KR20220041098A - 인버터, 인버터 및 전기 기계를 갖는 어셈블리, 인버터를 작동시키는 방법 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

인버터, 인버터 및 전기 기계를 갖는 어셈블리, 인버터를 작동시키는 방법 및 컴퓨터 프로그램 Download PDF

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파나지오티스 만트자나스
다니엘 쿠브리치
토마스 두르바움
알렉산더 부체르
알렉산더 파벨렉
크리스티안 하세노르
하랄드 호프만
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발레오 지멘스 이오토모티브 독일 게엠베하
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Abstract

전기 기계(3)에 전력을 공급하는 인버터(2)용 제어 장치(8)로서, 제어 장치(8)는 캐리어 주파수를 갖는 펄스 폭 변조된 스위칭 신호(15)를 제공하여 인버터(2)의 스위칭 소자(12)를 구동하고, 제어 장치(8)는 전기 기계(3)의 회전 속도 및 토크에 의해 정의되는 동작점을 기술하는 동작점 정보에 따라 캐리어 주파수를 결정하도록 구성되며, 회전 속도가 증가하고 토크의 크기가 감소함에 따라 0이 아닌 회전 속도 하한(23) 및 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역에 있는 회전 속도 상한(24)을 갖는 회전 속도 간격 내에서 확장되는 동작 영역(22) 내의 캐리어 주파수를 증가시킨다.

Description

인버터, 인버터 및 전기 기계를 갖는 어셈블리, 인버터를 작동시키는 방법 및 컴퓨터 프로그램
본 발명은 전기 기계에 전력을 공급하는 인버터용 제어 장치에 관한 것으로, 제어 장치는 인버터의 스위칭 소자를 구동하기 위해 캐리어 주파수를 갖는 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 제공하도록 구성된다.
본 발명은 또한 인버터, 인버터 및 전기 기계를 갖는 어셈블리, 인버터를 작동시키는 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
전기 구동 차량의 중요성이 높아짐에 따라 이러한 응용 분야를 위한 인버터 및 이의 관련 제어 장치가 산업 개발 노력의 초점이 되고 있다. 인버터의 스위칭 소자를 구동하기 위해 일정한 캐리어 주파수를 갖는 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 제공하는 유형의 제어 장치가 알려져 있다.
펄스 출력 전압은 이러한 스위칭 동작과 관련하여 발생하며, 특히 낮은 토크의 특정 영역에서 전기 기계의 위상 전류에 대한 높은 총 고조파 왜곡(total harmonic distortion, THD)으로 이어질 수 있다. 그러나 결과적으로 전기 기계에서 바람직하지 않은 기계적 진동이 발생한다.
따라서, 본 발명은 인버터의 동작에서 고조파 왜곡을 감소시키는 목적에 기반한다.
이러한 목적은 본 발명에 따라, 전기 기계의 회전 속도 및 토크에 의해 정의되는 동작점을 기술하는 동작점 정보에 따라 캐리어 주파수를 결정하도록 구성된 서두에 언급된 유형의 제어 장치에 의해 달성되며, 회전 속도가 증가하고 토크의 크기가 감소함에 따라 0이 아닌 회전 속도 하한 및, 전력 제한 동작 영역 또는 약계자 동작 영역(field-weakening operating region)에 있는 회전 속도 상한을 갖는 회전 속도 구간 내에서 확장되는 동작 영역 내에서 캐리어 주파수를 증가시킨다.
본 발명은 한편으로는 인버터 출력 전압의 총 고조파 왜곡이 증가하면 총 고조파 왜곡을 낮추는 캐리어 주파수에 의존하고, 다른 한편으로는 전기 기계의 동작점에 의존한다는 인식에 기반한다. (제1) 동작 영역에서 캐리어 주파수가 일정하게 유지된다고 가정하면, 토크의 크기에 따라 그럼에도 낮은 스위칭 손실만 발생하지만, 회전 속도가 증가하고 토크의 크기가 하강하면 총 고조파 왜곡이 증가하게 된다. 따라서 총 고조파 왜곡을 줄이거나 제한하기 위해 일정한 캐리어 주파수에서 작동하는 것에 비해 더 높은 스위칭 손실을 수용할 수 있기 때문에, 캐리어 주파수가 증가할 여지가 있다. 따라서 총 고조파 왜곡 및 결과적으로 바람직하지 않은 기계적 진동이 유리하게 감소된다.
출력 전압의 총 고조파 왜곡은 일반적으로 본 발명의 목적을 위해, 인버터의 출력 전압의 주파수 성분의 가중 조합인 왜곡 측정에 의해 설명된다. 일반적으로 이러한 왜곡 측정 m THD 는 다음 공식으로 표현할 수 있다.
Figure pct00001
여기서 N AC 는 전기 기기의 전기적 주파수(f AC )와 인버터의 출력 전압(u x )의 기본 주파수(f f )의 비율을 나타내며, αn은 가중 계수이다. 시간 t의 함수로서의 출력 전압은 다음과 같이 설명된다.
Figure pct00002
3개의 출력 위상을 가진 인버터의 구체적인 실질적 관련 사례에서, x∈{RS,ST,TR}는 일반적인 위상 식별자 R, S 및 T에 관한여 설정될 것이다.
왜곡 측정 m THD 의 가능한 특별한 사례로서(본 발명이 제한되는 것은 아님), 가중된 총 고조파 왜곡(weighted total harmonic distortion, WTHD)은 주파수 성분이 이들의 차수에 따라 가중되는 것으로 간주되어야 한다. 그 경우,
Figure pct00003
이고,
Figure pct00004
이다.
본 발명에 따른 제어 장치의 경우, 회전 속도 하한이 기본 회전 속도 동작 영역에 있는 것이 바람직하다.
동작 영역의 제1 경계는 회전 속도가 회전 속도 하한에 대응하는 제1 동작점으로부터 회전 속도가 회전 속도 하한보다 크고 그 토크의 크기가 제1 동작점의 토크 크기보다 큰 제2 동작점으로 확장한다. 대안으로서 또는 추가적으로, 동작 영역의 제2 경계는 회전 속도가 회전 속도 상한에 해당하는 제1 동작점에서 회전 속도가 회전 속도 상한보다 작고 그 토크의 크기가 제1 동작점의 토크의 크기보다 큰 제2 동작점까지 확장된다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예가 아래에 설명되며, 제어 장치는 특히 연속적인 펄스 폭 변조(특히 공간 벡터 변조)를 통해 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
제1 바람직한 실시예에서, 제1 경계 및 제2 경계의 제2 동작점이 동일하고/하거나, 전력 제한 동작 영역 또는 약계자(field-weakening) 동작 영역에 있고/있거나, 각 동작점의 회전 속도에서 토크의 최대 크기로부터 분리되는 것으로 가정할 수 있다.
제1 바람직한 실시예에서, 제어 장치가 특히 토크와 무관하게, 제1 동작 영역과 중첩되지 않게 정의된, 동작점들을 포함하는 제2 동작 영역 내에서 증가하는 회전 속도로 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성될 수 있다고 가정할 수 있으며, 각각의 회전 속도에서 그 토크의 크기는 이 회전 속도에서 제1 동작 영역 내의 토크의 최대 크기보다 크다. 캐리어 주파수 값이 편의상 제1 동작 영역의 캐리어 주파수 값에 안정적으로 인접하는 제2 동작 영역에서의 토크는 총 고조파 왜곡에 아주 작은 영향만을 미친다는 것이 확인되었다. 이와 관련하여, 제2 동작 영역의 정의는 총 고조파 왜곡 감소를 전기 기계의 더 높은 부하(특히, 전(full) 부하 동작)의 동작점으로 확장할 수 있다. 전 부하 동작은 본 발명의 맥락에서 일반적으로 각각의 회전 속도에 대한 토크의 최대 크기를 갖는 동작점을 포함하는 동작 모드로 이해될 수 있다.
따라서 제2 동작 영역이 전력 제한 동작 영역 또는 약계자 동작 영역에 완전히 위치되고/되거나 전 부하 동작까지 확장되는 것으로 가정할 수 있다.
본 발명의 제2 바람직한 실시예가 이하에 설명되며, 이 실시예에서는 특히 제어 장치가 불연속 펄스 폭 변조(특히, 일반화된 불연속 펄스 폭 변조(GDPWM))를 통해 펄스 폭 변조된 스위칭 신호를 생성하도록 구성되는 것으로 가정할 수 있다.
바람직한 제2 실시예에서, 제어 장치가 제1 동작 영역과 중첩되지 않게 정의된, 동작점들을 포함하는 제2 동작 영역에서 회전 속도 및 토크가 감소하면서 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성되는 경우, 각각의 회전 속도에서 제2 동작 영역에서의 토크의 크기가 이러한 회전 속도에서 제1 동작 영역 내의 토크의 최대 크기보다 큰 이점이 있다.
대안적으로 또는 추가로, 바람직한 제2 실시예의 본 발명에 따른 제어 장치는, 제1 동작 영역과 중첩되지 않게 정의된 제3 동작 영역 내에서 회전 속도가 상승하고 토크가 하강하거나 또는 토크와 독립적으로 회전 속도가 상승하면 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성되고, 제3 동작 영역은 각각의 회전 속도에서 그 토크의 크기가 이러한 회전 속도에서 제1 동작 영역 내의 토크의 최대 크기보다 큰 동작점을 포함한다.
제3 동작 영역은 일반적으로 각각의 회전 속도에서 그 토크의 크기가 제2 동작 영역에 있는 이러한 회전 속도에서 토크의 최대 크기보다 큰 동작점을 포함한다.
제2 바람직한 실시예에서, 제1 동작 영역 및/또는 제2 동작 영역 및/또는 제3 동작 영역은 전 부하 동작(full-load operation)까지 확장할 수 있고/있거나 기본 회전 속도 동작 영역에서 전력 제한 동작 영역 또는 약계자 동작 영역으로 확장할 수 있다.
본 발명에 따른 제어 장치의 유리한 발전예에서, 사전 정의된 또는 사전 정의 가능한 최소값 미만의 캐리어 주파수를 결정하도록 구성되지 않는 것으로 추가 가정할 수 있다. 회전 속도 및 토크의 낮은 값에 대한 캐리어 주파수가 너무 낮아져서 전기 기계의 각각의 상 전류의 주파수에 대한 이들의 비율이 미리 정의된 최소 비율 아래로 떨어질 가능성이 이러한 방식으로 방지된다. 최소값이 지정된 동작점은 또한 그 정도까지 추가 동작 영역으로 간주될 수 있다.
특히 적은 노력으로 본 발명에 따른 제어 장치의 구현을 가능하게 하기 위해, 바람직하게는 캐리어 주파수 값을 회전 속도 값과 토크 값의 쌍에 할당하는 특성 맵에서 캐리어 주파수를 선택하도록 구성된다. 예를 들어, 특성 맵은 룩업 테이블을 통해 실현될 수 있다. 제어 장치는 일반적으로 특성 맵이 저장되는 메모리 유닛을 포함한다.
특성 맵이 쌍(pair) 및 캐리어 주파수 값의 적어도 구간적 선형 할당(piece-wise linear assignment)을 설명하는 것으로 추가 가정할 수 있다. 대안적으로, 특성 맵이 이산 쌍(discrete pair)에 의해 정의되고 제어 장치가 특히 이산 쌍에 할당된 캐리어 주파수 값의 선형 보간을 통해 캐리어 주파수를 결정하도록 구성되는 것이 가능하다.
특성 맵의 사용에 대한 대안으로서, 본 발명에 따른 제어 장치는 동작점에 따라 캐리어 주파수가 결정될 수 있는 분석적 계산 사양에 의해 캐리어 주파수를 결정하도록 구성될 수 있다.
특성 맵 또는 계산 사양은 예를 들어, 인버터 및 전기 기계의 특정 구성에 대한 측정 또는 시뮬레이션을 통해 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 제어 장치는 업데이트된 동작 포인트 정보를 수신할 때 및/또는 미리 정의되거나 미리 정의할 수 있는 기간이 경과한 후 및/또는 전기 기계의 전기적 기간이 종료된 후 및/또는 각 스위칭 신호의 기간 완료된 후 각각의 경우에 업데이트된 캐리어 주파수를 결정하도록 더 구성될 수 있다. 따라서 캐리어 주파수는 적절한 시점에서 순간 동작점에 적응될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제어 장치는 입력에서 수신된 토크 정보 및/또는 입력에서 수신된 회전 속도 정보로부터 및/또는 입력에서 수신된 전기 기계에 공급되는 위상 전류를 설명하는 전류 정보에 따라 동작점 정보를 결정하도록 구성될 수 있고, 스위칭 신호를 결정하기 위한 제어의 맥락에서 동작점 정보를 추정하도록 구성된다. 토크는 특히 전류 정보로부터 결정될 수 있다.
본 발명의 기반이 되는 목적은, 스위칭 소자를 제어하는 스위칭 신호에 따라 입력측에 존재하는 전압을 전기 기계를 동작시키기 위한 교류로 변환하도록 상호 연결된 스위칭 소자를 포함하는 인버터 및 본 발명에 따른 제어 장치에 의해 추가로 획득된다.
인버터는 특히 단일 커패시터 요소로서 또는 병렬 및/또는 직렬로 연결된 복수의 커패시터 요소로서 설계된 DC 링크 커패시터를 더 포함할 수 있다.
인버터는 아날로그 측정 신호를 전류 정보 및/또는 회전 속도 정보 및/또는 토크 정보로 변환하도록 설계된 아날로그-디지털 변환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기반이 되는 목적은, 본 발명에 따른 인버터 및 인버터에 의해 작동될 수 있는 전기 기계와의 어셈블리에 의해 추가로 달성된다.
바람직하게는 여기에서 캐리어 주파수의 결정이 다음 관계를 나타낸다.
Figure pct00005
여기서,
Figure pct00006
이고,
Figure pct00007
이며,
-
Figure pct00008
는 토크 M과 회전 속도 f rot 에 따라 결정될 캐리어 주파수를 기술하고,
- m THD 는 인버터 출력 전압의 총 고조파 왜곡에 대한 왜곡의 측정값을 기술하며,
- f PWM,min 은 사전 정의되거나 사전 정의 가능한 최소 캐리어 주파수를 기술하고,
- f PWM,losses (M,frot)는 최소 캐리어 주파수
Figure pct00009
에서의 인버터의 총 손실, 최소 캐리어 주파수
Figure pct00010
에서의 스위칭 손실 및 전도 손실 P c 의 최대값을 고려하여 토크 M 및 회전 속도 f rot 에 의존하는 캐리어 주파수를 기술하며,
-
Figure pct00011
는 최소 캐리어 주파수
Figure pct00012
에서의 왜곡 측정 및 손실에 의존하는 캐리어 주파수
Figure pct00013
에서의 왜곡 측정의 최대값을 고려하여 회전 속도 f rot 및 토크 M에 의존하는 캐리어 주파수를 기술하고,
-
Figure pct00014
은 특히
Figure pct00015
,
Figure pct00016
및
Figure pct00017
의 시뮬레이션 또는 측정을 통해 결정된 함수를 설명한다.
WTHD가 왜곡 측정으로 사용되는 경우 다음이 적용될 수 있다.
Figure pct00018
본 발명의 기반이 되는 목적은 제어 장치에 의해 수행되는 다음 단계를 포함하는 전기 기계에 전원을 공급하기 위한 인버터를 동작시키는 방법에 의해 추가로 달성될 수 있으며, 단계는: 0이 아닌 회전 속도 하한과 전력 제한 동작 영역 또는 약계자 동작 영역에 있는 회전 속도 상한을 갖는 회전 속도 구간 내에서 확장하는 동작 영역 내에서, 회전 속도가 증가하고 토크의 크기가 감소함에 따라 캐리어 주파수가 증가하는 방식으로 전기 기계의 회전 속도 및 토크에 의해 정의되는 동작점을 기술하는 동작점 정보에 따른 인버터의 동작을 위해 펄스 폭 변조된 스위칭 신호의 캐리어 주파수를 결정하는 단계; 및 인버터의 스위칭 소자에 스위칭 신호를 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기반이 되는 목적은 프로그램이 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 제어 장치에 의해 수행되는 본 발명에 따른 방법의 단계를 실행하게 하는 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램에 의해 최종적으로 달성된다.
본 발명에 따른 제어 장치, 본 발명에 따른 인버터 및 본 발명에 따른 어셈블리에 관한 모든 설명은 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램과 유사한 방식으로 적용될 수 있어, 상술한 이점도 이들에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 추가 이점 및 세부사항은 도면에 기초하여 후술되는 예시적인 실시예로부터 드러난다. 다음은 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 인버터의 예시적인 실시예 및 본 발명에 따른 제어 장치의 예시적인 실시예와 함께 본 발명에 따른 어셈블리의 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 어셈블리의 동작과 관련된 동작 영역이 있는 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른 어셈블리에 대해 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 4는 종래 기술의 어셈블리의 인버터의 총 손실이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 어셈블리의 추가 예시적인 실시예를 동작시킬 경우의 캐리어 주파수 값이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 6은 추가적인 예시적 실시예의 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 7은 추가적인 예시적 실시예의 인버터의 전체 인버터 손실이 그려진 토크 회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 8은 도 1에 도시된 어셈블리의 추가적인 예시적 실시예의 동작과 관련된 동작 영역이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 9는 종래 기술에 따른 추가 조립을 위해 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 10은 종래 기술에 따른 추가 어셈블리에 대해 전체 인버터 손실이 도출된 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 어셈블리의 추가적인 예시적 실시예를 동작시키는 경우에 캐리어 주파수 값이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 12는 추가적인 예시적 실시예의 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 13은 추가적인 예시적 실시예의 인버터의 전체 인버터 손실이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램을 도시한다.
도 1은 부분적으로 또는 완전히 전기적으로 구동될 수 있는 차량을 구동하도록 구성된 전기 기계(3) 및 인버터(2)의 예시적인 실시예를 포함하는 어셈블리(1)의 예시적인 실시예의 블록도이다. 어셈블리(1)는 본 사례에서 고전압 배터리로서 설계된 DC 전압원(4)을 더 포함한다.
인버터(2)는 본 사례에서 EMC 필터로 설계된 필터 장치(5), DC 링크 커패시터(6), 전원 장치(7), 제어 장치(8)의 예시적인 실시예, 제1 측정 장치(9), 제2 측정 장치(10) 및 아날로그-디지털 변환기 장치(11)를 포함한다.
전원 유닛(7)은 반도체 스위칭 소자, 예를 들어 IGBT 또는 전력 MOSFET으로 설계된 복수의 스위칭 소자(12)를 포함한다. 스위칭 소자(12)는 쌍으로 연결되어 하프 브리지를 형성한다. 드라이버(14)는 각각의 스위칭 소자(12)의 제어 입력(13) 앞에 연결된다. 명확성을 이유로, 여기에서 하나의 스위칭 소자(12) 및 하나의 드라이버(14)에만 참조 부호가 부여된다. 드라이버(14)는 제어 장치(8)로부터, 전기 기계(3)에 공급하기 위한 전압이 하프 브리지의 각각의 탭에서 이용 가능하도록 제공된 펄스 폭 변조된 스위칭 신호(15)를 수신한다. 따라서 전원 유닛(7)은 DC 링크 커패시터(6)에 의해 평활화된 DC 링크 전압을 스위칭 신호(15)에 따라, 본 사례에서는 3상을 갖는 전압으로 변환한다.
제1 측정 장치(9)는 위상 전류를 획득하고, 제1 측정 장치(9)의 아날로그 측정 신호를 디지털 전류 정보(16)로 변환하는 아날로그-디지털 변환기 장치(11)에 측정 신호를 제공하도록 구성된다. 제2 측정 장치(10) 따라서 제어 장치는 전기 기계(3)의 회전 속도를 획득하고 제2 측정 장치(10)의 아날로그 측정 신호를 디지털 회전 속도 정보(17)로 변환하는 아날로그-디지털 변환기 장치(11)에 측정 신호를 제공하도록 구성된다. 제어 장치(8)는 그 입력에서 전류 정보(16) 및 회전 속도 정보(17)를 수신한다.
전류 정보(16) 및 회전 속도 정보(17)에 기초하여 제어 장치(8)는 전기 기계(3)의 회전 속도 및 토크에 의해 정의된 동작점을 설명하는 동작점 정보를 결정한다. 제어 장치(8)는 펄스 폭 변조 스위칭 신호(15)의 캐리어 주파수를 결정하도록 구성된다. 이를 위해, 제어 장치(8)는 회전 속도 값과 토크 값 쌍에 캐리어 주파수 값을 할당하는 특성 맵이 저장되는 메모리 유닛(18)을 포함한다. 제어 장치(8)는 동작 포인트 정보에 기초하여 특성 맵으로부터 대응하는 캐리어 주파수 값을 선택한다.
도 2는 도 1에 도시된 어셈블리를 작동시킬 때 동작 영역이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이고, 토크는 M으로 표시되고 회전 속도는 frot로 표시된다. 본 실시예에서, 스위칭 신호(15)는 연속적인 SVM(Space Vector Modulation)을 통해 결정되었다.
다이어그램은 쌍과 캐리어 주파수 값 간의 연관성을 설명하는 특성 맵을 보여준다. 코너 동작점(19)이 먼저 도 2에 도시되어 있으며, 이는 기본 회전 속도 동작 영역(20)에서 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역으로 이전될 때 최대 토크의 크기를 설명한다. 캐리어 주파수 값의 선택된 등각선(isoline)은 점선으로 도시된다.
제1 동작 영역(22)은 0이 아닌 회전 속도 하한(23) 및 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역에 있는 회전 속도 상한(24)을 갖는 회전 속도 간격 내에서 확장된다. 제1 동작 영역(22)의 제1 경계(25)는 회전 속도가 회전 속도 하한(23)에 대응하는 기본 회전 속도 동작 영역에 있는 제1 동작점(26)으로부터 회전 속도가 회전 속도 하한(23)보다 크고 그 토크의 크기는 제1 동작점(26)의 토크의 크기보다 큰 제2 동작점(27)까지 확장된다. 제2 동작점(27)은 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역에 위치하고, 제2 동작점(27)의 회전 속도에서 토크의 최대 진폭으로부터 이격된다.
제1 동작 영역(22)의 제2 경계(28)는 회전 속도가 회전 속도 상한에 대응하는 제1 동작점(29)으로부터 제1 경계(25)의 제2 동작점(27)과 동일한 제2 동작점까지 확장된다.
제어 장치(8)는 회전 속도가 증가하고 토크의 크기가 감소되는 제1 동작 영역(22) 내의 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성된다. 이것은 여기에서 그리고 이하에서 화살표로 심볼화된다.
제1 동작 영역(22)과 중첩되지 않도록 정의된 제2 동작 영역(30)은 동작점들을 포함하며, 각각의 회전 속도에서 그 토크의 크기는 제1 동작 영역에 있는 이러한 회전 속도에서의 토크의 최대 크기보다 크다. 제2 동작 영역(30)은 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역에 완전히 위치하며, 전(full) 부하 동작(30a)까지 확장되는데, 전 부하 동작(30a)은 각 회전 속도에 대해 토크의 최대 가능한 크기가 존재하는 특성 맵에서 선으로 표현된다. 제어 장치(8)는 토크와 무관하게 회전 속도가 증가하면 제2 동작 영역(30) 내에서 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성된다.
제어 장치(8)는 최종적으로 사전 정의된 최소값 미만의 캐리어 주파수를 결정하지 않도록 구성된다. 최소값이 지정되는 추가 동작 영역(31)은 이러한 관점에서 그려진다. 추가 동작 영역(31)은 제2 동작 영역(30)의 경계(28a) 및 제1 경계(25)의 더 낮은 회전 속도 측 상의 동작점을 포함한다.
요약하면, 동작 영역(22, 30, 31)에 대한 특성 맵은 다음 관계를 형성한다.
Figure pct00019
여기서,
Figure pct00020
이고,
Figure pct00021
이며,
- f PWM (M,f rot )은 토크 M과 회전 속도 f rot 에 따라 결정되는 캐리어 주파수를 기술하고,
- WTHD는 인버터(2)의 출력 전압의 총 고조파 왜곡에 대한 예시적인 왜곡 측정으로서 가중된 총 고조파 왜곡을 기술하며,
- f PWM,min 은 최소 캐리어 주파수를 기술하고,
-
Figure pct00022
는 최소 캐리어 주파수
Figure pct00023
에서의 총 손실, 최소 캐리어 주파수
Figure pct00024
에서의 스위칭 손실 및 전도 손실 P c 의 최대값을 고려하여, 토크 M 및 회전 속도 f rot 에 의존하는 캐리어 주파수를 기술하며,
-
Figure pct00025
는 최소 캐리어 주파수
Figure pct00026
에서의 가중된 총 왜곡 및 손실에 의존하는 캐리어 주파수
Figure pct00027
에서 가중된 총 왜곡의 최대값을 고려하여, 토크 M 및 회전 속도 f rot 에 의존하는 캐리어 주파수를 기술한다.
제어 장치(8)는 캐리어 주파수를 정기적으로 업데이트하도록 구성된다. 이것은, 예를 들어, 업데이트된 동작점 정보를 수신할 때, 미리 정의되거나 미리 정의할 수 있는 기간이 경과한 후, 전기 기계(3)의 전기적 기간이 완료된 후 또는 개별 스위칭 신호(15) 기간이 완료된 후에 수행된다. 위에서 언급한 업데이트 이벤트의 조합도 가능하다.
도 3 및 도 4는 SVM이 사용되는 종래 기술에 따른 도 1에 대응하는 어셈블리에 관한 것이다. 그러나 이 어셈블리에서는, 캐리어 주파수가 토크-회전 속도 다이어그램의 모든 동작점에 대해 일정한 10kHz로 지정되는 것으로 가정한다.
도 3은 종래 기술에 따른 어셈블리에 대해 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이다. WTHD는 도 3에, WTHD 값이 백분율로 주어지는 등각선으로 표시된다. WTHD는 기본적으로 회전 속도가 증가함에 따라 증가하며, 특히 낮은 크기의 토크에서 두드러진다. WTHD 값이 높으면 본 예에서 전기 기계(3)에 원치 않는 진동이 발생할 수 있다.
도 4는 종래 기술에 따른 어셈블리의 인버터의 총 손실이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이다. 총 손실은 도 4에, 총 손실 값이 kW로 주어지는 등각선으로 표시된다. 대략적으로, 10kHz의 일정한 캐리어 주파수에서 총 손실은 토크의 크기가 증가함에 따라 증가하며, 회전 속도와 거의 무관하다.
도 5, 도 6 및 도 7은 전술한 도 1 및 도 2의 예시적인 실시예에 대응하는 어셈블리(1)의 추가적인 예시적 실시예에 관한 것이다. 어셈블리(1)의 구체적인 디자인은 본 예에서, 최대 12,000min-1의 회전 속도까지 확장되고, 대략 -250에서 250Nm 사이의 토크를 포괄하는 특성 맵으로 표현된다. 캐리어 주파수의 결정은 동작점에 의존한다. 스위칭 신호(15)는 SVM에 의해 결정된다.
도 5는 추가적인 예시적 실시예의 동작 동안 캐리어 주파수 값이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이다. 특성 맵은 본 예에서 실험적으로 또는 시뮬레이션을 통해 결정되었다. 동작 영역(22, 30, 31) 및 코너 동작점(19)이 표시된다.
도 6은 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이며, 예시는 도 3에 대응한다. 도 6 및 도 3 사이의 비교에서, 동작점에 따라 캐리어 주파수를 결정함으로써 1.3%의 최대 WTHD 값이 달성되며, 이는 종래 기술에 따른 일정한 캐리어 주파수 사양에서 3.0%를 초과하는 최대 WTHD 값보다 현저히 낮다는 것을 알 수 있다.
도 7은 인버터(2)의 총 손실이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이며, 예시는 도 4에 대응한다. 도 7 및 도 4 사이의 비교에서, 일정한 캐리어 주파수 사양에서 높은 WTHD 값이 발생하는 그러한 영역에서의 총 손실은 종래 기술의 전술한 손실보다 약간 증가한다. 그러나 스위칭 소자(12)의 열 내구성이 특히 이에 맞춰져야 하기 때문에 최대 총 손실은 특히 주목할 만하다. 유리하게는, 이들은 실질적으로 변경되지 않는다. 따라서 동작점에 따른 캐리어 주파수 사양은 최대 총 손실을 증가시키지 않으면서 전기 기계(3)의 넓은 동작 영역에 걸쳐 총 고조파 왜곡을 크게 감소시킬 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 어셈블리(1)의 추가적인 예시적 실시예의 동작과 관련된 동작 영역이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이다. 본 예시적인 실시예에서, 스위칭 신호(15)는 일반화된 불연속 펄스 폭 변조(GDPWM)에 의해 (즉,불연속 변조 방법을 사용하여) 결정된다.
제1 동작 영역(22)은 도 8에 다시 도시되어 있으며, 그 영역 내에서, 회전 속도가 증가하고 토크의 크기가 하강하면 캐리어 주파수가 증가하고, 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역에 있는 회전 속도 상한(24)과 회전 속도 하한(23) 사이에서 확장된다. 제1 동작 영역(22)의 제1 경계(25)는, 회전 속도가 회전 속도 하한(23)에 대응하는 기본 회전 속도 동작 영역(20)에 있는 제1 동작점(26)으로부터 회전 속도가 회전 속도 하한(23)보다 크고 그 토크의 크기가 제1 동작점(26)의 토크의 크기보다 더 큰 제2 동작점(27)으로 확장된다. 그러나 제2 동작점(27)은 기본 회전 속도 동작 영역(20)에 있고, 제1 경계(27)는 전 부하 동작 영역(30a)으로 확장된다.
제1 동작 영역(22)의 제2 경계(28)는 회전 속도가 회전 속도 상한(24)에 대응하는 제1 동작점(29)으로부터 제2 동작점(32)으로 확장되고, 제2 동작점(32)은 그러나 기본 회전 속도 동작 영역(20) 및 전 부하 동작 영역(30a)에 있고, 제1 경계(25)의 제2 동작점(27)보다 더 높은 회전 속도를 갖는다.
도 8은, 각각의 회전 속도에서의 토크의 크기가 제1 동작 영역(22)에 있는 이러한 회전 속도에서의 토크의 최대 크기보다 큰 동작점을 포함하는, 제1 동작 영역(22)과 중첩되지 않도록 정의된 특성 맵의 제2 동작 영역(33)을 추가로 도시한다. 제2 동작 영역(33)은 제1 동작 영역(22)에 바로 인접한다. 제2 동작 영역(33)의 일 경계(34)는 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역에 있는 회전 속도 상한(35)으로부터 기본 회전 속도 동작 영역(20)의 전 부하 동작 영역(30a)까지 확장된다. 제어 장치(8)는 회전 속도가 하강하고 토크가 하강하면 제2 동작 영역(33) 내에서 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성된다.
제3 동작 영역(36)은 또한 특성 맵에 정의되며, 각각의 회전 속도에서의 토크의 크기가 동작 영역(22, 33)에 있는 이러한 회전 속도에서의 토크의 최대 크기보다 큰 동작점들을 포함한다. 제3 동작 영역(36)은 기본 회전 속도 동작 영역(20) 내 및 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역 내의 제2 동작 영역(33)의 경계(34) 너머에 놓여 있다. 제어 장치(8)는 회전 속도가 상승하고 토크가 하강하거나, 또는 대안적으로 토크와 독립적으로 회전 속도가 상승하면 제3 동작 영역(36) 내에서 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성된다.
다른 측면에서, 본 예시적인 실시예는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이 제1 예시적인 실시예에 대응한다.
도 9 및 도 10은 종래 기술에 따른 도 1에 대응하는 어셈블리에 관한 것이다. 그러나 이 어셈블리에서는 캐리어 주파수가 토크-회전 속도 다이어그램의 모든 동작점에 대해 일정한 15.9kHz로 지정되고, GDPWM이 사용되는 것으로 가정한다.
도 9는 종래 기술에 따른 어셈블리에 대해 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이다. WTHD는 도 9에, WTHD 값이 백분율로 표시되는 등각선으로 표시된다. 변조 방식이 다르기 때문에, WTHD가 도 3에 따라 SVM과 사용될 때와 다르게 분포됨을 알 수 있다. 근사적으로, 본 예에서 WTHD가 오히려 토크의 작은 값에 대해 더 높은 값을 채택하는 것으로 설정할 수 있다. 그러나 WTHD의 글로벌 최대값은 전력 제한 동작 영역 또는 약계자 동작 영역에서 0Nm의 토크에서 존재한다.
도 10은 종래 기술에 따른 어셈블리의 인버터의 총 손실이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이다. 총 손실은 도 10에 총 손실 값이 kW로 주어지는 등각선으로 표시된다. 총 손실의 분포는 도 4에 따른 SVM의 분포와 거의 일치한다.
도 11, 도 12 및 도 13은 전술한 도 1 및 도 8의 예시적인 실시예에 대응하는 어셈블리(1)의 추가적인 예시적 실시예에 관한 것이다. 어셈블리(1)의 구체적인 디자인은 최대 12,000min-1의 회전 속도까지 확장되고 대략 -250에서 250Nm 사이의 토크를 포함하는 특성 맵으로 본 예에서 다시 표현된다. 캐리어 주파수의 결정은 동작점에 따라 다르다. 스위칭 신호(15)는 GDPWM에 의해 결정된다.
도 11은 추가적인 예시적 실시예의 동작 동안 캐리어 주파수 값이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이다. 특성 맵은 여기에서 실험적으로 또는 시뮬레이션을 통해 결정되었다. 동작 영역(22, 31, 33, 36) 및 코너 동작점(19)이 표시된다.
도 12는 WTHD가 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이며, 예시는 도 9에 대응한다. 도 12와 도 9의 비교에서, 동작점에 따른 캐리어 주파수를 결정함으로써 0.9%의 최대 WTHD 값이 달성되며, 이는 종래 기술에 따른 일정한 캐리어 주파수 사양에서 2.5% 이상의 최대 WTHD 값보다 현저히 낮은 값임을 알 수 있다.
도 13은 인버터(2)의 총 손실이 그려진 토크-회전 속도 다이어그램이며, 예시는 도 10에 대응한다. 도 13과 도 10의 비교에서, 도 4와 도 7을 참조하여 설명된 이점이 또한 GDPWM을 사용하여 달성된다.
다음의 추가적인 예시적 실시예는 이전에 설명된 예시적인 실시예 중 임의의 것에 기초할 수 있다: 제어 장치(8)의 추가의 예시적인 실시예에 따르면, 특성 맵은 이산 쌍에 의해 정의되고, 제어 장치(8)는 이산 쌍에 할당된 캐리어 주파수 값의 보간, 특히 선형 보간을 통해 캐리어 주파수를 결정하도록 구성된다 . 추가적인 예시적 실시예에 따르면, 제어 장치(8)는 캐리어 주파수가 특성 맵에 기초하지 않고 동작점에 따라 결정될 수 있는 분석적 계산 사양에 의해 캐리어 주파수를 결정하도록 구성된다. 추가적인 예시적 실시예에 따르면, 토크 정보는 전류 정보(16)를 참조하여 획득되지 않고, 스위칭 신호(15)를 결정하기 위한 제어의 맥락에서 제어 장치(8)에 의해 추정되거나 측정된다.

Claims (16)

  1. 전기 기계(3)에 전력을 공급하는 인버터(2)용 제어 장치(8)로서,
    상기 제어 장치(8)는 캐리어 주파수를 갖는 펄스 폭 변조된 스위칭 신호(15)를 제공하여 상기 인버터(2)의 스위칭 소자를 구동하도록 구성되고,
    상기 제어 장치(8)는 상기 전기 기계(3)의 회전 속도 및 토크에 의해 정의되는 동작점을 기술하는 동작점 정보에 따라 상기 캐리어 주파수를 결정하도록 구성되며, 상기 회전 속도가 증가하고 상기 토크의 크기가 감소함에 따라 0이 아닌 회전 속도 하한(23) 및 전력 제한 동작 영역(22) 또는 약계자(field-weakening) 동작 영역에 있는 회전 속도 상한(24)을 갖는 회전 속도 간격(rotation speed interval) 내에서 확장되는 동작 영역(22) 내에서 상기 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성되는
    제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동작 영역(22)의 제1 경계(25)가 상기 회전 속도가 상기 회전 속도 하한(23)에 대응하는 제1 동작점(26)으로부터 상기 회전 속도가 상기 회전 속도 하한(23)보다 크고 상기 토크의 크기가 상기 제1 동작점(26)의 토크 크기보다 큰 제2 동작점(27)까지 확장되고/되거나,
    상기 동작 영역의 제2 경계(28)가 상기 회전 속도가 상기 회전 속도 상한(24)에 대응하는 제1 동작점(29)으로부터 상기 회전 속도가 상기 회전 속도 상한(24)보다 작고, 및 상기 토크의 크기가 상기 제1 동작점(29)의 토크 크기보다 큰 제2 동작점으로 확장하는
    제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 경계(25)와 상기 제2 경계(28)의 제2 동작점(27)은 동일하고/하거나,
    상기 제1 경계(25)와 상기 제2 경계(28)의 제2 동작점(27)은 상기 전력 제한 동작 영역(21) 또는 약계자 동작 영역에 있고/있거나,
    상기 제1 경계(25)와 상기 제2 경계(28)의 제2 동작점(27)은 각각의 동작점(27)의 회전 속도에서 상기 토크의 최대 크기와 이격되는
    제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 제1 동작 영역(22)과 중첩되지 않게 정의된, 동작점들을 포함하는 제2 동작 영역(30) 내에서, 특히 토크와 무관하게, 회전 속도가 증가하면 상기 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성되며, 각각의 회전 속도에서 그 토크의 크기는 이 회전 속도에서의 상기 제1 동작 영역(22) 내의 토크의 최대 크기보다 큰
    제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 동작 영역(30)은 상기 전력 제한 동작 영역(21) 또는 상기 약계자 동작 영역 내에서 및/또는 전 부하 동작(full load operation)(30a)까지 완전히 확장되는
    제어 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 연속적인 펄스 폭 변조, 특히 공간 벡터 변조를 통해 상기 펄스 폭 변조된 스위칭 신호(15)를 생성하도록 구성되는
    제어 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 동작 영역(22)과 중첩되지 않게 정의된, 동작점들을 포함하는 제2 동작 영역(33) 내에서 상기 회전 속도가 하강하고 상기 토크가 하강하면 상기 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성되며, 각각의 회전 속도에서 그 토크의 크기는 이 회전 속도에서의 상기 제1 동작 영역(22) 내의 토크의 최대 크기보다 큰
    제어 장치.
  8. 제1항, 제2항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 동작 영역(22)과 중첩되지 않게 정의된, 동작점들을 포함하는 제3 동작 영역(36) 내에서 토크와 독립적으로 회전 속도가 상승하거나 회전 속도가 상승하고 토크가 하강하면 상기 캐리어 주파수를 증가시키도록 구성되고, 각각의 회전 속도에서 그 토크의 크기는 이 회전 속도에서 상기 제1 동작 영역(22)내의 토크의 최대 크기보다 큰
    제어 장치.
  9. 제7항 및 제8항에 있어서,
    상기 제3 동작 영역(36)은 동작점들을 포함하고, 각각의 회전 속도에서의 그 토크의 크기는 상기 제2 동작 영역(33)에 있는 이 회전 속도에서의 토크의 최대 크기보다 큰
    제어 장치.
  10. 제1항 또는 제2항 또는 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동작 영역(22) 및/또는 상기 제2 동작 영역(33) 및/또는 상기 제3 동작 영역(36)은
    상기 전 부하 동작 영역(30a)으로 확장되고/되거나,
    기본 회전 속도 동작 영역(20)에서 상기 전력 제한 동작 영역(21) 또는 상기 약계자 동작 영역으로 확장되는
    제어 장치.
  11. 제1항 또는 제2항 또는 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 불연속 펄스 폭 변조, 특히 일반화된 불연속 펄스 폭 변조를 통해 상기 펄스 폭 변조된 스위칭 신호(15)를 생성하도록 구성되는
    제어 장치.
  12. 인버터(2)로서,
    스위칭 소자를 제어하는 스위칭 신호에 따라 입력측에 존재하는 전압을 전기 기계(3)를 동작시키기 위한 교류로 변환하도록 구성되는 스위칭 소자(12)와,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제어 장치(8)를 포함하는
    인버터.
  13. 제12항에 따른 인버터(2) 및 상기 인버터(2)에 의해 구동될 수 있는 전기 기계(3)를 포함하는 어셈블리(1).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 캐리어 주파수의 결정은,
    Figure pct00028

    인 관계를 나타내고,
    여기서,
    Figure pct00029
    이고,
    Figure pct00030
    이며,
    Figure pct00031
    은 토크 M과 회전 속도 f rot 에 따라 결정될 캐리어 주파수를 나타내고,

    m THD 는 인버터(2)의 출력 전압의 총 고조파 왜곡에 대한 왜곡 측정을 나타내며,
    f PWM,min 는 사전 정의되거나 사전 정의 가능한 최소 캐리어 주파수를 나타내고,
    Figure pct00032
    는 최소 캐리어 주파수
    Figure pct00033
    에서의 상기 인버터의 총 손실, 최소 캐리어 주파수
    Figure pct00034
    에서의 스위칭 손실 및 전도 손실 P c 의 최대값을 고려하여, 상기 토크 M 및 상기 회전 속도 f rot 에 의존하는 캐리어 주파수를 나타내며,
    Figure pct00035
    는 최소 캐리어 주파수
    Figure pct00036
    에서의 왜곡 측정 및 손실에 의존하는 캐리어 주파수
    Figure pct00037
    에서의 왜곡 측정의 최대값을 고려하여, 상기 토크 M과 상기 회전 속도 f rot 에 의존하는 캐리어 주파수를 나타내고,
    Figure pct00038
    는 특히
    Figure pct00039
    ,
    Figure pct00040
    및
    Figure pct00041
    의 시뮬레이션 또는 측정을 통해 결정된 함수를 나타내는
    어셈블리(1).
  15. 전기 기계(3)에 전력을 공급하는 인버터(2)를 동작시키는 방법으로서,
    제어 장치(8)에 의해 수행되는 단계를 포함하고,
    상기 단계는,
    0이 아닌 회전 속도 하한(23) 및 전력 제한 동작 영역(22) 또는 약계자 동작 영역에 있는 회전 속도 상한(24)을 갖는 회전 속도 간격 내에서 확장되는 동작 영역(22) 내에서 동작 속도가 증가하고 토크의 크기가 하강함에 따라 캐리어 주파수가 증가하는 방식으로 상기 전기 기계(3)의 회전 속도 및 토크에 의해 정의되는 동작점을 기술하는 동작점 정보에 따라 상기 인버터(2)의 동작을 위한 펄스 폭 변조된 스위칭 신호(15)의 캐리어 주파수를 결정하는 단계와,
    상기 인버터(2)의 스위칭 소자(12)에 상기 스위칭 신호(15)를 제공하는 단계를 포함하는
    방법.
  16. 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 프로그램은 컴퓨터에 의해 실행될 때 상기 컴퓨터로 하여금, 제15항에 따른 방법의 제어 장치(8)에 의해 수행되는 단계를 실행하게 하는 명령을 포함하는
    컴퓨터 프로그램.
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