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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Motoransteuervorrichtung, die einen Stromrichter aufweist, der die Energieversorgung eines dreiphasigen Wechselstrommotors aus einer dreiphasigen Wechselstromversorgung übernimmt, und einen Energierückgewinnungsbetrieb, in dem von dem dreiphasigen Wechselstrommotor erzeugte Energie in die dreiphasige Wechselstromversorgung zurückgespeist wird.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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In einer Motoransteuervorrichtung, die eine Werkzeugmaschine, eine Industriemaschine, einen Roboter usw. ansteuert, wird häufig ein PWM-Stromrichtersystem (PWM = Pulse Width Modulation, Pulsbreitenmodulation) eingesetzt, das die Form der jeweiligen Eingangsströme mit einer PWM-Steuerung in einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf umsetzt. Die PWM-Steuerung erfolgt mit Leistungsschaltbauteilen für die Wechselstrom/Gleichstrom-Umsetzung, die eine eingegebene Wechselstromleistung in Gleichstromleistung umsetzt.
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Dieses PWM-Stromrichtersystem ist insofern vorteilhaft, als man in den jeweiligen Eingangsströmen des PWM-Stromrichtersystems enthaltene Harmonische verringern kann, man die jeweils vom PWM-Stromrichtersystem ausgegebenen Gleichspannungen verändern kann, usw. Bei einem Energierückgewinnungsbetrieb zum Zurückführen von Energie, die ein Motor erzeugt, in eine Stromversorgung, beispielsweise bei einer Verzögerungssteuerung des Motors, ist jedoch die durch das Schalten der Leistungsschaltbauteile in der PWM-Steuerung erzeugte Wärme größer als bei der Energierückgewinnung mit einem 120-Grad-Stromführungssystem, siehe unten und beispielsweise die Beschreibung in der geprüften japanischen Patentschrift (Kokai) Nr. 6-62584 (
JP6-62584A ).
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Damit ist es herkömmlicherweise erforderlich, das PWM-Stromrichtersystem anzuhalten, um zu verhindern, dass es sich überhitzt, falls die Last eines im PWM-Stromrichtersystem verwendeten Stromrichters zu stark anwächst.
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Dagegen sind bei der Energierückgewinnung mit einem 120-Grad-Stromführungssystem, wie es häufig bei einer herkömmlichen Energierückgewinnung verwendet wird, nur zwei Leistungsschaltbauteile von sechs Leistungsschaltbauteilen eingeschaltet, damit entsprechende Energierückgewinnungsströme in einer Phase erzeugt werden, die von den drei Phasen der dreiphasigen Wechselstromversorgung das höchste elektrische Potential hat, und in einer Phase, die von den drei Phasen das geringste elektrische Potential hat. Die in diesem 120-Grad-Stromführungssystem eingesetzten Leistungsschaltbauteile erzeugen weniger Wärme als in einem PWM-Stromrichtersystem, da die Anzahl der Schaltvorgänge der Leistungsschaltbauteile, die in dem 120-Grad-Stromführungssystem verwendet werden, geringer ist als bei einem PWM-Stromrichtersystem. Das 120-Grad-Stromführungssystem hat jedoch Nachteile, beispielsweise dass in den jeweiligen Eingangsströmen für das 120-Grad-Stromführungssystem starke Harmonische enthalten sind, die von entsprechenden großen Impulsströmen stammen, dass eine plötzliche Veränderung der ausgegebenen Gleichspannung des 120-Grad-Stromführungssystems die Steuerung des Motors beeinflusst, der im 120-Grad-Stromführungssystem verwendet wird, usw. in der geprüften japanischen Patentschrift (Kokai) Nr. 8-228490 (
JP8-228,490A ) ist ein Stromrichter beschrieben, der im Energiezuführbetrieb im Diodengleichrichtermodus betrieben wird, um Schaltverluste zu verringern, und der nur im Energierückgewinnungsbetrieb mit einem PWM-Signal gesteuert wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Motoransteuervorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, den Betrieb auch bei einer übermäßigen Belastung eines Stromrichters fortzuführen, bei dem im Energierückgewinnungsbetrieb eine PWM-Steuerung des Stromrichters erfolgt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung wird eine Motoransteuervorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Stromrichter, der die Energieversorgung vornimmt und Energie aus einer dreiphasigen Wechselstromversorgung an einen dreiphasigen Motor liefert, und einen Energierückgewinnungsbetrieb zum Zurückführen von Energie, die der dreiphasige Wechselstrommotor erzeugt, in die dreiphasige Wechselstromversorgung, wobei der Stromrichter aufweist:
Leistungsschaltbauteile;
eine erste Energierückgewinnungs-Steuereinheit zum Steuern der Ein- und Ausschaltvorgänge der Leistungsschaltbauteile im Energierückgewinnungsbetrieb mit Hilfe eines Pulsbreitenmodulationssignals, dessen Impulsbreite sich abhängig von einem Wert ändert, den ein Steuersignal angibt;
eine zweite Energierückgewinnungs-Steuereinheit zum Steuern der Ein- und Ausschaltvorgänge der Leistungsschaltbauteile im Energierückgewinnungsbetrieb, um entsprechende Energierückgewinnungsströme in einer Phase zu erzeugen, die von den drei Phasen der dreiphasigen Wechselstromversorgung das höchste elektrische Potential hat, und in einer Phase, die von den drei Phasen das geringste elektrische Potential hat; und
eine Energierückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit, die die Steuerung der Ein- und Ausschaltvorgänge der Leistungsschaltbauteile im Energierückgewinnungsbetrieb umschaltet, und zwar zwischen einer Steuerung, die die erste Energierückgewinnungs-Steuereinheit ausführt, und einer Steuerung, die die zweite Energierückgewinnungs-Steuereinheit ausführt.
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Die Energierückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit wählt beispielsweise die von der ersten Energierückgewinnungs-Steuereinheit vorgenommene Steuerung, solange ein Parameter, der den Belastungswert des Stromrichters beim Energierückgewinnungsbetrieb angibt, kleiner oder gleich einem bestimmten Wert ist, und er schaltet auf die Steuerung um, die die zweite Energierückgewinnungs-Steuereinheit vornimmt, falls der Parameter den bestimmten Wert überschreitet.
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Der Parameter kann beispielsweise die Temperatur des Stromrichters darstellen.
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Zudem stellt der Parameter einen Schätzwert der Last der Leistungsschaltbauteile dar, der durch die Ströme bestimmt wird, die zwischen der dreiphasigen Wechselstromversorgung und dem Stromrichter fließen.
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Die Motoransteuervorrichtung kann den Betrieb fortsetzen, indem sie die Steuerung der Ein- und Ausschaltvorgänge der Leistungsschaltbauteile von der Steuerung, die die erste Energierückgewinnungs-Steuereinheit ausführt, beispielsweise eine PWM-Steuerung, auf die Steuerung umschaltet, die die zweite Energierückgewinnungs-Steuereinheit ausführt, beispielsweise eine 120-Grad-Stromführungssteuerung (für den dreiphasigen Fall), die weniger Wärme erzeugt als die PWM-Steuerung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.
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Es zeigt:
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1 eine Skizze des Aufbaus einer Motoransteuervorrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2a bis 2c Kurvenverläufe zum Erklären einer PWM-Steuerung;
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3a bis 3b Kurvenverläufe zum Erklären einer Energierückgewinnungssteuerung, die mit einem 120-Grad-Stromführungssystem vorgenommen wird;
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4 eine Kurve zum Erklären des Betriebs der Motoransteuervorrichtung, wobei der Betrieb durch Umschalten auf das 120-Grad-Stromführungssystem fortgeführt wird;
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5 ein Flussdiagramm für den Betrieb einer Energierückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit nach 1;
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6 eine Skizze des Aufbaus einer Motoransteuervorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
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7 ein Flussdiagramm für den Betrieb einer Energierückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit nach 6.
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AUSFÜHRLICHE ERKLÄRUNG
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Die Ausführungsformen der Erfindung werden im Weiteren anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen sind identische oder ähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Es wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen. 1 zeigt eine Skizze des Aufbaus einer Motoransteuervorrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung enthält einen Gleichrichter (Wechselstrom/Gleichstrom-Umsetzeinheit), der mit einem Wechselrichter (Gleichstrom/Wechselstrom-Umsetzeinheit) verbunden ist, der einen dreiphasigen Wechselstrommotor speist. Der Wechselrichter und der dreiphasige Wechselstrommotor sind in den Abbildungen nicht dargestellt.
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In 1 besteht der Stromrichter 10 aus einer Hauptschaltungseinheit 16 und einer Steuereinheit 12. Die PWM-Steuereinheit 14 in der Steuereinheit 12 erzeugt ein PWM-Signal, das für eine PWM-Steuerung ((Pulsbreitenmodulation) der Transistoren 23A bis 23F verwendet wird, die als Leistungsschaltbauteile dienen. An die Transistoren 23A bis 23F in der Hauptschaltungseinheit 16 sind sechs Gleichrichterdioden 23a bis 23f parallel und in entgegengesetzter Richtung angeschlossen. Die PWM-Steuerung wird im Folgenden anhand von 2 beschrieben. Als Leistungsschaltbauteile kann man MOSFETs, (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ähnliche Bauteile verwenden. Die 120-Grad-Stromführungs-Steuereinheit 18 erzeugt ein Steuersignal, das zur Energierückgewinnungssteuerung in einem 120-Grad-Stromführungssystem verwendet wird, wie unten anhand von 3 beschrieben wird. Das Temperaturerfassungselement 24 misst die Temperatur der Wärmesinke 22, auf der sich die Gleichrichterdioden 23a bis 23f und die Transistoren 23A bis 23F befinden, als Temperatur des Stromrichters 10 oder genauer gesagt als Temperatur der Leistungsschaltbauteile. Die Rückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit 20 schätzt den Laststatus der Leistungsschaltbauteile aus der Temperatur, die das Temperaturerfassungselement 24 ermittelt, siehe unten die Erklärung zu 4 und 5. Stellt die Rückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit 20 fest, dass ein Umschalten notwendig ist, so schaltet die Rückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit 20 gestützt auf das Schätzergebnis das Steuersignal vom PWM-Signal, das die PWM-Steuereinheit 14 an die Transistoren 23A bis 23F liefert, auf das Steuersignal um, das die 120-Grad-Stromführungs-Steuereinheit 18 liefert.
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2 zeigt Kurvenverläufe zum Erläutern der PWM-Steuerung, die die PWM-Steuereinheit 14 vornimmt. 2a zeigt eine Kurve der Spannung auf der Stromversorgungsleitung L1 der drei Stromversorgungsleitungen L1 bis L3, die die dreiphasige Wechselspannung von der dreiphasigen Wechselstromversorgung 28 zum Stromrichter 10 führen. 2b zeigt die sinusförmige PWM-Spannungsvorgabe 30, die durch die in 2a dargestellte Versorgungsspannung bestimmt wird, und die Dreieckskurve (PWM-Träger) 32 zum Erzeugen des PWM-Signals, dessen Impulsbreite sich abhängig vom PWM-Spannungsvorgabensignal ändert. Führt die PWM-Steuereinheit 14 die PWM-Steuerung aus, so wird das PWM-Spannungsvorgabensignal 30 mit der Dreieckskurve 32 verglichen. Ist das PWM-Spannungsvorgabensignal 30 größer als die Dreieckskurve 32, so wird der Transistor 23A abgeschaltet und der Transistor 23D eingeschaltet. Ist dagegen das PWM-Spannungsvorgabensignal 30 kleiner als die Dreieckskurve 32, so wird der Transistor 23A eingeschaltet und der Transistor 23D wird abgeschaltet. Die an die Stromversorgungsleitung L2 angeschlossenen Transistoren 23B, 23E und die an die Stromversorgungsleitung L3 angeschlossenen Transistoren 23C, 23F werden ähnlich wie die Transistoren 23A, 23D gesteuert, siehe oben.
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Steuert man die Transistoren 23A bis 23F wie beschrieben, so nimmt die Kurve der jeweils in den Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 fließenden Ströme einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf an, siehe 2c. Man kann die jeweils vom Stromrichter 10 ausgegebenen Gleichspannungen auch dadurch steuern, dass man die Amplitude des PWM-Spannungsvorgabensignals 30 abhängig von der Differenz zwischen der Spannung des Gleichspannungsanschlusses 26 und einem Spannungssollwert des Gleichspannungsanschlusses 26 steuert. Die PWM-Steuerung hat den Nachteil, dass die von den Leistungsschaltbauteilen, d. h. hier den Transistoren 23A bis 23F, erzeugte Wärmemenge bei der Energierückgewinnung relativ groß ist, da das Schalten der Transistoren 23A bis 23F relativ häufig erfolgt.
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3 zeigt eine Skizze zum Erläutern der Energierückgewinnungssteuerung des 120-Grad-Stromführungssystems, die in einer 120-Grad-Stromführungs-Steuereinheit 18 bei der Energierückgewinnung erfolgt. Man kann feststellen, ob der Stromrichter 10 im Energierückgewinnungsbetrieb oder im Energiezuführbetrieb arbeitet, indem man die Spannung des Gleichspannungsanschlusses 26 erfasst, die den Gleichrichter 22 mit einem Wechselrichter verbindet (in den Abbildungen nicht dargestellt). 3a zeigt den Spannungsverlauf auf der Stromversorgungsleitung L1 wie in 2a dargestellt. Auf der Stromversorgungsleitung L2 tritt eine Spannung auf, deren Phase gegen die Phase der Spannung auf der Stromversorgungsleitung L1 um 120 Grad verschoben ist (in den Abbildungen nicht dargestellt). Auf der Stromversorgungsleitung L3 tritt eine Spannung auf, deren Phase gegen die Phase der Spannung auf der Stromversorgungsleitung L1 um 240 Grad verschoben ist (in den Abbildungen nicht dargestellt). 3b zeigt ein Steuersignal, das an den Transistor 23A angelegt wird. Das an den Transistor 23A angelegte Steuersignal, siehe 3b, schaltet den Transistor 23A durch, solange das elektrische Potential der Stromversorgungsleitung L1 den höchsten Wert der drei Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 hat. Das an den Transistor 23B angelegte Steuersignal, siehe 3a und 3b, schaltet den Transistor 23B durch, solange das elektrische Potential der Stromversorgungsleitung L2 den höchsten Wert der drei Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 hat, und das an den Transistor 23C angelegte Steuersignal schaltet den Transistor 23C durch, solange das elektrische Potential der Stromversorgungsleitung L3 den höchsten Wert der drei Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 hat.
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3e zeigt ein Steuersignal, das an den Transistor 23D angelegt wird. Das an den Transistor 23D angelegte Steuersignal, siehe 3e, schaltet den Transistor 23D durch, solange das elektrische Potential der Stromversorgungsleitung L1 den geringsten Wert der drei Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 hat. Das an den Transistor 23E angelegte Steuersignal, siehe 3f und 3g, schaltet den Transistor 23E durch, solange das elektrische Potential der Stromversorgungsleitung L2 den geringsten Wert der drei Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 hat, und das an den Transistor 23F angelegte Steuersignal schaltet den Transistor 23F durch, solange das elektrische Potential der Stromversorgungsleitung L3 den geringsten Wert der drei Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 hat.
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Steuert man die Transistoren 23A bis 23F im Energierückgewinnungsbetrieb wie oben beschrieben, so werden entsprechende Energierückgewinnungsströme in einer Phase erzeugt, die von den drei Phasen das höchste elektrische Potential hat, und in einer Phase, die von den drei Phasen das geringste elektrische Potential hat. 3h zeigt den Stromverlauf, der dabei in der Stromversorgungsleitung L1 auftritt. Wie 3h zeigt, hat das 120-Grad-Stromführungssystem Nachteile, beispielsweise dass in den jeweiligen Eingangsströmen des Stromrichters starke Harmonische enthalten sind, die von grollen Impulsströmen stammen, dass eine plötzliche Veränderung der ausgegebenen Gleichspannung des Stromrichters die Steuerung des Motors beeinflusst, usw. Es hat jedoch den Vorteil, dass die von den Leistungsschaltbauteilen erzeugte Wärmemenge geringer ist als bei der PWM-Steuerung, da die Anzahl der Schaltvorgänge der Transistoren 23A bis 23F viel geringer ist als bei der PWM-Steuerung.
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Damit kann die Motoransteuervorrichtung den Betrieb fortsetzen, ohne das System anzuhalten, indem es die PWM-Steuerung im Normalbetrieb wählt, damit Harmonische unterdrückt werden, die in den jeweiligen Eingangsströmen des Stromrichters enthalten sind, und von der PWM-Steuerung auf die 120-Grad-Stromführungssteuerung umschaltet, wenn eine überhöhte Belastung des Stromrichters durch Rückgewinnungsströme vorliegt.
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In der Ausführungsform nach 1 wird die Belastung der Leistungsschaltbauteile anhand der Temperatur geschätzt, die mit dem Temperaturerfassungselement 24 erfasst wird. Ein System in der Motoransteuervorrichtung, siehe 4, hält an, wenn die Temperatur eine Systemanhaltehöhe erreicht. Die Motoransteuervorrichtung kann den Betrieb jedoch fortführen, indem sie auf die Rückgewinnungsoperation mit dem 120-Grad-Stromführungssystem umschaltet, falls die Temperatur einen Betriebsumschalt-Einstellwert erreicht, der unter der Systemanhaltehöhe liegt. Es ist zudem möglich, anstelle eines automatischen Umschaltens durch die Rückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit 20 das Umschalten durch ein Signal vorzunehmen, das der Vorrichtung von außen zugeführt wird.
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5 zeigt ein Flussdiagramm für den Betrieb der Rückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit 20, die die oben beschriebene Steuerung vornimmt. Beim Rückgewinnungsbetrieb im PWM-Modus (Schritt 1000), siehe 5, wird der Belastungszustand der Leistungsschaltbauteile aus der Temperatur geschätzt, die das Temperaturerfassungselement 24 ermittelt, das die Temperatur der Wärmesinke 22 ermittelt (Schritt 1002). Ist der Belastungszustand der Leistungsschaltbauteile geringer als die Betriebsmodus-Umschaltschwelle (Ja im Schritt 1004), so bleibt die Steuerung im PWM-Modus erhalten (Schritt 1006). Ist dagegen der Belastungszustand der Leistungsschaltbauteile größer als die Betriebsmodus-Umschaltschwelle (Nein im Schritt 1004), so wird die Steuerung aus dem PWM-Modus auf die Energierückgewinnungsteuerung mit dem 120-Grad-Stromführungssystem umgeschaltet (Schritt 1008).
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6 zeigt eine Skizze des Aufbaus einer Motoransteuervorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 7 zeigt ein Flussdiagramm für den Betrieb der Rückgewinnungsbetriebs-Schalteinheit 20' in der zweiten Ausführungsform.
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In der zweiten Ausführungsform wird der Belastungszustand der Leistungsschaltbauteile jeweils durch Stromwerte geschätzt, die mit Stromsensoren 34, 36, 38 erfasst werden, die sich an den Stromversorgungsleitungen L1 bis L3 befinden. Der Belastungszustand der Leistungsschaltbauteile wird nicht anhand der Temperatur geschätzt, die das Temperaturerfassungselement 24 in der ersten Ausführungsform erfasst. Bezeichnet man beispielsweise einen Wert der Ströme, die in den Leistungsschaltbauteilen fließen, die mit den Stromsensoren 34, 36, 38 erfasst werden, mit I(n), und bezeichnet man den Schätzwert der Belastung der Leistungsschaltbauteile mit Q(n), so wird Q(n) durch einen rekursiven Zusammenhang wie folgt bestimmt (Schritt 1102): Q(0) = 0, Q(n) = a1 ≅ Q(n-1) + a2 ≅ I2 (n) (n = 1, 2, ...), wobei a1 und a2 Konstanten sind (0 < a1 < 1; 0 < a2).
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Ist der Schätzwert Q(n) der Belastung der Leistungsschaltbauteile geringer als die Betriebsmodus-Umschaltschwelle (Ja im Schritt 1104), so bleibt die Steuerung im PWM-Modus erhalten (Schritt 1106). Ist dagegen der Schätzwert Q(n) der Last der Leistungsschaltbauteile größer als die Betriebsmodus-Umschaltschwelle (Nein im Schritt 1104), so wird die Steuerung aus dem PWM-Modus auf die Energierückgewinnungsteuerung mit dem 120-Grad-Stromführungssystem umgeschaltet (Schritt 1108).
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Die Erfindung wurde anhand besonderer Ausführungsformen beschrieben. Fachleuten ist klar, dass man daran verschiedene Änderungen und Abwandlungen vornehmen kann, ahne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der in den folgenden Ansprüchen bestimmt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 6-62584 A [0003]
- JP 8-228490 A [0005]
