УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК H02M7/48 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству преобразования мощности, подходящему для того, чтобы приводить в действие синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, включенный в конструкцию электрического транспортного средства.

Предшествующий уровень техники

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами (в дальнейшем в этом документе просто "электродвигатель", кроме тех случаев, когда конкретное различение необходимо) известен как высокоэффективный электродвигатель и имеет следующие характеристики: электродвигатель не требует тока возбуждения, поскольку магнитный поток устанавливается на основе постоянного магнита, включенного в конструкцию ротора, по сравнению с традиционными асинхронными электродвигателями, широко используемыми в различных областях техники; и в электродвигателе не возникают какие-либо вторичные потери в меди, поскольку в роторе не протекает ток, как в асинхронном электродвигателе. Хотя асинхронный электродвигатель также традиционно используется в электрических транспортных средствах, применение синхронного электродвигателя с постоянными магнитами исследуется в последние годы на предмет повышения его эффективности.

В общем, в электрическом транспортном средстве, которое движется с несколькими вагонетками, соединенными друг с другом, каждая из которых включает в себя устройство преобразования мощности и электродвигатель, электрическое транспортное средство может продолжать двигаться посредством использования устройств устойчивого преобразования мощности и электродвигателей, даже когда в части вагонеток в ходе движения возникает междуфазное короткое замыкание в устройстве преобразования. Как результат, поскольку электродвигатель, соединенный с устройством преобразования мощности, имеющим повреждение, продолжает приводиться в действие со стороны колес, ток короткого замыкания продолжает протекать при наведенном напряжении электродвигателя в участке повреждения (участке междуфазного короткого замыкания) устройства преобразования мощности, имеющего короткое замыкание.

Следовательно, если это состояние оставить как есть, возникает риск того, что повреждение от участка повреждения устройства преобразования мощности дополнительно распространяется вследствие нагрева посредством тока короткого замыкания либо вызывает нагрев или прожог участка повреждения или электродвигателя, и это состояние является нежелательным.

В качестве противодействия таким случаям, например, в патентном документе 1 предложен следующий способ. Контактор используется в качестве модуля переключения, который электрически отключает подключение между инвертором и электродвигателем, чтобы не допускать расширения повреждения инвертора при наведенном напряжении электродвигателя, когда инвертор в устройстве преобразования мощности, которое управляет приведением в действие синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, находится в состоянии повреждения в ходе движения электрического транспортного средства. Когда контроллер детектирует повреждение инвертора, контроллер управляет размыканием контактора и электрически отсоединяет инвертор от электродвигателя.

Патентный документ 1. Выложенная заявка на патент Япония № 06-182105.

Общеизвестно, что синусоидальный переменный ток формирует точку перехода тока через нуль в каждом полупериоде волны тока. Следовательно, ток может прерываться посредством использования точки перехода тока через нуль. Контактор, описанный в упомянутом выше патентном документе 1, является контактором для отключения переменного тока, который прерывает ток посредством использования точки перехода тока через нуль. В общем, типы контактора для прерывания переменного тока включают в себя вакуумный контактор и т.п. с применением системы прерывания тока в точке перехода тока через нуль.

Краткое изложение существа изобретения

Было обнаружено, что, в зависимости от состояния повреждения, возникающего в устройстве преобразования мощности, ток повреждения, протекающий между инвертором в устройстве преобразования мощности и электродвигателем, содержит составляющую постоянного тока, которая не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль. В этом случае, вакуумный контактор и т.п., для прерывания переменного тока с применением вышеуказанной системы прерывания тока в точке перехода тока через нуль, не может прерывать ток. Следовательно, ток короткого замыкания не может прерываться и протекает непрерывно. Следовательно, имеется проблема в том, что участок повреждения устройства преобразования мощности расширяется вследствие нагрева.

Настоящее изобретение направлено на устранение вышеуказанных проблем, и задача настоящего изобретения заключается в создании устройства преобразования мощности, способного прерывать ток повреждения и способного предотвращать расширения участка повреждения в устройстве преобразования мощности, даже когда ток повреждения, протекающий между инвертором и электродвигателем, содержит составляющую постоянного тока, которая не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль, независимо от режима повреждения, возникающего в устройстве преобразования мощности.

Для решения поставленной задачи в устройстве преобразования мощности настоящего изобретения, включающем в себя инвертор, который включает в себя множество переключающих элементов, которые должны управляться по включению/выключению, и приводит в действие электродвигатель переменного тока посредством преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока произвольной частоты, модуль переключения для отключения переменного тока, который подключается между инвертором и электродвигателем переменного тока, детектор тока, который детектирует выходной ток инвертора, и контроллер, который выполняет управление включением/выключением переключающих элементов в инверторе и управление переключением относительно модуля переключения на основе, по меньшей мере, тока, детектируемого посредством детектора тока, контроллер имеет конфигурацию, обеспечивающую возможность прерывания тока повреждения посредством установки тока повреждения в состояние формирования точки перехода тока через нуль, когда ток повреждения, содержащий составляющую постоянного тока, формируется между инвертором и электродвигателем переменного тока.

Согласно настоящему изобретению независимо от режима повреждения, возникающего в устройстве преобразования мощности, когда ток повреждения, протекающий между инвертором и электродвигателем, содержит составляющую постоянного тока, которая не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль, ток повреждения может прерываться. Следовательно, можно предотвратить расширение участка повреждения в устройстве преобразования мощности.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 иллюстрирует блок-схему устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, которое приводит в действие синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, включенный в электрическое транспортное средство;

фиг.2 иллюстрирует принципиальную схему примера инвертора, показанного на фиг.1;

фиг.3 иллюстрирует временную диаграмму сигналов примера повреждения, в котором точка перехода непрерывного тока через нуль не формируется, изображающую форму кривой тока во время короткого замыкания;

фиг.4 иллюстрирует блок-схему контроллера, показанного на фиг.1;

фиг.5 иллюстрирует блок-схему модуля определения короткого замыкания, показанного на фиг.4;

фиг.6 иллюстрирует блок-схему конфигурации устройства преобразования мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, которое приводит в действие синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, включенный в электрическое транспортное средство.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Примерные варианты осуществления устройства преобразования мощности согласно настоящему изобретению подробно поясняются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Первый вариант осуществления

Фиг.1 - это блок-схема конфигурации устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, которое приводит в действие синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, включенный в электрическое транспортное средство. Устройство 1a преобразования мощности согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг.1, включает в себя инвертор 10, детекторы 11, 12 и 13 тока, контактор 14a в качестве модуля переключения и контроллер 15a в качестве базовой конфигурации согласно настоящему изобретению.

На фиг.1, из двух входных контактных выводов инвертора 10, входной контактный вывод на стороне положительного электрода подключается к силовому коллектору 2 через провод P на стороне положительного электрода, и входной контактный вывод на стороне отрицательного электрода подключается к колесам 4, вращающимся на рельсе 3, через провод N на стороне отрицательного электрода. В этой конфигурации, постоянный ток, получаемый от силового коллектора 2 мощности и рельса 3 через колеса 4, вводится в инвертор 10. Колеса 4 механически соединены с осью вращения электродвигателя 5 переменного тока.

PWM-инвертор (инвертор с широтно-импульсной модуляцией) источника напряжения является подходящим для использования в качестве инвертора 10. Фиг.2 - это принципиальная схема примера конфигурации инвертора, показанного на фиг.1. Фиг.2 - это пример схемы инвертора как характерных частей PWM-инвертора источника напряжения.

Как показано на фиг.2, например, инвертор 10 является так называемой схемой трехфазного двухуровневого инвертора. Таким образом, инвертор 10 конфигурирован мостовой схемой из трех переключающих элементов (элемента UP верхнего плеча U-фазы, элемента VP верхнего плеча V-фазы и элемента WP верхнего плеча W-фазы) плеча положительной стороны, соединенной с проводом P на стороне положительного электрода, и трех переключающих элементов (элемента UN нижнего плеча U-фазы, элемента VN нижнего плеча V-фазы и элемента WN нижнего плеча W-фазы) плеча отрицательной стороны, соединенной с проводом N на стороне отрицательного электрода. Встречно-параллельный диод подключается к каждому из переключающих элементов. Точка соединения элемента верхнего плеча и элемента нижнего плеча каждой фазы составляет выходной контактный вывод трех фаз, и провод U U-фазы, провод V V-фазы и провод W W-фазы подключаются к соответствующим выходным контактным выводам. Хотя соответствующие переключающие элементы показаны на фиг.2 как известные IGBT, транзисторы, эти переключающие элементы могут быть элементами, отличными от IGBT. Хотя на фиг.2 показана схема трехфазного двухуровневого инвертора, схема может быть схемой многоуровневого инвертора, такой как схема трехуровневого инвертора.

Хотя возбуждающая схема, которая принимает стробирующий сигнал GS, выводимый от контроллера 15a в инвертор 10, не показана на фиг.2, на фиг.1 она присутствует в инверторе 10. Схема возбуждения имеет конфигурацию отдельного управления включением/выключением каждого из переключающих элементов согласно стробирующему сигналу GS и конфигурацию вывода стробирующего сигнала GF обратной связи, который указывает рабочее состояние каждого из переключающих элементов, в контроллер 15a.

Провод U U-фазы, провод V V-фазы и провод W W-фазы, соединенные с трехфазными выходными контактными выводами инвертора 10, подключаются к электродвигателю 5 переменного тока через контактор 14a. При этой конфигурации инвертор 10 преобразует входное напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока произвольной частоты посредством управления включением/выключением каждого из переключающих элементов схемы инвертора согласно стробирующему сигналу GS, вводимому от контроллера 15a, и приводит в действие электродвигатель 5 переменного тока через контактор 14a. Электродвигатель 5 переменного тока конфигурирован для приведения в действие и управления электрическим транспортным средством с помощью вращения механически соединенных колес 4.

Стробирующий сигнал GS, выводимый от контроллера 15a в инвертор 10, формируется в контроллере 15a на основе базового стробирующего сигнала GC, вводимого от внешнего устройства управления (не показано), и на основе устойчивости устройства 1a преобразования мощности. Формирование стробирующего сигнала GS описано ниже.

Детекторы 11, 12 и 13 тока предоставляются в проводе U U-фазы, проводе V V-фазы и проводе W W-фазы между трехфазными выходными контактными выводами инвертора 10 и контактора 14a, соответственно. Ток IU U-фазы, детектируемый посредством детектора 11 тока, ток IV V-фазы, детектируемый посредством детектора 12 тока, и ток IW W-фазы, детектируемый посредством детектора 13 тока, вводятся в контроллер 15a, соответственно. Хотя фиг.1 иллюстрирует конфигурацию детекторов тока, которые детектируют трехфазные выходные токи инвертора 10, соответственно, детекторы тока могут быть конфигурированы для детектирования произвольных двухфазных токов. Ток другой фазы, для которой детектор тока не предусмотрен, может вычисляться.

В первом варианте осуществления контактор 14a, предоставленный между трехфазными выходными контактными выводами инвертора 10 и электродвигателем 5 переменного тока, является контактором для отключения переменного тока. Когда входной сигнал MKC от контроллера 15a соответствует включенному состоянию, замыкающая катушка возбуждается, и главные контакты, предоставленные в трех фазах, замыкаются. Когда входной сигнал MKC соответствует выключенному состоянию, замыкающая катушка не возбуждается, и главные контакты разъединяются и размыкаются.

Предпочтительно, чтобы вакуумный контактор, применяемый в системе прерывания тока в точке прохождения через нуль переменного тока, использовался для контактора 14a. Вакуумный контактор имеет контакт для того, чтобы размыкать и замыкать силовую схему, включенную в вакуумный вентиль. Следовательно, контакт является стабильным без налипания пыли на контакт, и тем самым техническое обслуживание может быть опущено. Поскольку дуга не разряжается наружу, обеспечение дугового промежутка вокруг контактора необязательно. Поскольку дугогасительная камера отсутствует, контактор может быть компактным и легким. Следовательно, устройство преобразования мощности может быть компактным и легким.

Входной сигнал MKC, выводимый от контроллера 15a в контактор 14a, формируется в контроллере 15a на основе фазных токов IU, IV и IW трех фаз, детектируемых посредством трех детекторов тока, и базовой команды MKC0 работы контактора, вводимой от внешнего устройства управления (не показано). Формирование входного сигнала MKC описано ниже.

Состояние вращения электродвигателя 5 переменного тока детектируется посредством детектора 16 вращения и вводится в контроллер 15a. Так называемая бездатчиковая система управления, которая управляет электродвигателем 5 переменного тока без использования детектора 16 вращения, использована на практике. Когда используется бездатчиковая система управления, детектор 16 вращения становится ненужным. Детектор напряжения может предоставляться во входном каскаде или выходном каскаде контактора 14a, и выходное напряжение инвертора 10 или напряжение на контактных выводах электродвигателя 5 переменного тока может детектироваться и вводиться в контроллер 15a.

В настоящем варианте осуществления, как описано выше, синхронный электродвигатель с постоянными магнитами предполагается в качестве электродвигателя 5 переменного тока. Поскольку существует электродвигатель в режиме, имеющем постоянный магнит, встроенный в ротор асинхронного электродвигателя, например, настоящее изобретение также может применяться к такому электродвигателю, включающему постоянный магнит в роторе, помимо синхронного электродвигателя с постоянными магнитами.

Как описано выше, было обнаружено, что, в зависимости от режима повреждения, возникающего в устройстве 1a преобразования мощности, ток повреждения, протекающий между инвертором 10 в устройстве 1a преобразования мощности и электродвигателем 5, содержит составляющую постоянного тока, которая не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль. Контроллер 15a выполнен с возможностью обеспечения контактором 14a для отключения переменного тока выполнения операции замыкания, даже когда ток повреждения, который не формирует точку перехода тока через нуль, присутствует, на основе трехфазных токов IU, IV и IW, детектируемых посредством детекторов 11, 12 и 13 тока, стробирующего сигнала GS в инвертор 10, стробирующего сигнала GF обратной связи от инвертора 10 и базового стробирующего сигнала GC и базовой команды MKC0 работы контактора от внешнего устройства управления (не показано).

Для упрощения понимания сначала поясняется подробно режим возникновения тока повреждения, который не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль, и далее конфигурация и работа контроллера 15a поясняются подробно.

Для режима возникновения тока повреждения, который не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль, произвольный один из шести переключающих элементов трех элементов плеча положительной стороны (элемента UP верхнего плеча U-фазы, элемента VP верхнего плеча V-фазы и элемента WP верхнего плеча W-фазы), соединенных с проводом P на стороне положительного электрода, и трех элементов плеча отрицательной стороны (элемента UN нижнего плеча U-фазы, элемента VN нижнего плеча V-фазы и элемента WN нижнего плеча W-фазы), соединенных с проводом N на стороне отрицательного электрода, остается во включенном состоянии вследствие короткого замыкания либо повреждения переключающего элемента или его схемы возбуждения (не показана).

Например, поясняется случай, когда устройство 1a преобразования мощности работает, и электродвигатель 5 переменного тока вращается, и в этом состоянии элемент UP верхнего плеча U-фазы формирует короткое замыкание, а остальные переключающие элементы (VP, WP, UN, VN и WN) находятся в выключенном состоянии вследствие функции детектирования повреждения (не показана). В этом случае, ток повреждения протекает между электродвигателем 5 переменного тока и инвертором 10, через элемент UP верхнего плеча U-фазы, остающийся во включенном состоянии вследствие короткого замыкания, и через втречно-параллельные диоды, соединенные с остальными переключающими элементами (VP, WP, UN, VN и WN). В этом случае, форма сигнала тока повреждения в каждой фазе является такой, как показано, например, на фиг.3.

На фиг.3 представлена временная диаграмма сигналов примера формы кривой тока во время повреждения. Фиг.3 иллюстрирует форму кривой тока, когда все переключающие элементы инвертора 10 находятся в устойчивом состоянии, и электродвигатель 5 переменного тока находится в нормальном режиме работы до времени 50 микросекунд. Фиг.3 также иллюстрирует формы кривой тока после времени 50 микросекунд, когда электродвигатель 5 переменного тока находится в состоянии сбоя, когда элемент UP верхнего плеча U-фазы формирует короткое замыкание, а остальные переключающие элементы (VP, WP, UN, VN и WM) находятся в выключенном состоянии во время 50 микросекунд и в то время, когда электродвигатель 5 вращается.

Как показано на фиг.3, ток IU U-фазы из трехфазных токов IU, IV и IW повреждения смещается к положительной стороне, и точка перехода тока через нуль отсутствует. Устройство 1a преобразования мощности повреждается током повреждения, поскольку, как описано выше, этот ток повреждения непрерывно формируется в то время, когда электродвигатель 5 переменного тока вращается, даже когда переключающие элементы, отличные от элементов в положении повреждения, установлены в выключенное состояние. Следовательно, контактор 14a должен прерывать ток повреждения. Тем не менее, поскольку точка перехода тока через нуль отсутствует в токе IU U-фазы, контактор 14a не может прерывать ток IU U-фазы, даже когда команда операции размыкания инструктирует прерывание переменного тока для контактора 14a. Следовательно, между главными контактами контактора 14a непрерывно формируется дуга. Поскольку контактор 14a имеет риск повреждения вследствие нагрева посредством дуги и вследствие уменьшения характеристики напряжения пробоя между главными контактами, повреждения устройства 1a преобразования мощности невозможно избежать. Это проблема, которая должна разрешаться в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 иллюстрирует форму сигнала без присутствия точки перехода тока через нуль вследствие смещения тока IU U-фазы к положительной стороне, когда элемент UP верхнего плеча U-фазы формирует короткое замыкание, и другие элементы (VP, WP, UN, VN и WM) находятся в выключенном состоянии. С другой стороны, когда элемент UN нижнему плечу U-фазы формирует короткое замыкание, и когда все остальные элементы находятся в выключенном состоянии, форма сигнала находится в состоянии, когда ток IU U-фазы смещается к отрицательной стороне, и точка перехода тока через нуль отсутствует. Это может аналогично рассматриваться, когда плечо другой фазы находится в состоянии короткого замыкания.

Таким образом, автор изобретения обнаружил возникновение явления отсутствия точки перехода тока через нуль вследствие смещения к полярности на стороне поврежденного плеча тока в фазе, в которой элемент остается либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии. Контроллер 15a сконфигурирован на основе этих сведений.

Конфигурация и работа контроллера 15a поясняются далее. Фиг.4 - это блок-схема примера конфигурации контроллера 15a, показанного на фиг.1. Как показано на фиг.4, контроллер 15a включает в себя модуль 20 определения повреждения, генератор 30 стробирующих сигналов и контакторный контроллер 40.

В модуль 20 определения повреждения вводятся детектированные трехфазные токи IU, IV и IW, стробирующий сигнал GF обратной связи, который указывает рабочий режим каждого из переключающих элементов, формируемый посредством схемы возбуждения (не показана) в инверторе 10, и стробирующий сигнал GS, который генератор 30 стробирующих сигналов выводит в схему возбуждения (не показана) в инверторе 10.

Модуль 20 определения повреждения определяет элемент, остающийся либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, из шести переключающих элементов из элемента UP верхнего плеча U-фазы, элемента VP верхнего плеча V-фазы, элемента WP верхнего плеча W-фазы, элемента UN нижнего плеча U-фазы, элемента VN нижнего плеча V-фазы и элемента WN нижнего плеча W-фазы, из этих вводов на основе конфигурации, такой как показанная на фиг.5, и выводит результат FD определения в генератор 30 стробирующих сигналов.

В генератор 30 стробирующих сигналов также вводится базовый стробирующий сигнал GC от внешнего устройства управления (не показано), в дополнение к результату FD определения от модуля 20 определения повреждения. Базовый стробирующий сигнал GC - это сигнал для указания включенного/отключенного состояния шести переключающих элементов инвертора 10. Внешнее устройство управления (не показано) формирует базовый стробирующий сигнал GC способом векторного управления и т.п., чтобы получать крутящий момент или число оборотов электродвигателя 5 переменного тока, необходимое во время ускорения или замедления электрического транспортного средства.

Генератор 30 стробирующих сигналов выводит сигнал, идентичный базовому стробирующему сигналу GC для стробирующего сигнала GS, когда результат FD определения не вводится от модуля 20 определения повреждения, т.е. когда определяется, что инвертор 10 не имеет нарушений в работе. С другой стороны, когда результат FD определения вводится от модуля 20 определения повреждения, как описано ниже, генератор 30 стробирующих сигналов формирует и выводит стробирующий сигнал GS для управления включением/выключением каждого из шести переключающих элементов инвертора 10 посредством применения трех логик (логики 1-3).

В контакторный контроллер 40 вводятся детектированные трехфазные токи IU, IV и IW и базовая команда MKC0 работы контактора от внешнего устройства управления (не показано). Базовая команда MKC0 работы контактора - это сигнал двоичного уровня, который инструктирует операцию замыкания для контактора 14a во включенном состоянии, когда электродвигатель 5 переменного тока работает, и инструктирует операцию размыкания для контактора 14a в выключенном состоянии, когда работа электродвигателя 5 переменного тока остановлена или когда возникает повреждение в инверторе 10.

Контакторный контроллер 40 сконфигурирован для осуществления управления включением/выключением входного сигнала MKC синхронно с включением и отключением базовой команды MKC0 работы контактора, когда инвертор 10 находится в устойчивом и нормальном состоянии, и отключать входной сигнал MKC в состоянии, когда формирование точки перехода тока через нуль в каждой фазе закончено, как описано ниже, даже когда базовая команда MKC0 работы контактора отключается, когда инвертор 10 находится в состоянии повреждения.

Операции соответствующих модулей поясняются ниже. Способ определения для модуля 20 определения повреждения, чтобы определять элемент, остающийся либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, поясняется сначала со ссылкой на фиг.5. Фиг.5 - это блок-схема примера конфигурации модуля 20 определения повреждения, показанного на фиг.4.

Как показано на фиг.5, модуль 20 определения повреждения включает в себя схемы 29a, 29b и 29c обработки детектированных трехфазных токов IU, IV и IW, соответственно, компаратор 27, в который вводятся стробирующий сигнал GF обратной связи и стробирующий сигнал GS, и модуль 28 определения. Схемы 29a, 29b и 29c обработки имеют аналогичные конфигурации, и каждая из схем 29a, 29b и 29c обработки включает в себя детектор 21 точек перехода тока через нуль, осциллятор 22, счетчик 23, компаратор 24, процессор 25 усреднения и модуль 26 определения полярности, как показано в схеме 29a обработки.

Схема 29a обработки для детектированного тока IU U-фазы выполняет следующую операцию. Детектированный ток IU U-фазы вводится в детектор 21 точек перехода тока через нуль и процессор 25 усреднения.

Детектор 21 точек перехода тока через нуль сравнивает определенный ток IU U-фазы с нулевой линией, и когда детектируется переход через нуль тока IU U-фазы, детектор 21 точек перехода тока через нуль выводит сигнал RST сброса счетчика в счетчик 23. Счетчик 23 выводит значение CNT счетчика, полученное посредством подсчета сигнала колебаний постоянного цикла от осциллятора 22. Когда вводится сигнал RST сброса счетчика от детектора 21 точек перехода тока через нуль, значение CNT счетчика сбрасывается к первоначальному значению, такому как нуль.

Таким образом, сигнал RST сброса счетчика не выводится, и значение CNT счетчика для счетчика 23 увеличивается в течение периода, когда нулевая точка не формируется в детектируемом токе IU U-фазы. Компаратор 24 сравнивает значение CNT счетчика с заданным значением SET, которое задается извне. Когда CNT превышает SET, компаратор 24 распознает, что нулевая точка не формируется в токе в течение периода, превышающего заданное время, и выводит сигнал NZU детектирования отсутствия точек перехода тока через нуль в модуль 28 определения.

Когда число оборотов электродвигателя 5 переменного тока понижается, частота основной волны тока понижается наряду с этим, и цикл становится более длинным, и тем самым временной интервал для каждого перехода через нуль тока становится более длинным. Предпочтительно, чтобы, естественно, заданное значение SET изменялось согласно частоте вращения электродвигателя 5 переменного тока или частоте основной волны тока возбуждения электродвигателя 5 переменного тока, или когда электродвигатель 5 переменного тока работает на очень низкой скорости, результат FD определения, выводимый из модуля 28 определения, маскируется, тем самым не допуская ошибочного вывода результата FD определения в генератор 30 стробирующих сигналов.

Процессор 25 усреднения усредняет детектированный ток IU U-фазы для каждых нескольких циклов и выводит обработанное значение как выходной сигнал AVE в модуль 26 определения полярности. Обычно, поскольку ток IU U-фазы - это переменный ток, который переходит через нуль в положительной/отрицательной симметрии, выходной сигнал AVE процессора 25 усреднения является нулевым. С другой стороны, когда ток IU U-фазы не имеет точку перехода тока через нуль, среднее значение тока сдвигается к стороне положительного значения или стороне отрицательного значения. Модуль 26 определения полярности определяет положительную/отрицательную полярность AVE входного сигнала и выводит результат определения в модуль 28 определения как сигнал PLU полярности.

Детектированный ток IV V-фазы и ток IW W-фазы также аналогично обрабатываются посредством соответствующих схем 29b и 29c обработки. Следовательно, в модуль 28 определения вводятся сигналы NZU, NZV и NZW детектирования отсутствия точек перехода тока через нуль и сигналы PLU, PLV и PLW полярности в каждой фазе.

Модуль 28 определения детектирует элемент, остающийся либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, из шести переключающих элементов из элемента UP верхнего плеча U-фазы, элемента VP верхнего плеча V-фазы, элемента WP верхнего плеча W-фазы, элемента UN нижнего плеча U-фазы, элемента VN нижнего плеча V-фазы и элемента WN нижнего плеча W-фазы, на основе этих сигналов и выводит результат FD определения в генератор 30 стробирующих сигналов.

Как описано выше, ток в фазе, в которой присутствует элемент, находящийся в состоянии короткого замыкания или включенном состоянии, имеет такое явление, что ток смещается к полярности на стороне поврежденного плеча и не имеет точки перехода тока через нуль. Следовательно, модуль 28 определения определяет поврежденный элемент посредством использования этого явления.

Таким образом, модуль 28 определения определяет фазу, в которой ток смещается и не имеет точки перехода тока через нуль, из детектированных фазных токов IU, IV и IW посредством использования сигналов NZU, NZV и NZW детектирования отсутствия точек перехода тока через нуль в каждой фазе. Вместе с тем, модуль 28 определения определяет то, является направление смещения (полярность) в соответствующей фазе положительной стороной или отрицательной стороной, посредством использования сигналов PLU, PLV и PLW полярности. Например, когда сигнал NZU детектирования отсутствия точек перехода тока через нуль является активным, и также когда сигнал PLU полярности является положительным, модуль 28 определения определяет то, что элемент UP верхнего плеча U-фазы - это элемент, остающийся либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, и выводит эту информацию как результат FD определения.

Затем, как показано на фиг.5, компаратор 27, который детектирует, совпадает или нет стробирующий сигнал GS со стробирующим сигналом SG обратной связи, вводит сигнал FO детектирования несовпадения в модуль 28 определения, когда эти сигналы не совпадают друг с другом. Хотя этот процесс не обязателен, он подготовлен для неожиданной ситуации, когда процесс определения повреждения с использованием детектированных фазных токов IU, IV и IW, описанный выше, не может быть выполнен. Когда предоставляется компаратор 27, модуль 28 определения вычисляет логическую сумму и выводит результат FD определения.

Когда каждый из переключающих элементов, включенных в инвертор 10, является устойчивым в нормальном режиме работы, каждый из переключающих элементов выполняет операцию включения/выключения синхронно со стробирующим сигналом GS. Следовательно, стробирующий сигнал GF обратной связи в качестве сигнала обратной связи операции включения/выключения совпадает со стробирующим сигналом GS. Следовательно, компаратор 27 не выводит сигнал FO определения несовпадения. Тем не менее, когда конкретный переключающий элемент остается во включенном состоянии независимо от стробирующего сигнала GS вследствие возникновения повреждения в схеме возбуждения и т.п., установленной рядом с каждым из переключающих элементов, стробирующий сигнал GF обратной связи от соответствующего элемента остается во включенном состоянии независимо от стробирующего сигнала GS. Соответственно, компаратор 27 выводит сигнал FO детектирования несовпадения. Это явление определяется при конфигурации, показанной на фиг.5, и может быть включено в результат FD определения.

Далее поясняется операция, которую генератор 30 стробирующих сигналов выполняет для того, чтобы формировать и выводить стробирующий сигнал GS, чтобы выполнять управление включением/выключением каждого из шести переключающих элементов инвертора 10 посредством применения трех логик (логики 1-3), когда результат FD определения вводится.

Логика 1

Когда результат FD определения указывает, что какой-либо из элемента UP верхнего плеча U-фазы, элемента VP верхнего плеча V-фазы и элемента WP в верхнего плеча W-фазы остается либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, генератор 30 стробирующих сигналов выводит стробирующий сигнал GS, чтобы устанавливать все из элемента UP верхнего плеча U-фазы, элемента VP верхнего плеча V-фазы и элемента WP верхнего плеча W-фазы в качестве элементов верхнего плеча во включенное состояние, и устанавливать оставшиеся элементы нижнего плеча в выключенное состояние.

Логика 2

Когда результат FD определения указывает, что какой-либо из элемента UN нижнего плеча U-фазы, элемента VN нижнего плеча V-фазы и элемента WN нижнего плеча W-фазы остается либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, генератор 30 стробирующих сигналов выводит стробирующий сигнал GS, чтобы устанавливать все из элемента UN нижнего плеча U-фазы, элемента VN нижнего плеча V-фазы и элемента WN нижнего плеча W-фазы в качестве элементов нижнего плеча во включенное состояние, и устанавливать оставшиеся элементы верхнего плеча в выключенное состояние.

Логика 3

Когда результат FD определения указывает, что какой-либо из элемента UP верхнего плеча U-фазы, элемента VP верхнего плеча V-фазы и элемента WP верхнего плеча W-фазы остается либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, и также какой-либо из элемента UN нижнего плеча U-фазы, элемента VN нижнего плеча V-фазы и элемента WN нижнего плеча W-фазы остается либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии, генератор 30 стробирующих сигналов выводит стробирующий сигнал GS, чтобы устанавливать все переключающие элементы во включенное состояние.

В случае логики 3, когда все переключающие элементы находятся во включенном состоянии, контактные выводы конденсаторов (не показаны), подключенные между проводом P на стороне положительного электрода и проводом N на стороне отрицательного электрода инвертора 10, замкнуты накоротко, и заряд, накопленный в конденсаторах, быстро разряжается через переключающие элементы. Следовательно, при этом возникает риск повреждения переключающих элементов посредством избыточного тока вследствие этой разрядки. Соответственно, прерыватель (не показан), предоставленный между силовым коллектором 2 и инвертором 10, должен устанавливаться в разомкнутое состояние посредством разрядных конденсаторов (не показаны) и подключаться параллельно на входной стороне постоянного тока инвертора 10 посредством разрядной схемы (не показана). Поскольку ток короткого замыкания от электродвигателя 5 переменного тока равен или меньше тока, обычно используемого, как описано выше, переключающие элементы не повреждены.

Когда генератор 30 стробирующих сигналов формирует стробирующий сигнал на основе результата FD определения, как описано выше, трехфазные токи повреждения, протекающие после этого, могут быть симметрированы, и точка перехода тока через нуль может формироваться в токах повреждения.

Когда в инверторе 10 возникает повреждение, в контакторный контроллер 40 вводится базовая команда MKC0 работы контактора от внешнего устройства управления (не показано). В это время, детектированные трехфазные токи IU, IV и IW не имеют точку перехода тока через нуль. Следовательно, контакторный контроллер 40 принимает детектируемые трехфазные токи IU, IV и IW после того, как генератор 30 стробирующих сигналов формирует стробирующий сигнал GS согласно логике 1-3, как описано выше, без отключения входного сигнала MKC, и отключает входной сигнал MKC после подтверждения того, что точка перехода тока через нуль формируется в этих сигналах.

Как результат, контактор 14a отменяет возбуждение замыкающей катушки и размыкает главные контакты, тем самым прерывая ток повреждения, протекающий между инвертором 10 и электродвигателем 5 переменного тока, на основе точки перехода тока через нуль в качестве нормали. Функция контакторного контроллера 40 может предоставляться на стороне контактора 14a. В этом случае, контроллер 15a сконфигурирован для непосредственной выдачи в контактор 14a базовой команды MKC0 работы контактора, вводимой от внешнего устройства управления (не показано).

Как описано выше, согласно первому варианту осуществления, даже когда ток повреждения, протекающий между инвертором и электродвигателем переменного тока, не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль и содержит составляющую постоянного тока, точка перехода тока через нуль может формироваться посредством симметрирования тока повреждения, который не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль. Следовательно, ток повреждения может прерываться посредством использования контактора для отключения переменного тока. Следовательно, расширение участка повреждения может предотвращаться, даже когда возникает повреждения, к примеру, возникает ток повреждения, который не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль.

Поскольку вакуумный контактор может использоваться в качестве контактора для отключения переменного тока, устройство преобразования мощности может быть выполнено компактным и легким, тем самым повышается его надежность в эксплуатации.

Второй вариант осуществления

На фиг.6 показана блок-схема конфигурации устройства преобразования мощности согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, которое приводит в действие синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, включенный в электрическое транспортное средство. На фиг.6 составляющие элементы, идентичные или эквивалентные составляющим элементам, показанным на фиг.1 (первый вариант осуществления), обозначаются аналогичными ссылками с номером, и их пояснения опускаются. Части, характерные для второго варианта осуществления, главным образом поясняются ниже.

Как показано на фиг.6, устройство 1b преобразования мощности согласно второму варианту осуществления включает в себя контактор 14b вместо контактора 14a и включает в себя контроллер 15b вместо контроллера 15a в конфигурации, показанной на фиг.1 (первый вариант осуществления).

В первом варианте осуществления допускается, что один переключающий элемент из шести переключающих элементов, включенных в инвертор 10, остается либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии. С другой стороны, во втором варианте осуществления допускается, что повреждение возникает в нескольких переключающих элементах.

Например, элемент VP верхнего плеча V-фазы и элемент WP верхнего плеча W-фазы не могут выполнять операцию включения вследствие повреждения и т.п. в состоянии, когда элемент UP верхнего плеча U-фазы остается либо в состоянии короткого замыкания, либо во включенном состоянии.

В этом случае, элемент VP верхнего плеча V-фазы и элемент WP верхнего плеча W-фазы не могут выполнять операцию включения, даже когда выводится стробирующий сигнал GS согласно логике 1, описанной в первом варианте осуществления. Следовательно, точка перехода тока через нуль не может формироваться, и контактор 14a для отключения переменного тока не может прерывать ток повреждения.

Во втором варианте осуществления контактор 14b, способный прерывать составляющую постоянного тока, предоставляется вместо контактора 14a для отключения переменного тока. Контактор 14b, способный прерывать составляющую постоянного тока, не имеет системы прерывания тока в точке перехода тока через нуль, но сконфигурирован для прерывания тока повреждения посредством понижения тока повреждения посредством увеличения напряжения дуги посредством расширения дуги, формируемой между контактами, посредством размыкания контакта в состоянии, когда ток присутствует.

В принципе, контактор 14b, способный прерывать составляющую постоянного тока, имеет дугогасительную камеру для того, чтобы разряжать дугу наружу. Следовательно, контактор 14b должен быть относительно большим и иметь запас промежутка с учетом рассеяния дуги вокруг контактора 14b. Поскольку контакт предоставляется в раскрытой части, пыль попадает внутрь, и необходимо периодическое техническое обслуживание. Следовательно, хотя устройство преобразования мощности имеет отрицательный аспект невозможности изготовления устройства компактным и легким и оно является неоптимальным в плане надежности в эксплуатации, ток повреждения может прерываться посредством базовой команды MKC0 работы контактора, вводимой от внешнего устройства управления (не показано).

Следовательно, базовый стробирующий сигнал GC и базовая команда MKC0 работы контактора вводятся в контроллер 15b вместо контроллера 15a от внешнего устройства управления (не показано) образом, аналогичным первому варианту осуществления. Тем не менее, контроллер 15b может быть изготовлен с простой конфигурацией с наличием только функции вывода входного базового стробирующего сигнала GC в инвертор 10 в качестве стробирующего сигнала GS и функции вывода базовой команды MKC0 работы контактора в контактор 14b в качестве входного сигнала MKC.

Как описано выше, согласно второму варианту осуществления, когда предотвращается расширение поврежденного участка устройства преобразования мощности посредством предоставления контактора, способного прерывать составляющую постоянного тока, чтобы подготовиться к повреждению нескольких элементов, контроллер может быть сделан компактным при небольших затратах с повышенной надежностью.

В качестве модуля для того, чтобы отключать электродвигатель 5 переменного тока от инвертора 10, может рассматриваться обеспечение плавкого предохранителя вместо контакторов 14a и 14b. Тем не менее, в устройстве преобразования мощности электрического транспортного средства согласно настоящему изобретению функции контакторов 14a и 14b не могут быть заменены посредством плавкого предохранителя по следующим причинам.

Во-первых, хорошо известно, что плавкий предохранитель не может прерывать схему в ходе обычного режима работы и не может быть повторно использован после того, как он расплавлен. В устройстве преобразования мощности для электрического транспортного средства согласно настоящему изобретению электродвигатель 5 переменного тока и инвертор 10 должны отключаться друг от друга и также должны подключаться друг к другу снова в нормальном состоянии, кроме как во время повреждения инвертора 10, как описано в первом или втором варианте осуществления.

Например, в случае устройства преобразования мощности электрического транспортного средства согласно настоящему изобретению, когда напряжение, принимаемое от силового коллектора 2, становится избыточным напряжением вследствие возникновения возмущения, такого как избыточное напряжение для напряжения в контактном проводе и т.п., в качестве операции защиты, конденсатор (не показан), присутствующий на входной стороне инвертора 10, должен разряжаться через разрядный резистор.

В этом случае, индуктивное напряжение электродвигателя 5 переменного тока становится превышающим входное напряжение инвертора 10. Следовательно, ток протекает от электродвигателя 5 переменного тока в конденсатор на входной стороне инвертора 10 или в разрядный резистор, и тем самым электродвигатель 5 переменного тока должен формировать тормозной крутящий момент, что является неудобным, либо разрядный резистор может быть сожжен. Чтобы не допускать этого явления, электродвигатель 5 переменного тока и инвертор 10 должны отключаться друг от друга. После того, как состояние избыточного напряжения, описанное выше, разрешено, электродвигатель 5 переменного тока должен приводиться в действие посредством подключения электродвигателя 5 переменного тока и инвертора 10 друг к другу. Следовательно, функции контакторов 14a и 14b не могут быть заменены посредством плавкого предохранителя.

Ток короткого замыкания, формируемый во время повреждения инвертора 10, равен или меньше тока в ходе обычного режима работы, и нет плавкого предохранителя, который расплавляется только во время короткого замыкания без расплавления в ходе обычного режима работы. Следовательно, функции контакторов 14a и 14b не могут быть заменены посредством плавкого предохранителя.

Конфигурация первого и второго вариантов осуществления, описанных выше, является только примером содержимого настоящего изобретения. Следовательно, разумеется, вышеуказанная конфигурация может комбинироваться с другими известными технологиями и модификациями, к примеру, исключение части конфигурации может выполняться без отступления от объема настоящего изобретения.

В настоящем описании содержимое настоящего изобретения пояснено посредством предположения его применения для устройства преобразования мощности, включенного в электрическое транспортное средство. Тем не менее, разумеется, область применения настоящего изобретения не ограничена электрическими транспортными средствами и также может применяться к характерным областям, таким как электромобили.

Промышленная применимость

Как описано выше, устройство преобразования мощности согласно настоящему изобретению полезно для того, чтобы предотвращать расширение поврежденного участка в устройстве преобразования мощности посредством прерывания тока повреждения не только когда повреждение возникает в устройстве преобразования мощности, но также и когда ток повреждения, протекающий между инвертором и электродвигателем, содержит составляющую постоянного тока, которая не формирует точку перехода непрерывного тока через нуль. В частности, устройство преобразования мощности согласно настоящему изобретению является подходящим, когда электродвигатель, включенный в электрическое транспортное средство, является синхронным электродвигателем с постоянными магнитами.

Пояснение номеров ссылок

1a, 1b - устройство преобразования мощности

2 - силовой коллектор

3 - рельс

4 - колесо

5 - электродвигатель переменного тока, включающий в себя синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

10 - инвертор

11, 12, 13 - детектор тока

14a - контактор для отключения переменного тока

14b - контактор, способный прерывать постоянный ток

15a, 15b - контроллер

16 - детектор вращения

20 - модуль определения повреждения

21 - детектор точек перехода тока через нуль

22 - осциллятор

23 - счетчик

24 - компаратор

25 - процессор усреднения

26 - модуль определения полярности

27 - компаратор

28 - модуль определения

29a, 29b, 29c - схема обработки

30 - генератор стробирующих сигналов

40 - контакторный контроллер

P - провод на стороне положительного электрода

N - провод на стороне отрицательного электрода

U - провод U-фазы

V - провод V-фазы

W - провод W-фазы

UP - элемент верхнего плеча U-фазы

VP - элемент верхнего плеча V-фазы

WP - элемент верхнего плеча W-фазы

UN - элемент нижнего плеча U-фазы

VN - элемент нижнего плеча V-фазы

WN - элемент нижнего плеча W-фазы

Устройство (1a, 1b) преобразования мощности включает в себя инвертор (10), который приводит в действие электродвигатель (5) переменного тока посредством преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока произвольной частоты; модуль (14а) переключения для отключения переменного тока, подключенный между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока; детектор (11, 12, 13) тока, который детектирует выходной ток инвертора (10); и контроллер (15а, 15b), который выполняет управление включением/выключением нескольких переключающих элементов в инверторе (10) и управление переключением относительно модуля (14а) переключения на основе, по меньшей мере, тока, детектируемого посредством детектора (11, 12, 13) тока. Контроллер (15а, 15b) имеет конфигурацию, обеспечивающую возможность прерывания тока повреждения посредством задания тока повреждения в состояние формирования точки перехода тока через нуль, когда ток повреждения, содержащий составляющую постоянного тока, формируется между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока. Технический результата - повышение надежности. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (1а) преобразования мощности, содержащее: инвертор (10), включающий в себя множество переключающих элементов, которые должны управляться по включению/выключению, и приводящий в действие электродвигатель (5) переменного тока посредством преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока произвольной частоты; модуль (14а) переключения для отключения переменного тока, который подключается между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока; детектор (11, 12, 13) тока для детектирования выходного тока инвертора (10); и контроллер (15а) для управления включением/выключением переключающих элементов в инверторе и управления переключением относительно модуля переключения на основе, по меньшей мере, тока, детектируемого посредством детектора тока, при этом контроллер (15а) включает в себя: модуль (20) определения повреждения, определяющий, какой из переключающих элементов находится в состоянии короткого замыкания или остается во включенном состоянии, на основе значения тока, детектируемого посредством детектора тока, и вывода сигнала, указывающего результат определения; и генератор (30) стробирующих сигналов, выводящий управляющий сигнал в инвертор согласно сигналу от модуля определения повреждения, и упомянутый генератор (30) стробирующих сигналов конфигурирован для вывода в инвертор (10) сигнала управления включением для установки всех переключающих элементов во включенное состояние, когда сигнал от модуля (20) определения повреждения указывает, что какой-либо из переключающих элементов, принадлежащих верхнему плечу, соединенному со стороной положительного электрода, остается в состоянии короткого замыкания или включенном состоянии, и также указывает, что какой-либо из переключающих элементов, принадлежащих нижнему плечу, соединенному со стороной отрицательного электрода, остается в состоянии короткого замыкания или включенном состоянии.

2. Устройство (1b) преобразования мощности, содержащее: инвертор (10), включающий в себя множество переключающих элементов, которые должны управляться по включению/выключению, и приведения в действие электродвигателя (5) переменного тока посредством преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока произвольной частоты; модуль (14b) переключения для отключения переменного тока, который подключается между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока; детектор (11, 12, 13) тока, детектирующий выходной ток инвертора (10); и контроллер (15b), выполняющий управление включением/выключением переключающих элементов в инверторе (10) и управление переключением относительно модуля переключения на основе, по меньшей мере, тока, детектируемого посредством детектора (11, 12, 13) тока, при этом: контроллер (15b) имеет конфигурацию, обеспечивающую возможность прерывания тока повреждения, содержащего составляющую постоянного тока, посредством установки тока повреждения в состояние формирования точки перехода тока через нуль, когда ток повреждения формируется между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока, и вывода команды размыкания в модуль переключения после подтверждения состояния, что точка перехода тока через нуль формируется в токе повреждения, на основе значения тока, детектируемого посредством детектора (11, 12, 13) тока.

3. Устройство (1b) преобразования мощности, содержащее: инвертор (10), включающий в себя множество переключающих элементов, которые должны управляться по включению/выключению, и приведения в действие электродвигателя (5) переменного тока посредством преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока произвольной частоты; модуль (14b) переключения для отключения переменного тока, который подключается между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока;
детектор (11, 12, 13) тока, детектирующий выходной ток инвертора (10); и контроллер (15b), выполняющий управление включением/выключением переключающих элементов в инверторе (10) и управление переключением относительно модуля переключения на основе, по меньшей мере, тока, детектируемого посредством детектора (11, 12, 13) тока, при этом контроллер (15b) имеет конфигурацию, обеспечивающую возможность прерывания тока повреждения, содержащего составляющую постоянного тока, посредством установки тока повреждения в состояние формирования точки перехода тока через нуль, когда ток повреждения формируется между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока, и модуль (14b) переключения, выполняющий операцию размыкания после подтверждения состояния, что точка перехода тока через нуль формируется в токе повреждения, на основе значения тока, детектируемого посредством детектора (11, 12, 13) тока.

4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором контроллер (15а, 15b) конфигурирован для управления включением/выключением переключающих элементов в инверторе (10), чтобы формировать точку перехода тока через нуль в токе повреждения, содержащем составляющую постоянного тока, когда ток повреждения формируется между инвертором (10) и электродвигателем (5) переменного тока.