DE112007003741T5

DE112007003741T5 - Steuergerät eines Leistungswandlers

Info

Publication number: DE112007003741T5
Application number: DE112007003741T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Furutani; Akira Satake; Jun Sawaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2011-03-17
Also published as: TWI366975B; TW200929832A; WO2009084097A1; CN101911464B; US20100271853A1; CN101911464A; US8750009B2; JP5220031B2; JPWO2009084097A1

Abstract

Steuergerät eines Leistungswandlers, das auf einen Leistungswandler mit einem Wechselrichter angewendet wird, der über eine Vielzahl von Halbleiterschaltelementen verfügt und die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation steuert, wobei das Steuergerät umfasst:
einen Spannungsbefehlssignalgenerator, der ein Spannungsbefehlssignal generiert; und
ein Schaltmusterberechnungsglied, das ein Schaltmuster berechnet, um die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters auf Grundlage des Spannungsbefehlssignals zu steuern, und
das Schaltmusterberechnungsglied ein Schaltmuster eines synchronen PWM-Systems berechnet und ein Schaltmuster ausgibt, in dem ein Mittelwert (ein Ausgangsspannungsmittelwert) von aus dem Wechselrichter ausgegebenen Ausgangsspannungen dem Spannungsbefehlssignal entspricht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät eines Leistungswandlers, der über mehrere Halbleiterschaltelemente verfügt, und insbesondere auf eine synchrone Pulsweitenmodulationssteuerung (Pulsweitenmodulation im Nachstehenden als ”PWM” bezeichnet), die einen Spannungsbefehl, der an einen unter Verwendung einer PWM gesteuerten PWM-Wechselrichter ausgegeben wird, mit einem Schaltmuster synchronisiert.
STAND DER TECHNIK
In einer synchronen PWM-Steuerung wird ein Schaltmuster zur Steuerung eines PWM-Wechselrichters berechnet. Als repräsentative Systeme, die ein Schaltmuster berechnen, kann ein System, das eine Trägerwelle wie etwa eine Dreieckwelle mit einem Phasenwinkel eines Spannungsbefehls synchronisiert (im Nachstehenden ”Trägerwellenvergleichssystem”), und ein System beispielhaft angeführt werden, das sich direkt auf eine Phase eines Spannungsbefehls bezieht (im Nachstehenden ”Phasenreferenzsystem”). In diesen Systemen kann das Trägerwellenvergleichssystem eine Auslegung eines Steuersystems vereinfachen und ist hervorragend in der Empfindlichkeit des Ansprechens auf einen Spannungsbefehl, wohingegen das Phasenreferenzsystem eine höhere Oberschwingungskomponente wirksam unterdrücken kann, die in einer Wechselrichterausgangsspannung enthalten ist. Herkömmlicher Weise gibt es viele schriftliche technische Abhandlungen über das Trägerwellenvergleichssystem. Die Nichtpatentliteratur-Dokumente 1 und 2 und die Patentschrift 1, die nachstehend erwähnt sind, sind repräsentative schriftliche Abhandlungen über das Phasenreferenzsystem.
Wenn eine synchrone PWM-Steuerung durchgeführt wird, kann in vielen Fällen eine ungefähre Form eines Schaltmusters erkannt werden. Dies bedeutet, dass bei der synchronen PWM-Steuerung die Form einer Wechselrichterausgangsspannung vorab erkannt werden kann. Deshalb kann bei der synchronen PWM-Steuerung eine Schaltphase vorab ermittelt werden, um in der Lage zu sein, gewünschte Kennlinien einer Wechselrichterausgangsspannungswellenform in einem Zyklus eines Spannungsbefehls zu erhalten.
Nichtpatentliteratur-Dokumente 1 und 2 offenbaren Einstellverfahren für eine Schaltphase, die es möglich machen, ein Unterdrücken einer in einer Wechselrichterausgangsspannung enthaltenen höheren Oberschwingungskomponente durchzuführen und eine beliebige Grundschwingungskomponente zuzuteilen. Die Patentschrift 1 offenbart ein Einstellverfahren für eine Schaltphase, bei dem eine in einer Wechselrichterausgangsspannungswellenform enthaltene Grundschwingungskomponente einem Spannungsbefehl angepasst ist.

Patentschrift 1: japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer H6-253546 .
Nichtpatentliteratur-Dokument 1: IEEE Transactions on Industry Applications (1973, Bd. IA-9, Nr. 3), Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters Part I – Harmonic Elimination
Nichtpatentliteratur-Dokument 2: IEEE Transactions on Industry Applications (1974, Bd. 10, Nr. 5), Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters Part II – Voltage Control Techniques

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DAS VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEM
Während Charakteristika des Trägerwellenvergleichssystems und des Phasenreferenzsystems vorstehend als repräsentative synchrone PWM-Steuersysteme erläutert wurden, weisen diese Steuersysteme die folgenden technischen Probleme auf.
Beim Trägerwellenvergleichssystem stellt sich, was eine Amplitude und eine Phase einer Grundschwingungskomponente einer Wechselrichterausgangsspannung betrifft, insofern ein Problem, als ein relativ großer Fehler zwischen der Amplitude und einem Spannungsbefehl auftritt, obwohl die Phase einer Phase des Spannungsbefehls angepasst ist. Man geht davon aus, dass dieser Fehler die folgenden Auswirkungen hat.

(1) Wenn ein Motor als Verbraucher gesteuert wird, indem ein offenes Regelkreissystem wie etwa zum Beispiel eine V/f-Regelung angewendet wird, nimmt die Motormomentgenauigkeit aufgrund eines Überschusses oder Fehlens eines Wechselrichterspannungsausgangs ab.
(2) Wenn zum Beispiel eine Stromregelung eines Motors als Verbraucher durchgeführt wird, variiert eine Stromregelungsverstärkung entsprechend.
(3) Wenn eine Regelung erfolgt, indem eine Wechselrichterausgangsspannung durch einen Spannungsbefehl ersetzt wird, wird ein Spannungsbegrenzerprozess o. dgl. beeinflusst, und somit wird ein Stromregelungssystem instabil.

Deshalb wird beim Trägerwellenvergleichssystem für einen Spannungsbefehl ein Verstärkungsausgleich o. dgl. durchgeführt.
Dabei nimmt bei den Phasenreferenzsystemen, die in den vorstehend erwähnten Nichtpatentliteratur-Dokumenten 1 und 2 und der Patentschrift 1 beschrieben sind, die Empfindlichkeit des Ansprechens auf einen Spannungsbefehl ab. Wenn zum Beispiel eine Stromregelung eines Motors als Verbraucher erfolgt, verändert sich ein Spannungsbefehl geringfügig, um einen vorbestimmten Strom fließen zu lassen. Bei den Phasenreferenzsystemen, die in den Nichtpatentliteratur-Dokumenten 1 und 2 und in der Patentschrift 1 beschrieben sind, wird eine Schaltphase eines Schaltmusters unter Verwendung einer Fourier-Analyse o. dgl. berechnet, um gewünschte Kennlinien zu erhalten. Deshalb ist es eine gängige Vorgehensweise, eine Schaltphase eines Schaltmusters in einem Steuersystem durch eine Funktion oder eine Tabelle einer Spannungsbefehlsamplitude auszudrücken. Im Übrigen verändert sich auch die Schaltphase entsprechend der Veränderung des Spannungsbefehls geringfügig, und es wird keine Schaltphase reproduziert, die eingestellt ist, um gewünschte Kennlinien zu erhalten. Folglich wird eine Vorrangsteuerung für eine Schaltphase notwendig. Wenn jedoch eine Steuerung durchgeführt wird, bei der einer vorab eingestellten Schaltphase Vorrang eingeräumt wird, ist eine Reflexion einer Spannungsbefehl-Amplitudenänderung auf eine Schaltphase auf ein Mal pro Zyklus oder pro Halbzyklus eines Spannungsbefehls beschränkt. Dies senkt die Empfindlichkeit des Ansprechens auf den Spannungsbefehl.
Zusammenfassend hat das Trägerwellenvergleichssystem insofern ein Problem, als ein relativ großer Fehler zwischen einem Spannungsbefehl und einer Grundschwingungskomponente einer Wechselrichterausgangsspannung auftritt, obwohl die Empfindlichkeit des Ansprechens auf eine Veränderung eines Spannungsbefehls relativ schnell wird. Das Phasenreferenzsystem hat insofern ein Problem, als die Empfindlichkeit des Ansprechens auf einen Spannungsbefehl gesenkt ist, insbesondere, wenn das System durch eine Schaltphase, die unter Verwendung einer Fourier-Analyse eingestellt ist, gewünschte Kennlinien annehmen soll.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehenden Umstände gemacht, und ein Ziel der Erfindung ist es, ein Steuergerät eines Leistungswandler bereitzustellen, der in der Lage ist, einen Fehler zwischen einem Spannungsbefehl und einer Wechselrichterausgangsspannung zu unterdrücken, und in der Lage ist, mit einer hohen Geschwindigkeit auf einen Spannungsbefehl anzusprechen, selbst wenn ein Phasenreferenzsystem angewendet wird.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und das Ziel zu erreichen, wird ein Steuergerät eines Leistungswandlers nach der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, das auf einen Leistungswandler mit einem Wechselrichter angewendet wird, der über mehrere Schaltelemente verfügt und die Schaltelemente des Wechselrichters unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation steuert, wobei das Steuergerät umfasst: einen Spannungsbefehlsgenerator, der ein Spannungsbefehlssignal generiert; und ein Schaltmusterberechnungsglied, das ein Schaltmuster berechnet, um die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters auf Grundlage des Spannungsbefehlssignals zu steuern, und das Schaltmusterberechnungsglied ein Schaltmuster eines synchronen PWM-Systems berechnet und ein Schaltmuster ausgibt, in dem ein Mittelwert (ein Ausgangsspannungsmittelwert) von aus dem Wechselrichter ausgegebenen Ausgangsspannungen dem Spannungsbefehl angepasst ist.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorliegenden Erfindung berechnet ein Schaltmusterberechnungsglied ein Schaltmuster eines synchronen PWM-Systems und gibt ein Schaltmuster aus, in dem ein Mittelwert von Wechselrichterausgangsspannungen dem Spannungsbefehl angepasst ist. Deshalb kann das Steuersystem, selbst wenn ein Phasenreferenzsystem angewendet wird, einen Fehler zwischen einem Spannungsbefehl und einer Wechselrichterausgangsspannung unterdrücken, und kann mit einer hohen Geschwindigkeit auf einen Schaltbefehl ansprechen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Grundauslegung eines Leistungswandlers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
2 ist ein Blockschema einer funktionsbezogenen Auslegung eines Steuergeräts für einen Leistungswandler nach der ersten Ausführungsform.
3 stellt ein Verhältnis zwischen einem Spannungsbefehlsvektor, der in ein Schaltmusterberechnungsglied eingegeben wird, und einem dq-Koordinatensystem von jedem Signal dar, das durch das Schaltmusterberechnungsglied berechnet wird.
Die 4(a) bis 4(d) sind erläuternde Schaubilder eines Betriebs des Steuergeräts nach der ersten Ausführungsform.
5 ist eine Tabelle zur Einteilung eines Schaltbetriebs eines Wechselrichters, der durch das Steuergerät nach der ersten Ausführungsform durch eine Phasenzeitvorgabe gesteuert wird.
Die 6(a) bis 6(d) sind erläuternde Schaubilder eines Betriebs eines Steuergeräts nach einer zweiten Ausführungsform.
Die 7(a) bis 7(d) stellen vergrößerte Ausschnitte A bis G dar, die in 6 gezeigt sind.
8 ist ein Tabelle zur Einteilung eines Schaltbetriebs in einer synchronen Fünfpuls-Betriebsart durch eine Phasenzeitvorgabe.
Die 9(a) bis 9(c) sind erläuternde Schaubilder eines Betriebs eines Steuergeräts nach einer vierten Ausführungsform.
Bezugszeichenliste

10: Leistungswandler
21: Gleichstrom-Leistungsquelle
22: Wechselrichter
221: Halbleiterschaltelement (U-Phase P-Seite)
222: Halbleiterschaltelement (V-Phase P-Seite)
223: Halbleiterschaltelement (W-Phase P-Seite)
224: Halbleiterschaltelement (U-Phase N-Seite)
225: Halbleiterschaltelement (V-Phase N-Seite)
226: Halbleiterschaltelement (W-Phase N-Seite)
23: Verbraucher
50: Steuereinheit
51: Spannungsbefehlsgenerator
52: Spannungsbefehlssignal (d-Achse auf der biaxialen orthogonalen Drehkoordinate)
53: Spannungsbefehlssignal (q-Achse auf der biaxialen orthogonalen Drehkoordinate)
54: Schaltmusterberechnungsglied
541: Phasenberechnungsglied
542: Phasensignal (im dq-Koordinatensystem)
544: Spannungsbefehl-Phasensignal (U-Phase)
546: Spannungsbefehl-Normsignal
548: abgetastetes Haltespannungsbefehlsnormsignal
543: Addierer
545: Normberechnungsglied
547: Abtast- und Halteeinheit (S/H-Einheit)
549: Schaltphasenberechnungsglied
55: Koordinatenumwandlungsphasensignal
550: Schaltphasensignal
551: Phasenvergleichseinheit
56: Schaltmustersignal

BESTE ART(EN) UND WEISE(N) ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen eines Steuergeräts eines Leistungswandlers nach der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
1 stellt eine Grundauslegung eines Leistungswandlers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Leistungswandler 10 so ausgelegt, dass er eine Gleichstromenergiequelle 21, einen Wechselrichter 22 und eine Steuereinheit 50 umfasst, die Halbleiterschaltelemente 221 bis 226 des Wechselrichters 22 unter Verwendung einer PWM steuert. Der Leistungswandler 10 ist an einen Verbraucher 23 angeschlossen. Die Gleichstromenergiequelle 21 liefert dem Wechselrichter 22 Gleichstromenergie. Der Wechselrichter 22 umfasst die Halbleiterschaltelemente 221 bis 223 als Halbleiterschaltelemente auf einer P-Seite, und die Halbleiterschaltelemente 224 bis 226 als Halbleiterschaltelemente auf einer N-Seite. Der Wechselrichter 22 bildet eine Reihenschaltung mit einem Reihenanschluss zwischen dem Halbleiterschaltelement 221 als Halbleiterschaltelement auf der P-Seite und dem Halbleiterschaltelement 224 als Halbleiterschaltelement auf der N-Seite. Beide Enden dieser Reihenschaltung sind an Plus- und Minus-Energiequellenanschlüsse der Gleichstromenergiequelle 21 angeschlossen. Ein Verhältnis zwischen dem Halbleiterschaltelement 222 und dem Halbleiterschaltelement 225, und ein Verhältnis zwischen dem Halbleiterschaltelement 223 und dem Halbleiterschaltelement 226 sind gleich, und beide Enden jeder Reihenschaltung sind auch an die Plus- und Minus-Energiequellenanschlüsse der Gleichstromenergiequelle 21 angeschlossen. 1 stellt eine Auslegung eines Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichters als Beispiel dar; jedoch ist die Auslegung des Wechselrichters nicht darauf beschränkt und es kann auch ein Leistungswandler verwendet werden, der einen anderen als den Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter umfasst.
2 ist ein Blockschema einer funktionsbezogenen Auslegung des Steuergeräts eines Leistungswandlers nach der ersten Ausführungsform und stellt Details einer Auslegung der in 1 gezeigten Steuereinheit 50 dar. Die Steuereinheit 50 umfasst einen Spannungsbefehlsgenerator 51 und ein Schaltmusterberechnungsglied 54. Das Schaltmusterberechnungsglied 54 umfasst ein Phasenberechnungsglied 541, einen Addierer 543, ein Normberechnungsglied 545, eine Abtast- und Halteeinheit (im Nachstehenden ”S/H-Einheit”) 547, ein Schaltphasenberechnungsglied 549 und eine Phasenvergleichseinheit 551.
Ein Betrieb des Steuergeräts nach der ersten Ausführungsform wird als Nächstes mit Bezug auf 2 und 3 erläutert. 3 stellt ein Verhältnis zwischen einem in das Schaltmusterberechnungsglied 54 eingegebenen Spannungsbefehlsvektor und einem biaxialen orthogonalen Drehkoordinatensystem (im Nachstehenden ”dq-Koordinatensystem”) von jedem Signal dar, das durch das Schaltmusterberechnungsglied 54 verarbeitet wird.
In 2 gibt der Spannungsbefehlsgenerator 51 Spannungsbefehlssignale 52 und 53 im dq-Koordinatensystem an das Schaltmusterberechnungsglied 54 aus. Das Spannungsbefehlssignal 52 ist eine Spannungsbefehlskomponente in einer d-Achsenrichtung, und das Spannungsbefehlssignal 53 ist eine Spannungsbefehlskomponente in einer q-Achsenrichtung. Die eingegebenen Spannungsbefehlssignale 52 und 53 werden dann in das Phasenberechnungsglied 541 eingegeben, um ein Phasensignal 542 zu berechnen. Das Phasenberechnungsglied 541 ist eine Funktionseinheit, die eine Arkustangensberechnung durchführt. Das Phasensignal 542, das durch das Phasenberechnungsglied 541 berechnet wird, und die eingegebenen Spannungsbefehlssignale 52 und 53 haben ein in 3 gezeigtes Verhältnis.
Wenn das Spannungsbefehlssignal 52 Vd* ist, das Spannungsbefehlssignal 53 Vq* ist, und das Phasensignal 542 θv ist, stellt sich ein Verhältnis gemäß der folgenden Gleichung ein. Das Phasenberechnungsglied 541 kann das Phasensignal 542 ermitteln, indem die Gleichung direkt berechnet oder auf eine vorab erstellte Tabelle zurückgegriffen wird.
Der Addierer 543 addiert das Phasensignal 542 zu einem Koordinatenumwandlungsphasensignal 55 und erhält ein Spannungsbefehl-Phasensignal 544 in einem stationären Zweiphasen-Koordinatensystem (im Nachstehenden ”αβ-Koordinatensystem”). Der Addierer 543 führt diesen Addierprozess und einen Prozess zur Anpassung addierter Phasensignale innerhalb eines Bereichs von 0π bis 2π durch. Das Normberechnungsglied 545 berechnet ein Spannungsbefehl-Normsignal 546 aus den Spannungsbefehlssignalen 52 und 53. 3 stellt auch ein Verhältnis zwischen dem Spannungsbefehl-Normsignal 546 und anderen Signalen dar.
Wenn das Spannungsbefehl-Normsignal 546 Vn* ist, stellt sich ein Verhältnis gemäß der folgenden Gleichung ein. Das Normberechnungsglied 545 kann das Spannungsbefehl-Normsignal 546 auf eine ähnliche Weise wie die zum Ermitteln des Phasensignals 542 ermitteln, indem diese Gleichung direkt berechnet oder auf eine Tabelle zurückgegriffen wird.
Die S/H-Einheit 547 tastet das durch das Normberechnungsglied 545 berechnete Spannungsbefehl-Normsignal 546 ab und speichert es, und gibt dieses Signal in das Schaltphasenberechnungsglied 549 ein. Das Schaltphasenberechnungsglied 549 berechnet ein Schaltphasensignal 550. Die Phasenvergleichseinheit 551 gibt ein Schaltmustersignal 56 aus, indem auf das Spannungsbefehl-Phasensignal 544 und das Schaltphasensignal 550 zurückgegriffen wird. Das Schaltmustersignal 56 wird an den Wechselrichter 22 ausgegeben. Das heißt, jedes Halbleiterschaltelement wird in Übereinstimmung mit dem Schaltmustersignal 56 gesteuert.
Das Schaltphasensignal 550 und das Schaltmustersignal 56 sind in 2 durch mehrere Pfeile gezeigt. Diese Signale entsprechen Steuersignalen für die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters 22. Das heißt, die Anzahl von Ausgängen des Schaltphasensignals 550 und des Schaltmustersignals 56 verändert sich je nach der Anzahl von Phasen des Leistungswandlers und einer Art der Anzahl von Stufen.
Als Nächstes wird ein Betrieb des Schaltphasenberechnungsglieds 549 erklärt. Das Schaltphasenberechnungsglied 549 berechnet in diesem Beispiel das Schaltphasensignal 550 aus dem Spannungsbefehl-Normsignal 546. Ein Index, der Mittelwert von aus dem Wechselrichter 22 ausgegebenen Ausgangsspannungen (im Nachstehenden einfach ”Ausgangsspannungsmittelwert”) genannt wird, wird als Bewertungsindex für eine Schaltmusterberechnung eingeführt. Eine hohe Genauigkeit einer Ausgangsspannung kann erzielt werden, indem ein Schaltmuster vorgesehen wird, bei dem dieser Ausgangsspannungsmittelwert mit einem Spannungsbefehl übereinstimmt.
Vorzugsweise sind der Ausgangsspannungsmittelwert und der Spannungsbefehl Werte im dq-Koordinatensystem. Und zwar, weil das dq-Koordinatensystem als Drehkoordinate bei der Berücksichtigung des Ausgangsspannungsmittelwerts eine auf einen Zeitfortschritt folgende Phasenveränderung mit ins Kalkül ziehen kann. Durch diese Steuerung kann ein Fehler unterdrückt werden, der beim Vergleich einer Phasenveränderung mit dem Mittelwert im αβ-Koordinatensystem entsteht, und eine Phasenverzögerung einer Wechselrichterausgangsspannung kann als Ergebnis dieser Steuerung unterdrückt werden.
Eine Schaltmusterberechnung kann vereinfacht werden, indem der Ausgangsspannungsmittelwert als Komponente des dq-Koordinatensystems in einer Spannungsbefehlsvektorrichtung verwendet wird. Wenn umgekehrt der Ausgangsspannungsmittelwert keine Komponente in der Spannungsbefehlsvektorrichtung ist, muss ein Mittelwert sowohl in der d-Achsenkomponente als auch der q-Achsenkomponente berücksichtigt werden. Allerdings kann in der Schaltmusterberechnung manchmal nicht beides gleichzeitig erfüllt werden, und in einem solchen Fall ist ein Vorgang notwendig, Prioritäten für die beiden Komponenten zu setzen. Diese Art von Berechnung kann entfallen, wenn eine Komponente in der Spannungsbefehlsvektorrichtung verwendet wird. Bei der synchronen PWM-Steuerung wird ein Schaltmuster synchron mit einer Spannungsbefehlsphase des αβ-Koordinatensystem ausgegeben. Deshalb wird der Ausgangsspannungsmittelwert vorzugsweise auf Grundlage einer Phase des αβ-Koordinatensystems berechnet.
Als Nächstes werden Arbeitsabläufe des Schaltphasenberechnungsglieds 549 und der Phasenvergleichseinheit 551 mit. Bezug auf 4 und 5 erklärt. Die 4(a) bis 4(d) sind erläuternde Schaubilder eines Betriebs des Steuergeräts nach der ersten Ausführungsform, und 5 ist eine Tabelle zur Einteilung eines Schaltbetriebs eines Wechselrichters, der durch das Steuergerät nach der ersten Ausführungsform durch eine Phasenzeitvorgabe gesteuert wird. Um der Erläuterung willen, wird ein Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter als Beispiel verwendet, und es wird ein Fall erläutert, bei dem dieser Wechselrichter in einer synchronen Dreipulsbetriebsart gesteuert wird.
In 4 stellt 4(a) eine Zeit in einer Seitenachse und eine Phase eines U-Phasen-Spannungsbefehls (eine U-Phasen-Spannungsbefehlsphase) in einer vertikalen Achse dar. Die 4(b) bis 4(d) stellen jeweils eine Zeit in einer Seitenachse, ein P-seitiges Schaltmuster in jeder Phase in einer vertikalen Achse und Wechselrichterausgangsspannungen dar. Wie in 4(a) gezeigt ist, stehen Zeit und ein U-Phasen-Spannungsbefehl in einem proportionalen Verhältnis, und deshalb können die 4(b) bis 4(d) als ein Verhältnis im Hinblick auf die U-Phasen-Spannungsbefehlsphase angesehen werden.
Die 4(c) und (d) stellen Wellenformen einer Ausgangsspannung des Wechselrichters im dq-Koordinatensystem gesehen dar. 4(c) stellt eine Komponente in einer Spannungsbefehlsvektorrichtung (im Nachstehenden ”Spannungsbefehlsvektorrichtungskomponente”) dar, und 4(d) stellt eine Wellenform einer Komponente in einer Richtung orthogonal zur Spannungsbefehlsvektorrichtung dar (im Nachstehenden ”orthogonale Spannungsbefehlsvektorrichtungskomponente”). Obwohl in 4 eine Spannungsbefehlswellenform einer U-Phase nicht gezeigt ist, kann sie durch eine Kosinusberechnung einer Phase in 4(a) ermittelt werden.
Wenn, wie in 4 gezeigt, ein Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter in einer synchronen Dreipulsbetriebsart gesteuert wird, erfolgt 18 Mal ein Schaltvorgang in einem Zyklus eines Spannungsbefehls. In 4(b) kann ein Schaltvorgang in eine Schaltgruppe, in der sich eine Phasenzeiteinstellung je nach einer Größe eines Spannungsbefehls ändert (im Nachstehenden ”i-Gruppe”) und eine Schaltgruppe eingeteilt werden, in der sich eine Phasenzeiteinstellung nicht ändert (im Nachstehenden ”ii-Gruppe”). Um der Erläuterung willen, sind Schaltbetriebspunkten (im Nachstehenden einfach ”Betriebspunkte”) die Nummern (1) bis (18) zugeteilt (siehe 4(b) und 5). Soweit Betriebspunkte der ii-Gruppe und ein dazwischen liegender Punkt dieser Betriebspunkte betroffen sind, kann ein Abschnitt in 12 Abschnitte unterteilt werden, die, wie in 4(b) gezeigt, Abschnitte A bis L umfassen.
In diesen Abschnitten wird ein Anfang oder ein Ende zu einem Betriebspunkt, und jeder Abschnitt umfasst notwendigerweise Betriebspunkte der i-Gruppe an einer Position. Deshalb werden diese Abschnitte aus den folgenden Gründen zu einem Mindestabschnitt, der in der Lage ist, den Ausgangsspannungsmittelwert zu steuern. Während in jedem vorstehend definierten Abschnitt die Betriebspunkte der ii-Gruppe feststehende Punkte sind, um einen Beginn oder ein Ende jedes Abschnitts zu bestimmen, sind die Betriebspunkte der i-Gruppe in jedem Abschnitt veränderbar.
Wie in 4(b) gezeigt ist, wird Δθ als ein Parameter eingeführt, um eine Schaltzeitvorgabe im Abschnitt A zu bestimmen. Wenn dieser Parameter Δθ verwendet wird, nimmt eine Phasenzeitvorgabe jedes Schaltvorgangs einen wie in 5 gezeigten Wert an. Jeder dieser Werte entspricht dem Schaltphasensignal 550, das aus dem Schaltphasenberechnungsglied 549 ausgegeben wird (siehe 2).
Und zwar wird in jedem Abschnitt eine Zeitvorgabe des Schaltens im Abschnitt A (Phase: Δθ) so gesteuert, dass die Spannungsbefehlsvektorrichtungskomponente des in 4(c) gezeigten Wechselrichterausgangs dem Spannungsbefehl entspricht. Zum Beispiel wird in einem Abschnitt, der an einem Betriebspunkt (2), d. h. dem Abschnitt B beginnt, eine Zeitvorgabesteuerung an einem Betriebspunkt (3) möglich, indem Δθ manipuliert wird.
Im Abschnitt B wird vor dem Betriebspunkt (3) ein Schaltzustand der Phasen U, V und W zu ”EIN”, ”EIN” bzw. ”AUS”. Wenn ein Verbraucher abgeglichen ist, kann eine Ausgangsspannung in jeder Phase des Wechselrichters durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden, worin Vdc eine Ausgangsspannung der Gleichstromenergiequelle 21 bezeichnet. Vu = 1 / 3Vdc (1-3) Vv = 1 / 3Vdc (1-4) Vw = – 2 / 3Vdc (1-5)
Wenn der Wert in einen Wert im αβ-Koordinatensystem umgerechnet wird, wird er durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt.
Diese werden dann koordinatenmäßig in Werte einer Drehkoordinate umgerechnet. Wenn die in 4(a) gezeigte U-Phasen-Spannungsbefehlsphase verwendet wird, kann eine Vektorkomponente in eine Spannungsbefehl-Vektorrichtungskomponente (im Nachstehenden ”dv-Achse”) und eine orthogonale Spannungsbefehl-Vektorrichtungskomponente (im Nachstehenden ”qv-Achse”) unterteilt werden. 3 stellt Einzelheiten der dv-Achse und der qv-Achse dar.
Wenn die in 4(a) gezeigte U-Phasen-Spannungsbefehlsphase θvu ist, können die Spannungen durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden, worin θvu dem Spannungsbefehl-Phasensignal 544 entspricht, das aus dem Addierer 543 ausgegeben wird (siehe 2).
Um eine mittlere Spannung in der dv-Achse zu berechnen, wird in jedem Abschnitt eine Integration durchgeführt und ein Ergebnis der Integration durch eine Phase geteilt. Dieser mittlere dv-Achsen-Wert wird so gesteuert, dass er mit der Spannungsbefehlsnorm Vn* übereinstimmt.
Zum Beispiel erfolgt im Abschnitt B eine Steuerung, um die folgende Gleichung aufzustellen. Diese Gleichung berücksichtigt, dass eine Spannung in einer Phase nach dem Betriebspunkt (3) Null beträgt.
Wenn die Gleichung (1-10) gelöst ist, wird Δθ durch die folgende Gleichung ausgedrückt. Dieses Δθ kann jedes Mal berechnet werden, oder kann in einer Tabelle aufbereitet sein, die der Spannungsbefehlsnorm Vn* entspricht.
Obwohl in der Gleichung (1-11) der Abschnitt B dargelegt ist, lässt sich die vorstehende Darlegung entsprechend auch auf andere Abschnitte anwenden. Die Wellenformen in anderen Abschnitten sind entweder dieselben wie die Wellenform im Abschnitt B, oder sind zweiseitig symmetrisch. Deshalb kann Δθ unter Verwendung der Gleichung (1-11) oder durch eine zu dieser äquivalenten Gleichung berechnet werden.
Obwohl die Darlegungsreihenfolge entgegengesetzt ist, ermittelt das Schaltphasenberechnungsglied 549 Δθ nach der Gleichung (1-11) aus einem Spannungsbefehl-Normsignal 548 (Vn*) und gibt das Schaltphasensignal 550 aus, wie in 5 gezeigt ist. Die Phasenvergleichseinheit 551 greift auf das Schaltphasensignal 550 und das Spannungsbefehl-Phasensignal 544 zurück und berechnet das Schaltmustersignal 56, das jeder Phase zugeteilt werden soll, wie in den 4(a), 4(b) und 5 gezeigt ist.
In der in 2 gezeigten Auslegung des Steuergeräts ist die S/H-Einheit 547 nicht unbedingt ein wesentlicher Bestandteil. Wenn sich zum Beispiel ein Spannungsbefehl geringfügig verändert, wie etwa, wenn der Spannungsbefehlsgenerator 51 eine Stromregelung durchführt, tritt ein Phänomen auf, das ”Rattern” (”chattering”) genannt wird, und es besteht ein Risiko, dass ein Schaltvorgang oftmals wiederholt wird. Die S/H-Einheit 547 ist wirksam, um ein solches Rattern zu verhindern, und kann zu einem stabilen Betrieb des Leistungswandlers beitragen.
Wenn eine Abtast- und Haltezeitvorgabe der S/H-Einheit 547 zum Beispiel an einer Grenze eines in 4 gezeigten Abschnitts zur Berechnung des Ausgangsspannungsmittelwerts liegt, ist dies vorteilhaft, weil die Zeitvorgabe mit einer Aktualisierung der Wechselrichterausgangsspannung übereinstimmt. Es kann auch eine andere als die vorstehende Abtast- und Zeitvorgabe zweckmäßig eingestellt werden, indem eine Belastung und eine Steuerbetriebsart des Spannungsbefehlsgenerators 51 angepasst werden. Wenn zum Beispiel eine feinere als die vorstehende Abtast- und Haltezeitvorgabe erfolgt, kann ein Zeitverlust unterdrückt und die Ansprechempfindlichkeit verbessert werden.
Gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorliegenden Ausführungsform berechnet und gibt das Steuergerät wie vorstehend erläutert ein Schaltmuster aus, in dem ein Ausgangsspannungsmittelwert einem Spannungsbefehl angepasst ist. Deshalb kann ein Fehler zwischen dem Spannungsbefehl und der Wechselrichterausgangsspannung unterdrückt und eine Spannung in hoher Genauigkeit erzielt werden, selbst wenn eine synchrone PWM-Steuerung angewendet wird.
Gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorliegenden Ausführungsform wird der Ausgangsspannungsmittelwert, der einen Bewertungsindex zur Schaltmusterberechnung verwendet, unter Verwendung eines Werts im dq-Koordinatensysten berechnet. Deshalb kann eine Phasenverzögerung einer Ausgangsspannung unterdrückt werden.
Gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorliegenden Ausführungsform wird eine Spannungsbefehlsvektorrichtungskomponente für einen Ausgangsspannungsmittelwert verwendet. Deshalb kann die Berechnung eines Schaltmusters vereinfacht sein.
Darüber hinaus nutzt gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorliegenden Ausführungsform das Steuergerät einen Mittelwert einer Ausgangsspannung in Abschnitten, die erhalten werden, indem die Spannungsbefehlsphase für einen Ausgangsspannungsmittelwert in mehrere Abschnitte unterteilt wird. Deshalb kann ein Ansprechen auf den Spannungsbefehl mit einer hohen Geschwindigkeit erfolgen.
Wie vorstehend erläutert, ist es gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der ersten Ausführungsform möglich, effektiv die Vereinbarkeit der Genauigkeit von Spannungsbefehlen und Ansprechempfindlichkeit zu erzielen, über die herkömmliche synchrone PWM-Steuersysteme nicht verfügen.
Zweite Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform wurde ein Fall der Steuerung eines Zweistufen-/Dreiphasen-Wechelrichters in einer synchronen Dreipulsbetriebsart als Beispiel beschrieben. Wenn eine Steuerung in anderen Pulsbetriebsarten erfolgt, kann die Berechnung eines Schaltmusters auch auf eine der ersten Ausführungsform ähnliche Weise erfolgen.
6(a) stellt eine U-Phasen-Spannungsbefehlsphase auf eine 4(a) ähnliche Weise dar. Unterdessen stellen die 6(b) bis 6(d) ein P-seitiges Schaltmuster in jeder Phase, wenn der Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter in einer synchronen Fünfpulsbetriebsart gesteuert wird, und Wechselrichterausgangsspannungen in diesem Fall dar. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt ist, erfolgt in der synchronen Fünfpulsbetriebsart ein Schaltbetrieb in einem Zyklus eines Spannungsbefehls 30 Mal, und die Spannungsbefehlsphase ist in 24 Teile unterteilt. Der Erklärung willen sind den Betriebspunkten die Nummern (1) bis (30) zugeteilt, und den jeweiligen Abschnitten sind die Zeichen A bis X zugeteilt.
Als Nächstes wird ein Betrieb eines Steuergeräts nach einer zweiten Ausführungsform mit Bezug auf 7 und 8 erläutert. Die 7(a) bis 7(d) stellen Abschnitte A bis G dar, die in 6 vergrößert gezeigt sind, und 8 ist ein Tabelle, um einen Schaltbetrieb in der synchronen Fünfpulsbetriebsart durch eine Phasenzeitvorgabe einzuteilen. Erläuterungen von Funktionsabläufen werden mit Augenmerk auf den Abschnitt C und den Abschnitt D wiedergegeben.
In 7 unterscheiden sich die Wechselrichterausgangsspannungswellenformen in den Spannungsbefehlsvektorrichtungskomponenten im Abschnitt C und im Abschnitt D von denjenigen in der synchronen Dreipulsbetriebsart der ersten Ausführungsform (siehe 4). Wie aus einem Vergleich zwischen 7(b) und 4(b) klar ist, sind zwei Arten von Δθ, und zwar Δθ1 und Δθ2 notwendig, um eine Zeitvorgabe in der synchronen Fünfpulsbetriebsart der zweiten Ausführungsform zu bestimmen. Wenn diese Parameter Δθ1 und Δθ2 verwendet werden, nimmt eine Phasenzeitvorgabe jedes Schaltvorgangs einen wie in 8 gezeigten Wert an, und diese Werte entsprechen dem Schaltphasensignal 550, das aus dem Schaltphasenberechnungsglied 549 ausgegeben wird (siehe 2).
Im Abschnitt C und im Abschnitt D sind P-seitige Schaltzustände der U-, V- und W-Phase nach einem Betriebspunkt (4) und vor einem Betriebspunkt (5) ”EIN”, ”EIN” bzw. ”EIN”. Weil in diesem Fall die N-seitigen Schaltzustände der U-, V- und W-Phase ”AUS”, ”AUS” bzw. ”AUS” sind, werden diese Abschnitte zu Nullspannungsabschnitten. Hingegen sind die P-seitigen Schaltzustände der U-, V- und W-Phase in anderen als diesen Nullspannungsabschnitten ”EIN”, ”EIN” bzw. ”AUS” und sind gleich denjenigen im Abschnitt B, der in der ersten Ausführungsform erläutert wurde. Deshalb können die Wechselrichterausgangsspannungswellenformen in anderen als den Nullspannungsabschnitten durch die Gleichung (1-8) und die Gleichung (1-9) in der dv-Achsenrichtung bzw. qv-Achsenrichtung ausgedrückt werden. Entsprechend wird im Abschnitt C die folgende Gleichung, die den Nullspannungsabschnitt berücksichtigt, so berechnet, dass ein Mittelwert in der dv-Achsenrichtung der Spannungsbefehlsnorm Vn* angepasst ist.
Auf ähnliche Weise wird im Abschnitt D die folgende Gleichung, die den Nullspannungsabschnitt berücksichtigt, so berechnet, dass ein Mittelwert in der dv-Achsenrichtung der Spannungsbefehlsnorm Vn* angepasst ist.
Wenn die Gleichung (2-1) und die Gleichung (2-2) gelöst sind, werden Δθ1 und Δθ2 in den folgenden Gleichungen ausgedrückt. Diese Parameter Δθ1 und Δθ2 können auf ähnliche Weise wie in der ersten Ausführungsform jedes Mal berechnet werden, oder können in einer Tabelle aufbereitet sein, die der Spannungsbefehlsnorm Vn* entspricht.
Obwohl der Abschnitt C und der Abschnitt D anhand der Gleichung (2-3) und der Gleichung (2-4) erklärt wurden, lässt sich die vorstehende Erklärung auf ähnliche Weise auf andere Abschnitte anwenden. Speziell kann in der in 8 gezeigten Schaltphase ein Ausgangsspannungsmittelwert einem Spannungsbefehl angepasst werden, indem eine in 6(b) gezeigte Schaltsteuerung durchgeführt wird.
Was den Abschnitt zur Berechnung eines Ausgangsspannungsmittelwerts anbelangt, so wird dieser Abschnitt bei dem in der ersten Ausführungsform erläuterten Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter eine durch ”6n – 6” geteilte Spannungsbefehlsphase, wobei n eine Anzahl von synchronen Pulsen ist. Das heißt, die Anzahl der Schalthäufigkeit eines Halbleiterschaltelements steigt auf Grundlage einer Zunahme bei der Anzahl von synchronen Pulsen, und zusätzlich zur Amplitude und Phase einer Ausgangsspannung wird ein Betriebsfähigkeitsbetrag (Freiheitsgrad) ausgedrückt. In den zuvor erwähnten Nichtpatentliteratur-Dokumenten 1 und 2 wird der Freiheitsgrad dazu verwendet, höhere Oberschwingungen zu reduzieren. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Freiheitsgrad dazu verwendet, die Anzahl von Aktualisierungshäufigkeiten einer Wechselrichterausgangsspannung zu erhöhen. In dieser Hinsicht unterscheidet sich die Nutzung des Freiheitsgrads sehr von derjenigen in den schriftlichen Abhandlungen 1 und 2, bei denen es sich um keine Patente handelt.
Dritte Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform wurde eine Ausführungsform als Beispiel beschrieben, in der ein Spannungsbefehlsphasenabschnitt zur Berechnung eines Ausgangsspannungsmittelwerts in 12 Teile unterteilt ist, wenn ein Zweistufen-/Dreiphasenwechselrichter in einer synchronen Dreipulsbetriebsart gesteuert wird. In der zweiten Ausführungsform wurde eine Ausführungsform als Beispiel beschrieben, in der ein Spannungsbefehlsphasenabschnitt zur Berechnung eines Ausgangsspannungsmittelwerts in 24 Teile unterteilt ist, wenn ein Zweistufen-/Dreiphasenwechselrichter in der synchronen Fünfpulsbetriebsart gesteuert wird. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der dritten Ausführungsform um eine Ausführungsform, in der diese Teilungszahlen auf die Hälfte gesetzt sind. Und zwar wird, indem zwei aneinander angrenzende Abschnitte als ein neuer Abschnitt angesetzt werden, die Anzahl von Abschnitten reduziert, und die Berechnungszeit und Verarbeitungszeit werden verkürzt.
Als Konzept zum Ansetzen zweier aneinander angrenzender Abschnitte als neuen Abschnitt, genügt es, wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind:

(1) eine Wechselrichterausgangsspannung in einer qv-Achse beträgt Null; und
(2) wenn ein Punkt, an dem eine Ausgangsspannung zu Null wird, ein Grenzpunkt von Abschnitten ist, sind Wellenformen von angrenzenden Abschnitten um einen Punkt symmetrisch. Zum Beispiel sind in der in 4 gezeigten Ausführungsform die vorstehenden beiden Bedingungen an einem Grenzpunkt zwischen dem Abschnitt B und dem Abschnitt C erfüllt, wie in 4(d) gezeigt ist. Deshalb werden der Abschnitt A und der Abschnitt B als ein Abschnitt angesetzt, und auch der Abschnitt C und der Abschnitt D werden als ein Abschnitt angesetzt. Auf diese Weise werden ”A, B”, ”C, D”, ”E, F”, ”G, H”, ”I, J” und ”K, L” in einem Zyklus einer Spannungsbefehlsphase zu neuen Abschnitten in Spannungsphasenabschnitten. In diesen Abschnitten kann derselbe Parameter Δθ verwendet werden.

Wenn die vorstehende Steuerung durchgeführt wird, wird die Anzahl von Aktualisierungshäufigkeiten eines Ausgangsspannungsmittelwerts reduziert, und somit sinkt als Ergebnis die Ansprechleistung. Jedoch kann ein Mittelwert einer orthogonalen Spannungsbefehlsvektorkomponente (einer qv-Achsenkomponente) im Ausgangsspannungsmittelwert auf Null gesetzt werden, und deshalb kann die Genauigkeit einer Ausgangsspannung verbessert werden. Dieser Punkt kann wie folgt erklärt werden.
Eine Steuerung eines Leistungswandlers durch einen Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter in der synchronen Dreipulsbetriebsart wird auf eine ähnliche wie die vorstehend erläuterte Weise als Beispiel hergenommen. Zum Beispiel wird in 4(b) in einem Abschnitt AB, bei dem der Abschnitt A und der Abschnitt B kombiniert sind, eine Spannung in der qv-Achse berechnet. Die Berechnungsreihenfolge ist dieselbe wie die in der ersten Ausführungsform beschriebene und deshalb werden deren ausführlichen Erläuterungen weggelassen. Eine Spannung in einem Abschnitt vor dem Betriebspunkt (2) (einem ursprünglichen Abschnitt A) kann durch die folgende Gleichung (3-1) ausgedrückt werden. Allerdings liefert diese Gleichung einen Wert in einer Phase nach dem Betriebspunkt (1), und eine qv-Achsenspannung wird in einer Phase vor dem Betriebspunkt (1) zu Null. Darüber hinaus kann eine Spannung in einem Abschnitt nach dem Betriebspunkt (2) (einem ursprünglichen Abschnitt B) durch die folgende Gleichung (3-2) ausgedrückt werden. In diesem Fall wird die qv-Achsenspannung in einer Phase nach dem Betriebspunkt (3) zu Null.
Als Nächstes wird aus der Gleichung (3-1) und der Gleichung (3-2) ein Mittelwert berechnet. Wenn ein Nullspannungsabschnitt berücksichtigt wird, wird ein Ausgangsspannungsmittelwert in der qv-Achsenrichtung (Vqv_AV) im Abschnitt A durch eine Gleichung (3-3) abgeleitet, und wird im Abschnitt B durch eine Gleichung (3-4) abgeleitet.
Wie vorstehend erläutert, sind die Mittelwerte von Wechselrichterausgangsspannungen in der qv-Achsenrichtung mit Ausnahme ihrer Polaritäten im Abschnitt A und im Abschnitt B gleich. Deshalb wird, wenn die Parameter Δθ in beiden Gleichungen gleich sind, der Mittelwert der Wechselrichterausgangsspannungen im Abschnitt AB zu Null.
Wie vorstehend erläutert, kann gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorliegenden Ausführungsform der Mittelwert der orthogonalen Spannungsbefehlsvektorkomponente (der qv-Achsenkomponente) im Ausgangsspannungsmittelwert auf Null gesetzt werden. Deshalb kann die Genauigkeit einer Ausgangsspannung des Leistungswandlers verbessert werden.
Vierte Ausführungsform
In der synchronen PWM-Steuerung, die in den Ausführungsformen eins bis drei erklärt wurde, wurden Beispiele von Ausführungsformen in derselben Pulsbetriebsart wie etwa einer synchronen Dreipulsbetriebsart oder einer synchronen Fünfpulsbetriebsart beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Ausführungsform in verschiedenen Pulsbetriebsarten, das heißt, eine Kombination von Pulsbetriebsarten in verschiedenen Anzahlen von synchronen Pulsen beschrieben. Speziell basiert diese Ausführungsform auf einem Konzept, bei dem sich ein Schaltzustand in jeder Phase, bevor und nachdem eine Umschaltung zwischen synchronen Pulsbetriebsarten erfolgt, nicht ändert und keine negative Auswirkung stattfindet, wenn eine Umschaltung frei an einem Grenzpunkt zwischen Abschnitten erfolgt, um einen in der ersten bis dritten Ausführungsform beschriebenen Spannungsmittelwert zu berechnen.
Die 9(a) bis (c) sind erläuternde Schaubilder eines Betriebs eines Steuergeräts nach der vierten Ausführungsform. 9(b) stellt Schaltmuster in Phasen in der in 4 gezeigten synchronen Dreipulsbetriebsart dar, und 9(c) stellt Schaltmuster in Phasen in der in 6 gezeigten synchronen Fünfpulsbetriebsart dar. In diesen Zeichnungen sind Indexzahlen ”3” und ”5” angehängt, um einen Unterschied zwischen einem Abschnitt in der synchronen Dreipulsbetriebsart und einem Abschnitt in der synchronen Fünfpulsbetriebsart zu machen.
In 9 handelt es sich bei einem Grenzpunkt zwischen einem Abschnitt A3 und einem Abschnitt B3 um einen Grenzpunkt (einen Betriebspunkt in der ii-Gruppe) in Abschnitten zur Berechnung eines in der ersten bis dritten Ausführungsform erläuterten Spannungsmittelwerts, und ein Schaltzustand verändert sich vor und nach diesem Grenzpunkt in dieser Phase zwischen Pulsbetriebsarten nicht. Deshalb kann dieser Grenzpunkt als Schaltzeitvorgabe für beide Pulsbetriebsarten genutzt werden. Auf ähnliche Weise kann jeder Grenzpunkt zwischen ”einem Abschnitt C3 und einem Abschnitt D3”, ”einem Abschnitt E3 und einem Abschnitt F3”, ”einem Abschnitt G3 und einem Abschnitt H3”, ”einem Abschnitt I3 und einem Abschnitt J3” und ”einem Abschnitt K3 und einem Abschnitt L3” auch als Schaltzeitvorgabe verwendet werden. Das heißt, es gibt mehrere Schaltzeitvorgaben in einem Zyklus eines Spannungsbefehls. Deshalb kann eine Umschaltung zwischen diesen Pulsbetriebsarten, wenn eine Steuerung erfolgt, indem ein Leistungswandler als Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter verwendet wird, und indem eine synchrone Dreipulsbetriebsart und eine synchrone Fünfpulsbetriebsart verwendet wird, zufriedenstellend an einem beliebigen Grenzpunkt erfolgen, der in den 9 durch eine unterbrochene Linie gezeigt ist.
Es bestehen die folgenden Vorteile, wenn eine Steuerung erfolgt, indem Pulsbetriebsarten mit verschiedenen Anzahlen von synchronen Pulsen kombiniert werden, und auch, wenn es mehrere Schaltzeitvorgaben in einem Zyklus eines Spannungsbefehls gibt.
Zum Beispiel kann ein Pulsbetrieb, bei dem die Anzahl von synchronen Pulsen äquivalent verändert ist, erzielt werden, indem Pulsbetriebsarten mit einer unterschiedlichen Anzahl von synchronen Pulsen in einem geeigneten Verhältnis kontinuierlich eingesetzt werden. Wenn im Spezielleren zum Beispiel eine synchrone Dreipulsbetriebsart und eine synchrone Fünfpulsbetriebsart in einem Verhältnis 1:1 eingesetzt werden, kann vom Gesichtspunkt der Anzahl von Schalthäufigkeiten pro Einheitszeit her entsprechend eine Vierpulsbetriebsart erzielt werden. Indem in diesem Fall abwechselnd eine synchrone Dreipulsbetriebsart und eine synchrone Fünfpulsbetriebsart für jeden der obigen Abschnitte verwendet wird, kann die Reproduktionsgenauigkeit stärker verbessert werden als wenn die Pulsbetriebsarten bei jedem Zyklus einer Spannungsbefehlsphase umgeschaltet werden.
Das Verhältnis zur Verwendung synchroner Pulsbetriebsarten muss nicht das vorstehend erwähnte Verhältnis 1:1 sein, und es kann jedes beliebige Verhältnis verwendet werden. Wenn eine synchrone Dreipulsbetriebsart und eine synchrone Fünfpulsbetriebsart verwendet werden, gibt es sechs Abschnitte als auswählbare Abschnitte in einem Zyklus einer Spannungsbefehlsphase (siehe 9). Im Hinblick auf die Anzahl von Einsatzhäufigkeiten einer synchronen Dreipulsbetriebsart können sieben Verhältnisse von null bis sechs Mal ausgewählt werden.
Darüber hinaus kann im Hinblick auf das Auswahlmuster beider Pulsbetriebsarten ein feststehendes Muster verwendet werden, wie etwa, dass am Anfang zweimal eine synchrone Dreipulsbetriebsart und dann einmal eine synchrone Fünfpulsbetriebsart gewählt und dieses Muster wiederholt wird, oder das Muster kann willkürlich ausgewählt werden, wobei eine eingestellte Einsatzfolge beibehalten bleibt.
In dem Trägerwellenvergleichssystem oder dem Phasenreferenzsystem, die im Abschnitt STAND DER TECHNIK erläutert wurden, wird im Prinzip in jedem Zyklus einer Spannungsbefehlsphase eine synchrone Pulsbetriebsart geschaltet. In diesen Systemen ist es möglich, eine synchrone Pulsbetriebsart zu mehreren Zeiten in einem Zyklus einer Spannungsbefehlsphase zu aktivieren. Dies birgt jedoch das Risiko, die Reproduktionsgenauigkeit erheblich zu senken, eine große Veränderung in einer Ausgangsspannung zum Zeitpunkt des Aktivierens einer synchronen Pulsbetriebsart zu erzeugen oder unnötige Schaltvorgänge zu verursachen. Deshalb kann dieses Schaltverfahren kein vorzuziehendes Steuerverfahren sein.
Andere Vorteile sind wie folgt. Und zwar, wenn zum Beispiel eine Pulsbetriebsart vorübergehend in eine Pulsbetriebsart mit einer größeren Anzahl von synchronen Pulsen umschaltet, um die Spannungsgenauigkeit des Wechselrichters zu erhöhen, ist es nicht notwendig, auf das Verstreichen eines Zyklus einer Spannungsbefehlsphase zu warten, und dies unterdrückt Zeitverlust.
Wenn eine synchrone Pulsbetriebsart in einem relativ langen Zeitbereich verändert wird, kann ein glattes Umschalten mit einer hohen Geschwindigkeit erreicht werden, indem ein Einsatzverhältnis beider Pulsbetriebsarten vor und nach dem Schaltvorgang schrittweise verändert wird.
Wie vorstehend erläutert, kann gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorliegenden Ausführungsform das Steuergerät in der Zeit, in der eine Kombination von Pulsbetriebsarten mit verschiedenen Anzahlen von synchronen Pulsen verwendet wird, mehrere Schaltzeitvorgaben in einem Zyklus eines Spannungsbefehls haben. Deshalb können andere Pulsbetriebsarten in hoher Genauigkeit durchgeführt werden, indem mehrere synchrone Pulsbetriebsarten kombiniert werden, und es kann auch ein Zeitverlust in Bezug auf das Aktivieren der synchronen Pulsbetriebsart selbst unterdrückt werden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eins bis vier wurden Schaltmusterberechnungen für einen Fall, bei dem ein Zweistufen-/Dreiphasen-Wechselrichter in einer synchronen Dreipulsbetriebsart gesteuert wird, und für einen Fall erläutert, bei dem dieser Wechselrichter in einer synchronen Fünfpulsbetriebsart gesteuert wird. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf einen Mehrstufen-Wechselrichter wie etwa einen Dreistufen-Wechselrichter, einen anderen Mehrphasenwechselrichter als einen Dreiphasen-Wechselrichter, und einen Wechselrichter mit einer größeren Anzahl an synchronen Pulsen angewendet werden. Das heißt, dass gemäß dem Steuergerät eines Leistungswandlers der vorstehenden Ausführungsformen das Steuergerät auf jede Art eines Leistungswandlers angewendet werden kann, der einen Verbraucher unter Verwendung einer synchronen PWM-Steuerung mit Wechselstromspannung versorgt.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie vorstehend beschrieben, ist das Steuergerät eines Leistungswandlers nach der vorliegenden Erfindung nützlich, um einen Fehler zwischen einem Spannungsbefehl und einer Wechselrichterausgangsspannung zu unterdrücken und mit einer hohen Geschwindigkeit auf einen Spannungsbefehl anzusprechen.
Zusammenfassung
Steuergerät eines Leistungswandlers mit einem Wechselrichter, der über mehrere Halbleiterschaltelemente verfügt. Das Steuergerät unterdrückt einen Fehler zwischen einem Spannungsbefehl und einer Wechselrichterausgangsspannung und spricht mit einer hohen Geschwindigkeit auf einen Spannungsbefehl an. Das Steuergerät umfasst einen Spannungsbefehlsgenerator (51), der ein Spannungsbefehlssignal (52, 53) generiert, und ein Schaltmusterberechnungsglied (54), das auf Grundlage des Spannungsbefehlssignals (52, 53) ein Schaltmuster eines synchronen PWM-Systems berechnet und ausgibt, in dem ein Mittelwert der Wechselrichterausgangsspannung dem Spannungsbefehlssignal angepasst ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 6-253546 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE Transactions on Industry Applications (1973, Bd. IA-9, Nr. 3), Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters Part I – Harmonic Elimination [0004]
IEEE Transactions on Industry Applications (1974, Bd. 10, Nr. 5), Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters Part II – Voltage Control Techniques [0004]

Claims

Steuergerät eines Leistungswandlers, das auf einen Leistungswandler mit einem Wechselrichter angewendet wird, der über eine Vielzahl von Halbleiterschaltelementen verfügt und die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation steuert, wobei das Steuergerät umfasst: einen Spannungsbefehlssignalgenerator, der ein Spannungsbefehlssignal generiert; und ein Schaltmusterberechnungsglied, das ein Schaltmuster berechnet, um die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters auf Grundlage des Spannungsbefehlssignals zu steuern, und das Schaltmusterberechnungsglied ein Schaltmuster eines synchronen PWM-Systems berechnet und ein Schaltmuster ausgibt, in dem ein Mittelwert (ein Ausgangsspannungsmittelwert) von aus dem Wechselrichter ausgegebenen Ausgangsspannungen dem Spannungsbefehlssignal entspricht.
Steuergerät eines Leistungswandlers nach Anspruch 1, wobei ein Wert in einem biaxialen orthogonalen Drehkoordinatensystem für das Spannungsbefehlssignal und den Ausgangsspannungsmittelwert verwendet wird.
Steuergerät eines Leistungswandlers nach Anspruch 2, wobei ein Mittelwert einer Ausgangsspannung in Abschnitten, die erhalten werden, indem die Spannungsbefehlsphase in einem stationären Koordinatensystem in x unterteilt wird (x ist eine natürliche Zahl), für den Ausgangsspannungsmittelwert verwendet wird.
Steuergerät eines Leistungswandlers nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Komponente in einer Spannungsbefehlssignalvektorrichtung auf der biaxialen orthogonalen Drehkoordinate für den Ausgangsspannungsmittelwert verwendet wird.
Steuergerät eines Leistungswandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn ein Schaltmuster des synchronen PWM-Systems berechnet wird, das Schaltmusterberechnungsglied mindestens eine synchrone Pulsanzahl aus einer Vielzahl von synchronen Pulsanzahlen auswählt und die Berechnung durchführt, während die ausgewählten synchronen Pulsanzahlen aktiviert werden.
Steuergerät eines Leistungswandlers nach Anspruch 5, wobei das Schaltmusterberechnungsglied über mindestens ein Zeitintervall zum Einschalten synchroner Pulsanzahlen in einem Phasenabschnitt des Spannungsbefehlssignals in einem stationären Koordinatensystem verfügt.