DE102012201045B4 - Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors eines Drei-Phasenwandlers, Verfahren zum Steuern der Reaktivleistung von Drei-Phasenwandlern und Steuervorrichtung für Drei-Phasenwandler - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern eines Leistungsfaktors eines Drei-Phasen-Wandlers, welcher Drei-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Umwandlung zum Ausgeben von Gleichstrom unterwirft, umfassend: einen Wye-Phasenspannungsberechnungsschritt (S101) zum Berechnen von Wye-Phasenspannungen aus den Leitungsspannungen am Wechselstromeingang des Drei-Phasen-Wandlers, wobei eine Null-Phasensequenzspannung so bestimmt wird, dass die Wye-Phasenspannungen 120° außer Phase sind, einen symmetrischen Komponentenberechnungsschritt (S101) zum Berechnen symmetrischer Komponentenspannungswerte auf Grundlage der berechneten Wye-Phasenspannungen, einen Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt (S104) zum Berechnen eines Durchschnitts-Aktivleistungswertes durch Verwenden eines Ausgangsspannungswertes und eines Ausgangsstromwertes eines Gleichstromausgangs aus dem Drei-Phasen-Wandler, einen Leistungsfaktor-Steuerschritt (S105) zum Berechnen eines Durchschnitts-Reaktivleistungswertes aus dem im Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnitts-Aktivleistungswert und einem eingestellten Leistungsfaktor, einen Strombefehlswert-Erzeugungsschritt (S106) zum Berechnen eines Strombefehlswerts aus dem im Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnitts-Aktivleistungswert, dem im Leistungsfaktor-Steuerschritt berechneten Durchschnitts-Reaktivleistungswert und den im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt berechneten Komponentenspannungswerten, einen Konstantstromsteuerschritt (S106) zum Berechnen eines Konstantstrom-Steuerwertes für eine Konstantstromsteuerung aus dem Positiv-Phasensequenzspannungswert der symmetrischen Komponentenspannungswerte, dem Strombefehlswert und einem Eingangsstromwert des Drei-Phasen-Wandlers, wobei aus der Null-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung der symmetrischen Komponenten ein Kompensationssignal gebildet wird und durch ...

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf unsymmetrische Spannungskompensation anhand eines Drei-Phasen-Wandlers und genauer gesagt bezieht sie sich auf Leistungsfaktorsteuerung und Reaktivleistungssteuerung zur Verbesserung eines Leistungsfaktors und einer Reaktivleistung in einem Drei-Phasen-Wandler, der Drei-Phasen-Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.
  • 2. Beschreibung verwandten Stands der Technik
  • Es ist bekannt, dass das Auftreten einer Spannungsminderung auf der Stromversorgungsseite, wie etwa momentaner Spannungsabfall (Spannungs-„Sag”) und eine langfristige Spannungsreduktion einen Einfluss auf die Lastseite haben, die Stromversorgung aus der Stromquelle empfängt, wie etwa Produktionslinienstopp und Defekte in den hergestellten Gütern. Insbesondere, da er einen signifikanten Einfluss auf Halbleiterherstellausrüstung hat, sind bezüglich des Spannungsabfalls Standards etabliert: „SEMI F47-0200” (Nicht-Patentdokument 1) und „SEMI F47-0706” (Nicht-Patentdokument 2). Ein Testverfahrens wird in „SEMI F42-0600” beschrieben.
  • Konventionellerweise ist dieser Typ von Spannungsabfall beispielsweise durch Installation einer elektrischen Speichervorrichtung, wie etwa einem Spannungsabfallkondensator, und einer ununterbrechbaren Stromversorgung (UPS), die einen Kondensator und eine Speicherbatterie verwendet, angegangen worden. Der die elektrische Speichervorrichtung verwendende Kompensator kann eine Konfiguration aufweisen, die als eine parallele Vorrichtung entweder auf der Stromversorgungsseite oder der Lastseite zu installieren ist. Alternativ kann er als eine serielle Vorrichtung installiert werden, die zwischen der Stromversorgungsseite und der Lastseite eingefügt wird, mit einer Konfiguration, bei der das Stromsystem zum Zeitpunkt eines Spannungsabfalls umgeschaltet wird.
  • Es ist auch bekannt, dass, wenn eine kurze Unterbrechung oder ein momentaner Spannungsabfall in den Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsspannungen des AC-DC-Stromwandlers zum Umwandeln des Drei-Phasen-Wechselstroms in Gleichstrom auftritt, die Stromzufuhr an die Last durch den Spannungsabfallkompensator aufrecht erhalten wird (siehe Patentdokument 1 und Patentdokument 2 als Beispiele).
  • 16 illustriert ein Konfigurationsbeispiel eines konventionellen Spannungsfluktuationskompensators 102. 16 illustriert eine Drei-Phasen-Wechselstromversorgung 101 in der Form einer „Wye”-Verbindung mit Wechselstromquellen 101a, 101b und 101c für entsprechende Phasen. Jedoch ist es im konventionellen, die elektrische Speichervorrichtung verwendenden System belanglos, welche Verbindung eingesetzt wird, die Wye-Verbindung oder die Deltaverbindung. Der Spannungsfluktuationskompensator 102 ist zwischen der Drei-Phasen-Wechselstromquelle 101 und einer Gleichstromlast (nicht illustriert) installiert. Es ist anzumerken, dass die Drei-Phasen-Wechselstromquelle mit der elektrischen Speichervorrichtung auf sowohl die Wye-Verbindung als auch die Deltaverbindung anwendbar ist.
  • In Spannungsfluktuationskompensator 102 sind bezüglich der Phasen des Drei-Phasen-Wechselstroms (a-Phase, b-Phase und c-Phase) die Spannungskompensationsschaltung 104a, 104b und 104c für die jeweilige Phase seriell verbunden, wobei jene Spannungskompensationsschaltungen jeweils mit Kompensatore 105a, 105b und 105c als Energiespeichermittel versehen sind, und eine Steuerschaltung 103 ist zum Steuern der Spannungskompensationsschaltungen 104a, 104b und 104c für die jeweiligen Phasen vorgesehen.
  • Die Drei-Phasen-Wechselstromquelle ist nicht nur mit den Drei-Phasen-Äquivalenzlasten verbunden, sondern auch mit verschiedenen Einzelphasenlasten. Die Aufbringung solcher verschiedener Lasten oder Einflüsse, wie etwa Wetterphänomene und Unfallphänomene können gelegentlich einen Spannungsabfall in einem Zustand verursachen, bei dem die drei Phasen symmetrisch oder unsymmetrisch sind.
  • Die Spannungskompensationsschaltungen 104a, 104b und 104c für die entsprechenden Phasen geben Kompensationsspannungen für die jeweiligen Phase aus, basierend auf einem Befehl aus der Steuerschaltung 103, und kompensieren die Spannungsfluktuationen. Der Spannungsfluktuationskompensator 102 lädt die Kondensatoren 105a, 105b und 105c während des Normalbetriebs auf. Im Falle einer kurzen Unterbrechung oder eines momentanen Spannungsabfalls hält der aus den Kondensatoren 105a, 105b und 105c entladene elektrische Strom eine konstante Ausgangsspannung, wodurch die Stromversorgung an die Gleichstromlast fortgesetzt wird.
  • Es gibt die nachfolgenden Probleme beim oben beschriebenen Spannungsabfallkompensator, das heißt nicht nur erfordert dieses System eine Ausrüstungsinvestition zum Installieren einer großen elektrischen Speichervorrichtung oder einer Kondensatoreinheit, sondern es ist auch eine periodische Wartung notwendig. Daher ist verlangt worden, dass Strom stabil mittels der Umwandlung des Drei-Phasen-Wechseleingangsstroms selbst zu einer Zeit des momentanen Spannungsabfalls zugeführt wird, ohne das eine elektrische Speichervorrichtung verwendet wird. Auch hat es ein Verlangen nach Verbesserungen eines Leistungsfaktors ohne eine Verwendung einer elektrischen Speichervorrichtung gegeben.
  • Um die obigen Probleme anzugehen, wird das Folgende vorgeschlagen; erwägend, dass die Eingangsspannungen während des Spannungsabfalls in den drei Phasen im Falle eines momentanen Spannungsabfalls unsymmetrisch werden, wird ein Drei-Phasen-PWM-Wandler eingesetzt, um den Spannungsabfall zu kompensieren, indem die unsymmetrischen Drei-Phasen-Eingangsspannungen während des Spannungsabfallzeitraums gesteuert werden, um so die Spannungsabfallkompensation zu erzielen, ohne den Spannungsfluktuationskompensator zu verwenden, der die Speichervorrichtung einsetzt. Gemäß der Spannungsabfallkompensation unter Verwendung des Drei-Phasen-PWM-Wandlers kann der elektrische Strom, der im normalen Zustand vor dem Spannungsabfallzustand zugeführt worden ist, selbst nach dem Auftreten des Spannungsabfalls weiterhin zugeführt werden.
  • Nachfolgend wird eine Erläuterung gegeben, wie der Drei-Phasen-PWM-Wandler die unsymmetrischen Drei-Phasen-Eingangsspannungen steuert.
  • 17 illustriert eine Äquivalenzschaltung im Falle eines Spannungsabfalls. In 17 repräsentieren er, es und et in drei Phasen symmetrische Übertragungsleitungsspannungen, repräsentiert Z1 eine Übertragungsleitungsimpedanz, sind Z12, Z23 und Z31 äquivalente Impedanzen zum Zeitpunkt des Spannungsabfalls, repräsentieren eab, ebc und eca Leitungsspannungen, die in drei Phasen unsymmetrisch sind, die zum Zeitpunkt des Spannungsabfalls erzeugt werden, repräsentiert e1o eine Nullphasen-Sequenzspannung, und repräsentieren Za, Zb, und Zc Lastimpedanz, welche in Form einer durch Umwandeln der Gleichstromlast Rdc (gezeigt in 18) an die Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsseite erhaltenen Lastimpedanz ausgedrückt wird.
  • Wenn die Amplitude als Em angenommen wird, werden die in den drei Phasen er, es und et symmetrischen Übertragungsleitungsspannungen jeweiligen durch die nachfolgenden Gleichungen (1) bis (3) ausgedrückt: er = Emcosωt (1) es = Emcos(ωt – 2π/3) (2) et = Emcos(ωt + 2π/3) (3)
  • Da er, es und et die in drei Phasen symmetrischen Übertragungsleitungsspannungen repräsentieren, erscheinen die Negativphasen-Sequenzkomponente en(rst) und die Nullphasen-Sequenzkomponente e0(rst) nicht. Daher werden die Negativphasen-Sequenzkomponente en(rst) und die Nullphasen-Sequenzkomponente e0(rst) durch die nachfolgende Gleichung (4) ausgedrückt: en(rst) = e0(rst) = 0 (4)
  • Im Beispiel von 17 entspricht der Zustand, bei dem der Spannungsabfall auftritt, dem Zustand, bei dem die Äquivalenzimpedanzen Z12, Z23 und Z31 an die Übertragungsleitungsimpedanz Z1 angelegt werden. Bei dieser Gelegenheit gehen die Leitungsspannungen eab, ebc und eca zwischen den Anschlüssen a, b und c in den unsymmetrischen Drei-Phasen-Zustand und verursachen die Null-Phasen-Sequenzspannung e10, wie in 17 gezeigt.
  • Wie in 18 in Bezug auf die Anschlüsse a, b, und c in 17 gezeigt, illustriert die linke Seite die Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100B und illustriert die rechte Seit eine Hauptschaltungseinheit des Drei-Phasen-Wandlers 200. Die Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100B wird auf solche Weise illustriert, dass sie den symmetrischen Dreiphasenspannungen er, es und et und unsymmetrischen Faktoren äquivalent ist. In dieser Illustration drückt die Anwendung der Impedanzen Z12, Z23 und Z31, wie in 17 gezeigt, die unsymmetrischen Faktoren in äquivalenter Weise aus.
  • Ein unsymmetrischer Spannungskompensator 400 verwendet gegebene oder messbare unsymmetrische Drei-Phasen-Eingangsphasenspannungen, um ein Kompensationssignal zu erzeugen. Der Drei-Phasen-PWM-Wandler 200 ist mit einer Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a und einem Drei-Phasen-PWM-Steuerimpulsgenerator 200b versehen. Der Drei-Phasen-PWM-Steuerimpulsgenerator 200b erzeugt Steuerimpulssignale, basierend auf den im unsymmetrischen Spannungskompensator 400 erzeugten unsymmetrischen Drei-Phasen-Eingangsspannungen, wodurch die PWM-Steuerung über die Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a ausgeübt wird. Gemäß der PWM-Steuerung liefert der Drei-Phasen-PWM-Wandler 200 die Gleichstromspannung, an der die unsymmetrische Spannungskompensation durchgeführt worden ist, an die Gleichstromlast 300.
  • Wie oben beschrieben, werden die unsymmetrischen Drei-Phasen-Eingangsspannungen während des Spannungsabfalls durch den Drei-Phasen-PWM-Wandler gesteuert und die Kompensation des Spannungsabfalls kann erzielt werden, ohne den Spannungsfluktuationskompensator zu verwenden, der die elektrische Speichervorrichtung einsetzt, wie etwa einen Kondensator oder eine Speicherbatterie.
  • Jedoch ist es im Allgemeinen, um den Drei-Phasen-PWM-Wandler zu steuern, in welchem PFC (Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrektur) inkorporiert ist, notwendig, unsymmetrische Drei-Phasen-Wye-Verbindungs-Phasenspannungen abzuleiten, die zueinander um 120° außer Phase liegen. Nach dem Prozess zur Umwandlung abgeleiteter Detektionssignale in Variablen auf einem rotierenden Koordinatensystem (dq-Achse), werden sie in eine Positiv-Phasensequenzspannung, eine Negativ-Phasensequenzspannung und eine Null-Phasensequenzspannung aufgetrennt und werden als Rückkopplungssignale verwendet, welche für die Steuerung notwendig sind.
  • Beispielsweise ist bekannt, dass die nachfolgenden Dokumente die Spannungsabfallkompensation gemäß der Drei-Phasen-PWM-Wandlersteuerung beschreiben; Nicht-Patentdokument 3, Nicht-Patentdokument 4 und Nicht-Patentdokument 5. In der, in jenen Nicht-Patentdokumenten beschriebenen Drei-Phasen-PWM-Wandlersteuerung werden unsymmetrische Dreiphasenspannungen einer Wye-Verbindung, die zueinander um 120° außer Phase liegen, als gegebene oder messbare Eingangsphasenspannungen angenommen.
  • Andererseits verwendet ein allgemeines Drei-Phasen-Stromverteilungssystem die Deltaverbindung. Eine Spannung, die tatsächlich in der Deltaverbindungs-Drei-Phasen-Stromverteilung gemessen werden kann, ist die Deltaverbindungs-Dreiphasenspannung. Die Deltaverbindungs-Dreiphasenspannung ist eine Leitungsspannung zwischen jedem der Anschlüsse der Deltaverbindung, und eine Wye-Verbindungsspannung und eine Null-Phasen-Sequenzspannung sind tatsächlich unmessbar. Folglich, um die unsymmetrischen Dreiphasenspannungen in der Deltaverbindungs-Drei-Phasen-Stromdistribution durch die konventionellerweise vorgeschlagene Drei-Phasen-PWM-Wandler-Steuerung zu kompensieren, ist es notwendig, unsymmetrische Dreiphasen-Wye-Verbindungs-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase liegen, aus den gemessen werdenden Leitungsspannungen abzuleiten. Wenn die Spannungsabfallkompensation durch den Drei-Phasen-PWM-Wandler gesteuert wird, ist es notwendig, Deltatypspannungen der empfangen werdenden unsymmetrischen Dreiphasenspannungen in Spannungen vom Wye-Typ umzuwandeln, um so Steuerparameter zu erhalten. Insbesondere ist es signifikant, Null-Phasen-Sequenzspannungen zu extrahieren.
  • Beispielsweise ist bekannt, dass Patentdokument 3 eine Vorrichtung oder ein Verfahren zum Kompensieren des momentanen Spannungsabfalls durch die Steuerung gemäß diesem Drei-Phasen-PWM-Wandler offenbart. Der momentane Spannungsabfallkompensator, wie im Patentdokument 3 beschrieben, ist mit einem Leitungsphasenspannungs-Umwandlungsmittel versehen. Das Leitungsphasenspannungs-Umwandlungsmittel wandelt ein durch ein Leitungsspannungs-Detektionsmittel detektiert werdendes Leitungsspannungssignal in ein Phasenspannungs-Umwandlungssignal um und erzeugt ein Null-Phasen-Sequenzspannungssignal und Phasenspannungssignale aus diesem Phasenspannungsumwandlungssignal.
  • Das Leitungsphasenspannungs-Umwandlungsmittel detektiert Spitzenwerte der Phasenspannungsumwandlungssignale (vr', vs' und vt'), berechnet Koeffizienten k1, k2 und k3, basierend auf diesen drei Spitzenwerten und erzeugt das Null-Phasen-Sequenzspannungssignal v0 (= k1·vr' + k2·vs' + k3·vt') und die Phasenspannungssignale (vr', vs' und vt'), basierend auf den berechnet werdenden Koeffizienten k1, k2 und k3.
  • Zusätzlich ist als ein Verfahren zum Steuern von Spannung und Reaktivleistung in einem elektrischen Stromsystem bekannt, dass das elektrische Stromsystem mit Ausrüstung verbunden ist, wie einem Leistungskondensator, einem Shunt-Reaktor und einem statischen Var-Kompensator (SVC). In der reaktiven Leistungssteuerung gemäß dem Leistungskondensator und dem Shunt-Reaktor wird eine Einheitskapazität basierend auf einer Kapazität des Systems ausgewählt. Zusätzlich ist in der Reaktivleistungssteuerung gemäß dem SVC ein Reaktor damit verbunden, welcher Strom durch eine Phasensteuerung gemäß einem Thyristor steuert, der mit einem fixen Kondensator verbunden ist.
  • Bei der Reaktivleistungssteuerung wird Reaktivleistung durch Verbessern eines Leistungsfaktors reduziert, so dass sich der Leistungsfaktor 1 annähert, indem eine Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom minimiert wird, wodurch eine Steuerung durchgeführt wird, um die Scheinleistung gleich der Aktivleistung zu machen. Wenn der Leistungsfaktor 1 ist, wird ein Stromwert unter derselben Leistungsbedingung minimal und es ist möglich, den Leistungsverlust aufgrund von Joule-Verlust in einer Übertragungsleitung und Verdrahtung zu reduzieren und Lastverlust und Joule-Verlust in einem Treansformator oder dergleichen zu reduzieren. Daher wird im Allgemeinen eine Leistungsfaktorverbesserung zum Steuern des Leistungsfaktors auf 1 durchgeführt.
  • Typischerweise ist eine Last in einem Stromsystem hauptsächlich eine induktive Last und der Strom läuft der Spannung hinterher. Daher wird im Allgemeinen die Leistungsfaktorverbesserung durch einen Kondensator, der vom kapazitativen Typ ist (Phasenvorstellkondensator) durchgeführt.
  • Bei der Leistungsfaktorverbesserung durch den Phasenvorstellkondensator ist es notwendig, die Reaktivleistung, die der Phasenvorstellkondensator kompensiert, zu ändern, da der Leistungsverbrauch abhängig von der Jahreszeit, Tag oder Nacht fluktuiert. In einem Fall, bei dem ein Wert des Phasenvorstellkondensators fest ist, wird ein Leistungsfaktor ein führender Leistungsfaktor, aufgrund des Auftretens exzessiver Kompensation der Reaktivleistung in einem Fall, bei dem der Stromverbrauch abfällt. Daher gibt es die Möglichkeit, dass ein Ferranti-Effekt auftritt, bei dem die Spannung auf der Lastseite höher als die Spannung auf der Stromzufuhrseite wird. Um diesen Ferranti-Effekt zu verhindern, ist es notwendig, den Wert des Phasenvorstellkondensators anhand der Reaktivleistung zu justieren.
  • Zusätzlich wird vorgeschlagen, ein Gleichstromzufuhrsystem, das unsymmetrische Spannungen justiert und den Eingangsleistungsfaktor einer Drei-Phasen-Wechselstromquelle (siehe beispielsweise Patentdokument 4) zu verbessern. Dieses Gleichstromversorgungssystem detektiert die Phasenspannung von Dreiphasenspannungen und justiert die Phase eines Antriebsimpulses jeder Phase. Entsprechend werden die unsymmetrischen Spannungen justiert und wird der Strom jeder Phase symmetrisch gehalten, wodurch hohe Effizienz aufrechterhalten wird. Das Einstellen des Leistungsfaktors auf irgendeinen Wert, nicht auf 1 beschränkt, wird n einer Wechselrichtervorrichtung vorgeschlagen (Patentdokument 5).
  • Stand-der-Technik-Dokumente
  • Patentdokumente
    • [Patentdokument 1] Japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2003-274559 A (1, Absatz [00l8])
    • [Patentdokument 2] Japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2004-222447 A
    • [Patentdokument 3] Japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2008-141887 A (Absätze [0043], von [0055] bis [0059])
    • [Patentdokument 4] Japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2006-262662 A (Absätze [0012] und [00331])
    • [Patentdokument 5] Japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift JP 2003-009593 (Absatz [0008])
  • Nicht-Patent-Dokumente
    • [Nicht-Patentdokument 1] „Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity”, Seiten 859–864, veröffentlicht im September 1999 in erster Auflage, und veröffentlicht Februar 2000 (SEMI 1999, 2000) (SEMI 1999, 2001)
    • [Nicht-Patentdokument 2] „Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity”, Seiten 1–12, veröffentlicht September 1999 in erster Auflage, und für Veröffentlichung im Mai 2006 freigegeben (SEMI 1999, 2006)
    • [Nicht-Patentdokument 3] J. K. KANG, S. K. SUL, „Control of Unbalanced Voltage PWM Converter Using Instantaneous Ripple Power Feedback”, Power Electronic Specialist-Konferenz, PESC 97, Seiten 503–508 (1997-5)
    • [Nicht-Patentdokument 4] H. S. KIM, H. S. MOK, G. H. CHOE, D. S. HYUN, S. Y. CHOE, „Design of Current Controller for 3-phase PWM Converter with Unbalanced Input Voltage”, Power Electronics Specialist-Konferenz, PESC 98, Seiten 503–509 (1988-8)
    • [Nicht-Patentdokument 5] S. C. AHN, D. S HYUN, „New Control Scheme of Three-Phase PWM AC/DC Converter Without Phase Angle Detection Under the Unbalanced Input Voltage Conditions”, IEEE Transaction on Power electronics, Seiten 616–622 (2009-9)
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • (Durch die Erfindung zu lösendes Problem)
  • Hinsichtlich der Kompensation der Drei-Phasen-Asymmetrie gibt es das nachfolgende Problem. Gemäß Patentdokument 3 wandelt das Leitungsphasenspannungs-Umwandlungsmittel die gemessen werdenden Leitungsspannungssignale in Phasenspannungsumwandlungssignale um und erzeugt ein Null-Phasen-Sequenzspannungssignal und Phasenspannungssignale, basierend auf den Phasenspannungsumwandlungssignalen. In dieser Konfiguration ist es möglich, den Drei-Phasen-PWM-Wandler zu steuern, basieren auf den unsymmetrischen Dreiphasenspannungen (Leitungsspannungen) eines typischen Drei-Phasen-Stromverteilungssystems, und unsymmetrische Drei-Phasen-Kompensation kann durchgeführt werden.
  • Jedoch detektiert dieses Leitungsphasenspannungs-Umwandlungsmittel Spitzenwerte der Phasenspannungsumwandlungssignale, die durch Umwandeln der Leitungsspannungen erhalten werden, und erzeugt das Null-Phasen-Sequenzspannungssignal und die Phasenspannungssignale anhand der, basierend auf diesen drei Spitzenwerten berechneten Koeffizienten. Daher, um das Null-Phasen-Sequenzspannungssignal und die Phasenspannungssignale zu erzeugen, ist es notwendig, das Messen der Leitungsspannungen mehr als einmal zu wiederholen, um so die optimalen Koeffizienten zu erhalten, und es gibt die Möglichkeit, dass es länger dauert, die Signale zu erzeugen.
  • Falls unsymmetrische Spannungen und Phasenwinkel der Wye-Phasenspannungen gegeben sind, können die unsymmetrischen Leitungsspannungen aus jenen Wye-Phasenspannungen gemäß einer standardisierten Vorgehensweise bestimmt werden. Andererseits, selbst obwohl die unsymmetrischen Spannungen die Phasenwinkel der Leitungsspannungen bekannt sind, können die Wye-Phasenspannungen nicht anhand einer standardisierten Weise aus diesen Leitungsspannungen bestimmt werden. Dies liegt daran, dass ein Referenzpunkt der Wye-Phasenspannungen nicht spezifiziert werden kann und es eine unbegrenzte Anzahl von Kombinationen von Wye-Phasenspannungen mit denselben unsymmetrischen Spannungen und Phasenwinkeln gibt.
  • Um den Drei-Phasen-PWM-Wandler zu steuern, ist es notwendig, eine Beziehung von 120° außer Phase zwischen den Wye-Phasenspannungen zu haben. Daher müssen spezifische Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, aus der unendlichen Anzahl von Kombinationen von Wye-Phasenspannungen ausgewählt werden. Wenn diese spezifischen W-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase liegen, ausgewählt werden, gelangt eine Positiv-Phasen-Sequenzspannung in Phase mit einer bestimmten Phase (a-Phase) der Wye-Phasenspannungen, und kann eine Gleichstromkomponente als ein Steuerziel anhand des nachfolgenden dq-Achsenumwandlungsprozesses extrahiert werden. Daher ist das für die Steuerung des Drei-Phasen-PWM-Wandlers praktisch. Zusätzlich zeigen ein Phasenwinkel der Negativ-Phasen-Sequenzspannung und ein Phasenwinkel der Null-Phasen-Sequenzspannung in Bezug auf die Positiv-Phasen-Sequenzspannung denselben Winkel in zueinander entgegen gesetzter Richtung an, wodurch es möglich wird, die Null-Phasen-Sequenzspannung abzuleiten.
  • Konventionellerweise, um aus den Leitungsspannungen die Wye-Phasenspannungen zu erhalten, die zueinander um 120° außer Phase sind, ist es notwendig, den unsymmetrischen Zustand von Spannungen zu detektieren und weiterhin die Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, aus den gemessen werdenden Leitungsspannungen auszuwählen. Daher kann es eine längere Verarbeitungszeit benötigen. Beispielsweise ist es, wenn der unsymmetrische Zustand von Spannungen in Wechselstrom detektiert wird, notwendig, Spannungsfluktuationen während zumindest eines halben Zyklus zu überwachen.
  • Um rasch die Spannungs-Asymmetrie durch Steuern des Drei-Phasen-PWM-Wandlers zu kompensieren, wird verlangt, die zum Detektieren der Asymmetrie in den Spannungen und Erzeugen einer Steuersignals erforderliche Zeit zu reduzieren, und damit ist es notwendig, momentane Wye-Phasenspannungen aus momentanen Leitungsspannungen abzuleiten. Es sei hier angemerkt, dass die momentanen Leitungsspannungen Leitungsspannungen sind, die zu einem gewissen Zeitpunkt gemessen werden, und die momentanen Wye-Phasenspannungen Werte der Leitungsspannungen sind, die basierend auf den tatsächlich gemessenen Werten der Leitungsspannungen, die zu diesem Zeitpunkt erhalten werden, abgeleitet werden. Die Wye-Phasenspannungen entsprechen Eins-zu-Eins den Leitungsspannungen zum Zeitpunkt der Messung und dies bedeutet, dass die Wye-Phasenspannungen aus zu einem Messzeitpunkt gemessenen Werten erhalten werden können, ohne dass gemessene Werte zu mehreren Punkten erforderlich sind.
  • Um rasch auf der Lastseite einen durch den momentanen Spannungsabfall verursachten Einfluss zu eliminieren, ist es notwendig, unmittelbar das Null-Phasen-Sequenzspannungssignal und die Phasenspannungssignale, die zum Steuern des Drei-Phasen-PWM-Wandlers erforderlich sind, in Reaktion auf die Fluktuation des asymmetrischen Zustands der Drei-Phasen-Leitungsspannungen im Drei-Phasen-Stromdistributionssystem zu erzeugen. Im oben beschriebenen Leitungsphasenspannungs-Umwandlungsmittel ist es vorgesehen, dass die tatsächliche Messung der Leitungsspannungen mehr als einmal wiederholt wird, um das Null-Phasen-Sequenzspannungssignal und die Phasenspannungssignale zu erzeugen. Daher gibt es eine Möglichkeit, dass die Reaktion auf die Fluktuationen im unsymmetrischen Zustand der Drei-Phasen-Leitungsspannungen unzureichend wird.
  • Als eine Antwort auf den momentanen Spannungsabfall ist beispielsweise die Spezifikation zur Spannungsabfall-Immunität SEMI F47-0200 bekannt. Die Spezifikation für Spannungsabfall-Immunität SEMI F47-200 definiert einen Bereich in einem breiten Band (einen Bereich von Eingangsspannungsreduktion von 0 bis 100%), der durch die Spannungsabfallkompensation zu steuern ist. In dieser Spannungsabfall-Immunitätsspezifikation ist definiert, dass die Spannungsreduktionsrate innerhalb von 0,2 Sekunden ab dem Auftreten eines Spannungsabfalls 50% beträgt, und die Spannungsreduktionsrate von 0,2 Sekunden bis 0,5 Sekunden 70% beträgt, und dergleichen.
  • Falls die Antwort auf den momentanen Spannungsabfall unzureichend ist, ist es schwierig, diese Spezifikation zur Spannungsabfall-Immunität zu erfüllen.
  • Konventionellerweise ist die nachfolgende Technik nicht bekannt gewesen: nämlich unter Verwendung der unsymmetrischen Dreiphasenspannungen von Leitungsspannungen als Eingangsspannung, werden momentane Wye-Phasenspannungen aus den momentanen Leitungsspannungen abgeleitet, wodurch der Drei-Phasen-PWM-Wandler gesteuert wird und die unsymmetrischen Spannungen kompensiert werden.
  • Beim Steuern des Drei-Phasen-Wandlers gibt es die nachfolgenden Probleme im Hinblick auf die Steuerung eines Leistungsfaktors und der reaktiven Leistung. Aus Patentdokument 5 ist bekannt, dass der Leistungsfaktor willkürlich in der Wechselrichtervorrichtung eingestellt ist. Jedoch bezieht sich diese Leistungsfaktorsteuerung auf den Leistungsfaktor eines Wechselrichters, der eine Wechselstrom-Wechselstromwandlung vornimmt, welche elektrischen Strom bei einem beliebigen Leistungsfaktor aus einem Stromgenerator an ein kommerzielles Stromversorgungssystem liefert. Daher gibt es keine bekannte Technik zum Einstellen des Leistungsfaktors in willkürlicher Weise bei der Steuerung des Drei-Phasen-Wandlers, der die Drei-Phasen-Wechselspannungen einer PWM-Umwandlung zur Ausgabe von DC-Spannung unterwirft.
  • Insbesondere im Fall, wo Dreiphasenspannungen unsymmetrisch sind, ist keine Technik bekannt, welche den Drei-Phasen-PWM-Wandler unter Verwendung, als Eingangsspannung, von unsymmetrischen Dreiphasenspannungen von Leitungsspannungen steuert, um so beliebig den Leistungsfaktor zu steuern.
  • In einigen Fällen ist es erforderlich, den Leistungsfaktor beliebig in einem elektrischen Leistungssystem einzustellen. Beispielhaft definieren „Richtlinien zum Sicherstellen der technischen Anforderungen zur Verbindung von Stromqualität” (Agentur für natürliche Ressourcen und Energie, 1. Oktober 2004), „Richtlinien für Zwischenverbindungstechnik in verteilten Stromversorgungssystem” oder dergleichen das Folgende: In der Verbindung mit Verteilungsleitungen „wird ein adäquater Leistungsfaktor des empfangenden Punkts im Prinzip auf gleich oder größer als 85% eingestellt, und es wird verhindert, dass der Leistungsfaktor führender Leistungsfaktor wird, wenn aus der Systemseite betrachtet”. Um eine solche Definition zu erfüllen, ist es erforderlich, den Leistungsfaktor wahlfrei einzustellen.
  • Wie oben beschrieben, falls der Leistungsfaktor gesteuert wird, ein beliebiger Wert oder auf 1 gesteuert zu sein, anhand einer konventionellen Leistungsfaktorsteuerung durch Treffen einer Auswahl von Einheitskapazität eines Leistungskondensators oder eines Shunt-Reaktors, der mit einem Stromsystem verbunden ist, gibt es das Problem, dass ein Prozess oder eine Konfiguration zum Messen des Leistungsfaktors benötigt wird. Zusätzlich gibt es ein weiteres Problem damit, dass die Reaktion auf Variationen des Leistungsfaktors in den Drei-Phasen-Leitungsspannungen unzureichend wird, vom Standpunkt eines Responsivitätsproblems, bei dem der Prozess zum Auswählen der Einheitskapazität oder dergleichen eine rasche Antwort behindern mag.
  • Zusätzlich, ähnlich zur zuvor erwähnten und unsymmetrischen Spannungskompensation, falls die Leistungsfaktorsteuerung und die Reaktivleistungssteuerung durch Steuern des Drei-Phasen-PWM-Wandlers unter Verwendung der unsymmetrischen Dreiphasenspannungen von Leitungsspannungen als Eingangsspannung durchgeführt werden, ist es notwendig, die Messung der Leitungsspannungen und die Erzeugung des Null-Phasen-Sequenzspannungssignals und der Phasenspannungssignale im Leitungsphasenspannungs-Umwandlungsmittel zu wiederholen. Daher gibt es auch ein Problem, dass die Reaktion auf die Variation des Leistungsfaktors unzureichend wird.
  • Folglich gibt es bei der konventionellen Leistungsfaktorsteuerung und Reaktivleistungssteuerung durch den Drei-Phasen-Wandler die folgenden Probleme: es ist schwierig, den Leistungsfaktor wahlfrei zu steuern, die Reaktion auf die Leistungsfaktorreaktion bei Drei-Phasen-Leitungsspannungen ist unzureichend und beim Steuern des Leistungsfaktors ist ein Prozess oder eine Konfiguration zum Messen des Leistungsfaktors erforderlich.
  • Die obige Situation erwägend, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Leistungsfaktor beliebig einzustellen und zu steuern, und auch die Reaktivleistung im Drei-Phasen-Wandler zu steuern, um die oben beschriebenen konventionellen Probleme zu lösen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Leistungsfaktor und die Reaktivfaktor zu steuern, ohne die Notwendigkeit eines Prozesses oder einer Konfiguration zum Messen des Leistungsfaktors in dem Drei-Phasen-Umwandler.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Drei-Phasen-PWM-Wandler basierend auf momentanen Wye-Phasenspannungen, die aus tatsächlich gemessenen momentanen Leitungsspannungen erhalten werden, zu steuern, und während der Kompensation unsymmetrischer Spannungen werden der Leistungsfaktor und die Reaktivleistung mit einer günstigen Responsivität auf Leistungsfaktorvariation bei den Drei-Phasen-Leitungsspannungen gesteuert.
  • Es sei angemerkt, dass bei Drei-Phasen-Wechselstrom aus einem tatsächlich gemessenen Wert von Leitungsspannungen, welche in Deltaverbindung erzeugte unsymmetrische Dreiphasenspannungen sind, Positivphasen-Sequenzspannung, Negativphasen-Sequenzspannung und Null-Phasen-Sequenzspannung abgeleitet werden, die unsymmetrische Wye-Verbindungs-Dreiphasenspannungen sind, die zueinander zum Zeitpunkt der hauptsächlichen Messung um 120° außer Phase zu liegen. Gemäß diesen abgeleiteten Spannungen wird der Drei-Phasen-PWM-Wandler gesteuert, um die unsymmetrischen Spannung zu kompensieren, und weiter werden der Leistungsfaktor und die Reaktivleistung gesteuert.
  • Hier sind die Momentanwerte von Leitungsspannungen Werte der tatsächlich zu einem gewissen Zeitpunkt gemessenen Leitungsspannungen und sind die Momentanwerte von Wye-Phasenspannungen Werte der Wye-Phasenspannungen, die basierend auf den tatsächlich gemessenen Werten der Leitungsspannungen abgeleitet werden.
  • Bei Kompensieren der unsymmetrischen Spannungen werden zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich gemessene Spannungen verwendet, ohne zu mehreren Messpunkten erhaltene tatsächliche Messwerte zu verwenden, um die Wye-Phasenspannungen abzuleiten, die zum Messzeitpunkt erhalten werden, und der Drei-Phasen-PWM-Wandler wird unter Verwendung der abgeleiteten Wye-Phasenspannungen gesteuert.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Die obigen Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern der unsymmetrischen Spannungskompensation und Leistungsfaktorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • (Unsymmetrische Spannungskompensation)
  • Zuerst wird die unsymmetrische Spannungskompensation erläutert. Die unsymmetrischen Spannungen werden unter Verwendung der Leitungsspannungen an den Anschlüssen a, b und c in dem Fall kompensiert, bei dem die unsymmetrischen Dreiphasenspannungen e1a, e1b und e1c nicht gegeben sind oder nicht direkt messbar, und weiterhin werden Momentanwerte der Wye-Phasenspannungen der Wye-Verbindung, die zueinander um 120° außer Phase sind, unter Verwendung der tatsächlich zu einem Zeitpunkt gemessenen Leitungsspannungen erhalten, wodurch die unsymmetrischen Kompensation durchgeführt wird.
  • In 17 wird in Assoziierung mit den entsprechenden Anschlüssen a, b und c die Seite der Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100B als eine Äquivalenzschaltung, die symmetrische Spannungen er, es und et, eine Übertragungsimpendanz Z1 und Äquivalenzimpedanzen Z12, Z23 und Z31 im Falle eines Spannungsabfalls inkorporiert, illustriert. Konventionell, wie in 18 gezeigt, wird angenommen, dass der unsymmetrische Zustand dieser Drei-Phasen-Wechselstromversorgung 100B durch Asymmetrie-Faktoren gegen die symmetrischen Spannungen er, es und et verursacht wird. Daher ist der unsymmetrische Spannungskompensator 400 in der Lage, die unsymmetrischen Dreiphasenspannungen unter der Bedingung zu kompensieren, dass die unsymmetrischen Dreiphasenspannungen e1a, e1b und e1c gegeben oder messbar sind. Falls jedoch diese unsymmetrischen Dreiphasenspannungen e1a, e1b und e1c unbekannt oder unmessbar sind, kann die unsymmetrische Spannungskompensation nicht durchgeführt werden.
  • Gegenüber der konventionellen Weise zur Handhabung des oben beschriebenen unsymmetrischen Zustands beinhaltet in der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung die Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100A wie in 1 gezeigt, unsymmetrische Spannungen e1a, e1b und e1c, jede mit einem Phasenwinkel von 2π/3, und es ist möglich, anzunehmen, dass jene unsymmetrischen Spannungen die induzierten Spannungen eab, ebc bzw. eca an den Anschlüssen a, b und c induzieren. Folglich können die induzierten Spannung eab, ebc und eca als Spannungen behandelt werden, die aus den unsymmetrischen Dreiphasenspannungen e1a, e1b und e1c in der Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100A erzeugt werden. Mit anderen Worten, diese induzierten Spannungen können als die Erfassung der unsymmetrischen Spannungen e1a, e1b und e1c ausgleichend angenommen werden, wenn jene unsymmetrischen Spannungen nicht direkt erhalten werden können.
  • Gemäß der vorstehenden Übersicht zur Handhabung des unsymmetrischen Zustands in der unsymmetrischen Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung ist es, selbst wenn die unsymmetrischen Dreiphasenspannungen e1a, e1b und e1c nicht gegeben oder unmessbar sind, möglich, die unsymmetrischen Dreiphasenspannungen e1a, e1b und e1c durch Verwenden der induzierten Spannungen eab, ebc und eca zu erhalten, wodurch die unsymmetrischen Spannungen kompensiert werden. Hier entsprechen die induzierten Spannungen eab, ebc und eca den Leitungsspannungen der Anschlüsse a, b bzw. c.
  • Die unsymmetrische Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung ist auf eine Kompensation von unsymmetrischen Spannungen von Drei-Phasen-Wechselstrom gerichtet, bei denen Momentanwerte von Wye-Phasenspannungen einer Wye-Verbindung, die zueinander um 120° außer Phase sind, aus den Momentanwerten der Leitungsspannungen anhand der Leitungsspannung/unsymmetrischen Drei-Phasen-Spannungsumwandlungseinheit 1A des unsymmetrischen Spannungskompensators 1 abgeleitet werden, wodurch der Drei-Phasen-PWM-Wandler gesteuert wird, die unsymmetrischen Spannungen zu kompensieren. Daher ist es selbst im Fall, bei dem die unsymmetrischen Drei-Phasen-Eingangsspannungen nicht gegeben sind oder kaum bemessen werden können, möglich, die unsymmetrische Spannungskompensation durchzuführen.
  • Die unsymmetrische Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung fokussiert die Aufmerksamkeit darauf, dass Eingabespannungen in einem allgemeinen Drei-Phasen-Stromdistributionssystem auf der Deltatypverbindung (Leitungsspannungen) basiert, statt auf der Wye-Typ-Verbindung (Wye-Phasenspannungen), und durch Unterwerfen der Leitungsspannungen der Vektoroperation werden Momentanwerte der Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, und die Null-Phasen-Sequenzspannung abgeleitet. Um den Drei-Phasen-Wandler zu steuern, ist es nötig, die Wye-Phasenspannungen und die Null-Phasen-Sequenzspannung abzuleiten. In der vorliegenden Erfindung wird die durch die Vektoroperation erhaltene Wye-Phasenspannung dem dq-Achsen-Umwandlungsprozess unterworfen, und es wird eine Gleichstromkomponente der Positiv-Phasen-Sequenz extrahiert, um als ein Rückkopplungssignal zum Steuern des Drei-Phasen-Umwandlers verwendet zu werden.
  • Die unsymmetrische Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung ist für die Leitungsspannungen bezweckt, die in drei Phasen in einem allgemeinen Drei-Phasen-Stromdistributionssystem unsymmetrisch sind, und gemäß einem Verfahren zum Umwandeln der Leitungsspannungen in die Wye-Phasenspannungen unter Verwendung einer Zentroidvektoroperation werden Momentanwerte der unsymmetrischen Dreiphasenspannungen von Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, und der Null-Phasen-Sequenzspannung aus den Momentanwerten der Leitungsspannungen abgeleitet, welches unsymmetrische Dreiphasenspannungen sind.
  • Beim Berechnen der Wye-Phasenspannungen aus den Leitungsspannungen wie oben beschrieben, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung das Folgende gefunden: in einem Dreieck, dessen Ecken durch die Anschlussspannungen entsprechender Phasen in den Drei-Phasen-Wechselspannungen ausgebildet sind, wenn Zentroidvektoren bezüglich jedem Leitungsspannungsvektor, der zwei Endgeräte gemäß dem Zentroidvektoroperationsschritt der vorliegenden Erfindung verbindet, erhalten werden, stimmt der Zentroid dieser Zentroidvektoren mit einem Referenzpunkt der Null-Phasen-Sequenzkomponente jeder der Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, überein.
  • Die aus den Leitungsspannungen erhaltenen Zentroidvektorspannungen beinhalten eine Positiv-Phasensequenzkomponente und eine Negativ-Phasensequenzkomponente der symmetrischen Komponentenspannungen, obwohl sie nicht die Null-Phasen-Sequenzkomponente beinhalten. Daher ist es anhand der Beziehung, in der das Zentroid des Zentroidvektors mit dem Referenzpunkt der Null-Phasen-Sequenzkomponente übereinstimmt, möglich, die Zentroidvektorspannungen als die Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, anhand dem dq-Achsen-Umwandlungsprozess zu behandeln.
  • Beim Berechnen der symmetrischen Komponente wird jede der in der Zentroidvektoroperation erhaltenen Wye-Phasenspannungen der dq-Achsenumwandlung unterworfen, berechnet ein d-Achsen-Spannungssignal und ein q-Achsen-Spannungssignal, unterwirft das d-Achsen-Spannungssignal und das q-Achsen-Spannungssignal, die berechnet sind, einer Frequenztrennung, erhält ein Positiv-Phasen-Sequenzspannung aus einer Gleichstromkomponente und berechnet eine Negativ-Phasensequenzspannung aus einer Wechselstromkomponente.
  • Da die in der Zentroidvektoroperation erhaltenen Wye-Phasenspannungen keine Null-Phasen-Sequenzkomponente beinhaltet, wird die Null-Phasen-Sequenzspannung durch Verwendung einer aus der Negativ-Phasensequenzspannung berechneten Amplitude und einer aus der Positiv-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasen-Sequenzspannung berechneten Phase berechnet, um die Null-Phasen-Sequenzspannung in der symmetrischen Komponentenberechnung zu berechnen.
  • (Leistungsfaktorsteuerung)
  • Als Nächstes werden die Leistungsfaktorsteuerung und die Reaktivleistungssteuerung erläutert. Wenn die Durchschnittsaktivleistung durch Pave repräsentiert ist und die Durchschnittsreaktivleistung durch Qave repräsentiert ist, ist der Leistungsfaktor cosθ wie folgt definiert: cosθ = Pave/(Pave 2 + Qave 2)1/2
  • In der vorliegenden Erfindung werden die Leistungsfaktorsteuerung und die Reaktivleistungssteuerung anhand der Beziehung zwischen dem Leistungsfaktor cosθ, der Durchschnittsaktivleistung Pave und der Durchschnittsreaktivleistung Qave durchgeführt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Leistungsfaktor und eine Reaktivleistungssteuervorrichtung den Leistungsfaktor θ willkürlich ein und erhält die Durchschnittsaktivleistung Pave, basierend auf einer Ausgabe aus dem Drei-Phasen-Wandler. Dann wird anhand der erhaltenen Durchschnittsaktivleistung Pave und einem Wert des willkürlich konfigurierten Einstellleistungsfaktors θ eine assoziierte Durchschnittsreaktivleistung Qave erhalten. Danach wird anhand der Durchschnittsaktivleistung und der so erhaltenen Durchschnittsreaktivleistung ein Steuersignal zum Steuern des Drei-Phasen-Wandlers erzeugt. Mit dieser Konfiguration wird der Leistungsfaktor um einen eingestellten Leistungsfaktor, der beliebig konfiguriert ist, gesteuert, und die Reaktivleistung wird durch den eingestellten Leistungsfaktor gesteuert.
  • Gemäß der Beziehung zwischen dem Leistungsfaktor cosθ, der Durchschnittsaktivleistung Pave, und der Durchschnittsreaktivleistung Qave, wird die Durchschnittsreaktivleistung Qave wie folgt ausgedrückt: Qave = Pave·[1 – (cosθ)2]1/2/cosθ
  • Diese Gleichung repräsentiert, dass die Durchschnittsreaktivleistung Qave durch die Durchschnittsaktivleistung Pave und den eingestellten Leistungsfaktor cosθ bestimmt wird.
  • In der vorliegenden Erfindung zeigt die zuvor erwähnte Beziehung zwischen Leistungsfaktor, Durchschnittsaktivleistung und Durchschnittsreaktivleistung an, dass der Leistungsfaktor und die Reaktivleistung im Hinblick auf das Nachfolgende gesteuert werden; eine Steuerung ist möglich unter Verwendung des Leistungsfaktors, der beliebig in Bezug auf die Durchschnittsreaktivleistung eingestellt ist, und die Reaktivleistung ist durch den eingestellten Leistungsfaktor steuerbar.
  • Bei der Leistungsfaktorsteuerung der vorliegenden Erfindung, wird die Durchschnittsaktivleistung Pave wie folgt ausgedrückt: Pave = cosθ·vScheinleistung = cosθ·(Pave 2 + Qave 2)1/2
  • Daher ist es durch Einstellen des gesetzten Leistungsfaktors auf „–1” und Steuern des Leistungsfaktors und der Reaktivleistung möglich, Strom auf der Drei-Phasen-Wechselstromseite aus der Ausgabe des Drei-Phasen-Wandlers zu regenerieren.
  • Die vorliegende Erfindung beinhaltet nachfolgende Aspekte: ein Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors des Drei-Phasen-Wandlers, ein Verfahren zum Steuern der Reaktivleistung des Drei-Phasen-Wandlers und eine Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers. Jeglicher dieser Aspekte wird gemeinsam mit den nachfolgenden technischen Elementen bereitgestellt: der Leistungsfaktor cosθ wird beliebig eingestellt, die Durchschnittsaktivleistung Pave wird aus der Ausgabe des Drei-Phasen-Wandlers erhalten, die Durchschnittsreaktivleistung Qave wird in Assoziierung mit dem gesetzten Leistungsfaktor cosθ erhalten, basierend auf der erhalten werdenden Durchschnittsaktivleistung Pave und einem Wert des gesetzten Leistungsfaktors cosθ. Mit dieser Konfiguration wird eine Steuerung unter Verwendung des eingestellten Leistungsfaktors durchgeführt, auf den der Leistungsfaktor beliebig konfiguriert ist, und die Reaktivleistung wird in Assoziation mit dem gesetzten Leistungsfaktor gesteuert.
  • Zusätzlich wird jeglicher der obigen Aspekte gemeinsam mit den technischen Elementen bezüglich der unsymmetrischen Spannungskompensation bereitgestellt, das heißt der Zentroidvektoroperation, der symmetrischen Komponentenberechnung und der Signalerzeugung für die Kompensation der unsymmetrischen Spannungen.
  • Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsfaktorsteuerverfahren des Drei-Phasen-Wandlers und genauer gesagt bezieht er sich auf ein Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors in einer Stromumwandlung, die den Drei-Phasen-Wechselstrom in einer PWM-Umwandlung zur Ausgabe von Gleichstrom unterwerfen.
  • Das Leistungsfaktorsteuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei der Stromumwandlung des Drei-Phasen-Wandlers zum Unterwerfen des Drei-Phasen-Wechselstroms einer PWM-Wandlung zur Ausgabe von Gleichstrom mit einem symmetrischen Komponentenberechnungsschritt, einem Durchschnittsaktivleistungs-Betriebsschritt, einem Leistungsfaktorsteuerschritt, einem Strombefehlswert-Erzeugungsschritt und einem Konstantstromsteuerschritt versehen.
  • Im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt werden die symmetrischen Komponentenspannungswerte eines symmetrischen Dreiphasensystems aus den Wye-Phasenspannungen einer Drei-Phasen-Wechselstromeingabe des Drei-Phasen-Wandlers berechnet und im Durchschnittsaktivleistungsbetriebsschritt wird ein Durchschnittsaktivleistungswert unter Verwendung eines Ausgabespannungswertes und eines Ausgabestromwerts des aus dem Drei-Phasen-Wandler ausgegebenen Gleichstroms berechnet. Dann wird im Leistungsfaktorsteuerschritt ein Durchschnittsreaktivleistungswert in Assoziierung mit dem eingestellten Leistungsfaktor aus dem im Durchschnittsaktivleistungsbetriebsschritt berechneten Durchschnittsaktivleistungswert und dem eingestellten Leistungsfaktor berechnet, basierend auf der Beziehung zwischen Durchschnittsaktivleistungswert, Durchschnittsreaktivleistungswert und dem Leistungsfaktor. Im Strombefehlswert-Erzeugungsschritt wird Strombefehlswert aus dem im Durchschnittsaktivleistungsbetriebsschritt berechneten Durchschnittsaktivleistungswert, dem im Leistungsfaktorsteuerschritt berechneten Durchschnittsreaktivleistungswert und den symmetrischen Komponentenspannungswerten der Drei-Phasen-Wechselstromspannungen, die im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt berechnet worden sind, berechnet. Dann wird im Konstantstromsteuerschritt, basierend auf dem Strombefehlswert und dem Eingangsstromwert des Drei-Phasen-Wandlers die Konstantstromsteuerung auf dem Positiv-Phasenfrequenz-Spannungswert der Drei-Phasen-Wechselstromspannungen durchgeführt und wird ein Konstantstromsteuerwert berechnet.
  • Auf Basis des im Konstantstromsteuerschritt berechneten Konstantstromsteuerwertes werden ein Kompensationssignal zum Kompensieren der unsymmetrischen Spannungen der Drei-Phasen-Wechselstromspannungen und ein Steuersignal zum Steuern des Leistungsfaktors erzeugt. Dann werden die Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase liegen, zum Steuern der unsymmetrischen Spannungen und des Leistungsfaktors basierend auf dem Kompensationssignal und dem so erzeugten Steuersignal erhalten. Schließlich wird auf Basis der erhalten werdenden Wye-Phasenspannungen der Drei-Phasen-Wechselstrom der PWM-Umwandlung unterworfen und es wird ein PWM-Steuersignal zum Ausgeben von Gleichstrom erzeugt. Es ist anzumerken, dass der Konstantstromsteuerschritt ein Signal bildet, das das unsymmetrische Spannungskompensationssignal und das Leistungsfaktorsteuersignal kombiniert.
  • Im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt der vorliegenden Erfindung werden die aus jeder der Leitungsspannungen im Drei-Phasen-Wechselstrom im Zentroidvektorbetriebsschritt erhaltenen Wye-Phasenspannungen als die Wye-Phasenspannungen der Drei-Phasen-Wechselstromeingabe des Drei-Phasen-Wandlers verwendet, wobei die Wye-Phasenspannungen zum Berechnen der symmetrischen Komponentenspannungswerte des symmetrischen Dreiphasensystems verwendet werden und entsprechende symmetrische Komponenten aus den Leitungsspannungen berechnet werden.
  • Der Zentroidvektoroperationsschritt ist ein Schritt zum Erhalten von Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, aus jeder der Leitungsspannungen des 3-Phasen-Wechselstroms. Ein Vektorbetrieb wird an allen Kombinationen der zwei Leitungsspannungen durchgeführt, welche aus den Drei-Phasen-Leitungsspannungen ausgewählt werden. Gemäß dieser Vektoroperation werden Zentroidvektorspannungen erhalten, die auf entsprechende Anschlussspannungen gerichtet sind, aus dem Anschlussspannungs-Zentroid. Dann werden die so erhaltenen Vektorspannungen jeweils ermittelt, um die Wye-Phasenspannungen zu sein, die zueinander um 120° außer Phase sind. Im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt werden symmetrische Komponentenspannungswerte des symmetrischen Drei-Phasenssystems aus den Wye-Phasenspannungen der 3-Phasen-Wechselstromeingabe 3-Phasen-Wechselstromeingabe des Wandlers berechnet, wobei die Spannungen im Zentroidvektoroperationsschritt erhalten werden.
  • Im Durchschnittsaktivleistungsoperationsschritt der vorliegenden Erfindung wird ein integrierter Wert des Ausgangsspannungswertes und der Ausgangsstromwert der Gleichstromausgabe zum Wert addiert, der durch Unterwerfen einer Differenz zwischen dem Ausgangsspannungswert und einem Spannungsbefehlswert einer Proportional-Integralsteuerung (PI-Steuerung) erhalten wird, wodurch ein Durchschnittsaktivleistungswert berechnet wird.
  • Im Leistungsfaktorsteuerschritt der vorliegenden Erfindung wird die Durchschnittsreaktivleistung anhand der Operation erhalten, die den Durchschnittsaktivleistungswert mit [(1 – (eingestellter Leistungsfaktor)2)1/2/(eingestellter Leistungsfaktor)] multipliziert, wodurch die Steuerung der Durchschnittsreaktivleistung ermöglicht wird, basierend auf dem eingestellten Leistungsfaktor.
  • Im Leistungsfaktorsteuerschritt der vorliegenden Erfindung wird der eingestellte Leistungsfaktor konfiguriert, ein Negativwert zu sein, wodurch eine Leistungsregeneration des Durchschnittsaktivleistungswerts aus der Gleichstromausgabeseite an die Wechselstromeingabeseite des Drei-Phasen-Wandlers ermöglicht wird.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Reaktivleistungssteuerverfahren des Drei-Phasen-Wandlers und genauer gesagt bezieht sie sich auf ein Verfahren zum Steuern der Reaktivleistung bei Stromumwandlung, in welcher der 3-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Umwandlung zur Ausgabe von Gleichstrom unterworfen wird.
  • Das Reaktivleistungssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung ist mit einem symmetrischen Komponentenberechnungsschritt, einem Durchschnittsaktivleistungsoperationsschritt, einem Reaktivleistungssteuerschritt, einem Strombefehlswert-Erzeugungsschritt und einem Konstantstromsteuerschritt in der Stromumwandlung durch den Drei-Phasen-Wandler versehen, der den 3-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Wandlung zur Ausgabe von Gleichstrom unterwirft.
  • Im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt werden symmetrische Komponentenspannungswerte des symmetrischen Drei-Phasenssystems aus den Wye-Phasenspannungen des 3-Phasen-Wechselstromeingangs des Drei-Phasen-Wandlers berechnet. Im Durchschnittsaktivleistungsoperationsschritt werden ein Ausgangsspannungswert und ein Ausgangsstromwert der Gleichstromausgabe aus dem Drei-Phasen-Wandler verwendet, um den Durchschnittsaktivleistungswert zu berechnen. Im Reaktivleistungssteuerschritt wird auf Basis der Beziehung zwischen dem Durchschnittsaktivleistungswert, dem Durchschnittsreaktivleistungswert und dem Leistungsfaktor ein Durchschnittsreaktivleistungswert, der mit dem eingestellten Leistungsfaktor assoziiert ist, aus dem im Durchschnittsaktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnittsaktivleistungswert und dem eingestellten Leistungsfaktor berechnet. Im Strombefehlswert-Erzeugungsschritt wird ein Strombefehlswert aus dem im Durchschnittsaktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnittsaktivleistungswert, dem im Reaktivleistungssteuerschritt berechneten Durchschnittsreaktivleistungswert und den symmetrischen Komponentenspannungswerten der Dreiphasenspannungen, die im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt berechnet worden sind, berechnet. Im Konstantstromsteuerschritt wird auf Basis des Strombefehlswerts und eines Eingangsstromwertes des Drei-Phasen-Wandlers ein Positiv-Phasensequenzspannungswert der 3-Phasen-Wechselstromspannungen in der Konstantstromsteuerung unterworfen, wodurch ein Konstantstromsteuerwert berechnet wird.
  • Auf Basis des im Konstantstromsteuerschritt berechneten Konstantstromsteuerwertes werden ein Kompensationssignal zum Kompensieren der unsymmetrischen Spannungen der 3-Phasen-Wechselstromspannungen und ein Steuersignal zum Steuern der Reaktivleistung erzeugt und anhand jenes Kompensationssignals und des Steuersignals werden Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase liegen, zum Steuern der unsymmetrischen Spannungen und der Reaktivleistung erhalten. Dann wird ein PWM-Steuersignal, das die 3-Phasen-Wechselstromspannungen einer PWM-Umwandlung zum Ausgeben von Gleichstrom unterwirft, basierend auf diesen erhaltenen Wye-Phasenspannungen, erzeugt. Es sei angemerkt, dass der Konstantstromsteuerschritt ein Signal bildet, das das unsymmetrische Spannungskompensationssignal und das Reaktivleistungssteuersignal kombiniert.
  • Der symmetrische Komponentenberechnungsschritt der vorliegenden Erfindung verwendet die aus jeder der Leitungsspannungen des 3-Phasen-Wechselstroms im Zentroidvektoroperationsschritt erhaltenen Wye-Phasenspannungen als die Wye-Phasenspannungen einer 3-Phasen-Wechselstromeingabe des Drei-Phasen-Wandlers, die zum Berechnen der symmetrischen Komponentenspannungswerte des symmetrischen Drei-Phasenssystems verwendet wird, wodurch die Berechnung der symmetrischen Komponenten aus den Leitungsspannungen ermöglicht wird.
  • Der Zentroidvektoroperationsschritt ist ein Schritt zum Erhalten der Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, aus jeder der Leitungsspannungen des 3-Phasen-Wechselstroms. Dieser Schritt führt den Vektorbetrieb an allen Kombinationen von zwei aus den Leitungsspannungen ausgewählten Leitungsspannungen durch. Gemäß der Vektoroperation werden Zentroidvektorspannungen erhalten, die vom Zentroid der Anschlussspannungen jeweils auf die Anschlussspannungen gerichtet sind, und solche erhaltenen Vektorspannungen werden als die Wye-Phasenspannungen angenommen, die zueinander um 120° außer Phase sind. Der symmetrische Komponentenberechnungsschritt berechnet symmetrische Komponentenspannungswerte des symmetrischen Drei-Phasenssystems aus den Wye-Phasenspannungen des 3-Phasen-Wechselstromeingangs des Wandlers, die im Zentroidvektorbetriebsschritt erhalten werden.
  • Der Durchschnittsaktivleistungsoperationsschritt der vorliegenden Erfindung addiert einen integrierten Wert des Ausgangsspannungswerts und des Ausgangsstromwerts des Gleichstromausgangs zu einem durch Unterwerfen einer Differenz zwischen dem Ausgangsspannungswert und dem Spannungsbefehlswert der Proportional-Integralsteuerung erhaltenen Wert, wodurch die Durchschnittsaktivleistung berechnet wird.
  • Der Leistungsfaktorsteuerschritt der vorliegenden Erfindung für die Operation zum Multiplizieren des Durchschnittsaktivleistungswertes mit [(1 – (gesetzter Leistungsfaktor)2)1/2/(gesetzter Leistungsfaktor)] durch, wodurch ein Durchschnittsreaktivleistungswert in Assoziierung mit dem eingestellten Leistungsfaktor berechnet wird.
  • Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers und genauer gesagt bezieht sie sich auf die Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers, die eine Stromwandlung durch Unterwerfen von 3-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Umwandlung durchführt, um Gleichstrom auszugeben.
  • Die Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung steuert den Drei-Phasen-Wandler, der 3-Phasen-Wechselspannungen einer PWM-Wandlung zur Ausgabe von Gleichstrom unterwirft, und er ist mit einer symmetrischen Komponentenberechnungseinheit zum Berechnen von symmetrischen Komponentenspannungswerten eines symmetrischen Drei-Phasenssystems aus Wye-Phasenspannungen des 3-Phasen-Wechselstromeingangs des Drei-Phasen-Wandlers, einer Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit zum Berechnen eines Durchschnittsaktivleistungswerts unter Verwendung eines Ausgangsspannungswerts und eines Ausgangsstromwerts eines Gleichstromausgangs des Drei-Phasen-Wandlers, einer Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuereinheit zum Berechnen eines mit einem eingestellten Leistungsfaktor assoziierten Durchschnittsreaktivleistungswertes aus dem in der Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit berechneten Durchschnittsaktivleistungswert und dem eingestellten Leistungsfaktor, basierend auf der Beziehung zwischen dem Durchschnittsaktivleistungswert, dem Durchschnittsreaktivleistungswert und dem Leistungsfaktor, einem Strombefehlswertgenerator zum Berechnen eines Strombefehlswerts aus dem in der Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit berechneten Durchschnittsaktivleistungswert, dem Durchschnittsreaktivleistungswert, der in der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuereinheit berechnet wird, und dem in der symmetrischen Komponentenberechnungseinheit berechneten symmetrischen Komponentenspannungswerten der 3-Phasen-Wechselstromspannungen, und einer Konstantstromsteuereinheit zum Unterwerfen eines Positiv-Phasensequenzspannungswertes der 3-Phasen-Wechselstromspannungen einer Konstantstromsteuerung, um einen Konstantstromsteuerwert, basierend auf dem Strombefehlswert und dem Eingangsstromwert des Drei-Phasen-Wandlers zu berechnen, versehen, wobei ein Kompensationssignal zum Kompensieren der unsymmetrischen Spannungen der 3-Phasen-Wechselstromspannungen und ein Steuersignal zum Steuern eines Leistungsfaktors basierend auf den in der Konstantstromsteuereinheit berechneten Konstantstromsteuerwert, erzeugt werden, Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, zum Steuern der unsymmetrischen Spannungen des Leistungsfaktors basierend auf dem Kompensationssignal und dem Steuersignal erhalten werden, und anhand der so erhaltenen Wye-Phasenspannungen ein PWM-Steuersignal zum Unterwerfen des 3-Phasen-Wechselstroms der PWM-Wandlung zum Ausgeben von Gleichstrom erzeugt wird. Es sei angemerkt, dass die Konstantstromsteuereinheit ein Signal bildet, das das unsymmetrische Spannungskompensationssignal und das Leistungsfaktorsteuersignal kombiniert.
  • In der Steuerung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung werden in der Zentroidvektoroperationseinheit Wye-Phasenspannungen aus jeder der Leitungsspannungen von 3-Phasen-Wechselstrom erhalten und werden in der symmetrischen Komponentenberechnungseinheit die in der Zentroidvektoroperationseinheit erhaltenen Wye-Phasenspannungen als die Wye-Phasenspannungen des 3-Phasen-Wechselstromeingangs des Drei-Phasen-Wandlers angenommen und werden symmetrische Komponentenspannungswerte des symmetrischen Drei-Phasenssystems unter Verwendung der so erhaltenen Wye-Phasenspannungen berechnet.
  • Die Zentroidvektoroperationseinheit ist eine Operationseinheit zum Erhalten von Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, aus jeder der Leitungsspannungen des 3-Phasen-Wechselstroms. Es wird eine Vektoroperation zu allen Kombinationen zweier Leitungsspannungen durchgeführt, die aus den Drei-Phasen-Leitungsspannungen ausgewählt werden. Gemäß dieser Vektoroperation werden Zentroidvektorspannungen erhalten, die auf entsprechende Anschlussspannungen aus dem Anschlussspannungszentroid gerichtet sind. Dann werden die erhaltenen Vektorspannungen jeweils als die Wye-Phasenspannungen ermittelt, die zueinander um 120° außer Phase liegen. In der symmetrischen Komponentenberechnungseinheit werden symmetrische Komponentenspannungswerte des symmetrischen Drei-Phasenssystems aus den Wye-Phasenspannungen des 3-Phasen-Wechselstromeingangs des Wandlers berechnet, die in der Zentroidvektoroperationseinheit erhalten werden.
  • Die Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit der vorliegenden Erfindung addiert einen integrierten Wert des Ausgangsspannungswertes und des Ausgangsstromwertes des Gleichspannungsausgangs zu einem Wert, der durch Unterwerfen einer Differenz zwischen dem Ausgangsspannungswert und dem Spannungsbefehlswert der Proportional-Integralsteuerung erhalten wird, wodurch der Durchschnittsaktivleistungswert berechnet wird.
  • Die Leistungsfaktor-Reaktivleistungssteuereinheit der vorliegenden Erfindung stellt einen Leistungsfaktor ein und anhand der Operation, welche den Durchschnittsaktivleistungswert mit [(1 – (eingestellter Leistungsfaktor)2)1/2/(eingestellter Leistungsfaktor)] multipliziert, wodurch die Berechnung der Durchschnittsreaktivleistung ermöglicht wird, und die Durchschnittsaktivleistung, auf dem eingestellten Leistungsfaktor basierend gesteuert wird.
  • In der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuereinheit der vorliegenden Erfindung kann der eingestellte Leistungsfaktor auf einen negativen Wert eingestellt werden, wodurch Stromregeneration des Durchschnittsaktivleistungswertes aus der Gleichstromausgangsseite zur Wechselstromeingangsseite des Drei-Phasen-Wandlers ermöglicht wird.
  • Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Leistungsfaktor auf einen beliebigen Wert im Drei-Phasen-Wandler einzustellen und der Leistungsfaktor wird steuerbar, und es ist weiter möglich, die Reaktivleistung basierend auf dem eingestellten Leistungsfaktor zu steuern.
  • Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung wird der eingestellte Leistungsfaktor auf einen negativen Wert eingestellt, wodurch die Leistung aus der Gleichstromausgangsseite zur Wechselstromeingangsseite des Drei-Phasen-Wandlers regeneriert wird.
  • Gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung zum Erhalten der Wye-Phasenspannungen aus den Leitungsspannungen ist es möglich, die Wye-Phasenspannungen an einem Messzeitpunkt abzuleiten, basierend auf den zu einem Messzeitpunkt tatsächlich gemessenen Leitungsspannungen, ohne tatsächlich gemessene Werte von Leitungsspannungen zu verwenden, die an mehreren Messpunkten erfasst sind. Da die Wye-Phasenspannungen basierend auf den tatsächlich zu einem Zeitpunkt gemessenen Werten erhalten werden können, ist es möglich, die für das Detektieren einer Asymmetrie in der Spannung und das Erzeugen eines Steuersignals erforderliche Zeit zu reduzieren, wodurch momentane Wye-Phasenspannungen aus momentanen Leitungsspannungen abgeleitet werden.
  • Zusätzlich ist es im unsymmetrischen Drei-Phasen-Spannungszustand gemäß der Wandlersteuerung möglich, eine Nennausgabe ohne Verwendung von Speichervorrichtungen aufrecht zu erhalten, und symmetrischen Drei-Phasen-Strom auszugeben.
  • Wie oben erläutert, ist es gemäß jedem Aspekt der vorliegenden Erfindung, dem Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors des Drei-Phasen-Wandlers, dem Verfahren zum Steuern der Reaktivleistung des Drei-Phasen-Wandlers und der Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers möglich, den Leistungsfaktor auf einen beliebig eingestellten Wert zu steuern und die Reaktivleistung im Drei-Phasen-Wandler zu steuern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, im Drei-Phasen-Wandler die Leistungsfaktorsteuerung und Reaktivleistungssteuerung durchzuführen, ohne die Notwendigkeit irgendeines Prozesses oder einer Konfiguration zum Messen des Leistungsfaktors.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Drei-Phasen-PWM-Wandler basierend auf den, aus tatsächlich gemessenen momentanen Leitungsspannungen erhaltenen momentanen Wye-Phasenspannungen gesteuert, und es ist möglich, den Leistungsfaktor und die Reaktivleistung mit einer gewünschten Responsivität gegenüber Leistungsfaktorvariation in den Drei-Phasen-Leitungsspannungen zu steuern, simultan zum Kompensieren unsymmetrischer Spannungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, um eine unsymmetrische Spannungskompensation und Leistungsfaktorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zu erläutern;
  • 2 illustriert eine schematische Konfiguration eines unsymmetrischen Spannungskompensators und einer Leistungsfaktorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Prozedur zum Erhalten von Wye-Phasenspannungen aus Leitungsspannungen, anhand der Zentroidvektoroperation in der unsymmetrischen Kompensation der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Prozedur zur Berechnung von symmetrischen Komponentenspannungen aus den Wye-Phasenspannungen anhand der Zentroidvektoroperation in der unsymmetrischen Kompensation der vorliegenden Erfindung;
  • 5 illustriert ein Spannungsvektordiagramm zum Erläutern der Zentroidvektoroperation in der unsymmetrischen Kompensation der vorliegenden Erfindung;
  • 5 illustriert Spannungsvektordiagramme zum Erläutern der Zentroidvektoroperation in der unsymmetrischen Kompensation der vorliegenden Erfindung;
  • 7 illustriert ein detaillierteres Konfigurationsbeispiel des unsymmetrischen Spannungskompensators und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 8 illustriert ein Konfigurationsbeispiel zum Erläutern, dass die unsymmetrische Spannungskompensationsoperation und die Leistungsfaktorsteueroperation der vorliegenden Erfindung durch eine arithmetische Verarbeitung in der CPU anhand von Software durchgeführt werden;
  • 9 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Konfigurationsbeispiels, bei dem die unsymmetrische Spannungsabfallkompensationsoperation und die Leistungsfaktorsteueroperation der vorliegenden Erfindung durch eine arithmetische Verarbeitung in der CPU anhand von Software durchgeführt werden;
  • 10 illustriert experimentelle Beispiele der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 11 illustriert experimentelle Beispiele der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 12 illustriert experimentelle Beispiele der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 13 illustriert experimentelle Beispiele der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 14 illustriert experimentelle Beispiele der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung, und
  • 15 illustriert experimentelle Beispiele der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 16 illustriert ein Konfigurationsbeispiel eines konventionellen Spannungsfluktuationskompensators;
  • 17 illustriert eine Äquivalenzschaltung im Falle eines Spannungsabfalls; und
  • 18 illustriert Äquivalenzschaltungen auf der Eingangsseite bzw. der Lastseite des Drei-Phasen-Wandlers.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert. Unter Bezugnahme auf 2 bis 9 werden der Leistungsfaktor und die Reaktivleistungssteuerung der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei ein Drei-Phasen-Wandler als ein Beispiel verwendet wird, und experimentelle Ergebnisse der Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf 10 bis 15 erläutert.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird eine schematische Konfiguration der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuerung der vorliegenden Erfindung erläutert. In 2 liefert eine Drei-Phasen-Stromquelle 100 Drei-Phasen-Wechselstrom und der Drei-Phasen-Wandler 200 unterwirft den 3-Phasen-Wechselstrom der PWM-Wandlung, und es wird eine Gleichspannung an die Gleichspannungslast 300 ausgegeben.
  • Der Drei-Phasen-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem unsymmetrischen Spannungskompensator 1 und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuervorrichtung 2 ausgestattet. Der unsymmetrische Spannungskompensator 1 kompensiert unsymmetrische Spannungen beim 3-Phasen-Wechselstrom und unterdrückt Fluktuationen der an die Gleichstromlast 300 ausgegebenen Spannung. Zusätzlich koppelt die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuervorrichtung 2 die in die Gleichstromlast 300 eingegebenen Spannung und Strom, welche die Gleichstromausgabe aus dem Drei-Phasen-Wandler 200 ist, zurück, und führt Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuerung anhand der PFC-(Leistungsfaktorkorrektur)Steuerung durch.
  • Der unsymmetrische Spannungskompensator 1 ist mit einer Zentroidvektoroperationseinheit 10 zum Erhalten, aus Leitungsspannungen, von Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, einer symmetrischen Koordinatenkomponenten-Berechnungseinheit 20 zum Berechnen symmetrischer Komponentenspannungen eines symmetrischen Drei-Phasenssystems aus den durch die Zentroidvektoroperationseinheit 10 erhaltenen Wye-Phasenspannungen, und einer Konstantstromsteuereinheit 40 zum Ausbilden eines Kompensationssignals zum Kompensieren der unsymmetrischen Spannungen in den 3-Phasen-Wechselspannungen versehen.
  • Die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuervorrichtung 2 ist mit einer Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit 50 zum Erhalten von Durchschnittsaktivleistung anhand einer PI-Steuerung, basierend auf einem Spannungswert und einem Stromwert des aus dem Drei-Phasen-Wandlers 200 ausgegebenen Gleichstroms, einer Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuereinheit 90 zum beliebigen Einstellen eines Leistungsfaktors und Steuern des Leistungsfaktors und von reaktiver Leistung durch den eingestellten Leistungsfaktor, und einer Konstantstromsteuereinheit 40 zum Bilden eines Steuersignals zum Steuern des Leistungsfaktors und der Reaktivleistung der 3-Phasen-Wechselspannungen versehen.
  • Die Konstantstromsteuereinheit 40 weist eine Konfiguration auf, die üblicherweise zum Ausbilden des Kompensationssignals für die unsymmetrischen Spannungen verwendet wird, und zum Ausbilden des Steuersignals zum Steuern des Leistungsfaktors und der Reaktivleistung. Ein Addierer 30 addiert Null-Phasen-Sequenzspannung und Negativ-Phasen-Sequenzspannung zur Ausgabe aus der Konstantstromsteuereinheit 40 und erzeugt ein PWM-Steuersignal, um die Drei-Phasen-Wechselspannungen der PWM-Wandlung im Drei-Phasen-Wandler 200 zu unterwerfen.
  • Der Drei-Phasen-Wandler 200 ist mit einer Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a und einem Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b zum Erzeugen eines Impulssignals zum Steuern des Betriebs der Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a zur Durchführung der PWM-Steuerung versehen. Der Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b bildet das Impulssignal, basierend auf dem im Addierer 30 erzeugten Steuersignal. Beispielsweise kann die Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a durch eine Brückenschaltung ausgebildet sein, die aus einem Schaltelement besteht, und das Impulssignal steuert EIN/AUS-Betrieb des Schaltelements, um die PWM-Steuerung durchzuführen.
  • Die Zentroidvektoroperationseinheit 10 führt die Vektoroperation an allen Kombinationen von zwei aus den Leitungsspannungen ausgewählten Leitungsspannungen durch. Gemäß der Vektoroperation werden Zentroidvektorspannungen erhalten, die vom Zentroid der Anschlussspannungen von Deltaverbindungen, die Drei-Phasen-Leitungsspannungen sind, jeweils zu den Anschlussspannungen gerichtet sind, und jene erhaltenen Vektorspannungen werden an die symmetrische Koordinatenkomponenten-Berechnungseinheit 20 ausgegeben, unter der Annahme, dass diese Spannungen Wye-Phasenspannungen sind, die zueinander um 120° außer Phase sind.
  • Die symmetrische Koordinatenkomponenten-Berechnungseinheit 20 berechnet aus den Wye-Phasenspannungen, die in der Zentroidvektoroperationseinheit 10 erhalten werden, Positiv-Phasensequenzspannung, Negativ-Phasensequenzspannung und Null-Phasensequenzspannung, welche symmetrische Komponentenspannungen des symmetrischen Drei-Phasenssystems sind, und diese Spannungen werden an den Addierer 30 ausgegeben.
  • Eine Konfiguration zur Kompensierung der unsymmetrischen Spannungen und zum Steuern des Leistungsfaktors und der Reaktivleistung ist aus dem Nachfolgenden aufgebaut; der Konstantstromsteuereinheit 40 zum Durchführen von Konstantstromsteuerung, basierend auf der in der Koordinatenkomponenten-Berechnungseinheit 20 berechneten Positiv-Phasensequenzspannung und den auf die Lastseite gerichteten Rückkopplungswerten der Eingangsleistung, und zum Erzeugen eines Strombefehlswertes, der Durchschnittsaktivleistungs-Operationseinheit 50 zum Berechnen der Durchschnittsaktivleistung anhand der PI-Steuerung, basierend auf dem Eingangsstrom und der Eingangsspannung in den Drei-Phasen-Wandler 200, einer Leistungsfaktor- und Reaktivieistungs-Steuereinheit 90 zum Einstellen des Leistungsfaktors und Berechnen der Durchschnitts-Reaktivleistung basierend auf dem eingestellten Leistungsfaktor, und dem Addierer 30 zum Addieren der Negativ-Phasensequenzspannung und der Null-Phasensequenzspannung zum Strombefehlssignal, nachdem die Konstantstromsteuerung durchgeführt ist. Die Null-Phasensequenzspannung wird als das Kompensationssignal addiert, welches die unsymmetrischen Spannungen von Drei-Phasen-Wechselstromspannungen kompensiert.
  • Der Addierer 30 gibt die Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, aus, um die unsymmetrischen Spannungen zu kompensieren, und den Leistungsfaktor und die Reaktivleistung zu steuern. Die aus dem Addierer 30 ausgegebenen Wye-Phasenspannungen werden am Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b im Drei-Phasen-Wandler 200 eingegeben, die als das Steuersignal zum Unterwerfen der 3-Phasen-Wechselspannungen der PWM-Wandlung zur Ausgabe von Gleichstromspannung dienen.
  • Die als Rückkopplung an die Konstantstromsteuereinheit 40 rückzugebende Eingangsleistung kann beispielsweise in der Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit 50 durch Berechnen von Durchschnittsaktivleistung erfasst werden, basierend auf dem Strom und der Spannung, die auf der Gleichstromausgabeseite des Drei-Phasen-Wandlers oder auf der Lastseite detektiert werden.
  • (Berechne Wye-Phasenspannungen durch die Zentroidvektoroperation)
  • Als Nächstes wird in der Unsymmetrie-Kompensation der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Flussdiagramme in 3 und 4 und die Vektordiagramme in 5 und 5 eine Prozedur zum Erhalten der Wye-Phasenspannungen beschrieben, die zueinander um 120° außer Phase liegen, aus den Leitungsspannungen unter Verwendung der Zentroidvektoroperation und einer Prozedur zum Berechnen symmetrischer Komponentenspannungen aus den erhaltenen Wye-Phasenspannungen.
  • Die Leitungsspannungen (eab, ebc und eca) zwischen jedem der 3-Phasen-Wechselstromanschlüsse werden detektiert. Hier ist die Leitungsspannung eab eine Vektorspannung zwischen dem Anschluss „a” und Anschluss „b”, ist die Leitungsspannungen ebc eine Vektorspannung zwischen dem Anschluss „b” und dem Anschluss „c” und ist die Leitungsspannung eca eine Vektorspannung zwischen dem Anschluss „c” und dem Anschluss „a” (S1).
  • Die detektiert werdenden Leitungsspannungen (eab, ebc und eca) werden der Vektoroperation unterworfen und es werden Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) berechnet. e2a = (eab – eca)/3 (5) e2b = (ebc – eab)/3 (6) e2c = (eca – ebc)/3 (7)
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ihre Aufmerksamkeit darauf gerichtet, dass es eine Beziehung gibt, wie ausgedrückt durch die nachfolgende Gleichung (8), zwischen den aus den Leitungsspannungen berechneten Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) und den Wye-Phasenvektorspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind. e1a = e2a + e1o e1b = e2b + e1o e1c = e2c + e1o (8)
  • Die Gleichung (8) drückt aus, dass die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, durch die Vektorsumme der Zentroidvektoren der Leitungsspannungen (e2a, e2b, e2c), und die Null-Phasensequenzspannung e10 jeweils ausgedrückt werden. Gemäß Gleichung (8) haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass es möglich ist, die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, aus den Zentroidvektoren der Leitungsspannungen (e2a, e2b, e2c) durch Ableiten der Null-Phasensequenzspannung e10 zu erhalten. Weiterhin wird auch gefunden, dass gemäß dieser Beziehung die Positiv-Phasensequenzspannung e1p und die Negativ-Phasensequenzspannung e1n der Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, aus den Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) der Leitungsspannungen erhalten werden können.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet die Beziehung zwischen den Zentroidvektoren der Leitungsspannungen und den Wye-Phasenspannungen. Unter Verwendung der Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c), die leicht durch die Vektoroperation aus den, Deltaspannung seienden, Leitungsspannungen (eab, ebc, eca) berechnet werden können, anstelle des direkten Detektierens der Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, werden diese Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) auf die Steuerung des Drei-Phasen-PWM-Wandlers angewendet, wodurch die Kompensation der asymmetrischen 3-Phasen-Wechselstromspannungen erleichtert wird.
  • (Beziehung zwischen Zentroidvektoren und den Phasenspannungen)
  • Nachfolgend wird eine Erläuterung bezüglich dem gegeben, dass die durch die Vektoroperation erhaltenen Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) den Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, entsprechen.
  • 5 illustriert die Beziehung zwischen den Deltaspannungen und den Wye-Phasenspannungen. In 5 werden die Deltaspannungen durch die Leitungsspannungen (eab, ebc, eca) zwischen den Anschlüssen „a” und „b”, „b” und „c” und „c” und „a” repräsentiert. Die Wye-Phasenspannungen (eka, ekb, ekc) werden durch die Vektorspannungen ab einem willkürlichen Punkt zu jedem der Anschlüsse a, b und c repräsentiert. Der Punkt k ist ein Referenzpunkt, der in den Wye-Phasenspannungen beliebig festgelegt wird.
  • Hier, falls die Wye-Phasenspannungen (eka, ekb, ekc) gegeben sind, werden die Deltaspannungen (eab, ebc, eca) in standardisierter Weise bestimmt. Andererseits, selbst wenn die Deltaspannungen (eab, ebc, eca) gegeben sind, kann der Referenzpunkt k an jeglicher Position definiert werden und somit kann der Punkt unzählig existieren. Daher sind die Wye-Phasenspannungen (eka, ekb, ekc) nicht in standardisierter Weise determiniert, und es kann eine unbeschränkte Anzahl von Kombinationen existieren, die als die Wye-Phasenspannungen (eka, ekb, ekc) repräsentiert werden können. Es sei angemerkt, dass die Null-Phasensequenzspannung gemäß den Wye-Phasenspannungen (eka, ekb, ekc) als ek0 angenommen wird und der Punkt „o” als der Referenzpunkt der Null-Phasensequenzspannung angenommen wird.
  • Gemäß der Beziehung zwischen den Deltaspannungen (Leitungsspannungen) und den Wye-Phasenspannungen, wie in 5 gezeigt, wird die folgende Gleichung erhalten: eab – eca = eka – ekb – (ekc – eka) = 3eka – (eka + ekb + ekc) = 3eka – 3eko (9)
  • Gemäß der Beziehung von Gleichung (9) können die Wye-Phasenspannungen (eka, ekb, ekc) durch die nachfolgenden Gleichungen (10) bis (12), durch die Deltaspannungen (eab, ebc, eca) und die Null-Phasensequenzspannung ek0 ausgedrückt werden. eka = (eab – eca)/3 + eko (10) ekb = (ebc – eab)/3 + eko (11) ekc = (eca – ebc)/3 + eko (12)
  • Andererseits werden hinsichtlich der Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, wenn der Phasenwinkel φ1a der a-Phase durch α repräsentiert ist, die Phasenwinkel φ1a, φ1b und φ1c in entsprechenden drei Phasen a-Phase, b-Phase und c-Phase ausgedrückt durch φ1a = α φ1b = α – 2π/3 φ1c = α + 2π/3 (13)
  • Der Phasenwinkel der Positiv-Phasensequenzspannung ist in Phase mit der a-Phase der Wye-Phasenspannungen, die eine Beziehung von 120° außer Phase voneinander aufweisen. Gemäß dieser Beziehung kann eine Gleichstromkomponente als ein Steuerziel des Drei-Phasen-PWM-Wandlers durch die die dq-Achsenumwandlung extrahiert werden, wodurch die Steuerung des Drei-Phasen-PWM-Wandler erleichtert wird.
  • Zusätzlich liegen in den Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, der Phasenwinkel der Negativ-Phasensequenzspannung und derjenige der Null-Phasensequenzspannung in Bezug auf die Positiv-Phasensequenzspannung in entgegengesetzter Richtung unter demselben Winkel.
  • 6A illustriert eine Beziehung zwischen den Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, und dem Referenzpunkt „o” der Null-Phasensequenzspannung. 6B illustriert eine Beziehung zwischen den Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, und dem Referenzpunkt der Zentroidvektoren (Zentroid). In 6 wird der Referenzpunkt der Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, durch K = 2 repräsentiert und wird der Referenzpunkt (Zentroid) der Zentroidvektoren durch K = 2 repräsentiert.
  • Wie in 6A gezeigt, werden die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, durch die nachfolgende Gleichung (14) ausgedrückt, annehmend, dass K = 1 in den Gleichungen (10) bis (12): e1a = (eab – eca)/3 + e1o = eoa + e1o e1b = (ebc – eab)/3 + e1o = eob + e1o e1c = (eca – ebc)/3 + e1o = eoc + e1o (14)
  • Andererseits werden, wie in 6B gezeigt, die Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) durch die Vektoroperation bezüglich der zwei Leitungsspannungen von den Deltaspannungen (eab, ebc, eca) erhalten, und wenn der Punkt des Zentroidvektors durch K = 2 repräsentiert ist, werden die Zentroidvektoren durch die nachfolgende Gleichung (15) ausgedrückt (S2): e2a = (eab – eca)/3 e2b = (ebc – eab)/3 e2c = (eca – ebc)/3 e2o = (e2a + e2b + e2c)/3 = 0 (15)
  • Gemäß 6B, wenn die Wye-Phasenspannungen (eab, ebc, eca) die zueinander um 120° außer Phase sind, durch die Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) ausgedrückt werden, kann die zuvor erwähnte Gleichung (8) erhalten werden.
  • Die Gleichung (8) zeigt an, wie oben beschrieben, dass die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c) durch die Vektorsumme der jeweiligen Zentroidvektoren der Leitungsspannungen (e2a, e2b, e2c) und die Null-Phasensequenzspannung e10 repräsentiert werden.
  • Andererseits, bezüglich der Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, wenn der Phasenwinkel der a-Phase durch α repräsentiert ist, werden die Phasenwinkel φ1a, φ1b und φ1c der a-Phase, b-Phase bzw. c-Phase ausgedrückt durch: φ1a = α φ1b = α – 2π/3 φ1c = α + 2π/3 (16)
  • Der Phasenwinkel der Positiv-Phasensequenzspannung ist in Phase zur a-Phase der Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind.
  • In der obigen Beziehung kann die Gleichstromkomponente als ein Steuerziel des Drei-Phasen-PWM-Wandlers durch die dq-Achsenumwandlung extrahiert werden, wodurch die Steuerung des Drei-Phasen-PWM-Wandlers erleichtert wird (S3).
  • In den Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, sind der Phasenwinkel der Negativ-Phasensequenzspannung und derjenige der Null-Phasensequenzspannung in Bezug auf die Positiv-Phasensequenzspannung in entgegengesetzter Richtung unter dem gleichen Winkel.
  • Daher werden anstelle der Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, die Zentroidvektoren der Leitungsspannungen (e2a, e2b, e2c) verwendet, um die Positiv-Phasensequenzspannung ep und die Negativ-Phasensequenzspannung eq aus diesen Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) zu extrahieren, wodurch die Gleichstromkomponente als ein Steuerziel des Drei-Phasen-PWM-Wandlers herausgenommen wird, und es ist weiterhin möglich, die unsymmetrischen Spannungen durch Extrahieren der Null-Phasensequenzspannung zu kompensieren (S4).
  • Als Nächstes werden die in Schritt S2 erhaltenen Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) dem dq-Achsenwandlungsprozess unterworfen und die d-Achsenkomponente e1d und die q-Achsenkomponente e1q werden erhalten. Diese Umwandlung wird zur Steuerung des Drei-Phasen-PWM-Wandlers durch die Gleichstromkomponente durchgeführt (S3).
  • Um die dq-Achsenwandlung durchzuführen, wird ein räumlicher Vektor in einen Realvektor umgewandelt. Wenn die Phasendifferenz zwischen den Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c) und den symmetrischen Dreiphasenspannungen (er, es und et) als α angenommen wird, sind die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c) äquivalent einem Realteil der durch den räumlichen Vektor repräsentieren Wye-Phasenspannungen, und sie werden durch die folgende Gleichung (17) ausgedrückt: e1a = E1amCOS(ωt + α) e1b = E1bmCOS(ωt + α – 2π/3) e1c = E1cmCOS(ωt + α + 2π/3) (17)
  • Wenn diese Wye-Phasenspannungen der dq-Achsenwandlung unterworfen werden, kann die d-Achse, die q-Achse und die Null-Phasensequenzkomponente erhalten werden. Jedoch ist es bei der Deltaverbindung nicht möglich, die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, direkt zu detektieren, und sie sind nicht vorgegeben. Daher ist die Null-Phasensequenzspannung e10 unklar.
  • In der vorliegenden Erfindung werden statt der Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die nicht direkt detektiert werden können, die Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) eingesetzt, die durch Unterwerfen detektierbarer Leitungsspannungen der Zentroidvektoroperation erhalten werden. Entsprechend ist es mit den Leitungsspannungen zu einem Messzeitpunkt möglich, die unsymmetrischen Dreiphasenspannungen zu kompensieren.
  • Wenn die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c) der Gleichung (8) der dq-Achsenwandlung unterworfen werden, wird die nachfolgende Gleichung (18) etabliert:
    Figure DE102012201045B4_0002
  • Wenn die Zentroidvektoren (e2a, e2b, e2c) der Gleichung (15) der dq-Achsenwandlung unterworfen werden, wird die folgende Gleichung (19) etabliert:
    Figure DE102012201045B4_0003
  • Die d-Achsenkomponenten e1d, e2d, und die q-Achsenkomponenten e1q, e2q nach dq-Achsenwandlung, ausgedrückt durch die Gleichungen (18) und (19), werden nicht durch die durch die Gleichung (14) ausgedrückte Null-Phasensequenzspannung e10 beeinflusst und Werte der d-Achsenkomponente sind zueinander gleich und die Werte der q-Achsenkomponenten sind zueinander gleich.
  • Wenn die Gleichung (19) angewendet wird, welche durch Unterwerfen der Gleichung (15) der dq-Achsenwandlung erhalten wird, wobei die Gleichung (15) die momentanen Leitungsspannungen (eab, ebc, eca), welche durch einen Messpunkt erhalten werden, ausdrückt, ist es möglich, auf die PFC-Steuerung mit hoher Geschwindigkeit zu antworten, indem die Leitungsspannungen an einem Messzeitpunkt ermittelt werden, ohne die Werte zu mehreren Messzeitpunkten zu verwenden.
  • Es ist anzumerken, dass, falls die PFC-Steuerung unter Verwendung der Gleichung (19) durchgeführt wird, die Null-Phasensequenzspannung e10 in Gleichung (19) nicht erscheint. Daher wird die Null-Phasensequenzspannung e10 unter Verwendung der Positiv-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung berechnet. Die Berechnung der Null-Phasensequenzspannung e10 wird nachfolgend beschrieben (S3).
  • Als Nächstes werden symmetrische Spannungskomponenten (Positiv-Phasensequenzspannung, Negativ-Phasensequenzspannung und Null-Phasensequenzspannung) aus der d-Achsenkomponente und der q-Achsenkomponente e1q erhalten, welche durch die dq-Achsenwandlung ermittelt werden (S4).
  • (Berechnung der symmetrischen Komponentenspannungen)
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf das in 4 gezeigte Flussdiagramm die Berechnung der symmetrischen Komponentenspannungen erläutert. Bezüglich der Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, wenn die Positiv-Phasensequenzspannung als e1p angenommen wird, die Negativ-Phasenssequenzspannung als ein angenommen wird, und die Null-Phasensequenzspannung als e10 angenommen wird, werden die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c) wie folgt ausgedrückt: e1a = e1p + e1n + e1o e1b = e1p·e–j2π/3 + e1n·ej2π/3 + e1o e1c = e1p·ej2π/3 + e1n·e–j2π/3 + e1o e1a = E1pmcos(ωt + α) + E1nmcos(ωt + φ1n) + E1omcos(ωt + φ1o) e1b = E1pmcos(ωt + α – 2π/3) + E1nmcos(ωt + φ1n + 2π/3) + E1omcos(ωt + φ1o) e1c = E1pmcos(ωt + α + 2π/3) + E1nmcos(ωt + φ1n – 2π/3) + E1omcos(ωt + φ1o) (20)
  • Durch Unterwerfen jener Objekte der dq-Achsenwandlung wird die nachfolgende Gleichung (21) erhalten.
  • Figure DE102012201045B4_0004
  • Die Positiv-Phasensequenzspannung (e1dp, e1qp) in Gleichung (21) entspricht der Gleichstromkomponente und die Negativ-Phasensequenzspannung (e1dn, e1qn) in Gleichung (21) entspricht der Wechselstromkomponente. Daher ist es möglich, die Positiv-Phasensequenzspannung (e1dp, e1qp) und die Negativ-Phasensequenzspannung (e1dn, e1qn) anhand der Frequenztrennung zu extrahieren.
  • Diese Frequenztrennung kann unter Verwendung eines Bandpassfilters oder eines Tiefpassfilters durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Positiv-Phasensequenzspannung (e1dp, e1qp) durch den Tiefpassfilter extrahiert werden, und es werden (E1pmcosα, E1pmsinα) ermittelt. Zusätzlich kann die Negativ-Phasensequenzspannung (e1dn, e1qn) durch Subtrahieren der Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp), die extrahiert sind, aus den Originalsignalen extrahiert werden, die der dq-Achsenwandlung unterworfen worden sind, und es wird (E1nmcos(2ωt + φ1n), –(E1nmsin(2ωt + φin)) ermittelt (S41, S42).
  • Wenn die Taktzeit des Messpunktes als „ts” angenommen wird, kann der Phasenwinkel α der Positiv-Phasensequenzspannung und der Phasenwinkel φ1n der Negativ-Phasensequenzspannung jeweils aus Gleichung (22) und Gleichung (23) erhalten werden: α = tan–1(e1qp/e1dp) (22) φ1n = –2ωts – tan–1(e1qn/e1dn) (23)
  • Die Negativ-Phasensequenzspannung e1n wird durch die Gleichung (25) und die Gleichung (26) gemäß der Gleichung (24) ausgedrückt:
    Figure DE102012201045B4_0005
  • Zusätzlich wird die Null-Phasensequenzspannung e10 durch die Gleichung (27) ausgedrückt:
    Figure DE102012201045B4_0006
  • In der obigen Gleichung, gemäß der Beziehung, dass: E10m = E1nm φ1n = α + φ' φ1o = α – φ', wird die folgende Beziehung gefunden: φ1o = 2α – φ1n (28)
  • Daher wird die Phase φ10 der Null-Phasensequenzspannung e10 durch die folgende Gleichung (29) ausgedrückt: φ1o = 2ωts + 2tan–1(e1qp/e1dp) + tan–1(e1qn/e1dn) (29) (S43)
  • Die Amplitude E10m der Null-Phasensequenzspannung e10 wird durch das Nachfolgende ausgedrückt, anhand der Negativ-Phasensequenzspannung (e1dn, e1qn): E1om = (e1dn 2 + e1qn 2)1/2 (30) (S44)
  • Daher wird die Null-Phasensequenzspannung e10 durch das Nachfolgende ausgedrückt: e1o = (e1dn 2 + e1qn 2)1/2·cos(ωt + φ1o) (31) (S45)
  • Entsprechend werden die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, durch die nachfolgenden Gleichungen (32) bis (34) ausgedrückt: e1a = (eab – eca)/3 + (e1dn 2 + e1qn 2)1/2·cos(ωt + φ1o) (32) e1b = (ebc – eab)/3 + (e1dn 2 + e1qn 2)1/2·cos(ωt + φ1o) (33) e1c = (eca – ebc)/3 + (e1dn 2 + e1qn 2)1/2·cos(ωt + φ1o) (34)
  • Als Nächstes wird die Null-Phasensequenzspannung verwendet, um die unsymmetrischen Spannungen zu kompensieren und gleichzeitig wird die PFC-Steuerung durchgeführt (S5). Dann werden die Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c) erhalten, welche zueinander 120° außer Phase sind, und an denen die unsymmetrische Spannungskompensation und die Leistungsfaktorsteuerung durchgeführt worden sind (S6), und es wird ein Steuersignal zum Steuern des Drei-Phasen-PWM-Wandlers erzeugt, basierend auf den erhaltenen Wye-Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c) (S7).
  • (Konfigurationsbeispiel der Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers)
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 7 ein detaillierteres Konfigurationsbeispiel bezüglich des unsymmetrischen Spannungskompensators und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuervorrichtung erläutert, die in der Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind.
  • Im Konfigurationsbeispiel des unsymmetrischen Spannungskompensators, wie in 7 gezeigt, ähnlich zur schematischen Konfiguration wie in 2 gezeigt, führt die Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100 den Drei-Phasen-Wechselstrom dem Drei-Phasen-Wandler 200 zu, der die Drei-Phasen-Wechselstromspannungen des Drei-Phasen-Wechselstroms der PWM-Wandlung unterwirft, um Gleichstromspannung zu erhalten, und gibt die Gleichstromspannung an die Gleichstromlast 300 aus.
  • Die Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit dem Nachfolgenden versehen, als eine Konfiguration des unsymmetrischen Spannungskompensators 1 zum Kompensieren unsymmetrischer Spannungen; der Zentroidvektoroperationseinheit 10 zum Erhalten von Wye-Phasenspannungen (e2a, e2b, e2c) aus jeder der Leitungsspannungen (eab, ebc, eca) der symmetrischen Distributionsleitungs-Dreiphasenspannungen ea, eb und ec, der Koordinatenkomponenten-Berechnungseinheit 20 zum Berechnen von symmetrischen Drei-Phasensystem-Symmetriekomponentenspannungen (e1dp, e1qp, e1dn, e1qn) aus den Wye-Phasenspannungen (e2a, e2b, e2c), die aus der Zentroidvektoroperationseinheit 10 erhalten werden, und der Konstantstromsteuereinheit 40 zum Ausbilden eines Kompensationssignals für die unsymmetrischen Spannungen.
  • Die Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit dem Nachfolgenden als eine Konfiguration des Leistungsfaktors und Reaktivleistungs-Controllers 2 zum Steuern des Leistungsfaktors und der Reaktivleistung vorgesehen; der Durchschnittsaktivleistungs-Operationseinheit 50, der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuereinheit 90 und der Konstantstromsteuereinheit 40. Hier hat die Konstantstromsteuereinheit 40 eine Konfiguration, die gemeinsam zum Abbilden des Kompensationssignals für die unsymmetrischen Spannungen und eines Steuersignals für den Leistungsfaktor und die Reaktivleistung verwendet wird.
  • Der Ausgabeaddierer 30 addiert die Null-Phasensequenzspannung und die Negativ-Phasensequenzspannung zum Kompensationssignal und dann zum in der Konstantstromsteuereinheit 40 gebildeten Steuersignal, so das ein PWM-Steuersignal zum Unterwerfen der Drei-Phasen-Wechselstromspannungen der PWM-Wandlung am Drei-Phasen-Wandler 200 erzeugt wird.
  • Zusätzlich ist auf der Distributionsleitung die Eingangsseite des Drei-Phasen-Wandlers 200 mit Kontaktpunkten 61 zum Detektieren der Leitungsspannungen, Sensoren 63 zum Messen eines Stromwertes und Wechselstromreaktoren 60 versehen. Weiterhin ist die Ausgangsseite des Drei-Phasen-Wandlers 200 mit einem Kontaktpunkt 67 zum Detektieren der Gleichstromspannung, einem Sensor 65 zum Messen von Gleichstrom-Strom und einem Kondensator 69 für Ausgangsglättung versehen.
  • Auf der Eingangsseite des Drei-Phasen-PWM-Wandlers sind die Kontaktpunkten 61 mit einem Leitungsspannungs-Detektor 62 verbunden und der Leitungsspannungs-Detektor 62 misst die Leitungsspannungen der Dreiphasenspannungen. Die Sensoren 63 werden mit einem Stromdetektor 64 verbunden und der Stromdetektor 64 misst den Strom der Dreiphasenspannungen.
  • Zusätzlich ist auf der Ausgangsseite des Drei-Phasen-Wandlers 200 ein Spannungsdetektor 68 mit dem Kontaktpunkt 67 verbunden und der Spannungsdetektor 68 misst die Ausgangsspannung.
  • Zusätzlich ist der Sensor 65 mit einem Stromdetektor 66 verbunden und der Stromdetektor 66 misst den Ausgangsstrom.
  • Die Drei-Phasen-Wechselstromquelle gibt den Drei-Phasen-Eingangsstrom aus, mit Spannung Va, Spannung Vb und Spannung Vc. Die Spannungen Va, Vb und Vc sind jeweils Phasenspannungen der a-Phase, b-Phase und c-Phase. Die Kontaktpunkte 61 weisen Punkte zum Etablieren eines Kontaktes jeweils mit der a-Phasenleitung, b-Phasenleitung und c-Phasenleitung auf. Die Sensoren 63 sind jeweils auf der a-Phasenleitung und der c-Phasenleitung installiert und jene Sensoren detektieren aus der Drei-Phasen-Wechselstromquelle eingegebenen Wechselstromeingangsstrom. Die Wechselstromreaktoren 60 sind jeweils an der a-Phasenleitung, b-Phasenleitung und c-Phasenleitung vorgesehen, um Hochfrequenzstrom abzublocken.
  • Der unsymmetrische Spannungskompensator 1 ist mit den dq-Achsenwandlern 81, 82, 83 und 84 zum Umwandeln von drei Achsen in zwei Achsen oder von zwei Achsen in drei Achsen versehen. Der dq-Achsenwandler 81 wandelt die Wye-Phasenspannungen (e2a, e2b, e2c), die in der Zentroidvektoroperationseinheit 10 erhalten worden sind, in die d-Achsenspannung e1d und die q-Achsenspannung e1q um, der dq-Achsenwandler 82 wandelt die biaxiale Negativ-Phasensequenzspannungen (e1dn, e1qn) in die triaxiale Negativ-Phasensequenzspannungen (e1an, e1bn, e1cn) um, der dq-Achsenwandler 83 wandelt ia, ib und ic, die aus dem Stromdetektor 64 erhalten sind, in den d-Achsenstrom id und den q-Achsenstrom iq um, und der dq-Achsenwandler 84 wandelt die biaxialen Positiv-Phasensequenzspannungen (vdp *r, vqp *r), nachdem die Konstantstromsteuerung durchgeführt worden ist, in die triaxialen Positiv-Phasensequenzspannungen (e1ap, e1bp, e1cp) um.
  • Zusätzlich ist ein Synchronsignalgenerator 70 mit der Zentroidvektoroperationseinheit 10 verbunden und basierend auf den in der Zentroidvektoroperationseinheit 10 erhaltenen Wye-Phasenspannungen (e2a, e2b, e2c) wird ein Synchronsignal „s” erzeugt, um die dq-Achsenwandler 81, 82 und 83 zu synchronisieren.
  • Der Drei-Phasen-Wandler 200 ist mit einer Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a und einem Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b zum Erzeugen eines Impulssignals der Steuerung des Betriebs der Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a, um so die PWM-Steuerung durchzuführen, versehen. Der Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b bildet ein Impulssignal, basierend auf den Phasenspannungen (Vd, Ve, Vf), die durch den Addierer 30 erzeugt werden. Die Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a kann aus einer Brückenschaltung gebildet sein, die beispielsweise aus einem Schaltelement besteht, und das Impulssignal steuert den EIN/AUS-Betrieb des Schaltelements, wodurch die PWM-Steuerung durchgeführt wird.
  • Beispielsweise kann die Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a des Drei-Phasen-Wandlers 200 aus einem Halbleiterschaltelement wie einem IGBT (Isoliertem Gatter-Bipolartransistor) und einer Diode hergestellt sein, und dieses Gatter des Halbleiterschaltelements wird EIN und AUS gesteuert, wodurch der eingegeben werdende Drei-Phasen-Wechselstrom in Gleichstrom verwandelt wird und der Gleichstrom ausgegeben wird.
  • Der Kondensator 69, des Sensor 65 und der Kontaktpunkt 67 sind auf der Ausgangsseite des Drei-Phasen-Wandlers 200 vorgesehen. Der Kondensator 69 glättet die aus dem Drei-Phasen-Wandler 200 ausgegebene Gleichspannung. Der Sensor 65 ist ein Stromsensor zum Detektieren des Gleichstromausgabestroms, der aus dem Drei-Phasen-Wandler 200 ausgegeben wird, und ein Stromdetektor 66 detektiert einen Stromwert Idc des Gleichstromausgabestroms. Der Kontaktpunkt 67 ist ein Punkt zum Herstellen eines Kontaktes mit der Gleichstromausgangsleitung des Drei-Phasen-Wandlers 200 und der Spannungsdetektor 68 detektiert einen Spannungswert Vdc der Gleichstromausgangsspannung.
  • Nachfolgend wird jede Einheit des unsymmetrischen Spannungskompensators 1 erläutert.
  • Der Leitungsspannungsdetektor 62 detektiert Leitungsspannungen (eab, ebc, eca) der Drei-Phasen-Wechselstromeingangsspannungen an den Kontaktpunkten 61. Die Zentroidvektoroperationseinheit 10 berechnet und erhält die Zentroidvektorspannungen (e2a, e2b, e2c) aus den Signalen der Leitungsspannungen (eab, ebc, eca), die im Leitungsspannungsdetektor 62 detektiert werden, und die erhaltenen Zentroidvektorspannungen (e2a, e2b, e2c) werden als substituierende Signale für Phasenspannungen (e1a, e1b, e1c), die zueinander um 120° außer Phase sind, verwendet.
  • Der dq-Achsenwandler (Wandlung von drei Phasen zu zwei Phasen) 81 konvertiert die Zentroidvektorspannungen (e2a, e2b, e2c), die in der Zentroidvektoroperationseinheit 10 erhalten worden sind, in Spannungssignale (e1d, e1q) der d-Achse und q-Achse (zwei Phasen). Der Synchronsignalgenerator 70 verwendet die Zentroidvektorspannungen (e2a, e2b, e2c), die in der Zentroidvektoroperationseinheit 10 erhalten worden sind, um das Synchronsignal „s” zu erzeugen. Die dq-Achsenwandlung durch den dq-Achsenwandler 81 kann basierend auf Gleichung (21), wie oben beschrieben, ausgeführt werden.
  • Der Stromdetektor 64 erfasst Detektionssignale des a-Phasen- und c-Phasen-Wechselstromeingangsstroms, welche durch die Sensoren 63 detektiert werden, und erzeugt Signale (ia, ib, ic) des Drei-Phasen-Wechselstromeingangsstroms. Der Stromdetektor 64 erzeugt die Drei-Phasen-Wechselstromeingangsstromsignale, indem er verwendet, dass die gesamte Summe des Wechselstromeingangsstroms der a-Phase, b-Phase und c-Phase Null wird. Daher, falls er so konfiguriert ist, dass zumindest zwei Wechselstromeingangsströme aus der a-Phase, b-Phase und c-Phase detektiert werden, können Eingangsströme der drei Phasen ermittelt werden.
  • Der dq-Achsenwandler (Wandlung von Drei-Phase nach Zwei-Phase) 83 wandelt die durch den Stromdetektor 64 detektierten Drei-Phasen-Wechselstromeingangsstromsignale (ia, ib, ic) in ein d-Achsenstromsignal und ein q-Achsenstromsignal (id, iq) um (zwei Phasen).
  • Die Koordinatenkomponenten-Berechnungseinheit 20 ist mit einem Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21, einem Negativ-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 22, einem φ10-Kalkulator 23 und einem Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 versehen, gibt die durch den dq-Achsenwandler 81 (Wandlung von Drei-Phase nach Zwei-Phase) umgewandelten Spannungssignale (e1d, e1q) der d-Achse und q-Achse (zwei Phasen) ein und berechnet die Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp), die Negativ-Phasensequenzspannungen (e1dn, e1qn) und die Null-Phasensequenzkomponentenspannungen (e10), die symmetrische Komponentenspannungen sind.
  • In der vorstehenden Gleichung (21) sind in der d-Achsenspannung e1d und in der q-Achsenspannung e1q, die durch Unterwerfen der Zentroidvektorspannungen (e2a, e2b, e2c) der dq-Achsenwandlung erhalten werden, die Gleichstromkomponenten (E1pmcosα, E1pmsinα) äquivalent zu den Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp), und sind die Wechselstromkomponenten (E1nmcos(2ωt + φ1n), –(E1nmsin(2ωt + φin)) äquivalent den Negativ-Phasensequenzspannungen (e1dn, e1qn). Daher ist es möglich, die Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp) und die Negativ-Phasensequenzspannungen (e1dn, e1qn) anhand der Frequenztrennung zu extrahieren.
  • Der Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 ist in der Lage, die Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp) unter Verwendung eines Bandpassfilters oder eines Tiefpassfilters zu extrahieren. Zusätzlich subtrahiert der Negativ-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 22 von den Originalsignalen, nachdem die dq-Achsenwandlung durchgeführt wird, die Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp), die im Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 extrahiert worden sind, wodurch die Negativ-Phasensequenzspannungen (E1nmcos(2ωt + φ1n), –(E1nmsin(2ωt + φin)) extrahiert werden.
  • Wie oben beschrieben, kann die Null-Phasensequenzspannung e10 durch die Gleichung (31) ausgedrückt werden und die Phase φ10 der Null-Phasensequenzspannung e10 wird durch die Gleichung (29) ausgedrückt. Die Amplitude e10 der Null-Phasensequenzspannung e10 wird durch die Gleichung (30) ausgedrückt.
  • Dann verwendet der φ10 Kalkulator 23 die Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp) und die Negativ-Phasensequenzspannungen (e1dn, e1qn), um die Phase φ10 zu berechnen und gibt die berechnete Phase in den Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 ein. Dann verwendet der Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 die durch den φ10 Kalkulator 23 berechnete Phase φ10 und die durch den Negativ-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 22 berechneten Negativ-Phasensequenzspannungen (e1dn, e1qn), wodurch die Null-Phasensequenzspannung e10 erhalten wird.
  • Die durch den Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 berechneten Positiv-Phasensequenzspannungen (e1dp, e1qp) werden der Konstantstromsteuerung in der Konstantstromsteuereinheit 40 unterworfen, ein Befehlswert zum Steuern der unsymmetrischen Spannungskompensation und des Leistungsfaktors (Reaktivleistung) wird gebildet und die Zwei-zu-Drei-Achsenwandlung im dp-Wandler 84 wandelt die Spannungen in Positiv-Phasensequenzspannungen (V1ap, V1bp, V1cp) um, die jeweils mit den Positiv-Phasensequenzspannungen (e1ap, e1bp, e1cp) assoziiert sind, und nachfolgend werden jene Spannungen am Addierer 30 eingegeben.
  • Die im Negativ-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 22 berechneten Negativ-Phasensequenzspannungen (e1dn, e1qn) werden im dq-Achsenwandler 83 von zwei Achsen nach drei Achsen umgewandelt und nach Umwandlung in die Negativ-Phasensequenzspannungen (e1an, e1bn, e1cn) dann in den Addierer 30 eingegeben. Die im Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 berechnete Null-Phasensequenzspannung e10 wird am Addierer 30 eingegeben.
  • Der Addierer 30 addiert die eingehenden Positiv-Phasensequenzspannungen (V1ap, V1bp, V1cp), die Negativ-Phasensequenzspannungen (e1an, e1bn, e1cn) und die Null-Phasensequenzspannung e10 und gibt dann die Phasenspannungen (ed, ee, ef) aus. Diese Phasenspannungen (ed, ee, ef) sind Signale, nachdem die unsymmetrische Kompensation und die Konstantstromsteuerung durchgeführt worden sind. Der Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b des Drei-Phasen-Wandlers 200 erzeugt ein Impulssignal, um die Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a, basierend auf den Phasenspannungen (ed, ee, ef) zu steuern.
  • Nachfolgend wird eine Erläuterung bezüglich der Konfiguration der Konstantstromsteuerung gemacht. Um die Konstantstromsteuerung des Drei-Phasen-PWM-Wandlers durchzuführen, ist es notwendig, eine Beziehung zwischen der Eingangsleistung und der Eingangsspannung zu kennen.
  • Wie nachfolgend gezeigt, repräsentiert der Raumvektor Ia einen Phasenstrom ia gemäß einer Positiv-Phasensequenzstromamplitude Ipm und einer Negativ-Phasensequenzstromamplitude Inm und die Gleichung unten wird etabliert: Ia = Ipmej(ωt+β) + Inme–j(ωt+β) (35)
  • Andererseits wird die durch die Gleichung (20) ausgedrückte a-Phasen-Sequenzspannung e1a in den Raumvektor V1a umgewandelt und wenn die Eingangsleistung Pin erhalten wird, wird die folgende Gleichung etabliert:
    Figure DE102012201045B4_0007
  • Nachdem die Nullstromsteuerung durchgeführt worden ist, wird der Negativ-Phasensequenzstrom Inm zu Null (Imn = 0).
  • Unter der Bedingung, dass „Inm = 0”, werden „P” und „Q” in der durch die Gleichung (36) ausgedrückten Eingangsleistung Pin weiter wie folgt ausgedrückt: P = 3 / 2{νe dpie dp + νe qpie qp + cos2ωt(νe dnie dp + νe qnie qp) + sin2ωt(νe qnie dp + νe dnie qp)} (37) Q = 3 / 2{νe qpie dp – νe dpie qp + cos2ωt(νe qnie dp – νe dnie qp) – sin2ωt(νe dnie dp + νe qnie qp)} (38)
  • Hier ist das Folgende anzumerken:
    Figure DE102012201045B4_0008
  • Bezüglich Pin in Gleichung (36), wenn die Durchschnittswert-Stromsteuerung und die Nullsteuerung des Negativ-Phasensequenzstroms durchgeführt werden, kann der Ausdruck „2ωt” in den Gleichungen (37) und (38) eliminiert werden. Falls die Durchschnitts-Aktivleistung von P als „Pave” angenommen wird und die Durchschnitts-Reaktivleistung von Q als „Qave” angenommen wird, wird die folgende Gleichung erhalten:
    Figure DE102012201045B4_0009
  • Andererseits wird die Durchschnitts-Aktivleistung Pave von Pin gemäß der PI-Steuerung durch die folgende Gleichung gegeben, wenn ein Spannungsbefehlswert als vdc *r angenommen wird.
  • Figure DE102012201045B4_0010
  • Die Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit 50, wie in 7 gezeigt, zeigt ein Konfigurationsbeispiel an, das die PI-Steuerung der Gleichung (41) wie oben beschrieben ausführt.
  • Bezüglich des Strombefehlswerts zum Steuern der Durchschnitts-Aktivleistung Pave und der Durchschnitts-Reaktivleistung Qave in Gleichung (40), ersetzen idp *r und iqp *r jeweils die Stromausdrücke in Gleichung (40) und die folgende Gleichung wird etabliert:
    Figure DE102012201045B4_0011
  • Bezüglich des Strombefehlswerts zum Durchführen der Nullsteuerung an Qave in Gleichung (40) ersetzen idp *r und iqp *r jeweils die Stromterme in Gleichung (40) und die nachfolgende Gleichung wird etabliert:
    Figure DE102012201045B4_0012
  • Jene oben beschriebenen Gleichungen (42) und (43) drücken Strombefehlswerte aus, welche durch die Positiv-Phasensequenzspannung des Drei-Phasen-Wechselstroms und die Leistung des Drei-Phasen-Wandlers bestimmt werden. Die Ausgangssignale vdp *r und vqp *r gemäß der Konstantstromsteuerung unter Verwendung der Strombefehlswerte werden wie nachfolgend gezeigt gegeben:
    Figure DE102012201045B4_0013
  • Der Stromdetektor 66 erfasst ein Detektionssignal des Gleichstromausgangsstroms, der durch den Sensor 65 detektiert wird, und erzeugt ein Gleichstromausgangsstromsignal idc. Der Spannungsdetektor 68 detektiert eine Gleichstromausgangsspannung am Kontaktpunkt 67 und erzeugt ein Gleichstromausgangsspannungssignal vdc.
  • Die Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit 50 ist mit einem Multiplizierer 51, einem Subtrahierer 52, einer Gleichstromspannungssteuereinheit 53 und einem Addierer 54 versehen.
  • Der Subtrahierer 52 subtrahiert das durch den Spannungsdetektor 68 detektierte Gleichstromausgangsspannungssignal vdc von einem Gleichspannungsspannungsbefehlswertsignal vdc *r, das einen gewissen, als Spannungsbefehlswert eingestellten Konstantspannungswert anzeigt und gibt ein erhaltenes Abweichungssignal aus. Der Multiplizierer 51 multipliziert das durch den Stromdetektor 66 detektierte Gleichstromausgangsstromsignal idc mit dem durch den Spannungsdetektor 68 detektierten Gleichstromausgangssignal vdc und berechnet ein momentanes Leistungssignal Pdc·
  • Die Gleichstromspannungssteuereinheit 53 erzeugt ein Gleichstromspannungssteuersignal als Ergebnis der PI(Proportional-Integral)-Steuerung, die das Gleichstromausgangsspannungssignal vdc als einen Konstantspannungswert steuert, basierend auf dem durch den Subtrahierer 52 berechneten Abweichungssignal. Der Addierer 54 addiert das momentane Leistungssignal Pdc, das durch den Multiplizierer 51 berechnet worden ist, zum durch die Gleichstromspannungssteuereinheit 53 erzeugten Gleichstromspannungssteuersignal, wodurch das Durchschnitts-Aktivleistungssignal Pave erzeugt wird.
  • Die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuereinheit 90 ist mit der Leistungsfaktor-Einstelleinheit 90a zum beliebigen Einstellen des Leistungsfaktors und einer Durchschnitts-Reaktivleistungsoperationseinheit 90b zum Berechnen der Reaktivleistung versehen.
  • Die Leistungsfaktoreinstelleinheit 90a gibt einen eingestellten Leistungsfaktor über ein Eingabemittel oder ein nicht illustriertes Steuermittel ein. Die Durchschnitts-Reaktivleistungsoperationseinheit 90b berechnet Durchschnitts-Reaktivleistung Qave auf Basis der in der Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit 50 ermittelten Durchschnitts-Aktivleistung Pave und dem in der Leistungsfaktor-Einstelleinheit 90a eingestellten Einstell-Leistungsfaktor (cosθ).
  • Der Leistungsfaktor cosθ ist durch [Pave/(Pave 2 + Qave 2)1/2] definiert. Die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuervorrichtung 2 der vorliegenden Erfindung berechnet die Durchschnitts-Reaktivleistung Qave gemäß der nachfolgenden Gleichung unter Verwendung des Leistungsfaktors cosθ, der in der Leistungsfaktor-Einstelleinheit 90a eingestellt ist und der Durchschnittsaktivleistung Pave, die durch die Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit 50 ermittelt ist: Qave = Pave·[1 – cosθ)2]1/2/cosθ
  • Gemäß der Beziehung zwischen dem Leistungsfaktor θ, der Durchschnitts-Aktivleistung Pave und der Durchschnitts-Reaktivleistung Qave, steuert die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuereinheit 90 den Leistungsfaktor auf einen beliebigen Wert und steuert die Durchschnitts-Reaktivleistung anhand des eingestellten Leistungsfaktors.
  • Die Konstantstromsteuereinheit 40 ist mit einem Konstantstrombefehlswertgenerator 41 zum Erzeugen von Strombefehlswerten und Konstantstromsteuerausgabeeinheiten 42a und 42b zum Erzeugen von Ausgangssignalen, die der Konstantstromsteuerung, basierend auf dem Strombefehlswert, unterworfen worden sind, versehen. Die Konstantstromsteuerausgabeeinheit 42a erzeugt ein d-Achsen-Ausgabesignal vdp *r und die Konstantstromsteuerungsausgabeeinheit 42b erzeugt ein q-Achsen-Ausgabesignal vqp *r.
  • Die Konstantstromsteuereinheit 40 erhält die Strombefehlswerte auf Basis der Durchschnittsaktivleistung Pave, die in der Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit 50 erhalten ist, und der in der Durchschnitts-Reaktivleistungsoperationseinheit 90b erhaltenen Qave. Dann vergleicht die Konstantstromsteuereinheit 40 so erhaltene Strombefehlswerte und den durch die Stromdetektionseinheit 64 detektierten eingangsseitigen Strom, wodurch Konstantstromsteuerung an der Positiv-Phasensequenzspannung, die aus dem Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 ermittelt worden ist, durchgeführt wird und Steuerwerte (vdp *r, vqp *r) erhalten werden. Nachdem der dq-Achsenwandler 84 die erhaltenen Steuerwerte (vdp *r, vqp *r) in Drei-Phasen-Positivphasensignale (V1ap, V1bp, V1cp) umwandelt, werden jene Signale am Addierer 30 eingegeben.
  • Der Konstantstromsbefehlswertgenerator 41 erzeugt Signale (idp *r, iqp *r) der Strombefehlswerte anhand einer Berechnung, basierend auf dem Signal der im Addierer 54 berechneten Durchschnittsaktivleistung Pave und Positiv-Phasensequenzkomponenten (e1dp, e1qp) der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale, die durch den Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 getrennt sind.
  • Die Konstantstromsteuerausgabeeinheit 42a führt die Konstantstromsteuerung, basierend auf id aus dem dq-Achsenwandler 83 und dem Strombefehlswertsignal idp *r aus und erzeugt das d-Achsen-Ausgabesignal vdp *r. Die Konstantstromsteuerausgabeeinheit 42b führt die Konstantstromsteuerung basierend auf dem iq aus dem dq-Achsenwandler 83 und dem Strombefehlswertsignal iqp *r durch und erzeugt das q-Achsen-Ausgabesignal vqp *r. Die Konstantstromsteuerung wird anhand der PI-Steuerung durchgeführt, welche den Eingangsstrom steuert, ein Konstantstromwert zu sein.
  • Der Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b nimmt die Signale (Vd, Ve, Vf), die durch den Addierteil 31b des Addierers 30 berechnet worden sind, als Gattersteuersignale an, vergleicht jene Signale mit Dreieckswellensignalen, die durch einen (nicht illustrierten) Trägerfrequenzgenerator erzeugt worden sind, erzeugt ein Gatterimpuissignal als das PWM-Signal und gibt das Signal an alle Gatter der Halbleiterschaltelemente in der Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a aus.
  • [Operationsbeispiel des unsymmetrischen Spannungskompensators und des Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuercontrollers]
  • Als Nächstes wird ein Betriebsbeispiel des unsymmetrischen Spannungskompensators 1 und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuervorrichtung 2 erläutert. Die Zentroidvektoroperationseinheit 10 berechnet die Zentroidvektorspannungen (e2a, e2b, e2c) aus den Leitungs-Spannungen (eab, ebc, eca) und der dq-Achsenwandler 81 wandelt die Zentroidvektorspannungen (e2a, e2b, e2c), die berechnet worden sind, in das d-Achsen-Spannungssignal e1d und das q-Achsen-Spannungssignal e1q um, wie in Gleichung (21) ausgedrückt.
  • Der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (21) drückt die Positiv-Phasensequenzkomponenten e1dp, e1qp der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale e1d, e1q aus und der zweite Term auf der rechten Seite drückt die Negativ-Phasensequenzkomponenten e1dn, e1qn der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale e1d, e1q aus. Daher ist es möglich, die d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale e1d und e1q anhand der Frequenztrennung unter Verwendung eines Filters oder dergleichen zwischen der Positivphase und der Negativphase zu trennen; das heißt zwischen den Positiv-Phasensequenzkomponenten e1dp, e1qp, und den Negativ-Phasensequenzkomponenten e1dn, e1qn Der Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 und der Negativ-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 22 führen die Trennung zwischen der positiven Phase und der negativen Phase durch. Der dq-Achsenwandler 82 wandelt die Negativ-Phasensequenzkomponenten e1dn, e1qn der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale e1d, e1q, die zwischen der Positivphase und der Negativphase getrennt worden sind, in Phasenspannungssignale (e1an, e1bn, e1cn) der Negativ-Phasensequenzkomponenten um.
  • Andererseits berechnet der Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 die Null-Phasensequenzspannung e10 unter Verwendung von Signalwerten der Positiv-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung, die berechnet sind.
  • Bezüglich der Eingangsleistung werden die Durchschnittsaktivleistung Pave und die Durchschnitts-Reaktivleistung Qave durch die Gleichung (40) ausgedrückt, unter Verwendung der Positiv-Phasensequenzkomponenten ve dp, ve qp, der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale vd, vq und der Eingangsbefehlsstromsignale ie dp, ie qp.
  • Der Stromdetektor 66 detektiert das Gleichstrom-Ausgangsstromsignal idc über den Sensor 65. Der Spannungsdetektor 68 detektiert das Gleichstromausgabespannungssignal vdc über den Kontaktpunkt 67. Der Multiplizierer 51 multipliziert das Gleichstromausgabestromsignal idc mit dem Gleichstromausgabespannungssignal vdc und gibt das Gleichstromausgabeleistungssignal Pdc aus. Der Subtrahierer 52 subtrahiert das Gleichstromausgabespannungssignal vdc vom Gleichstromspannungsbefehlswertsignal Vdc *r und erzeugt ein Abweichungssignal. In Bezug auf das Abweichungssignal zwischen dem Gleichstromspannungsbefehlswertsignal Vdc *r und dem Gleichstromausgabespannungssignal vdc führt die Gleichstromspannungssteuereinheit 53 die PI-Steuerung so durch, dass das Gleichstromausgabespannungssignal vdc zu einem Konstantspannungswert wird und erzeugt dann ein Gleichstromspannungssteuersignal.
  • Der Addierer 54 addiert das aus der Gleichstrom-Spannungssteuereinheit 53 ausgegebene Gleichstromspannungssteuersignal zum Gleichstromausgabeleistungssignal Pdc, wodurch die Durchschnittsaktivleistung Pave ausgegeben wird. Wie durch Gleichung (41) ausgedrückt, wird die Durchschnittsaktivleistung Pave durch Addieren des aus der PI-Steuerung über das Abweichungssignal zwischen dem Gleichstromspannungsbefehlswertsignal Vdc *r und dem Gleichstromausgabespannungssignal vdc erhaltene Gleichstromspannungssteuersignal zum Gleichstromausgabeleistungssignal Pdc (= vdc·idc) erhalten.
  • Der Konstantstrombefehlswertgenerator 41 erzeugt gemäß Gleichung (42) die Eingangbefehlsstromsignale idp *r und iqp *r und gibt sie aus, basierend auf der Durchschnittsaktivleistung Pave, der Durchschnitt-Reaktivleistung Qave und den Positiv-Phasensequenzkomponenten e1dp, e1qp der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale, die im Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 berechnet werden.
  • Wenn der Leistungsfaktor auf 1 eingestellt wird, wird die Durchschnitts-Reaktivleistung Qave Null. Daher werden die Eingabebefehlsstromsignale idp *r und iqp *r anhand von Gleichung (43) erzeugt.
  • Auf der Eingabestromseite der Konstantstromsteuerung detektiert der Stromdetektor 64 über die Sensoren 63 Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsstromsignale ia, ib, ic des Drei-Phasen-Wechselstroms, der aus der Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100 ausgegeben wird.
  • Der dq-Achsenwandler 83 (Umwandlung von drei Phasen zu zwei Phasen) wandelt die Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsstromsignale ia, ib, ic in das d-Achsen-Stromsignal id und das q-Achsen-Stromsignal iq um.
  • Die d-Achsen- und q-Achsen-Konstantstromausgabeeinheiten 42a und 42b geben das d-Achsen-Stromsignal id und das q-Achsen-Stromsignal iq jeweils als Rückkopplungswerte des Eingangsstroms ein. Die Konstantstromsteuer-Ausgabeeinheiten 42a und 42b geben weiter aus dem Konsantstrombefehlswertgenerator 41 das Positiv-Phasensequenzstrom-Befehlswertsignal der d-Achse idp *r und das Positiv-Phasensequenzstrom-Befehlswertsignal der q-Achse iqp *r ein, und erzeugen gemäß einer vorbestimmten Berechnung, basierend auf Abweichungssignalen zwischen den d-Achsen und q-Achsen-Stromsignalen id und iq und den Strombefehlswertsignalen idp *r und iqp *r Steuersignale vdp *r und vqp *r zum Steuern des Eingangsstroms auf einen konstanten Stromwert und geben sie aus.
  • Es ist anzumerken, dass die durch die Konstantstromsteuerausgabeeinheit 42a durchgeführte d-Achsensteuerung durch die Gleichung (44) ausgedrückt wird, und die durch die Konstantstromsteuerausgabeeinheit 42b durchgeführte q-Achsen-Steuerung durch die Gleichung (45) ausgedrückt wird.
  • Der dq-Achsenwandler 84 wandelt die Steuerwerte vdp *r und vqp *r in triaxiale Positiv-Phasensequenzsignale (V1ap, V1bp, V1cp) und gibt danach die gewandelten Signale in den Addierer 30 ein.
  • Im Addierer 30 addiert der Addierteil 31a die in dem Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 berechnete Null-Phasensequenzspannung e10 zu den Phasenspannungssignalen (e1an, e1bn, e1cn) der in der Umwandlung im dq-Achsenwandler 82 erhaltenen Negativ-Phasensequenzkomponenten. Der Addierteil 31b addiert weiter die Positiv-Phasensequenzkomponenten der durch die Umwandlung im dq-Achsenwandler 84 erhaltenen Phasenspannungssignale (V1ap, V1bp, V1cp) zu den durch Addieren der Phasenspannungssignale (e1an, e1bn, e1cn) zu der in dem Addierteil 31 berechneten Null-Phasensequenzspannung e10 erhaltenen Signalen, erzeugt Drei-Phasen-Spannungssignale (Vd, Ve, Vf) und gibt die erzeugten Signal an den Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b aus.
  • Der Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b erzeugt ein Gatter-Steuersignal zum Steuern der Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a, basierend auf den Drei-Phasen-Spannungssignalen (Vd, Ve, Vf), vergleicht das erzeugte Signal mit einem durch einen (nicht illustrierten) Trägerfrequenzgenerator erzeugten Dreieckswellensignal, erzeugt das Gatterimpulssignal durch die PWM-(Pulsweitenmodulation)Umwandlung und gibt das Gatterimpulssignal an jedes der Gatter der Halbleiterschaltelemente der Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a aus, um so Ein/Aus-Steuerung an jedem der Gatter durchzuführen.
  • Als nächstes werden Operationen des asymmetrischen Spannungskompensators 1 im symmetrischen Zustand und im unsymmetrischen Zustand erläutert. Es ist hier anzumerken, dass der unsymmetrische Zustand den Zustand beinhaltet, bei dem die Spannung innerhalb einer kurzen Periode (momentaner Spannungsabfall) reduziert ist und weiter beinhaltet er den Zustand, bei dem eine Asymmetrie in den Dreiphasenspannungen für einen langen Zeitraum auftritt. Hier wird angenommen, dass der Lastbetrag der Gleichstromlast 300 konstant ist.
  • [Operationen im symmetrischen Zustand]
  • Im Zustand, bevor der momentane Spannungsabfall auftritt, sind die Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsspannungen aus der Drei-Phasen-Stromquelle 100 in einem symmetrischen Zustand. In diesem symmetrischen Zustand entsprechen, wie in 17 gezeigt, die Dreiphasenspannungssignale er, es, et nur der Positiv-Phasensequenzspannung e1p, und wird das im Gleichung (21) ausgedrückte d-Achsen-Spannungssignal e1d, zu E1pm, und wird das q-Achsen-Spannungssignal e1q zu Null. Hier, da Z12, Z23 und Z31 offen sind, ist die Phasenverzögerung aufgrund von Z12 ignorierbar. Daher kann festgestellt werden, dass die Gleichungen (1), (2) und (3) der Gleichung (17) entsprechen und a = 0 wird etabliert.
  • Bei dieser Gelegenheit werden die Signale idp *r, iqp *r und die Strombefehlswerte anhand von Gleichung (42) als das Folgende ausgedrückt: idp *r = (2/3)·(Pave/E1pm) (47) iqp *r = (2/3)·(–Qave/E1pm) (48)
  • Gemäß den vorerwähnten Befehlswert-Stromsignalen idp *r und iqp *r wird Stromsteuerung aus dem Konstantstrom-Befehlswertgenerator 41 auf solche Weise durchgeführt, dass der Eingabe-Leistungsfaktor zum eingestellten Leistungsfaktor wird. In dem Fall, bei dem der eingestellte Leistungsfaktor ”1” ist, wird das Befehlswertstromsignal iqp *r Null und die Stromsteuerung wird aus dem Konstantstrom-Befehlswertgenerator 41 so durchgeführt, dass der Eingabe-Leistungsfaktor ”1” wird.
  • Weiterhin steuert die Gleichspannungssteuereinheit 53 die Gleichstromausgabestromspannung auf einen Konstantwert und daher wird eine konstante Gleichstromleistung regulär an die Gleichstromlastseite 300 ausgegeben.
  • [Operationen im asymmetrischen Zustand]
  • Als Nächstes wird eine Erläuterung bezüglich des unsymmetrischen Zustands gegeben, bei dem zumindest ein Ein-Phasenwechselstrom-Eingabespannung aus den Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingabespannungen aus der Drei-Phasen-Stromquelle 100 in einen Zustand momentanen Spannungsabfalls gelangt, und die Wechselstrom-Eingangsspannungen unsymmetrisch werden.
  • Wenn der momentane Spannungsabfall in den Wechselstrom-Eingangsspannungen auftritt, gibt der Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21 der symmetrischen Koordinatenkomponenten-Berechnungseinheit 20 die Positiv-Phasensequenzkomponenten e1dp, e1qp der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale aus, gibt der Negativ-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 22 die Negativ-Phasensequenzkomponenten e1dn, e1qn der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale aus und gibt der Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 die Null-Phasen-Sequenzkomponente e10 aus.
  • Die Konstantstrom-Steuerausgabeeinheiten 42a und 42b addieren die Positiv-Phasensequenzkomponenten e1dp, e1qp, der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale zu den Strombefehlswertsignalen. Die Negativ-Phasensequenzkomponenten e1dn, e1qn der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale werden weiter über die Addierteile 31a und 31b addiert, um die Ausgangssignale (Vd, Ve, Vf) zu erzeugen, und die Stromsteuerung wird aus dem Konstantstrom-Befehlswertgenerator 41 so durchgeführt, dass der Endbereich-Leistungsfaktor ”1” wird. Zusätzlich steuert die Gleichstromspannungs-Steuereinheit 53 die Gleichstromausgabespannung, auf einem Konstantwert zu sein, wodurch die Konstant-Gleichstromleistung regulär auf der Gleichstromlast-300-Seite ausgegeben wird.
  • Durch Addieren der Null-Phasensequenzkomponente e10 zu der Negativ-Phasensequenzkomponente und der Positiv-Phasensequenzkomponente, wird die Null-Phasensequenzkomponente der Stromquellenspannung den Ausgabesignalen (Vd, Ve, Vf) überlagert und es wird ein Steuersignal für den Drei-Phasen-PWM-Wandler basierend auf den Ausgabesignalen, denen die Null-Phasensequenzkomponente überlagert ist, erzeugt, was es gestattet, dass die Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingabespannungen den momentanen Spannungsabfall kompensieren.
  • Die vorliegende Erfindung unterwirft die Vektoroperation an den zu einem Messzeitpunkt ermittelten Leitungsspannungen, wodurch die Phasenspannungen der drei Phasen wie oben beschrieben ermittelt werden, führt die Konstantstromsteuerung gemäß der PFC-Steuerung, basierend auf der Positiv-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung der Phasenspannungen durch, wobei weiter die Null-Phasensequenzspannung aus den Phasenspannungen berechnet wird, und die Null-Phasensequenzspannung der Positiv-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung überlagert wird, wodurch die Asymmetrie kompensiert wird.
  • In der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung werden die zu einem Messzeitpunkt ermittelten Leitungsspannungen als Originalsignale zum Berechnen der Null-Phasensequenzspannung verwendet. Bei dieser Konfiguration ist es möglich, ein Steuersignal zum Kompensieren der Asymmetrie zu ermitteln, aus dem zu einem Messzeitpunkt ermittelten Messwert.
  • Typischerweise ist zum Detektieren von Spannungsfluktuationen der Phasenspannung zumindest ein halber Zyklus des Zeitintervalls notwendig. Daher ist ein gemessener Wert zu nur einem Messzeitpunkt zum Detektieren und Kompensieren des unsymmetrischen Zustands nicht genug und zu mehreren Messzeitpunkten erhaltene Messwerte sind erforderlich. Andererseits werden in der vorliegenden Erfindung die zu einem Messzeitpunkt ermittelten Leitungsspannungen der Vektoroperation unterworfen, wodurch die Positiv-Phasensequenzspannung und die Negativ-Phasensequenzspannung der Phasenspannungen erhalten werden, und die Null-Phasensequenzspannung kann aus der Positiv-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung berechnet werden. Entsprechend ist es möglich, ein Signal zum Kompensieren der Asymmetrie aus den zu nur einem Messzeitpunkt ermittelten Werten zu erzeugen.
  • Die Erfassung der Leitungsspannungen und der unsymmetrischen Spannungskompensation, basierend auf den ermittelten Leitungsspannungen ist nicht beschränkend auf zu einem Messzeitpunkt ermittelten Werten basierend. Alternativ wird die Erfassung von Leitungsspannungen und die unsymmetrische Kompensation sequentiell wiederholt, wodurch nicht nur der momentane Spannungsabfall kompensiert wird, sondern auch der unsymmetrische Zustand der Spannungen über einen langen Zeitraum kompensiert wird.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 8 und 9 ein Konfigurationsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezüglich der unsymmetrischen Spannungskompensation erläutert, bei der die unsymmetrische Spannungskompensationsoperation durch eine arithmetische Prozessierung durch die CPU anhand von Software durchgeführt wird.
  • Der asymmetrische Spannungskompensator 1 der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, die Funktionen der momentanen Spannungsabfallkompensation und der Stromwandlung mittels der Schaltungskonfiguration zu implementieren. Alternativ ist er in der Lage, die Funktionen momentaner Spannungsabfallkompensation und der Stromumwandlung zu implementieren, indem der CPU gestattet wird, ein Programm auszuführen.
  • 8 illustriert ein Konfigurationsbeispiel im Fall, bei dem der unsymmetrische Spannungskompensator und der Leistungsfaktor und die Reaktivleistungs-Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung durch die CPU und Software implementiert werden. Nachfolgend wird die Konfiguration der Computersteuereinheit gemäß der CPU und Software erläutert, bezeichnet mit dem Bezugszeichen 3.
  • Wie in 8 gezeigt, unterwirft in der aus der Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100 zugeführten Drei-Phasen-Wechselstrom der Drei-Phasen-Wandler 200 die Drei-Phasen-Wechselstromspannungen der PWM-Wandlung und gibt Gleichstromspannung an die Gleichstromlast 300 aus. Die Computersteuereinheit 3 weist Funktionen der unsymmetrischen Spannungskompensation und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuerung auf, und steuert den Drei-Phasen-Wandler 200, um Stromwandlung, unsymmetrische Spannungskompensation und Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuerung durchzuführen.
  • Die Computersteuereinheit 3 ist mit der CPU (Zentraleinheit) 3a, RAM (wahlfreiem Zugriffspeicher) 3b, ROM (Nurlesespeicher) 3c, und E/A-Einheit 3d versehen und jedes der Elemente ist über einen Bus 3e verbunden.
  • Die CPU 3a übt eine zentralisierte Kontrolle über jedes der Elemente der Computersteuereinheit 3 aus. Die CPU 3a extrahiert ein bezeichnetes Programm im RAM 3b aus den Systemprogrammen und verschiedenen Anwendungsprogrammen, die im ROM 3c gespeichert sind, und führt verschiedene Verarbeitungen in Kooperation mit dem, in das RAM 3b extrahierten, Programm durch.
  • Die CPU 3a steuert den in dem Drei-Phasen-Wandler 200 vorgesehenen Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator in Zusammenarbeit mit dem Stromumwandlungssteuerprogramm, wodurch der aus der Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100 eingegebene Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsstrom in Gleichstrom-Ausgangsstrom gewandelt wird, die unsymmetrischen Spannungen der Wechselstromeingangsspannung kompensiert werden und die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungsteuerung durchgeführt wird.
  • Das RAM 3b ist ein Speicher vom flüchtigen Typ zum Speichern verschiedener Informationsobjekte und weist einen Arbeitsbereich auf, um verschiedene Daten und Programme zu extrahieren. Das ROM 3c ist ein Speicher zum Speichern verschiedener Informationsobjekte in lesbarer Weise und speichert das Stromumwandlungssteuerprogramm zum Steuern des Drei-Phasen-Wandlers.
  • Die E/A-Einheit 3d handhabt Eingabe und Ausgabe verschiedener Signale beim Drei-Phasen-Wandler 200. Die E/A-Einheit 3d gibt die Leitungsspannungen und den a-Phasen- und c-Phasen-Wechselstromeingangsstrom auf der Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsseite ein, wie auch den Gleichstromausgabestrom und die Gleichstromausgabespannung auf der Gleichstromausgabeseite. Die E/A-Einheit 3d gibt weiter die Gatter-Impulssignale zum Steuern von Halbleiterschaltelementen der Drei-Phasen-Brückenschaltung im Drei-Phasen-Wandler 200 aus.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 eine Erläuterung bezüglich der Operationen gemäß der Programmsteuerung durch die Computersteuereinheit 3 gegeben.
  • In der Computersteuereinheit 3 löst beispielsweise die Ausgabe des Drei-Phasen-Wechselstroms aus der Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100 das Einlesen des Stromwandlungssteuerprogramms aus dem ROM 3c und das Extrahieren des Programms in das RAM 3b aus, und dann wird die Verarbeitung zur Stromwandlungssteuerung und unsymmetrischen Spannungskompensation in Kooperation mit der CPU 3a ausgeführt.
  • Wie in Flussdiagramm in 9 gezeigt, wird zuerst der Spannungsdetektionsprozess durchgeführt (S101). Im Schritt S101 werden Drei-Phasen-Wechselstromspannungen über die E/A-Einheit 3d erfasst, werden Leitungsspannungssignale eab, ebc, eca der erfasst werdenden Drei-Phasen-Wechselstromspannungen detektiert und dann werden Phasenspannungssignale e2a, e2b, e2c anhand der Zentroidvektoroperation berechnet. Im in 7 gezeigten Konfigurationsbeispiel wird beispielsweise die Zentroidvektoroperation in der Zentroidvektoroperationseinheit 10 durchgeführt.
  • Die Phasenspannungssignale e2a, e2b, e2c der berechnet werdenden drei Phasen werden in das d-Achsen-Spannungssignal e1d und das q-Achsen-Spannungssignal e1q gewandelt, welche zwei Phasen sind. Die Positiv-Phasensequenzkomponenten e1dp, e1qp und die Negativ-Phasensequenzkomponenten e1dn, e1qn werden getrennt und aus den umgewandelt werdenden d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignalen e1d, e1q erhalten. Dann werden die Negativ-Phasensequenzkomponenten e1dn, e1qn der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale e1d, e1q in die Phasenspannungssignale e1an, e1bn, in drei Phasen gewandelt. Die Prozesse im Schritt S101 entsprechend den im Leitungsspannungsdetektor 62, der Zentroidvektoroperationseinheit 10, dem dq-Achsenwandler 81, dem Positiv-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 21, dem Negativ-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 22, dem Phasen φ0 Kalkulator 23 zum Berechnen der Nullphase φ0 und dem Null-Phasensequenzspannungs-Kalkulator 24 durchgeführten Prozessen.
  • Jeder der Prozesse in Schritt S101 kann angemessen parallel durchgeführt werden. Solch eine Parallelverarbeitung, wie in Schritt S101 durchgeführt, kann auch in derselben Weise auf die nachfolgenden Schritte S102 bis S106 anwendbar sein.
  • Im Schritt S102 wird ein synchroner Berechnungsprozess durchgeführt. Es wird ein Synchronsignal „s” aus den Phasensignalen e2a, e2b und e2c in drei Phasen erzeugt. Das Synchronsignal „s” kann beispielsweise aus dem Nullschnittpunkt jeder der Phasenspannungen der Phasenspannungssignale e2a, e2b und e2c erhalten werden. Das Synchronsignal kann durch Vergleichen der Phasenspannung mit der Nullspannung, und Ausgeben des Synchronsignals „s” an dem Punkt, wenn die Phasenspannung gleich der Nullspannung wird, erzeugt werden. Im in 7 gezeigten Konfigurationsbeispiel wird dem Synchronsignalgenerator 70 gestattet, das Signal unter Verwendung der Ausgangssignale (e2a, e2b, e2c) aus der Zentroidvektoroperationseinheit 10 zu erzeugen, und es ist möglich, diese Operation durch eine Vergleichsschaltung zu konfigurieren, die das Ausgangssignal e2a beispielsweise mit der Nullspannung vergleicht. Alternativ kann das Synchronsignal zu einem beliebigen Zeitpunkt erzeugt werden und dieses Synchronsignal kann als ein Anfangswert des Synchronsignals „s” angenommen werden.
  • Das Synchronsignal „s” wird zur Synchronisation bei der dq-Achsenwandlung verwendet, welche die Zwei-Phasen-zu-Drei-Phasenwandlung und die Drei-Phasen-zu-Zwei-Phasenwandlung in jedem der Schritte S101, S103 und S106 beinhaltet. Bei dieser Gelegenheit wird die Synchronisation unter Verwendung des Synchronisationssignals „s”, das im gerade zuvor ausgeführten Schritt S102 erhalten wird, oder bei dem das Synchronsignal „s” der Anfangswert ist, durchgeführt. Daher entspricht der Schritt S102 dem im Synchronsignalgenerator 70 durchgeführten Prozess.
  • Als Nächstes wird ein Stromdetektionsprozess im Schritt S103 durchgeführt. Im Schritt S103 werden die über die E/A-Einheit 3d eingegeben werdenden Drei-Phasen-Wechselstrom-Eingangsstromsignale ia, ib, ic detektiert und in das d-Achsen-Stromsignal id und das q-Achsen-Stromsignal iq umgewandelt. Der Schritt S103 entspricht den im Stromdetektor 64 und dem dq-Achsenwandler 83 durchgeführten Prozessen.
  • Als Nächstes wird ein Spannungssteuerprozess im Schritt S104 durchgeführt. Im Schritt S104 werden das Gleichstromausgangsstromsignal idc und das Gleichstromausgangsspannungssignal vdc über die E/A-Einheit 3d detektiert. Das detektierte Gleichstromausgangsstromsignal idc wird mit dem detektierten Gleichstromausgangsspannungssignal vdc multipliziert, wodurch das Gleichstromausgangsleistungssignal Pdc berechnet wird. Das Gleichstromausgangsspannungssignal vdc wird vom Gleichstromspannungsbefehlswertsignal Vdc *r subtrahiert, wodurch ein Abweichungssignal berechnet wird, und es wird ein Gleichstromspannungssteuersignal zum Steuern des Gleichstromausgangsspannungssignals vdc auf einen Konstantspannungswert, basierend auf dem berechnet werdenden Abweichungssignal, erzeugt. Dann wird das Gleichstromspannungssteuersignal zum Gleichstromausgangsleistungssignal Pdc addiert, um die Durchschnittsaktivleistung Pave zu erzeugen. Der Schritt S104 entspricht den im Stromdetektor 66, dem Spannungsdetektor 58, dem Subtrahierer 52, dem Multiplizierer 51, der Gleichstromspannungssteuereinheit 53 und dem Addierer 54 durchgeführten Prozessen.
  • Als Nächstes wird in Schritt S105 der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuerprozess durchgeführt. Im Schritt S105 stellt die Leistungsfaktor-Einstelleinheit 90 den Leistungsfaktor ein und berechnet die Durchschnitts-Reaktivleistungsoperationseinheit 90b die Durchschnitts-Reaktivleistung Qave gemäß dem in der Leistungsfaktor-Einstelleinheit 90a eingestellten Leistungsfaktor und der in der Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit 50 erhaltenen Durchschnittsaktivleistung Pave.
  • Als Nächstes wird ein Stromsteuerprozess im Schritt S106 durchgeführt. Im Schritt S106 werden die Strombefehlswertsignale i1dp *r, i1qp *r auf Basis der im Schritt S104 erhaltenen Durchschnittsaktivleistung Pave, der in Schritt S105 erhaltenen Durchschnitts-Reaktivleistung Qave und den Positiv-Plasensequenzkomponenten edp, eqp Spannungssignale der d-Achse bzw. q-Achse, die in der Positivphasen- und Negativphasentrennung im Schritt S101 erhalten sind, erzeugt. Die Strombefehlswertsignale i1dp *r, i1qp *r und die d-Achsen- und q-Achsen-Stromsignale id, iq, die im dq-Achsenwandler erhalten werden, werden verwendet, um das Stromsteuersignal zu erzeugen. Der Schritt S106 entspricht den durch den Konstantstrom-Befehlswertgenerator 41 und die Konstantstromsteuerausgangseinheit 42 durchgeführten Prozessen.
  • Als Nächstes wird ein Steuerkorrekturprozess im Schritt S107 durchgeführt. Im Schritt S107 wird das in Schritt S106 erzeugte Eingangsstromsteuersignal zu den Positiv-Phasensequenzkomponenten e1dp, e1qpder d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale addiert, die durch die Positiv-Phasen-/Negativ-Phasen-Trennung im Schritt S101 erhalten sind, und es werden Ausgangssignale vdp *r, vqp *r in de Gleichungen (44) und (45) erzeugt. Dann werden Zwei-Phasen-Ausgangssignale vdp *r, vqp *r in die Drei-Phasen-Steuersignale V1ap, V1bp, V1cp, gewandelt. Dann werden die in Schritt S101 ermittelten Phasenspannungssignale e1an, e1bn und e1cn zum Nullspannungssignal e10 addiert, weiter zu den Steuersignalen V1ap, V1bp und V1cp, addiert, wodurch ein Gattersteuersignal erzeugt wird.
  • Dann wird ein Dreieckswellensignal erzeugt und durch Vergleichen des Dreieckswellensignals mit dem Gattersteuersignal wird ein Gatterimpulssignal erzeugt. Nachfolgend wird das Gatterimpulssignal an jedes der Gatter des Halbleiterschaltelementes der Drei-Phasen-PWM-Schaltung 200a im Drei-Phasen-Wandler 200 ausgegeben.
  • Der Schritt S107 entspricht dem im Addierer 30, dem dq-Achsenwandler 83, den Konstantstromsteuer-Ausgabeeinheiten 42a und 42b, dem dq-Achsenwandler 84 und dem Drei-Phasen-PWM-Impulsgenerator 200b durchgeführten Prozessen.
  • Im Schritt S108 wird bestimmt, ob der Stromwandlungssteuerprozess, der unsymmetrische Spannungskompensationsprozess und die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuerung beendet werden. Falls jene Prozesse nicht beendet werden, kehrt der Prozess zum Schritt S101 zurück und setzt sich fort, während, falls sie beendet werden, der Stromwandlungssteuerprozess, der unsymmetrische Spannungskompensationsprozess und die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuerung beendet werden.
  • In der Konfiguration, dem Programm zu gestatten, die CPU zu aktivieren, ist es ähnlich dem Fall der Schaltungskonfiguration möglich, die Funktionen der unsymmetrischen Spannungskompensation und der Stromumwandlung zu implementieren.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 10 bis 15 eine Erläuterung bezüglich experimenteller Beispiele der unsymmetrischen Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben. Die Zeichnungen von 10 bis 15 illustrieren Messdaten, die erhalten werden, wenn der Drei-Phasen-Wandler durch den unsymmetrischen Spannungskompensator gemäß dem Konfigurationsbeispiel wie in 7 gezeigt, gesteuert wird.
  • Die Messung wird unter der Bedingung durchgeführt, dass die Drei-Phasen-Nenn-Leitungsspannung 200 V ist, der Drei-Phasen-Nenn-Leitungsstrom 17,5 A beträgt, die Trägerfrequenz 18,5 kHz beträgt, die Gleichstromverbindungsspannung (Ausgangsspannung) 380 V beträgt, die Gleichstromverbindungskapazität 1200 μF ist, die Übertragungsleitungsinduktion 300 μH beträgt und der Lastwiderstand 25 Ohm beträgt. Dann fällt von dem Zustand, bei dem die Drei-Phasen-Nenn-Leitungsspannung 200 V beträgt und der Drei-Phasen-Nenn-Leitungsstrom 17,5 A beträgt, die Spannung plötzlich auf die unsymmetrische Spannung ab und erholt sich dann. Unter dieser Bedingung wird ein Einfluss zwischen dem Fall, bei dem die Asymmetrie bei der Spannung kompensiert wird, und dem Fall, bei dem es keine Kompensation gibt, verglichen. Hier wird der Einfluss durch die Fluktuationen der Ausgangsspannung Vdc und des Eingangsstroms ia, ib, ic repräsentiert, die durch die durch den momentanen Spannungsabfall oder dergleichen erzeugten unsymmetrischen Dreiphasenspannungen verursacht werden. Gemäß den Ergebnissen der Experimente ist es möglich, die Effektivität der unsymmetrischen Spannungskompensationssteuerung zu überprüfen.
  • 10 zeigt Charakteristika in dem Fall, bei dem die Eingangsphasenspannung e1a plötzlich auf 50% abfällt und danach wieder auf 100% aufgenommen wurde. 10 illustriert den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation nicht durchgeführt wurde; 10B illustriert den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde. In dem Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation durchgeführt wurde, wurde die Ausgangsspannung vdc konstant gehalten und es wurde eine günstige Leistungsfähigkeit gezeigt.
  • Die 11 und 12 sind vergrößerte Ansichten von 10 und 11 illustriert den Fall, bei dem die Eingangsphasenspannung e1a plötzlich von 100% auf 50% abfällt; und 12 illustriert den Fall, bei dem die Eingangsphasenspannung e1a sich von 50% auf 100% erholt. Die 11A und 12A illustrieren den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation nicht durchgeführt wurde und die 11B und 12B illustrieren den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde. Es ist möglich, aus den Figuren abzulesen, dass der Eingangsstrom ia, ib, ic eine Hochgeschwindigkeitsantwort ab dem plötzlichen Änderungspunkt machte.
  • 13 illustriert einen Vergleich von Charakteristika, wenn die Eingangsphasenspannung ea der in 3 gezeigten Drei-Phasen-Wechselstromquelle 100 um 50% abfiel. 13A illustriert die Eingangsspannungen, 13B illustriert den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation nicht durchgeführt wurde und 13C illustriert den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
  • Wie in 13B gezeigt, wenn die unsymmetrische Spannungskompensation nicht durchgeführt wurde, stellte sich heraus, dass es eine große Unsymmetrie bei der Amplitude von Eingangsstrom und Versatz beim Phasenwinkel gab.
  • 13 zeigt ein Beispiel, bei dem der Leistungsfaktor auf ”1” eingestellt ist und wie in 13C gezeigt, wird gefunden, dass ein Effekt aus der Kompensationssteuerung durch Durchführen der unsymmetrischen Steuerungskompensation der vorliegenden Erfindung eine vorteilhafte Symmetrie sowohl in der Amplitude des Eingangsstroms als auch im Phasenwinkel mit sich brachte.
  • 14 illustriert den Fall, bei dem die Eingangsphasenspannung ea aus der Drei-Phasen-Stromquelle 100 von 7 um 100% abfiel und Nullspannung erreichte. 14A illustriert die Eingangsspannungen, 14B illustriert den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation nicht durchgeführt wurde und 14C illustriert den Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
  • Das Ergebnis von 14C zeigt, dass gemäß der unsymmetrischen Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung, wenn der Spannungsabfall aufgrund eines Erdungsfehlers auftrat, d. h., selbst wenn die Eingangsphasenspannung ea aus der Drei-Phasen-Stromquelle 100 von 7 um 100% abfiel und die Nullspannung erreichte, es möglich ist, die Amplitude und den Phasenwinkel des Eingangsstroms ia, ib, ic in den drei Phasen fast symmetrisch zu halten.
  • 15 illustriert eine Eingangsphasenspannungsabfallrate und eine symmetrische Eingangsstromrate. Gemäß 15, in dem Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation nicht durchgeführt wurde (Dreiecksmarkierungen in der Figur), wenn die Eingangsphasenspannungsabfallrate 20% betrug, war die symmetrische Eingangsstromrate 67,9%. Andererseits zeigten sich in einem Fall, bei dem die unsymmetrische Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, vorteilhafte Charakteristika wie folgt; wenn die Eingangsphasenspannungsabfallrate 20% betrug, war die symmetrische Eingangsstromrate 94,5% und die symmetrische Eingangsstromrate wurde im Bereich von 97,9 bis 83,3% über die gesamte Eingangsphasenspannungsabfallrate von 0 bis 100% gehalten.
  • Die Ergebnisse oben sind durch das Experiment erhalten worden, das durchgeführt wurde, indem die unsymmetrische Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung an einen repräsentativen 5 kW Funkfrequenzgenerator angewendet wurde, der als Halbleiterherstellausrüstung, Flüssigkristallherstellausrüstung oder dergleichen verwendet wird, und eine solche Ausrüstung ist in der Lage, die Leistungsfähigkeit zu erzielen, welche dem Spannungsabfallstandard (SEMI F47-0200) (1) entspricht, der in Halbleiterherstellausrüstungen oder dergleichen erforderlich ist.
  • Beispielhaft, maximale Spannungsabfallrate und Dauer beim Spannungsabfall, wie im Spannungsabfallstandard (SEMI F47-0200) (1) definiert: Prozent nominaler Spannung und Dauer des Spannungsabfalls in Sekunden sind 50% und 0,2 Sekunden. Wie im experimentellen Ergebnis von 10 in Zusammenhang mit diesem Standard gezeigt, wenn das Experiment mit der maximalen Spannungsabfallrate von 50% und der Dauer von 1 Sekunde im Falle eines Spannungsabfalls durchgeführt wurde, konnte die Spannungsreduktion drastisch werden, indem die Spannungsabfallkompensation gemäß der unsymmetrischen Spannungskompensation der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, obwohl die Spannungsabfallzeit bei den Messdaten auf fünfmal länger als den Standardwert ausgedehnt wurde (= 1 Sekunde/0,2 Sekunden).
  • Wie oben beschrieben, ist es gemäß der unsymmetrischen Spannungskompensation und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuerung der vorliegenden Erfindung möglich, einen momentanen Spannungsabfall zu kompensieren, und selbst zum Zeitpunkt des momentanen Spannungsabfalls der Eingangsspannung wird Strom der Gleichstromlast stabil zugeführt. Daher ist es im Vergleich zur Konfiguration der momentanen Spannungsabfallkompensation, die eine Speichervorrichtung wie etwa einen Kondensator und eine Speicherbatterie einsetzt, möglich, eine Konfiguration zum Durchführen der Momentan-Spannungsabfallkompensation zu erzielen, die von kleinerer Größe, längerer Lebensdauer und niedrigeren Kosten ist. Zusätzlich, da das Speichervorrichtungsverfahren, wie etwa ein Kondensator und eine Speicherbatterie, nicht eingesetzt wird, ist es leicht, die Wartung für die Konfiguration der Momentan-Spannungsabfallkompensation durchzuführen. Weiterhin, da der Leistungsfaktor verbessert werden kann, kann eine höhere Oberwelle durch die Leistungsfaktorverbesserung unterdrückt werden.
  • Gemäß der unsymmetrischen Spannungskompensation und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuerung der vorliegenden Erfindung, insbesondere wenn die PFC-Steuerung eingesetzt wird, gibt es Vorteile, einschließlich der nachfolgenden: es gibt wenig Bedarf an neuen Fabrik- und Ausrüstungsausgaben, die Größe wird drastisch reduziert, indem die Speichervorrichtungseinheit eliminiert wird, und die periodische Wartung der Kondensatoreinheit kann eliminiert werden.
  • Zusätzlich ist es gemäß der unsymmetrischen Spannungskompensation und der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Kompensation der vorliegenden Erfindung, selbst wenn ein extremer Spannungsabfall auftritt, das heißt im Falle eines Nahe-Erdungsfehlers, möglich, die unsymmetrische Kompensationssteuerung durchzuführen, soweit eine aktive Faser als eine Energiequelle bleibt.
  • Der Konstantstrombefehlswertgenerator erzeugt Strombefehlswertesignale aus den Positiv-Phasensequenzkomponenten der d-Achsen- und q-Achsen-Spannungssignale, basierend auf den Wechselstrom-Eingangsspannungen, und dem Gleichstromspannungssteuersignal, basierend auf der Gleichstrom-Ausgangsspannung, wodurch eine rasche Reaktion durch das Eingangsstrombefehlssignal gegenüber Fluktuationen der Wechselstrom-Eingangsspannungen ermöglicht wird, und übermäßige Fluktuationen der Stromausgangsspannung unterdrückt werden können.
  • Auf der Ausgabeseite detektieren der Stromdetektor, der Spannungsdetektor und der Addierer ein Gleichstrom-Ausgangsstromsignal und der Addierer addiert das Gleichstrom-Ausgangsstromsignal zum Gleichstromspannungssteuersignal, wodurch die Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit eine rasche Reaktion gegenüber Lastmengenfluktuationen der Gleichstromlast erlaubt, welche die Gleichstrom-Ausgangsleistung ausgibt, und die übermäßigen Fluktuationen der Gleichstrom-Ausgangsspannung unterdrückt.
  • Der Synchronsignalgenerator erzeugt ein Synchronsignal und jeder der dq-Achsenwandler führt die Wandlung gemäß dem Synchronsignal „s” von Drei-Phase zu Zwei-Phase oder von Zwei-Phase zu Drei-Phase durch, wodurch konstant der Leistungsfaktor auf 1 gehalten wird, unabhängig davon, ob die Wechselstrom-Eingangsspannungen symmetrisch oder unsymmetrisch sind.
  • Zusätzlich detektiert die Zentroidvektoroperationseinheit der vorliegenden Erfindung die Leitungsspannungssignale der Wechselstrom-Eingangsspannungen und wandelt die Signale in Phasenspannungen um und daher ist es möglich, den Momentanspannungsabfall zu jedem Messzeitpunkt zu kompensieren, unabhängig davon, ob das Wechselstromsystem der Drei-Phasen-Wechselstromquelle ein Drei-Phasen-Drei-Draht- oder ein Drei-Phasen-Vier-Drahtsystem ist.
  • Es versteht sich, dass offenbarte Ausführungsformen und die Beschreibung der Modifikationsbeispiele lediglich Beispiele der Steuervorrichtung des Drei-Phasen-Wandlers, des Verfahrens zum Steuern des Leistungsfaktors des Drei-Phasen-Wandlers und des Verfahrens zum Steuern der Reaktivleistung des Drei-Phasen-Wandlers sind. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf jene Ausführungsformen beschränkt und ist Änderungen und Modifikationen zugänglich, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher fallen solche Modifikationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung kann auf eine Einrichtung angewendet werden, die eine stabile Stromzufuhr mit kleinen Spannungsfluktuationen auf der Lastseite erfordert, wie etwa insbesondere Halbleiterproduktionsausrüstung.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Steuern eines Leistungsfaktors eines Drei-Phasen-Wandlers, welcher Drei-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Umwandlung zum Ausgeben von Gleichstrom unterwirft, umfassend: einen Wye-Phasenspannungsberechnungsschritt (S101) zum Berechnen von Wye-Phasenspannungen aus den Leitungsspannungen am Wechselstromeingang des Drei-Phasen-Wandlers, wobei eine Null-Phasensequenzspannung so bestimmt wird, dass die Wye-Phasenspannungen 120° außer Phase sind, einen symmetrischen Komponentenberechnungsschritt (S101) zum Berechnen symmetrischer Komponentenspannungswerte auf Grundlage der berechneten Wye-Phasenspannungen, einen Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt (S104) zum Berechnen eines Durchschnitts-Aktivleistungswertes durch Verwenden eines Ausgangsspannungswertes und eines Ausgangsstromwertes eines Gleichstromausgangs aus dem Drei-Phasen-Wandler, einen Leistungsfaktor-Steuerschritt (S105) zum Berechnen eines Durchschnitts-Reaktivleistungswertes aus dem im Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnitts-Aktivleistungswert und einem eingestellten Leistungsfaktor, einen Strombefehlswert-Erzeugungsschritt (S106) zum Berechnen eines Strombefehlswerts aus dem im Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnitts-Aktivleistungswert, dem im Leistungsfaktor-Steuerschritt berechneten Durchschnitts-Reaktivleistungswert und den im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt berechneten Komponentenspannungswerten, einen Konstantstromsteuerschritt (S106) zum Berechnen eines Konstantstrom-Steuerwertes für eine Konstantstromsteuerung aus dem Positiv-Phasensequenzspannungswert der symmetrischen Komponentenspannungswerte, dem Strombefehlswert und einem Eingangsstromwert des Drei-Phasen-Wandlers, wobei aus der Null-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung der symmetrischen Komponenten ein Kompensationssignal gebildet wird und durch Addition mit dem Konstantstrom-Steuerwert ein PWM-Steuersignal erzeugt wird, und mit dem PWM-Steuersignal der Drei-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Wandlung zur Ausgabe von Gleichstrom unterworfen wird.
  2. Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors des Drei-Phasen-Wandlers gemäß Anspruch 1, wobei der Wye-Phasenspannungsberechnungsschritt eine Vektoroperation an allen Kombinationen von zwei Leitungsspannungen durchführt, die aus den Leitungsspannungen ausgewählt werden, aus einem Anschlussspannungs-Zentroid gemäß der Vektoroperation Zentroidvektorspannungen erhält, die auf entsprechende Anschlussspannungen gerichtet sind, und die Vektorspannungen jeweils als die Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, ermittelt, und der symmetrische Komponentenberechnungsschritt (S101) symmetrische Komponentenspannungswerte aus den berechneten Wye-Phasenspannungen des Drei-Phasen-Wechselstromeingangs des Wandlers berechnet.
  3. Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors des Drei-Phasen-Wandlers gemäß entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt (S104) den Durchschnitts-Aktivleistungswert berechnet, durch Addieren eines integrierten Wertes des Ausgangsspannungswertes und des Ausgangsstromwerts des Gleichstromausgangs, zu einem Wert, der durch Unterwerfen einer Differenz zwischen dem Ausgangsspannungswert und einem Spannungsbefehlswert einer proportionalen integralen Steuerung erhalten wird.
  4. Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors des Drei-Phasen-Wandlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Leistungsfaktor-Steuerschritt (S105) die Durchschnitts-Reaktivleistungen berechnet, durch Multiplizieren des Durchschnitts-Aktivleistungswertes mit [(1 – (eingestellter Leistungsfaktor)2)1/2/(eingestellter Leistungsfaktor)].
  5. Verfahren zum Steuern des Leistungsfaktors des Drei-Phasen-Wandlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Leistungsfaktor-Steuerschritt (S105) den eingestellten Leistungsfaktor auf einen Negativwert einstellt und Strom des Durchschnittsaktivleistungswertes aus der Gleichstromausgangsseite zur Wechselstromeingangsseite des Drei-Phasen-Wandlers regeneriert.
  6. Verfahren zum Steuern einer Reaktivleistung eines Drei-Phasen-Wandlers, welcher Drei-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Umwandlung zum Ausgeben von Gleichstrom unterwirft, umfassend: einen Wye-Phasenspannungsberechnungsschritt zum Berechnen von Wye-Phasenspannungen aus den Leitungsspannungen am Wechselstromeingang des Drei-Phasen-Wandlers, wobei eine Null-Phasensequenzspannung so bestimmt wird, dass die Wye-Phasenspannungen 120° außer Phase sind, einen symmetrischen Komponentenberechnungsschritt (S101) zum Berechnen symmetrischer Komponentenspannungswerte auf Grundlage der berechneten Wye-Phasenspannungen, einen Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt (S104) zum Berechnen eines Durchschnitts-Aktivleistungswertes durch Verwenden eines Ausgangsspannungswertes und eines Ausgangsstromwertes eines Gleichstromausgangs des Drei-Phasen-Wandlers, einen Reaktivleistungs-Steuerschritt (S105) zum Berechnen eines Durchschnitts-Reaktivleistungswertes aus dem im Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnitts-Aktivleistungswert und einem eingestellten Leistungsfaktor, einen Strombefehlswert-Erzeugungsschritt (S106) zum Berechnen eines Strombefehlswerts aus dem im Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt berechneten Durchschnitts-Aktivleistungswert, dem im Reaktivleistungs-Steuerschritt berechneten Durchschnitts-Reaktivleistungswert und den im symmetrischen Komponentenberechnungsschritt berechneten Komponentenspannungswerten, einen Konstantstromsteuerschritt (S106) zum Berechnen eines Konstantstrom-Steuerwertes für eine Konstantstromsteuerung aus dem Positiv-Phasensequenzspannungswert der symmetrischen Komponentenspannungswerte, dem Strombefehlswert und einem Eingangsstromwert des Drei-Phasen-Wandlers, wobei, aus der Null-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung der symmetrischen Komponenten ein Kompensationssignal gebildet wird und durch Addition mit dem Konstantstrom-Steuerwert ein PWM-Steuersignal erzeugt wird, und mit dem PWM-Steuersignal der Drei-Phasen-Wechselstrom einer PWM-Wandlung zur Ausgabe von Gleichstrom unterworfen wird.
  7. Verfahren zum Steuern der Reaktivleistung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß Anspruch 6, wobei der Wye-Phasenspannungsberechnungsschritt (S101) eine Vektoroperation an allen Kombinationen von zwei Leitungsspannungen durchführt, die aus den Leitungsspannungen ausgewählt werden, aus einem Anschlussspannungs-Zentroid gemäß der Vektoroperation Zentroidvektorspannungen erhält, die auf entsprechende Anschlussspannungen gerichtet sind, und die Vektorspannungen jeweils als die Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, ermittelt, und der symmetrische Komponentenberechnungsschritt (S101) symmetrische Komponentenspannungswerte aus den berechneten Wye-Phasenspannungen des Drei-Phasen-Wechselstromeingangs des Wandlers berechnet.
  8. Verfahren zum Steuern der Reaktivleistung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß entweder Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der Durchschnitts-Aktivleistungsoperationsschritt (S104) den Durchschnitts-Aktivleistungswert berechnet, durch Addieren eines integrierten Wertes des Ausgangsspannungswertes und des Ausgangsstromwerts des Gleichstromausgangs, zu einem Wert, der durch Unterwerfen einer Differenz zwischen dem Ausgangsspannungswert und einem Spannungsbefehlswert einer proportionalen integralen Steuerung erhalten wird.
  9. Verfahren zum Steuern der Reaktivleistung des Drei-Phasen-Wandlers gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Leistungsfaktor-Steuerschritt (S105) die Durchschnitts-Reaktivleistungen berechnet, durch Multiplizieren des Durchschnitts-Aktivleistungswertes mit [(1 – (eingestellter Leistungsfaktor)2)1/2/(eingestellter Leistungsfaktor)].
  10. Steuervorrichtung zur Steuerung eines Drei-Phasen-Wandlers, der Drei-Phasen-Wechselspannungen einer PWM-Wandlung zur Ausgabe von Gleichstrom unterwirft, umfassend: eine Wye-Phasenspannungsberechnungseinheit (10) zum Berechnen von Wye-Phasenspannungen aus den Leitungsspannungen am Wechselstromeingang des Drei-Phasen-Wandlers, wobei eine Null-Phasensequenzspannung so bestimmt wird, dass die Wye-Phasenspannungen 120° außer Phase sind, eine symmetrische Komponentenberechnungseinheit (20) zum Berechnen von symmetrischen Komponentenspannungswerten auf Grundlage der berechneten Wye-Phasenspannungen, eine Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit (50) zum Berechnen eines Durchschnittsaktivleistungswerts unter Verwendung eines Ausgangsspannungswerts und eines Ausgangsstromwerts eines Gleichstromausgangs des Drei-Phasen-Wandlers, eine Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuereinheit (90) zum Berechnen eines Durchschnittsreaktivleistungswertes aus dem in der Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit berechneten Durchschnittsaktivleistungswert und einem eingestellten Leistungsfaktor, einen Strombefehlswertgenerator (41) zum Berechnen eines Strombefehlswerts aus dem in der Durchschnittsaktivleistungsoperationseinheit berechneten Durchschnittsaktivleistungswert, dem Durchschnittsreaktivleistungswert, der in der Leistungsfaktor- und Reaktivleistungssteuereinheit berechnet wird, und dem in der symmetrischen Komponentenberechnungseinheit berechneten Komponentenspannungswerten, eine Konstantstromsteuereinheit (40) zum Berechnen eines Konstantstromsteuerwert für eine Konstantstromsteuerung aus dem Positiv-Phasensequenzspannungswert der symmetrischen Komponentenspannungswerte, dem Strombefehlswert und einem Eingangsstromwert des Drei-Phasen-Wandlers, wobei aus der Null-Phasensequenzspannung und der Negativ-Phasensequenzspannung der symmetrischen Komponenten ein Kompensationssignal gebildet wird und durch Addition mit dem Konstantstrom-Steuerwert ein PWM-Steuersignal erzeugt wird, und mit dem PWM-Steuersignal der Drei-Phasen-Wechselstrom der PWM-Wandlung zum Ausgeben von Gleichstrom unterworfen wird.
  11. Steuervorrichtung zum Steuern des Drei-Phasen-Wandlers gemäß Anspruch 10, wobei die Wye-Phasenspannungsberechnungseinheit (10) eine Vektoroperation an allen Kombinationen von zwei Leitungsspannungen durchführt, die aus den Leitungsspannungen ausgewählt werden, aus einem Anschlussspannungs-Zentroid gemäß der Vektoroperation Zentroidvektorspannungen erhält, die auf entsprechende Anschlussspannungen gerichtet sind, und die Vektorspannungen jeweils als die Wye-Phasenspannungen, die zueinander um 120° außer Phase sind, ermittelt, und die symmetrische Komponentenberechnungseinheit (20) symmetrische Komponentenspannungswerte aus den berechneten Wye-Phasenspannungen des Drei-Phasen-Wechselstromeingangs des Wandlers berechnet.
  12. Steuervorrichtung zum Steuern des Drei-Phasen-Wandlers gemäß entweder Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit (50) den Durchschnitts-Aktivleistungswert berechnet, durch Addieren eines integrierten Wertes des Ausgangsspannungswertes und des Ausgangsstromwerts des Gleichstromausgangs, zu einem Wert, der durch Unterwerfen einer Differenz zwischen dem Ausgangsspannungswert und einem Spannungsbefehlswert einer proportionalen integralen Steuerung erhalten wird.
  13. Steuervorrichtung zum Steuern des Drei-Phasen-Wandlers gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuereinheit (90) umfasst: eine Leistungsfaktor-Einstelleinheit (90a) zum Einstellen des Leistungsfaktors, und eine Durchschnitts-Reaktivleistungs-Operationseinheit (90b) zum Berechnen der Durchschnitts-Reaktivleistung unter Verwendung des eingestellten Leistungsfaktors, der in der Leistungsfaktor-Einstelleinheit eingestellt ist, wobei die Durchschnitts-Reaktivleistungsoperationseinheit (90b) die Durchschnitts-Reaktivleistung durch Durchführen einer Operation berechnet, welche den in der Durchschnitts-Aktivleistungsoperationseinheit berechneten Durchschnitts-Aktivleistungswert mit [(1 – (eingestellter Leistungsfaktor)2)1/2/(eingestellter Leistungsfaktor)] multipliziert.
  14. Steuervorrichtung zum Steuern des Drei-Phasen-Wandlers gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Leistungsfaktor- und Reaktivleistungs-Steuereinheit (90) den eingestellten Leistungsfaktor auf einen negativen Wert einstellt, und Strom des Durchschnitts-Aktivleistungswertes aus der Gleichstromausgangsseite zur Wechselstromeingangsseite des Drei-Phasen-Wandlers regeneriert.
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