JP7210445B2 - 電気機械を保護するために能動的短絡モードをトリガするための方法および対応する保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力車の永久磁石電気機械、特に、永久磁石同期機のための「能動的短絡（ａｃｔｉｖｅ ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ）」－またはＡＳＣ－装置をトリガするための方法に関する。

電気およびハイブリッド車両の開発のコンテキストにおいて、磁石タイプによる同期機の電気機械によって供給されるトルクが監視されなければならない。同期機のトルクは、その位相において循環する電流に直接的に関係付けられる。後者は、インバータを使用して、電気機械のステータに対するロータの相対位置に対して同期される正弦波位相電流を制御して行われる。

機能的欠陥が検出されるとき、システムは、安全制御モード、または安全モード、特に「能動的短絡」モードを起動することが可能でなければならない。安全制御モードを起動させる機能的欠陥は、過電流、過電圧、ロータの位置測定欠陥、ソフトウェア完全性欠陥またはバッテリ欠陥であり得る。

この損傷は、安全性に関わる可能性のある事象をもたらさない場合があるが、これらの故障の発生率は、システムの信頼性に関して許容不可能である場合がある。

既知の自動車適用分野において、電気またはハイブリッド車両では、故障を埋め合わせるための１つの既知のモードは、「能動的短絡」モードである。

この安全制御モードの特性は、機械の出力トルクを消滅または低減し、電力を非常に迅速に消滅させることである。

機械の出力トルクを消滅または低減することによって、尚早な加速に対する運転安全制約に準拠することが可能である。

いくつかの文献が、様々なタイプの故障に対して耐性のある電気機械またはインバータシステムを記載している。この耐性は、様々な機能的冗長性を通じて、故障にかかわらず最小限の機能性を維持することから構成される。

文献ＣＮ２０４３３４２６８Ｕは、「能動的短絡」モードの起動に帰する障害の間に電流を制限するために使用される、一次巻線と直列に配置された補助巻線を備える永久磁石発電機を開示している。通常動作の間、この巻線は電流を平滑化するために使用される。

文献ＤＥ１０２０１１００８０７６は、各々がコイルを備える、ロータの２つの極の間に配置される磁石を記載している。磁石は、ロータのコイル内の電流の方向に基づいて、２つのコイルによって生成される磁束を短絡するために使用することができる。

しかしながら、これらの文献のいずれも、能動的短絡を使用してシステムの安全性およびその完全性を保証する安全モードまたは故障モードを有しない。

それゆえ、本発明は、少なくとも部分的に電気機械によって駆動される動力車の電気トラクションチェーンを保護するために能動的短絡モードを起動するための方法に関し、上記動力車は、直流電流を三相電流に変換し、電気機械に給電するために設けられるインバータに直流電流を供給するのに適したバッテリを備える。

能動的短絡モードを起動するためのこの方法は、電気機械のロータの位置設定点を計算する第１のステップと、ロータの位置を測定する第２のステップと、ロータの測定されている位置とロータの位置設定点とを比較する第３のステップと、能動的短絡モードを起動する第４のステップとを含む。

方法の１つの特徴によれば、ロータの位置設定点は、三相電流のピーク間振幅が最小であるロータの位置に対応する。

方法の１つの実施形態によれば、ロータの位置設定点を計算する第１のステップは、能動的短絡モードを確立するための遷移期間の間に三相電流のピーク間振幅が最小であるロータの位置を特定することを含む。

方法の別の実施形態によれば、第１のステップはコンピュータを使用して実施される。

方法の別の特徴によれば、ロータの位置センサは、基準点に対するロータの回転を測定するセンサである。

上記位置とロータの位置設定点とを比較する上記第３のステップの間に、ロータの位置がロータの位置設定点と実質的に同一であるか否かを判定することが可能である。

方法の別の特徴によれば、第３のステップにおいて、ロータの位置がロータの位置設定点と実質的に同一である場合、能動的短絡モードを起動する第４のステップに進む。

本発明はまた、少なくとも部分的に電気機械によって駆動される動力車の電気トラクションチェーンを保護するための装置に関する。

動力車は、直流電流を三相電流に変換し、電気機械に給電するために設けられるインバータに直流電流を供給するのに適したバッテリをさらに備える。

装置は、電気機械のロータの位置を測定するための手段と、ロータの測定されている位置とロータの位置設定点とを比較するための手段と、能動的短絡モードの起動をトリガするための手段とを備える。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、非限定例としてのみ与えられ、添付の図面を参照して行われる以下の記述を読むと明らかになる。

動力車のトラクションチェーンの一部の電子回路を示す図である。 電気機械のステータに対するロータの２つの異なる位置のうちの１つを示す図である。 電気機械のステータに対するロータの２つの異なる位置のうちの１つを示す図である。 能動的短絡モードを確立するため遷移期間の間の三相電流の、時間の関数としての進展を示す図である。 能動的短絡モードの起動の間のステータに対するロータの相対位置の関数としての、能動的短絡モードを確立するための遷移期間の間の二相電流のピーク間振幅の進展を示す図である。 本発明による能動的短絡モードを起動するための方法を実施するための装置を示す図である。 能動的短絡モードを起動するための方法の一連のステップを示す図である。

最初に、少なくとも部分的に電気牽引を用いる動力車のトラクションチェーンの一部の電子回路を示す図１を参照する。

この回路は、直流電圧を三相電圧に変換して電気機械に給電するように意図されている。特に、「能動的短絡」モードを実施することが意図されている。

この回路は、並列に接続されている環流ダイオードを各々が設けられている、１ｈａ、１ｈｂ、１ｈｃ、１ｂａ、１ｂｂ、１ｂｃとして参照されるスイッチのセットを備えるインバータを含む。

スイッチは、対になって直列に接続されている。スイッチ１ｂａと直列に接続されているスイッチ１ｈａが第１のアーム１ａを構成し、スイッチ１ｂｂと直列に接続されているスイッチ１ｈｂが第２のアーム１ｂを構成し、スイッチ１ｂｃと直列に接続されているスイッチ１ｈｃが第３のアーム１ｃを構成する。

アーム１ａ、１ｂおよび１ｃは、互いに並列に接続されており、インバータの入力と接続されている。

インバータの第１の出力はスイッチ１ｈａとスイッチ１ｂａとの間に接続されており、別の出力がスイッチ１ｈｂとスイッチ１ｂｂとの間に接続されており、最後の出力がスイッチ１ｈｃとスイッチ１ｂｃとの間に接続されている。

インバータ１の出力は、三相電気機械の界磁巻線２に接続されている。

インバータ１の入力は、キャパシタンスＣと並列に接続されており、キャパシタンスＣはまた、バッテリ３の端子に並列に接続されている。

この能動的短絡モードは、上側スイッチ１ｈａ、１ｈｂ、１ｈｃのすべてまたは下側スイッチ１ｂａ、１ｂｂ、１ｂｃのすべてを閉じることによって位相を等電位におくことから構成される。

有利には、インバータが故障するかまたは部分的に破損した場合、短絡を実施するアームを変更することによって短絡モードを保証することが可能である。

インバータ１から上流では電流が発生し得ないため、この安全モードは、電力に関して、電気機械の迅速で完全な分離を保証し、それゆえ、電力の瞬時のリセットを保証する。それゆえ、これによって、電気機械の速度および電気機械を通過する磁束レベルにかかわりなく、安全要件をカバーすることが可能である。

しかしながら、安全モードには欠点もある。短絡すると、電気機械は、位相にまたがる非常に強い電圧の断絶を受け、これによって、いくつかの動作点にとっては暴力的であり得る、電流の一時的増大が生じる。この電流増大は、システムに不可逆的な損傷を引き起こす場合がある。

例えば、これは、最大許容相電流を超えることによって、または、相電流に起因して磁束閾値を超えることによる電気機械の磁石の不可逆的な部分的減磁を通じて、インバータ１を破損することを含み得る。この閾値はまた、このコンテキストにおいてロータの温度が高いことに起因して低下する可能性もあり得る。

そのような能動的短絡モードが起動されるとき、依然として回転している電気機械のロータ４は、実際には、例えば、ここではステータ５に対する図２Ａおよび図２Ｂにおける２つの位置において代替的に示されている、ランダムな位置にある。

起動された後、能動的短絡モードは、遷移期間を経験し、遷移期間の間、３つの位相の電流は、電気機械の公称電流の２～３倍に及ぶ大きな値を経験する場合があり、これによって前に挙げた問題が生じる。

図３は、能動的短絡モードの起動時点ｔ_０から始まるこの遷移期間の間の三相電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃの進展をそれぞれ表す３つの曲線Ａ、ＢおよびＣを示す。この瞬間の後、３つの電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃの振幅値は、「電流ピーク」またはピーク間振幅と呼ばれる最大値に達した後、時間とともに低減する。

図４において電流ｉ_ａおよびｉ_ｂを表す曲線ＤおよびＥによって示される、相電流の各々のこれらの「電流ピーク」値は、能動的短絡モードの起動の瞬間ｔ_０におけるロータの位置に依存する。

この「電流ピーク」を最小にする、瞬間ｔ_０におけるステータ５に対するロータ４の角度α_０だけの回転に対応する位置を実験的に、または、計算によって決定することが可能である。電流ｉ_ａおよびｉ_ｂの「電流ピーク」は、ロータ４が、特に実質的に、角度α_０だけの回転に対応する位置にあるときの「電流ピーク」の最小値を示すためのロータ４の種々の位置の曲線ＤおよびＥ上に示されている。

図５は、本発明による能動的短絡モードを起動するための方法を実施するための装置の構造的要素を示す。

この装置は、機械のロータの位置設定点α_{ｃｏｎｓｉｇｎｅ}を生成することが可能な第１のコンピュータ７ａと、電気機械のステータ５に対するロータの相対位置の角度値αを測定するためのセンサ６と、ロータ４の測定されている位置αと位置設定点とを比較することが可能な第２のコンピュータ７ｂとを含む。この装置は、インバータ１に接続されており、直流電流を三相電流に変換し、電気機械に給電するようにインバータのスイッチを制御する制御段８をさらに含む。

最後に、本発明に従って制御される短絡モードをトリガするための方法の連続するステップの進行を示す図６を参照する。

第１のステップの間に、第１のコンピュータ７ａを使用して、電気機械のロータの位置設定点α_{ｃｏｎｓｉｇｎｅ}を決定するために、値α_０を使用することができる。第２のステップの間に、電気機械のステータ５に対する相対位置４を表す角度値αが、専用のセンサ６を使用して測定される。

第３のステップの間に、測定されている位置αと位置設定点α_{ｃｏｎｓｉｇｎｅ}とを比較するために第２のコンピュータ７ｂが使用され、該当する場合、第４のステップの間に、前述した能動的短絡モードの起動が、制御段８を使用して制御される。

この制御段８は、インバータの上側スイッチ１ｈａ、１ｈｂおよび１ｈｃのすべて、または、下側スイッチ１ｂａ、１ｂｂおよび１ｂｃのすべてを少なくとも別個に開閉することが可能な装置である。

コンピュータ７ａおよび７ｂは、単一のコンピュータ７内でともにグループ化され得る。そのような応用形態は、有線論理型（ＦＰＧＡ）のハードウェアソリューションを必要とする。

電気牽引の外部で、このソリューションは、ハードウェアによって達成することができる基本安全モードを使用して電力を迅速に遮断する安全モードに置くことを必要とする、永久磁石同期機を有する任意のアクチュエータシステムにとって適切であり得る。

Claims (7)

1. 少なくとも部分的に電気機械によって駆動される動力車の電気トラクションチェーンを保護するために能動的短絡モードを起動するための方法であって、前記動力車は、直流電流を三相電流に変換し、前記電気機械に給電するために設けられるインバータ（１）に前記直流電流を供給するのに適したバッテリ（３）を備え、前記方法は、前記電気機械のロータの位置設定点（αｃｏｎｓｉｇｎｅ）を計算する第１のステップと、前記ロータの位置（α）を測定する第２のステップと、前記ロータの前記測定された位置と前記ロータの前記位置設定点とを比較する第３のステップと、能動的短絡モードを起動する第４のステップとを含み、前記方法は、前記ロータの前記位置設定点が、前記三相電流のうち２つの電流のピーク間振幅が最小である前記ロータの位置に対応することを特徴とする、方法。
2. 前記ロータの位置設定点（α_{ｃｏｎｓｉｇｎｅ}）を計算する前記第１のステップは、前記能動的短絡モードを確立するための遷移期間の間に前記三相電流の前記ピーク間振幅が最小である前記ロータの位置（α_０）を特定することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のステップはコンピュータ（７）を使用して実施される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ロータの位置センサは、基準点に対する前記ロータの回転を測定するセンサ（６）である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記位置と前記ロータの前記位置設定点とを比較する前記第３のステップの間に、前記ロータの前記位置が前記ロータの前記位置設定点と実質的に同一であるか否かが判定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第３のステップにおいて、前記ロータの前記位置が前記ロータの前記位置設定点と実質的に同一である場合、能動的短絡モードを起動する前記第４のステップに進む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 少なくとも部分的に電気機械によって駆動される動力車の電気トラクションチェーンを保護するための装置であって、前記動力車は、直流電流を三相電流に変換し、前記電気機械に給電するために設けられるインバータ（１）に前記直流電流を供給するのに適したバッテリを備え、前記装置は、前記電気機械のロータの位置を測定するための手段（６）と、前記ロータの前記測定された位置と前記ロータの位置設定点とを比較するための手段（７）と、能動的短絡モードを起動するための手段（８）とを備えることを特徴とし、前記ロータの前記位置設定点が、前記三相電流のうち２つの電流のピーク間振幅が最小である前記ロータの位置に対応することを特徴とする、装置。

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