DE102020002220A1 - Wandlerschaltung, Energieumwandlungssystem und Motorantriebsvorrichtung - Google Patents

Wandlerschaltung, Energieumwandlungssystem und Motorantriebsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine Wandlerschaltung (1) zum Umwandeln einer von einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung (2) eingegebenen Wechselspannung in eine Gleichspannung und Ausgeben der Gleichspannung umfasst einen positiven Gleichstromanschluss (11P) und einen negativen Gleichstromanschluss (11N), die dazu eingerichtet sind, die Gleichspannung auszugeben, Dioden (12U, 12V und 12W), deren Anoden jeweils mit einer entsprechenden Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung (2) elektrisch verbunden sind und deren Kathoden allesamt mit dem positiven Gleichstromanschluss (11P) elektrisch verbunden sind, und einen Verbindungsabschnitt (13), der einen Sternpunkt (6) der Mehrphasen-Wechselstromversorgung (2) und den negativen Gleichstromanschluss (11N) miteinander verbindet.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung.
  • Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
  • In einer Motorantriebsvorrichtung zum Antreiben von Wechselstrommotoren von Werkzeugmaschinen, Schmiedemaschinen, Spritzgießmaschinen, Industriemaschinen oder verschiedenen Robotern, wird eine von einer Wechselstromversorgung eingegebene Wechselspannung zeitweise in eine Gleichspannung umgewandelt, die Gleichspannung erneut in eine Wechselspannung umgewandelt und die Wechselspannung an die Wechselstrommotoren angelegt, um diese anzutreiben. Daher umfasst die Motorantriebsvorrichtung ein Energieumwandlungssystem, das eine Wandlerschaltung umfasst, die eine von einer Wechselstromversorgung ausgegebene Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichrichtet, und eine Wechselrichterschaltung, die die von der Wandlerschaltung ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt.
  • Wie beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-228883 offenbart, ist eine Energieumwandlungsvorrichtung bekannt, in der drei Umwandlungseinheiten, die jeweils eine Gleichstromversorgungseinheit, welche durch einen Eingangstransformator von einer gemeinsamen Wechselstromversorgung isoliert ist und eine sekundäre Ausgangsspannung des Eingangstransformators gleichrichtet, und einen einphasigen Dreipunkt-Wechselrichter umfassen, der als Eingang eine von der Gleichstromversorgungseinheit ausgegebene Gleichspannung empfängt, zwischen der Wechselstromversorgung und einer Last parallel geschaltet sind, wobei ein Ausgangsanschluss eines jeden der drei einphasigen Dreipunkt-Wechselrichter gemeinsam verbunden ist und dessen anderer Ausgangsanschluss in einer Sternkonfiguration mit der Last verbunden ist.
  • Wie beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2001-268922 offenbart, ist eine Energieumwandlungsvorrichtung bekannt, die einen dreiphasigen PWM-Wechselrichter, welcher eine Wandlereinheit, die eine Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung durchführt, und einen Sternpunkt umfasst, der eine Ausgangsspannung der Wandlereinheit teilt, wobei der dreiphasige PWM-Wechselrichter durch Pulsweitenmodulation eine Spannung mit variabler Spannung und variabler Frequenz ausgibt, einen Motor und eine Gleichtaktdrossel umfasst, die zwischen dem dreiphasigen PWM-Wechselrichter und dem Motor in Reihe geschaltet ist, wobei der Motor eine vierte Wicklung, die um einen Eisenkern gewickelt ist, der identisch mit einem Eisenkern ist, auf den die Gleichtaktdrossel gewickelt ist, und eine Drosselspule umfasst, deren eines Ende mit einem Ausgang des dreiphasigen PWM-Wechselrichters verbunden ist und deren anderes Ende als weiterer Sternpunkt dient und durch eine Sternverbindung mit einem Ende der vierten Wicklung verbunden ist, wobei das andere Ende der vierten Wicklung mit dem die Wandlerausgangsspannung teilenden Sternpunkt oder einer positiven oder negativen Seite eines Wandlerausgangs verbunden ist.
  • Wie beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2018-153001 offenbart, ist eine Energieumwandlungsvorrichtung bekannt, die eine erste Energieumwandlungsschaltung, eine erste geerdete Schaltung, die mit einer Gleichstromseite der ersten Energieumwandlungsschaltung der Vorrichtung elektrisch verbunden ist, und eine zweite geerdete Schaltung umfasst, die mit einer Wechselstromseite der ersten Energieumwandlungsschaltung der Vorrichtung elektrisch verbunden ist, wobei die erste geerdete Schaltung und die zweite geerdete Schaltung miteinander elektrisch verbunden sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In einem Energieumwandlungssystem, das eine Wandlerschaltung und eine Wechselrichterschaltung umfasst, ist es erwünscht, eine Gleichspannung, die gleich oder kleiner als eine Eingangsnennspannung ist, in die Wechselrichterschaltung einzugeben. Beispielsweise gibt eine als Diodengleichrichterschaltung dienende Wandlerschaltung eine Gleichspannung aus, die von der Größe einer von einer Wechselstromversorgung eingegebenen Wechselspannung abhängig ist. Als anderes Beispiel kann bei einer als PWM-Schaltsteuergleichrichterschaltung dienenden Wandlerschaltung die Spannung der Wandlerschaltung auf der Gleichstromausgangsseite bevorzugt immer erhöht werden, so dass sie gleich oder größer als der Höchstwert einer von einer Wechselstromversorgung eingegebenen Wechselspannung ist. Daher kann abhängig von der Größe der Wechselspannung der Wechselstromversorgung bevorzugt eine Einstellung der Ausgangsgleichspannung der Wandlerschaltung durchgeführt werden, um die in die Wechselrichterschaltung eingegebene Gleichspannung auf eine Eingangsnennspannung oder kleiner einzustellen. Es ist gängige Praxis, beispielsweise auf der Wechselstromeingangsseite einer Wandlerschaltung einen Transformator anzuordnen und eine in die Wandlerschaltung eingegebene Wechselspannung zu transformieren, um die Ausgangsgleichspannung der Wandlerschaltung herunterzutransformieren, so dass sie gleich oder kleiner als die Eingangsnennspannung einer Wechselrichterschaltung ist. Es ist ferner gängige Praxis, eine Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung (die sich von einer als Gleichrichterschaltung dienenden Wandlerschaltung unterscheidet) auf der Gleichstromausgangsseite einer Wandlerschaltung anzuordnen und die Ausgangsgleichspannung der Wandlerschaltung durch die Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung zu senken, um eine Spannung zu erhalten, die gleich oder kleiner als die Eingangsnennspannung einer Wechselrichterschaltung ist. Da die Wechselstromversorgungsspannung in jedem Land oder Landesteil anders ist, wird, wie vorstehend beschrieben, häufig eine Einstellung unter Verwendung eines Transformators oder einer Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung durchgeführt, um basierend auf gewissen Standards in großen Mengen produzierte Energieumwandlungssysteme zu verwenden. Der Transformator und die Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung sind jedoch physisch groß, haben einen komplizierten Schaltungsaufbau und sind natürlich mit hohen Kosten verbunden. Daher besteht bei einem Energieumwandlungssystem, das eine Wandlerschaltung und eine Wechselrichterschaltung umfasst und für eine Motorantriebsvorrichtung verwendet wird, Bedarf an einer kompakten und kostengünstigen Wandlerschaltung mit einem einfachen Aufbau.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Wandlerschaltung zum Umwandeln einer von einer Mehrphasen- (Multiphasen-) Wechselstromversorgung eingegebenen Wechselspannung in eine Gleichspannung und Ausgeben der Gleichspannung einen positiven Gleichstromanschluss und einen negativen Gleichstromanschluss, die dazu eingerichtet sind, die Gleichspannung auszugeben, mehrere Dioden, deren Anoden jeweils mit einer entsprechenden Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung elektrisch verbunden sind und deren Kathoden allesamt mit dem positiven Gleichstromanschluss elektrisch verbunden sind, und einen Verbindungsabschnitt, der einen Sternpunkt der Mehrphasen-Wechselstromversorgung und den negativen Gleichstromanschluss miteinander verbindet.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung geht unter Bezugnahme auf die folgenden beiliegenden Zeichnungen genauer hervor. In den Zeichnungen ist:
    • 1 ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Netzspannungen und den Phasenspannungen einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung darstellt;
    • 3 ein Schaltbild zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Eingangswechselspannung und der Ausgangsgleichspannung der Wandlerschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 4 ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der Ausgangsgleichspannung der Wandlerschaltung und den Phasenspannungen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
    • 5 ein Schaltbild zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Eingangswechselstrom und dem Ausgangsgleichstrom der Wandlerschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 6A ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der Ausgangsgleichstromwellenform der Wandlerschaltung und der Eingangswechselstromwellenform der Mehrphasen-Wechselstromversorgung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
    • 6B ein Diagramm, das die Details von 6A in Stromrichtung vergrößert zeigt;
    • 7 ein Blockdiagramm, das eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen Beispiel zeigt, die einen Transformator umfasst;
    • 8 ein Blockdiagramm, das eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einem anderen herkömmlichen Beispiel zeigt, die eine Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung umfasst;
    • 9 ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 10 ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 11 ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 12A ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der Ausgangsgleichstromwellenform der Wandlerschaltung und der Eingangswechselstromwellenform der Mehrphasen-Wechselstromversorgung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
    • 12B ein Diagramm, das die Details von 12A in Stromrichtung vergrößert zeigt;
    • 13 ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 14A ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Wellenformen von Wechselströmen und Ein-/Ausschaltbefehlen, die während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durch eine Steuereinheit ausgegeben werden, sowie die Wellenformen von Wechselströmen zeigt, die in die Wandlerschaltung eingegeben oder von der Wandlerschaltung ausgegeben werden;
    • 14B ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Wellenformen der Wechselströme und den Ein-/Ausschaltbefehlen, die während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durch die Steuereinheit ausgegeben werden, sowie die durch die Steuereinheit ausgegebenen Ein-/Ausschaltbefehle zeigt;
    • 15A ein Diagramm, das die Wellenformen eines Wechselstroms und einer Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Wandlerschaltung während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sowie U-Phasen-Wellenformen zeigt;
    • 15B ein Diagramm, das die Wellenformen eines anderen Wechselstroms und einer anderen Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Wandlerschaltung während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sowie V-Phasen-Wellenformen zeigt; und
    • 15C ein Diagramm, das die Wellenformen eines weiteren Wechselstroms und einer weiteren Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Wandlerschaltung während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sowie W-Phasen-Wellenformen zeigt.
  • Genaue Beschreibung
  • Nachstehend sind eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Diese Zeichnungen verwenden ggf. unterschiedliche Maßstäbe, um das Verständnis zu erleichtern. Die in jeder Zeichnung gezeigte Form stellt ein Beispiel zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung dar, wobei die vorliegende Offenbarung nicht auf die in diesen Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Hierin wird eine in eine Motorantriebsvorrichtung eingebaute Wandlerschaltung als Beispiel verwendet, jede Ausführungsform lässt sich jedoch auch anwenden, wenn die Wandlerschaltung in eine andere Maschine als die Motorantriebsvorrichtung eingebaut ist.
  • Eine Wandlerschaltung zum Umwandeln einer von einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung eingegebenen Wechselspannung in eine Gleichspannung und Ausgeben der Gleichspannung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst einen positiven Gleichstromanschluss und einen negativen Gleichstromanschluss zum Ausgeben der Gleichspannung, Dioden, deren Anoden jeweils mit einer entsprechenden Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung elektrisch verbunden sind und deren Kathoden allesamt mit dem positiven Gleichstromanschluss elektrisch verbunden sind, und einen Verbindungsabschnitt, der einen Sternpunkt der Mehrphasen-Wechselstromversorgung und den negativen Gleichstromanschluss miteinander elektrisch verbindet. Ausführungsformen sind nachstehend aufgeführt.
  • Zunächst werden eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform beschrieben.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Der Fall, in dem ein Motor 5 durch eine Motorantriebsvorrichtung 60 gesteuert wird, die mit einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 verbunden ist, wird hierin als Beispiel verwendet. Die Art des Motors 5 ist nicht speziell eingeschränkt und dieser kann beispielsweise als Wechselstrommotor oder Gleichstrommotor ausgeführt sein. Wenn der Motor 5 als Gleichstrommotor ausgeführt ist, wird keine Wechselrichterschaltung 4 verwendet. Wenn, wie in 1 gezeigt, der Motor 5 als Wechselstrommotor ausgeführt ist, kann dieser beispielsweise als Asynchronmotor oder Synchronmotor dienen, wobei die Anzahl der Phasen des Motors 5 ebenfalls nicht eingeschränkt ist. Mit Motoren 5 ausgestattete Maschinen umfassen beispielsweise Werkzeugmaschinen, Roboter, Schmiedemaschinen, Spritzgießmaschinen, Industriemaschinen, Transportmaschinen und verschiedene Elektrogeräte.
  • Die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 kann bevorzugt drei oder mehr Phasen aufweisen. Bei der hierin beschriebenen ersten Ausführungsform und jeder später beschriebenen Ausführungsform ist die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 beispielhaft als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt. Beispiele für die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 können eine 200V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung, eine 400V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung und eine 600V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung umfassen. Die an diese Dreiphasen-Wechselstromversorgungen angefügten Angaben „200V“, „400V“ und „600V“ geben deren Netzspannungseffektivwerte an.
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Wandlerschaltung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen positiven Gleichstromanschluss 11P und einen negativen Gleichstromanschluss 11N, Dioden 12U, 12V und 12W und einen Verbindungsabschnitt 13. Die Wandlerschaltung 1 umfasst ferner einen U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U, einen V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V, einen W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W und Wechselstrom-Sternanschluss 18N.
  • Der positive Gleichstromanschluss 11P und der negative Gleichstromanschluss 11N werden dazu verwendet, eine Gleichspannung aus der Wandlerschaltung 1 auszugeben.
  • Der U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U, der V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V und der W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W sind entsprechend den U-, V-bzw. W-Phasen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 bereitgestellt und werden dazu verwendet, eine durch die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 erzeugte Wechselspannung in die Wandlerschaltung 1 einzugeben (an diese anzulegen). Der Wechselstrom-Sternanschluss 18N wird dazu verwendet, das Potential eines Sternpunkts 6 der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 in die Wandlerschaltung 1 einzugeben (an diese anzulegen). Die U-Phasenspannung der als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführten Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 ist als VU-N, ihre V-Phasen-Spannung als VV-N und ihre W-Phasen-Spannung als Vw-N dargestellt.
  • Die Anoden der Dioden 12U, 12V und 12W sind jeweils mit einer entsprechenden Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 elektrisch verbunden und ihre Kathoden sind allesamt mit dem positiven Gleichstromanschluss 11P elektrisch verbunden. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Wandlerschaltung 1 mit drei Dioden ausgestattet, da die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt ist. Die Anode der ersten Diode 12U ist über den U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U mit der U-Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 und ihre Kathode mit dem positiven Gleichstromanschluss 11P elektrisch verbunden. Die Anode der zweiten Diode 12V ist über den V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V mit der V-Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 und ihre Kathode mit dem positiven Gleichstromanschluss 11P elektrisch verbunden. Die Anode der dritten Diode 12W ist über den W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W mit der W-Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 und ihre Kathode mit dem positiven Gleichstromanschluss 11P elektrisch verbunden. Somit sind die Anoden der ersten Diode 12U, der zweiten Diode 12V und der dritten Diode 12W direkt mit den jeweiligen Phasen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 verbunden und verwenden daher bevorzugt Konfigurationen mit Stehspannungen, die höher sind als die Phasenspannungen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2.
  • Der Verbindungsabschnitt 13 ist als elektrische Verdrahtung ausgeführt, die den Sternpunkt 6 der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 und den negativen Gleichstromanschluss 11N miteinander verbindet.
  • Ein Energieumwandlungssystem 50 umfasst die Wandlerschaltung 1, einen Kondensator 3 und eine Wechselrichterschaltung 4.
  • Die positiven und negativen Elektroden des Kondensators 3 sind mit dem positiven Gleichstromanschluss 11P bzw. dem negativen Gleichstromanschluss 11N der Wandlerschaltung 1 elektrisch verbunden. Der Kondensator 3 wird auch als Gleichspannungszwischenkreiskondensator oder Glättungskondensator bezeichnet. Der Kondensator 3 hat die Funktion, Gleichstromenergie zu speichern, die dazu verwendet wird, durch die Wechselrichterschaltung 4 Wechselstromenergie zu erzeugen, und die Funktion, eine Pulsation einer von der Wandlerschaltung 1 ausgegebenen Gleichspannung (Gleichstrom) zu unterdrücken. Beispiele für den Kondensator 3 können einen Elektrolytkondensator und einen Folienkondensator umfassen.
  • Die Wechselrichterschaltung 4 ist über den Kondensator 3 mit der Wandlerschaltung 1 elektrisch verbunden und wandelt eine von der Wandlerschaltung 1 ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung um und gibt die Wechselspannung aus. Die Wechselrichterschaltung 4 kann bevorzugt eine Konfiguration haben, die dazu fähig ist, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln, wobei beispielsweise eine PWM-Wechselrichterschaltung, die interne Halbleiterschaltelemente umfasst, als Wechselrichterschaltung 4 erhältlich ist. Die Wechselrichterschaltung 4 wird als Dreiphasen-Brückenschaltung ausgestaltet, wenn der Motor 5 als Dreiphasen-Wechselstrommotor ausgeführt ist, und als Einphasen-Brückenschaltung, wenn der Motor 5 als Einphasen-Motor ausgeführt ist. Wenn die Wechselrichterschaltung 4 als PWM-Wechselrichterschaltung ausgeführt ist, wird sie als Brückenschaltung aus Halbleiterschaltelementen und Dioden ausgestaltet, die antiparallel zu den Halbleiterschaltelementen geschaltet sind. In diesem Fall können Beispiele für das Halbleiterschaltelement einen FET, einen IGBT, einen Thyristor, einen GTO (Gate Turn-Off-Thyristor/Abschaltthyristor), SiC (Siliziumkarbid) und einen Transistor umfassen, es können jedoch auch andere Arten von Halbleiterschaltelementen verwendet werden. Wenn der Motor 5 als Gleichstrommotor ausgeführt ist, wird keine Wechselrichterschaltung 4 verwendet.
  • Bei der mit dem Energieumwandlungssystem 50 ausgestatteten Motorantriebsvorrichtung 60 wandelt die Wechselrichterschaltung 4 eine aus der Wandlerschaltung 1 ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben des Motors um und gibt die Wechselspannung aus. Die Drehzahl, das Drehmoment oder die Rotorstellung des Motors 5 werden basierend auf der von der Wechselrichterschaltung 4 zugeführten Wechselspannung gesteuert. Die Wechselrichterschaltung 4 kann durch eine geeignete Steuerung der Ein-/Ausschaltvorgänge der Halbleiterschaltelemente sogar eine durch den Motor 5 regenerierte Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln und die Gleichspannung zur Gleichstromseite zurückführen.
  • Nachstehend wird nun der Betrieb der Wandlerschaltung gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Netzspannungen und den Phasenspannungen einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung darstellt. 2 zeigt beispielhaft die Wellenformen von Netzspannungen VU-V, VV-W und VW-U und Phasenspannungen VU-N, VV-N und VW-N, wenn die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 als 400V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt ist. Da die Effektivwerte der Netzspannungen VU-V, VV-W und VW-U der als 400V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführten Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 400 [V] betragen, liegen die Maximalwerte (Höchstwerte) der Netzspannungen VU-V, VV-W und VW-U ungefähr bei 566 [V] (= 400 × √2). Da die Effektivwerte der Phasenspannungen VU-N, VV-N und VW-N (d.h. der Spannungen der jeweiligen Phasen vom Sternpunkt 6 der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 aus gesehen) ungefähr 230 [V] (= 400/√3) betragen, liegen die Maximalwerte (Höchstwerte) der Phasenspannungen VU-N, VV-N und VW-N ungefähr bei 325 [V] (= 400/√3 × √2).
  • 3 ist ein Schaltbild zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Eingangswechselspannung und der Ausgangsgleichspannung der Wandlerschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 4 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der Ausgangsgleichspannung der Wandlerschaltung und den Phasenspannungen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 4 zeigt beispielhaft die Wellenformen der Phasenspannungen VU-N, VV-N und VW-N und die Wellenform einer Ausgangsgleichspannung (Wandlerspannung) Vdc, die über dem positiven Gleichstromanschluss 11P und dem negativen Gleichstromanschluss 11N auftritt, wenn die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 als 400V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt ist.
  • Wie in 3 gezeigt, wird eine U-Phasenspannung VU-N von der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 über den U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U und den Wechselstrom-Sternanschluss 18N an die Anode der ersten Diode 12U angelegt. Eine V-Phasenspannung VV-N wird von der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 über den V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V und den Wechselstrom-Sternanschluss 18N an die Anode der zweiten Diode 12V angelegt. Eine W-Phasenspannung VW-N wird von der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 über den W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W und den Wechselstrom-Sternanschluss 18N an die Anode der dritten Diode 12W angelegt. Der positive Gleichstromanschluss 11P ist mit der Kathode der ersten Diode 12U, der Kathode der zweiten Diode 12V und der Kathode der dritten Diode 12W elektrisch verbunden. Daher tritt eine resultierende Spannung der von der Kathode der ersten Diode 12U ausgegebenen Spannung, der von der Kathode der zweiten Diode 12V ausgegebenen Spannung und der von der Kathode der dritten Diode 12W ausgegebenen Spannung über dem positiven Gleichstromanschluss 11P und dem negativen Gleichstromanschluss 11N auf, wobei der Sternpunkt 6 der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 so definiert ist, dass er ein Referenzpotential aufweist. Da die erste Diode 12U, die zweite Diode 12V und die dritte Diode 12W in Anode-Kathode-Richtung Strom leiten, tritt eine Gleichspannung Vdc von ausschließlich positiver Polarität über dem positiven Gleichstromanschluss 11P und dem negativen Gleichstromanschluss 11N auf, obgleich aufgrund einer Phasenverschiebung zwischen den Phasenspannungen VU-N, VV-N und VW-N der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 pulsierende Komponenten verbleiben. Das heißt, dass die Wechselspannung der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 durch die erste Diode 12U, die zweite Diode 12V und die dritte Diode 12W der Wandlerschaltung 1 in eine Gleichspannung gleichgerichtet werden kann. Die über dem positiven Gleichstromanschluss 11P und dem negativen Gleichstromanschluss 11N der Wandlerschaltung 1 ausgegebene Gleichspannung nimmt einen Wert an, der geringfügig kleiner ist als der Maximalwert der Phasenspannung der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2. Wenn die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 beispielsweise als 400V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt ist, tritt als Gleichspannung eine Spannung von ungefähr 325 [V] (= 400/√3 × √2) auf.
  • 5 ist ein Schaltbild zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Eingangswechselstrom und dem Ausgangsgleichstrom der Wandlerschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 6A ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der Ausgangsgleichstromwellenform der Wandlerschaltung und der Eingangswechselstromwellenform der Mehrphasen-Wechselstromversorgung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 6B ist ein Diagramm, das die Details von 6A in Stromrichtung vergrößert zeigt.
  • Wie in 5 gezeigt, fließt ein U-Phasen-Wechselstrom Iin1 von der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 über den U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U in die Anode der ersten Diode 12U. Ein V-Phasen-Wechselstrom Iin2 fließt von der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 über den V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V in die Anode der zweiten Diode 12V. Ein W-Phasen-Wechselstrom Iin3 fließt von der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 über den W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W in die Anode der dritten Diode 12W. Da die erste Diode 12U, die zweite Diode 12V und die dritte Diode 12W in Anode-Kathode-Richtung Strom leiten, wird ein resultierender Strom I des von der Kathode der ersten Diode 12U ausgegebenen Stroms, des von der Kathode der zweiten Diode 12V ausgegebenen Stroms und des von der Kathode der dritten Diode 12W ausgegebenen Strom von dem positiven Gleichstromanschluss 11P ausgegeben. Demgemäß fließt ein zurückgeführter Strom I in den negativen Gleichstromanschluss 11N. Wie in 6A und 6B gezeigt, wird ein Gleichstrom I von ausschließlich positiver Polarität von der Wandlerschaltung 1 ausgegeben, obgleich aufgrund einer Phasenverschiebung zwischen den von der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 eintretenden Strömen Iin1, Iin2 und Iin3 pulsierende Komponente verbleiben.
  • Somit kann die Wandlerschaltung 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Gleichrichtungsfunktion zum Umwandeln der Wechselspannung der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 in eine Gleichspannung ausführen. Die Wandlerschaltung 1 umfasst Dioden, deren Anzahl der Anzahl der Phasen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 entspricht (bei dem in 1 gezeigten Beispiel drei Dioden 12U, 12V und 12W), und einen als elektrische Verdrahtung ausgeführten Verbindungsabschnitt 13. Da die herkömmliche Wandlerschaltung im Unterschied dazu bei einer Diodengleichrichterschaltung als Brückenschaltung aus Dioden und bei einer PWM-Schaltsteuergleichrichterschaltung als Brückenschaltung aus Halbleiterschaltelementen und Dioden ausgeführt ist, hat sie einen komplizierten Aufbau, ist groß und verursacht hohe Kosten. Die Wandlerschaltung 1 gemäß dieser Ausführungsform weist einen einfacheren Aufbau auf, ist kompakter und kostengünstiger als bei dem herkömmlichen Beispiel. In manchen Ländern oder Landesteilen kann eine Einphasen-Wechselspannung (d.h. eine Wechselspannung nur einer Phase) aus einer Dreiphasen-Wechselstromversorgung extrahiert und gleichgerichtet werden, um eine Eingangsgleichspannung für eine Wechselrichterschaltung zu erhalten. Bei der Wandlerschaltung 1 gemäß dieser Ausführungsform kann, da von allen Phasen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung (z.B. drei Phasen bei einer Dreiphasen-Wechselstromversorgung) erhaltene Wechselspannungen gleichgerichtet werden, gegenüber dem herkömmlichen Beispiel, bei dem eine Einphasen-Wechselspannung gleichgerichtet wird, eine Gleichspannung mit geringerer Pulsation erhalten werden.
  • Die Gleichstromausgangsseite der Wandlerschaltung 1, die als eine das Energieumwandlungssystem 50 (Motorantriebsvorrichtung 60) bildende Komponente dient, ist, wie in 1 gezeigt, über den Kondensator 3 mit der Gleichstromeingangsseite der Wechselrichterschaltung 4 elektrisch verbunden. Eine Gleichspannung, die gleich oder kleiner als eine Eingangsgleichstrom-Nennspannung ist, wird in erwünschter Weise in die Wechselrichterschaltung 4 eingegeben. Daher werden eine Wechselrichterschaltung 4 und eine als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführte Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 bevorzugt so ausgewählt, dass sich als Beziehung zwischen der Eingangsgleichstrom-Nennspannung Vdcrate [V] der Wechselrichterschaltung 4 und dem Effektivwert Vac [V] der Netzspannung der als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführten Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 die folgende Gleichung (1) ergibt:
    Gleichung 1: V a c × 1 3 × 2 < V d c r a t e
    Figure DE102020002220A1_0001
  • Wenn beispielsweise eine 400V-Dreiphasen-Wechselstromversorgung als Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 ausgewählt wird, wird, da Vac = 400 [V] ist, bevorzugt eine Wechselrichterschaltung 4 mit einer Eingangsgleichstrom-Nennspannung Vdcrate von ungefähr 325 [V] oder mehr ausgewählt.
  • Sofern eine Wechselrichterschaltung 4 und eine als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführte Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2, die die oben genannte Gleichung (1) erfüllen, ausgewählt werden, kann ein Energieumwandlungssystem 50 gebildet werden, das eine Wandlerschaltung 1, welche Dioden (bei dem in 1 gezeigten Beispiel drei Dioden 12U, 12V und 12W) und einen als elektrische Verdrahtung ausgeführten Verbindungsabschnitt 13 enthält, einen Kondensator 3 und eine Wechselrichterschaltung 4 umfasst, und eine das Energieumwandlungssystem 50 umfassende Motorantriebsvorrichtung 60 gebildet werden.
  • Herkömmliche Beispiele sind zum Vergleich hierin unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben.
  • 7 ist ein Blockdiagramm, das eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen Beispiel zeigt, die einen Transformator umfasst. Wie in 7 gezeigt, ist bei einer herkömmlichen Motorantriebsvorrichtung 160 zum Antreiben des Motors 5 durch die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 auf der Wechselstromeingangsseite einer Gleichrichterschaltung (Wandlerschaltung) 101 ein Transformator 103 angeordnet, der eine in die Gleichrichterschaltung 101 eingegebene Wechselspannung transformiert, um die Ausgangsgleichspannung der Gleichrichterschaltung 101 herunterzutransformieren, so dass sie gleich oder kleiner als die Eingangsnennspannung einer Wechselrichterschaltung 102 ist.
  • 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einem anderen herkömmlichen Beispiel zeigt, die eine Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung umfasst. Wie in 8 gezeigt, ist bei einer anderen herkömmlichen Motorantriebsvorrichtung 160 zum Antreiben des Motors 5 durch die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 auf der Gleichstromausgangsseite einer Gleichrichterschaltung (Wandlerschaltung) 101 eine Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung 104 (die sich von einer als Gleichrichterschaltung dienenden Wandlerschaltung unterscheidet) angeordnet, um die Ausgangsgleichspannung der Gleichrichterschaltung 101 durch die Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung 104 zu senken, um eine Spannung zu erhalten, die gleich oder kleiner als die Eingangsnennspannung einer Wechselrichterschaltung 102 ist.
  • Somit ist in der Motorantriebsvorrichtung gemäß dem herkömmlichen Beispiel ein Transformator 103 oder eine Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung 104 bereitgestellt, um die in die Wechselrichterschaltung 102 eingegebene Gleichspannung auf eine Eingangsnennspannung oder darunter einzustellen. Der Transformator 103 und die Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung 104 sind physisch groß, haben einen komplizierten Schaltungsaufbau und verursachen natürlich hohe Kosten. Im Unterschied dazu können gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, da bevorzugt weder ein Transformator noch eine Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlerschaltung bereitgestellt sein kann, ein Energieumwandlungssystem 50 und eine Motorantriebsvorrichtung 60 erzielt werden, die kompakt und kostengünstig sind und einen einfachen Aufbau haben.
  • Als Nächstes werden eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben.
  • 9 ist ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Bei der zweiten Ausführungsform sind zusätzlich Wechselstromdrosseln 16U, 16V und 16W zwischen den Anoden der Dioden 12U, 12V bzw. 12W der Wandlerschaltung 1 und den jeweiligen Phasen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 der ersten Ausführungsform angeordnet. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel ist, da die Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt ist, die erste Wechselstromdrossel 16U zwischen dem U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U und der Anode der ersten Diode 12U elektrisch verbunden. Die zweite Wechselstromdrossel 16V ist zwischen dem V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V und der Anode der zweiten Diode 12V elektrisch verbunden. Die dritte Wechselstromdrossel 16W ist zwischen dem W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W und der Anode der dritten Diode 12W elektrisch verbunden. Somit ermöglicht es das Bereitstellen der Wechselstromdrosseln 16U, 16V und 16W entsprechend den jeweiligen Phasen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2, eine Pulsation einer über den positiven Gleichstromanschluss 11P und den negativen Gleichstromanschluss 11N der Wandlerschaltung 1 ausgegebenen Gleichspannung zu reduzieren. Da andere Schaltungskomponenten den in 1 gezeigten entsprechen, bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Schaltungskomponenten und es wird auf eine genaue Beschreibung derselben verzichtet.
  • Als Nächstes werden eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben.
  • 10 ist ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Bei der dritten Ausführungsform ist zusätzlich eine Gleichstromdrossel 17 zwischen dem positiven Gleichstromanschluss 11P und den Kathoden aller Dioden 12U, 12V und 12W der Wandlerschaltung 1 der ersten Ausführungsform angeordnet. Das Bereitstellen einer Gleichstromdrossel 17 ermöglicht es, eine Pulsation einer über den positiven Gleichstromanschluss 11P und den negativen Gleichstromanschluss 11N der Wandlerschaltung 1 ausgegebenen Gleichspannung zu reduzieren. Da andere Schaltungskomponenten den in 1 gezeigten entsprechen, bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Schaltungskomponenten und es wird auf eine genaue Beschreibung derselben verzichtet.
  • Als Nächstes werden eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. Die vierte Ausführungsform ist als Kombination der vorstehend beschriebenen zweiten und dritten Ausführungsform realisiert.
  • 11 ist ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Bei dem in 11 gezeigten Beispiel ist, da eine Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt ist, eine Wandlerschaltung 1 mit drei Wechselstromdrosseln 16U, 16V und 16W ausgestattet. Die erste Wechselstromdrossel 16U ist zwischen einem U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U und der Anode einer ersten Diode 12U elektrisch verbunden. Die zweite Wechselstromdrossel 16V ist zwischen einem V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V und der Anode einer zweiten Diode 12V elektrisch verbunden. Die dritte Wechselstromdrossel 16W ist zwischen einem W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W und der Anode einer dritten Diode 12W elektrisch verbunden. Eine Gleichstromdrossel 17 ist zwischen einem positiven Gleichstromanschluss 11P und den Kathoden aller Dioden 12U, 12V und 12W elektrisch verbunden. Somit ermöglicht es das Bereitstellen von Wechselstromdrosseln 16U, 16V und 16W und einer Gleichstromdrossel 17, eine Pulsation einer über den positiven Gleichstromanschluss 11P und einen negativen Gleichstromanschluss 11N der Wandlerschaltung 1 ausgegebenen Gleichspannung zu reduzieren. Da andere Schaltungskomponenten den in 1 gezeigten entsprechen, bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Schaltungskomponenten und es wird auf eine genaue Beschreibung derselben verzichtet.
  • Somit kann durch die Wandlerschaltung 1 gemäß einer beliebigen der zweiten bis vierten Ausführungsform eine Pulsation einer über den positiven Gleichstromanschluss 11P und den negativen Gleichstromanschluss 11N der Wandlerschaltung 1 ausgegebenen Gleichspannung stärker reduziert werden als bei der ersten Ausführungsform, bei der keine Drossel auf der Wechselstrom- oder Gleichstromseite der Wandlerschaltung 1 angeordnet ist. Da die Wechselrichterschaltung 4 eine Gleichspannung mit geringerer Pulsation in eine Wechselspannung umwandeln und die Wechselspannung ausgeben kann, kann gemäß der zweiten bis vierten Ausführungsform ferner eine Wechselspannung hoher Qualität mit weniger Oberschwingungen als bei der ersten Ausführungsform erhalten werden. Außerdem kann bei der Motorantriebsvorrichtung 60 gemäß der zweiten bis vierten Ausführungsform, da die Wechselrichterschaltung 4 eine Wechselspannung hoher Qualität mit weniger Oberschwingungen dem Motor 5 als Antriebsspannung zuführen kann, die Steuerbarkeit des Motors 5 gegenüber der ersten Ausführungsform weiter verbessert werden.
  • Obgleich gemäß der zweiten bis vierten Ausführungsform die Pulsation der von der Wandlerschaltung 1 ausgegebenen Gleichspannung gegenüber der ersten Ausführungsform stärker reduziert werden kann, ist nachstehend die Ausgangsgleichstromwellenform der Wandlerschaltung gemäß der dritten Ausführungsform dieser Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. 12A ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der Ausgangsgleichstromwellenform der Wandlerschaltung und der Eingangswechselstromwellenform der Mehrphasen-Wechselstromversorgung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 12B ist ein Diagramm, das die Details von 12A in Stromrichtung vergrößert zeigt. Ein Vergleich zwischen der in 12A und 12B gezeigten Ausgangsgleichstromwellenform der Wandlerschaltung der dritten Ausführungsform und derjenigen der Wandlerschaltung der ersten Ausführungsform, die in 6A und 6B dargestellt ist, zeigt, dass die Pulsation der von der Wandlerschaltung 1 ausgegebenen Gleichspannung bei der dritten Ausführungsform, in der eine Gleichstromdrossel 17 bereitgestellt ist, stärker reduziert werden kann als bei der ersten Ausführungsform.
  • Als Nächstes werden eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform beschrieben. Bei der fünften Ausführungsform wird zusätzlich zur ersten Ausführungsform eine sogenannte „Stromversorgungsregeneration“ zum Zurückführen von durch den Motor 5 regeneriertem Strom zur Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 ermöglicht.
  • 13 ist ein Blockdiagramm, das eine Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Eine Wandlerschaltung 1 gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst zusätzlich zur Wandlerschaltung 1 gemäß der ersten Ausführungsform entsprechend den Dioden 12U, 12V und 12W bereitgestellte Schalter 14U, 14V und 14W und eine Steuereinheit 15, die die Ein-/Ausschaltvorgänge eines jeden der Schalter 14U, 14V und 14W steuert.
  • Bei dem in 13 gezeigten Beispiel ist die Wandlerschaltung 1, da eine Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 als Dreiphasen-Wechselstromversorgung ausgeführt ist, mit drei Dioden 12U, 12V und 12W und drei Schaltern 14U, 14V und 14W ausgestattet, die entsprechend den Dioden 12U, 12V und 12W bereitgestellt sind.
  • Jeder der Schalter 14U, 14V und 14W kann als Halbleiterschaltelement oder als mechanischer Schalter ausgeführt sein, sofern dieser Schalter im Einschaltzustand Strom in eine Richtung leitet und im Ausschaltzustand keinen Strom leitet. Ein Beispiel für das Halbleiterschaltelement kann ein IGBT sein. Da die Schalter 14U, 14V und 14W und die Dioden 12U, 12V und 12W einander entsprechend bereitgestellt sind, kann sogar ein IGBT-Modul verwendet werden, das zusammen gepackte IGBTs und Dioden umfasst.
  • Die Schalter 14U, 14V und 14W sind parallel zu den entsprechenden Dioden 12U, 12V bzw. 12W elektrisch verbunden, um die Richtungen, in die die Schalter 14U, 14V und 14W im Einschaltzustand Strom leiten, entgegengesetzt zu denjenigen festzulegen, in die die entsprechenden Dioden 12U, 12V bzw. 12W Strom leiten. Mit anderen Worten, der erste Schalter 14U ist parallel zur ersten Diode 12U elektrisch verbunden, um die Richtung, in die der erste Schalter 14U im Einschaltzustand Strom leitet, entgegengesetzt zu derjenigen festzulegen, in die die erste Diode 12U Strom leitet. Der zweite Schalter 14V ist parallel zur zweiten Diode 12V elektrisch verbunden, um die Richtung, in die der zweite Schalter 14V im Einschaltzustand Strom leitet, entgegengesetzt zu derjenigen festzulegen, in die die zweite Diode 12V Strom leitet. Der dritte Schalter 14W ist parallel zur dritten Diode 12W elektrisch verbunden, um die Richtung, in die der dritte Schalter 14W im Einschaltzustand Strom leitet, entgegengesetzt zu derjenigen festzulegen, in die die dritte Diode 12W Strom leitet.
  • Die Steuereinheit 15 steuert die Ein-/Ausschaltvorgänge eines jeden der Schalter 14U, 14V und 14W. Genauer gesagt vergleicht die Steuereinheit 15 Wechselspannungen der jeweiligen Phasen, die über einen U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U, einen V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V und einen W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W der Wandlerschaltung 1 eingegeben werden, mit einer Gleichspannung, die über einen positiven Gleichstromanschluss 11P der Wandlerschaltung 1 ausgegeben wird, und bestimmt, dass ein Stromflusszustand (Nichtregenerationszustand) eingestellt ist, wenn die Wechselspannungen der jeweiligen Phasen höher sind als die Gleichspannung, oder bestimmt, dass ein Regenerationszustand eingestellt ist, wenn die Wechselspannungen der jeweiligen Phasen kleiner sind als die Gleichspannung. Wenn die Steuereinheit 15 bestimmt, dass der Regenerationszustand eingestellt ist, steuert sie die Ein-/Ausschaltvorgänge des ersten Schalters 14U, des zweiten Schalters 14V und des dritten Schalters 14W beispielsweise basierend auf den Phasen der Wechselspannungen der jeweiligen Phasen, die über den U-Phasen-Wechselstromanschluss 18U, den V-Phasen-Wechselstromanschluss 18V und den W-Phasen-Wechselstromanschluss 18W der Wandlerschaltung 1 eingegeben werden, und führt den Strom auf der Gleichstromseite der Wandlerschaltung 1 zur Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 zurück. Wenn die Steuereinheit 15 bestimmt, dass der Regenerationszustand eingestellt ist, führt sie den Strom auf der Gleichstromseite der Wandlerschaltung 1 zur Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 zurück, indem sie beispielsweise einen Schalter (14U, 14V oder 14W) einschaltet, der einer Phase mit einer höchsten Wechselspannung der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 entspricht. Mit anderen Worten, unter den jeweiligen Phasen der Wechselspannungen der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 wird eine Phase mit einer höchsten Wechselspannung ermittelt und ein der ermittelten Phase entsprechender Schalter eingeschaltet. Genauer gesagt wird der erste Schalter 14U eingeschaltet, wenn die Wechselspannung der U-Phase am höchsten ist, der zweite Schalter 14V eingeschaltet, wenn die Wechselspannung der V-Phase am höchsten ist, und der dritte Schalter 14W eingeschaltet, wenn die Wechselspannung der W-Phase am höchsten ist.
  • 14A ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Wellenformen von Wechselströmen und Ein-/Ausschaltbefehlen, die während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durch eine Steuereinheit ausgegeben werden, sowie die Wellenformen von Wechselströmen zeigt, die in die Wandlerschaltung eingegeben oder von der Wandlerschaltung ausgegeben werden. 14B ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Wellenformen der Wechselströme und den Ein-/Ausschaltbefehlen, die während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durch die Steuereinheit ausgegeben werden, sowie die durch die Steuereinheit ausgegebenen Ein-/Ausschaltbefehle zeigt. Bezug nehmend auf 14A ist ein U-Phasen-Wechselstrom Iin1 durch eine durchgezogene Linie, ein V-Phasen-Wechselstrom Iin2 durch eine gestrichelte Linie und ein W-Phasen-Wechselstrom Iin3 durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Bezug nehmend auf 14B ist ein durch die Steuereinheit 15 an den ersten Schalter 14U gesendeter Ein-/Ausschaltbefehl durch eine durchgezogene Linie, ein durch die Steuereinheit 15 an den zweiten Schalter 14V gesendeter Ein-/Ausschaltbefehl durch eine gestrichelte Linie und ein durch die Steuereinheit 15 an den dritten Schalter 14W gesendeter Ein-/Ausschaltbefehl durch eine strichpunktierte Linie dargestellt.
  • 15A ist ein Diagramm, das die Wellenformen eines Wechselstroms und einer Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Wandlerschaltung während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sowie U-Phasen-Wellenformen zeigt. 15B ist ein Diagramm, das die Wellenformen eines anderen Wechselstroms und einer anderen Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Wandlerschaltung während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sowie V-Phasen-Wellenformen zeigt. 15C ist ein Diagramm, das die Wellenformen eines weiteren Wechselstroms und einer weiteren Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Wandlerschaltung während eines Stromflusses und einer Regeneration der Wandlerschaltung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sowie W-Phasen-Wellenformen zeigt. Bezug nehmend auf 15A, 15B und 15C sind Wechselströme durch durchgezogene Linien und Wechselspannungen durch gestrichelte Linien dargestellt.
  • Wie in 14A und 14B sowie 15A, 15B und 15C gezeigt, fließen während eines Stromflusses, da die Steuereinheit 15 an den ersten Schalter 14U, den zweiten Schalter 14V und den dritten Schalter 14W allesamt einen Ausschaltbefehl ausgibt, und der U-Phasen-Wechselstrom Iin1, der V-Phase-Wechselstrom Iin2 und der W-Phasen-Wechselstrom Iin3 allesamt positiv sind, diese Wechselströme in die Wandlerschaltung 1, um über die Dioden 12U, 12V und 12W Gleichspannungen aus der Wandlerschaltung 1 auszugeben. Während einer Regeneration gibt die Steuereinheit 15 entsprechend einer Phase mit einer höchsten Wechselspannung der Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2 an den Schalter 14U, 14V oder 14W einen Einschaltbefehl aus, so dass ein Gleichstrom in die Wandlerschaltung 1 fließen kann, um über die Schalter 14U, 14V und 14W Wechselströme aus der Wandlerschaltung 1 auszugeben. Dadurch ist ersichtlich, dass während der Regeneration der U-Phasen-Wechselstrom Iin1, der V-Phasen-Wechselstrom Iin2 und der W-Phasen-Wechselstrom Iin3 allesamt negativ sind, d.h. Wechselströme fließen von der Wandlerschaltung 1 zur Mehrphasen-Wechselstromversorgung 2.
  • Die Steuereinheit 15 der fünften Ausführungsform kann beispielsweise in Form eines Softwareprograms oder als Kombination verschiedener elektronischer Schaltungen und eines Softwareprogramms ausgeführt sein. Wenn die Steuereinheit 15 in Form eines Softwareprogramms ausgeführt ist, kann die Funktion der Steuereinheit 15 durch Veranlassen eines in das Energieumwandlungssystem 50 eingebauten Arithmetik-Prozessors, wie etwa eines DSP oder eines FPGA, gemäß dem Softwareprogramm zu arbeiten, implementiert werden. Wenn das Energieumwandlungssystem 50 in die Motorantriebsvorrichtung 60 eingebaut ist, kann die Funktion der Steuereinheit 15 durch Veranlassen eines in die Motorantriebsvorrichtung 60 eingebauten Arithmetik-Prozessors, wie etwa eines DSP oder eines FPGA, gemäß dem Softwareprogramm zu arbeiten, implementiert werden.
  • Alternativ kann die Steuereinheit 15 als integrierte Halbleiterschaltung ausgeführt sein, in die ein Softwareprogramm zum Implementieren der Funktion der Steuereinheit 15 geschrieben ist.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsform können eine Wandlerschaltung 1, ein Energieumwandlungssystem 50 und eine Motorantriebsvorrichtung 60 erzielt werden, die kompakt und kostengünstig sind, einen einfachen Aufbau haben und zur Stromversorgungsregeneration fähig sind. Die fünfte Ausführungsform kann auch in Kombination mit einer beliebigen der zweiten bis vierten Ausführungsform realisiert werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung können eine kompakte und kostengünstige Wandlerschaltung, ein Energieumwandlungssystem und eine Motorantriebsvorrichtung mit einem einfachen Aufbau erzielt werden.

Claims (6)

  1. Wandlerschaltung (1) zum Umwandeln einer von einer Mehrphasen-Wechselstromversorgung (2) eingegebenen Wechselspannung in eine Gleichspannung und Ausgeben der Gleichspannung, wobei die Schaltung (1) umfasst: - einen positiven Gleichstromanschluss (11P) und einen negativen Gleichstromanschluss (11N), die dazu eingerichtet sind, die Gleichspannung auszugeben, - mehrere Dioden (12U, 12V, 12W), deren Anoden jeweils mit einer entsprechenden Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung (2) elektrisch verbunden sind und deren Kathoden allesamt mit dem positiven Gleichstromanschluss (11P) elektrisch verbunden sind, und - einen Verbindungsabschnitt (13), der einen Sternpunkt (6) der Mehrphasen-Wechselstromversorgung (2) und den negativen Gleichstromanschluss (11N) miteinander verbindet.
  2. Wandlerschaltung (1) nach Anspruch 1, die ferner umfasst: - mehrere Schalter (14U, 14V, 14W), die dazu eingerichtet sind, in einem Einschaltzustand Strom in eine Richtung zu leiten und in einem Ausschaltzustand keinen Strom zu leiten, wobei jeder der mehreren Schalter (14U, 14V, 14W) parallel zu einer entsprechenden der mehreren Dioden (12U, 12V, 12W) elektrisch verbunden ist, um eine Richtung, in die jeder der Schalter (14U, 14V, 14W) im Einschaltzustand Strom leitet, entgegengesetzt zu einer Richtung festzulegen, in die die entsprechende der Dioden (12U, 12V, 12W) Strom leitet, und - eine Steuereinheit (15), die dazu eingerichtet ist, Ein-/Ausschaltvorgänge eines jeden der mehreren Schalter (14U, 14V, 14W) zu steuern.
  3. Wandlerschaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, die ferner mehrere Wechselstromdrosseln (16U, 16V, 16W) umfasst, die jeweils zwischen der Anode einer entsprechenden der mehreren Dioden (12U, 12V, 12W) und einer entsprechenden Phase der Mehrphasen-Wechselstromversorgung (2) angeordnet sind.
  4. Wandlerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Gleichstromdrossel (17) umfasst, die zwischen dem positiven Gleichstromanschluss (11P) und den Kathoden aller der mehreren Dioden (12U, 12V, 12W) angeordnet ist.
  5. Energieumwandlungssystem (50), das umfasst: - die Wandlerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - einen Kondensator (3), der zwischen dem positiven Gleichstromanschluss (11P) und dem negativen Gleichstromanschluss (11N) angeordnet ist, und - eine Wechselrichterschaltung (4), die über den Kondensator (3) mit der Wandlerschaltung (1) elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ist, die aus der Wandlerschaltung (1) ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln und die Wechselspannung auszugeben.
  6. Motorantriebvorrichtung (60), die das Energieumwandlungssystem (50) nach Anspruch 5 umfasst, - wobei die Wechselrichterschaltung (4) die aus der Wandlerschaltung (1) ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben eines Motors umwandelt und die Wechselspannung ausgibt.
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