永磁激勵(lì)的電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于控制用于對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的多相變頻器的方法，一種控制單 元和一種交通運(yùn)輸工具。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中公知用于驅(qū)動(dòng)交通運(yùn)輸工具的永磁激勵(lì)的同步電機(jī)。
[0003] 永磁激勵(lì)的電機(jī)作為電動(dòng)或混合動(dòng)力交通運(yùn)輸工具的牽引驅(qū)動(dòng)大多不能從驅(qū)動(dòng) 軸、車輪機(jī)械地脫開。永磁激勵(lì)的電機(jī)的一個(gè)特征是其產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的電壓。如 果該電壓上升超過當(dāng)前的中間電路電壓并且功率開關(guān)的二極管（或場效應(yīng)管的體二極管） 的導(dǎo)通電壓上升，則發(fā)生回饋。通過回饋存在危險(xiǎn)，即，直流電壓源通過過載或變頻器通過 過電流而被損壞。此外通過回饋產(chǎn)生不期望的與電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了 避免該問題，將電機(jī)過渡到續(xù)流模式（Freilaufmodus)或短路模式。然而在此要考慮，在短 路情況下，在低轉(zhuǎn)速時(shí)永磁激勵(lì)的電機(jī)會(huì)產(chǎn)生高的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。相反在續(xù)流情況下，在高轉(zhuǎn)速 時(shí)會(huì)產(chǎn)生高的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由此相應(yīng)于該情況，在續(xù)流模式和短路模式之間切換。電機(jī)轉(zhuǎn)速 作為關(guān)于切換到哪個(gè)模式（短路還是續(xù)流模式）的決定因素不能作為唯一的標(biāo)準(zhǔn)被考慮， 因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)的說服力受附加的參數(shù)影響。臨界的電機(jī)轉(zhuǎn)速（作為電機(jī)的應(yīng)當(dāng)進(jìn)行變頻器切 換的轉(zhuǎn)速值）例如取決于在變頻器上提供的直流電壓（中間電路電壓）的當(dāng)前水平。中間 電路電壓越低，則按照絕對(duì)值的這樣的轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，從該電機(jī)轉(zhuǎn)速開始在不受控 的運(yùn)行中發(fā)生回饋。此外布置在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵的溫度起重大作用。其磁場強(qiáng)度隨 著溫度增加而降低，由此在相同轉(zhuǎn)速的情況下較冷的轉(zhuǎn)子比較熱的轉(zhuǎn)子感應(yīng)更多電壓。通 過轉(zhuǎn)子繞組的溫度，轉(zhuǎn)子電阻改變，由此同樣產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)速閾值的影響。特別地，轉(zhuǎn)子溫度或 永久磁鐵的磁場強(qiáng)度只能以高的技術(shù)開銷來測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種用于電機(jī)的方法，該方法允許在給定條件下在短路模 式和續(xù)流模式之間切換，其中為此應(yīng)當(dāng)提供更簡單或更明確的判斷過程。在此特別地描述 一種方法，該方法不需要測(cè)量中間電路電壓和/或轉(zhuǎn)子溫度和/或定子溫度以實(shí)現(xiàn)該任務(wù)。
[0005] 作為本發(fā)明的第一實(shí)施方式，提供一種用于控制用于對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的多相變頻 器的方法，其中電機(jī)適合于作為交通運(yùn)輸工具的牽引驅(qū)動(dòng)，其中變頻器包括功率開關(guān)對(duì)，所 述功率開關(guān)對(duì)分別具有串聯(lián)連接的第一功率開關(guān)和第二功率開關(guān)，其中第一功率開關(guān)與直 流電壓相連并且第二功率開關(guān)與直流電壓的參考電勢(shì)相連，其中第一與第二功率開關(guān)的節(jié) 點(diǎn)均與電機(jī)的相應(yīng)的相線相連，所述方法包括步驟：確定是否存在故障，如果存在故障并且 在第一和/或第二功率開關(guān)上的控制信號(hào)是非激活的：根據(jù)相線電流和/或根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn) 子的位置，評(píng)估應(yīng)將變頻器是切換到短路模式還是續(xù)流模式。
[0006] 通過使用相線電流或轉(zhuǎn)子位置來判斷在故障期間電機(jī)的合適模式（續(xù)流模式，短 路模式），可以棄用作為不唯一的標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速并且不需要進(jìn)行附加的測(cè)量，因?yàn)橐阎讼嗑€ 電流和轉(zhuǎn)子位置。
[0007] 作為本發(fā)明的第二實(shí)施方式，提供一種控制單元，用于執(zhí)行按照權(quán)利要求1至11 中任一項(xiàng)所述的方法。
[0008] 作為本發(fā)明的第三實(shí)施方式，提供一種交通運(yùn)輸工具，具有按照權(quán)利要求12所述 的控制單元。
[0009] 示例實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中描述。
[0010] 按照本發(fā)明的示例實(shí)施方式，提供一種方法，此外包括步驟：將相線電流數(shù)學(xué)變換 到具有相互正交的電流分量的二維坐標(biāo)系和/或面向轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)系（Uiuferorientiertes koordinatensystem)中。
[0011] 通過變換到面向轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)系，可以實(shí)現(xiàn)簡化的關(guān)系，由此關(guān)于要切換到變頻器 的哪個(gè)模型的判斷過程可以被簡化。
[0012] 在另一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方式中，提供一種方法，還包括步驟：如果電流分量處于容差 區(qū)域內(nèi)：將輸出級(jí)（Endstufe)轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式；如果電流分量位于容差區(qū)域外：如果控制 信號(hào)是激活的：如果電流分量位于第一區(qū)域外：將變頻器轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式。
[0013] 按照另一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方式，提供一種方法，還包括步驟：如果電流分量處于容差 區(qū)域外：如果控制信號(hào)是非激活的：將變頻器轉(zhuǎn)換到短路模式；如果電流分量位于容差區(qū) 域外：如果控制信號(hào)是激活的：如果電流分量位于第一區(qū)域內(nèi)：將變頻器轉(zhuǎn)換到短路模式。
[0014] 按照本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方式，其中容差區(qū)域是如下區(qū)域，在該區(qū)域中，對(duì)于電 流分量成立iq2+i/ =第一值；和/或其中第一區(qū)域是如下區(qū)域，在該區(qū)域中對(duì)于電流分量 成立id〈0和（iq〈 = |第二值· id |和i q> =第三值· id);和/或其中第一值，第二值和第 三值是任意相同或不同的數(shù)值；和/或其中通過計(jì)算電流分量的電流角度和/或通過計(jì)算 電流分量的電流比來確定電流分量是否處于第一區(qū)域內(nèi)。
[0015] 在另一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方式中，提供一種方法，還包括步驟：如果電流分量處于容差 區(qū)域外：將變頻器轉(zhuǎn)換到短路模式；如果電流分量位于容差區(qū)域內(nèi)：將變頻器保持在續(xù)流 模式。
[0016] 按照另一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方式，提供一種方法，其中：如果電流分量處于第二區(qū)域 內(nèi)：將變頻器保持在短路模式；如果電流分量位于第二區(qū)域外：將變頻器轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式 (Freischaltmodus)〇
[0017] 按照本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方式提供了一種方法，其中第二區(qū)域是如下區(qū)域，在 該區(qū)域中，對(duì)于電流分量成立id〈〇和（iq〈 = 0和iq> =第四值· id)，其中第四值是任意的 數(shù)值和/或其中第二區(qū)域通過計(jì)算電流分量的電流角度和/或通過計(jì)算電流分量的電流比 來得到。
[0018] 按照本發(fā)明的示例實(shí)施方式，提供一種方法，其中在續(xù)流模式中全部的第一和全 部的第二功率開關(guān)是斷開的。
[0019] 在另一個(gè)本發(fā)明實(shí)施方式中，提供一種方法，其中在短路模式中全部的第一功率 開關(guān)是斷開的并且全部的第二功率開關(guān)是閉合的，或者其中全部的第一功率開關(guān)是閉合的 并且全部的第二功率開關(guān)是斷開的，或者其中每相分別一個(gè)功率開關(guān)短路。
[0020] 通過控制變頻器的功率開關(guān)，可以簡單地實(shí)現(xiàn)短路模式或續(xù)流模式。
[0021] 按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種方法，其中監(jiān)視單元將變頻器轉(zhuǎn)換到續(xù)流 模式和/或短路模式。
[0022] 本發(fā)明的思路是，在變換到面向轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)系之后定義允許電機(jī)安全運(yùn)行的條 件。特別地在此應(yīng)當(dāng)確定，何時(shí)必須將電機(jī)切換到短路模式或續(xù)流模式。
[0023] 當(dāng)然也可以將各個(gè)特征互相組合，由此部分地也可以得到超出單個(gè)效果總和的有 利的效果。
【附圖說明】
[0024] 根據(jù)在附圖中示出的實(shí)施例解釋本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。附圖中：
[0025] 圖1示出了用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的輸出級(jí)/逆變器/變頻器，
[0026] 圖2示出了在轉(zhuǎn)速改變的情況下產(chǎn)生的逆變器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的圖（在短路模式 或在續(xù)流模式下不受控的永磁激勵(lì)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線，其中關(guān)于電機(jī)軸標(biāo)出 (eingeprSgt)轉(zhuǎn)速），
[0027] 圖3示出了用于控制和監(jiān)視變頻器和電機(jī)的系統(tǒng)，
[0028] 圖4示出了按照本發(fā)明的方法的流程圖，
[0029] 圖5示出了面向轉(zhuǎn)子的坐標(biāo)系，
[0030] 圖6示出了在定子溫度為20攝氏度并且轉(zhuǎn)子溫度為20攝氏度情況下處于短路模 式中的同步電機(jī)的曲線圖，
[0031] 圖7示出了在定子溫度為20攝氏度并且轉(zhuǎn)子溫度為150攝氏度情況下處于短路 模式中的同步電機(jī)的曲線圖，
[0032] 圖8示出了在定子溫度為150攝氏度并且轉(zhuǎn)子溫度為20攝氏度情況下處于短路 模式中的同步電機(jī)的曲線圖，
[0033] 圖9示出了在定子溫度為150攝氏度并且轉(zhuǎn)子溫度為150攝氏度情況下處于短路 模式中的同步電機(jī)的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 圖1示出了用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的輸出級(jí)/逆變器/變頻器。變頻器具有三個(gè) 半橋/功率路徑，分別具有一個(gè)高側(cè)功率開關(guān)4和一個(gè)低側(cè)功率開關(guān)7。在半橋的節(jié)點(diǎn)處布 置了電機(jī)8的相線。在功率開關(guān)4、7處布置/構(gòu)造二極管/體二極管5、6。
[0035] 圖2示出了在永磁同步電機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)下的兩個(gè)曲線。在第一曲線31中示 出，在短路模式下產(chǎn)生何種制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在此可以看出，在小的轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)生高的制動(dòng)轉(zhuǎn) 矩?？梢源_定最大值11，在該最大值情況下產(chǎn)生按照絕對(duì)值最高的轉(zhuǎn)矩。在高轉(zhuǎn)速情況下 在短路模式中僅產(chǎn)生小的轉(zhuǎn)矩。相反，在續(xù)流模式中在低轉(zhuǎn)速情況下僅產(chǎn)生小的轉(zhuǎn)矩（參 見曲線30)。在高轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值增加。在此可以確定過渡10,直至該過渡，在轉(zhuǎn) 速增加情況下，有利的是，在續(xù)流模式30下運(yùn)行同步電機(jī)，以便僅獲得小的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在過 渡區(qū)域10之后最好將同步電機(jī)切換到短路模式31，以便將制動(dòng)轉(zhuǎn)矩保持為小。
[0036] 圖3示出了用于控制和監(jiān)視變頻器和電機(jī)的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括位置測(cè)量裝置9,利 用其可以確定電機(jī)/同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的方位/位置。通過電流測(cè)量裝置12可以確定導(dǎo)線 電流iu，iv，iw。此外系統(tǒng)還包括用于控制變頻器13的控制單元和干擾和故障識(shí)別裝置15。 干擾和故障識(shí)別裝置15既對(duì)外部的干擾/故障信號(hào)16也對(duì)由監(jiān)視單元14識(shí)別的干擾/ 故障做出反應(yīng)。監(jiān)視單元14負(fù)責(zé)系統(tǒng)的各個(gè)元件的協(xié)調(diào)。如果系統(tǒng)得到故障報(bào)警16,則按 照本發(fā)明按照當(dāng)前電機(jī)電流和轉(zhuǎn)子的方位信號(hào)評(píng)估情形，而不是如現(xiàn)有技術(shù)中那樣通過轉(zhuǎn) 速、中間電路電壓、轉(zhuǎn)子溫度和/或定子溫度或其他物理參量。有利地由此按照本發(fā)明可以 利用已經(jīng)存在的測(cè)量參量并且不需要進(jìn)行附加的測(cè)量。
[0037] 圖4示出了按照本發(fā)明的方法的流程圖。首先確定，是否存在干擾情況17。如果 是，檢查，存在的電流是否位于可以容許的區(qū)域內(nèi)18。在該區(qū)域T1中僅存在非常小的并且 由此不是主要問題的電流。如果是，則逆變器/變頻器可以被轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式21。在續(xù)流 模式中檢查，是否仍然僅存在與容差區(qū)域T1相應(yīng)的小電流22。如果是，則逆變器保持在續(xù) 流模式21。如果否，則逆變器被轉(zhuǎn)換到短路模式23。如果識(shí)別到故障情況17并且確定電 流不是無關(guān)緊要的，因?yàn)樵撾娏鞑皇俏挥谌莶顓^(qū)域T1內(nèi)18,此外確定存在逆變器的控制信 號(hào)19,則可以確認(rèn)逆變器的控制還可以正確運(yùn)行。相反如果可以確定，不存在激活的控制 信號(hào)19,則將逆變器轉(zhuǎn)換到短路模式23。如果存在激活的控制信號(hào)，則檢查，永磁激勵(lì)的同 步電機(jī)是否被主動(dòng)地通過變流器進(jìn)行場衰減20。如果變換的電流iq，、位于區(qū)域S1內(nèi)部 20,則這成立。如果給定這一點(diǎn)，則變流器被切換到短路模式中23,以避免通過來自于電機(jī) 的回饋電流對(duì)系統(tǒng)的損壞或與旋轉(zhuǎn)方向相反的不期望的轉(zhuǎn)矩。如果變換的值iq，id不是位 于區(qū)域S1內(nèi)部20,而是還在特征曲線K_mot上，