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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Treibereinrichtung für
einen synchronen Elektromotor, bei welchem die Windungen einer Statorwicklung
im Stern zusammengeschaltet sind.
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Beispielsweise
offenbart das
japanische Patent
3223842 (entsprechend dem
US-Patent 6,320,775 )
eine Treibereinrichtung, welche eine Inverterschaltung und eine
Steuerschaltung enthält. Die Inverterschaltung enthält
sechs Transistoren (d. h., drei obere Zweigtransistoren, welche
nahe einer Kathodensammelschiene angeordnet sind, und drei untere
Zweigtransistoren, welche nahe einer Anodensammelschiene angeordnet
sind) und sechs Dioden (d. h., drei obere Zweigdioden, welche nahe
der Kathodensammelschiene angeordnet sind und drei untere Zweidioden,
welche nahe der Anodensammelschiene angeordnet sind). Die Steuerschaltung steuert
die Inverterschaltung.
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Im
Einzelnen ist eine Gleichstrom-Leistungsquelle (DC-Leistungsquelle)
zwischen einen neutralen Punkt der Statorwicklung und die Anodensammelschiene
geschaltet. Ein Kondensator ist zwischen die Anodensammelschiene
und die Kathodensammelschiene gelegt.
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Die
Steuerschaltung führt einen Schaltvorgang der sechs Transistoren
durch, so dass dreiphasige Wechselströme zu einem dreiphasigen
elektrischen Wechselstrom-Synchronmotor (nachfolgend einfach als
Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor bezeichnet) in Abhängigkeit
von einer Spannungsdifferenz zwischen der Kathodensammelschiene
und der Anodensammelschiene geführt werden.
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Wenn
hierbei einer der unteren Zweigtransistoren eingeschaltet ist, dann
fließt der entsprechende Strom zu der Statorwicklung, so
dass die magnetische Energie sich in Abhängigkeit von dem
Strom in der Statorwicklung aufbaut.
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Wenn
der untere Zweigtransistor abgeschaltet wird, dann fließt
der entsprechende Strom von der Statorwicklung über die
entsprechende obere Zweigdiode und die Kathodensammelschiene zu
dem Kondensator. Wenn daher der Schaltvorgang der sechs Transistoren
durchgeführt wird, werden die Dreiphasen-Wechselströme
zu der Statorwicklung geführt und die elektrische Ladung
wird in dem Kondensator angesammelt. Auf diese Weise kann in dem
Kondensator die elektrische Ladung gesammelt werden, während
der Betrieb des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors gesteuert
wird.
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Im
Falle der obigen Treibereinrichtung für den Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor
wird, wenn die Ausgangsspannung der Leistungsquelle sich beispielsweise
aufgrund von Umgebungsänderungen oder Ladungsänderungen
vermindert, die Spannungsdifferenz zwischen der Kathodensammelschiene
und der Anodensammelschiene klein. Wenn dies geschieht, dann wird
der Betrieb des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors unstabil
oder der Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor kann aufgrund der
mangelnden Ausgangsspannung nicht betrieben werden.
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Angesichts
des obigen Nachteiles ist es denkbar, die erforderliche Spannungsdifferenz
zwischen der Kathodensammelschiene und der Anodensammelschiene durch
Ausführung des Schaltvorganges der unteren Zweigtransistoren
zu erzielen, um die elektrische Ladung in dem Kondensator in Abhängigkeit
von der magnetischen Energie anzusammeln, welche sich in der Statorwicklung
im Stillsetzungszustand aufgebaut hat, wobei der Steuervorgang des
Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors stillgesetzt ist. In einem
solchen Falle kann sich jedoch zu der Zeit der Steuerung des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
die Zeitdauer für die Durchführung des Schaltvorganges
der Transistoren möglicherweise verkürzen.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit den obigen Nachteilen. Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Treiber für
einen Synchronmotor zu schaf fen, bei welchem eine Ladungsmenge eines
Kondensators entsprechend einer Ausgangsspannung einer Leistungsquelle
eingestellt wird, während eine Verminderung einer Zeitdauer
zur Durchführung eines Schaltvorganges von Schaltelementen
zu der Zeit der Steuerung des Synchronmotors begrenzt wird.
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Um
dieses Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird eine Treibereinrichtung
für einen elektrischen Synchronmotor geschaffen, welcher eine
Statorwicklung mit einer Anzahl von Windungen enthält,
die in Sternformation zusammengeschaltet sind und ein magnetisches
Drehfeld bei ihrer Speisung mit elektrischem Strom erzeugen, der
von einer Leistungsquelle zugeführt wird, um einen Rotor
des elektrischen Synchronmotors anzutreiben. Die Treibereinrichtung
enthält eine Inverterschaltung, einen Kondensator, Steuermittel,
Fühlermittel zum Detektieren eines Zustandes der Leistungsquelle,
sowie Entscheidungsmittel. Die Inverterschaltung enthält eine
Anzahl von Zweigpaaren, welche parallel zwischen eine Kathodensammelschiene
und eine Anodensammelschiene geschaltet sind. Jedes der Mehrzahl
von Zweigpaaren ist so ausgebildet, dass er Verbindung mit einer
entsprechenden Anzahl von Windungen hat und enthält einen
oberen Zweig und einen unteren Zweig, welche in Serie zwischen der
Kathodensammelschiene und der Anodensammelschiene liegen und ein
oberes Zweigschaltelement beziehungsweise ein unteres Zweigschaltelement enthalten.
Der Kondensator ist an die Inverterschaltung gelegt. Die Steuermittel
dienen zur Durchführung eines Schaltvorganges der oberen
Zweigschaltelemente und der unteren Zweigschaltelemente der Anzahl
von Zweigpaaren zur Gewinnung und Lieferung eines Steuersignals
zu jedem entsprechenden der oberen Zweigschaltelemente und der unteren Zweigschaltelemente
der Anzahl von Zweigpaaren unter Verwendung eines ausgewählten
Modulationsschemas, das aus einer Mehrzahl von Modulationsschemata
ausgewählt ist, wobei jedes der Modulationsschemata so
eingestellt ist, dass der Kondensator mit einer entsprechenden Ladungsmenge
aufgeladen wird, welche verschieden von derjenigen aufgrund irgendeines
anderen der Anzahl von Modulationsschemata ist, so dass das magnetische
Drehfeld an der Statorwicklung gemäß einem Ausgangszustand
des Kondensators und einem Ausgangszustand der Leistungsquelle erzeugt
wird. Der Kondensator wird mit elektrischem Strom geladen, welcher von
der Statorwicklung zu dem Kondensator fließt, während
er an jedem entsprechenden der oberen Zweigschaltele mente und der
unteren Zweigschaltelemente der Anzahl von Zweigpaaren nach Durchführung
des Schaltvorganges der oberen Zweigschaltelemente und der unteren
Zweigschaltelemente der Anzahl von Zweigpaaren durch die Steuermittel
vorbeifließt. Die Fühlermittel zum Detektieren
des Zustandes der Leistungsquelle dienen zum Detektieren des Ausgangszustandes
der Leistungsquelle. Die Entscheidungsmittel dienen zum Entscheiden darüber,
welches der Mehrzahl von Modulationsschemata als das ausgewählte
Modulationsschema auf der Basis eines detektierten Wertes der Fühlermittel
zum Detektieren des Zustandes der Leistungsquelle verwendet wird.
Die Ladungsmenge des Kondensators wird entsprechend dem Ausgangszustand der
Leistungsquelle nach der Durchführung des Schaltvorganges
der oberen Zweigschaltelemente und der unteren Zweigschaltelemente
der Anzahl von Zweigpaaren durch die Steuereinrichtung entsprechend
dem Steuersignal eingestellt, welche durch das ausgewählte
Modulationsschema erhalten wird.
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Die
Erfindung und zusätzliche Ziele, Merkmale und Vorteile
der Erfindung werden am besten durch die nachfolgende Beschreibung,
die anliegenden Ansprüche und die begleitenden Zeichnungen verständlich.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Schaltbild, welches eine Treibereinrichtung für einen dreiphasigen
elektrischen Wechselstrom-Synchronmotor gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
Diagramm, welches ein dreiphasiges Modulationsschema gemäß der
ersten Ausführungsform wiedergibt;
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3 ein
Diagramm, welches ein zweiphasiges Modulationsschema gemäß der
ersten Ausführungsform zeigt;
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4 ein
Diagramm, welches ein zweiphasiges Modulationsschema anderer Art
gemäß der ersten Ausführungsform wiedergibt;
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5 ein
Flussdiagramm, welches einen Steuervorgang einer Steuerschaltung
darstellt, welche in 1 gezeigt ist;
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6 ein
Flussdiagramm, welches einen Steuervorgang einer Steuerschaltung
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt, und
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7 ein
Diagramm, welches ein zweiphasiges Modulationsschema gemäß der
zweiten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt.
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt
einen dreiphasigen Wechselstrom-Synchronmotor gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Einzelnen zeigt 1 einen
Schaltungsaufbau einer Treibereinrichtung und einen Teil des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors.
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Die
Treibereinrichtung 10 erzeugt die Dreiphasen-Wechselströme
basierend auf der Gleichspannung und gibt die so erzeugten dreiphasigen Wechselströme
an den Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor ab, um ihn anzutreiben.
Eine Last (beispielsweise ein Verdichtermechanismus) ist mit einer
Ausgangswelle des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors verbunden.
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Der
Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor enthält einen Rotor
(nicht dargestellt) und einen Statorwicklung 1. Permanentmagneten
sind an dem Rotor vorgesehen und die Statorwicklung 1 lässt ein
magnetisches Drehfeld auf den Rotor wirken. Die Statorwicklung 1 enthält
dreiphasige Windungen, d. h. eine U-Phasenwicklung 1a,
eine V-Phasenwicklung 1b und eine W-Phasenwicklung 1c,
welche in Stern geschaltet sind und einen neutralen Punkt 1x am
mittleren Verbindungspunkt haben, an welchem die Wicklungen 1a, 1b und 1c zusammengeschlossen
sind. Eine Leistungsquelle (eine Fahrzeugbatterie im vorliegenden
Falle) 3 ist zwischen den neutralen Punkt 1x der
Statorwicklung 1 und Erde gelegt.
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In
der vorliegenden Ausführungsform gestattet die Struktur
des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors nicht den Einbau eines
Fühlers, welcher die Drehstellung (Stellungsinformation)
des Rotors detektiert, in den Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor.
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Die
Treibereinrichtung 10 enthält eine Inverterschaltung 20,
einen Kondensator 30, einen Stromfühler 40,
einen Spannungsfühler (dieser dient als Fühlermittel
zur Detektierung des Zustandes einer Leistungsquelle) 45 und
eine Steuerschaltung 50. Die Inverterschaltung 20 erzeugt
die dreiphasigen Wechselströme auf der Basis einer Ausgangsspannung
der Leistungsquelle 3 und einer Spannungsdifferenz zwischen
einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode des Kondensators 30 und
gibt die so erzeugten dreiphasigen Wechselströme an die Statorwicklung 1 ab.
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Die
Inverterschaltung 20 enthält eine Anzahl von Schaltelementen
(drei obere Zweigschaltelemente und drei untere Zweigschaltelemente
im vorliegenden Falle) SW1–SW6 sowie eine Anzahl von Dioden
(drei obere Zweigdioden und drei untere Zweigdioden im vorliegenden
Falle) D1–D6. Genauer gesagt enthält die Inverterschaltung 20 eine
Anzahl von Zweigpaaren, welche zwischen einer Kathodensammelschiene 22 und
einer Anodensammelschiene 21 parallel geschaltet sind.
Jedes der Zweigpaare ist so ausgebildet, dass es Verbindung mit
einer entsprechenden der Wicklungen 1a, 1b, 1c hat
und enthält einen oberen Zweig AM1–AM3 und einen
unteren Zweig AM4–AM6, welche in Serie zwischen der Kathodensammelschiene 22 und
der Anodensammelschiene 21 liegen. Weiter ist jeder obere
Zweig AM1–AM3 mit dem entsprechenden oberen Zweigschaltelement
(auch als Schaltelement auf der Seite der Kathodensammelschiene 22 bezeichnet) SW1–SW3
und der entsprechenden oberen Zweigdiode D1–D3 versehen,
und jeder untere Zweig AM4–AM6 ist mit dem entsprechenden
unteren Zweigschaltelement (auch als ein auf der Seite der Anodensammelschiene 21 gelegenes
Schaltelement bezeichnet) SW4–SW6 und der entsprechenden
unteren Zweigdiode D4–D6 versehen.
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Die
Schaltelemente SW1, SW4 des ersten Zweigpaares (d. h., der oberen
und unteren Zweige AM1, AM4) sind in Serie zwischen die Anodensammelschiene 21 und
die Kathodensammelschiene 22 gelegt. Die Schaltelemente
SW2, SW5 des zweiten Zweigpaares (d. h., der oberen und unteren
Zweige AM2, AM5) sind in Serie zwischen die Anodensammelschiene 21 und
die Kathodensammelschiene 22 gelegt. Die Schaltelemente
SW3, SW6 des dritten Zweigpaares (d. h., die oberen und unteren
Zweige AM3, AM6) sind in Serie zwischen die Anodensammelschiene 21 und
die Kathodensammelschiene 22 gelegt. Die Anodensammelschiene 21 ist
mit Erde verbunden.
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Ein
Verbindungspunkt T1 zwischen dem Schaltelement SW1 und dem Schaltelement
SW4, d.h., zwischen dem oberen Zweig AM1 und dem unteren Zweig AM4
ist mit der W-Phasenwicklung 1c verbunden. Ein gemeinsamer
Verbindungspunkt T2 zwischen dem Schaltelement SW2 und dem Schaltelement
SW5, d. h., zwischen dem oberen Zweig AM2 und dem unteren Zweig
AM5 ist mit der V-Phasenwicklung 1b verbunden. Ein gemeinsamer
Verbindungspunkt T3 zwischen dem Schaltelement SW1 und dem Schaltelement
SW6, d. h., zwischen dem oberen Zweig AM3 und dem unteren Zweig
AM6 ist mit der U-Phasenwicklung 1a verbunden.
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Die
Schaltelemente SW1–SW6 können Halbleiter-Schaltelemente
sein, beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, Feldeffekttransistoren
oder dergleichen.
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Jede
der Dioden D1–D6 ist mit einem entsprechenden der Schaltelemente
SW1–SW6 verbunden und antiparallel dazu geschaltet.
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Der
Kondensator 30 arbeitet mit der Leistungsquelle 3 zusammen,
um eine Ausgangsspannung an die Inverterschaltung 20 zu
liefern. Die positive Elektrode des Kondensators 30 ist
mit der Kathodensammelschiene 22 der Inverterschaltung 20 verbunden.
Die negative Elektrode des Kondensators 30 ist mit dem
neutralen Punkt 1x der Statorwicklung 1 verbunden.
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Der
Stromfühler 40 detektiert jeweils einen U-Phasenstrom
iu, einen V-Phasenstrom iv und einen W-Phasenstrom iw. Der U-Phasenstrom
iu ist der Strom, welcher von dem gemeinsamen Verbindungspunkt T3
zwischen dem Schaltelement SW3 und dem Schaltelement SW6 zu der
U-Phasenwicklung 1a fließt. Der V-Phasen strom
iv ist der Strom, welcher von dem gemeinsamen Verbindungspunkt T2
zwischen dem Schaltelement SW2 und dem Schaltelement SW5 zu der
V-Phasenwicklung 1b fließt. Der W-Phasenstrom
iw ist der Strom, welcher von dem gemeinsamen Verbindungspunkt T1
zwischen dem Schaltelement SW1 und dem Schaltelement SW4 zu der
W-Phasenwicklung 1c fließt.
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Die
Richtung, welche durch einen Pfeil für jeden der U-, V-
und W-Phasenströme iu, iv, iw eingezeichnet ist, ist die
positive Richtung.
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Der
Spannungsfühler 45 detektiert die Ausgangsspannung
VB der Leistungsquelle 3.
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Die
Steuerschaltung 50 enthält einen Mikrocomputer,
einen Speicher und einen Analog-/Digital-Umsetzer und steuert die
Schaltelemente SW1–SW6 basierend auf den gemessenen Werten der
Fühler 40, 45 und einer Zieldrehzahl
oder Solldrehzahl, welche von einer elektronischen Steuereinrichtung 7 empfangen
wird.
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Als
nächstes wird eine Wirkungsweise gemäß der
vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
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Die
Steuerschaltung 50 gibt ein (als Steuersignal dienendes)
Schaltsignal an die Schaltelemente SW1–SW6 ab. Auf diese
Weise führen die Schaltelemente SW1–SW6 ihre entsprechenden
Schaltvorgänge durch. Hierdurch werden Dreiphasen-Wechselströme
von den gemeinsamen Bindungspunkten T1–T3 an die Statorwicklung 1 geliefert.
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Der
Stator 1 erzeugt daher das magnetische Drehfeld. Auf diese
Weise wird der Rotor synchron mit dem magnetischen Drehfeld in Umdrehung
versetzt.
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Weiter
sammelt sich elektrische Ladung in dem Kondensator 30 nach
der Schaltoperation jedes der unteren Zweigschaltelemente SW4–SW6
an.
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Wenn
beispielsweise das Schaltelement SW4 eingeschaltet ist, dann fließt
der elektrische Strom von der Seite des neutralen Punktes 1x zu Erde über
die W-Phasenwicklung 1c und das Schaltelement SW4. Zu dieser
Zeit sammelt sich die magnetische Energie in der W-Phasenwicklung 1c an. Wenn
daher hiernach das Schaltelement SW4 ausgeschaltet wird, dann fließt
der elektrische Strom, welcher der magnetischen Energie der W-Phasenwicklung 1c entspricht,
zur Seite der Kathodensammelschiene 22 über die
Diode D1.
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Das
bedeutet, dass dann, wenn das Schaltelement SW4 ausgeschaltet wird,
der elektrische Strom von der W-Phasenwindung 1c zu der
Seite der Kathodensammelschiene 22 über die Diode
D1 in dem oberen Zweig AM1 fließt und dabei das Schaltelement
SW1 umgeht. Dieser elektrische Strom fließt zu dem Kondensator 30 als
der Ladestrom, so dass die elektrische Ladung sich in dem Kondensator 30 ansammelt.
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Hier
verwendet die Steuerschaltung 50 zu der Gewinnung, d. h.
der Erzeugung des Schaltsignals, eine bekannte Technik eines Impulsbreitenmodulationsschemas
(PWM), das durch eine Dreieckwelle erzeugt wird. Nachfolgend wird
die Technik des Impulsbreitenmodulationsschemas, erzeugt durch eine
Dreieckwelle, schematisch beschrieben.
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Die
Zeit, zu welcher der detektierte Strom iu, iv, iw des Stromfühlers 40 zu
Null wird, wird für jeden der detektierten Ströme
iu, iv, iw erhalten. Dann wird auf der Basis dieser Zeitvorgabe
die Position des Rotors abgeschätzt. Hierauf wird die Drehzahl
(die Anzahl von Umdrehungen je Minute) des Rotors auf der Basis
der abgeschätzten Stellung des Rotors abgeschätzt.
Nachfolgend wird diese abgeschätzte Drehzahl als solche
abgeschätzte Drehzahl bezeichnet.
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Als
nächstes werden eine U-Phasenbefehlswelle, eine V-Phasenbefehlswelle
und eine W-Phasenbefehlswelle, die in dem durch die Dreieckwelle erzeugten
Impulsbreitenmodulationsschema verwendet werden, erzeugt.
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2 zeigt
ein Beispiel der U-Phasenbefehlswelle, der V-Phasenbefehlswelle
und der W-Phasenbefehlswelle.
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Die
U-Phasenbefehlswelle 60, die V-Phasenbefehlswelle 61 und
die W-Phasenbefehlswelle 62 bilden die dreiphasigen Befehlswellen.
Die U-Phasenbefehlswelle 60, die V-Phasenbefehlswelle 61 und
die W-Phasenbefehlswelle 62 werden in solcher Weise erzeugt,
dass ein Unterschied zwischen der Zieldrehzahl oder Solldrehzahl
des Rotors und der abgeschätzten Drehzahl des Rotors minimiert
wird.
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Die
dreiphasigen Befehlswellen 60–62 dienen
zu der Bestimmung, welches der oberen Zweigschaltelemente SW1, SW2,
SW3 (d. h., der Schaltelemente SW1, SW2, SW3, die sich auf einer
Seite der entsprechenden gemeinsamen Verbindungspunkte T1–T3
befinden, auf der die Kathodensammelschiene 22 gelegen
ist) und der unteren Zweigschaltelemente SW4, SW5, SW6 (d. h., der
Schaltelemente SW4, SW5, SW6, die auf der anderen Seite der entsprechenden
gemeinsamen Verbindungspunkte T1–T3 gelegen sind, auf welcher
sich die Anodensammelschiene 21 befindet) für
jede der drei Phasen eingeschaltet werden muss.
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Die
U-Phasenbefehlswelle 60 entspricht den Schaltelementen
SW3, SW6. Wenn die U-Phasenbefehlswelle 60 größer
als eine Dreieckwelle (eine Trägerwelle) 70 ist,
dann wird das obere Zweigschaltelement SW3 eingeschaltet und das
untere Zweigschaltelement SW6 wird ausgeschaltet. Wenn die U-Phasenbefehlswelle 60 kleiner
als die Dreieckwelle 70 ist, dann wird das Schaltelement
SW3 ausgeschaltet und das Schaltelement SW6 wird eingeschaltet.
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Die
V-Phasenbefehlswelle 61 entspricht den Schaltelementen
SW2, SW5. Wenn die V-Phasenbefehlswelle 61 größer
als die Dreieckwelle 70 ist, dann wird das obere Zweigschaltelement
SW2 eingeschaltet und das untere Zweigschaltelement SW5 wird ausgeschaltet.
Wenn die V-Phasenbefehlswelle 61 kleiner als die Dreieckwelle 70 ist,
dann wird das Schaltelement SW2 ausgeschaltet und das Schaltelement
SW5 wird eingeschaltet.
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Die
W-Phasenbefehlswelle 62 entspricht den Schaltelementen
SW1, SW4. Wenn die W-Phasenbefehlswelle 62 größer
als die Dreieckwelle 70 ist, dann wird das obere Zweigschaltelement
SW1 eingeschaltet und das untere Zweigschaltelement SW4 wird ausgeschaltet.
Wenn die V-Phasenbefehlswelle 61 kleiner als die Dreieckwelle 70 ist,
dann wird das Schaltelement SW1 ausgeschaltet und das Schaltelement
SW4 wird eingeschaltet.
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Wie
oben beschrieben wird festgestellt, welches der Schaltelemente SW1–SW6
eingeschaltet ist. Dann wird das Schaltsignal, welches die so ermittelte
Information enthält, gebildet.
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Hier
wird zu der Zeit der Gewinnung des Schaltsignals eines von drei
Modulationsschemata verwendet. Die drei Modulationsschemata sind
so eingestellt, dass die dreiphasigen Befehlswellen 60–62 von
einem Schema zum anderen Schema verschieden sind.
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Die
drei Modulationsschemata enthalten die Modulationsschemata A–C.
Vorliegend ist das Modulationsschema A ein erstes Zweiphasen-Modulationsschema,
bei welchem der Ladestrom einen kleinen Stromwert erhält.
Das Modulationsschema B ist ein Dreiphasen-Modulationsschema, welches
bewirkt, dass der Ladestrom einen mittleren Stromwert hat, welcher
größer als der kleine Stromwert ist und kleiner
als ein großer Stromwert, der im Folgenden erwähnt
wird. Das Modulationsschema C ist ein zweites zweiphasiges Modulationsschema,
welches bewirkt, dass der Ladestrom einen großen Stromwert hat.
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In
der folgenden Beschreibung werden die Modulationsschemata A–C
einzeln beschrieben.
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3 zeigt
die dreiphasigen Befehlswellen 60–62 im
Falle des Modulationsschemas A.
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Ein
Schaltstopp-Zeitintervall 60u, während welchem
der Schaltvorgang der entsprechenden Schaltelemente SW3, SW6 für
die Befehlswelle 60 angehalten wird, ist auf eine 1/3 Periode
der Befehlswelle 60 eingestellt. Ein Schaltstopp-Zeitintervall 61u,
während welchem der Schaltvorgang der entsprechenden Schaltelemente
SW2, SW5 für die Befehlswelle 61 angehalten wird,
ist auf eine 1/3 Periode der Befehlswelle 61 eingestellt.
Ein Schaltstopp-Zeitintervall 62u, während welchem
der Schaltvorgang der entsprechenden Schaltelemente SW1, SW4 für
die Befehlswelle 62 angehalten wird, ist auf eine 1/3 Periode
der Befehlswelle 62 eingestellt.
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Hierdurch
werden die Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 größer
als die Dreieckwelle 70. Bei diesem Modulationsschema ist
somit jede entsprechende Zeitperiode, während welcher eine
entsprechende der Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 größer
als die Dreieckwelle 70 ist, länger als diejenige
bei dem Modulationsschema B (dreiphasiges Modulationsschema).
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Während
der Zeitdauer, während welcher die entsprechende der dreiphasigen
Befehlswellen 60–62 kleiner als die Dreieckwelle 70 ist,
wird das entsprechende obere Zweigschaltelement SW1, SW2, SW3 eingeschaltet
und das entsprechende untere Zweigschaltelement SW4, SW5, SW6 wird
ausgeschaltet.
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Eine
Ausschaltperiode Toff jedes der unteren Zweigschaltelemente SW4,
SW5, SW6 ist daher kürzer als diejenige des dreiphasigen
Modulationsschemas. Demgemäß ist bei diesem Modulationsschema ein
Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis (manchmal auch als
Einteilungsverhältnis bezeichnet) welches ausgedrückt
wird durch (Ton + Toff)/Toff, kleiner als dasjenige des dreiphasigen
Modulationsschemas.
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In
dem Modulationsschema B bilden die dreiphasigen Befehlswellen 60, 61, 62 jeweils
Sinuswellen, wie in 2 gezeigt ist.
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4 zeigt
die Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 im
Falle des Modulationsschemas C.
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Ein
Schaltstopp-Zeitintervall 60s, während welchem
der Schaltvorgang der entsprechenden Schaltelemente SW3, SW6 für
die Befehlswelle 60 angehalten wird, ist auf eine Drittelperiode
der Befehlswelle 60 eingestellt. Ein Schaltstopp-Zeitintervall 61s,
während welchem der Schaltvorgang der entsprechenden Schaltelemente
SW2, SW5 für die Befehlswelle 61 angehalten wird,
ist auf 1/3 der Periode der Befehlswelle 61 eingestellt.
Ein Schaltstopp-Zeitintervall 62s, während welchem
der Schaltvorgang der entsprechenden Schaltelemente SW1, SW4 für die
Befehlswelle 62 angehalten wird, ist auf eine Drittelperiode
der Befehlswelle 62 eingestellt.
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Hierdurch
werden die dreiphasigen Befehlswellen 60–62 kleiner
als die Dreieckwelle 70. Bei diesem Modulationsschema ist
also jede entsprechende Zeitperiode, während welcher eine
entsprechende der Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 größer
als die Dreieckwelle 70 ist, kleiner als diejenige des
Modulationsschemas B (Dreiphasen-Modulationsschema).
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Hier
wird in der entsprechenden Zeitperiode, während welcher
die entsprechende der Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 kleiner
ist als die Dreieckwelle 70, das entsprechende obere Zweigschaltelement
SW1, SW2, SW3 ausgeschaltet und das entsprechende untere Zweigschaltelement
SW4, SW5, SW6 wird eingeschaltet.
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Aus
diesem Grunde ist eine Einschaltperiode Ton jedes der unteren Zweigschaltelemente
SW4, SW5, SW6 größer als diejenige des Modulationsschemas
B (das Dreiphasen-Modulationsschema).
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Bei
diesem Modulationsschema ist daher das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis,
welches das Verhältnis zwischen der Einschaltperiode Ton
und der Ausschaltperiode Toff ist und durch (Ton + Toff)/Toff ausgedrückt
wird, größer als das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis
(= etwa 2) des Dreiphasen-Modulationsschemas. Hier ist, wie oben
ausgeführt, die Ausschaltperiode Toff des obigen Ausdruckes
die Ausschaltperiode des entsprechenden unteren Zweigschaltelementes
SW4, SW5, SW6.
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Wie
oben angegeben werden die drei Arten von Modulationsschemata so
eingestellt, dass sie jeweils unterschiedliche Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnisse
haben. Wenn das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis
vergrößert wird, vergrößert
sich hier der Stromwert des Ladestromes. Wenn daher das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis
vergrößert wird, wird die Menge der elektrischen Ladung,
die sich in dem Kondensator 30 ansammelt, erhöht.
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Die
Steuerschaltung 50 bestimmt, welche der drei Arten von
Modulationsschemata verwendet wird, basierend auf der Ausgangsspannung
(nachfolgend als die Speisespannung bezeichnet) der Leistungsquelle 3 und
steuert die Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors.
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Nunmehr
wird der Steuervorgang zur Steuerung der Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
mehr ins Einzelne gehend beschrieben.
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5 ist
ein Flussdiagramm, welches den Motorsteuervorgang der Steuerschaltung 50 zeigt.
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Zunächst
befiehlt die elektronische Steuereinrichtung 7 der Steuerschaltung 50,
den Steuervorgang zu starten. Dann beginnt die Steuerschaltung 50 mit
der Durchführung eines entsprechenden Rechnerprogramms
in Übereinstimmung mit dem Flussdiagramm von 5 basierend
auf dem Befehl zum Starten des Steuervorganges von der elektronischen
Steuereinrichtung 7.
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Zuerst
wird in dem Schritt S100, die Speisespannung, welche die Ausgangsspannung
der Leistungsquelle 3 ist, die an die Statorwicklung 1 geliefert wird
und welche durch den Spannungsfühler 45 detektiert
wird, von dem Spannungsfühler 45 dargeboten.
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Dann
wird in dem Schritt S110 festgestellt, ob die Speisespannung gleich
oder höher als ein erster voreingestellter Wert ist. Wenn
festgestellt wird, dass die Speisespannung gleich oder größer
als der erste voreingestellte Wert ist, was in dem Schritt S110
(d. h., JA in dem Schritt S110) geschieht, dann schreitet der Vorgang
zu dem Schritt S115 fort. In dem Schritt S115 wird das Modulationsschema
A als ein ausgewähltes Modulationsschema bestimmt, welches
also ausgewählt wird und zur Steuerung der Drehzahl des
Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors verwendet wird. Das Modulationsschema
A dient als ein viertes oder fünftes Modulationsschema der
vorliegenden Erfindung.
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Alternativ
schreitet, wenn in dem Schritt S110 festgestellt wird, dass die
Speisespannung kleiner als der erste voreingestellte Wert ist (d.
h., NEIN in dem Schritt S110), der Vorgang zu dem Schritt S120 fort.
In dem Schritt S120 wird festgestellt, ob die Speisespannung kleiner
als ein zweiter voreingestellter Wert ist. Der zweite voreingestellte
Wert ist ein Spannungswert, welcher niedriger als der erste voreingestellte
Wert ist.
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Wenn
in dem Schritt S120 festgestellt wird, dass die Speisespannung kleiner
als der zweite voreingestellte Wert ist (d. h., JA in dem Schritt
S120), dann schreitet der Vorgang zu dem Schritt S125 fort. In dem
Schritt S125 wird das Modulationsschema C als das ausgewählte
Modulationsschema bestimmt, welches ausgewählt und zur
Steuerung der Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor
verwendet wird. Das Modulationsschema C dient als ein zweites oder
siebentes Modulationsschema der vorliegenden Erfindung.
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Wenn
weiter die Speisespannung kleiner als der erste voreingestellte
Wert und gleich groß wie oder größer
als der zweite voreingestellte Wert ist, so erhält man
in dem Schritt S120 die Antwort NEIN. Dann schreitet der Vorgang
zu dem Schritt S130 fort. In dem Schritt S130 wird das Modulationsschema
B als das ausgewählte Modulationsschema bestimmt, welches
ausgewählt und zur Steuerung der Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
verwendet wird. Das Modulationsschema B dient als ein erstes, drittes
oder sechstes Modulationsschema der vorliegenden Erfindung.
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Wie
oben beschrieben wird das Modulationsschema, welches ausgewählt
und zur Steuerung der Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
verwendet wird, in der zuvor ausgeführten Weise bestimmt.
Dann schreitet der Vorgang zu dem Schritt S140 fort, in welchem
das Schaltsignal gewonnen wird, indem das oben bestimmte Modulationsschema
verwendet wird. Als nächstes schreitet der Vorgang zu dem
Schritt S150 fort. In dem Schritt 150 wird das erhaltene Schaltsignal
zu den Schaltelementen SW1–SW6 ausgegeben.
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Danach
kehrt der Vorgang zu dem Schritt S100 zurück. In dem Schritt
S100 wird die Speisespannung, welche durch den Spannungsfühler 45 detektiert
wird, von diesem neuerlich gewonnen. Dann wird in dem Schritt S110
oder dem Schritt S120 das Größenmaß der
Speisenspannung V in der oben beschriebenen Weise identifiziert.
Danach wird das Modulationsschema, welches ausgewählt und
zur Steuerung der Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
verwendet wird, auf der Basis der Speisespannung in dem entsprechenden
der Schritte S115, S125, S130 in der oben beschriebenen Weise bestimmt.
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Dann
schreitet der Vorgang zu dem Schritt S140 fort, in welchem das entsprechende
Schaltsignal durch Verwendung des oben bestimmten Modulationsschemas
gebildet wird. Dann schreitet der Vorgang zu dem Schritt S150 fort.
An dem Schritt S150 wird das gewonnene Schaltsignal zu den Schaltelementen
SW1–SW6 ausgegeben.
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Danach
werden die Schritte S100–S150 wiederholt. Auf diese Weise
werden die Dreiphasen-Wechselströme von den gemeinsamen
Verbindungspunkten T1–T3 zu den Wicklungen 1a–1c der Statorwicklung 1 geliefert.
Aus diesem Grunde wird das magnetische Drehfeld, welches mit den
Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 in Übereinstimmung
ist, von der Statorwicklung 1 erzeugt. Dadurch dreht sich der
Rotor synchron mit dem magnetischen Drehfeld.
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Weiter
wird, wie oben beschrieben, bei der vorliegenden Erfindung das Modulationsschema, welches
zur Steuerung der Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
verwendet wird, auf der Basis der Speisespannung bestimmt.
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Im
Einzelnen wird in dem Falle, in welchem die Speisespannung kleiner
als der erste voreingestellte Wert und gleich groß wie
oder größer als der zweite voreingestellte Wert
ist, das Modulationsschema B gewählt. Weiter wird in dem
Falle, in welchem die Speisespannung gleich groß wie oder
größer als der erste voreingestellte Wert ist,
das Modulationsschema A gewählt, welches bewirkt, dass
das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis kleiner als das
Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis des Modulationsschemas
B ist. Zusätzlich wird in dem Falle, in welchem die Speisespannung
kleiner als der zweite voreingestellte Wert ist, das Modulationsschema
C gewählt, welches bewirkt, dass das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis
größer als das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis
des Modulationsschemas B ist.
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Auf
diese Weise wird die Menge elektrischer Ladung, welche sich in dem
Kondensator 30 ansammelt, eingestellt. Aus diesem Grund
wird, wenn die Schritte S100–S150 wiederholt werden, die
Speisespannung in einem Bereich zwischen dem ersten voreingestellten
Wert und dem zweiten voreingestellten Bereich gehalten.
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Bei
der vorliegenden, oben beschriebenen Ausführungsform treibt
die Steuerschaltung 50 die Statorwicklung 1 zur
Erzeugung des magnetischen Drehfeldes, welches den Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 entspricht,
unter Verwendung des dreieckwellenerzeugten Pulsbreitenmodulationsschemas.
Der Rotor wird somit entsprechend den Dreiphasen-Befehlswellen 60–62 angetrieben.
Weiter wird, wie oben diskutiert, bei der vorliegenden Ausführungsform
das Modulationsschema, welches gewählt und zur Steuerung
der Drehzahl des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors verwendet
wird, auf der Basis der Speisespannung bestimmt. Die Menge der elektrischen
Ladung, welche in dem Kondensator 30 angesammelt wird,
wird somit eingestellt.
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Die
Steuerschaltung 50 steuert die Drehzahl des Rotors des
Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors in Entsprechung mit den Dreiphasen-Befehlswellen 60, 61, 62 derart,
dass die Menge der Ladung (Ladungsmenge des Kondensators 30), welche
sich in dem Kondensator 30 ansammelt, eingestellt wird.
Es ist daher möglich, die Ladungsmenge des Kondensators 30 entsprechend
der Ausgangsspannung der Leistungsquelle 3 einzustellen und
gleichzeitig die Verminderung der Zeitperiode zur Durchfüh rung
der Schaltvorgänge der Schaltelemente SW1–SW6
zur Zeit der Steuerung des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
zu begrenzen.
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(Zweite Ausführungsform)
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Bei
der ersten Ausführungsform wird, wenn die Speisespannung
sich in dem Bereich zwischen dem ersten voreingestellten Wert und
dem zweiten voreingestellten Wert befindet, das Dreiphasen-Modulationsschema
zur Steuerung der Drehzahl des Wechselstrom-Synchronmotors verwendet.
Demgegenüber wird gemäß der vorliegenden
Ausführungsform die Drehzahl des Wechselstrom-Synchronmotors
in der folgenden Weise gesteuert.
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Die
Steuerschaltung der vorliegenden Ausführungsform startet
die Durchführung des entsprechenden Rechnerprogramms gemäß dem
Flussdiagramm, das in 6 gezeigt ist. In 6 sind
Schritte ähnlich denjenigen nach 5 durch
dieselben Bezugszahlen bezeichnet und bedürfen daher unter dem
Gesichtspunkt der Vereinfachung keiner neuerlichen Beschreibung.
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Wenn
die Speisespannung kleiner als der erste voreingestellte Wert und
gleich groß wie oder größer als der zweite
voreingestellte Wert ist, dann bestimmt die Steuerschaltung, dass
ein Zweiphasen-Modulationsschema gemäß 7 als
das gewählte Modulationsschema zur Steuerung der Drehzahl
des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors in dem Schritt S130A
gewählt wird. Dann verwendet die Steuerschaltung dieses
Zweiphasen-Modulationsschema zur Gewinnung des Schaltsignals (als Steuersignal
dienend) und zur Lieferung dieses Schaltsignals an die Schaltelemente
SW1–SW6.
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Das
Zweiphasen-Modulationsschema gemäß 7 ist
eine Kombination des Modulationsschemas gemäß 3 und
des Modulationsschemas gemäß 4.
Im Einzelnen werden bei dem Zweiphasen-Modulationsschema nach 7 das Stoppzeitintervall 60s und
das Stoppzeitintervall 60u abwechselnd in der Befehlswelle 60 an
der Unterseite bzw. der Oberseite in 7 vorgesehen.
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Weiter
werden das Stoppzeitintervall 61s und das Stoppzeitintervall 61u abwechselnd
in der Befehlswelle 61 an der Unterseite bzw. der Oberseite in 7 vorgesehen.
Weiter werden das Stoppzeitintervall 62s und das Stoppzeitintervall 62u abwechselnd
in der Befehlswelle 62 an der Unterseite bzw. der Oberseite
von 7 vorgesehen.
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Die
Stoppzeitintervalle werden in den jeweiligen Befehlswellen 60–62 in
der oben beschriebenen Weise eingestellt. Das Ausgangs-/Eingangs-Spannungsverhältnis
des zweiphasigen Modulationsschemas nach 7 erhält
denselben Wert (= 2) wie dasjenige des Dreiphasen-Modulationsschemas
gemäß 2.
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Das
Zweiphasen-Modulationsschema nach 7 entspricht
dem ersten, dritten oder sechsten Modulationsschema nach der vorliegenden
Erfindung.
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In
jeder der obigen Ausführungsformen ist der Kondensator 30 zwischen
dem neutralen Punkt 1x der Statorwicklung 1 und
die Kathodensammelschiene 22 gelegt. Die Erfindung ist
jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann der
Kondensator 30 zwischen dem neutralen Punkt 1x der
Statorwicklung 1 und der Anodensammelschiene 21 angeordnet
sein. In einem solchen Falle kann die Leistungsquelle 3 zwischen
dem neutralen Punkt 1x der Statorwicklung 1 und
die Kathodensammelschiene 22 geschaltet sein. Auch kann
der Kondensator 30 zwischen der Kathodensammelschiene 22 und
der Anodensammelschiene 21 angeordnet werden.
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Ist
bei der ersten Ausführungsform die Speisespannung kleiner
als der erste voreingestellte Wert und ist gleich groß wie
oder größer als der zweite voreingestellte Wert,
dann wird das Dreiphasen-Modulationsschema zur Steuerung des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors
verwendet.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt
und es kann irgendein anders geeignetes Modulationsschema zur Steuerung
des Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotors verwendet werden, welches
von dem Dreiphasen-Modulationsschema verschieden ist.
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In
jeder der obigen Ausführungsformen dient der Dreiphasen-Wechselstrom-Synchronmotor
als der Synchronmotor. Die vorliegende Erfindung ist jedoch hierauf
nicht beschränkt. Beispielsweise kann ein Mehrphasen-Wechselstrom-Synchronmotor
(mit vier oder mehr Phasen) als der Synchronmotor nach der vorliegenden
Erfindung dienen.
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Die
Schritte S115, S125, S130 und S130A der obigen Ausführungsformen
können als Entscheidungsmittel nach der vorliegenden Erfindung
dienen. Die Schritte S41, S150 der obigen Ausführungsformen
können als Steuermittel nach der vorliegenden Erfindung
dienen. Weiter kann der Schritt S150 der obigen Ausführungsformen
als ein erstes Entscheidungsmittel oder ein viertes Entscheidungsmittel
der vorliegenden Erfindung dienen. Weiter kann der Schritt S110
der obigen Ausführungsformen als ein zweites Entscheidungsmittel
oder ein drittes Entscheidungsmittel der vorliegenden Erfindung
dienen. Zusätzlich kann der zweite voreingestellte Wert,
welcher in dem Schritt S120 der obigen Ausführungsformen
verwendet wird, als ein erster vorbestimmter Wert oder ein vierter
vorbestimmter Wert nach der Erfindung dienen. Wenngleich hier der
erste vorbestimmte Wert und der vierte vorbestimmte Wert nach der
Erfindung hier denselben Wert (den zweiten voreingestellten Wert)
in den obigen Ausführungsformen bilden, können
der erste vorbestimmte Wert und der vierte vorbestimmte Wert der
Erfindung, falls gewünscht, voneinander verschieden sein.
Weiter kann der erste voreingestellte Wert, welcher in dem Schritt S110
der obigen Ausführungsformen verwendet wird, als ein zweiter
vorbestimmter Wert oder ein dritter vorbestimmter Wert nach der
Erfindung dienen. Wenngleich hier der zweite vorbestimmte Wert und der
dritte vorbestimmte Wert nach der Erfindung denselben Wert (den
ersten voreingestellten Wert) in den obigen Fällen bilden,
können der zweite vorbestimmte Wert und der dritten vorbestimmte
Wert nach der Erfindung, falls gewünscht, voneinander abweichen.
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Zusätzliche
Vorteile und Modifikationen ergeben sich für die Fachleute
in einfacher Weise. Die Erfindung in ihrem breiteren Umfang ist
daher nicht durch die besonderen Einzelheiten, beispielsweise Einrichtungen
und erläuternden Ausführungsformen beschränkt,
welcher hier gezeigt und beschrieben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 3223842 [0002]
- - US 6320775 [0002]