ein Rotationsmaschinenantriebssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist anzumerken, dass in der folgenden Beschreibung die elektrische Schaltung und die physikalische Schaltung ohne Unterscheidung einfach als „Schaltung“ bezeichnet werden.
• Ausführungsform.
• 1 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems 100, das eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 80 beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Das Rotationsmaschinenantriebssystem 100 gemäß der in 1 veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet eine Gleichstrom(DC)-Leistungsversorgung 11 und eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 80. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 80 beinhaltet einen Leistungswandler 10, eine Steuervorrichtung 30 und einen Stromdetektor 16. Das Rotationsmaschinenantriebssystem 100 ist zu einer Rotationsmaschine 20 geschaltet, die einen Verbraucher darstellt. Die Rotationsmaschine 20 wird durch elektrische Leistung angetrieben, die vom Rotationsmaschinenantriebssystem 100 zugeführt wird.
• Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 80 wandelt die von der DC-Leistungsversorgung 11 zugeführte DC-Leistung in dreiphasige Wechselstrom(AC)-Leistung für die Rotationsmaschine 20 um und führt der Rotationsmaschine 20 die dreiphasige AC-Leistung zu. Die Phasen der drei Phasen werden im Folgenden als Phase U, Phase V und Phase W bezeichnet.
• 1 veranschaulicht beispielhaft die Rotationsmaschine 20 mit einer dreiphasigen Wicklung 22. Die Rotationsmaschine 20 beinhaltet einen Phase-U-Anschluss 24U, einen Phase-V-Anschluss 24V und einen Phase-W-Anschluss 24W. Die Rotationsmaschine 20 beinhaltet einen Winkeldetektor 21 zum Detektieren des Rotationswinkels eines Rotors (nicht veranschaulicht) in der Rotationsmaschine 20. Ein Beispiel für den Winkeldetektor 21 ist ein Hall-Sensor.
• Der Leistungswandler 10 beinhaltet die Schaltelemente 13a, 13b, 13c und 13d (im Folgenden bei Bedarf als „13a bis 13d“ bezeichnet, wenn ähnliche Bezeichnungen für andere Elemente verwendet werden), die Schaltelemente 14a bis 14d, die Schaltelemente 15a bis 15d und die Kondensatoren 12a und 12b.
• Die Schaltelemente des Leistungswandlers 10 beinhalten jeweils einen bipolaren Transistor mit isolierter Steuerelektrode (insulated gate bipolar transistor - IGBT) und eine Diode, die dem IGBT antiparallel geschaltet ist. Antiparallelschaltung bedeutet, dass die Anodenseite der Diode zu dem Anschluss geschaltet ist, der dem Emitter des IGBT entspricht, und die Kathodenseite der Diode zu dem Anschluss geschaltet ist, der dem Kollektor des IGBT entspricht.
• 1 veranschaulicht beispielhaft einen Fall, in dem der Transistor in jedem der Schaltelemente ein IGBT ist, aber nicht darauf beschränkt ist. Anstelle eines IGBT kann auch ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor - MOSFET) verwendet werden. Es ist anzumerken, dass die Verwendung eines MOSFET in jedem der Schaltelemente zum Auftreten einer parasitären Diode im Element führt. Wenn also ein MOSFET verwendet wird, entfällt durch den Einsatz dieser parasitären Diode die Notwendigkeit, die Diode invers parallel zu schalten.
• Die Schaltelemente 13a bis 13d arbeiten jeweils als Schaltelement der Phase U. Die Schaltelemente 14a bis 14d arbeiten jeweils als Schaltelement der Phase V. Die Schaltelemente 15a bis 15d arbeiten jeweils als Schaltelement der Phase W. Der Satz dieser Schaltelemente 13a bis 13d, 14a bis 14d und 15a bis 15d ermöglicht den Betrieb des Leistungswandlers 10 als Dreistufenwechselrichter. Es ist anzumerken, dass der in 1 veranschaulichte Leistungswandler 10 so konfiguriert ist, dass die Schaltelemente jeder Phase in einer T-förmigen Schaltungskonfiguration angeordnet sind, und daher manchmal als „Dreistufenwechselrichter vom T-Typ“ bezeichnet wird.
• Die Schaltelemente 13a, 14a und 15a sind zu einem DC-Bus 17 mit höherem Potential geschaltet. Die Schaltelemente 13d, 14d und 15d sind zu einem DC-Bus 18 mit niedrigerem Potential geschaltet. Der DC-Bus 17 ist ein elektrischer Draht, der zu der positiven Seite der DC-Leistungsversorgung 11 geschaltet ist. Der DC-Bus 18 ist ein elektrischer Draht, der zu der negativen Seite der DC-Leistungsversorgung 11 geschaltet ist. Die auf der Seite des höheren Potentials angeordneten Schaltelemente 13a, 14a und 15a werden in dieser Schrift jeweils als „Oberarmschaltelement“ bezeichnet, und die auf der Seite des niedrigeren Potentials angeordneten Schaltelemente 13d, 14d und 15d werden in dieser Schrift jeweils als „Unterarmschaltelement“ bezeichnet.
• Ein Paar der Schaltelemente 13a und 13d, ein Paar der Schaltelemente 14a und 14d und ein Paar der Schaltelemente 15a und 15d bilden jeweils einen einphasigen Zweig und sind parallel zueinander geschaltet.
• Die Kondensatoren 12a und 12b sind in dieser Reihenfolge in Reihe zueinander zwischen dem DC-Bus 17 und dem DC-Bus 18 geschaltet. Es ist anzumerken, dass die Spannung zwischen dem DC-Bus 17 und dem DC-Bus 18 als „Busspannung“ bezeichnet wird. Die Busspannung ist gleich der DC-Spannung, die von der DC-Leistungsversorgung 11 ausgegeben wird. Außerdem wird der Wert der Busspannung gegebenenfalls mit „Vdc“ angegeben.
• Ein Paar der Schaltelemente 13b und 13c, ein Paar der Schaltelemente 14b und 14c und ein Paar der Schaltelemente 15b und 15c sind jeweils in Reihe zueinander geschaltet, um jeweils als bidirektionales Schaltelement zu arbeiten.
• Das Paar der Schaltelemente 13b und 13c ist zwischen einem Verbindungspunkt 13e und einem Verbindungspunkt 12c geschaltet. Der Verbindungspunkt 13e ist der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement 13a und dem Schaltelement 13d. Der Verbindungspunkt 12c ist der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 12a und dem Kondensator 12b. Der Verbindungspunkt 12c wird manchmal als „Neutralpunkt“ bezeichnet.
• Gleichermaßen ist das Paar der Schaltelemente 14b und 14c zwischen einem Verbindungspunkt 14e und dem Verbindungspunkt 12c geschaltet. Der Verbindungspunkt 14e ist der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement 14a und dem Schaltelement 14d. Das Paar der Schaltelemente 15b und 15c ist zwischen einem Verbindungspunkt 15e und dem Verbindungspunkt 12c geschaltet. Der Verbindungspunkt 15e ist der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement 15a und dem Schaltelement 15d.
• Der Verbindungspunkt 13e ist zu dem Phase-U-Anschluss 24U der Rotationsmaschine 20 geschaltet. Der Verbindungspunkt 14e ist zu dem Phase-V-Anschluss 24V der Rotationsmaschine 20 geschaltet. Der Verbindungspunkt 15e ist zu dem Phase-W-Anschluss 24W der Rotationsmaschine 20 geschaltet. Der Stromdetektor 16 ist mit den elektrischen Leitungen versehen.
• Wenn sich das Schaltelement 13a in einem Ein-Zustand befindet und sich die anderen Schaltelemente in einem Aus-Zustand in der Phase U befinden, erscheint ein positives Potential der DC-Leistungsversorgung 11 am Verbindungspunkt 13e, und dieses Potential wird an den Phase-U-Anschluss 24U angelegt. Wenn sich das Schaltelement 13d in einem Ein-Zustand befindet und sich die anderen Schaltelemente im Aus-Zustand in der Phase U befinden, erscheint am Verbindungspunkt 13e ein negatives Potential der DC-Leistungsversorgung 11, d. h. ein Nullpotential, und dieses Potential wird an den Phase-U-Anschluss 24U angelegt. Wenn sich entweder das Schaltelement 13b oder das Schaltelement 13c in einem Ein-Zustand befindet und sich die Schaltelemente 13a und 13d in einem Aus-Zustand befinden, erscheint das Potential am Verbindungspunkt 12c, d. h. das Neutralpunktpotential, am Verbindungspunkt 13e, und dieses Potential wird an den Phase-U-Anschluss 24U angelegt. Es ist anzumerken, dass die Kondensatoren 12a und 12b im Grunde die gleiche Kapazität aufweisen, was bedeutet, dass das Neutralpunktpotential die Hälfte der Busspannung beträgt, d. h. „Vdc/2“.
• Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf einen Vorgang, der die Phase U betrifft, und die Schaltelemente der Phase V und der Phase W arbeiten in ähnlicher Weise. Dementsprechend wird eine Spannung auf einem Potential zwischen drei Niveaus, d. h. dem positiven Potential, dem Nullpunktpotential und dem Nullpotential, an jeden des Phase-U-Anschlusses 24U, des Phase-V-Anschlusses 24V und des Phase-W-Anschlusses 24W durch eine Kombination von Schaltvorgängen der Schaltelemente der entsprechenden Phase angelegt. Der Leistungswandler 10 arbeitet also als Dreistufenwechselrichter. In der folgenden Beschreibung werden die an den Phase-U-Anschluss 24U, an den Phase-V-Anschluss 24V und an den Phase-W-Anschluss 24W der Rotationsmaschine 20 angelegten Spannungen jeweils als „Anschlussspannung“ bezeichnet, und die Anschlussspannungen der Phasen werden mit „vun“, „vvn“ bzw. „vwn“ bezeichnet.
• Der Stromdetektor 16 detektiert einen Phasenstrom, der für jede der Phasen der Rotationsmaschine 20 fließt. Ein vom Stromdetektor 16 detektierter Wert wird in die Steuervorrichtung 30 eingegeben. Die Steuervorrichtung 30 steuert die Schaltelemente des Leistungswandlers 10 basierend auf den vom Winkeldetektor 21 und vom Stromdetektor 16 detektierten Detektionswerten. Der Steuervorgang wird später ausführlich beschrieben.
• Nachfolgend wird eine Konfiguration der Steuervorrichtung 30 beschrieben. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration der Steuervorrichtung 30 in der Ausführungsform veranschaulicht. Die Steuervorrichtung 30 beinhaltet eine Spannungsbefehlerzeugungseinheit 40 und eine Schaltsignalerzeugungseinheit 50.
• Wie in 2 veranschaulicht, empfängt die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 40 einen Drehmomentbefehl, die Busspannung, eine vom Winkeldetektor 21 detektierte Rotorposition und den vom Stromdetektor 16 detektierten Phasenstrom. Es ist anzumerken, dass anstelle des Drehmomentbefehls auch ein Strombefehl verwendet werden kann. Die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 40 berechnet einen Phasenspannungsbefehl basierend auf dem Drehmomentbefehl, der Busspannung, der Rotorposition und dem Phasenstrom.
• Darüber hinaus empfängt die Schaltsignalerzeugungseinheit 50, wie in 2 veranschaulicht, den vom Stromdetektor 16 detektierten Phasenstrom und den von der Spannungsbefehlserzeugungseinheit 40 berechneten Phasenspannungsbefehl. Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 erzeugt ein Schaltsignal basierend auf dem Phasenstrom und dem Phasenspannungsbefehl und gibt das Schaltsignal aus.
• 3 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für eine Hardwarekonfiguration zum Umsetzen der Funktionalität der Steuervorrichtung 30 in der Ausführungsform veranschaulicht. Die vorstehend beschriebene Funktionalität und die nachfolgend beschriebene Funktionalität der Steuervorrichtung 30 kann durch eine Kombination aus einem Prozessor 1 und einer Speichervorrichtung 2, wie in 3 veranschaulicht, umgesetzt werden. Obwohl nicht veranschaulicht, beinhaltet die Speichervorrichtung 2 eine flüchtige Speichervorrichtung, ein typisches Beispiel dafür ist ein Direktzugriffsspeicher, und eine nichtflüchtige Zusatzspeichervorrichtung, ein typisches Beispiel dafür ist ein Flash-Speicher. Es ist anzumerken, dass anstelle eines Flash-Speichers auch eine Zusatzspeichervorrichtung, wie etwa ein Festplattenlaufwerk, verwendet werden kann.
• Der Prozessor 1 führt ein aus der Speichervorrichtung 2 ausgelesenes Programm aus, um einen Teil oder die gesamte Funktionalität der Steuervorrichtung 30 auszuführen. In diesem Fall wird ein Programm aus der Zusatzspeichervorrichtung über die flüchtige Speichervorrichtung in den Prozessor 1 eingelesen. Der Prozessor 1 kann Daten, wie etwa ein Berechnungsergebnis, an die flüchtige Speichervorrichtung der Speichervorrichtung 2 ausgeben. Andernfalls kann der Prozessor 1 Daten über die flüchtige Speichervorrichtung in der Zusatzspeichervorrichtung speichern. Darüber hinaus kann die Verarbeitung zusätzlich zu dem Prozessor 1 und der Speichervorrichtung 2 mit Hilfe eines Logikschaltkreises und/oder eines Analogschaltkreises erfolgen.
• Ein Betrieb der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in der Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen von 4 bis 7 beschrieben. 4 ist ein Spannungsvektordiagramm zum Beschreiben eines Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in der Ausführungsform. 5 ist ein erstes Zeitdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in der Ausführungsform. 6 ist ein zweites Zeitdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in der Ausführungsform. 7 ist ein drittes Zeitdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in der Ausführungsform.
• 4 veranschaulicht Ausgabespannungsvektoren (im Folgenden jeweils einfach als „Spannungsvektor“ bezeichnet) des Dreistufenwechselrichters. Ein Spannungsvektor wird ausgedrückt als (u, v, w). Die Komponente „u“ steht für den Spannungsausgabezustand der Phase U. Die Komponente „v“ steht für den Spannungsausgabezustand der Phase V. Die Komponente „w“ steht für den Spannungsausgabezustand der Phase W.
• In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Steuerung bereitgestellt, um den Anstiegszeitpunkt des Anhebens der Anschlussspannung einer Phase und den Abfallzeitpunkt des Absenkens der Anschlussspannung einer anderen Phase zu synchronisieren, als ein Verfahren zum Reduzieren von elektromagnetischem Rauschen aufgrund eines Zustands des Nichtsynchronisiertseins, der der Totzeit entspricht. Um diese Steuerung bereitzustellen, verwendet die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 der vorliegenden Ausführungsform nur die sechs in 4 veranschaulichten Spannungsvektoren, was keine Änderung der dreiphasigen Gleichtaktspannung bewirkt. Die Spannungsvektoren sind V0(0, 0, 0), V1 (1, 0, -1), V2 (0, 1, -1), V3 (-1, 1, 0), V4 (-1, 0, 1), V5(0, -1, 1) und V6(1, -1, 0).
• Es ist anzumerken, dass jeder der numerischen Werte in den Klammern jedes Spannungsvektors eines von „1“, was eine Anschlussspannung von Vdc angibt, „0“, was eine Anschlussspannung von Vdc/2 angibt, und „-1“, was eine Anschlussspannung von 0 angibt, ist.
• Es ist anzumerken, dass die Gleichtaktspannung eine Spannung ist, die Gleichtaktrauschen verursachen kann. Die Gleichtaktspannung ist in dieser Schrift definiert als ein Quotient aus der Division durch 3 einer Summe der Phase-U-Anschlussspannung vun, der Phase-V-Anschlussspannung vvn und der Phase-W-Anschlussspannung vwn, d. h. (vun+vvn+vwn)/3.
• Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 berechnet basierend auf den Phasenspannungsbefehlen und den aktuellen Schaltzuständen der jeweiligen Schaltelemente die auszugebenden Spannungsvektoren sowie die Ausgabereihenfolge und die Ausgabezeitspannen der Spannungsvektoren. 5 veranschaulicht als spezifisches Beispiel die Ausgabespannungsvektoren und die Ausgabezeitspannen in einem Zeitdiagramm, wenn Spannungen ausgegeben werden, deren Phasenwinkel in einem Bereich von -30 bis 30 Grad auf einer αβ-Ebene liegen.
• In 4 sind Spannungsvektoren mit Phasenwinkeln in einem Bereich von -30 bis 30 Grad auf der αβ-Ebene drei Spannungsvektoren, nämlich V0(0, 0, 0), V1(1, 0, -1) und V6(1, -1, 0), und diese V0, V1 und V6 werden daher verwendet. Das Beispiel in 5 ist ein Fall, in dem die Spannungsvektoren V0, V6, V1 und V0 nacheinander für jeweilige Zeitspannen T1, T2, T3 und T4 in dieser Reihenfolge ausgegeben werden. Die Zeitspannen T1 bis T4 für die Ausgabe der Spannungsvektoren entsprechen einem konventionellen Raumvektor-Modulationsschema, auf dessen detaillierte Beschreibung daher verzichtet wird. Es ist anzumerken, dass die Zeitspannen T1 bis T4 und ein Steuerzyklus Ts in der Beziehung Ts=T1+T2+T3+T4 stehen. Außerdem bestimmt natürlich das Verhältnis zwischen der Zeitspanne T1 und der Zeitspanne T2 die Richtung eines Spannungsvektors auf der αβ-Ebene, und das Verhältnis der Summe der Zeitspanne T1 und der Zeitspanne T2 zum Steuerzyklus Ts bestimmt die Größe eines Spannungsvektors auf der αβ-Ebene.
• Als nächstes bestimmt die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 die Ausgabereihenfolge und die Phasen der Spannungsvektoren, um den Anstiegszeitpunkt und den Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung jeder Phase zu bestimmen.
• Gemäß dem in 5 veranschaulichten Beispiel wird bestimmt, dass die Phase-U-Anschlussspannung „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt 0 bis Zeitpunkt t1, „Vdc“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t3 und „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t3 bis zu Ende von Ts ist; wird bestimmt, dass die Phase-V-Anschlussspannung „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt 0 bis Zeitpunkt t1, „0“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t2 und „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t2 bis zum Ende von Ts ist; und wird bestimmt, dass die Phase-W-Anschlussspannung „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt 0 bis Zeitpunkt t2, „0“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t2 bis Zeitpunkt t3 und „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t3 bis zum Ende von Ts ist.
• Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, können die Zeitpunkte t1, t2 und t3 jeweils als Übergangszeitpunkt der entsprechenden Anschlussspannung ausgedrückt werden. Es ist anzumerken, dass die Zeitpunkte t1, t2 und t3 in dieser Schrift jeweils als die abgelaufene Zeit in Bezug auf Zeitpunkt 0 definiert sind. Mit dieser Definition stehen die Zeitpunkte t1, t2 und t3 in folgender Beziehung zu den vorstehend genannten Zeitspannen T1, T2 und T3, in denen die jeweiligen Spannungsvektoren ausgegeben werden.
• $$\text{t1}=\text{T1}$$

  

  $$\text{t2}=\text{T1}+\text{T2}$$

  

  $$\text{t3}=\text{T1}+\text{T2}+\text{T3}$$

  
• Gemäß dem in 5 veranschaulichten Beispiel ist die Summe der Zeitspannen in einem niedrigen Zustand der Phase V und der Phase W, in denen die Anschlussspannung jeweils veranlasst wird, von abfallend zu ansteigend in dieser Reihenfolge zu wechseln, gleich der Summe der Zeitspannen in einem hohen Zustand der Phase U, in denen die Anschlussspannung veranlasst wird, von ansteigend zu abfallend in dieser Reihenfolge überzugehen, während der Zeitspanne vom Zeitpunkt 0 bis zum Ende des Steuerzyklus Ts. So kann die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 die Schaltsignale so bestimmen, dass die Summe der Zeitspannen in einem niedrigen Zustand aller Phasen, in denen die Anschlussspannung von abfallend zu ansteigend in dieser Reihenfolge geändert wird, gleich der Summe der Zeitspannen in einem hohen Zustand aller Phasen wird, in denen die Anschlussspannung von ansteigend zu abfallend in dieser Reihenfolge übergeht, während eines Steuerzyklus.
• Es ist anzumerken, dass der untere Abschnitt von 5 die Wellenform der Gleichtaktspannung vcm veranschaulicht. Wenn die Gleichtaktspannung vcm unter Verwendung des vorstehend definierten Ausdrucks berechnet wird, ergibt sich ein konstanter Wert von „Vdc/2“, wie im unteren Abschnitt von 5 veranschaulicht. Dies zeigt, dass das in 5 veranschaulichte Beispiel des Spannungsvektorsatzes, der Ausgabereihenfolge und der Ausgabezeitspannen zur Reduktion des durch die Gleichtaktspannung verursachten elektromagnetischen Rauschens beitragen kann.
• Im Folgenden wird eine Stromschätzungsberechnung beschrieben, die in der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 der Ausführungsform durchgeführt wird. 6 verwendet ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Prozessablaufs, der bei der Stromschätzungsberechnung durchgeführt wird. 6 veranschaulicht einen tatsächlichen Strom durch die gestrichelte Wellenform und einen abgetasteten Strom durch die durchgezogene Wellenform. Die abgetastete Stromwellenform ist ein Verlauf von Stromwerten, der basierend auf den vom Stromdetektor 16 detektierten Werten geschätzt werden.
• In 6 schätzt die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 die Stromwerte iph_est1 und iph_est2 basierend auf einem Phasenstrom iph dieser Phase, der zum Zeitpunkt 0 im aktuellen Steuerzyklus detektiert wurde, und einem Phasenstrom iph_old dieser Phase, der zum Zeitpunkt 0 im unmittelbar vorhergehenden Steuerzyklus detektiert wurde. Zeitpunkt 0 ist der Zeitpunkt zu Beginn eines jeden Steuerzyklus. Der Stromwert iph_est1 ist ein geschätzter Wert des Stromwerts in einem Steuerzyklus, der in Bezug auf Zeitpunkt 0 des aktuellen Steuerzyklus einen Steuerzyklus voraus ist. Der Stromwert iph_est2 ist ein geschätzter Wert des Stromwerts in einem Steuerzyklus, der in Bezug auf Zeitpunkt 0 des aktuellen Steuerzyklus zwei Steuerzyklen voraus ist.
• Außerdem sind der Stromwert iph_est1 in einem Steuerzyklus, der einen Steuerzyklus voraus ist, und der Stromwert iph_est2 in einem Steuerzyklus, der zwei Steuerzyklen voraus ist, Stromwerte, die bei der Erzeugung des Schaltsignals zu verwenden sind. Das heißt, der Stromwert iph_est1 in einem Steuerzyklus, der einen Steuerzyklus voraus ist, und der Stromwert iph_est2 in einem Steuerzyklus, der zwei Steuerzyklen voraus ist, die bei der Erzeugung des Schaltsignals zu verwenden sind, werden basierend auf dem im aktuellen Steuerzyklus detektierten Phasenstrom iph und dem im unmittelbar vorhergehenden Steuerzyklus detektierten Phasenstrom iph_old geschätzt.
• Es ist anzumerken, dass, wie auch in 6 veranschaulicht, der Zeitpunkt 0 des aktuellen Steuerzyklus der Zeitpunkt ist, zu dem die Berechnung eines Phasenspannungsbefehls beginnt. Die Berechnung des Phasenspannungsbefehls ist innerhalb des aktuellen Steuerzyklus abgeschlossen. Der Einschaltzeitpunkt, d. h. der Zeitpunkt des tatsächlichen Einschaltens eines Schaltelements, und der Ausschaltzeitpunkt, d. h. der Zeitpunkt des tatsächlichen Ausschaltens dieses Schaltelements, werden ebenfalls innerhalb des aktuellen Steuerzyklus bestimmt. Dann beginnt die Erzeugung des Schaltsignals basierend auf dem bestimmten Einschaltzeitpunkt und dem Ausschaltzeitpunkt, wobei der Startzeitpunkt auf den Zeitpunkt 0 in einem Steuerzyklus gesetzt wird, der einen Steuerzyklus vor dem Zeitpunkt 0 des aktuellen Steuerzyklus liegt.
• Unter der Annahme, dass sich jeder Phasenstrom in einem Steuerzyklus linear ändert, können der Stromwert iph_est1 zum Zeitpunkt 0 eines Steuerzyklus, der einen Steuerzyklus voraus ist, und der Stromwert iph_est2 zum Zeitpunkt 0 eines Steuerzyklus, der zwei Steuerzyklen voraus ist, anhand der folgenden Gleichungen geschätzt werden.
• $$\text{iph\_est1}=\text{iph}+\left(\text{iph}-\text{iph\_old}\right)$$

  

  $$\text{iph\_est2}=\text{iph}+2\left(\text{iph}-\text{iph\_old}\right)$$

  
• Wie in 5 veranschaulicht, wird der Nullspannungsvektor V0 zum Zeitpunkt 0 ausgegeben, wenn jeder Stromwert geschätzt wird. Wenn sich die Rotationsmaschine 20 zum Zeitpunkt der Ausgabe des Nullspannungsvektors V0 mit einer niedrigen Drehzahl dreht, ist die in der Rotationsmaschine 20 erzeugte Induktionsspannung gering, und der Phasenstromwert kann daher als sehr wenig veränderlich angesehen werden. In diesem Fall können die Stromwerte iph_t1, iph_t2 und iph_t3 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1, t2 und t3 anhand der folgenden Gleichungen geschätzt werden.
• $$\text{iph\_t1}=\text{iph\_est1}$$

  

  $$\text{iph\_t2}=\text{iph\_est1}+\left(\text{iph\_est2}-\text{iph\_est1}\right)\times \left(\text{T2}/(\text{T2}+\text{T3})\right)$$

  

  $$\text{iph\_t3}=\text{iph\_est2}$$

  
• Wenn hingegen der Strom aufgrund von Schaltvorgängen stark pulsiert, besteht eine wirksame Maßnahme darin, den Strom mehrmals um den Zeitpunkt 0 herum zu detektieren, um den Betrag der Stromänderung abzuschätzen. 7 veranschaulicht ein Beispiel, in dem der Phasenstrom zweimal um den Zeitpunkt 0 herum detektiert wird.
• Wie in 7 veranschaulicht, wird ein erster Stromwert mit iph1 bezeichnet und wird ein zweiter Stromwert mit iph2 bezeichnet, die um den Zeitpunkt 0 des aktuellen Steuerzyklus herum detektiert werden. Darüber hinaus wird ein erster Stromwert, der um den Zeitpunkt 0 in einem Steuerzyklus herum detektiert wird, der vor dem aktuellen Steuerzyklus für einen Steuerzyklus liegt, mit iph1_old bezeichnet. In diesem Fall wird ein geschätzter Wert iph1_est des Stroms zum Zeitpunkt 0 eines Steuerzyklus, der einen Steuerzyklus voraus ist, anhand der folgenden Gleichungen berechnet.
• $$\text{iph\_dlst1}=\text{iph1\_old}-\text{iph1}$$

  

  $$\text{iph1\_est}=\text{iph1}-\text{iph\_dlt1}$$

  
• Unter der Annahme, dass die Stromwelligkeit in einem Steuerzyklus eine konstante Steigung aufweist, werden die Stromwerte iph_t1, iph_t2 und iph_t3 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1, t2 und t3 anhand der folgenden Gleichungen geschätzt.
• $$\text{iph\_dlt2}=\left(\text{iph2}-\text{iph1}\right)/\text{dltT}$$

  

  $$\text{iph\_t1}=\text{iph1\_est}+\text{T1}\times \text{iph\_dlt2}$$

  

  $$\text{iph\_t3}=\text{iph1\_est}-\text{iph\_dlt1}-\text{T4}\times \text{iph\_dlt2}$$

  

  $$\text{iph\_t2}=\text{iph\_t1}+\text{T2}\times \left(\text{iph\_t3}-\text{iph\_t1}\right)/\left(\text{t3}-\text{t2}\right)$$

  
• Es ist anzumerken, dass dltT auf der rechten Seite der Gleichung (8) oben die Differenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der erste Stromwert iph1 detektiert wird, und dem Zeitpunkt, zu dem der zweite Stromwert iph2 detektiert wird, ist.
• Die Stromwerte iph_t1, iph_t2 und iph_t3 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1, t2 und t3 können unter Verwendung der Gleichungen (12) bis (14) unten anstelle der Gleichungen (8) bis (11) oben geschätzt werden.
• $$\text{iph\_t1}=\text{iph\_est1}+\text{E}/\text{R}\left(1-{\text{e}}^{\left(-\text{T1/}\mathrm{\tau }\right)}\right)$$

  

  $$\text{iph\_t2}=\text{iph\_t1}+\text{E}/\text{R}\left(1-{\text{e}}^{\left(-\text{T2/}\mathrm{\tau }\right)}\right)$$

  

  $$\text{iph\_t3}=\text{iph\_t2}+\text{E}/\text{R}\left(1-{\text{e}}^{\left(-\text{T3/}\mathrm{\tau }\right)}\right)$$

  
• In den vorstehenden Gleichungen (12) bis (14) steht „R“ für den Widerstandswert der Rotationsmaschine 20, wenn die Rotationsmaschine 20 vom Leistungswandler 10 aus betrachtet wird. „τ“ ist eine Zeitkonstante und wird durch τ=L/R gegeben. „L“ ist der Induktivitätswert der Rotationsmaschine 20, wenn die Rotationsmaschine 20 vom Leistungswandler 10 aus betrachtet wird. „E“ steht für die Spannung, die an jedem Phasenanschluss der Rotationsmaschine 20 erzeugt wird, und ist gegeben durch E=vph-vind-Vdc/2. „vph“ ist die an die Rotationsmaschine 20 angelegte Spannung, „vind“ ist die Induktionsspannung, die in der Rotationsmaschine 20 erzeugt wird. „Vdc“ ist die vorstehend beschriebene Busspannung.
• Es ist anzumerken, dass das Symbol „ph“ in den Stromwerten iph_t1, iph_t2 und iph_t3 für jede Phase der drei Phasen steht, d. h. für die Phase U, die Phase V und die Phase W zusammengenommen. So wird z. B. „ph“ durch „u“ oder „U“ ersetzt, um die Phase U darzustellen. Die Phase-U-Stromwerte zu den jeweiligen Zeitpunkten t1, t2 und t3 werden somit als „iu_t1“, „iu_t2“ und „iu_t3“ bezeichnet. Eine ähnliche Bezeichnung wird für die Phase V und die Phase W verwendet. Darüber hinaus wird eine ähnliche Bezeichnung auch für andere Parameter, wie etwa den Phasenspannungsbefehl, das Schaltsignal, den Einschaltzeitpunkt und den Ausschaltzeitpunkt, verwendet.
• Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 bestimmt die Polarität des Stroms basierend auf den vorstehend berechneten Stromwerten iph_t1, iph_t2 und iph_t3 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1, t2 und t3. Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 schätzt auch die Anschlussspannung während einer Totzeit basierend auf der Strompolarität. Es ist anzumerken, dass die Strömungsrichtung in die Rotationsmaschine 20 in dieser Schrift als positiv und die entgegengesetzte Richtung als negativ definiert ist. Es ist auch anzumerken, dass diese Definition nur der Bequemlichkeit dient und auch die umgekehrte Definition verwendet werden kann, d. h. die Richtung der Strömung aus der Rotationsmaschine 20 kann als positiv definiert werden.
• Nachfolgend wird ein Prozess zur Berechnung eines Schaltzeitpunkts beschrieben, der in der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 der Ausführungsform durchgeführt wird. Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 berechnet zunächst den Einschaltzeitpunkt und den Ausschaltzeitpunkt basierend auf den Stromwerten iph_t1, iph_t2 und iph_t3 zu den jeweiligen Zeitpunkten t1, t2 und t3.
• Wenn der Leistungswandler 10 die in 1 veranschaulichte Schaltkreiskonfiguration aufweist, kann die Kombination der Leitungszustände der Schaltelemente entweder den Zustand (A) oder den Zustand (B) einnehmen, wie unten angegeben. Es ist anzumerken, dass in der folgenden Beschreibung „SW_ph1“ bis „SW_ph4“ jeweils ein Schaltsignal zur Steuerung des Leitungszustands, d. h. eines Ein-Zustands oder eines Aus-Zustands, des entsprechenden der Schaltelemente 13a bis 13d, 14a bis 14d und 15a bis 15d darstellen. Darüber hinaus steht „td“ für die vorstehend beschriebene „Totzeit“.
• (Zustand A): SW_ph2 gibt EIN an, SW_ph4 gibt AUS an und SW_ph1 und SW_ph3 geben komplementäres Schalten an
• (A-1): SW_ph1 gibt EIN an, SW_ph3 gibt AUS an
• (A-2): SW_ph1 gibt AUS an, SW_ph3 gibt AUS an
• (A-3): SW_ph1 gibt AUS an, SW_ph3 gibt EIN an
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der vorstehenden (A-1) bis (A-3).
• (A-1): Anschlussspannung ist „Vdc“
• Die Schaltelemente 13a, 14a und 15a werden eingeschaltet, und die Dioden der Schaltelemente 13c, 14c und 15c werden in Sperrrichtung vorgespannt, sodass das positive Potential der DC-Leistungsversorgung 11 erscheint.
• (A-2):
• Wenn iph_t<0, dann Anschlussspannung = „Vdc“
• Der Strom iph_t fließt durch die Diode des entsprechenden der Schaltelemente 13a, 14a und 15a, wodurch das positive Potential der DC-Leistungsversorgung 11 entsteht.
• Wenn iph_t>0, dann Anschlussspannung = „Vdc/2“
• Der Strom iph_t fließt durch die Diode des entsprechenden der Schaltelemente 13c, 14c und 15c, wodurch das Neutralpunktpotential entsteht.
• (A-3): Anschlussspannung ist „Vdc/2“
• Die Schaltelemente 13b, 13c, 14b, 14c, 15b und 15c werden gleichzeitig eingeschaltet, wodurch das Neutralpunktpotential entsteht.
• (Zustand B): SW_ph1 gibt AUS an, SW_ph3 gibt EIN an und SW_ph2 und SW_ph4 geben komplementäres Schalten an
• (B-1): SW_ph2 gibt EIN an, SW_ph4 gibt AUS an
• (B-2): SW_ph2 gibt AUS an, SW_ph4 gibt AUS an
• (B-3): SW_ph2 gibt AUS an, SW_ph4 gibt EIN an
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der vorstehenden (B-1) bis (B-3).
• (B-1): Anschlussspannung ist „Vdc/2“
• Die Schaltelemente 13b, 13c, 14b, 14c, 15b und 15c werden gleichzeitig eingeschaltet, wodurch das Neutralpunktpotential entsteht.
• (B-2):
• Wenn iph_t<0, dann Anschlussspannung = „Vdc/2“
• Der Strom iph_t fließt durch die Diode des entsprechenden der Schaltelemente 13b, 14b und 15b, wodurch das Neutralpunktpotential entsteht.
• Wenn iph_t>0, dann Anschlussspannung = „0“
• Der Strom iph_t fließt durch die Diode des entsprechenden der Schaltelemente 13d, 14d und 15d, wodurch das positive Potential der DC-Leistungsversorgung 11 entsteht.
• (B-3): Anschlussspannung ist „0“
• Die Schaltelemente 13d, 14d und 15d werden eingeschaltet, und die Dioden der Schaltelemente 13b, 14b und 15b werden in Sperrrichtung vorgespannt, sodass das negative Potential der DC-Leistungsversorgung 11 erscheint.
• Unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Leitungszustände der Schaltelemente, wenn die Polarität des Stroms zum Zeitpunkt des Schaltens positiv ist, schiebt die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 den Ausschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das niedrigere Potential zu schalten, und den Einschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das höhere Potential zu schalten, um eine der Totzeit entsprechende Zeitspanne vor.
• Alternativ dazu schiebt die Schaltsignalerzeugungseinheit 50, wenn die Polarität des Stroms zum Zeitpunkt des Schaltens negativ ist, den Ausschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das höhere Potential zu schalten, und den Einschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das niedrigere Potential zu schalten, um eine der Totzeit entsprechende Zeitspanne vor.
• Um die Phase-U-Anschlussspannung wie in 5 veranschaulicht zu steuern, d. h. um „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt 0 bis Zeitpunkt t1, „Vdc“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t3 und „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t3 bis zum Ende von Ts zu sein, werden die Leitungszustände der Phase-U-Schaltelemente wie folgt gesteuert.
• Zeitpunkt 0 bis t1': $$\left(\text{SW\_U1}\text{,SW\_U2}\text{,SW\_U3}\text{,SW\_U4}\right)=\left(0110\right)$$

  
• Zeitpunkt t1' bis t1'+td: $$\left(\text{SW\_U1}\text{,SW\_U2}\text{,SW\_U3}\text{,SW\_U4}\right)=\left(0100\right)$$

  
• Zeitpunkt t1'+td bis t3': $$\left(\text{SW\_U1}\text{,SW\_U2}\text{,SW\_U3}\text{,SW\_U4}\right)=\left(1100\right)$$

  
• Zeitpunkt t3' bis t3'+td: $$\left(\text{SW\_U1}\text{,SW\_U2}\text{,SW\_U3}\text{,SW\_U4}\right)=\left(0100\right)$$

  
• Zeitpunkt t3'+td bis zum Ende von Ts: $$\left(\text{SW\_U1}\text{,SW\_U2}\text{,SW\_U3}\text{,SW\_U4}\right)=\left(0110\right)$$

  
• In der vorstehenden Beschreibung steht die in Klammern angegebene Zahl für den Leitungszustand des entsprechenden Schaltelements; „0“ gibt an, dass das Schaltelement AUS ist, und „1“ gibt an, dass das Schaltelement EIN ist.
• Die Zeitpunkte t1' und t3' werden in Abhängigkeit von der Polarität des Stroms zum Zeitpunkt des Umschaltens und unter Berücksichtigung des Potentials der Anschlussspannung während der Totzeit wie folgt eingestellt.
• $$\text{Wenn iu\_t1}>\mathrm{0,}\text{ t1}\text{'}=\text{t1}-\text{td}$$

  

  $$\text{Wenn iu\_t1}<\mathrm{0,}\text{ t1}\text{'}=\text{t1}$$

  

  $$\text{Wenn iu\_t3}>\mathrm{0,}\text{ t3}\text{'}=\text{t3}$$

  

  $$\text{Wenn iu\_t3}<\mathrm{0,}\text{ t3}\text{'}=\text{t3}-\text{td}$$

  
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der Gleichungen (20) bis (23) oben. In den Fällen von (A-1) und (A-2), wenn iph_t<0 ist, bleibt die Anschlussspannung „Vdc“, auch wenn der Zustand von (A-1) zu (A-2) übergeht. Wenn iph_t>0 ist, ändert sich die Anschlussspannung von „Vdc“ zu „Vdc/2“, wenn der Zustand von (A-1) zu (A-2) übergeht. Wenn iph_t<0 ist, also keine Änderung der Anschlussspannung auftritt, wird der berechnete Zeitpunkt t1 unverändert übernommen. Wenn iph_t>0 ist, also eine Änderung der Anschlussspannung auftritt, wird die Totzeit td auf einen Zeitpunkt eingestellt, der vor dem Zeitpunkt t1 liegt. Eine ähnliche Erklärung gilt für den Fall des Zeitpunkts t3, zu dem sich der Spannungsvektor ändert. Es ist anzumerken, dass die Beschreibung hier weggelassen wird, um eine doppelte Beschreibung zu vermeiden.
• Somit werden die Einschaltzeitpunkte und die Ausschaltzeitpunkte der Phase-U-Schaltelemente, d. h. tU1on, tU1off, tU2on, tU2off, tU3on, tU3off, tU4on und tU4off, wie folgt festgelegt.
• $$\text{SW\_U1}:\text{ tU1on}=\text{t1'}+\text{td},\text{ tU1off}=\text{t3'}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{SW\_U2}:\text{st}\ddot{\text{a}}\text{nding An }(\text{keine Einstellung fur tU2on und }\\ \text{tU2off})\end{array}$$

  

  $$\text{SW\_U3}:\text{ tU3off}=\text{t1'}+\text{td},\text{ tU3on}=\text{t3'}+\text{td}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{SW\_U4}:\text{st}\ddot{\text{a}}\text{nding Aus }(\text{keine Einstellung f}\ddot{\text{u}}\text{r tU4on und}\\ \text{tU4off})\end{array}$$

  
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der Gleichungen (24) bis (27) oben. Betrachtet man die Zahlen in Klammern auf der rechten Seite der Gleichungen (15) bis (19) oben, so sind die Zahlen von SW_U2 alle „1“ und die Zahlen von SW_U4 alle „0“. Dies bedeutet, dass das Schaltelement 13b ständig EIN ist, während das Schaltelement 13d ständig AUS ist. Daher ist es nicht erforderlich, die Werte für tU2on, tU2off, tU4on und tU4off einzustellen. Darüber hinaus ändert sich SW_U1 zum Zeitpunkt t1'+td von „0“ auf „1“ und ändert sich zum Zeitpunkt t3' von „1“ auf „0“. Dementsprechend werden die Werte wie in Gleichung (24) oben angegeben eingestellt. Außerdem ändert sich SW_U3 zum Zeitpunkt t1' von „1“ auf „0“ und ändert sich zum Zeitpunkt t3'+td von „0“ auf „1“. Dementsprechend werden die Werte wie in Gleichung (26) oben angegeben eingestellt.
• Die Phase-V-Anschlussspannung und die Phase-W-Anschlussspannung werden im Folgenden in ähnlicher Weise beschrieben.
• Um die Phase-V-Anschlussspannung wie in 5 veranschaulicht zu steuern, d. h. um „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt 0 bis Zeitpunkt t1, „0“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t2 und „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t2 bis zum Ende von Ts zu sein, werden die Leitungszustände der jeweiligen Phase-V-Schaltelemente wie folgt gesteuert.
• Zeitpunkt 0 bis t1': $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0110\right)$$

  
• Zeitpunkt t1' bis t1'+td: $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0010\right)$$

  
• Zeitpunkt t1'+td bis t2': $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0011\right)$$

  
• Zeitpunkt t2' bis t2'+td: $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0010\right)$$

  
• Zeitpunkt t2'+td bis zum Ende von Ts: $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0110\right)$$

  
• Die Zeitpunkte t1' und t2' werden in Abhängigkeit von der Polarität des Stroms zum Zeitpunkt des Umschaltens und unter Berücksichtigung des Potentials der Anschlussspannung während der Totzeit wie folgt eingestellt.
• $$\text{Wenn iv\_t1}>\text{0}\text{,t1'}=\text{t1}$$

  

  $$\text{Wenn iv\_t1}<\text{0}\text{, t1'}=\text{t1}-\text{td}$$

  

  $$\text{Wenn iv\_t2}<\text{0}\text{, t2'}=\text{t2}-\text{td}$$

  

  $$\text{Wenn iv\_t2}<\text{0}\text{, t2'}=\text{t2}$$

  
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der Gleichungen (33) bis (36) oben. In den Fällen von (B-2) und (B-3), wenn iph_t>0 ist, bleibt die Anschlussspannung „0“, auch wenn der Zustand von (B-2) zu (B-3) übergeht. Wenn iph_t<0 ist, ändert sich die Anschlussspannung von „Vdc/2“ auf „0“, wenn der Zustand von (B-2) zu (B-3) übergeht. Wenn iph_t>0 ist, also keine Änderung der Anschlussspannung auftritt, wird der berechnete Zeitpunkt t1 unverändert übernommen. Wenn iph_t<0 ist, also eine Änderung der Anschlussspannung auftritt, wird die Totzeit td auf einen Zeitpunkt eingestellt, der vor dem Zeitpunkt t1 liegt. Eine ähnliche Erklärung gilt für den Fall des Zeitpunkts t2, zu dem sich der Spannungsvektor ändert. Es ist anzumerken, dass die Beschreibung hier weggelassen wird, um eine doppelte Beschreibung zu vermeiden.
• Somit werden die Einschaltzeitpunkte und die Ausschaltzeitpunkte der Phase-V-Schaltelemente, d. h. tV1on, tV1off, tV2on, tV2off, tV3on, tV3off, tV4on und tV4off, wie folgt eingestellt. $$\begin{array}{l}\text{SW\_U4}:\text{st}\ddot{\text{a}}\text{nding Aus }(\text{keine Einstellung f}\ddot{\text{u}}\text{r tVlon }\\ \text{und tVloff})\end{array}$$

  

  $$\text{SW\_V2}:\text{tV2off}=\text{t1}\text{'},\text{tVon}=\text{t2}\text{'}+\text{td}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{SW\_U3}:\text{st}\ddot{\text{a}}\text{nding Ein }(\text{keine Einstellung f}\ddot{\text{u}}\text{r tV3on }\text{und}\\ \text{ tV3off})\end{array}$$

  

  $$\text{SW\_V4}:\text{tV4off}=\text{t1}\text{'},\text{tV4off}=\text{t2}\text{'}$$

  
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der Gleichungen (37) bis (40) oben. Betrachtet man die Zahlen in Klammern auf der rechten Seite der Gleichungen (28) bis (32) oben, so sind die Zahlen von SW_V1 alle „0“ und die Zahlen von SW_V3 alle „1“. Dies bedeutet, dass das Schaltelement 14a ständig AUS ist, während das Schaltelement 14c ständig EIN ist. Daher ist es nicht erforderlich, die Werte für tV1on, tV1off, tV3on und tV3off einzustellen. Zusätzlich ändert sich SW_V2 zum Zeitpunkt t1' von „1“ auf „0“ und ändert sich zum Zeitpunkt t2'+td von „0“ auf „1“. Dementsprechend werden die Werte wie in Gleichung (38) oben angegeben eingestellt. Darüber hinaus ändert sich SW_V4 zum Zeitpunkt t1'+td von „0“ auf „1“ und ändert sich zum Zeitpunkt t2' von „1“ auf „0“. Dementsprechend werden die Werte wie in Gleichung (40) oben angegeben eingestellt.
• Um die Phase-W-Anschlussspannung wie in 5 veranschaulicht zu steuern, d. h. um „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt 0 bis Zeitpunkt t2, „0“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t2 bis Zeitpunkt t3 und „Vdc/2“ während einer Zeitspanne von Zeitpunkt t3 bis zum Ende von Ts zu sein, werden zusätzlich die Leitungszustände der jeweiligen Phase-W-Schaltelemente wie folgt gesteuert.
• Zeitpunkt 0 bis t2': $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0110\right)$$

  
• Zeitpunkt t2' bis t2'+td: $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0010\right)$$

  
• Zeitpunkt t2'+td bis t3': $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0011\right)$$

  
• Zeitpunkt t3' bis t3'+td: $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0010\right)$$

  
• Zeitpunkt t3'+td bis zum Ende von Ts: $$\left(\text{SW\_V1},\text{SW\_V2},\text{SW\_V3},\text{SW\_V4}\right)=\left(0110\right)$$

  
• Die Zeitpunkte t3' und t4' werden in Abhängigkeit von der Polarität des Stroms zum Zeitpunkt des Umschaltens und unter Berücksichtigung des Potentials der Anschlussspannung während der Totzeit wie folgt berechnet.
• $$\text{Wenn iw\_t2}>\text{0}\text{, t2'}=\text{t2}$$

  

  $$\text{Wenn iw\_t2}<\text{0}\text{, t2'}=\text{t2}-\text{td}$$

  

  $$\text{Wenn iw\_t3}>\text{0}\text{, t3'}=\text{t3}-\text{td}$$

  

  $$\text{Wenn iw\_t3}<\text{0}\text{, t3'}=\text{t3}$$

  
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der Gleichungen (46) bis (49) oben. In den Fällen von (B-2) und (B-3), wenn iph_t>0 ist, bleibt die Anschlussspannung „0“, auch wenn der Zustand von (B-2) zu (B-3) übergeht. Wenn iph_t<0 ist, ändert sich die Anschlussspannung von „Vdc/2“ auf „0“, wenn der Zustand von (B-2) zu (B-3) übergeht. Wenn iph_t>0 ist, also keine Änderung der Anschlussspannung auftritt, wird der berechnete Zeitpunkt t2 unverändert übernommen. Wenn iph_t<0 ist, also eine Änderung der Anschlussspannung auftritt, wird die Totzeit td auf einen Zeitpunkt vor dem Zeitpunkt t2 eingestellt. Eine ähnliche Erklärung gilt für den Fall des Zeitpunkts t3, zu dem sich der Spannungsvektor ändert. Es ist anzumerken, dass die Beschreibung hier weggelassen wird, um eine doppelte Beschreibung zu vermeiden.
• Somit werden die Einschaltzeitpunkte und die Ausschaltzeitpunkte der Phase-W-Schaltelemente, d. h. tW1on, tW1off, tW2on, tW2off, tW3on, tW3off, tW4on und tW4off, wie folgt berechnet. $$\begin{array}{l}\text{SW\_W1}:\text{st}\ddot{\text{a}}\text{nding Aus }(\text{keine Einstellung f}\ddot{\text{u}}\text{r tW1on }\\ \text{ und tW1off})\end{array}$$

  

  $$\text{SW\_W2}:\text{tW2off}=\text{t2}\text{'},\text{tWon}=\text{t3}\text{'}+\text{td}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{SW\_W1}:\text{st}\ddot{\text{a}}\text{nding Ein }(\text{keine Einstellung f}\ddot{\text{u}}\text{r tW3on und}\\ \text{tW3off})\end{array}$$

  

  $$\text{SW\_W4}:\text{tW4on}=\text{t2}\text{'}+\text{td},\text{tW4off}=\text{t3}\text{'}$$

  
• Es folgt eine ergänzende Beschreibung der Gleichungen (50) bis (53) oben. Betrachtet man die Zahlen in Klammern auf der rechten Seite der Gleichungen (41) bis (45) oben, so sind die Zahlen von SW_W1 alle „0“ und die Zahlen von SW_W3 alle „1“. Dies bedeutet, dass das Schaltelement 15a ständig AUS ist, während das Schaltelement 15c ständig EIN ist. Daher ist es nicht erforderlich, die Werte für tW1on, tW1off, tW3on und tW3off einzustellen. Darüber hinaus ändert sich SW_W2 zum Zeitpunkt t2' von „1 auf „0“ und zum Zeitpunkt t3'+td von „0“ auf „1“. Dementsprechend werden die Werte wie in Gleichung (51) oben angegeben eingestellt. Außerdem ändert sich SW_W4 zum Zeitpunkt t2'+td von „0“ auf „1“ und zum Zeitpunkt t3' von „1“ auf „0“. Dementsprechend werden die Werte wie in Gleichung (53) oben angegeben eingestellt.
• Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 erzeugt die Schaltsignale basierend auf den Einschaltzeitpunkten und den Ausschaltzeitpunkten der Schaltelemente, die bei der vorstehenden Verarbeitung bestimmt wurden.
• Es ist anzumerken, dass sich die vorstehende Beschreibung auf ein Beispiel für die Ausgabe der spezifischen Spannungsvektoren bezieht, aber die Situation ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Schaltsignale können auch für den Fall der Ausgabe beliebiger Spannungsvektoren durch Anwendung des vorstehenden Verfahrens der Ausführungsform erzeugt werden.
• 8 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in der Ausführungsform veranschaulicht. Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 ist gemäß der vorstehend beschriebenen Funktionalität in vier Funktionsblöcke unterteilt. Die Schaltsignalerzeugungseinheit 50 beinhaltet insbesondere eine Übergangszeitbestimmungseinheit 51, eine Stromschätzeinheit 52, eine Schaltzeitberechnungseinheit 53 und eine Schaltsignalausgabeeinheit 54.
• Es ist anzumerken, dass in 8 Symbole verwendet werden, um Eingabesignale in die Einheiten anzugeben. Das Symbol „vphREF“ steht für den vorstehend beschriebenen Phasenspannungsbefehl. Das Symbol „iph“ steht für den Phasenstrom. Das Symbol „Ts“ steht für den vorstehend beschriebenen „Steuerzyklus“. Das Symbol „td“ steht für die vorstehend beschriebene „Totzeit“. Der Steuerzyklus Ts ist die Zeitspanne, in der der Phasenspannungssollwert vphREF aktualisiert wird.
• Die Übergangszeitbestimmungseinheit 51 bestimmt die Übergangszeitpunkte der Anschlussspannungen. Der in dieser Schrift verwendete Ausdruck „Übergangszeitpunkte der Anschlussspannungen“ bezeichnet den Anstiegszeitpunkt und den Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung jeder Phase. Wie in 5 veranschaulicht, bestimmt die Übergangszeitbestimmungseinheit 51 die Ausgabereihenfolge und die Phasen der Spannungsvektoren, um den Anstiegszeitpunkt und den Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung jeder Phase zu bestimmen. Eine Überlegung bei diesem Vorgang ist die Synchronisierung des Anstiegszeitpunkts des Anhebens der Anschlussspannung an einem ersten Verbindungspunkt eines ersten einphasigen Zweigs mit dem Abfallzeitpunkt des Absenkens der Anschlussspannung an einem zweiten Verbindungspunkt eines zweiten einphasigen Zweigs; oder die Synchronisierung des Abfallzeitpunkts des Absenkens der Anschlussspannung am ersten Verbindungspunkt des ersten einphasigen Zweigs mit dem Anstiegszeitpunkt des Anhebens der Anschlussspannung am zweiten Verbindungspunkt des zweiten einphasigen Zweigs.
• In der vorstehenden Beschreibung ist der erste einphasige Zweig ein Zweig einer Phase unter den Phasen U, V und W. Der zweite einphasige Zweig ist ein Zweig einer Phase, die sich von der Phase des ersten einphasigen Zweigs unterscheidet. Wenn man davon ausgeht, dass der erste einphasige Zweig z. B. der Zweig der „Phase U“ und der zweite einphasige Zweig z. B. der Zweig der „Phase V“ ist, ist der erste Verbindungspunkt der „Verbindungspunkt 13e“ und der zweite Verbindungspunkt der „Verbindungspunkt 14e“.
• Zeitpunkt t1 in 5 ist die Zeit zum Anheben der Anschlussspannung der Phase U und die Zeit zum Absenken der Anschlussspannung der Phase V. Zum Zeitpunkt t1 haben der Phasenstrom iu_t1 der Phase U und der Phasenstrom iv_t1 der Phase V eine entgegengesetzte Phasenbeziehung. Dementsprechend ist iv_t1<0 erfüllt, wenn iu_t1>0, und iv_t1>0 ist erfüllt, wenn iu_t1<0. Die Beziehungen der Gleichungen (20) und (34) oben gelten für den ersten Fall, während die Beziehungen der Gleichungen (21) und (33) für den letzten Fall gelten. In beiden Fällen ist zu erkennen, dass die Zeitpunkt miteinander synchronisiert sind. Zeitpunkt t2 bezieht sich auf eine Beziehung zwischen der Phase V und der Phase W, und Zeitpunkt t3 bezieht sich auf eine Beziehung zwischen der Phase U und der Phase W, und für jeden dieser Fälle gilt eine ähnliche Beschreibung.
• Wie vorstehend beschrieben, bestimmt die Übergangszeitbestimmungseinheit 51 den Anstiegszeitpunkt und den Abfallzeitpunkt von Anschlussspannungen zweier unterschiedlicher Phasen, um diese beiden Zeitpunkte miteinander zu synchronisieren. Die Synchronisierung dieser beiden Zeitpunkte ermöglicht eine Reduktion der Variation des Neutralpunktpotentials. Dadurch kann das elektromagnetische Rauschen, das durch einen der Totzeit entsprechenden Zustand des Nichtsynchronisiertseins entsteht, reduziert werden. Die Reduktion des elektromagnetischen Rauschens aufgrund eines der Totzeit entsprechenden Zustands des Nichtsynchronisiertseins ermöglicht dann die Reduktion eines Rauschfilters.
• Es ist anzumerken, dass die vorliegende Ausführungsform beschrieben wurde, bei der in einem Steuerzyklus beide Paare der Zeitpunkte miteinander synchronisiert werden, wobei diese Paare ein erstes und ein zweites Paar sind. Das erste Paar beinhaltet den Anstiegszeitpunkt der Anschlussspannung eines ersten einphasigen Zweigs und den Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung eines zweiten einphasigen Zweigs. Das zweite Paar beinhaltet den Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung des ersten einphasigen Zweigs und den Anstiegszeitpunkt der Anschlussspannung des zweiten einphasigen Zweigs. Der Synchronisationsvorgang ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zwischen den Zeitpunkten eines dieser Paare kann eine Synchronisation hergestellt werden. Eine solche Steuerung bewirkt auch eine Reduktion des elektromagnetischen Rauschens, das durch einen der Totzeit entsprechenden Zustand des Nichtsynchronisiertseins entsteht.
• Die Stromschätzeinheit 52 schätzt den Phasenstrom beim Umschalten basierend auf dem Anstiegszeitpunkt und dem Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung jeder Phase. Darüber hinaus bestimmt die Stromschätzeinheit 52 die Polarität des Stroms, die dem geschätzten Wert des Phasenstroms entspricht, und gibt das Bestimmungsergebnis an die Schaltzeitberechnungseinheit 53 aus.
• Die Stromschätzeinheit 52 schätzt den Phasenstrom jeweils zum Anstiegszeitpunkt und zum Abfallzeitpunkt einer Anschlussspannung basierend auf einem Detektionswert des Phasenstroms in einem vorherigen Steuerzyklus. Die Schätzung des Phasenstroms erfolgt vorzugsweise basierend auf einem Detektionswert des Phasenstroms, der in einem Steuerzyklus detektiert wird, dem mindestens zwei Steuerzyklen vorausgehen, wie ebenfalls in 6 beispielhaft veranschaulicht, oder basierend auf Detektionswerten des Phasenstroms, die mindestens zweimal während eines Steuerzyklus detektiert werden. Dieser Vorgang kann die Genauigkeit des geschätzten Wertes verbessern. Dieser Vorgang ermöglicht auch die Schätzung eines Stroms zu einem Schaltzeitpunkt im nächsten Steuerzyklus aus den vorherigen und aktuellen Detektionswerten, um die Polarität des Stroms zu bestimmen.
• Der Phasenstrom kann auch basierend auf einem Detektionswert des Phasenstroms im aktuellen Steuerzyklus, der an die Rotationsmaschine 20 angelegten Spannung und der Impedanz des Strömungspfades des Phasenstroms geschätzt werden. In diesem Fall kann aus dem aktuellen Detektionswert ein Strom zu einem Schaltzeitpunkt im nächsten Steuerzyklus geschätzt werden, um die Polarität des Stroms zu bestimmen.
• Darüber hinaus werden bei der Schätzung des Phasenstroms der Phasenstrom zum Anstiegszeitpunkt der Anschlussspannung und der Phasenstrom zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung vorzugsweise für jeden zu einer Phase gehörenden Zweig getrennt geschätzt. In diesem Fall ist es möglich, die Polarität des Stroms während einer Totzeit basierend auf den einzelnen Strömen im Einschaltvorgang und im Ausschaltvorgang eines Schaltelements zu bestimmen, wodurch die Polarität des Stroms mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann. Durch diesen Vorgang kann verhindert werden, dass die Rauschunterdrückung aufgrund einer fehlerhaften Bestimmung der Strompolarität nachlässt.
• Die Schaltzeitberechnungseinheit 53 berechnet den Einschaltzeitpunkt und den Ausschaltzeitpunkt eines Schaltsignals. Insbesondere, wenn die Polarität des Phasenstroms zum Zeitpunkt des Schaltens positiv ist, stellt die Schaltzeitberechnungseinheit 53 eine Steuerung bereit, um den Ausschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das niedrigere Potential zu schalten, und den Einschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das höhere Potential zu schalten, um eine der Totzeit entsprechende Zeitspanne vorzuziehen. Alternativ, wenn die Polarität des Phasenstroms zum Zeitpunkt des Schaltens negativ ist, stellt die Schaltzeitberechnungseinheit 53 eine Steuerung bereit, um den Ausschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das höhere Potential zu schalten, und den Einschaltzeitpunkt des Schaltelements, das dazu dient, die Anschlussspannung auf das niedrigere Potential zu schalten, um eine der Totzeit entsprechende Zeitspanne vorzuziehen.
• Die Durchführung der vorgenannten Steuerung ermöglicht die Erzeugung eines Schaltsignals, das den Zustand des Nichtsynchronisiertseins während einer Totzeit kompensiert. Dies ermöglicht eine Reduktion des elektromagnetischen Rauschens, das durch einen der Totzeit entsprechenden Zustand des Nichtsynchronisiertseins entsteht.
• 9 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf des Betriebs in der Steuervorrichtung 30 der Ausführungsform veranschaulicht. 9 veranschaulicht den Ablauf der vorgenannten Verarbeitung in der Steuervorrichtung 30 der Ausführungsform.
• Die Spannungsbefehlserzeugungseinheit 40 berechnet in jedem Steuerzyklus Ts (Schritt S101) Phasenspannungsbefehle, die Spannungsbefehle für die jeweiligen Phasen sind. Die Übergangszeitbestimmungseinheit 51 bestimmt den Anstiegszeitpunkt und den Abfallzeitpunkt von Anschlussspannungen zweier unterschiedlicher Phasen, um diese beiden Zeitpunkte miteinander zu synchronisieren (Schritt S102).
• Die Stromschätzeinheit 52 schätzt den Phasenstrom bei jedem Schalten basierend auf dem Anstiegszeitpunkt und dem Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung jeder Phase und bestimmt die Polarität des Stroms entsprechend dem geschätzten Wert (Schritt S103). Die Schaltzeitberechnungseinheit 53 bestimmt den Einschaltzeitpunkt und den Ausschaltzeitpunkt jedes Schaltelements unter Berücksichtigung der Polarität des Stroms zum Zeitpunkt des Schaltens in Verbindung mit dem Anstiegszeitpunkt und dem Abfallzeitpunkt der Anschlussspannung jeder Phase (Schritt S104).
• Dann erzeugt die Schaltsignalausgabeeinheit 54 Schaltsignale basierend auf dem Einschaltzeitpunkt und dem Ausschaltzeitpunkt jedes Schaltelements, die in Schritt S104 bestimmt wurden, und gibt die Schaltsignale aus (Schritt S105).
• 10 ist ein Diagramm zum Vergleichen von Betriebswellenformen vor und nach der Anwendung des Steuerverfahrens gemäß der Ausführungsform. In 10 veranschaulicht der linke Abschnitt der Seite die Betriebswellenformen vor der Anwendung und veranschaulicht der rechte Abschnitt der Seite die Betriebswellenformen nach der Anwendung. Die oberen Bereiche veranschaulichen jeweils Variationen der Anschlussspannungen vun, vvn und vwn, und die unteren Bereiche veranschaulichen jeweils eine Variation der Gleichtaktspannung vcmn. Die horizontalen Achsen stellen die Zeit dar und die vertikalen Achsen stellen die Spannung dar. Es ist anzumerken, dass in den oberen Bereichen die Wellenformen der Phase U, der Phase V und der Phase W jeweils durch eine durchgezogene, eine gestrichelte und eine gestrichelt-gepunktete Linie veranschaulicht werden.
• In der zweiten Hälfte der pulsförmigen Wellenform in der Gruppe der Wellenformen vor der Anwendung ist ein Zustand des Nichtsynchronisiertseins vorhanden. Dies führt zu einer Variation der Gleichtaktspannung, wie im entsprechenden unteren Bereich veranschaulicht. Im Gegensatz dazu ist der Zustand des Nichtsynchronisiertseins in der Gruppe der Wellenformen nach der Anwendung verschwunden, und die Variation der Gleichtaktspannung ist somit reduziert. Dieses Ergebnis erklärt die Wirksamkeit des Steuerverfahrens der vorliegenden Ausführungsform.
• Wie vorstehend beschrieben, erzeugt die Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der Leistungsumwandlungsvorrichtung Schaltsignale, sodass die Zeitpunkte von mindestens einem der Paare miteinander synchronisiert werden. Ein erstes Paar und ein zweites Paar bilden die Paare. Das erste Paar beinhaltet einen Zeitpunkt zum Anheben einer Anschlussspannung an einem ersten Verbindungspunkt eines ersten einphasigen Zweigs und einen Zeitpunkt zum Absenken einer Anschlussspannung an einem zweiten Verbindungspunkt eines zweiten einphasigen Zweigs. Das zweite Paar beinhaltet einen Zeitpunkt zum Absenken der Anschlussspannung am ersten Verbindungspunkt und einen Zeitpunkt zum Anheben der Anschlussspannung am zweiten Verbindungspunkt. Die Steuervorrichtung bestimmt den Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten des Oberarmschaltelements und den Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten des Unterarmschaltelements basierend auf Phasenströmen zum Anstiegszeitpunkt und zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen. Durch eine solche Steuerung kann die Variation des Neutralpunktpotentials reduziert werden. Dadurch kann das elektromagnetische Rauschen, das durch einen der Totzeit entsprechenden Zustand des Nichtsynchronisiertseins entsteht, reduziert werden. Die Reduktion des elektromagnetischen Rauschens aufgrund eines der Totzeit entsprechenden Zustands des Nichtsynchronisiertseins ermöglicht dann die Reduktion eines Rauschfilters.
• Es ist anzumerken, dass die vorliegende Ausführungsform zwar in Bezug auf ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem die Leistungsumwandlungsvorrichtung 80 als T-Typ-Dreistufenwechselrichter konfiguriert ist, die Konfiguration jedoch nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt ist. Wie in den 11 bis 13 veranschaulicht, kann auch ein anderer Wechselrichtertyp verwendet werden. 11 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems 100A gemäß einer ersten Variation der Ausführungsform veranschaulicht. 12 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems 100B gemäß einer zweiten Variation der Ausführungsform veranschaulicht. 13 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rotationsmaschinenantriebssystems 100C gemäß einer dritten Variation der Ausführungsform veranschaulicht.
• Das in 11 veranschaulichte Rotationsmaschinenantriebssystem 100A beinhaltet eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 80A anstelle der in 1 veranschaulichten Leistungsumwandlungsvorrichtung 80. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 80A beinhaltet einen Leistungswandler 110 anstelle des Leistungswandlers 10, einen Kondensator 12 anstelle der Kondensatoren 12a und 12b und eine Steuervorrichtung 130 anstelle der Steuervorrichtung 30. Der Leistungswandler 110 weist eine Schaltkreisanordnung auf, die als dreiphasiger Vollbrückenwechselrichter bezeichnet wird. Ein dreiphasiger Vollbrückenwechselrichter ist ein Zweistufenwechselrichter.
• Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren der Ausführungsform ist auch auf das Rotationsmaschinenantriebssystem 100A anwendbar, das den vorstehend beschriebenen Leistungswandler 110 beinhaltet. Dementsprechend kann die Einbindung der vorstehend beschriebenen Funktionalität der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in die Steuervorrichtung 130 den vorstehend genannten Vorteil der Ausführungsform bereitstellen.
• Darüber hinaus beinhaltet das in 11 veranschaulichte Rotationsmaschinenantriebssystem 100B eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 80B anstelle der in 1 veranschaulichten Leistungsumwandlungsvorrichtung 80. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 80B beinhaltet einen Leistungswandler 210 anstelle des Leistungswandlers 10, den Kondensator 12 anstelle der Kondensatoren 12a und 12b und eine Steuervorrichtung 230 anstelle der Steuervorrichtung 30. Eine Rotationsmaschine 220, die anzutreiben ist, ist ein sechsphasiger Motor, der ein Beispiel für einen mehrphasigen Motor ist. Der Leistungswandler 210 verwendet einen sechsphasigen Vollbrückenwechselrichter zur Versorgung der Rotationsmaschine 220. Ein sechsphasiger Vollbrückenwechselrichter ist ein Beispiel für einen mehrphasigen Wechselrichter. Ein sechsphasiger Vollbrückenwechselrichter hat eine Schaltkreiskonfiguration, bei der zwei dreiphasige Vollbrückenwechselrichter parallel zueinander geschaltet sind.
• Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren der Ausführungsform ist auch auf das Rotationsmaschinenantriebssystem 100B anwendbar, das den vorstehend beschriebenen Leistungswandler 210 beinhaltet. Dementsprechend kann die Einbindung der vorstehend beschriebenen Funktionalität der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in die Steuervorrichtung 230 den vorstehend genannten Vorteil der Ausführungsform bereitstellen.
• Darüber hinaus beinhaltet das in 13 veranschaulichte Rotationsmaschinenantriebssystem 100C eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 80C anstelle der in 1 veranschaulichten Leistungsumwandlungsvorrichtung 80. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 80C beinhaltet zwei parallel zueinander geschaltete Leistungswandler 310a und 310b anstelle des einzelnen Leistungswandlers 10, einen Kondensator 12 anstelle der Kondensatoren 12a und 12b und eine Steuervorrichtung 330 anstelle der Steuervorrichtung 30. Die Leistungswandler 310a und 310b, die jeweils dreiphasige Vollbrückenwechselrichter sind, sind parallel zueinander an den Kondensator 12 geschaltet. Der Leistungswandler 310a ist zu einer anzutreibenden Rotationsmaschine 320a geschaltet und der Leistungswandler 310b ist zu einer anzutreibenden Rotationsmaschine 320b geschaltet.
• Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren der Ausführungsform ist auch auf das Rotationsmaschinenantriebssystem 100C anwendbar, das die vorstehend beschriebenen Leistungswandler 310a und 310b beinhaltet. Dementsprechend kann die Einbindung der vorstehend beschriebenen Funktionalität der Schaltsignalerzeugungseinheit 50 in die Steuervorrichtung 330 den vorstehend genannten Vorteil der Ausführungsform bereitstellen.
• Es ist anzumerken, dass, obwohl die vorliegende Ausführungsform in Bezug auf einen Wandler beschrieben wurde, der DC-Leistung in AC-Leistung umwandelt, diese Offenbarung nicht auf einen solchen Wandler beschränkt ist. Diese Offenbarung ist auch auf Leistungswandler anwendbar, die eine Umwandlung von AC-Leistung in DC-Leistung, von DC-Leistung in DC-Leistung und von AC-Leistung in AC-Leistung durchführen, und solche Leistungswandler können ebenfalls einen Vorteil bieten, der dem vorstehenden Vorteil der Ausführungsform ähnelt.
• Es ist anzumerken, dass, obwohl verschiedene Beispiele in dieser Schrift beispielhaft beschrieben wurden, ein(e) oder mehrere der in dieser Schrift beschriebenen Merkmale, Aspekte und Fähigkeiten nicht nur auf ein spezifisches Beispiel anwendbar sind, sondern auch allein oder in verschiedenen Kombinationen angewendet werden können. Dementsprechend ist eine beträchtliche Anzahl nicht beschriebener Variationen im Umfang der in dieser Schrift offenbarten Technologie denkbar. So fallen beispielsweise die Modifikation, Hinzufügung und Entfernung mindestens einer Komponente und darüber hinaus die Verwendung mindestens einer Komponente in Kombination mit einer Komponente eines anderen Beispiels ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Offenbarung.
• Bezugszeichenliste

1

Prozessor;

2

Speichervorrichtung;

10, 110, 210,310a, 310b

Leistungswandler;

11

DC-Leistungsversorgung;

12,12a, 12b

Kondensator;

12c, 13e, 14e, 15e

Verbindungspunkt;

13a, 13b, 13c, 13d, 14a, 14b, 14c, 14d, 15a, 15b, 15c, 15d

Schaltelemente;

16

Stromdetektor;

17

DC-Bus;

18

DC-Bus;

20,220, 320a, 320b

Rotationsmaschine;

21

Winkeldetektor;

22

dreiphasige Wicklung;

24U

Phase-U-Anschluss;

24V

Phase-V-Anschluss;

24W

Phase-W-Anschluss;

30, 130, 230, 330

Steuervorrichtung;

40

Spannungsbefehlserzeugungseinheit;

50

Schaltsignalerzeugungseinheit;

51

Übergangszeitbestimmungseinheit;

52

Stromschätzeinheit;

53

Schaltzeitberechnungseinheit;

54

Schaltsignalausgabeeinheit;

80, 80A, 80B, 80C

Leistungsumwandlungsvorrichtung;

100, 100A, 100B, 100C

Rotationsmaschinenantriebssystem.

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2014073247 A [0005]

Claims (9)

1. Leistungsumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung von Gleichstromleistung in dreiphasige Wechselstromleistung für einen Verbraucher, wobei die Leistungsumwandlungsvorrichtung Folgendes umfasst: einen Leistungswandler, der eine Vielzahl von einphasigen Zweigen beinhaltet, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei jeder der Vielzahl von einphasigen Zweigen ein Oberarmschaltelement und ein Unterarmschaltelement beinhaltet, die in Reihe zueinander geschaltet sind, wobei das Oberarmschaltelement und das Unterarmschaltelement an einem Verbindungspunkt zueinander geschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt zu dem Verbraucher geschaltet ist; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Schaltvorgangs des Oberarmschaltelements und des Unterarmschaltelements, wobei die Steuervorrichtung ferner eine Schaltsignalerzeugungseinheit beinhaltet, um Schaltsignale zu erzeugen, sodass Zeitpunkte von mindestens einem der Paare miteinander synchronisiert werden, wobei die Paare aus einem ersten Paar und einem zweiten Paar bestehen, wobei das erste Paar einen Anstiegszeitpunkt zum Anheben einer Anschlussspannung an einem ersten Verbindungspunkt eines ersten einphasigen Zweigs und einen Abfallzeitpunkt zum Absenken einer Anschlussspannung an einem zweiten Verbindungspunkt eines zweiten einphasigen Zweigs beinhaltet, wobei das zweite Paar einen Abfallzeitpunkt zum Absenken der Anschlussspannung am ersten Verbindungspunkt und einen Anstiegszeitpunkt zum Anheben der Anschlussspannung am zweiten Verbindungspunkt beinhaltet, der erste Verbindungspunkt und der zweite Verbindungspunkt jeweils zu dem Verbraucher geschaltet sind und die Schaltsignalerzeugungseinheit einen Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten des Oberarmschaltelements und einen Zeitpunkt zum Ein- oder Ausschalten des Unterarmschaltelements basierend auf Phasenströmen zum Anstiegszeitpunkt und zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen bestimmt.
2. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltsignalerzeugungseinheit eine Stromschätzeinheit beinhaltet, um die Phasenströme zum Anstiegszeitpunkt und zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen basierend auf Detektionswerten der Phasenströme in einem vorhergehenden Steuerzyklus zu schätzen.
3. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Stromschätzeinheit die Phasenströme jeweils zum Anstiegszeitpunkt und zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen basierend auf einem Detektionswert des Phasenstroms schätzt, der in einem Steuerzyklus detektiert wird, der mindestens zwei Steuerzyklen vorausgeht.
4. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Stromschätzeinheit die Phasenströme zum Anstiegszeitpunkt und zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen basierend auf Detektionswerten der Phasenströme schätzt, die mindestens zweimal während eines Steuerzyklus detektiert werden.
5. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltsignalerzeugungseinheit eine Stromschätzeinheit beinhaltet, um die Phasenströme zum Anstiegszeitpunkt und zum Abfallzeitpunkt der Anschlussspannungen basierend auf Detektionswerten der Phasenströme in einem aktuellen Steuerzyklus, einer an den Verbraucher angelegten Spannung und einer Impedanz eines Strömungsweges der Phasenströme zu schätzen.
6. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Stromschätzeinheit separat für jeden der zu einer Phase gehörenden Zweige einen Wert des Phasenstroms zum Anstiegszeitpunkt einer entsprechenden der Anschlussspannungen und einen Wert des Phasenstroms zum Abfallzeitpunkt der entsprechenden Anschlussspannung schätzt.
7. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltsignalerzeugungseinheit eine Schaltzeitberechnungseinheit beinhaltet, um einen Ausschaltzeitpunkt eines der Schaltelemente, das dazu dient, eine entsprechende der Anschlussspannungen auf ein niedrigeres Potential zu schalten, und einen Einschaltzeitpunkt eines der Schaltelemente, das dazu dient, eine entsprechende der Anschlussspannungen auf ein höheres Potential zu schalten, um eine Zeitspanne, die einer Totzeit entspricht, vorzuverlegen, wenn eine Polarität des Phasenstroms zu einem Zeitpunkt des Schaltens positiv ist, und einen Ausschaltzeitpunkt eines der Schaltelemente, das dazu dient, eine entsprechende der Anschlussspannungen auf ein höheres Potential zu schalten, und einen Einschaltzeitpunkt eines der Schaltelemente, das dazu dient, eine entsprechende der Anschlussspannungen auf ein niedrigeres Potential zu schalten, um eine Zeitspanne, die der Totzeit entspricht, vorzuverlegen, wenn die Polarität des Phasenstroms zu einem Zeitpunkt des Schaltens negativ ist.
8. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schaltsignalerzeugungseinheit die Schaltsignale so bestimmt, dass eine Summe von Zeitspannen in einem niedrigen Zustand aller Phasen, in denen die Anschlussspannung in dieser Reihenfolge von abfallend auf ansteigend geändert wird, gleich einer Summe von Zeitspannen in einem hohen Zustand aller Phasen wird, in denen die Anschlussspannung in dieser Reihenfolge von ansteigend auf abfallend übergeht, während eines Steuerzyklus.
9. Rotationsmaschinenantriebssystem, umfassend: die Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Verbraucher eine Rotationsmaschine ist und die Rotationsmaschine durch elektrische Energie angetrieben wird, die von der Leistungsumwandlungsvorrichtung zugeführt wird.

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