DE112013003149T5

DE112013003149T5 - Energie-Umwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013003149T5
Application number: DE112013003149.3T
Authority: DE
Inventors: c/o Mitsubishi Electric Corp. Murakami Satoshi; c/o Mitsubishi Electric Corp. Kondo Ryota; c/o Mitsubishi Electric Corp. Takahara Takaaki; c/o Mitsubishi Electric Corp. Yamada Masaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2015-04-02
Also published as: JPWO2014013663A1; US20150171763A1; WO2014013663A1; CN104488180B; CN104488180A; US9602020B2; JP5866010B2

Abstract

Eine Energie-Umwandlungsvorrichtung weist Folgendes auf: eine Wechselrichterschaltung (400) vom Halbbrücken-Typ, die Halbleiterschalter (401a, 402a) und einen Glättungskondensator (403) aufweist, der mit einem Bus auf der positiven Seite einer Wechselspannungsversorgung (1) verbunden ist; einen Glättungskondensator (7); einen Halbleiterschalter (501a), der zwischen dem Halbleiterschalter (401a) und der positiven Seite des Glättungskondensators (7) angeschlossen ist; und einen Halbleiterschalter (601a), der zwischen dem Halbleiterschalter (402a) und der negativen Seite des Glättungskondensators (7) angeschlossen ist, wobei das Einschalten und das Ausschalten des Halbleiterschalters (601a) so gesteuert wird, dass die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) einer Sollspannung folgt, und wobei das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalters (401a, 402a) so gesteuert wird, dass die Gleichspannung des Glättungskondensators (7) einer Sollspannung folgt, und wobei folglich der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung (1) eingestellt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energie-Umwandlungsvorrichtung, welche eine gewünschte Gleichspannung durch Überlagerung des Ausgangs auf der Wechselspannungsseite (AC-Seite) eines einphasigen Wechselrichters an einem Energieversorgungs-Ausgang erhält.
Stand der Technik
Eine Energie-Umwandlungsvorrichtung beim Stand der Technik weist Folgendes auf: eine Wechselspannungsversorgung; eine Drosselspule, die mit der Wechselspannungsversorgung verbunden ist; eine Brücken-Gleichrichterschaltung; einen Glättungskondensator; einen Zweiwegeschalter, der zwischen den AC-Eingangsanschlüssen der Brücken-Gleichrichterschaltung angeschlossen ist; einen ersten bis vierten Hilfsschalter, die in Reihenschaltung zwischen den DC-Ausgangsanschlüssen angeschlossen sind; und einen Kondensator.
Die Steuerung wird so vorgenommen, dass zwei Hilfsschalter eingeschaltet sind, bis der Zweiwegeschalter ausgeschaltet wird, nachdem der Zweiwegeschalter eingeschaltet worden ist und folglich der Kondensator geladen wird. Anschließend werden zwei Hilfsschalter ausgeschaltet, und der Kondensator wird so gesteuert, dass er geladen wird, indem die übrigen zwei Hilfsschalter eingeschaltet werden, während der Zweiwegeschalter ausgeschaltet ist.
Wenn eine solche Steuerung durchgeführt wird, dann wird die Erzeugung von Störungen minimiert, indem eine schnelle Änderung der an die Drosselspule angelegten Spannung unterbunden wird, und es wird ein Schalten im Strom-Nulldurchgang sowie ein Schalten im Spannungs-Nulldurchgang des Zweiwegeschalter erreicht. Folglich ist es möglich, Störungen und Verluste zu verringern (siehe beispielsweise das Patentdokument 1).
Stand-der-Technik-Dokument
Patentdokument

Patentdokument 1: JP 2008-141 901 A (Seiten 6 bis 9 und 1 bis 7)

Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösendes Problem
Bei der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist es wünschenswert, Folgendes zu erfüllen: eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor; eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Kondensators, der mit dem Hilfsschalter verbunden ist; und eine Funktion zum Verhindern des schnellen Entladens einer an die Drosselspule angelegten Spannung; und es ist auch wünschenswert, die Energie-Umwandlungsvorrichtung weiter zu verkleinern.
In einem Fall jedoch, in welchem die Anzahl von Halbleiterelementen, wie z. B. die Anzahl von Halbleiterschaltern oder Dioden, verringert wird, um die Energie-Umwandlungsvorrichtung zu verkleinern – z. B. in einem Fall, in welchem der Zweiwegeschalter weggelassen wird – kann die Steuerung mit einem hohen Leistungsfaktor nicht erzielt werden. Falls der Hilfsschalter weggelassen wird, kann außerdem die Funktion des Kondensators nicht erfüllt werden, der eine schnelle Änderung der an die Drosselspule angelegten Spannung unterbindet. Aus diesem Grund ergibt sich ein dahingehendes Problem, dass die Halbleiterelemente nicht länger weggelassen werden können.
Diese Erfindung wurde konzipiert, um das oben beschriebene Problem zu lösen, um eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit einer kleinen Anzahl von Halbleiterschaltern zu erhalten, um eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor sowie eine Ladungs- und Entladungssteuerung eines Kondensators zu erhalten, und um eine Funktion zu erzielen, die eine schnelle Änderung einer an die Drosselspule angelegten Spannung unterbindet.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist Folgendes auf:

– eine Gleichrichterschaltung, die den Eingang aus einer Wechselspannungsversorgung gleichrichtet;
– eine Wechselrichterschaltung vom Halbbrücken-Typ, die einen ersten Halbleiterschalter, einen zweiten Halbleiterschalter und einen Gleichspannungkondensator aufweist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter mit einem Bus der Wechselspannungsversorgung verbunden ist;
– einen Glättungskondensator, der eine Ausgangsspannung glättet;
– einen dritten Halbleiterschalter, der zwischen dem ersten Halbleiterschalter auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung und der positiven Seite des Glättungskondensators angeschlossen ist;
– einen vierten Halbleiterschalter, der zwischen dem zweiten Halbleiterschalter auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung und der negativen Seite des Glättungskondensators angeschlossen ist; und
– eine Steuerungsschaltung, die das Einschalten und das Ausschalten des ersten bis vierten Halbleiterschalters steuert, wobei die Steuerungsschaltung das Einschalten und das Ausschalten des vierten Halbleiterschalters so steuert, dass die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators einer Sollspannung des Gleichspannungskondensators folgt, und wobei sie das Einschalten und das Ausschalten des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters so steuert, dass die Gleichspannung des Glättungskondensators einer Sollspannung des Glättungskondensators folgt und somit der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung eingestellt wird.

Vorteile der Erfindung
Die Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung weist Folgendes auf:
eine Gleichrichterschaltung, die den Eingang aus einer Wechselspannungsversorgung gleichrichtet;
eine Wechselrichterschaltung vom Halbbrücken-Typ, die einen ersten Halbleiterschalter, einen zweiten Halbleiter-schalter und einen Gleichspannungskondensator aufweist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter mit einem Bus der Wechselspannungsversorgung verbunden ist;
einen Glättungskondensator, der eine Ausgangsspannung glättet;
einen dritten Halbleiterschalter, der zwischen dem ersten Halbleiterschalter auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung und der positiven Seite des Glättungskondensators angeschlossen ist;
einen vierten Halbleiterschalter, der zwischen dem zweiten Halbleiterschalter auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung und der negativen Seite des Glättungskondensators angeschlossen ist; und
eine Steuerungsschaltung, die das Einschalten und das Ausschalten des ersten bis vierten Halbleiterschalters steuert,
wobei die Steuerungsschaltung das Einschalten und das Ausschalten des vierten Halbleiterschalters so steuert, dass die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators einer Sollspannung des Gleichspannungskondensators folgt, und
wobei sie das Einschalten und das Ausschalten des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters so steuert, dass die Gleichspannung des Glättungskondensators einer Sollspannung des Glättungskondensators folgt und somit der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung eingestellt wird.
Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor und eine Ladungs- und Entladungssteuerung eines Kondensators zu erzielen und eine schnelle Änderung der an die Drosselspule angelegten Spannung zu unterbinden, und zwar sogar, wenn eine kleine Anzahl von Halbleiterschaltern verwendet wird. Aus diesem Grund ist es möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erzielen und eine Energie-Umwandlungsvorrichtung geringen Gewichts zu erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ein Strompfad-Diagramm, das den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ein Strompfad-Diagramm, das den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ein Strompfad-Diagramm, das den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ein Strompfad-Diagramm, das den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
7 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung eines Halbleiterschalters gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
9 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung einer Wechselrichterschaltung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10 ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion einer Gatesignal-Auswähleinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung eines Halbleiterschalters gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
12 ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
14 ein Aufbaudiagramm einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
15 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
16 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
19 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
20 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
21 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
22 ein Strompfad-Diagramm, das einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
23 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
24 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
25 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
26 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
27 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
28 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
29 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
30 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
31 ein Strompfad-Diagramm, das einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
32 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
33 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung einer Wechselrichterschaltung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
34 ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion einer Gatesignal-Auswähleinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
35 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung eines Halbleiterschalters gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
36 ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion einer Gatesignal-Auswähleinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
37 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
38 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung eines Halbleiterschalters gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
39 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
40 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung eines Halbleiterschalters gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
41 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
42 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
43 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung eines Halbleiterschalters gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
44 ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion einer Gatesignal-Auswähleinrichtung gemäß Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
45 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um einen Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
46 Wellenformen von jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen eines Gleichspannungskondensators einer Wechselrichterschaltung, um einen Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
47 ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung eines Halbleiterschalters gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
48 ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion einer Gatesignal-Auswähleinrichtung gemäß Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsform 1
Nachstehend wird eine Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung beschrieben. 1 zeigt schematisch die Konfiguration einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1. Wie in 1 dargestellt, weist die Energie-Umwandlungsvorrichtung Folgendes auf: eine Hauptschaltung 101, welche Wechselspannung einer Wechselspannungsversorgung 1 in Gleichspannung umwandelt, welche dann ausgegeben wird; und eine Steuerungsschaltung 8.
Die Hauptschaltung 101 weist Folgendes auf: eine Dioden-Gleichrichterschaltung 200, welche eine Wechselspannung gleichrichtet, die von der Wechselspannungsversorgung 1 zugeführt wird; eine Drosselspule 3, die als Strombegrenzungsschaltung dient; eine Wechselrichterschaltung 400, die eine Halbbrücken-Konfiguration aufweist; einen Halbleiterschalter 501a; einen Halbleiterschalter 601a; und einen Glättungskondensator 7, der die Ausgangsspannung glättet.
Die Dioden-Gleichrichterschaltung 200 ist zwischen einem Bus P1 auf der positiven Seite und einem Bus N1 auf der negativen Seite der Wechselspannungsversorgung 1 angeschlossen. Ein Anschluss der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 auf der Seite des Busses P1 auf der positiven Seite ist mit der Drosselspule 3 verbunden, und ein Anschluss auf der Wechselspannungsseite (AC-Seite) der Gleichrichterschaltung 400 vom Brückentyp ist mit einer hinteren Stufe der Drosselspule 3 verbunden.
Die Wechselrichterschaltung 400 ist ein Wechselrichter mit Halbbrücken-Konfiguration, der Halbleiterschalter 401a und 402a, wie z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), sowie einen Gleichspannungskondensator 403 aufweist. Der Halbleiterschalter 401a ist ein erster Halbleiterschalter auf der positiven Seite der Gleichrichterschaltung 400. Der Halbleiterschalter 402a ist ein zweiter Halbleiterschalter auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 400. Außerdem ist ein Verbindungspunkt (ein Anschluss auf der AC-Seite) zwischen dem Halbleiterschalter 401a und dem Halbleiterschalter 402a mit dem Bus P1 auf der positiven Seite der Wechselspannungsversorgung 1 verbunden.
Der Halbleiterschalter 501a, der ein dritter Halbleiterschalter ist, ist zwischen dem Halbleiterschalter 401a auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der positiven Seite P2 des Glättungskondensators 7 angeschlossen. Der Halbleiterschalter 601a, der ein vierter Halbleiterschalter ist, ist zwischen dem Halbleiterschalter 402a auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der negativen Seite N2 des Glättungskondensators 7 angeschlossen.
Außerdem sind die Halbleiterschalter 401a und 402a Halbleiterschalter, welche die Wechselrichterschaltung 400 bilden, und die Halbleiter-schalter 501a und 601a sind Halbleiterschalter, die die Wechselrichterschaltung 400 nicht bilden. Die negative Seite N2 des Glättungskondensators 7 ist direkt mit einem Anschluss der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 auf der Seite des Busses N1 auf der negativen Seite verbunden.
Die Halbleiterschalter 401a und 402a sind jeweils invers parallel zu den Dioden 401b bzw. 402b geschaltet. Außerdem ist der Halbleiterschalter 501a ein Halbleiterschalter-Element wie z. B. ein IGBT, welcher invers parallel zu einer Diode 501b geschaltet ist. Auf ähnliche Weise ist der Halbleiterschalter 601a ein Halbleiterschalter-Element wie z. B. ein IGBT, welcher invers parallel zu einer Diode 601b geschaltet ist.
Ferner können die Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a Halbleiterschalter-Elemente sein, die von IGBTs verschieden sind. Sie können Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) sein, bei welchen eine Diode zwischen Source und Drain eingebettet ist, oder dergleichen. Ferner können der Halbleiterschalter 401a und der Halbleiterschalter 501a weggelassen werden, und es können nur die Dioden 401b und 501b verwendet werden.
Außerdem weist die Energie-Umwandlungsvorrichtung Folgendes auf: ein Voltmeter, welches die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 misst; ein Voltmeter, welches die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 misst; ein Voltmeter, welches die Wechselspannung Vac von der Wechselspannungsversorgung 1 misst; und ein Amperemeter, welches einen davon ausgehenden Wechselstrom Iac misst.
Die Steuerungsschaltung 8 steuert das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a. Die Steuerungsschaltung 8 erzeugt Gate-Signale 9, die an die Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 oder die Halbleiterschalter 501a und 601a angelegt werden. Sie führt eine Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400 und der Halbleiterschalter 501a und 601a auf der Basis der Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400, der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannung Vac und des Wechselstroms Iac von der Wechselspannungsversorgung 1 durch.
Daher wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 so gehalten, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc2* ist, der Wechselstrom Iac von der Wechselspannungsversorgung 1 wird auf einem hohen Leistungsfaktor gehalten, und die Spannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 wird so gehalten, dass sie eine gegebene Sollspannung (ein Befehlswert Vc1*) ist.
Genauer gesagt: Die Steuerungsschaltung 8 steuert das Einschalten und das Ausschalten des Halbleiterschalters 601a, so dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 dem Befehlswert Vc1* des Gleichspannungskondensators 403 folgt, und sie steuert das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a, so dass die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 der Sollspannung Vc2* des Glättungskondensators 7 folgt, um so den Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 einzustellen, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor verbessert wird.
Eine (nicht dargestellte) Last ist mit dem Glättungskondensator 7 verbunden, und die Gleichspannung Vc2 ist niedriger als die Sollspannung Vc2* zu einer normalen Zeit. Die Steuerungsschaltung 8 führt eine Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400 und der Halbleiterschalter 501a und 601a durch, so dass die Wechselspannung von der Wechselspannungsversorgung 1 in eine Gleichspannung gewandelt wird, die dann dem Glättungskondensator 7 zugeführt wird.
Der Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung mit dieser Konfiguration, d. h. der Betrieb zum Ausgeben von Gleichspannung an den Glättungskondensator 7, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 2 bis 5 sind Strompfad-Diagramme, die den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung veranschaulichen. In den 2 bis 5 ist der Schaltungsaufbau der gleiche wie derjenige aus 1, und der Pfad, entlang dessen der Strom fließt, ist in dicken Linien dargestellt. Außerdem zeigt 6 Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400, um den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern.
In 6 gilt Folgendes: 6(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac. 6(b) veranschaulicht Einschaltzustände und Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a. Die 6(c) veranschaulicht Ladungs- und Entladungszustände des Gleichspannungskondensators 403.
Außerdem ist die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 6 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc2* annimmt. Wie oben erwähnt, wird die Sollspannung Vc2* der Gleichspannung des Glättungskondensators 7 so gewählt, dass sie stets höher ist als die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403, und zwar mittels der Steuerungsschaltung 8.
Diese Einstellung verhindert es, dass Energie aus dem Gleichspannungskondensator 403 der Wechselrichterschaltung 400 zum Glättungskondensator 7 hin entweicht, und folglich ist es möglich, die Energie-Umwandlungsvorrichtung stabil zu steuern.
Die Wechselspannung Vac, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird, wird in der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 einer Vollwellen-Gleichrichtung unterzogen. Folglich arbeitet sie mit einer Periode, die doppelt so lang wie die Wechselgrößen-Periode der Wechselspannungsversorgung 1 ist. Die Wechselrichterschaltung 400 steuert den Wechselstrom Iac und gibt ihn aus, und zwar mittels Pulsweitenmodulations-Steuerung (PWM), so dass der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 ungefähr 1 wird, und sie überlagert die erzeugte Spannung von der AC-Seite der Wechselspannung Vac, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird. Die Steuerung des Wechselstroms Iac, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 ungefähr 1 wird, wird einfach als Stromsteuerung bezeichnet.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac positiv ist. Da von der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 eine Vollwellen-Gleichrichtung vorgenommen wird, werden auch für den Fall, dass π < θ ≤ 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung negativ ist, die gleichen Vorgänge wie in dem Fall des positiven Polaritätsbereichs 0 ≤ θ < π durchgeführt.
Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 501a ausgeschaltet sind, wie es in 2 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 501a ausgeschaltet sind, wie es in 3 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 lädt.
Außerdem fließt für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 601a ausgeschaltet sind, wie es in 4 dargestellt ist, der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 entlädt. Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 601a ausgeschaltet sind, wie es in 5 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
Wie oben erwähnt, steuert die Steuerungsschaltung 8 die Halbleiterschalter 501a und 601a, um die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände einmal bei einem Viertel der Periode der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu ändern.
Durch Kombinationen von Einschaltsteuerung und Ausschaltsteuerung der vier Halbleiterschalter werden die Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a so gesteuert, dass die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert ist (mit PWM-Steuerung gesteuert wird). Daher wird der Gleichspannungskondensator 403 geladen und entladen, und folglich wird die Stromsteuerung durchgeführt. Wenn ein Strom durch die Halbleiterschalter 401a und 501a vom Emitter zum Kollektor fließt, dann können die Halbleiterschalter-Elemente ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Dioden 401b und 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet sind.
In 6 ist Folgendes gezeigt: Der Glättungskondensator 7 wird überbrückt, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet (fest im Einschaltzustand gehalten wird) und sich der Halbleiterschalter 501a im Ausschaltzustand befindet (fest im Ausschaltzustand gehalten wird), und zwar in einem Phasenbereich (vorab festgelegter Phasenbereich) von ±θ1 (θ1 wird als Einschalt-Phase bezeichnet), der auf die Nulldurchgangs-Phase (θ = 0 oder π) der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zentriert ist.
Wie in 2 gezeigt, wird zu diesem Zeitpunkt der Wechselstrom Iac von der Wechselspannungsversorgung 1 durch die Drosselspule 3 begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch den Halbleiterschalter 601a zurück. Die Drosselspule 3 wird im Betriebsmodus von 2 erregt, und die Erregung der Drosselspule 3 wird im Betriebsmodus von 3 zurückgesetzt.
Für den Fall des Betriebsmodus von 2 wird außerdem der Gleichspannungskondensator 403 überbrückt, und für den Fall des Betriebsmodus von 3 wird der Gleichspannungskondensator 403 geladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 2 und des Betriebsmodus aus 3. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Stromsteuerung kann durchgeführt werden.
Wie in 6 dargestellt, wird nachfolgend Gleichspannung an den Glättungskondensator 7 ausgegeben, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Ausschaltzustand befindet und der Halbleiterschalter 501a im Einschaltzustand, und zwar in Phasenbereichen, die von dem Phasenbereich ±θ1 verschieden sind, der auf die Nulldurchgangs-Phase der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zentriert ist. Wie in 4 dargestellt, wird zu diesem Zeitpunkt der Wechselstrom Iac aus der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 3 begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 7 durch den Halbleiterschalter 501a und fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 zurück.
Die Wechselrichterschaltung 400 gibt eine Spannung (Vc2* – Vac) aus, addiert die Ausgangsspannung (Vc2* – Vac) von der Wechselrichterschaltung 400 der Wechselspannungsversorgung 1, indem sie den Betriebsmodus aus 4 und den Betriebsmodus aus 5 wiederholt, und sie steuert die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7, um die Sollspannung Vc2* zu erreichen, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
Bei der Wechselrichterschaltung 400 wird die Drosselspule 3 in dem Betriebsmodus von 4 erregt, und die Erregung der Drosselspule 3 wird im Betrieb von 5 zurückgesetzt. Für den Fall des Betriebsmodus von 4 wird außerdem der Gleichspannungskondensator 403 entladen, und für den Fall des Betriebsmodus von 5 wird der Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 4 und des Betriebsmodus aus 5. Folglich kann die Stromsteuerung durchgeführt werden.
Wie oben erwähnt, ändert sich die Steuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a bei der Nulldurchgangs-Phase (θ = 0 oder π) ±θ1 der Spannungsphase θ der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und der Glättungskondensator 7 wird überbrückt, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet und sich der Halbleiterschalter 501a im Ausschaltzustand befindet, und zwar nur im Phasenbereich ±θ1 zentriert auf die Nulldurchgangs-Phase.
Zu diesem Zeitpunkt steuert die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400, um im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Wechselspannung Vac zu erzeugen, die die umgekehrte Polarität hat, und sie steuert auch den Wechselstrom Iac und gibt diesen aus, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird, um den Gleichspannungskondensator 403 zu laden.
Außerdem steuert die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400, um die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* zu halten, wenn sich der Halbleiterschalter 501a im Einschaltzustand befindet und sich der Halbleiterschalter 601a im Ausschaltzustand befindet, und zwar in den Phasenbereichen, die sich von dem Phasenbereich ±θ1 unterscheiden, der auf die Nulldurchgangs-Phase zentriert ist, und sie steuert den Wechselstrom Iac und gibt diesen aus, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird.
Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Wechselrichterschaltung 400 eine Differenzspannung (Vc2* – Vac) zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannungsversorgung, und der Gleichspannungskondensator 403 wird entladen. Ferner ist der Einschaltzeitraum, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, auf die Nulldurchgangs-Phase (θ = 0 oder π) zentriert, aber er kann zu jeder Seite in einem Phasenbereich verschoben werden, der die Nulldurchgangs-Phase enthält.
Außerdem kann der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a so gewählt werden, dass die Ladeenergie und die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 zueinander gleich sind, und die Einschalt-Phase θ1 kann bestimmt werden. Falls die Ladeenergie und die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 zueinander gleich sind, ergibt sich die Gleichung (1). Hierbei bezeichnet Vp die Scheitelspannung der Wechselspannung Vac, und Ip bezeichnet den Scheitelstrom des Wechselstroms Iac.
Math. Ausdruck 1
Wenn Vac = Vp·sinθ und Iac = Ip·sinθ, ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Sollspannung Vc2* und der Scheitelspannung Vp, der in der Gleichung (2) angegeben ist.
Math. Ausdruck 2
Der untere Grenzwert der Sollspannung Vc2* wird nimmt jedoch die Scheitelspannung Vp durch die Dioden-Gleichrichterschaltung 200 an, und wenn folglich die Einschalt-Phase θ1 gewählt wird, welche bewirkt, dass die Sollspannung Vc2* gleich groß wie oder kleiner ist als die Scheitelspannung Vp, dann führt dies zu einem funktionslosen Zustand. Wie oben erwähnt, wird die Sollspannung Vc2* des Glättungskondensators 7 durch die Einschalt-Phase θ1 definiert und kann folglich gesteuert werden, indem die Einschalt-Phase θ1 geändert wird. Außerdem wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 so gesteuert, dass er der Sollspannung Vc2* folgt.
Ferner wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder größer ist als die gewünschte erzeugte Spannung der Wechselrichterschaltung 400 in jedem Phasenbereich von 0 ≤ θ < θ1 und θ1 ≤ θ < π/2. In diesem Fall kann die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* gehalten werden, und es ist möglich, die Stromsteuerung der Wechselrichterschaltung 400 durchzuführen, bei welcher der Wechselstrom Iac so gesteuert wird, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird, und zwar mit hoher Zuverlässigkeit in allen Phasen der Wechselspannungsversorgung 1. In diesem Fall ist es notwendig, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt wird, dass sie die Gleichungen (3) und (4) erfüllt. Vc1 ≥ Vp·sinθ1 (3) Vc1 ≥ (|Vc2* – Vp·sinθ1|) (4).
Außerdem wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder niedriger ist als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1. Da die Verluste zunehmen, wenn die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 in der Wechselrichterschaltung 400 zunimmt, welche die PWM-Steuerung ausführt, wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 vorzugsweise so eingestellt, dass sie in einem Zustand, der die Gleichungen (3) und (4) erfüllt, niedrig ist.
Da der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet und folglich der Glättungskondensator 7 nur im Phasenbereich ±θ1 (vorab festgelegter Phasenbereich) überbrückt wird, der auf die Nulldurchgangs-Phase zentriert ist, kann die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400 steuern, um den Wechselstrom Iac so zu steuern, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 in beiden Zeiträumen wird, in welchen der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet und ausgeschaltet ist, und um Gleichspannung auf einer gewünschten Spannung an den Glättungskondensator 7 auszugeben.
Mit anderen Worten: Die Steuerungsschaltung 8 kann die Einschalt-Phase θ1 in einem vorab festgelegten Phasenbereich der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 bestimmen, um den Einschaltzeitraum einzustellen, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist. Dadurch stellt sie die Gleichspannung Vc2 des Gleichspannungskondensators 403 auf eine vorgegebene Spannung ein. Indem eine solche Steuerung durchgeführt wird, ist es möglich, einen selbsterhaltenden Betrieb durchzuführen, ohne eine externe Energieversorgung für den Gleichspannungskondensator 403 zu verwenden.
Außerdem wird der Halbleiterschalter 401a so betrieben, dass dessen Polarität umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 402a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 401a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 401b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
Nachfolgend werden Einzelheiten der Steuerung der Wechselrichterschaltung 400 zum Durchführen der Steuerung des Eingangs-Leistungsfaktors unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400 veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 8 durchgeführt wird. Durch die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400 wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* gehalten, und der Wechselstrom Iac wird so gesteuert, dass der Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 ungefähr 1 wird.
Zunächst wird die Differenz 10a zwischen der Gleichspannung Vc2 und der Sollspannung Vc2* des Glättungskondensators 7 mittels eines Subtrahierers 10 bestimmt. Die Differenz 10a zwischen der Gleichspannung Vc2 und der Sollspannung Vc2* wird als Rückführungswert verwendet, und ein Ausgang, der mittels eines PI-Reglers 11 PI-geregelt wird, wird als Amplituden-Sollwert 11a verwendet.
Ein Sinuswellen-Strombefehl (Iac*) 12a, der mit der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 synchronisiert wird, wird von einem Strombefehl-Generator 12 auf der Basis des Amplituden-Sollwerts 11a und einer Synchronisationsfrequenz Fs der Wechselspannungsversorgung 1 erzeugt.
Danach wird die Differenz 13a zwischen dem eingestellten Strombefehl (Iac*) 12a und dem detektierten Wechselstrom Iac mittels eines Subtrahierers 13 bestimmt. Die Differenz 13a zwischen dem Strombefehl Iac* und dem Wechselstrom Iac wird als Rückführungswert verwendet, und ein Ausgang, der mittels eines PI-Reglers 14 PI-geregelt wird, wird als Spannungs-Befehl 14a verwendet, der der Sollwert einer von der Wechselrichterschaltung 400 erzeugten Spannung ist.
In diesem Fall wird eine Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung erhalten, welche synchronisiert ist mit der Veränderung zwischen der ersten Steuerung, bei welcher der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist, und der zweiten Steuerung, bei welcher der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist.
Ein Addierer 15 addiert die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung zum Spannungsbefehl 14a, um so den Spannungsbefehl 14a zu korrigieren. Außerdem erzeugt ein Gatesignal-Generator 16 ein Gatesignal 16a des Halbleiterschalters 402a der Wechselrichterschaltung 400, der der PWM-Steuerung entspricht, indem er einen korrigierten Spannungs-Befehl 15a verwendet, so dass die Wechselrichterschaltung 400 betrieben wird.
Ein PWM-Signal (pulsweitenmoduliertes Signal) mit festem Tastverhältnis, das auf der Basis einer Dreieckwelle einer Trägerperiode TWC erzeugt wird, die in dem Steuerblockdiagramm in 7 gezeigt ist, kann als Gatesignal 16a verwendet werden. Ferner wird ein Gatesignal des Halbleiterschalters 401a so betrieben, dass es eine Polarität umgekehrt zu derjenigen des Gatesignals des Halbleiterschalters 402a hat.
Wie oben erwähnt, führt die Steuerungsschaltung 8 die Steuerung mit einer Vorwärtskopplung aus, bei welcher der korrigierte Strombefehl 15a erzeugt wird, um so den Ausgang der Wechselrichterschaltung 400 zu steuern, so dass der Wechselstrom Iac, der durch die Wechselrichterschaltung 400 fließt, dem Strombefehl Iac* folgt, und die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung wird zu dem Strombefehl 14a nur zu dem Zeitpunkt der Veränderung zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten des Halbleiterschalters 601a addiert, welches der Zeitpunkt der Veränderung zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung ist.
Die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung ist eine Wechselspannung –Vac, deren Polarität umgekehrt zu der Wechselspannungsversorgung 1 während der ersten Steuerung ist, und sie ist eine Differenzspannung (Vc2 – Vac) zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 während der zweiten Steuerung.
Zum Zeitpunkt der Veränderung zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung für den Halbleiterschalter 601a wird ein Strombefehl der Wechselrichterschaltung 400 korrigiert, so dass die Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 erhalten wird, indem die Differenzspannung zwischen dem Glättungskondensator 7 und der Wechselspannungsversorgung 1 zu der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 addiert wird. Somit ist es möglich, es auf zuverlässige Weise zu verhindern, dass die Steuerung verzögert wird, und zwar so lange wie die Antwortzeit der Steuerung mit Rückführung.
Außerdem kann auch bei der Veränderung zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung der Wechselstrom Iac so gesteuert werden, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird. Folglich können transiente Stromschwankungen mit hoher Zuverlässigkeit minimiert werden, und das Auftreten von harmonischen Strömen kann minimiert werden. Daher wird die Strom-Steuerbarkeit verbessert.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 8 eine Beschreibung der Steuerung gegeben, welche mit der Ausgabe der Halbleiterschalter 501a und 601a zusammenhängt, und welche bewirkt, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 dem Befehlswert Vc1* folgt. 8 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung des Halbleiterschalters 601a veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 8 durchgeführt wird.
Zunächst bezieht ein Subtrahierer 17 die Differenz 17a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc1* und einer detektierten Spannung Vc1. Die Differenz 17a zwischen dem Befehlswert Vc1* und der Gleichspannung Vc1 wird als Rückführungswert verwendet, und der Ausgang, welcher von einem PI-Regler 18 PI-geregelt wird, wird als Spannungs-Befehl 18a eingestellt. Ein Gatesignal-Generator 19 erzeugt ein Gatesignal 19a des Halbleiterschalters 601a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er den Spannungs-Befehl 18a verwendet.
Bei der PWM-Steuerung mittels des Gatesignal-Generators 19 wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungsversorgung 1 beträgt, als Trägerwelle verwendet, und das Gatesignal 19a wird durch vergleichende Berechnung erzeugt. Mit anderen Worten: Ein Kurzschlusszeitraum des Halbleiterschalters 601a wird ebenso von dem Gatesignal 19a gesteuert.
Der Halbleiterschalter 501a wird so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 501a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Da die Wechselrichterschaltung 400 gesteuert wird, dass ein derartiger Strombefehl verwendet wird, wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 dazu veranlasst, der Sollspannung Vc2* zu folgen, und der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 wird gesteuert, um verbessert und ausgegeben zu werden. Außerdem wird die erzeugte Spannung auf der AC-Seite der Wechselrichterschaltung 400 der Wechselspannung Vac überlagert, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird. Indem diese Steuerung durchgeführt wird, brauchen die Halbleiterschalter 501a und 601a nicht mit einer hohen Frequenz geschaltet zu werden.
Ferner kann die Wechselrichterschaltung 400 die behandelte Spannung noch mehr als eine Scheitelspannung der Wechselrichterschaltung 1 verringern, und zwar, indem sie die Halbleiterschalter schaltet. Aus diesem Grund kann die schnelle Änderung der an die Drosselspule 3 angelegten Spannung verhindert werden. Folglich ist es möglich, die Schaltverluste und die Störungen sogar dann zu verringern, wenn die Drosselspule 3 verkleinert wird, und zwar ohne eine große Drosselspule zu verwenden, welche im Stand der Technik benötigt wird, um den Strom zu begrenzen.
Außerdem gilt für den Fall, dass sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet, Folgendes: Da der Glättungskondensator 7 überbrückt wird und der Gleichspannungskondensator 403 der Wechselrichterschaltung 400 geladen werden kann, kann der Wechselstrom Iac dazu veranlasst werden, durch die Wechselspannungsversorgung 1 zu fließen, und zwar ohne zu bewirken, dass eine hohe Spannung in der Wechselrichterschaltung 400 auftritt, und er kann auch dazu verwendet werden, die akkumulierte Energie in Richtung des Glättungskondensators 7 freizugeben.
Aus diesem Grund ist es möglich, den Pegel der behandelten Spannung beim Schalten der Halbleiterschalter weiter zu verringern, und das Erreichen einer hohen Effizienz und geringer Störungen weiter voranzubringen. Außerdem akkumuliert die Drosselspule in diesem Fall keine Energie, sondern arbeitet als strombegrenzende Schaltung, welche einen Strom begrenzt, und folglich wird die Zuverlässigkeit dieser Stromsteuerung verbessert.
Ferner wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder niedriger als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac ist. Folglich ist es möglich, auf zuverlässige Weise die Wirkungen der hohen Effizienz und der geringen Störungen zu erzielen.
Außerdem ist die Wechselrichterschaltung 400 vom Halbbrücken-Typ und wird gebildet durch die zwei Halbleiterschalter 401a und 402a und den Gleichspannungskondensator 403, wobei der Halbleiterschalter 501a zwischen den Halbleiterschalter 401a auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der positiven Seite P2 des Glättungskondensators 7 geschaltet ist, und wobei der Halbleiterschalter 601a zwischen den Halbleiterschalter 402a auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der negativen Seite N2 des Glättungskondensators 7 geschaltet ist.
Aus diesem Grund ist es möglich, eine Stromsteuerung mit einer kleineren Zahl von Halbleiterschalter-Elementen zu verwirklichen und folglich eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit geringem Gewicht sowie eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erzielen.
Da die Halbleiterschalter 501a und 601a nur während einer spezifischen Phase einer Eingangsspannung von der Wechselspannungsversorgung 1 betrieben werden, kann außerdem die Energie-Umwandlungsvorrichtung stabil gesteuert werden, und folglich treten wenige Verluste auf, die durch das Schalten der Halbleiterschalter verursacht werden.
Da der Glättungskondensator 7 überbrückt wird, wenn der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet wird, und zwar nur in dem Phasenbereich θ1 (Kurzschluss-Phasenbereich), der auf θ = 0 oder π zentriert ist, was die Nulldurchgangs-Phase darstellt, befindet sich zudem die Ausgabe an den Glättungskondensator 7 nicht notwendigerweise in einer Region, wo die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 niedrig ist, und die Gleichspannung der Wechselrichterschaltung 400 wird so eingestellt, dass sie niedrig ist.
Daher ist es möglich, eine hohe Effizienz und wenige Störungen zu erzielen. Da die Sollspannung Vc2* des Glättungskondensators 7 gesteuert werden kann, indem die Einschalt-Phase θ1 verwendet wird, kann ferner die Sollspannung Vc2* auf einfache Weise gesteuert werden, und die Steuerbarkeit und der Freiheitsgrad der Steuerung kann verbessert werden.
Zum Zeitpunkt der Veränderung zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten des Halbleiterschalters 601a wird ferner die Wechselrichterschaltung 400 so gesteuert, dass sie den Ladevorgang und den Entladevorgang des Gleichspannungskondensators 403 infolge der Steuerung mit Vorwärtskopplung verändert. Folglich ist es möglich, es auf zuverlässige Weise zu verhindern, dass die Steuerung verzögert wird, und zwar so lange wie die Antwortzeit der Rückführungs-Steuerung ist, und folglich ist es möglich, eine Steuerung mit hoher Geschwindigkeit zu erzielen.
Außerdem ist es möglich, die oben beschriebene Stromsteuerung mit einer Konfiguration zu erreichen, bei welcher die Halbleiterschalter 401a und 501a weggelassen werden, und bei welcher nur die Dioden 401b und 501b verwendet werden. Eine Niedrig-Vf-Diode für den Betrieb mit niedriger Frequenz kann als Diode 501b ausgewählt werden. Eine Hochfrequenzdiode, welche eine gute Sperrverzögerungs-Kennlinie (Erholungs-Kennlinie) beim Betrieb mit niedriger Frequenz hat, und welche während des Betriebs mit hoher Frequenz kleinere Verluste als eine Diode zum Betrieb mit niedriger Frequenz hat, kann als Diode 401b ausgewählt werden.
Diese Konfiguration ist äquivalent zu einer Konfiguration, bei welcher der Halbleiterschalter 501a, der mit der positiven Seite des Glättungskondensators verbunden ist, durch eine Diode ersetzt wird, und bei welcher der Halbleiterschalter 401a auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 400 durch eine Hochfrequenzdiode ersetzt wird, welche Verluste aufweist, die kleiner sind als diejenigen der Diode während des Betrieb mit hoher Frequenz. In diesem Fall ist es möglich, die Sperrverzögerungsverluste und die Leitungsverluste zu optimieren, und zwar der Diode 501b, die bei einer niedrigen Frequenz betrieben wird, und der Diode 401b, die bei einer hohen Frequenz betrieben wird, und folglich die Verluste weiter zu verringern.
Indem Halbleiterschalter weggelassen werden, die Anzahl von Treiberschaltungen verringert wird und eine Kühlstruktur verkleinert wird, ist es ferner möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit geringem Gewicht sowie eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erzielen.
Ferner kann ein MOSFET für den Betrieb mit hoher Frequenz als Halbleiterschalter 402a verwendet werden, und ein IGBT für den Betrieb mit niedriger Frequenz kann als Halbleiterschalter 601a verwendet werden. In diesem Fall ist es möglich, die Verluste des Halbleiterschalters 402a, der bei einer hohen Frequenz betrieben wird, und des Halbleiterschalters 601a, der bei einer niedrigen Frequenz betrieben wird, weiter zu verringern, und die Kühlstruktur zu verkleinern. Folglich ist es möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erzielen, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung geringen Gewichts zu erhalten und eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erreichen.
Die Steuerungsschaltung 8 kann außerdem auf eine Betriebsfrequenz für die Einschaltsteuerung und die Ausschaltsteuerung der Halbleiterschalter 401a und 402a eingestellt werden, welche die Wechselrichterschaltung 400 bilden, wobei die Betriebsfrequenz höher ist als die Betriebsfrequenz für die Einschaltsteuerung und die Ausschaltsteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a, welche die Wechselrichterschaltung 400 nicht bilden, um so das Einschalten und das Ausschalten eines jeden der Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a zu steuern.
Auch in diesem Fall ist es möglich, die Verluste der Halbleiterschalters 401a und 402a, die bei einer hohen Frequenz betrieben werden, und der Halbleiterschalters 501a und 601a, die bei einer niedrigen Frequenz betrieben werden, weiter zu verringern, und die Kühlstruktur zu verkleinern. Folglich ist es möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erzielen, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung geringen Gewichts zu erhalten und eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erreichen.
Ausführungsform 2
In der Ausführungsform 1 wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt, dass sie die Ausdrücke (3) und (4) erfüllt, und die Wechselrichterschaltung 400 führt die Gesamt-Stromsteuerung in einem Zustand durch, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, und zwar nur in dem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase (θ = 0 oder π) ±θ1.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich dahingehend von der Ausführungsform 1, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 eingestellt wird, und zwar ungeachtet der Einschränkungen der Ausdrücke (3) und (4), und dass die Stromsteuerung von dem Halbleiterschalter 601a anstelle der Wechselrichterschaltung 400 nur für den Fall durchgeführt wird, dass die Ausdrücke (3) und (4) nicht erfüllt sind. Außerdem ist der Schaltungsaufbau in der vorliegenden Ausführungsform der gleiche wie der Schaltungsaufbau der Ausführungsform 1.
Nachstehend wird eine Steuerungsschaltung gemäß Ausführungsform 2 beschrieben. 9 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400 veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 8 durchgeführt wird. Auf die gleiche Weise wie gemäß Ausführungsform 1 wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* gehalten, indem eine Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt wird, und das Gatesignal 16a wird erzeugt, um den Wechselstrom Iac zu erzeugen, so dass der Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 ungefähr 1 wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist zusätzlich ein Gatesignal-Generator 20 vorgesehen, und ein Gatesignal 21, das an den Halbleiterschalter 401a angelegt wird, sowie ein Gatesignal 22, das an den Halbleiterschalter 402a angelegt wird, werden gemäß einem Verhältnis zwischen der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, der Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 und der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 angegeben.
10 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 veranschaulicht. Eingangssignale 20a an die Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 sind drei Signale inklusive dem Gatesignal 16a, einem Einschaltsignal und einem Ausschaltsignal. Die Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 wählt die Drei-Muster-Signale aus, um so ein Gatesignal auszugeben. Eine Spannungs-Information 20b zum Auswählen eines Gatesignals weist Folgendes auf: die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403, die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 und ein Gatesignal GS1 des Halbleiterschalters 601a.
11 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung des Halbleiterschalters 601a veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 8 durchgeführt wird. Auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 bezieht ein Subtrahierer 17 die Differenz 17a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc1* und einer detektierten Spannung Vc1. Die Differenz 17a zwischen dem Befehlswert Vc1* und der Gleichspannung Vc1 wird als Rückführungswert verwendet, und der Ausgang, welcher von einem PI-Regler 18 PI-geregelt wird, wird als Spannungs-Befehl 18a eingestellt. Ein Gatesignal-Generator 19 erzeugt ein Gatesignal 19a des Halbleiterschalters 601a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er den Spannungs-Befehl 18a verwendet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist zusätzlich ein Gatesignal-Generator 23 vorgesehen, und ein Gatesignal 24, das an den Halbleiterschalter 501a angelegt wird, sowie ein Gatesignal 25, das an den Halbleiterschalter 601a angelegt wird, werden gemäß einem Verhältnis zwischen der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, der Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 und der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 ausgewählt.
12 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung 23 veranschaulicht. Eingangssignale 23a an die Gatesignal-Auswähleinrichtung 23 sind drei Signale inklusive einem Stromsteuerungs-PWM-Signal 16a, einem Einschaltsignal und einem Ausschaltsignal. Die Gatesignal-Auswähleinrichtung 23 wählt die Drei-Muster-Signale aus, um so ein Gatesignal auszugeben. Eine Spannungs-Information 23b zum Auswählen eines Gatesignals weist Folgendes auf: die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403, die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 und ein Gatesignal GS1 des Halbleiterschalters 601a.
Als Stromsteuerungs-PWM-Signal kann ein PWM-Signal mit einem festen Tastverhältnis oder ein PWM-Signal, das mittels Rückführungs-Steuerung erhalten wird, verwendet werden. Beispielsweise kann ein PWM-Signal mit festem Tastverhältnis verwendet werden, das auf der Basis einer Dreieckwelle einer Trägerperiode TWC erzeugt wird, wie es in dem Steuerblockdiagramm aus 9 gezeigt ist, und in dem Steuerblockdiagramm von 9 kann ein PWM-Signal verwendet werden, das von dem Gatesignal-Generator 16 erzeugt wird, ohne die Korrekturspannung in Vorwärtskopplung zu addieren.
Hier wird der Betrieb der Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 und der Gatesignal-Auswähleinrichtung 23 genau beschrieben, die in den 10 und 12 gezeigt sind. Für den Fall, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 höher ist als die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 innerhalb eines Zeitraums, in welchem der Halbleiterschalter 601a so eingestellt ist, dass er eingeschaltet ist, d. h. für den Fall, dass der Ausdruck (3) erfüllt ist, wählt die Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 das Gatesignal 16a aus, welches ein PWM-Signal ist, und zwar als Gatesignal der Halbleiterschalter 401a und 402a, und die Gatesignal-Auswähleinrichtung 23 wählt das Einschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a aus (hält den Halbleiterschalter 601a im eingeschalteten Zustand) und wählt das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a aus (hält den Halbleiterschalter 501a im ausgeschalteten Zustand). Außerdem haben das Gatesignal des Halbleiterschalters 401a und das Gatesignal des Halbleiterschalters 402a eine Beziehung von Polaritäten, die zueinander entgegengesetzt sind.
Der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet ist, ist wie in 2 gezeigt, und ein Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet ist, ist wie in 3 gezeigt. In 2 wird die Drosselspule 3 von der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 erregt. In 3 wird die Erregung der Drosselspule 3 zurückgesetzt durch eine Differenzspannung zwischen der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 und der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7.
Für den Fall, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 niedriger ist als die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 innerhalb eines Zeitraums, in welchem der Halbleiterschalter 601a so eingestellt ist, dass er eingeschaltet ist, d. h. für den Fall, dass der Ausdruck (3) nicht erfüllt ist, wählt die Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 dann das Einschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a aus (hält den Halbleiterschalter 401a im eingeschalteten Zustand) und wählt das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 402a aus (hält den Halbleiterschalter 402a im ausgeschalteten Zustand), und die Gatesignal-Auswähleinrichtung 23 wählt das Stromsteuerungs-PWM-Signal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a aus (führt eine PWM-Steuerung an den Halbleiterschaltern 501a und 601a mittels gegenseitiger Synchronisation aus). Außerdem haben das Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und das Gatesignal des Halbleiterschalters 601a eine Beziehung von Polaritäten, die zueinander entgegengesetzt sind.
Der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist wie in 3 gezeigt, und der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist wie in 5 gezeigt. In 3 wird die Drosselspule 3 erregt, da die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 niedriger ist als die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1. In 5 wird die Erregung der Drosselspule 3 zurückgesetzt, da die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 niedriger ist als die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1.
Sogar dann, wenn eine Betriebsbedingung auftritt, in welcher der obige Ausdruck (3) nicht erfüllt ist, wenn der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, gilt daher Folgendes: Für den Fall, dass die Gatesignal-Auswähleinrichtungen 20 und 23 Gatesignale der Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a wie oben beschrieben auswählen, ist es möglich, den Ladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 403 und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kontinuierlich durchzuführen.
Für den Fall, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 höher ist als die Differenzspannung zwischen der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 2 innerhalb eines Zeitraums, in welchem der Halbleiterschalter 601a so eingestellt ist, dass er ausgeschaltet ist, d. h. für den Fall, dass der Ausdruck (4) erfüllt ist, wählt die Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 das Gatesignal 16a aus, welches ein PWM-Signal ist, und zwar als Gatesignal der Halbleiterschalter 401a und 402a, und die Gatesignal-Auswähleinrichtung 23 wählt das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a aus (hält den Halbleiterschalter 601a im ausgeschalteten Zustand) und wählt das Einschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a aus (hält den Halbleiterschalter 501a im eingeschalteten Zustand). Außerdem haben das Gatesignal des Halbleiterschalters 401a und das Gatesignal des Halbleiterschalters 402a eine Beziehung von Polaritäten, die zueinander entgegengesetzt sind.
Der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet ist, ist wie in 4 gezeigt, und der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet ist, ist wie in 5 gezeigt. In 4 wird die Drosselspule 3 von der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 erregt. In 5 wird die Erregung der Drosselspule 3 zurückgesetzt durch eine Differenzspannung zwischen der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 und der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7.
Für den Fall, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 niedriger ist als die Differenzspannung zwischen der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 innerhalb eines Zeitraums, in welchem der Halbleiterschalter 601a so eingestellt ist, dass er ausgeschaltet ist, d. h. für den Fall, dass der Ausdruck (4) nicht erfüllt ist, wählt die Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a aus (hält den Halbleiterschalter 401a im ausgeschalteten Zustand), und die Gatesignal-Auswähleinrichtung wählt das Stromsteuerungs-PWM-Signal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a aus (führt eine PWM-Steuerung an den Halbleiterschaltern 501a und 601a mittels gegenseitiger Synchronisation aus). Außerdem haben das Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und das Gatesignal des Halbleiterschalters 601a ein Verhältnis von Polaritäten, die zueinander entgegengesetzt sind.
Der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist wie in 2 gezeigt, und der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist wie in 4 gezeigt. In 2 wird die Drosselspule 3 von der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 erregt. In 4 wird die Erregung der Drosselspule 3 zurückgesetzt, da die Summenspannung der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 und der Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 niedriger ist als die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7.
Sogar dann, wenn eine Betriebsbedingung auftritt, in welcher der obige Ausdruck (4) nicht erfüllt ist, wenn der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, gilt daher Folgendes: Für den Fall, dass die Gatesignal-Auswähleinrichtungen 20 und 23 Gatesignale der Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a wie oben beschrieben auswählen, ist es möglich, den Entladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 403 und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kontinuierlich durchzuführen.
Außerdem kann in 9 der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet sein, und der Halbleiterschalter 402a kann auf einer hohen Frequenz synchronisiert mit dem Halbleiterschalter 601a betrieben werden, und zwar ungeachtet des Falls, in welchem der Ausdruck (3) während des Einschaltzeitraums des Halbleiterschalters 601a nicht erfüllt ist, oder des Falls, in welchem der Ausdruck (4) während des Ausschaltzeitraums des Halbleiterschalters 601a nicht erfüllt ist. 13 zeigt ein Steuerblockdiagramm für den Fall, in welchem diese Steuerung durchgeführt wird. 13 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 veranschaulicht.
In 13 sind Eingangssignale 20c an die Gatesignal-Auswähleinrichtung 20 vier Signale inklusive einem Gatesignal 16a, welches ein PWM-Signal ist, einem Einschaltsignal, einem Ausschaltsignal und einem Stromsteuerungs-PWM-Signal. Eine Spannungs-Information 20b zum Auswählen eines Gatesignals weist Folgendes auf: die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403, die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 und ein Gatesignal GS1 des Halbleiterschalters 601a.
Für den Fall, dass die Ausdrücke (3) und (4) erfüllt sind, wird von der Spannungs-Information das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a ausgewählt, und das Gatesignal 16a, welches ein PWM-Signal ist, wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 402a ausgewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (3) oder der Ausdruck (4) nicht erfüllt ist, wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a ausgewählt (der Halbleiterschalter 401a wird im ausgeschalteten Zustand gehalten), und das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 402a ausgewählt.
Der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 402a und der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet sind, ist wie derjenige in 2, und der Strompfad, wenn der Halbleiterschalter 402a und der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet sind, ist wie derjenige in 5. In 2 wird die Drosselspule 3 von der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 erregt, und in 5 wird die Erregung der Drosselspule 3 zurückgesetzt durch eine Differenzspannung zwischen der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt zusätzlich zu den Merkmalen, die durch die Konfiguration aus Ausführungsform 1 erreicht werden, Folgendes: Sogar für den Fall, dass die Bedingungen (Ausdrücke (3) und (4)) nicht erfüllt sind, in welchen die Stromsteuerung durch die Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt werden kann, kann die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, indem zum Halbleiterschalter 601a gewechselt wird.
Da die Betriebs-Spannungsbereiche der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 und der Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators erweitert werden können, ist es also möglich, die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor, die der breiten Betriebsbedingung entspricht, kontinuierlich durchzuführen.
Ausführungsform 3
In den Ausführungsformen 1 und 2 gilt Folgendes: Die Dioden-Gleichrichterschaltung 200 ist in der hinteren Stufe der Wechselspannungsversorgung 1 vorhanden. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Dioden-Gleichrichterschaltung 200 jedoch weggelassen, und Wechselrichterschaltungen vom Halbbrücken-Typ werden miteinander in zwei Stufen verbunden. 14 ist ein schematisches Aufbaudiagramm einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3. Wie in 14 dargestellt, weist die Energie-Umwandlungsvorrichtung Folgendes auf: eine Hauptschaltung 102, welche Wechselspannung einer Wechselspannungsversorgung 1 in Gleichspannung umwandelt, die dann ausgegeben wird; und eine Steuerungsschaltung 11.
Die Hauptschaltung 102 weist Folgendes auf: eine Drosselspule 2 auf der positiven Seite und eine Drosselspule 3 auf der negativen Seite, die strombegrenzende Schaltungen sind; eine Wechselrichterschaltung 400, die eine erste Wechselrichterschaltung vom Halbbrücken-Typ ist; eine Wechselrichterschaltung 700, die eine zweite Wechselrichterschaltung vom Halbbrücken-Typ ist; Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a; und einen Glättungskondensator 10, der eine Ausgangsspannung glättet.
Die Ausgangsanschlüsse der Wechselspannungsversorgung 1 sind jeweils verbunden mit der Drosselspule 2 auf der positiven Seite, welche in einen Bus P1 auf der positiven Seite der Wechselspannungsversorgung 1 eingefügt ist, und mit der Drosselspule 3 auf der negativen Seite, welche in einen Bus N1 auf der negativen Seite der Wechselspannungsversorgung 1 eingefügt ist. An der hinteren Stufe der Drosselspule 2 auf der positiven Seite ist die Wechselrichterschaltung 400 vom Halbbrücken-Typ angeschlossen, die einen Halbleiterschalter 401a, einen Halbleiterschalter 402a und einen Gleichspannungskondensator 403 aufweist, der ein erster Gleichspannungskondensator ist.
Der Halbleiterschalter 401a ist ein erster Halbleiterschalter auf der positiven Seite der Gleichrichterschaltung 400. Der Halbleiterschalter 402a ist ein zweiter Halbleiterschalter auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 400. Außerdem ist ein Verbindungspunkt (ein Anschluss auf der Wechselspannungsseite) zwischen dem Halbleiterschalter 401a und dem Halbleiterschalter 402a mit der Drosselspule 2 auf der positiven Seite verbunden.
An der hinteren Stufe der Drosselspule 3 auf der negativen Seite ist ferner die Wechselrichter-schaltung 700 vom Halbbrücken-Typ angeschlossen, die einen Halbleiterschalter 701a, einen Halbleiterschalter 702a und einen Gleichspannungskondensator 703 aufweist, der ein zweiter Gleichspannungskondensator ist. Der Halbleiterschalter 701a ist ein fünfter Halbleiterschalter auf der positiven Seite der Gleichrichterschaltung 700. Der Halbleiterschalter 702a ist ein sechster Halbleiterschalter auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 700. Außerdem ist ein Verbindungspunkt (ein Anschluss auf der Wechselspannungsseite) zwischen dem Halbleiterschalter 701a und dem Halbleiterschalter 702a mit der Drosselspule 3 auf der negativen Seite verbunden.
Der Halbleiterschalter 501a, der ein dritter Halbleiterschalter ist, ist zwischen dem Halbleiterschalter 401a auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der positiven Seite P2 des Glättungskondensators 10 angeschlossen. Der Halbleiterschalter 601a, der ein vierter Halbleiterschalter ist, ist zwischen dem Halbleiterschalter 402a auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der negativen Seite N2 des Glättungskondensators 10 angeschlossen. Außerdem ist der Halbleiterschalter 801a, der ein siebter Halbleiterschalter ist, zwischen dem Halbleiterschalter 701a auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 700 und der positiven Seite P2 des Glättungskondensators 10 angeschlossen.
Der Halbleiterschalter 901a, der ein achter Halbleiterschalter ist, ist zwischen dem Halbleiterschalter 702a auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 700 und der negativen Seite N2 des Glättungskondensators 10 angeschlossen. Ferner sind die Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a und 702a Halbleiterschalter, welche die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 bilden. Die Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a sind Schalter, die die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 nicht bilden.
Wie in den Ausführungsformen 1 und 2 ist die Wechselrichterschaltung 400 eine Wechselrichterschaltung mit Halbbrücken-Konfiguration, die die Halbleiterschalter 401a und 402a, wie z. B. zwei IGBTs, die invers parallel zu den Dioden 401b und 402b geschaltet sind, und den Gleichspannungskondensator 403 aufweist. Auf ähnliche Weise ist die Wechselrichterschaltung 700 eine Wechselrichterschaltung mit Halbbrücken-Konfiguration, die die Halbleiterschalter 701a und 702a, wie z. B. zwei IGBTs, die invers parallel zu den Dioden 701b und 702b geschaltet sind, und den Gleichspannungskondensator 703 aufweist. Die Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a sind Halbleiterschalter-Elemente wie z. B. IGBTs, die jeweils invers parallel zu den Dioden 501b, 601b, 801b und 901b geschaltet sind.
Außerdem können die Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a, 702a, 501a, 601a, 801a und 901a Halbleiterschalter-Elemente sein, die sich von IGBTs unterscheiden. Sie können MOSFETs sein, bei welchen eine Diode zwischen Source und Drain eingebettet ist, oder dergleichen. Ferner gilt für einen Fall, in welchem der Regenerativbetrieb nicht durchgeführt wird, Folgendes: Die Halbleiterschalter 501a und 801a können weggelassen werden, und es können nur die Dioden 501b und 801b verwendet werden.
Außerdem weist die Energie-Umwandlungsvorrichtung Folgendes auf: ein Voltmeter, welches die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 misst; ein Voltmeter, welches die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 400 misst; ein Voltmeter, welches die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 misst; ein Voltmeter, welches die Wechselspannung Vac von der Wechselspannungsversorgung 1 misst; und ein Amperemeter, welches einen davon ausgehenden Wechselstrom Iac misst.
Die Steuerungsschaltung 11 steuert das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter-Elemente 401a, 402a, 701a, 702a, 501a, 601a, 801a und 901a. Die Steuerungsschaltung 11 erzeugt Gate-Signale 12 und 13, die an die Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400, die Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 und die Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a, 901a angelegt werden.
Sie führt eine Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400, der Wechselrichterschaltung 700, und der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a durch, und zwar auf der Basis der Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400, der Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700, der Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 und der Wechselspannung Vac und des Wechselstroms Iac von der Wechselspannungsversorgung 1. Daher wird die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gehalten, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc3* ist, der Wechselstrom Iac von der Wechselspannungsversorgung 1 wird auf einem hohen Leistungsfaktor gehalten, und die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators und die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 werden so gehalten, dass sie gegebene Befehlswerte Vc4* und Vc5* sind.
Genauer gesagt: Die Steuerungsschaltung 11 steuert das Einschalten und das Ausschalten des Halbleiterschalters 601a und des Halbleiterschalters 901a, so dass die Gleichspannungen Vc4 und Vc5 des Gleichspannungskondensators 403 und des Gleichspannungskondensators 703 dem jeweiligen Befehlswert Vc4* bzw. Vc5* folgen, und sie steuert das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a und 702a so, dass die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 der Sollspannung Vc3* des Glättungskondensators 10 folgt, um so den Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 einzustellen, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor verbessert wird.
Außerdem verändert die Steuerungsschaltung 11 die Steuerung für das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 und die Steuerung für das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 in Abhängigkeit von den Polaritäten der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, so dass die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 der Sollspannung Vc3* des Glättungskondensators 10 folgt, um so den Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 einzustellen, so dass eine Steuerung zum Verbessern des Eingangs-Leistungsfaktors durchgeführt wird.
Ferner führt die Steuerungsschaltung 11 eine Steuerung zum Regenerieren von Energie aus dem Glättungskondensator 10 in der Wechselspannungsversorgung 1 durch. Ferner steuert die Steuerungsschaltung 11 das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a, 702a, 501a, 601a, 801a und 901a, so dass die Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 während eines Energieversorgungsbetriebes geladen werden und die Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 während eines Regenerativbetriebes entladen werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachstehend der Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung mit dieser Konfiguration beschrieben, d. h. der Betrieb zum Ausgeben von Gleichspannung an den Glättungskondensator 10. Die 15 bis 22 sind Strompfad-Diagramme, die den Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung veranschaulichen. Die 15 bis 18 sind Strompfad-Diagramme für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac positiv ist. Die 19 bis 22 sind Strompfad-Diagramme für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac negativ ist. In den 15 bis 22 ist der Schaltungsaufbau der gleiche wie derjenige aus 14, und der Pfad, entlang dessen der Strom fließt, ist in dicken Linien dargestellt.
Außerdem zeigt 23 Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 der Wechselrichterschaltungen 400 und 700, um den Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern. In 23 gilt Folgendes: 23(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac; 23(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a; 23(c) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände der Halbleiterschalter 401a und 402a; 23(d) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 901a.
23(e) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände der Halbleiterschalter 701a und 702a; 23(f) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403; und 23(g) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 703. In den 23(f) und 23(g) zeigen die Bereiche, die mit Pfeilen angezeigt werden, Zeiträume, in welchen das Laden und Entladen nicht durchgeführt wird.
Außerdem ist die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 23 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc3* annimmt. In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a und der Halbleiterschalter 401a und 402a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, so dass die Halbleiterschalter 701a, 702a, 801a und 901a ausgeschaltet sind.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 801a und 901a und der Halbleiterschalter 701a und 702a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, so dass die Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a ausgeschaltet sind.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird zunächst auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a und der Strompfade für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist. In 15 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass erden Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. In 16 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 lädt.
Außerdem ist in 17 Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 entlädt. In 18 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 403 durchzuführen. Außerdem fließt ein Strom, der durch die Seite der Wechselrichterschaltung 700 fließt, durch die Diode 901b und die Diode 702b. Er kann jedoch auch so gesteuert werden, dass er durch die Halbleiterschalter 901a und 702a fließt, indem die Halbleiterschalter 901a und 702a angemessen ein- und ausgeschaltet werden.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird dann auf den Wert θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 701a, 702a, 801a und 901a und der Strompfade für den Fall, dass π ≤ θ < 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist. In 19 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt.
In 20 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 lädt. Außerdem ist in 21 Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 entlädt.
In 22 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt.
Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 703 durchzuführen. Außerdem fließt ein Strom, der durch die Seite der Wechselrichterschaltung 400 fließt, durch die Diode 601b und die Diode 402b. Er kann jedoch auch so gesteuert werden, dass er durch die Halbleiterschalter 601a und 402a fließt, indem die Halbleiterschalter 601a und 402a angemessen ein- und ausgeschaltet werden.
In 23 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich ±θ1, der auf die Nulldurchgangs-Phase der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zentriert ist, d. h. im Phasenbereich 0 bis θ1 und im Phasenbereich (π – θ1) bis π. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichter-schaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 15 und der Betriebsmodus in 16 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 ausgehend von der Wechselrichterschaltung 400 durch die Diode 901b und die Diode 702b (oder die Halbleiterschalter 901a und 702a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 15 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 16 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 15 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 16 geladen.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 15 und des Betriebsmodus aus 16. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 23 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird dann Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a (nicht dargestellt) eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich θ1 bis (π – θ1). Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 17 und der Betriebsmodus in 18 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 10 von der Wechselrichterschaltung 400 durch den Halbleiterschalter 501a, und fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch die Diode 901b und die Diode 702b (oder die Halbleiterschalter 901a und 702a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 400 eine Spannung (Vc4* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 17 und den Betriebsmodus von 18 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 400 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 17 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 18 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 17 entladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 18 überbrückt. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 17 und des Betriebsmodus aus 18. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 23 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 801a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich ±θ2, der auf die Nulldurchgangs-Phase der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zentriert ist, d. h. im Phasenbereich π bis (π + θ2) und im Phasenbereich (2π – θ2) bis 2π. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 19 und der Betriebsmodus in 20 werden wechselweise durchgeführt).
Indem diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 ausgehend von der Wechselrichterschaltung 700 durch die Diode 601b und die Diode 402b (oder die Halbleiterschalter 601a und 402a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 19 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 20 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 19 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 20 geladen.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 19 und des Betriebsmodus aus 20. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 23 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 801a eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich (π + θ2) bis (2π – θ2). Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 21 und der Betriebsmodus in 22 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom aus der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 10 von der Wechselrichterschaltung 700 durch den Halbleiterschalter 801 und fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch die Diode 601b und die Diode 402b (oder die Halbleiterschalter 601a und 402a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 700 eine Spannung (Vc5* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 21 und den Betriebsmodus von 22 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 700 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 700 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 21 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 22 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungs-kondensator 703 in dem Betriebsmodus von 21 entladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 22 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 21 und des Betriebsmodus aus 22. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachstehend der Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung mit dieser Konfiguration beschrieben, d. h. der Betrieb zum Ausgeben von Wechselspannung an die Wechselspannungsversorgung 1. Die 24 bis 31 sind Strompfad-Diagramme, die den Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung veranschaulichen.
Die 24 bis 27 sind Strompfad-Diagramme für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac positiv ist. Die 28 bis 31 sind Strompfad-Diagramme für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac negativ ist. In den 24 bis 31 ist der Schaltungsaufbau der gleiche wie derjenige aus 14, und der Pfad, entlang dessen der Strom fließt, ist in dicken Linien dargestellt.
Außerdem zeigt 32 Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 der Wechselrichterschaltungen 400 und 700, um den Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern. In 32 gilt Folgendes: 32(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac; 32(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a.
32(c) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 401a; 32(d) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 402a; 32(e) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 901a; 32(f) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 701a
32(g) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 702a; 32(h) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403; und 32(i) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 703. In den 32(h) und 32(i) zeigen die Bereiche, die mit Pfeilen angezeigt werden, Zeiträume, in welchen das Laden und Entladen nicht durchgeführt wird.
Außerdem ist die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 32 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc3* annimmt. In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a und der Halbleiterschalter 401a und 402a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, so dass der Halbleiterschalter 901a und der Halbleiterschalter 702a, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, eingeschaltet sind, und so dass der Halbleiterschalter 801a und der Halbleiterschalter 701a, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, ausgeschaltet sind.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 801a und 901a und der Halbleiterschalter 701a und 702a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, so dass der Halbleiterschalter 601a und der Halbleiterschalter 402a, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, eingeschaltet sind, und so dass der Halbleiterschalter 501a und der Halbleiterschalter 401a, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, ausgeschaltet sind.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird zunächst auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a und der Strompfade für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist. In 24 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
In 25 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 entlädt. Außerdem ist in 26 Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 lädt.
In 27 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. In den vier Betriebsmodi sind die Halbleiterschalter 702a und 901a normalerweise eingeschaltet. Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 403 durchzuführen.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird dann auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 701a, 702a, 801a und 901a und der Strompfade für den Fall, dass π ≤ θ < 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist. In 28 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt. In 29 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 entlädt.
Außerdem ist in 30 Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 lädt. In 31 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt.
In den vier Betriebsmodi sind die Halbleiterschalter 402a und 601a normalerweise eingeschaltet. Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 703 durchzuführen.
In 32 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich ±θ1, der auf die Nulldurchgangs-Phase der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zentriert ist, d. h. im Phasenbereich 0 bis θ1 und im Phasenbereich (π – θ1) bis π. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 24 und der Betriebsmodus in 25 werden wechselweise durchgeführt).
Indem diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 400 durch die Halbleiterschalter 702a und 901a über den Halbleiterschalter 601a geleitet. Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 24 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 25 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 24 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 25 entladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 24 und des Betriebsmodus aus 25. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 32 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a (nicht dargestellt) eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich θ1 bis (π – θ1). Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 26 und der Betriebsmodus in 27 werden wechselweise durchgeführt).
Indem diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 400 über den Halbleiterschalter 501a eingegeben, um so in der Wechselspannungsversorgung 1 regeneriert zu werden. Der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 fließt zum Glättungskondensator 10 über die Halbleiterschalter 702a und 901a.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 400 eine Spannung (Vc4* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 26 und den Betriebsmodus von 27 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1
In der Wechselrichterschaltung 400 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 26 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 27 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 26 geladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 27 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 26 und des Betriebsmodus aus 27. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 32 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich ±θ2, der auf die Nulldurchgangs-Phase der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zentriert ist, d. h. im Phasenbereich π bis (π + θ2) und im Phasenbereich (2π – θ2) bis 2π. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 28 und der Betriebsmodus in 29 werden wechselweise durchgeführt).
Indem diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben, um zu der Wechselspannungsversorgung 1 zurückzufließen. Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 28 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 29 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 28 entladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 29 überbrückt. Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 28 und des Betriebsmodus aus 29. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 32 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 801a eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich (π + θ2) bis (2π – θ2). Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 30 und der Betriebsmodus in 31 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 von der Wechselrichterschaltung 700 zurück.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 700 eine Spannung (Vc5* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 30 und den Betriebsmodus von 31 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 700 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 700 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 30 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 31 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 30 geladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 31 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 30 und des Betriebsmodus aus 31. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
Ungeachtet des Energieversorgungsbetriebs oder des Regenerativbetriebs der Energie-Umwandlungsvorrichtung gilt Folgendes: Der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a wird für den Fall angepasst, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, und folglich kann die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 auf einer konstanten Spannung gehalten werden.
Außerdem wird der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 901a für den Fall angepasst, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, und folglich kann die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 auf einer konstanten Spannung gehalten werden.
Bei dem Betriebsverfahren wird das Verhältnis zwischen der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 und der Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 wie in Gleichung (1) auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 ausgedrückt. Die Sollspannung Vc2* von Gleichung (1) muss jedoch durch die Sollspannung Vc3* ersetzt werden.
Außerdem müssen im Zusammenhang mit einer Etablierungsbedingung der Stromsteuerung auf die gleiche Weise wie in den Ausdrücken (3) und (4) auch die Ausdrücke (5) und (6) für den Fall erfüllt sein, dass die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt wird, und die Ausdrücke (7) und (8) müssen für den Fall erfüllt sein, dass die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt wird. Vc4 ≥ Vp·sinθ1 (5) Vc4 ≥ (|Vc3* – Vp·sinθ1|) (6) Vc5 ≥ Vp·sinθ1 (7) Vc5 ≥ (|Vc3* – Vp·sinθ1|) (8).
In dem oben beschriebenen Betriebsverfahren kann für den Fall, dass die Etablierungsbedingungen (die Ausdrücke (5) bis (8)) der Stromsteuerung nicht erfüllt sind, die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, indem die Stromsteuerung durch die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 zu derjenigen der Halbleiterschalter 601a und 901a verändert wird.
Nachstehend werden die Strompfade bei der Stromsteuerung beschrieben, die von den Halbleiterschaltern 601a und 901a im Energieversorgungsbetrieb durchgeführt werden. Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (5) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 601a wird PWM-gesteuert.
Der Strompfad ist wie der in 16 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, und der Strompfad ist wie der in 18 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist. Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 16 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 18 gezeigten Strompfad zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 16 geladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 18 überbrückt. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Ladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 403 kontinuierlich durchgeführt werden.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (6) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 601a wird PWM-gesteuert. Der Strompfad ist wie der in 15 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, und der Strompfad ist wie der in 17 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist.
Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 15 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 17 gezeigten Strompfad zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 15 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 17 entladen. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Entladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 403 kontinuierlich durchgeführt werden.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (7) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 701a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 901a wird PWM-gesteuert. Der Strompfad ist wie der in 20 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist, und der Strompfad ist wie der in 22 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist.
Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 20 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 22 gezeigten Strompfad zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 20 geladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 22 überbrückt. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Ladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 703 kontinuierlich durchgeführt werden.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (8) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 702a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 901a wird PWM-gesteuert. Der Strompfad ist wie der in 19 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist, und der Strompfad ist wie der in 21 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist.
Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 19 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 21 gezeigten Strompfad zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 19 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 21 entladen. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Entladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 703 kontinuierlich durchgeführt werden.
Auch während des Regenerativbetriebs ist es möglich, die Stromsteuerung kontinuierlich durch Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a durchzuführen. Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (5) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 501a und der Halbleiterschalter 601a werden PWM-gesteuert.
Hierbei haben die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 501a ein Verhältnis von Polaritäten, die umgekehrt zu den Einschaltzuständen und den Ausschaltzuständen des Halbleiterschalters 601a sind. Ein Strompfad ist in 25 gezeigt für den Fall, dass der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist.
Ein Strompfad ist in 27 gezeigt für den Fall, dass der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist. Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 25 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 27 gezeigten Strompfad zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 25 entladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 27 überbrückt. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Entladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 403 kontinuierlich durchgeführt werden.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (6) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 501a und der Halbleiterschalter 601a werden PWM-gesteuert.
Auch hierbei haben die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 501a ein Verhältnis von Polaritäten, die umgekehrt zu den Einschaltzuständen und den Ausschaltzuständen des Halbleiterschalters 601a sind. Der Strompfad ist wie der in 24 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist.
Ein Strompfad ist wie der in 26 gezeigte für den Fall, dass der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist. Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 24 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 26 gezeigten Strompfad zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 24 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 26 geladen. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Ladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 403 kontinuierlich durchgeführt werden.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (7) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 701a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 801a und der Halbleiterschalter 901a werden PWM-gesteuert.
Auch hierbei haben die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 801a ein Verhältnis von Polaritäten, die umgekehrt zu den Einschaltzuständen und den Ausschaltzuständen des Halbleiterschalters 901a sind. Ein Strompfad ist in 29 gezeigt für den Fall, dass der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist.
Ein Strompfad ist in 31 gezeigt für den Fall, dass der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist. Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 29 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 31 gezeigten Strompfad zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 29 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 31 entladen. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Entladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 703 kontinuierlich durchgeführt werden.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (8) in einem Zeitraum nicht erfüllt ist, in welchem der Halbleiterschalter 801a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 702a eingeschaltet, und der Halbleiterschalter 801a und der Halbleiterschalter 901a werden PWM-gesteuert.
Auch hierbei haben die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 801a ein Verhältnis von Polaritäten, die umgekehrt zu den Einschaltzuständen und den Ausschaltzuständen des Halbleiterschalters 901a sind. Ein Strompfad ist in 28 gezeigt für den Fall, dass der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist. Ein Strompfad ist in 30 gezeigt für den Fall, dass der Halbleiterschalter 801a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist.
Die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem Strompfad erregt, der in 28 gezeigt ist, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite werden in dem in 30 gezeigten Strompfad zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 28 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 30 geladen. Sogar für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, kann daher die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, und folglich kann auch ein Ladungsvorgang des Gleichspannungskondensators 703 kontinuierlich durchgeführt werden.
Außerdem wird die Wechselrichterschaltung 400 so betrieben, dass die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 401a Polaritäten haben, die entgegengesetzt zu denjenigen der Einschaltzustände und der Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 402a sind. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet.
Auf ähnliche Weise wird die Wechselrichterschaltung 700 so betrieben, dass die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 701a Polaritäten haben, die entgegengesetzt zu denjenigen der Einschaltzustände und der Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 702a sind.
Nachfolgend werden Einzelheiten der Steuerung der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 beschrieben. 33 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 11 durchgeführt wird. In den Wechselrichterschaltungen 400 und 700 wird die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gehalten, dass sie die Sollspannung Vc3* ist, indem eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a und 702a durchgeführt wird, die die Wechselrichterschaltungen bilden. Der Wechselstrom Iac wird so gesteuert, dass der Leistungsfaktor der Wechselrichterschaltung 1 während des Energieversorgungsbetriebes ungefähr 1 wird, und dass er während des Regenerativbetriebes ungefähr (–1) wird.
In 33 bezieht zunächst ein Subtrahierer 26 die Differenz 26a zwischen der Gleichspannung Vc3 und der Sollspannung Vc3* des Glättungskondensators 10. Die Differenz 26a zwischen der Gleichspannung Vc3 und der Sollspannung Vc3* wird als Rückführungswert benutzt; ein Ausgang, der mittels eines PI-Reglers 27 PI-geregelt wird, wird als Amplituden-Sollwert 27a eingestellt.
Ein Sinuswellen-Strombefehl (Iac*) 28a, der mit der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 synchronisiert wird, wird von einem Strombefehl-Generator 28 auf der Basis des Amplituden-Sollwerts 27a und einer Synchronisationsfrequenz Fs der Wechselspannungsversorgung 1 erzeugt. Der Strombefehl (Iac*) 28a wird so angepasst, dass der Leistungsfaktor während des Energieversorgungsbetriebes ungefähr 1 wird, und dass er während des Regenerativbetriebes ungefähr (–1) wird.
Danach wird die Differenz 29a zwischen dem eingestellten Strombefehl (Iac*) 28a und dem detektierten Wechselstrom Iac mittels eines Subtrahierers 29 bestimmt. Die Differenz 29a zwischen dem Strombefehl Iac* und dem Wechselstrom Iac wird als Rückführungswert verwendet, und ein Ausgang, der mittels eines PI-Reglers 30 PI-geregelt wird, wird als Spannungs-Befehl 30a verwendet, der der Sollwert einer von den Wechselrichterschaltungen 400 und 700 erzeugten Spannung ist.
In diesem Fall wird eine Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung erhalten, welche synchronisiert ist mit der Veränderung zwischen der ersten Steuerung, bei welcher der Halbleiterschalter 601a oder der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a oder der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet ist, und der zweiten Steuerung, bei welcher der Halbleiterschalter 601a oder der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a oder der Halbleiterschalter 801a eingeschaltet ist.
Ein Addierer 31 addiert die Korrekturspannung in Vorwärtskopplung ΔV zum Spannungs-Befehl 30a, um so den Spannungs-Befehl 31a zu korrigieren. Außerdem erzeugt ein Gatesignal-Generator 32 ein Gatesignal 32a eines jeden Halbleiterschalters der Wechselrichterschaltungen 400 und 700, der der PWM-Steuerung entspricht, indem er einen korrigierten Spannungs-Befehl 31a verwendet.
Wie oben erwähnt, führt die Steuerungsschaltung 11 die Steuerung mit Vorwärtskopplung aus, bei welcher die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung zum Strombefehl 30a nur zur Veränderungszeit zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten der Halbleiterschalter 601a und 901a addiert wird, welches die Veränderungszeit zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung ist.
Die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung ist eine Wechselspannung –Vac mit einer Polarität, die umgekehrt zu der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 während der ersten Steuerung ist, und welche eine Differenzspannung (Vc5 – Vac) zwischen der Gleichspannung Vc5 des Glättungskondensators 10 und der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 während der zweiten Steuerung ist.
Nach der Berechnung des Gatesignals 32a wählt eine Gatesignal-Auswähleinrichtung 33 ein Gatesignal eines jeden der Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a und 702a der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 gemäß einer Betriebsbedingung aus. 34 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung 33 veranschaulicht. Die Gatesignal-Auswähleinrichtung 33 wählt ein passendes Gatesignal aus den Eingangssignalen 33a auf der Basis der Polarität der Eingangs-Wechselspannung und der Spannungs-Information 33b aus und erzeugt ein Gatesignal eines jeden der Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a und 702a.
Die Eingangssignale 33a an die Gatesignal-Auswähleinrichtung 33 sind drei Signale inklusive dem Gatesignal 32a, das ein PWM-Signal ist, einem Einschaltsignal und einem Ausschaltsignal. Die Gatesignal-Auswähleinrichtung 33 wählt die Drei-Muster-Signale aus, um so ein Gatesignal auszugeben. Die Spannungs-Information 33b zum Auswählen eines Gatesignals ist eine Information, die dazu benötigt wird, die Polarität der Wechselspannung Vac zu bestimmen und die Herstellung der Gleichungen (5) und (8) zu bestimmen.
Sie beinhaltet die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10, die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403, die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 und ein Gatesignal GS2 der Halbleiterschalter 601a und 901a. Außerdem wird auch ein Energieversorgungs-/Regenerativbetriebsbefehl (Energieversorgung/Regenerativ) in die Gatesignal-Auswähleinrichtung 33 eingegeben.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (5) erfüllt ist, wird das Gatesignal 32a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal der Halbleiterschalter 401a und 402a ausgewählt. Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 701a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt. Als Gatesignal des Halbleiterschalters 702a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (5) nicht erfüllt ist, wird die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 400 an den Halbleiterschalter 601a übergeben. Daher wird das Einschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 402a gewählt.
Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 701a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt. Als ein Gatesignal des Halbleiterschalters 702a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, sich der Halbleiterschalter 601a im Ausschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (6) erfüllt ist, wird das Gatesignal 32a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal der Halbleiterschalter 401a und 402a ausgewählt. Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 701a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt.
Als Gatesignal des Halbleiterschalters 702a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt. Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (6) nicht erfüllt ist, wird die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 400 an den Halbleiterschalter 601a übergeben.
Daher wird das Einschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 402a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a gewählt. Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 701a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt. Als ein Gatesignal des Halbleiterschalters 702a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, sich der Halbleiterschalter 901a im Einschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (7) erfüllt ist, wird das Gatesignal 32a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal der Halbleiterschalter 701a und 702a ausgewählt. Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt.
Als Gatesignal des Halbleiterschalters 402a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt. Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, sich der Halbleiterschalter 901a im Einschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (7) nicht erfüllt ist, wird die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 700 an den Halbleiterschalter 901a übergeben.
Daher wird das Einschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 701a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 702a gewählt. Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt. Als ein Gatesignal des Halbleiterschalters 402a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, sich der Halbleiterschalter 901a im Ausschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (8) erfüllt ist, wird das Gatesignal 32a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal der Halbleiterschalter 701a und 702a ausgewählt. Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt.
Als Gatesignal des Halbleiterschalters 402a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt. Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, sich der Halbleiterschalter 901a im Ausschaltzustand befindet, und die Bedingung des Ausdrucks (8) nicht erfüllt ist, wird die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 700 an den Halbleiterschalter 901a übergeben.
Daher wird das Einschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 702a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 701a gewählt. Außerdem wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 401a ungeachtet des Energieversorgungsbetriebes und des Regenerativbetriebes ausgewählt. Als ein Gatesignal des Halbleiterschalters 402a wird das Ausschaltsignal während des Energieversorgungsbetriebs ausgewählt, und das Einschaltsignal wird während des Regenerativbetriebs ausgewählt.
Nachfolgend wird eine Beschreibung der Steuerung gegeben, welche mit der Ausgabe der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a zusammenhängt, welche bewirkt, dass die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 dem Befehlswert Vc4* folgt, und welche bewirkt, dass die Spannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 dem Befehlswert Vc5* folgt. 35 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 601a und 901a veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 11 durchgeführt wird.
In 35 bezieht zunächst ein Subtrahierer 36 die Differenz 36a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc4* und einer detektierten Spannung Vc4. Die Differenz 36a zwischen dem Befehlswert Vc4* und der Gleichspannung Vc4 wird in eine Auswähleinrichtung 38 für den Energieversorgungs-/Regenerativbetrieb als Rückführungswert eingegeben. Die Auswähleinrichtung 38 für den Energieversorgungs-/Regenerativbetrieb gibt an einen PI-Regler 40 einen Rückführungswert aus, welcher 1 (ein-Mal) während des Energieversorgungsbetriebs beträgt, und sie gibt einen Rückführungswert aus, welcher –1 (minus-ein-Mal) während des Regenerativbetriebs beträgt.
Eine Ausgabe, welche von dem PI-Regler 40 PI-geregelt wird, wird als Spannungs-Befehl 40a eingestellt. Ein Gatesignal-Generator 42 erzeugt ein Gatesignal 42a des Halbleiterschalters 601a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er den Spannungs-Befehl 40a verwendet. Auf ähnliche Weise wird in Relation zu der gegebenen Steuerung der Gleichspannung Vc5 ein Gatesignal 43a des Halbleiterschalters 901a erzeugt.
Bei der PWM-Steuerung wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungs-versorgung 1 beträgt, als Trägerwelle verwendet, und die Gatesignale 42a und 43a werden durch vergleichende Berechnung erzeugt. Mit anderen Worten: die Kurzschlusszeiträume der Halbleiterschalters 601a und 901a werden ebenso von den Gatesignalen 42a und 43a gesteuert.
Nachfolgend wählt eine Gatesignal-Auswähleinrichtung 44 ein Gatesignal eines jeden der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a gemäß der Betriebsbedingung. 36 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung 44 veranschaulicht. Die Gatesignal-Auswähleinrichtung 44 wählt ein passendes Gatesignal aus den Eingangssignalen 44a auf der Basis der Spannungs-Information 44b und eines Energieversorgungs-/Regenerativbetriebsbefehls (Energieversorgung/Regenerativ) aus und erzeugt ein Gatesignal eines jeden der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a.
Die Eingangssignale 44a sind fünf Signale inklusive einem Stromsteuerungs-PWM-Signal, einem Einschaltsignal, einem Ausschaltsignal und den Gatesignalen 42a und 43a auf der Basis von Spannungs-Befehlen, welche berechnet werden, um zu bewirken, dass jeweils die Gleichspannung Vc4 und die Gleichspannung Vc5, die in 35 dargestellt sind, dem Befehlswert Vc4* bzw. dem Befehlswert Vc5* folgen.
Die Spannungs-Information 44b ist eine Information, die dazu benötigt wird, die Polarität der Wechselspannung Vac zu bestimmen und die Herstellung der Gleichungen (5) und (8) zu bestimmen. Sie beinhaltet ein Gatesignal GS2 der Halbleiterschalter 601a und 901a, die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403, die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 und die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10.
Zunächst wird der Fall des Energieversorgungsbetriebs beschrieben. Während des Energieversorgungsbetriebs gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (5) erfüllt ist, wird das Gatesignal 42a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, wird das Stromsteuerungs-PWM-Signal als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (6) erfüllt ist, wird das Gatesignal 42a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (7) erfüllt ist, wird das Gatesignal 43a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (8) erfüllt ist, wird das Gatesignal 43a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Als nächstes wird der Fall des Regenerativbetriebs beschrieben. Während des Regenerativbetriebs gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (5) erfüllt ist, wird das Gatesignal 42a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a gewählt (eine PWM-Steuerung wird an den Halbleiterschaltern 501a und 601a dadurch durchgeführt, dass sie miteinander synchronisiert werden). Der Halbleiterschalter 501a wird hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und Ausdruck (6) erfüllt ist, wird das Gatesignal 42a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a gewählt. Der Halbleiterschalter 501a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (7) erfüllt ist, wird das Gatesignal 43a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a gewählt. Der Halbleiterschalter 801a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist. Das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und die Bedingung des Ausdrucks (8) erfüllt ist, wird das Gatesignal 43a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a gewählt. Der Halbleiterschalter 801a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist. Das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Außerdem können für den Fall, dass nur der Energieversorgungsbetrieb durchgeführt wird, die Halbleiterschalter 501a und 801a, die mit der positiven Seite des Glättungskondensators 10 verbunden sind, durch Dioden ersetzt werden, und die Halbleiterschalter 401a und 701a der jeweiligen positiven Seite der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 können durch Hochfrequenzdioden ersetzt werden, die Verluste haben, welche kleiner als diejenigen der Dioden während des Betriebs mit hoher Frequenz sind. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sperrverzögerungsverluste und die Leitungsverluste zu optimieren.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Da die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 wie oben beschrieben gesteuert werden, wird die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 dazu veranlasst, der Sollspannung Vc3* zu folgen, und der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 wird gesteuert, um verbessert und ausgegeben zu werden. Außerdem wird die erzeugte Spannung auf der AC-Seite der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 der Wechselspannung Vac überlagert, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird.
Mit der oben beschrieben Ausführungsform ist es möglich, eine Funktion zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und eine Funktion zum Steuern einer Wechselspannungsversorgung bei einem hohen Leistungsfaktor zu verwirklichen, ohne eine Dioden-Gleichrichterschaltung zu verwenden, und folglich einen Regenerativbetrieb zusätzlich zu den Merkmalen der Konfiguration von Ausführungsform 1 zu erhalten.
Da außerdem die zwei Wechselrichterschaltungen 400 und 700 verändert und gesteuert werden, und zwar in Abhängigkeit der Polarität der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1, ist es möglich, die Leistungs-Lastzeiträume der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 um die Hälfte zu verringern und folglich den Bereich zu erweitern, bei welchem die Energie-Umwandlungsvorrichtung angewendet wird.
Ausführungsform 4
Bei der Ausführungsform 1 sind eine einzige Einschalt-Phase und eine einzige Ausschalt-Phase des Halbleiterschalters 601a bei einem Viertel der Periode der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 vorgesehen. Ausführungsform 4 unterscheidet sich dahingehend von Ausführungsform 1, dass zwei Einschalt-Phasen und zwei Ausschalt-Phasen des Halbleiterschalters 601a bei dem Viertel der Periode vorgesehen sind.
Außerdem ist die Schaltungskonfiguration von Ausführungsform 4 die gleiche wie diejenige, die in 1 von Ausführungsform 1 veranschaulicht ist, und das Verhältnis zwischen dem Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung und dem Strompfad ist ebenfalls das gleiche wie das in den 2 bis 5 veranschaulichte.
Nachstehend wird ein Betriebsprinzip gemäß Ausführungsform 4 beschrieben. FIG. zeigt 37 Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen des Gleichspannungskondensators der Wechselrichterschaltung, um den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 zu erläutern. In 37 gilt Folgendes: 37(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac; 37(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a; und 37(c) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403.
In 37(b) gilt Folgendes: Der Phasenbereich von 0 bis θ1 ist ein erster Einschaltzeitraum; der Phasenbereich von θ1 bis θ2 ist ein erster Ausschaltzeitraum; der Phasenbereich von θ2 bis θ3 ist ein zweiter Einschaltzeitraum; und der Phasenbereich von θ3 bis π/2 ist ein zweiter Ausschaltzeitraum. Die Spannungsphasen θ1, θ2 und θ3 werden eingestellt, und folglich wird die Länge von jedem von dem Einschaltzeitraum und dem Ausschaltzeitraum bestimmt.
Auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 ist die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 37 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc2* annimmt.
Außerdem wird die Wechselspannung Vac, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird, in der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 einer Vollwellen-Gleichrichtung unterzogen. Folglich arbeitet sie mit einer Periode, die doppelt so hoch wie die Wechselgrößen-Periode der Wechselspannungsversorgung 1 ist. Die Wechselrichterschaltung 400 steuert den Wechselstrom Iac und gibt ihn aus, und zwar mittels Pulsweitenmodulations-Steuerung (PWM), so dass der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 ungefähr 1 wird, und sie überlagert die erzeugte Spannung von der AC-Seite der Wechsel-spannung Vac, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird.
Außerdem werden symmetrische Vorgänge in Bezug auf die Spannungsphase π/2 im Phasenbereich von 0 bis π/2 und im Phasenbereich von π/2 bis π durchgeführt. Aus diesem Grund wird hier der Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung im Phasenbereich von 0 bis π/2 beschrieben. Außerdem haben die Spannungsphasen θ1, θ2 und θ3 ein Verhältnis von θ1 < θ2 < θ3.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird zunächst auf 0 gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac positiv ist. Da von der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 eine Vollwellen-Gleichrichtung vorgenommen wird, werden auch für den Fall, dass π < θ ≤ 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung negativ ist, die gleichen Vorgänge wie in dem Fall des positiven Polaritätsbereichs 0 ≤ θ < π durchgeführt.
Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 501a ausgeschaltet sind, wie es in 2 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 501a ausgeschaltet sind, wie es in 3 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 lädt.
Außerdem fließt für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 601a ausgeschaltet sind, wie es in 4 dargestellt ist, der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 entlädt. Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 601a ausgeschaltet sind, wie es in 5 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
Durch Kombinationen von Einschaltsteuerung und Ausschaltsteuerung der vier Halbleiterschalter werden die Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a so gesteuert, dass die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert wird. Daher wird der Gleichspannungskondensator 403 geladen und entladen, und folglich wird die Stromsteuerung durchgeführt. Wenn ein Strom durch die Halbleiterschalter 401a und 501a vom Emitter zum Kollektor fließt, dann können die Halbleiterschalter-Elemente ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Dioden 401b und 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet sind.
In 37 ist Folgendes gezeigt: Der Glättungskondensator 7 wird überbrückt, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet (fest im Einschaltzustand gehalten wird) und sich der Halbleiterschalter 501a im Ausschaltzustand befindet (fest im Ausschaltzustand gehalten wird), und zwar im Phasenbereich von ±θ1, der auf die Nulldurchgangs-Phase (θ = 2 oder π) zentriert ist, und in dem Phasenbereich θ2 bis θ3 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1.
Der Phasenbereich von 0 bis θ1 und der Phasenbereich von θ2 bis θ3 werden als die Einschalt-Phasen gesetzt. Wie in 2 gezeigt, wird zu diesem Zeitpunkt der Wechselstrom Iac von der Wechselspannungsversorgung 1 durch die Drosselspule 3 begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch den Halbleiterschalter 601a zurück. Die Drosselspule 3 wird im Betriebsmodus von 2 erregt, und die Erregung der Drosselspule 3 wird im Betriebsmodus von 3 zurückgesetzt.
Für den Fall des Betriebsmodus von 2 wird außerdem der Gleichspannungskondensator 403 überbrückt, und für den Fall des Betriebsmodus von 3 wird der Gleichspannungskondensator 403 geladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 2 und des Betriebsmodus aus 3. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Stromsteuerung kann durchgeführt werden.
Wie in 37, dargestellt, wird nachfolgend eine Gleichspannung an den Glättungskondensator 7 ausgegeben, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Ausschaltzustand befindet und der Halbleiterschalter 501a im Einschaltzustand, und zwar im Phasenbereich von θ1 bis θ2 und im Phasenbereich von θ3 bis π/2 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1. Der Phasenbereich von θ1 bis θ2 und der Phasenbereich von θ3 bis π/2 werden als die Einschalt-Phasen gesetzt.
Wie in 4 dargestellt, wird zu diesem Zeitpunkt der Wechselstrom Iac aus der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 3 begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 7 durch den Halbleiterschalter 501a und fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 zurück.
Die Wechselrichterschaltung 400 gibt eine Spannung (Vc2* – Vac) aus, addiert die Ausgangsspannung (Vc2* – Vac) von der Wechselrichterschaltung 400 der Wechselspannungsversorgung 1, indem sie den Betriebsmodus aus 4 und den Betriebsmodus aus 5 wiederholt, und sie steuert die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7, um die Sollspannung Vc2* zu erreichen, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
Bei der Wechselrichterschaltung 400 wird die Drosselspule 3 in dem Betriebsmodus von 4 erregt, und die Erregung der Drosselspule 3 wird im Betrieb von 5 zurückgesetzt. Für den Fall des Betriebsmodus von 4 wird außerdem der Gleichspannungskondensator 403 entladen, und für den Fall des Betriebsmodus von 5 wird der Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 4 und des Betriebsmodus aus 5. Folglich kann die Stromsteuerung durchgeführt werden.
Wie oben erwähnt, ändert sich die Steuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a bei den Spannungsphasen θ1, θ2 und θ3 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und der Glättungskondensator 7 wird überbrückt, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet und sich der Halbleiterschalter 501a im Ausschaltzustand befindet, und zwar nur im Phasenbereich von 0 bis θ1 und im Phasenbereich von θ2 bis θ3.
Zu diesem Zeitpunkt steuert die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400, um im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Wechselspannung Vac zu erzeugen, die die umgekehrte Polarität hat, und sie steuert auch den Wechselstrom Iac und gibt diesen aus, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird, um den Gleichspannungskondensator 403 zu laden.
Außerdem steuert die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400, um die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* zu halten, wenn sich der Halbleiterschalter 501a im Einschaltzustand befindet und sich der Halbleiterschalter 601a im Ausschaltzustand befindet, und zwar in dem Phasenbereich von θ1 bis θ2 und in dem Phasenbereich von θ3 bis π/2, und sie steuert den Wechselstrom Iac und gibt diesen aus, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird.
Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Wechselrichterschaltung 400 eine Differenzspannung (Vc2* – Vac) zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannungsversorgung, und der Gleichspannungskondensator 403 wird entladen.
Außerdem kann der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a so gewählt werden, dass die Ladeenergie und die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 zueinander gleich sind, und die Einschalt-Phase kann bestimmt werden. Die Ladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 während des Einschaltzeitraums kann durch die Gleichung (9) ausgedrückt werden. Die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 während des Ausschaltzeitraums kann durch die Gleichung (10) ausgedrückt werden.
Falls die Ladeenergie und die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 zueinander gleich sind, erfüllt der Zusammenhang zwischen der Sollspannung Vc2* und der Scheitel-spannung Vp die Gleichung (11). Hierbei bezeichnet Vp die Scheitelspannung der Wechselspannung Vac, und Ip bezeichnet den Scheitelstrom des Wechselstroms Iac.
Math. Ausdruck 3
Math. Ausdruck 4
Math. Ausdruck 5
Der untere Grenzwert der Sollspannung Vc2* wird nimmt jedoch die Scheitelspannung Vp durch die Dioden-Gleichrichterschaltung 200 an, und wenn folglich die Einschalt-Phasen θ1, θ2 und θ3 gewählt werden, welche bewirken, dass die Sollspannung Vc2* gleich groß wie oder kleiner ist als die Scheitelspannung Vp, dann führt dies zu einem funktionslosen Zustand.
Wie oben erwähnt, wird die Sollspannung Vc2* des Glättungskondensators 7 durch die Einschalt-Phasen θ1, θ2 und θ3 definiert und kann folglich gesteuert werden, indem der Phasenbereich 0 zu θ1 und der Phasenbereich θ2 zu θ3 geändert wird, welche den Einschalt-Phasen entsprechen. Außerdem wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 so gesteuert, dass er der Sollspannung Vc2* folgt.
Ferner wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder größer ist als die gewünschte erzeugte Spannung der Wechselrichterschaltung 400 in jedem Phasenbereich von 0 ≤ θ < θ1, θ1 ≤ θ < θ2, θ2 ≤ θ < θ3 sowie θ3 ≤ θ < π/2. In diesem Fall kann die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* gehalten werden, und es ist möglich, die Stromsteuerung der Wechselrichterschaltung 400 durchzuführen, bei welcher der Wechselstrom Iac so gesteuert wird, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird, und zwar mit hoher Zuverlässigkeit in den ganzen Phasen der Wechselspannungsversorgung 1.
In diesem Fall ist es notwendig, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt wird, dass sie die Gleichung (12) in den Phasenbereichen 0 ≤ θ < θ1 and θ2 ≤ θ ≤ θ3 erfüllt, und dass sie die Gleichung (13) in den Phasenbereichen θ1 ≤ 0 < θ2 und θ3 ≤ θ < π/2 erfüllt. Vc1 ≥ Vp·sinθ1 (12) Vc1 ≥ (|Vc2* – Vp·sinθ1|) (13).
Außerdem wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder niedriger ist als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1. Da die Verluste zunehmen, wenn die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 in der Wechselrichterschaltung 400 zunimmt, welche die PWM-Steuerung ausführt, wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 vorzugsweise so eingestellt, dass sie in einem Zustand, der die Gleichungen (12) und (13) erfüllt, niedrig ist.
Da der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet und folglich der Glättungskondensator 7 nur im Phasenbereich 0 ≤ θ < θ1 und im Phasenbereich θ2 ≤ θ < θ3 (vorab festgelegte Phasenbereiche) überbrückt wird, kann die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400 steuern, um den Wechselstrom Iac so zu steuern, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 in beiden Zeiträumen wird, in welchen der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet und ausgeschaltet ist, und um Gleichspannung auf einer gewünschten Spannung an den Glättungskondensator 7 auszugeben.
Mit anderen Worten: Die Steuerungsschaltung 8 kann den Phasenbereich 0 bis θ1 und den Phasenbereich θ2 bis θ3, die den Einschaltphasen in dem vorab festgelegten Phasenbereich der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 entsprechen, so bestimmen, dass sie den Einschaltzeitraum anpasst, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist. Dadurch stellt sie die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 auf eine vorgegebene Spannung ein. Indem eine solche Steuerung durchgeführt wird, ist es möglich, einen selbsterhaltenden Betrieb durchzuführen, ohne eine externe Energieversorgung für den Gleichspannungskondensator 403 zu verwenden.
Außerdem wird der Halbleiterschalter 401a so betrieben, dass dessen Polarität umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 402a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 401a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 401b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
Nachfolgend wird der Betrieb der Steuerungsschaltung 8 beschrieben. Die Einzelheiten der Steuerung der Wechselrichterschaltung 400 zum Durchführen der Steuerung des Eingangs-Leistungsfaktors werden beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf die bei der Ausführungsform 1 beschriebene 7. 7 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400 veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 8 durchgeführt wird.
Die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 wird auf der Sollspannung Vc2* gehalten, und zwar durch die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltung 400, und der Wechselstrom Iac wird so gesteuert, dass der Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 ungefähr 1 wird. Zunächst wird die Differenz 10a zwischen der Gleichspannung Vc2 und der Sollspannung Vc2* des Glättungskondensators 7 mittels eines Subtrahierers 10 bestimmt. Die Differenz 10a zwischen der Gleichspannung Vc2 und der Sollspannung Vc2* wird als Rückführungswert verwendet, und ein Ausgang, der mittels eines PI-Reglers 11 PI-geregelt wird, wird als Amplituden-Sollwert 11a verwendet.
Ein Sinuswellen-Strombefehl (Iac*) 12a, der mit der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 synchronisiert wird, wird von einem Strombefehl-Generator 12 auf der Basis des Amplituden-Sollwerts 11a und einer Synchronisationsfrequenz Fs der Wechselspannungsversorgung 1 erzeugt.
Nachfolgend wird die Differenz 13a zwischen dem eingestellten Strombefehl (Iac*) 12a und dem detektierten Wechselstrom Iac mittels eines Subtrahierers 13 bestimmt. Ein Ausgang, der mittels eines PI-Reglers 14 PI-geregelt wird, mit der Differenz 13a zwischen dem Strombefehl Iac* und dem Wechselstrom Iac als Rückführungswert wird als Spannungs-Befehl 14a verwendet, der der Sollwert einer von der Wechselrichterschaltung 400 erzeugten Spannung ist.
In diesem Fall wird eine Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung erhalten, welche synchronisiert ist mit der Veränderung zwischen der ersten Steuerung, bei welcher der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist, und der zweiten Steuerung, bei welcher der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist. Ein Addierer 15 addiert die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung zum Spannungsbefehl 14a, um so den Spannungsbefehl 14a zu korrigieren.
Außerdem erzeugt ein Gatesignal-Generator 16 ein Gatesignal 16a des Halbleiterschalters 402a der Wechselrichterschaltung 400, der der PWM-Steuerung entspricht, indem er einen korrigierten Spannungs-Befehl 15a verwendet, so dass die Wechselrichterschaltung 400 betrieben wird. Ferner wird ein Gatesignal des Halbleiterschalters 401a so betrieben, dass es eine Polarität umgekehrt zu derjenigen des Gatesignals des Halbleiterschalters 402a hat.
Wie oben erwähnt, führt die Steuerungsschaltung 8 die Steuerung mit Vorwärtskopplung aus, bei welcher der korrigierte Strombefehl 15a erzeugt wird, um so den Ausgang der Wechselrichterschaltung 400 zu steuern, so dass der Wechselstrom Iac, der durch die Wechselrichterschaltung 400 fließt, dem Strombefehl Iac* folgt, und die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung wird zu dem Strombefehl 14a nur zu dem Zeitpunkt der Veränderung zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten des Halbleiterschalters 601a addiert, welches der Zeitpunkt der Veränderung zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung ist.
Die Korrekturspannung ΔV in Vorwärtskopplung ist eine Wechselspannung –Vac, deren Polarität umgekehrt zu der Wechselspannungsversorgung 1 während der ersten Steuerung ist, und sie ist eine Differenzspannung (Vc2 – Vac) zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 während der zweiten Steuerung.
Zum Zeitpunkt des Übergangs zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung für den Halbleiterschalter 601a wird ein Strombefehl der Wechselrichterschaltung 400 korrigiert, so dass die Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 erhalten wird, indem die Differenzspannung zwischen dem Glättungskondensator 7 und der Wechselspannungsversorgung 1 zu der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 addiert wird.
Somit ist es möglich, es auf zuverlässige Weise zu verhindern, dass die Steuerung verzögert wird, und zwar so lange wie die Antwortzeit der Steuerung mit Rückführung. Außerdem kann auch zum Zeitpunkt der Veränderung zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung der Wechselstrom Iac so gesteuert werden, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird. Folglich können transiente Stromschwankungen mit hoher Zuverlässigkeit minimiert werden, und das Auftreten von harmonischen Strömen kann minimiert werden. Daher wird die Strom-Steuerbarkeit verbessert.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 38 die Steuerung beschrieben, die mit der Ausgabe der Halbleiterschalter 501a und 601a zusammenhängt, welche bewirkt, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 dem Befehlswert Vc1* folgt, und welche bewirkt, dass die Welligkeitsspannung ΔVc2 des Glättungskondensators 7 an einen vorab festgelegten Sollwert ΔVc2* angepasst wird. 38 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung des Halbleiterschalters 601a veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 8 durchgeführt wird.
Zunächst ist die Welligkeitsspannung im Phasenbereich von 0 bis θ1 so wie in der Gleichung (14) ausgedrückt. Die Welligkeitsspannung im Phasenbereich von θ3 to π/2 ist wie in Gleichung (15) ausgedrückt.
Math. Ausdruck 6
Math. Ausdruck 7
In Gleichung (14) gibt Pload die Ausgangsleistung an. Außerdem berechnet ein Verstärkungs-Multiplizierer 57 ein Tastsignal 57a, das der Spannungsphase θ1 entspricht, und zwar auf der Basis des Sollwerts ΔVc2*. Eine Konstante im Verstärkungs-Multiplizierer 57 kann aus der Gleichung (16) gewonnen werden.
Math. Ausdruck 8
In der Gleichung (16) bezeichnet Pload die Ausgangsleistung, und T/4 bezeichnet eine Viertelperiode. Außerdem wird das Tastsignal 58a, das der Spannungsphase θ3 entspricht, aus dem Tastsignal 57a berechnet, indem ein Verstärkungs-Multiplizierer 58 verwendet wird, so dass die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators 7 im Phasenbereich von 0 bis θ1 die gleiche ist wie dessen Welligkeitsspannung im Phasenbereich θ3 bis π/2.
Die Herleitung des Tastsignals 58a im Verstärkungs-Multiplizierer 58 wird durchgeführt, indem die Spannungsphase θ3 aus dem Zusammenhang zwischen der Spannungsphase θ1 und der Spannungsphase θ3 bezogen wird, wie in Gleichung (17) ausgedrückt, und indem die Spannungsphase θ3 durch π/2 geteilt wird. Außerdem kann die Spannungsphase θ1 auf einen konstanten Wert von einer Sollspannung der Welligkeitsspannung des Glättungskondensators 7 im Phasenbereich von 0 bis θ1 gesetzt werden.
Math. Ausdruck 9
Danach bezieht ein Subtrahierer 59 die Differenz 59a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc1* und einer detektierten Gleichspannung Vc1. Die Differenz 59a zwischen dem Befehlswert Vc1* und der Gleichspannung Vc1 wird als Rückführungswert verwendet, und der Ausgang, welcher von einem PI-Regler 60 PI-geregelt wird, wird als Spannungs-Befehl 60a eingestellt. Um die zunehmenden und abnehmenden Polaritäten des Spannungs-Befehls 60a umzukehren, wird der Ausgang des Verstärkungs-Multiplizierers 61 als Spannungs-Befehl 61a eingestellt.
Der Spannungs-Befehl 61a ist ein Tastsignal, das der Spannungsphase θ2 entspricht, und es ist folglich notwendig, dass er die Spannungsphasen θ1 < θ2 < θ3 jederzeit erfüllt. Daher wird ein Spannungssignal 62a von einer Begrenzungseinrichtung 62 erzeugt, die das Tastsignal 57a in dem Spannungs-Befehl 61a als einen unteren Grenzwert setzt, und die das Tastsignal darin als einen oberen Grenzwert setzt. Ein Gatesignal-Generator 63 erzeugt ein Gatesignal 64 des Halbleiterschalters 601a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er die drei Signale 57a, 58a und 62a verwendet.
Bei der PWM-Steuerung mittels des Gatesignal-Generators 63 wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungsversorgung 1 beträgt, als Trägerwelle verwendet, und durch vergleichende Berechnung wird Folgendes vorgenommen:
Die Dauer von 0 bis zum Tastsignal 57a wird auf den Phasenbereich von 0 bis θ1 eingestellt; die Dauer des Tastsignals 57a bis zum Spannungssignal 62a wird auf den Phasenbereich von θ1 bis θ2; eingestellt; die Dauer des Spannungssignals 62a bis zum Tastsignal 58a wird auf den Phasenbereich von θ2 bis θ3; eingestellt; und die Dauer des Tastsignals 58a bis 1 wird auf den Phasenbereich von θ3 bis π/2 eingestellt.
In diesem Fall wird ein Einschaltsignal als das Gatesignal 64 im Phasenbereich von 0 bis θ1 und im Phasenbereich von θ2 bis θ3 erzeugt, und ein Ausschaltsignal wird als das Gatesignal 64 im Phasenbereich von θ1 bis θ2 und im Phasenbereich von θ3 bis π/2 erzeugt. Mit anderen Worten: Ein Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a wird ebenso von dem Gatesignal 64 gesteuert.
Der Halbleiterschalter 501a wird so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 501a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Da die Wechselrichterschaltung 400 gesteuert wird, indem solch ein Strombefehl verwendet wird, wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 dazu veranlasst, der Sollspannung Vc2* zu folgen, und der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 wird gesteuert, um verbessert und ausgegeben zu werden.
Außerdem wird die erzeugte Spannung auf der AC-Seite der Wechselrichterschaltung 400 der Wechselspannung Vac überlagert, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird. Indem diese Steuerung durchgeführt wird, brauchen die Halbleiterschalter 501a und 601a nicht mit einer hohen Frequenz geschaltet zu werden. Ferner kann die Wechselrichterschaltung 400 den Pegel der Spannung beim Schalten der Halbleiterschalter noch mehr als eine Scheitelspannung der Wechselrichterschaltung 1 verringern.
Aus diesem Grund kann die schnelle Änderung der an die Drosselspule 3 angelegten Spannung verhindert werden. Folglich ist es möglich, die Schaltverluste und die Störungen sogar dann zu verringern, wenn die Drosselspule 3 verkleinert wird, und zwar ohne eine große Drosselspule zu verwenden, welche im Stand der Technik benötigt wird, um den Strom zu begrenzen.
Außerdem gilt für den Fall, dass sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet, Folgendes: Da der Glättungskondensator 7 überbrückt wird und der Gleichspannungskondensator 403 der Wechselrichterschaltung 400 geladen werden kann, kann der Wechselstrom Iac dazu veranlasst werden, durch die Wechselspannungsversorgung 1 zu fließen, und zwar ohne zu bewirken, dass eine hohe Spannung in der Wechselrichterschaltung 400 auftritt, und er kann auch dazu verwendet werden, die akkumulierte Energie in Richtung des Glättungskondensators 7 freizugeben.
Aus diesem Grund ist es möglich, den Pegel der behandelten Spannung beim Schalten der Halbleiterschalter weiter zu verringern, und das Erreichen einer hohen Effizienz und geringer Störungen weiter voranzubringen. Außerdem akkumuliert die Drosselspule in diesem Fall keine Energie, sondern arbeitet als strombegrenzende Schaltung, welche einen Strom begrenzt, und folglich wird die Zuverlässigkeit dieser Stromsteuerung verbessert.
Ferner wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder niedriger als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac ist. Folglich ist es möglich, auf zuverlässige Weise die Wirkungen der hohen Effizienz und der geringen Störungen zu erzielen.
Außerdem ist die Wechselrichterschaltung 400 vom Halbbrücken-Typ und wird gebildet durch die zwei Halbleiterschalter 401a und 402a und den Gleichspannungskondensator 403, wobei der Halbleiterschalter 501a zwischen den Halbleiterschalter 401a auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der positiven Seite P2 des Glättungskondensators 7 geschaltet ist, und wobei der Halbleiterschalter 601a zwischen den Halbleiterschalter 402a auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung 400 und der negativen Seite N2 des Glättungskondensators 7 geschaltet ist.
Aus diesem Grund ist es möglich, eine Stromsteuerung mit einer kleineren Zahl von Halbleiterschalter-Elementen zu verwirklichen und folglich eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit geringem Gewicht sowie eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erzielen.
Da die Halbleiterschalter 501a und 601a nur während einer spezifischen Phase einer Eingangsspannung von der Wechselspannungsversorgung 1 betrieben werden, kann außerdem die Energie-Umwandlungsvorrichtung stabil gesteuert werden, und folglich treten wenige Verluste auf, die durch das Schalten der Halbleiterschalter verursacht werden. Da zwei Einschalt-Phasen bei der Viertelperiode vorgesehen sind, so dass der Phasenbereich von 0 bis θ1 und der Phasenbereich von θ3 bis π/2 eingestellt werden, und da folglich die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators 7 positiv angepasst wird, ist es ferner möglich, die Welligkeitsspannung zu verringern und folglich den Betriebs-Spannungsbereich der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erweitern.
Da die Welligkeitsspannung minimiert wird und folglich die notwendige Kapazität des Kondensators verringert werden kann, ist es ferner möglich, die notwendigen Kondensatoren wegzulassen, welche parallel geschaltet sind, und eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung geringen Gewichts sowie eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erzielen.
Zum Zeitpunkt der Veränderung zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten des Halbleiterschalters 601a wird ferner die Wechselrichterschaltung 400 so gesteuert, dass sie den Ladevorgang und den Entladevorgang des Gleichspannungskondensators 403 infolge der Steuerung mit Vorwärtskopplung verändert. Folglich ist es möglich, es auf zuverlässige Weise zu verhindern, dass die Steuerung verzögert wird, und zwar so weit wie die Antwortzeit der Rückführungs-Steuerung ist, und folglich ist es möglich, eine Steuerung mit hoher Geschwindigkeit zu erzielen.
Außerdem ist es möglich, die oben beschriebene Stromsteuerung mit einer Konfiguration zu erreichen, bei welcher die Halbleiterschalter 401a und 501a weggelassen werden, und bei welcher nur die Dioden 401b und 501b verwendet werden. Eine Niedrig-Vf-Diode für den Betrieb mit niedriger Frequenz kann als die Diode 501b ausgewählt werden. Eine Hochfrequenzdiode, welche eine gute Sperrverzögerungs-Kennlinie (Erholungs-Kennlinie) beim Betrieb mit niedriger Frequenz hat, und welche während des Betriebs mit hoher Frequenz kleinere Verluste als eine Diode zum Betrieb mit niedriger Frequenz hat, kann als die Diode 401b ausgewählt werden.
Diese Konfiguration ist äquivalent zu einer Konfiguration, bei welcher der Halbleiterschalter 501a, der mit der positiven Seite des Glättungskondensators 7 verbunden ist, durch eine Diode ersetzt wird, und bei welcher der Halbleiterschalter 401a auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung 400 durch eine Hochfrequenzdiode ersetzt wird, welche Verluste aufweist, die kleiner sind als diejenigen der Diode während des Betrieb mit hoher Frequenz.
In diesem Fall ist es möglich, die Sperrverzögerungsverluste und die Leitungsverluste zu optimieren, und zwar der Diode 501b, die bei einer niedrigen Frequenz betrieben wird, und der Diode 401b, die bei einer hohen Frequenz betrieben wird, und folglich die Verluste weiter zu verringern. Indem Halbleiterschalter weggelassen werden, die Anzahl von Treiberschaltungen verringert wird und eine Kühlstruktur verkleinert wird, ist es ferner möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit geringem Gewicht sowie eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erzielen.
Ferner kann ein MOSFET für den Betrieb mit hoher Frequenz als Halbleiterschalter 402a verwendet werden, und ein IGBT für den Betrieb mit niedriger Frequenz kann als Halbleiterschalter 601a verwendet werden. In diesem Fall ist es möglich, die Verluste des Halbleiterschalters 402a, der bei einer hohen Frequenz betrieben wird, und des Halbleiterschalters 601a, der bei einer niedrigen Frequenz betrieben wird, weiter zu verringern, und die Kühlstruktur zu verkleinern. Folglich ist es möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erzielen, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung geringen Gewichts zu erhalten und eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erreichen.
Die Steuerungsschaltung 8 kann auf eine Betriebsfrequenz für die Einschaltsteuerung und die Ausschaltsteuerung der Halbleiterschalter 401a und 402a eingestellt werden, welche die Wechselrichterschaltung 400 bilden, wobei die Betriebsfrequenz höher ist als die Betriebsfrequenz für die Einschaltsteuerung und die Ausschaltsteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a, welche die Wechselrichterschaltung 400 nicht bilden, um so das Einschalten und das Ausschalten eines jeden der Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a zu steuern.
Auch in diesem Fall ist es möglich, die Verluste der Halbleiterschalters 401a und 402a, die bei einer hohen Frequenz betrieben werden, und der Halbleiterschalters 501a und 601a, die bei einer niedrigen Frequenz betrieben werden, weiter zu verringern, und die Kühlstruktur zu verkleinern. Folglich ist es möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erzielen, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung geringen Gewichts zu erhalten und eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erreichen.
In der Ausführungsform 4 wird außerdem die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt, dass sie die Ausdrücke (12) und (13) erfüllt, und die Wechselrichterschaltung 400 führt die Gesamt-Stromsteuerung in einem Zustand durch, in welchem der Halbleiterschalter 601a nur während der Einschalt-Phasen eingeschaltet ist.
Die gemäß Ausführungsform 4 beschriebene Steuerung kann jedoch mit der gemäß Ausführungsform 2 beschriebenen Steuerung kombiniert werden, bei welcher die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 eingestellt wird, und zwar ungeachtet der Einschränkungen der Ausdrücke (12) und (13), und die Stromsteuerung wird von dem Halbleiterschalter 601a anstelle der Wechselrichterschaltung 400 nur für den Fall durchgeführt, dass die Ausdrücke (12) und (13) nicht erfüllt sind.
Ausführungsform 5
In Ausführungsform 4 waren zwei Einschalt-Phasen und zwei Ausschalt-Phasen des Halbleiterschalters 601a bei der Viertelperiode vorgesehen, und folglich wurde die Welligkeitsspannung ΔVc2 des Glättungskondensators 7 angepasst. In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Zwei Einschalt-Phasen und eine einzelne Ausschalt-Phase des Halbleiterschalters 601a sind bei der Viertelperiode vorgesehen, und folglich wird die Welligkeitsspannung ΔVc1 des Glättungskondensators 403 angepasst. Außerdem ist der Schaltungsaufbau in der vorliegenden Ausführungsform der gleiche wie der Schaltungsaufbau von Ausführungsform 1.
Nachstehend wird ein Betriebsprinzip gemäß Ausführungsform 5 beschrieben. 39 zeigt Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen des Gleichspannungskondensators der Wechselrichterschaltung, um den Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern. In 39 gilt Folgendes: 39(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac; 39(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a; und 39(c) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403.
In 39(b) gilt Folgendes: Der Phasenbereich von 0 bis θ4 ist ein erster Einschaltzeitraum; der Phasenbereich von θ4 bis θ5 ist ein erster Ausschaltzeitraum; und der Phasenbereich von θ5 bis π/2 ist ein zweiter Einschaltzeitraum. Die Spannungsphasen θ4 und θ5 werden eingestellt, und folglich wird die Länge eines jeden von Einschaltzeitraum und Ausschaltzeitraum bestimmt.
Auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 ist die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 39 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc2* annimmt. Außerdem wird die Wechselspannung Vac, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird, in der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 einer Vollwellen-Gleichrichtung unterzogen.
Folglich arbeitet sie mit einer Periode, die doppelt so hoch wie die Wechselgrößen-Periode der Wechselspannungsversorgung 1 ist. Die Wechselrichterschaltung 400 steuert den Wechselstrom Iac und gibt ihn aus, und zwar mittels Pulsweitenmodulations-Steuerung (PWM), so dass der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 ungefähr 1 wird, und sie überlagert die erzeugte Spannung von der AC-Seite der Wechselspannung Vac, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird.
Außerdem werden symmetrische Vorgänge in Bezug auf die Spannungsphase π/2 im Phasenbereich von 0 bis π/2 und im Phasenbereich von π/2 bis π durchgeführt. Aus diesem Grund wird hier der Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung im Phasenbereich von 0 bis π/2 beschrieben. Außerdem haben die Spannungsphasen θ4 und θ5 ein Verhältnis von θ4 < θ5.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird zunächst auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac positiv ist. Da von der Dioden-Gleichrichterschaltung 200 eine Vollwellen-Gleichrichtung vorgenommen wird, werden auch für den Fall, dass π < θ ≤ 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung negativ ist, die gleichen Vorgänge wie in dem Fall des positiven Polaritätsbereichs 0 ≤ 0 < π durchgeführt.
Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 501a ausgeschaltet sind, wie es in 2 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 501a ausgeschaltet sind, wie es in 3 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 lädt.
Außerdem fließt für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 601a ausgeschaltet sind, wie es in 4 dargestellt ist, der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 entlädt. Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 601a ausgeschaltet sind, wie es in 5 dargestellt ist, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
Durch Kombinationen von Einschaltsteuerung und Ausschaltsteuerung der vier Halbleiterschalter werden die Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a so gesteuert, dass die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert wird. Daher wird der Gleichspannungskondensator 403 geladen und entladen, und folglich wird die Stromsteuerung durchgeführt. Wenn ein Strom durch die Halbleiterschalter 401a und 501a vom Emitter zum Kollektor fließt, dann können die Halbleiterschalter-Elemente ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Dioden 401b und 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet sind.
In 39 ist Folgendes gezeigt: Der Glättungskondensator 7 wird überbrückt, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet (fest im Einschaltzustand gehalten wird) und sich der Halbleiterschalter 501a im Ausschaltzustand befindet (fest im Ausschaltzustand gehalten wird), und zwar im Phasenbereich von ±θ4, der auf die Nulldurchgangs-Phase (θ = 0 oder π) zentriert ist, und auf den Phasenbereich θ5 bis π/2 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1.
Der Phasenbereich von 0 bis θ4 und der Phasenbereich von θ5 bis π/2 werden als die Einschalt-Phasen gesetzt. Wie in 2 gezeigt, wird zu diesem Zeitpunkt der Wechselstrom Iac von der Wechselspannungsversorgung 1 durch die Drosselspule 3 begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch den Halbleiterschalter 601a zurück. Die Drosselspule 3 wird im Betriebsmodus von 2 erregt, und die Erregung der Drosselspule 3 wird im Betriebsmodus von 3 zurückgesetzt.
Für den Fall des Betriebsmodus von 2 wird außerdem der Gleichspannungskondensator 403 überbrückt, und für den Fall des Betriebsmodus von 3 wird der Gleichspannungskondensator 403 geladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 2 und des Betriebsmodus aus 3. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Stromsteuerung kann durchgeführt werden.
Wie in 39 dargestellt, wird nachfolgend Gleichspannung an den Glättungskondensator 7 ausgegeben, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Ausschaltzustand befindet und der Halbleiterschalter 501a im Einschaltzustand, und zwar im Phasenbereich von θ4 bis θ5 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1. Der Phasenbereich von θ4 bis θ5 wird als Ausschaltzeitraum gesetzt.
Wie in 4 dargestellt, wird zu diesem Zeitpunkt der Wechselstrom Iac aus der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 3 begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 7 durch den Halbleiterschalter 501a, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 zurück.
Die Wechselrichterschaltung 400 gibt eine Spannung (Vc2* – Vac) aus, addiert die Ausgangsspannung (Vc2* – Vac) von der Wechselrichterschaltung 400 der Wechselspannungsversorgung 1, indem sie den Betriebsmodus aus 4 und den Betriebsmodus aus 5 wiederholt, und sie steuert die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7, um die Sollspannung Vc2* zu erreichen, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
Bei der Wechselrichterschaltung 400 wird die Drosselspule 3 in dem Betriebsmodus von 4 erregt, und die Erregung der Drosselspule 3 wird im Betrieb von 5 zurückgesetzt. Für den Fall des Betriebsmodus von 4 wird außerdem der Gleichspannungskondensator 403 entladen, und für den Fall des Betriebsmodus von 5 wird der Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 4 und des Betriebsmodus aus 5. Folglich kann die Stromsteuerung durchgeführt werden.
Wie oben erwähnt, ändert sich die Steuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a bei den Spannungsphasen θ4 und θ5 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und der Glättungskondensator 7 wird überbrückt, wenn sich der Halbleiterschalter 601a im Einschaltzustand befindet und sich der Halbleiterschalter 501a im Ausschaltzustand befindet, und zwar nur im Phasenbereich von 0 bis θ4 und im Phasenbereich von θ5 bis π/2.
Zu diesem Zeitpunkt steuert die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400, um im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Wechselspannung Vac zu erzeugen, die die umgekehrte Polarität hat, und sie steuert auch den Wechselstrom Iac und gibt diesen aus, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird, um den Gleichspannungskondensator 403 zu laden.
Außerdem steuert die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400 um die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* zu halten, wenn sich der Halbleiterschalter 501a im Einschaltzustand befindet und sich der Halbleiterschalter 601a im Ausschaltzustand befindet, und zwar in dem Phasenbereich von θ4 bis θ5, und sie steuert den Wechselstrom Iac und gibt diesen aus, so dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Wechselrichterschaltung 400 eine Differenzspannung (Vc2* – Vac) zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators 7 und der Wechselspannungsversorgung, und der Gleichspannungskondensator 403 wird entladen.
Außerdem kann der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a so gewählt werden, dass die Ladeenergie und die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 zueinander gleich sind, und die Einschalt-Phase kann bestimmt werden. Die Ladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 während des Einschaltzeitraums kann durch die Gleichung (18) ausgedrückt werden. Die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 während des Ausschaltzeitraums kann durch die Gleichung (19) ausgedrückt werden.
Falls die Ladeenergie und die Entladeenergie des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 zueinander gleich sind, erfüllt der Zusammenhang zwischen der Sollspannung Vc2* und der Scheitelspannung Vp die Gleichung (20). Hierbei bezeichnet Vp die Scheitelspannung der Wechselspannung Vac, und Ip bezeichnet den Scheitelstrom des Wechselstroms Iac.
Math. Ausdruck 10
Math. Ausdruck 11
Math. Ausdruck 12
Der untere Grenzwert der Sollspannung Vc2* nimmt jedoch die Scheitelspannung Vp durch die Dioden-Gleichrichterschaltung 200 an, und wenn folglich die Einschalt-Phasen θ4 und θ5 gewählt werden, welche bewirken, dass die Sollspannung Vc2* gleich groß wie oder kleiner ist als die Scheitelspannung Vp, dann führt dies zu einem funktionslosen Zustand.
Wie oben erwähnt, wird die Sollspannung Vc2* des Glättungskondensators 7 durch die Einschalt-Phasen θ4 und θ5 definiert und kann folglich gesteuert werden, indem der Phasenbereich 0 zu θ5 und der Phasenbereich θ5 zu π/2 geändert wird, welche den Einschalt-Phasen entsprechen. Außerdem wird die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 so gesteuert, dass er der Sollspannung Vc2* folgt.
Ferner wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder größer ist als die gewünschte erzeugte Spannung der Wechselrichterschaltung 400 in jedem Phasenbereich von 0 ≤ θ < θ4, θ4 ≤ θ < θ5 und θ5 ≤ θ < π/2.
In diesem Fall kann die Gleichspannung Vc2 des Glättungskondensators 7 auf der Sollspannung Vc2* gehalten werden, und es ist möglich, die Stromsteuerung der Wechselrichterschaltung 400 durchzuführen, bei welcher der Wechselstrom Iac so gesteuert wird, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 wird, und zwar mit hoher Zuverlässigkeit in den gesamten Phasen der Wechselspannungsversorgung 1.
In diesem Fall ist es notwendig, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt wird, dass sie die Gleichung (21) in den Phasenbereichen 0 ≤ θ < θ4 und θ5 ≤ θ < π/2 erfüllt, und dass sie die Gleichung (22) in den Phasenbereichen θ4 ≤ θ < θ5 erfüllt. Vc1 ≥ Vp·sinθ4 (21) Vc1 ≥ (|Vc2* – Vp·sinθ4|) (22).
Außerdem wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt, dass sie gleich groß wie oder niedriger ist als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1. Da die Verluste zunehmen, wenn die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 in der Wechselrichterschaltung 400 zunimmt, welche die PWM-Steuerung ausführt, wird die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 vorzugsweise so eingestellt, dass sie in einem Zustand, der die Gleichungen (21) und (22) erfüllt, niedrig ist.
Da der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet und folglich der Glättungskondensator 7 nur im Phasenbereich 0 ≤ θ < θ4 und im Phasenbereich θ5 ≤ θ < π/2 (vorab festgelegte Phasenbereiche) überbrückt wird, kann die Steuerungsschaltung 8 die Wechselrichterschaltung 400 steuern, um den Wechselstrom Iac so zu steuern, dass der Eingangs-Leistungsfaktor ungefähr 1 in beiden Zeiträumen wird, in welchen der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet und ausgeschaltet ist, und um Gleichspannung auf einer gewünschten Spannung an den Glättungskondensator 7 auszugeben.
Mit anderen Worten: Die Steuerungsschaltung 8 kann den Phasenbereich 0 bis θ4 und den Phasenbereich θ5 bis π/2, die den Einschaltphasen in dem vorab festgelegten Phasenbereich der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 entsprechen, so bestimmen, dass sie den Einschaltzeitraum einstellt, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist.
Dadurch stellt sie die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 auf eine vorgegebene Spannung ein. Indem eine solche Steuerung durchgeführt wird, ist es möglich, einen selbsterhaltenden Betrieb durchzuführen, ohne eine externe Energieversorgung für den Gleichspannungskondensator 403 zu verwenden.
Außerdem wird der Halbleiterschalter 401a so betrieben, dass dessen Polarität umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 402a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 402a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 401a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 401a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 401a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 401b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
Nachfolgend wird der Betrieb der Steuerungsschaltung 8 beschrieben. Die Steuerung der Wechselrichterschaltung 400 zum Durchführen der Steuerung des Eingangs-Leistungsfaktors ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 4. Hier wird unter Bezugnahme auf 40 die Steuerung beschrieben, die mit der Ausgabe der Halbleiterschalter 501a und 601a zusammenhängt, welche bewirkt, dass die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 dem Befehlswert Vc1* folgt, und welche bewirkt, dass die Welligkeitsspannung ΔVc1 des Glättungskondensators 7 an einen vorab festgelegten Sollwert ΔVc1* angepasst wird. 40 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung des Halbleiterschalters 601a veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 8 durchgeführt wird.
Zunächst ist die Welligkeitsspannung im Phasenbereich θ5 bis π/2 wie in Gleichung (23) ausgedrückt, und folglich berechnet ein Verstärkungs-Multiplizierer 65 ein Tastsignal 65a, das der Spannungsphase θ5 entspricht, und zwar auf der Basis des Sollwerts ΔVc1*. Eine Konstante K4 im Verstärkungs-Multiplizierer 65 kann aus der Gleichung (24) gewonnen werden.
Math. Ausdruck 13
Math. Ausdruck 14
Danach bezieht ein Subtrahierer 66 die Differenz 66a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc1* und einer detektierten Gleichspannung Vc1. Die Differenz 66a zwischen dem Befehlswert Vc1* und der Gleichspannung Vc1 wird als Rückführungswert verwendet, und der Ausgang, welcher von einem PI-Regler 67 PI-geregelt wird, wird als Spannungs-Befehl 67a eingestellt.
Der Spannungs-Befehl 67a ist ein Tastsignal, das der Spannungsphase θ4 entspricht, und es ist folglich notwendig, dass er die Spannungsphasen 0 < θ4 < θ5 jederzeit erfüllt. Daher wird ein Spannungssignal 68a von einer Begrenzungseinrichtung 68 erzeugt, die 0 in dem Spannungs-Befehl 67a als einen unteren Grenzwert setzt, und die das Tastsignal 65a darin als einen oberen Grenzwert setzt.
Ein Gatesignal-Generator 69 erzeugt ein Gatesignal 70 des Halbleiterschalters 601a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er die zwei Tastsignale 65a und 68a verwendet. Bei der PWM-Steuerung mittels des Gatesignal-Generators 69 wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungsversorgung 1 beträgt, als Trägerwelle verwendet, und durch vergleichende Berechnung wird Folgendes vorgenommen:
Die Dauer von 0 bis zum Tastsignal 68a wird auf den Phasenbereich von 0 bis θ4; eingestellt; die Dauer des Tastsignals 68a bis zum Tastsignal 65a wird auf. den Phasenbereich von θ4 bis θ5; eingestellt; und die Dauer des Tastsignals 65a bis 1 wird auf den Phasenbereich von θ5 bis π/2 eingestellt. In diesem Fall wird ein Einschaltsignal als das Gatesignal 70 im Phasenbereich von 0 bis θ4 und im Phasenbereich von θ5 bis π/2, erzeugt, und ein Ausschaltsignal wird als das Gatesignal 70 im Phasenbereich von θ4 bis θ5 erzeugt. Mit anderen Worten: Ein Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a wird ebenso von dem Gatesignal 70 gesteuert.
Der Halbleiterschalter 501a wird so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 501a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt zusätzlich zu den Merkmalen, die mit der Konfiguration gemäß Ausführungsform 4 erzielt werden, Folgendes: Da zwei Einschalt-Phasen des Halbleiterschalters 601a bei der Viertelperiode vorgesehen sind, so dass der Phasenbereich von θ5 bis π/2, der einer Einschalt-Phase entspricht, angepasst wird, und da folglich die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators 403 positiv angepasst wird, ist es möglich, die Welligkeitsspannung des Gleichspannungskondensators 403 zu minimieren und folglich den Betriebs-Spannungsbereich der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erweitern.
Da die Welligkeitsspannung minimiert wird und folglich die notwendige Kapazität des Kondensators verringert werden kann, ist es ferner möglich, die notwendigen Kondensatoren wegzulassen, welche parallel geschaltet sind, und eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung geringen Gewichts sowie eine Verringerung der Anzahl von deren Komponenten zu erzielen.
In der Ausführungsform 4 wird außerdem die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 so eingestellt, dass sie die Ausdrücke (21) und (22) erfüllt, und die Wechselrichterschaltung 400 führt die Gesamt-Stromsteuerung in einem Zustand durch, in welchem der Halbleiterschalter 601a nur während der Einschalt-Phasen eingeschaltet ist.
Die gemäß Ausführungsform 4 beschriebene Steuerung kann jedoch mit der gemäß Ausführungsform 2 beschriebenen Steuerung kombiniert werden, bei welcher die Gleichspannung Vc1 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 eingestellt wird, und zwar ungeachtet der Einschränkungen der Ausdrücke (21) und (22), und die Stromsteuerung wird von dem Halbleiterschalter 601a anstelle der Wechselrichterschaltung 400 nur für den Fall durchgeführt, dass die Ausdrücke (21) und (22) nicht erfüllt sind.
Ausführungsform 6
In Ausführungsform 3 sind eine einzige Einschalt-Phase und eine einzige Ausschalt-Phase des Halbleiterschalters 601a bei einem Viertel der Periode der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 vorgesehen. Ausführungsform 6 unterscheidet sich dahingehend von Ausführungsform 3, dass zwei Einschalt-Phasen und zwei Ausschalt-Phasen des Halbleiterschalters 601a bei dem Viertel der Periode vorgesehen sind.
Außerdem ist die Schaltungskonfiguration von Ausführungsform 6 die gleiche wie diejenige, die in 14 von Ausführungsform 3 veranschaulicht ist, und das Verhältnis zwischen dem Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung und dem Strompfad ist ebenfalls das gleiche wie das in den 15 bis 22 und in den 24 bis 31 veranschaulichte.
Zunächst wird der Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung mit dieser Konfiguration beschrieben, d. h. der Betrieb zum Ausgeben von Gleichspannung an den Glättungskondensator 10. 41 zeigt Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 der Wechselrichterschaltungen 400 und 700, um den Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern.
In 41 gilt Folgendes: 41(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac; 41(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a; 41(c) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände der Halbleiterschalter 401a und 402a; 41(d) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 901a.
41(e) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände der Halbleiterschalter 701a und 702a; 41(f) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403; und 41(g) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 703. In den 41(f) und 41(g) zeigen die Bereiche, die mit Pfeilen angezeigt werden, Zeiträume, in welchen das Laden und Entladen nicht durchgeführt wird.
In 41(b) gilt Folgendes: Der Phasenbereich von 0 bis θ1 ist ein erster Einschaltzeitraum; der Phasenbereich von θ1 bis θ2 ist ein erster Ausschaltzeitraum; der Phasenbereich von θ2 bis θ3 ist ein zweiter Einschaltzeitraum; und der Phasenbereich von θ3 bis π/2 ist ein zweiter Ausschaltzeitraum. Die Spannungsphasen θ1, θ2 und θ3 werden eingestellt, und folglich wird die Länge eines jeden von Einschaltzeitraum und Ausschaltzeitraum bestimmt.
Außerdem ist die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 41 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc3* annimmt. In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a und der Halbleiterschalter 401a und 402a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, so dass die Halbleiterschalter 701a, 702a, 801a und 901a ausgeschaltet sind.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 801a und 901a und der Halbleiterschalter 701a und 702a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, so dass die Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a ausgeschaltet sind.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird zunächst auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a und der Strompfade für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist. In 15 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
In 16 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 lädt. Außerdem ist in 17 Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 entlädt. In 18 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 403 durchzuführen. Außerdem fließt ein Strom, der durch die Seite der Wechselrichterschaltung 700 fließt, durch die Diode 901b und die Diode 702b. Er kann jedoch auch so gesteuert werden, dass er durch die Halbleiterschalter 901a und 702a fließt, indem die Halbleiterschalter 901a und 702a angemessen ein- und ausgeschaltet werden.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird dann auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 701a, 702a, 801a und 901a und der Strompfade für den Fall, dass π ≤ θ < 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist.
In 19 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt. In 20 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 lädt. Außerdem ist in 21 Folgendes gezeigt:
Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 entlädt. In 22 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt.
Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 703 durchzuführen. Außerdem fließt ein Strom, der durch die Seite der Wechselrichterschaltung 400 fließt, durch die Diode 601b und die Diode 402b. Er kann jedoch auch so gesteuert werden, dass er durch die Halbleiterschalter 601a und 402a fließt, indem die Halbleiterschalter 601a und 402a angemessen ein- und ausgeschaltet werden.
In 41 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ1 und in einem Phasenbereich von θ2 bis θ3 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, d. h. im Phasenbereich 0 bis θ1 und im Phasenbereich θ2 bis θ3.
Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 15 und der Betriebsmodus in 16 werden wechselweise durchgeführt).
Mit dieser Steuerung wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 ausgehend von der Wechselrichterschaltung 400 durch die Diode 901b und die Diode 702b (oder die Halbleiterschalter 901a und 702a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 15 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 16 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 15 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 16 geladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 15 und des Betriebsmodus aus 16. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 41 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a (nicht dargestellt) eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich θ1 bis θ2 und in dem Phasenbereich θ3 bis π/2. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 17 und der Betriebsmodus in 18 werden wechselweise durchgeführt).
Mit dieser Steuerung wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 10 von der Wechselrichterschaltung 400 durch den Halbleiterschalter 501a, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch die Diode 901b und die Diode 702b (oder die Halbleiterschalter 901a und 702a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 400 eine Spannung (Vc4* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 17 und den Betriebsmodus von 18 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 400 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 17 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 18 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 17 entladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 18 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 17 und des Betriebsmodus aus 18. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 41 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 801a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ1n und in einem Phasenbereich von θ2n bis θ3n der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, d. h. im Phasenbereich π bis (π + θ1n) und im Phasenbereich (π + θ2n) bis (π + θ3n).
Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 19 und der Betriebsmodus in 20 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 ausgehend von der Wechselrichterschaltung 700 durch die Diode 601b und die Diode 402b (oder die Halbleiterschalter 601a und 402a) zurück. Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 19 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 20 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 19 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 20 geladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 19 und des Betriebsmodus aus 20. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 41 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 801a (nicht dargestellt) eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich (π + θ1n) bis (π + θ2n) und in dem Phasenbereich (π + θ3n) bis 2π. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 21 und der Betriebsmodus in 22 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 10 von der Wechselrichterschaltung 700 durch den Halbleiterschalter 801a, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch die Diode 601b und die Diode 402b (oder die Halbleiterschalter 601a und 402a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 700 eine Spannung (Vc5* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 21 und den Betriebsmodus von 22 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 700 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 700 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 21 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 22 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 21 entladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 22 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 21 und des Betriebsmodus aus 22. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
Als nächstes wird der Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung beschrieben, d. h. der Betrieb zum Ausgeben von Wechselspannung an die Wechselspannungsversorgung 1. 42 zeigt Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 der Wechselrichterschaltungen 400 und 700, um den Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern.
In 42 gilt Folgendes: 42(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac; 42(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a; 42(c) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 401a; 42(d) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 402a; 42(e) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 901a; 42(f) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 701a.
42(g) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 702a; 42(f) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403; und 42(g) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 703. In den 42(f) und 42(g) zeigen die Bereiche, die mit Pfeilen gekennzeichnet sind, solche Zeiträume, in welchen das Laden und Entladen nicht durchgeführt wird.
Außerdem ist die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 42 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc3* annimmt.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a und der Halbleiterschalter 401a und 402a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, so dass der Halbleiterschalter 901a und der Halbleiterschalter 702a, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, eingeschaltet sind, und so dass der Halbleiterschalter 801a und der Halbleiterschalter 701a, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, ausgeschaltet sind.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 801a und 901a und der Halbleiterschalter 701a und 702a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, so dass der Halbleiterschalter 601a und der Halbleiterschalter 402a, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, eingeschaltet sind, und so dass der Halbleiterschalter 501a und der Halbleiterschalter 401a, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, ausgeschaltet sind.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird zunächst auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a und der Strompfade für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist. In 24 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt.
In 25 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 601a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 501a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 entlädt. Außerdem ist in 26 Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 402a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 401a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 lädt.
In 27 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 401a und 501a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 402a und 601a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 403 überbrückt. In den vier Betriebsmodi sind die Halbleiterschalter 702a und 901a normalerweise eingeschaltet.
Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 403 durchzuführen.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird dann auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 701a, 702a, 801a und 901a und der Strompfade für den Fall, dass π ≤ θ < 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist. In 28 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt. In 29 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 901a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 801a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 entlädt.
Außerdem ist in 30 Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 702a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 701a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 lädt. In 31 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Halbleiterschalter 701a und 801a eingeschaltet sind und die Halbleiterschalter 702a und 901a ausgeschaltet sind, fließt der Wechselstrom Iac so, dass er den Gleichspannungskondensator 703 überbrückt.
In den vier Betriebsmodi sind die Halbleiterschalter 402a und 601a normalerweise eingeschaltet. Durch Kombinationen der Betriebsmodi der vier Halbleiterschalter wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 703 durchzuführen.
In 42 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ1 und in einem Phasenbereich von θ2 bis θ3 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, d. h. im Phasenbereich 0 bis θ1 und im Phasenbereich θ2 bis θ3. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 24 und der Betriebsmodus in 25 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 400 durch die Halbleiterschalter 702a und 901a über den Halbleiterschalter 601a eingegeben.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 24 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 25 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 24 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 25 entladen.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 24 und des Betriebsmodus aus 25. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 42 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich θ1 bis θ2 und in dem Phasenbereich θ3 bis π/2. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 26 und der Betriebsmodus in 27 werden wechselweise durchgeführt).
Indem diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 400 über den Halbleiterschalter 501a eingegeben, um so in der Wechselspannungsversorgung 1 regeneriert zu werden. Der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 fließt zum Glättungskondensator 10 über die Halbleiterschalter 702a und 901a.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 400 eine Spannung (Vc4* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 26 und den Betriebsmodus von 27 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1
In der Wechselrichterschaltung 400 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 26 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 27 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 26 geladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 27 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 26 und des Betriebsmodus aus 27. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 42 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 801a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ1n und in einem Phasenbereich von θ2n bis θ3n der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, d. h. im Phasenbereich π bis (π + θ1n) und im Phasenbereich (π + θ2n) bis (π + θ3n).
Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 28 und der Betriebsmodus in 29 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben, um so in der Wechselspannungsversorgung 1 regeneriert zu werden.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 28 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 29 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 28 entladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 29 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 28 und des Betriebsmodus aus 29. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 42 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 801a eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich (π + θ1n) bis (π + θ2n) und in dem Phasenbereich (π + θ3n) bis 3π/2.
Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 30 und der Betriebsmodus in 31 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben, um so in der Wechselspannungsversorgung 1 regeneriert zu werden.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 700 eine Spannung (Vc5* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 30 und den Betriebsmodus von 31 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 700 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 700 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 30 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 31 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 30 geladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 31 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 30 und des Betriebsmodus aus 31. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
Ungeachtet des Energieversorgungsbetriebs oder des Regenerativbetriebs der Energie-Umwandlungsvorrichtung gilt Folgendes: Der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a wird für den Fall angepasst, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, und folglich kann die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 auf einer konstanten Spannung gehalten werden.
Außerdem wird der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 901a für den Fall angepasst, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, und folglich kann die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 auf einer konstanten Spannung gehalten werden.
Bei dem Betriebsverfahren wird das Verhältnis zwischen der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 und der Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 wie in Gleichung (1) auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 ausgedrückt. Die Sollspannung Vc2* von Gleichung (1) muss jedoch durch die Sollspannung Vc3* ersetzt werden.
Außerdem müssen im Zusammenhang mit einer Etablierungsbedingung der Stromsteuerung die Ausdrücke (5) und (6), die gemäß Ausführungsform 3 beschrieben wurden, für den Fall erfüllt sein, dass die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt wird, und die Ausdrücke (7) und (8) müssen für den Fall erfüllt sein, dass die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt wird.
In dem oben beschriebenen Betriebsverfahren kann für den Fall, dass die Etablierungsbedingungen (die Ausdrücke (5) bis (8)) der Stromsteuerung nicht erfüllt sind, die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, indem die Stromsteuerung durch die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 zu derjenigen der Halbleiterschalter 601a und 901a geändert wird, und zwar auf die gleiche Weise wie bei dem Steuerungsverfahren, das gemäß Ausführungsform 2 beschrieben wurde.
Außerdem ist die Stromsteuerung durch die Halbleiterschalter 601a und 901a während des Energieversorgungsbetriebs und die Stromsteuerung, die durch das Einschalten und das Ausschalten der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a während des Regenerativbetriebs durchgeführt wird, die gleiche wie diejenige, die gemäß Ausführungsform 3 beschrieben ist. Ferner ist die Ausgangssteuerung der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 die gleiche wie diejenige, die gemäß Ausführungsform 3 beschrieben ist.
Nachfolgend wird die Steuerung beschrieben, welche mit der Ausgabe der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a zusammenhängt, welche bewirkt, dass die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 dem Befehlswert Vc4* folgt, welche bewirkt, dass die Spannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 dem Befehlswert Vc5* folgt, und welche bewirkt, dass die Welligkeitsspannung ΔVc3 des Glättungskondensators 10 an einen vorab festgelegten Sollwert ΔVc3* angepasst wird. 43 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 11 durchgeführt wird.
Zunächst ist die Welligkeitsspannung im Phasenbereich von 0 bis θ1 so wie in Gleichung (25) ausgedrückt. Die Welligkeitsspannung im Phasenbereich von θ3 bis π/2 ist wie in Gleichung (26) ausgedrückt.
Math. Ausdruck 15
Math. Ausdruck 16
In Gleichung (25) gibt Pload die Ausgangsleistung an. Außerdem berechnet ein Verstärkungs-Multiplizierer 79 ein Tastsignal 79a, das der Spannungsphase θ1 entspricht, und zwar auf der Basis des Sollwerts ΔVc3*. Eine Konstante im Verstärkungs-Multiplizierer 79 kann aus der Gleichung (27) gewonnen werden.
Math. Ausdruck 17
In der Gleichung (27) bezeichnet Pload die Ausgangsleistung, und T/4 bezeichnet eine Viertelperiode. Außerdem wird das Tastsignal 80a, das der Spannungsphase θ3 entspricht, aus dem Tastsignal 79a berechnet, indem ein Verstärkungs-Multiplizierer 80 verwendet wird, so dass die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators 7 im Phasenbereich von 0 bis θ1 die gleiche ist wie dessen Welligkeitsspannung im Phasenbereich θ3 bis π/2.
Die Herleitung des Tastsignals 80a im Verstärkungs-Multiplizierer 58 wird durchgeführt, indem die Spannungsphase θ3 aus dem Zusammenhang zwischen der Spannungsphase θ1 und der Spannungsphase θ3 bezogen wird, wie in Gleichung (28) ausgedrückt, und indem die Spannungsphase θ3 durch π/2 geteilt wird. Außerdem kann die Spannungsphase θ1 auf einen konstanten Wert von einer Sollspannung der Welligkeitsspannung des Glättungskondensators 7 im Phasenbereich von 0 bis θ1 gesetzt werden.
Math. Ausdruck 18
Danach bezieht ein Subtrahierer 81 die Differenz 81a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc4* und einer detektierten Gleichspannung Vc4. Die Differenz 81a zwischen dem Befehlswert Vc4* und der Gleichspannung Vc4 wird als Rückführungswert verwendet, und die Polarität der Differenz 81a zwischen dem Befehlswert Vc4* und der Gleichspannung Vc4 wird von einer Auswähleinrichtung 82 für den Energieversorgungs-/Regenerativbetrieb bestimmt.
Die Differenz 81a wird mit 1 während des Energieversorgungsbetriebs multipliziert, und die Differenz 81a wird mit –1 während des Regenerativbetriebs multipliziert. Ein Rückführungswert 82a, dessen Polarität bestimmt wird, wird mittels eines PI-Reglers 83 PI-geregelt, und dessen Ausgang wird als Spannungs-Befehl 83a gesetzt. Um die zunehmenden und abnehmenden Polaritäten des Spannungs-Befehls 83a umzukehren, wird der Ausgang eines Verstärkungs-Multiplizierers 84 als Spannungs-Befehl 84a gesetzt.
Der Spannungs-Befehl 84a ist ein Tastsignal, das der Spannungsphase θ2 entspricht, und es ist folglich notwendig, dass er die Spannungsphasen θ1 < θ2 < θ3 jederzeit erfüllt. Daher wird ein Spannungssignal 85a von einer Begrenzungseinrichtung 85 erzeugt, die das Tastsignal 79a in dem Spannungs-Befehl 84a als einen unteren Grenzwert setzt, und die das Tastsignal 80a darin als einen oberen Grenzwert setzt. Ein Gatesignal-Generator 91 erzeugt ein Gatesignal 91a des Halbleiterschalters 601a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er die drei Signale 79a, 80a und 85a verwendet.
Bei der PWM-Steuerung mittels des Gatesignal-Generators 91 wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungsversorgung 1 beträgt, als Trägerwelle verwendet, und durch vergleichende Berechnung wird Folgendes vorgenommen: Die Dauer von 0 bis zum Tastsignal 79a wird auf den Phasenbereich von 0 bis θ1 eingestellt; die Dauer des Tastsignals 79a bis zum Spannungssignal 85a wird auf den Phasenbereich von θ1 bis θ2 eingestellt; die Dauer des Spannungssignals 85a bis zum Tastsignal 80a wird auf den Phasenbereich von θ2 bis θ3 eingestellt; und die Dauer des Tastsignals 80a bis 1 wird auf den Phasenbereich von θ3 bis π/2 eingestellt.
In diesem Fall wird ein Einschaltsignal als das Gatesignal 91a im Phasenbereich von 0 bis θ1 und im Phasenbereich von θ2 bis θ3 erzeugt, und ein Ausschaltsignal wird als das Gatesignal 91a im Phasenbereich von θ1 bis θ2 und im Phasenbereich von θ3 bis π/2 erzeugt.
Danach bezieht ein Subtrahierer 86 die Differenz 86a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc5* und einer detektierten Gleichspannung Vc5. Die Differenz 86a zwischen dem Befehlswert Vc5* und der Gleichspannung Vc5 wird als Rückführungswert verwendet, und die Polarität der Differenz 86a zwischen dem Befehlswert Vc5* und der Gleichspannung Vc5 wird von einer Auswähleinrichtung 87 für den Energieversorgungs-/Regenerativbetrieb bestimmt. Die Differenz 86a wird mit 1 während des Energieversorgungsbetriebs multipliziert, und die Differenz 86a wird mit –1 während des Regenerativbetriebs multipliziert.
Ein Rückführungswert 87a, dessen Polarität bestimmt wird, wird mittels eines PI-Reglers 88 PI-geregelt, und dessen Ausgang wird als Spannungs-Befehl 88a gesetzt. Um die zunehmenden und abnehmenden Polaritäten des Spannungs-Befehls 88a umzukehren, wird der Ausgang des Verstärkungs-Multiplizierers 89 als Spannungs-Befehl 89a eingestellt. Der Spannungs-Befehl 89a ist ein Tastsignal, das der Spannungsphase θ2 entspricht, und es ist folglich notwendig, dass er die Spannungsphasen θ1 < θ2 < θ3 jederzeit erfüllt.
Daher wird ein Spannungssignal 90a von einer Begrenzungseinrichtung 90 erzeugt, die das Tastsignal 79a in dem Spannungs-Befehl 89a als einen unteren Grenzwert setzt, und die das Tastsignal 80a darin als einen oberen Grenzwert setzt. Ein Gatesignal-Generator 92 erzeugt ein Gatesignal 92a des Halbleiterschalters 901a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er die drei Signale 79a, 80a und 90a verwendet.
Bei der PWM-Steuerung mittels des Gatesignal-Generators 92 wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungsversorgung 1 beträgt, als Trägerwelle verwendet, und durch vergleichende Berechnung wird Folgendes vorgenommen: Die Dauer von 0 bis zum Tastsignal 79a wird auf den Phasenbereich von π bis θ1n eingestellt; die Dauer des Tastsignals 79a bis zum Spannungssignal 90a wird auf den Phasenbereich von θ1n bis θ2n eingestellt; die Dauer des Spannungssignals 90a bis zum Tastsignal 80a wird auf den Phasenbereich von θ2n bis θ3n eingestellt; und die Dauer des Tastsignals 80a bis 1 wird auf den Phasenbereich von θ3n bis 3π/2 eingestellt. In diesem Fall wird ein Einschaltsignal als Gatesignal 92a im Phasenbereich von π bis θ1n und im Phasenbereich von θ2n bis θ3n erzeugt, und ein Ausschaltsignal wird als Gatesignal 92a im Phasenbereich von θ1n bis θ2n und im Phasenbereich von θ3n bis 3π/2 erzeugt.
Der Halbleiterschalter 501a wird so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet.
Da jedoch in dem Halbleiterschalter 501a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist. Der Halbleiterschalter 801a wird auf ähnliche Weise so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist.
Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 801a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 801a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 801b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
Nachfolgend wählt eine Gatesignal-Auswähleinrichtung 93 ein Gatesignal eines jeden der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a gemäß der Betriebsbedingung. 44 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung 93 veranschaulicht. Die Gatesignal-Auswähleinrichtung 93 wählt ein passendes Gatesignal aus den Eingangssignalen 93a auf der Basis der Spannungs-Information 93b und eines Energieversorgungs-/Regenerativbetriebsbefehls (Energieversorgung/Regenerativ) aus und erzeugt ein Gatesignal für jeden der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a.
Die Eingangssignale 93a sind fünf Signale inklusive einem Stromsteuerungs-PWM-Signal, einem Einschaltsignal, einem Ausschaltsignal und den Gatesignalen 91a und 92a auf der Basis von Spannungs-Befehlen, welche berechnet werden, um zu bewirken, dass jeweils die Gleichspannung Vc4 und die Gleichspannung Vc5, die in 43 dargestellt sind, dem Befehlswert Vc4* bzw. dem Befehlswert Vc5* folgen.
Die Spannungs-Information 93b ist eine Information, die dazu benötigt wird, die Polarität der Wechselspannung Vac zu bestimmen und die Herstellung der Gleichungen (5) und (8) zu bestimmen. Sie beinhaltet ein Gatesignal GS2 der Halbleiterschalter 601a und 901a, die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403, die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 und die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10.
Zunächst wird der Fall des Energieversorgungsbetriebs beschrieben. Während des Energieversorgungsbetriebs gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdruck (5) erfüllt ist, wird das Gatesignal 91a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt.
Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, wird das Stromsteuerungs-PWM-Signal als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdruck (6) erfüllt ist, wird das Gatesignal 61a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt.
Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und der Ausdruck (7) erfüllt ist, wird das Gatesignal 92a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt.
Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und der Ausdruck (8) erfüllt ist, wird das Gatesignal 92a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt.
Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Als nächstes wird der Fall des Regenerativbetriebs beschrieben. Während des Regenerativbetriebs gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdruck (5) erfüllt ist, wird das Gatesignal 91a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt.
Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a gewählt (eine PWM-Steuerung wird an den Halbleiterschaltern 501a und 601a dadurch durchgeführt, dass sie miteinander synchronisiert werden).
Der Halbleiterschalter 501a wird hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdruck (6) erfüllt ist, wird das Gatesignal 61a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird für den Halbleiterschalter 501a und den Halbleiterschalters 601a gewählt. Der Halbleiterschalter 501a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und der Ausdruck (7) erfüllt ist, wird das Gatesignal 92a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird für den Halbleiterschalter 801a und den Halbleiterschalter 901a gewählt. Der Halbleiterschalter 801a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist. Das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und der Ausdruck (8) erfüllt ist, wird das Gatesignal 62a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird für den Halbleiterschalter 801a und den Halbleiterschalter 901a gewählt. Der Halbleiterschalter 801a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist. Das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Außerdem können für den Fall, dass nur der Energieversorgungsbetrieb durchgeführt wird, die Halbleiterschalter 501a und 801a, die mit der positiven Seite des Glättungskondensators 10 verbunden sind, durch Dioden ersetzt werden, und die Halbleiterschalter 401a und 701a der jeweiligen positiven Seite der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 kann durch Hochfrequenzdioden ersetzt werden, die Verluste haben, welche kleiner als diejenigen der Dioden während des Betriebs mit hoher Frequenz sind. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sperrverzögerungsverluste und die Leitungsverluste zu optimieren.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Da die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 wie oben beschrieben gesteuert werden, wird die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 dazu veranlasst, der Sollspannung Vc3* zu folgen, die Welligkeitsspannung ΔVc3 des Glättungskondensators 10 wird an die Sollspannung ΔVc3* angepasst, und der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung 1 wird gesteuert, um verbessert und ausgegeben zu werden. Außerdem wird die erzeugte Spannung auf der AC-Seite der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 der Wechselspannung Vac überlagert, welche von der Wechselspannungsversorgung 1 ausgegeben wird.
Mit dem oben beschrieben Aufbau ist es möglich, eine Funktion zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und eine Funktion zum Steuern einer Wechselspannungsversorgung bei einem hohen Leistungsfaktor zu verwirklichen, ohne eine Dioden-Gleichrichterschaltung zu verwenden, und folglich einen Regenerativbetrieb zusätzlich zu den Merkmalen der Konfiguration der Ausführungsformen 4 und 5 zu erhalten.
Da außerdem die zwei Wechselrichterschaltungen 400 und 700 verändert und gesteuert werden, und zwar gemäß der Polarität der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1, ist es möglich, die Leistungs-Lastzeiträume der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 um die Hälfte zu verringern und folglich den Bereich zu erweitern, bei welchem die Energie-Umwandlungsvorrichtung angewendet wird.
Ausführungsform 7
In Ausführungsform 6 waren zwei Einschalt-Phasen und zwei Ausschalt-Phasen der Halbleiterschalter 601a und 901a bei der Viertelperiode vorgesehen, und folglich wurde die Welligkeitsspannung ΔVc3 des Glättungskondensators 10 angepasst. In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Zwei Einschalt-Phasen und eine einzelne Ausschalt-Phase der Halbleiterschalter 601a und 901a sind bei der Viertelperiode vorgesehen, und folglich werden eine Welligkeitsspannung ΔVc2 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 und eine Welligkeitsspannung ΔVc3 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 angepasst. Außerdem ist der Schaltungsaufbau in der vorliegenden Ausführungsform der gleiche wie der Schaltungsaufbau von Ausführungsform 4.
Zunächst wird der Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung mit dieser Konfiguration beschrieben, d. h. der Betrieb zum Ausgeben von Gleichspannung an den Glättungskondensator 10. 45 zeigt Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 der Wechselrichterschaltungen 400 und 700, um den Energieversorgungsbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern.
In 45 gilt Folgendes: 45(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac; 45(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a; 45(c) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände der Halbleiterschalter 401a und 402a; 45(d) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 901a.
45(e) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände der Halbleiterschalter 701a und 702a; 45(f) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403; und 45(g) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 703. In den 45(f) und 45(g) zeigen die Bereiche, die mit Pfeilen angezeigt werden, Zeiträume, in welchen das Laden und Entladen nicht durchgeführt wird.
In 45(b) gilt Folgendes: Der Phasenbereich von 0 bis θ4 ist ein erster Einschaltzeitraum; der Phasenbereich von θ4 bis θ5 ist ein erster Ausschaltzeitraum; und der Phasenbereich von θ5 bis π/2 ist ein zweiter Einschaltzeitraum. Die Spannungsphasen θ4 und θ5 werden eingestellt, und folglich wird die Länge eines jeden von Einschaltzeitraum und Ausschaltzeitraum bestimmt.
Außerdem ist die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 45 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc3* annimmt.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 6 Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a und der Halbleiterschalter 401a und 402a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, so dass die Halbleiterschalter 701a, 702a, 801a und 901a ausgeschaltet sind.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 801a und 901a und der Halbleiterschalter 701a und 702a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, so dass die Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a ausgeschaltet sind.
Auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 6 gilt Folgendes: Wenn die Spannungsphase der Wechselspannungsversorgung 1 auf θ gesetzt ist, und für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch Kombinationen der vier Betriebsmodi, die in den 15 bis 18 gezeigt sind.
Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 403 durchzuführen. Außerdem fließt ein Strom, der durch die Seite der Wechselrichterschaltung 700 fließt, durch die Diode 901b und die Diode 702b. Er kann jedoch auch so gesteuert werden, dass er durch die Halbleiterschalter 901a und 702a fließt, indem die Halbleiterschalter 901a und 702a angemessen ein- und ausgeschaltet werden.
Außerdem gilt auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 6 Folgendes: Wenn die Spannungsphase der Wechselspannungsversorgung 1 auf θ gesetzt ist, und für den Fall, dass π ≤ θ < 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch Kombinationen der vier Betriebsmodi, die in den 19 bis 22 gezeigt sind.
Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 403 durchzuführen. Außerdem fließt ein Strom, der durch die Seite der Wechselrichterschaltung 400 fließt, durch die Diode 601b und die Diode 402b. Er kann jedoch auch so gesteuert werden, dass er durch die Halbleiterschalter 601a und 402a fließt, indem die Halbleiterschalter 601a und 402a angemessen ein- und ausgeschaltet werden.
In 45 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 501a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ4 und in einem Phasenbereich von θ5 bis π/2 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, d. h. im Phasenbereich θ bis θ4 und im Phasenbereich θ5 bis π/2.
Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 15 und der Betriebsmodus in 16 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 ausgehend von der Wechselrichterschaltung 400 durch die Diode 901b und die Diode 702b (oder die Halbleiterschalter 901a und 702a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 15 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 16 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 15 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 16 geladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 15 und des Betriebsmodus aus 16. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 45 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich θ4 bis θ5. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 17 und der Betriebsmodus in 18 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 400 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 10 von der Wechselrichterschaltung 400 durch den Halbleiterschalter 501a, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch die Diode 901b und die Diode 702b (oder die Halbleiterschalter 901a und 702a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 400 eine Spannung (Vc4* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 17 und den Betriebsmodus von 18 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 400 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 17 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 18 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 17 entladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 18 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 17 und des Betriebsmodus aus 18. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 45 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 801a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ4n der Wechselspannungsversorgung 1, d. h. im Phasenbereich von π bis (π + θ4n).
Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 19 und der Betriebsmodus in 20 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben zu werden, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 ausgehend von der Wechselrichterschaltung 700 durch die Diode 601b und die Diode 402b (oder die Halbleiterschalter 601a und 402a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 19 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 20 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 19 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 20 geladen.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 19 und des Betriebsmodus aus 20. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 45 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist und der Halbleiterschalter 801a (nicht dargestellt) eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich von (π + θ4n) bis (π + θ5n). Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 21 und der Betriebsmodus in 22 werden wechselweise durchgeführt).
Indem diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, um in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben zu werden; er lädt dann den Glättungskondensator 10 von der Wechselrichterschaltung 700 durch den Halbleiterschalter 801a, und er fließt dann zur Wechselspannungsversorgung 1 durch die Diode 601b und die Diode 402b (oder die Halbleiterschalter 601a und 402a) zurück.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 700 eine Spannung (Vc5* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 21 und den Betriebsmodus von 22 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 700 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 700 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 21 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 22 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 21 entladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 22 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 21 und des Betriebsmodus aus 22. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
Als nächstes wird der Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung beschrieben, d. h. der Betrieb zum Ausgeben von Wechselspannung an die Wechselspannungsversorgung 1. 46 zeigt Wellenformen der jeweiligen Komponenten und das Laden und Entladen der Gleichspannungskondensatoren 403 und 703 der Wechselrichterschaltungen 400 und 700, um den Regenerativbetrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erläutern. In 46 gilt Folgendes: 46(a) veranschaulicht eine Spannungs-Wellenform der Wechselspannung Vac.
46(b) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 601a; 46(c) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 401a; 46(d) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 402a; 46(e) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 901a; 46(f) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 701a.
46(g) veranschaulicht die Einschaltzustände und die Ausschaltzustände des Halbleiterschalters 702a; 46(h) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 403; und 46(i) veranschaulicht die Lade- und Entladezustände des Gleichspannungskondensators 703. In den 46(f) und 46(g) zeigen die Bereiche, die mit Pfeilen gekennzeichnet sind, Zeiträume, in welchen das Laden und Entladen nicht durchgeführt wird.
Außerdem ist die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 in der Ausgangsstufe höher als die Scheitelspannung Vp der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, und 46 zeigt einen Zustand, in welchem die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so gesteuert wird, dass sie eine gegebene Sollspannung Vc3* annimmt.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a und 601a und der Halbleiterschalter 401a und 402a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, so dass der Halbleiterschalter 901a und der Halbleiterschalter 702a, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, eingeschaltet sind, und so dass der Halbleiterschalter 801a und der Halbleiterschalter 701a, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, ausgeschaltet sind.
Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 801a und 901a und der Halbleiterschalter 701a und 702a durchgeführt, die die Wechselrichterschaltung 700 bilden, so dass der Halbleiterschalter 601a und der Halbleiterschalter 402a, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, eingeschaltet sind, und so dass der Halbleiterschalter 501a und der Halbleiterschalter 401a, die die Wechselrichterschaltung 400 bilden, ausgeschaltet sind.
Die Phase der Spannung der Wechselspannungsversorgung 1 wird zunächst auf θ gesetzt, und es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vier Halbleiterschalter 401a, 402a, 501a und 601a und der Strompfade für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist.
Außerdem gilt auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 6 Folgendes: Für den Fall, dass 0 ≤ θ < π, wobei die Polarität der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch Kombinationen der vier Betriebsmodi, die in den 24 bis 27 gezeigt ist.
Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 403 durchzuführen. Für den Fall, dass π ≤ θ < 2π, wobei die Polarität der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird ferner die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch Kombinationen der vier Betriebsmodi, die in den 28 bis 31 gezeigt ist. Daher ist es möglich, eine Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 und eine Ladungs- und Entladungssteuerung des Gleichspannungskondensators 703 durchzuführen.
In 46 ist Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ4 und in einem Phasenbereich von θ5 bis π/2 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, d. h. im Phasenbereich 0 bis θ4 und im Phasenbereich θ5 bis π/2. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 24 und der Betriebsmodus in 25 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 400 durch die Halbleiterschalter 702a und 901a über den Halbleiterschalter 601a eingegeben.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 24 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 25 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 24 überbrückt, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 25 entladen. Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 24 und des Betriebsmodus aus 25. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 46 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 501a eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich θ4 bis θ5. Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 401a und 402a der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt (der Betriebsmodus in 26 und der Betriebsmodus in 27 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 400 über den Halbleiterschalter 501a eingegeben, um so in der Wechselspannungsversorgung 1 regeneriert zu werden. Der Strom von der Wechselspannungsversorgung 1 fließt zum Glättungskondensator 10 über die Halbleiterschalter 702a und 901a.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 400 eine Spannung (Vc4* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 26 und den Betriebsmodus von 27 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 400 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1
In der Wechselrichterschaltung 400 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 26 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 27 zurückgesetzt. Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 403 in dem Betriebsmodus von 26 geladen, und der Gleichspannungskondensator 403 wird in dem Betriebsmodus von 27 überbrückt.
Daher wird die Wechselrichterschaltung 400 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 26 und des Betriebsmodus aus 27. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 403 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 46 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird der Glättungskondensator 10 in einem Zustand überbrückt, in welchem der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 801a (nicht dargestellt) ausgeschaltet ist, und zwar in einem Phasenbereich der Nulldurchgangs-Phase auf θ4n und in einem Phasenbereich von θ5n bis 3π/2 der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 d. h. im Phasenbereich von π bis (π + θ4n) und im Phasenbereich von (π + θ5n) bis (3π/2). Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 28 und der Betriebsmodus in 29 werden wechselweise durchgeführt).
Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, so wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben, um so in der Wechselspannungsversorgung 1 regeneriert zu werden. Zu diesem Zeitpunkt werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 28 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 29 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 28 entladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 29 überbrückt. Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 28 und des Betriebsmodus aus 29. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 entladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
In 46 ist nun Folgendes gezeigt: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, wird Gleichspannung an den Glättungskondensator 10 in einem Zustand abgegeben, in welchem der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist und der (nicht dargestellte) Halbleiterschalter 801a eingeschaltet ist, und zwar in dem Phasenbereich von (π + θ4n) bis (π + θ5n). Außerdem wird die PWM-Steuerung zum wechselweisen Einschalten und Ausschalten der Halbleiterschalter 701a und 702a der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt (der Betriebsmodus in 30 und der Betriebsmodus in 31 werden wechselweise durchgeführt).
Indem diese Steuerung durchgeführt wird, wird der Strom von der Wechselspannungsversorgung 10 von der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite begrenzt, und er wird in die Wechselrichterschaltung 700 eingegeben, um so in der Wechselspannungsversorgung 1 regeneriert zu werden.
Zu diesem Zeitpunkt gibt die Wechselrichterschaltung 700 eine Spannung (Vc5* – Vac) aus und führt den Betriebsmodus von 30 und den Betriebsmodus von 31 wiederholt aus, um so eine Ausgangsspannung der Wechselrichterschaltung 700 zur Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 zu addieren, und sie steuert dann die Spannung Vc3 des Glättungskondensators 10 so, dass die Sollspannung Vc3* erhalten wird, die höher ist als die Scheitelspannung der Wechselspannungsversorgung 1.
In der Wechselrichterschaltung 700 werden die Drosselspule 2 auf der positiven Seite und die Drosselspule 3 auf der negativen Seite in dem Betriebsmodus von 30 erregt, und die Erregung der Drosselspule 2 auf der positiven Seite und der Drosselspule 3 auf der negativen Seite wird in dem Betriebsmodus von 31 zurückgesetzt.
Außerdem wird der Gleichspannungskondensator 703 in dem Betriebsmodus von 30 geladen, und der Gleichspannungskondensator 703 wird in dem Betriebsmodus von 31 überbrückt. Daher wird die Wechselrichterschaltung 700 PWM-gesteuert, und zwar durch eine Kombination des Betriebsmodus aus 30 und des Betriebsmodus aus 31. Folglich kann der Gleichspannungskondensator 703 geladen werden, und die Steuerung für einen hohen Leistungsfaktor der Wechselspannungsversorgung 1 kann durchgeführt werden.
Ungeachtet des Energieversorgungsbetriebs oder des Regenerativbetriebs der Energie-Umwandlungsvorrichtung gilt Folgendes: Der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 601a wird für den Fall angepasst, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist, und folglich kann die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 auf einer konstanten Spannung gehalten werden.
Außerdem wird der Einschaltzeitraum des Halbleiterschalters 901a für den Fall angepasst, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist, und folglich kann die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 auf einer konstanten Spannung gehalten werden.
Da die Einschaltzeiträume der Halbleiterschalter 601a und 901a erneut bei den Scheitelphasen (π/2 und 3π/2) der Wechselspannung Vac vorgesehen werden, können ferner neue Ladezeiträume für den Gleichspannungskondensator 403 der Wechselrichterschaltung 400 und den Gleichspannungskondensator 703 der Wechselrichterschaltung 700 zur Verfügung gestellt werden, und zwar bei Phasenbedingungen, bei welchen die Leistung am größten ist.
Folglich ist es möglich, die Welligkeitsspannung ΔVc2 des Gleichspannungskondensators 403 und die Welligkeitsspannung ΔVc3 des Gleichspannungskondensators 703 zu verringern. Indem die Einschaltdauer der Halbleiterschalter 601a und 901a zu den Scheitelphasen der Wechselspannung Vac angepasst werden, ist es außerdem möglich, die Welligkeitsspannung ΔVc2 des Gleichspannungskondensators 403 und die Welligkeitsspannung ΔVc3 des Gleichspannungskondensators 703 anzupassen.
Bei dem Betriebsverfahren wird das Verhältnis zwischen der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 und der Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 wie in Gleichung (1) auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 ausgedrückt. Die Sollspannung Vc2* von Gleichung (1) muss jedoch durch die Sollspannung Vc3* ersetzt werden.
Außerdem müssen im Zusammenhang mit einer Etablierungsbedingung der Stromsteuerung die Ausdrücke (5) und (6), die bei der Ausführungsform 3 beschrieben wurden, für den Fall erfüllt sein, dass die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 400 durchgeführt wird, und die Ausdrücke (7) und (8) müssen für den Fall erfüllt sein, dass die Stromsteuerung von der Wechselrichterschaltung 700 durchgeführt wird.
In dem oben beschriebenen Betriebsverfahren kann für den Fall, dass die Etablierungsbedingungen (die Ausdrücke (5) bis (8)) der Stromsteuerung nicht erfüllt sind, die Stromsteuerung kontinuierlich durchgeführt werden, wenn die Stromsteuerung durch die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 zu derjenigen der Halbleiterschalter 601a und 901a geändert wird, und zwar auf die gleiche Weise wie bei dem Steuerungsverfahren, das bei der Ausführungsform 2 beschrieben wurde.
Die Steuerung der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 6. Die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10 wird auf der Sollspannung Vc3* gehalten, indem eine Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 401a, 402a, 701a und 702a durchgeführt wird, die die Wechselrichterschaltungen bilden. Außerdem wird der Wechselstrom Iac so gesteuert, dass der Leistungsfaktor während des Energieversorgungsbetriebs 1 wird, und dass er während des Regenerativbetriebs (–1) wird.
Nachfolgend wird die Steuerung beschrieben, welche mit der Ausgabe der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a zusammenhängt, welche bewirkt, dass die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 dem Befehlswert Vc4* folgt, welche bewirkt, dass die Welligkeitsspannung ΔVc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 an einen vorab festgelegten Sollwert ΔVc4* angepasst wird, welche bewirkt, dass die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 dem Befehlswert Vc5* folgt, und welche bewirkt, dass die Welligkeitsspannung ΔVc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 auf einen vorab festgelegten Sollwert ΔVc5* eingestellt wird. 47 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Ausgangssteuerung der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a veranschaulicht, die von der Steuerungsschaltung 11 durchgeführt wird.
Zunächst ist die Welligkeitsspannung im Phasenbereich von θ5 bis π/2 so wie in Gleichung (29) ausgedrückt.
Math. Ausdruck 19
Außerdem berechnet ein Verstärkungs-Multiplizierer 104 ein Tastsignal 104a, das der Spannungsphase θ5 entspricht, und zwar auf der Basis des vorab festgelegten Sollwerts ΔVc5*. Eine Konstante im Verstärkungs-Multiplizierer 104 kann eindeutig aus der Gleichung (30) gewonnen werden.
Math. Ausdruck 20
Danach bezieht ein Subtrahierer 105 die Differenz 105a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc4* und einer detektierten Gleichspannung Vc4. Die Differenz 105a zwischen dem Befehlswert Vc4* und der Gleichspannung Vc4 wird als Rückführungswert verwendet, und die Polarität der Differenz 105a zwischen dem Befehlswert Vc4* und der Gleichspannung Vc4 wird von einer Auswähleinrichtung 106 für den Energieversorgungs-/Regenerativbetrieb bestimmt.
Die Differenz 105a wird mit 1 während des Energieversorgungsbetriebs multipliziert, und die Differenz 105a wird mit (–1) während des Regenerativbetriebs multipliziert. Ein Rückführungswert 106a, dessen Polarität bestimmt wird, wird mittels eines PI-Reglers 107 PI-geregelt, und dessen Ausgang wird als Spannungs-Befehl 107a gesetzt. Der Spannungs-Befehl 107a ist ein Tastsignal, das der Spannungsphase θ4 entspricht, und es ist folglich notwendig, dass er die Spannungsphasen θ4 < θ5 jederzeit erfüllt.
Daher wird ein Spannungssignal 108a von einer Begrenzungseinrichtung 108 erzeugt, die das Tastsignal 104a in dem Spannungs-Befehl 107a als einen oberen Grenzwert setzt. Ein Gatesignal-Generator 109 erzeugt ein Gatesignal 109a des Halbleiterschalters 601a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er die zwei Tastsignale 104a und 108a verwendet.
Bei der PWM-Steuerung mittels des Gatesignal-Generators 109 wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungsversorgung 1 beträgt, als Trägerwelle verwendet, und durch vergleichende Berechnung wird Folgendes vorgenommen: Die Dauer von 0 bis zum Tastsignal 108a wird auf den Phasenbereich von 0 bis θ4 eingestellt; die Dauer des Spannungssignals 108a bis zum Tastsignal 104a wird auf den Phasenbereich von θ4 bis θ5 eingestellt; und die Dauer des Tastsignals 104a bis 1 wird auf den Phasenbereich von θ5 bis π/2 eingestellt.
Außerdem wird als das Gatesignal 109a ein Einschaltsignal im Phasenbereich von 0 bis θ4 und im Phasenbereich von θ5 bis π/2, erzeugt, und ein Ausschaltsignal wird im Phasenbereich von θ4 bis θ5 erzeugt.
Außerdem wird die Welligkeitsspannung im Phasenbereich von (π + θ5n) bis π/2 durch Gleichung (31) ausgedrückt.
Math. Ausdruck 21
Außerdem berechnet ein Verstärkungs-Multiplizierer 110 ein Tastsignal 110a, das der Spannungsphase θ5n entspricht, und zwar auf der Basis des vorab festgelegten Sollwerts ΔVc5*. Eine Konstante im Verstärkungs-Multiplizierer 110 kann eindeutig aus der Gleichung (32) gewonnen werden.
Math. Ausdruck 22
Danach bezieht ein Subtrahierer 111 die Differenz 111a zwischen dem eingestellten Befehlswert Vc5* und einer detektierten Gleichspannung Vc5. Die Differenz 111a zwischen dem Befehlswert Vc5* und der Gleichspannung Vc5 wird als Rückführungswert verwendet, und die Polarität der Differenz 111a zwischen dem Befehlswert Vc5* und der Gleichspannung Vc5 wird von einer Auswähleinrichtung 112 für den Energieversorgungs-/Regenerativbetrieb bestimmt.
Die Differenz 111a wird mit 1 während des Energieversorgungsbetriebs multipliziert, und die Differenz 111a wird mit (–1) während des Regenerativbetriebs multipliziert. Ein Rückführungswert 112a, dessen Polarität bestimmt wird, wird mittels eines PI-Reglers 113 PI-geregelt, und dessen Ausgang wird als Spannungs-Befehl 113a gesetzt. Der Spannungs-Befehl 113a ist ein Tastsignal, das der Spannungsphase θ4n entspricht, und es ist folglich notwendig, dass er die Spannungsphasen θ4n < θ5n jederzeit erfüllt.
Daher wird ein Spannungssignal 114a von einer Begrenzungseinrichtung 114 erzeugt, die das Tastsignal 110a in dem Spannungs-Befehl 113a als einen oberen Grenzwert setzt. Ein Gatesignal-Generator 115 erzeugt ein Gatesignal 115a des Halbleiterschalters 901a, das der PWM-Steuerung entspricht, indem er die zwei Tastsignale 110a und 114a verwendet.
Bei der PWM-Steuerung mittels des Gatesignal-Generators 115 wird eine Dreieckwelle (Dreieckwelle der Wechselspannungsversorgungs-Periode TWAC), die mit einer Periode synchronisiert ist, die das Doppelte der Frequenz der Wechselspannungsversorgung 1 beträgt, als eine Trägerwelle verwendet, und durch vergleichende Berechnung wird Folgendes vorgenommen: Die Dauer von 0 bis zum Tastsignal 114a wird auf den Phasenbereich von π bis (π + θ4n) eingestellt; die Dauer des Tastsignals 114a bis zum Tastsignal 110a wird auf den Phasenbereich von (π + θ4n) bis (π + θ5n) eingestellt; und die Dauer des Tastsignals 110a bis 1 wird auf den Phasenbereich von (π + θ5n) bis 3π/2 eingestellt. Außerdem wird als das Gatesignal 75a ein Einschaltsignal im Phasenbereich von π bis (π + θ4n) und im Phasenbereich von (π + θ5n) bis 3π/2 erzeugt, und ein Ausschaltsignal wird im Phasenbereich von (π + θ4n) bis (π + θ5n) erzeugt.
Der Halbleiterschalter 501a wird so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 601a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 501a eingeschaltet.
Da jedoch in dem Halbleiterschalter 501a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 501a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 501b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist. Der Halbleiterschalter 801a wird auf ähnliche Weise so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist.
Mit anderen Worten: Für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a eingeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet, und für den Fall, dass der Halbleiterschalter 901a ausgeschaltet ist, ist der Halbleiterschalter 801a eingeschaltet. Da jedoch in dem Halbleiterschalter 801a zu allen Zeitpunkten ein Strom vom Emitter zum Kollektor fließt, kann der Halbleiterschalter 801a ausgeschaltet werden, so dass der Strom durch die Diode 801b fließt, welche dazu invers parallel geschaltet ist.
Nachfolgend wählt eine Gatesignal-Auswähleinrichtung 116 ein Gatesignal eines jeden der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a gemäß der jeweiligen Betriebsbedingung. 48 ist ein Steuerblockdiagramm, das eine spezifische Funktion der Gatesignal-Auswähleinrichtung 116 veranschaulicht. Die Gatesignal-Auswähleinrichtung 116 wählt ein passendes Gatesignal aus den Eingangssignalen 116a auf der Basis der Spannungs-Information 116b und eines Energieversorgungs-/Regenerativbetriebsbefehls (Energieversorgung/Regenerativ) aus und erzeugt ein Gatesignal für jeden der Halbleiterschalter 501a, 601a, 801a und 901a.
Die Eingangssignale 116a sind fünf Signale inklusive einem Stromsteuerungs-PWM-Signal, einem Einschaltsignal, einem Ausschaltsignal und den Gatesignalen 109a und 115a auf der Basis von Spannungs-Befehlen, welche berechnet werden, um zu bewirken, dass jeweils die Gleichspannung Vc4 und die Gleichspannung Vc5, die in 43 dargestellt sind, dem Befehlswert Vc4* bzw. dem Befehlswert Vc5* folgen.
Die Spannungs-Information 116b ist eine Information, die dazu benötigt wird, die Polarität der Wechselspannung Vac zu bestimmen und die Herstellung der Gleichungen (5) und (8) zu bestimmen. Sie beinhaltet ein Gatesignal GS2 der Halbleiterschalter 601a und 901a, die Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1, die Gleichspannung Vc4 des Gleichspannungskondensators 403, die Gleichspannung Vc5 des Gleichspannungskondensators 703, und die Gleichspannung Vc3 des Glättungskondensators 10.
Zunächst wird der Fall des Energieversorgungsbetriebs beschrieben. Während des Energieversorgungsbetriebs gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdrucks (5) erfüllt ist, wird das Gatesignal 109a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, wird das Stromsteuerungs-PWM-Signal als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdruck (6) erfüllt ist, wird das Gatesignal 109a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt.
Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (7) erfüllt ist, wird das Gatesignal 115a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt.
Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Während des Energieversorgungsbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (8) erfüllt ist, wird das Gatesignal 115a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt.
Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt. Für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt; das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt; und das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Als nächstes wird der Fall des Regenerativbetriebs beschrieben. Während des Regenerativbetriebs gilt Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdruck (5) erfüllt ist, wird das Gatesignal 109a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (5) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a gewählt (eine PWM-Steuerung wird an den Halbleiterschaltern 501a und 601a dadurch durchgeführt, dass sie miteinander synchronisiert werden). Der Halbleiterschalter 501a wird hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 positiv ist und der Ausdruck (6) erfüllt ist, wird das Gatesignal 109a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a und des Halbleiterschalters 601a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (6) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird für den Halbleiterschalter 501a und den Halbleiterschalters 601a gewählt. Der Halbleiterschalter 501a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 601a ist. Zusätzlich wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 901a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (7) erfüllt ist, wird das Gatesignal 115a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (7) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird für den Halbleiterschalter 801a und den Halbleiterschalter 901a gewählt. Der Halbleiterschalter 801a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist. Das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Während des Regenerativbetriebs gilt außerdem Folgendes: Für den Fall, dass die Polarität der Wechselspannung Vac der Wechselspannungsversorgung 1 negativ ist und Ausdruck (8) erfüllt ist, wird das Gatesignal 115a, das ein PWM-Signal ist, als Gatesignal des Halbleiterschalters 801a und des Halbleiterschalters 901a ausgewählt. Ferner wird das Ausschaltsignal als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Für den Fall, dass der Ausdruck (8) nicht erfüllt ist, gilt Folgendes: Das Stromsteuerungs-PWM-Signal wird für den Halbleiterschalter 801a und den Halbleiterschalter 901a gewählt. Der Halbleiterschalter 801a wird auch hierbei so betrieben, dass er eine Polarität hat, die umgekehrt zu derjenigen des Halbleiterschalters 901a ist. Das Ausschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 501a gewählt, und das Einschaltsignal wird als Gatesignal des Halbleiterschalters 601a gewählt.
Außerdem können für den Fall, dass nur der Energieversorgungsbetrieb durchgeführt wird, die Halbleiterschalter 501a und 801a, die mit der positiven Seite des Glättungskondensators 10 verbunden sind, durch Dioden ersetzt werden, und die Halbleiterschalter 401a und 701a der jeweiligen positiven Seite der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 kann durch Hochfrequenzdioden ersetzt werden, die Verluste haben, welche kleiner als diejenigen der Dioden während des Betriebs mit hoher Frequenz sind. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sperrverzögerungsverluste und die Leitungsverluste zu optimieren.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt zusätzlich zu den Merkmalen, die mit der Konfiguration gemäß Ausführungsform 3 erzielt werden, Folgendes: Da die Welligkeitsspannung ΔVc4 des Gleichspannungskondensators 403 der Wechselrichterschaltung 400 und die Welligkeitsspannung ΔVc5 des Gleichspannungskondensators 703 der Wechselrichterschaltung 700 angepasst werden kann, ist es möglich, den Betriebs-Spannungsbereich der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erweitern.
Ferner ist es möglich, die Lebensdauer des Kondensators zu verlängern, indem die Frequenz des Welligkeitsstroms erhöht wird, der in den Kondensator hineinfließt. Da die Welligkeitsspannungen ΔVc4 und ΔVc5 verringert werden und folglich die notwendige Kondensator-Kapazität und die Anzahl von nötigen Kondensatoren, die parallel geschaltet werden, verringert werden kann, ist es außerdem möglich, eine Verkleinerung der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu erzielen.
In allen Ausführungsformen können außerdem MOSFETs für den Betrieb mit hoher Frequenz als die Halbleiterschalter 401a und 701a auf der positiven Seite verwendet werden, die die Wechselrichterschaltungen 400 und 700 bilden, und es können IGBTs für den Betrieb mit niedriger Frequenz als die Halbleiterschalter 501a und 801a verwendet werden, welche zwischen die Halbleiterschalter 401a und 701a auf den positiven Seiten der Wechselrichterschaltungen 400 und 700 und den positiven Seiten P2 der Glättungskondensatoren 7 und 10 geschaltet sind. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Schaltverluste und die Leitungsverluste der Halbleiterschalter 401a und 701a sowie der Halbleiterschalter 501a und 801a zu optimieren.
In diesem Fall kann der IGBT für den Betrieb mit niedriger Frequenz aus Silicium hergestellt sein, und der MOSFET für den Betrieb mit hoher Frequenz kann aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke hergestellt sein, der eine Bandlücke hat, die größer ist als diejenige von Silicium. Außerdem kann die Diode für den Betrieb mit niedriger Frequenz aus Silicium hergestellt sein, und die Diode für den Betrieb mit hoher Frequenz kann aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke hergestellt sein, der eine Bandlücke hat, die weiter ist als diejenige von Silicium. Der Halbleiter mit großer Bandlücke beinhaltet beispielsweise Siliciumcarbid, ein Gallium-Nitrid-basiertes Material oder Diamant.
Da ein Halbleiterschalter, der aus einem solchen Halbleiter mit großer Bandlücke hergestellt ist, geringe Leistungsverluste während des Betriebs mit hoher Frequenz aufweist, ist es möglich, die Effizienz des MOSFETs für den Betrieb mit hoher Frequenz zu erhöhen. Da andererseits ein Betrieb mit hoher Frequenz bei dem IGBT für den Betrieb mit niedriger Frequenz nicht durchgeführt wird, hat selbst dann, wenn der IGBT aus Silicium hergestellt ist, die keinen großen Einfluss auf die Leistungsverluste der Energie-Umwandlungsvorrichtung als Ganzes.
Obwohl im Allgemeinen ein Halbleiterschalter aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke teurer ist als ein Halbleiterschalter aus Silicium, ist ein Halbleiterschalter, der die Leistungsverluste erhöht, vorzugsweise aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke hergestellt, wie es oben beschrieben ist. Folglich ist es möglich, den Anstiegt des Preises der Energie-Umwandlungsvorrichtung zu minimieren.
Da ein Halbleiterschalter, der aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet ist, ein hohes Stehspannungsvermögen aufweist und außerdem auch eine große zulässige Stromdichte hat, kann der Halbleiterschalter auch verkleinert werden, und ein Halbleitermodul, in welchem so ein Element aufgenommen ist, kann mit kleineren Dimensionen ausgebildet werden, indem der kleinere Halbleiterschalter verwendet wird. Da der Halbleiterschalter auch eine große Wärmebeständigkeit aufweist, können ferner die Wärmeabgaberippen verkleinert werden, oder ein wassergekühltes Teil kann durch ein luftgekühltes Teil ersetzt werden. Folglich ist es möglich, das Halbleitermodul weiter zu verkleinern.
Bezugszeichenliste

1: Wechselspannungsversorgung
2: Drosselspule der Hauptschaltung
3: Drosselspule der Hauptschaltung
7: Glättungskondensator
10: Glättungskondensator
8: Steuerungsschaltung
11: Steuerungsschaltung
101: Dioden-Gleichrichterschaltung
102: Dioden-Gleichrichterschaltung
200: Dioden-Gleichrichterschaltung
400: Wechselrichterschaltung
700: Wechselrichterschaltung
401a, 402a: Halbleiterschalter
501a, 601a: Halbleiterschalter
701a, 702a: Halbleiterschalter
801a, 901a: Halbleiterschalter
401b, 402b: Diode
501b, 601b: Diode
701b, 702b: Diode
801b, 901b: Diode
403, 703: Gleichspannungskondensator

Claims

Energie-Umwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: – eine Gleichrichterschaltung (200), die den Eingang aus einer Wechselspannungsversorgung (1) gleichrichtet, – eine Wechselrichterschaltung (400) vom Halbbrücken-Typ, die ein erstes Halbleiterelement (401), ein zweites Halbleiterelement (402) und einen Gleichspannungskondensator (403) aufweist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Halbleiterelement (401) und dem zweiten Halbleiterelement (402) mit einem Bus der Wechselspannungsversorgung (1) verbunden ist; – einen Glättungskondensator (7), der eine Ausgangsspannung glättet; – ein drittes Halbleiterelement (501), das zwischen dem ersten Halbleiterelement (401) auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung (400) und der positiven Seite eines Glättungskondensators (7) angeschlossen ist; – ein viertes Halbleiterelement (601), das zwischen dem zweiten Halbleiterelement (402) der negativen Seite der Wechselrichterschaltung (400) und der negativen Seite des Glättungskondensators (7) angeschlossen ist; und – eine Steuerungsschaltung (8), die das Einschalten und das Ausschalten des ersten bis vierten Halbleiterelemente (401, 402, 501, 601) steuert, – wobei die Steuerungsschaltung (8) das Einschalten und das Ausschalten des vierten Halbleiterelements (601) so steuert, dass die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) einer Sollspannung des Gleichspannungskondensators (403) folgt, und wobei sie das Einschalten und das Ausschalten des ersten Halbleiterelements (401) und des zweiten Halbleiterelements (402) so steuert, dass die Gleichspannung des Glättungskondensators (7) einer Sollspannung des Glättungskondensators (7) folgt und somit der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung (1) eingestellt wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: – eine Drosselspule (2) auf der positiven Seite, die in einen Bus auf der positiven Seite der Wechselspannungsversorgung (1) eingefügt ist; – eine Drosselspule (3) auf der negativen Seite, die in einen Bus auf der negativen Seite der Wechselspannungsversorgung (1) eingefügt ist; – eine erste Wechselrichterschaltung (400) vom Halbbrücken-Typ, die ein erstes Halbleiterelement (401), ein zweites Halbleiterelement (402) und einen Gleichspannungskondensator (403) aufweist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Halbleiterelement (401) und dem zweiten Halbleiterelement (402) mit der Drosselspule (2) auf der positiven Seite verbunden ist; – eine zweite Wechselrichterschaltung (700) vom Halbbrücken-Typ, die ein fünftes Halbleitelement (701), ein sechstes Halbleiterelement (702) und einen zweiten Gleichspannungskondensator (703) aufweist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem fünften Halbleiterelement (701) und dem sechsten Halbleiterelement (702) mit der Drosselspule (3) auf der negativen Seite verbunden ist; – einen Glättungskondensator (10), der eine Ausgangsspannung glättet; – ein drittes Halbleiterelement (501), das zwischen dem ersten Halbleiterelement (401) auf der positiven Seite der ersten Wechselrichterschaltung (400) und der positiven Seite des Glättungskondensators (10) angeschlossen ist; – ein viertes Halbleiterelement (601), das zwischen dem zweiten Halbleiterelement (402) der negativen Seite der ersten Wechselrichterschaltung (400) und der negativen Seite des Glättungskondensators (10) angeschlossen ist; und – ein siebtes Halbleiterelement (801), das zwischen dem fünften Halbleiterelement (701) auf der positiven Seite der zweiten Wechselrichterschaltung (700) und der positiven Seite des Glättungskondensators (10) angeschlossen ist; – ein achtes Halbleiterelement (901), das zwischen dem sechsten Halbleiterelement (702) auf der negativen Seite der zweiten Wechselrichterschaltung (700) und der negativen Seite des Glättungskondensators (10) angeschlossen ist; und – eine Steuerungsschaltung (11), die das Einschalten und das Ausschalten des ersten bis achten Halbleiterelements (401, 402, 501, 601, 701, 702, 801, 901) steuert, – wobei die Steuerungsschaltung (11) das Einschalten und das Ausschalten des vierten Halbleiterelement (601) und des achten Halbleiterelements (901) so steuert, dass jede der Gleichspannungen des ersten Gleichspannungskondensators (403) und des zweiten Gleichspannungskondensators (703) ihrer jeweiligen Sollspannung folgt, und wobei sie das Einschalten und das Ausschalten des ersten Halbleiterelements (401), des zweiten Halbleiterelements (402), des fünften Halbleiterelements (701) und des sechsten Halbleiterelements (702) so steuert, dass die Gleichspannung des Glättungskondensators (10) einer Sollspannung des Glättungskondensators (10) folgt und somit der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung (1) eingestellt wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuerungsschaltung (11) die Steuerung des Einschaltens und das Ausschaltens des ersten Halbleiterelements (401) und des zweiten Halbleiterelements (402) der ersten Wechselrichterschaltung (400) und die Steuerung des Einschaltens und das Ausschaltens des fünften Halbleiterelements (701) und des sechsten Halbleiterelements (702) der zweiten Wechselrichterschaltung in Abhängigkeit der Polaritäten der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) so steuert, dass die Gleichspannung des Glättungskondensators (10) einer Sollspannung des Glättungskondensators (10) folgt und somit der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung (1) eingestellt wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuerungsschaltung (11) eine Steuerung zum Regenerieren von Energie aus dem Glättungskondensator (10) in der Wechselspannungsversorgung (1) durchführt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuerungsschaltung (11) das Einschalten und das Ausschalten des ersten bis achten Halbleiterelements (401, 402, 501, 601, 701, 702, 801, 901) so steuert, dass die Gleichspannungskondensatoren (403, 703) während eines Energieversorgungsbetriebes geladen werden und die Gleichspannungskondensatoren (403, 703) während eines Regenerativbetriebes entladen werden.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die Folgendes aufweist: – eine Gleichrichterschaltung (200), die den Eingang aus einer Wechselspannungsversorgung (1) gleichrichtet, – eine Wechselrichterschaltung (400) vom Halbbrücken-Typ, die ein erstes Halbleiterelement, einen zweiten Halbleiterschalter und einen Gleichspannungskondensator (403) aufweist, wobei ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Halbleiterelement und dem zweiten Halbleiterschalter mit einem Bus der Wechselspannungsversorgung (1) verbunden ist; – einen Glättungskondensator (7), der eine Ausgangsspannung glättet; – ein drittes Halbleiterelement, das zwischen dem ersten Halbleiterschalter auf der positiven Seite der Wechselrichterschaltung (400) und der positiven Seite eines Glättungskondensators (7) angeschlossen ist; – ein viertes Halbleiterelement, das zwischen dem zweiten Halbleiterelement der negativen Seite der Wechselrichterschaltung (400) und der negativen Seite des Glättungskondensators (7) angeschlossen ist; und – eine Steuerungsschaltung (8), die das erste Halbleiterelement, den zweiten Halbleiterschalter, das dritte Halbleiterelement und den vierten Halbleiterschalter steuert, – wobei die Steuerungsschaltung (8) eine Steuerung zum Ändern des Einschaltens und des Ausschaltens des vierten Halbleiterschalters durchführt, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, und zwar einmal zur Viertelperiode der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1).
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerungsschaltung eine Steuerung zum Ändern des Einschaltens und des Ausschaltens des vierten Halbleiterschalters durchführt, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, und zwar mehrere Male zur Viertelperiode der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1).
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuerungsschaltung (8) einen ersten Einschaltzeitraum, einen ersten Ausschaltzeitraum, einen zweiten Einschaltzeitraum und einen zweiten Ausschaltzeitraum für den vierten Halbleiterschalter einstellt, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, und zwar zur Viertelperiode der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1), wobei sie den ersten Ausschaltzeitraum und den zweiten Einschaltzeitraum so einstellt, dass eine Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) der Sollspannung des Gleichspannungskondensators (403) folgt, und wobei sie den ersten Einschaltzeitraum und den zweiten Ausschaltzeitraum so einstellt, dass die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators (7) einem Sollwert folgt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuerungsschaltung (8) die Länge des ersten Einschaltzeitraums auf der Basis eines Sollwerts der Welligkeitsspannung des Glättungskondensators (7) einstellt, und wobei sie die Länge des zweiten Ausschaltzeitraums so einstellt, dass die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators (7) im ersten Einschaltzeitraum die gleiche ist wie die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators (7) im zweiten Ausschaltzeitraum.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuerungsschaltung (8) einen ersten Einschaltzeitraum, einen ersten Ausschaltzeitraum, einen zweiten Einschaltzeitraum und einen zweiten Ausschaltzeitraum für den vierten Halbleiterschalter einstellt, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, und zwar zur Viertelperiode der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1), wobei sie den ersten Einschaltzeitraum und den ersten Ausschaltzeitraum so einstellt, dass eine Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) der Sollspannung des Gleichspannungskondensators (403) folgt, und wobei sie den zweiten Einschaltzeitraum so einstellt, dass die Welligkeitsspannung des Glättungskondensators (7) einem Sollwert folgt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Steuerungsschaltung (8) die Länge des zweiten Einschaltzeitraums auf der Basis eines Sollwerts der Welligkeitsspannung des Glättungskondensators (7) einstellt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuerungsschaltung (8) das Einschalten und das Ausschalten des vierten Halbleiterschalters steuert, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators verbunden ist, so dass der vierte Halbleiterschalter nur in einem geplanten Phasenbereich inklusive einer Nulldurchgangs-Phase der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) eingeschaltet ist, und wobei folglich der Glättungskondensator (7) überbrückt wird und der Gleichspannungskondensator (403) geladen wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Steuerungsschaltung (8) die Länge eines Einschaltzeitraums einstellt, in welchem der vierte Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators verbunden ist, in einem geplanten Phasenbereich der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) eingeschaltet wird, so dass der Gleichspannungskondensator (403) so eingestellt wird, dass er eine geplante Spannung hat.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Steuerungsschaltung (8) eine Spannung, die eine Polarität umgekehrt zu der Polarität der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) hat, als Korrekturspannung verwendet, und zwar in einem Fall, in welchem der vierte Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, eingeschaltet ist, wobei sie eine Differenzspannung zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators und der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) als Korrekturspannung in einem Fall verwendet, wenn der Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators verbunden ist, ausgeschaltet ist, und wobei sie das Einschalten und das Ausschalten des zweiten Halbleiterschalters steuert, der die Wechselrichterschaltung (400) bildet, indem sie eine Steuerung mit Vorwärtskopplung zum Addieren der Korrekturspannung zum Spannungs-Befehl der Wechselrichterschaltung durchführt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuerungsschaltung (8) eine Sollspannung der Gleichspannung des Glättungskondensators (7) so einstellt, dass sie jederzeit höher ist als die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403).
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei für den Fall, dass die Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) größer ist als die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) in einem Zeitraum, in welchem der vierte Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, so eingestellt ist, das er eingeschaltet ist, die Steuerungsschaltung den zweiten Halbleiterschalter auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung auf den Ausschaltzustand festlegt, und den vierten Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, mit einer PWM-Steuerung steuert, so dass die Gleichspannung des Glättungskondensators der Sollspannung des Glättungskondensators folgt und folglich der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung (1) eingestellt wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei für den Fall, dass die Differenzspannung zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators (7) und der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) höher ist als die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) in einem Zeitraum, in welchem der vierte Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, so eingestellt ist, das er ausgeschaltet ist, die Steuerungsschaltung den zweiten Halbleiterschalter auf der negativen Seite der Wechselrichterschaltung auf den Einschaltzustand festlegt, und den vierten Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, mit einer PWM-Steuerung steuert, so dass die Gleichspannung des Glättungskondensators (7) der Sollspannung des Glättungskondensators (7) folgt und folglich der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung (1) eingestellt wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei für den Fall, dass die Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) größer ist als die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) in einem Zeitraum, in welchem der vierte Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, so eingestellt ist, das er eingeschaltet ist, oder für den Fall, dass die Differenzspannung zwischen der Gleichspannung des Glättungskondensators und der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgung (1) höher ist als die Gleichspannung des Gleichspannungskondensators (403) in einem Zeitraum, in welchem der vierte Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, so eingestellt ist, dass er ausgeschaltet ist, die Steuerungsschaltung (8) den vierten Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite des Glättungskondensators (7) verbunden ist, und den zweiten Halbleiterschalter, der mit der negativen Seite der Wechselrichterschaltung (400) verbunden ist, mit einer PWM-Steuerung durch Synchronisation miteinander steuert, so dass die Gleichspannung des Glättungskondensators (7) der Sollspannung des Glättungskondensators folgt (7) und folglich der Eingangs-Leistungsfaktor von der Wechselspannungsversorgung (1) eingestellt wird.