DE102010055224A1

DE102010055224A1 - Motorantriebsvorrichtung mit einer Energierückgewinnungsfunktion

Info

Publication number: DE102010055224A1
Application number: DE102010055224A
Authority: DE
Inventors: Yasusuke Iwashita; Tadashi Okita; Masakazu Niwa
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2011-07-21
Also published as: CN102130625A; US20110175557A1; JP2011151918A

Abstract

Eine Motorantriebsvorrichtung, bei der Vorkehrungen getroffen sind, die sicherstellen, dass der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters fortdauert, so lange die Abgabe der rückgewonnenen Energie vom Wechselrichter andauert, und dass der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters endet, sowie die Abgabe von rückgewonnener Energie vom Wechselrichter endet. Die Motorantriebsvorrichtung umfasst: eine Erfassungseinheit, die eine Eingangsspannung sowie einen Eingangsstrom erfasst; eine Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung, die aufgrund der von der Erfassungseinheit erfassten Eingangsspannung und Eingangsstrom die von dem Gleichrichter an den Wechselrichter abgegebene momentane effektive Leistung errechnet; eine Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit, die aufgrund der berechneten Leistung eine Gleichstromkomponente berechnet; und eine Entscheidungseinheit für das Beenden des Rückgewinnungsbetriebs, die den Wert der berechneten Gleichstromkomponente mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und die entscheidet, dass ein Energierückgewinnungsbetrieb zum Einspeisen rückgewonnener Energie von dem Wechselrichter zurück in die Dreiphasenstromversorgung beendet wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motorantriebsvorrichtung mit einer Energierückgewinnungsfunktion, die während des Abbremsens des Motors rückgewonnene Energie zurück in ein Stromversorgungsnetz einspeist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bei einer in einer Werkzeugmaschine, einer Schmiedepresse, einer Spritzgießmaschine, einem Industrieroboter, einer Industriemaschine usw. verwendeten Motorantriebsvorrichtung wird ein Gleichrichter (der auch als Vorwärts-Wandler oder Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler bezeichnet wird) eingesetzt, der den aus dem Stromversorgungsnetz eingespeisten Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und diesen an einen Wechselrichter abgibt, der als Motorsteuerungs-Leistungswandler dient. Bei dem derzeit vorliegenden Trend zur Energieeinsparung weisen Gleichrichter eine Energierückgewinnungsfunktion auf, die während der Verzögerung bzw. dem Abbremsen des Motors erzeugte Energie zurück in das Stromversorgungsnetz einspeist, insbesondere Dreiphasen-Gleichrichter in Brückenschaltung (engl.: 120-degree conduction-type rectifier), bei denen die Energierückgewinnungsfunktion zu vergleichsweise geringen Kosten implementiert werden kann, werden in großem Umfang eingesetzt (siehe zum Beispiel das nachfolgend erwähnte Patentdokument 1).
Ein solcher Dreiphasen-Gleichrichter in Brückenschaltung hat zwei Betriebsmodi: einen Antriebsmodus und einen Rückgewinnungsmodus. Im Antriebsmodus wird über eine Dreiphasen-Gleichrichterbrückenschaltung, die aus einer Anordnung von gleichrichtenden Bauteilen wie zum Beispiel Dioden zusammengesetzt ist, Leistung an einen Wechselrichter abgegeben. Andererseits wird im Rückgewinnungsmodus eine Vielzahl von selbsttätig ein- und ausschaltenden Leistungsbauteilen wie zum Beispiel IGBTs (Insulated Gate Bipolar mode Transistors), die invers parallel mit der Vielzahl von Dioden der Dreiphasen-Gleichrichterbrückenschaltung verbunden sind, an- und abgeschaltet, entsprechend der Phase der Stromversorgung, so dass die rückgewonnene Energie aus dem Wechselrichter zurück in das Eingangsnetzteil gespeist wird. Der Dreiphasen-Gleichrichter in Brückenschaltung muss zwischen zwei Betriebsmodi entsprechend der Polarität der durch den Gleichrichter fließenden Leistung umgeschaltet werden.
Die Entscheidung von dem Rückgewinnungsmodus in den Antriebsmodus zu schalten, wird im Allgemeinen aufgrund der Polarität des Momentanwerts der durch den Gleichrichter fließenden effektiven Leistung gefällt. Folglich können Fehler auftreten, in denen der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters endet, obwohl der Wechselrichter weiterhin rückgewonnene Energie abgibt. In diesem Fall treten Spannungsschwankungen in der vom Gleichrichter ausgegebenen Gleichspannung auf, die negative Auswirkungen auf den Motorsteuerungsvorgang haben. Andererseits können Fehler auftreten, wenn der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters selbst dann nicht endet, wenn die Abgabe rückgewonnener Energie aus dem Wechselrichter schon beendet wurde. In einem solchen Fall fließt ein überlagerter Wechselstrom zwischen der Wechselstromversorgung und dem Glättungskondensator in der Antriebsvorrichtung der negative Auswirkungen auf den Glättungskondensator hat.
Um sich dieser Probleme anzunehmen, offenbart das Patentdokument 2 einen Leistungsrückgewinnungswandler, der mit einem Korrekturmittel zur Korrektur der Rückgewinnungsstrom-Abtastphase ausgestattet ist, anhand dessen die Entscheidung getroffen wird, den Rückgewinnungsbetrieb zu beenden. Das Patentdokument 2 gibt an, dass mit dem Bereitstellen des Korrekturmittels der Rückgewinnungsbetrieb zuverlässig ausgeführt und beendet werden kann und zwar selbst in Gegenwart einer harmonischen Verzerrung in der Versorgungsspannung (siehe Abs. 0013 und 0014 des Patentdokuments 2). Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird jedoch die Entscheidung danach gefällt, dass der Strom in der korrigierten Rückgewinnungsstrom-Abtastphase unter einen vorgegebenen Wert fällt, wobei jedoch keine Garantie dafür besteht, dass der Rückgewinnungsbetrieb aufgrund dieser Entscheidung zuverlässig beendet wird. Dafür, dass eine zuverlässige Entscheidung zum Anhalten des Rückgewinnungsbetrieb gefällt wird, ist es jedoch unverzichtbar, die effektive Leistung zu überwachen.
Patentveröffentlichung 1: Japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung Nr. H06 62584
Patentveröffentlichung 2: Japanische nicht geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2004 180427
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme gemacht und es ist ein Ziel der Erfindung, eine Motorantriebsvorrichtung zu schaffen, bei der Vorkehrungen getroffen sind, die sicherstellen, dass der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters fortdauert, so lange die Abgabe der rückgewonnenen Energie vom Wechselrichter andauert, und dass der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters endet, sowie die Abgabe von rückgewonnener Energie vom Wechselrichter endet.
Um das oben angegebene Ziel zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Motorantriebsvorrichtung vorgesehen, die mit einem Gleichrichter für die Umwandlung von Wechselstrom aus einer Dreiphasenstromversorgung in Gleichstrom sowie einem Wechselrichter zum Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom einer gewünschten Frequenz ausgerüstet ist, und die zum Ausführen einer Energierückgewinnung durch Steuerung des Gleichrichters konfiguriert ist, wobei die Motorantriebsvorrichtung umfasst: eine Erfassungseinheit, die eine Eingangsspannung sowie einen Eingangsstrom erfasst, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung abgegebene werden; eine Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung, die aufgrund der von der Erfassungseinheit erfassten Eingangsspannung und Eingangsstrom die von dem Gleichrichter an den Wechselrichter abgegebene momentane effektive Leistung errechnet; eine Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit, die aufgrund des Werts der von der Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung berechneten Leistung eine Gleichstromkomponente der von dem Gleichrichter an den Wechselrichter abgegebenen effektiven Leistung berechnet; und eine Entscheidungseinheit für das Beenden des Rückgewinnungsbetriebs, die den Wert der von der Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit berechneten Gleichstromkomponente mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und die, wenn der Wert der Gleichstromkomponente größer als der Schwellenwert ist, entscheidet, dass ein Energierückgewinnungsbetrieb zum Einspeisen rückgewonnener Energie von dem Wechselrichter zurück in die Dreiphasenstromversorgung beendet wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel berechnet die Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit die Gleichstromkomponente unter Verwendung eines Gleitenden-Mittelwert-Filters oder eines Tiefpassfilters erster Ordnung.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt die Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung als ein Rechenergebnis eine Summe von Produkten aus, die jeweils durch das phasenweise Multiplizierender Eingangsspannung mit dem Eingangsstrom, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung abgegebenen und von der Erfassungseinheit erfasst werden, gewonnen wurden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel gibt die Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung als ein Rechenergebnis eine Summe von Produkten aus, die jeweils durch Koordinatentransformation (α–β Transformation) der Eingangsspannung und des Eingangsstroms, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung abgegebenen und von der Erfassungseinheit erfasst werden, in eine Zweiphasen-Wechselspannung und einen Zweiphasen-Wechselstrom in einem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem), äquivalent der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom in einem Dreiphasen-Wechselstrom-Koordinatensystem, und durch eine phasenweise Multiplikation der Zweiphasen-Wechselspannung mit dem Zweiphasen-Wechselstrom gewonnen wurden.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel gibt die Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung als ein Rechenergebnis eine Summe von Produkten aus, die jeweils durch Koordinatentransformation (α–β Transformation) der Eingangsspannung und des Eingangsstroms, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung abgegebenen und von der Erfassungseinheit erfasst werden, in eine Zweiphasen-Wechselspannung und einen Zweiphasen-Wechselstrom in einem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem), äquivalent der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom in einem Dreiphasen-Wechselstrom-Koordinatensystem, durch Koordinatentransformation (d–q Transformation) der Zweiphasen-Wechselspannung und des Zweiphasen-Wechselstroms in dem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem), in eine Zweiphasen-Wechselspannung und einen Zweiphasen-Wechselstrom in einem rotierenden Koordinatensystem (d–q Koordinatensystem), äquivalent zu der Zweiphasen-Wechselspannung und den Zweiphasen-Wechselstrom in dem ortsfesten Koordinatensystem, und durch eine phasenweise Multiplikation der Zweiphasen-Wechselspannung mit dem Zweiphasen-Wechselstrom in dem rotierenden Koordinatensystem (d–q Koordinatensystem) gewonnen wurden.
Bei der Motorantriebsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird, auf Grundlage der durch den Gleichrichter fließenden momentanen effektiven Leistung, die Gleichstromkomponente (Mittlere Leistung) der effektiven Leistung durch Entfernen harmonischer Komponenten (Überlagerter Wechselstromkomponenten) extrahiert, und es wird auf Grundlage der Gleichstromkomponente eine Entscheidung gefällt, ob vom Rückgewinnungsbetrieb auf den Antriebsbetrieb umgeschaltet werden soll. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters fortdauert, solange die Abgabe rückgewonnener Energie vom Wechselrichter fortdauert und dass der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters beendet wird, wenn die Abgabe rückgewonnener Energie vom Wechselrichter endet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen:
1 ein Blockschaltbild ist, das ein Konfigurationsbeispiel einer Motorantriebsvorrichtung zeigt, die einen Dreiphasen-Gleichrichter in Brückenschaltung verwendet;
2 ein Blockschaltbild ist, das den Antriebsbetrieb des Gleichrichters der in 1 gezeigten Motorantriebsvorrichtung verdeutlicht;
3 ein Blockschaltbild ist, das den Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters der in 1 gezeigten Motorantriebssteuerung verdeutlicht;
4 ein Zeitdiagramm ist, das das Ein- und Ausschaltmuster jedes Halbleiterschalters während des Rückgewinnungsbetriebs zeigt;
5 ein Diagramm ist, das das mit dem oben genannten Stand der Technik verbundene Problem verdeutlicht, und
6 ein Blockschaltbild ist, das ein Ausführungsbeispiel einer Motorantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Zur Erleichterung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters der Motorantriebsvorrichtung und das im Stand der Technik aufgetretene Problem erläutert. 1 ist ein Blockschaltbild, das ein Konfigurationsbeispiel einer Motorantriebsvorrichtung zeigt, die einen Dreiphasen-Gleichrichter in Brückenschaltung verwendet. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 102 einen Motor, 104 eine Dreiphasenstromversorgung, 106 einen Wechselrichter und 108 einen Gleichrichter (von dem hier nur die Hauptschaltung dargestellt ist). Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 112 einen Dreiphaseneingangsspannungs-Erfassungsschaltkreis, 114 einen Dreiphaseneingangsstrom-Erfassungsschaltkreis, 116 einen Gleichspannungs-Erfassungsschaltkreis und 120 eine Gleichrichtersteuereinheit.
Der Gleichrichter 108 umfasst eine Dreiphasen-Gleichrichterbrückenschaltung und einen Glättungskondensator. Jeweils ein IGBT (Insulated Gate Bipolar mode Transistor), als ein selbst abschaltender Halbleiterschalter, ist mit je einer Diode der Dreiphasen-Gleichrichterbrückenschaltung in Gegentaktschaltung verbunden. Die Kathode der Diode ist mit dem Kollektor des Transistors verbunden und die Anode der Diode ist mit dem Emitter des Transistors verbunden. Der Gleichrichter 108 arbeitet durch Umschalten zwischen dem Antriebsmodus und dem Rückgewinnungsmodus.
Der Wechselrichter 106 ist zum Beispiel ein Dreiphasen-Spannungsquellen-PWM-Wechselrichter und wandelt die vom Gleichrichter 108 abgegebene Gleichstromleistung in eine für die Motorsteuerung geeignete Wechselstromleistung um. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist nur ein Wechselrichter vorgesehen, aber eine Vielzahl von Wechselrichtern kann parallel zwischen die Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse geschaltet werden.
Die Gleichrichtersteuereinheit 120 entnimmt als Eingangssignale von den jeweiligen Erfassungsschaltungen 112, 114 und 116 die, von der Dreiphasenstromversorgung 104 an den Gleichrichter 108 abgegebenen Phasenspannungen und -ströme sowie die Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters 108. Dann fällt die Gleichrichtersteuereinheit 120 eine Entscheidung vom Antriebsbetrieb auf den Rückgewinnungsbetrieb umzuschalten oder vom Rückgewinnungsbetrieb auf den Antriebsbetrieb umzuschalten und gibt Steuersignale zum Öffnen und Schließen der entsprechenden Halbleiter-Schaltelemente im Gleichrichter 108 ab.
Die 2 und 3 sind Blockschaltbilder, die den Antriebsbetrieb und den Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters der in 1 gezeigten Motorantriebsvorrichtung verdeutlichen. Im Antriebsbetrieb des Gleichrichters, d. h. wenn elektrische Leistung an den Wechselrichter abgegeben wird, sind alle Halbleiterschalter (Transistoren) unter Steuerung der Gleichrichtersteuereinheit 120 ausgeschaltet und die elektrische Energie wird über die Dioden in der Dreiphasen-Brückengleichrichterschaltung an den Wechselrichter abgegeben, wie dies in 2 dargestellt ist. Andererseits wird im Rückgewinnungsbetrieb, d. h. wenn der Wechselrichter elektrische Energie abgibt, die rückgewonnene Energie vom Wechselrichter zurück in die Stromversorgung eingespeist, wie dies in 3 dargestellt ist, wobei die Gleichrichtersteuereinheit 120 das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter entsprechend des Phasenwinkels der Stromversorgung steuert.
Die 4 ist ein Zeitdiagramm, das das Ein- und Ausschaltmuster jedes Halbleiterschalters während des Rückgewinnungsbetriebs zeigt. Im Rückgewinnungsbetrieb wird der mit der größten Spannungsphase, der Dreiphasen-Versorgungsspannungen, d. h. der Spannung der R-Phase, der Spannung der S-Phase und der Spannung der T-Phase, verbundene Halbleiter und der mit der geringsten Spannungsphaseverbundene Halbleiter gesteuert von der Gleichrichtersteuereinheit 120 eingeschaltet und die anderen Halbleiterschalter werden abgeschaltet gehalten.
Die größte Spannungsphase und die kleinste Spannungsphase ändern sich entsprechend den Phasenwinkeln der Stromversorgung, wie in dem Zeitdiagramm der 4 oben dargestellt. Folglich steuert die Gleichrichtersteuereinheit 120 das Ein- und Ausschalten der entsprechenden Halbleiterschalter, wie im Zeitdiagramm der 4 unten dargestellt. Da jeder Halbleiterschalter für eine Spanne von 120° leitet, wird dieser Modus auch als 120°-Konduktions- bzw. Durchlassmodus bezeichnet. Die in den angegebenen Patentdokumenten 1 und 2 offenbarten Techniken betreffen Verbesserungen bei der Steuerungstechnik des 120°-Konduktionsmodus.
Als nächstes wird beschrieben, wie die Entscheidung zum Umschalten des Betriebs zwischen dem Antriebsmodus und dem Rückgewinnungsmodus in der Gleichrichtersteuereinheit 120 gefällt wird. Zunächst wird die Entscheidung zum Einleiten des Rückgewinnungsbetriebs beschrieben, d. h. die Bedingung aufgrund derer eine Entscheidung gefällt wird, dass aus dem Antriebsmodus in den Rückgewinnungsmodus zu schalten ist. Wenn der Gleichrichter 108 im Antriebsmodus arbeitet, d. h. wenn alle Halbleiterschalter ausgeschaltet sind und wenn zurück gewonnene Energie vom Wechselrichter 106 abgegeben wird, wird die Ladung im Glättungskondensator gespeichert, was bewirkt, dass das Potenzial am Gleichspannungsausgang des Gleichrichters 108 zunimmt. Beim Fällen der Entscheidung zum Einleiten des Rückgewinnungsbetriebs wird die Ausgangsgleichspannung ermittelt und

(i) wenn das Potenzial am Gleichspannungsausgang einen vorgegebenen Wert überschritten hat, oder
(ii) wenn die Potenzialdifferenz zwischen der Ausgangsgleichspannung und der Amplitude der Spannung zwischen den Phasen der Dreiphasenstromversorgung einen vorgegebenen Wert überschritten hat,

Als nächstes wird beschrieben, wie die Entscheidung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs gefällt wird, d. h. die Bedingung aufgrund derer eine Entscheidung gefällt wird, dass aus dem Rückgewinnungsmodus in den Antriebsmodus zu schalten ist. Wenn die Abgabe der rückgewonnenen Energie vom Wechselrichter 106 endet, wird das Vorzeichen der durch den Gleichrichter fließenden effektiven Leistung ”nicht-negativ”. Der hier verwendete Sprachgebrauch ist, dass die Polarität ”positiv” in der Richtung ist, in der Leistung an den Wechselrichter 106 abgegeben wird, und ”negativ” in der umgekehrten Richtung. Im Entscheidungsfindungsprozess zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebes wird die momentane effektive Leistung, das heißt der Momentanwert der effektiven Leistung, erfasst und

(i) falls der Wert der momentanen effektiven Leistung einen vorgegebenen Wert überschreitet,

5 ist ein Diagramm, das das mit dem oben genannten Stand der Technik verbundene Problem verdeutlicht, indem es ein Beispiel der Wellenform der durch den Gleichrichter 108 fließenden Leistung zeigt, wenn der durch den Wechselrichter 106 angetriebene Motor 102 beschleunigt und verzögert. Ein harmonische Komponenten enthaltender Strom fließt in den Dreiphasen-Gleichrichter in Brückenschaltung. Daher weist die durch den Gleichrichter 108 fließende momentane effektive Leistung eine Wellenform auf, die harmonische Komponenten (überlagerte Wechselstromkomponenten), so wie in 5 dargestellt, enthält.
Nachdem der Motor 102 angefangen hat sich zu verlangsamen, und der Gleichrichter 108 in den Rückgewinnungsbetriebsmodus geschaltet wurde, ist es wünschenswert, dass

(i) der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters für die ganze Periode der Motorverlangsamung andauert (rückgewonnene Energie wird vom Wechselrichter abgebeben), und dass
(ii) der Rückgewinnungsbetrieb des Gleichrichters nachdem Stoppen des Motors endet (nachdem die Abgabe der rückgewonnenen Energie vom Wechselrichter beendet ist).

Wenn die Entscheidung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs auf Grundlage der durch den Gleichrichter fließenden momentanen effektiven Leistung gefällt wird, kann zum Beispiel für eine Region A, d. h. eine Region die derart beschaffen ist, dass obwohl die Polarität der Gleichstromkomponente negativ ist, sprich obwohl im Mittel weiterhin rückgewonnene Energie vom Wechselrichter abgegeben wird, die Polarität der momentanen effektiven Leistung positiv wird, da der überlagerte Wechselstrom größer als die Gleichspannungskomponente der momentanen effektiven Leistung ist.
Da sich in diesem Fall der Motor eigentlich noch immer im Verlangsamungsvorgang befindet, und der Wechselrichter weiterhin rückgewonnene Energie abgibt, wird die Ladung in dem Glättungskondensator gespeichert, so dass die Ausgangsgleichspannung steigt. Wenn die Ausgangsgleichspannung steigt, ist die Bedingung zum Einleiten des Rückgewinnungsbetriebs erfüllt und die Rückgewinnung wird erneut gestartet, woraufhin die Ausgangsgleichspannung fällt. Wenn danach die momentane effektive Leistung positiv wird, ist die Bedingung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs abermals erfüllt. Da sich dieser Vorgang wiederholt, schwankt die Ausgangsgleichspannung stark, wodurch der Stromsteuerbetrieb des Wechselrichters nachteilig beeinflusst wird.
Unmittelbar nach dem Stoppen des Motors folgt eine Region B, d. h. eine Region die derart beschaffen ist, dass obwohl die Polarität der Gleichstromkomponente positiv ist, sprich obwohl Leistung von der Dreiphasenstromversorgung an dem Wechselrichter abgeben wird, die Polarität der momentanen effektiven Leistung negativ wird, da der überlagerte Wechselstrom größer als die Gleichspannungskomponente der momentanen effektiven Leistung ist. Daher entsteht eine Situation, dass, wenn der Entscheidungsfindungstakt zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs mit dem Takt der überlagerten Wechselstrom-Leistung übereinstimmt, die Bedingung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs nicht erfüllt ist, selbst nach dem der Motor stillsteht. In diesen Fall fließt weiterhin ein harmonischer Strom zwischen dem Eingangsnetzteil und dem Glättungskondensator, was negative Auswirkungen auf den Glättungskondensator hat.
Vor diesem Hintergrund extrahiert die vorliegende Erfindung die Gleichstromkomponente (mittlere Leistung) durch das Entfernen harmonischer Komponenten (überlagerte Wechselstromkomponenten) aus der durch den Gleichrichter fließenden momentanen effektiven Leistung und fällt auf Grundlage der Polarität der Gleichstromkomponente eine Entscheidung darüber, ob aus dem Rückgewinnungsbetrieb in den Antriebsbetrieb zu schalten ist oder nicht, um dadurch sicherzustellen, dass

(i) der Rückgewinnungsbetrieb so lange andauert, wie rückgewonnenen Energie vom Wechselrichter abgegeben wird, und dass
(ii) der Rückgewinnungsbetrieb endet, wenn keine rückgewonnene Energie mehr vom Wechselrichter abgegeben wird.

Die 6 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Motorantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. In 6 entspricht der Motor 102, die Dreiphasenstromversorgung 104, der Wechselrichter 106, der Gleichrichter 108, der Dreiphaseneingangsspannungs-Erfassungsschaltkreis 112, der Dreiphaseneingangsstrom-Erfassungsschaltkreis 114 und der Gleichspannungs-Erfassungsschaltkreis 116 den in 1 dargestellten.
Andererseits umfasst eine Gleichrichter-Steuereinheit 620 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Stromversorgungs-Phasenwinkel-Berechnungseinheit 622, eine Spannungsamplituden-Berechnungseinheit 624, eine Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung, eine Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit 628, eine Entscheidungseinheit 630 für das Einleiten des Rückgewinnungsbetriebs, eine Entscheidungseinheit 632 für das Beenden des Rückgewinnungsbetriebs und eine Schaltmuster-Berechnungseinheit 634.
Die Stromversorgungs-Phasenwinkel-Berechnungseinheit 622 berechnet auf Grundlage einer vom Dreiphaseneingangsspannungs-Erfassungsschaltkreis 112 ermittelten Veränderung der Phasenspannung (R Phase, S Phase, T Phase) die Phase (elektrische Winkel) der an der Dreiphasenstromversorgung 104 gerade anliegt. Andererseits berechnet die Spannungsamplituden-Berechnungseinheit 624, auf Grundlage der vom Dreiphaseneingangsspannungs-Erfassungsschaltkreis 112 ermittelten jeweiligen Phasenspannungen, die Amplitude der Phase zu Phase Spannung der Dreiphasenstromversorgung 104.
Aufgrund der vom Gleichspannungs-Erfassungsschaltkreis 116 ermittelten anliegenden Gleichspannung und der von der Spannungsamplituden-Berechnungseinheit 624 berechneten Amplitude der Phase zu Phase Spannung der Dreiphasenstromversorgung führt die Entscheidungseinheit 630 für das Einleiten des Rückgewinnungsbetriebs eine Auswertung aus, um zu bestimmen, dass die Bedingung zum Einleiten des Rückgewinnungsbetriebs erfüllt ist, wenn der Potentialunterschied zwischen der Ausgangsgleichspannung und der Amplitude der Phase zu Phase Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Anschließend wird beschrieben, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Entscheidung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs gefällt wird. Aufgrund der von dem Dreiphaseneingangsspannungs-Erfassungsschaltkreis 112 ermittelten jeweiligen Phasenspannungen und der von dem Dreiphaseneingangsstrom-Erfassungsschaltkreis 114 ermittelten jeweiligen Phasenströme, berechnet die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung die von der Dreiphasenstromversorgung 104 an den Gleichrichter 108 sowie die vom Gleichrichter 108 an den Wechselrichter 106 abgegebene momentane effektive Leistung. Für diese Berechnung verwendet die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung eine der drei folgenden Berechnungsmethoden.
Bei der ersten Berechnungsmethode der momentanen effektiven Leistung werden die von der Dreiphasenstromversorgung abgegebenen Eingangsspannungen v_a, v_b und v_c mit den Eingangsströmen i_a, i_b und i_c miteinander auf Phase zu Phase Basis multipliziert, wobei die Summe der Produkte dann das Ergebnis der Berechnung ist. Konkret, wenn der Dreiphasen-Eingangs-Wechselspannungs-Vektor v_abc und der Dreiphasen-Eingangs-Wechselstrom-Vektor i_abc des Gleichrichters 108 entsprechend festgelegt werden zu,
berechnet die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung die momentane effektive Leistung P zu: P = v_a·i_a + v_b·i_b + v_c·i_c
Bei der zweiten Berechnungsmethode der momentanen effektiven Leistung werden die von der Dreiphasenstromversorgung abgegebenen Eingangspannungen und Eingangsströme in Zweiphasen-Wechselspannungen und Zweiphasen-Wechselströme in einem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem), die den Eingangsspannungen und Eingangsströmen in dem Dreiphasen-Koordinatensystem entsprechen, koordinatentransformiert (der Vorgang ist allgemein unter der Bezeichnung α–β Transformation bekannt); dann werden die Zweiphasen-Wechselspannungen und die Zweiphasen-Wechselströme auf einer Phase zu Phase Basis miteinander multipliziert, wobei die Summe der Produkte dann das Ergebnis der Berechnung ist. Konkret wendet die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung die nachfolgende Koordinaten-Transformation (α–β Transformation) auf den Dreiphasen-Eingangs-Wechselspannungs-Vektor v_abc und der Dreiphasen-Eingangs-Wechselstrom-Vektor i_abc des Gleichrichters 108 an, um diese in den Zweiphasen-Wechselspannungs-Vektor v_αβ und den Zweiphasen-Wechselstrom-Vektor i_αβ in dem ortsfesten Koordinatensystem umzuwandeln,
dann berechnet die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung die momentane effektive Leistung P zu: P = v_α·i_α + v_β·i_β
Bei der dritten Berechnungsmethode der momentanen effektiven Leistung werden die Zweiphasen-Wechselspannungen und Zweiphasen-Wechselströme in dem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem) nochmals in Zweiphasen-Wechselspannungen und Zweiphasen-Wechselströme in einem rotierenden Koordinatensystem (d–q Koordinatensystem), die den Zweiphasen-Wechselspannungen und den Zweiphasen-Wechselströmen im ortsfesten Koordinatensystem entsprechen, koordinatentransformiert (dieser der Vorgang ist allgemein unter der Bezeichnung d–q Transformation bekannt); dann werden die Zweiphasen-Wechselspannungen und die Zweiphasen-Wechselströme in dem rotierenden Koordinatensystem auf einer Phase zu Phase Basis miteinander multipliziert, wobei die Summe der Produkte dann das Ergebnis der Berechnung ist. Konkret wendet die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung die nachfolgende Koordinaten-Transformation (d–q Transformation) auf den Zweiphasen-Wechselspannungs-Vektor Vαβ und den Zweiphasen-Wechselstrom-Vektor i_αβ in dem ortsfesten Koordinatensystem an, um diese in den Zweiphasen-Wechselspannungs-Vektor v_dq und den Zweiphasen-Wechselstrom-Vektor i_dq in dem rotierenden Koordinatensystem umzuwandeln,
wobei θ die Phase des Spannungs-Vektors v_αβ bezeichnet.
Dann berechnet die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung die momentane effektive Leistung P zu: P = v_d·i_d + v_q·i_q
Wenn die Eingangsnetzspannung eine symmetrische Dreiphasen-Wellenform mit einem Phasenspannungs-Effektivwert E ist, können der Dreiphasen-Eingangsspannungs-Vektor v_abc, der Zweiphasen-Wechselspannungs-Vektor v_αβ in dem ortsfesten Koordinatensystem und der Zweiphasen-Wechselspannungs-Vektor v_dq im rotierenden Koordinatensystem jeweils angegeben werden als:
Somit ergibt sich die momentane effektive Leistung P aus: P = √3·E·i_d ∝ i_d
Dies bedeutet, dass P proportional zum d-Phasenstrom (effektiver Strom) ist. Dementsprechend kann die Entscheidung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs durch das Verwenden des d-Phasenstroms (effektiver Strom) als Berechnungsergebnis der Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung getroffen werden.
Anschließend berechnet die Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit 628, auf Grundlage des durch die Berechnungseinheit 626 für die momentane effektive Leistung berechneten Werts der Leistung, die Gleichstromkomponente der von dem Gleichrichter 108 an den Wechselrichter 106 abgegebenen effektiven Leistung. Konkret extrahiert die Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit 628, so wie in 5 dargestellt, unter Verwendung eines Gleitenden-Mittelwert-Filters oder eines Tiefpassfilters erster Ordnung, die Gleichstromkomponente durch das Entfernen der harmonischen Komponenten aus der momentanen effektiven Leistung.
Dann vergleicht die Entscheidungseinheit 632 für das Beenden des Rückgewinnungsbetriebs den von der Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit 628 berechneten Wert der Gleichstromkomponente mit einem vorgegebenen Schwellenwert und, wenn der Wert der Gleichstromkomponente größer als der Schwellenwert ist, erkennt die Entscheidungseinheit 632 für das Beenden des Rückgewinnungsbetriebs, dass die Bedingung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs erfüllt ist.
Die Schaltmuster-Berechnungseinheit 634 steuert den Gleichrichter 108 derart, dass dieser den Rückgewinnungsbetrieb von dem Zeitpunkt an ausführt, zu dem die Entscheidungseinheit 630 für das Einleiten des Rückgewinnungsbetriebs erkennt, dass die Bedingung für den Rückgewinnungsbetrieb erfüllt ist, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Entscheidungseinheit 632 für das Beenden des Rückgewinnungsbetriebs erkennt, dass die Bedingung zum Beenden des Rückgewinnungsbetriebs erfüllt ist. Das heißt, durch die Berücksichtigung der von der Stromversorgungs-Phasenwinkel-Berechnungseinheit 622 bereitgestellten Stromversorgungs-Phasen-Information gibt die Schaltmuster-Berechnungseinheit 634, so wie in 4 gezeigt, Halbleiter Ein- und Ausschaltsignale aus, die den jeweiligen Stromversorgungs-Phasenwinkeln entsprechen.
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, da die Entscheidung, ob der Rückgewinnungsbetrieb zu beenden ist oder nicht, auf Grundlage der durch das Entfernen der harmonischen Komponente von der durch den Gleichrichter fließenden effektiven Leistungextrahierten Gleichstromkomponente (mittlere Leistung) gefällt wird, kann mit der vorliegenden Erfindung sichergestellt werden, dass der Rückgewinnungsbetrieb so lange andauert, so lange der Wechselrichter Leistung abgibt, und dass der Rückgewinnungsbetrieb endet, wenn der Wechselrichter keine Energie mehr abgibt.
Die Erfindung kann in anderen Ausführungsbeispielen umgesetzt werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist daher, nur als alte Aspekte der Erfindung darstellend und als nicht einschränkend zu betrachten, wobei der Rahmen der vorliegenden Erfindung eher durch die beigefügten Patentansprüche als durch die vorangegangene Beschreibung bestimmt ist und es daher vorgesehen ist, dass alle Abänderungen die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, von diesen umfasst sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 0662584 [0005]
JP 2004180427 [0005]

Claims

Eine Motorantriebsvorrichtung ausgerüstet mit einem Gleichrichter (108) für die Umwandlung von Wechselstrom aus einer Dreiphasenstromversorgung (104) in Gleichstrom sowie einem Wechselrichter (106) zum Umwandeln des Gleichstroms in Wechselstrom einer gewünschten Frequenz, und die zum Ausführen einer Energierückgewinnung durch Steuerung des Gleichrichters (108) konfiguriert ist, wobei die Motorantriebsvorrichtung umfasst: eine Erfassungseinheit (112, 114), die eine Eingangsspannung sowie einen Eingangsstrom erfasst, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung (104) abgegebene werden; eine Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung (626), die aufgrund der von der Erfassungseinheit (112, 114) erfassten Eingangsspannung und Eingangsstrom die von dem Gleichrichter (108) an den Wechselrichter (106) abgegebene momentane effektive Leistung errechnet; eine Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit (628), die aufgrund des Werts der von der Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung (626) berechneten Leistung eine Gleichstromkomponente der von dem Gleichrichter (108) an den Wechselrichter (106) abgegebenen effektiven Leistung berechnet; und eine Entscheidungseinheit für das Beenden des Rückgewinnungsbetriebs (632), die den Wert der von der Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit (628) berechneten Gleichstromkomponente mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht und die, wenn der Wert der Gleichstromkomponente größer als der Schwellenwert ist, entscheidet, dass ein Energierückgewinnungsbetrieb zum Einspeisen rückgewonnener Energie von dem Wechselrichter (106) zurück in die Dreiphasenstromversorgung (104) beendet wird.
Eine Motorantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gleichstromkomponenten-Berechnungseinheit (628) die Gleichstromkomponente unter Verwendung eines Gleitenden-Mittelwert-Filters oder eines Tiefpassfilters erster Ordnung berechnet.
Eine Motorantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung (626) als ein Rechenergebnis eine Summe von Produkten ausgibt, die jeweils durch das phasenweise Multiplizieren der Eingangsspannung mit dem Eingangsstrom, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung (104) abgegebenen und von der Erfassungseinheit (112, 114) erfasst werden, gewonnen wurden.
Eine Motorantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung (626) als ein Rechenergebnis eine Summe von Produkten ausgibt, die jeweils durch Koordinatentransformation (α–β Transformation) der Eingangsspannung und des Eingangsstroms, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung (104) abgegebenen und von der Erfassungseinheit (112, 114) erfasst werden, in eine Zweiphasen-Wechselspannung und einen Zweiphasen-Wechselstrom in einem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem), äquivalent der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom in einem Dreiphasen-Wechselstrom-Koordinatensystem, und durch eine phasenweise Multiplikation der Zweiphasen-Wechselspannung mit dem Zweiphasen-Wechselstrom gewonnen wurden.
Eine Motorantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Berechnungseinheit für die momentane effektive Leistung (626) als ein Rechenergebnis eine Summe von Produkten ausgibt, die jeweils durch Koordinatentransformation (α–β Transformation) der Eingangsspannung und des Eingangsstroms, die jeweils von der Dreiphasenstromversorgung (104) abgegebenen und von der Erfassungseinheit (112, 114) erfasst werden, in eine Zweiphasen-Wechselspannung und einen Zweiphasen-Wechselstrom in einem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem), äquivalent der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom in einem Dreiphasen-Wechselstrom-Koordinatensystem, durch Koordinatentransformation (d–q Transformation) der Zweiphasen-Wechselspannung und des Zweiphasen-Wechselstroms in dem ortsfesten Koordinatensystem (α–β Koordinatensystem), in eine Zweiphasen-Wechselspannung und einen Zweiphasen-Wechselstrom in einem rotierenden Koordinatensystem (d–q Koordinatensystem), äquivalent zu der Zweiphasen-Wechselspannung und den Zweiphasen-Wechselstrom in dem ortsfesten Koordinatensystem, und durch eine phasenweise Multiplikation der Zweiphasen-Wechselspannung mit dem Zweiphasen-Wechselstrom in dem rotierenden Koordinatensystem (d–q Koordinatensystem) gewonnen wurden.