DE102016110375A1

DE102016110375A1 - Motorantriebsvorrichtung mit einer Vorladeeinheit

Info

Publication number: DE102016110375A1
Application number: DE102016110375.6A
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Matsumoto; Yuuki Kumamoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: CN106253698A; DE102016110375B4; CN106253698B; US20160365820A1; US9837949B2

Abstract

Eine Motorantriebsvorrichtung 1 weist auf: einen Gleichrichter 11, welcher einen Wechselstrom gleichrichtet und einen Gleichstrom an einen DC-Zwischenkreis abgibt; eine Wechselrichtereinheit 12, welche den Gleichstrom von dem Gleichrichter 11 umwandelt und einen Wechselstrom einem Motor zuführt; eine Vorladeeinheit 13, welche einen Glättungskondensator 21, der in dem DC-Zwischenkreis vorgesehen ist, mit einem Gleichstrom vorlädt, welcher in Reaktion darauf, dass ein Schalter 22 geöffnet wird, durch einen Ladewiderstand 23 fließt; eine Speichereinheit 14, welche eine Belastbarkeit des Ladewiderstandes 23 speichert; eine Leistungsberechnungseinheit 15, welche eine Menge an Leistung berechnet, die in dem Ladewiderstand 23 in Reaktion auf den durch ihn fließenden Gleichstrom erzeugt wird; und eine Öffnungs-/Schließeinheit 16, welche den Stromfluss des Gleichstroms in dem Glättungskondensator 21 abschaltet, wenn die berechnete Menge an Leistung während eines Vorladezeitraums die Belastbarkeit erreicht, und nach dem Abschalten zu ermöglichen, dass der Gleichstrom in dem Glättungskondensator 21 fließt, wenn die berechnete Menge an Leistung kleiner als ein oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorantriebsvorrichtung, in welcher ein Wechselstrom, der von einer Wechselstromquelle zugeführt wird, in einen Gleichstrom umgewandelt wird, welcher wiederum an einen DC-Zwischenkreis abgegeben und dann in einen Wechselstrom zum Antreiben eines Motors umgewandelt wird, und der Wechselstrom dem Motor zugeführt wird; und insbesondere betrifft sie eine Motorantriebsvorrichtung, die eine Vorladeeinheit aufweist, welche einen Glättungskondensator vorlädt, der in einem DC-Zwischenkreis vorgesehen ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In einer Motorantriebsvorrichtung zum Antreiben eines Motors in einer Werkzeugmaschine, einer Schmiedepresse, einer Spritzgießmaschine, einer Industriemaschine oder verschiedenen Typen von Robotern wird AC-Leistung, die von einer Wechselstromversorgungsseite eingespeist wird, in DC-Leistung umgewandelt und danach zurück in AC-Leistung umgewandelt, und die AC-Leistung wird als Antriebsleistung für einen Motor verwendet, der für jede Antriebswelle vorgesehen ist. Eine solche Motorantriebsvorrichtung weist einen Gleichrichter auf, welcher AC-Leistung gleichrichtet, die von einer Wechselstromversorgungsseite zugeführt wird, wobei eine Dreiphasenstrom-Eingangsleistungsversorgung erfolgt, und welcher DC-Leistung abgibt, und eine Wechselrichtereinheit, welche mit dem DC-Zwischenkreis (Gleichstromzwischenkreis) verbunden ist, welcher die DC-Ausgangsseite des Gleichrichters ist, und eine Leistungsumwandlung in beiden Richtungen zwischen der DC-Leistung des DC-Zwischenkreises und der AC-Leistung, welche die Antriebsleistung oder regenerative Leistung des Motors ist, durchführt, wodurch die Drehzahl, das Drehmoment oder die Position des Rotors des Motors gesteuert wird, der mit der AC-Ausgangsseite des Wechselrichters verbunden ist. Um jeden Motor individuell mit Antriebsleistung zu versorgen, der jeweils für eine von mehreren Antriebswellen vorgesehen ist, und dadurch die Motoren anzutreiben und zu steuern, ist die Wechselrichtereinheit in einer Anzahl vorgesehen, die gleich der Anzahl der Motoren ist. Gewöhnlich ist für die mehreren Wechselrichtereinheiten ein einziger Gleichrichter vorgesehen, um die Kosten und den Raumbedarf der Motorantriebsvorrichtung zu reduzieren.
Zum Beispiel ist, wie in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. H06-311639 beschrieben, ein Glättungskondensator (auch als ”DC-Zwischenkreis-Kondensator” bezeichnet) auf der DC-Zwischenkreis-Seite der Wechselrichtereinheit vorgesehen, mit welchem der Gleichrichter verbunden ist. Der Glättungskondensator hat die Funktion, eine pulsierende Komponente des DC-Ausgangs eines Umrichters zu dämpfen, und ist in der Lage, DC-Leistung zu akkumulieren. Da es vorzuziehen ist, dass ein Glättungskondensator zwischen einem Zeitpunkt, unmittelbar nachdem die Motorantriebsvorrichtung gestartet wird, und bevor das Antreiben des Motors gestartet wird (d. h. bevor der Leistungsumwandlungsbetrieb durch die Wechselrichtereinheit gestartet wird), einem Initialisierungsladen (auch als ”Vorladen” bezeichnet) unterzogen wird, ist es üblich, dass dafür eine Vorladeeinheit vorgesehen ist.
8 ist eine Ansicht, welche einen Aufbau einer allgemeinen Motorantriebsvorrichtung veranschaulicht. Die Motorantriebsvorrichtung 1000 weist einen Gleichrichter 111 auf, welcher AC-Leistung aus einer kommerziellen Dreiphasen-Wechselstromquelle 3 gleichrichtet und DC-Leistung abgibt, und eine Wechselrichtereinheit 112, welche mit einem DC-Zwischenkreis verbunden ist, welcher die DC-Seite des Gleichrichters 111 ist, und welche die von dem Gleichrichter 111 abgegebene DC-Leistung in AC-Leistung mit einer gewünschten Spannung und einer gewünschten Frequenz umwandelt, die als Antriebsleistung eines Motors 2 zugeführt wird, oder von dem Motor 2 wieder erzeugte AC-Leistung in DC-Leistung umwandelt, wodurch eine Drehzahl, ein Drehmoment oder eine Position eines Rotors des Motors 2 gesteuert wird, der mit der AC-Seite der Wechselrichtereinheit 112 verbunden ist.
Um jeden der Motoren 2 individuell mit Antriebsleistung zu versorgen, der jeweils für eine von mehreren Antriebswellen vorgesehen ist, und dadurch die Motoren 2 anzutreiben und zu steuern, ist die Wechselrichtereinheit in einer Anzahl vorgesehen, die gleich der Anzahl der Motoren 2 ist, wobei diese Wechselrichtereinheiten zueinander parallelgeschaltet sind. Ein Glättungskondensator 221 ist auf der DC-Eingangsseite jeder Wechselrichtereinheit 112 vorgesehen. Anders ausgedrückt, der Glättungskondensator 221 befindet sich auf der DC-Zwischenkreis-Seite der Wechselrichtereinheit 112, mit welcher der Gleichrichter 111 verbunden ist. In 8 beträgt als Beispiel die Anzahl der Motoren 2 drei, und daher beträgt auch die Anzahl der Wechselrichtereinheiten 112 drei. Für die mehreren Wechselrichtereinheiten 112 ist ein einziger Gleichrichter 111 vorgesehen, um die Kosten und den Raumbedarf der Motorantriebsvorrichtung 1000 zu reduzieren.
Es ist vorzuziehen, dass der Glättungskondensator 221 zwischen dem Zeitpunkt, unmittelbar nachdem die Motorantriebsvorrichtung 1000 gestartet wird (d. h. unmittelbar nachdem die Öffnungs-/Schließeinheit 116 geschlossen (eingeschaltet) wird, und bevor das Antreiben des Motors 2 gestartet wird (d. h. bevor der Leistungsumwandlungsbetrieb durch die Wechselrichtereinheit 112 gestartet wird), einem Vorladen unterzogen wird. Ein hoher Einschaltstrom fließt durch den Gleichrichter 111 zwischen einem Zustand, in welchem keine Energie in dem Glättungskondensator 221 akkumuliert ist, und unmittelbar nachdem das Vorladen gestartet wurde. Insbesondere tritt ein umso größerer Einschaltstrom auf, je größer die elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators 221 ist. Als Gegenmaßnahme gegen diesen Einschaltstrom ist die Motorantriebsvorrichtung 1000 gewöhnlich mit einer Vorladeeinheit 113 zwischen dem Gleichrichter 111 und dem Glättungskondensator 221 in der Wechselrichtereinheit 112 versehen. Zum Beispiel sind, wie in 8 dargestellt, wenn mehrere der Wechselrichtereinheiten 112 zueinander parallelgeschaltet sind, die Glättungskondensatoren 221 ebenfalls entsprechend zueinander parallelgeschaltet, doch es ist nur eine einzige Vorladeeinheit 113 zwischen dem Gleichrichter 111 und den Glättungskondensatoren 221 vorgesehen.
Die Vorladeeinheit 113 weist einen Schalter 222 und einen zu dem Schalter 222 parallelgeschalteten Ladewiderstand 223 auf. Der Schalter 222 ist nur während des Vorladezeitraums des Glättungskondensators 221 geöffnet (ausgeschaltet), unmittelbar nachdem die Motorantriebsvorrichtung 1000 gestartet wird, und behält während des Zeitraums des normalen Betriebs, in welchem die Motorantriebsvorrichtung 1000 den Motor 2 antreibt, einen Zustand bei, in welchem er geschlossen (eingeschaltet) ist. Ein Beispiel eines Schalters 222 ist unter anderem ein Thyristor. Genauer, während des Vorladezeitraums, zwischen einem Zeitpunkt, unmittelbar nachdem die Motorantriebsvorrichtung 1000 gestartet wird, und bevor das Antreiben des Motors 2 gestartet wird, bei geöffnetem (ausgeschaltetem) Schalter 222, fließt ein von dem Gleichrichter 111 abgegebener Gleichstrom in dem Glättungskondensator 221 durch den Ladewiderstand 223, und somit wird der Glättungskondensator 221 geladen. Wenn der Glättungskondensator 221 bis zu einer vorbestimmten Spannung aufgeladen ist, wird der Schalter 222 geschlossen (eingeschaltet), und folglich werden die gegenüberliegenden Enden des Ladewiderstandes 223 kurzgeschlossen, und somit ist der Vorladevorgang abgeschlossen. Danach beginnt die Wechselrichtereinheit 112 einen Leistungsumwandlungsvorgang und führt dem Motor 2 Antriebsleistung zu, und der Motor 2 wird basierend auf der Antriebsleistung angetrieben.
Wie oben beschrieben, fließt während des Vorladezeitraums des Glättungskondensators 221, bei geöffnetem (ausgeschaltetem) Schalter 222, die von dem Gleichrichter 111 abgegebene DC-Leistung durch den Ladewiderstand 223 und wird in dem Ladewiderstand 223 als Wärme verbraucht, und somit wird das Auftreten eines übermäßig hohen Einschaltstroms während des Vorladezeitraums verhindert. Der Ladewiderstand 223 weist jedoch eine momentane Belastbarkeit (hier im Weiteren einfach als ”Belastbarkeit” bezeichnet) auf, die als eine Wärmemenge definiert ist, welcher er standhalten kann, bevor er durchgeschmolzen wird, und wenn folglich eine Wärmemenge, die infolge eines durch den Ladewiderstand 223 fließenden Stroms erzeugt wird, die Belastbarkeit überschreitet, wird der Ladewiderstand 223 durchgeschmolzen.
Da der Gleichstrom, welcher während des Vorladezeitraums durch den Ladewiderstand 223 fließt, von der elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators 221 abhängt und die Wärmemenge, die in dem Ladewiderstand 223 erzeugt wird, von dem durch den Ladewiderstand 223 fließenden Gleichstrom abhängt, wird die Belastbarkeit des Ladewiderstandes 223, welcher in der Motorantriebsvorrichtung 1000 vorgesehen werden kann, in Abhängigkeit von einer maximalen elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators 221 bestimmt. Zum Beispiel ist es in einem System, in welchem die elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators 221 groß ist, vorzuziehen, einen Widerstand mit einer großen Bemessungsleistung als den Ladewiderstand 223 zu verwenden. Wie in 8 dargestellt, befinden sich, wenn mehrere der Wechselrichtereinheiten 112 zueinander parallelgeschaltet sind, mehrere der Glättungskondensatoren 221 ebenfalls entsprechend in einer parallelgeschalteten Beziehung zueinander, und folglich wird in einem solchen Fall die Belastbarkeit des Ladewiderstandes 223 in Abhängigkeit von einer kombinierten Kapazität der elektrostatischen Kapazitäten aller Glättungskondensatoren 221 bestimmt. Daher wählt der Konstrukteur, wenn er die Motorantriebsvorrichtung entwirft, gewöhnlich den Ladewiderstand, welcher in der Motorantriebsvorrichtung vorgesehen werden kann, basierend auf der maximalen elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators aus, und unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen der Belastbarkeit des Ladewiderstandes und der maximalen Kapazität des Glättungskondensators, welche unter der Belastbarkeit vorgesehen werden kann.
Sogar in einem Fall, in welchem der Ladewiderstand, welcher in der Motorantriebsvorrichtung vorgesehen werden kann, basierend auf der elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators ausgewählt wird, besteht die Möglichkeit, wenn die für das Vorladen des Glättungskondensators benötigte Zeit aus irgendeinem Grund länger ist, dass der Ladewiderstand durchgeschmolzen wird, da eine infolge eines durch den Ladewiderstand fließenden Stroms erzeugte Wärmemenge die Belastbarkeit überschreitet. Insbesondere wenn die mehreren Wechselrichtereinheiten zueinander parallelgeschaltet sind, sind die mehreren Glättungskondensatoren ebenfalls zueinander parallelgeschaltet, und in einem solchen Fall tritt die Tendenz auf, dass die für das Vorladen der Glättungskondensatoren benötigte Zeit länger ist, und folglich ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der Ladewiderstand durchgeschmolzen wird.
Ferner, wie oben beschrieben, wählt der Konstrukteur, wenn er die Motorantriebsvorrichtung entwirft, den Ladewiderstand, welcher in der Motorantriebsvorrichtung vorgesehen werden kann, basierend auf der maximalen elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators aus. Daher ist es vorzuziehen, wenn die maximale elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators groß ist, wie zum Beispiel wenn mehrere der Wechselrichtereinheiten zueinander parallelgeschaltet sind und mehrere der Glättungskondensatoren ebenfalls zueinander parallelgeschaltet sind, einen Ladewiderstand mit einer hohen Belastbarkeit auszuwählen, woraus sich das Problem ergibt, dass sich die Kosten der Motorantriebsvorrichtung erhöhen und die Motorantriebsvorrichtung große Abmessungen aufweist.
Ferner ist es wahrscheinlich, wenn eine Substitution mit Wechselrichtereinheiten vorgenommen wird, die jeweils einen Glättungskondensator mit einer höheren elektrostatischen Kapazität aufweisen, oder wenn eine zusätzliche Wechselrichtereinheit oder Wechselrichtereinheiten aufgrund einer späteren Wartung oder einer Konstruktionsänderung hinzugefügt werden, dass eine kombinierte Kapazität der elektrostatischen Kapazitäten der mehreren Glättungskondensatoren die maximale Kapazität des Glättungskondensators übersteigt, welche basierend auf der Belastbarkeit des Ladewiderstandes bestimmt wird, welcher bereits in Gebrauch ist. Auch in diesem Falle ist die für das Vorladen der Glättungskondensatoren benötigte Zeit länger, und es besteht die Möglichkeit, dass, da die infolge eines durch den Ladewiderstand fließenden Stroms erzeugte Wärmemenge die Belastbarkeit überschreitet, der Ladewiderstand durchgeschmolzen wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Motorantriebsvorrichtung von geringer Größe bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Vorladeeinheit, die zum Vorladen eines in einem DC-Zwischenkreis vorgesehenen Glättungskondensators verwendet wird, sicher zu schützen.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, weist die Motorantriebsvorrichtung auf: einen Gleichrichter, welcher Wechselstrom gleichrichtet, der von einer Wechselstromversorgungsseite zugeführt wird, und Gleichstrom an einen DC-Zwischenkreis abgibt, welcher eine Gleichstromseite ist; eine Wechselrichtereinheit, welche einen Glättungskondensator auf der DC-Zwischenkreis-Seite aufweist, mit welchem der Gleichrichter verbunden ist, und den Gleichstrom von dem Gleichrichter in einen Ausgangswechselstrom für den Motorantrieb umwandelt; eine Vorladeeinheit, die an dem DC-Zwischenkreis vorgesehen ist und einen Schalter und einen zu dem Schalter parallelgeschalteten Ladewiderstand aufweist, wobei die Vorladeeinheit dafür ausgelegt ist, während eines Vorladezeitraums vor dem Starten des Motorantriebs den Glättungskondensator bis zu einer vorbestimmten Spannung mit dem Gleichstrom von dem Gleichrichter vorzuladen, welcher in Reaktion darauf, dass der Schalter geöffnet wird, durch den Ladewiderstand fließt; eine Speichereinheit, welche einen Widerstandswert des Ladewiderstandes und eine Belastbarkeit, welche als eine Menge an Leistung vordefiniert ist, die ein Durchschmelzen des Ladewiderstandes verursacht, speichert; eine Leistungsberechnungseinheit, welche eine durchschnittliche Menge an Leistung während eines gegebenen Zeitintervalls berechnet, welche in dem Ladewiderstand infolge des Gleichstroms von dem Gleichrichter, der durch ihn fließt, erzeugt wird; und eine Öffnungs-/Schließeinheit, die dafür ausgelegt ist, während des Vorladezeitraums den Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter in dem Glättungskondensator abzuschalten, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nach dem Abschalten zu ermöglichen, dass der Gleichstrom von dem Gleichrichter in dem Glättungskondensator fließt, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, kleiner als ein oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Weiterhin kann die Motorantriebsvorrichtung ferner eine Gleichspannungs-Erkennungseinheit aufweisen, welche einen Gleichspannungswert des DC-Zwischenkreises erkennt, und die Leistungsberechnungseinheit kann dafür ausgelegt sein, die durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand erzeugt wird, basierend auf dem von der Gleichspannungs-Erkennungseinheit erkannten Gleichspannungswert und dem Widerstandswert des Ladewiderstandes zu berechnen.
Weiterhin kann die Motorantriebsvorrichtung ferner eine Gleichstrom-Erkennungseinheit aufweisen, welche einen Gleichstromwert des DC-Zwischenkreises erkennt, und die Leistungsberechnungseinheit kann dafür ausgelegt sein, eine durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand erzeugt wird, basierend auf dem von der Gleichstrom-Erkennungseinheit erkannten Stromwert und dem Widerstandswert des Ladewiderstandes zu berechnen.
Weiterhin kann die Motorantriebsvorrichtung ferner eine Wechselspannungs-Erkennungseinheit aufweisen, welche einen Wechselspannungswert auf einer Wechselstromversorgungsseite des Gleichrichters erkennt, und die Leistungsberechnungseinheit kann dafür ausgelegt sein, eine durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand erzeugt wird, basierend auf dem von der Wechselspannungs-Erkennungseinheit erkannten Wechselspannungswert, dem Widerstandswert des Ladewiderstandes und der elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators zu berechnen.
Die Öffnungs-/Schließeinheit kann an Eingangsenden der Wechselstromversorgungsseite des Gleichrichters vorgesehen sein und kann dafür ausgelegt sein, während des Vorladezeitraums den Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter in dem Glättungskondensator durch Unterbrechen von Strompfaden zwischen der Wechselstromversorgung und dem Gleichrichter abzuschalten, um den Wechselstrom, der von der Wechselstromversorgungsseite dem Gleichrichter zugeführt wird, abzuschalten, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nachdem der Wechselstrom abgeschaltet ist, ein Fließen des Gleichstroms vom Gleichrichter in dem Glättungskondensator durch Schließen der Strompfade zwischen der Wechselstromversorgung und dem Gleichrichter zu ermöglichen, um zu ermöglichen, dass der Wechselstrom von der Wechselstromversorgungsseite dem Gleichrichter zugeführt wird, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, kleiner als ein oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Ferner kann, alternativ dazu, die Öffnungs-/Schließeinheit auf Strompfaden zwischen dem Gleichrichter und der Vorladeeinheit vorgesehen sein und kann dafür ausgelegt sein, während des Vorladezeitraums den Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter in dem Glättungskondensator durch Unterbrechen der Strompfade zwischen dem Gleichrichter und der Vorladeeinheit abzuschalten, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nach dem Abschalten ein Fließen des Gleichstroms vom Gleichrichter in dem Glättungskondensator durch Schließen der Strompfade zwischen dem Gleichrichter und der Vorladeeinheit zu ermöglichen, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Ferner kann, alternativ dazu, die Öffnungs-/Schließeinheit auf Strompfaden zwischen der Vorladeeinheit und der Wechselrichtereinheit vorgesehen sein und kann dafür ausgelegt sein, während des Vorladezeitraums den Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter in dem Glättungskondensator durch Unterbrechen der Strompfade zwischen der Vorladeeinheit und der Wechselrichtereinheit abzuschalten, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nach dem Abschalten ein Fließen des Gleichstroms vom Gleichrichter in dem Glättungskondensator durch Schließen der Strompfade zwischen der Vorladeeinheit und der Wechselrichtereinheit zu ermöglichen, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit berechnet wird, kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Die Öffnungs-/Schließeinheit kann irgendeines von einem elektromagnetischen Schaltschütz, einem Relais und einem Halbleiterschaltelement aufweisen, um die Strompfade zu schließen oder zu unterbrechen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 ein Prinzipschaltbild der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
2A eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Funktionsweise einer Öffnungs-/Schließeinheit in der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ist, wobei ein Ein-/Aus-Zustand eines Schalters dargestellt ist;
2B eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Funktionsweise der Öffnungs-/Schließeinheit in der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist, wobei eine von einer Leistungsberechnungseinheit berechnete durchschnittliche Menge an Leistung dargestellt ist;
2C eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Funktionsweise der Öffnungs-/Schließeinheit in der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist, wobei ein Gleichspannungswert eines DC-Zwischenkreises, der von einer Gleichspannungs-Erkennungseinheit erkannt wird, dargestellt ist;
3 eine Ansicht ist, die ein Beispiel der Gleichspannungs-Erkennungseinheit in der ersten Ausführungsform veranschaulicht;
4 ein Prinzipschaltbild der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform ist;
5 ein Prinzipschaltbild der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform ist;
6 ein Prinzipschaltbild einer ersten Modifikation der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist;
7 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Modifikation der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist;
8 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration einer allgemeinen Motorantriebsvorrichtung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird eine Motorantriebsvorrichtung, die eine Vorladeeinheit aufweist, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Zeichnungen oder die folgende Ausführungsform beschränkt ist.
1 ist eine Ansicht, die einen Aufbau der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. Eine Wechselstromversorgung 3 ist mit einer kommerziellen Dreiphasen-Wechselstrom-Eingangsseite der Motorantriebsvorrichtung 1 verbunden, und Dreiphasen-Wechselstrommotoren 2 sind mit einer Wechselstrommotorseite der Motorantriebsvorrichtung 1 verbunden. Obwohl die Beschreibung hier für die Motorantriebsvorrichtung 1 gegeben wird, welche die drei Motoren 2 antreibt und steuert, stellt die Anzahl der Motoren 2, welche von der Motorantriebsvorrichtung 1 angetrieben und gesteuert werden, keine spezielle Einschränkung für die vorliegende Erfindung dar, und es kann sich um einen oder mehrere Motoren handeln. Ferner stellt, obwohl bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sowohl die Wechselstromversorgung 3 als auch die Wechselstrommotoren 2, welche mit der Motorantriebsvorrichtung 1 verbunden sind, als dreiphasig angenommen werden, die Anzahl der Phasen keine spezielle Einschränkung für die vorliegende Erfindung dar, und es kann sich zum Beispiel um eine einzige Phase handeln. Ferner stellt der Typ des Motors 2, der von der Motorantriebsvorrichtung 1 anzutreiben ist, ebenfalls keine spezielle Einschränkung für die vorliegende Erfindung dar, und es kann sich zum Beispiel entweder um einen Induktionsmotor oder um einen Synchronmotor handeln.
Wie in 1 dargestellt, weist die Motorantriebsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform auf: einen Gleichrichter 11; Wechselrichtereinheiten 12, die jeweils einen Glättungskondensator 21 aufweisen; eine Vorladeeinheit 13, die einen Schalter 22 und einen Ladewiderstand 23 aufweist; eine Speichereinheit 14, eine Leistungsberechnungseinheit 15; eine Öffnungs-/Schließeinheit 16; und eine Gleichspannungs-Erkennungseinheit 17.
Der Gleichrichter 11 richtet Wechselstrom gleich, der von der Wechselstromversorgungsseite 3 zugeführt wird, und gibt Gleichstrom an den DC-Zwischenkreis aus, welcher sich auf der Gleichstromseite befindet. Bei der vorliegenden Erfindung unterliegt die Ausführungsform des zu verwendenden Gleichrichters 11 keinen speziellen Einschränkungen; es kann sich jedoch zum Beispiel um einen Diodengleichrichter oder einen Gleichrichter vom PWM-Steuerungstyp, der innen mit einem Halbleiterschaltelement versehen ist, handeln. Der Gleichrichter 11 ist, wenn es sich um einen Gleichrichter vom PWM-Steuerungstyp handelt, aus einer Brückenschaltung eines Halbleiterschaltelements und einer in Gegenparallelschaltung zu dem Halbleiterschaltelement angeordneten Diode aufgebaut. In einem solchen Fall sind Beispiele für das Halbleiterschaltelement unter anderem ein IGBT, ein Thyristor, ein GTO-Thyristor (Gate Turn-Off Thyristor), ein Transistor oder Ähnliches, wobei die vorliegende Erfindung jedoch keinen Einschränkungen hinsichtlich des Typs des Halbleiterschaltelements unterliegt, sondern auch ein beliebiger anderer Typ von Halbleiterschaltelementen verwendet werden kann.
Die Wechselrichtereinheit 12 wandelt einen Gleichstrom vom Gleichrichter 11 um und gibt einen Wechselstrom für den Motorantrieb aus. Die Wechselrichtereinheit 12 ist aus einer Brückenschaltung eines Schaltelements und einer in Gegenparallelschaltung zu dem Schaltelement angeordneten Diode aufgebaut, wie zum Beispiel ein PWM-Wechselrichter. Beispiele für das Schaltelement unter anderem ein IGBT, ein Thyristor, ein GTO-Thyristor (Gate Turn-Off Thyristor), ein Transistor oder Ähnliches, wobei die vorliegende Erfindung jedoch keinen Einschränkungen hinsichtlich des Typs des Halbleiterschaltelements unterliegt, sondern auch ein beliebiger anderer Typ von Halbleiterschaltelementen verwendet werden kann. Die Wechselrichtereinheit 12 wandelt DC-Leistung, die von der DC-Zwischenkreis-Seite geliefert wird, in Dreiphasen-AC-Leistung mit einer gewünschten Spannung und einer gewünschten Frequenz um, um zu bewirken, dass das innere Schaltelement einen Schaltvorgang basierend auf einem Motorantriebsbefehl ausführt, der von einer oberen Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) empfangen wird und den Motor 2 antreibt. Der Motor 2 arbeitet basierend auf der zugeführten Dreiphasen-AC-Leistung, die eine variable Spannung und eine variable Frequenz aufweist. Ferner wird während einer Verzögerung des Motors 2 regenerative Leistung erzeugt, und die am Motor 2 erzeugte regenerative AC-Leistung wird basierend auf einem Motorantriebsbefehl, der von der oberen Steuerungsvorrichtung empfangen wird, in DC-Leistung umgewandelt und zu dem DC-Zwischenkreis zurückgeführt. Die Wechselrichtereinheit 12 weist den Glättungskondensator 21 auf der DC-Zwischenkreis-Seite auf, mit welchem der Gleichrichter 11 verbunden ist.
Die Vorladeeinheit 13 ist an dem DC-Zwischenkreis vorgesehen, welcher die DC-Ausgangsseite des Gleichrichters 11 mit der DC-Eingangsseite der Wechselrichtereinheit 12 verbindet und einen Schalter 22 sowie einen zu dem Schalter 22 parallelgeschalteten Ladewiderstand 23 aufweist. Während des Vorladezeitraums vor der Initiierung des Motorantriebs lädt die Vorladeeinheit 13 den Glättungskondensator 21 bis zu einer vorbestimmten Spannung mit einem Gleichstrom vom Gleichrichter 11 vor, dessen Fließen durch den Ladewiderstand 23 dadurch bewirkt wird, dass der Schalter 22 geöffnet ist. Genauer, der Schalter 22 ist nur während des Vorladezeitraums des Glättungskondensators 21 nachdem die Motorantriebsvorrichtung 1 gestartet wird, geöffnet (ausgeschaltet), und er wird während des Zeitraums des normalen Betriebs, in welchem die Motorantriebsvorrichtung 1 den Motor 2 antreibt, in einem geschlossenen (eingeschalteten) Zustand gehalten. Ein Beispiel für den Schalter 22 ist beispielsweise ein Thyristor. Genauer, während des Vorladezeitraums, zwischen dem Zeitpunkt, nachdem die Motorantriebsvorrichtung 1 gestartet wird, und bevor sie beginnt, den Motor 2 anzutreiben, ist der Schalter 22 geöffnet (ausgeschaltet), und daher fließt der von dem Gleichrichter 11 abgegebene Gleichstrom in dem Glättungskondensator 21 durch den Ladewiderstand 23, und auf diese Weise wird der Glättungskondensator 21 geladen. Wenn der Glättungskondensator 21 bis zu einer vorbestimmten Spannung aufgeladen ist, wird der Schalter 22 geschlossen (eingeschaltet), und folglich werden die gegenüberliegenden Enden des Ladewiderstandes 23 kurzgeschlossen, und somit ist der Vorladevorgang abgeschlossen. Anschließend beginnt die Wechselrichtereinheit 12 einen Leistungsumwandlungsvorgang und führt dem Motor 2 Antriebsleistung zu, und der Motor 2 wird basierend auf der Antriebsleistung angetrieben.
Die Speichereinheit 14 speichert eine vorbestimmte Belastbarkeit als eine Wärmemenge (Menge an Leistung), welche bewirkt, dass der Ladewiderstand 23 durchgeschmolzen wird. Die Belastbarkeit ist als die Wärmemenge (Menge an Leistung) definiert, welcher der Ladewiderstand 23 standhalten kann, bevor er durchgeschmolzen wird; wenn die Wärmemenge, die infolge eines durch den Widerstand 23 fließenden Stroms erzeugt wird, die Belastbarkeit überschreitet, wird der Widerstand 23 durchgeschmolzen. Ferner speichert die Speichereinheit 14 den Widerstandswert des Ladewiderstandes 23.
Die Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet eine durchschnittliche Menge an Leistung während eines gegebenen Zeitintervalls, welche an dem Ladewiderstand 23 infolge eines Gleichstroms von dem Gleichrichter 11, der durch ihn fließt, erzeugt wird. Die durchschnittliche Menge an Leistung wird zum Beispiel basierend auf einem einfachen gleitenden Mittelwert (Simple Moving Average, SMA) berechnet. Ein spezielles Beispiel des Prozesses der Berechnung der durchschnittlichen Menge an Leistung durch die Leistungsberechnungseinheit 15 wird weiter unten beschrieben.
Die Öffnungs-/Schließeinheit 16 schaltet während des Vorladezeitraums den Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter 11 in dem Glättungskondensator 21 ab, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, die in der Speichereinheit 14 gespeicherte Belastbarkeit erreicht, und ermöglicht nach dem Abschalten, dass der Gleichstrom von dem Gleichrichter 11 in dem Glättungskondensator 21 fließt, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, kleiner als ein oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist. Bei der ersten Ausführungsform ist, wie in 1 dargestellt, die Öffnungs-/Schließeinheit 16 an Eingangsenden der Wechselstromversorgungsseite 3 des Gleichrichters 11 vorgesehen, und ihr Schalter ist zum Beispiel dafür ausgelegt, zwei Phasen der dreiphasigen Strompfade abzuschalten.
Eine Schaltersteuereinheit 24 in der Öffnungs-/Schließeinheit 16 dient dazu zu bestimmen, ob die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wurde, die in der Speichereinheit 14 gespeicherte Belastbarkeit erreicht hat oder kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist. Die Schaltersteuereinheit 24 schließt oder unterbricht in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Bestimmung die Strompfade. Die Öffnungs-/Schließeinheit 16 weist irgendeines von einem elektromagnetischen Schaltschütz, einem Relais und einem Halbleiterschaltelement auf, um die Strompfade zu schließen oder zu unterbrechen.
Während des Vorladezeitraums unterbricht die Öffnungs-/Schließeinheit 16 die Strompfade zwischen der Wechselstromversorgung 3 und dem Gleichrichter 11 und schaltet den Wechselstrom ab, der von der Wechselstromversorgungsseite 3 dem Gleichrichter 11 zugeführt wird, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, die in der Speichereinheit 14 gespeicherte Belastbarkeit erreicht. Auf diese Weise kann kein Wechselstrom in dem Gleichrichter 11 fließen, und daher wird kein Gleichrichtvorgang ausgeführt, und daraus folgt dann, dass kein Gleichstrom vom Gleichrichter 11 in den Glättungskondensator 21 fließt. Ferner schließt nach dem Abschalten, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist, die Öffnungs-/Schließeinheit 16 die Strompfade zwischen der Wechselstromversorgung 3 und dem Gleichrichter 11 und ermöglicht, dass der Wechselstrom von der Wechselstromversorgungsseite 3 dem Gleichrichter 11 zugeführt wird. Auf diese Weise wird durch den Gleichrichtvorgang des Gleichrichters 11 ein Gleichstrom abgegeben, und es wird ermöglicht, dass dieser vom Gleichrichter 11 in den Glättungskondensator 21 fließt, und somit wird im Ergebnis der Glättungskondensator 21 geladen.
2A ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Funktionsweise der Öffnungs-/Schließeinheit in der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wobei ein Ein-/Aus-Zustand eines Schalters dargestellt ist. 2B ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Funktionsweise der Öffnungs-/Schließeinheit in der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wobei die von der Leistungsberechnungseinheit berechnete durchschnittliche Menge an Leistung dargestellt ist. 2C ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Funktionsweise der Öffnungs-/Schließeinheit in der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wobei der Gleichspannungswert des DC-Zwischenkreises, der von der Gleichspannungs-Erkennungseinheit erkannt wird, dargestellt ist. Zum Beispiel wird zu einem Zeitpunkt 0, welcher der Anfangszeitpunkt des Vorladens ist, der Schalter der Öffnungs-/Schließeinheit 16 eingeschaltet, und somit werden die Strompfade zwischen der Wechselstromversorgung 3 und dem Gleichrichter 11 geschlossen, und durch den Gleichrichtvorgang des Gleichrichters 11 wird ein Gleichstrom abgegeben, und es wird ermöglicht, dass der Gleichstrom vom Gleichrichter 11 in den Glättungskondensator 21 fließt; somit wird der Glättungskondensator 21 geladen. Demzufolge wird der Gleichspannungswert des DC-Zwischenkreises erhöht. Zu einem Zeitpunkt t₁, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, die in der Speichereinheit 14 gespeicherte Belastbarkeit überschreitet, wird der Schalter der Öffnungs-/Schließeinheit 16, gesteuert von der Schaltersteuereinheit 24, ausgeschaltet, und somit werden die Strompfade zwischen der Wechselstromversorgung 3 und dem Gleichrichter 11 unterbrochen. Daraus folgt dann, dass kein Wechselstrom in den Gleichrichter 11 fließt, und daher wird kein Gleichrichtvorgang ausgeführt, und somit fließt kein Gleichstrom durch den Ladewiderstand 23. Nach dem Ausschalten, zu einem Zeitpunkt t₂, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, unter den vorbestimmten Schwellenwert absinkt, wird der Schalter der Öffnungs-/Schließeinheit 16, gesteuert von der Schaltersteuereinheit 24, eingeschaltet, und somit werden die Strompfade zwischen der Wechselstromversorgung 3 und dem Gleichrichter 11 geschlossen. Demzufolge wird das Fließen von Wechselstrom in den Gleichrichter 11 ermöglicht, durch den Gleichrichtvorgang des Gleichrichters 11 wird Gleichstrom abgegeben, und es wird ermöglicht, dass der Gleichstrom vom Gleichrichter 11 in den Glättungskondensator 21 fließt; somit wird der Glättungskondensator 21 geladen.
Obwohl bei der ersten Ausführungsform die Öffnungs-/Schließeinheit 16 an den Eingangsanschlüssen der Wechselstromversorgungsseite 3 des Gleichrichters 11 vorgesehen ist, ist es als eine Modifikation möglich, dass die Öffnungs-/Schließeinheit 16 auf den Strompfaden zwischen dem Gleichrichter 11 und der Vorladeeinheit 13 vorgesehen sein kann, oder, alternativ dazu, auf den Strompfaden zwischen der Vorladeeinheit 13 und den Wechselrichtereinheiten 12. Dies wird nachfolgend beschrieben.
Die Gleichspannungs-Erkennungseinheit 17 erkennt den Gleichspannungswert des DC-Zwischenkreises (d. h. den Wert der Spannung, die am Glättungskondensator 21 anliegt). 3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Gleichspannungs-Erkennungseinheit in der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Als Gleichspannungs-Erkennungseinheit wird zum Beispiel ein Isolationsverstärker 17-1 verwendet. Anders ausgedrückt, die Spannung des DC-Zwischenkreises wird durch Widerstände aufgeteilt, und die aufgeteilte Spannung wird an den Isolationsverstärker 17-1 angelegt. Auf diese Weise wird der Gleichspannungswert des DC-Zwischenkreises aus einem Ausgangssignal des Isolationsverstärkers 17-1 erkannt.
Nachfolgend wird der Prozess der Berechnung der durchschnittlichen Menge an Leistung durch die Leistungsberechnungseinheit 15 bei der ersten Ausführungsform beschrieben. Bei der ersten Ausführungsform wird die durchschnittliche Menge an Leistung während eines gegebenen Zeitraums, welche in dem Ladewiderstand 23 erzeugt wird, basierend auf dem von der Gleichspannungs-Erkennungseinheit 17 erkannten Gleichspannungswert und dem in der Speichereinheit 14 gespeicherten Widerstandswert des Ladewiderstandes 23 berechnet.
Wenn angenommen wird, dass die elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators 21 C ist, die in dem Glättungskondensator 21 akkumulierte Ladungsmenge Q ist, der zu einem Zeitpunkt t von der Gleichspannungs-Erkennungseinheit 17 erkannte Gleichspannungswert V_dc(t) ist und der zum Zeitpunkt t durch den Glättungskondensator 21 fließende Strom i(t) ist, kann der Strom i(t), welcher während einer infinitesimalen Zeit, welche das Zeitintervall vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ ist, durch den Glättungskondensator 21 fließt, durch die folgende Gleichung (1) dargestellt werden:
Da der Glättungskondensator 21 und der Ladewiderstand 23 zueinander in Reihe geschaltet sind, ist der durch den Ladewiderstand 23 fließende Strom gleich dem durch den Glättungskondensator 21 fließenden Strom i(t), welcher durch die Gleichung (1) gegeben ist. Daher kann die durchschnittliche Menge an Leistung P, welche in dem Ladewiderstand 23 während des Zeitintervalls von einem Zeitpunkt T₁ bis zu einem Zeitpunkt T₂ erzeugt wird, durch die folgende Gleichung (2) dargestellt werden:
Die Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet, basierend auf dem von der Gleichspannungs-Erkennungseinheit 17 erkannten Gleichspannungswert V_dc und dem Widerstandswert R des Ladewiderstandes 23, die durchschnittliche Menge an Leistung P, welche in dem Ladewiderstand 23 erzeugt wird, unter Verwendung der Gleichung (2).
Nachfolgend wird eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform gegeben. Bei der zweiten Ausführungsform wird die durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand erzeugt wird, basierend auf dem von einer Gleichstrom-Erkennungseinheit erkannten Gleichstromwert des DC-Zwischenkreises und dem Widerstandswert des Ladewiderstandes berechnet.
4 ist eine Ansicht, die den Aufbau der Motorantriebsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Bei der zweiten Ausführungsform weist die Motorantriebsvorrichtung 1 ferner die Gleichstrom-Erkennungseinheit 18 auf, welche den Gleichstromwert des DC-Zwischenkreises erkennt. Die Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet, basierend auf dem von der Gleichstrom-Erkennungseinheit 18 erkannten Gleichstromwert und dem in der Speichereinheit 14 gespeicherten Widerstandswert des Ladewiderstandes 23, durchschnittliche Menge an Leistung während eines gegebenen Zeitintervalls, die in dem Ladewiderstand 23 erzeugt wird.
Wenn angenommen wird, dass der von der Gleichstrom-Erkennungseinheit 18 zu einem Zeitpunkt t erkannte Gleichstromwert i(t) ist und der in der Speichereinheit 14 gespeicherte Widerstandswert des Ladewiderstandes 23 R ist, kann die durchschnittliche Menge an Leistung P, die in dem Ladewiderstand 23 während des Zeitintervalls vom Zeitpunkt T₁ bis zum Zeitpunkt T₂ erzeugt wird, durch die folgende Gleichung (3) dargestellt werden:
Die Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet, basierend auf einem von der Gleichstrom-Erkennungseinheit 18 erkannten Gleichspannungswert I und einem Widerstandswert R des Ladewiderstandes 23, eine durchschnittliche Menge an Leistung P, die in dem Ladewiderstand 23 erzeugt wird, gemäß der Gleichung (3).
Die Gleichstrom-Erkennungseinheit 18 kann zum Beispiel als ein Hall-Element ausgeführt sein. Mit dem Hall-Element ist es möglich, einen Gleichstrom an einer Position zu erkennen, wo es sich befindet. Alternativ dazu kann die Gleichstrom-Erkennungseinheit 18 derart ausgebildet sein, dass ein Gleichstromwert berechnet wird, indem ein Gleichspannungswert über dem Ladewiderstand 23 von einer Gleichspannungs-Erkennungseinheit (nicht dargestellt) erkannt wird und der erkannte Gleichspannungswert durch den gespeicherten Widerstandswert des Ladewiderstandes 23 dividiert wird. Da bei der zweiten Ausführungsform die Schaltungskomponenten, die außer den oben beschriebenen vorhanden sind, den in 1 dargestellten Schaltungskomponenten ähnlich sind, wurden die gleichen Schaltungskomponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine detaillierte Beschreibung solcher Schaltungskomponenten wurde verzichtet.
Nachfolgend wird eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform gegeben. Bei der dritten Ausführungsform wird die durchschnittliche Menge an Leistung während eines gegebenen Zeitintervalls, die in dem Ladewiderstand erzeugt wird, basierend auf dem Wechselspannungswert auf der Wechselstromversorgungsseite des Gleichrichters, dem Widerstandswert des Ladewiderstandes und der elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators berechnet.
5 ist eine Ansicht, die einen Aufbau der Motorantriebsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht. Bei der dritten Ausführungsform weist die Motorantriebsvorrichtung 1 ferner eine Wechselspannungs-Erkennungseinheit 19 auf, welche einen Wechselspannungswert auf der Wechselstromversorgungsseite 3 des Gleichrichters 11 erkennt. Die Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet die durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand 23 erzeugt wird, basierend auf dem von der Wechselspannungs-Erkennungseinheit 19 erkannten Wechselspannungswert, dem in der Speichereinheit 14 gespeicherten Widerstandswert des Ladewiderstandes 23 und der elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators 21.
Wenn angenommen wird, dass der von der Wechselspannungs-Erkennungseinheit 19 zu einem Zeitpunkt t erkannte Wechselspannungswert (Leitungsspannung) v(t) ist, ein Effektivwert der Leitungsspannung V ist, der in der Speichereinheit 14 gespeicherte Widerstandswert des Ladewiderstandes 23 R ist und die elektrostatische Kapazität des Glättungskondensators 21C ist, kann die Spannung v(t), die an den Ladewiderstand 23 zum Zeitpunkt t angelegt wird, durch die folgende Gleichung (4) dargestellt werden: v(t) = √2Vexp(– t / CR) (4)
Daher kann die durchschnittliche Menge an Leistung P, die in dem Ladewiderstand 23 zum Zeitpunkt t erzeugt wird, durch die folgende Gleichung (5) dargestellt werden:
Die Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet, basierend auf dem von der Wechselspannungs-Erkennungseinheit 19 erkannten Wechselspannungswert v, dem Widerstandswert R des Ladewiderstandes 23 und der elektrostatischen Kapazität C des Glättungskondensators 21, die durchschnittliche Menge an Leistung P, die in dem Ladewiderstand 23 erzeugt wird, gemäß der Gleichung (5). Da bei der dritten Ausführungsform die Schaltungskomponenten, die außer den oben beschriebenen vorhanden sind, den in 1 dargestellten Schaltungskomponenten ähnlich sind, wurden die gleichen Schaltungskomponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine detaillierte Beschreibung solcher Schaltungskomponenten wurde verzichtet.
Während bei der ersten bis dritten Ausführungsform, die oben beschrieben wurden, die Öffnungs-/Schließeinheit 16 an den Eingangsanschlüssen der Wechselstromversorgung 3 des Gleichrichters 11 vorgesehen ist, wie in 1, 4 und 5 dargestellt, ist es als eine Modifikation möglich, dass die Öffnungs-/Schließeinheit 16 auf den Strompfaden zwischen dem Gleichrichter 11 und der Vorladeeinheit 13 vorgesehen sein kann, oder, alternativ dazu, auf den Strompfaden zwischen der Vorladeeinheit 13 und der Wechselrichtereinheit 12. Dies wird nun beschrieben, wobei wieder die erste Ausführungsform als Beispiel betrachtet wird.
6 ist ein Prinzipschaltbild einer ersten Modifikation der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Wenn die Öffnungs-/Schließeinheit 16 auf den Strompfaden zwischen dem Gleichrichter 11 und der Vorladeeinheit 13 vorgesehen ist, wie in 6 dargestellt, schaltet die Öffnungs-/Schließeinheit 16 den Stromfluss eines Gleichstroms von dem Gleichrichter 11 in dem Glättungskondensator 21 durch Unterbrechen der Strompfade zwischen dem Gleichrichter 11 und der Vorladeeinheit 13 ab, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, während des Vorladezeitraums die Belastbarkeit erreicht. Nach dem Abschalten ermöglicht die Öffnungs-/Schließeinheit 16, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, kleiner als ein oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, ein Fließen des Gleichstroms vom Gleichrichter 11 in dem Glättungskondensator 21 durch Schließen der Strompfade zwischen dem Gleichrichter 11 und der Vorladeeinheit 13.
7 ist ein Prinzipschaltbild einer zweiten Modifikation der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. In dem Fall, wenn die Öffnungs-/Schließeinheit 16 auf den Strompfaden zwischen der Vorladeeinheit 13 und der Wechselrichtereinheit 12 vorgesehen ist, wie in 7 dargestellt, schaltet die Öffnungs-/Schließeinheit 16 den Stromfluss eines Gleichstroms von dem Gleichrichter 11 in dem Glättungskondensator 21 durch Unterbrechen der Strompfade zwischen der Vorladeeinheit 13 und der Wechselrichtereinheit 12 ab, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, während des Vorladezeitraums die Belastbarkeit erreicht. Nach dem Abschalten ermöglicht die Öffnungs-/Schließeinheit 16, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit 15 berechnet wird, kleiner als ein oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, ein Fließen des Gleichstroms vom Gleichrichter 11 in dem Glättungskondensator 21 durch Schließen der Strompfade zwischen der Vorladeeinheit 13 und der Wechselrichtereinheit 12.
Obwohl die Modifikation des Einbauortes der Öffnungs-/Schließeinheit 16 beschrieben wurde, indem die erste Ausführungsform als ein Beispiel betrachtet und auf 6 und 7 Bezug genommen wurde, sind die zweite und dritte Ausführungsform ebenso anwendbar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine kostengünstige Motorantriebsvorrichtung von geringer Größe zu realisieren, die in der Lage ist, eine Vorladeeinheit, welche zum Vorladen des in dem DC-Zwischenkreis vorgesehenen Glättungskondensators verwendet wird, sicher zu schützen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 06-311639 [0003]

Claims

Motorantriebsvorrichtung (1), welche umfasst: einen Gleichrichter (11), welcher einen Wechselstrom gleichrichtet, der von einer Wechselstromversorgungsseite (3) zugeführt wird, und einen Gleichstrom an einen DC-Zwischenkreis abgibt, welcher eine Gleichstromseite ist; eine Wechselrichtereinheit (12), welche einen Glättungskondensator (21) auf der DC-Zwischenkreis-Seite aufweist, mit welchem der Gleichrichter (11) verbunden ist, und einen Gleichstrom von dem Gleichrichter (11) umwandelt und einen Wechselstrom für den Motorantrieb abgibt; eine Vorladeeinheit (13), die in dem DC-Zwischenkreis vorgesehen ist und einen Schalter (22) und einen zu dem Schalter (22) parallelgeschalteten Ladewiderstand (23) aufweist, wobei während eines Vorladezeitraums, bevor der Motorantrieb gestartet wird, die Vorladeeinheit (13) den Glättungskondensator (21) bis zu einer vorbestimmten Spannung mit dem Gleichstrom von dem Gleichrichter (11) vorlädt, welcher in Reaktion darauf, dass der Schalter (22) geöffnet wird, durch den Ladewiderstand (23) fließt; eine Speichereinheit (14), welche einen Widerstandswert des Ladewiderstandes (23) und eine Belastbarkeit, welche als eine Menge an Leistung vordefiniert ist, die ein Durchschmelzen des Ladewiderstandes (23) verursacht, speichert; eine Leistungsberechnungseinheit (15), welche eine durchschnittliche Menge an Leistung während eines gegebenen Zeitintervalls berechnet, welche in dem Ladewiderstand (23) in Reaktion auf einen von dem Gleichrichter (11) kommenden Gleichstrom erzeugt wird; und eine Öffnungs-/Schließeinheit (16), die dafür ausgelegt ist, während des Vorladezeitraums den Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter (11) in dem Glättungskondensator (21) abzuschalten, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nach dem Abschalten zu ermöglichen, dass der Gleichstrom von dem Gleichrichter (11) in dem Glättungskondensator (21) fließt, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Motorantriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Motorantriebsvorrichtung (1) ferner eine Gleichspannungs-Erkennungseinheit (17) umfasst, welche einen Gleichspannungswert des DC-Zwischenkreises erkennt, und die Leistungsberechnungseinheit (15) eine durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand (23) erzeugt wird, basierend auf dem von der Gleichspannungs-Erkennungseinheit (17) erkannten Gleichspannungswert und einem Widerstandswert des Ladewiderstandes (23) berechnet.
Motorantriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Motorantriebsvorrichtung (1) ferner eine Gleichstrom-Erkennungseinheit (18) umfasst, welche einen Gleichstromwert des DC-Zwischenkreises erkennt, und die Leistungsberechnungseinheit (15) eine durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand (23) erzeugt wird, basierend auf dem von der Gleichstrom-Erkennungseinheit (18) erkannten Gleichstromwert und einem Widerstandswert des Ladewiderstandes (23) berechnet.
Motorantriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Motorantriebsvorrichtung (1) ferner eine Wechselspannungs-Erkennungseinheit (19) aufweist, welche einen Wechselspannungswert auf einer Wechselstromversorgungsseite (3) des Gleichrichters (11) erkennt; und die Leistungsberechnungseinheit (15) eine durchschnittliche Menge an Leistung, die in dem Ladewiderstand (23) erzeugt wird, basierend auf dem von der Wechselspannungs-Erkennungseinheit (19) erkannten Wechselspannungswert, einem Widerstandswert des Ladewiderstandes (23) und einer elektrostatischen Kapazität des Glättungskondensators (21) berechnet.
Motorantriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Öffnungs-/Schließeinheit (16) an Eingangsenden der Wechselstromversorgungsseite (3) des Gleichrichters (11) vorgesehen ist; und während des Vorladezeitraums der Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter (11) in dem Glättungskondensator (21) durch Unterbrechen von Strompfaden zwischen der Wechselstromversorgung (3) und dem Gleichrichter (11) abgeschaltet wird, um den Wechselstrom, der von der Wechselstromversorgungsseite (3) dem Gleichrichter (11) zugeführt wird, abzuschalten, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nachdem der Gleichstrom abgeschaltet ist, dem Gleichrichter (11) ermöglicht wird, einen Stromfluss in dem Glättungskondensator (21) zu bewirken, indem die Strompfade zwischen der Wechselstromversorgung (3) und dem Gleichrichter (11) geschlossen werden, um zu ermöglichen, dass der Wechselstrom von der Wechselstromversorgungsseite (3) dem Gleichrichter (11) zugeführt wird, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Motorantriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Öffnungs-/Schließeinheit (16) auf Strompfaden zwischen dem Gleichrichter (11) und der Vorladeeinheit (13) vorgesehen ist; und während des Vorladezeitraums der Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter (11) in dem Glättungskondensator (21) durch Unterbrechen von Strompfaden zwischen dem Gleichrichter (11) und der Vorladeeinheit (13) abgeschaltet wird, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nachdem der Gleichstrom abgeschaltet ist, dem Gleichrichter (11) ermöglicht wird, einen Stromfluss in dem Glättungskondensator (21) zu bewirken, indem die Strompfade zwischen dem Gleichrichter (11) und der Vorladeeinheit (13) geschlossen werden, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Motorantriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Öffnungs-/Schließeinheit (16) auf Strompfaden zwischen der Vorladeeinheit (13) und der Wechselrichtereinheit (12) vorgesehen ist; und während des Vorladezeitraums der Stromfluss des Gleichstroms von dem Gleichrichter (11) in dem Glättungskondensator (21) durch Unterbrechen von Strompfaden zwischen der Vorladeeinheit (13) und der Wechselrichtereinheit (12) abgeschaltet wird, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, die Belastbarkeit erreicht, und nachdem der Gleichstrom abgeschaltet ist, dem Gleichrichter (11) ermöglicht wird, einen Stromfluss in dem Glättungskondensator (21) zu bewirken, indem die Strompfade zwischen der Vorladeeinheit (13) und der Wechselrichtereinheit (12) geschlossen werden, wenn die durchschnittliche Menge an Leistung, die von der Leistungsberechnungseinheit (15) berechnet wird, kleiner als der oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist.
Motorantriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Öffnungs-/Schließeinheit (16) irgendeines von einem elektromagnetischen Schaltschütz, einem Relais und einem Halbleiterschaltelement aufweist, um die Strompfade zu schließen oder zu unterbrechen.