CN112715002A - 用于逆变器的控制装置，用于异步电机的逆变器，用于操作逆变器的车辆及方法 - Google Patents

用于逆变器的控制装置，用于异步电机的逆变器，用于操作逆变器的车辆及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于逆变器(1)的控制装置(2)，逆变器(1)具有DC电压输入端(3)和具有三个半桥(11u、11v、11w)的功率单元(5)，每个半桥由两个功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)形成，其中所述控制装置(2)设置为在正常操作模式下驱动功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)，以将施加至DC电压输入端(3)的DC电压转换成在AC输出端(4)提供的多相交流电流，其中，控制装置(2)设计为用于评估表示DC电压源(9)与DC电压输入端(3)断开的信号(21)的信号状态，并且根据所述评估的结果用于控制功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)，以交替采用引起DC注射制动的第一转换模式和引起惯性滑行的第二转换模式。

Description

用于逆变器的控制装置，用于异步电机的逆变器，用于操作逆 变器的车辆及方法
技术领域
本发明涉及一种逆变器的控制装置，该逆变器具有直流(DC)电压输入端和具有三个半桥的功率单元，每个半桥由两个功率转换元件形成，该控制装置被设置为在正常操作模式下驱动功率转换元件，用于将施加到DC电压输入端的DC电压转换成在交流(AC)电流输出端提供的多相AC电流。
此外，本发明涉及一种用于异步电机的逆变器，一种用于操作逆变器的车辆及方法。
背景技术
在电动车辆的传动系中，可以使用逆变器将由DC电压源(例如，高压电池)提供的DC电压转换成用于电机的多相AC电压。在电机运行过程中，可能发生DC电压源与逆变器的DC电压输入端断开。当发生故障时，这种事件(也称为甩负荷)通常是一种安全措施。如果车辆在甩负荷过程中处于恢复模式，则存储在电机的电感器中的能量会反馈至逆变器的DC输入端，所述能量在其中可能会导致过电压，从而损坏DC链路电容器及连接其的组件。
在永久激发的同步机中，触发逆变器的功率转换元件以进入有源短路，以便将存储在电感器中的能量转换为电机内的热量是已知的。然而，在异步电机的情况下，由于异步机的低泄漏电感，在甩负荷的情况下立即转换至有源短路会导致流过功率转换元件的电流非常大，从而导致损坏。
因此，在异步机中，通常的做法是显著增大DC链路电容器的尺寸，以便即使在恢复操作过程中负载下降时也能承受过电压。然而，这种DC链路电容器昂贵且大。另外，可以将恢复扭矩限制为在甩负荷事件中不会产生危害性过电压的值。然而，这降低了恢复模式的效率和操作范围。
因此，本发明基于提供一种处理甩负荷的方法的任务，特别是在异步机的情况下，该方法消除了上述缺点。
发明内容
为了解决这个问题，本发明提供了：设置一种上述类型的控制装置，用于评估指示DC电压源与DC电压输入端断开的信号的信号状态，并且用于根据评估结果控制功率转换元件，以交替采用引起DC制动的第一转换模式和引起惯性滑行(freewheeling)的第二转换模式。
本发明基于这样的考虑：在甩负荷之后，即在电压源与DC输入端断开之后，当转换至惯性滑行时，DC输入端的电压会存在不期望的急剧上升，而DC制动过程中电压存在急剧下降，在极端情况下这会导致在DC输入端的有害的负电压。因此，本发明提出了在这两种操作模式之间交替切换，以使得存储在电机的电感器中的能量可以被转换成热量，并且惯性滑行和DC制动的影响可以相互抵消。
因此，本发明使得可以使用为在恢复操作中通常出现电压而设计的DC链路电容器，因为通过切换至DC制动避免了在惯性滑行中超过所述电容器的介电强度。类似地，不必将恢复扭矩限制为超出正常操作模式的扭矩，从而通过这种限制避免效率损失。同时，不存在如同有源短路情况下的无法接受的会损坏功率转换元件的高电流。
优选地，根据本发明的控制装置还设置为除了信号状态之外还评估逆变器是否处于恢复模式。以此方式，在转换模式之间交替的切换策略可以被限制为存在使DC链路电容器过载的特定风险的情况。
基本上，从第一转换模式(即DC制动)切换至第二转换模式(即惯性滑行)是为了断开电机的电感器和DC链路电容器之间的谐振电路，因为该谐振电路会导致DC链路电容器上的负电压。通常将其从第二转换模式切换至第一转换模式，以使得不超过DC链路电容器上的允许电压。
根据本发明的控制装置的实施例(该控制装置可以不费力地实现)，所述控制装置还设置为在经过预定时间段后，从第一转换模式切换至第二转换模式和/或在经过预定时间段后，从第二转换模式切换至第一转换模式。可以基于最大可能的恢复电压凭经验确定所述时间段，使得谐振电路中断或不超过DC链路电容器的允许电压。
另外，根据本发明的控制装置可以设置为根据描述DC电压输入端的电压的电压值来控制交替控制。为此，控制装置优选地具有用于描述DC电压输入端的电压的电压值的输入端。从而逆变器通常包括电压检测单元，其设置为检测DC电压输入端的电压。由于在许多情况下都提供了这样的电压检测单元，所以在逆变器的部分上不会引起额外的硬件工作。
除了前述时间控制或作为前述时间控制的替代，有利的是，当检测到电压值已经达到电压阈值时，控制装置也设置为从第一转换模式切换至第二转换模式和/或在检测到电压值达到电压阈值时，从第二转换模式切换至第一转换模式。从而方便地选择电压阈值，使得谐振电路在正确的时间中断，或者不超过DC链路电容器的允许电压。这使得由存储于电感器中的能量引起的电流的衰减尤其快。
此外，控制装置还可以设置为永久地触发功率转换元件，以采用转换模式，如果在用第二转换模式触发功率转换元件时电压值未超过预定义的电压阈值，则该转换模式会带来安全运行状态。如果是这种情况，则存储在电机的电感器中的能量会转化为热量，以致可以永久地呈现安全运行状态，并且车辆可以滑行而不会产生例如不期望的制动扭矩。引起安全运行状态的转换模式优选地是第二转换模式。
第一转换模式通常描述的是，在半桥的情况下，连接至DC电压输入端的第一电位的功率转换元件处于阻断状态，而另一功率转换元件处于导通状态；在半桥的情况下，连接至DC电压输入端的第二电位的功率转换元件处于阻断状态，而另一功率转换元件处于导通状态；以及在半桥的情况下，两个功率转换元件都处于阻断状态。第一转换模式的具体设计优选地取决于甩负荷时刻AC输出端的相位角。实际上，错误地确定第一功率转换模式可能导致DC电压不受限制，或者导致流过功率转换元件的不希望的电流过大。
因此，根据本发明的控制装置可以进一步设置为根据描述AC输出端流动的电流的至少一个电流值来确定第一转换模式。可以测量电流值，在这种情况下，可以在控制装置上提供电流值的输入。然而，优选地，电流值基于在正常操作模式下由控制装置提供的设定点来确定。
优选地，提供第一转换模式以描述当来自由功率转换元件形成的半桥的中心抽头的电流为正，并且电流随时间的变化为负时，将连接至DC输入端的高电位的功率转换元件切换至导通状态。从而，转换模式可以描述将连接至DC输入端的高电位的其余的功率转换元件切换至阻断状态。
此外，第一转换模式可以描述，当由来自功率转换元件形成的半桥的中心抽头的电流为负，并且电流随时间的变化为正时，将连接至DC输入的低电位的功率转换元件切换至导通状态。从而，第一转换模式可以描述将连接至DC输入的低电位的其余的功率转换元件切换至阻断状态。
方便地，第二转换模式描述了将所有功率转换元件切换至阻断状态。
此外，本发明涉及一种用于异步机的逆变器，其包括DC电压输入端；具三个半桥的功率单元，每个半桥由两个功率转换元件形成；以及根据本发明的控制装置。
本发明还涉及一种车辆，其包括用于驱动车辆的异步机以及根据本发明的逆变器。
最后，本发明涉及一种操作逆变器的方法，该逆变器具有DC电压输入端和具有三个半桥的功率单元，每个半桥由两个功率转换元件形成，所述方法包括以下步骤：
-在正常操作模式下驱动功率转换元件，以将施加至DC输入端的DC电压转换成在AC输出端提供的多相AC电流；
-评估指示DC电压源与DC输入端断开的信号的信号状态；并且
-根据评估结果驱动功率转换元件，以交替采用引起DC制动的第一转换模式和引起惯性滑行的第二转换模式。
关于根据本发明的控制装置的所有解释可以类似地应用于根据本发明的逆变器、根据本发明的车辆和根据本发明的过程，从而它们也可以实现上述优点。
附图说明
根据以下描述的实施例和附图，本发明的其他优点和细节将显而易见。这些是示意图，其描述了：
图1是具有根据本发明的控制装置的实施例的本发明逆变器的实施例的电路图；
图2是图1所示的逆变器操作过程中DC输入端的电压、AC输出端的相电流以及转矩随时间变化的曲线；以及
图3是根据本发明的车辆的示意图。
具体实施方式
图1是具有控制装置2的实施例的逆变器1的实施例的电路图。此外，逆变器包括直流(DC)电压输入端3、交流(AC)电压输出端4、功率单元5和与DC电压输入端3并联连接的DC链路电容器6。电压检测单元7还设置为用于检测穿过DC链路电容器6施加或在DC电压输入端3施加的DC电压U。
DC电压输入端3经由由接触器形成的两极隔离装置8连接至高压电池形式的DC电压源9，DC电压源9在隔离装置8关闭时在DC电压输入端3提供DC电压U。逆变器1将其转换成在其AC输出端4提供的多相(此处为三相)AC电压。异步机10形式的电机连接至该输出端。
功率单元5包括三个半桥11u、11v、11w，每个半桥由连接至DC电压输入端3的上电位12的功率转换元件13u、13v、13w，和连接至DC电压输入端3的低电位14的功率转换元件15u、15v、15w串联连接形成。每个功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w包括绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)16和与其并联连接的二极管17。可替代地，可以通过功率金属氧化物半导体场效应晶体管(power MOSFET)来实施相应的功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w。相应的半桥11u、11v、11w的中心抽头18连接至可以为异步机10提供相电流Iu，Iv，Iw的AC电压输出端4。
控制装置2设置为在正常的时钟操作模式下变换功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w，以将施加至DC电压输入端3的DC电压U转换为多相AC电流。在正常操作模式中，也可以进行恢复操作，其中，电机10作为发电机操作，并且将电能反馈给高压电池。为了控制，控制装置2连接至相应的功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w的控制输入端19。
在由外部控制装置20检测到故障状况的情况下，通过控制装置提供信号21来启动甩负荷，这触发隔离装置8以打开接触器，从而使DC电压源9与DC电压输入端3断开。相应地指示DC电压源9与DC电压输入端3断开的信号21还存在于控制装置2的输入端22。当控制装置2本身检测到甩负荷时，信号21在控制装置2内部替代地或额外地生成。
控制单元2评估是否存在信号21以及逆变器1当时是否处于恢复模式。如果是这样的话，控制单元2终止正常操作模式并启动甩负荷操作模式，在甩负荷操作模式中，控制单元2控制功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w交替采用引起DC制动的第一转换模式和引起惯性滑行的第二转换模式。
为此，控制装置2根据描述相电流Iu、Iv、Iw的电流值确定引起DC制动的第一转换模式。为此，在控制装置2中存储查找表，该查找表将功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w的相应转换状态分配给电流Iu，Iv，Iw及它们的在时钟操作终止的时刻在时间dIu/dt、dIv/dt、dIw/dt之后的导数。下表显示了此分配：
Figure BDA0002980223740000061
此处，“1”表示控制相应的转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w进行导通，“0”表示控制转换元件进行阻断。实现惯性滑行的第二转换模式描述了驱动所有功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w进行阻断。
在本实施例中，第一转换模式和第二转换模式之间的交替切换是时间控制的。也就是说，控制装置2根据第一转换模式或第二转换模式在每种情况下控制功率转换元件13u，13v，13w，15u，15v，15w达预定的时间段。
当在切换第二转换模式(即惯性滑行)的过程中，DC电压U未超过预定电压阈值时，终止这种交替切换。为此，控制装置2评估由电压检测单元7在输入端23提供给它的电压值。在交替切换完成之后，控制装置2根据实现了安全操作状态的第二转换模式来永久地控制功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w。
图2示出了在逆变器1的示例性配置中，DC电压U、相电流Iu、Iv、Iw和产生的异电机10转矩M随时间t的变化曲线。在时间t0时发生甩负荷，并且控制装置2将逆变器从正常操作模式转换至甩负荷操作模式。
在时间t0之前，异步机10处于恢复模式，这可以从负转矩M、相电流Iu、Iv、Iw的基本谐波过程以及DC电压U的仅轻微振荡过程中看出。在时间t0时，相电流Iu刚好超过其最大值。相电流Iv恰好在过零之前并增加。因此，它是有效的：
Figure BDA0002980223740000071
因此，控制装置2根据先前所示的表格确定用于DC制动的第一转换模式，其中功率转换元件13u、15v导通，其他功率转换元件13v、13w、15u、15w阻断。然后，控制装置2根据确定的第一转换模式控制功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w持续预定的持续时间。随后，控制装置2控制所有功率转换元件13u、13v、13w、15w、15u、15v、15w持续预定的持续时间，即根据实施惯性滑行的第二转换模式。
在两个转换模式之间交替切换，直到DC电压U在时间t1不再超过由图2中的虚线24指示的电压阈值为止。从时间t1起，根据第二转换模式永久地驱动功率转换元件13u、13v、13w、15u、15v、15w。从图2进一步可以看出，相电流Iu、Iv、Iw在时间t0和t1之间衰减，而没有大的电流峰值，并且在短时间内转矩M仅有轻微的变化。
根据另一实施例，第一转换模式和第二转换模式之间的交替切换不是时间控制的，而是电压控制的。在这种情况下，当由电压检测单元7提供的电压值达到为各个转换模式定义的电压阈值时，控制装置2在每种情况下在转换模式之间切换。
图3是包括根据上述实施例之一的逆变器1的车辆25的实施例的示意图。类似于图1，逆变器1通过隔离装置8连接至DC电压源9、被设置为驱动车辆25的异步机10，以及上级控制单元20。

Claims (15)

1.一种用于逆变器(1)的控制装置(2)，其具有DC电压输入端(3)和具有三个半桥(11u、11v、11w)的功率单元(5)，每个半桥由两个功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)形成，所述控制装置(2)设置为在正常操作模式下驱动所述功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)，以将施加至所述DC电压输入端(3)的DC电压转换成在AC电流输出端(4)提供的多相AC电流，
其特征在于，
所述控制装置(2)用于评估表示DC电压源(9)与所述DC电压输入端(3)断开的信号(21)的信号状态，并且用于根据评估结果控制所述功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)，以交替采用引起DC制动的第一转换模式和引起惯性滑行的第二转换模式。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其还设置为除了所述信号状态之外还评估所述逆变器(1)是否处于恢复模式。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其还设置为在经过预定时间段后，从所述第一转换模式切换至所述第二转换模式，和/或在经过预定时间段后，从所述第二转换模式切换至所述第一转换模式。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的控制装置，其还用于根据描述所述DC电压输入端(3)的电压的电压值来控制交替驱动。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其还用于在检测到所述电压值达到电压阈值时，从所述第一转换模式切换至所述第二转换模式，和/或在检测到所述电压值达到电压阈值时，从所述第二转换模式切换至所述第一转换模式。
6.根据权利要求4或5所述的控制装置，其还用于在以所述第二转换模式驱动所述功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)时，在所述电压值未超过预定电压阈值时，永久地驱动所述功率转换元件以采用引起安全操作条件的转换模式。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其中，所述引起安全操作条件的转换模式是所述第二转换模式。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的控制装置，其还设置为根据描述所述AC电压输出端(4)流动的电流的至少一个电流值来确定所述第一转换模式。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，所述第一转换模式描述了当来自由所述功率转换元件(13u、13v、13w)形成的半桥(11u、11v、11w)的中心抽头的电流为正，并且所述电流随时间的变化为负时，将连接至所述DC输入端的高电位(12)的功率转换元件(13u、13v、13w)切换至导通状态。
10.根据权利要求9所述的控制装置，其中，所述转换模式描述了将连接至所述DC电压输入端(3)的所述高电位(12)的其余功率转换元件(13u、13v、13w)切换至阻断状态。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的控制装置，其中，所述第一转换模式描述了当来自由所述功率转换元件(15u、15v、15w)形成的半桥(11u、11v、11w)的中心抽头的电流为负，并且所述电流随时间的变化为正时，将连接至所述DC输入端(3)的低电位(14)的功率转换元件(15u、15v、15w)切换至导通状态。
12.根据权利要求11所述的控制装置，其中，所述第一转换模式描述了将连接至所述DC输入端(3)的所述低电位(14)的其余功率转换元件(15u、15v、15w)切换至阻断状态。
13.一种用于异步机(10)的逆变器(1)，其包括DC输入端(3)；具有三个半桥(11u、11v、11w)的功率单元(5)，每个半桥由两个功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)形成；以及根据前述权利要求中的任一项所述的控制装置(2)。
14.一种车辆(25)，其包括用于驱动所述车辆(25)的异步机(10)以及根据权利要求13所述的逆变器(1)。
15.一种操作逆变器(1)的方法，所述逆变器(1)具有DC输入端(3)和具有三个半桥(11u、11v、11w)的功率单元(5)，每个半桥由两个功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)形成，所述方法包括以下步骤：
在正常操作模式下驱动所述功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)，以将施加至所述DC输入端(3)的DC电压转换成在AC输出端(4)提供的多相AC电流；
评估信号(22)的信号状态，所述信号(22)指示DC电压源(9)与所述DC电压输入端(3)断开；并且
根据评估结果驱动所述功率转换元件(13u、13v、13w、15u、15v、15w)，以交替采用引起DC制动的第一转换模式和引起惯性滑行的第二转换模式。
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