Система привода двигателя с переменным магнитным потоком
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электропоездах и электромобилях. Техническим результатом является повышение точности управления крутящим моментом, подавление переходного момента, вызванного процессом намагничивания, повышение коэффициента полезного действия и расширение диапазона частоты вращения. Система привода двигателя с переменным магнитным потоком включает в себя двигатель (4) на постоянных магнитах, имеющий постоянный магнит, инвертор (1) для возбуждения двигателя на постоянных магнитах и средство намагничивания для пропускания тока намагничивания для управления магнитным потоком постоянного магнита. Постоянный магнит является переменным магнитом, чья магнитная индукция является переменной в зависимости от тока намагничивания от инвертора (1). Средство намагничивания пропускает ток намагничивания, который превышает зону насыщения намагничивания магнитного материала переменного магнита. Эта система улучшает повторяемость магнитного потока переменного магнита (53) и точность крутящего момента. 4 н.п. ф-лы, 57 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе привода двигателя с переменным магнитным потоком.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Взамен традиционных асинхронных двигателей (IM-двигателей) распространяются синхронные двигатели на постоянных магнитах (PM-двигатели), которые высокоэффективны и предполагаются миниатюрными и малошумными. Например, PM-двигатели стали используемыми в качестве приводных электродвигателей для электропоездов и электромобилей.
IM-двигатель создает магнитный поток посредством тока возбуждения из статора, а потому имеет технический недостаток, связанный с потерей при прохождении тока возбуждения.
С другой стороны, PM-двигатель является двигателем, имеющим ротор, оснащенный постоянным магнитом, чей магнитный поток используется для выработки крутящего момента, а потому не имеет такого недостатка IM-двигателя. Однако PM-двигатель индуцирует благодаря постоянному магниту напряжение, зависящее от числа оборотов. В области применения электропоездов и электромобилей, которые имеют широкий диапазон частот вращения, должно быть обеспечено условие, при котором индуцированное напряжение при максимальной частоте вращения не выводило из строя (электрическим перенапряжением) инвертор, который приводит в действие и управляет PM-двигателем. Для удовлетворения этого условия необходимо обеспечить инвертор с достаточно высоким выдерживаемым напряжением или ограничивать магнитный поток постоянного магнита двигателя. Первое оказывает влияние на источник питания, а потому обычно выбирается последнее. Величина магнитного потока PM-двигателя относительно величины магнитного потока IM-двигателя (в IM-двигателе, это величина магнитного потока зазора, создаваемого током возбуждения) иногда становится приблизительно 1:3. Для создания такого же крутящего момента PM-двигатель с небольшой величиной магнитного потока должен пропускать большой ток (крутящий момент). А именно, в низкочастотной зоне PM-двигатель должен пропускать больший ток, чем IM-двигатель, для выработки одного и того же крутящего момента.
Соответственно, предельно допустимый ток инвертора для приведения в движение PM-двигателя должен быть большим, чем для приведения в движение IM-двигателя. Частота переключения переключающего элемента в инверторе PM-двигателя высока, а потому PM-двигатель вызывает большие потери и нагрев на низкой частоте вращения, так как потери являются зависящими от значения тока.
Например, электропоезд предполагает, что должен охлаждаться воздушным потоком, создаваемым во время движения, и, если большие потери возникают во время движения на низкой скорости, инвертор должен быть увеличен по размеру для улучшения охлаждающей способности. С другой стороны, если индуцированное напряжение является высоким, должно выполняться управление ослаблением поля. В этом случае, наложенный ток возбуждения ухудшает коэффициент полезного действия.
PM-двигатель имеет преимущества и недостатки, обусловленные магнитом, включенным в него. Как двигатель, он обладает преимуществом уменьшения потерь и размера. С другой стороны, для управления изменением частоты вращения электропоезда или электромобиля PM-двигатель имеет рабочие точки, в которых он показывает худший коэффициент полезного действия по сравнению с традиционным IM-двигателем. Что касается инвертора, повышения предельно допустимого тока и потерь ведут к увеличению размеров инвертора. Коэффициент полезного действия самой системы, главным образом, является зависящим от двигателя, а потому применение PM-двигателя улучшает общий коэффициент полезного действия системы. Увеличение размеров инвертора, однако, является недостатком и не является предпочтительным для системы.
Фиг. 57 - структурная схема, показывающая пример системы привода синхронного двигателя (PM-двигателя) на постоянных магнитах согласно предшествующему уровню техники. Главная схема состоит из источника 3 питания постоянного тока (DC), инвертора 1 для инвертирования энергии постоянного тока в энергию переменного тока и синхронного двигателя 4a на постоянных магнитах, который должен приводиться в движение энергией переменного тока инвертора 1. Главная схема оснащена устройством 2 обнаружения тока для обнаружения токов двигателя и датчиком 18 угла поворота для обнаружения угла поворота ротора синхронного двигателя 4a на постоянных магнитах. Инвертор 1 инвертирует энергию постоянного тока от источника 3 питания постоянного тока в энергию переменного тока, которая подается на синхронный двигатель 4a на постоянных магнитах. Токи, подаваемые в синхронный двигатель 4a на постоянных магнитах, обнаруживаются устройством 2 обнаружения тока и подаются в блок 210 обработки команд напряжения.
Затем, будет пояснена операция управления этой системы предшествующего уровня техники. Входным сигналом системы является команда Tm* крутящего момента. Эта команда Tm* крутящего момента создается надлежащим средством, чтобы заставить синхронный двигатель 4a на постоянных магнитах вырабатывать требуемый крутящий момент. Согласно входной команде Tm* крутящего момента блок 211 обработки команд тока создает команду Id* тока по D-оси и команду Iq* тока по Q-оси для определения тока по D-оси и тока по Q-оси и подает их в блок 210 обработки команд напряжения. Угол поворота ротора синхронного двигателя 4a на постоянных магнитах, обнаруженный датчиком 18 угла поворота, отправляется в блок 210 обработки команд напряжения. Согласно входной команде Id* тока по D-оси и команде Iq* тока по Q-оси блок 210 обработки команд напряжения рассчитывает и создает команды Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси для пропускания тока таким образом, чтобы ток Id по D-оси и ток Iq по Q-оси согласовывались с командами тока. В это время блок 210 обработки команд напряжения выполняет (пропорционально-интегральное, PI) ПИ-регулирование для отклонения тока и получает команды напряжения по D- и Q-оси. После этого блок 210 обработки команд напряжения преобразует координаты команд Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси и снабжает схему 6 ШИМ (широтно-импульсной модуляции, PWM) командами Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения. Хотя блок 210 обработки команд напряжения преобразует команды напряжения по D- и Q-оси в команды трехфазного напряжения, например, можно приспособить блок преобразования координат для выполнения преобразования команд напряжения. Согласно входным командам Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения схема 6 ШИМ управляет включением/выключением (ON/OFF) переключающих элементов инвертора 1.
Как показано на фиг. 57, система привода PM-двигателем предшествующего уровня техники должна располагать в себе замыкатель 209 нагрузки на стороне переменного тока инвертора 1. Синхронный двигатель 4a на постоянных магнитах имеет постоянный магнит, а потому, индуцирует напряжение (противодействующее электродвижущее напряжение), когда инвертор 1 заперт, пока двигатель вращается по инерции. Если индуцированное напряжение выше, чем напряжение постоянного тока из источника 3 питания постоянного тока, к инвертору 1 прикладывается перенапряжение, и сила торможения прикладывается к синхронному двигателю 4a.
Если синхронный двигатель 4a на постоянных магнитах или инвертор 1 вызывает короткое замыкание или замыкание на землю, индуцированное напряжение будет постоянно пропускать ток, что вызывает проблемы, такие как перегрев и возгорание синхронного двигателя 4a на постоянных магнитах и инвертора 1. Соответственно, вышеупомянутая система привода размыкает замыкатель 209 нагрузки, когда инвертор 1 запирается, чтобы предохранять инвертор 1 от приема индуцированного напряжения, а синхронный двигатель 4a на постоянных магнитах и инвертор 1 от постоянного пропускания аварийного тока.
Срок службы замыкателя 209 нагрузки является сильно зависящим от количества раз операции размыкания/замыкания. Когда частота размыкания/замыкания замыкателя 209 нагрузки высока, он страдает от высокой интенсивности отказов и короткого срока службы. Для улучшения надежности системы сдвоенные замыкатели 209a и 209b, 209c и 209d, и 209e и 209f нагрузки могут быть установлены для соответственных фаз, как показано на фиг. 57. Это не является идеальным решением и сильно повышает затраты.
Нерассмотренная публикация № H11-299297 заявки на выдачу патента Японии (патентный документ 1) описывает технологию проведения управления ослаблением магнитного потока в двигателе на постоянных магнитах уменьшением тока ослабления магнитного потока без ухудшения точности крутящего момента, чтобы, тем самым, снижать потери инвертора и двигателя, а также значение номинального тока аппарата. Это, однако, дает току возбуждения ухудшать коэффициент полезного действия и вырабатывать тепло. Соответственно, оно должно иметь устройство охлаждения, которое повышает себестоимость и размеры аппарата.
Чтобы решить проблемы традиционной системы привода синхронного двигателя на постоянных магнитах, нерассмотренная публикация № H5-304752 на выдачу патента Японии (патентный документ 4) раскрывает приводной двигатель переменного тока электромобиля, который использует сочетание постоянного магнита и обмотки возбуждения для изменения магнитного потока.
Приводной двигатель переменного тока электромобиля, описанный в патентном документе 4, эффективно задействует двигатель и инвертор при каждой из низкопроизводительной работы и высокопроизводительной работы. Этот приводной двигатель переменного тока электромобиля использует магнитный поток постоянного магнита, встроенного в магнитный полюс поля, и, если необходимо, магнитный поток обмотки возбуждения, чтобы создать магнитный поток поля. В зависимости от выходной мощности двигателя, источник создания магнитного потока поля переключается между только постоянным магнитом и обоими, постоянным магнитом и обмоткой возбуждения. Одновременно ток возбуждения подается через вращающийся трансформатор. Этот приводной двигатель переменного тока электромобиля может работать в ответ на выходную мощность двигателя. Например, в ответ на низкую выходную мощность он работает только с постоянным магнитом, чтобы улучшать рабочий коэффициент полезного действия. В дополнение, он может повышать напряжение двигателя в зоне низкой частоты вращения двигателя, чтобы снижать ток, уменьшать потери в меди обмотки двигателя и создание потерь в инверторе и улучшать коэффициент полезного действия системы. Это влияние является значительным для электромобиля, который часто ездит на низких и средних скоростях, чтобы повышать коэффициент полезного действия по току и расширять расстояние поездки за подзарядку.
В дополнение, этот приводной двигатель переменного тока электромобиля не размагничивает постоянный магнит, а потому упрощает управление инвертором, не вызывает никакого ненормального перенапряжения и защищает систему. Вращающийся трансформатор может работать на высоких частотах, для уменьшения его размеров, а также размеров и веса системы как единого целого.
Приводной двигатель переменного тока электромобиля, оговоренный в патентном документе 4, однако, всегда должен пропускать ток возбуждения при создании магнитного потока обмоткой возбуждения. Пропускание тока возбуждения вызывает проблему ухудшения коэффициента полезного действия, а постоянный магнит, встроенный в магнитный полюс поля, вызывает проблему индуцирования напряжения.
В связи с этим, есть система привода двигателя с переменным магнитным потоком, способная изменять магнитный поток магнита током от инвертора. Эта система изменяет величину магнитного потока постоянного магнита согласно условиям работы, а потому, предполагается, что должна улучшать коэффициент полезного действия в большей степени, нежели традиционная система привода PM-двигателя на постоянных магнитах. Когда магнит не обязателен, величина магнитного потока может снижаться для минимизации индуцированного напряжения.
Для системы привода двигателя с переменным магнитным потоком для приведения в действие двигателя с переменным магнитным потоком, чей магнитный поток является переменным управляемым с помощью тока намагничивания от инвертора, является важным, когда и как выполняется процесс намагничивания для изменения магнитного потока. Будет возникать переходный крутящий момент, зависящий от точности крутящего момента или процесса намагничивания. Процесс намагничивания должен выполняться с регулированием по времени для доведения до максимума коэффициента полезного действия и расширения диапазона частоты вращения.
Характеристика BH (характеристика магнитной индукции - намагничивания) переменного магнита показывает крутую зависимость от тока намагничивания от инвертора, для легкого колебания магнитного потока в зависимости от способа намагничивания. Колебание магнитного потока ухудшает повторяемость магнитного потока и качество системы привода.
Для намагничивания переменного магнита инвертор должен пропускать большой ток. В этом случае статор будет насыщаться. По сравнению с размагничиванием переменного магнита намагничиванию переменного магнита необходимо, чтобы пропускался больший ток. Необходимость большого тока увеличивает предельно допустимый ток каждого переключающего элемента инвертора и, к тому же, каждый переключающий элемент инвертора должен иметь более высокое выдерживаемое напряжение. А именно, только для процесса намагничивания, каждый переключающий элемент должен иметь большую пропускную способность, что повышает его себестоимость. В дополнение, большой ток вырабатывает мгновенное тепло, а потому теплоемкость инвертора должна быть повышена, так чтобы инвертор мог противостоять кратковременному нагреву.
Патентный документ 1: Нерассмотренная публикация № H11-299297 заявки на выдачу патента Японии.
Патентный документ 2: Публикация № 6800977 патента США.
Патентный документ 3: Публикация № 5977679 патента США.
Патентный документ 4: Нерассмотренная публикация № H5-304752 заявки на выдачу патента Японии.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение было сделано, принимая во внимание недостатки вышеупомянутого предшествующего уровня техники. Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, способную подавлять ухудшение точности крутящего момента, обусловленного переменным магнитом, подавлять переходный крутящий момент, создаваемый процессом намагничивания, улучшать коэффициент полезного действия системы как единого целого и перекрывать широкий диапазон частот вращения.
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить систему привода двигателя с переменным магнитным потоком для приведения в действие двигателя с переменным магнитным потоком, чья величина магнитного потока является переменно управляемой с помощью тока намагничивания от инвертора, способную улучшать повторяемость магнитного потока переменного магнита и точность крутящего момента.
Еще одна другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, способную намагничивать переменный магнит с помощью простой схемы без увеличения предельно допустимого тока и теплоемкости инвертора.
Еще одна другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, способную использовать, вместо двигателя на постоянных магнитах, двигатель с переменным магнитным потоком, чей магнитный поток является переменно управляемым, подавление, в зависимости от ситуаций, противодействующего электродвижущего напряжения, вызванного магнитным потоком переменного магнита, с использованием простого аппарата, предотвращение силы торможения, которая прикладывается в высокоскоростной зоне, и надежную защиту системы.
Для того чтобы достичь целей, аспект настоящего изобретения обеспечивает систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, имеющую инвертор для возбуждения двигателя с переменным магнитным потоком, который использует постоянный магнит и переменный магнит. Система содержит блок создания команд крутящего момента, чтобы создавать команду крутящего момента для двигателя с переменным магнитным потоком, блок управления переменным магнитным потоком, чтобы изменять магнитный поток согласно току намагничивания от инвертора и намагничивать переменный магнит, переключатель, чтобы пропускать заданные значения тока по D- и Q-оси на основании команды крутящего момента от блока создания команд крутящего момента или команд тока намагничивания по D- и Q-оси от блока управления переменным магнитным потоком, блок создания запроса намагничивания, чтобы создавать, если удовлетворены предопределенные условия, запрос в блок управления переменным магнитным потоком для намагничивания переменного магнита, и блок создания команд управления отпиранием, чтобы создавать команду управления отпиранием для управления инвертором согласно основанным на команде крутящего момента заданным значениям токов по D- и Q-оси или командам тока намагничивания по D- и Q-оси от переключателя.
Этот аспект настоящего изобретения может подавлять ухудшение точности крутящего момента, обусловленное переменным магнитом, подавлять переходный крутящий момент, обусловленный процессом намагничивания, улучшать коэффициент полезного действия системы как единого целого и справляться с широким диапазоном частот вращения.
Еще один аспект настоящего изобретения обеспечивает систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, содержащую двигатель на постоянных магнитах, использующий постоянный магнит, инвертор, чтобы возбуждать двигатель на постоянных магнитах, и средство намагничивания, чтобы пропускать ток намагничивания для управления магнитного потока постоянного магнита. Постоянный магнит, по меньшей мере, частично обладает способностью переменного магнита, чья магнитная индукция является переменной в ответ на ток намагничивания от инвертора. Средство намагничивания пропускает ток намагничивания, который превышает зону насыщения намагничивания магнитного материала переменного магнита.
Еще один другой аспект настоящего изобретения обеспечивает систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, содержащую двигатель на постоянных магнитах, использующий постоянный магнит, инвертор, чтобы возбуждать двигатель на постоянных магнитах, средство управления переменным магнитным потоком, чтобы пропускать ток намагничивания для управления магнитным потоком постоянного магнита, средство, чтобы обнаруживать ток двигателя на постоянных магнитах, и средство оценки магнитного потока, чтобы оценивать величину магнитного потока по напряжению и току, прикладываемым к двигателю на постоянных магнитах, и индуктивности обмотки, служащей в качестве параметра двигателя. Постоянный магнит, по меньшей мере, частично обладает способностью переменного магнита, чья магнитная индукция является регулируемой, согласно току намагничивания от инвертора.
Этот аспект настоящего изобретения управляет величиной магнитного потока переменного магнита согласно току намагничивания от инвертора и возбуждает двигатель с переменным магнитным потоком, тем самым улучшая повторяемость магнитного потока переменного магнита и точность крутящего момента.
Еще один другой аспект настоящего изобретения обеспечивает систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, имеющую инвертор для возбуждения двигателя с переменным магнитным потоком, который имеет постоянный магнит и переменный магнит. Система содержит главный блок управления для управления инвертором, так чтобы крутящий момент двигателя с переменным магнитным потоком соответствовал команде крутящего момента, обмотку намагничивания для намагничивания переменного магнита двигателя с переменным магнитным потоком и схему намагничивания для подачи тока намагничивания в обмотку намагничивания.
Этот аспект настоящего изобретения может намагничивать переменный магнит с помощью простой схемы без повышения предельно допустимого тока и теплоемкости инвертора.
Еще один другой аспект настоящего изобретения обеспечивает систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, содержащую двигатель на постоянных магнитах, имеющий переменный магнит, который является, по меньшей мере, постоянным магнитом с малой коэрцитивной силой, инвертор для возбуждения двигателя на постоянных магнитах, блок намагничивания для подачи тока намагничивания для управления магнитным потоком переменного магнита, блок проверки на размагничивание, чтобы проверять, должен или нет размагничиваться переменный магнит, и, по результатам проверки, создавать сигнал размагничивания, и один или более блоков размагничивания для размагничивания переменного магнита согласно сигналу размагничивания, созданному блоком проверки на размагничивание.
Согласно вышеупомянутым и другим аспектам настоящего изобретения размагничивание выполняется, когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна быть защищена или когда инвертор останавливается, для подавления противодействующего электродвижущего напряжения, предотвращения от прикладывания силы торможения и надежной защиты системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - вид упрощенной модели, показывающий двигатель с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 - схематический вид, показывающий ротор двигателя с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 - график характеристики, показывающий характеристики BH (характеристики магнитной индукции - намагниченности) постоянного магнита и переменного магнита в двигателе с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - график характеристики, показывающий количественно правильное соотношение только во втором квадранте (B > 0, H < 0) по фиг. 4.
Фиг. 6 - структурная схема, показывающая внутреннюю конфигурацию блока создания запроса намагничивания согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 - структурная схема, показывающая внутреннюю конфигурацию блока управления переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 - временная диаграмма, показывающая пример работы системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 - временная диаграмма, показывающая еще один пример работы системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 10 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 11 - структурная схема, показывающая внутреннюю конфигурацию блока создания команд крутящего момента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 12 - временная диаграмма, показывающая пример работы системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 13 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 14 - структурная схема, показывающая пример внутренней конфигурации блока создания запроса намагничивания согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 15 - график характеристики, показывающий ответные формы сигналов при ускорении двигателя с переменным магнитным потоком согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 16 - график характеристики, показывающий ответные формы сигналов при замедлении двигателя с переменным магнитным потоком согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 17 - структурная схема, показывающая еще один пример внутренней конфигурации блока создания запроса намагничивания согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 18 - структурная схема, показывающая еще один другой пример внутренней конфигурации блока создания запроса намагничивания согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 19 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 20 - структурная схема, показывающая внутреннюю конфигурацию блока управления переменным магнитным потоком согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 21 - временная диаграмма, показывающая управление двигателем с переменным магнитным потоком согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 22 - вид в разрезе, показывающий двигатель с переменным магнитным потоком, используемый системой привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 23 - график характеристики BH, показывающий два переменных магнита, перенятых двигателем с переменным магнитным потоком согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 24 - структурная схема, показывающая внутреннюю конфигурацию блока управления переменным магнитным потоком согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 25 - таблица тока намагничивания, просматриваемая блоком управления переменным магнитным потоком согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 26 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 27 - структурная схема, показывающая внутреннюю конфигурацию блока управления переменным магнитным потоком согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 28 - временная диаграмма, показывающая управление двигателем с переменным магнитным потоком согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 29 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 30 - схематический вид, показывающий пример ротора в двигателе с переменным магнитным потоком согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 31 - схематический вид, показывающий еще один пример ротора в двигателе с переменным магнитным потоком согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 32 - принципиальная схема, показывающая пример внутренней конфигурации инвертора намагничивания согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 33 - принципиальная схема, показывающая еще один пример внутренней конфигурации инвертора намагничивания согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 34 - график формы сигнала, показывающий примеры форм сигналов, когда обмотка намагничивания используется для намагничивания согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 35 - график формы сигнала, показывающий другие примеры форм сигналов, когда обмотка намагничивания используется для намагничивания согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 36 - схема, показывающая пример бесконтактной подачи энергии от схемы намагничивания в обмотку намагничивания ротора согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 37 - схема, показывающая еще один пример бесконтактной подачи энергии от схемы намагничивания в обмотку намагничивания ротора согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 38 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 39 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 40 - структурная схема, показывающая инвертор, используемый системой привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 41 - структурная схема, показывающая пример внутренней конфигурации блока проверки на останов/размагничивание, используемого системой привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 42 показывает временные диаграммы управления размагничиванием системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 43 - пояснительный вид, показывающий сравнение управления магнитным потоком между существующим приводом и приводом двигателя с переменным магнитным потоком согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 44 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 45 - структурная схема, показывающая пример внутренней конфигурации блока проверки на останов/размагничивание, используемого системой привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 46 показывает временные диаграммы управления размагничиванием системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 47 - структурная схема, показывающая пример внутренней конфигурации блока проверки на останов/размагничивание, используемого системой привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 48 показывает временные диаграммы управления размагничиванием системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 49 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 50 показывает принципиальные схемы примеров блока размагничивания, способного проводить размагничивания закорачиванием проводов двигателя с переменным магнитным потоком, согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 51 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 52 - блок-схема последовательности операций способа, показывающая работу блока проверки на останов/размагничивание системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 53 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно тринадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 54 - блок-схема последовательности операций способа, показывающая работу блока проверки на останов/размагничивание системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно тринадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 55 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно четырнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 56 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно пятнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 57 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно предшествующему уровню техники.
НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже, со ссылкой на чертежи, будут подробно пояснены варианты осуществления настоящего изобретения.
(Первый вариант осуществления)
Фиг. 1 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Прежде всего, будет пояснена главная схема, включающая в себя двигатель 4 с переменным магнитным потоком системы привода. Инвертор 1 инвертирует энергию постоянного тока от источника питания постоянного тока в энергию переменного тока, которая подается на двигатель 4 с переменным магнитным потоком. Токи Iu и Iw, подаваемые в двигатель 4 с переменным магнитным потоком, обнаруживаются устройством 2 обнаружения тока и преобразуются блоком 7 преобразования координат в ток Id по D-оси и ток Iq по Q-оси, которые вводятся в блок 10 обработки команд напряжения. Блок 10 обработки команд напряжения выводит команду Vd* напряжения по D-оси и команду Vq* напряжения по Q-оси в блок 5 преобразования координат, который преобразует их в команды Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, которые должны вводиться в схему 6 ШИМ. Схема 6 ШИМ управляет включением/выключением переключающих элементов инвертора 1 согласно команде Gst управления отпиранием от блока 15 создания команд управления отпиранием. Угол 9 поворота двигателя 4 с переменным магнитным потоком обнаруживается датчиком 18 угла поворота и дифференцируется псевдодифференциатором 8 в частоту ω1 инвертора, которая вводится в блок 10 обработки команд напряжения и блок 12 обработки команд магнитного потока.
Здесь, будет пояснен двигатель 4 с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 - вид простой модели, показывающий двигатель 4 с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Сторона статора двигателя 4 с переменным магнитным потоком подобна таковой у существующего синхронного двигателя на постоянных магнитах, а его сторона ротора, в качестве магнитов, имеет постоянный магнит (FMG) 54, чей магнитный материал имеет постоянную магнитную индукцию, и переменный магнит (VMG) 53, чей магнитный материал имеет переменную магнитную индукцию. Синхронный двигатель на постоянных магнитах имеет только упомянутый выше постоянный магнит. Характерная особенность двигателя с переменным магнитным потоком состоит в том, что он имеет переменный магнит. Допустим, что магнит намагничивается в направлении оси D, постоянный магнит 54 и переменный магнит 53 расположены в направлении оси D. Ld на фиг. 2 является индуктивностью по D-оси, а Lq является индуктивностью по Q-оси.
Затем, будут пояснены постоянный магнит 54 и переменный магнит 53. Постоянный магнит (постоянный магнит) сохраняет намагниченное состояние без внешнего тока, пропускаемого к нему. Даже для постоянного магнита не всегда справедливо, что его магнитная индукция всегда неизменна при любых условиях. Даже синхронный двигатель на постоянных магнитах размагничивается или намагничивается при приеме чрезмерного тока от инвертора 1. А именно, постоянный магнит является не магнитом, чья величина магнитного потока неизменна, но является магнитом, чья магнитная индукция всегда неизменна, при нормальной работе в номинальных условиях.
С другой стороны, переменный магнит 53 является магнитом, чья магнитная индукция изменяется в зависимости от тока, пропускаемого от инвертора 1, даже при стандартных номинальных рабочих условиях. Переменный магнит этой разновидности может быть сконструирован в пределах определенного диапазона, согласно материалу и структуре магнитного материала.
Например, постоянный магнит новейшего синхронного двигателя на постоянных магнитах часто является неодимовым (NdFeB) магнитом, имеющим высокую остаточную магнитную индукцию Br. Остаточная магнитная индукция Br высока, например, около 1,2 Тл, а потому, большой крутящий момент может выдаваться из небольшой конструкции. Такой магнит предпочтителен для EV (электромобиля), HEV (гибридного транспортного средства) и электропоезда, которые нуждаются в малогабаритном двигателе с высокой выходной мощностью. Традиционному синхронному двигателю на постоянных магнитах не обязательно размагничиваться нормальным током, а потому, неодимовый магнит (NdFeB), имеющий высокую коэрцитивную силу Hc (около 1000 кА/м), является оптимальным магнитным материалом. Магнит, имеющий большую остаточную магнитную индукцию и коэрцитивную силу, выбирается для синхронного двигателя на постоянных магнитах.
Для переменного магнита 53, может рассматриваться для использования магнитный материал, такой как AlNiCo («алнико», Hc = от 60 до 120 кА/м) и FeCrCo (Hc = приблизительно 60 кА/м), имеющий высокую остаточную магнитную индукцию и малую коэрцитивную силу. Что касается обычной величины тока, пропускаемого от инвертора 1 для возбуждения традиционного синхронного двигателя на постоянных магнитах, магнитная индукция (величина магнитного потока) неодимового (NdFeB) магнита является, по существу, постоянной, а магнитная индукция (величина магнитного потока) переменного магнита, такого как магнит AlNiCo, меняется. Собственно говоря, неодим используется в обратимой зоне, а потому его магнитная индукция может меняться в очень небольшом диапазоне. Однако она возвращается к исходному значению, если ток инвертора прекращается. С другой стороны, переменный магнит 53 используется вплоть до необратимой зоны, а потому не возвращается к исходному значению и сохраняет измененную магнитную характеристику, даже после того, как ток инвертора прекращается. На фиг. 2 величина магнитного потока AlNiCo, служащего в качестве переменного магнита 53, изменяется в направлении оси D и является, по существу, нулевой в направлении оси Q.
Фиг. 3 - схема, показывающая ротор 51 двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Постоянный магнит 54, например, из ниодима NdFeB, имеющего высокую коэрцитивную силу, и переменный магнит 53, например, из AlNiCo, имеющего низкую коэрцитивную силу, скомбинированы и размещены на железном сердечнике 52 ротора. Направление оси Q переменного магнита 53 и его намагниченное направление ортогональны друг другу, а потому переменный магнит 53 не находится под влиянием тока по Q-оси и намагничивается током 55 по D-оси. 55 - часть магнитного полюса.
Фиг. 4 - график характеристик, показывающий характеристики BH (характеристики магнитной индукции - намагниченности) постоянного магнита 54 и переменного магнита 53. На фиг. 4, S54 - характеристика BH постоянного магнита 54, S53 -характеристика BH переменного магнита 53, Br1 - остаточная магнитная индукция переменного магнита 53, а Br2 - остаточная магнитная индукция постоянного магнита 54. К тому же, H1sat - значение насыщения переменного магнита 53, Hc1 - коэрцитивная сила переменного магнита 53, а Hc2 - коэрцитивная сила постоянного магнита 54. Кроме того, X - зона намагничивания, обусловленная выходным током инвертора, а Y - зона насыщения намагничивания переменного магнита.
Фиг. 5 - график характеристики, показывающий количественно правильное соотношение только во втором квадранте (B > 0, H < 0) по фиг. 4. В случаях неодима NdFeB и алнико AlNiCo, нет значительной разницы между остаточными магнитными индукциями Br1 и Br2. Что касается коэрцитивных сил Hc1 и Hc2, алнико AlNiCo магнит составляет от 1/5 до 1/8 от неодимового NdFeB магнита, а магнит из FeCrCo составляет 1/15 такового.
Согласно традиционному синхронному двигателю на постоянных магнитах зона X намагничивания выходным током инвертора 1 является существенно меньшей, чем таковая у коэрцитивной силы неодимового NdFeB магнита и используется в обратимом диапазоне его характеристики намагничивания. Переменный магнит 53 имеет малую коэрцитивную силу, как упомянуто выше, а потому является используемым в необратимой зоне, в пределах диапазона выходного тока инвертора 1, в котором он не возвращается к магнитной индукции В, которую он имеет до прикладывания тока, даже если ток обнуляется.
Эквивалентная упрощенная модель динамической характеристики двигателя 4 с переменным магнитным потоком может быть выражена с помощью математического выражения (1). Эта модель является моделью во вращающейся системе координат DQ-осей, с осью D, ориентированной в направлении магнитного потока магнита, и осью Q - в направлении, ортогональном оси D.
[Мат. 1]
Здесь R1 - сопротивление обмотки, Ld - индуктивность по D-оси, Lq - индуктивность по Q-оси, ΦFIX - величина магнитного потока (потокосцепления) постоянного магнита, ΦVAR - величина магнитного потока (потокосцепления) переменного магнита, а ω1 - частота инвертора.
Затем, со ссылкой на фиг. 1, будет пояснено управление системой привода двигателя с переменным магнитным потоком для двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Блок 16 создания команды работы системы привода двигателя с переменным магнитным потоком принимает команду Run* работы и сигнал PROT защиты от блока 17 проверки на защиту. На основании команды Run* работы и сигнала PROT защиты от блока 17 проверки на защиту блок 16 создания команды работы создает и выводит флаг Run состояния работы.
В своей основе, флаг Run состояния работы устанавливается в состояние работы (Run = 1), когда вводится команда Run* работы (Run* = 1). Если команда работы требует останова (Run* = 0), флаг Run состояния работы устанавливается в состояние останова (Run = 0). Эти состояния возникают, когда блок 17 проверки на защиту определяет, что они являются не защитными, а нормальными (PROT = 0). Если блок 17 проверки на защиту определяет, что они являются защитными (PROT = 1), состояние работы устанавливается в состояние останова (Run = 0), даже если команда Run* работы имеет значение «1».
Блок 16 создания команды работы создает флаг TrqON разрешения крутящего момента для разрешения прикладывания крутящего момента (прикладывание крутящего момента разрешено, если TrqON = 1, и не разрешено, если TrqON = 0). Если команда Run* работы меняется с «0» на «1», выполняется процесс намагничивания. В то время как выполняется процесс намагничивания, флаг FCCmp завершения намагничивания имеет значение «1». Как только намагничивание завершено, то есть, когда флаг FCCmp завершения намагничивания меняется с «1» на «0», флаг TrqON разрешения крутящего момента становится «1». Это должно поднять крутящий момент после завершения намагничивания.
Наоборот, если команда Run* работы меняется с «1» на «0», чтобы давать команду останова, флаг разрешения крутящего момента устанавливается как TrqON = 0, чтобы обнулять команду Tm* крутящего момента. После этого, флаг Run состояния работы устанавливается в состояние останова (Run = 0). Эта зависимость будет пояснена позже.
Если флаг разрешения крутящего момента, TrqON = 0, блок 38 создания команд крутящего момента создает команду Tm* крутящего момента, имеющую заданное нулевое значение, а если TrqON = 1, команду Tm* крутящего момента, имеющую заданное значение крутящего момента. Для переходного состояния команды крутящего момента скорость изменения команды крутящего момента может быть ограничена, или она может подвергаться реакции системы первого порядка, в зависимости от применения. В некоторых случаях она может изменяться шаг за шагом.
Блок 15 создания команд управления отпиранием принимает флаг Run состояния работы и создает и выводит команду Gst управления отпиранием для переключения элементов, заключенных в инверторе 1. Если флаг Run состояния работы меняется с останова (= 0) на работу (= 1), блок 15 создания команд управления отпиранием незамедлительно устанавливает состояние (Gst = 1) начала управления отпиранием, а если флаг Run состояния работы меняется с запуска (= 1) на останов (= 0), устанавливает выключенное состояние (Gst = 0) через предопределенное время. Выключение управления отпиранием через предопределенное время должно намагничивать переменный магнит 53 до предопределенного значения, так что магнит может свободно работать, как будет пояснено позже.
Блок 12 обработки команд магнитного потока принимает флаг Run состояния работы и частоту ω1 инвертора, то есть частоту вращения ротора (ωR), и создает и выводит команду Ф* магнитного потока, например, согласно упомянутому ниже выражению. Этот вариант осуществления проводит управление с помощью датчика 18 угла поворота (кругового датчика положения). Соответственно, датчик 18 угла поворота обнаруживает угол θ, который дифференцируется псевдодифференциатором 8 в частоту вращения ротора, служащую в качестве выходной частоты инвертора (ω1).
[Мат. 2]
Здесь, Фmin - минимальная величина магнитного потока (> 0), которая должна приниматься двигателем с переменным магнитным потоком, Фmах - максимальная величина магнитного потока, которая должна приниматься двигателем с переменным магнитным потоком, а ωA - предопределенная частота вращения.
Если флаг Run состояния работы показывает состояние останова (Run = 0), команда Ф* магнитного потока устанавливается в минимум Фmin. Если он показывает состояние работы (Run = 1) и если частота ωR вращения ниже, чем предопределенное значение, команда Ф магнитного потока устанавливается в максимум Фmax. Если частота вращения выше, чем предопределенное значение, команда магнитного потока устанавливается в минимум Фmin. Установка величин Фmin и Фmах магнитного потока будет пояснена позже.
Блок 11 обработки заданного значения тока принимает команду Tm* крутящего момента и команду Ф* магнитного потока и вычисляет заданное значение IdR тока по D-оси и заданное значение IqR тока по Q-оси, как изложено ниже:
[Мат. 3]
Здесь выражения (3) и (4) - рабочие выражения (количество пар полюсов двигателя равно одному), при условии, что не используется реактивный крутящий момент двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Двигатель может быть любым из явнополюсного двигателя, имеющего разность ΔL между индуктивностью Ld по D-оси и индуктивностью Lq по Q-оси, и неявнополюсного двигателя, не имеющего такой разности
Чтобы оптимизировать коэффициент полезного действия или довести до максимума выходную мощность при предопределенном токе, учитывается, действие реактивного крутящего момента. В этом случае, используется следующее выражение:
[Мат. 4]
Здесь K - отношение тока по D-оси к току по Q-оси, которое может меняться в зависимости от вышеупомянутой оптимизации коэффициента полезного действия и максимизации выходной мощности. Для оптимизации, выражение становится функцией, чьи аргументы включают в себя крутящий момент, частоту вращения и тому подобное, обычно используемые посредством простой аппроксимации или в качестве таблицы.
Блок 29 создания запроса намагничивания устанавливает флаг FCReq запроса намагничивания в «1», если изменяется команда Ф* магнитного потока или флаг Run состояния работы, и в «0» в других случаях. Фиг. 6 показывает конфигурацию блока 29 создания запроса намагничивания, в которой каждый из 31 и 33 является блоком хранения предыдущего значения, каждый из 30 и 34 является блоком проверки на изменение, а 32 является схемой ИЛИ (OR).
Предыдущее значение команды Ф* магнитного потока удерживается блоком 31 хранения предыдущего значения. Выходным сигналом от блока 31 предыдущего значения является команда Ф* магнитного потока, сохраненная в прошлый момент времени, и отправляется в блок 30 проверки на изменение вместе со значением Ф* команды магнитного потока этого момента времени. Блок 30 проверки на изменение сравнивает два входных сигнала друг с другом и, если есть изменение между значениями Ф* команды магнитного потока, выводит «1». Если изменений нет, он выводит «0». А именно, он выводит «1», только когда изменяется команда Ф* магнитного потока. Подобная конфигурация схемы подготовлена для флага Run состояния работы вместо команды Ф* магнитного потока. Выходные сигналы из двух блоков 30 и 34 проверки на изменение подаются в схему 32 ИЛИ, которая обеспечивает логическую функцию ИЛИ двух входных сигналов в качестве флага FCReq запроса намагничивания.
Флагом FCReq запроса намагничивания, то есть выходным сигналом от блока 29 создания запроса намагничивания становится «1» (запрос намагничивания), если изменяется команда Ф* магнитного потока или флаг Run состояния работы, и «0» (нет запроса намагничивания) в других случаях. Флаг Run состояния работы, например, изменяется, когда инвертор начинает работать, или когда он останавливается, или когда он остановлен для защиты. Хотя вариант осуществления применяет команду Ф* магнитного потока, изменение команды Im* тока намагничивания (выходного сигнала из таблицы 27 тока намагничивания) блока 13 управления переменным магнитным потоком (будет пояснен позже) может использоваться для создания запроса FCReq намагничивания.
Затем блок 13 управления переменным магнитным потоком изменяет магнитный поток посредством тока намагничивания от инвертора и намагничивает переменный магнит. Фиг. 7 - структурная схема, показывающая блок 13 управления переменным магнитным потоком. Блок 13 управления переменным магнитным потоком принимает команду Ф* магнитного потока, то есть выходной сигнал от блока 12 обработки команд магнитного потока, и вычисляет и выводит команду Idm* тока намагничивания по D-оси и команду Iqm* тока намагничивания по Q-оси. Этот процесс создания будет пояснен позже.
Для намагничивания переменного магнита команда Im* предопределенного тока намагничивания получается согласно характеристике BH переменного магнита, показанной на фиг. 4. В частности, амплитуда команды Im* тока намагничивания устанавливается, чтобы быть равной или большей, чем Hlsat, то есть в пределах зоны Y насыщения намагничивания переменного магнита 53.
Для пропускания тока намагничивания вплоть до зоны насыщения магнитного материала величины Фmin и Фmах магнитного потока, установленные блоком 12 обработки команд магнитного потока, вычисляются с добавлением положительного или отрицательного максимального значения (насыщенного) магнитного потока (магнитной индукции) переменного магнита 53 к таковому постоянного магнита. А именно, при положительной максимальной величине магнитного потока (абсолютное значение отрицательной максимальной величины магнитного потока является равным положительной максимальной величине магнитного потока) переменного магнита, являющейся ФVARmax, и величине магнитного потока постоянного магнита, являющейся ФFIX, выполняются следующие вычисления:
[Мат. 5]
| Фmin = ФFIХ - ФVARmах | (7) |
| Фmах = ФFIX + ФVARmax | (8) |
Команда Ф* магнитного потока используется для поиска по таблице 27 тока намагничивания, хранящей соответствующие токи намагничивания, и получения команды Im* тока намагничивания для команды Ф* магнитного потока. В основном, направление намагничивания магнита находится в направлении оси D, а потому, ток Im* намагничивания задан в качестве тока Idm* намагничивания для оси D.
Однако синхронный двигатель на постоянных магнитах часто вызывает разницу между индуктивностью Ld по D-оси и индуктивностью Lq по Q-оси, для создания реактивного крутящего момента. Пропускание тока по D-оси имеет следствием создание крутящего момента. В частности, это заметно в случае реактивного двигателя на постоянных магнитах (двигателя PRM), который достигает широкого диапазона частоты вращения. Для намагничивания необходимо значение тока, эквивалентное номинальному току, или большее. Соответственно, процесс намагничивания немедленно будет вызывать большой реактивный крутящий момент. Даже неявнополюсный двигатель будет вызывать частичное магнитное насыщение, когда пропускается упомянутый выше чрезмерно большой ток намагничивания. А именно, пропускание тока намагничивания для намагничивания вызывает переходный крутильный удар, создающий механические вибрации, которые не являются желательными для транспортных средств и электропоездов, так как они оказывают плохое влияние на комфортность.
Чтобы избежать этого, должен пропускаться не только ток намагничивания по D-оси, но также и ток намагничивания по Q-оси, который несущественен для намагничивания, но вносит вклад в снижение крутящего момента. Это подавляет создание мгновенного реактивного крутящего момента. Обычно крутящий момент синхронного двигателя на постоянных магнитах выражается, как изложено ниже:
[Мат. 6]
| Tm = Ф×Iq+(Ld-Lq)×Id×Iq | (9) |
Когда пропускается ток Idm намагничивания по D-оси, условием, чтобы не создавать крутящий момент, является следующее:
[Мат. 7]
| Iq = Tm/(Ф+(Ld-Lq)×Id) | (10) |
Затем с использованием команды тока намагничивания получается следующее:
[Мат. 8]
| Iq* = Tm/(Ф*+(Ld-Lq)×Idm*) | (11) |
Здесь есть проблема, должна ли команда Ф* магнитного потока устанавливаться до изменения магнитного потока, либо после изменения магнитного потока или в период между. Намагничивание переменного магнита является сложным и, вместе с тем, неуправляемым. Оно должно настраиваться на реальной машине. Для этого команда магнитного потока по выражению (11) может сохраняться в таблице согласно измерениям реальных машин. В качестве альтернативы, команды Idm* тока намагничивания по D-оси и команды Iqm* тока намагничивания по Q-оси, которые могут снижать прерывистый крутящий момент, получаются исследованием реальных машин и используются для подготовки функции или таблицы.
На фиг. 7, блок 36 обработки команд тока намагничивания принимает команду Im* тока намагничивания (то есть, команду Idm* тока намагничивания по D-оси) и создает и выводит команду тока намагничивания по Q-оси. Переключатель 26 выводит команду Iqm* тока намагничивания по Q-оси, только когда флаг завершения намагничивания, FCCmp = 1, то есть, только во время процесса намагничивания, а когда флаг завершения намагничивания, FCCmp = 0, то есть, после завершения процесса намагничивания, выводит ноль. Согласно выражению (11), или как упомянуто выше, блок 36 обработки команды тока намагничивания по Q-оси может иметь таблицу или функцию, которая обеспечивает команду тока по Q-оси для снижения переходного крутящего момента, фактически измеренную на реальных машинах. Переключатель 23 работает подобно переключателю 26. Когда флаг завершения намагничивания, FCCmp = 1, переключатель 23 выводит команду Idm* тока намагничивания по D-оси, а когда флаг завершения намагничивания, FCCmp =0, он выводит ноль.
На фиг. 7, флаг FCReq запроса намагничивания для запроса изменить магнитный поток становится состоянием (=1) запроса на переключение, по меньшей мере, мгновенно. Чтобы надежно изменять магнитный поток, флаг FCReq запроса намагничивания отправляется в устройство 28 включения импульса минимума, которое выводит флаг FCCmp завершения намагничивания (= 1 во время намагничивания и = 0 при завершении намагничивания). Этот флаг имеет функцию не становиться выключенным (= 0), как только он становится включенным (= 1). Если флаг запроса намагничивания остается включенным (= 1) в течение предопределенного времени, флаг FCCmp завершения намагничивания становится выключенным, как только флаг FCReq запроса намагничивания становится выключенным. Таким образом, процесс намагничивания продолжается только в течение предопределенного периода, чтобы надежно выполнять намагничивание.
Переключатель 37 по фиг. 1 принимает флаг FCCmp завершения намагничивания. Если это происходит во время намагничивания (флаг завершения намагничивания, FCCmp = 1), переключатель 37 выводит команды Idm* и Iqm* тока намагничивания по D- и Q-оси от блока 13 управления переменным магнитным потоком в качестве команд Id* и Iq* тока по D- и Q-оси. Если намагничивание завершено (флаг завершения намагничивания, FCCmp = 0), переключатель 37 выводит заданные значения IdR и IqR тока по D- и Q-оси от блока 11 обработки заданного значения тока в качестве команд Id* и Iq* тока по D- и Q-оси.
Согласно командам Id* и Iq* тока по D- и Q-оси, обеспечиваемым таким образом, блок 10 обработки команд напряжения создает команды Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси для пропускания токов, соответствующих командам Id* и Iq* тока по D- и Q-оси. Блок 5 преобразования координат преобразует команды напряжения в команды Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, которые используются схемой 6 ШИМ для создания сигналов управления отпиранием и тому подобного.
Фиг. 8 - временная диаграмма, показывающая работу системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления. Фиг. 8 показывает состояние, в котором сигнал PROT защиты не установлен. В момент t1 времени вводится команда Run* работы. Затем возникает флаг Run состояния работы, а команда Ф* магнитного потока изменяется с Ф0 до Фmах. В ответ на изменения флага Run состояния работы и команды Ф* магнитного потока возникает флаг FCReq запроса намагничивания, а флаг FCCmp завершения намагничивания остается во включенном состоянии в течение предопределенного времени (от t1 до t2). Только во время периода FCCmp = 1, указывающего на намагничивание, имеет значение команда Idm* тока намагничивания по D-оси.
Когда флаг FCCmp завершения намагничивания меняется с «1» на «0» в момент t2 времени, флаг TrqON разрешения крутящего момента становится «1», а с момента t2 времени возникает команда Tm* крутящего момента. А именно, команда Tm* крутящего момента не возникает до тех пор, пока флаг FCCmp завершения намагничивания не становится 0, при завершении намагничивания, сразу же после начала работы. В этом случае, команда Tm* крутящего момента возникает между моментом t2 времени и моментом t3 времени.
В момент t4 времени команда Ф* магнитного потока изменяется с Фmах до Фmin. Затем возникает флаг FCReq запроса намагничивания, и флаг FCCmp завершения намагничивания возникает и остается во включенном состоянии в течение предопределенного времени (от t4 до t5). Только в течение периода, в котором флаг FCCmp завершения намагничивания имеет значение «1», чтобы указывать намагничивание, команда Idm* тока намагничивания по D-оси и команда Iqm* тока намагничивания по Q-оси имеют значения.
Затем, в момент t6 времени, команда Run* работы останавливается, флаг TrqON разрешения крутящего момента меняется с «1» на «0», а команда Tm* крутящего момента уменьшается с момента t6 времени до момента t7 времени. Когда команда Tm* крутящего момента становится нулем в момент t7 времени, флаг Run состояния работы меняется с «1» на «0», а команда Ф* магнитного потока изменяется от Фmin до Ф0. К тому же, возникает флаг FCReq запроса намагничивания, и флаг FCCmp завершения намагничивания возникает и сохраняет включенное состояние в течение предопределенного времени (от t7 до t8). Только в течение периода, в котором флаг FCCmp завершения намагничивания имеет значение «1», чтобы указывать на намагничивание, имеет значение команда Idm* тока намагничивания по D-оси.
Согласно выражению (11) команда тока намагничивания по Q-оси является нулем в течение процесса A намагничивания (от t1 до t2) и в течение процесса C намагничивания (от t7 до t8) и имеет значение только во время процесса B намагничивания (от t4 до t5).
Двигатель 4 с переменным магнитным потоком пропускает чрезмерно большой ток при намагничивании, а потому до некоторой степени создает переходный крутящий момент. Этот крутильный удар может вызывать механические вибрации. Такой чрезмерно большой ток должен минимизироваться для снижения потерь и напряженного состояния элементов. Для этого, первый вариант осуществления выполняет процесс намагничивания при определенных условиях для минимизации крутильного удара, потерь и напряженного состояния переключающих элементов инвертора 1.
Первый вариант осуществления выполняет процесс намагничивания сразу же после запуска инвертора 1, так чтобы намагниченное состояние переменного магнита 53 могло определяться до прикладывания крутящего момента. Намагниченное состояние двигателя 4 с переменным магнитным потоком является неизвестным, например, сразу же после того, как включен источник питания, и может меняться вследствие некоторых причин в то время, как двигатель 4 находится в состоянии холостого хода. Если напряжение постоянного тока инвертора 1 снижается и если напряжение, индуцированное общим магнитным потоком, превышает напряжение постоянного тока, двигатель на переменных магнитах пропускает ток в инвертор 1, даже если инвертор 1 остановлен. Это может изменять намагниченное состояние двигателя 4. Чтобы минимизировать напряжение, индуцируемое в состоянии холостого хода, величина магнитного потока, которая не используется для режима нормальной работы, может устанавливаться для двигателя 4 перед остановом инвертора 1. В этом случае, величина магнитного потока, необходимая для режима нормальной работы, должна устанавливаться для двигателя 4 при запуске инвертора 1.
Поскольку намагниченное состояние (величина магнитного потока) неизвестно до запуска инвертора 1, первый вариант осуществления определяет намагниченное состояние и начинает работу. Как результат, первый вариант осуществления не вызывает никакой нехватки крутящего момента, обусловленной недостаточной величиной общего магнитного потока, или никогда не устанавливает действительную величину магнитного потока, отличной от величины магнитного потока, заданной блоком управления, тем самым обеспечивая точность крутящего момента.
В дополнение, первый вариант осуществления вызывает команду Tm* крутящего момента после завершения намагничивания, сразу же после запуска инвертора. Как пояснено выше, пропускание тока намагничивания по Q-оси вместе с током намагничивания по D-оси может снижать переходный крутящий момент. Однако оно неспособно точно определять величину тока намагничивания по Q-оси, которая может правильно подавлять создание переходного крутящего момента. С другой стороны, только когда команда Tm* крутящего момента является нулем, то есть, только когда равен нулю ток Iq намагничивания по Q-оси, не возникает реактивный крутящий момент, который вызывает крутильный удар, а потому достигается плавный пуск. Подъем команды крутящего момента сразу же после запуска инвертора 1 и после завершения намагничивания может осуществлять плавный пуск без крутильного удара.
Первый вариант осуществления выполняет процесс намагничивания после останова команды работы, то есть, после того, как прикладывание крутящего момента становится необязательным, и при завершении процесса намагничивания, закрывает вентиль инвертора 1.
Во время высокоскоростной работы, например, электропоезда, есть состояние холостого хода или инерционное состояние, в котором инвертор 1 остановлен, чтобы снизить потери. В это время, если переменный магнитный поток велик, будет индуцироваться большое напряжение. Если индуцированное напряжение превышает напряжение постоянного тока инвертора, то есть напряжение токоприемника, двигатель 4 с переменным магнитным потоком пропускает ток в инвертор 1, даже если инвертор 1 остановлен. Это имеет значение для поглощения кинетической энергии от двигателя 4 с переменным магнитным потоком и прикладывает силу торможения к транспортному средству. Поэтому, это не является предпочтительным. Если величина скорости и магнитного потока высоки, индуцированное напряжение может превышать выдерживаемое напряжение инвертора 1 или стороны источника питания инвертора повреждать компоненты. Ради безопасности, предпочтительно обнулять общий магнитный поток и проводить режим холостого хода.
Таким образом, снижение магнитного потока прямо перед остановом инвертора 1 имеет следствием подавление создания индуцированного напряжения в режиме холостого хода, предотвращение прикладывания силы торможения и избежание повреждения компонентов во время перенапряжения.
В частности, первый вариант осуществления выполняет процесс намагничивания посредством выбора величины магнитного потока, чье абсолютное значение ближе к нулю, из числа величин магнитного потока, выраженных переменным магнитным потоком и постоянным магнитным потоком. Первый вариант осуществления управляет тремя уровнями магнитного потока и выбирает один, имеющий наименьшее абсолютное значение, из их числа. Эта технология может минимизировать создание индуцированного напряжения. То же самое применимо к двум уровням магнитного потока с использованием одного переменного магнита 53 и одного постоянного магнита 54, и к четырем или более уровням магнитного потока с использованием множества переменных магнитов 53.
Переменный магнит 53 может не использоваться вплоть до зоны насыщения. А именно переменный магнит 53 может использоваться при произвольном промежуточном значении между положительным максимумом и отрицательным максимумом. Это, по возможности, может уменьшать общий магнитный поток до нуля.
Двигатель может быть сконструирован так, что общий магнитный поток переменного магнита 53 становится равным таковому постоянного магнита 54. В этом случае, переменный магнит 53 используется в зоне Y насыщения и общий магнитный поток может обнуляться.
Первый вариант осуществления выполняет намагничивание во время запуска инвертора и во время останова инвертора с командой крутящего момента, устанавливаемой в ноль. Это происходит потому, что процесс намагничивания пропускает чрезмерно большой ток, а потому неизбежно создает переходный крутящий момент. Явнополюсный реактивный двигатель постоянно пропускает ток по Q-оси, а потому создает большой переходный крутящий момент, обусловленный чрезмерно большим током намагничивания, тем самым создавая механические вибрации и нарушая комфортность в случае электропоезда или HEV. В состоянии нулевого крутящего момента даже реактивный двигатель не пропускает ток по Q-оси, а потому создание переходного крутящего момента будет минимизироваться, когда чрезмерно большой ток намагничивания пропускается в направлении оси D.
В состоянии прикладываемого крутящего момента также переходный крутящий момент является допускающим уменьшение в зависимости от тока намагничивания. Первоначально, процесс намагничивания выполняется пропусканием тока в направлении оси D. В явнополюсной машине, ток по D-оси изменяет крутящий момент, если есть ток по Q-оси. Даже неявнополюсная машина часто пропускает чрезмерно большой ток, выше номинального тока, при выполнении намагничивания. Это может вызывать мгновенное магнитное насыщение, создающее переходный крутящий момент, подобный явнополюсной машине. Для подавления этого, ток по Q-оси пропускается в качестве тока намагничивания вместе с током по D-оси. Ток по Q-оси может подавлять переходный крутящий момент, что видно из выражения (11).
Таким образом, пропускание тока по Q-оси вместе с током по D-оси имеет следствием минимизацию переходного крутящего момента, который сопровождает процесс намагничивания, тем самым предотвращая механические вибрации, и, обеспечение комфортности, применительно к электропоездам и HEV.
Процесс намагничивания внезапно меняет магнитный поток, а чрезмерно большой ток намагничивания меняет эквивалентные параметры двигателя. Соответственно, трудно вычислить ток по Q-оси заранее, согласно выражению (11). Поэтому, необходимо определять ток по Q-оси на реальной машине. А именно, определяется ток по D-оси, необходимый для процесса намагничивания, а затем определяется ток по Q-оси, такой, чтобы подавлять переходный крутящий момент. Определенные токи сохраняются в качестве данных в таблице, которая используется на практике.
Фиг. 9 - временная диаграмма, показывающая еще один пример работы системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно первому варианту осуществления. На фиг. 9, сигнал PROT защиты создается в момент ta времени. Вместо команды Run* работы, указывающей на останов, сигнал PROT защиты останавливает инвертор.
Сигнал PROT защиты обнаруживает защитный режим работы в момент ta времени и меняется с «0» на «1». В этом состоянии команда Run* работы, флаг Run состояния работы и флаг TrqON разрешения крутящего момента одновременно выключаются. Команда Gst управления отпиранием оставляет включенное состояние для выполнения процесса намагничивания. А именно, от ta до tb, выполняется процесс намагничивания и обеспечивается команда Ф* магнитного потока для приведения абсолютного значения магнитного потока как можно ближе к нулю.
Таким образом, инвертор 1 не останавливается сразу же, когда сигнал PROT защиты меняется с «0» на «1». Взамен, инвертор 1 запирается после снижения общего магнитного потока. В состоянии, в котором причина защиты неизвестна, эта технология может снижать вероятность вторичного отказа, обусловленного напряжением, индуцированным во время режима запирания. Никакой защите не обязательно осуществлять отсечку после процесса намагничивания.
(Второй вариант осуществления)
Фиг. 10 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Второй вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления, показанного на фиг. 1, тем, что блок 29 создания запроса намагничивания создает флаг FCReq0 запроса предварительного намагничивания, который должен подаваться в блок 38 создания команд крутящего момента вместо флага FCReq запроса намагничивания, который должен подаваться в блок 13 управления переменным магнитным потоком, и тем, что блок 38 создания команд крутящего момента, в дополнение к флагу TrqON разрешения крутящего момента, принимает флаг FCReq0 запроса предварительного намагничивания и флаг FCCmp завершения намагничивания и, в дополнение к команде Tm* крутящего момента, создает флаг FCReq запроса намагничивания. А именно, блок 38 создания команд крутящего момента подготавливает команду Tm* крутящего момента для снижения крутящего момента при намагничивании переменного магнита, а после снижения крутящего момента, обеспечивает блок 13 управления переменным магнитным потоком флагом FCReq запроса намагничивания. Соответственно, блок 13 управления переменным магнитным потоком работает для снижения крутящего момента, а затем намагничивания переменного магнита. Такие же элементы, как по фиг. 1, представлены с прежними ссылками, чтобы не совершать повторных пояснений.
Согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 1, выходным сигналом от блока 29 создания запроса намагничивания является флаг FCReq запроса намагничивания. Согласно второму варианту осуществления, показанному на фиг. 10, блок 29 создания запроса намагничивания выводит флаг FCReq0 запроса предварительного намагничивания. Этот флаг FCReq0 запроса предварительного намагничивания подается, вместе с сигналом TrqON разрешения крутящего момента и флагом FCCmp завершения намагничивания, в блок 38 создания команд крутящего момента.
Фиг. 11 - структурная схема, показывающая блок 38 создания команд крутящего момента согласно второму варианту осуществления. Если флаг FCReq0 запроса предварительного намагничивания имеет значение «1», если есть запрос на изменение магнитного потока, RS-триггер 44 устанавливается. Выходной сигнал из RS-триггера 44 отправляется через схему 46 ИЛИ на переключатель 39. Схема 46 ИЛИ также принимает флаг FCCmp завершения намагничивания.
Когда выходным сигналом из схемы 46 ИЛИ является «1», переключатель 39 изменяет свой выходной сигнал с заданного значения TmR крутящего момента на предопределенное заданное значение TmMag крутящего момента намагничивания. Переключатель 40 выполняет операцию переключения в ответ на флаг TrqON разрешения крутящего момента. Если флаг TrqON разрешения крутящего момента имеет значение «1», переключатель 40 выбирает выходной сигнал с переключателя 39, а если он имеет значение «0», выбирает «0».
Если выходной сигнал из схемы 46 ИЛИ имеет значение «1» и если переключатель 39 выбирает предопределенное заданное значение TmMag крутящего момента намагничивания с флагом TrqON разрешения крутящего момента, находящимся в состоянии разрешения (= 1) крутящего момента, переключатель 40 выбирает и выводит заданное значение TmMag крутящего момента намагничивания. Наклон этого заданного значения TmMag крутящего момента намагничивания ограничивается ограничителем 41 скорости изменения, чтобы постепенно изменять команду Tm* крутящего момента. Компаратор 42 осуществляет проверку, чтобы выяснить, равны ли друг другу команда Tm* крутящего момента и команда TmMag крутящего момента намагничивания. Если они равны друг другу, обеспечивается «1», а если нет, обеспечивается «0». Выходной сигнал из компаратора 42 и выходной сигнал из RS-триггера 44 подаются в схему 43 И, которая выводит логическую функцию И входных сигналов в качестве флага FCReq запроса намагничивания.
А именно, ограничитель 41 скорости изменения постепенно изменяет команду Tm* крутящего момента. Когда команда Tm* крутящего момента равна команде TmMag крутящего момента намагничивания, флаг FCReq запроса намагничивания устанавливается для запроса (= 1) намагничивания. Флаг FCReq запроса намагничивания также вводится в схему 45 задержки, которая обеспечивает выходной сигнал, задержанный на один период управления. Выходной сигнал от схемы 45 задержки подается на вход установки нуля RS-триггера 44. А именно, флаг FCReq запроса намагничивания возникает (= 1) на один период управления, а затем сбрасывается (= 0).
Флаг FCReq запроса намагничивания от блока 38 создания команд крутящего момента вводится в блок 13 управления переменным магнитным потоком, чтобы выполнять процесс намагничивания, подобный первому варианту осуществления. Флаг FCCmp завершения намагничивания от блока 13 управления переменным магнитным потоком подается в схему 46 ИЛИ блока 38 создания команд крутящего момента. До тех пор, пока блок 13 управления переменным магнитным потоком находится в состоянии намагничивания (флаг завершения намагничивания, FCCmp = 1), команда Tm* крутящего момента устанавливается в команду TmMag крутящего момента намагничивания. Как только намагничивание завершено (FCCmp = 0), команда Tm* крутящего момента постепенно увеличивается по направлению к заданному значению TmR крутящего момента под действием ограничителя 41 скорости изменения.
Фиг. 12 - временная диаграмма, показывающая пример работы системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно второму варианту осуществления. Фиг. 12 показывает случай, в котором команда TmMag крутящего момента намагничивания имеет значение 0.
Например, будет пояснен процесс B намагничивания (от t4 до t5). Согласно флагу flag FCReq0 запроса предварительного намагничивания команда Tm* крутящего момента уменьшается до нуля между моментом t4' времени и моментом t4 времени. Когда команда Tm* крутящего момента становится нулем в момент t4 времени, флаг FCReq запроса намагничивания возникает, чтобы начать процесс намагничивания. До тех пор, пока процесс намагничивания не завершен (до тех пор, пока FCCmp не меняется с 1 на 0), команда Tm* крутящего момента поддерживается за командой крутящего момента намагничивания = 0.
Таким образом, процесс намагничивания выполняется уменьшением команды Tm* крутящего момента до команды TmMag крутящего момента намагничивания. Соответственно, даже реактивный двигатель может минимизировать переходный крутящий момент, когда чрезмерно большой ток намагничивания пропускается в направлении оси D, так как ток по Q-оси имеет значение нуля в состоянии нулевого крутящего момента.
(Третий вариант осуществления)
Фиг. 13 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Третий вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления, показанного на фиг. 1, тем, что он дополнительно имеет блок 61 обработки коэффициента модуляции и блок 62 управления ослаблением поля, и тем, что выходной сигнал от блока 62 управления ослаблением поля подается в блок 29 создания запроса намагничивания. Как результат, блок 29 создания запроса намагничивания создает запрос намагничивания на основании коэффициента модуляции инвертора 1. Такие же элементы, как по фиг. 1, представлены прежними ссылками, чтобы не совершать повторных пояснений.
На фиг. 13, напряжение Vdc постоянного тока инвертора 1 обнаруживается устройством 60 обнаружения напряжения постоянного тока и подается в блок 61 обработки коэффициента модуляции. Блок 61 обработки коэффициента модуляции принимает напряжение Vdc постоянного тока и команды Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси от блока 10 обработки команд напряжения. На основании команд Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси, блок 61 обработки коэффициента модуляции вычисляет амплитуду VI* команды напряжения в системе координат DQ-осей, как изложено ниже:
[Мат. 9]
На основании напряжения Vdc постоянного тока, блок 61 обработки коэффициента модуляции вычисляет максимальное напряжение V1max DQ-осей, которое обеспечивается инвертором 1, согласно нижеупомянутому выражению. Этот максимальный выходной сигнал достигается в одноимпульсном режиме.
[Мат. 10]
Коэффициент AL модуляции выражается, как упомянуто ниже. Блок 61 обработки коэффициента модуляции выводит коэффициент AL модуляции. Коэффициент AL модуляции является значением между 0 и 1.
[Мат. 11]
Блок 62 управления ослаблением поля принимает коэффициент AL модуляции от блока 61 обработки коэффициента модуляции, и, если коэффициент AL модуляции выше предопределенного максимального коэффициента ALmax модуляции, корректирует и регулирует токи по D- и Q-оси, так, чтобы уравнять AL с ALmax. Это является управлением ослаблением поля. Предопределенный максимальный коэффициент модуляции является произвольным значением и никогда не превышает 1. Пример управления ослаблением поля вычисляет величину If* коррекции для токов по D- и Q-оси, как изложено ниже:
[Мат. 12]
Здесь s - оператор Лапласа, Kp - коэффициент передачи пропорционального регулятора, а Ki - коэффициент передачи интегрального регулятора. If* заключен в области выше 0. Вышеупомянутое выражение управляет командой If* тока компенсации для ослабления поля, так чтобы коэффициент AL модуляции мог согласовываться с максимальным коэффициентом ALmax модуляции.
Команда If* тока компенсации для ослабления поля делает заданные значения IdR и IqR тока по D- и Q-оси приложенными к блоку 11 обработки заданных значений тока, тем самым выполняя компенсацию. А именно, компенсация производится вычитанием значения коррекции из последних каскадов выражений (5) и (6) блока 11 обработки заданных значений тока.
На практике, команда If* тока компенсации не просто вычитается из заданных значений IdR и IqR тока по D- и Q-оси. Вместо этого, пропорции D- и Q-оси определяются согласно рабочим условиям, а затем выполняется коррекция.
Таким образом, осуществляется управление ослаблением поля. Управление ослаблением поля обеспечивает команду If* тока компенсации ослабления поля со значением, равным или большим, чем 0 (оно является 0, если никакого ослабления поля не выполняется, и положительным значением при выполнении ослабления поля), чтобы компенсировать заданные значения тока по D- и Q-оси.
Команда If* тока компенсации ослабления поля также вводится в блок 29 создания запроса намагничивания. Блок 29 создания запроса намагничивания создает флаг FCReq (= 1) запроса намагничивания в зоне, в которой коэффициент модуляции инвертора становится максимальным. Фиг. 14 - структурная схема, показывающая пример блока 29 создания запроса намагничивания согласно третьему варианту осуществления. По сравнению с блоком 29 создания запроса намагничивания согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг. 6, третий вариант осуществления дополнительно имеет компаратор 63 для сравнения команды If* тока компенсации ослабления поля с предопределенным установленным значением IfMag, и блок 64 проверки на изменение для нахождения изменения в результате сравнения. Такие же элементы, как по фиг. 6, представлены прежними ссылками, чтобы не совершать повторных пояснений.
Команда If* тока компенсации ослабления поля сравнивается компаратором 63 с предопределенным установленным значением IfMag. Команда If* тока компенсации положительно возрастает в зоне ослабления поля, а потому установленное значение IfMag устанавливается положительным. Когда команда If* тока компенсации возрастает, чтобы превышать установленное значение IfMag, выводится «1», а если ниже установленного значения, выводится «0». Блок 64 проверки на изменение обнаруживает момент времени, когда изменяется выходной сигнал компаратора 63, и выводит обнаруженный результат в схему 32 ИЛИ. Выходным сигналом из схемы 32 ИЛИ является флаг FCReq запроса намагничивания для выполнения процесса намагничивания. А именно, процесс намагничивания выполняется, когда глубина ослабления поля становится большой в зоне ослабления поля.
В процессе намагничивания, команда Ф* большого магнитного потока выдается на низкочастотной стороне, и команда Ф* небольшого магнитного потока выдается на высокочастотной стороне. Для этого, блок 12 обработки команд магнитного потока может быть настроен согласно вышеупомянутому выражению (2). А именно, команда Ф* магнитного потока изменяется в зависимости от условия частоты вращения.
Фиг. 15 - график характеристики, показывающий ответные формы сигналы при ускорении двигателя 4 с переменным магнитным потоком согласно третьему варианту осуществления. На фиг. 15, верхний предел максимального коэффициента ALmax модуляции установлен в 1. Если частота FR вращения двигателя 4 с переменным потоком возрастает, начиная с момента t0 времени, коэффициент AL модуляции повышается согласно повышению частоты FR вращения двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Когда коэффициент AL модуляции достигает «1» в момент t1 времени, начинается ослабление поля. А именно, команда If* тока компенсации ослабления поля постепенно возрастает от нуля до положительных значений. Когда команда If* тока компенсации ослабления поля достигает IfMag1 в момент t2 времени, для уменьшения магнитного потока магнита от Ф1 до Ф2 выполняется процесс MG-A намагничивания. В это время, магнитный поток магнита, который является возрастающим, по-прежнему находится в зоне WK-A ослабления поля, а коэффициент модуляции остается 1.
Когда команда If* тока компенсации ослабления поля достигает IfMag2 в момент t3 времени, для уменьшения магнитного потока магнита от Ф2 до Ф3 выполняется процесс MG-B намагничивания. В это время, уменьшение магнитного потока велико, а потому, коэффициент AL модуляции один раз снижается ниже «1» зоны WK-B ослабления поля.
Ослабление поля является крайне важной функцией для обеспечения широкого диапазона управления частотой вращения. Однако в случае синхронного двигателя на постоянных магнитах, большой ток необходим для ослабления поля, что ошибочно уменьшит коэффициент мощности или коэффициент полезного действия. Чтобы справляться с этим, магнитный поток изменяется согласно амплитуде команды If* тока компенсации ослабления поля, указывающей на глубину ослабления поля. Это подавляет чрезмерный ток ослабления поля и предотвращает ухудшение коэффициента мощности и коэффициента полезного действия двигателя. Это обеспечивает эффект снижения потери и миниатюризации устройства охлаждения. Предотвращение снижения коэффициента мощности дает возможность использования переключающих элементов малых предельно допустимых токов.
На высоких частотах вращения, для реализации более высоких скоростей вращения, ослабление поля продолжается при пониженном магнитном потоке магнита. Это расширяет диапазон рабочих частот вращения.
Третий вариант осуществления устанавливает верхний предел по максимальному коэффициенту ALmax модуляции в «1». Это одноимпульсный режим. Одноимпульсный режим выводит максимальное напряжение, которое может обеспечиваться инвертором. Этот режим включает в себя положительный и отрицательный импульсы, каждый из которых обеспечивается на одном периоде выходного сигнала, а потому количество раз переключения за период режима является минимальным.
А именно, одноимпульсный режим может снижать потери на переключение переключающего элемента, для повышения выходного напряжения и уменьшения габаритов системы. В процессе B намагничивания коэффициент модуляции становится меньшим, чем «1» после изменения магнитного потока. Это не поднимает никаких проблем для системы привода двигателя с переменным магнитным потоком. Процесс A намагничивания может поддерживать одноимпульсный режим при изменяемом значении магнитного потока магнита. В этом случае, не будет увеличения потерь на необязательные переключения и можно снизить нагрузку на устройство охлаждения.
Предпочтительно выполнять процесс намагничивания до установки команды If* тока компенсации ослабления поля, которая может автоматически намагничивать магнит. Если значение IfMag, установленное для переключения команды If* тока компенсации ослабления поля, велико, ток, повышающийся согласно управлению ослаблением поля, непреднамеренно выполняет намагничивания для изменения магнитного потока магнита. Даже в этом случае, третий вариант осуществления, использующий переменный магнит, может реализовывать широкий диапазон частот вращения. Однако, когда настоящее изобретение применяется к HEV и электропоездам, является предпочтительным снижать крутильный удар, вызванный таким изменением магнитного потока. Крутильный удар возникает, так как управление переменным магнитным потоком резко изменяет магнитный поток магнита. Для подавления крутильного удара, предпочтительно намеренно изменять магнитный поток, например, проведением точного дополнительного регулирования тока во время процесса намагничивания.
На фиг. 14, команда If* тока компенсации ослабления поля имеет только одну точку переключения. Вместо этого, она может иметь две или более точек переключения. Пример, показанный на фиг. 15, имеет две точки (IfMag1 и IfMag2) переключения.
Фиг. 16 - график характеристики, показывающий ответные формы сигналы при замедлении двигателя 4 с переменным магнитным потоком по третьему варианту осуществления. Подобно примеру по фиг. 15, процесс MG-A намагничивания создает запрос намагничивания в момент t13, когда команда If* тока компенсации ослабления поля становится меньшей, чем предопределенное значение IfMag1. Процесс MG-B намагничивания требует процесса намагничивания вне зоны ослабления поля, а потому не достижим с помощью запроса намагничивания, основанного на токе If* компенсации ослабления поля. WK-A и WK-B каждая указывает зону ослабления поля.
Чтобы справляться с этим, блок 29 создания запроса намагничивания составлен подобно фиг. 17 вместо показанного на фиг. 14. Фиг. 17 - структурная схема, показывающая еще один пример блока 29 создания запроса намагничивания, согласно третьему варианту осуществления. А именно, блок 29 создания запроса намагничивания принимает коэффициент AL модуляции вместо значения If* команды тока компенсации ослабления поля. Компаратор 63 сравнивает коэффициент AL модуляции и предопределенное установленное значение ALMag друг с другом. Изменение результата сравнения проверяется блоком 64 проверки на изменение, который создает запрос намагничивания для выполнения процесса B намагничивания.
Фиг. 18 - структурная схема, показывающая еще один другой пример блока 29 создания запроса намагничивания, согласно третьему варианту осуществления. Этот пример отличается от примера, показанного на фиг. 17 тем, что он принимает частоту ωR вращения ротора двигателя 4 с переменным магнитным потоком вместо коэффициента AL модуляции по фиг. 17. Частота ωR вращения ротора получается дифференцированием угла θ поворота, который обнаруживается датчиком 18 угла поворота.
Блок 29 создания запроса намагничивания принимает частоту ωR вращения ротора двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Компаратор 63 сравнивает частоту ωR вращения ротора и предопределенное установленное значение ωRMag друг с другом. Результат сравнения проверяется блоком 64 проверки на изменение, который создает запрос намагничивания. Пример по фиг. 18 реализует широкий диапазон частот вращения переключением магнитного потока согласно частоте ωR вращения ротора, так, чтобы магнитный поток увеличивался на низких частотах вращения и уменьшался на высоких скоростях вращения.
(Четвертый вариант осуществления)
Фиг. 19 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления, двигатель с переменным магнитным потоком, который является синхронным двигателем на постоянных магнитах, является таким же, как таковой по первому варианту осуществления, поясненному со ссылкой на фиг. с 2 по 5.
Согласно этому варианту осуществления главная схема состоит из источника 3 питания постоянного тока, инвертора 1 для инвертирования энергии постоянного тока в энергию переменного тока и двигателя 4 с переменным магнитным потоком, приводимого в движение энергией переменного тока инвертора 1. Главная схема включает в себя устройство 2 обнаружения тока переменного тока для обнаружения мощности двигателя и датчик 18 угла поворота (датчик положения) для обнаружения частоты вращения двигателя.
Затем, будет пояснена операция управления вышеупомянутой системой. Входными сигналами в нее являются команда Run* работы и команда Tm* крутящего момента. Блок 16 создания команды работы принимает команду Run* работы и сигнал PROT защиты от блока 17 проверки на защиту и создает и выводит флаг Run состояния работы. В своей основе, флаг Run состояния работы устанавливается в состояние работы (Run = 1), когда вводится команда работы (Run* = 1), и в состояние останова (Run = 0), когда команда работы указывает останов (Run* = 0). Когда обнаружена защита (PROT = 1), состояние работы устанавливается в состояние останова (Run = 0), даже если команда Run* работы имеет значение «1».
Блок 15 создания команд управления отпиранием принимает флаг Run состояния работы и создает и выводит команду Gst управления отпиранием на переключающие элементы, включенные в инвертор 1. Блок 15 создания команд управления отпиранием незамедлительно устанавливает запуск управления отпиранием (Gst = 1), если флаг Run состояния работы меняется с останова (Run = 0) на работу (Run = 1), и устанавливает отключение управления отпиранием (Gst = 0) через предопределенное время после того, как флаг Run состояния работы меняется с работы (Run = 1) на останов (Run = 0).
Блок 12 обработки команд магнитного потока принимает флаг Run состояния работы и частоту ω1 инвертора, то есть частоту ωR вращения ротора, и создает и выводит команду Ф* магнитного потока, например, согласно упомянутому ниже выражению (16). Если оно является состоянием останова (Run =0), команда Ф* магнитного потока минимизируется до Фmin. Если оно является состоянием работы (Run = 1) и если частота ωR вращения ниже, чем предопределенное значение, команда Ф* магнитного потока максимизируется до Фmax. Если частота вращения выше, чем предопределенное значение, команда Ф* магнитного потока минимизируется до Фmin.
[Мат. 13]
|
Если (Run = 0), Ф* = Фmin Иначе, если (|ω1| < ωA), Ф* = Фmax Иначе Ф* = Фmin |
(16) |
Здесь, Фmin - минимальная величина магнитного потока (>0), которая должна приниматься двигателем 4 с переменным магнитным потоком, Фmах - максимальная величина магнитного потока, которая должна приниматься двигателем 4 с переменным магнитным потоком, а ωA - предопределенная частота вращения. Установка величин Фmin и Фmах магнитного потока будет пояснена позже в связи с блоком 13 управления переменным магнитным потоком.
Блок 11 обработки заданного значения тока принимает команду Tm* крутящего момента и команду Ф* магнитного потока и вычисляет заданное значение IdR тока по D-оси и заданное значение IqR тока по Q-оси согласно следующим выражениям (17) и (18):
[Мат. 14]
| IdR = 0 | (17) |
| IqR = Tm*/Ф* | (18) |
Выражения (17) и (18) основаны на допущении, что реактивный крутящий момент двигателя не используется, а количество полюсов имеет значение 0. Двигатель может быть любым явнополюсным двигателем, заключающим в себе разность ΔL между индуктивностью Ld по D-оси и индуктивностью Lq по Q-оси, или неявнополюсным двигателем, не имеющим такой разности.
Однако является эффективным принимать во внимание реактивный крутящий момент, для того чтобы оптимизировать коэффициент полезного действия и максимизировать выходную мощность при предопределенном токе. В этом случае, может применяться следующее выражение:
[Мат. 15]
Здесь K - отношение между током по D-оси и током по Q-оси, является переменным, зависящим от вышеупомянутой оптимизации коэффициента полезного действия и максимизации выходной мощности. Что касается оптимизации, она принимает форму функции с крутящим моментом, частотой вращения и тому подобным в качестве аргументов. Выражение может заменяться простой аппроксимацией или может быть подготовлено в виде таблицы. Команда Ф* магнитного потока в выражении (19) является вычисляемой, если замещается оцененным значением Фh магнитного потока, которое будет пояснено позже.
Конструктивные подробности блока 29 создания запроса намагничивания подобны таковым у первого варианта осуществления, показанного на фиг. 6.
Фиг. 20 показывает конструктивные подробности блока 13 управления переменным магнитным потоком. Блок 13 управления переменным магнитным потоком принимает команду Ф* магнитного потока от блока 12 обработки команд магнитного потока и выводит разность ΔIdm* тока намагничивания по D-оси для коррекции заданного значения IdR тока по D-оси. Разность ΔIdm* тока намагничивания создается согласно упомянутой ниже последовательности операций.
Для намагничивания переменного магнита VMG команда Im* предопределенного тока намагничивания должна вычисляться согласно характеристике BH переменного магнита, подобной первому варианту осуществления, показанному на фиг. 4. Амплитуда команды Im* тока намагничивания устанавливается, чтобы быть равной или большей, чем Hlsat по фиг. 4, то есть в пределах зоны Y насыщения намагничивания переменного магнита.
Для пропускания тока намагничивания вплоть до зоны Y насыщения намагничивания блок 12 обработки команд магнитного потока устанавливает величины Фmin и Фmах магнитного потока добавлением участка постоянного магнита к положительному или отрицательному максимальному значению (насыщения) магнитного потока переменного магнита. Если бы переменный магнит VMG имел положительную максимальную величину ФVARmax магнитного потока (абсолютное значение отрицательного максимума предполагается равным таковому положительного максимума), а постоянный магнит FMG имел величину ФFIХ магнитного потока, доказывалось бы следующее:
[Мат. 16]
| Фmin = ФFIX - ФVАRmax | (21) |
| Фmах = ФFIХ + ФVARmax | (22) |
Команда Ф* магнитного потока вводится в блок 13, и таблица 27 токов намагничивания, хранящая соответствующие токи намагничивания, извлекает команду Im* тока намагничивания, соответствующую команде Ф* магнитного потока.
В основном, направление намагничивания магнита находится в направлении оси D, а потому команда Im* тока намагничивания установлена, чтобы обеспечивать команду Id* тока по D-оси. Согласно этому варианту осуществления заданное значение IdR тока по D-оси от блока 11 обработки заданного значения тока корректируется согласно разности ΔIdm* команды тока намагничивания по D-оси, тем самым обеспечивая команду Id* тока по D-оси. Соответственно, вычитающее устройство 26A находит разность ΔIdm* тока намагничивания по D-оси, как изложено ниже: [Мат. 17]
| ΔIdm* = Im* - IdR | (23) |
Чтобы изменять магнитный поток, также возможна конфигурация непосредственного применения тока Im* намагничивания к команде Id* тока по D-оси.
С другой стороны, флаг FCReq запроса намагничивания возникает (FCReq = 1), по меньшей мере, мгновенно, когда магнитному потоку необходимо изменяться. Чтобы надежно изменять магнитный поток, флаг FCReq запроса намагничивания отправляется в устройство 28 импульса включения минимума, которое выводит флаг завершения намагничивания (= 1 для указания, что намагничивание продолжается, и = 0 для указания завершения намагничивания). Этот флаг завершения намагничивания обладает функцией неотключения (= 0) в течение предопределенного времени, как только он включен (=1). Если входным сигналом является включено (= 1) в течение периода, превышающего предопределенное время, устройство 28 выключает флаг, то есть, выключает его выходной сигнал.
Переключатель 23 принимает флаг завершения намагничивания. Если выполняется намагничивание (флаг завершения намагничивания = 1), переключатель 23 обеспечивает выходной сигнал из вычитающего устройства 26A, а если намагничивание завершено (флаг завершения намагничивания =0), обеспечивает ноль.
Блок 10 обработки команд напряжения по фиг. 19 принимает команды Id* и Iq* тока по D- и Q-оси и создает команды Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси, так чтобы могли пропускаться токи, соответствующие командам.
Команды Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси от блока 10 обработки команд напряжения преобразуются блоком 5 преобразования координат в команды Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения. Согласно командам трехфазного напряжения схема 6 ШИМ создает сигнал управления отпиранием для ШИМ-управления инвертором 1. Блок 7 преобразования координат преобразует токи Iu и Iw переменного тока, обнаруженные устройством 2 обнаружения тока, в обнаруженные значения Id и Iq токов по D- и Q-оси, которые вводятся в блок 10 обработки команд напряжения. Псевдодифференциатор 8 дифференцирует угловой сигнал θ с датчика 18 угла поворота (датчика положения) в частоту ω1 инвертора. Блок 10 обработки команд напряжения, блоки 5 и 7 преобразования координат и схема 6 ШИМ являются известными.
Фиг. 21 - пример временной диаграммы, показывающей действие различных сигналов. В этом примере, сигнал защиты не установлен (PROT = 0). Согласно изменению флага Run состояния работы или изменению команды Ф* магнитного потока устанавливается флаг запроса намагничивании, а флаг завершения намагничивания устанавливается, чтобы гарантировать флаг запроса намагничивания в течение предопределенного времени. В течение периода, в котором установлен флаг завершения намагничивания, команда Im* тока намагничивания имеет значение.
Этот вариант осуществления с вышеупомянутой конфигурацией обеспечивает результаты, упомянутые ниже. Двигатель 4 с переменным магнитным потоком показывает резкое изменение характеристики, касающейся тока инвертора для намагничивания, как показано на характеристике BH по фиг. 4. Соответственно, на практике трудно повторно получать один и тот же магнитный поток, даже если повторяется одно и то же управление, так как есть осевое отклонение между осью D и осью магнитного потока, вызванное управлением без датчика положения, различием запрашиваемого тока и индивидуальным различием двигателя. Плохая повторяемость магнитного потока ухудшает точность крутящего момента, а потому не является желательной.
Для этого система привода двигателя с переменным магнитным потоком по варианту осуществления пропускает более высокий ток намагничивания, чем зона насыщения намагничивания характеристики намагничивания переменного магнита VMG, чтобы зафиксировать величину переменного магнитного потока после намагничивания, улучшить повторяемость, обеспечить точность крутящего момента и улучшить надежность привода.
Система привода двигателя с переменным магнитным потоком по варианту осуществления устанавливает минимальное время для пропускания тока намагничивания, а потому намагничивание не будет завершаться не полностью. Это удерживает величину переменного магнитного потока после завершения процесса намагничивания от изменения и улучшает точность крутящего момента.
(Пятый вариант осуществления)
Со ссылкой на фиг. с 22 по 25, будет пояснена система привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 22 показывает конструкцию двигателя 4A с переменным магнитным потоком, который должен управляться системой привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения. Двигатель 4A с переменным магнитным потоком по этому варианту осуществления отличается от двигателя 4 с переменным магнитным потоком по четвертому варианту осуществления тем, что переменный магнит VMG состоит из пары двух разных постоянных магнитов с низкой коэрцитивной силой.
А именно, ротор 51 имеет железный сердечник 52 ротора, который включает в себя комбинации магнитов, каждая состоящая из постоянного магнита 54 с высокой коэрцитивной силой, такого как неодимовый магнит NdFeB, постоянного магнита A 53 с низкой коэрцитивной силой и постоянного магнита В 57 с низкой коэрцитивной силой, причем магнит A 53 и магнит В 57, например, являются алнико (AlNiCo) магнитами и образуют пару. Магнит 54 с высокой коэрцитивной силой является постоянным магнитом FMG и установлен в части 55 магнитного полюса в направлении, ортогональном диаметру железного сердечника 52 ротора. Магнит A 53 с низкой коэрцитивной силой является переменным магнитом VMG и установлен по другую сторону части 55 магнитного полюса в направлении диаметра железного сердечника 52 ротора. А именно, магнит A 53 находится в граничной области между соседними частями 55 магнитных полюсов. Другой постоянный магнит В 57 с низкой коэрцитивной силой установлен параллельно с постоянным магнитом 54 с высокой коэрцитивной силой на стороне центра ротора 51. Два постоянных, магнит A 53 и магнит В 57, с низкой коэрцитивной силой изготовлены из одинакового магнитного материала, то есть алнико (AlNiCo), подобного четвертому варианту осуществления.
Таким образом, каждый переменный магнит VMG состоит из постоянного магнита A 53 и магнита В 57 с низкой коэрцитивной силой, которые сделаны из одинакового магнитного материала и установлены в разных положениях. Соответственно, два постоянных, магнит A 53 и магнит В 57, с низкой коэрцитивной силой обеспечивают разные действия намагничивания относительно тока намагничивания по D-оси. Это образует конструкцию переменного магнита, имеющего две характеристики BH, показанные на фиг. 23.
Фиг. 23 показывает разные характеристики BH, то есть кривые C53 и C57 переменных магнитов. Две кривые C53 и C57 переменных магнитов обеспечиваются алнико магнитами, установленными в разных пространственных положениях. Применение пары из двух постоянных магнитов с низкой коэрцитивной силой из разных материалов также может обеспечивать две характеристики BH. Магниты из одинакового магнитного материала имеют идентичную характеристику BH. Однако, в зависимости от их положений в двигателе, они демонстрируют разные значения Ф магнитного потока относительно намагничивания H током. Характеристики, показанные на фиг. 23, показывают зависимости между током намагничивания от инвертора и магнитным потоком и основаны не только на материалах. LV-A - уровень A установки тока намагничивания инвертора, а LV-B - уровень В установки тока намагничивания инвертора.
Согласно этому варианту осуществления конструкция двигателя 4A с переменным магнитным потоком отличается от таковой по четвертому варианту осуществления, как упомянуто выше, а установка амплитуды тока намагничивания для изменения магнитного потока отличается от таковой по первому варианту осуществления. Согласно этому варианту осуществления конфигурация системы привода двигателя с переменным магнитным потоком подобна таковой четвертого варианта осуществления, показанного на фиг. 19. Функциональная конфигурация блока 13 управления переменным магнитным потоком показана на фиг. 24 и отличается от таковой по четвертому варианту осуществления. Подробности о блоке 13 управления переменным магнитным потоком согласно этому варианту осуществления будут пояснены.
Переменный магнит малой коэрцитивной силой указывается ссылкой как переменный магнит A, а переменный магнит высокой коэрцитивной силой указывается ссылкой как переменный магнит B. Две команды Im_A и Im_B тока намагничивания обеспечиваются шаг за шагом.
Im_A находится в зоне насыщения намагничивания, то есть выше HcAsat переменного магнита A и в обратимой зоне переменного магнита B.
Im_B находится в зоне насыщения намагничивания, то есть выше HcBsat, что касается обоих переменных магнитов В и A.
Блок 13 управления переменным магнитным потоком выбирает одну из двух команд тока намагничивания (возможна положительно-отрицательная комбинация) согласно уровню команды Ф* запрашиваемого магнитного потока и обеспечивает команду Im* тока намагничивания.
Блок 13 управления переменным магнитным потоком вычисляет команду Im* тока намагничивания согласно команде Ф* магнитного потока. Блок 13 управления переменным магнитным потоком по этому варианту осуществления отличается от такового по четвертому варианту осуществления, показанному на фиг. 20 тем, что добавлен блок 35 хранения предыдущего значения, а таблица 27 тока намагничивания имеет два аргумента. Микрокомпьютер управления применяется для повторения процесса управления с предопределенными интервалами.
Команда Ф* магнитного потока и флаг FCReq запроса намагничивания вводятся в блок 35 хранения предыдущего значения. Блок 35 сохраняет команду Ф* магнитного потока на каждом восходящем фронте флага запроса намагничивания. Выходной сигнал от блока 35 хранения предыдущего значения является значением команды Ф* магнитного потока, обеспечиваемой, когда флаг FCReq запроса намагничивания возрос до 1 последний раз, то есть значение команды Ф* магнитного потока для предыдущего процесса намагничивания. Здесь, предыдущее значение команды магнитного потока указывается ссылкой как Ф*old. Таблица 27 тока намагничивания принимает значение Ф* команды магнитного потока этого момента времени и предыдущее значение Ф*old команды магнитного потока.
Таблица 27 тока намагничивания установлена, как показано на фиг. 25. Максимальным магнитным потоком переменного магнита A 53 является VARAmax, а максимальным магнитным потоком переменного магнита В 57 является VARBmax. Затем, команда магнитного потока может принимать четыре следующих значения:
[Мат. 18]
| (i) Ф1 = ФFIX - ФVARАmax - ФVARВmax (ii) Ф2 = ФFIХ + ФVARAmax-ФVARBmax |
|
| (iii) Ф3 = ФFIX-ФVARAmax+ФVARmax (iv) Ф4 = ФFIX + ФVARmax+ ФVARBmax |
(24) |
Как очевидно из таблицы по фиг. 25, таблица 27 тока намагничивания отличается тем, что даже один и тот же магнитный поток может придерживаться разного процесса намагничивания, то есть разного тока намагничивания в зависимости от предыдущего состояния. Например, в таблице по фиг. 25, случай с предыдущим значением команды магнитного потока, Ф*old = Ф2, и текущим значением команды магнитного потока, Ф* = Ф3, соответствует «Im_B→-Im_A». Это означает, что процесс намагничивания сначала выполняется с Im* = Im_B, а затем продолжается с Im* = -Im_A. Это может быть достижимым просто изменением команды Ф* тока намагничивания от Im_B до -Im_A согласно времени. Чтобы надежно выполнять процесс намагничивания, он выполняется с Im_B, а после полного завершения намагничивания, подобного четвертому варианту осуществлению или шестому варианту осуществления, который будет пояснен позже, продолжается изменением команды Ф* магнитного потока до -Im_A и снова установкой флага запроса намагничивания.
Согласно этому варианту осуществления система привода двигателя с переменным магнитным потоком применяет два или более переменных магнит A 53 и магнит В 57 разных характеристик, чтобы установить четыре уровня величин магнитного потока вместо двух, которые достижимы с помощью одиночного переменного магнита. В частности, этот вариант осуществления устанавливает ток намагничивания, в пределах обратимой зоны намагничивания или зоны насыщения, а потому каждый переменный магнит имеет определенное значение. Соответственно, этот вариант осуществления может устанавливать магнитный поток, который воспроизводим и имеет хорошую повторяемость, чтобы улучшать точность крутящего момента. Способность применять множество уровней магнитного потока предоставляет величине магнитного потока возможность тонко настраиваться в зависимости от рабочих условий. Таким образом, вариант осуществления производит наилучшее использование двигателя с переменным магнитным потоком для улучшения коэффициента полезного действия системы. Хотя вариант осуществления применяет комбинацию из двух переменных магнитов A и В, комбинация из трех или более переменных магнитов также возможна.
(Шестой вариант осуществления)
Фиг. 26 показывает систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 26, части, обычные для четвертого варианта осуществления, показанного на фиг. 19, представлены одинаковыми ссылками.
Система привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно шестому варианту осуществления отличается от четвертого варианта осуществления, показанного на фиг. 19 тем, что блок 9 оценки магнитного потока дополнительно установлен для оценки магнитного потока Фh с использованием команд Vd* и Vq* напряжения от блока 10 обработки команд напряжения, токов Id и Iq по D- и Q-оси от блока 7 преобразования координат и угловой частоты ω1 вращения ротора и выводит оцененный магнитный поток в блок 13 управления переменным магнитным потоком. В дополнение, блок 13 управления переменным магнитным потоком имеет конфигурацию, показанную на фиг. 27.
Блок 9 оценки магнитного потока использует команды Vd* и Vq* напряжения по D- и Q-оси, токи Id и Iq по D- и Q-оси и угловую частоту ω1 вращения ротора (частоту инвертора) для оценки величины магнитного потока по D-оси, как изложено ниже:
[Мат. 19]
| Фh = (Vq*-R1× Iq - ω1×Ld×Id - Lq × dIq/dt) / ω1 | (25) |
Оцененное значение Фh магнитного потока и команда Ф* магнитного потока от блока 12 обработки команд магнитного потока вводятся в блок 13 управления переменным магнитным потоком.
Подробная конфигурация блока 13 управления переменным магнитным потоком по этому варианту осуществления показана на фиг. 27. Вычитающее устройство 19 вычисляет отклонение между командой Ф* магнитного потока и оцененным значением Фh магнитного потока и выдает отклонение в (PI, пропорционально интегральный) ПИ-регулятор 20. Команда Ф* магнитного потока вводится в блок 21 обработки заданного значения тока намагничивания. Блок 21 обработки заданного значения тока намагничивания вычисляет команду Im* тока намагничивания с использованием таблицы или функционального уравнения, так чтобы намагничивание выполнялось для реализации магнитного потока, соответствующего команде Ф* магнитного потока. В это время, используется характеристика BH, подобная упомянутой выше. Сумматор 22 добавляет выходной сигнал от блока 21 обработки заданного значения тока намагничивания к выходному сигналу от блока 20 ПИ-регулирования.
Сумматор 22 обеспечивает команду Im* тока намагничивания. Для намагничивания команда Im* тока намагничивания применяется в качестве команды Id* тока по D-оси. Чтобы заставить Id* и Im* согласовываться друг с другом, вариант осуществления использует вычитающее устройство 26A для вычитания заданного значения IdR тока по D-оси из команды Im* тока намагничивания и обеспечивает разность ΔIdm* команды тока намагничивания по D-оси. Эта разность добавляется к заданному значению IdR тока по D-оси сумматором, а потому команда Id* тока по D-оси согласуется с командой Im* тока намагничивания.
Переключатель 23 в блоке 13 управления переменным магнитным потоком выбирает один из двух входных сигналов, согласно флагу завершения намагничивания, который должен пояснен позже, и выводит команду Idm* тока намагничивания. Если флаг завершения намагничивания имеет значение 0 (намагничивание завершено), разность ΔIdm* команды тока намагничивания по D-оси устанавливается в ноль. Если флаг завершения намагничивания имеет значение 1 (при намагничивании), выходной сигнал от сумматора 22 обеспечивается в качестве ΔIdm*.
Отклонение между командой Ф* магнитного потока от вычитающего устройства 19 и оцененным значением Фh магнитного потока вводится в блок 24 проверки на завершение намагничивания. Блок 24 проверки на завершение намагничивания обеспечивает 1, если абсолютное значение отклонения магнитного потока является меньшим, чем предопределенное значение α, а если оно является большим, чем α, обеспечивает 0. Триггер 25 (RS-FF) принимает флаг FCReq запроса намагничивания на входе S установки единицы, а выходной сигнал от блока 24 проверки на завершение намагничивания на входе R установки нуля. Выходным сигналом от RS-FF 25 является флаг завершения намагничивания, который вводится в блок 20 ПИ-регулирования и переключатель 23. Если флаг завершения намагничивания имеет значение 0, он указывает, что намагничивание было завершено, а если 1, он указывает, что намагничивание выполняется.
Оцененное значение Фh магнитного потока от блока 9 оценки магнитного потока также вводится в блок 11 обработки заданного значения тока. Блок 11 обработки заданного значения тока использует оцененное значение Фh магнитного потока вместо команды Ф* магнитного потока, используемой выражением по первому варианту осуществления, и вычисляет заданные значения IdR и IqR тока по D- и Q-оси, как изложено ниже:
[Мат. 20]
С вышеупомянутой конфигурацией, этот вариант осуществления обеспечивает действия и результаты, упомянутые ниже. Если есть запрос намагничивания, флаг запроса намагничивания становится в 1, по меньшей мере, немедленно. RS-FF 25 затем устанавливается для обеспечения флага завершения намагничивания в 1 для указания, что намагничивание продолжается. Переключатель 23 обеспечивает в качестве команды Im* тока намагничивания, выходные сигналы от ПИ-регулятора 20 и блока 21 обработки заданного значения тока намагничивания. Блок 21 обработки заданного значения тока намагничивания обеспечивает, упреждающим образом, ток намагничивания на основании предопределенной характеристики BH, так чтобы достичь команды Ф* магнитного потока. Это имеет следствием мгновенное выполнение намагничивания вплоть до приблизительного значения команды. Поскольку продолжительность намагничивания сокращена, создание излишнего крутящего момента или потерь может подавляться. Характеристика BH может быть получена заблаговременно благодаря испытаниям.
Как упомянуто выше, трудно заставить магнитный поток точно согласовываться с заданным значением. Соответственно, этот вариант осуществления корректирует ток Im* намагничивания, как показано на фиг. 28, так чтобы отклонение |Ф* - Фh| магнитного потока приближалось к 0 вследствие действия ПИ-регулятора 20 в блоке 13 управления переменным магнитным потоком. На последней стадии, это заставляет команду Ф* магнитного потока и оцененное значение Фh магнитного потока (то есть, фактический магнитный поток, если нет погрешности оценки) согласовываться друг с другом. Это улучшает повторяемость магнитного потока в процессе намагничивания и повышает точность крутящего момента.
Согласно этому варианту осуществления блок 24 проверки на завершение намагничивания выводит 1 в блок 13 управления переменным магнитным потоком, если абсолютное значение отклонения магнитного потока входит в предопределенный диапазон α, как показано на фиг. 28, чтобы указывать, что заданная величина магнитного потока была реально достигнута, а намагничивание было завершено. В ответ на запрос установки на нуль RS-FF 25 обеспечивает флаг FCCmp завершения намагничивания в 0. Таким образом, когда оцененное значение магнитного потока согласуется с командой Ф* магнитного потока, процесс намагничивания завершается. Как результат, этот вариант осуществления улучшает повторяемость магнитного потока в процессе намагничивания и повышает точность крутящего момента.
Согласно этому варианту осуществления заданные значения IdR и IqR тока по D- и Q-оси создаются с использованием оцененного значения Фh магнитного потока, оцененного по напряжениям и токам, а потому, команды тока по D- и Q-оси корректируются согласно реальным условиям, даже если величина магнитного потока меняется вследствие процесса намагничивания. Поскольку токи по D- и Q-оси пропускаются согласно командам тока по D- и Q-оси, влияние изменений величины магнитного потока на крутящий момент может быть снижено и точность крутящего момента может быть улучшена.
Этот вариант осуществления основан на оцененном значении магнитного потока. Оцененное значение магнитного потока учитывает индуктивности двигателя, такие как Ld и Lq. Эти значения меняются согласно магнитному насыщению. В частности, двигатель с переменным магнитным потоком меняет свое магнитное насыщение в зависимости от величины переменного магнитного потока. Поэтому, для улучшения точности оценки магнитного потока и точности крутящего момента полезно использовать функцию или таблицу, которая принимает оцененное значение переменного магнитного потока и выводит индуктивность двигателя.
Даже если такая таблица подготовлена, иногда трудно правильно захватить характеристики индуктивности. В этом случает, оценка магнитного потока может заменяться устройством обнаружения магнитного потока, состоящим из элементов Холла и тому подобного, для обнаружения реального магнитного потока Фr и использования такового вместо оцененного значения Фh магнитного потока. Это будет дополнительно улучшать точность оценки магнитного потока и точность крутящего момента.
(Седьмой вариант осуществления)
Фиг. 29 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения. Прежде всего, будет пояснена главная схема, включающая в себя двигатель 4 с переменным магнитным потоком системы привода. Инвертор 1 инвертирует энергию постоянного тока от источника 3 питания постоянного тока в энергию переменного тока, которая подается в двигатель 4 с переменным магнитным потоком. Токи Iu и Iw, подаваемые в двигатель 4 с переменным магнитным потоком, обнаруживаются устройством 2 обнаружения тока и вводятся в блок 7 преобразования координат главного блока 122 управления. Блок 7 преобразования координат преобразует их в ток Id по D-оси и ток Iq по Q-оси, которые вводятся в блок 10 обработки команд напряжения.
Блок 10 обработки команд напряжения выдает команду Vd* напряжения по D-оси и команду Vq* напряжения по Q-оси в блок 5 преобразования координат, который преобразует их в команды Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, которые вводятся в схему 6 ШИМ. Схема 6 ШИМ управляет включением/выключением переключающих элементов инвертора 1 согласно команде Gst управления отпиранием от блока 15 создания команд управления отпиранием. Угол поворота двигателя 4 с переменным магнитным потоком обнаруживается датчиком 18 угла поворота и дифференцируется псевдодифференциатором 8, который обеспечивает частоту ω1 инвертора, которая должна вводиться в блок 10 обработки команд напряжения и блок 12 обработки команд магнитного потока.
Блок 12 обработки команд магнитного потока принимает команду Run работы и частоту ω1 инвертора, то есть частоту ωR вращения ротора (угол, обнаруженный датчиком 18 угла поворота и продифференцированный псевдодифференциатором 8, является частотой вращения ротора, то есть выходной частотой инвертора), и вычисляет команду Ф* магнитного потока. Блок 11 обработки заданного значения тока принимает команду Tm* крутящего момента и команду Ф* магнитного потока и вычисляет заданное значение IdR тока по D-оси и заданное значение IqR тока по Q-оси. Блок 13 управления переменным магнитным потоком изменяет магнитный поток согласно току намагничивания от инвертора 1, тем самым намагничивая переменный магнит. Для этого блок 13 создает величину коррекции намагничивания ΔIdm* на основании команды Ф* магнитного потока. Команда Ф* магнитного потока добавляется сумматором 14 к заданному значению IdR тока по D-оси, чтобы подготовить команду Id* тока по D-оси, которая вводится в блок 10 обработки команд напряжения. Блок 10 обработки команд напряжения также принимает ток Iq по Q-оси в качестве команды Iq* тока по Q-оси.
Двигатель 4 переменного магнитного потока имеет обмотку намагничивания, которая будет пояснена позже, для приема тока намагничивания от схемы 128 намагничивания. Схема 128 намагничивания состоит из инвертора 120 намагничивания, источника 127 питания постоянного тока и блока 123 управления током намагничивания. Блок 123 управления током намагничивания имеет блок 119 управления током. Обмотка намагничивания присоединена через контактное кольцо 121 к инвертору 120 намагничивания схемы 128 намагничивания. Инвертор 120 намагничивания схемы 128 намагничивания присоединен к источнику 127 питания постоянного тока, чтобы подавать ток намагничивания в обмотку намагничивания. Ток, пропускаемый в обмотку намагничивания, обнаруживается устройством 124 обнаружения тока. Блок 119 управления током создает сигнал управления отпиранием для инвертора 120 намагничивания, так чтобы обнаруженный ток намагничивания мог согласовываться со значением ImagRef команды тока намагничивания.
Двигатель 4 с переменным магнитным потоком по этому варианту осуществления подобен таковому по первому варианту осуществления и составлен подобно простой модели, показанной на фиг. 2. Однако конструкция ротора 51 отличается о таковой по первому варианту осуществления, показанному на фиг. 3, и является такой, как показанная на фиг. 30.
Ротор 51 по этому варианту осуществления, показанный на фиг. 30, включает в себя комбинацию постоянного магнита 54, например, из ниодима NdFeB, имеющего высокую коэрцитивную силу, и переменного магнита 53, например, из алнико AlNiCo, имеющего низкую коэрцитивную силу, комбинация устанавливается на железном сердечнике 52 ротора. Намагничиваемое направление переменного магнита 53 является ортогональным направлению оси Q, а потому свободно от влияния тока по Q-оси и может намагничиваться током по D-оси. Ротор 51 имеет обмотку 56 намагничивания, которая принимает ток от схемы 9 намагничивания, так чтобы ее магнитное поле могло направленно действовать на переменный магнит 53.
Характеристики BH (характеристики магнитной индукции - намагничивания) постоянного магнита 54 и переменного магнита 53 подобны таковым по первому варианту осуществления, показанному на фиг. 4 и 5.
Затем, со ссылкой на фиг. 29, будут пояснены части характеристики системы привода двигателя с переменным магнитным потоком для двигателя 4 с переменным магнитным потоком, согласно этому варианту осуществления. Узлами, характерными для системы привода двигателя с переменным магнитным потоком, являются блок 12 обработки команд магнитного потока, блок 17 создания запроса магнитного потока и блок 13 управления переменным магнитным потоком.
Блок 12 обработки команд магнитного потока вычисляет магнитный поток (магнитный поток постоянного магнита + магнитный поток переменного магнита), которые пригодны для ситуации в данный момент. Блок 17 создания запроса намагничивания устанавливает флаг FCReq запроса намагничивания для запрашивания процесса намагничивания, чтобы намагничивать (размагничивать или намагничивать) переменный магнит, когда изменилась команда Ф* магнитного потока от блока 12 обработки команд магнитного потока, или когда инвертор входит в состояние работы (когда Run* изменяется с 0 на 1).
Если флаг FCReq запроса намагничивания установлен, блок 13 управления переменным магнитным потоком выполняет процесс намагничивания для доведения величины магнитного потока после намагничивания до команды Ф* магнитного потока. Это достигается добавлением величины ΔIdm* коррекции намагничивания к заданному значению IdR тока по D-оси, чтобы обеспечить команду Id* тока по D-оси. Блок 10 обработки команд напряжения вычисляет команду Vd* напряжения по D-оси, так чтобы ток по D-оси мог следовать за командой Id* тока по D-оси. Так называемое ПИ-регулирование тока или тому подобное включено в блок 10 обработки команд напряжения.
Этот вариант осуществления отличается тем, что ротор 51 двигателя 4 переменной частоты вращения обеспечен обмоткой 56 намагничивания, как показано на фиг. 30, и обмотка 56 намагничивания принимает ток намагничивания от схемы 128 намагничивания через контактного кольцо 121 (фиг. 29).
Прежде всего, будет пояснена обмотка 56 намагничивания, предусмотренная для двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Как показано на фиг. 30, обмотка 56 намагничивания установлена поблизости от переменного магнита 53 ротора 51. Однофазная обмотка 56 намагничивания присоединена через контактное кольцо 121 к инвертору 120 намагничивания схемы 128 намагничивания, как показано на фиг. 29. Инвертор 120 намагничивания присоединен к источнику 127 питания постоянного тока, чтобы подавать ток Imag намагничивания в обмотку 56 намагничивания. Ток, пропускаемый в обмотку 56 намагничивания, обнаруживается устройством обнаружения 124 тока и вводится в блок 119 управления током. Блок 119 управления током создает сигнал управления отпиранием для инвертора 120 намагничивания, так чтобы обнаруженный ток намагничивания мог согласовываться со значением ImagRef команды тока намагничивания.
Ток, пропускаемый в обмотку 56 намагничивания, не нуждается в регенерации и требует, чтобы ток Imag намагничивания пропускался в положительном и отрицательном направлениях (для намагничивания и размагничивания), а потому, инвертор 120 намагничивания реализован известным однофазным двухполупериодным мостовым инвертором. Блок 119 управления тока управляет током посредством ПИ-регулирования, так чтобы ток Imag намагничивания мог согласовываться со значением ImagRef команды тока намагничивания. Что касается пропускания тока Imag намагничивания, его необходимо производить быстро и точно. Соответственно, ПИ-регулирование может заменяться гистерезисным компаратором. Команда ImagRef тока намагничивания создается блоком 13 управления переменным магнитным потоком, подобно предшествующему уровню техники.
Эта конфигурация может пропускать предопределенный ток Imag намагничивания в обмотку 56 намагничивания, встроенную в ротор 51, чтобы непосредственно управлять намагничиванием переменного магнита 53 магнитным полем, создаваемым током Imag намагничивания. По сравнению с предшествующим уровнем техники, который пропускает чрезмерно большой ток по D-оси в основную обмотку для намагничивания, ток Imag намагничивания в обмотку 56 намагничивания может переменным образом регулировать магнитный поток переменного магнита 53.
Это имеет следствием снижение предельно допустимого тока инвертора 1, тем самым снижая габариты, вес и себестоимость инвертора 1. Магнитный поток обмотки 56 намагничивания, встроенной в железный сердечник 52 ротора, синхронизирован с магнитным потоком магнита, а потому, нет магнитного потока, который сцеплен с обмоткой 56 намагничивания и изменяется во времени. Как результат, обмотка 56 намагничивания не создает противодействующее электродвижущее напряжение, а потому напряжение постоянного тока инвертора 120 намагничивания может быть значительно более низким, чем у инвертора 1. Это позволяет принимать малогабаритные сильноточные элементы для снижения допустимой производительности инвертора 120 намагничивания.
Если инвертор 1 используется для намагничивания переменного магнита 53, переменный магнит 53 и постоянный магнит 54 усиливают друг друга. В этом случае, магнитный поток стороны статора насыщается, так что магнитное поле, создаваемое током намагничивания, если он пропускается, почти не действует на переменный магнит. По сравнению с размагничиванием переменного магнита 53 намагничивание переменного магнита 53 нуждается в пропускании чрезмерно большого тока намагничивания в статорную обмотку. Это имеет следствием увеличение номинальной производительности каждого элемента инвертора 1, увеличивающей себестоимость и габариты системы.
Чтобы справляться с этим, вариант осуществления устанавливает обмотку 56 намагничивания на роторе 51, чтобы устранить влияние магнитного насыщения. При минимальном токе от инвертора 120 намагничивания, переменный магнит 53 может легко намагничиваться.
Если чрезмерно большой ток намагничивания пропускается в качестве тока статора по D-оси, его переходная реакция на ток может создавать переходный крутящий момент. В частности, если двигатель с переменным магнитным потоком является явнополюсным, пропускание тока по D-оси может изменять реактивный крутящий момент для изменения крутящего момента двигателя 4 с переменным магнитным потоком. А именно, пропускание чрезмерно большого тока намагничивания в качестве тока по D-оси вызывает чрезмерно большое изменение крутящего момента. Такое изменение крутящего момента может создать механические вибрации в случае транспортного средства и повышать риск плохого влияния на систему. В случае транспортного средства пассажиры могут чувствовать себя некомфортно.
Чтобы справляться с этим, вариант осуществления пропускает только требуемый минимальный ток намагничивания, чтобы минимизировать создание переходного крутящего момента. В частности, когда двигатель является явнополюсным, ток, пропускаемый в обмотку 56 намагничивания, не будет непосредственно служить причиной реактивного крутящего момента. По сравнению с предшествующим уровнем техники, который применяет инвертор 1 для намагничивания со стороны статора, вариант осуществления может заметно гасить изменения крутящего момента, обусловленные намагничиванием.
При пропускании тока намагничивания от инвертора 1 необходим запас напряжения. Обычно выходное напряжение изменяется согласно частоте вращения. Для высокочастотного вращения принимается одноимпульсный режим для повышения выходного напряжения и снижения потерь. При работе инвертора 1 на максимальном выходном напряжении, нет запаса для пропускания положительного тока намагничивания, то есть положительного тока по D-оси, для того чтобы увеличивать магнитный поток переменного магнита 53. Если нет запаса напряжения, ток намагничивания медленно возрастает, чтобы растянуть период для пропускания тока. В течение этого периода температура инвертора 1 повышается, что вызывает опасность повреждения системы. Для избежания этого должен быть усилен охладитель.
Чтобы справляться с этим, этот вариант осуществления не создает никакого противодействующего электродвижущего напряжения на обмотке 56 намагничивания и не вызывает состояние, в котором не присутствует никакой запас напряжения намагничивания, вследствие других факторов, подобных случаю инвертора 1. Вариант осуществления, по выбору, может прикладывать напряжение в любое время для пропускания тока намагничивания. Если для намагничивания применяется инвертор 1, не будет никакой степени свободы индуктивности. Индуктивность двигателя проектируется, принимая во внимание выходную мощность и коэффициент полезного действия двигателя, а потому оптимизация намагничивания не всегда наделяется высоким приоритетом. С другой стороны, применение обмотки 56 намагничивания исключительного использования повышает степень свободы проектируемой индуктивности для реализации оптимальной индуктивности для намагничивания.
В вышеприведенном пояснении обмотка 56 намагничивания создает магнитный поток для намагничивания переменного магнита 53. Для этого обмотка 56 намагничивания установлена вблизи переменного магнита 53, как показано на фиг. 30. Взамен, как показано на фиг. 31, обмотка 56 намагничивания может быть установлена вблизи постоянного магнита 54, так чтобы магнитный поток, создаваемый обмоткой 56 намагничивания, мог нейтрализовать магнитный поток постоянного магнита 54.
В роторе 51, показанном на фиг. 31, обмотка 56 намагничивания установлена поблизости от постоянного магнита 54, который является магнитом с высокой коэрцитивной силой. Эта установка ослабляет магнитный поток постоянного магнита 54 пропусканием тока намагничивания в обмотку 56 намагничивания.
Как пояснено выше, проблема, вызываемая, когда инвертор 1 пропускает ток намагничивания, состоит в том, что сторона статора магнитно насыщается при намагничивании переменного магнита 53. Чтобы полностью намагнитить переменный магнит 53, должен пропускаться чрезмерно большой ток статора. Пропускание такого чрезмерно большого тока может вызывать колебания крутящего момента во время намагничивания. К тому же, повышение предельно допустимого тока инвертора 1 поднимает проблему увеличения себестоимости и объема системы.
Чтобы справляться с этим, вариант осуществления по фиг. 31 устанавливает обмотку 56 намагничивания для ослабления магнитного потока постоянного магнита 54. Обмотка 56 намагничивания действует на постоянный магнит 54, чтобы нейтрализовать магнитный поток постоянного магнита 54. Это снижает магнитное насыщение стороны статора, так что инвертор 1 может пропускать меньший ток намагничивания для намагничивания переменного магнита 53.
В этом случае, инвертор 120 намагничивания может быть упрощен, чтобы работать только в одном квадранте для пропускания только отрицательного тока намагничивания. Например, как показано на фиг. 32, инвертор 120 намагничивания может состоять из одного переключающего элемента Tr и одного диода D. С другой стороны, если ток намагничивания должен пропускаться в обоих направлениях, необходим двухполупериодный инвертор, способный к работе в двух квадрантах. Двухполупериодный инвертор, например, должен иметь четыре переключающих элемента Tr, как показано на фиг. 33, чтобы предоставить инвертору 120 намагничивания возможность пропускать положительный и отрицательный токи в обмотку 56 намагничивания. Таким образом, вариант осуществления может упрощать инвертор 120 намагничивания для снижения габаритов и себестоимости системы.
Фиг. 34 - график формы сигнала, показывающий примеры форм сигналов, когда обмотка 56 намагничивания используется для намагничивания. Случай, показанный на фиг. 34, выполняет намагничивание не только с помощью обмотки 56 намагничивания, но также и с помощью инвертора 1. Когда команда Ф* магнитного потока, вычисленная блоком 12 обработки команд магнитного потока, изменяется, блок 17 создания запроса намагничивания мгновенно устанавливает флаг FCReq запроса намагничивания в «1». Принимая флаг FCReq запроса намагничивания, блок 13 управления переменным магнитным потоком выполняет процесс намагничивания за предопределенное время Та. Процесс намагничивания обеспечивает значение ImagRef команды тока намагничивания для обмотки 56 намагничивания и команду Id* тока по D-оси, которая является командой тока для намагничивания основным блоком 122 управления инвертора 1.
Ток Imag намагничивания и ток Id по D-оси инвертора 1 используются для регулирования и пропускания токов. Ток Imag намагничивания и ток Id по D-оси создают магнитные поля для изменения переменного магнита. На фиг. 34, намагничивание между моментами t1 и t2 времени намагничивает переменный магнит 53, а намагничивание между моментами t3 и t4 времени размагничивает переменный магнит 53.
По сравнению со стороной размагничивания сторона намагничивания не является легкой вследствие магнитного насыщения. Соответственно, намагничивание выполняется одновременно из обмотки 56 намагничивания и инвертора 1. С другой стороны, сторона размагничивания легче, чем сторона намагничивания, а потому используется только обмотка 56 намагничивания.
Намагничивание посредством инвертора 1 более или менее вызывает колебание крутящего момента, а потому не является предпочтительным. Если обмотка 56 намагничивания в одиночку неэффективна для намагничивания, инвертор 1 может использоваться в согласованности с обмоткой 56 намагничивания, чтобы легко выполнять намагничивание.
Фиг. 35 - график формы сигнала, показывающий еще один пример процесса намагничивания. Обмотка 56 намагничивания действует только на сторону намагничивания. Как упомянуто выше, сторона размагничивания является более легкой, чем сторона намагничивания, а потому успешно выполняется инвертором 1 без задействования схемы 128 намагничивания, то есть без пропускания тока намагничивания в обмотку 56 намагничивания. В этом случае, инвертор 120 намагничивания может быть упрощен, чтобы работать в одном квадранте, как показано на фиг. 32. Это вносит вклад для снижения габаритов и веса системы. Вентиль 120 инвертора намагничивания включается только во время процесса намагничивания (от t1 до t2 и от t3 до t4).
Подача энергии из схемы 128 намагничивания в обмотку 56 намагничивания ротора 51 может достигаться бесконтактным образом. Фиг. 36 - схема, показывающая такой случай. На фиг. 29, инвертор 120 намагничивания подает энергию через контактное кольцо 121 в обмотку 56 намагничивания. На фиг. 36, вращающийся трансформатор 132 подает энергию в обмотку намагничивания бесконтактным образом. Вращающийся трансформатор 132 имеет обмотку 130 стороны подачи энергии, установленную на статоре, и обмотку 129 стороны приема энергии, установленную на роторе 51.
Инвертор 120 намагничивания прикладывает к обмотке 56 намагничивания высокочастотное напряжение, соответствующее команде тока намагничивания. Обмотка 129 приема энергии вращающегося трансформатора 132 индуцирует такое же напряжение. Обмотка 129 стороны приема энергии имеет нейтральную точку и схему 133 выпрямления для проведения двухполупериодного выпрямления. Выход схемы 133 выпрямления присоединен к обмотке 56 намагничивания, которая принимает подвергнутый двухполупериодному преобразованию постоянный ток и пропускает ток намагничивания для изменения магнитного потока переменного магнита 53.
По сравнению с контактным кольцом 121 этот вариант осуществления может проводить намагничивание бесконтактным образом, чтобы улучшать эксплуатационные качества технического обслуживания и надежность. Схема на стороне приема энергии включает в себя только диоды, которые установлены на роторе 51, что может повышать температуру. Однако усовершенствованная полупроводниковая технология, такая как SiC (карбид кремния), может не вызывать температурных проблем. Как упомянуто выше, обмотка 56 намагничивания нуждается в небольшом напряжении, а вращающемуся трансформатору не нужно большое пространство.
В этом примере, ток в обмотку 56 намагничивания пропускается в одном направлении. Когда инвертор 1 используется для намагничивания, не обязательно пропускать чрезмерно большой ток статора, так как статор не будет магнитно насыщаться, как показано в формах сигнала по фиг. 34. Если ток намагничивания пропускается в обоих направлениях, как показано на фиг. 35, сторона вывода постоянного тока выпрямителя 133 может иметь второй инвертор 134 намагничивания, как показано на фиг. 37. Эта конфигурация может пропускать ток намагничивания в обоих направлениях через обмотку 56 намагничивания. Схема 128 намагничивания может быть выполнена на роторе 51 двигателя 4 с переменным магнитным потоком. В этом случае, контактное кольцо 121 и вращающийся трансформатор 132 не обязательны.
(Восьмой вариант осуществления)
Со ссылкой на фиг. 38, будет пояснена система привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения. Согласно седьмому варианту осуществления, показанному на фиг. 29, один инвертор 1 возбуждает один двигатель 4 с переменным магнитным потоком. С другой стороны, система привода двигателя с переменным магнитным потоком по этому варианту осуществления возбуждает четыре двигателя 4 с переменным магнитным потоком посредством одного инвертора 1. На фиг. 38, части, обычные такового по седьмому и другим вариантам осуществления, представлены общими ссылками.
Главный блок 122 управления инвертора 1 составлен подобно таковому по фиг. 29. Каждый двигатель 4 с переменным магнитным потоком обеспечен схемой 128 намагничивания, включающей в себя блок 123 регулирования тока намагничивания и инвертор 120 намагничивания. Обычно установлен источник 127 питания постоянного тока. Блок 123 регулирования тока намагничивания дополнительно имеет стабилизирующий регулятор 126, чей выходной сигнал добавляется к команде ImagRef тока намагничивания. Стабилизирующий регулятор 126 принимает число оборотов WR(x) двигателя 4(x) с переменным магнитным потоком, дифференцирует таковое, умножает результат на коэффициент передачи и выводит произведение для коррекции команды ImagRef тока намагничивания.
Обычно возбуждение множества синхронных двигателей одним инвертором 1 может вызывать вибрацию и дестабилизировать число оборотов синхронных двигателей, если нагрузка на двигатели 4 с переменным магнитным потоком является несбалансированной. Инвертор 1 не имеет средства для стабилизации отдельных синхронных двигателей, а потому может утрачивать синхронизм и становиться неработоспособным. Вследствие этого, есть несколько примеров для одновременного возбуждения синхронных двигателей. Система, применяющая один инвертор для одного синхронного двигателя, то есть одного двигателя 4 с переменным магнитным потоком, является более высокой по себестоимости по сравнению с системой привода, способной одновременно возбуждать множество, например, асинхронных двигателей.
С другой стороны, вариант осуществления, показанный на фиг. 38, имеет стабилизирующий регулятор 126, который может пропускать ток намагничивания для подавления изменения числа оборотов двигателя 4 с переменным магнитным потоком, вызванной неравномерным распределением нагрузки. Это стабилизирует число оборотов каждого двигателя 4 с переменным магнитным потоком.
Крутящий момент двигателя 4 с переменным магнитным потоком определяется магнитным потоком магнита и током статора. Ток статора является общим и нерегулируемым. Посредством увеличения магнитного потока переменного магнита 53 с помощью тока обмотки 56 намагничивания, общий магнитный поток становится регулируемым. Для стабилизации числа оборотов отклонение числа оборотов может возвращаться в крутящий момент (так как оно является эквивалентным внутреннему трению). Это реализуется созданием обратной связи по производной числа оборотов. Предоставление обмотки 56 намагничивания для каждого двигателя 4 с переменным магнитным потоком может реализовывать одновременную работу двигателей 4 с переменным магнитным потоком, которые являются синхронными двигателями. Такая одновременная работа недостижима предшествующим уровнем техники. Вариант осуществления централизованно размещает инвертор 1, для снижения габаритов и себестоимости системы.
Как пояснено выше, обмотка 56 намагничивания, предусмотренная для ротора 51, не создает противодействующего электродвижущего напряжения, а потому необходимое напряжение невелико. В своей основе, является достаточным прикладывание напряжения, соответствующего сопротивлению обмотки. По сравнению с намагничиванием с помощью инвертора 1 вариант осуществления может очень легко намагничивать переменный магнит 53 и всегда может по отдельности регулировать крутящий момент с использованием обмотки 56 намагничивания.
(Девятый вариант осуществления)
Фиг. 39 - структурная схема, показывающая конфигурацию системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 39 и в упомянутых ниже вариантах осуществления, элементы, которые являются такими же как или эквивалентными таковым по уже поясненным вариантам осуществления, представлены одинаковыми ссылками, чтобы не совершать повторных пояснений. Синхронный двигатель на постоянных магнитах, то есть двигатель 4 с переменным магнитным потоком, является таким же, как таковой по первому варианту осуществления, показанному на фиг. с 2 по 5.
Система привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно этому варианту осуществления включает в себя двигатель 4 с переменным магнитным потоком, устройство обнаружения 2 тока, источник 3 питания постоянного тока, инвертор 1 для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, переключатель 205a, схему 6 ШИМ, блок 208a проверки на останов/размагничивание, блок 210 обработки команд напряжения, блок 211 обработки команд тока и датчик 18 угла поворота. Система привода двигателя с переменным магнитным потоком является разделяемой на главную схему и схему управления. Источник 3 питания постоянного тока, инвертор 1, двигатель 4 с переменным магнитным потоком, устройство обнаружения 2 тока для обнаружения тока двигателя и датчик 18 угла поворота для обнаружения угла поворота двигателя 4 с переменным магнитным потоком образуют главную схему. Переключатель 205a, съема 6 ШИМ, блок 208a проверки на останов/размагничивание, блок 210 обработки команд напряжения и блок 211 обработки команд тока образуют схему управления. Двигатель 4 с переменным магнитным потоком имеет переменный магнит (например, алнико магнит), который является постоянным магнитом с низкой коэрцитивной силой.
Инвертор 1 возбуждает двигатель 4 с переменным магнитным потоком. К тому же, инвертор 1 соответствует блоку намагничивания настоящего изобретения, чтобы подавать ток намагничивания для регулирования магнитного потока переменного магнита двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Кроме того, инвертор 1 соответствует блоку размагничивания настоящего изобретения, для размагничивания переменного магнита, согласно сигналу размагничивания, создаваемому блоком 208a проверки на останов/размагничивание. Инвертор 1 присоединен непосредственно к двигателю 4 с переменным магнитным потоком и, в отличие от предшествующего уровня техник, не нуждается в замыкателе нагрузки. Согласно варианту осуществления есть один блок размагничивания. Можно устанавливать множество блоков размагничивания. Вариант осуществления, применяющий множество блоков размагничивания, будет пояснен позже.
Блок 208a проверки на останов/размагничивание соответствует блоку проверки на размагничивание по настоящему изобретению, который проверяет, должен ли размагничиваться переменный магнит двигателя 4 с переменным магнитным потоком, и, согласно результату проверки, создает сигнал размагничивания. Если инвертор 1 прекращает работать или если происходит отказ внутри или вне системы привода двигателя с переменным магнитным потоком, блок 208a проверки на останов/размагничивание определяет, что следует размагничивать переменный магнит, и создает сигнал размагничивания для останова системы для защиты.
Блок 210 обработки команд напряжения, блок 211 обработки команд тока и датчик 18 угла поворота являются такими же, как таковые у предшествующего уровня техники, показанного на фиг. 57, а потому, повторные пояснения опущены.
Переключатель 205a переключает выходной сигнал на другой согласно сигналу размагничивания, создаваемому блоком 208a проверки на останов/размагничивание. Если никакой сигнал размагничивания не выдается от блока 208a проверки на останов/размагничивание (флаг размагничивания, FLG_DEMAG = 0), переключатель 205a обеспечивает схему 6 ШИМ командами Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, создаваемыми блоком 210 обработки команд напряжения.
С другой стороны, если блок 208a проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания (флаг размагничивания, FLG_DEMAG = 1), переключатель 205a выводит 0. В этом случае, схема 6 ШИМ обеспечивает инвертор 1 сигналом управления, так чтобы фазы U, V и W одновременно повторяли операции включения/выключения (ON/OFF). Инвертор 1, поэтому, закорачивает провода двигателя 4 с переменным магнитным потоком, чтобы размагничивать переменный магнит.
Фиг. 40 показывает подробную конфигурацию инвертора 1. Как упомянуто выше, блок 208a проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания, чтобы одновременно включать или выключать переключающие элементы трех фаз. Следовательно, инвертор 1 закорачивает провода двигателя 4 с переменным магнитным потоком, чтобы размагничивать переменный магнит 53. Один из способов размагничивания переменного магнита 53 двигателя 4 с переменным магнитным потоком состоит в том, чтобы включать один из шести переключающих элементов инвертора 1. Включение одного из переключающих элементов может приводить ротор 51 к предопределенному фазовому углу, так что ток размагничивания может пропускаться для размагничивания индуцированного напряжения. Индуцированное напряжение двигателя 4 с переменным магнитным потоком вызывает проблему, если двигатель 4 с переменным магнитным потоком является вращающимся. Вследствие вращения ротор 51 непременно пересекает предопределенный фазовый угол поворота, а потому переменный магнит 53 может размагничиваться.
Еще один способ состоит в том, чтобы снижать выходное напряжение инвертора 1 для достижения размагничивания. Закорачивание проводов двигателя 4 с переменным магнитным потоком эквивалентно обнулению выходного напряжения инвертора 1. Размагничивание достигается в достаточной мере всего лишь снижением выходного напряжения. Например, подобно обычному процессу намагничивания, команда тока намагничивания, необходимая для достижения целевой величины магнитного потока размагничивания, задается в качестве команды тока по D-оси, чтобы пропускать ток размагничивания для размагничивания. Выходное напряжение снижается в ответ на уменьшение магнитного потока магнита, то есть размагничивание магнита в зависимости от периода для пропускания тока намагничивания.
Когда блок размагничивания по настоящему изобретению закорачивает, по меньшей мере, одно междупроводное соединение двигателя 4 с переменным магнитным потоком для размагничивания и когда ток размагничивания находится на предопределенном уровне, период закорачивания может быть очень коротким. Будет достаточно всего лишь мгновенного короткого замыкания.
Будет пояснена работа варианта осуществления, имеющего вышеупомянутую конфигурацию. Фиг. 41 - структурная схема, показывающая подробную конфигурацию блока 208a проверки на останов/размагничивание. Входными сигналами в блок являются сигнал PROT защиты и команда RUN_CMD работы. Эти сигналы создаются надлежащим средством в системе. На основании этих сигналов блок 208a проверки на останов/размагничивание получает временную привязку, когда инвертор 1 останавливает работу, или временную привязку, когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна быть защищена.
В своей основе, когда введена команда работы, команда работы находится в состоянии работы (RUN_CMD = 1), а когда команда работы задает останов, команда работы находится в состоянии останова (RUN_CMD = 0).
Прежде всего, будет пояснен нормальный останов. Фиг. 42(a) показывает состояния сигналов вдоль оси времени в течение нормального останова. В состоянии нормальной работы, команда работы RUN_CMD = 1, а сигнал защиты, PROT = 0. Соответственно, схема 220 НЕ выводит 1, и схема 221 И также выводит 1. Здесь, выходной сигнал из схемы 221 И рассматривается в качестве команды работы, учитывающей защиту.
Если нормальная работа продолжается, схема 223 хранения предыдущего значения выводит 1. Поскольку схема 222 НЕ выводит 0, схема 224 И выводит 0. По приему 1, схема 225 задержки времени выключения (OFFTD) выводит 0 через предопределенное время. В этом примере, 0 непрерывно подается в схему 225 OFFTD, а потому схема 225 OFFTD непрерывно выводит 0. Как результат, флаг размагничивания, FLG_DEMAG = 0. Схема 226 ИЛИ выводит 1.
Схема 227 проверки на серьезный отказ получает, через надлежащее средство, состояние системы привода двигателя с переменным магнитным потоком. Если система привода двигателя с переменным магнитным потоком стабильна, или находится в состоянии несущественного отказа, или в состоянии прочей неисправности устройства схема 227 проверки на серьезный отказ выводит 0. Если система привода двигателя с переменным магнитным потоком имеет серьезный отказ, схема 227 проверки на серьезный отказ выводит 1. В этом примере система стабильна, а потому схема 227 проверки на серьезный отказ выводит 0. Соответственно, схема 228 НЕ выводит 1, и схема 229 И выводит 1.
Как результат, блок 208a проверки на останов/размагничивание выводит команду Gst управления отпиранием в 1. На основании команды Gst управления отпиранием, создаваемой блоком 208a проверки на останов/размагничивание, схема 6 ШИМ управляет (управляет отпиранием) переключающими элементами, включенными в инвертор 1.
В момент t0 времени по фиг. 42(a), команда работы задает останов (RUN_CMD = 0), схема 225 OFFTD принимает 1, и возникает флаг размагничивания (FLG_DEMAG = 1). В момент t0 времени, команда Gst управления отпиранием остается 1. Поскольку флаг размагничивания имеет значение включено, переключатель 205a выводит 0, как упомянуто выше. В этом случае, схема 6 ШИМ обеспечивает инвертор 1 сигналом управления, так чтобы фазы U, V и W одновременно повторяли операции включения/выключения. Следовательно, инвертор 1 закорачивает провода двигателя 4 с переменным магнитным потоком, чтобы размагничивать переменный магнит.
После истечения предопределенного времени с момента t0 времени схема 225 OFFTD выводит 0 в момент t1 времени. Как результат, флаг размагничивания пропадает (FLG_DEMAG = 0). Только в течение интервала (от t0 до t1), в котором флаг размагничивания имеет значение включено, переключатель 205a выводит 0, а инвертор 1 выполняет размагничивание.
В момент t1 времени, команда Gst управления отпиранием становится 0. Соответственно, переключающие элементы инвертора 1 запираются, и инвертор 1 прекращает работу.
Затем, будет пояснен защитный останов при несущественном отказе. Фиг. 42 (b) показывает состояния сигнала по оси времени во время защитного останова при несущественном отказе. В момент t0 времени сигнал PROT защиты меняется с 0 на 1. Схема 221 И выводит команду работы, учитывающую защиту в 0. Затем, схема 225 OFFTD выводит 1, и возникает флаг размагничивания (FLG_DEMAG =1) для выполнения размагничивания инвертором 1. После прохождения предопределенного времени команда Gst управления отпиранием становится 0 момент t1 времени. Как результат, переключающие элементы инвертора 1 запираются, и инвертор 1 прекращает работу. То, что отлично от нормального останова, состоит в том, что команда работы сохраняет состояние работы (RUN_CMD = 1), а сигнал PROT защиты становится 1, чтобы выполнять размагничивание и останов инвертора 1.
В заключение, будет пояснен защитный останов при серьезном отказе. Фиг. 42(c) показывает состояния сигнала по оси времени при защитном останове на серьезный отказ. Критерии для несущественного отказа и серьезного отказа могут по выбору устанавливаться конструктором или пользователем. Обычно, серьезный отказ является отказом, который принадлежит системе, опасен, если вентили включены согласно команде управления отпиранием, и необходимо, чтобы система была остановлена немедленно. В момент t0 времени сигнал PROT защиты меняется с 0 на 1. Одновременно, схема 227 проверки на серьезный отказ выводит 1, чтобы указать, что он является серьезным отказом. Как результат, команда Gst управления отпиранием становится 0, чтобы немедленно остановить инвертор 1.
В момент t0 времени, схема 25 OFFTD выводит 1, и возникает флаг размагничивания (FLG_DEMAG = 1). Однако инвертор 1 остановлен, а потому, никакого размагничивания не выполняется.
Как пояснено выше, система привода двигателя с переменным магнитным потоком по этому варианту осуществления выполняет размагничивание, когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна защищаться или когда инвертор 1 останавливается. Это подавляет противодействующее электродвижущее напряжение, предотвращает силу торможения и надежно защищает систему.
Когда блок 208a проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания, инвертор 1 управляется, чтобы просто выполнять размагничивание. Соответственно, существующие устройства могут эффективно использоваться для реализации этой системы. Выполнение размагничивания может подавлять противодействующее электродвижущее напряжение, чтобы устранить замыкатель 209 нагрузки, показанный на фиг. 57, тем самым снижая затраты.
Хотя этот вариант осуществления непосредственно соединяет инвертор 1 и двигатель 4 с переменным магнитным потоком друг с другом, замыкатель для управления электрическим соединением может быть установлен между инвертором 1 и двигателем 4 с переменным магнитным потоком, подобно предшествующему уровню техники. В этом случае, блок 208a проверки на размагничивание выводит сигнал управления для размыкания замыкателя, когда инвертор 1 прекращает работать, или когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна быть защищена. Эта конфигурация улучшает надежность системы привода двигателя с переменным магнитным потоком. Эта система привода двигателя с переменным магнитным потоком имеет инвертор 1, служащий в качестве блока размагничивания, а потому каждая фаза может иметь только один замыкатель (вместо сдвоенной компоновки).
Фиг. 43 показывает сравнение регулирования магнитного потока между существующим приводом и приводом двигателя с переменным магнитным потоком по варианту осуществления. На фиг. 43, 251a и 251b - выдерживаемые напряжения инвертора, 252a и 252b - напряжения на зажимах двигателя, 253a и 253b - частоты вращения, 254a и 254b - величины магнитного потока магнита, а 255a и 255b - противодействующие электродвижущие напряжения. Tcst - временная привязка движения по инерции.
Фиг. 43(a) показывает регулирование магнитного потока существующего привода, то есть синхронного двигателя на постоянных магнитах с постоянным магнитным потоком (PRM). Магнитный поток 254a магнита у PRM постоянен безотносительно частоты вращения, а потому создаваемое противодействующее электродвижущее напряжение 255a повышается согласно увеличению частоты 253a вращения. В случае электропоезда, EV, HEV или судна, множество систем привода приводят в движение одиночный объект. В этом случае, каждый привод не способен самостоятельно определять скорость (число оборотов двигателя) объекта. Внешняя сила (ветер, уклон, и тому подобное), действующая на объект, может ускорять объект. В таком случае, частота вращения будет возрастать, даже если инвертор 1 остановлен, так что двигатель вращается по инерции, и противодействующее электродвижущее напряжение 255a повышается согласно частоте вращения. Как пояснено выше, есть вероятность, что противодействующее электродвижущее напряжение 255a превышает выдерживаемое напряжение 251a инвертора 1, что повредит привод, создает силу торможения, прикладываемую к двигателю и вызывает отказ короткого замыкания.
Чтобы справляться с этим, привод двигателя с переменным магнитным потоком по варианту осуществления, показанному на фиг. 43(b), выполняет размагничивание при останове инвертора 1, чтоб минимизировать магнитный поток 254b магнита. Даже если частота 253b вращения повышается, когда двигатель 4 с переменным магнитным потоком вращается по инерции, противодействующее электродвижущее напряжение 255b подавляется, чтобы надежно защищать систему. В низкочастотной зоне, магнитный поток 254b магнита может увеличиваться, чтобы снижать ток, пропускаемый в двигатель 4 с переменным магнитным потоком, тем самым снижая габариты и себестоимость инвертора 1.
(Десятый вариант осуществления)
Фиг. 44 - структурная схема, показывающая конфигурацию системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от девятого варианта осуществления тем, что не установлено никакого переключателя 205a, замыкатели 207a и 207b установлены между проводами двигателя 4 с переменным магнитным потоком, и блок 208b проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания для управления замыкателями 207a и 207b.
Замыкатели 207a и 207b соответствуют блоку размагничивания по настоящему изобретению, и, на основании сигнала размагничивания, созданного блоком 208b проверки на останов/размагничивание, закорачивают провода переменного магнита, тем самым выполняя размагничивание. Этот вариант осуществления, поэтому, включает в себя два блока размагничивания. Подобно первому варианту осуществления, блок 208b проверки на останов/размагничивание определяет, что переменный магнит 53 должен быть размагничен, если инвертор 1 прекращает работать или если система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна быть защищена, и создает сигнал размагничивания, который должен подаваться на замыкатели 207a и 207b. Остальная конфигурация варианта осуществления является такой же, как у девятого варианта осуществления, а потому повторные пояснения опущены.
Затем, будет пояснена работа варианта осуществления с вышеупомянутой конфигурацией. Фиг. 45 - структурная схема, показывающая подробную конфигурацию блока 208b проверки на останов/размагничивание. Входными сигналами в него являются сигнал PROT защиты и команда RUN_CMD работы. Эти сигналы создаются надлежащим средством в системе.
Команда работы, в основном, установлена в состояние работы (RUN_CMD = 1), а когда команда работы задает останов, команда работы устанавливается в состояние останова (RUN_CMD = 0).
Прежде всего, будет пояснен нормальный останов. Фиг. 46(a) показывает состояния сигналов по оси времени в течение нормального останова. В состоянии нормальной работы, команда вращения, RUN_CMD = 1, а сигнал защиты, PROT = 0. Соответственно, флаг размагничивания, FLG_DEMAG = 0. Блок 208b проверки на останов/размагничивание выводит команду Gst управления отпиранием в 1. Схема 6 ШИМ принимает команду Gst управления отпиранием, созданную блоком 208b проверки на останов/размагничивание, и соответственно управляет переключающими элементами, включенными в инвертор 1.
В момент t0 времени по фиг. 46(a), команда работы задает останов (RUN_CMD = 0), схема 225 OFFTD принимает 1, и флаг размагничивания становится включенным (FLG_DEMAG = 1). В это время, блок 208b проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания на замыкатели 207a и 207b. На основании сигнала размагничивания замыкатели 207a и 207b закорачивают провода переменного магнита, тем самым проводя размагничивание.
В отличие от девятого варианта осуществления команда Gst управления отпиранием становится 0 в момент t0 времени. Соответственно, переключающие элементы инвертора 1 запираются, и инвертор 1 останавливает работу. Согласно девятому варианту осуществления инвертор 1 служит в качестве блока размагничивания, а потому, никакое размагничивание не выполняется, если инвертор 1 останавливается. Система привода двигателя с переменным магнитным потоком по десятому варианту осуществления применяет замыкатели 207a и 207b в качестве блоков размагничивания, а потому может выполнять размагничивание, даже если инвертор 1 останавливается.
Через предопределенное время с момента t0 времени, схема 225 OFFTD выводит 0 в момент t1 времени. Как результат, флаг размагничивания становится выключенным (FLG_DEMAG = 0), и замыкатели 207a и 207b останавливают размагничивание схемой междупроводного закорачивания.
Затем, будет пояснен защитный останов при несущественном отказе. Фиг. 46(b) показывает состояния сигнала по оси времени при защитном останове на несущественный отказ. В момент t0 времени сигнал PROT защиты меняется с 0 на 1. Схема 225 OFFTD выводит 1, и возникает флаг размагничивания (FLG_DEMAG =1), так что замыкатели 207a и 207b выполняют размагничивание. Одновременно, команда Gst управления отпиранием становится 0. Это запирает переключающие элементы инвертора 1, и инвертор 1 останавливает работу. То, что отлично от нормального останова, состоит в том, что команда работы сохраняет состояние работы (RUN_CMD = 1), а сигнал PROT защиты становится 1, чтобы останавливать инвертор 1.
В заключение, будет пояснен защитный останов при серьезном отказе. Фиг. 46(c) показывает состояния сигнала по оси времени при защитном останове на серьезный отказ. В момент t0 времени сигнал PROT защиты меняется с 0 на 1. Одновременно, схема 227 проверки на серьезный отказ выводит 1, чтобы указать, что он является серьезным отказом. Как результат, команда Gst управления отпиранием становится 0, а инвертор 1 останавливает работу немедленно. Согласно варианту осуществления, применяющему блок 208b проверки на останов/размагничивание, система привода двигателя с переменным магнитным потоком действует подобным образом для несущественного отказа и серьезного отказа.
Фиг. 47 - структурная схема, показывающая еще один пример конфигурации блока 208b проверки на останов/размагничивание. Прежде всего, будет пояснен нормальный останов. Фиг. 48(a) показывает состояния сигналов по оси времени в течение нормального останова. В состоянии нормальной работы, команда работы, RUN_CMD = 1, а сигнал защиты, PROT = 0. Соответственно, флаг размагничивания, FLG_DEMAG = 0. Блок 208b проверки на останов/размагничивание выводит команду Gst управления отпиранием в 1. Схема 6 ШИМ принимает команду Gst управления отпиранием, созданную блоком 208a проверки на останов/размагничивание, и соответственно управляет переключающими элементами, включенными в инвертор 1.
В момент t0 времени по фиг. 48(a), команда работы задает останов (RUN_CMD = 0), и флаг размагничивания становится включенным (FLG_DEMAG = 1). В это время блок 208b проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания на замыкатели 207a и 207b. На основании сигнала размагничивания замыкатели 207a и 207b закорачивают провода переменного магнита 53, тем самым проводя размагничивание. В момент t0 времени, команда Gst управления отпиранием становится 0, а потому переключающие элементы инвертора 1 запираются, чтобы остановить инвертор 1. После этого флаг размагничивания остается включенным (FLG_DEMAG = 1), чтобы продолжить размагничивание. Команда Gst управления отпиранием остается 0.
Затем, будет пояснен защитный останов при несущественном отказе. Фиг. 48(b) показывает состояния сигнала по оси времени при защитном останове на несущественный отказ. В момент t0 времени сигнал PROT защиты меняется с 0 на 1. Как результат, флаг размагничивания включается (FLG_DEMAG =1), так что замыкатели 207a и 207b выполняют размагничивание. Одновременно, команда Gst управления отпиранием становится 0. Это запирает переключающие элементы инвертора 1, чтобы остановить инвертор 1.
В заключение, будет пояснен защитный останов при серьезном отказе. Фиг. 48(c) показывает состояния сигнала по оси времени при защитном останове на серьезный отказ. В момент t0 времени сигнал PROT защиты меняется с 0 на 1. Одновременно, схема 227 проверки на серьезный отказ выводит 1, чтобы указать, что он является серьезным отказом. Как результат, команда Gst управления отпиранием становится 0, чтобы немедленно остановить инвертор 1.
Как упомянуто выше, система привода двигателя с переменным потоком согласно десятому варианту осуществления имеет замыкатели 207a и 207b, служащие в качестве блоков размагничивания, а потому способна к выполнению размагничивания после того, как инвертор 1 останавливает работу, в дополнение к результату девятого варианта осуществления. Предшествующий уровень техники, показанный на фиг. 57, должен иметь последовательно присоединенный замыкатель нагрузки для каждой фазы, а потому, должен иметь, по меньшей мере, три (шесть для сдвоенной компановки) замыкателя с 209a по 209f нагрузки. С другой стороны, по варианту осуществления необходимо только два замыкателя. Последовательно присоединенный замыкатель нагрузки, предусмотренный для каждой фазы, должен всегда пропускать большой ток во время работы инвертора, а потому должен иметь большую допустимую нагрузку. Согласно варианту осуществления замыкатели 207a и 207b пропускают ток только в течение короткого периода размагничивания. Соответственно, замыкатели по варианту осуществления каждый может иметь пониженный предельно допустимый ток, уменьшенные габариты и пониженную интенсивность отказов.
Применение блока 208b проверки на останов/размагничивание, показанного на фиг. 47, снижает количество внутренних схем, габариты и себестоимость системы. Когда вентили инвертора 1 выключены, замыкатели 207a и 207b всегда осуществляют закорачивание для выполнения размагничивания. Это может быть безопасным. Однако постоянное пропускание тока может создавать силу торможения, прикладываемую к двигателю 4 с переменным магнитным потоком.
Поскольку есть два блока размагничивания, то есть замыкатели 207a и 207b, можно выполнять размагничивание, даже если один из них отказывает. Это улучшает надежность системы привода двигателя с переменным магнитным потоком.
(Одиннадцатый вариант осуществления)
Фиг. 49 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения. Он отличается от десятого варианта осуществления тем, что замыкатель 207c установлен между проводами двигателя 4 с переменным магнитным потоком.
Замыкатель 207c соответствует блоку размагничивания по настоящему изобретению и выполняет размагничивание закорачиванием проводов переменного магнита, согласно сигналу размагничивания, созданному блоком 208c проверки на останов/размагничивание. В отличие от десятого варианта осуществления блок размагничивания этого варианта осуществления закорачивает только одно междупроводное соединение. Эта конфигурация может размагничивать переменный магнит между проводами, закорачиваемыми замыкателем 207c, так как двигатель 4 с переменным магнитным потоком вращается.
Фиг. 50 показывает примеры блока размагничивания, способного закорачивать провода двигателя 4 с переменным магнитным потоком для размагничивания. Согласно варианту осуществления блок размагничивания, который достигает размагничивания закорачиванием, по меньшей мере, одного междупроводного соединения двигателя 4 с переменным магнитным потоком, состоит из замыкателя 207c, показанного на фиг. 50(c). Это может быть полупроводниковый переключатель. Вместо замыкателя 207c, блок размагничивания по варианту осуществления может быть комбинацией тиристоров и непроводящих в обратном направлении диодов, показанной на фиг. 50(a). В качестве альтернативы, он может быть комбинацией самодугогасящих элементов (таких как GTO (запирающиеся вентили), IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) и MOSFET (полевые транзисторы на основе перехода металл-оксид-полупроводник)) и не проводящих в обратном направлении элементов, показанной на фиг. 50(b). Замыкатели 207a и 207b по десятому варианту осуществления взаимозаменяемы с блоками размагничивания, применяющими вышеупомянутые полупроводниковые переключатели. Остальная конфигурация одиннадцатого варианта осуществления подобна таковой у десятого варианта осуществления, а потому повторные пояснения опущены.
Затем, будет пояснена работа варианта осуществления с вышеупомянутой конфигурацией. Блок 208c проверки на останов/размагничивание работает подобно блоку 208b проверки на останов/размагничивание по десятому варианту осуществления. Когда инвертор 1 останавливает работу или когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна быть защищена, блок 208c проверки на останов/размагничивание определяет, что переменный магнит 53 должен размагничиваться, и создает сигнал размагничивания, который выводится на замыкатель 207c.
На основании входного сигнала размагничивания замыкатель 207c закорачивает провода двигателя 4 с переменным магнитным потоком, чтобы размагничивать переменный магнит 53.
В дополнение к результатам девятого и десятого вариантов осуществления система привода двигателя с переменным магнитным потоком по одиннадцатому варианту осуществления имеет замыкатель 207c, служащий в качестве блока размагничивания, чтобы выполнять размагничивание, даже после того, как инвертор 1 остановлен. Этому варианту осуществления необходим только один замыкатель нагрузки, то есть замыкатель 207c, что сокращает затраты.
(Двенадцатый вариант осуществления)
Фиг. 51 - структурная схема, показывающая конфигурацию системы привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от девятого варианта осуществления, показанного на фиг. 39, тем, что замыкатели 207a и 207b установлены между проводами двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Согласно этому варианту осуществления инвертор 1 и замыкатели 207a и 207b каждый соответствует блоку размагничивания по настоящему изобретению. Блок 208d проверки на останов/размагничивание выводит флаги FLG_DEMAG1 и FLG_DEMAG2 размагничивания, служащие в качестве сигналов размагничивания, на замыкатели 207a и 207b.
Когда инвертор 1 останавливает работу или когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна защищаться, блок 208d проверки на останов/размагничивание определяет, что переменный магнит 53 должен размагничиваться, и создает сигналы размагничивания. В это время, если любой один из инвертора 1 и замыкателей 207a и 207b, соответствующих блокам размагничивания, неисправен, блок 208d проверки на останов/размагничивание создает сигнал размагничивания, чтобы заставить один надежный из блоков размагничивания осуществлять размагничивание. Подобно десятому варианту осуществления, замыкатели 207a и 207b подчиняются сигналу размагничивания, созданному блоком 208d проверки на останов/размагничивание, чтобы размагничивать переменный магнит 53 закорачиванием его проводов. Остальная конфигурация двенадцатого варианта осуществления является такой же, как у девятого варианта осуществления, показанного на фиг. 39, а потому повторные пояснения опущены.
Затем, будет пояснена работа двенадцатого варианта осуществления с вышеупомянутой конфигурацией. Согласно варианту осуществления сигнал PROT защиты включает в себя информацию, имеющую отношение к тому, является или нет неисправным каждый из блоков размагничивания, то есть инвертор 1 и замыкатели 207a и 207b, и обязан ли защищать (состояние отказа). Согласно сигналу PROT защиты блок 208d проверки на останов/размагничивание проверяет каждый из инвертора 1 и замыкателей 207a и 207b, чтобы выяснить какой неисправен.
Фиг. 52 - блок-схема последовательности операций способа, показывающая работу блока 208d проверки на останов/размагничивание, согласно варианту осуществления. Прежде всего, блок 208d проверки на останов/размагничивание определяет, должна или нет защищаться система привода двигателя с переменным магнитным потоком (этап S101). Если защита системы не требуется, блок 208d проверки на останов/размагничивание определяет, находится или нет предыдущая команда работы в состоянии работы (RUN_CMD = 1), и указывает или нет текущая команда работы на останов (RUN_CMD = 0) (этап S103). Если эти условия не удовлетворены, здесь работа заканчивается.
Если на этапе S103, блок 208d проверки на останов/размагничивание определяет, что предыдущая команда работы находится в состоянии работы, а текущая команда работы задает останов, выполняется нормальное размагничивание (этап S107). Нормальное размагничивание может выполняться любым способом. Например, блок 208d проверки на останов/размагничивание выводит сигналы размагничивания на переключатель 205b и замыкатели 207a и 207b. А именно, блок 208d выводит FLG_DEMAG1 = 1 и FLG_DEMAG2 = 1 для одновременного выполнения размагничивания инвертором 1 и замыкателями 207a и 207b. Блок 208d проверки на останов/размагничивание обычно выводит сигнал размагничивания только на переключатель 205b, то есть FLG_DEMAG1 = 1, а FLG_DEMAG2 = 0, чтобы заставить выполнять размагничивание только инвертор 1. Это может сокращать количество операций размыкания/замыкания, снижать интенсивность отказов и расширять сроки службы замыкателей 207a и 207b.
Если требуется защита системы на этапе S101, блок 208d проверки на останов/размагничивание определяет, являются ли неисправными или надежными инвертор 1, служащий в качестве основного инвертора, и замыкатели 207a и 207b, служащие в качестве вспомогательных устройств (этап S109). Если все из основного инвертора 1 и вспомогательных устройств надежны (не отказали), блок 208d проверки на останов/размагничивание создает сигналы размагничивания для выполнения нормального размагничивания (этап S107).
Если один из основного инвертора 1 и вспомогательных устройств не является надежным (отказал), блок 208d проверки на останов/размагничивание определяет, является или нет надежным (не отказавшим) инвертор 1 (этап S111). Если инвертор 1 надежен, блок 208d проверки на останов/размагничивание создает сигнал размагничивания (FLG_DEMAG1 = 1), чтобы заставить инвертор 1, который надежен, выполнять размагничивание, и выводит сигнал на переключатель 205b. Как результат, как пояснено в девятом варианте осуществления, переключатель 205b выводит 0. Инвертор 1 закорачивает провода двигателя 4 с переменным магнитным потоком, чтобы размагничивать переменный магнит 53 (этап S113). Соответственно, замыкатели 207a и 207b не выполняют размагничивание.
Если инвертор 1 не является надежным, а является неисправным на этапе S111, блок 208d проверки на останов/размагничивание создает сигнал размагничивания, чтобы заставить замыкатели 207a и 207b, которые надежны, выполнять размагничивание, и выводит сигнал (FLG_DEMAG2 = 1) на замыкатели 207a и 207b. Подобно второму варианту осуществления, замыкатели 207a и 207b подчиняются сигналу размагничивания, созданному блоком 208d проверки на останов/размагничивание, для закорачивания проводов переменного магнита и его размагничивания (этап S115). Соответственно, инвертор 1 не выполняет размагничивание.
Таким образом, система привода двигателя с переменным магнитным потоком по двенадцатому варианту осуществления дает, в дополнению к результатам с девятого по одиннадцатый вариантов осуществления, результат, что, когда любой один из блоков размагничивания неисправен, блок 208d проверки на останов/размагничивание создает сигнал размагничивания, чтобы заставить надежный блок размагничивания выполнять размагничивание. А именно, этот вариант осуществления может использовать только надежный блок размагничивания для выполнения размагничивания, не используя неисправный блок размагничивания, тем самым надежно защищая систему.
(Тринадцатый вариант осуществления)
Фиг. 53 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно тринадцатому варианту осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от десятого варианта осуществления тем, что он дополнительно имеет инвертор 231 намагничивания, устройство 232 обнаружения тока, блок 212 обработки команд тока намагничивания, блок 210a обработки команд напряжения и схему 6a ШИМ.
Инвертор 231 намагничивания соответствует блоку намагничивания по настоящему изобретению, присоединен к источнику 3 питания постоянного тока и прикладывает ток намагничивания к обмотке намагничивания двигателя 4 с переменным магнитным потоком, чтобы регулировать магнитный поток переменного магнита 3 двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Инвертор 231 намагничивания также соответствует блоку размагничивания настоящего изобретения и использует сигнал размагничивания, созданный блоком 208e проверки на останов/размагничивание, для размагничивания переменного магнита 53. Ток, пропускаемый в обмотку намагничивания, не нуждается в регенерации и должен пропускаться в обоих, положительном и отрицательном, направлениях для намагничивания и размагничивания. Соответственно, инвертор 231 намагничивания имеет известную конфигурацию однофазного двухпролупериодного мостового инвертора. Устройство 232 обнаружения тока обнаруживает ток намагничивания, пропускаемый в обмотку намагничивания, и выводит обнаруженный ток в блок 210a обработки команд напряжения.
Блок 212 обработки команд тока намагничивания вычисляет необходимый ток намагничивания, создает команду тока намагничивания и выводит команду в блок 210a обработки команд напряжения. Обычно ток намагничивания является зависящим от предыстории намагничивания переменного магнита 53. Соответственно, блок 212 обработки команд тока намагничивания, например, имеет табличную информацию, хранящую токи намагничивания, соответствующие предысториям намагничивания и требуемым значениям магнитного потока и вычисляет необходимый ток намагничивания согласно табличной информации. Ток намагничивания должен точно пропускаться на большой скорости, а потому ПИ-регулирование может заменяться гистерезисным компаратором.
Блок 210a обработки команд напряжения прибегает к входной команде тока намагничивания, чтобы вычислить и создать команду напряжения, так чтобы ток намагничивания, обеспеченный инвертором 231 намагничивания, мог согласовываться с командой. Команда напряжения подается в схему 6a ШИМ. Схема 6a ШИМ использует входную команду напряжения для управления включением/выключением переключающих элементов инвертора 231 намагничивания.
Соответственно, инвертор 1, инвертор 231 намагничивания и замыкатель 207c по варианту осуществления каждый соответствует блоку размагничивания настоящего изобретения.
С этой конфигурацией магнитное поле, создаваемое током намагничивания, непосредственно управляет намагничиванием переменного магнита 53, который является постоянным магнитом с низкой коэрцитивной силой. В отличие от предшествующего уровня техники, который пропускает чрезмерно большой ток по D-оси в основную обмотку для намагничивания, вариант осуществления использует ток намагничивания для обмотки намагничивания, чтобы переменным образом регулировать магнитный поток переменного магнита 53.
Это снижает предельно допустимый ток инвертора 1, чтобы уменьшать габариты, вес и себестоимость инвертора 1. Обмотка намагничивания может быть встроена в железный сердечник 52 ротора, как показано на фиг. 30 и 31. В этом случае магнитный поток, сцепленный с обмоткой намагничивания в роторе 51, не изменяется во времени, а потому обмотка намагничивания не создает противодействующее электродвижущее напряжение. Это помогает снижать допустимую нагрузку инвертора 231 намагничивания.
Когда инвертор 1 используется для намагничивания, степень свободы в проектировании индуктивности невелика. Индуктивность двигателя проектируется, принимая во внимание выходную мощность и коэффициент полезного действия двигателя, а потому оптимизация для намагничивания не всегда наделяется приоритетом. С другой стороны, применение обмотки намагничивания исключительного использования повышает степень свободы при проектировании индуктивности обмотки и может оптимизировать индуктивность для намагничивания.
Блок 208e проверки на останов/размагничивание выводит флаги FLG_DEMAG1, FLG_DEMAG2 и FLG_DEMAG3 размагничивания, служащие в качестве сигналов размагничивания, в блок 212 обработки команд тока намагничивания, блок 211 обработки команд тока и замыкатель 207c, соответственно.
Когда инвертор 1 останавливает работу или когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна защищаться, блок 208e проверки на останов/размагничивание определяет, что переменный магнит 53 должен размагничиваться, и создает сигналы размагничивания. В это время, если любой один из блоков размагничивания, то есть инвертор 1, инвертор 231 намагничивания и замыкатель 207c неисправен, блок 208e проверки на останов/размагничивание создает сигналы размагничивания, чтобы дать заставить один надежный из блоков размагничивания выполнять размагничивание. Подобно одиннадцатому варианту осуществления, замыкатель 207c использует сигнал размагничивания, созданный блоком 208e проверки на останов/размагничивание, для закорачивания проводов переменного магнита 53, тем самым размагничивая его. Остальная конфигурация варианта осуществления является такой же, как у десятого варианта осуществления, а потому повторные пояснения опущены.
Затем, будет пояснена работа варианта осуществления, имеющего вышеупомянутую конфигурацию. Согласно варианту осуществления сигнал PROT защиты содержит в себе информацию, имеющую отношение к тому, должен или нет защищаться (состояние отказа) каждый из блоков размагничивания, то есть инвертор 1, инвертор 231 намагничивания и замыкатель 207c, например, вследствие отказа. Блок 208e проверки на останов/размагничивание использует сигнал PROT защиты, чтобы определять, находится или нет любой из инвертора 1, инвертора 231 намагничивания или замыкателя 207c в состоянии отказа.
Фиг. 54 - блок-схема последовательности операций способа, показывающая работу блока 208e проверки на останов/размагничивание, согласно варианту осуществления. Прежде всего, блок 208c проверки на останов/размагничивание определяет, должна или нет защищаться система привода двигателя с переменным магнитным потоком (этап S201). Если защита системы не требуется, блок 208e проверки на останов/размагничивание определяет, находится или нет предыдущая команда работы в состоянии работы (RUN_CMD = 1) и указывает или нет текущая команда работы на останов (RUN_CMD = 0) (этап S203). Если эти условия не удовлетворены, здесь работа заканчивается.
Если, на этапе S202, блок 208e проверки на останов/размагничивание определяет, что предыдущая команда работы находится в состоянии работы, а текущая команда работы задает останов, инвертор 231 намагничивания, служащий в качестве схемы намагничивания, выполняет размагничивание (этап S205). Чтобы заставить инвертор 231 намагничивания выполнять размагничивание, блок 208e проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания, FLG_DEMAG1 = 1, в блок 212 обработки команд тока намагничивания. Блок 212 обработки команд тока намагничивания вычисляет ток намагничивания, необходимый, чтобы инвертор 231 намагничивания выполнял размагничивание, и выводит команду тока намагничивания в блок 210a обработки команд напряжения. Блок 210a обработки команд напряжения и схема 6a ШИМ работает, как пояснено выше. Инвертор 231 намагничивания пропускает ток намагничивания для размагничивания переменного магнита.
Если защита системы требуется на этапе S201, блок 208e проверки на останов/размагничивание определяет, является ли инвертор 231 намагничивания, служащий в качестве схемы намагничивания, неисправным или надежным (этап S203). Если инвертор 231 намагничивания надежен (не отказал), блок 208e проверки на останов/размагничивание выводит сигнал размагничивания, FLG_DEMAG1 = 1, в блок 212 обработки команд тока намагничивания. На основании сигнала размагничивания, инвертор 231 намагничивания размагничивает переменный магнит (этап S205).
Если схема намагничивания не является надежной (отказала), блок 208e проверки на останов/размагничивание определяет, является или нет надежным (не отказал ли) инвертор 1 (этап S207). Если инвертор 1 надежен, блок 208e проверки на останов/размагничивание создает сигнал размагничивания, чтобы заставить инвертор 1, который надежен, выполнять размагничивание, и выводит FLG_DEMAG2 = 1 в блок 211 обработки команд тока. Блок 211 обработки команд тока вычисляет ток, необходимый, чтобы инвертор 1 выполнял размагничивание, и выводит команду тока в блок 210 обработки команд напряжения. Блок 211 обработки команд тока также может создавать команду тока, так чтобы блок 210 обработки команд напряжения мог выводить 0. В этом случае инвертор 1 закорачивает провода двигателя 4 с переменным магнитным потоком подобно девятому варианту осуществления, чтобы размагничивать переменный магнит 53 (этап S209).
Если инвертор 1 не надежен и отказал на этапе S207, блок 208e проверки на останов/размагничивание создает сигнал размагничивания (FLG_DEMAG3 = 1), чтобы заставить замыкатель 207c, который надежен, выполнять размагничивание, и выводит сигнал в замыкатель 207c. Подобно одиннадцатому варианту осуществления, замыкатель 207c использует сигнал размагничивания, созданный блоком 208e проверки на останов/размагничивание, для закорачивания проводов переменного магнита 53 и его размагничивания (этап S211).
Таким образом, система привода двигателя с переменным магнитным потоком по этому варианту осуществления обеспечивает, подобно двенадцатому варианту осуществления, результат, что, когда один или более из блоков размагничивания неисправны, блок 208e проверки на останов/размагничивание создает сигналы размагничивания, чтобы заставить надежный блок размагничивания выполнять размагничивание. А именно, этот вариант осуществления может использовать только надежные блоки размагничивания для выполнения размагничивания, не используя неисправные блоки размагничивания, тем самым надежно защищая систему.
Применение инвертора 231 намагничивания может снижать предельно допустимый ток инвертора 1, чтобы уменьшать габариты, вес и себестоимость инвертора 1.
(Четырнадцатый вариант осуществления)
Фиг. 55 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно четырнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения. То, что является отличным от девятого варианта осуществления, показанного на фиг. 39, состоит в том, что он имеет устройство 217 обнаружения напряжения постоянного тока и блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения.
Устройство 217 обнаружения напряжения постоянного тока соответствует первому блоку обнаружения напряжения по настоящему варианту осуществления и обнаруживает напряжение постоянного тока, подаваемое из источника 3 питания постоянного тока в инвертор 1. Блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения использует напряжения и токи, обеспечиваемые инвертором 1, чтобы оценивать противодействующее электродвижущее напряжение переменного магнита 53 двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Только когда противодействующее электродвижущее напряжение, оцененное блоком 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения, является равным или большим, чем напряжение постоянного тока, обнаруженное устройством 217 обнаружения напряжения постоянного тока, блок 208f проверки на останов/размагничивание определяет, что переменный магнит 53 должен размагничиваться, и создает сигнал размагничивания.
Здесь, будет пояснена оценка противодействующего электродвижущего напряжения. Когда инвертор 1 остановлен (заперт), противодействующее электродвижущее напряжение может постигаться измерением междупроводного напряжения двигателя 4 с переменным магнитным потоком. Однако, когда инвертор 1 является работающим, невозможно непосредственно измерить противодействующее электродвижущее напряжение. Согласно варианту осуществления, когда инвертор 1 прекращает работу или когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком останавливается для защиты, блок 208f проверки на останов/размагничивание определяет, что переменный магнит должен размагничиваться, и создает сигнал размагничивания. Для этого блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения оценивает противодействующее электродвижущее напряжение во время работы инвертора 1.
Это будет пояснено на известной вращающейся системе координат DQ-осей. Ось D определена в таком же направлении, как вектор магнитного потока магнита. Характеристическое уравнение в установившемся состоянии является следующим:
[Мат. 21]
| Vd =R × Id - ω × Lq × Iq | (28) |
| Vq=RxIq - ω × Ld × Id + E | (29) |
Здесь R - сопротивление обмотки, Ld и Lq - индуктивность по D-оси и индуктивность по Q-оси соответственно, Vd и Vq - напряжение по D-оси и напряжение по Q-оси соответственно, Id и Iq - ток по D-оси и ток по Q-оси соответственно, ω - угловая частота вращения (электрический угол) ротора, а E - противодействующее электродвижущее напряжение.
Оцененное противодействующее электродвижущее напряжение Eh выражается, как изложено ниже:
[Мат. 22]
| Eh=Vq - R × Iq - ω × Ld × Id | (30) |
С этим выражением, противодействующее электродвижущее напряжение является поддающимся вычислению.
Устройство 2 обнаружения тока обнаруживает токи, подаваемые в двигатель 4 с переменным магнитным потоком, и выводит обнаруженные токи в блок 210 обработки команд напряжения и блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения. Блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения преобразует координаты входных токов фаз U и W в токи по D- и Q-оси, чтобы получать ток Id по D-оси и ток Iq по Q-оси. К тому же, блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения использует команды трехфазного напряжения, обеспечиваемые переключателем 205c, для проведения преобразования координат, которое обеспечивает напряжение Vd по D-оси и напряжение Vq по Q-оси. Блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения может получать напряжения по D- и Q-оси непосредственным измерением фактических значений. Остальная конфигурация этого варианта осуществления является такой же, как у девятого варианта осуществления, а потому повторные пояснения опущены.
Затем, будет пояснена работа варианта осуществления с вышеупомянутой конфигурацией. В то время как инвертор 1 работает, блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения оценивает противодействующее электродвижущее напряжение переменного магнита 53 согласно напряжениям и токам, обеспеченным инвертором 1. Оцененное противодействующее электродвижущее напряжение Eh на основании уравнения (30) находится в координатах DQ-осей. Поскольку напряжение в координатах DQ-осей равно междупроводному напряжению (RMS), амплитуда Eh' противодействующего электродвижущего напряжения, преобразованного в междупроводное напряжение, выражается как изложено ниже:
[Мат. 23]
Блок 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения выводит вычисленное Eh' в блок 208f проверки на останов/размагничивание. Устройство обнаружения 217 напряжения постоянного тока обнаруживает напряжение Vdc постоянного тока, подаваемое из источника 3 питания постоянного тока в инвертор 1, и выводит обнаруженное напряжение в блок 208f проверки на останов/размагничивание.
Когда инвертор 1 останавливает работу или когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна защищаться, блок 208f проверки на останов/размагничивание сравнивает противодействующее электродвижущее напряжение Eh' и напряжение Vdc постоянного тока друг с другом и определяет, должен или нет размагничиваться переменный магнит 53. Противодействующее электродвижущее напряжение Eh' указывает пиковое противодействующее электродвижущее напряжение. Соответственно, если противодействующее электродвижущее напряжение Eh' является равным или большим, чем напряжение Vdc постоянного тока, пиковое противодействующее электродвижущее напряжение обладает вероятностью превышения напряжения Vdc постоянного тока. Соответственно, блок 208f проверки на останов/размагничивание определяет, что переменный магнит 53 должен размагничиваться, создает сигнал размагничивания (FLG_DEMAG = 1) и выводит сигнал на переключатель 205c. Если противодействующее электродвижущее напряжение Eh' является меньшим, чем напряжение Vdc постоянного тока, блок 208f проверки на останов/размагничивание не создает сигнал размагничивания. Остальная работа по варианту осуществления является такой же, как у девятого варианта осуществления, а потому повторные пояснения опущены.
Как упомянуто выше, система привода двигателя с переменным магнитным потоком по варианту осуществления обеспечивает, в дополнение к результату девятого варианта осуществления, результат сравнения противодействующего электродвижущего напряжения, оцененного блоком 219 оценки противодействующего электродвижущего напряжения с напряжением постоянного тока, обнаруженным устройством 217 обнаружения напряжения постоянного тока, и определения, должно или нет выполняться размагничивание. Если противодействующее электродвижущее напряжение является меньшим, чем напряжение постоянного тока источника 3 питания постоянного тока, вариант осуществления не выполняет размагничивание, чтобы снизить количество раз ненужного размагничивания и продления срока службы элементов.
Если противодействующее электродвижущее напряжение равно или больше, чем напряжение постоянного тока источника 3 питания постоянного тока, большой ток будет пропускаться в инвертор 1, что повреждает элементы и вызывает перегрев. В дополнение, двигатель 4 с переменным магнитным потоком может принимать силу торможения. Чтобы справляться с ними, блок 208f проверки на останов/размагничивание создает и выводит сигнал размагничивания для предохранения инвертора от приема перенапряжения и чрезмерно большого тока, и избежания силы торможения.
Этот вариант осуществления определяет останов или размагничивание всего лишь посредством сравнения напряжения постоянного тока с противодействующим электродвижущим напряжением. Электропоезда, EV, HEV, суда и тому подобное, применяют множество систем привода для приведения в движение одного объекта. В этом случае каждый привод не способен самостоятельно определять скорость (число оборотов двигателя) объекта. К тому же, внешняя сила (ветер, уклон, и тому подобное), действующая на объект, может ускорять объект. В таком случае, определение, должно или нет выполняться размагничивание, может производиться, учитывая максимальное число оборотов в графике движения объекта и повышение скорости (числа оборотов) объекта, обусловленное возмущающим воздействием.
(Пятнадцатый вариант осуществления)
Фиг. 56 - структурная схема, показывающая систему привода двигателя с переменным магнитным потоком, согласно пятнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от девятого варианта осуществления, показанного на фиг. 39, тем, что он содержит устройство 213 обнаружения напряжения, блок 214 проверки на перенапряжение, таймер 215 и схему 216 ИЛИ.
Устройство 213 обнаружения напряжения соответствует второму блоку обнаружения напряжения по настоящему изобретению и обнаруживает междупроводное напряжение двигателя 4 с переменным магнитным потоком.
Если инвертор 1 останавливается и если междупроводное напряжение, обнаруженное устройством 213 обнаружения напряжения, равно или больше, чем предопределенное значение, блок 214 проверки на перенапряжение создает сигнал запроса размагничивания и выводит его в схему 216 ИЛИ.
Таймер 215 соответствует блоку таймера по настоящему изобретению и отмеряет время. Когда инвертор 1 останавливается, таймер создает сигнал запроса размагничивания, всякий раз, когда проходит предопределенное время, и выводит сигнал в схему 216 ИЛИ.
Блок 208g проверки на останов/размагничивание выводит команду Gst управления отпиранием в схему 6 ШИМ, блок 214 проверки на перенапряжение и таймер 215. Соответственно, блок 214 проверки на перенапряжение и таймер 215 способны быстро воспринять, остановлен или нет инвертор 1, согласно команде Gst управления отпиранием.
При приеме сигнала запроса размагничивания из одного из блока 214 проверки на перенапряжение и таймера 215, схема 216 ИЛИ выводит сигнал запроса размагничивания в блок 208g проверки на останов/размагничивание.
Блок 208g проверки на останов/размагничивание использует сигнал запроса размагничивания, созданный блоком 214 проверки на перенапряжение, или сигнал запроса размагничивания, созданный таймером 215, чтобы определять, должен или нет размагничиваться переменный магнит, создает сигнал размагничивания и выводит сигнал на переключатель 205d.
Когда инвертор 1 останавливает работу или когда система привода двигателя с переменным магнитным потоком должна защищаться, блок 208g проверки на останов/размагничивание определяет, подобно девятому варианту осуществления, что переменный магнит 53 должен размагничиваться, и создает сигнал размагничивания. Блок 214 проверки на перенапряжения и таймер 215 работают после того, как останавливается инвертор 1.
Хотя и не показано на фиг. 56, можно устанавливать блок обнаружения магнитного потока. Блок обнаружения магнитного потока оценивает или обнаруживает магнитный поток переменного магнита 53, и создает сигнал запроса размагничивания, если инвертор 1 останавливается, и если магнитный поток переменного магнита является равным или большим, чем предопределенное значение. В этом случае, блок 208g проверки на останов/размагничивание использует сигнал запроса размагничивания, созданный блоком обнаружения магнитного потока, для определения, должен или нет размагничиваться переменный магнит 53, создания сигнала размагничивания и вывода сигнала на переключатель 205d. Остальная конфигурация является такой же, как у девятого варианта осуществления, а потому повторные пояснения опущены.
Затем, будет пояснена работа варианта осуществления, имеющего вышеупомянутую конфигурацию. Когда инвертор 1 останавливает работу или когда система привода двигателя с переменным потоком должна защищаться, переменный магнит 53 будет размагничиваться. Эта операция является такой же, как и по девятому варианту осуществления.
Блок 208g проверки на останов/размагничивание выводит команду управления отпиранием, Gst = 0, для останова инвертора 1. Во время останова инвертора 1, блок 214 проверки на перенапряжение осуществляет проверку, чтобы выяснить, является ли междупроводное напряжение, обнаруженное устройством 213 обнаружения напряжения, равным или большим, чем предопределенное значение. Междупроводное напряжение, обнаруженное устройством 213 обнаружения напряжения, является противодействующим электродвижущим напряжением, так как инвертор 1 остановлен. А именно, блок 214 проверки на перенапряжение осуществляет проверку, чтобы выяснить, является ли противодействующее электродвижущее напряжение равным или большим, чем предопределенное значение. Предопределенное значение свободно устанавливается конструктором или оператором. В качестве альтернативы, оно может быть заранее задано в блоке 214 проверки на перенапряжение. Если междупроводное напряжение (противодействующее электродвижущее напряжение), обнаруженное устройством 213 обнаружения напряжения, равно или больше, чем предопределенное напряжение, блок 214 проверки на перенапряжение создает сигнал запроса размагничивания и выводит сигнал в схему 216 ИЛИ.
Если блок 208g проверки на останов/размагничивание выводит команду управления отпиранием, Gst = 0, инвертор 1 останавливает работу. Во время останова инвертора 1, таймер 215 отмеряет время и всякий раз, когда проходит предопределенное время в течение останова инвертора 1, создает сигнал запроса размагничивания, который выводится в схему 216 ИЛИ. Это предопределенное время может свободно устанавливаться конструктором или оператором, или может заранее устанавливаться в таймере 215.
Принимая сигнал запроса размагничивания из любого одного из блока 214 проверки на перенапряжение и таймера 215, схема 216 ИЛИ выводит сигнал запроса размагничивания в блок 208g проверки на останов/размагничивание. На основании сигнала запроса размагничивания, созданного блоком 214 проверки на перенапряжение, или сигнала запроса размагничивания, созданного таймером 215, блок 208g проверки на останов/размагничивание определяет, должен или нет размагничиваться переменный магнит 53, создает сигнал размагничивания и выводит сигнал на переключатель 205d. Остальная работа является такой же, как у девятого варианта осуществления, а потому повторные пояснения опущены.
Как упомянуто выше, система привода двигателя с переменным магнитным потоком по варианту осуществления имеет блок 214 проверки на перенапряжение, а потому может обеспечивать, в дополнение к результату девятого варианта осуществления, результат выполнения размагничивания, даже после останова инвертора 1, если противодействующее электродвижущее напряжение является равным или большим, чем предопределенное значение, чтобы подавлять повышение противодействующего электродвижущего напряжения. В дополнение, система имеет таймер 215, а потому может выполнять размагничивание с предопределенными интервалами, даже после останова инвертора 1, для подавления повышения противодействующего электродвижущего напряжения. Если система обеспечена упомянутым ранее блоком обнаружения магнитного потока, система может выполнять размагничивание, даже после останова инвертора 1, если магнитный поток переменного магнита 53 является равным или большим, чем предопределенное значение, чтобы подавлять повышение противодействующего электродвижущего напряжения. Как следствие, это предохраняет от прикладывания силы торможения и является надежной защитой системы.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Системы привода двигателя с переменным магнитным потоком согласно настоящему изобретению применимы для привода двигателей электропоездов, электромобилей, гибридных транспортных средств и тому подобного.
1. Система привода двигателя с переменным магнитным потоком, имеющая инвертор для возбуждения двигателя с переменным магнитным потоком, который использует постоянный магнит и переменный магнит, содержащая: блок создания команд крутящего момента для создания команд крутящего момента для двигателя с переменным магнитным потоком; блок управления переменным магнитным потоком для изменения магнитного потока согласно току намагничивания от инвертора и намагничивания переменного магнита; переключатель для пропускания заданных значений тока по D- и Q-оси на основании команды крутящего момента от блока создания команд крутящего момента или команд тока намагничивания по D- и Q-оси от блока управления переменным магнитным потоком; блок создания запроса намагничивания для создания, если удовлетворены предопределенные условия, запроса в блок управления переменным магнитным потоком для намагничивания переменного магнита; и блок создания команд управления отпиранием для создания команд управления отпиранием для управления инвертором согласно основанным на команде крутящего момента заданным значениям тока по D- и Q-оси или командам тока намагничивания по D- и Q-оси от переключателя.
2. Система привода двигателя с переменным магнитным потоком, содержащая: двигатель на постоянных магнитах, использующий постоянный магнит; инвертор для возбуждения двигателя на постоянных магнитах; и средство намагничивания для пропускания тока намагничивания для управления магнитным потоком постоянного магнита, постоянный магнит, по меньшей мере, частично обладающий способностью переменного магнита, чья магнитная индукция является переменной в ответ на ток намагничивания от инвертора, средство намагничивания, имеющее способность пропускания тока намагничивания, который выходит за пределы зоны насыщения намагничивания магнитного материала переменного магнита.
3. Система привода двигателя с переменным магнитным потоком, содержащая: двигатель на постоянных магнитах, использующий постоянный магнит; инвертор для возбуждения двигателя на постоянных магнитах; средство управления переменным магнитным потоком для пропускания тока намагничивания для управления магнитным потоком постоянного магнита; средство для обнаружения тока двигателя на постоянных магнитах; и средство оценки магнитного потока для оценки величины магнитного потока по напряжению и току, приложенным к двигателю на постоянных магнитах, и индуктивности обмотки, служащей в качестве параметра двигателя, постоянный магнит, по меньшей мере, частично обладающий способностью переменного магнита, чья магнитная индукция является переменной согласно току намагничивания от инвертора.
4. Система привода двигателя с переменным магнитным потоком, имеющая инвертор для возбуждения двигателя с переменным магнитным потоком, который имеет постоянный магнит и переменный магнит, содержащая: главный блок управления для управления инвертором, так чтобы крутящий момент двигателя с переменным магнитным потоком соответствовал команде крутящего момента; обмотка намагничивания для намагничивания переменного магнита двигателя с переменным магнитным потоком; и схема намагничивания для подачи тока намагничивания в обмотку намагничивания.
