专利名称：在电动机失速过程中保护逆变器功率器件的方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种在电动机失速时保护逆变器功率器件的方法；本发明更特别涉及一种通过限制电动机在失速或在低速范围内运行时所输出的电动机转矩，来防止逆变器功率器件过热的方法。
背景技术：
一般来说，逆变器是从可变电压/可变频率的直流电源(DC)产生三相交流电(AC)然后运行交流电动机的装置，作为逆变器开关的功率器件以全桥形式来使用。当逆变器工作时，从功率器件产生热量。如果功率器件结点处的温度超过温度极限，就会缩短使用寿命，并因而烧坏功率器件，因而需要恰当的散热器结构。将这种逆变器散热器结构设计成能够承受暂时或持续的额定负载。假设各个相位(U，V和W)的功率器件的发热量相同，设计这种散热器结构(参见图1(a))。然而，当电动机失速或在低速范围内工作时，各个相位之间的发热量发生变化。特别是在电动机失速时，在最坏的情况下，一个相位的发热量可能是各个相位发热量相同情况下的两倍。在此情况下，当结点温度超过容许极限时，就会因燃烧而引起功率器件损坏。
换言之，逆变器的散热器结构在电动机正常工作时各相位具有相等发热量，而在电动机失速时热量只集中在一个相位上(参见图1(c))。所以，在电动机失速或在低速范围内工作时，逆变器的散热器结构不能避免单个相位过热。如果单个相位的结点温度超过结点的临界条件温度时，就会损坏逆变器的散热器结构。
为此目的，为防止逆变器功率器件在电动机失速时过载，如图1b所示，提出了一种方法，将传感器安装在功率器件的壳体Tc和散热板Ts上，然后测量温度。将测量温度加上因施加负载而升温的估计值，从而计算出功率器件结点温度。当计算温度超过预定温度时，根据预定输出递减图形(参考图1(d))确定递减率，再乘以转矩命令Trq*，因此防止功率器件因过载引起的过热(参见图1(e))。仅供参考，在图1(f)中，附图标记Tc指壳体温度。
然而，利用输出递减图形来防止逆变器功率器件过热的常规方法存在一些问题，当电动机失速或在低速范围内工作时，功率器件各相位之间的温度不平衡，因此当任一相位的温度超过容许限制时引起的燃烧都会损坏功率器件。
发明内容
本发明提供一种防止逆变器功率部件在电动机失速时过热的方法，其中PI控制器接收结点与壳体之间温度差的反馈值，其是利用最大逆变器损失和热阻的乘积计算出来的，该最大逆变器损失是利用功率器件的温度极限值和壳体温度之间的温度差计算的，并且在其中限制输出转矩，以便通过限制当电动机失速或在低速范围内工作时可输出的转矩来防止逆变器的功率器件过热。
本发明的一个实施方式提供一种保护逆变器功率器件的方法，包括下列步骤第一步，检测并根据电动机工作，对逆变器功率器件结点的最大容许温度和功率器件与散热板之间的壳体温度进行运算，计算出电动机工作产生的运转速度的绝对值，根据计算出的绝对值应用不同的图形增益；第二步，计算由输入电动机转矩命令和基于电动机工作的电动机转速引起的逆变器损失；第三步，对在第一步和第二步中计算出的值进行运算，然后计算逆变器功率器件结点温度与壳体温度之间的差值；第四步，限制PI控制器的输出，PI控制器通过反馈接收在第三步中计算的温度差；和第五步，利用PI控制器在第四步中的输出，根据输入电动机转矩命令，限制电动机的运转转矩输出。
为更好理解本发明的本质和目的，下面将参考附图进行详细描述，其中图1a是表示常规逆变器结构的图；图1b是表示电动机正常工作时功率器件的常规热量分配的图；图1c是表示电动机失速或在低速范围内工作时功率器件常规热量分配的图；图1d是表示常规逆变器功率器件的散热结构的图；图1e是表示防止功率器件过热的常规转矩输出递减图形的图；图1f是表示防止功率器件过热的常规方框图的图；图2是表示根据本发明防止功率器件过热方框图的图；图3是表示根据本发明防止功率器件过热的流程图。
具体实施例方式
参考附图描述本发明的优选实施方式。
下面参考图2的方框图和图3的流程图，说明当电动机失速或在包括低速范围和高速范围在内的整个运转范围内工作时，防止逆变器的功率器件因电动机工作而产生过热。
如图2和3所示，本实施方式检测逆变器功率器件的结点的最大容许温度Tmax，和功率器件与散热板之间的壳体温度Tc，以便防止逆变器的功率器件在电动机工作过程中特别是在电动机失速或在低速范围内工作时过热(S102)，然后从逆变器的功率器件的结点最大容许温度Tmax中减去功率器件与散热板之间的壳体温度Tc(S104)。
并且，获得电动机转速的运转速度的绝对值(S106)，然后计算出与之相关的图形增益(S108)。在此实施方式中，根据电动机的工作状态，当电动机失速时图形增益为0.33，当电动机不在低速范围内时将图形增益设置成1。
在已计算出基于电动机运转速度的图形增益之后，通过对在S104中计算的温度差和在S108中计算出的图形增益进行AND运算获得温度差Tjc*(S110)。
此外，利用电流图即分别对应于电动机转矩命令Te*和电动机转速N的2D图-1d和2D图-1q，计算电动机工作所产生的逆变器损失(S112)，然后通过对计算的逆变器损失和功率器件的热阻Rjc的AND运算来计算结点的热时间常数(S114)。
在已经计算出结点的热时间常数之后，减去S110的运算值和结点热时间常数(S116)，计算出功率器件结点温度与壳体温度之间的差值(S118)。
当已将计算的温度差输入到PI控制器中之后(S120)，根据计算的温度差，限制PI控制器的输出(S122)。也就是说，在此实施方式中，当限制PI控制器的输出时进行限速，以便在电动机以高于预定的额定速度工作时由功率限制装置强迫电动机以低于预定额定速度的速度工作。
通过功率限制装置使电动机可以以低于额定速度工作的限值3和4，反映在PI控制器的输出值中，此后PI控制器的输出值1反映在S112中输入的电动机转矩命令Te*中，因此调节输出转矩(S124)。
综上所述，在本发明中，对逆变器功率器件的容许温度限制与壳体温度之间的差值，和通过对逆变器损失和热阻进行AND运算获得的结点热时间常数进行逻辑运算，然后PI控制器通过反馈接收结果值，利用输出转矩值调节输入的电动机转矩命令，因此在电动机失速或在低速范围内工作时，限制电动机工作的转矩输出，因而防止功率器件过热。
在电动机失速时保护逆变器功率器件的方法，具有下列优点第一，逆变器的功率器件在电动机失速或在低速范围内工作时不会发生过热，因此防止损坏逆变器。
第二，不必设计昂贵的散热器结构，因此降低了成本。
第三，在电动机工作过程中，可以输出容许温度范围内的最大转矩，因此改进的功率性能。
尽管已出于说明的目的公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员应该知道在本脱离本发明权利要求的保护范围和本质内还包括各种修改、补充和代替物。
权利要求
1.一种在电动机失速时或在低速范围内工作时防止逆变器的功率器件过热的方法，该方法包括以下步骤第一步，根据电动机的工作，检测并随后计算逆变器功率器件结点处的最大容许温度和功率器件与散热板之间的壳体温度之间的温度差，计算电动机工作产生的运转速度的绝对值，根据计算出的绝对值应用不同的图形增益；第二步，根据电动机的工作，计算由输入电动机转矩命令和电动机速度引起的逆变器损失；第三步，对在第一步和第二步中计算的值进行运算，然后计算逆变器功率器件结点处的温度与壳体温度之间的差值；第四步，限制PI控制器的输出，所述PI控制器通过反馈接收在第三步中计算的温度差；和第五步，利用在第四步中PI控制器的输出，根据输入电动机转矩命令，限制电动机的运转转矩输出。
2.如权利要求1所述的方法，还包括对在第一步中计算的温度差和电动机运转速度绝对值进行运算的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中在已计算出由电动机工作产生的运转速度的绝对值之后，计算出与其相关的图形增益，将电动机失速时的图形增益设置成小于电动机不在预定低速工作范围内工作时的图形增益。
4.如权利要求1所述的方法，其中利用分别对应于第二步中的输入电动机转矩命令和电动机速度的电流图，计算由电动机工作所产生的逆变器损失。
5.如权利要求4所述的方法，还包括一个步骤，通过对计算的逆变器损失和功率器件的热阻进行AND运算，计算功率器件结点处的结点热时间常数。
6.如权利要求1所述的方法，其中第三步计算在功率器件结点处的最大容许温度与功率器件与散热板之间的壳体温度之间的差值，对计算的温度差和电动机运转速度的绝对值进行运算，其中反映图形增益，然后对计算值和利用逆变器损失计算的结点热时间常数进行运算，从而计算出逆变器功率器件结点处的温度和壳体温度之间的差值。
7.如权利要求1所述的方法，其中在第四步中对PI控制器输出的限制，是当电动机以高于预定的额定速度工作时将运转速度限制在预定的额定速度内。
全文摘要
本发明提供一种防止逆变器功率器件在电动机失速或在低速范围内工作时过热的方法，包括下列步骤第一步，检测并根据电动机工作，对逆变器功率器件结点的最大容许温度和功率器件与散热板之间的壳体温度进行运算，计算电动机工作产生的运转速度绝对值，根据计算的绝对值应用不同的图形增益；第二步，基于的电动机工作，计算输入电动机转矩命令和电动机转速引起的逆变器损失；第三步，对在第一步和第二步中计算的值进行运算，并计算逆变器功率器件结点温度与壳体温度间的差值；第四步，限制通过反馈接收第三步计算的温度差的PI控制器的输出；和第五步，利用PI控制器在第四步的输出，根据输入电动机转矩命令，限制电动机的运转转矩输出。
文档编号H02H5/00GK101064426SQ20061016293
公开日2007年10月31日 申请日期2006年11月29日 优先权日2006年4月28日
发明者文湘贤, 任亨彬 申请人:现代自动车株式会社