本发明涉及一种电流转换方法和装置以及包括这种装置的运输工具。
本发明适用于电子学领域。
更具体地，本发明适用于DC电流转换领域，用于为一个至少部分电力驱动的运输工具的电机供电。
背景技术：
在例如列车和电车等电力牵引设备和在便携式变速驱动器中，电能转换部分的主要目标是在限制成本的同时，提高电动和混合动力运输工具的自主性和性能。
目前，混合动力运输工具的电机的DC电源装置包括自主或非自主的电力供应源，必须增加电力供应源的传送电压，以使得向电动机供应电流的三相逆变器的端子处的电压充足。
然而，所使用的装置(例如升压斩波器等)价格昂贵、占据相当大的体积、并具有相应的重量，该重量直接影响运输工具的性能。使用的装置旨在衰减自主电力供应源中的输出电流的纹波，从而将接近DC电流的一个电流传送到逆变器。装置的效率约为81％。
此外，常规装置具有更多损耗，因此需要足够的散热部件来冷却设备。
最后，放电深度(DOD)随着自主电力供应源的放电次数呈指数下降。目前使用的装置的效率直接影响放电速度，从而影响自主电力供应源的使用寿命。
还存在包括多级逆变器的设备。然而，这些设备表现出由大量切换引起的效率损失，零电压也称为零序电压(ZSV)以及共模电压(CMV)。
技术实现要素：
本发明旨在弥补所有或部分这些缺陷中。
为此，本发明提供了一种运输工具的电流转换方法，运输工具包括：
-一个三相电动机，
-两个三相逆变器，通过至少六个空间矢量的调制(或称为空间矢量调制，SVM)来控制每个逆变器，每个逆变器的输出电压由称为“参考空间矢量”的一个空间矢量给出。
该方法包括以下步骤：
-向一个逆变器的空间矢量施加一个激活序列，
-向另一个逆变器的空间矢量施加一个激活序列，
-从另一个逆变器的参考空间矢量减去一个逆变器的参考空间矢量，以及
-为电动机供应电流，引起电流的电压与通过减法得到的矢量相关。
由于六个空间矢量的有源调制，逆变器开关的切换次数为33％，因此功率损耗降低。因此，作为本发明主题的装置可以减小峰值和RMS共模电流。因此，电机的控制得到改善，电机的使用寿命得到延长。而且，电磁干扰减少。
此外，减少了由自主电力供应源消耗的电流的纹波，这有助于延长自主电力供应源的使用寿命并限制DC总线的滤波能力。
关于驱动单元的谐波也限制在相对于基频3％的水平，从而通过加热不会对所使用的电机造成任何损坏。
此外，使用这种方法的效率约为86％。通过脉宽调制(PWM)对每个逆变器单独进行控制仅使用各相电压的瞬时值，并可以减少由ZSV和CMV引起的损耗。
在一些实施方式中，激活序列设置为使得参考矢量相移。
这些实施方式的优点是减小CMV和ZSV的幅值。
在一些实施方式中，逆变器的每个激活序列设置为使得逆变器的两个空间矢量Vi和Vi+1由激活序列连续地激活，其中，i为1至6之间的整数。
这些实施方式使得可以将由ZSV和CMV引起的干扰限制在逆变器的DC输入电流的三分之一。
在一些实施方式中，对于根据八个空间矢量Vi的常规调制控制的逆变器On，其中，i为0至7之间的整数，n为1至2之间的整数：
-一个矢量Vi由激活序列(260、265)激活，该矢量Vi的常规占空比由下式给出：
-一个矢量Vi+1由激活序列连续激活，该矢量Vi+1的常规占空比由下式给出：
其中，i为1至6之间的整数，θn是常规参考矢量的相位，并且是逆变器n的常规参考矢量的范数与空间矢量Vi的范数之间的比率。
-逆变器由激活序列激活，该逆变器的常规参考空间矢量由下式给出：
这些实施方式具有根据常规空间矢量调制来控制逆变器的优点。
在一些实施方式中，对于逆变器On，其中，n为1至2之间的整数：
-一个矢量Vi由激活序列(260、265)激活，该矢量Vi的修正的占空比由下式给出：
-一个矢量Vi+1由激活序列连续激活，该矢量Vi+1的修正的占空比由下式给出：
其中，i为1至6之间的整数，θn是常规参考矢量的相位，并且是逆变器n的常规参考矢量的范数与空间矢量Vi的范数之间的比率，
-逆变器由激活序列激活，该逆变器的修正的参考空间矢量由下式给出：
这些实施方式的优点是增大总空间矢量的最大范数，从而增大电动机的电压和电源电流。
在一些实施方式中，激活序列是独立的。
这些实施方式具有以下优点：能够在每个逆变器的各参考空间矢量之间选择一个相移，以便将供应至电动机的电流的电压增加到最大。例如，在0和180度之间的各参考电压之间的一个相移可以使电压值加倍，该电压引起供应至电动机的电流。
根据第二方面，本发明提出了一种电流转换装置，包括：
-两个三相逆变器，通过至少六个空间矢量的调制(或称为空间矢量调制，SVM)来控制每个逆变器，每个逆变器的输出电压由称为“参考空间矢量”的空间矢量给出，
-用于向一个逆变器的空间矢量施加一个激活序列的机构，
-用于向另一个逆变器的空间矢量施加一个激活序列机构，
-用于从另一个逆变器的参考空间矢量减去一个逆变器的参考空间矢量的机构，以及
-用于连接一个电力供应源的机构。
由于形成本发明主题的装置的优点、目的和具体特征与作为本发明主题的方法的优点、目的和具体特征相似，因此在此不再赘述。根据第三方面，本发明提供了一种运输工具，其包括作为本发明主题的装置和三相电动机。
由于作为本发明主题的运输工具的优点、目的和具体特征与作为本发明主题的装置的优点、目的和具体特征相似，因此在此不再赘述。
附图说明
参考附图，本发明的其他优点、目的和具体特征将从电流转换方法和装置以及包括这种装置的运输工具的至少一个具体实施方式的以下非限制性描述中显现，其中：
-图1示意性地表示作为本发明主题的方法的一个第一具体实施方式，
-图2示意性地表示作为本发明主题的装置的一个第一具体实施方式，
-图3a和3b示意性地表示根据本发明内容的正交参考系(α，β)中的各参考矢量，
-图4表示根据本发明内容的正交参考系(α，β)中代表三相电动机的输入电压的一个矢量，以及
-图5表示作为本发明主题的运输工具的一个具体实施方式。
具体实施方式
应当注意，从现在起，这些附图不是按比例绘制的。
本说明书以非限制性的形式给出，实施方式的每个特征能够以有利的方式与任何其他实施方式的任何其他特征组合。
图1描绘了作为本发明主题的用于运输工具50的方法10的具体实施方式。运输工具50包括：
-一个三相电动机245，
-两个三相逆变器，通过至少六个空间矢量的调制(或称为空间矢量调制，SVM)来控制每个逆变器，每个逆变器的输出电压由称为“参考空间矢量”的一个空间矢量给出。
该方法包括以下步骤：
-向称为“逆变器O1”的一个逆变器的空间矢量施加11一个激活序列260，
-向称为“逆变器O2”的另一逆变器的空间矢量施加12一个激活序列265，
-从另一个逆变器的参考空间矢量减去13一个逆变器的参考空间矢量，以及
-为电动机供应14电流，引起电流的电压与通过减法得到的矢量相关。
每个逆变器的六个空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6被定义为具有相同的范数，并且使得一个矢量Vi的方向与一个矢量Vi+1的方向之间的夹角为60度，其中，i为1至6之间的整数。在正交参考系(α，β)的相同确定点处限定六个空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6的起点时，空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6的各终点限定一个正六边形。矢量V1被定义为与正交参考系(α，β)的轴α平行。各空间矢量的构造可以在图3a中看到。
两个矢量V0和V7对应于零电压矢量，并且位于由空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6限定的正六边形的中心。
逆变器O1或O2包括六个电源开关，这些开关由用于施加一个激活序列260或265的机构控制。三对电源开关并联安装。电源开关有两种状态，断开状态或闭合状态。为激活每对电源开关中的一个电源开关在断开或闭合状态下，将另一个电源开关控制在另一个状态下。空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6分别对应于六个电源开关的不同激活组合。空间矢量的激活序列对应于电源开关的激活序列。矢量V0对应于接收每对开关的电流的第一开关的闭合。矢量V7对应于接收每对开关的电流的第一开关的断开。
电动机包括三相pa、pb和pc。
逆变器O1或O2的每个激活序列260或265设置为使得逆变器的两个空间矢量Vi和Vi+1由激活序列260或265连续激活，其中，i为1至6之间的整数。
逆变器O1的激活序列260包括由第一子序列到第六子序列的六个子序列。
在第一子序列中，逆变器O1的矢量V1的激活持续t1+t2，然后矢量V2的激活持续Ts-(t1+t2)。持续时间Ts对应于时钟信号的周期。持续时间Ts可以被定义为一个子序列的周期。
在第二子序列中，逆变器O1的矢量V2的激活持续t1+t2，然后矢量V3的激活持续Ts-(t1+t2)。
在第三子序列中，逆变器O1的矢量V3的激活持续t1+t2，然后矢量V4的激活持续Ts-(t1+t2)。
在第四子序列中，逆变器O1的矢量V4的激活持续t1+t2，然后矢量V5的激活持续Ts-(t1+t2)。
在第五子序列中，逆变器O1的矢量V5的激活持续t1+t2，然后矢量V6的激活持续Ts-(t1+t2)。
逆变器O2的激活序列265包括由第一子序列到第六子序列的六个子序列。
在第一子序列中，逆变器O1的矢量V3的激活持续t1，然后矢量V4的激活持续Ts-t1。
在第二子序列中，逆变器O1的矢量V4的激活持续t1，然后矢量V5的激活持续Ts-t1。
在第三子序列中，逆变器O1的矢量V5的激活持续t1，然后矢量V6的激活持续Ts-t1。
在第四子序列中，逆变器O1的矢量V6的激活持续t1，然后矢量V1的激活持续Ts-t1。
在第五子序列中，逆变器O1的矢量V1的激活持续t1，然后矢量V2的激活持续Ts-t1。
在第六子序列中，逆变器O1的矢量V2的激活持续t1，然后矢量V3的激活持续Ts-t1。
从步骤11和12中每个激活序列的第一子序列开始，连续激活逆变器O1的激活序列260和逆变器O2的激活序列265。然后重复激活序列260和265，直到将电动机投入运行的命令停止。在一些实施方式中，逆变器O1的激活序列以激活序列的子序列开始，并且逆变器O2的激活序列以激活序列的子序列开始，使得在子序列中激活的矢量不同于在逆变器O1的激活序列的起始子序列中激活的矢量。
持续时间Ts是一个预定周期，例如根据用于控制逆变器O1和O2的数码装置的性能，其为大约100μs。装置效率越高，Ts越短。确定激活序列260和265的算术运算可在控制周期Ts期间执行。
根据公式e定义持续时间t1和t2。
在与逆变器O1有关的公式(a)中定义占空比∝i1。
在与变换器O2有关的公式(a)中定义占空比∝i2。
在实现常规空间矢量调制的实施方式中，根据公式eCSVM定义持续时间t1和t2。
逆变器O1和O2各自的参考矢量和可能相等。
在一些实施方式中，激活序列260和265是独立的。因此，可以独立控制逆变器。
激活序列260和265设置为使得参考矢量相移。三相电动机由三个相位供应电流。如果电动机的各相电流同相，则电动机不运行。各参考矢量的相移涉及在操作电动机的相位之间的相移。
在公式f和g中定义通过常规空间矢量调制(CSVM)获得的每个激活矢量Vi的占空比和连续激活的矢量Vi+1的占空比。占空比可以被定义为矢量的激活时间除以持续时间Ts。针对根据八个空间矢量Vi的常规调制而控制的逆变器On定义以下公式，其中，i为0至7之间的整数，n为1至2之间的整数。
一个矢量Vi由激活序列(260、265)激活，该矢量Vi的常规占空比由下式给出：
一个矢量Vi+1由激活序列连续激活，该矢量Vi+1的常规占空比由下式给出：
其中，i为1至6之间的整数，θn是常规参考矢量的相位，并且是逆变器n的常规参考矢量的范数与空间矢量Vi的范数之间的比率。
逆变器由激活序列激活，该逆变器的常规参考空间矢量由下式给出：
在这些实施方式中，假设每个逆变器O1和O2连接到相同的电力供应源，根据公式dCSVM执行步骤13。如果逆变器O1和O2的参考矢量的范数相等，则简化公式d并得到公式hCSVM。
其中，θ1和θ2分别是逆变器O1和逆变器O2的常规参考矢量的相位，是代表三相电动机245的输入电压的矢量，是逆变器O1和O2的参考矢量的范数，假定这两个范数相等。
引起电流的电压由公式iCSVM给出，其中Vdc是电力供应源的输出电压值。
修正在公式f和g中定义的占空比∝i，CSVM和∝i+1，CSVM以获得占空比∝i和∝i+1。占空比∝i和∝i+1使得矢量Vi激活的时间等于在相同子序列中矢量Vi+1非激活的时间，反之亦然。由于六个空间矢量的有源调制，减少了逆变器的切换次数，并且增大了逆变器的修正的参考矢量的最大值。此外，三相pa、pb和pc中的电动机的两相供应有正电流或负电流，只有一相发生变化。
对于逆变器On，其中，n为1至2之间的整数，修正的占空比由公式a和b给出。
一个矢量Vi由激活序列(260、265)激活，该矢量Vi的修正的占空比由下式给出：
一个矢量Vi+1由激活序列连续激活，该矢量Vi+1的修正的占空比由下式给出：
其中，i为1至6之间的整数，θn是常规参考矢量的相位，并且是逆变器n的常规参考矢量的范数与空间矢量Vi的范数之间的比率。
并且逆变器由激活序列激活，该逆变器的修正的参考空间矢量由下式给出：
假设每个逆变器O1和O2连接到相同的电力供应源，根据公式d执行步骤13。如果逆变器O1和O2的参考矢量的范数相等，则公式d被简化并得到公式h。
其中，θ1和θ2分别是逆变器O1和逆变器O2的常规参考矢量的相位，是代表三相电动机245的输入电压的矢量，是逆变器O1和O2的参考矢量的范数，假定它们相等。
引起电流的电压由公式i给出，其中Vdc是电力供应源的输出电压值。
优选地，逆变器O1和O2的参考矢量之间的夹角大于60度。
激活序列使得对于第一子序列，例如：
-针对持续时间t1，相位pa由电力供应源的正输出电压除以2来供应，并且相位pb由电力供应源的负输出电压供应。
-针对持续时间t2，相位pa由电力供应源的正输出电压供应，相位pb由电力供应源的负输出电压供应，相位pc由电力供应源的负输出电压供应，并且
-针对持续时间Ts-(t1+t2)，相位pa由电力供应源的正输出电压供应，相位pc由电力供应源的负输出电压供应。
作为本发明主题的方法10可以计算每个逆变器的一个ZSV。作为本发明主题的装置的ZSV是由逆变器O2的ZSV减去逆变器O1的ZSV。形成本发明主题的装置的CMV被计算为逆变器O1和O2的ZSV的平均值。
表1：作为本发明主题的装置的每个激活子序列的ZSV值
表1显示了作为本发明主题的方法10和装置20的每个激活子序列的ZSV值。这些值是电力供应源的正输出电压值除以3、电力供应源的零电压或负输出电压值除以3，电力供应源的输出电压值为
表2：作为本发明主题的装置的每个激活子序列的CMV值
表2显示了作为本发明主题的方法10和装置20的每个激活子序列的CMV值。这些值是电力供应源的正输出电压值除以3，电力供应源的零或负输出电压值除以3，电力供应源的输出电压值为
作为本发明主题的方法10和装置20可以淘汰当前使用的放大机构，例如电力供应源的输出电压增压器。
图2描绘了作为本发明主题的装置的具体实施方式20，装置20包括：
-两个三相逆变器225和235，通过至少六个空间矢量的调制来控制每个逆变器225或235，每个逆变器的输出电压由称为“参考空间矢量”的一个空间矢量给出，
-用于向一个逆变器225的空间矢量施加255激活序列260的机构，
-用于向另一个逆变器230的空间矢量施加255激活序列265的机构，
-用于从另一个逆变器235的参考空间矢量减去一个逆变器225的参考空间矢量的机构，以及
-用于连接至一个电力供应源200的机构205和210。
逆变器225包括六个电源开关230，这些开关由用于施加255一个激活序列260的机构来控制。三对电源开关230并联安装。电源开关230具有断开或闭合两种状态。为激活每对电源开关中的一个电源开关230，在断开或闭合位置，将另一个电源开关230控制在另一个位置。
空间矢量V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别对应于六个电源开关235的不同的激活组合。各空间矢量的激活序列260对应于电源开关230的一个激活序列。矢量V0对应于接收每对开关240的电流的第一开关230的闭合。矢量V7对应于接收每对开关230的电流的第一开关230的断开。
逆变器235包括六个电源开关240，这些开关由用于施加255一个激活序列265的机构来控制。三对电源开关240并联安装。电源开关240具有断开或闭合两种状态。为激活每对中的一个电源开关240，在断开或闭合状态下，将另一个电源开关240控制在另一个状态下。
空间矢量V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别对应于六个电源开关240的不同激活组合。各空间矢量的激活序列265对应于电源开关240的一个激活序列。矢量V0对应于第一开关240的闭合，第一开关240接收每对开关240的电流。矢量V7对应于第一开关230的断开，第一开关230接收每对开关230的电流。
电源开关230或240可以是并联安装的二极管和晶体管。优选地，电源开关230或240是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET晶体管)或绝缘栅双极晶体管(IGBT晶体管)。
具有一个DC电流源的电源机构200可以是连接到国家网络的自主电力供应源或电源。
连接机构205和210可以是电导体。连接机构可以包括过滤DC总线的电流纹波的电容器215和220。电容器215和220的电容值取决于DC总线的电流纹波水平。DC总线电流是电源机构200的输出端的电流。
优选地，逆变器225和235是相同的。
逆变器225优选为在图1的描述中描述的逆变器O1，逆变器235优选为在图1的描述中描述的逆变器O2。
每个激活序列260或265优选为每个电源开关230或240的连续的周期性激活。激活序列260和265优选为在图1的描述中描述的激活序列。
每个逆变器225或235在输出端具有三个电导体，每个逆变器225或230的输出端有三个电流。优选地，每个电导体的输出信号相似，但相对于彼此相移2π/3偏移值。电动机245包括根据图1的描述称为pa、pb或pc的三个相位250。每个电导体连接到电动机245的相pa、pb或pc。
优选地，电动机245是三相异步电机。
用于将激活序列260施加于255一个逆变器225的空间矢量的机构和用于将激活序列265施加于255另一个逆变器230的空间矢量的机构优选地是在周期Ts期间产生数字控制信号的一个微控制器。
优选地，通过将一个逆变器235连接到电力供应源200的负极以及将一个逆变器225连接到电力供应源200的正极，较好地实现用于从另一个逆变器235的参考空间矢量减去一个逆变器225的参考空间矢量的机构。由于传送至逆变器225和235的电压具有相反的符号，因此自动执行减法。
优选地，装置20使得每个逆变器225或235的每个元件相对于电动机245对称地连接。
装置20实现在图1的描述中描述的方法10。
其结果表示在图3a、图3b、图4a和图4b中，通过作为本发明主题的装置的实施方式20表示。
图3a和图3b描述了在本发明的上下文中正交参考系(α，β)中的参考矢量。
图3a表示正交参考系(α，β)中的图表30a，代表：
-一个逆变器O1或O2的一个参考矢量的各值的曲线中各点305，
-参考矢量和所述参考矢量在激活序列260和265的第一子序列期间，分别在逆变器O1和逆变器O2的输出端，以及
-各逆变器O1和O2的各空间矢量V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7。
每个逆变器的六个空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6被定义为具有相同的范数，并且使得一个矢量Vi的方向与一个矢量Vi+1的方向之间的角度为60度，其中，i为1至6之间的整数。在正交参考系(α，β)的相同确定点处限定六个空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6的起点时，空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6的各末端限定一个正六边形。矢量V1被定义为与正交参考系(α，β)的轴α平行。
两个矢量V0和V7对应于零电压矢量，并且位于由空间矢量V1、V2、V3、V4、V5、V6限定的正六边形的中心。
根据图1的描述中描述的逆变器O1的第一激活子序列的描述，矢量在空间矢量V1和空间矢量V2之间转变。
根据图1的描述中描述的逆变器O1的第一激活子序列的描述，矢量在空间矢量V3和空间矢量V4之间转变。
在α和β的正值的正交参考系(α，β)中，图3b中的图表30b将用于常规空间矢量调制和用于如图1的描述中描述的调制的参考矢量的最大值进行比较。
图30b表示：
-矢量的各值的曲线的各点310，所述曲线代表用于一个常规空间矢量调制的一个参考电压，
-矢量的各值的曲线的各点305，所述曲线代表用于如图1中所述的调制的一个参考电压，
-曲线300，所述曲线代表从各点305推测的用于如图1中描述的调制的一个参考电压，
-矢量320，代表逆变器O1或O2的空间矢量V1，以及
-矢量315，代表逆变器O1或O2的空间矢量V2。
可以看出，用于常规空间矢量调制的参考矢量的最大值小于用于如图1的描述中所述的调制的参考矢量的最大值。
图4在正交参考系(α，β)中对于作为本发明主题的装置20描绘了由矢量模拟产生的图表40，代表：
-矢量的各值的曲线中各点310，所述曲线代表用于一个常规空间矢量调制的参考电压，
-曲线300，所述曲线代表从点305推测的用于如图1的描述中描述的调制的参考电压
-参考矢量和所述参考矢量在激活序列260和265的第一子序列期间，分别在逆变器O1和逆变器O2的输出端，以及
-矢量400，代表在电动机245的输入端引起可用电流的电压。
在图4中可以看出，矢量400的范数大于矢量和的范数。还可以看出，矢量400的范数在常规调制的逆变器的输出端或根据图1的描述大于最大可获得值。矢量400的范数对应于作为本发明主题的装置20的电动机245的输入端的可用电压。
图5描述了作为本发明主题的运输工具50的一个特定实施方式。
运输工具50可以是任何类型的电动或混合动力运输工具，例如汽车、火车或电车。
运输工具50包括作为本发明主题的装置的一个实施方式20。作为本发明主题的装置的实施方式20优选地连接到运输工具50的DC电源机构和运输工具50的三相电动机。