專利名稱：多相交流機(jī)組控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到多相位AC機(jī)組的控制，特別是涉及到使用受到控制的2N+1相分量來(lái)獨(dú)立地控制N個(gè)AC機(jī)組。


圖1是通常用來(lái)表示三相系統(tǒng)的三相AC電流或電壓的一種常見的幅值-時(shí)間圖，相對(duì)的瞬時(shí)相位ωt是120°?？s寫AC表示“交流電流”，它在許多情況下使用不當(dāng)，因?yàn)檫@一術(shù)語(yǔ)可以用來(lái)表示交流電壓或交流電流或者是這兩種意思。如果瞬時(shí)值周期性地保持在正值，隨后又保持在負(fù)值，這種電壓或電流就是“交流”，其中的“正”和“負(fù)”是指電的方向而不是機(jī)械的概念。在圖1中用Xa，Xb和Xc來(lái)表示三個(gè)相位，并且可以分別表示成Xa＝Xcoswt，Xb＝Xcos(wt-2π/3)，Xc＝Xcos(wt-4π/3)。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，圖2表示圖1的電流或電壓在時(shí)間t＝0處的一個(gè)二維矢量圖。在圖2中，兩個(gè)相互垂直的α和β分量是基本坐標(biāo)，并且α軸對(duì)應(yīng)著“a”軸。另外兩個(gè)的b和c軸與a軸相距120°。電壓或電流Xa總是沿著a軸的，而其瞬時(shí)的幅值隨著時(shí)間而改變。同樣，Xb和Xc總是分別沿著b和c軸，并且其幅值幅值也隨著時(shí)間而改變。在圖2所示的對(duì)應(yīng)著圖1中t＝0的時(shí)間，圖2中的Xa，Xb和Xc的幅值合在一起對(duì)應(yīng)著一個(gè)矢量。隨著圖1中的曲線Xa，Xb和Xc的時(shí)間或瞬時(shí)相位的增加，圖2中的矢量(在箭頭ωt所指的方向上)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，畫出一個(gè)圓形210。每當(dāng)相位改變2π，就會(huì)繞著圓形210畫出一個(gè)完整的圓。為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以用對(duì)應(yīng)的分量α和β來(lái)表示Xa，Xb和Xc的數(shù)值。X→=XαXβ=Tabc2αβXaXbXc---(1)]]>其中的[Tabcαβ]=231-12-12032-32---(2)]]>
公式(1)和(2)合在一起代表用來(lái)將由a，b和c表示的矢量轉(zhuǎn)換成由α和β分量表示的矢量的矩陣變換公式。以上的數(shù)學(xué)表達(dá)式?jīng)]有考慮到可能與交流勵(lì)磁有關(guān)的共模的(直流或非交流，或者是交流)電壓或電流。在AC系統(tǒng)中，每一相都可能與用來(lái)補(bǔ)償這一相的交流分量的一個(gè)共模分量有關(guān)。圖2的曲線假設(shè)或代表了這樣一種沒(méi)有共模分量的狀態(tài)。如果在平衡的三相系統(tǒng)中存在共模分量，它就會(huì)被抵消，不會(huì)出現(xiàn)在α和B分量中。由于共模分量被抵消了，即使是存在這種共模分量，它們也不會(huì)出現(xiàn)在圖2的曲線中。然而，即使是在圖2的二維曲線中沒(méi)有出現(xiàn)共模分量，這種共模分量還是可能存在的。
為了表示直流分量，可以用以下的公式(3)和(4)所代表的一種經(jīng)過(guò)修改的變換公式來(lái)表示矢量X[X]=XαXβX0=[Tabc2αβφ]XaXbXc---(3)]]>[Tabc2αβφ]=231-12-12032-32121212----(4)]]>矩陣中最底下一行的元素值是“1/2”，它代表共模分量。附加的X0分量被稱為零序分量。用零序分量代表的共模分量通常是用一個(gè)與圖2的α-β平面正交的矢量來(lái)表示的。采用這種與α-β平面正交的矢量可以構(gòu)成一個(gè)相互垂直的坐標(biāo)的三維系統(tǒng)。
按照本發(fā)明一個(gè)方面的一種2N+1相AC機(jī)組設(shè)備包括N個(gè)AC機(jī)組，這種AC機(jī)組可以是電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)。設(shè)備包括N個(gè)AC機(jī)組。這N個(gè)AC機(jī)組各自具有2N+1個(gè)流過(guò)交流電流的繞組；當(dāng)然也可以有更多的繞組，但是繞組的有效數(shù)量應(yīng)該是2N+1。設(shè)備還包括一個(gè)可控的2N+1相逆變器，用來(lái)產(chǎn)生用于N個(gè)機(jī)組的2N+1相電流。將一個(gè)互連裝置連接到逆變器和N個(gè)AC機(jī)組上，用于互連N個(gè)AC機(jī)組的N個(gè)繞組，讓流經(jīng)每個(gè)機(jī)組的每個(gè)繞組的電流流過(guò)N個(gè)AC機(jī)組中其他的各個(gè)繞組。將一個(gè)控制裝置連接到逆變器上，用來(lái)以N個(gè)相互正交的一組相位控制2N+1相，從而彼此獨(dú)立地控制N個(gè)AC機(jī)組。在按照本發(fā)明這一方面的一種具體設(shè)備中，2N+1相AC機(jī)組的每個(gè)2N+1個(gè)繞組在電學(xué)上各自按照一種特定的空間相位級(jí)數(shù)排列，并且用互連裝置互連N個(gè)AC機(jī)組中的繞組，讓對(duì)應(yīng)著一種特定空間相位的一個(gè)AC機(jī)組的一個(gè)繞組中流動(dòng)的電流流過(guò)另一個(gè)AC機(jī)組的一個(gè)不同空間相位的繞組。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)一個(gè)機(jī)組中具有特定空間相位的一個(gè)繞組的電流流入另一個(gè)機(jī)組中具有相同空間相位的一個(gè)繞組。
在按照本發(fā)明一個(gè)方面的具體設(shè)備中，N是二，而2N+1是五，兩個(gè)AC機(jī)組的五個(gè)繞組中每個(gè)各自以一種特定的空間相位排列在每個(gè)機(jī)組中，并且用互連裝置將兩個(gè)AC機(jī)組中前一個(gè)機(jī)組的所有五相互連到逆變器中對(duì)應(yīng)的相，并且連接一個(gè)AC機(jī)組的一個(gè)繞組，讓電流流過(guò)另一個(gè)AC機(jī)組中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的繞組。
用來(lái)控制包括N個(gè)互連的2N+1相AC機(jī)組的一個(gè)AC機(jī)組系統(tǒng)的一種方法，AC機(jī)組中各自包括對(duì)應(yīng)的空間相位繞組，該方法包括以下步驟產(chǎn)生2N+1相電流，表示N組相互正交的二維的電流分組。按照電流的相位與繞組的空間相位的一種特定對(duì)應(yīng)關(guān)系，讓2N+1相的上述電流通過(guò)N個(gè)AC機(jī)組中第一個(gè)機(jī)組的空間相位繞組，并且按照電流的上述相位與繞組的空間相位之間不同于上述特定對(duì)應(yīng)關(guān)系的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，讓2N+1相的電流通過(guò)N個(gè)AC機(jī)組中第二個(gè)機(jī)組的空間相位繞組，以這種方式用電流的每一個(gè)二維分組獨(dú)立地控制N個(gè)AC機(jī)組當(dāng)中的一個(gè)機(jī)組。按照實(shí)現(xiàn)該方法的一種具體方式，產(chǎn)生2N+1相電流的步驟中包括對(duì)連接到直流電壓母線上的一個(gè)五相逆變器進(jìn)行控制的步驟。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這一具體方式還包括一個(gè)附加步驟，將N個(gè)AC機(jī)組中的第一和第二機(jī)組連接到車輛的第一和第二車輪上。按照另一種方式，用來(lái)控制五相逆變器的步驟中還包括對(duì)五相逆變器連接到一個(gè)牽引電池上的開關(guān)進(jìn)行控制的步驟。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明這一方面的方法的另一種具體方案中，產(chǎn)生2N+1相電流的步驟中包括對(duì)連接到直流電壓母線上的五相逆變器進(jìn)行控制的步驟，并且還包括一個(gè)附加步驟，將N個(gè)AC機(jī)組中的第一個(gè)至少連接到一部車的第一車輪上，并且將N個(gè)AC機(jī)組中的第二個(gè)連接到一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)能源例如是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上。
圖1是通常用來(lái)表示三相系統(tǒng)的三相電流或電壓的一種常見的幅值-時(shí)間圖，相對(duì)的瞬時(shí)相位ωt是120°；圖2表示圖1的電流或電壓的一個(gè)二維矢量圖；圖3a，3b和3c分別沿著三個(gè)相互正交的Xa，Xb和Xc軸或迪卡兒坐標(biāo)系表示圖1的a，b和c電流或電壓分量；圖4是采用了通過(guò)逆變器和直流電壓或電流母線互連的兩個(gè)AC機(jī)組的設(shè)備的一個(gè)簡(jiǎn)化框圖；圖5a是按照本發(fā)明一方面的五相AC機(jī)組設(shè)備的一個(gè)簡(jiǎn)化框圖或示意圖，圖5b和5c是關(guān)于圖5a的AC機(jī)組中的繞組的示意圖，而圖5d是圖5a所示設(shè)備中的一個(gè)互換或相位交換部分的簡(jiǎn)化示意圖；圖6以框圖的形式表示了按照本發(fā)明一個(gè)方面的五相逆變器的簡(jiǎn)化示意圖；圖7用框圖的形式表示了現(xiàn)有技術(shù)的AC機(jī)組控制設(shè)備的一個(gè)簡(jiǎn)化示意圖；圖8以框圖的形式表示了按照本發(fā)明一個(gè)方面的設(shè)備的示意圖，在其中用一個(gè)五相控制器獨(dú)立地控制兩個(gè)AC機(jī)組；圖9a，9b，9c，9d，9e，9f，9g，9h和9i是各種交換電路的簡(jiǎn)化示意圖，與圖5d的設(shè)備共同構(gòu)成了定義方程的十種可能解；以及圖10是由一個(gè)(2N+1)相控制器控制的N個(gè)機(jī)組的一個(gè)簡(jiǎn)化的總圖。
本發(fā)明人認(rèn)為，圖2所表示的并不是唯一可供使用的方式，用其他方式也可以提供新穎和有效的設(shè)備。具體地說(shuō)，圖3a，3b和3c分別沿著三個(gè)相互正交的Xa，Xb和Xc軸或迪卡兒坐標(biāo)系表示了圖1的a，b和c電壓或電流分量。這些電壓或電流分量對(duì)應(yīng)著Xa，Xb和Xc軸上的各種瞬時(shí)值。圖3a，3b和3c從不同的角度表示了同一種矢量分布。為了便于說(shuō)明，在圖3a，3b和3c中，立方體的中心與坐標(biāo)系的中心或原點(diǎn)相吻合。因此，立方體中心的坐標(biāo)是000。一個(gè)六邊形平面312通過(guò)原點(diǎn)000，并且將立方體分成相同的兩半。軸線Xa，Xb和Xc在平面312上的垂直投影分別用a’，b’和c’表示，并且這三個(gè)投影在平面上相距120°。圖3中的投影a’，b’和c’對(duì)應(yīng)著圖2中的軸線a，b和c。在圖1的曲線Xa，Xb和Xc中，在沒(méi)有零序分量的情況下，隨著時(shí)間或瞬時(shí)相位的增加，圖3a的矢量(在箭頭ωt所指的方向上)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，劃出一個(gè)圓圈310。每當(dāng)相位改變2π，就會(huì)繞著圓圈310畫出一個(gè)完整的圓。
眾所周知，零序分量是可能隨著時(shí)間而改變的。在圖3a中用沿著與α和β軸垂直的0軸的一個(gè)分量來(lái)表示變化的零序分量。如果零序分量的幅值是固定的，平面312就可以和作為立方體主對(duì)角線的0軸平行地移動(dòng)。然而，由于零序分量可能隨時(shí)間而改變，與代表這些分量的矢量的旋轉(zhuǎn)有關(guān)，當(dāng)存在這樣的零序分量時(shí)，軌跡的平面(圓圈310的平面)相對(duì)于平面312是傾斜的。
圖3b表示圖3a的平面312的側(cè)面，而圖3c表示軸線0的方向。
可以用矩陣變換公式[T3]來(lái)完成從圖2的正交(a，b，c)分量到圖3a，3b和3c的正交分量(α，β，0)之間的變換XαXβX0=[T3]XaXbXc,where[T3]=63-63-63022-22333333----(5)]]>公式(5)表示的變換公式可以將圖3a，3b和3c中用a，b，c分量代表的矢量轉(zhuǎn)換成用α，β和零序分量代表的一種矢量。這僅僅是從一個(gè)坐標(biāo)系到另一坐標(biāo)系的矢量變換。
公式(6)表示相反的運(yùn)算過(guò)程XaXbXC=[T3-1]XαXβX0,where[T3-1]=63033-662233-66-2233---(6)]]>按照本發(fā)明的一個(gè)方面，在圖3a，3b和3c中表示的三相系統(tǒng)使我們認(rèn)識(shí)到可以用一個(gè)2N+1維的超立方體來(lái)代表多相系統(tǒng)?？梢杂眠@樣一種方式來(lái)表示一個(gè)五相系統(tǒng)，它具有諸如平面312那樣的兩個(gè)相互正交的平面，還有一條零序軸線。代表五相系統(tǒng)的這兩個(gè)平面分別占據(jù)一個(gè)四維立體空間中的二維空間。這兩個(gè)相互正交的平面僅僅在坐標(biāo)系的原點(diǎn)處交叉，因而沒(méi)有相互作用。這一原理可以普遍地適用于任何奇數(shù)相，例如七，九等等。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，通過(guò)對(duì)2N+1相的電壓或電流進(jìn)行控制來(lái)控制N個(gè)AC機(jī)組(電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī))。
圖4是兩個(gè)AC機(jī)組410和412的簡(jiǎn)化框圖，它們各自通過(guò)一個(gè)逆變器414，416連接到用電池表示的直流電壓母線420和直流電壓源422。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，母線可包括一個(gè)以上導(dǎo)電體。圖4中的AC機(jī)組可以是一個(gè)電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)。在一種操作模式下，機(jī)組410和412都按照電動(dòng)機(jī)方式工作，向負(fù)載(未示出)提供機(jī)械能量，能量是分別通過(guò)逆變器414和416由電源422提供的。在另一種操作模式下，機(jī)組410和412都可以按照發(fā)電機(jī)方式工作，逆變器414和416按照整流模式工作，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能整流成直流。在又一種操作模式下，機(jī)組410按照發(fā)電機(jī)方式工作，而機(jī)組412是一個(gè)電動(dòng)機(jī)，用于從機(jī)組410通過(guò)逆變器414向電源422提供能量，并且從電源422通過(guò)逆變器416向機(jī)組412提供能量。在最后一種操作模式下，提供給電動(dòng)機(jī)412的能量最終是由發(fā)電機(jī)410產(chǎn)生的。不幸的是，由發(fā)電機(jī)410產(chǎn)生的能量必須通過(guò)逆變器414和416才能到達(dá)電動(dòng)機(jī)412。
圖5a表示了按照本發(fā)明一個(gè)方面的設(shè)備。在圖5a中，用電池422表示的直流電源(它還包括一個(gè)直流電壓源)被連接到圖4所示的直流母線420上。母線420連接到一個(gè)五相逆變器514，用來(lái)將母線420上的直流電壓或電流轉(zhuǎn)換成一組導(dǎo)體520或電流路徑520a，520b，520c，520d和520e上的五相電壓或電流。流經(jīng)這些導(dǎo)體或電流路徑的電流或電壓通過(guò)一個(gè)相位交換設(shè)備550提供給一個(gè)五相AC機(jī)組510。圖5b表示圖5a中的AC機(jī)組510的繞組，這些繞組連接到一組導(dǎo)體或路徑520上。如圖5b所示，AC機(jī)組510包括一組530的五個(gè)繞組530a，530b，530c，530d和530e。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，五相一組繞組530中的單個(gè)繞組523a，530b，530c，530d和530e是實(shí)際排列在機(jī)組510內(nèi)部的，為一組繞組530提供漸進(jìn)相位的電流或電壓，就會(huì)產(chǎn)生繞著機(jī)組漸進(jìn)的磁場(chǎng)。具體地說(shuō)，如果分別從繞組520a，520b，520c，520d和520e提供給繞組530a，530b，530c，530d和530e的電流或電壓的相位增量是72°，相位1(0°)通過(guò)路徑520a提供給繞組530a，相位2(72°)通過(guò)路徑520b提供給繞組530b，相位3(144°)通過(guò)路徑520c提供給繞組530c，相位4(216°)通過(guò)路徑520d提供給繞組530d，而相位5(288°)通過(guò)路徑520e提供給繞組530e，一組繞組530的實(shí)際位置是這樣的，用同相相加的磁場(chǎng)構(gòu)成機(jī)組中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，或?qū)C(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成相當(dāng)?shù)碾娔堋＠@組530a，530b，530c，530d和530e上分別遠(yuǎn)離導(dǎo)體520a，520b，520c，520d和520e的端部分別被連接到電流路徑或?qū)w520a’，520b’，520c’，520d’和520e’上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，從一個(gè)導(dǎo)體流入一個(gè)繞組的電流，例如是在圖5b中從導(dǎo)體520a流入繞組530a的電流也會(huì)在連接的其他對(duì)應(yīng)的繞組中流動(dòng)，對(duì)繞組530a來(lái)說(shuō)也就是連接或路徑520a’。
圖5c表示了圖5a中與AC機(jī)組512有關(guān)的繞組及其與導(dǎo)體或路徑當(dāng)中的一組導(dǎo)體或路徑540的連接。如圖5c所示，AC機(jī)組512包括一組532五個(gè)532a，532b，532c，532d和532e。圖5c的機(jī)組512還涉及到一組540導(dǎo)電體或路徑540a，540b，540c，540d和540e。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知以及上文所述，五相一組繞組532中的單個(gè)繞組532a，532b，532c，532d和532e是實(shí)際排列在機(jī)組512內(nèi)部的，如果為530提供漸進(jìn)相位的電流或電壓，就會(huì)產(chǎn)生繞著機(jī)組漸進(jìn)的磁場(chǎng)。具體地說(shuō)，如果分別從導(dǎo)體540a，540b，540c，540d和540e提供給繞組532a，532b，532c，532d和532e的電流或電壓的相位增量是72°，相位1(0°)通過(guò)路徑540a提供給繞組532a，相位2(72°)通過(guò)路徑540b提供給繞組532b，相位3(144°)通過(guò)路徑540c提供給繞組532c，相位4(216°)通過(guò)路徑540d提供給繞組532d，而相位5(288°)通過(guò)路徑540e提供給繞組532e，一組繞組540的實(shí)際位置是這樣的，用同相相加的磁場(chǎng)構(gòu)成AC機(jī)組512中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，或?qū)C(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能。繞組532a，532b，532c，532d和532e上分別遠(yuǎn)離導(dǎo)體540a，540b，540c，540d和540e的端部分別通過(guò)一組540’電流路徑或?qū)w中的540a’，540b’，540c’，540d’和540e’連接到一個(gè)公共或“短路的”導(dǎo)體542上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，從一個(gè)導(dǎo)體流入一個(gè)繞組的電流，例如是在圖5c中從導(dǎo)體540a流入繞組532a的電流也會(huì)在連接的其他對(duì)應(yīng)的繞組中流動(dòng)，對(duì)繞組532a來(lái)說(shuō)也就是連接或路徑540a’。
圖5d是圖5a中的一個(gè)可能的互連或相位交換設(shè)備550的具體示意圖。在圖5d中，用550表示的互連設(shè)備將一組520’導(dǎo)體或電流路徑連接到一組導(dǎo)體或電流路徑540的電流路徑的導(dǎo)體上。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，互連設(shè)備550的導(dǎo)體或電流路徑的連接方法是，讓一定的電流在相應(yīng)的機(jī)組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，用剩下的電流來(lái)抵銷磁場(chǎng)。具體說(shuō)，在如圖5a所示的兩個(gè)AC機(jī)組之一中，由與兩個(gè)正交平面之一(結(jié)合圖3a、3b和3c進(jìn)行描述)相關(guān)的電流(α1、β1)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相加面形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而與兩正交平面中另一個(gè)相關(guān)的電流(α2、β2)產(chǎn)生抵消的磁場(chǎng)，所以不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在圖5d中，承載任意定為0°相位的電流或電壓的導(dǎo)體520a’通過(guò)一個(gè)互連路徑550a連接到一組導(dǎo)體540中對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體540a上?；ミB組550的導(dǎo)體550b將一組導(dǎo)體520’中的72°導(dǎo)體520b’互連到一組540中的導(dǎo)體540d上。一組導(dǎo)體550中的導(dǎo)體550c將一組導(dǎo)體520’中的144°導(dǎo)體520c’互連到一組540中的導(dǎo)體540b，一組導(dǎo)體550中的導(dǎo)體550d將一組520’中的216°導(dǎo)體520d’互連到一組540中的導(dǎo)體540e，而一組導(dǎo)體550中的導(dǎo)體550e將一組導(dǎo)體520’中的288°導(dǎo)體520e’互連到一組540中的導(dǎo)體540c。按照?qǐng)D5a，5b，5c和5d所示的互連方式就可以獨(dú)立地操作兩個(gè)AC機(jī)組510和512。
獨(dú)立地操作圖5a，5b，5c和5d所示的兩個(gè)機(jī)組510和512可以被認(rèn)為是以三相方式來(lái)操作兩個(gè)機(jī)組中的每一個(gè)，每個(gè)機(jī)組所需要的電流或電壓加在一起產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。每個(gè)機(jī)組的這些電壓或電流可以被看成是處在一個(gè)平面內(nèi)的α和β分量，例如參照?qǐng)D2，3a，3b和3c所述的情況，但是正如上文所述，此處的這兩個(gè)平面(α1、β1)和(α2、β2)是正交的?？偣参逑嚯妷夯螂娏骺梢员豢闯墒桥c兩個(gè)正交平面有關(guān)的的電壓或電流的矢量和。兩個(gè)平面的正交性質(zhì)所產(chǎn)生的實(shí)際結(jié)果就是與第一平面有關(guān)的五相電壓或電流的分量加在一起形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而與兩個(gè)正交平面之二有關(guān)的電壓或電流則被抵銷了。相加還是抵銷是取決于每個(gè)機(jī)組內(nèi)部的相位是如何疊加的。圖5a和5d所示的互連設(shè)備與圖5b和5c的繞組配置結(jié)合在一起的結(jié)果是，在AC機(jī)組510中另外還有與一個(gè)平面(α1，β1)有關(guān)的磁場(chǎng)，并且抵銷與第二平面(α2，β2)有關(guān)的磁場(chǎng)，而機(jī)組512中的相位是按照這樣相加的方式重新排列的，與第二平面(α2，β2)加在一起產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并且抵銷與第一平面(α1，β1)有關(guān)的磁場(chǎng)。
圖6表示了可以用于圖5a中所示設(shè)備的一種五相逆變器的簡(jiǎn)化示意圖。在圖6中，包括電流路徑420a和420b在內(nèi)的直流電壓或直流電流母線420被連接到電源422上。五個(gè)受控的電流路徑610a，610b，610c，610d和610e從導(dǎo)體420a延伸到420b。每個(gè)路徑610a，610b，610c，610d和610e包括兩個(gè)用Xs表示的可控開關(guān)。電流路徑610a包括一個(gè)上開關(guān)612a1和一個(gè)下開關(guān)612a2，中間有一個(gè)抽頭614a。電流路徑610b包括一個(gè)上開關(guān)612b1和一個(gè)下開關(guān)612b2，中間有一個(gè)抽頭614b，電流路徑610c包括一個(gè)上開關(guān)612c1和一個(gè)下開關(guān)612c2，中間有一個(gè)抽頭614c，電流路徑610d包括一個(gè)上開關(guān)612d1和一個(gè)下開關(guān)612d2，中間有一個(gè)抽頭614d，而電流路徑610e包括一個(gè)上開關(guān)612e1和一個(gè)下開關(guān)612e2，中間有一個(gè)抽頭614e。一組導(dǎo)體520中的AC導(dǎo)體520a，520b，520c，520d和520e分別被連接到抽頭614a，614b，614c，614d和614e上。圖6的逆變器514還包括一個(gè)用方框608表示的開關(guān)控制器，它按照一種適于產(chǎn)生五相電流或電壓的方式控制各個(gè)開關(guān)。用于切換逆變器的控制器在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，而用于五相操作方式的控制器也應(yīng)該是屬于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的知識(shí)范圍。
圖7是現(xiàn)有技術(shù)中的一種磁場(chǎng)定向控制(FOC)型三相AC機(jī)組控制器的一個(gè)簡(jiǎn)化框圖。圖7中的AC機(jī)組是由相對(duì)0°，120°和240°相位的a，b和c相驅(qū)動(dòng)的一個(gè)感應(yīng)式機(jī)組(電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī))。在圖中用712表示公共電流路徑或短路母線。用714a和714b表示的電流采樣器對(duì)a和b導(dǎo)電路徑中的電流采樣，并且將采樣信號(hào)連接到一個(gè)T3框716?？?16根據(jù)Ia+Ib+Ic＝0來(lái)確定導(dǎo)體C中的電流，并且執(zhí)行從(a，b，c)坐標(biāo)系到(α，β)坐標(biāo)系的T3變換。所得的Iα和Iβ和來(lái)自一個(gè)傳感器718的關(guān)于電樞或轉(zhuǎn)子角度θ的信息一起被連接到一個(gè)FOC控制器720。這種控制器是現(xiàn)有技術(shù)中公知的，無(wú)需進(jìn)一步說(shuō)明?？刂破?20產(chǎn)生dα和dβ占空周期控制信號(hào)，將這些信號(hào)用于以框722表示的反變換T3-1，用來(lái)將dα和dβ占空周期控制信號(hào)變換成da，db和dc控制信號(hào)。da，db和dc控制信號(hào)被用于一個(gè)三相逆變器724，用來(lái)控制流向或來(lái)自母線420和圖中用電池422表示的一個(gè)有關(guān)的電源的功率。圖7所示設(shè)備的一種具體應(yīng)用就是混合電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在這種場(chǎng)合下，電源422是一個(gè)牽引電池，電動(dòng)機(jī)710驅(qū)動(dòng)車輛的至少一個(gè)車輪，而FOC控制器被用來(lái)接收其他控制信號(hào)，由這些信號(hào)指示出應(yīng)該提供給電動(dòng)機(jī)的功率，需要采用的再生制動(dòng)量，以及其他各種信號(hào)。
在上述的混合電動(dòng)車應(yīng)用中，可以將由燃料操作的機(jī)器來(lái)驅(qū)動(dòng)的另一種發(fā)電機(jī)形式的AC機(jī)組連接到三相逆變器上，在1998年10月27日授予Hoffman等人的美國(guó)專利US5828201和1999年2月9日授予Hoffman等人的美國(guó)專利US5869950中有更詳細(xì)的說(shuō)明。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，F(xiàn)OC控制設(shè)備針對(duì)一對(duì)AC機(jī)組采用五相控制方式。圖8表示了按照本發(fā)明這一方面的設(shè)備。在圖8中，由受控的五相逆變器824在一組導(dǎo)體821上產(chǎn)生五相電壓或電流，用于如圖5a所示的連接并用框810表示的兩個(gè)五相電動(dòng)機(jī)。用814a，814b，814c和814d表示的一組電流傳感器814中的四個(gè)電流傳感器檢測(cè)其所在的各個(gè)導(dǎo)體或電流路徑中的電流，并且將相應(yīng)的信號(hào)ia，ib，ic和id連接到一個(gè)T5框816，用來(lái)確定沒(méi)有測(cè)量的第五個(gè)(e)電流值，并且將測(cè)得的a，b，c，d和e電流分量轉(zhuǎn)換成兩個(gè)相互正交的平面內(nèi)的電流，再加上一個(gè)零序分量。具體地說(shuō)，圖8的框816將ia，ib，ic，id和ie變換或轉(zhuǎn)換成iα1，iβ1和iα2，iβ2分量及一個(gè)0分量。iα1和iβ1分量和涉及到與第一電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子角位置的θ1檢測(cè)信息一起被提供給用“AC電動(dòng)機(jī)矢量控制”表示的一個(gè)框8201，它是用于框810的兩個(gè)五相電動(dòng)機(jī)中的第一電動(dòng)機(jī)的FOC控制器。FOC控制器8201的輸出包括被提供給一個(gè)T5-1變換框822的控制信號(hào)Vα1和Vβ1。框816產(chǎn)生的iα2和iβ2分量和涉及到與第二電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子角位置的θ2檢測(cè)信息一起被提供給用“AC電動(dòng)機(jī)矢量控制”表示的一個(gè)框8202，它是用于框810的兩個(gè)五相電動(dòng)機(jī)中的第二電動(dòng)機(jī)的FOC控制器。FOC控制器8202的輸出包括和來(lái)自FOC控制器8201的控制信號(hào)Vα1和Vβ1及來(lái)自框816的零序電流信號(hào)一起被提供給T5-1變換框822的控制信號(hào)Vα1和Vβ1。框822對(duì)iα1，iβ1，0，iα2和iβ2信號(hào)執(zhí)行T5-1變換，將它們轉(zhuǎn)換成五相逆變器控制信號(hào)Va，Vb，Vc，Vd和Ve信號(hào)?？?22產(chǎn)生的Va，Vb，Vc，Vd和Ve信號(hào)被提供給五相逆變器框824，用來(lái)控制圖6中的一組開關(guān)612。
圖8的T5框816代表了(a，b，c，d，e)坐標(biāo)系和(α1，β1，0，α2，β2)坐標(biāo)系之間的變換。具體的變換公式參見公式(7)
在公式(8)中給出了矩陣[T5]的一種可能的解。
同樣，公式(9)中確定了圖8的框822中的矩陣[T5-1]
用公式(10)來(lái)表示矩陣[T5-1]。
公式(10)至少有十個(gè)解，圖5d的相位交換排列表示了其中之一。在圖9a，9b，9c，9d，9e，9f，9g，9h和9i中表示了其它九個(gè)解，無(wú)需進(jìn)一步的描述。
圖10表示一種采用2N+1相的通用的N-機(jī)組系統(tǒng)。在圖10中對(duì)應(yīng)著圖5a的元件都用相同的符號(hào)來(lái)表示。電池422通過(guò)母線420連接到一個(gè)(2N+1)相逆變器上，它按照本發(fā)明的方式在一組導(dǎo)體1020a的(2N+1)個(gè)導(dǎo)體上產(chǎn)生(2N+1)相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。一組導(dǎo)體1020a連接到一個(gè)(2N+1)-繞組機(jī)組1010a的一組(2N+1)個(gè)連接點(diǎn)上。機(jī)組1010a的(2N+1)個(gè)繞組的另一端通過(guò)一組導(dǎo)體1020a’連接到第一相位交換框1050a。這一相位交換框通過(guò)一組導(dǎo)體1020b連接到同樣具有(2N+1)個(gè)繞組的第二機(jī)組1010b的端子上。機(jī)組1010b繞組的另一端通過(guò)一組導(dǎo)體1020b’連接到第二相位交換框1050b。相位交換框1050b的輸出通過(guò)另一組導(dǎo)體1020c繼續(xù)連接，直至將最后一組導(dǎo)體連接到第N個(gè)機(jī)組1010N的端子上。機(jī)組1010N上遠(yuǎn)離其它機(jī)組的(2N+1)個(gè)端子被連接到一個(gè)公共導(dǎo)體1042上。
本發(fā)明的其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都是公知的。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，控制器的各種實(shí)施例中可能包括模擬或數(shù)字電路，或同時(shí)采用兩種電路。在本文的電氣系統(tǒng)中使用的術(shù)語(yǔ)“之間”和“跨接”的意思并不是機(jī)械或者空間中的概念。這種控制器的說(shuō)明并沒(méi)有涉及AC機(jī)組用作發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，這取決于機(jī)組所處的驅(qū)動(dòng)和負(fù)載狀態(tài)，機(jī)組可以根據(jù)具體的狀態(tài)在任意一種模式下工作，在發(fā)電機(jī)操作狀態(tài)下，系統(tǒng)中的“逆變器”部分所執(zhí)行的功能相當(dāng)于整流，從發(fā)電機(jī)提取AC能量，并且將AC能量提供給直流電壓或電流母線。電流傳感器組814的傳感器檢測(cè)四個(gè)具體相a，b，c和d相的電流，而本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道可以對(duì)一個(gè)N-相系統(tǒng)中任意的N-1相進(jìn)行檢測(cè)，并且可以通過(guò)計(jì)算來(lái)確定第N相。
因此，按照本發(fā)明一個(gè)方面的2N+1相(五相)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)設(shè)備中包括了多N個(gè)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)，這些AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)可以是電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)。設(shè)備中包括N個(gè)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)。這N個(gè)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)各自具有2N+1相繞組(530，532)，在繞組中流過(guò)交流電流；當(dāng)然可以有更多的繞組(530，532)，但是繞組(530，532)的有效數(shù)量應(yīng)該是2N+1。設(shè)備中也包括一個(gè)可控的2N+1相逆變器(414，416，514，724，824)，用來(lái)為N個(gè)機(jī)組(410，412，510，512，710，810)產(chǎn)生2N+1相的電流。將一個(gè)互連設(shè)備(550)連接到逆變器(414，416，514，724，824)和N個(gè)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)上，用來(lái)互連N個(gè)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)的N個(gè)繞組(530，532)，讓流經(jīng)每個(gè)機(jī)組(410，412，510，512，710，810)的每一個(gè)繞組的電流流經(jīng)N個(gè)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)當(dāng)中其它的每一個(gè)機(jī)組的繞組(530，532)?？刂圃O(shè)備(608，716，720，722，816，8201，8202，822)被連接到逆變器(414，416，514，724，824)上，用來(lái)以N個(gè)相互正交的組的相位控制2N+1相，從而彼此獨(dú)立地控制N個(gè)AC機(jī)組(410，412，510，512，710，810)。在按照本發(fā)明這一方面的具體設(shè)備中，2N+1相AC機(jī)組(510，512，810)上各自的2N+1相繞組(530，532)在電氣上按照特定的空間相位依次排列，并且用互連設(shè)備(550)互連N個(gè)AC機(jī)組(510，810)的繞組(530，532)，讓流經(jīng)一個(gè)AC機(jī)組(510，512，810)中對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定空間相位(b)的繞組(530b)的電流流經(jīng)另一個(gè)AC機(jī)組(512，810)中具有不同的空間相位(d)的一個(gè)繞組(532d)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，流經(jīng)一個(gè)機(jī)組(510，810)中具有特定空間相位(a)的繞組(530a)的電流流經(jīng)另一個(gè)機(jī)組(512，810)中具有相同空間相位(a)的一個(gè)繞組(532a)。
在按照本發(fā)明一個(gè)方面的具體設(shè)備(圖5a，8)中，N是2，2N+1是五，兩個(gè)AC機(jī)組(510，512，810)的五個(gè)繞組(繞組530和532)各自按照特定的空間相位排列在每個(gè)機(jī)組(510，512，810)中，并且用互連設(shè)備(550)將兩個(gè)AC機(jī)組中第一個(gè)機(jī)組(510)的所有五相互連到逆變器(514，824)上對(duì)應(yīng)的相位，再連接一個(gè)AC機(jī)組(510)的一個(gè)繞組(530a)，讓電流流經(jīng)另一個(gè)AC機(jī)組(512)中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的繞組(532a)。
按照本發(fā)明的用來(lái)控制包括N個(gè)互連的2N+1相AC機(jī)組的一種AC機(jī)組系統(tǒng)的一種方法，AC機(jī)組各自包括對(duì)應(yīng)的空間相位繞組，該方法包括以下步驟，產(chǎn)生2N+1相電流，代表N個(gè)相互正交的組的二維電流分組。按照電流的相位與繞組的空間相位的一種特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將電流提供給N個(gè)AC機(jī)組中第一個(gè)機(jī)組的空間相位繞組，并且按照電流的相位與繞組的空間相位之間不同于上述特定對(duì)應(yīng)關(guān)系的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，將電流提供給N個(gè)AC機(jī)組中第二個(gè)機(jī)組的空間相位繞組，以這種方式用每一個(gè)電流的二維分組獨(dú)立地控制N個(gè)AC機(jī)組當(dāng)中的一個(gè)機(jī)組。在實(shí)現(xiàn)這種方法的一種具體模式下，產(chǎn)生2N+1相電流的步驟中包括對(duì)連接到直流母線上的一個(gè)五相逆變器進(jìn)行控制的步驟。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這種具體模式還包括一個(gè)附加步驟，將N個(gè)AC機(jī)組中的第一個(gè)和第二個(gè)連接到一部車的第一和第二車輪上。按照另一種模式，控制五相逆變器的步驟還包括對(duì)五相逆變器連接到一個(gè)牽引電池上的開關(guān)進(jìn)行控制的步驟。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明這一方面的方法的再一種具體模式下，產(chǎn)生2N+1相電流的步驟中包括對(duì)連接到直流電壓母線上的五相逆變器進(jìn)行控制的步驟，并且還包括一個(gè)附加步驟，將N個(gè)AC機(jī)組中的第一個(gè)至少連接到一部車的第一車輪上，并且將N個(gè)AC機(jī)組中的第二個(gè)機(jī)組連接到一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)能源，這種能源可以是一臺(tái)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種2N+1相AC機(jī)組感應(yīng)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)設(shè)備包括N個(gè)AC機(jī)組，上述N個(gè)AC機(jī)組各自具有2N+1個(gè)流過(guò)交流電流的繞組；一個(gè)可控的2N+1相逆變器，用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)上述N個(gè)機(jī)組的2N+1相電流；連接到上述逆變器和上述N個(gè)AC機(jī)組上的互連裝置，用于互連上述N個(gè)AC機(jī)組的上述N個(gè)繞組，讓流經(jīng)每個(gè)機(jī)組的每個(gè)繞組的電流流過(guò)上述N個(gè)AC機(jī)組中其他的各個(gè)繞組；以及連接到上述逆變器的控制裝置，用來(lái)以N組相互正交的相位控制上述的2N+1相，從而彼此獨(dú)立地控制上述N個(gè)AC機(jī)組。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征是上述2N+1相AC機(jī)組的2N+1個(gè)繞組在電學(xué)上各自按照一種特定的空間相位級(jí)數(shù)排列；并且用上述互連裝置互連上述N個(gè)AC機(jī)組的上述繞組，讓對(duì)應(yīng)著一種特定空間相位的一個(gè)上述AC機(jī)組的一個(gè)繞組中流動(dòng)的電流流過(guò)另一個(gè)上述AC機(jī)組的一個(gè)具有不同空間相位的繞組。
3.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于N是二，而2N+1是五，上述兩個(gè)AC機(jī)組的五個(gè)繞組各自以一種特定的空間相位排列在每個(gè)機(jī)組中；并且上述互連裝置將上述兩個(gè)AC機(jī)組中前一個(gè)機(jī)組的所有五相互連到上述逆變器中對(duì)應(yīng)的相，并且連接上述一個(gè)上述AC機(jī)組的一個(gè)上述繞組，讓電流流過(guò)上述AC機(jī)組中另一個(gè)機(jī)組中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的繞組。
4.用來(lái)控制包括N個(gè)互連的2N+1相AC機(jī)組的一個(gè)AC機(jī)組系統(tǒng)的一種方法，AC機(jī)組各自包括對(duì)應(yīng)的空間相位繞組，上述方法包括以下步驟產(chǎn)生2N+1相電流，代表N組相互正交的二維的電流分組；按照上述電流的上述相位與上述繞組的上述空間相位的一種特定對(duì)應(yīng)關(guān)系，讓上述2N+1相的上述電流通過(guò)上述N個(gè)AC機(jī)組中第一個(gè)機(jī)組的上述空間相位繞組；并且按照上述電流的上述相位與上述繞組的上述空間相位之間不同于上述特定對(duì)應(yīng)關(guān)系的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，讓上述2N+1相的上述電流通過(guò)上述N個(gè)AC機(jī)組中第二個(gè)機(jī)組的上述空間相位繞組，以這種方式用每一個(gè)上述電流的上述二維分組獨(dú)立地控制上述N個(gè)AC機(jī)組當(dāng)中的一個(gè)機(jī)組。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征是上述產(chǎn)生2N+1相電流的步驟中包括對(duì)連接到直流電壓母線上的一個(gè)五相逆變器進(jìn)行控制的步驟；并且還包括一個(gè)附加步驟，將上述N個(gè)AC機(jī)組中的第一個(gè)和第二個(gè)連接到一部車的第一和第二車輪上。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征是上述控制五相逆變器的步驟中包括對(duì)連接到一個(gè)牽引電池上的五相逆變器開關(guān)進(jìn)行控制的步驟。
7.按照權(quán)利要求4的方法，其特征是上述產(chǎn)生2N+1相電流的步驟中包括對(duì)連接到直流電壓母線上的一個(gè)五相逆變器進(jìn)行控制的步驟；并且還包括一個(gè)附加步驟，將上述N個(gè)AC機(jī)組中的第一個(gè)至少連接到一部車的第一車輪上，并且將上述N個(gè)AC機(jī)組中的第二個(gè)連接到一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)能源。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其特征是將上述N個(gè)AC機(jī)組中的第二個(gè)連接到機(jī)械驅(qū)動(dòng)能源的上述步驟中包括將上述N個(gè)AC機(jī)組中的上述第二個(gè)機(jī)組連接到一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)上的步驟。
全文摘要
用一種具有2N+1相的具有N個(gè)正交相位分量組的控制系統(tǒng)來(lái)獨(dú)立地控制諸如電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的N個(gè)AC機(jī)組。在一種特殊的應(yīng)用中,用一個(gè)具有相互獨(dú)立的兩組正交分量的五相控制器獨(dú)立地控制一臺(tái)混合動(dòng)力車。每一組分量控制一個(gè)機(jī)組,并且對(duì)其他機(jī)組沒(méi)有凈效應(yīng)。
文檔編號(hào)H02P23/00GK1267129SQ0010403
公開日2000年9月20日 申請(qǐng)日期2000年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月11日
發(fā)明者S·加特里克 申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司