УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2013 года по МПК H02P27/06 H02P27/08 H02M1/14 H02M7/493 H02M7/527 H02M7/53846 B60L9/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству преобразования мощности электромобиля для приведения в действие двигателя переменного тока с использованием конвертора для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока и инвертора для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока. В частности, изобретение относится к устройству преобразования мощности для снижения гармонической составляющей заранее определенного порядка, присутствующей в выходном напряжении инвертора.

Предшествующий уровень техники

В целом, устройства преобразования мощности известны для управления асинхронным двигателем для обеспечения постоянного отношения V/F выходного напряжения переменного тока к выходной частоте переменного тока транзисторного модуля для обеспечения эффективной работы двигателя при переменной частоте и при переменном напряжении. Для осуществления этого управления с постоянным V/F, необходимо изменять коэффициент широтно-импульсной модуляции (ШИМ) пропорционально выходной частоте транзисторного модуля. Однако известно, что обычный инвертор со схемой ШИМ-управления имеет более высокое отношение составляющей напряжения несущей частоты к составляющей напряжения основной гармоники при более высоких напряжениях постоянного тока и более низких коэффициентах модуляции, что приводит к повышенным искажениям. В низкочастотных областях это приводит к тому, что большой гармонический ток протекает через асинхронный двигатель, создавая проблемы, например, повышенную вибрацию.

Для решения этой проблемы традиционный подход, раскрытый в патентном источнике 1 (выложенная заявка на патент Японии № H10-028397), предлагает фиксировать напряжение постоянного тока и изменять коэффициент модуляции инвертора в низкочастотных областях выхода инвертора для управления выходным напряжением инвертора. С другой стороны, фиксировать в высокочастотных областях выхода инвертора коэффициент модуляции и изменять напряжение постоянного тока, что позволяет управлять выходным напряжением инвертора.

Краткое изложение существа изобретения

Как описано выше, согласно уровню техники, раскрытому в указанном патентном источнике 1, фиксируется коэффициент модуляции инвертора и изменяется напряжение постоянного тока для управления выходным напряжением инвертора в высокочастотных областях выхода инвертора. Однако при этом коэффициент модуляции не устанавливается равным значению для снижения гармоники заранее определенного порядка, присутствующей в выходном напряжении инвертора. Частота крутящего момента двигателя переменного тока, обусловленного вышеупомянутой гармонической составляющей заранее определенного порядка, может совпадать с резонансной частотой устройства, которое включает в себя это устройство преобразования мощности. Это может привести к увеличению уровня вибрации и шума при работе устройства.

Настоящее изобретение призвано решить вышеупомянутые проблемы.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства преобразования мощности, которое может снижать гармоники заранее определенных порядков, присутствующие в выходном напряжении инвертора.

Для решения вышеупомянутых проблем и решения поставленной задачи предусмотрено устройство преобразования мощности, а именно: устройство преобразования мощности, включающее в себя конвертор для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока, инвертор для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока при заданной частоте и при заданном напряжении для вывода на двигатель переменного тока, и блок управления для управления конвертором и инвертором, причем устройство преобразования мощности содержит: конденсатор, подключенный между конвертором и инвертором; и детектор напряжения для детектирования напряжения конденсатора между соединительными выводами конденсатора, причем блок управления обеспечивает переменное управление напряжением конденсатора для конвертора на основании частоты двигателя переменного тока, напряжения конденсатора и импульсного режима; и в заранее определенном диапазоне частоты двигателя переменного тока фиксирует коэффициент ШИМ-инвертора равным значению для обеспечения рабочего управления для инвертора, причем значение предназначено для снижения гармоники заранее определенного порядка, присутствующей в выходном напряжении инвертора.

Согласно настоящему изобретению во время ШИМ-управления инвертором в синхронизированном импульсном режиме переменное управление напряжением конденсатора постоянного тока предусмотрено для конвертора, в то время как коэффициент модуляции фиксируется равным значению для снижения гармоники заранее определенного порядка, присутствующей в выходном напряжении инвертора, для работы инвертора при переменном напряжении и при переменной частоте. Это позволяет снизить гармоники заранее определенных порядков, присутствующие в выходном напряжении инвертора.

Краткое описание чертежей

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

Фиг.1 изображает блок-схему устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления;

Фиг.2 изображает блок-схему блока управления согласно первому варианту осуществления;

Фиг.3 изображает соотношение между составляющими выходного напряжения инвертора пятого порядка и седьмого порядка и составляющей крутящего момента шестого порядка, и коэффициентом модуляции, вычисленным в блоке управления;

Фиг.4 изображает диаграмму работы блока генерации команд конденсатора постоянного тока;

Фиг.5 изображает диаграмму работы блока вычисления коэффициента модуляции.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Вариант осуществления устройства преобразования мощности согласно настоящему изобретению будет описан ниже более подробно со ссылкой на чертежи. Заметим, что изобретение не ограничивается этим вариантом осуществления.

Вариант осуществления

На фиг.1 изображена блок-схема устройства преобразования мощности согласно первому варианту осуществления. Устройство преобразования мощности, в основном, включает в себя: конвертор 1 для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока; инвертор 3 для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока для приведения в действие двигателя 2 переменного тока при переменном напряжении и при переменной частоте; конденсатор 4 постоянного тока, подключенный между выходом конвертора 1 и входом инвертора 3; детектор 5 напряжения конденсатора постоянного тока (далее именуемый просто "детектором напряжения") для детектирования напряжения на конденсаторе 4 постоянного тока; и контроллер 6 конвертора-инвертора (далее именуемый просто "блоком управления") для управления конвертором 1 и инвертором 3.

Блок 6 управления выводит стробирующий сигнал GS1 конвертора и стробирующий сигнал GS2 инвертора на основании напряжения Efc конденсатора постоянного тока и частоты двигателя. Теперь перейдем к подробному описанию конфигурации и работы блока 6 управления.

На фиг.2 изображена блок-схема блока управления согласно первому варианту осуществления. Блок 6 управления, в основном, включает в себя вычислительный блок 61, блок 10 управления конвертором и блок 9 ШИМ-управления инвертором.

Вычислительный блок 61 и блок 9 ШИМ-управления инвертором получают частоту finv инвертора для управления двигателем 2 переменного тока при переменном напряжении и при переменной частоте. Заметим, что настоящий вариант осуществления предусматривает вычисление частоты finv инвертора на основании частоты двигателя, полученной датчиком скорости (не показан), подключенным к двигателю 2 переменного тока. Однако в отсутствие датчика скорости также можно использовать оценочное значение скорости, полученное путем управления без датчика скорости.

Вычислительный блок 61 включает в себя блок 7 генерации команд конденсатора постоянного тока для вычисления значения Efc* команды напряжения конденсатора постоянного тока как функции частоты инвертора и блок 8 вычисления коэффициента модуляции для вычисления коэффициента m модуляции для инвертора 3.

Блок 10 управления конвертором принимает значение Efc* команды напряжения конденсатора постоянного тока и обеспечивает управление с обратной связью напряжением Efc конденсатора постоянного тока, детектируемым детектором 5 напряжения, для вывода стробирующего сигнала GS1 конвертора, который заставляет напряжение Efc конденсатора постоянного тока повторять значения Efc* команды напряжения конденсатора постоянного тока. Таким образом, блок 10 управления конвертором управляет конвертором 1.

Блок 9 ШИМ-управления инвертором выводит стробирующий сигнал GS2 инвертора на основании частоты finv инвертора, коэффициента m модуляции и настройки импульсного режима ШИМ, таким образом, управляя инвертором 3.

Опишем работу блока 6 управления. Выходное напряжение Vinv инвертора 3 связано с напряжением Efc конденсатора постоянного тока и коэффициентом m модуляции согласно нижеследующему уравнению (1), где K - константа.

Vinv=K·m·Efc (1)

Обычно управление двигателем 2 переменного тока осуществляется при переменном напряжении и при переменной частоте с помощью блока 8 вычисления коэффициента модуляции, который регулирует коэффициент m модуляции таким образом, чтобы поддерживать соотношение, выраженное уравнением (1), при том, что значение Efc* команды напряжения конденсатора постоянного тока является постоянным значением, что следует из соотношения между частотой finv инвертора и значением Efc* команды напряжения конденсатора постоянного тока, показанного в связи с блоком 7 генерации команд конденсатора постоянного тока.

Устройство, в состав которого входит устройство преобразования мощности согласно настоящему изобретению, может иметь резонансную характеристику, и крутящий момент, создаваемый двигателем 2 переменного тока, может содержать вышеупомянутую составляющую резонансной частоты. В результате, вышеупомянутое устройство будет вибрировать и издавать шум. В этом случае на частоте, близкой к частоте finv0 инвертора, на которой возникает резонанс, вычислительный блок 61 регулирует коэффициент m модуляции до значения (коэффициент m0 модуляции), которое может понизить резонансную частоту.

Ниже будет показан конкретный пример. На фиг.3 изображена диаграмма, демонстрирующая соотношение между составляющими выходного напряжения инвертора пятого порядка и седьмого порядка и составляющей крутящего момента шестого порядка, и коэффициентом модуляции, вычисленным в блоке управления. На фиг.4 показана диаграмма, демонстрирующая работу блока генерации команд конденсатора постоянного тока. На фиг.5 показана диаграмма, демонстрирующая работу блока вычисления коэффициента модуляции.

На фиг.3 показано соотношение между коэффициентом модуляции, когда инвертор 3 является 3-уровневым инвертором и импульсный режим является синхронным 3-импульсным режимом; частотными составляющими пятого порядка и седьмого порядка, присутствующими в выходном напряжении инвертора (напряжении фазы); и частотной составляющей шестого порядка крутящего момента, создаваемого двигателем 2 переменного тока при напряжениях этих частотных составляющих.

Если устройство, включающее в себя устройство преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления, имеет резонансную частоту, например, 480 Гц, частота инвертора, при которой частотная составляющая крутящего момента шестого порядка равна 480 Гц, составляет 480/6=80 Гц. Таким образом, согласно фиг.4 и 5, частота finv0 инвертора, при которой возникает составляющая резонансной частоты, составляет около 80 Гц. Таким образом, коэффициент m0 модуляции, при котором резонансная составляющая (около 80 Гц) может ослабевать, оказывается, например, в пределах от 0,92 до 0,94 от соотношения, представленного на фиг.3. Это позволяет снижать составляющую крутящего момента шестого порядка, задавая коэффициент m0 модуляции на частоте, близкой к частоте finv0 инвертора (около 80 Гц), равным вышеупомянутому значению.

Как описано выше, в устройстве преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления блок 7 генерации команд конденсатора постоянного тока обеспечивает переменное управление напряжением Efc конденсатора постоянного тока для конвертора 1 во время ШИМ-управления в синхронизированном импульсном режиме инвертора. Кроме того, в устройстве преобразования мощности блок 8 вычисления коэффициента модуляции задает коэффициент m модуляции равным значению, при котором частотная составляющая заранее определенного порядка, присутствующая в напряжении фазы, может снижаться, благодаря чему инвертор 3 работает при переменном напряжении и при переменной частоте. Соответственно, устройство преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления может снижать вибрацию и шум устройства, включающего в себя устройство преобразования мощности, даже если частота крутящего момента двигателя 2 переменного тока, обусловленная гармонической составляющей заранее определенного порядка, совпадает с резонансной частотой устройства.

Кроме того, гармоническая составляющая крутящего момента, создаваемого двигателем 2 переменного тока, совпадает с гармонической составляющей постоянного тока, протекающего по цепи постоянного тока между конвертором 1 и инвертором 3. Таким образом, устройство преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления также может снижать составляющую постоянного тока заранее определенного порядка, присутствующую в постоянном токе, протекающем по цепи постоянного тока между конвертором 1 и инвертором 3.

Заметим, что конвертор 1 согласно настоящему варианту осуществления может быть однофазным конвертором или трехфазным конвертором, в любом случае являясь 2-уровневым конвертором или 3-уровневым конвертором. С другой стороны, инвертор 3, объединяемый с каждым конвертором 1, также может быть трехфазным 2-уровневым инвертором или трехфазным 3-уровневым инвертором. Кроме того, двигатель 2 переменного тока может быть трехфазным асинхронным двигателем или трехфазным синхронным двигателем.

Как описано выше, устройство преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления включает в себя блок 6 управления. Во время ШИМ-управления в синхронизированном импульсном режиме инвертора блок 6 управления обеспечивает переменное управление напряжением Efc конденсатора постоянного тока для конвертора 1 и задает коэффициент m модуляции равным значению, при котором частотная составляющая заранее определенного порядка, присутствующая в напряжении фазы, может снижаться, благодаря чему инвертор 3 работает при переменном напряжении и при переменной частоте. Это позволяет снижать вибрацию и шум устройства, включающего в себя устройство преобразования мощности, даже если частота крутящего момента двигателя 2 переменного тока, обусловленная гармонической составляющей заранее определенного порядка, совпадает с резонансной частотой устройства. Это также позволяет снижать составляющую постоянного тока заранее определенного порядка, задавая коэффициент модуляции, который приводит к снижению составляющей постоянного тока заранее определенного порядка, присутствующей в постоянном токе, протекающем по цепи постоянного тока между конвертором 1 и инвертором 3.

Промышленная применимость

Как описано выше, устройство преобразования мощности согласно настоящему изобретению применимо в электромобиле с двигателем переменного тока и особенно полезно в качестве усовершенствованного однофазного конвертора, преобразующего мощность однофазного переменного тока в мощность постоянного тока, и усовершенствованного трехфазного инвертора, преобразующего мощность постоянного тока в мощность переменного тока для управления трехфазным асинхронным двигателем или трехфазным синхронным двигателем, что позволяет снизить вибрацию и шум устройства, входящего в состав электромобиля.

Перечень условных обозначений

1 конвертор

2 двигатель переменного тока

3 инвертор

4 конденсатор постоянного тока

5 детектор напряжения конденсатора постоянного тока (детектор напряжения)

6 контроллер конвертора-инвертора (блок управления)

7 блок генерации команд конденсатора постоянного тока

8 блок вычисления коэффициента модуляции

9 блок ШИМ-управления инвертором

10 блок управления конвертором

61 вычислительный блок

Efc напряжение конденсатора постоянного тока (напряжение конденсатора)

Efc* значение команды напряжения конденсатора постоянного тока (значение команды напряжения конденсатора)

finv частота инвертора

finv0 частота инвертора, при которой возникает составляющая резонансной частоты

GS1 стробирующий сигнал конвертора

GS2 стробирующий сигнал инвертора

m, m0 коэффициент модуляции.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах преобразования мощности электромобиля. Устройство преобразования мощности содержит контроллер (6) конвертора-инвертора для управления конвертором (1) и инвертором (3). Устройство преобразования мощности дополнительно снабжено конденсатором (4) постоянного тока, подключенным между конвертором (1) и инвертором (3), и детектором (5) напряжения конденсатора постоянного тока для детектирования напряжения Efc конденсатора постоянного тока между соединительными выводами конденсатора (4) постоянного тока. Контроллер (6) конвертора-инвертора обеспечивает переменное управление напряжением Efc конденсатора постоянного тока конвертора (1) на основании частоты двигателя (2) переменного тока, напряжения Efc конденсатора постоянного тока и импульсного режима. В заранее определенном диапазоне частоты двигателя контроллер (6) конвертора-инвертора фиксирует коэффициент ШИМ инвертора (3), равным значению m0, и обеспечивает управление инвертором (3), где значение m0 предназначено для снижения гармоники заранее определенного порядка, присутствующей в выходном напряжении инвертора (3). 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство преобразования мощности, включающее в себя конвертор для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока, инвертор для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока при заданной частоте и при заданном напряжении для вывода на двигатель переменного тока, и блок управления для управления конвертором и инвертором, причем устройство преобразования мощности содержит
конденсатор, подключенный между конвертором и инвертором, и
детектор напряжения для детектирования напряжения конденсатора между соединительными выводами конденсатора, причем
блок управления обеспечивает переменный сигнал управления напряжением конденсатора для конвертора на основании частоты двигателя переменного тока, напряжения конденсатора и импульсного режима, и фиксирует коэффициент широтно-импульсной модуляции (ШИМ) равным заранее определенному значению в пределах от 0,92 до 0,94 для обеспечения рабочего сигнала управления для инвертора, причем коэффициент ШИМ обеспечивается на частоте, близкой к частоте инвертора, которая составляет 1/6 резонансной частоты устройства, которое включает в себя указанное устройство преобразования мощности.

2. Устройство по п.1, в котором на частоте, близкой к частоте инвертора, которая составляет 1/6 резонансной частоты, блок управления фиксирует коэффициент ШИМ равным значению для обеспечения рабочего сигнала управления для инвертора, причем значение предназначено для снижения гармоники пятого порядка или седьмого порядка, присутствующей в выходном напряжении инвертора.

3. Устройство по п.1, в котором блок управления содержит вычислительный блок для вычисления значения команды напряжения для напряжения конденсатора и коэффициента ШИМ на основании частоты двигателя переменного тока.

4. Устройство по п.1, в котором для 3-импульсного режима коэффициент ШИМ составляет от 0,92 до 0,94.

5. Устройство по п.1, в котором
конвертор является любым из однофазного 2-уровневого конвертора, трехфазного 2-уровневого конвертора, однофазного 3-уровневого конвертора и трехфазного 3-уровневого конвертора, и
инвертор является трехфазным 2-уровневым инвертором.

6. Устройство по п.1, в котором
конвертор является любым из однофазного 3-уровневого конвертора и трехфазного 3-уровневого конвертора, и
инвертор является трехфазным 3-уровневым инвертором.

7. Устройство по п.1, в котором двигатель переменного тока является любым из трехфазного асинхронного двигателя либо трехфазного синхронного двигателя.