Устройство управления электродвигателем

Устройство управления электродвигателем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству управления электродвигателем, которое используется для управления электродвигателем переменного тока для приведения в движение железнодорожного вагона с электроприводом, и в частности, управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы в областях, в которых применяются электродвигатели переменного тока, таких как области промышленных машин, бытовых электроприборов, автомобилей и т.п., примеры, в которых синхронный электродвигатель с постоянными магнитами приводится в действие и управляется инвертором, становятся все чаще, заменяя традиционные способы, в которых асинхронный электродвигатель приводится в действие и управляется инвертором.

Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами известны как обладающие более высоким КПД, чем асинхронные электродвигатели, например, по следующим причинам: синхронные электродвигатели с постоянными магнитами не нуждаются в токах возбуждения из-за того, что магнитный поток устанавливается постоянным магнитом; в синхронных электродвигателях с постоянными магнитами не возникают вторичные потери в меди, так как в роторе не протекает электрический ток; синхронные электродвигатели с постоянными магнитами способны эффективно получать крутящий момент, в дополнение к крутящему моменту, сформированному магнитным потоком, установленным постоянным магнитом, используя реактивный момент, который использует разницу между магнитными сопротивлениями в роторе. В последние годы также рассматривалось применение синхронных электродвигателей с постоянными магнитами в устройствах преобразования электроэнергии, используемых для приведения в движение железнодорожных вагонов с электроприводом.

Патентный документ 1: Японская выложенная патентная заявка № H7-227085

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной из задач, которые должны быть достигнуты при конфигурировании устройства управления электродвигателем, которое приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, является устранение проблемы изменений в уровне напряжения между клеммами электродвигателя, которое возникает во время попытки оптимально управлять синхронным электродвигателем с постоянными магнитами. Чтобы оптимально управлять синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, например, может использоваться способ управления с максимальным крутящим моментом/током, посредством которого генерируется максимальный крутящий момент относительно определенного уровня электрического тока, или способ управления с максимальным КПД, посредством которого КПД электродвигателя поддерживается на максимальном уровне. Эти способы, используемые для оптимального управления синхронным электродвигателем постоянного тока, являются способами управления, посредством которых амплитуда и фаза электрического тока, прикладываемого к электродвигателю, регулируются таким образом, чтобы иметь оптимальные значения, которые сохраняются в расчетных формулах или сохраняются в таблице заранее. Так как детали этих способов управления раскрываются в различных документах, подробное их пояснение будет опущено. Когда используется любой из этих оптимальных способов управления, описанных выше, так как составляющая тока по крутящему моменту (т.е. ток q-оси и составляющая тока по магнитному потоку (т.е. ток d-оси) обе регулируются таким образом, что эти токи, каждый, имеют оптимальное значение согласно скорости вращения и уровню выходного крутящего момента электродвигателя, то оптимальный потокосцепление электродвигателя изменяется согласно скорости вращения и уровню выходного крутящего момента электродвигателя. В результате, напряжение между клеммами электродвигателя (т.е. выходное напряжение инвертора) значительно изменяется.

В противоположность, в обычной практике устройство управления электродвигателем, которое приводит в действие и управляет традиционным асинхронным электродвигателем, выполняет работу при постоянном крутящем моменте, одновременно поддерживая вторичный магнитный поток электродвигателя на постоянном уровне до тех пор, пока скорость вращения не достигнет базовой скорости после того, как электродвигатель запущен. После того, как скорость вращения становится равной или большей, чем базовая скорость, устройство управления электродвигателем выполняет работу при постоянной электрической мощности, уменьшая вторичный магнитный поток, по существу, в обратной пропорции к увеличению выходной частоты инвертора, в то же время фиксируя выходное напряжение инвертора в максимальном значении. В результате, пока скорость вращения равна или выше, чем базовая скорость, инвертор работает в так называемом одноимпульсном режиме, в котором получается максимальное выходное напряжение. Тот же принцип применяется при использовании электродвигателей в качестве источников энергии для устройств, отличных от железнодорожных вагонов с электроприводом, таких как электромобили, или при использовании электродвигателей в широких отраслях промышленности. Другими словами, в диапазоне работы при постоянной электрической мощности вторичный магнитный поток конфигурируется только так, чтобы изменяться в обратной пропорции к выходной частоте инвертора, но не конфигурируется так, чтобы изменяться согласно уровню выходного крутящего момента. Хотя возможно регулировать вторичный магнитный поток согласно выходному крутящему моменту, этот способ обычно не используется, поскольку, как пояснено ниже, переходные характеристики выходного крутящего момента ухудшаются.

Согласно принципу работы асинхронных электродвигателей вторичный магнитный поток генерируется в асинхронном электродвигателе индуцированием электрического тока на стороне ротора, в то время как электрический ток на стороне статора (т.е. первичный электрический ток) и частота скольжения, которые управляются извне асинхронного электродвигателя, управляются так, чтобы быть на требуемых уровнях. Эта конфигурация сильно отличается от конфигурации синхронных электродвигателей с постоянными магнитами, где постоянный магнит вставлен в ротор так, что магнитный поток устанавливается им. В асинхронных электродвигателях соотношение между первичным электрическим током и вторичным магнитным потоком является соотношением задержки первого порядка, имеющим постоянную времени второго порядка, которая определяется из вторичного сопротивления и вторичной индуктивности. Таким образом, даже если первичный электрический ток изменяется так, что вторичный магнитный поток конфигурируется таким образом, чтобы изменяться согласно уровню выдаваемого крутящего момента, это занимает период времени (вообще говоря, приблизительно 500 миллисекунд в примерах асинхронных электродвигателей, используемых для железнодорожных вагонов с электроприводом), соответствующий постоянной времени второго порядка, прежде, чем вторичный магнитный поток станет стабильным при требуемом значении. В течение этого периода времени выдаваемый крутящий момент нестабилен. В результате, крутящий момент завышается или проявляет склонность к колебанию, а переходные характеристики крутящего момента, таким образом, ухудшаются. По этим причинам способ, посредством которого вторичный магнитный поток регулируется согласно выдаваемому крутящему моменту, обычно не используется в асинхронных электродвигателях.

В устройстве управления электродвигателем, которое приводит в действие и управляет традиционным асинхронным электродвигателем, поскольку соотношение между скоростью вращения электродвигателя и значением вторичного магнитного потока электродвигателя определяется способом соответствия один к одному, соотношение между скоростью вращения электродвигателя и уровнем выходного напряжения инвертора также определяется способом соотношения один к одному. Также, когда скорость равна или выше базовой скорости, вторичный магнитный поток уменьшается таким образом, что инвертор выводит максимальное напряжение. Таким образом, выходное напряжение инвертора фиксируется в максимальном значении, несмотря на уровень выдаваемого крутящего момента (например, см. патентный документ 1).

Однако в устройстве управления электродвигателем, которое приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, соотношение между скоростью вращения электродвигателя и уровнем выходного напряжения инвертора изменяется согласно выходному крутящему моменту. Таким образом, когда конфигурируется устройство управления электродвигателем, необходимо обратить внимание на эту характеристику.

В качестве другой проблемы, отличной от обсужденных выше, может рассматриваться соотношение между частотой переключения переключающего элемента, включенного в инвертор, используемый для приведения в действие электродвигателя, и числом полюсов в электродвигателе. Вообще говоря, напряжение источника питания постоянного тока, используемого в качестве входного для инвертора для железнодорожного вагона с электроприводом, приблизительно равно 1500-3000 В и является очень высоким. Таким образом, необходимо использовать высоковольтный переключающий элемент, который работает под напряжением 3300-6500 В. Однако такой высоковольтный переключающий элемент имеет большие потери при переключении и большие потери на электропроводность. В результате, принимая во внимание неиспользование избыточных охлаждающих средств (например, охлаждающих устройств, охлаждающих вентиляторов) для переключающего элемента, приемлемый уровень частоты переключения равен приблизительно 1000 Гц максимум. Например, этот уровень частоты переключения является настолько низким, как одна десятая - одна двадцатая частоты переключения для бытового электроприбора, инвертора промышленного применения или электромобиля.

Что касается числа полюсов в синхронном электродвигателе с постоянными магнитами, приводимом в действие инвертором, шесть полюсов или восемь полюсов подходят с точки зрения создания компактного и легковесного электродвигателя. Так как большинство традиционных асинхронных электродвигателей включают в себя четыре полюса, число полюсов в синхронном электродвигателе с постоянными магнитами в 1,5-2 раза больше, чем число полюсов в традиционном асинхронном электродвигателе.

Когда число полюсов в электродвигателе увеличивается, выходная частота инвертора, соответствующая той же скорости железнодорожного вагона с электроприводом, увеличивается пропорционально увеличению числа полюсов. В случае, когда традиционный четырехполюсный асинхронный электродвигатель заменен, например, восьмиполюсным синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, максимальное значение выходной частоты инвертора применительно к широко используемому железнодорожному вагону с электроприводом (т.е. выходная частота инвертора при предполагаемой максимальной скорости железнодорожного вагона с электроприводом) равно приблизительно 300 Гц, что является удвоением максимального уровня, когда используется традиционный асинхронный электродвигатель (т.е. 150 Гц). Однако, как пояснено выше, приемлемый уровень максимального значения частоты переключения приблизительно равен 1000 Гц, и невозможно увеличивать частоту переключения до уровня выше, чем этот. Таким образом, например, чтобы регулировать уровень выходного напряжения инвертора (т.е. так, чтобы это было значение, отличное от максимального напряжения) в случае, когда выходная частота инвертора равна приблизительно 300 Гц, что является максимальным значением, так как частота переключения равна приблизительно 1000 Гц самое большее, при этом число импульсов, включенных в полупериод выходного напряжения инвертора, равно приблизительно 3, что является результатом, полученным делением несущей частоты (т.е. частоты переключения) на выходную частоту инвертора, и чрезвычайно мало. Когда электродвигатель приводится в действие в таком состоянии, будут ситуации, в которых несущая частота не делится на выходную частоту инвертора. В таких ситуациях число импульсов и позиции импульсов, которые включены в положительный полупериод и в отрицательный полупериод выходного напряжения инвертора, неуравновешены. В результате, положительная/отрицательная симметричность напряжения, прикладываемого к электродвигателю, теряется, и шум и/или вибрации вызываются колебаниями тока и/или пульсациями крутящего момента, происходящими в электродвигателе.

Устройство управления электродвигателем, которое приводит в действие и управляет традиционным асинхронным электродвигателем, работает, как пояснено выше, в одноимпульсном режиме, в котором, пока скорость вращения равна или выше, чем базовая скорость вращения, выходное напряжение инвертора постоянно зафиксировано в максимальном значении, несмотря на уровень выходного крутящего момента. В результате, нет необходимости регулировать уровень выходного напряжения инвертора, а также число импульсов, включенных в полупериод выходного напряжения инвертора, всегда равно 1 и постоянно без какого-либо временного изменения. Следовательно, число импульсов и позиции импульсов равны между положительным полупериодом и отрицательным полупериодом выходного напряжения инвертора. Таким образом, возможно сохранять положительную/отрицательную симметричность напряжения, приложенного к электродвигателю. Следовательно, нет необходимости беспокоиться о колебаниях тока или пульсациях крутящего момента, происходящих в электродвигателе.

Другими словами, устройство управления электродвигателем для железнодорожного вагона с электроприводом, которое приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, нуждается в осуществлении управления при уделении достаточного внимания положительной/отрицательной симметричности напряжения, приложенного к электродвигателю, особенно в диапазоне, где выходная частота инвертора является высокой.

Резюмируя, устройство управления электродвигателем для железнодорожного вагона с электроприводом, которое приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, нуждается в осуществлении управления, при уделении достаточного внимания изменениям в уровне напряжения между клеммами электродвигателя на основе выходного крутящего момента и скорости вращения электродвигателя и положительной/отрицательной симметричности напряжения, приложенного к электродвигателю.

В виду обстоятельств, описанных выше, задачей настоящего изобретения является предоставление устройства управления электродвигателем, приводящего в действие и управляющего, в частности, синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, которое способно осуществлять управление при уделении достаточного внимания изменениям в уровне выходного напряжения инвертора на основе выдаваемого крутящего момента и скорости вращения электродвигателя и положительной/отрицательной симметричности напряжения, приложенного к электродвигателю, при этом устройство способно не допускать ситуаций, при которых в электродвигателе возникают колебания тока и пульсации крутящего момента, следовательно, устройство способно не допускать ситуаций, при которых шум и вибрации вызываются такими колебаниями тока и пульсациями крутящего момента, и также устройство способно приводить в действие и управлять электродвигателем устойчивым образом.

Для решения поставленной задачи устройство управления электродвигателем, предназначенное для управления электродвигателем переменного тока посредством вывода сигнала широтно-импульсной модуляции переключающему элементу, включенному в инвертор, который подключен к источнику электропитания постоянного тока и выполнен с возможностью выдачи переменного тока, имеющего произвольную частоту и произвольное напряжение, электродвигателю переменного тока, указанное устройство управления электродвигателем содержит блок управления импульсным режимом, который выполнен с возможностью выборочного переключения среди множества импульсных режимов, каждый из которых может служить в качестве образца вывода сигнала широтно-импульсной модуляции, и каждый из которых включает в себя синхронный импульсный режим, асинхронный импульсный режим и одноимпульсный режим. Дополнительно, блок управления импульсным режимом переключает между синхронным импульсным режимом и асинхронным импульсным режимом на основе множества количественных параметров, каждый из которых связан с выходным состоянием инвертора и каждый из которых делает возможным ссылаться на число, указывающее как много импульсов включено в период основной синусоиды выходного напряжения инвертора.

Согласно аспекту настоящего изобретения во время процесса переключения, выполняемого устройством управления электродвигателем, чтобы переключаться между синхронным импульсным режимом и асинхронным импульсным режимом, импульсный режим переключается на основе множества количественных параметров, каждый из которых связан с выходным состоянием инвертора, причем множество количественных параметров включает в себя количественный параметр, который делает возможным ссылаться на число импульсов, включенных в период основной синусоиды выходного напряжения инвертора. В такой компоновке в случае, когда уровень выходного напряжения инвертора изменяется согласно выходному крутящему моменту и скорости вращения электродвигателя, так же как, например, в синхронном электродвигателе с постоянными магнитами, возможно сохранять положительную/отрицательную симметричность напряжения, давая возможность выбирать синхронный импульсный режим даже в ситуации, когда согласно традиционному способу управления невозможно сохранять положительную/отрицательную симметричность напряжения, приложенного к электродвигателю, так как выбран асинхронный импульсный режим. В результате, достигаются полезные эффекты, когда возможно не допускать ситуаций, в которых колебания тока и пульсации крутящего момента возникают в электродвигателе, чтобы, следовательно, не допускать ситуаций, в которых шум и вибрации вызываются такими колебаниями тока и пульсациями крутящего момента, и возможно приводить в действие и управлять электродвигателем устойчивым образом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

фиг.1 изображает схему примера устройства управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 изображает схему примера блока формирования командного сигнала напряжения/широтно-импульсной модуляции (PWM) согласно первому варианту осуществления;

фиг.3 изображает схему для пояснения работы, которая выполняется в ситуации, когда традиционный способ переключения импульсного режима применяется к устройству управления электродвигателем, которое приводит в действие и управляет синхронным электродвигателем с постоянными магнитами;

фиг.4 изображает схему для пояснения операции переключения импульсного режима согласно первому варианту осуществления;

фиг.5 изображает схему для пояснения операции переключения импульсного режима согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 изображает схему для пояснения операции переключения импульсного режима согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.7 изображает схему для пояснения операции переключения импульсного режима согласно традиционному способу.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующих разделах примерные варианты осуществления устройства управления электродвигателем согласно настоящему изобретению будут описаны подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи. Настоящее изобретение не ограничено примерными вариантами осуществления.

ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.1 - это схема примера устройства управления электродвигателем согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, основная схема сконфигурирована так, чтобы включать в себя: конденсатор 1, служащий в качестве источника питания постоянного тока; инвертор 2, который преобразует напряжение постоянного тока от конденсатора 1 в напряжение переменного тока, имеющее произвольную частоту и произвольное напряжение, и выводит трехфазный переменный ток; синхронный электродвигатель 6 с постоянными магнитами (далее в данном документе просто называемый "электродвигателем").

В основной схеме предусмотрены датчик 8 напряжения, который детектирует напряжение конденсатора 1 и датчики 3, 4 и 5 тока, которые соответственно детектируют электрические токи iu, iv и iw, протекающие в выходных линиях от инвертора 2. Электродвигатель 6 снабжен датчиком 7 положения, который детектирует механический угол θm ротора. Сигналы детектирования от датчика 8 напряжения, датчиков 3, 4 и 5 тока и датчика 7 положения вводятся в устройство 100 управления электродвигателем.

Можно использовать кодирующее устройство вместо датчика 7 положения. Также вместо сигнала положения, полученного от датчика 7 положения, можно использовать способ без датчика положения, посредством которого сигнал положения получается из вычисления на основе детектированного напряжения, детектированных токов и т.п. В этой ситуации нет необходимости использовать датчик 7 положения. Другими словами, сигнал положения необязательно должен быть получен с помощью датчика 7 положения. Кроме того, относительно датчиков 3, 4 и 5 тока, когда датчики тока предусмотрены, по меньшей мере, для двух фаз, возможно получать ток для другой фазы посредством вычисления. Таким образом, схема может быть выполнена этим способом. Возможна еще одна компоновка, в которой электрические токи получаются посредством восстановления выходного тока инвертора 2 на основе тока инвертора 2 со стороны постоянного тока.

Стробирующие сигналы U, V, W, X, Y и Z, которые были сформированы устройством 100 управления электродвигателем, вводятся в инвертор 2. Переключающий элемент, который предусмотрен в инверторе 2, управляется посредством процесса управления с широтно-импульсной модуляцией (PWM). PWM-инвертор источника напряжения подходит для использования в качестве инвертора 2. Так как его конфигурации широко известны, подробное их пояснение будет опущено.

Устройство 100 управления электродвигателем сконфигурировано таким образом, что командный сигнал T* крутящего момента вводится в него из внешнего устройства управления (не показано). Устройство 100 управления электродвигателем сконфигурировано таким образом, чтобы управлять инвертором 2 таким способом, что крутящий момент T, сгенерированный электродвигателем 6, равен командному сигналу T* крутящего момента.

Далее будет пояснена конфигурация устройства 100 управления электродвигателем. Устройство 100 управления электродвигателем сконфигурировано таким образом, чтобы включать в себя: вычислитель 95 угла опорной фазы, который вычисляет угол θe опорной фазы на основе механического угла θm ротора; блок 90 преобразования трехфазных координат dq-осей, который формирует ток id d-оси и ток iq q-оси на основе трехфазных токов iu, iv и iw, которые соответственно были детектированы датчиками 3, 4 и 5 тока, и угла θe опорной фазы; вычислитель 70 угловой частоты инвертора, который вычисляет выходную угловую частоту ω инвертора на основе угла θe опорной фазы; блок 10 формирования командного сигнала тока, который формирует командный сигнал id* тока d-оси и командный сигнал iq* тока q-оси на основе командного сигнала T* крутящего момента, который был подан от внешнего источника, и выходной угловой частоты ω инвертора; блок 20 управления током d-оси, который формирует ошибку pde тока d-оси, выполняя пропорционально-интегральный процесс регулирования по разности между командным сигналом id* тока d-оси и током d-оси; блок 23 управления током q-оси, который формирует ошибку pqe тока q-оси, выполняя пропорционально-интегральный процесс регулирования по разности между командным сигналом iq* тока q-оси и током q-оси; вычислитель 21 разделения q-оси, который вычисляет напряжение vqFF q-оси прямой связи на основе командного сигнала id* тока d-оси и выходной угловой частоты ω инвертора; вычислитель 22 разделения d-оси, который вычисляет напряжение vdFF d-оси прямой связи на основе командного сигнала iq* тока q-оси и выходной угловой частоты ω инвертора; вычислитель 30 коэффициента модуляции, который вычисляет коэффициент PMF модуляции на основе командного сигнала vd* напряжения d-оси, который является суммой ошибки pde тока d-оси и напряжения vdFF d-оси прямой связи, а также командного сигнала vq* напряжения q-оси, который является суммой ошибки pqe тока q-оси и напряжения vqFF q-оси прямой связи, угла θe опорной фазы и напряжения EFC конденсатора 1; вычислитель 40 угла фазы управления, который вычисляет угол θ фазы управления на основе командного сигнала vd* напряжения d-оси, который является суммой ошибки pde тока d-оси и напряжения vdFF d-оси прямой связи, а также командного сигнала vq* напряжения q-оси, который является суммой ошибки pqe тока q-оси и напряжения vqFF q-оси прямой связи, и угла θe опорной фазы; и блок 50 формирования командного сигнала напряжения/PWM, который формирует стробирующие сигналы U, V, W, X, Y и Z, которые должны предоставляться инвертору 2, на основе коэффициента PMF модуляции и угла θ фазы управления.

Далее будут пояснены подробные конфигурации и операции управляющих блоков, описанных выше. Сначала вычислитель 95 угла опорной фазы вычисляет угол θe опорной фазы, который является электрическим углом, на основе механического угла θm ротора согласно формуле (1)

В формуле (1) PP представляет число пар полюсов в электродвигателе 6.

Блок 90 преобразования трехфазных координат dq-осей формирует ток id d-оси и ток iq q-оси на основе трехфазных токов iu, iv и iw и угла θe опорной фазы с помощью формулы (2), показанной ниже

Вычислитель 70 угловой частоты инвертора вычисляет выходную угловую частоту ω инвертора посредством дифференцирования угла θe опорной фазы согласно формуле (3)

Также вычислитель 70 угловой частоты инвертора вычисляет выходную частоту FINV инвертора посредством деления выходной угловой частоты ω инвертора на 2π.

Далее будут пояснены конфигурация и работа блока 10 формирования командного сигнала тока. Блок 10 формирования командного сигнала тока формирует командный сигнал id* тока d-оси и командный сигнал iq* тока q-оси на основе командного сигнала T* крутящего момента, который был введен из внешнего источника, и выходной угловой частоты ω инвертора. Способ формирования может быть, например, оптимальным способом управления, таким, как способ управления максимальным крутящим моментом/током, посредством которого формируется максимальный крутящий момент относительно определенного уровня электрического тока, или способ управления максимальным КПД, посредством которого КПД электродвигателя поддерживается на максимальном уровне. Согласно этим примерам оптимального способа управления фактический ток регулируется так, чтобы быть равным оптимальным значениям командного сигнала токовой составляющей крутящего момента (т.е. командного сигнала iq* тока q-оси) и командного сигнала токовой составляющей магнитного потока (т.е. командного сигнала id* тока d-оси), которые сохранены в формуле вычисления или сохранены в таблице заранее, в то время как скорость вращения и уровень выходного крутящего момента электродвигателя, например, используются в качестве параметров. Так как детали оптимальных способов управления широко известны и раскрыты в различных документах, подробное их пояснение будет опущено.

Блок 20 управления током d-оси и блок 23 управления током q-оси соответственно формируют ошибку pde тока d-оси, выполняя пропорционально-интегральное усиление по разности между командным сигналом id* тока d-оси и током d-оси, и ошибку pqe тока q-оси, выполняя пропорционально-интегральное усиление по разности между командным сигналом iq* тока q-оси и током q-оси, согласно формулам (4) и (5)

В формулах (4) и (5) K1 и K3, каждый, представляют пропорциональный коэффициент усиления, тогда как K2 и K4, каждый, представляют интегральный коэффициент усиления, в то время как s представляет оператор дифференцирования. В качестве дополнительной информации значения pqe и pde могут быть установлены нулевыми, при необходимости, так что pqe и pde не используются в процессе управления, особенно во время одноимпульсного режима работы или т.п.

Дополнительно, вычислитель 22 развязки d-оси и вычислитель 21 развязки q-оси соответственно вычисляют напряжение vdFF d-оси прямой связи и напряжение vqFF q-оси прямой связи согласно формулам (6) и (7)

В формулах (6) и (7) R1 представляет сопротивление (Ом) первичной обмотки электродвигателя 6, тогда как Ld представляет индуктивность d-оси (Гн), в то время как Lq представляет индуктивность q-оси (Гн), и φa представляет магнитный поток (Вб) постоянного магнита.

Дополнительно, вычислитель 30 коэффициента модуляции вычисляет коэффициент PMF модуляции на основе командного сигнала vd* напряжения d-оси, который является суммой ошибки pde тока d-оси и напряжения vdFF d-оси прямой связи, а также командного сигнала vq* напряжения q-оси, который является суммой ошибки pqe тока q-оси и напряжения vqFF q-оси прямой связи, угла θe опорной фазы и напряжения EFC конденсатора 1 согласно формуле (8)

Для формулы (8) удовлетворяются условия согласно формулам (9) и (10)

Коэффициент PMF модуляции получается посредством выражения отношения величины VM* вектора командного сигнала выходного напряжения инвертора к максимальному напряжению VMmax (определенному с помощью формулы (9)), что может быть выведена инвертором. Указывается, что в случае, где PMF=1,0 удовлетворяется, величина VM* вектора командного сигнала выходного напряжения инвертора равна максимальному напряжению VMmax, которое имеет возможность выводиться инвертором. Также, как понятно из формул (2)-(10), коэффициент PMF модуляции изменяется согласно командному сигналу id* тока d-оси и командному сигналу iq* тока q-оси, которые формируются блоком 10 формирования командного сигнала тока.

Вычислитель 40 угла управления фазы вычисляет угол θ управления фазы на основе командного сигнала vd* напряжения d-оси, который является суммой ошибки pde тока d-оси и напряжения vdFF d-оси прямой связи, а также командного сигнала vq* напряжения q-оси, который является суммой ошибки pqe тока q-оси и напряжения vqFF q-оси прямой связи, и угла θe опорной фазы согласно формуле (11)

В отношении формулы (11) удовлетворяется условие согласно формуле (12):

Далее будет пояснена конфигурация блока 50 формирования командного сигнала напряжения/PWM. Фиг.2 - это схема примера блока 50 формирования командного сигнала напряжения/PWM согласно первому варианту осуществления. Как показано на фиг.2, блок 50 формирования командного сигнала напряжения/PWM сконфигурирован таким образом, чтобы включать в себя: умножитель 53, таблицу 54 регулируемого коэффициента усиления, вычислитель 55 командного сигнала напряжения, блок 57 формирования асинхронного несущего сигнала, блок 58 формирования синхронной трехимпульсной несущей, переключатель 59, компараторы 61-63 и инвертирующие схемы 64-66.

Вычислитель 55 командного сигнала напряжения формирует командный сигнал Vu* напряжения U-фазы, командный сигнал Vv* напряжения V-фазы и командный сигнал Vw* напряжения W-фазы, которые служат в качестве командных сигналов трехфазного напряжения, на основе коэффициента PMF модуляции и угла θ управляющей фазы согласно формулам (13)-(15)

В формулах (13)-(15) PMFM представляет, как пояснено ниже, амплитуду командного сигнала напряжения, которая получается умножением коэффициента PMF модуляции на выходную величину из таблицы 54 регулируемого коэффициента усиления.

Дополнительно, как пояснено ниже, несущий сигнал CAR, который должен сравниваться с каждым из командных сигналов напряжения, описанных выше, включает в себя, по меньшей мере, синхронный несущий сигнал и асинхронный несущий сигнал, так что несущий сигнал CAR является выбираемым согласно импульсному режиму, который был выбран посредством блока 60 обработки переключения импульсного режима, служащего в качестве блока управления импульсным режимом. Синхронный несущий сигнал получается посредством определения частоты несущего сигнала CAR в качестве функции выходной частоты FINV инвертора таким образом, что число импульсов и положения импульсов, формирующих структуру выходного напряжения инвертора, равны у положительного полупериода и отрицательного полупериода выходного напряжения инвертора. Асинхронный несущий сигнал - это сигнал, который не является синхронным несущим сигналом и является несущим сигналом, имеющим частоту, которая была определена безотносительно выходной частоты FINV инвертора. Например, асинхронный несущий сигнал - это несущий сигнал, имеющий частоту, равную 100 Гц, которая является предельной частотой переключения для переключающего элемента, используемого для железнодорожного вагона с электроприводом. Также согласно первому варианту осуществления поясняется пример, в котором в качестве синхронного несущего сигнала используется синхронный трехимпульсный несущий сигнал, в котором три импульса напряжения включены в полупериод выходного напряжения инвертора; однако настоящее изобретение не ограничено этим примером. Например, в качестве синхронного несущего сигнала могут использоваться другие сигналы, такие как синхронный пятиимпульсный несущий сигнал. Возможна еще одна компоновка, в которой множество синхронных несущих сигналов подготавливаются таким образом, что используемый синхронный несущий сигнал при необходимости переключается среди множества синхронных несущих сигналов.

Как пояснено выше, коэффициент PMFM, используемый в формулах (13)-(15), является амплитудой командного сигнала напряжения, которая получается умножителем 53 посредством умножения коэффициента PMF модуляции на выходную величину таблицы 54 регулируемого коэффициента усиления. Таблица 54 регулируемого коэффициента усиления используется для корректировки соотношения между выходным напряжением VM инвертора и коэффициентом PMF модуляции, который изменяется в зависимости от того, используется ли асинхронный импульсный режим или синхронный трехимпульсный режим. Содержание таблицы 54 регулируемого коэффициента усиления поясняется ниже.

В асинхронном импульсном режиме максимальное напряжение (т.е. эффективное значение), которое имеет возможность выводиться инвертором без искажений, равно 0,612·EFC. В противоположность этому в синхронном трехимпульсном режиме, максимальное напряжение равно 0,7797·EFC. Другими словами, для одного и того же коэффициента PMF модуляции отношение выходного напряжения инвертора в асинхронном импульсном режиме к выходному напряжению в синхронном трехимпульсном режиме равно 1/1,274. Чтобы свести к нулю разницу между обоими, в асинхронном импульсном режиме коэффициент PMF модуляции умножается на 1,274, так что результат может быть введен в качестве амплитуды PMFM командного сигнала напряжения в вычислитель 55 командного сигнала напряжения, описанный выше. В противоположность этому в синхронном импульсном режиме коэффициент PMF модуляции умножается на 1,0, так что результат может быть введен в качестве амплитуды PMFM командного сигнала напряжения в вычислитель 55 командного сигнал