DE112009004353B4

DE112009004353B4 - Stromumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112009004353B4
Application number: DE112009004353.4T
Authority: DE
Inventors: Osamu Mori; Toshiyuki Fujii; Akihiko Iwata; Junichiro Ishikawa; Masanori Yasue; Yukimori Kishida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: DE112009004353T5; US20110280049A1; JP5269102B2; CN102282750B; WO2010082265A1; US8576593B2; JPWO2010082265A1; CN102282750A

Abstract

Stromumwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist:
- einen Stromrichter zum Ausführen einer Stromumwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom, wobei der Stromrichter einen Hauptstromrichter (3, 101) und Nebenstromrichter (4, 102) aufweist, wobei eine Gleichspannung (Vdc) des Hauptstromrichters (3, 101) höher ist als Gleichspannungen (Vbr, Vbs, Vbt) der Nebenstromrichter (4, 102), wobei die Nebenstromrichter (4, 102) zwischen dem Hauptstromrichter (3, 101) und einer Wechselstromversorgung (1, 210) mit diesen in Reihe geschaltet sind; und
- eine Steuervorrichtung (12, 220), die den Hauptstromrichter (3, 101) mittels eines ersten Steuersignals steuert, das auf der Basis einer Phase der Wechselstromversorgung (1, 210) erzeugt wird, einen Befehl für einen Wechselstrom des Stromrichters berechnet und die Nebenstromrichter (4, 102) mittels eines zweiten Steuersignals steuert, das derart erzeugt wird, dass der momentane Wert des Wechselstroms dem Wechselstrombefehl folgt; wobei die Steuervorrichtung (12, 220) Folgendes aufweist:
- eine Strombefehl-Berechnungseinrichtung (20), die den Wechselstrombefehl erzeugt;
- eine erste Steuereinheit, die das erste Steuersignal erzeugt, das dem Hauptstromrichter (3, 101) zuzuführen ist; und
- eine zweite Steuereinheit, die das zweite Steuersignal erzeugt, um Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter (4, 102) auf einer Wechselstromseite von diesen derart zu schalten, dass eine Abweichung des momentanen Wechselstromwerts von dem Wechselstrombefehl geringer wird,
wobei es sich bei der ersten und der zweiten Steuereinheit um andere Bereiche als die Strombefehl-Berechnungseinrichtung (20) handelt, die in Hardware-Logikschaltungseinrichtungen konfiguriert sind und die derart ausgebildet sind, dass sie die Komparatorschaltung (30) und die Logikschaltung (40) beinhalten, und
wobei die Nebenstromrichter (4, 102) eine Momentanwertsteuerung der Wechselströme durchführen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung einer Stromumwandlungsvorrichtung mit einer Wechselstrom-/Gleichstrom- (AC/DC-) Wandlungsfunktion.
Stand der Technik
Im Folgenden wird als Beispiel für eine herkömmliche Stromumwandlungsvorrichtung ein Wandler bzw. Stromrichter beschrieben, der in der Lage ist, einen Regenerations-Steuerungsvorgang auszuführen.
Eine Stromumwandlungsvorrichtung ist mit Wechselstromseiten von einphasigen Nebenstromrichtern ausgebildet, deren Gleichspannung niedriger ist als eine Gleichspannung eines Dreiphasen-Hauptstromrichters und die mit Wechselstrom-Eingangsleitungen von einzelnen Phasen des Hauptstromrichters in Reihe geschaltet wird. Die Stromumwandlungsvorrichtung wird gesteuert, indem der Hauptstromrichter mit Gatepulsen betrieben wird, die mit einer Rate von einem Puls pro halbem Zyklus generiert werden, so dass eine an einem Wechselstromanschluss von jedem Nebenstromrichter erzeugte Spannung gleich der Differenz zwischen einer Wechselstrom-Versorgungsspannung und einer an einem jeweiligen Wechselstromanschluss des Hauptstromrichters erzeugten Spannung wird.
Diese Anordnung ermöglicht die Unterdrückung von Harmonischen ohne die Verwendung einer Spule mit hoher Kapazität sowie die Reduzierung von Verlustleistung und elektromagnetischem Rauschen (siehe z.B. Patentdokument 1).
Das Patentdokument 2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung mit einem ersten mehrphasigen Stromrichter, der über einen ersten Gleichspannungszwischenkreis mit einer ersten Zwischenkreisspannung und einen ersten Gleichrichter an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen ist und pro Phase einen Lastanschluss aufweist.
Das Patentdokument 3 offenbart eine Leistungsumwandlungsvorrichtung mit mehreren Sätzen von Halbbrückenwechselrichtern, die zwischen positiven und negativen Anschlüssen einer Gleichstromversorgung angeschlossen sind. Jeder Satz von Halbbrückenwechselrichtern enthält zwei in Reihe geschaltete Schaltgeräte, einphasige Wechselrichter, die in Reihe mit einzelnen AC-Ausgangsleitungen der Vielzahl von Halbbrückenwechselrichtern geschaltet sind, sowie zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren zur Aufteilung einer Spannung der Gleichstromversorgung, die ein DC Eingang der Halbbrückenwechselrichter ist. Die Ausgangsklemmen der einzelnen einphasigen Wechselrichter sind mit den einzelnen Phasen eines Stromnetzes verbunden.
Das Patentdokument 4 offenbart einen Leistungswandler, der derart konfiguriert ist, dass er Spannungen auf der AC-Eingangsseite eines Leistungswandlers als Summen von Spannungen erzeugt, die an den einzelnen AC-Eingangsklemmen eines Hauptwandlers und mehrerer Unterwandler erzeugt werden. Da die Spannungen vom Hauptumrichter und den Unterumrichtern auf diese Weise verteilt erzeugt werden können, ist es nicht notwendig, Hochspannungsimpulse durch einen Schaltvorgang mit hoher Frequenz zu erzeugen. Auch können Oberwellen unterdrückt werden, ohne die Größe einer Drosselspule zu vergrößern und die Verlustleistung und das elektromagnetische Rauschen zu reduzieren.
Stand-der-Technik-Veröffentlichung
Patentdokument

Patentdokument 1: Internationale Veröffentlichung WO 2007/ 129 456 A1
Patentdokument 2: DE 197 20 787 A1
Patentdokument 3: EP 2 114 003 A1
Patentdokument 4: EP 2 012 419 A1

Kurzbeschreibung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Eine herkömmliche Stromumwandlungsvorrichtung ist zum Erzeugen eines Wechselstrombefehls ausgebildet, um dadurch die jeweilige Gleichspannung des Hauptstromrichters und der Nebenstromrichter aufrechtzuerhalten und einen Spannungsbefehl zu erzeugen, so dass die Wechselströme dem Wechselstrombefehl folgen und somit die Nebenstromrichter durch Pulsbreitenmodulation (PWM) gesteuert werden.
Ein chronisches Problem hierbei besteht darin, dass Steuerungs-Hardware, die diese Art der Steuerung ermöglicht, normalerweise eine teure zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) mit komplexer Konfiguration sowie komplizierte periphere Schaltungen, wie z.B. eine Reihe von Analog-Digital- (A/D-) Wandlern für die Handhabung von in die CPU einzubringender Information, erforderlich macht.
Da das Ansprechvermögen, das es den Wechselströmen ermöglicht, dem Wechselstrombefehl zu folgen, von der Leistungsfähigkeit der CPU abhängt, besteht ferner eine Notwendigkeit für eine noch kostenintensivere CPU für eine Stromsteuerung mit hoher Geschwindigkeit.
Die vorliegende Erfindung hat sich das Lösen des vorstehend geschilderten Problems zum Ziel gesetzt. Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Stromsteuervorgang einer Stromumwandlungsvorrichtung zu ermöglichen, die einen Hauptstromrichter und Nebenstromrichter in Reihenschaltung aufweist, ohne dass dabei die Notwendigkeit für eine teuere und komplexe CPU besteht.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Stromumwandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stromumwandlungsvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt die zweite Steuereinheit das zweite Steuersignal zum Schalten der Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter auf der Wechselstromseite von diesen derart, dass die Abweichung des momentanen Wechselstromwerts von dem Wechselstrombefehl geringer wird, so dass es möglich ist, die zweite Steuereinheit, die mit der Stromsteuerung in Beziehung steht, mit einer anderen Hardware-Logikschaltung als einer CPU zu konfigurieren und eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Steuerung zu erzielen, indem der momentane Wechselstromwert dazu veranlasst wird, dem Wechselstrombefehl zu folgen. Es besteht die Möglichkeit, eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Stromsteuerung zu erzielen, ohne dass dabei eine Notwendigkeit für eine teure und komplexe CPU der vorgenannten Art besteht.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Konfigurationsdarstellung einer Hauptschaltung (Stromrichter) einer Stromumwandlungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung von Wellenformen an einzelnen Punkten zur Erläuterung der Arbeitsweise des Stromrichters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Darstellung zur Erläuterung der Hardware-Konfiguration einer Steuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration einer Strombefehlswert-Berechnungsschaltung (CPU) der Steuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration einer ersten Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung eines Hauptstromrichters bei der Steuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung übernimmt;
6 eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration einer zweiten Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung von Nebenstromrichtern bei der Steuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung übernimmt;
7 eine Darstellung zur Erläuterung eines Teils der Konfiguration der zweiten Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter bei der Steuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung übernimmt;
8 eine Darstellung zur Erläuterung der Steuerung des Hauptstromrichters, wie diese von der ersten Steuereinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
9 eine Darstellung zur Erläuterung der Steuerung der Nebenstromrichter, wie diese von der zweiten Steuereinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
10 eine Darstellung zur Erläuterung der Steuerung der Nebenstromrichter, wie diese von der zweiten Steuereinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
11 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verlaufs von Gateansteuersignalen für die Nebenstromrichter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration einer Steuervorrichtung (CPU) gemäß einem Vergleichsbeispiel zu dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration der Steuervorrichtung (CPU) gemäß dem Vergleichsbeispiel zu dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
14 eine Konfigurationsdarstellung einer Stromumwandlungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Verfahrensweisen zum Ausführen der Erfindung
Erstes Ausführungsbeispiel
Eine Stromumwandlungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben. 1 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration eines Stromumwandlers bzw. Stromrichters, bei dem es sich um eine Hauptschaltung der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt. Insbesondere zeigt 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration des Stromrichters, der von einer Dreiphasen-Wechselstromversorgung (Systemstromversorgung) 1 zugeführten elektrischen Strom in Gleichstrom umwandelt und den Gleichstrom einem Gleichstromverbraucher 2 zuführt.
Wie in 1 gezeigt, sind Nebenstromrichter 4, die aus einphasigen Vollbrückenschaltungen gebildet sind, und Wechselstromspulen 5 mit Wechselstromleitungen von einzelnen Phasen eines Hauptstromrichters 3 verbunden, der Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Bei dem Hauptstromrichter 3 handelt es sich um einen drei Phasen und zwei Stufen aufweisenden Stromrichter mit einem auf einer Gleichstromseite angeschlossenen Hauptkondensator 7, der aus Stromspeichervorrichtung dient, wobei der Hauptstromrichter 3 Halbleiterschaltvorrichtungen 6 vom selbstabschaltenden Typ verwendet, wie z.B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind, wenn davon ausgegangen wird, dass der Hauptstromrichter 3 einen Regeneriervorgang ausführt und Gleichstrom zu einer Wechselstromseite zurückführt.
Die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Halbleiterschaltvorrichtungen 6 sind nicht auf IGBTs beschränkt, sondern es kann sich um beliebige Vorrichtungen handeln, wie z.B. Abschaltthyristoren mit kommutiertem Gate (GCTs), Gate-Abschaltthyristoren (GTOs), Transistoren oder Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Thyristoren, die keine Selbstabschaltfunktion aufweisen, jedoch einen Betrieb mit Zwangskommutierung ausführen können.
Wenn ein Inverterschaltungsbereich einem Bremswiderstand oder dergleichen zugeordnet ist, um regenerierten Strom zu handhaben, wenn ein Motor oder dergleichen an den Gleichstromverbraucher 2 über eine nicht dargestellte Inverterschaltung angeschlossen ist und es nicht erforderlich ist, einen Regeneriervorgang auszuführen und Gleichstrom zu einem Wechselstromnetz zurückzuführen, können die Halbleitervorrichtungen vom selbstabschaltenden Typ (die Halbleiterschaltvorrichtungen 6) auch durch Dioden ersetzt werden. Hierbei sind die einzelnen Halbleiterschaltvorrichtungen 6 einer positiven (P) Seite und einer negativen (N) Seite, die Arme der einzelnen Phasen (R-Phase, S-Phase, T-Phase) des Hauptstromrichters 3 bilden, mit RP, RN, SP, SN, TP bzw. TN bezeichnet.
Die Nebenstromrichter 4 sind jeweils mit einer Einphasen-Vollbrückenschaltung versehen, die aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen 8 vom selbstabschaltenden Typ, wie z.B. MOSFETs, und einem Nebenkondensator 9 gebildet sind, der als unabhängig arbeitende Stromspeichervorrichtung dient. Die Halbleiterschaltvorrichtungen 8 sind nicht auf MOSFETs beschränkt, sondern es kann sich um beliebige Vorrichtungen, wie IGBTs, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind, GCTs, GTOs oder Transistoren oder Thyristoren handeln, die keine Selbstabschaltfunktion aufweisen, doch selbst in diesem Fall eine Zwangskommutierung ausführen können.
Ferner werden ein Arm auf einer Wechselstromversorgungsseite des Nebenstromrichters 4 jeder Phase und ein Arm auf einer Verbraucher- bzw. Lastseite desselben als X-seitiger Arm bzw. Y-seitiger Arm bezeichnet, und die Halbleiterschaltvorrichtungen 8 auf der P-Seite und der N-Seite werden als XP, XN, YP bzw. YN bezeichnet.
Jeder der Nebenstromrichter 4 kann eine Gleichspannung abgeben, die für eine gewünschte Periode über Wechselstromanschlüssen auf eine dargestellte Polarität aufgeladen ist (Ausgangsspannung: Vsub). Insbesondere kann unter der Voraussetzung, dass die Gleichspannung V ist, jeder der Nebenstromrichter 4 Spannungswerte auf drei Pegeln, und zwar Vsub = {-V, 0, +V}, über den Wechselstromanschlüssen in Abhängigkeit von Kombinationen von EIN- und AUS-Zuständen der Halbleiterschaltvorrichtungen 8 anlegen.
Die Stromumwandlungsvorrichtung ist ferner mit einem Spannungssensor 7a zum Detektieren einer Spannung Vdc über dem Hauptkondensator 7 des Hauptstromrichters 3, Spannungssensoren 9a zum Detektieren von Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der Nebenkondensatoren 9 der Nebenstromrichter 4 der einzelnen Phasen, Stromsensoren 10 zum Detektieren von Wechselströmen „i“ (ir, is, it), die von der Dreiphasen-Wechselstromversorgung 1 in die einzelnen Phasen eingespeist werden, sowie mit einem Phasenregelkreis (PLL-Schaltkreis) 11 zum Detektieren der Phasen der Dreiphasen-Wechselstromversorgung 1 versehen. Es ist darauf hinzuweisen, dass eine positive Richtung der jeweiligen Wechselströme „i“ einer Pfeilrichtung entspricht.
Unter der Voraussetzung, dass es sich bei der Dreiphasen-Wechselstromversorgung 1 z.B. um ein Wechselstromnetz mit 200 V handelt, die Spannung Vdc des Hauptkondensators 7, bei der es sich um eine Gleichstrom-Ausgangsspannung handelt, 250 V beträgt und die Spannung der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen 60 V beträgt, kann der Stromrichter mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration derart aufgebaut sein, dass der Hauptstromrichter 3 Komponenten mit einer Spannungsfestigkeit von 600 V verwendet und die Nebenkonverter 4 Komponenten mit einer Spannungsfestigkeit von 100 V verwenden.
Unter der Voraussetzung, dass es sich bei der Dreiphasenwechselstrom-versorgung 1 um ein Wechselstromnetz mit 400 V handelt, die Spannung Vdc des Hauptkondensators 7, bei der es sich um die Gleichstrom-Ausgangsspannung handelt, 500 V beträgt und die Spannung der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen 60 V beträgt, kann der Stromrichter derart aufgebaut sein, dass der Hauptstromrichter 3 Komponenten mit einer Spannungsfestigkeit von 1200 V verwendet und die Nebenstromrichter 4 Komponenten mit der Spannungsfestigkeit von 100 V verwenden.
Ferner kann es sich bei dem Stromrichter, der zum Ausführen eines AC/DC-Umwandlungsvorgangs in der Lage ist, um einen Typ handeln, bei dem die Gleichstromseite eine solche Energiequelle wie Solarenergie oder eine Brennstoffzelle aufweist, wobei der Stromrichter eine Zwischenverbindung mit einem Wechselstromnetz bildet, um diesem elektrischen Strom zuzuführen sowie elektrischen Strom von diesem zu empfangen.
Im Folgenden wird nun die Arbeitsweise des in dieser Weise ausgebildeten Stromrichters beschrieben. 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung von einzelnen Wellenformen einer Ausgangsspannung Vmain beispielsweise der R-Phase des Hauptstromrichters 3, von Gateansteuersignalen für die einzelnen Halbleiterschaltvorrichtungen 6 (RP, RN, SP, SN, TP, TN), die den Hauptstromrichter 3 bilden, sowie der Ausgangsspannung Vsub des R-Phasen-Nebenstromrichters 4. Dabei werden im Folgenden nur Spannungen für eine Phase beschrieben.
Wie in der Zeichnung dargestellt ist, handelt es sich bei den Gateansteuersignalen für die einzelnen Halbleiterschaltvorrichtungen 6 des Hauptstromrichters 3 um Signale, die mit einer Rate von einem Puls pro Zyklus einer Stromversorgungs-Phasenspannung generiert werden (wobei diese im Folgenden als einpulsige bzw. Einpuls-Signale bezeichnet werden). Wenn die Stromversorgungs-Phasenspannung der R-Phase eine positive Polarität hat, befindet sich die Halbleiterschaltvorrichtung RP auf der Seite P in einem EIN-Zustand („ON“), und die Halbleiterschaltvorrichtung RN auf der Seite N befindet sich in einem AUS-Zustand („OFF“), und wenn die Stromversorgungs-Phasenspannung der R-Phase eine negative Polarität hat, befindet sich die Halbleiterschaltvorrichtung RP im AUS-Zustand, und die Halbleiterschaltvorrichtung RN ist im EIN-Zustand.
Die grundlegende Arbeitsweise des Stromrichters besteht darin, dass der Stromrichter eine Stromumwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom in einer derartigen Weise ausführt, dass die Gleichspannung Vdc des Hauptkondensators 7 des Hauptstromrichters 3, d.h. die Gleichstrom-Ausgangsspannung, aufrechterhalten wird, und zu diesem Zweck erzeugt der Stromrichter eine Sinusspannung, bei der es sich um die gleiche Spannung wie eine Stromversorgungsspannung auf der Wechselstromseite handelt.
Die Ausgangsspannung Vmain der R-Phase des Hauptstromrichters 3 besitzt, betrachtet von einem imaginären neutralen Punkt der Wechselstromversorgung 1, eine stufenartige Wellenform, wie dies dargestellt ist. Die Halbleiterschaltvorrichtungen 8 des Nebenstromrichters 4 der R-Phase werden in feinen Stufen ein- und ausgeschaltet, so dass der Nebenstromrichter 4 eine Differenzspannung (Ausgangsspannung: Vsub) zwischen der Stromversorgungs-Phasenspannung und der Ausgangsspannung Vmain der R-Phase des Hauptstromrichters 3 abgibt.
Während der Schaltsteuervorgang jedes Nebenstromrichters 4 im Folgenden noch ausführlich beschrieben wird, so wird jeder Nebenstromrichter 4 derart gesteuert, dass der Wechselstrom „i“ in einer derartigen Weise fließt, dass ein Leistungsfaktor gleich 1 erzielt wird.
3 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Hardware-Konfiguration einer Steuervorrichtung 12 zum Steuern des vorstehend beschriebenen Stromrichters. Die Steuervorrichtung 12 erzeugt Gateansteuersignale für die einzelnen Halbleiterschaltvorrichtungen 6, 8 des Hauptstromrichters 3 und der Nebenstromrichter 4 der einzelnen Phasen und steuert dadurch den Hauptstromrichter 3 und die Nebenstromrichter 4 der einzelnen Phasen. Hierbei bilden die Gateansteuersignale zum Steuern des Hauptstromrichters 3 erste Steuersignale, und die Gateansteuersignale zum Steuern der Nebenstromrichter 4 der einzelnen Phasen bilden zweite Steuersignale.
Wie in 3 gezeigt, ist die Steuervorrichtung mit Hardware-Logikschaltungseinrichtungen aufgebaut, die eine aus einer CPU gebildete Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20, die als Strombefehlswert-Berechnungseinrichtung zum Berechnen von Wechselstrombefehlen für die einzelnen Phasen dient, eine Komparatorschaltung 30 und eine Logikschaltung 40 aufweist. Für die Logikschaltung 40 wird beispielsweise eine am Einsatzort programmierbare Gate-Anordnung (field-programmable gate array bzw. FPGA) oder eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD) verwendet.
Die Komparatorschaltung 30 beinhaltet einen Komparator 31 (der im Folgenden als erster Komparator 31 bezeichnet wird) zum Feststellen eines Ungleichgewichts zwischen den Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen, die von den Spannungssensoren 9a ermittelt werden, einen Komparator 32 (der im Folgenden als zweiter Komparator 32 bezeichnet wird) zum Detektieren der Polaritäten der in den einzelnen Phasen fließenden Wechselströme „ir“, „is“, „it“, die von den Stromsensoren 10 ermittelt werden, sowie eine Steuerschaltung 33 für den momentanen Stromwert, die aus einer Vielzahl von Hysterese-Komparatoren gebildet ist.
Die Steuerschaltung 33 für den momentanen Stromwert gibt Befehlssignale ab, die dem Hauptstromrichter 3 und den Nebenstromrichtern 4 der einzelnen Phasen entsprechen, so dass die momentanen Werte der Wechselströme „ir“, „is“, „it“, die in den einzelnen Phasen fließen, den von der Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 erzeugten Wechselstrombefehlen für die einzelnen Phasen folgen.
Die Logikschaltung 40 beinhaltet eine Ausgleichskorrekturschaltung 41 zum Korrigieren eines Spannungsgleichgewichts unter den Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen auf der Basis der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Komparators 31 und 32, eine Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42 und eine Hauptstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 43.
In 4 sind Details der Steuer-Hardware der Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 dargestellt, die aus einer CPU gebildet ist. Es ist möglich, diese Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 beispielsweise unter Verwendung eines Mikroprozessors oder eines digitalen Signalprozessors (DSP) zu bilden.
Wie in der Zeichnung dargestellt, empfängt die Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 die Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen, die von den Spannungssensoren 9a ermittelt werden, sowie die Spannung Vdc des Hauptkondensators 7, die von dem Spannungssensor 7a ermittelt wird, über A/D-Wandler und empfängt ferner Leitungsspannungsphasen der Dreiphasen-Wechselstromversorgung 1 in Form eines digitalen Signals, das von einem Ausgangssignal einer integrierten Schaltung (IC) abgeleitet wird, die zum Ausführen einer Phasendetektion in der Lage ist und bei der es sich z.B. um die PLL-Schaltung 11 handelt.
Unter Verwendung der Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der einzelnen Phasen als Eingangssignale wird eine mittlere Nebenkondensatorspannung, bei der es sich um einen Mittelwert der drei Phasen handelt, von einer Schaltung 21 berechnet. Anschließend wird ein Hauptkondensator-Spannungsbefehl durch Addieren eines Ausgangssignals von einer Schaltung 22 eingestellt, die durch einen dadurch ausgeführten Proportional-Integral- (PI-) Steuervorgang gesteuert wird, so dass die mittlere Nebenkondensatorspannung einem Nebenkondensator-Spannungsbefehl folgt oder die Differenz dazwischen den Wert Null erreicht. Außerdem wird die Differenz zwischen der Hauptkondensatorspannung Vdc und dem Hauptkondensator-Spannungsbefehl nach der Einstellung in eine Strombefehl-Erzeugungsschaltung 24 eingegeben.
Zusätzlich werden Referenz-Sinuswellen der einzelnen Phasen von einer Schaltung 23 auf der Basis der von der PLL-Schaltung 11 eingegebenen Leitungsspannungsphasen berechnet, und diese Referenz-Sinuswellen werden in die Strombefehl-Erzeugungsschaltung 24 eingegeben. In der Strombefehl-Erzeugungsschaltung 24 wird die Differenz zwischen der Hauptkondensatorspannung Vdc und dem Hauptkondensator-Spannungsbefehl nach der Einstellung in eine Schaltung 25 eingegeben, und die Schaltung 25 berechnet die Amplitude der Wechselstrombefehle durch Ausführen eines PI-Steuervorgangs, so dass die Hauptkondensatorspannung Vdc dem Hauptkondensator-Spannungsbefehl nach der Einstellung folgt oder so dass die Differenz zwischen diesen Null wird.
Anschließend berechnet die Strombefehl-Erzeugungsschaltung 24 Strombefehlswerte, die zum Erzeugen der Wechselstrombefehle für die einzelnen Phasen verwendet werden, durch Multiplizieren der Amplitude der Wechselstrombefehle mit den von der Schaltung 23 zugeführten Referenz-Sinuswellen für die einzelnen Phasen.
Die für die einzelnen Phasen berechneten Wechselstrombefehle werden von der Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 über Digital-Analog- (D/A-) Wandler abgegeben.
Wie bisher beschrieben worden ist, stellt die Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 den Hauptkondensator-Spannungsbefehl, der einen Gleichstrom-Spannungsbefehl für den Hauptstromrichter 3 bildet, derart ein, dass die mittlere Nebenkondensatorspannung, bei der es sich um eine Gleichspannung der Nebenstromrichter 4 handelt, dem Nebenkondensator-Spannungsbefehl folgt, und erzeugt die Wechselstrombefehle derart, dass die Hauptkondensatorspannung Vdc dem Hauptkondensator-Spannungsbefehl folgt.
Mit anderen Worten, die Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 behält die mittlere Nebenkondensatorspannung und die Hauptkondensatorspannung Vdc auf individuell gewünschten Spannungen aufrecht, indem die Wechselstrombefehle gesteuert werden.
Da die Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 den Hauptkondensator-Spannungsbefehl zum Steuern der mittleren Nebenkondensatorspannung einstellt, besteht ferner keine Notwendigkeit für die Bereitstellung von irgendwelchen Stromversorgungskomponenten in Gleichstrombereichen der Nebenstromrichter 4, und es ist möglich, eine Spannungsstabilisierung mittels der Nebenkondensatoren 9 alleine zu erzielen.
Da ferner die Wechselstrombefehle für die einzelnen Phasen auf der Basis der Referenz-Sinuswellen erzeugt werden, so werden die in den einzelnen Phasen fließenden Wechselströme „ir“, „is“, „it“ derart gesteuert, dass ein Leistungsfaktor gleich 1 erzielt wird.
Im Folgenden werden eine erste Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung des Hauptstromrichters 3 übernimmt, und eine zweite Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 der einzelnen Phasen übernimmt, beschrieben.
Bei der ersten Steuereinheit und der zweiten Steuereinheit handelt es sich um zwei Bereiche der Komparatorschaltung 30 und der Logikschaltung 40, die nach Funktionen getrennt sind, welche die Ausgangssteuerung des Hauptstromrichters 3 und die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 der einzelnen Phasen übernehmen. 5 veranschaulicht Details der ersten Steuereinheit, während die 6 und 7 Details der zweiten Steuereinheit veranschaulichen.
Die Steuerschaltung 33 für den momentanen Stromwert, die in der Komparatorschaltung 30 vorgesehen ist, beinhaltet einen ersten, zweiten und dritten Hysterese-Komparator 33a bis 33c, wobei der erste Hysterese-Komparator 33a Bestandteil der ersten Steuereinheit ist und der zweite und der dritte Hysterese-Komparator 33b und 33c Bestandteil der zweiten Steuereinheit sind.
Während die Steuerschaltung 33 für den momentanen Stromwert die Befehlssignale nach dem Vergleichen der von der Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 erzeugten Wechselstrombefehle und der in den einzelnen Phasen fließenden Wechselströme abgibt, werden die Wechselströme hierbei als momentane Wechselstromwerte behandelt. Es ist darauf hinzuweisen, das im Folgenden einfach als „Wechselströme“ bezeichnete Ströme sich auf die die momentanen Wechselstromwerte beziehen.
Die erste Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung des Hauptstromrichters 3 übernimmt, beinhaltet den ersten Hysterese-Komparator 33a und die Hauptstromrichter-Gatepulse-Erzeugungsschaltung 43, wobei 5 einen R-Phasenbereich der ersten Steuereinheit darstellt. Es sei erwähnt, dass S-Phasen- und T-Phasenbereiche eine entsprechende Konfiguration aufweisen.
Wie in 5 gezeigt ist, erzeugt eine R-Phasen-Hauptstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 43r, die eine Einpuls-Signalerzeugungsschaltung 44, eine Beurteilungsschaltung 45 und eine Stromunterdrückungsschaltung 46 beinhaltet, Gateansteuersignale (die im Folgenden als RP-Gatepuls und RN-Gatepuls bezeichnet werden) für die Halbleiterschaltvorrichtungen RP, RN der R-Phase des Hauptstromrichters 3.
Die Einpuls-Signalerzeugungsschaltung 44 erzeugt den RP-Gatepuls und den RN-Gatepuls, bei denen es sich um Signale (Einpuls-Signale) handelt, die mit einer Rate von einem Puls pro Zyklus der Stromversorgungs-Phasenspannung handelt, auf der Basis der von der PLL-Schaltung 11 eingegebenen Leitungsspannungsphasen (siehe 2).
Im Folgenden wird zwar der an der R-Phase zum Einsatz kommende Steuervorgang beschrieben, jedoch werden auch die anderen Phasen in ähnlicher Weise gesteuert.
Wenn eine Stromabweichung zwischen dem Wechselstrom „ir“ und dem von der Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 erzeugten Wechselstrombefehl eine vorbestimmte Hysterese-Breite (±ia) übersteigt, gibt der erste Hysterese-Komparator 33a ein Anomaliesignal an die Hauptstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 43r ab. Die in der Hauptstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 43r vorgesehene Beurteilungsschaltung 45 verwendet das von dem ersten Hysterese-Komparator 33a zugeführte Anomaliesignal als Eingangssignal.
Wenn die Strompolarität des Anomaliesignals negativ ist, gibt die Beurteilungsschaltung 45 ein RP-Ausschaltsignal zum Ausschalten der Halbleiterschaltvorrichtung RP ab, und wenn die Strompolarität des Anomaliesignals positiv ist, gibt die Beurteilungsschaltung 45 ein RN-Ausschaltsignal zum Ausschalten der Halbleiterschaltvorrichtung RN ab.
Die Stromunterdrückungsschaltung 46, die Ausgänge der Einpuls-Signalerzeugungsschaltung 44 und der Beurteilungsschaltung 45 erhält, gibt den RP-Gatepuls und den RN-Gatepuls ab, ohne dass sie unter normalen Bedingungen irgendwelche Änderungen an diesen vornimmt, während beim Eingang des RP-Ausschaltsignals oder des RN-Ausschaltsignals von der Beurteilungsschaltung 45 die Stromunterdrückungsschaltung 46 den RP-Gatepuls und den RN-Gatepuls nach dem Ausführen einer Korrektur zum Ausschalten des RP-Gatepulses bzw. des RN-Gatepulses während einer relevanten Periode abgibt.
Bei dem RP-Gatepuls und dem RN-Gatepuls, die von der Stromunterdrückungsschaltung 46 abgegebenen werden, handelt es sich um Ausgangssignale der Hauptstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 43r, die zum Betreiben und Steuern der Halbleiterschaltvorrichtungen RP, RN der R-Phase verwendet werden.
Der Hauptstromrichter 3 wird unter normalen Bedingungen durch die Gateansteuersignale, die aus den Einpuls-Signalen gebildet sind, gesteuert, und der Steuervorgang zum Veranlassen, dass der Wechselstrom „ir“ dem Wechselstrombefehl folgt, wird durch die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 ausgeführt.
Während die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 später noch ausführlich beschrieben wird, können die Ströme nicht durch die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 gesteuert werden, und es können Überströme in einem Fall auftreten, in dem die Stromversorgungsspannung z.B. aufgrund eines momentanen Spannungsabfalls oder eines Stromausfalls stark schwankt.
In einem solchen Fall stellt der erste Hysterese-Komparator 33a fest, dass die Stromabweichung zwischen dem Wechselstrom „ir“ und dem Wechselstrombefehl die Hysterese-Breite (±ia) überschritten hat, d.h. dass eine Anomalie bei dem elektrischen Strom vorliegt, und das Einpuls-Signal für eine der Halbleiterschaltvorrichtungen RP, RN des Hauptstromrichters 3 wird ausgeschaltet.
Wie in 8 dargestellt ist, wird z.B. bei positivem Wechselstrom „ir“ die Halbleiterschaltvorrichtung RN eingeschaltet, und es fließt ein Strom über einen dargestellten Strompfad. Wenn der erste Hysterese-Komparator 33a zu diesem Zeitpunkt eine Anomalie des elektrischen Stroms feststellt, gibt die Beurteilungsschaltung 45 das RN-Ausschaltsignal ab, und der von der Hauptstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 43r abgegebene RN-Gatepuls wird unterbrochen.
Infolgedessen wird die Halbleiterschaltvorrichtung RN ausgeschaltet, so dass der Wechselstrom „ir“ unterdrückt wird. Wenn dann die Differenz zwischen Wechselstrom „ir“ und dem Wechselstrombefehl reduziert ist, so dass sie anschließend innerhalb des spezifizierten Hysterese-Breite (±ia) liegt, wird die Halbleiterschaltvorrichtung RN wieder eingeschaltet, um wie zuvor den RN-Gatepuls (das Einpuls-Signal) zu erzeugen. Wie vorstehend erläutert, ist es möglich, den elektrischen Strom zu reduzieren, bevor ein Überstrom auftritt, und den Betrieb fortzusetzen, selbst wenn sich die Stromversorgungsspannung plötzlich ändert.
Wie nun in 6 gezeigt ist, beinhaltet die zweite Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 vornimmt, den zweiten und den dritten Hysterese-Komparator 33b, 33c sowie eine Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42r. Wie in 7 gezeigt ist, beinhaltet die zweite Steuereinheit ferner den ersten Komparator 31 zum Feststellen eines Ungleichgewichts der Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen, den zweiten Komparator 32 zum Detektieren der Polaritäten der in den einzelnen Phasen fließenden Wechselströme „ir“, „is“, „it“ sowie die Ausgleichskorrekturschaltung 41 zum Korrigieren des Spannungsgleichgewichts unter den Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen auf der Basis des ersten und des zweiten Komparators 31, 32.
Während 7 alle drei Phasenbereiche darstellt, zeigt die in 6 veranschaulichte Konfiguration aus Gründen der Vereinfachung nur den R-Phasenbereich, da der S-Phasen- und der T-Phasenbereich eine ähnliche Konfiguration aufweisen. Obwohl im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 angegebene Erläuterungen sich auf den Steuervorgang für den R-Phasenbereich beziehen, werden auch die anderen Phasenbereiche in entsprechender Weise gesteuert.
Wie in 6 dargestellt ist, wird die Stromabweichung zwischen dem von der Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 erzeugten Wechselstrombefehl und dem Wechselstrom „ir“ in den zweiten und den dritten Hysterese-Komparator 33b, 33c eingegeben.
Eine Hysterese-Breite (±i2) für den dritten Hysterese-Komparator 33c ist breiter als eine Hysterese-Breite (±i1) für den zweiten Hysterese-Komparator 33b und schmaler als die Hysterese-Breite (±ia) für den ersten Hysterese-Komparator 33a der ersten Steuereinheit. Dies bedeutet, dass bei einem Vergleich der absoluten Werte dieser Hysterese-Breiten eine Beziehung vorliegt, die sich mit i1 < i2 < ia ausdrücken läßt. Der zweite und der dritte Hysterese-Komparator 33b, 33c geben jeweils ein Anomaliesignal ab, wenn die Eingangstromabweichung die betreffende Hysterese-Breite überschreitet, wobei der jeweilige Ausgang des zweiten und des dritten Hysterese-Komparators 33b, 33c in die Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42r eingegeben wird.
Im Folgenden wird die grundlegende Konfiguration der Ausgangssteuerung des Nebenstromrichters 4 beschrieben.
Da die Nebenstromrichter 4 jeweils eine Vollbrücken-Konstruktion aufweisen, geben die Nebenstromrichter 4 unter der Voraussetzung, dass die Gleichspannung V ist, in selektiver Weise jeweils einen von drei Pegeln {-V, 0, +V} an die Wechselstromseite ab. Die 9(a) und 9(b) zeigen Darstellungen zum Erläutern des Umschaltens der Ausgangsspannungspegel, wobei die 9(a) und 9(b) jeweils die Stromabweichung zwischen dem Wechselstrombefehl und dem Wechselstrom „ir“ entlang einer horizontalen Achse darstellen und den Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter 4 entlang einer vertikalen Achse darstellen.
In diesem Fall wird der Ausgangsspannungspegel in einer derartigen Weise geschaltet, dass der Wechselstrom „ir“ unter Verwendung des zweiten Hysterese-Komparators 33b unterdrückt wird, wenn die Stromabweichung die Hysterese-Breite (±i1) überschreitet.
Es gibt zwei Arten für das Umschalten der Ausgangsspannungspegel, wobei es sich bei den beiden Arten um das Umschalten zwischen {-V} und {0} gemäß der Darstellung in 9(a) sowie das Umschalten zwischen {0} und {+V} gemäß der Darstellung in 9(b) handelt. Eine dieser Arten wird in Abhängigkeit von der Ausgangspolarität des Nebenstromrichters 4 ausgewählt, die auf der Basis der Leitungsspannungsphase bestimmt wird, die von der PLL-Schaltung 11 in die Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42r eingegeben wird.
Anschließend wird der Ausgangsspannungspegel als Ergebnis der Änderung eines Schaltmusters von Nebenstromrichter-Gatepulsen 48 umgeschaltet, bei denen es sich um den Halbleiterschaltvorrichtungen XP, XN, YP, YN zugeführte Gateansteuersignale handelt.
Der Ausgangsspannungspegel wird in der vorstehend beschriebenen Weise umgeschaltet, so dass der Wechselstrom „ir“ dem Wechselstrombefehl folgt. Wenn jedoch z.B. eine Schwankung in der Phase der Stromversorgungsspannung oder eine Verzögerung in dem Phasendetektionssystem vorliegt, besteht die Möglichkeit, dass die Ausgangspolarität des Nebenstromrichters 4 gestört werden kann, so dass der Wechselstrom „ir“ aus einem gewünschten Bereich herausfallen kann.
Unter Bezugnahme auf die 10(a) und 10(b) wird im Folgenden eine Korrektur beschrieben, die auszuführen ist, wenn die Stromabweichung die Hysterese-Breite (±i1) für den zweiten Hysterese-Komparator 33b überschreitet und nicht auf Normal zurückkehrt, selbst wenn der Ausgangsspannungspegel umgeschaltet wird.
Die 10(a) und 10(b) zeigen Darstellungen zum Erläutern des Umschaltvorgangs des Ausgangsspannungspegels, wobei die 10(a) und 10(b) jeweils die Stromabweichung zwischen dem Wechselstrombefehl und dem Wechselstrom „ir“ entlang einer horizontalen Achse und der Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter 4 entlang einer vertikalen Achse darstellen.
In diesem Fall wird der Ausgangsspannungspegel in einer derartigen Weise umgeschaltet, dass der Wechselstrom „ir“ unter Verwendung des zweiten Hysterese-Komparators 33b unterdrückt wird, wenn die Stromabweichung die Hysterese-Breite (±i1) überschreitet, und anschließend wird der Ausgangsspannungspegel derart weiter umgeschaltet, dass der Wechselstrom „ir“ unter Verwendung des dritten Hysterese-Komparators 33c unterdrückt wird, wenn die Stromabweichung die Hysterese-Breite (±i2) übersteigt.
Selbst wenn der Ausgangsspannungspegel von {+V} auf {0} umgeschaltet wird, wenn die Stromabweichung in negativer Richtung ansteigt und Δi1 übersteigt, wie dies in 10(a) dargestellt ist, wird die Stromabweichung (Absolutwert) nicht geringer. Wenn die Stromabweichung weiterhin ansteigt und Δi2 übersteigt, wird der Ausgangsspannungspegel von {0} auf {-V} weiter geschaltet, um dadurch die Strompolarität zwangsweise zu ändern und dadurch die Stromabweichung (Absolutwert) zu vermindern.
Selbst wenn der Ausgangsspannungspegel von {-V} auf {0} umgeschaltet wird, wenn die Stromabweichung in positiver Richtung ansteigt und Δi1 übersteigt, wie dies in 10(b) dargestellt ist, wird die Stromabweichung nicht geringer. Wenn die Stromabweichung weiterhin ansteigt und Δi2 übersteigt, wird der Ausgangsspannungspegel von {0} auf {+V} weiter geschaltet, um dadurch die Strompolarität zwangsweise zu ändern und dadurch die Stromabweichung (Absolutwert) zu reduzieren.
Wie vorstehend erläutert worden ist, handelt es sich bei der Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 um einen Steuervorgang zum Umschalten des Ausgangsspannungspegels auf der Wechselstromseite jedes Nebenstromrichters 4 in einer derartigen Weise, dass die Stromabweichung zwischen dem Wechselstrombefehl und dem Wechselstrom „ir“ geringer wird. Die Nebenstromrichter-Gatepulse 48 zum Ausführen eines solchen Umschaltvorgangs werden von der Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42r erzeugt.
Wie in 6 gezeigt ist, empfängt die Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42r Ausgangssignale des zweiten und des dritten Hysterese-Komparators 33b, 33c, die in Flipflop-Schaltungen FF1, FF2, FF3 eingegeben werden, um Ausgangssignale in Form von Pulssignalen zu erzeugen. Die Flipflop-Schaltung FF1 gibt ein grundlegendes Steuersignal RX (das im Folgenden als Stromsteuersignal RX bezeichnet wird) für die Ausgangsstromsteuerung ab, und das Stromsteuersignal RX dient als Treibersignalquelle für den X-seitigen Arm des Nebenstromrichters 4.
Ferner wird die von der PLL-Schaltung 11 zugeführte Leitungsspannungsphase in die Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42r eingegeben, in der eine Schaltung 47 die Ausgangspolarität des Nebenstromrichters 4 feststellt und ein Polaritätssteuersignal RY zum Umschalten der Ausgangspolarität erzeugt. Das Polaritätssteuersignal RY für den Nebenstromrichter 4 wird als Ansteuersignalquelle für den Y-seitigen Arm des Nebenstromrichters 4 verwendet. Dabei wird die Ausgangspolarität des Nebenstromrichters 4 anhand der Phase unter der Annahme der Ausgangsspannung Vsub des in 2 dargestellten Nebenkondensators bestimmt.
Die Nebenstromrichter-Gatepulse 48, bei denen es sich um die den Halbleiterschaltvorrichtungen XP, XN, YP, YN zugeführten Gateansteuersignale handelt, können aus dem vorgenannten Stromsteuersignal RX und dem Polaritätssteuersignal RY aus vier Arten von Schaltmustern A bis D bestimmt werden, wie dies in 11 gezeigt ist.
Vor dieser Bestimmung der Nebenstromrichter-Gatepulse 48 werden das Stromsteuersignal RX und das Polaritätssteuersignal RY unter Verwendung einer speziellen Logik auf der Basis eines Pegelverschiebungsrichtungssignals DLS - das als Verschiebekorrektursignal dient, das man durch einen im Folgenden noch beschriebenen Ausgleichssteuervorgang erhält, der an Nebenkondensatorspannungen der einzelnen Phasen ausgeführt wird - und eines Korrekturfreigabesignals PP variiert.
Anschließend werden Stromsteuersignale auf der Basis der Ausgangssignale des zweiten und des dritten Hysterese-Komparators 33b, 33c von den Flipflop-Schaltungen FF2, FF3 abgegeben und in Abhängigkeit von diesen Ausgangssignalen werden die Nebenstromrichter-Gatepulse 48 modifiziert und derart abgegeben, dass die Strompolarität durch weiteres Umschalten des Ausgangsspannungspegels des Nebenstromrichters 4 zwangsweise geändert wird.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, wird der Steuervorgang zum Umschalten des Ausgangsspannungspegels auf der Wechselstromseite jedes Nebenstromrichters 4 in einer derartigen Weise ausgeführt, dass die Stromabweichung zwischen dem Wechselstrombefehl und dem Wechselstrom „ir“ geringer wird. Während dieser Stromsteuervorgang für die einzelnen Phasen ausgeführt wird, handelt es sich bei dem dafür verwendeten Wechselstrombefehl um einen Wert, der von der Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 unter Verwendung der mittleren Nebenkondensatorspannung berechnet wird, bei der es sich um einen Mittelwert der Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der einzelnen Phasen handelt.
Aus diesem Grund korrigiert die zweite Steuereinheit, die die Ausgangssteuerung der Nebenstromrichter 4 mit einer Schaltungskonfiguration gemäß der Darstellung in 7 übernimmt, das Spannungsgleichgewicht unter den Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen, um dadurch die Zuverlässigkeit des Steuervorgangs zu steigern.
Anschließend werden das Pegelverschiebungsrichtungssignal DLS und das Korrekturfreigabesignal PP, die auf diese Weise erzeugt worden sind, in die Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltung 42 (42r) jeder Phase eingegeben, und die Nebenstromrichter-Gatepulse 48 werden derart abgegeben, dass die Spannungen der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen ausgeglichen sind.
Wie in 7 dargestellt ist, stellt der erste Komparator 31 ein Ungleichgewicht der von den Spannungssensoren 9a festgestellten Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen fest, und der zweite Komparator 32 stellt die Polaritäten der von den Stromsensoren 10 ermittelten Wechselströme „ir“, „is“, „it“ fest, die in den einzelnen Phasen fließen. Auf der Basis der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Komparators 31, 32 sowie der Stromsteuersignale RX, SX, TX und der Polaritätssteuersignale RY, SY, TY, die in den Nebenstromrichter-Gatepuls-Erzeugungsschaltungen 42 (42r) der einzelnen Phasen erzeugt werden, erzeugt die Ausgleichskorrekturschaltung 41 dann das Pegelverschiebungsrichtungssignal DLS und das Korrekturfreigabesignal PP.
In der Ausgleichskorrekturschaltung 41 wird als erstes festgestellt, ob eine Verschiebung des Ausgangsspannungspegels des Nebenstromrichters 4 irgendeiner Phase in der positiven oder der negativen Richtung erforderlich ist, und zwar auf der Basis der Ausgänge des ersten und des zweiten Komparators 31, 32, worauf das Pegelverschiebungsrichtungssignal DLS und das Korrekturfreigabesignal PP, die dem tatsächlich auszuführenden Steuervorgang entsprechen, auf der Basis der Stromsteuersignale RX, SX, TX und der Polaritätssteuersignale RY, SY, TY für die einzelnen Phasen erzeugt werden.
Insbesondere dann, wenn die Spannung des Nebenkondensators 9 einer beliebigen der drei Phasen einen oberen Schwellenwert übersteigt und die Wechselstrompolarität negativ ist, oder wenn die Spannung des Nebenkondensators 9 einer beliebigen Phase gleich einem oder niedriger als ein unterer Schwellenwert ist und die Wechselstrompolarität positiv ist, d.h., wenn eine Bedingung erfüllt ist, dass ein Strom in einer Richtung von der Wechselstromversorgung 1 zu der Last 2 fließt, trifft die Ausgleichskorrekturschaltung 41 die Beurteilung, dass eine Korrektur der Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter 4 der einzelnen Phasen erforderlich ist und eine gleichzeitige Verschiebung in die positive Richtung für die einzelnen Phasen auszuführen ist. Wenn jedoch irgendeine der Phasen einen Ausgang {+V} hat, gibt die Ausgleichskorrekturschaltung 41 das Pegelverschiebungsrichtungssignal DLS nach Korrektur desselben ab, so dass kein Verschiebevorgang ausgeführt wird.
Auch wenn die Spannung des Nebenkondensators 9 irgendeiner Phase den oberen Schwellenwert überschreitet und die Wechselstrompolarität positiv ist oder die Spannung des Nebenkondensators 9 irgendeiner Phase gleich dem oder niedriger als der untere Schwellenwert ist und die Wechselstrompolarität negativ ist, trifft die Ausgleichskorrekturschaltung 41 das Urteil, dass eine Korrektur der Ausgangsspannungspegel des Nebenstromrichters 4 der einzelnen Phasen erforderlich ist und eine gleichzeitige Verschiebung in die negative Richtung für die einzelnen Phasen auszuführen ist.
Wenn jedoch irgendeine der Phasen einen Ausgang {-V} aufweist, gibt die Ausgleichskorrekturschaltung 41 das Pegelverschiebungsrichtungssignal DLS nach Korrektur von diesem ab, so dass kein Verschiebevorgang ausgeführt wird. Während die Ausgleichskorrekturschaltung 41 einen Steuervorgang zur Aufrechterhalten des Gleichgewichts der Spannungen der Nebenkondensatoren 9, bei denen es sich um Gleichspannungen der Nebenstromrichter 4 handelt, unter Verwendung des Pegelverschiebungsrichtungssignals DLS ausführt, erzeugt die Ausgleichskorrekturschaltung 41 das Korrekturfreigabesignal PP zum Begrenzen des Pegelverschiebevorgangs zu bestimmten Zeitintervallen.
Der Grund hierfür besteht darin, dass der an den Nebenkondensatoren 9 ausgeführte Spannungsausgleichs-Steuervorgang eine größere Wirkung als der vorstehend erwähnte Stromsteuervorgang hat, der dazu dient, die Wechselströme den Wechselstrombefehlen folgen zu lassen, wobei die Absicht besteht, ein von dem Stromsteuervorgang potentiell erzeugtes Divergenzrisiko zu vermeiden.
Diese Vorgehensweise dient zum Ermöglichen einer angemessenen Steuerung durch Regeln des Ausmaßes der Ausgleichssteuerung. Dabei können die Zeitpunkte zum Freigeben und Unterbinden des Pegelverschiebevorgangs sowie das Verhältnis dazwischen frei vorgegeben werden.
Aus dem Vorstehenden erkennt man, dass bei Störung des Gleichgewichts der Spannungen der Nebenkondensatoren 9 die Möglichkeit besteht, das Spannungsgleichgewicht unter den Nebenkondensatoren 9 dadurch stabil zu halten, dass die Ausgangsspannungspegel {-V, 0, +V} der Nebenstromrichter 4 von allen drei Phasen gleichzeitig verschoben werden, um dadurch ein Energiegleichgewicht unter den einzelnen Phasen zu steuern.
Die Ausgleichskorrekturschaltung 41 führt den Stromsteuervorgang aus, um die Wechselströme zu veranlassen, den Wechselstrombefehlen zu folgen, während sie das Gleichgewicht der Spannungen der Nebenkondensatoren 9 in der vorstehend beschriebenen Weise steuert.
Während die Stromumwandlungsvorrichtung einen sogenannten Umwandlungsvorgang mit hohem Leistungsfaktor ausführt, der einen Eingangsleistungsfaktor-Steuervorgang beinhaltet, der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beim Umwandeln von Wechselstrom in konstanten Gleichstrom ausgeführt wird, muss lediglich der Umschaltsteuervorgang zum Umschalten der Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter 4 auf deren Wechselstromseite ausgeführt werden, um die Wechselströme derart zu erhöhen und zu vermindern, dass die momentanen Werte der Wechselströme den jeweiligen Wechselstrombefehlen folgen.
Somit muss der Hauptstromrichter 3 lediglich einen Umschaltvorgang mit einer Rate von einem Puls pro Zyklus synchron mit der Phase der Wechselstromversorgung 1 ausführen. Da der Hauptstromrichter 3 den Umschaltvorgang mit einer niedrigen Frequenz ausführt und die Nebenstromrichter 4, deren Spannungspegel niedrig sind, eine Momentanwertsteuerung der Wechselströme mittels eines Umschaltvorgangs mit einer hohen Frequenz ausführen, um die Wechselströme in der vorstehend beschriebenen Weise zu unterdrücken, lässt sich ein mit hoher Geschwindigkeit erfolgender Stromsteuervorgang unabhängig von der Leistungsfähigkeit der CPU erzielen.
Da ferner die von den Nebenstromrichtern 4 ausgeführte Momentanwertsteuerung der Wechselströme 4 die Hysterese-Komparatoren 33b, 33c in zweistufiger Ausbildung verwendet, die mit zwei Arten von Hysterese-Breiten arbeiten, kann der Stromsteuervorgang fortgesetzt werden, so dass eine verbesserte Zuverlässigkeit des Steuervorgangs in stabiler Weise selbst beim Auftreten einer Störung bei der Stromversorgungsspannung geschaffen wird.
Wenn es unmöglich wird, den Stromsteuervorgang durch die Ausgangssteuerung der der Nebenstromrichter 4 auszuführen und außerdem die Stromabweichung zunimmt und (±ia) übersteigt, werden die Einpuls-Signale des Hauptstromrichters 3 unterbrochen, um Überströme zu unterdrücken. Dadurch ist es möglich, den Betrieb der Stromumwandlungsvorrichtung fortzusetzen, ohne dass es dazu kommt, dass die Stromumwandlungsvorrichtung unsteuerbar wird, und zwar selbst in einem Fall, in dem die Stromversorgungsspannung z.B. aufgrund eines momentanen Spannungsabfalls oder eines Stromausfalls stark variiert.
Wenn der Umschaltsteuervorgang zum Umschalten der Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter 4 auf deren Wechselstromseite nach dem Ausführen einer Korrektur zum Verschieben der Ausgangsspannungspegel ausgeführt wird, so dass die Spannungen der Nebenkondensatoren 9 der drei Phasen ausgeglichen sind, so sind die Nebenkondensatorspannungen der einzelnen Phasen ausgeglichen, und diese werden auf einer bestimmten Spannung gehalten.
Eine Anordnung für diese Art der Steuerung kann auch dadurch gebildet werden, dass die erste und die zweite Steuereinheit, bei denen es sich um andere Bereiche als die Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 zum Erzeugen der Wechselstrombefehle handelt, in Hardware-Logikschaltungseinrichtungen konzentriert werden, die derart ausgebildet sind, dass sie die Komparatorschaltung 30 und die Logikschaltung 40 beinhalten, wie dies vorstehend beschrieben worden ist.
Aus diesem Grund besteht lediglich die Notwendigkeit, die Strombefehlswert-Berechnungsschaltung 20 mit einer CPU auszustatten, und es besteht keine Notwendigkeit für eine teure und komplexe CPU. Da die Anzahl der in die CPU aufzunehmenden Informationen gering ist, so ist es ferner möglich, die Anzahl von A/D-Wandlern zu reduzieren, so dass dies zu einer Vereinfachung der peripheren Schaltungen beiträgt. Infolgedessen lässt sich eine zuverlässige und mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Stromsteuerung mit der Steuervorrichtung 12 erzielen, die kostengünstiger ist und eine einfache Ausbildung aufweist.
Da der Stromrichter derart ausgebildet ist, dass der Hauptstromrichter 3 mit einer niedrigen Frequenz umgeschaltet wird, und die mit niedrigen Spannungspegeln arbeitenden Nebenstromrichter 4 mit einer hohen Frequenz umgeschaltet werden, um die Wechselströme zu unterdrücken, kann es sich bei den Wechselstromspulen 5 um einen kompakten Typ handeln, und da es sich bei den Halbleiterschaltvorrichtungen der Nebenstromrichter 4 um Vorrichtungen mit einer Spannungsfestigkeit handeln kann, die etwa ein Fünftel der Spannungsfestigkeit der für den Hauptstromrichter 3 verwendeten Vorrichtungen beträgt, kann der Stromrichter mit Vorrichtungen mit niedriger Spannungsfestigkeit aufgebaut werden, die einen geringen spezifischen Einschaltwiderstand aufweisen.
Als nächstes veranschaulichen die 12 und 13 ein Vergleichsbeispiel einer Steuer-Hardware, die auf der Annahme basiert, dass die Steuervorrichtung in einem imaginären Fall mit einer CPU allein aufgebaut ist.
Einer in den 12 und 13 dargestellten Steuervorrichtung 50 werden die Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der Nebenkondensatoren 9 der einzelnen Phasen, die Spannung Vdc des Hauptkondensators 7 und die in den einzelnen Phasen fließenden Wechselströme „ir“, „is“, „it“ über A/D-Wandler zugeführt und ferner die Phase θ der Dreiphasen-Wechselstromversorgung 1 in Form eines digitalen Signals zugeführt, das von einem Ausgangssignal der PLL-Schaltung 11 abgeleitet wird.
Bei dem für den Hauptstromrichter 3 ausgeführten Steuervorgang erzeugt eine Einpuls-Signalerzeugungsschaltung 62 Gateansteuersignale, bei denen es sich um Signale handelt, die mit einer Rate von einem Puls pro Zyklus der Stromversorgungsspannung auf der Basis der von der PLL-Schaltung 11 zugeführten Phase θ erzeugt werden.
Bei dem auf der Seite der Nebenstromrichter 4 ausgeführten Steuervorgang berechnet eine Schaltung 51 eine mittlere Nebenkondensatorspannung, bei der es sich um einen Mittelwert aus den drei Phasen handelt, unter Verwendung der Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der einzelnen Phasen als Eingänge.
Danach wird ein Hauptkondensator-Spannungsbefehl durch Addieren eines Ausgangs einer Nebenkondensatorspannungs-Steuerschaltung 52, die durch einen dadurch ausgeführten PI-Steuervorgang gesteuert wird, derart eingestellt, dass die mittlere Nebenkondensatorspannung einem Nebenkondensator-Spannungsbefehl folgt oder die Differenz zwischen diesen Null wird.
Weiterhin berechnet eine Hauptkondensatorspannungs-Steuerschaltung 53 die Amplitude 54 jedes Wechselstrombefehls durch Ausführen eines PI-Steuervorgangs, so dass die Hauptkondensatorspannung Vdc nach Beendigung der Einstellung dem Wechselstrombefehl folgt oder die Differenz zwischen diesen Null wird.
Ferner werden Referenz-Sinuswellen der einzelnen Phasen auf der Basis der von der PLL-Schaltung 11 eingegebenen Phase θ berechnet, und Wechselstrombefehle 55 für die einzelnen Phasen werden durch Multiplizieren der Wechselstrombefehlsamplitude 54 mit den Referenz-Sinuswellen der einzelnen Phasen berechnet.
Nach dem Vergleichen der in den einzelnen Phasen fließenden Eingangswechselströme „ir“, „is“, „it“ mit den Wechselstrombefehlen 55 für die relevanten Phasen, führt eine Wechselstrom-Steuerschaltung 56 dann eine Rückkopplungsregelung aus, so dass die Stromabweichung den Wert Null erreicht. Abgesehen von dieser Rückkopplungsregelung werden ferner Ausgangsspannungsbefehle 58 für die Nebenstromrichter 4 anhand der Stromversorgungsphase θ geschätzt, und diese sowie die berechnete Hauptkondensatorspannung Vdc werden als Feedforward- bzw. Weiterleitungsgrößen jeweiligen Stromsteuerausgängen 57 zugeführt.
Ausserdem werden Differenzen zwischen den Nebenkondensatorspannungen Vbr, Vbs, Vbt der einzelnen Phasen und dem von der Schaltung 51 berechneten Mittelwert berechnet, und eine Nullphasenspannung 60, die auf der Basis von Ausgängen berechnet wird, die von einer Nebenkondensatorspannungs-Ausgleichssteuerschaltung 59 derart gesteuert werden, dass die vorstehend genannten Differenzen minimiert sind, wird den jeweiligen Ausgangsspannungsbefehle 58 überlagert.
Die Ausgangsspannungsbefehle 58, denen die Nullphasenspannung 60 überlagert worden ist, werden zu den jeweiligen Stromsteuerausgängen 57 addiert, und diese Steuergrößen werden durch die Nebenkondensatorspannungen Vbr, Vbs, Vbt des Nebenstromrichters 4 zusammen normalisiert, und PWM-Schaltungen 61 erzeugen Gateansteuersignale durch Sägezahn-PWM-Steuerung.
Da der Hauptstromrichter 3 bei der Steuervorrichtung 50 des vorliegenden Vergleichsbeispiels stets durch die Einpuls-Signale gesteuert wird, führen nur die Nebenstromrichter 4 eine Stromsteuerung aus. Somit besteht bei der Stromumwandlungsvorrichtung eine Gefahr dahingehend, dass sie unter solchen anomalen Bedingungen, wie z.B. einem unmittelbaren Absinken der Stromversorgungsspannung, einen steuerbaren Bereich verlässt.
Auch die Nebenstromrichter 4 werden durch Pulsbreitenmodulation durch die Ausgangsspannungsbefehle gesteuert, die derart erzeugt werden, dass die in den einzelnen Phasen fließenden Wechselströme „ir“, „is“, „it“ den jeweiligen Wechselstrombefehlen 55 folgen. Da die Steuervorrichtung 50 allein mit einer CPU aufgebaut ist, sollte es sich bei der CPU um einen komplexen und teuren Typ handeln.
Da ferner die Ansprechvermögen, das es den Wechselströmen erlaubt, den Wechselstrombefehlen 55 zu folgen, von der Leistungsfähigkeit der CPU abhängig ist, verlangt eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Stromsteuerung eine noch kostenintensivere CPU. Da außerdem die in den einzelnen Phasen fließenden Wechselströme „ir“, „is“, „it“ auch in die CPU eingebracht werden, besteht eine Notwendigkeit für eine größere Anzahl von A/D-Wandlern.
Im Gegensatz dazu kann die davor beschriebene Steuervorrichtung 12 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer kostengünstigen CPU in einfacher Weise aufgebaut werden, wobei sich dennoch ein mit hoher Geschwindigkeit ablaufender Steuervorgang erzielen lässt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird eine Stromumwandlungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Während das vorstehende erste Ausführungsbeispiel einen Wandler bzw. Konverter aufweist, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, kann auch ein Stromrichter verwendet werden, der in ähnlicher Weise als Inverter ausgebildet ist, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.
14 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Konfiguration der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, wandelt die Stromumwandlungsvorrichtung von einer Gleichstromversorgung 200, wie z. B. einer Solarzelle oder einer Brennstoffzelle, zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom um und steht mit einer Wechselstromversorgung 210 in Verbindung, bei der es sich um ein Dreiphasen-Stromsystem handelt.
Eine Hauptschaltung beinhaltet einen Stromrichter 100 mit einer ähnlichen Schaltungskonfiguration wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, einen Glättungskondensator 110 und einen DC/DC-Wandler bzw. Umrichter 111, der in einer vorgeschalteten Stufe des Stromrichters 100 vorgesehen ist, wobei ferner eine Steuervorrichtung 220 zum Ausführen einer Ausgangssteuerung des Stromrichters 100 und eine Steuerung zum Steuern des DC/DC-Wandlers 111 vorgesehen sind.
Der Stromrichter 100 beinhaltet einen Hauptinverter 100, der aus einem Inverter mit drei Phasen und zwei Stufen gebildet ist, um von einem Glättungskondensator 105 zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, Nebeninverter 102, die aus Einphasen-Vollbrückenschaltungen gebildet sind, sowie Spulen 103, die mit Wechselstromleitungen von einzelnen Phasen des Hauptinverters 101 einzeln verbunden sind. Der Hauptinverter 101 verwendet Halbleiterschaltvorrichtungen 104 vom selbstabschaltenden Typ, wie z.B. IGBTs, bei denen Dioden antiparallel geschaltet sind.
Die Nebeninverter 102 sind ebenfalls jeweils mit einer Einphasen-Vollbrückenschaltung, die aus einer Vielzahl von Halbleiterschaltvorrichtungen 106 vom selbstabschaltenden Typ, wie z.B. einer Vielzahl von MOSFETs gebildet sind, und einem Nebenkondensator 107 ausgestattet, der als unabhängig arbeitende Stromspeichervorrichtung dient.
Hierbei ist mit dem Bezugszeichen 105a ein Spannungssensor bezeichnet, der zum Detektieren einer Spannung Vdc über dem Glättungskondensator 105 dient, welche als Eingangsgleichspannung des Hauptinverters 101 dient; das Bezugszeichen 107a bezeichnet Spannungssensoren zum Detektieren von Spannungen Vbr, Vbs, Vbt der Nebenkondensatoren 107 der einzelnen Phasen, das Bezugszeichen 108 bezeichnet Stromsensoren zum Detektieren von in den einzelnen Phasen fließenden Wechselstrom-Ausgangsströmen „ir“, „is“, „it“, das Bezugszeichen 109 bezeichnet Spannungssensoren zum Detektieren von Wechselstrom-Ausgangsspannungen der einzelnen Phasen, das Bezugszeichen 110a bezeichnet einen Spannungssensor zum Detektieren einer Spannung über dem Glättungskondensator 110 zum Glätten einer Ausgangsgleichspannung der Gleichstromversorgung 100, und das Bezugszeichen 113 bezeichnet einen Stromsensor zum Detektieren eines Ausgangsstroms der Gleichstromversorgung 100.
Die Steuerung 112 steuert den DC/DC-Wandler 111, so dass die Gleichstromversorgung 100 eine bestimmte Spannung und einen bestimmten Strom auf der Basis des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung der Gleichstromversorgung 100 abgibt, die von dem Stromsensor 113 bzw. dem Spannungssensor 110a ermittelt werden. In diesem Fall ist die Gleichstromversorgung 100 mit einer Solarzelle ausgebildet, und es wird eine Nachführsteuerung für den Punkt maximaler Leistung ausgeführt, so dass die maximale Leistung von der Solarzelle abgegeben wird.
Die Ausgangsspannungen der Nebeninverter 102 der einzelnen Phasen werden den Ausgangsspannungen der einzelnen Phasen des Hauptinverters 101 überlagert, und die Wechselspannungen werden durch die jeweiligen Spulen 103 abgegeben. Da die Ausgänge an die Wechselstromversorgung 210 angeschlossen sind, werden die Ausgangsspannungen derart gesteuert, dass sie Spannungen und Phasen aufweisen, die zu denen der Wechselstromversorgung 210 äquivalent sind.
Ferner werden auch Wechselströme derart gesteuert, dass die Stromumwandlungsvorrichtung die Wechselstromversorgung 210, bei der es sich um das Leistungssystem handelt, mit einem Leistungsfaktor von Eins speist, und zwar auf der Basis einer Amplitude, die derart berechnet wird, dass von der Gleichstromversorgung 100 mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 111 eine maximale Leistung abgegeben wird.
In ähnlicher Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel besitzt die Steuervorrichtung 220 eine Strombefehl-Berechnungseinrichtung, die in diesem Fall ebenfalls mit einer CPU zum Erzeugen von Wechselstrombefehlen ausgebildet ist, wobei die Steuervorrichtung 220 eine erste Steuereinheit, die erste Steuersignale zum Steuern des Hauptinverters 101 auf der Basis von Phasen der Wechselstromversorgung 210 erzeugt, und eine zweite Steuereinheit aufweist, die zweite Steuersignale zum Umschalten von Ausgangsspannungspegeln auf einer Wechselstromseite der Nebeninverter 102 erzeugt, so dass Abweichungen der momentanen Wechselstromwerte von den Wechselstrombefehlen geringer werden.
Obwohl das zum Erzeugen der Wechselstrombefehle verwendete Verfahren in diesem Fall anders ist, so ist der Steuervorgang im Übrigen der gleiche wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzielt werden, wie diese bei dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert worden sind.

Claims

Stromumwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: - einen Stromrichter zum Ausführen einer Stromumwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom, wobei der Stromrichter einen Hauptstromrichter (3, 101) und Nebenstromrichter (4, 102) aufweist, wobei eine Gleichspannung (Vdc) des Hauptstromrichters (3, 101) höher ist als Gleichspannungen (Vbr, Vbs, Vbt) der Nebenstromrichter (4, 102), wobei die Nebenstromrichter (4, 102) zwischen dem Hauptstromrichter (3, 101) und einer Wechselstromversorgung (1, 210) mit diesen in Reihe geschaltet sind; und - eine Steuervorrichtung (12, 220), die den Hauptstromrichter (3, 101) mittels eines ersten Steuersignals steuert, das auf der Basis einer Phase der Wechselstromversorgung (1, 210) erzeugt wird, einen Befehl für einen Wechselstrom des Stromrichters berechnet und die Nebenstromrichter (4, 102) mittels eines zweiten Steuersignals steuert, das derart erzeugt wird, dass der momentane Wert des Wechselstroms dem Wechselstrombefehl folgt; wobei die Steuervorrichtung (12, 220) Folgendes aufweist: - eine Strombefehl-Berechnungseinrichtung (20), die den Wechselstrombefehl erzeugt; - eine erste Steuereinheit, die das erste Steuersignal erzeugt, das dem Hauptstromrichter (3, 101) zuzuführen ist; und - eine zweite Steuereinheit, die das zweite Steuersignal erzeugt, um Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter (4, 102) auf einer Wechselstromseite von diesen derart zu schalten, dass eine Abweichung des momentanen Wechselstromwerts von dem Wechselstrombefehl geringer wird, wobei es sich bei der ersten und der zweiten Steuereinheit um andere Bereiche als die Strombefehl-Berechnungseinrichtung (20) handelt, die in Hardware-Logikschaltungseinrichtungen konfiguriert sind und die derart ausgebildet sind, dass sie die Komparatorschaltung (30) und die Logikschaltung (40) beinhalten, und wobei die Nebenstromrichter (4, 102) eine Momentanwertsteuerung der Wechselströme durchführen.
Stromumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Hauptstromrichter (3) und die Nebenstromrichter (4) Ausgangssignale jeweiligen Stromspeichervorrichtungen (7, 9) zuführen, die auf einer Gleichstromseite einzeln vorgesehen sind, und wobei die Strombefehl-Berechnungseinrichtung (20) einen dem Hauptstromrichter (3) erteilten Gleichspannungsbefehl derart einstellt, dass die Gleichspannungen (Vbr, Vbs, Vbt) der Nebenstromrichter (4) einem speziellen Spannungsbefehl folgen, sowie den Wechselstrombefehl derart erzeugt, dass die Gleichspannung (Vdc) des Hauptstromrichters (3) dem Gleichspannungsbefehl folgt.
Stromumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromrichter einen von der Wechselstromversorgung (1) zugeführten Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.
Stromumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Steuereinheit das dem Hauptstromrichter (3) zugeführte erste Steuersignal unterbricht, um den momentanen Wechselstromwert zu unterdrücken, wenn die Abweichung des momentanen Wechselstromwerts von dem Wechselstrombefehl einen bestimmten Wert übersteigt.
Stromumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Steuereinheit mit einem Hysterese-Komparator (33b, 33c) versehen ist und eine Nachfolgesteuerung ausführt, so dass der momentane Wechselstromwert dem Wechselstrombefehl folgt.
Stromumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Hysterese-Komparator (33b, 33c) derart ausgebildet ist, dass er eine Zweistufenkonstruktion mit unterschiedlichen Hysterese-Breiten aufweist.
Stromumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei dem Stromrichter um einen Dreiphasen-Stromrichter handelt, der mit Nebenstromrichtern (4) für einzelne Phasen (4) versehen ist, und wobei die zweite Steuereinheit das den einzelnen Nebenstromrichtern (4) zugeführte zweite Steuersignal korrigiert, indem sie ein Verschiebekorrektursignal (DLS) zum Verschieben der wechselstromseitigen Ausgangsspannungspegel der Nebenstromrichter (4) für die einzelnen Phasen in der gleichen Aufwärts-/Abwärtsrichtung erzeugt, so dass die Gleichspannungen (Vbr, Vbs, Vbt) der Nebenstromrichter für die einzelnen Phasen ausgeglichen sind.
Stromumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die zweite Steuereinheit das Verschiebekorrektursignal (DLS) auf eine spezielle Periode begrenzt, um die Korrektur des zweiten Steuersignals zu begrenzen.
Stromumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuervorrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass nur die Strombefehl-Berechnungseinrichtung (20) mit einer CPU konfiguriert ist.
Stromumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Stromrichter als Inverter (100) verwendet wird, der einen von einer Gleichstromversorgung (200) zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und den Wechselstrom der Wechselstromversorgung (210) zuführt, und wobei die Strombefehl-Berechnungseinrichtung (20) den Wechselstrombefehl derart erzeugt, dass der von der Gleichstromversorgung (200) zugeführte Gleichstrom maximiert ist.