JP4732883B2

JP4732883B2 - 回転電気機械を操作するための方法

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Publication number: JP4732883B2
Application number: JP2005357817A
Authority: JP
Inventors: トビーアス・ゲイアー; ゲオルギオス・パパフォティアウ; マンフレッド・モラリ
Original assignee: Abb Research Ltd
Current assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: US7256561B2; JP2006174697A; DE502004009328D1; US20060125435A1; ATE428215T1; EP1670135B1; EP1670135A1

Description

本発明は、回転電気機械の操作方法の分野に関する。本発明は、独立形式の請求項の特徴部分の前に記載された回転電気機械を操作するための方法に基づいている。

高パワーの電圧変換器回路は現在、多くの分野に応用されている。そのような変換機回路は概して３つの電圧レベルを結合し、しばしば回転電気機械を操作するのに使用され、特に、概して回転電気機械が３つのステータ巻き線を備える同期及び非同期機械において使用されている。回転電気機械を操作する従来の方法では、位相に関して概してｍ（ｍ≧２）個の電圧レベルを結合するための、ＤＣ電圧回路を有する変換器回路に結合される。概して３つの電圧レベルを結合するための変換器回路においては、ＤＣ電圧回路は第１のキャパシタと当該第１のキャパシタに直列に接続される第２のキャパシタによって形成され、前記ＤＣ電圧回路は、第１のキャパシタでの主接続と、第２のキャパシタでの主接続と、２つの直列接続されたキャパシタによって形成される副接続とを有する。３つの電圧レベルを接続する変換器回路は、概して相互連結されたパワー半導体を具備する。これに関連して、図１は、３つの電圧レベルを接続するための従来の３相変換器回路の一実施形態を示す。本方法によれば、変換器回路の位相は、変換器回路内のパワー半導体スイッチに対するスイッチング状態から選択されたスイッチング状態の組み合わせに従って概してＤＣ電圧回路に接続される。３つの電圧レベルを接続する変換器回路においては、変換器回路の位相は、変換器回路内のパワー半導体スイッチに対するスイッチング状態から選択されたスイッチング状態の組み合わせに従ってそれぞれ第1の主接続、第2の主接続、副接続に接続されている。図２に示される状態ダイアグラムにおいて、これらのスイッチング状態の組み合わせと互いの状態遷移とが示されている。“＋”は第1の主接続に対する対応する位相の接続を表し、“−”は第2の主接続に対する対応する位相の接続を表し、“０”は副接続に対する対応する位相の接続を表す。

対応するスイッチング状態の組み合わせの選択は例えば、既知の“ダイレクトトルク制御”（ＤＴＣ）方法に従って発生する。“ダイレクトトルク制御”（ＤＴＣ）方法では、まず、回転電気機械のトルクに対する最新の実際の値と、回転電気機械のステータ磁束と、副接続における電位とがそれぞれ関連する所定のバリューレンジと比較される。各所定のバリューレンジは時間の経過とともに変化するものであり、回転電気機械のトルクと、回転電気機械の磁束と、副接続での電位に対する基準値から上流の閉ループ制御回路によって概して決定される。最新の実際値が関連する所定のバリューレンジを越えるならば、スイッチング状態の組み合わせは、以前の選択されたスイッチング状態組み合わせの関数として、テーブルから選択され、これによってこのスイッチング状態組み合わせに対する最新値は必要に応じて再び関連するバリューレンジの範囲に入るが、このことは保証されない。さらに、スイッチング状態の組み合わせはつねに、関連するバリューレンジが超えたときにトルクに対する最新の実際値か、ステータ磁束かあるいは電位に関して選択されるのみである。トルクに対する最新の実際値とステータ磁束と電位とがいっしょに考慮されていない。

既知の“ダイレクトトルク制御”（ＤＴＣ）方法によって回転電気機械を操作するために上記した方法の１つの問題点は、以前の選択されたスイッチング状態組み合わせと最新の選択されたスイッチング状態組み合わせの間に概して複数の遷移状態が存在することである。これらの遷移状態は図２においてスイッチング状態組み合わせ間のラインとして示されている。スイッチング状態組み合わせ及びひとつのスイッチング状態組み合わせから他への遷移は概してテーブルに永久に記憶され、この場合図２に示すように、概してスイッチング状態組み合わせに対するすべての可能な組み合わせがテーブルに記憶されるわけではない。さらに、“ダイレクトトルク制御”では、ただ１つのスイッチング状態組み合わせが、関連する遷移とともに以前の選択されたスイッチング状態組み合わせの関数として選択され、テーブルに記憶され、選択されたスイッチング状態組み合わせに対する最新の値を関連するバリューレンジ内に再び戻す。変形例として選択されるスイッチング状態組み合わせ、特に、以前に選択されたスイッチング状態組み合わせへの遷移が少ない場合にはテーブルに記憶されない。しかしながら、スイッチング状態組み合わせ間の複数の遷移は、変換器回路内のパワー半導体スイッチに対して多数のスイッチング操作を発生させ、その結果、パワー半導体スイッチのスイッチング周波数は増大する。

しかしながら、そのような高いスイッチング周波数は変換器回路内のパワー半導体スイッチにおいて熱損失（高エネルギ消費）を生成し、その結果、パワー半導体スイッチはより急速に劣化して損失が与えられるかあるいは破壊される場合がある。

したがって、本発明の目的は、回転電気機械を操作する方法を提供することにあり、これによって、ｍ（（ｍ≧２）個の電圧レベルを接続するために位相において前記回転電気機械に接続された変換器内のパワー半導体スイッチのスイッチング周波数は低減される。この目的は請求項１の特徴によって達成される。本発明のより有利となる展開が従属する請求項に特定されている。

回転電気機械を操作するための本発明による方法において、回転電気機械はｍ（（ｍ≧２）個の電圧レベルを接続するために、位相においてDC電圧回路を有する変換器回路に接続される。本方法によれば、１つのステップ（ａ）において、変換器回路の位相は、変換器回路内のパワー半導体スイッチに対するスイッチング状態から選択されたスイッチング状態組み合わせにしたがってDC電圧回路に接続される。本発明によれば、このスイッチング状態組み合わせの選択は以下のさらなるステップにおいて実現される。

（ｂ）サンプリング回数から選択可能な数Nに対する開始サンプリング時間がｋのときに、N個のサンプリング時間（N≧１）のそれぞれにおいて取りうるすべてのスイッチング状態組み合わせを決定する。

（ｃ）開始サンプリング時間ｋで各決定されたスイッチング状態組み合わせに対するスイッチング状態シーケンスを形成する。各スイッチング状態シーケンスは、一列内の互いに隣り合うN個のサンプリング時間の決定されたスイッチング状態組み合わせの構成である。前記スイッチング状態組み合わせは開始サンプリング時間ｋでの各スイッチング状態組み合わせに関連する。

（ｄ）スイッチング状態シーケンスのそれぞれの場合について、開始サンプリング時間ｋからサンプリング時間ｋ＋Nまでについて、回転電気機械及び変換器回路の決定された状態値セットから、回転電気機械のトルク軌道と、回転電気機械のステータ磁束軌道を計算する。

（ｅ）スイッチング状態シーケンスを選択する。（ｋ＋N）番目のサンプリング時間での関連するトルク軌道と、ステータ磁束軌道はそれぞれ所定のバリューレンジ内にあるか、あるいは、k番目のサンプリング時間から（ｋ＋N）番目のサンプリング時間までに関して、関連するトルク軌道の軌道値と、関連するステータ磁束軌道の軌道値とは各所定のバリューレンジに近づく。

（ｆ）選択されたスイッチング状態シーケンスのそれぞれに対して、（ｋ＋Ｎ−１）番目のサンプリング時間及び（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間に関して、関連するトルク軌道（Ｍ）の軌道値の外挿あるいはステータ磁束軌道の軌道値が各所定のバリューレンジ外になるまで、回数ｎの決定を行う。

（ｇ）選択されたスイッチング状態シーケンスのそれぞれに対して、関連する決定されたスイッチング状態組み合わせのスイッチング遷移ｓの全体数を決定する。

（ｈ）選択されたスイッチング状態シーケンスのそれぞれに対して、回数ｎ及びスイッチング遷移ｓの全体数から品質値ｃを計算する。

（ｉ）開始サンプリング時間ｋでの決定されたスイッチング状態組み合わせを、関連する選択されたスイッチング状態シーケンスの品質値ｃが最も小さくなる選択されたスイッチング状態組み合わせとして設定する。

（ｊ）ステップ（ａ）から（ｉ）を反復する。ここでｋ＝ｋ＋１。

ステップ（ｂ）から（ｊ）によって、最適なスイッチング状態組み合わせは、以前の選択されたスイッチング状態組み合わせをもとにして、以前の選択されたスイッチング状態組み合わせから選択されたスイッチング状態組み合わせへの遷移の数に関して、及び回転電気機械のトルク及び回転電気機械のステータ磁束に対する各所定のバリューレンジに関して、常に有利に選択される。変換器回路内のパワー半導体スイッチのスイッチング操作の数は有利に低減され、これによってパワー半導体スイッチのスイッチング周波数が低減される。スイッチング周波数が低減されるとパワー半導体スイッチ内に生成される熱損失が小さくなり、これによってパワー半導体スイッチがよりゆっくりと劣化し、損害あるいは破壊に対して大きく保護される。さらに、各バリューレンジは全体でより効率よく関連する。

概して、本発明にかかる方法は、決定されたスイッチング状態シーケンスに対して１回以上のサンプリング時間にわたって回転電気機械のふるまいを予測することを可能にする。ステップ（ａ）から（ｉ）の適用の後に、Ｎ個のサンプリング時間の範囲はステップ（ｊ）によって１つのサンプリング時間を介して変位される。しかしその後は、スイッチング状態シーケンスの、ただ１つの第１のスイッチング状態組み合わせ、特にｋ番目のスイッチング状態組み合わせのみが選択される。次に、品質基準はスイッチング周波数に近似あるいはシミュレートする。

最後に、本発明にかかる方法において、スイッチング状態組み合わせは、すべての関連する変数、特に関連するバリューレンジが超えるときのトルク及びステータ磁束に関連していっしょに考慮される。

これらの及びさらなる目的、本発明の利点及び特徴は、図面を参照した本発明の好ましい実施形態に関して以下に述べる記述において開示される。

本発明によれば、パワー半導体のスイッチング周波数が低減されるので、パワー半導体スイッチの急速な劣化を防止することが可能になる。

図１は、３つの電圧レベルを接続するための、３相変換器回路２の実施形態を示している。回転電気機械１は、位相において、変換器回路２のＤＣ電圧回路３に接続されている。概して、回転電気機械１はｍ（ここではｍ≧２）個の電圧レベルに接続される。図１において、ＤＣ電圧回路３は、第１のキャパシタＣ₁と、該第１のキャパシタＣ₁に直列に接続された第２のキャパシタＣ₂とによって形成される。ここでＣ₁の値は実質的にＣ₂に等しい。図１に示す３つの電圧レベルを接続するための変換器回路の例示的実施形態に従うＤＣ電圧回路３は、第１のキャパシタＣ₁での第１の主接続Ｖ₊と、第２のキャパシタＣ₂での第２の主接続Ｖ_-と、２つの直列接続のキャパシタＣ₁、Ｃ₂によって形成される副接続ＮＰとを有する。さらに、図１に示す変換器回路は、一部変換器システム４からなり、各位相ｕ、ｖ、ｗが規定され、第１のスイッチ群５と、第２のスイッチ群６と、第３のスイッチ群７とを具備し、各スイッチ群５，６，７は２つの直列接続されたパワー半導体スイッチによって形成される。さらに、各一部変換器システム４において、第１のスイッチ群５は第１の主接続Ｖ₊に接続され、第２のスイッチ群６は第２の主接続Ｖ₋に接続される。さらに、第１のスイッチ群５は第２のスイッチ群６に直列に接続される。第１のスイッチ群５と第２のスイッチ群６との接続点は位相接続部を有する。第３のスイッチ群７は、クランプスイッチ群の形態であり、第２のスイッチ群５、特に２つの直列接続されたパワー半導体スイッチ間の接続点に接続される。さらに、第３のスイッチ群７は第２のスイッチ群６に接続され、特に第２のスイッチ群６の２つの直列接続されたパワー半導体スイッチ間の接続点に接続される。さらに、第３のスイッチ群７、特に第３のスイッチ群７の２つの直接接続されたパワー半導体スイッチ間の接続点は、副接続ＮＰに接続される。第１及び第２のスイッチ群５，６のパワー半導体スイッチは、図１に示すように、駆動可能な双方向パワー半導体スイッチの形態であり、第３のスイッチ群７のパワー半導体スイッチは非駆動の単方向パワー半導体スイッチの形態である。しかしながら、第３のスイッチ群７のパワー半導体スイッチを駆動可能な双方向パワー半導体スイッチの形態にすることも可能である。

本方法によれば、変換器回路２の位相ｕ、ｖ、ｗは概してｍ個の電圧レベルを接続するための変換器回路２であり、第１のステップ（ａ）において、変換器回路２におけるパワー半導体スイッチに対するスイッチング状態の選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kにしたがって、ＤＣ電圧回路３に接続されている。冒頭で述べたように、図２ａは一例としての３つの電圧レベルを接続するための変換器回路２のスイッチング状態組み合わせの状態図である。“＋”は第1の主接続Ｖ₊に対する対応する位相ｕ、ｖ、ｗの接続を表し、“−”は第２の主接続Ｖ₋に対する対応する位相ｕ、ｖ、ｗの接続を表し、“０”は副接続ＮＰに対する対応する位相の接続を表す。スイッチング状態組み合わせＳＫ間のラインはスイッチング状態組み合わせＳＫ間の許される遷移を示す。例えばｍ＝５のときの電圧レベルを接続するための、変換器回路２のスイッチング状態組み合わせの状態図は、異なる態様で示される。特に、当業者ならば、スイッチング状態組み合わせＳＫに基づいて、この変換器回路のすべての可能な切り替え可能なスイッチング状態組み合わせＳＫが制限なしに切り替えられる変換器回路を実現するであろう。

本発明によれば、上記したスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kの選択は次のさらなるステップにおいて実現される：
ステップ（ｂ）において、サンプリング時間から選択可能な数Ｎに対する開始サンプリング時間ｋのときに、すべてのとり得るスイッチング状態組み合わせＳＫ_k, …，ＳＫ_k+N-1がＮサンプリング時間のそれぞれで決定される。この場合、好ましくは、個々に先行する決定されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_k-1から開始される。ここで、Ｎ≧１でありかつ、第１の先行する決定されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_k-1は好ましくは、サンプリング時間ｋ−１で先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1である。

ステップ（ｃ）において、各決定されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_kに対するスイッチング状態シーケンスＳＳＫは、開始サンプリング時間ｋで形成され、各スイッチング状態シーケンスＳＳＫは、一列内で互いに隣接するＮサンプリング時間の決定されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_k,…，ＳＫ_k+N-1を構成し、前記スイッチング状態組み合わせＳＫ_k,…，ＳＫ_k+N-1は開始サンプリング時間ｋでそれぞれのスイッチング状態組み合わせＳＫ_kに関連する。図からわかるように、そのようなスイッチング状態シーケンスＳＳ_kは一例として、開始サンプリング時間ｋで許されるスイッチング状態組み合わせＳＫＫの１つに対する関連するラインに沿って図２に従って、一連の許されるスイッチング状態組み合わせＳＫ_k、…、ＳＫ_k+N-1を示す。

ステップ（ｄ）において、スイッチング状態シーケンスＳＳＫのそれぞれに対して、回転電気機械１のトルク軌道Ｍと回転電気機械１のステータ磁束軌道φとが、開始サンプリング時間ｋからサンプリング時間ｋ＋Ｎまでについて回転電気機械及び変換器回路の決定された状態値セットＸ_e,k、…、Ｘ_e,k+Nから計算される。上記した決定された状態値セットＸ_e,k、…、Ｘ_e,k+Nは例えば、２つのステータ磁束値φ_eS1,k、…、φ_eS1,k＋Ｎ；φ_eS2,k、…、φ_eS2,k＋Ｎと、２つのロータ磁束値φ_eR1,k、…、φ_eR1,k＋Ｎ；φ_eR2,k、…、φ_eR2,k＋Ｎと、場合によっては速度値Ｖ_e,k、…、Ｖ_e,k+Nとを含む。状態値セットＸ_e,k,…、Ｘ_e,k＋Ｎを決定するために、まず、サンプリング時間ｋでの２つのステータ磁束値φ_eS1,k、…、φ_eS2,k及びサンプリング時間ｋでの２つのロータ磁束値φ_eR1,k、…、φ_eR2,k及びおそらくサンプリング時間ｋでの速度値Ｖ_e,kが、例えば測定あるいは推定によって決定される。これらの値はサンプリング時間ｋで状態値セットＸ_e,kを形成する。サンプリング時間ｋでの状態値セットＸ_e,k及びトルク軌道Ｍ及びステータ磁束軌道φのサンプリング時間ｋでのＭ_T,k、φ_T,kが計算モデルにしたがって計算される。この計算モデルは当業者に既知であり、電気機械１及び変換器回路２を記述あるいは機能的にシミュレートする。次に、計算モデルにしたがって、サンプリング時間ｋ＋１での状態値セットＸ_e,k+1が、サンプリング時間ｋでの状態値セットＸ_e,kの関数として及び関連するスイッチング状態シーケンスＳＳＫのサンプリング時間ｋでの決定されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_kの関数として計算によって決定される。これから、トルク軌道Ｍ及びステータ磁束軌道φのサンプリング時間ｋ＋１での軌道値Ｍ_T,k+1、φ_T,k+1が計算される。サンプリング時間ｋ＋２からｋ＋Ｎまでに対する状態値セットＸ_e,k+2、…、Ｘ_e,k+Nの計算は、状態値セットＸ_e,k+1の上記した計算と類似の方法によって行なうことができる。この場合、状態値セットＸ_e,k+2、…、Ｘ_e,k+Nの各計算に対して、各場合において、関連するスイッチング状態シーケンスＳＳＫのサンプリング時間ｋ＋１からｋ＋Ｎ−１での関連する先行する計算された状態値セットＸ_e,k+1、…、Ｘ_e,k+N-1及び決定されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_k+1、…、ＳＫ_k+N-1とが使用される。

サンプリング時間ｋ＋２からｋ＋Nに対する軌道値Ｍ_T,k+2、…、Ｍ_T,k+N及びφ_k+2、…、φ_T,k+Nの状態値セットＸ_e,k+2、…、Ｘ_e,k+Nから続く計算は、サンプリング時間ｋ及びｋ＋１に対する軌道値Ｍ_T,k、φ_T,k；Ｍ_T,k+1、φ_T,k+1の上記の計算と同様の方法で行なわれる。軌道値Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+N；φ_T,k、…、φ_T,k+Nの上記の計算によれば、回転電気機械１の前記トルク軌道Ｍと回転電気機械１のステータ磁束軌道φは各スイッチング状態シーケンスＳＳＫであるが、図２に示される簡略化されたプロファイルは、Ｎ＝２のサンプリング時間に対する関連するスイッチング状態シーケンスＳＳＫの一例を示しており、この場合、トルク軌道Ｍの点は関連する決定された軌道値Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+Nに対応する。まず、サンプリング時間ｋからｋ＋Nに対するすべての状態値セットＸ_e,k、…、Ｘ_e,k+Nは、上記した手順にしたがって決定され、したがって、サンプリング時間ｋからｋ＋Nに対する各軌道値Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+N；φ_T,k、…、φ_T,k+Nはそれらから計算され、上記の手順にしたがって、トルク軌道Ｍ及びステータ磁束軌道φが形成される。

さらなるステップ（ｅ）において、スイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aが選択され、関連するトルク軌道Ｍ及び（ｋ＋N）番目のサンプリング時間でのステータ磁束軌道φはそれぞれ所定値レンジ内にある。図３に示されるトルク軌道Ｍに基づいて、これは上部の２つのトルク軌道Ｍのみに適用されるが、下部のトルク軌道Ｍには適用されない。図３に示す所定値レンジは２つの点線で示された水平線で示される。ここで、それぞれの所定の値レンジは時間により変更され、回転電気機械のトルク及び回転電気機械１のステータ磁束に対する基準値から上流の閉ループ制御回路によって決定される。そのような閉ループ制御回路は当業者に既知である。他の実施形態として、次にスイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aが選択され、ｋ番目のサンプリング時間から（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間に関する、関連するトルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+Nと、関連するステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k、…、φ_T,k+Nは各所定の値レンジに近づく。

ステップ（ｆ）において、選択されたスイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aに対して、回数ｎは、（ｋ＋Ｎ−１）番目のサンプリング時間と（ｋ＋Ｎ−１）番目のサンプリング時間に関する、関連するトルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N及びステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1及びφ_T,k+Nの外挿が各所定の値レンジの外になるまで、すなわち外挿値の１つがまず各所定の値レンジを越えるすなわち各所定の値レンジを横断するまで決定される。図３において、２つの上部の関連するトルク軌道Ｍに対する各外挿は点線で示されている。図３に示される１つの上部の関連するトルク軌道Ｍの外挿はｋ＋３になるとすぐに所定の値レンジを越えるのに対して、より明確に示すために点線で規定されている、他の上部の関連するトルク軌道Ｍはｋ＋３では依然として所定の値レンジ内にある。

さらに、ステップ（ｇ）において、選択されたスイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aのそれぞれに対して、関連する決定されたスイッチング遷移の組み合わせＳＫ_k、…、ＳＫ_k+N-1が決定される。

さらに、ステップ（ｈ）において、選択されたスイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aのそれぞれに対して、品質値ｃが回数ｎとスイッチング遷移ｓの全数から計算される。品質値ｃは好ましくはスイッチング遷移ｓの全数を回数ｎによって割り算することによって計算される。

さらなるステップ（ｉ）において、開始サンプリング時間ｋでの決定されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_kは選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kとして設定され、このとき、関連する選択されたスイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aの品質値ｃが最小となる。

最後に、ステップ（ｊ）において、ステップ（ａ）から（ｉ）が反復され、ｋ＝ｋ＋１である。すなわちｋ＝ｋ＋１に対してステップ（ａ）から（ｉ）によって上記したシーケンスにしたがってスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kの選択が行なわれる。ここでＮはステップ（ａ）から（ｊ）のそれぞれに対して一定である。

ステップ（ｂ）から（ｊ）によって、特に、外挿によって、全システムすなわち回転電気機械１および関連する変換器回路２のさらなるふるまいを予測することが可能である。先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1に基づいて、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1から選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kへの遷移の数に関しておよび回転電気機械１のトルク及び回転電気機械１のステータ磁束に対する各所定の値レンジに関して最適なスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kを選択することは可能である。変換器回路２内のパワー半導体スイッチに対するスイッチング操作の数を低減してパワー半導体スイッチのスイッチング周波数を低減することは可能である。パワー半導体スイッチは有利なことにスイッチング周波数が低減されたことにより熱損失が少なくなるのでエネルギ消費が低くなる。これによって結果的にパワー半導体スイッチはよりゆっくりと劣化し、損失あるいは破壊に対する保護を大きくすることができる。

ステップ（ａ）から（ｊ）はソフトウェアとして実装され、このソフトウェアは例えば特にデジタルシグナルプロセッサを用いてコンピュータシステム内に取り込み、当該コンピュータシステム上で動作させることができる。

上記したように、図１はｍ＝３個の電圧レベルに対する変換器回路２を示し、ＤＣ電圧回路３がｍ−２個の副接続ＮＰすなわち単一の副接続ＮＰを有する。ｍ（ｍ≧３）個の電圧レベルを接続する変換器回路２の一般的な場合において、変換器回路２はＤＣ電圧回路３でｍ−２個の副接続ＮＰを有する。本発明による方法のステップ（ｄ）に関連して、このことは、スイッチング状態シーケンスＳＳＫのそれぞれに対してｍ−２個の副接続ＮＰでの電位に対するｍ−２電位軌道Ｕ_NPは、開始サンプリング時間ｋからサンプリング時間ｋ＋Ｎまでに対して回転電気機械１及び変換器回路２の決定された状態値セットＸ_e,k、…、Ｘ_e,k+Nから計算される。さらに、ｍ≧３のとき、ステップ（ｅ）に関して、スイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aが選択され、加えて、（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間での関連するｍ−２の電位軌道Ｕ_NPは各場合において所定の値レンジ内にあるか、あるいは、ｋ番目のサンプリング値から（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間までに関する、関連するｍ−２個の電位軌道の軌道値Ｕ_{NP, k}、…Ｕ_{NP, k+N}は、それぞれの所定の値レンジに近づく。さらに、ｍ≧３のときに、ステップ（ｆ）に関して、選択されたスイッチング状態シーケンスＳＳＫ_aのそれぞれに対して、回数ｎは、（ｋ＋Ｎ−１）番目のサンプリング時間及び（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間に関して、関連するトルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1及びＭ_T,k+N、あるいはステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1及びφ_T,k+N、あるいはｍ−２個の電位軌道の軌道値の外挿が各所定の値レンジの外になるまで決定される。ｍ≧３のとき、ステップ（ａ）から（ｃ）及び（ｇ）から（ｊ）までが維持される。

ｍ≧３のとき、ステップ（ｂ）から（ｊ）によって、特に、外挿によって、全システムすなわち回転電気機械１及び関連する変換器回路２のさらなるふるまいを予測することが可能であり、したがって、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1に基づいてかつ先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1から選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kへの遷移の数に関して、かつ、回転電気機械１のトルク、回転電気機械１のステータ磁束そしてｍ−２個の副接続ＮＰでのｍ−２個の電位に対する、各所定の値レンジに関連して、最適なスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kを常に選択することが可能である。すなわち、上記したように、変換器回路２内のパワー半導体スイッチに対するスイッチング操作の数を低減し、これによって、パワー半導体スイッチのスイッチング周波数を低減することが可能である。

概して、ステップ（ｂ）及び（ｃ）は有利なことにステップ（ｋ）において削除され、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1にたいするスイッチング状態シーケンスＳＳＫが形成され、スイッチング状態シーケンスＳＳＫはこの場合、一列内で互いに隣接された、Ｎ個先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1の構成である。さらに、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1は選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kとして設定され、最後に、ステップ（ｄ）が適用され、ステップ（ｅ）から（ｉ）は、関連するトルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+N、及びｋ番目のサンプリング時間から（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間までに関する関連するステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k、…、φ_T,k+Nが各所定の値レンジ内にあるならば、省略できる。ｍ≧３のとき、ステップ（ｋ）において、ステップ（ｂ）及び（ｃ）が省略され、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1に対するスイッチング状態シーケンスＳＳＫが形成され、スイッチング状態シーケンスＳＳＫはこの場合、一列内に隣接された、Ｎ個の先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,k-1である。さらに、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kは選択されたスイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kとして設定され、最後にステップ（ｄ）が適用され、ステップ（ｅ）から（ｉ）は、ｋ番目のサンプリング時間から（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間までに関連する、関連するトルク値Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+Nと、関連するステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k、…、φ_T,k+Nと、関連するｍ−２個の電位軌道Ｕ_NP軌道値Ｕ_NP,k、…、Ｕ_NP,k+Nが所定の値レンジ内にあるならば、省略される。

このようにして、ステップ（ｂ）及び（ｃ）及びステップ（ｅ）から（ｉ）が省略できるので、計算時間が節約できる。軌道値Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+N及びφ_T,k、…φ_T,k+N及びＵ_NP,k、…、Ｕ_NP,k+Nが満足されないならば、ステップ（ｂ）から（ｉ）が適用されるがステップ（ｋ）は適用されない。

ステップ（ｋ）は同様にしてソフトウェアとして実装され、このソフトウェアは例えば特にデジタルシグナルプロセッサを用いてコンピュータシステム内に取り込み、当該コンピュータシステム上で動作させることができる。

トルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+Nの外挿として一次外挿(linear extrapolation)が好適し、ステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1、φ_T,k+Nの外挿として二次外挿(quadratic extrapolation)が好適することがわかった。この場合、ステータ磁束軌道φに対する二次外挿の選択と、トルク軌道Ｍに対する一次外挿の選択とを組み合わせることによって、全システムのふるまいを特に正確に予測することが可能になる。スイッチング状態組み合わせＳＫ_a,kの選択がより正確になり、その結果、パワー半導体スイッチのスイッチング周波数をさらに低減することが可能になる。一方、ｍ≧３のとき、トルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N及びｍ−２個の電位軌道Ｕ_NPの軌道値Ｕ_NP,k+N-1及びＵ_NP,k+Nの外挿としてそれぞれ一次外挿が選択可能であり、ステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1及びφ_T,k+Nの外挿としては二次外挿が選択可能であり、この場合、上記と同様の利点が得られる。

トルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N及びステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1、φ_T,k+Nの外挿として一次外挿を選択することも可能であり、この場合、ｍ≧３である。トルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N及びステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1及びφ_T,k+Nの外挿としてそれぞれ一次外挿が選択されることに加えて、ｍ−２個の電位軌道Ｕ_NPの軌道値Ｕ_NP,k+N-1、Ｕ_NP,k+Nの外挿として一次外挿が選択される。
その他の可能性として、トルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N及びステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1及びφ_T,k+Nの外挿として二次外挿を選択することも可能であり、この場合、ｍ≧３である。各場合において、トルク軌道Ｍの軌道値Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N及びステータ磁束軌道φの軌道値φ_T,k+N-1、φ_T,k+Nの外挿として二次外挿が選択されることに加えて、ｍ−２個の電位軌道Ｕ_NPの軌道値Ｕ_NP,k+N-1、Ｕ_NP,k+Nの外挿として一次外挿が選択される。

図１は、３つの電圧レベルを接続する３相変換器回路の一実施形態を示す図である。図２は、変換器回路の位相のスイッチング状態組み合わせをもつ状態ダイアグラムを示す図である。Ｎ＝２のサンプリング時間に対する計算されたトルク軌道の模式化されたプロファイルである。

符号の説明

１回転電気機械
２３つの電圧レベルを接続するための変換機回路
３ＤＣ電圧回路
４一部変換器システム
５第１のスイッチ群
６第２のスイッチ群
７第３のスイッチ群

Claims

回転電気機械を操作する方法であって、ｍ（ｍ≧２）個の電圧レベルを接続するために、位相においてDC電圧回路を有する変換器回路に接続され、以下のステップ
（ａ）前記変換器回路の位相(u,v,w)を、前記変換器回路内のパワー半導体スイッチに対するスイッチング状態から選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k）にしたがってDC電圧回路に接続すること、を有し、前記スイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k）の選択は以下のさらなるステップ
（ｂ）サンプリング回数から選択可能な数Nに対する開始サンプリング時間がｋのときに、N個のサンプリング時間（N≧１）のそれぞれにおいて取りうるすべてのスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_k,…，ＳＫ_k+N-1）を決定し、
（ｃ）開始サンプリング時間ｋで各決定されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_k）に対するスイッチング状態シーケンス(ＳＳＫ)を形成し、各スイッチング状態シーケンス(ＳＳＫ)は、一列内の互いに隣り合うN個のサンプリング時間の決定されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_k,…，ＳＫ_k+N-1）を構成し、前記スイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_k,…，ＳＫ_k+N-1）は開始サンプリング時間ｋでの各スイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_k）に関連し、
（ｄ）スイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ）のそれぞれに対して、開始サンプリング時間ｋからサンプリング時間ｋ＋Nまでについて、前記回転電気機械及び前記変換器回路の決定された状態値セット（Ｘ_e,k、…、Ｘ_e,k+N）から、前記回転電気機械のトルク軌道（Ｍ）と、前記回転電気機械のステータ磁束軌道（φ）を計算し、
（ｅ）スイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ_a）を選択し、この場合、（ｋ＋N）番目のサンプリング時間での関連するトルク軌道（Ｍ）と、ステータ磁束軌道（φ）はそれぞれ所定の値レンジ内にあるかあるいは、k番目のサンプリング時間から（ｋ＋N）番目のサンプリング時間までに関して、関連するトルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+N）と、関連するステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k、…、φ_T,k+N）とは各所定の値レンジに近づき、
（ｆ）選択されたスイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ_a）のそれぞれに対して、（ｋ＋Ｎ−１）番目のサンプリング時間及び（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間に関して、関連するトルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1、…、Ｍ_T,k+N）の外挿あるいはステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k+N-1、…、φ_T,k+N）が各所定の値レンジ外になるまで、回数ｎを決定し、
（ｇ）選択されたスイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ_a）のそれぞれに対して、関連する決定されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_k,…，ＳＫ_k+N-1）のスイッチング遷移ｓの全体数を決定し、
（ｈ）選択されたスイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ_a）のそれぞれに対して、回数ｎ及びスイッチング遷移ｓの全体数から品質値ｃを計算し、
（ｉ）開始サンプリング時間ｋでの決定されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_k）を、関連する選択されたスイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ_a）の品質値ｃが最も小さくなる選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k）として設定し、
（ｊ）ステップ（ａ）から（ｉ）を反復する（ｋ＝ｋ＋１）ことを具備することを特徴とする方法。
ｍ≧３のときに、ｍ個の電圧レベルを接続するための前記変換器回路はＤＣ電圧回路でｍ−２個の副接続（ＮＰ）を有し、
ステップ（ｄ）に関連して、スイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ）のそれぞれに対してｍ−２個の副接続（ＮＰ）での電位に対するｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）は、開始サンプリング時間ｋからサンプリング時間ｋ＋Ｎまでについて前記回転電気機械及び前記変換器回路の決定された状態値セット（Ｘ_e,k、…、Ｘ_e,k+N）から計算され、
ステップ（ｅ）に関して、スイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ_a）が選択され、（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間での関連するｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）はそれぞれ、所定の値レンジ内にあるか、あるいは、ｋ番目のサンプリング値から（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間までに関して、関連するｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）の軌道値（Ｕ_{NP, k}、…Ｕ_{NP, k+N}）は、それぞれの所定の値レンジに近づき、
ステップ（ｆ）に関して、選択されたスイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ_a）のそれぞれに対して、回数ｎは、（ｋ＋Ｎ−１）番目のサンプリング時間及び（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間に関して、関連するトルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1）及び（Ｍ_T,k+N）あるいはステータ磁束軌道φの軌道値（φ_T,k+N-1）及び（φ_T,k+N、）あるいはｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）の軌道値（Ｕ_NP,k、…、Ｕ_NP,k+N）の外挿が各所定の値レンジの外になるまで決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
さらなるステップ（ｋ）の追加と、ステップ（ｂ）及び（ｃ）の省略と、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k-1）に対するスイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ）を形成し、スイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ）は、一列内で互いに隣接された、Ｎ個先行する選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k-1）を構成し、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k-1）を選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k）として設定し、ｋ番目のサンプリング時間から（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間までに関して、関連するトルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+N、）及び関連するステータ磁束軌道φの軌道値（φ_T,k、…、φ_T,k+N）が各所定の値レンジ内にあるならば、ステップ（ｄ）を適用し、ステップ（ｅ）から（ｉ）を省略することを特徴とする請求項１記載の方法。
さらなるステップ（ｋ）の追加と、ステップ（ｂ）及び（ｃ）の省略と、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k-1）に対するスイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ）を形成し、スイッチング状態シーケンス（ＳＳＫ）は一列内に隣接された、Ｎ個の先行する選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k-1）を構成し、先行する選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k-1）を選択されたスイッチング状態組み合わせ（ＳＫ_a,k）として設定し、ｋ番目のサンプリング時間から（ｋ＋Ｎ）番目のサンプリング時間までに関して、関連するトルク値（Ｍ_T,k、…、Ｍ_T,k+N）と、関連するステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k、…、φ_T,k+N）と、関連するｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）の軌道値（Ｕ_NP,k、…、Ｕ_NP,k+N）が所定の値レンジ内にあるならば、ステップ（ｄ）を適用し、ステップ（ｅ）から（ｉ）を省略することを特徴とする請求項２記載の方法。
トルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N）の外挿と、ステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k+N-1、φ_T,k+N）の外挿として、それぞれ一次外挿が選択されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
トルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N）の外挿と、ステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k+N-1、φ_T,k+N）の外挿、及びｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）の軌道値（Ｕ_NP,k+N-1）及び（Ｕ_NP,k+N）の外挿としてそれぞれ一次外挿が選択されることを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載の方法。
トルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N）の外挿と、ステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k+N-1、φ_T,k+N）の外挿として、それぞれ二次外挿が選択されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
トルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N）の外挿と、ステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k+N-1、φ_T,k+N）の外挿として二次外挿が選択され、及びｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）の軌道値（Ｕ_NP,k+N-1）及び（Ｕ_NP,k+N）の外挿としてそれぞれ一次外挿が選択されることを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載の方法。
トルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N）の外挿として一次外挿が選択され、ステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k+N-1、φ_T,k+N）の外挿として二次外挿が選択されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
トルク軌道（Ｍ）の軌道値（Ｍ_T,k+N-1、Ｍ_T,k+N）の外挿と、ｍ−２個の電位軌道（Ｕ_NP）の軌道値（Ｕ_NP,k、Ｕ_NP,k+N）の外挿としてそれぞれ一次外挿が選択され、ステータ磁束軌道（φ）の軌道値（φ_T,k+N-1、φ_T,k+N）の外挿として二次外挿が選択されることを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載の方法。
品質値ｃはスイッチング遷移ｓの全数を回数ｎによって割り算することによって計算されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の方法。