DE102015011506A1

DE102015011506A1 - PWM-Gleichrichter mit Kapazitätsberechnungseinheit

Info

Publication number: DE102015011506A1
Application number: DE102015011506.5A
Authority: DE
Inventors: Masakazu Niwa
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: CN105406737B; JP2016059181A; US20170099012A1; DE102015011506B4; JP5931148B2; US9923477B2; CN105406737A; US20160072403A1

Abstract

Ein PWM-Gleichrichter (1) hat eine Hauptschaltungseinheit (11) zum Ausführen einer Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlung durch PWM-Steuerung, eine PWM-Steuereinheit (12), welche die Hauptschaltungseinheit (11) in Pulsweitenmodulation steuert, eine Gleichspannungsdetektionseinheit (13), welche eine Gleichspannung über einem Glättungskondensator (5) detektiert, welcher auf der Gleichstromseite der Hauptschaltungseinheit (11) angeschlossen ist, eine Gleichspannungsspeichereinheit (14), die jeweilige Gleichspannungen beim Start und beim Ende einer anfänglichen Verstärkungsperiode speichert, während der der Glättungskondensator (5), welcher zuvor auf einen Wechselspannungsspitzenwert aufgeladen worden ist, weiter auf eine höhere Spannung aufgeladen wird, eine Eingangsleistungsberechnungseinheit (15), welche die Eingangsleistung, die auf der Wechselstromseite einströmt, auf Basis von Wechselspannungen und Wechselströmen berechnet, eine Integralleistungsberechnungseinheit (16), welche die Integralleistung aus der Eingangsleistung über die anfängliche Verstärkungsperiode berechnet, und eine Kapazitätsberechnungseinheit (14), welche die Kapazität des Glättungskondensators (5) auf Basis der jeweiligen Gleichspannungen und der Integralleistung berechnet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen PWM-Gleichrichter (Pulsweitenmodulationsgleichrichter), welcher durch Steuerung eines Schaltelementes unter Verwendung eines PWM-Signals (Pulsweitenmodulationssignal) Wechselstrom in Gleichstrom wandelt.
Zum Stand der Technik
Eine Motorsteuerungsvorrichtung zum Antrieb eines Motors in einer industriellen Maschine, wie einer Werkzeugmaschine, einer Spritzgießmaschine, oder verschiedenen Typen von Robotern, wandelt Wechselstrom, wobei zunächst Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle in Gleichstrom gewandelt wird und der Gleichstrom dann wiederum gewandelt wird in Antriebsstrom für einen Motor, der mit einer Antriebswelle verbunden ist. Eine Motorsteuervorrichtung hat einen Gleichrichter zum Gleichrichten des von der Wechselstromquelle kommenden Wechselstromes und zum Abgeben eines Gleichstromes sowie einen Inverter, der mit einem Gleichstromanschluss auf der Gleichstromseite des Gleichrichters angeschlossen und eingerichtet ist, eine wechselseitige Stromwandlung durchzuführen zwischen Gleichstrom an dem Gleichstromanschluss und Antriebsstrom für einen Motor oder regenerativem Wechselstrom zur Steuerung der Geschwindigkeit, des Drehmomentes oder der Drehstellung eines an die Wechselstromseite des Inverters angeschlossenen Motors.
Ein solcher Gleichrichter verwendet ein Dioden-Gleichrichtungsverfahren. Ein solcher Gleichrichter hat den Vorteil geringer Kosten, jedoch einen Nachteil insofern als Harmonische auf der Stromleitung (netzseitige Oberwellen) oder die Blindleistung ansteigen.
In den vergangenen Jahren wurden mehr und mehr Gleichrichter eingesetzt, welche eine Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden (nachfolgend: PWM-Gleichrichter), um die netzseitigen Oberwellen und die Blindleistung zu reduzieren.
4 zeigt allgemein einen Aufbau einer Motorsteuervorrichtung mit einem PWM-Gleichrichter. Die Motorsteuervorrichtung 101 hat einen PWM-Gleichrichter 1 zum Umwandeln von Wechselstrom aus einer herkömmlichen, drei-phasigen Wechselstromquelle 3 (nachfolgend: Wechselstromquelle) in Gleichstrom und einen Inverter 2 zum Umwandeln des vom PWM-Gleichrichter 1 abgegebenen Gleichstromes in Wechselstrom einer gewünschten Frequenz, welcher als Antriebsstrom in einen Motor 4 eingespeist wird oder zum Umwandeln von vom Motor 4 regeneriertem Wechselstrom in Gleichstrom, wobei die Motorsteuervorrichtung 101 die Geschwindigkeit, das Drehmoment oder die Drehstellung des Motors 4 steuert, welcher mit der Wechselstromseite des Inverters 2 verbunden ist. Der PWM-Gleichrichter 1 und der Inverter 2 sind miteinander über einen Gleichstromanschluss verbunden. Im Gleichstromanschluss ist ein glättender Kondensator 5 vorgesehen, wie weiter unten noch weiter beschrieben wird. Auf der Seite der Gleichstromquelle 3 des PWM-Gleichrichters 1 ist eine Verstärkungsdrossel 6 (Induktor) angeschlossen.
Der PWM-Gleichrichter 1 hat hauptsächlich eine Hauptschaltungseinheit 11 als Brückenschaltung aus einem Schaltelement und eine dazu invers-parallel geschaltete Diode und eine PWM-Steuereinheit 12, welche ein PWM-Steuersignal erzeugt zur Steuerung des Schaltbetriebes des Schaltelementes in der Hauptschaltungseinheit 11.
Die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 ist mit einer Brückenschaltung versehen mit einer Phasenanzahl entsprechend der Anzahl der Phasen der Wechselstromquelle 3. Handelt es sich beispielsweise um eine Wechselstromquelle 3 mit drei Phasen, dann ist die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 entsprechend eine drei-phasige Vollbrückenschaltung. An die Gleichstromseite der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 ist der Glättungskondensator 5 parallel angeschlossen, um den Gleichstromausgang des PWM-Gleichrichters 1 zu glätten.
Die PWM-Steuereinheit 12 des PWM-Gleichrichters 1 erzeugt das PWM-Steuersignal entsprechend einem Wechselspannungswert auf Seiten der Wechselstromquelle 3, welcher durch eine Wechselspannungsdetektionseinheit 32 detektiert wird, einem Wechselstromwert auf Seiten der Wechselstromquelle 3, welcher durch eine Wechselstromdetektionseinheit 33 detektiert wird, und einer Gleichspannung über dem Glättungskondensator 5 (d. h. der Gleichspannung am Gleichstromanschluss, welcher zwischen der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 und dem Inverter 2 geschaltet ist), welche durch eine Gleichspannungsdetektionseinheit 13 detektiert wird. Das PWM-Steuersignal wird so erzeugt, dass Wechselstromleistung (nachfolgend: Wechselstrom) mit einem Leistungsfaktor von 1 in der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 erzeugt wird und die vom PWM-Gleichrichter 1 abgegebene Gleichspannung (d. h. die Gleichspannung über dem Glättungskondensator 5) auf einem gewünschten Wert gehalten und an das Schaltelement der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 angelegt wird. Regenerative Leistung wird beim Abbremsen des Motors 4 unter Steuerung durch die Motorsteuervorrichtung 101 erzeugt und der PWM-Gleichrichter 1 ist eingerichtet für einen regenerativen Betrieb (Betrieb mit umgekehrter Wandlung) zum Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom bei entsprechender Schaltoperation durch das Schaltelement im PWM-Gleichrichter 1 unter Steuerung durch das PWM-Steuersignal und zum Rückführen von regenerativer Energie über den Inverter 2 zur Wechselstromquellenseite.
Der Glättungskondensator 5 muss in einer Zeitspanne aufgeladen werden nach Aktivierung der Motorsteuervorrichtung 101 bis vor dem Start des Antriebs des Motors 4 (d. h. vor dem Start des Stromwandlungsbetriebs durch den Inverter 2). Nachfolgend wird das Aufladen des Glättungskondensators 5 vor dem Start des Antriebs des Motors 4 als ”anfängliche Aufladung” bezeichnet. Ist im Glättungskondensator 5 beim Start der anfänglichen Aufladung keine Energie gespeichert, fließt ein starker Einschaltstrom durch die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1. Je größer die Kapazität des Glättungskondensators 5 ist, umso größer ist der Einschaltstrom. Als Maßnahme zur Reduzierung des Einschaltstromes ist ein Schaltkreis 31 für die anfängliche Aufladung zwischen die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 und den Glättungskondensator 5 oder auf der Seite des dreiphasigen Wechselstromeinganges der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 geschaltet. Das Beispiel gemäß 4 zeigt den Fall, dass der anfängliche Aufladungsschaltkreis 31 zwischen die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 und den Glättungskondensator 5 geschaltet ist.
Der Schaltkreis 31 für die anfängliche Aufladung hat eine Schalteinheit 41 und einen Ladungswiderstand 42, der zur Schalteinheit 41 parallel geschaltet ist. Die Schalteinheit 41 ist ausgeschaltet (geöffnet) nur während der anfänglichen Aufladungszeitspanne des Glättungskondensators 5 unmittelbar nach Aktivierung der Motorsteuerungsvorrichtung 101, während sie den eingeschalteten Zustand (geschlossen) bei Normalbetrieb beibehält, in dem die Motorsteuerungsvorrichtung 101 den Motor 5 antreibt. Im Einzelnen: durch Ausschalten (Öffnen) der Schalteinheit 41 in der anfänglichen Aufladungsperiode vom Zeitpunkt unmittelbar nach Aktivierung der Motorsteuerungsvorrichtung 101 bis zum Zeitpunkt vor dem Start des Antriebs des Motors 4 fließt von der Hauptschaltungseinheit 11 kommender Gleichstrom über den Ladewiderstand 42 in den Glättungskondensator 5 und dieser wird geladen. Ist der Glättungskondensator 5 gemäß der Wechselspannung der Wechselstromquelle 3 auf einen Spitzenwert geladen, wird die Schalteinheit 41 eingeschaltet (geschlossen) und der anfängliche Ladevorgang ist abgeschlossen.
Der PWM-Gleichrichter 1 muss theoretisch eine Gleichspannung abgeben, die größer ist oder gleich dem Spitzenwert der Wechselspannung der Wechselstromquelle 3. Nach Beendigung des anfänglichen Aufladebetriebs für den Glättungskondensator 5 verstärkt die PWM-Steuereinheit 12 durch Betrieb des Schaltelementes in der Hauptschaltungseinheit 11 die Gleichspannung über dem Glättungskondensator 5 auf einen Spannungswert größer als der Spitzenwert der Wechselspannung der Wechselstromquelle 3. Nachfolgend wird die Erhöhung der Aufladung des Glättungskondensators 5 in der Zeitspanne nach Beendigung der anfänglichen Aufladung des Glättungskondensators 5 bis zu einem Zeitpunkt vor dem Start des Antriebs des Motors 4 als ”anfängliche Verstärkung” bezeichnet.
Nach Beendigung der anfänglichen Aufladung und der anfänglichen Verstärkung beginnt der Inverter 2 den Stromwandlungsbetrieb und geht in den regulären Betriebszustand über, in welchem der Inverter 2 den Motor 4 mit Antriebsstrom versorgt und der Motor 4 wird entsprechend dem Wechselstromausgang des Inverters 2 angetrieben.
Allgemein bekannt ist, dass ein Glättungskondensator 5 eine begrenzte Lebensdauer hat, welche mit steigender Kapazität durch wiederholte Aufladung und Entladung geringer wird (auch als ”Kondensator”-Kapazität bezeichnet). Mit abnehmender Kapazität des Glättungskondensators 5 entsteht ein Problem dadurch, dass Oberwellenströme durch den Gleichstromanschluss und auch Schwankungen der Gleichspannung ansteigen. Deshalb ist eine richtige Bemessung des Glättungskondensators 5 wichtig. Wird durch Messungen festgestellt, dass ein Glättungskondensator 5 in der Leistung nachlässt, muss er ersetzt werden.
Zum Abschätzen der Kapazität eines Glättungskondensators in einem Gleichstromanschluss eines Gleichrichters beschreibt beispielsweise die japanische Patentanmeldung 05-76180 ein Verfahren, bei dem die Kapazität abgeschätzt wird durch Berechnung einer Zeitkonstanten auf Basis einer Gleichspannung über dem Glättungskondensator (Gleichspannung über dem Gleichstromanschluss) bei der anfänglichen Aufladung und Division der berechneten Zeitkonstanten durch den Widerstandswert des Ladewiderstandes. 5 zeigt als Diagramm eine Kondensatorspannung beim anfänglichen Aufladen gemäß der japanischen Patentanmeldung 05-76180 . Nach Beginn der anfänglichen Aufladung des Glättungskondensators (Elektrolyt-Kondensator) zum Zeitpunkt t = 0, steigt die Gleichspannung über dem Glättungskondensator mit einem Nachlauf erster Ordnung gemäß 5 an. Werden der Widerstand des Ladewiderstandes und die Kapazität des Glättungskondensators mit R [Ω] bzw. C [F] bezeichnet, dann ergibt sich die Nachlauf-Zeitkonstante erster Ordnung als RC. Somit wird die Kapazität C des Glättungskondensators durch Messung der Zeit t1 abgeschätzt, zu der die Gleichspannung einen Spannungswert von 0,63 V erreicht, was das 0,63-fache des Spitzenwertes V der Wechselspannung der Wechselstromquelle ist, und durch Division der gemessenen Zeitspanne t1 durch den Widerstandswert R des Ladewiderstandes.
Zum Abschätzen der Kapazität eines Glättungskondensators ist auch ein Verfahren bekannt, beispielsweise aus der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung 2010/055556 , bei dem die Kapazität berechnet wird durch Abschätzung einer Ladungsmenge, welche in den Gleichstromanschluss beim anfänglichen Laden des Glättungskondensators fließt und Teilung der Ladungsmenge durch die Gleichspannung am Ende der anfänglichen Aufladung. Bei diesem Verfahren wird die Kapazität berechnet unter der Annahme einer Annäherung, dass ein in der anfänglichen Aufladungsperiode in den Glättungskondensator fließender Strom gleich ist dem Absolutwert des Wechselstromes auf der Wechselstromversorgungsseite, wobei die im Glättungskondensator gespeicherte Ladungsmenge aus einem Integralwert der anfänglichen Aufladung berechnet wird und die Ladungsmenge durch die Gleichspannung am Ende der anfänglichen Aufladung dividiert wird.
Da, wie oben beschrieben, ein Problem dahingehend besteht, dass die Kapazität des Glättungskondensators, welcher an der Gleichstrom-Ausgangsseite parallel angeschlossen ist, bei wiederholtem Aufladen und Entladen abfällt und ein Oberwellenstrom durch den Gleichstromanschluss sowie Schwankungen der Gleichspannung ansteigen, ist es wichtig, die Kapazität des Glättungskondensators genau zu messen. Wird die Kapazität des Glättungskondensators nicht genau gemessen, kann die Zeit, in welcher der Glättungskondensator auszutauschen ist, verfehlt werden und ein beträchtlicher Oberwellenstrom sowie Gleichspannungsschwankungen können an dem Gleichstromanschluss auftreten. Andererseits kann dies auch zur Folge haben, dass ein Glättungskondensator vor Ende seiner Lebensdauer unnötigerweise ausgetauscht wird.
Da gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung 05-76180 die abzuschätzende Kapazität des Glättungskondensators vom Spitzenwert der Wechselspannung auf der Wechselspannungsversorgungsseite und dem Widerstandswert des Ladungswiderstandes abhängt, ist es nicht möglich, die Kapazität des Glättungskondensators genau zu messen, wenn der Spitzenwert der Wechselspannung und der Widerstandswert des Ladungswiderstandes fehlerhaft sind.
Wenn beim Verfahren gemäß der internationalen Patentanmeldung 2010/055556 die Wechselstromquelle ein-phasig ist, tritt kein wesentlicher Fehler auf, auch wenn der in dem Glättungskondensator strömende Strom durch den Absolutwert des Wechselstromes auf der Wechselstromversorgungsseite angenähert wird, wohingegen eine solche Annäherung dann nicht möglich ist, wenn die Wechselstromquelle drei-phasig ist und es deshalb nicht möglich ist, den in den Glättungskondensator fließenden Strom genau zu bestimmen. Es ist zwar möglich, die Kapazität des Glättungskondensators genau zu bestimmen durch Anordnung einer Gleichstromdetektionseinheit in einer vorangehenden Stufe oder nachfolgenden Stufe der Schaltung für die anfängliche Aufladung und Messung des Eingangsstromes in den Glättungskondensator, jedoch geht dies zu Lasten der Kosten und des Raumes.
Kurzbeschreibung
Angesichts der oben beschriebenen Probleme ist es ein Ziel der Erfindung, einen relativ kleinen und kostengünstigen PWM-Gleichrichter bereitzustellen, der in der Lage ist, genau die Kapazität eines Glättungskondensators zu bestimmen, welcher auf der Gleichstromausgangsseite parallel angeschlossen ist.
Um dieses Ziel zu erreichen hat der PWM-Gleichrichter eine Hauptschaltungseinheit, die eingerichtet ist, eine Stromwandlung auszuführen zwischen Wechselstrom auf der Wechselstromseite und Gleichstrom auf der Gleichstromseite durch Schaltoperationen eines Schaltelementes, welches durch ein empfangenes PWM-Steuersignal in Pulsweitenmodulation gesteuert wird, eine PWM-Steuereinheit, die eingerichtet ist, das PWM-Steuersignal zu erzeugen und an die Hauptschaltungseinheit abzugeben, eine Gleichspannungsdetektionseinheit, die eingerichtet ist, eine Gleichspannung über einem Glättungskondensator zu detektieren, welcher auf der Gleichstromseite der Hauptschaltungseinheit parallel angeschlossen ist, eine Gleichspannungsspeicherungseinheit, die eingerichtet ist, in einer anfänglichen Verstärkungsperiode, in welcher der anfänglich auf einen Spitzenwert der Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit aufgeladene Glättungskondensator weiter über einen Stromkonversionsbetrieb der Hauptschaltungseinheit auf eine Spannung aufgeladen wird, die größer ist als der Spitzenwert der Wechselspannung, jeweilige Gleichspannungswerte zu speichern, welche in der Startzeit und der Endzeit der anfänglichen Verstärkungsperiode durch die Gleichspannungsdetektionseinheit detektiert werden, und eine Eingangsleistungs-Berechnungseinheit, die eingerichtet ist, den in die Hauptschaltungseinheit wechselstromseitig fließenden Eingangsleistung auf Basis der Wechselspannung und des Wechselstromes auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit zu berechnen, eine Integralleistungsberechnungseinheit, die eingerichtet ist, Eingangsleistung zu integrieren, welche durch die Eingangsleistungsberechnungseinheit während der anfänglichen Verstärkungsperiode berechnet wurde, und den integrierten Wert als Integralleistung auszugeben, und eine Kapazitätsberechnungseinheit, welche eingerichtet ist, die Kapazität des Glättungskondensators zu berechnen auf Basis der Gleichspannung beim Start der anfänglichen Verstärkungsperiode und der Gleichspannung am Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode, welche in der Gleichspannungsspeicherungseinheit abgespeichert sind, und der Integralleistung.
Werden die Gleichspannung beim Start der anfänglichen Verstärkungsperiode, die Gleichspannung am Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode und die Integralleistung mit V_L, V_H, bzw. W bezeichnet, berechnet die Kapazitätsberechnungseinheit die Kapazität C des Glättungskondensators mit der nachfolgenden Gleichung.
Der PWM-Gleichrichter kann weiterhin eine Kapazitätsabfallbestimmungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, festzustellen, ob die mit der Kapazitätsberechnungseinheit berechnete Kapazität unter einem vorgegebenen Wert liegt, und eine Warnsignalabgabeeinrichtung, die eingerichtet ist, ein Warnsignal abzugeben, wenn die Kapazitätsabfallbestimmungseinheit feststellt, dass die Kapazität unter dem vorgegebenen Wert liegt.
Der PWM-Gleichrichter kann weiterhin eine Unterrichtungseinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, einen Austausch des Glättungskondensators zu veranlassen, welcher auf der Gleichstromseite der Hauptschaltungseinheit parallel angeschlossen ist, wenn die Warnsignalausgabeeinheit ein Warnsignal abgibt.
Weiterhin kann der PWM-Gleichrichter eine Stoppbefehlseinheit enthalten, welche eingerichtet ist, den Schaltbetrieb des Schaltelementes in der Hauptschaltungseinheit zu stoppen, wenn die Warnsignalabgabeeinheit das Warnsignal abgibt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird noch deutlicher aus den Figuren und ihrer nachfolgenden Beschreibung:
1 ist ein Blockdiagramm hauptsächlicher Komponenten eines PWM-Gleichrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Berechnungsverfahrens bezüglich der Kapazität eines Glättungskondensators 5 im PWM-Gleichrichter 1 gemäß 1;
3 ist ein Blockdiagramm eines PWM-Gleichrichters gemäß einer Abwandlung des vorstehenden Ausführungsbeispieles;
4 zeigt den Aufbau einer Motorsteuervorrichtung mit einem PWM-Gleichrichter im Allgemeinen; und
5 zeigt als Diagramm eine Kondensatorspannung beim anfänglichen Aufladen bei der Technik gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung 05-76180 .
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Einzelnen.
Ein PWM-Gleichrichter mit einer Kapazitätsberechnungseinheit wird nunmehr mit Blick auf die Figuren näher beschrieben. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht auf die Figuren und die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
Nachfolgend wird der Fall als Ausführungsbeispiel näher beschrieben, bei dem ein PWM-Gleichrichter in einer Motorsteuerungsvorrichtung vorgesehen ist, welche über einen Gleichstromanschluss an einen Inverter angeschlossen ist, wobei der Gleichstromanschluss einen Glättungskondensator aufweist. Allerdings ist der PWM-Gleichrichter nicht besonders eingeschränkt auf eine Verwendung als Gleichrichter in einer Motorsteuerungsvorrichtung; vielmehr kann der PWM-Gleichrichter bei jeder Vorrichtung eingesetzt werden, welche einen Aufbau hat, bei dem ein PWM-Gleichrichter und ein Inverter über einen Gleichstromanschluss verbunden sind, welcher einen Glättungskondensator aufweist. Die an den Aufbau angeschlossene Last muss nicht notwendig ein Motor sein.
1 ist ein grundlegendes Blockdiagramm zur Erläuterung eines PWM-Gleichrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel. Eine Motorsteuerungsvorrichtung 100 hat einen PWM-Gleichrichter 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel und einen Inverter 2, der an einen Gleichstromanschluss angeschlossen ist, welcher eine Schaltung auf der Gleichstromseite des PWM-Gleichrichters 1 ist. Ein Glättungskondensator 5 ist in dem Gleichstromanschluss vorgesehen. Eine übliche drei-phasige Wechselstromquelle 3 ist auf der Wechselstromversorgungsseite der Motorsteuerungsvorrichtung 100 angeschlossen, d. h. auf der Wechselstromversorgungsseite des PWM-Gleichrichters 1 mit einer Verstärkungsdrossel 6 (Induktor) dazwischen, und ein drei-phasiger Motor 4 ist auf der Wechselstromseite der Motorsteuerungsvorrichtung 100 angeschlossen, d. h. auf der Wechselstrommotorseite des Inverters 2.
Zwar wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine den Motor 4 antreibende und steuernde Motorsteuerungsvorrichtung 100 beschrieben, jedoch ist die Erfindung hinsichtlich der Anzahl der Motoren 4, welche antriebsgesteuert sind, nicht beschränkt, d. h. die Erfindung ist auch einsetzbar bei einer Motorsteuervorrichtung, welche mehrere Motoren 4 antreibt und steuert. Auch ist die Erfindung nicht hinsichtlich der Art des Motors 4 beschränkt, welcher durch die Motorsteuerungsvorrichtung 100 angetrieben wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Motor 4 um einen Induktionsmotor oder einen Synchronmotor handeln. Bezüglich der Anzahl der Phasen, kann der Motor 4 beispielsweise ein ein-phasiger Motor oder ein mehr-phasiger Motor sein.
Inverter 2 in gleicher Anzahl wie die Anzahl der Motoren 4 sind parallel geschaltet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein einziger Inverter 2 vorgesehen, da ein einziger Motor 4 angetrieben und gesteuert wird; werden mehrere Motoren 4 angetrieben und gesteuert, sind auch mehrere Inverter 2 vorgesehen zur Versorgung von jedem Motor 4 einzeln mit Antriebsenergie. Hinsichtlich des Typs des Inverters 2 ist die Erfindung nicht beschränkt. Jegliche Art von Inverter kann eingesetzt werden, solange der Inverter eine zweiseitige Stromwandlung zwischen Gleichstrom an dem Gleichstromanschluss und Wechselstrom leistet als Antriebsenergie oder regenerative Energie des Motors 4. Beispielsweise kann der Inverter 2 als PWM-Inverter eingerichtet sein mit internem Schaltelement zum Wandeln von Gleichstrom von der Seite des Gleichstromanschlusses in drei-phasigen Wechselstrom mit einer gewünschten Spannung und einer gewünschten Frequenz, um das interne Schaltelement zu veranlassen, den Schaltbetrieb entsprechend einem PWM-Steuersignal auszuführen und den Motor 4 anzutreiben. Bei einem solchen Aufbau arbeitet der Motor 4 entsprechend der spannungsvariablen und frequenzvariablen drei-phasigen Wechselstromleistung, die vom Inverter 2 eingespeist wird.
Wird regenerative Energie beim Bremsen des Motors 4 erzeugt, ist der als PWM-Inverter eingerichtete Inverter 2 in der Lage, die vom Motor 4 erzeugte regenerative Energie durch regenerativen Betrieb zum Gleichstromanschluss zurückzuführen (Vorwärtskonversion), wobei die regenerative Wechselstromenergie durch Schaltbetrieb des internen Schaltelementes unter Steuerung durch das PWM-Steuersignal in Gleichstromleistung gewandelt wird.
Zunächst wird nun der Aufbau des PWM-Gleichrichters 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Der PWM-Gleichrichter 1 hat eine Hauptschaltungseinheit 11, eine PWM-Steuereinheit 12, eine Gleichspannungsdetektionseinheit 13, eine Gleichspannungsspeicherungseinheit 14, eine Eingangsleistungsberechnungseinheit 15, eine Berechnungseinheit 16 für die integrierte Leistung und eine Kapazitätsberechnungseinheit 17.
Die Hauptschaltungseinheit 11 hat eine Brückenschaltung mit einem Schaltelement und eine Diode, die zum Schaltelement invers-parallel geschaltet ist. Beispiele für das Schaltelement sind ein IGBT (bipolarer Transistor mit isolierter Gate-Elektrode), ein Thyristor, ein GTO-Thyristor, und ein Transistor, jedoch ist die Erfindung nicht auf den Typ eines Schaltelementes beschränkt und andere Halbleiterelemente können verwendet werden. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Wechselstromquelle 3 drei Phasen hat, hat auch die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 eine drei-phasige Vollbrückenschaltung. Jedoch ist die Anzahl der Phasen des PWM-Gleichrichters 1 nicht darauf beschränkt und der PWM-Gleichrichter 1 kann als Vollbrückenschaltung eingerichtet sein mit einer Phasenanzahl entsprechend der Phasenanzahl der Wechselstromquelle 3. Ist beispielsweise die Wechselstromquelle 3 ein-phasig, kann die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 als einphasige Vollbrückenschaltung entsprechend ausgestaltet sein.
Die Hauptschaltungseinheit 11 führt eine Stromwandlung zwischen Wechselstrom auf Seiten der Wechselstromquelle 3 und Gleichstrom an dem Gleichstromanschluss auf der Gleichstromseite aus durch Schaltoperationen des Schaltelementes gemäß einer PWM-Steuerung auf Basis von PWM-Steuersignalen, die von der PWM-Steuereinheit 12 empfangen werden. Mit anderen Worten: entsprechend dem empfangenen PWM-Steuersignal erfolgt entweder ein Versorgungsbetrieb (Vorwärtskonversion) mit Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom oder ein regenerativer Betrieb (Rückwärtskonversion) mit Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.
Die PWM-Steuereinheit 1 erzeugt ein PWM-Steuersignal und gibt dieses an die Hauptschaltungseinheit 11. Bei Normalbetrieb (d. h. bei normaler Steuerung des Motors 4 durch die Motorsteuerungsvorrichtung 100) führt der PWM-Gleichrichter 1 eine Rückkoppel-Steuerung (Regelung) so aus, dass die Gleichspannung über dem Glättungskondensator 5, welche durch die Gleichspannungsdetektionseinheit 13 detektiert wird, einem Gleichspannungsbefehlswert folgt, welcher von außen eingegeben wird. Mit diesem Aufbau wird die Gleichspannung über dem Glättungskondensator 5 auf einem konstanten Wert gehalten. Andererseits erzeugt die PWM-Steuereinheit 12 vor Betätigung des Motors 4 durch die Motorsteuervorrichtung 100 ein PWM-Steuersignal (was weiter unten noch näher beschrieben wird), welches die Hauptschaltungseinheit 11 veranlasst, einen anfänglichen Verstärkungsbetrieb auszuführen.
Der Glättungskondensator 5 ist parallel an die Gleichspannungsseite der Hauptschaltungseinheit 11 angeschlossen. Der Glättungskondensator 5 hat nicht nur die Aufgabe, Oberwellen im Gleichstromausgang der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 oder des Inverters 2 zu unterdrücken, sondern auch eine Funktion zum anfänglichen Abspeichern von Gleichstromenergie, welche von der Hauptschaltungseinheit 11 oder dem Inverter 2 abgegeben wird.
Die Gleichspannungsdetektionseinheit 13 detektiert eine Gleichspannung über dem Glättungskondensator 5.
Die Schaltung 31 für die anfängliche Aufladung lädt den Glättungskondensator 5 mit dem Gleichstromausgang aus der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 bei der anfänglichen Aufladung vor Betrieb des Motors 4 durch die Motorsteuereinrichtung 100 auf und ist bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 und den Glättungskondensator 5 geschaltet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel hierfür kann die Schaltung 31 für die anfängliche Aufladung auf der Wechselstromversorgungsseite der Hauptschaltungseinheit 11 angeordnet sein und bei beispielsweise einer drei-phasigen Wechselstromquelle 3 kann die Schaltung 31 für die anfängliche Aufladung bezüglich jeder Phase von zumindest zwei der drei Phasen des drei-phasigen Wechselstromeinganges der Hauptschaltungseinheit 11 vorgesehen sein. Zwar ist in 1 ein einziger Inverter 2 dargestellt, jedoch sind bei Parallelschaltung mehrerer Inverter 2 auch jeweils Glättungskondensatoren 5 zueinander parallel geschaltet. Zwischen der Hauptschaltungseinheit 11 und diesen Glättungskondensatoren 5 ist eine Schaltung 31 für die anfängliche Aufladung geschaltet.
Die Schaltung 31 für die anfängliche Aufladung hat eine Schalteinheit 41 und einen Ladewiderstand 42, der zur Schalteinheit 41 parallel geschaltet ist. Die Schalteinheit 41 ist beispielsweise mit einem mechanischen Schalter oder einem Halbleiterschaltelement, wie einem IGBT oder einem Thyristor, versehen. Die Schalteinheit 41 wird nur in der Zeitspanne der anfänglichen Aufladung des Kondensators 5 unmittelbar nach Aktivierung der Motorsteuervorrichtung 100 ausgeschaltet (geöffnet) und sie wird in der Zeit des Normalbetriebs im Ein-Zustand (geschlossenen Zustand) gehalten, wobei die Motorsteuervorrichtung 100 den Motor 4 antreibt. Im Einzelnen: bei ausgeschalteter Schalteinheit 41 (geöffnet) während der anfänglichen Ladezeitspanne von einem Zeitpunkt unmittelbar nach Aktivierung der Motorsteuervorrichtung 100 bis zu einem Zeitpunkt vor dem Start des Motors 4 fließt Gleichstrom von der Hauptschaltungseinheit 11 über den Ladewiderstand 42 in den Glättungskondensator 5, um diesen zu laden. Ist der Glättungskondensator 5 auf den Spitzenwert der Wechselspannung der Wechselstromquelle 3 geladen, wird die Schalteinheit 41 eingeschaltet (geschlossen) und damit der Vorgang der anfänglichen Aufladung beendet.
Da der PWM-Gleichrichter 1 theoretisch eine Gleichspannung abzugeben hat mit einem Wert gleich oder größer als der Spitzenwert der Wechselspannung der Wechselstromquelle 3, erzeugt die PWM-Steuereinheit 12 nach Beendigung der anfänglichen Aufladung des Glättungskondensators 5 ein PWM-Steuersignal, um die Hauptschaltungseinheit zu veranlassen, eine anfängliche Verstärkung auszuführen, bei der die Gleichspannung über dem Glättungskondensator 5, welcher anfänglich auf den Spitzenwert der Wechselspannung aufgeladen ist, auf einen Spannungswert hochzutreiben, der größer ist als der Spitzenwert der Wechselspannung. Die Gleichspannungsspeichereinheit 14 speichert jeweilige Gleichspannungswerte, wie von der Gleichspannungsdetektionseinheit detektiert, zum Startzeitpunkt und zum Endzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode. Die Gleichspannungsspeichereinheit 14 kann ein flüchtiger Speicher oder ein nicht-flüchtiger Speicher sein.
Die Eingangsleistungsberechnungseinheit 15 berechnet die Eingangsleistung, welche wechselstromseitig in die Hauptschaltungseinheit 11 fließt, auf Basis der Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit 11, wie durch die Wechselspannungsdetektionseinheit 32 detektiert, und auf Basis des Wechselstromes auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit 11, wie durch die Wechselstromdetektionseinheit 33 detektiert. Da die Motorsteuervorrichtung 100 den Wechselspannungswert und den Wechselstromwert auf der Seite der Wechselstromquelle 3 verwendet für die Antriebssteuerung des PWM-Gleichrichters 1, sind die Wechselspannungsdetektionseinheit 32 und die Wechselstromdetektionseinheit 33 zur Detektion der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes in der Motorsteuervorrichtung 100 angeordnet. Die Eingangsleistungsberechnungseinheit 15 verwendet die detektierten Werte der Wechselspannungsdetektionseinheit 32 und der Wechselstromdetektionseinheit 33 für die Berechnung.
Die Berechnungseinheit 16 für die integrierte Leistung (”Integralleistungsberechnungseinheit”) integriert die Eingangsleistung, wie durch die Eingangsleistungsberechnungseinheit 15 berechnet, über die anfängliche Verstärkungszeitspanne und gibt den Integralwert als Integralleistung aus.
Die Kapazitätsberechnungseinheit 17 berechnet die Kapazität des Glättungskondensators auf Basis der Gleichspannung zum Startzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode und der Gleichspannung zum Zeitpunkt des Endes der anfänglichen Verstärkungsperiode, wobei diese Werte in der Gleichspannungsspeicherungseinheit 14 gespeichert sind, und der Integralleistung, wie durch die Integralleistungsberechnungseinheit 16 berechnet.
Nunmehr wird die Berechnung der Kapazität des Glättungskondensators 5 im PWM-Gleichrichter 1 gemäß 1 beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Berechnungsverfahrens bezüglich der Kapazität des Glättungskondensators im PWM-Gleichrichter 1 nach 1.
Zunächst wird unmittelbar nach Aktivierung der Motorsteuervorrichtung 100 die anfängliche Ladeoperation in Schritt S101 ausgeführt. Mit anderen Worten: die Schalteinheit 41 der Schaltung 31 für die anfängliche Ladung wird ausgeschaltet (geöffnet), die Gleichstromleistung aus der Hauptschaltungseinheit 11 fließt über den Ladewiderstand 42 in den Glättungskondensator 5 und der Glättungskondensator 5 wird aufgeladen. Ist der Glättungskondensator 5 auf den Spitzenwert der Wechselspannung der Wechselstromquelle 3 aufgeladen, wird die Schalteinheit 41 eingeschaltet (geschlossen) und der anfängliche Ladevorgang ist beendet. Der Inverter 2 arbeitet nicht während dieses anfänglichen Ladevorganges.
Sodann wird die anfängliche Verstärkungsoperation in Schritt S102 durchgeführt. Während der anfänglichen Verstärkungsperiode wird die Schalteinheit 41 der Schaltung 31 für die anfängliche Ladung im eingeschalteten Zustand gehalten (geschlossen) und es fließt kein Strom durch den Ladewiderstand 42. Da der Inverter 2 bis dahin noch nicht gearbeitet hat, wird der von der Wechselstromversorgung 3 aufgenommene Wechselstrom konvertiert (gleichgerichtet) in Gleichstrom mittels der Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 und dies wird im Glättungskondensator 5 gespeichert.
In Schritt S103 speichert die Gleichspannungsspeichereinheit 14 zunächst eine Gleichspannung V₁, welche von der Gleichspannungsdetektionseinheit 13 zum Startzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode detektiert wird und über dem Glättungskondensator 5 anliegt, welcher in Schritt S101 anfänglich aufgeladen worden ist.
In Schritt S104 berechnet die Eingangsleistungsberechnungseinheit 15 auf Basis der Wechselspannung auf der Wechselspannungsseite der Hauptschaltungseinheit 11, wie durch die Wechselspannungsdetektionseinheit 32 detektiert, und des Wechselstromes auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit 11, wie durch die Wechselstromdetektionseinheit 33 detektiert, die Eingangsleistung, welche in die Hauptschaltungseinheit 11 auf der Wechselstromseite fließt. Die Eingangsleistung wird berechnet als momentan wirksame Leistung. Mit anderen Worten: wenn die Wechselspannung auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit 11, wie durch die Wechselspannungsdetektionseinheit 32 detektiert, mit E_u, E_v bzw. E_w bezeichnet wird und der Wechselstrom auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit 11, wie von der Wechselstromdetektionseinheit 33 detektiert, mit I_u, I_v bzw. I_w bezeichnet werden, dann kann die in die Hauptschaltungseinheit 11 auf der Wechselstromseite strömende Leistung P mit der nachfolgenden Gleichung (1) berechnet werden. P = E_u × I_u + E_v × I_v + E_w × I_w (1)
In Schritt S105 integriert die Integralleistungsberechnungseinheit 16 die mit der Eingangsleistungberechnungseinheit 15 in Schritt S104 berechnete Eingangsleistung. Sodann wird in Schritt S106 festgestellt, ob die anfängliche Verstärkungsoperation beendet ist oder nicht. Die Feststellung kann durch die Integralleistungsberechnungseinheit 16 selbst ausgeführt werden oder durch eine höherrangige Steuervorrichtung (nicht gezeigt) der Integralleistungsberechnungseinheit 16. Wenn in Schritt S106 festgestellt wird, dass die anfängliche Verstärkungsoperation noch nicht beendet ist, geht das Verfahren zurück zu Schritt S104, in dem die Berechnung der Eingangsleistung erfolgt mittels der Eingangsleistungsberechnungseinheit 15 und die Integration der Eingangsleistung wird dann in Schritt S105 ausgeführt. Wenn in Schritt S106 festgestellt wird, dass die anfängliche Verstärkungsoperation beendet ist, geht das Verfahren zu Schritt S107. Wie oben bereits ausgeführt, integriert die Integralleistungsberechnungseinheit 16 durch eine Reihe von Operationen gemäß den Schritten S104 bis S106 die Eingangsleistung, wie durch die Eingangsleistungsberechnungseinheit 15 berechnet, über die anfängliche Verstärkungsperiode und gibt den integrierten Wert als Integralleistung aus. Mit anderen Worten: die Integralleistung W vom Startzeitpunkt bis zum Endzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode wird durch die nachfolgende Gleichung (2) berechnet. W = ∫Pdt = ∫(E_u × I_u + E_v × I_v + E_w × I_w)dt (2)
Nach dem Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode speichert in Schritt S107 die Gleichspannungsspeicherungseinheit 14 zunächst eine Gleichspannung V_H, welche über dem Glättungskondensator 5 anliegt und durch die Gleichspannungsdetektionseinheit 13 zum Zeitpunkt des Endes des anfänglichen Verstärkungsperiode detektiert wird.
Sodann berechnet in Schritt S108 die Kapazitätsberechnungseinheit 17 die Kapazität C des Glättungskondensators auf Basis der Gleichspannung V_L zum Startzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode und der Gleichspannung V_H zum Endzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode, wie in der Gleichspannungsspeichereinheit 14 abgespeichert, und der Integralleistung W, wie durch die Integralleistungsberechnungseinheit 16 berechnet. Die Energie Δ, welche im Glättungskondensator 5 in der Zeit vom Start bis zum Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode abgespeichert wird, wird durch die nachfolgende Gleichung (3) berechnet. Δ = ½ × C × (V_H ² – V_L ²) (3)
Da, wie oben beschrieben, der Inverter 2 während der anfänglichen Verstärkungsperiode nicht arbeitet und somit die auf der Wechselstromversorgungsseite aufgenommene Wechselstromleistung durch die Hauptschaltungseinheit 11 des PWM-Gleichrichters 1 konvertiert (gleichgerichtet) wird in Gleichstromleistung und entsprechend eine Speicherung im Glättungskondensator 5 erfolgt, ist die Energie Δ, welche im Glättungskondensator 5 in der Zeit vom Start bis zum Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode gespeichert wird, berechnet gemäß der Gleichung (3), gleich der Integralleistung W in der Zeit vom Start bis zum Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode, wie durch die Gleichung (2) berechnet. Deshalb ergibt sich die Kapazität C des Glättungskondensators 5 durch die nachfolgende Gleichung (4).
Die Kapazitätsberechnungseinheit 17 berechnet die Kapazität C des Glättungskondensators 5 mittels der Gleichung (4), welche in der oben beschriebenen Weise abgeleitet ist. Wie Gleichung (4) zeigt, wird gemäß der Erfindung die Kapazität C des Glättungskondensators 5 auf Basis der Gleichspannung V_L zum Startzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode und der Gleichspannung V_H zum Endzeitpunkt der anfänglichen Verstärkungsperiode, welche in der Gleichspannungsspeichereinheit 14 abgespeichert sind, und der Integralleistung W abgeleitet, welche durch die Integralleistungsberechnungseinheit 16 berechnet wird. Deshalb ist es, anders als beispielsweise gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung 05-76180 , möglich, die Kapazität C des Glättungskondensators 5 ohne Abhängigkeit vom Spitzenwert der Wechselspannung auf der Wechselspannungsversorgungsseite und des Widerstandswertes des Ladewiderstandes 42 zu berechnen und somit die Kapazität C genau zu messen. Beim Ausführungsbeispiel wird die Integralleistung W auf Basis der Gleichung (2) berechnet, wobei die Wechselstromquelle 3 drei Phasen hat; es ist aber möglich, die genaue Messung der Kapazität C unabhängig von der Anzahl der Phasen der Wechselstromquelle auszuführen, wiederum im Unterschied zur internationalen Patentanmeldung 2010/055556 , da es möglich ist, die Eingangsleistung (momentane wirksame Leistung), welche in den PWM-Gleichrichter 1 fließt, mit einem gut bekannten Verfahren zu berechnen, auch wenn die Wechselstromquelle 3 nur eine Phase hat oder mehrere Phasen. Da keine Gleichstromdetektionseinheit zusätzlich für die Messung erforderlich ist, ist es möglich, einen PWM-Gleichrichter mit geringen Kosten und geringer Baugröße herzustellen. Das Ergebnis der Berechnung der Kapazitätsberechnungseinheit 17 kann beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung (nicht dargestellt) gezeigt werden, die an der Motorsteuervorrichtung 100 angeordnet ist, oder es kann in einer Speichereinrichtung (nicht gezeigt) abgelegt werden. Mit diesem Aufbau können Bedienungspersonen die Kapazität C des Glättungskondensators 5 jederzeit bei Aktivierung des PWM-Gleichrichters 1 (oder der Motorsteuervorrichtung 100) erkennen und somit entscheiden, ob der Glättungskondensator 5 ausgetauscht werden muss oder nicht.
Wird in Schritt S106 festgestellt, dass die anfängliche Verstärkungsoperation beendet ist, wird der Inverter 2 in der Motorsteuervorrichtung 100 aktiviert. Damit beginnt der Inverter 2 die Stromkonversion und geht in den Normalbetrieb über, um den Motor 4 mit Antriebsleistung zu versehen und der Motor 4 wird entsprechend der Wechselstromleistung vom Inverter 2 angetrieben.
Nunmehr wird eine Abwandlung des PWM-Gleichrichters beschrieben. 3 ist ein Blockdiagramm des PWM-Gleichrichters gemäß diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel. Ein PWM-Gleichrichter 1 gemäß dieser Abwandlung hat weiterhin eine Feststellungseinheit 18 für einen Kapazitätsabfall, eine Einheit 19 zum Abgeben eines Warnsignals, eine Anzeigeeinheit 20 und eine Stoppbefehlseinheit 21 im Zusammenhang mit dem PWM-Gleichrichter, wie oben im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben. Da die Schaltungskomponenten, abgesehen von den vorstehend genannten, die gleichen sind wie beim Beispiel gemäß 1, werden entsprechend gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Komponenten verwendet und es erübrigt sich insoweit eine wiederholte Beschreibung.
Die Kapazitätsabfallbestimmungseinheit 18 prüft, ob die mit der Kapazitätsberechnungseinheit 17 berechnete Kapazität geringer ist als ein vorgegebener Wert. Der oben erwähnte vorgegebene Wert, welchen die Kapazitätsabfallbestimmungseinheit 18 bei der Beurteilung verwendet, kann beispielsweise auf einen solchen Kapazitätswert eingestellt werden, bei dem sich sichergestellt ist, dass der Glättungskondensator 5 normal arbeitet.
Die Warnsignalausgabeeinheit 19 gibt ein Warnsignal Ausführungsbeispiel, wenn die Kapazitätsabfallbestimmungseinheit 13 feststellt, dass die Kapazität kleiner ist als der vorgegebene Wert.
Wenn die Warnsignalausgabeeinheit 19 ein Warnsignal abgibt, sendet die Anzeige- oder Unterrichtungseinheit 20 eine Mitteilung zur Veranlassung eines Austausches des Glättungskondensators 5. Beispiele für die Anzeige- oder Unterrichtungseinheit 20 sind ein Lautsprecher mit einer akustischen Warnung zur Veranlassung eines Austausches, wie eine Hupe oder eine Sirene, eine Lichtanzeige oder ein Blinker zur Veranlassung eines Austausches, oder einer Anzeige mit Buchstaben oder Symbolen zur Veranlassung eines Austausches. Mit einer derartigen Anzeige- oder Unterrichtungseinheit 20 sind Bedienungspersonen in die Lage versetzt, in einfacher Weise und zuverlässig einen Austausch des Glättungskondensators 5 vorzunehmen, im Vergleich zur einfachen Anzeige von numerischen Werten bezüglich der Kapazität C des Glättungskondensators 5.
Wenn die Warnsignalabgabeeinheit 19 ein Warnsignal abgibt, instruiert die Stoppbefehlseinheit 21 das Schaltelement der Hauptschaltungseinheit 11, den Schaltbetrieb zu stoppen. Wenn die Stoppbefehlseinheit 21 den Befehl zum Stoppen des Schaltbetriebes abgibt, stoppt die Hauptschaltungseinheit 11 die Stromwandlung. Da der PWM-Gleichrichter 1 den Stromwandlungsbetrieb stoppt, wenn die Kapazität C des Glättungskondensators 5 kleiner ist als ein vorgegebener Wert, ist es mit der Stoppbefehlseinheit 21 möglich, zu vermeiden, dass der PWM-Gleichrichter 1 in einem Zustand arbeitet, in welchem große Oberwellenströme fließen oder starke Gleichspannungsschwankungen an dem Gleichspannungsanschluss stattfinden. Auch wenn beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Stoppbefehlseinheit 21 den Befehl zum Stoppen des Schaltbetriebes der PWM-Steuereinheit 12 abgibt und mit diesem Befehl die PWM-Steuereinheit 12 ein Steuersignal zum Stoppen der Schaltoperation des Schaltelementes an die Hauptschaltungseinheit 11 abgibt, können auch andere Konfigurationen eingesetzt werden, bei denen die Stoppbefehlseinheit 21 einen Befehl abgibt zum Stoppen des Schaltbetriebes direkt an die Hauptschaltungseinheit 11, welche dann den Betrieb des Schaltelementes unterbricht.
Die oben beschriebene PWM-Steuereinheit 12, die Eingangsleistungsberechnungseinheit 15, die Integralleistungsberechnungseinheit 16, die Kapazitätsberechnungseinheit 17, die Kapazitätsabfallfeststellungseinheit 18, die Warnsignalabgabeeinheit 19, und die Stoppbefehlseinheit 21 können beispielsweise als Software-Programm verwirklicht sein oder als eine Kombination unterschiedlicher Schaltkreise mit einem Software-Programm. Sind die Komponenten beispielsweise als Software-Programm implementiert, werden die oben beschriebenen Funktionen der einzelnen Einheiten durch eine Recheneinheit in der Motorsteuervorrichtung 100 realisiert, welche entsprechend dem Software-Programm arbeitet. Es ist möglich, die Erfindung bei einer gegebenen Motorsteuervorrichtung einzusetzen durch eine zusätzliche Installation der entsprechenden Software-Programme in der gegebenen Recheneinheit der Motorsteuervorrichtung.
Mit der Erfindung ist es möglich, einen relativ kleinen und kostengünstigen PWM-Gleichrichter zu schaffen, welcher es ermöglicht, die Kapazität eines Glättungskondensators, der auf der Gleichstromausgangsseite parallel geschaltet ist, genau zu messen.
Mit der Erfindung ist es auch möglich, die Kapazität des Glättungskondensators zu messen unabhängig von dem Spitzenwert der Wechselspannung der Wechselstromquelle und dem Widerstandswert eines Ladewiderstandes, dies insbesondere im Unterschied zum Stand der Technik gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung 05-76180 , da die Kapazität des Glättungskondensators berechnet wird auf Basis der Gleichspannung beim Start der anfänglichen Verstärkungsperiode und der Gleichspannung am Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode, wobei diese Werte in der Gleichspannungsspeichereinheit abgelegt sind, sowie auf Basis der Integralleistung über die anfängliche Verstärkungsperiode.
Da die bei Berechnung der Kapazität verwendete Integralleistung berechnet wird durch Integration der Eingangsleistung (momentane wirksame Leistung), welche mit bekannten Verfahren leicht feststellbar ist, ist es möglich, die Kapazität genau zu messen unabhängig von der Anzahl der Phasen der Wechselstromquelle, anders als beim Stand der Technik gemäß der internationalen Patentanmeldung 2010/055556 . Da keine Gleichstromdetektionseinheit zusätzlich hinzugefügt werden muss, können die Kosten des raumsparenden PWM-Gleichrichters gering gehalten werden.
Die berechnete Kapazität kann auf einer Anzeigeeinheit dargestellt werden oder sie kann auch in einem Speichermedium abgelegt werden und mit einer solchen Anordnung können Bedienungspersonen jedes Mal dann, wenn der PWM-Gleichrichter aktiviert wird, die Kapazität des Glättungskondensators erkennen, was ihnen die Entscheidung bezüglich eines Austausches des Kondensators erleichtert.
Auch durch den Einsatz einer Konfiguration, bei der dann, wenn die berechnete Kapazität kleiner ist als ein vorgegebener Wert, ein Warnsignal abgegeben wird und/oder eine Mitteilung zur Veranlassung des Austausches des Glättungskondensators wird den Bedienungspersonen die Entscheidung erleichtert, ob ein Glättungskondensator auszutauschen ist.
Durch den Einsatz einer Konfiguration, bei der dann, wenn die berechnete Kapazität kleiner ist als ein vorgegebener Wert, ein Warnsignal abgegeben wird und der Schaltbetrieb des Schaltelementes der Hauptschaltungseinheit gestoppt wird, ist es möglich, den Betrieb des PWM-Gleichrichters in einem Zustand zu unterbinden, in dem relativ große Oberwellen und große Gleichspannungsschwankungen am Gleichspannungsanschluss auftreten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 05-76180 [0014, 0014, 0017, 0030, 0059, 0068]
WO 2010/055556 [0015, 0018, 0059, 0069]

Claims

PWM-Gleichrichter (1), aufweisend: eine Hauptschaltungseinheit (11), welche eingerichtet ist, eine Stromwandlung zwischen Wechselstrom auf ihrer Wechselstromseite und Gleichstrom auf ihrer Gleichstromseite durch Schaltbetrieb eines Schaltelementes auszuführen, welches durch ein PWM-Steuersignal PWM-gesteuert ist; eine PWM-Steuereinheit (12), die eingerichtet ist, das PWM-Steuersignal zu erzeugen und an die Hauptschaltungseinheit (11) abzugeben; eine Gleichspannungsdetektionseinheit (13), die eingerichtet ist, eine Gleichspannung über einem Glättungskondensator (5) zu detektieren, der auf der Gleichstromseite der Hauptschaltungseinheit (11) parallel angeschlossen ist; eine Gleichspannungsspeichereinheit (14), die eingerichtet ist, in einer anfänglichen Verstärkungsperiode, in welcher der Glättungskondensator (5), welcher anfänglich auf den Spitzenwert der Wechselspannung auf der Wechselspannungsseite der Hauptschaltungseinheit (11) aufgeladen worden ist, weiter durch eine Stromwandlung der Hauptschaltungseinheit (11) auf eine Spannung aufgeladen wird, die größer ist als der Spitzenwert der Wechselspannung, die jeweiligen Gleichspannungen zu speichern, welche durch die Gleichspannungsdetektionseinheit (13) am Start und am Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode detektiert werden; eine Eingangsleistungsberechnungseinheit (15), die eingerichtet ist, die in die Hauptschaltungseinheit (11) wechselstromseitig eingehende Eingangsleistung zu berechnen auf Basis der Wechselspannung und des Wechselstromes auf der Wechselstromseite der Hauptschaltungseinheit (11); eine Integralleistungsberechnungseinheit (16), welche eingerichtet ist, die mit der Eingangsleistungsberechnungseinheit (15) während der anfänglichen Verstärkungsperiode berechnete Eingangsleistung zu integrieren und den Integrationswert als Integralleistung abzugeben; und eine Kapazitätsberechnungseinheit (17), die eingerichtet ist, die Kapazität des Glättungskondensators (5) auf Basis der Gleichspannung am Start der anfänglichen Verstärkungsperiode und der Gleichspannung am Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode, welche in der Gleichspannungsspeichereinheit (14) gespeichert sind, und der Integralleistung zu berechnen.
PWM-Gleichrichter (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Kapazitätsberechnungseinheit (17) die Kapazität (C) des Glättungskondensators (5) mit der folgenden Gleichung berechnet:
wobei die Gleichspannung am Start der anfänglichen Verstärkungsperiode, die Gleichspannung am Ende der anfänglichen Verstärkungsperiode und die Integralleistung mit V_L, V_H bzw. W bezeichnet sind.
PWM-Gleichrichter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, aufweisend: eine Kapazitätsabfallbestimmungseinheit (18), die eingerichtet ist, festzustellen, ob die mit der Kapazitätsberechnungseinheit (17) berechnete Kapazität unter einem vorgegebenen Wert liegt oder nicht; und eine Warnsignalabgabeeinheit (19), die eingerichtet ist, ein Warnsignal abzugeben, wenn die Kapazitätsabfallbestimmungseinheit (18) feststellt, dass die Kapazität kleiner ist als der vorgegebene Wert.
PWM-Gleichrichter (1) gemäß Anspruch 3, weiterhin aufweisend: eine Anzeige- oder Unterrichtungseinheit (20), die eingerichtet ist, den Austausch des Glättungskondensators (5) zu veranlassen, welcher auf der Gleichstromseite der Hauptschaltungseinheit (11) parallel angeschlossen ist, wenn die Warnsignalabgabeeinheit (19) ein Warnsignal abgibt.
PWM-Gleichrichter (1) gemäß Anspruch 3, weiterhin aufweisend: eine Stoppbefehlseinheit (21), die eingerichtet ist, einen Stopp des Schaltbetriebs des Schaltelementes in der Hauptschaltungseinheit (11) zu befehlen, wenn die Warnsignalabgabeeinheit (19) ein Warnsignal abgibt.