DE112014004002B4

DE112014004002B4 - Energie-Umwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112014004002B4
Application number: DE112014004002.9T
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Okuda; Kikuo Izumi; Takahiro Kato
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2034-07-05
Also published as: CN105409107A; US10084315B2; US20160204691A1; WO2015029597A1; CN105409107B; JPWO2015029597A1; DE112014004002T5; JP6058147B2

Abstract

Energie-Umwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist:- eine Energie-Umwandlungsschaltung (20) zum Umwandeln von DC-Energie, die von einer DC-Energieversorgung (1) zugeführt wird, in AC-Energie; und- eine Energieumwandlungs-Steuerungseinheit (23) zum Steuern des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung (20) derart, dass sie autonome Betriebsenergie als eine AC-Spannungsquelle in einem parallelen Ausschaltzustand von einem Stromnetz (5) erzeugt,- wobei die Energie-Umwandlungsschaltung (20) Folgendes aufweist:-- eine DC-DC-Energieumwandlungsschaltung (21) zum Umwandeln von DC-Spannung der DC-Energieversorgung (1) in eine DC-Verbindungsspannung; und-- eine DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22) zum Umwandeln der DC-Verbindungsspannung in eine AC-Spannung, und- wobei die Energieumwandlungs-Steuerungseinheit (23) Folgendes aufweist:-- eine Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung zum Steuern der AC-Spannung der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22);-- eine AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) zum Begrenzen des AC-Stroms der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22) auf einen vorbestimmten Strom-Begrenzungswert oder niedriger;-- eine Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag zum Verringern, wenn die DC-Verbindungsspannung der Energie-Umwandlungsschaltung (20) abnimmt, in Antwort auf die Abnahme, des Strom-Begrenzungswerts, der an die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) ausgegeben werden soll;-- eine Schutzschaltung (24) zum Unterbrechen des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung (20), wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:- die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) hat den Betrieb zum Begrenzen des AC-Stroms auf den Strom-Begrenzungswert oder niedriger für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt;- ein Zustand, in welchem der Effektivwert der AC-Spannung, der auf der Basis eines Detektionswerts (Vac) für die AC-Spannung erzeugt worden ist, welcher von einer Spannungs-Detektionsschaltung (202) detektiert wird, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (2) ausgegeben wird, gleich einem oder kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, ist für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt worden; und- ein Zustand, in welchem eine Differenzspannung zwischen einem Befehlswert (Vref) für die AC-Spannung, der von der Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung erzeugt worden ist, und einem Momentanwert der AC-Spannung, der auf der Basis des Detektionswerts (Vac) für die AC-Spannung erhalten worden ist, welcher von der Spannungs-Detektionsschaltung (202) bestimmt worden ist, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (2) ausgegeben worden ist, gleich einer oder größer ist als eine vorbestimmte Schwellenspannung, ist für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt worden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit einer autonomen Betriebsfunktion.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird eine Energie-Umwandlungsvorrichtung vorgeschlagen, welche einen Strom-Detektionseinheit zum direkten oder indirekten Detektieren eines Stroms von einem Wechselrichter aufweist, und welche eine Strom-Unterdrückungseinheit zum Verringern des Ausgangsstroms des Wechselrichters aufweist, wenn der von der Strom-Detektionseinheit detektierte Strom höher als ein eingestellter Wert ist.
Dadurch wird es bei einem autonomen Betrieb ermöglicht, der z. B. durchgeführt wird, wenn die Energieversorgung von einem Energieversorgungssystem unterbrochen worden ist, dass ein Betrieb selbst dann stattfindet, wenn eine Reinigungsvorrichtung oder dergleichen angeschlossen wird, bei welcher es wahrscheinlich ist, dass sie einen Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom erzeugt, oder wenn eine induktive Last angeschlossen wird (siehe z. B. JP 2009 - 131 056 A ).
Eine weitere herkömmliche Energie-Umwandlungsvorrichtung weist Folgendes auf: eine Vergleichseinrichtung zum Detektieren, dass die Ausgabe einer Strom-Detektionseinrichtung zum Detektieren des Stroms eines Wechselrichters einen vorbestimmten Wert überschritten hat, was einen Überstrom verursacht; eine Überstrom-Steuerungseinrichtung zum Verringern des Ausgangsstroms des Wechselrichters in Antwort auf die Detektion von Überstrom mittels der Vergleichseinrichtung; und eine Einrichtung zum Schalten eines Halbleiterschalters zum Zuführen von Energie von einem Stromnetz zu einer Last in den leitenden Zustand, und zwar in Antwort auf die Detektion von Überstrom mittels der Vergleichseinrichtung, so dass selbst dann, wenn die Umwandlungsvorrichtung einen Überlast-Zustand annimmt, ein Energie-Fehlbetrag aus dem Stromnetz zugeführt wird.
Folglich wird eine unterbrechungsfreie Energieversorgungsvorrichtung erhalten, welche dazu imstande ist, selbst dann, wenn ein kurzzeitiger Überstrom innerhalb einer Periode der Ausgangsspannung auftritt, die Zufuhr von Energie an die Last fortzusetzen, ohne die Umwandlungsvorrichtung dazu zu veranlassen, auszufallen oder den Betrieb zum Schutz zu unterbrechen und ohne eine Verringerung oder sofortige Unterbrechung der Ausgangsspannung zu verursachen (siehe z. B. JP 3 473 924 B2 ).
Aus der US 2010 / 0 085 784 A1 ist eine Energie-Umwandlungsvorrichtung bekannt, die Folgendes aufweist:

- eine Energie-Umwandlungsschaltung zum Umwandeln von DC-Energie, die von einer DC-Energieversorgung zugeführt wird, in AC-Energie; und
- eine Energieumwandlungs-Steuerungseinheit zum Steuern des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung derart, dass sie autonome Betriebsenergie als eine AC-Spannungsquelle in einem parallelen Ausschaltzustand von einem Stromnetz erzeugt,
- wobei die Energie-Umwandlungsschaltung Folgendes aufweist:
- -- eine DC-DC-Energieumwandlungsschaltung zum Umwandeln von DC-Spannung der DC-Energieversorgung in eine DC-Verbindungsspannung; und
- -- eine DC-AC-Energieumwandlungsschaltung zum Umwandeln der DC-Verbindungsspannung in eine AC-Spannung, und
- wobei die Energieumwandlungs-Steuerungseinheit Folgendes aufweist:
- -- eine Steuerungseinheit für die AC-Spannung zum Steuern der AC-Spannung der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung;
- -- eine AC-Strom-Unterdrückungseinheit zum Begrenzen des AC-Stroms der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22) auf einen vorbestimmten Strom-Begrenzungswert oder niedriger;

-- eine Unterdrückungseinheit für den DC-Spannungsfehlbetrag zum Verringern, wenn die DC-Verbindungsspannung der Energie-Umwandlungsschaltung abnimmt, in Antwort auf die Abnahme, des Strom-Begrenzungswerts, der an die AC-Strom-Unterdrückungseinheit ausgegeben werden soll.

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Bei der in der JP 2009 - 131 056 A offenbarten herkömmlichen Technik gilt für den Fall, in welchem ein Strom-Unterdrückungswert in der Strom-Unterdrückungseinheit auf einen hohen Wert eingestellt wird, Folgendes: Falls eine Last jenseits der Nenn-Ausgangsleistung eines elektrischen Energieerzeugungselements oder der Energie-Umwandlungsvorrichtung angeschlossen wird, dann ist die Wirkung der Verringerung des Ausgangsstroms des Wechselrichters klein, und es tritt eine übermäßige Entladung auf. Daher kann der Betrieb nicht fortgesetzt werden.
Für den Fall wiederum, in welchem der Strom-Unterdrückungswert auf einen niedrigen Wert eingestellt wird, wird die Wirkung der Verringerung des Ausgangsstroms des Wechselrichters zu groß, so dass die Energie, die ausgegeben werden kann, übermäßig begrenzt ist. Falls außerdem eine Reinigungsvorrichtung oder dergleichen verwendet wird, bei welcher es wahrscheinlich ist, dass sie einen Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom erzeugt, tritt ein sogenannter Motor-Blockierungszustand auf, bei welchem ein großer Strom fortgesetzt fließt, während der Motor nicht rotiert und blockiert ist, so dass der Motor durchbrennen kann.
Für den Fall, dass in der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß der JP 2009 - 131 056 A zum Zuführen von Energie zu der Energie-Umwandlungsvorrichtung ein elektrisches Energieerzeugungselement, wie z. B. eine Solarbatterie verwendet wird, bei welcher die erzeugte Energie stark schwankt, ist ein Einstellen des Strom-Unterdrückungswerts schwierig. Daher ist es sehr schwierig, sowohl die Fähigkeit zum Fortsetzen des Betriebs zu erhalten, als auch dafür zu sorgen, dass die Energie ausgegeben werden kann.
Das in der JP 3 473 924 B2 offenbarte herkömmliche Beispiel beruht auf der Voraussetzung, dass dann, wenn ein Überstrom detektiert wird, der Energie-Fehlbetrag für die Last von dem Stromnetz zugeführt wird. Für den Fall, dass ein autonomer Betrieb infolge eines Stromausfalls im Stromnetz notwendig ist, kann daher der Betrieb nicht fortgesetzt werden. Falls eine Last, wie z. B. ein Motor angeschlossen ist, wird die Energiezufuhr fortgesetzt, ohne dass ein Überstrom von einer StrombegrenzungsSchaltung detektiert wird, so dass ein Motor-Blockierungszustand fortgesetzt wird und der Motor durchbrennen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die obigen Probleme zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung anzugeben, welche auf der Basis der Voraussetzung, dass die Energie-Umwandlungsvorrichtung zu einem autonomen Betrieb imstande ist, eine unnötige Unterbrechung des Betriebs verhindert, das Fortsetzen eines Zustands mit übermäßiger Entladung verringert und eine hohe Beständigkeit gegen Störungen hat.
Lösung der Probleme
Die Aufgabe wird gelöst gemäß einem ersten Aspekt mit einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und gemäß einem zweiten Aspekt mit einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 12.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energie-Umwandlungsvorrichtungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11 bzw. 13 bis 21 angegeben.
Die Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 unterscheidet sich von der US 2010 / 0 085 784 A1 durch eine Schutzschaltung zum Unterbrechen des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

- die AC-Strom-Unterdrückungseinheit hat den Betrieb zum Begrenzen des AC-Stroms auf den Strom-Begrenzungswert oder niedriger für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt;
- ein Zustand, in welchem der Effektivwert der AC Spannung, der auf der Basis eines Detektionswerts für die AC-Spannung erzeugt worden ist, welcher von einer Spannungs-Detektionsschaltung detektiert wird, welche die AC Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung ausgegeben wird, gleich einem oder kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, ist für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt worden; und
- ein Zustand, in welchem eine Differenzspannung zwischen einem Befehlswert für die AC-Spannung, der von der Steuerungseinheit für die AC Spannung erzeugt worden ist, und einem Momentanwert der AC Spannung, der auf der Basis des Detektionswerts für die AC-Spannung erhalten worden ist, welcher von der Spannungs-Detektionsschaltung bestimmt worden ist, welche die AC Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung ausgegeben worden ist, gleich einer oder größer ist als eine vorbestimmte Schwellenspannung, ist für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt worden.

Die Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 12 unterscheidet sich von der US 2010 / 0 085 784 A1 dadurch, dass der Strom-Begrenzungswert dazu veranlasst wird, in einem Zyklus zu variieren, der synchronisiert ist mit einem Befehlswert für die AC Spannung, der von der Steuerungseinheit für die AC-Spannung erzeugt wird.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung verringert für den Fall, dass ein Überlast-Zustand fortdauert und dadurch die DC-Spannung gleich groß wie oder kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, die Unterdrückungseinheit für den DC-Spannungsfehlbetrag den Strom-Begrenzungswert, der an die AC-Strom-Unterdrückungseinheit ausgegeben werden soll, und in Antwort darauf begrenzt die AC-Strom-Unterdrückungseinheit den Strom, der der Last zugeführt werden soll.
Obwohl die der Last zugeführte Energie abnimmt, kann im Ergebnis die maximale Leistung, die von der Speicherbatterie ausgegeben werden kann, kontinuierlich der Last zugeführt werden, und da die Fortführung eines Zustands mit übermäßiger Entladung unterdrückt wird, kann verhindert werden, dass der Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung unnötigerweise infolge der Abnahme der DC-Spannung unterbrochen wird.
Für den Fall, das die Lastleistung kurzzeitig infolge eines Einschaltstroms bzw. Anlaufstroms zunimmt, gilt Folgendes: Falls der Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom gleich groß wie oder kleiner als der Strom-Begrenzungswert ist, arbeitet die AC-Strom-Unterdrückungseinheit nicht. Daher kann der Last eine AC-Spannung ohne Spannungsschwankungen zugeführt werden.
Falls wiederum der Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom gleich dem oder größer als der Strom-Begrenzungswert ist, gilt Folgendes: Um die Energie-Umwandlungsschaltung zu schützen, arbeitet die AC-Strom-Unterdrückungseinheit so, dass sie den Strom begrenzt, welcher der Last zugeführt werden soll. Dadurch verhindert sie, dass der Betrieb der Vorrichtung infolge einer Abnahme der DC-Spannung unterbrochen wird. Folglich wird es möglich, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit hoher Beständigkeit gegen Störungen zu erhalten.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm der Steuerungseinheit für die DC-Spannung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Steuerungseinheit für die AC-Spannung und einer AC-Strom-Unterdrückungseinheit gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Unterdrückungseinheit für den DC-Spannungsfehlbetrag gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Unterdrückungseinheit für den DC-Spannungsfehlbetrag einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Steuerungseinheit für die AC-Spannung und einer AC-Strom-Unterdrückungseinheit einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm, das eine Modifikation der Steuerungseinheit für die AC-Spannung und der AC-Strom-Unterdrückungseinheit der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Steuerungseinheit für die AC-Spannung und einer AC-Strom-Unterdrückungseinheit einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm, das eine Modifikation der Steuerungseinheit für die AC-Spannung und der AC-Strom-Unterdrückungseinheit der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsform 1
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Eine Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 bei der vorliegenden Ausführungsform 1 weist Folgendes auf: eine Energie-Umwandlungsschaltung 20, die aus einer DC-DC-Energieumwandlungsschaltung 21 (nachstehend als DC/DC-Umwandlungsschaltung bezeichnet) und einer DC-AC-Energieumwandlungsschaltung 22 (nachstehend als DC/AC-Umwandlungsschaltung bezeichnet) gebildet ist; eine Energieumwandlungs-Steuerungseinheit 23 zum Steuern des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung 20; eine Schutzschaltung 24 zum Schützen der Energie-Umwandlungsschaltung 20; eine Schalteinrichtung 25; Spannungssensoren 201 und 202 als Spannungs-Detektionsschaltung zum Detektieren von AC-Spannung.
Die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 weist ferner Folgendes auf: einen Spannungssensor 203 als Spannungs-Detektionsschaltung zum Detektieren einer gemeinsamen DC-Spannung (nachstehend als DC-Verbindungsspannung bezeichnet) zwischen der DC/DC-Umwandlungsschaltung 21 und der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22; einen Stromsensor 211 als Strom-Detektionsschaltung zum Detektieren von AC-Strom; und einen Stromsensor 212 als Strom-Detektionsschaltung zum Detektieren von DC-Strom. Eine Speicherbatterie 1 als DC-Energieversorgung ist mit einer DC-Seite der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 verbunden, und eine Last 3 ist mit deren AC-Seite verbunden. Ein Stromnetz 5 ist mit der Last 3 über einen Schalter 4 verbunden.
Hierbei hat die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 die Funktion, AC-Energie von dem Stromnetz 5 in DC-Energie umzuwandeln, um die Speicherbatterie 1 zu laden, und sie hat die Funktion, DC-Energie der Speicherbatterie 1 in AC-Energie umzuwandeln, um die AC-Energie der Last 3 oder dem Stromnetz 5 zuzuführen.
Für den Fall, dass das Stromnetz 5 im Normalzustand ist, wird der Schalter 4 geschlossen, und Energie aus dem Stromnetz 5 wird der Last 3 zugeführt. Die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 arbeitet in einem Zusammenschaltungs-Betriebsmodus, während sie synchron mit der AC-Spannung des Stromnetzes 5 stromgesteuert wird. Wenn die Speicherbatterie 1 entladen wird, so wird DC-Energie aus der Speicherbatterie 1 in AC-Energie umgewandelt, und die AC-Energie wird der Last 3 zugeführt. Wenn die Speicherbatterie 1 geladen wird, so wird AC-Energie aus dem Stromnetz 5 in DC-Energie umgewandelt, und die DC-Energie wird der Speicherbatterie 1 zugeführt.
Für den Fall wiederum, dass ein Stromausfall in dem Stromnetz 5 auftritt, wird der Schalter 4 geöffnet, und die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 und die Last 3 werden von dem Stromnetz 5 getrennt. Dann wird ein Befehl für den autonomen Betriebsmodus in die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 eingegeben, und zwar durch einen manuellen Vorgang oder durch einen automatischen Vorgang, wie z. B. eine Ablaufsteuerung, und in Antwort darauf arbeitet die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 unter einer Spannungssteuerung, um DC-Energie der Speicherbatterie 1 in AC-Energie umzuwandeln und die AC-Energie an die Last 3 zuzuführen.
Daher hat die Energieumwandlungs-Steuerungseinheit 23 eine dahingehende Funktion, dass sie einen Befehl zum Erzeugen von autonomer Betriebsenergie als eine AC-Spannungsquelle in einem parallelen Ausschaltzustand von dem Stromnetz 5 ausgibt, und sie weist Folgendes auf: eine Steuerungseinheit 30 für die DC-Spannung zum Steuern einer DC-Ausgangsspannung der DC/DC-Umwandlungsschaltung 21; eine Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung zum Steuern einer AC-Spannung der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22; eine AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 zum Begrenzen des AC-Stroms der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 auf einen vorbestimmten Strom-Begrenzungswert oder niedriger; und eine Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag, um dann, wenn die DC-Verbindungsspannung der Energie-Umwandlungsschaltung 20 abnimmt, den Strom-Begrenzungswert, der an die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 ausgegeben werden soll, zu verringern.
Nachfolgend werden die Details der Steuerungseinheit 30 für die DC-Spannung, der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung, der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 und der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag beschrieben.
2 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm der Steuerungseinheit 30 für die DC-Spannung.
Die Steuerungseinheit 30 für die DC-Spannung weist Folgendes auf: einen DC-Spannungsregler, der aus einem Subtrahierer 30a und einer Steuerungsschaltung 30b für die DC-Spannung gebildet ist; und einen DC-Stromregler, der aus einem Subtrahierer 30c und einer Steuerungsschaltung 30d für den DC-Strom gebildet ist.
Der DC-Spannungsregler detektiert die DC-Verbindungsspannung mittels des Spannungssensors 203, und er berechnet die Differenz zwischen der dem Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung und einem vorbestimmten Befehlswert Vdc* für die DC-Verbindungsspannung, und zwar mittels des Subtrahierers 30a.
Mittels der Steuerungsschaltung 30b für die DC-Spannung führt dann der DC-Spannungsregler eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass die Differenz zwischen dem Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung und dem Befehlswert Vdc* für die DC-Verbindungsspannung Null wird, d. h. dass der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung mit dem Befehlswert Vdc* für die DC-Verbindungsspannung übereinstimmt, und der DC-Spannungsregler erzeugt einen Befehlswert Idc* für den Strom für das Laden/Entladen der Speicherbatterie 1.
Der DC-Stromregler detektiert den Strom für das Laden/Entladen der Speicherbatterie 1 mittels des Stromsensors 212, und er berechnet die Differenz zwischen dem Stromdetektionswert Idc für das Laden/Entladen und dem Befehlswert Idc* für den Strom für das Laden/Entladen, und zwar mittels des Subtrahierers 30c.
Mittels der Steuerungsschaltung 30d für den DC-Strom führt dann der DC-Stromregler eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass die Differenz zwischen dem Stromdetektionswert Idc für das Laden/Entladen und dem Befehlswert Idc* für den Strom für das Laden/Entladen Null wird, d. h. dass der Stromdetektionswert Id für das Laden/Entladen mit dem Befehlswert Idc* für den Strom für das Laden/Entladen übereinstimmt, und der DC-Spannungsregler erzeugt ein Treibersignal S21 für die DC/DC-Umwandlungsschaltung 21.
Die Steuerungsschaltung 30d für den DC-Strom ist mit einem Strombegrenzer versehen, um eine dahingehende Begrenzung durchzuführen, dass der maximale Strom Idcmax für das Laden/Entladen nicht überschritten wird, welcher für die Speicherbatterie 1 zulässig ist.
Im Falle eines Stromausfalls im Stromnetz 5 gilt Folgendes: Wenn die von der Last 3 aufgenommene Leistung gleich der oder größer als die maximale Entladeleistung der Speicherbatterie 1 ist, dann wird die DC-Verbindungsspannung auf einem vorbestimmten Wert (dem Befehlswert Vdc* für die DC-Verbindungsspannung) gehalten, und zwar mittels der DC/DC-Umwandlungsschaltung 21; aber falls die von der Last 3 aufgenommene Leistung gleich der oder größer als die maximale Entladeleistung der Speicherbatterie 1 wird (d. h., der Entladestrom der Speicherbatterie 1 wird durch den Strombegrenzer der Steuerungsschaltung 30d für den DC-Strom begrenzt), dann nimmt die DC-Verbindungsspannung ab.
3 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung und der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32.
Die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung detektiert die AC-Spannung, die von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, mittels des Spannungssensors 202, berechnet den Effektivwert des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung mittels eines Effektivwert-Berechners 31a, und sie berechnet die Differenz zwischen dem erhaltenen Effektivwert und einem Effektivwert-Befehlswert Ve* der vorbestimmten Spannung mittels eines Subtrahierers 31c.
Mit einem Spannungsregler 31d, einem Addierer 31e, einem Wurzel-2-Multiplizierer 31f, einem Spannungsphasen-Generator 31b und einem Multiplizierer 31g führt dann die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass die Differenz zwischen dem Effektivwert der AC-Spannung und dem Befehlswert Ve* für den Spannungs-Effektivwert Null wird, d. h. dass der Effektivwert mit dem Befehlswert Ve* für den Spannungs-Effektivwert übereinstimmt. Dadurch erzeugt sie ein AC-Spannungs-Befehlssignal V1.
Der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 detektiert unterdessen den AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird, mittels des Stromsensors 211, und sie berechnet die Differenz zwischen dem Detektionswert Iac für den AC-Strom und einem vorbestimmten Strom-Begrenzungswert Ilim, der von der später noch beschriebenen Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag ausgegeben wird, mittels eines Subtrahierers 32a.
Mittels einer Strombegrenzungs-Steuerung 32b führt danach die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass der Detektionswert Iac für den AC-Strom nicht den Strom-Begrenzungswert Ilim übersteigt. Dadurch erzeugt sie ein Spannungs-Korrektursignal V2.
Dann subtrahiert die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 das Spannungs-Korrektursignal V2 von dem AC-Spannungs-Befehlssignal VI, das von der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung ausgegeben worden ist, mittels eines Subtrahierers 32c. Dadurch erzeugt sie einen Befehlswert Vref für die AC-Spannung (= V1 - V2) für die DC/AC-Umwandlungsschaltung 22. Das AC-Spannungs-Befehlssignal V1 und das Spannungs-Korrektursignal V2 korrespondieren zu den jeweiligen Werten in den Ansprüchen (Anspruch 5).
Der so erhaltene Befehlswert Vref für die AC-Spannung wird einer PWM-Schaltung 38 (einer Pulsweitenmodulations-Schaltung) in der nachfolgenden Stufe zugeführt. Die PWM-Schaltung 38 führt eine Pulsweitenmodulation des Befehlswerts Vref für die AC-Spannung durch, und sie führt eine (nicht dargestellte) Totzeitkorrektur wie notwendig durch. Dadurch erzeugt sie ein Treibersignal S22 für die DC/AC-Umwandlungsschaltung 22. Die DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 erzeugt eine AC-Spannung durch einen Schaltvorgang gemäß dem Treibersignal S22.
Nur wenn der Absolutwert des Detektionswerts Iac für den AC-Strom den Strom-Begrenzungswert Ilim überschreitet, beginnt die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 mit dem Betrieb, um den AC-Strom zu begrenzen, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird. Dadurch verringert sie die Amplitude des AC-Spannungs-Befehlssignals V1. Wenn der Detektionswert Iac für den AC-Strom gleich groß wie oder kleiner als der Strom-Begrenzungswert Ilim ist, dann arbeitet die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 im Wesentlichen nicht.
Während eines Zeitraums, in welchem die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 arbeitet, nimmt die Amplitude des AC-Spannungs-Befehlssignals V1 augenblicklich ab, aber der Spannungs-Effektivwert wird auf einem gewünschten Wert (dem Befehlswert Ve* für den Spannungs-Effektivwert) mittels der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung gehalten.
4 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag.
Die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag detektiert die DC-Verbindungsspannung mittels des Spannungssensors 203, und sie berechnet die Differenz zwischen dem Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung und einem Schwellenwert Vdcsh der vorbestimmten DC-Spannung mittels eines Subtrahierers 33a.
Mittels einer Unterdrückungssteuerung 33b für den Spannungs-Fehlbetrag führt dann die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass die Differenz zwischen dem Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung und dem DC-Spannungs-Schwellenwert Vdcsh Null wird, d. h. dass der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung nicht kleiner wird als der DC-Spannungs-Schwellenwert Vdcsh.
Dadurch berechnet sie ein Strom-Korrektursignal Ilim2. Dann subtrahiert die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag das Strom-Korrektursignal Ilim2 von einem vorbestimmten oberen Grenzwert Iliml für den AC-Strom mittels eines Subtrahierers 33c. Dadurch erzeugt sie den Strom-Begrenzungswert Ilim (= Iliml - Ilim2).
Hierbei ist der obere Grenzwert Ilim 1 für den AC-Strom ein oberer Grenzwert für den AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, und er wird auf einen festen Wert eingestellt, um die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 zu schützen. Der Schwellenwert Vdcsh der vorbestimmten DC-Spannung ist eine Spannung für die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag, bei welcher sie zu arbeiten beginnt, und er wird auf einen kleineren Wert als der Befehlswert Vdc* für die DC-Verbindungsspannung (siehe 2) eingestellt, der im Voraus für die oben beschriebene Steuerungseinheit 30 für die DC-Spannung eingestellt worden ist.
Nur wenn der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Vdcsh der DC-Spannung wird, d. h. nur wenn die von der Last 3 aufgenommene Leistung gleich der oder größer als die maximale Entladeleis-tung der Speicherbatterie 1 wird, dann arbeitet die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag so, dass der Strom-Begrenzungswert Ilim verringert wird, so dass der AC-Strom, welcher der Last 3 zugeführt werden soll, von der AC-Strom-Unterdrückungs-einheit 32 begrenzt wird.
Wenn die von der Last 3 aufgenommene Leistung gleich groß wie oder kleiner als die maximale Entladeleistung der Speicherbatterie 1 ist, dann arbeitet die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag grundsätzlich nicht.
Nachfolgend werden miteinander verwandte Steuerungsvorgänge der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 und der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag beschrieben.
Für den Fall, dass solch eine Last 3 angeschlossen ist, welche eine übermäßigen Stromfluss nur für eine kurze Zeit verursacht, kann ein Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom auftreten. In diesem Fall gilt jedoch Folgendes: Falls die Zeit, während welcher der übermäßige Strom fließt, so kurz ist, dass der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung nicht gleich groß wie oder kleiner als der DC-Spannungs-Schwellenwert Vdcsh wird, dann arbeitet die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag nicht, und der Strom-Begrenzungswert Ilim ist gleich groß wie der obere Grenzwert Ilim1 für den AC-Strom (Ilim = Iliml).
Falls der Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom in diesem Fall gleich groß wie oder kleiner als der Strom-Begrenzungswert Ilim ist, dann arbeitet auch die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 nicht, und daher kann eine AC-Spannung ohne Spannungsschwankungen an die Last 3 zugeführt werden. Falls der Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom gleich groß wie oder größer als der Strom-Begrenzungswerts Ilim ist, gilt Folgendes: Um die Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 zu schützen, arbeitet die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 so, dass sie den Strom, welcher der Last zugeführt werden soll, auf den Strom-Begrenzungswert Ilim (= Ilim1) beschränkt.
Für den Fall wiederum, dass solch eine Last 3 angeschlossen wird, welche einen übermäßigen Stromfluss für eine vergleichsweise lange Zeit verursacht, wird der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung gleich groß wie oder kleiner als der DC-Spannungs-Schwellenwert Vdcsh, und folglich arbeitet die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag so, dass sie den Strom-Begrenzungswert Ilim verringert. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Detektionswert Iac für den AC-Strom den Strom-Begrenzungswert Ilim überschreitet, dann arbeitet die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 so, dass sie den Befehlswert Vref für die AC-Spannung verringert, so dass sie den AC-Ausgangsstrom begrenzt.
Im Ergebnis wird der Strom-Begrenzungswert Ilim auf einen solchen Wert verringert, der es erlaubt, dass der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung auf dem DC-Spannungs-Schwellenwert Vdcsh gehalten wird, d. h. er wird verringert, bis die der Last 3 zugeführte Leistung annähernd gleich groß wie die maximale Entladeleistung der Speicherbatterie 1 wird. Obwohl die der Last 3 zugeführte Leistung abnimmt, kann die maximale Leistung, die von der Speicherbatterie 1 ausgegeben werden kann, kontinuierlich der Last 3 zugeführt werden.
Falls der maximale Strom Idcmax für das Laden/Entladen, der für die Speicherbatterie 1 zulässig ist, infolge einer Verringerung des Ladezustands (SOC - State of charge) der Speicherbatterie 1 oder eines Temperaturanstiegs der Speicherbatterie 1 abnimmt, wird der Entladestrom der Speicherbatterie 1 durch einen Begrenzungsvorgang durch die Steuerungsschaltung 30d für den DC-Strom der Steuerungseinheit 30 für die DC-Spannung verringert. Damit einhergehend nimmt die Leistung ab, die von der DC/DC-Umwandlungsschaltung 21 an die DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 abgegeben wird.
In solch einem Fall nimmt der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung ebenfalls ab, und in Antwort darauf wird der Strom-Begrenzungswert Ilim von der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag verringert, so dass die der Last 3 zugeführte Leistung abnimmt und die DC-Verbindungsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird. Obwohl die AC-Spannung abnimmt, die von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, kann im Ergebnis der Betrieb fortgesetzt werden, und zwar mit dem maximalen Strom Idcmax für das Laden/Entladen der Speicherbatterie 1.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 1 kann folglich der Betrieb fortgesetzt werden, und zwar selbst dann, wenn der maximale Strom Idcmax für das Laden/Entladen der Speicherbatterie 1 sehr schnell geändert wird.
Als nächstes wird die Schutzschaltung 24 beschrieben.
Die Schutzschaltung 24 hat nicht bloß eine Schutzfunktion zum Detektieren der Spannung, des Stroms und der Temperatur der Energie-Umwandlungsschaltung 20 und dergleichen, und bei einer Anomalie, wie z. B. einer Überlast oder Überspannung, zum Stoppen des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung 20, um ein Versagen der Energie-Umwandlungsschaltung 20 zu vermeiden, sondern auch eine Last-Schutzfunktion, um ein Versagen der Last 3 zu vermeiden. Nachfolgend wird der Betrieb insbesondere der Last-Schutzfunktion der Schutzschaltung 24 beschrieben.
Bei einigen Motorlasten, wie z. B. einer Reinigungsvorrichtung oder einem Kompressor, oder bei nichtlinearen Lasten vom Kondensator-Eingangstyp, fließt ein Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom, der um ein Mehrfaches größer als der Nennstrom ist, und zwar beim Starten. Falls der Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom einer solchen Last 3 gleich dem oder größer als der Strom-Begrenzungswert Ilim ist, dann wird der AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, auf den Strom-Begrenzungswert Ilim mittels der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 begrenzt.
Für den Fall, dass die Last 3 beispielsweise ein Motor ist, gilt dann Folgendes: Falls der Strom-Begrenzungswert Ilim so eingestellt wird, dass er gleich dem oder kleiner als der Strom ist, der notwendig ist, um den Motor zu starten, dann wird der Motor nicht gestartet, sondern der Überstrom fließt weiterhin, während der Motor in einem festgesetzten Zustand belassen wird. Im Ergebnis tritt ein Motor-Blockierungszustand auf, so dass der Motor durchbrennen kann.
Um ein solches Durchbrennen des Motors zu verhindern, gilt Folgendes: Falls die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 den Betrieb fortgeführt hat, um den AC-Strom auf den Strom-Begrenzungswert Ilim oder einen kleineren Wert für eine vorbestimmte Zeit oder länger zu begrenzen - mit anderen Worten: Falls die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 die Ausgabe des Spannungs-Korrektursignals V2 über eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgeführt hat, dann bestimmt die Schutzschaltung 24, dass sich die Last 3 in einem Überlast-Zustand befindet, und sie beendet den Betrieb der Energie-Umwandlungsschaltung 20.
Aufgrund der Last-Schutzfunktion der Schutzschaltung 24 wird es selbst für den Fall, dass ein Motor als die Last 3 angeschlossen wird, möglich, ein Durchbrennen der Last 3 infolge der Fortführung eines Motor-Blockierungszustands zu verhindern. Folglich wird eine Energie-Umwandlungsvorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit erhalten.
Bei der obigen Beschreibung wird als Bestimmungs-Bedingung in der Last-Schutzfunktion der Schutzschaltung 24 eine dahingehende Bedingung verwendet, dass die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 den Betrieb für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgeführt hat. Ohne Einschränkung darauf kann jedoch z. B. die Bestimmungs-Bedingung in der Überlast-Schutzfunktion auch sein, dass der Zustand, bei welchem der Effektivwert der AC-Spannung auf der Basis des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung, der von dem Spannungssensor 202 detektiert worden ist, gleich einer oder kleiner als eine vorbestimmte Schwellenspannung ist, für einen vorbestimmten Zeitraum oder länger fortgeführt worden ist.
Alternativ kann die Bestimmungs-Bedingung bei der Überlast-Schutzfunktion sein, dass die Differenzspannung zwischen dem Befehlswert Vref für die AC-Spannung, der von der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung erzeugt wird, und dem Momentanwert der AC-Spannung auf der Basis des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung, der von dem Spannungssensor 202 detektiert worden ist, gleich einer oder größer als eine vorbestimmte Schwellenspannung ist, für einen vorbestimmten Zeitraum oder länger fortgeführt worden ist.
Aufgrund der Last-Schutzfunktion der Schutzschaltung 24 wird folglich für den Fall, dass der Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom z. B. infolge der Fortführung eines Motor-Blockierungszustands andauert, der Betrieb der Energie-Umwandlungsvorrichtung 20 angehalten, so dass ein Durchbrennen der Last 3 vermieden werden kann und eine Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 mit hoher Zuverlässigkeit erhalten werden kann.
5 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs der Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Hier wird der Fall beschrieben, in welchem eine nichtlineare Last vom Kapazitäts-Eingangstyp oder eine Motorlast, welche veranlasst, dass ein Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom beim Starten fließt, als Last 3 angeschlossen wird.
Zum Zeitpunkt TA, wenn die Last 3 gestartet wird, fließt ein Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom, der gleich dem oder größer als der Nennstrom der Last 3 ist. Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt Folgendes: Da der obere Grenzwert Ilim1 für den AC-Strom auf einen vergleichsweise großen Wert eingestellt werden kann, setzt eine Strombegrenzung kaum für einen kurzzeitigen Einschaltstrom ein, und der Last 3 wird Strom ohne eine Verzerrung der AC-Spannung zugeführt.
Zum Zeitpunkt TB, wenn die von der Last 3 aufgenommene Leistung so zunimmt, dass sie gleich der oder größer als die maximale Entladeleistung der Speicherbatterie 1 ist, verringert sich der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung auf den DC-Spannungs-Schwellenwert Vdcsh, und der AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, wird von der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 begrenzt. Obwohl die Amplitude der AC-Spannung abnimmt, wird im Ergebnis der Betrieb mit der maximalen Entladeleistung der Speicherbatterie 1 fortgesetzt.
Zum Zeitpunkt TC, wenn die von der Last 3 aufgenommene Leistung weiter ansteigt, gilt Folgendes: Da der AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, durch die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 begrenzt wird, nimmt die Amplitude der AC-Spannung weiter ab. Falls die Amplitude der AC-Spannung unter einen zulässigen Betriebsspannungsbereich der Last 3 abnimmt, kann die Last 3 einen Zustand annehmen, in welchem sie nicht imstande ist, normal zu arbeiten.
Bei diesem Beispiel gilt daher Folgendes: Falls ein Zustand, bei welchem der Effektivwert der AC-Spannung, der auf der Basis des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung erhalten wird, der von dem Spannungssensor 202 detektiert wird, gleich groß wie oder kleiner als eine vorbestimmte Effektivwert-Schwellenspannung ist, während einer vorbestimmten Zeit To oder länger anhält, um den Zeitpunkt TD zu erreichen, dann arbeitet die Schutzschaltung 24 derart, dass sie den Betrieb der Energie-Umwandlungsschaltung 20 unterbricht.
Wie oben beschrieben, weist bei der vorliegenden Ausführungsform 1 die Energieumwandlungs-Steuerungseinheit 23 Folgendes auf: die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung zum Steuern der AC-Spannung; die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 zum Unterdrücken des AC-Stroms derart, dass er gleich dem oder kleiner als der vorbestimmte Strom-Begrenzungswert Ilim ist; und die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag zum Verringern, wenn die DC-Spannung der Energie-Umwandlungsschaltung 20 abnimmt, in Antwort darauf, des Strom-Begrenzungswerts, der an die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 ausgegeben werden soll.
Wenn der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung gleich dem oder kleiner als der Schwellenwert Vdcsh der vorbestimmten DC-Spannung ist, dann verringert die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag den Strom-Begrenzungswert Ilim. Folglich kann vermieden werden, dass die Vorrichtung infolge einer Verringerung der DC-Spannung in einem Überlast-Zustand unterbrochen wird, und selbst eine Last 3, die einen großen Einschaltstrom bzw. Anlaufstrom verursacht, kann mit Energie versorgt werden.
Die Schutzschaltung 24 hat nicht bloß eine Schutzfunktion, um ein Versagen der Energie-Umwandlungsschaltung 20 zu verhindern, sondern auch eine Last-Schutzfunktion mit einem Zeitbegrenzungselement, um den Betrieb der Energie-Umwandlungsschaltung 20 zu unterbrechen, wenn die Unterdrückungssteuerung des AC-Stroms von der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 für eine vorbestimmte Zeit fortgeführt worden ist.
Für den Fall, dass der Überstrom aus einem dem Grund andauert, dass ein Motor-Blockierungszustand andauert, wird der Betrieb der Energie-Umwandlungsschaltung 20 unterbrochen, so dass ein Durchbrennen der Last 3 verhindert werden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 1 wird der Fall beschrieben, in welchem die Speicherbatterie 1 als DC-Energieversorgung angeschlossen ist. Ohne Einschränkung darauf kann jedoch auch natürliche Energie, wie z. B. eine Solarbatterie oder eine Windkrafterzeugung als DC-Energieversorgung verwendet werden, oder die AC-Energie kann in DC-Energie durch eine Dioden-Gleichrichterschaltung, eine Leistungsfaktor-Korrekturschaltung (PFC - Power Factor Correction), einen Umrichter mit hohem Leistungsfaktor oder dergleichen umgewandelt werden, um die DC-Energieversorgung zu erhalten.
Die Steuerungseinheit 30 für die DC-Spannung ist aber nicht auf die in 2 gezeigte Konfiguration beschränkt, sondern sie kann auch nur den DC-Spannungsregler aufweisen, der aus dem Subtrahierer 30a und der Steuerungsschaltung 30b für die DC-Spannung gebildet ist.
Ausführungsform 2
6 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Unterdrückungseinheit für den DC-Spannungsfehlbetrag gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Die Bestandteile, die denjenigen in der Unterdrückungseinheit für den DC-Spannungsfehlbetrag aus Ausführungsform 1 entsprechen oder gleich diesen sind, die in 4 dargestellt ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die vorliegende Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der obigen Ausführungsform 1 darin, wie der Strom-Begrenzungswert Ilim von der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag erzeugt wird. Die restliche Konfiguration der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 1, und daher wird deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
Wie bei der Ausführungsform 1 arbeitet die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag bei der Ausführungsform 2 nur dann, wenn der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung niedriger als der Schwellenwert Vdcsh der vorbestimmten DC-Spannung wird. Die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag detektiert also die DC-Verbindungsspannung mittels des Spannungssensors 203, und sie berechnet die Differenz zwischen dem Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung und dem Schwellenwert Vdcsh der vorbestimmten DC-Spannung mittels des Subtrahierers 33a.
Mittels der Unterdrückungssteuerung 33b für den Spannungs-Fehlbetrag führt dann die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass der Detektionswert Vdc der DC-Verbindungsspannung nicht kleiner wird als der DC-Spannungs-Schwellenwert Vdcsh. Dadurch berechnet sie das Strom-Korrektursignal Ilim2.
Dann subtrahiert die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag das Strom-Korrektursignal Ilim2 von dem vorbestimmten oberen Grenzwert Iliml für den AC-Strom mittels des Subtrahierers 33c. Dadurch erzeugt sie einen Spitzenstrom-Grenzwert Ilim3 (= Iliml - Ilim2). Beschränkungen des oberen Grenzwerts Iliml für den AC-Strom und des DC-Spannungs-Schwellenwerts Vdcsh sind in diesem Fall ebenfalls die gleichen wie bei der Ausführungsform 1.
Dann multipliziert mittels eines Multiplizierers 33e die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag den Spitzenstrom-Grenzwert Ilim3 mit einem Sinuswellen-Signal sinθ, das mittels eines Spannungsphasen-Generators 33d erhalten wird und das mit dem Befehlswert Vref für die AC-Spannung synchronisiert ist, und sie gibt den muliplizierten Wert als den Strom-Begrenzungswert Ilim (= Ilim3 × sinθ) aus.
Mittels eines Begrenzers 33f begrenzt dann die Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag den Absolutwert des Strom-Begrenzungswerts Ilim derart, dass er nicht gleich einem oder kleiner als ein vorbestimmter Wert Δ wird. Folglich ist der Strom-Begrenzungswert Ilim in diesem Fall kein fester Wert wie bei der Ausführungsform 1, sondern er wird als eine Sinuswelle mit einem Begrenzer dargestellt, wobei die Sinuswelle mit dem Befehlswert Vref für die AC-Spannung synchronisiert ist.
7 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
Der grundsätzliche Betrieb ist in diesem Fall der gleiche wie bei der obigen Ausführungsform 1. Der Strom-Begrenzungswert Ilim ist jedoch kein fester Wert, sondern er wird als eine Sinuswelle mit einem Begrenzer dargestellt, wobei die Sinuswelle mit dem Befehlswert Vref für die AC-Spannung synchronisiert ist und so begrenzt ist, dass deren Absolutwert nicht gleich groß wie oder kleiner als der vorbestimmte Wert Δ wird, wie oben beschrieben.
Infolge der obigen Konfiguration gilt Folgendes: Selbst wenn eine nichtlineare Last vom Kapazitäts-Eingangstyp mit einer anfänglichen Kondensatorspannung gestartet wird, die Null ist, kann der AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 der Energie-Umwandlungsschaltung 20 ausgegeben wird, schnell unterdrückt werden. Folglich wird ein sanftes Starten, wie z. B. ein Sanftanlauf ermöglicht.
Da die Blindleistung, die von der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird, aggressiver begrenzt werden kann als die Wirkleistung, die von ihr ausgegeben wird, kann eine Verringerung der Ausgabe von Wirkleistung infolge der Ausgabe von Blindleistung minimiert werden, und folglich kann die Nennkapazität der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 maximal genutzt werden.
Ausführungsform 3
8 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Steuerungseinheit für die AC-Spannung und einer AC-Strom-Unterdrückungseinheit einer Energie-Umwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Die Bestandteile, die denjenigen bei der Steuerungseinheit für die AC-Spannung und bei der AC-Strom-Unterdrückungseinheit gemäß Ausführungsform 1 entsprechen oder gleich diesen sind, die in 3 dargestellt ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die vorliegende Ausführungsform 3 unterscheidet sich von der obigen Ausführungsform 1 dadurch, dass die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung den Momentanwert der Spannung anstelle des Effektivwerts der Spannung steuert. Die restliche Konfiguration der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 1, und daher wird deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
Die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung detektiert die AC-Spannung, die von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird, mittels des Spannungssensors 202, und sie berechnet die Differenz zwischen dem Detektionswert Vac für die AC-Spannung und einem vorbestimmten AC-Momentanwert-Befehlswert Vi* mittels des Subtrahierers 31c.
Mittels des Spannungsreglers 31d und des Addierers 31e führt dann die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass die Differenz zwischen dem Detektionswert Vac für die AC-Spannung und dem AC-Momentanwert-Befehlswert Vi* Null wird, d. h., dass der Detektionswert Vac für die AC-Spannung mit dem AC-Momentanwert-Befehlswert Vi* übereinstimmt. Dadurch erzeugt sie ein AC-Spannungs-Befehlssignal V11.
Wie bei der Ausführungsform 1 gilt Folgendes: Nur wenn der Absolutwert des Detektionswerts Iac für den AC-Strom den Strom-Begrenzungswert Ilim überschreitet, beginnt die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 mit dem Betrieb, um den AC-Strom zu begrenzen, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22, ausgegeben wird. Dadurch verringert sie die Amplitude des AC-Spannungs-Befehlssignals V11.
Der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 detektiert also den AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird, mittels des Stromsensors 211, und sie berechnet die Differenz zwischen dem Detektionswert Iac für den AC-Strom und dem vorbestimmten Strom-Begrenzungswert Ilim, der von der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag ausgegeben wird, mittels des Subtrahierers 32a.
Mittels der Strombegrenzungs-Steuerung 32b führt danach die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass der Detektionswert Iac für den AC-Strom nicht den Strom-Begrenzungswert Ilim übersteigt. Dadurch erzeugt sie das Spannungs-Korrektursignal V2.
Dann subtrahiert die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 das Spannungs-Korrektursignal V2 von dem AC-Spannungs-Befehlssignal V11, das von der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung ausgegeben worden ist, mittels des Subtrahierers 32c. Dadurch erzeugt sie den Befehlswert Vref (= V11 - V2) für die AC-Spannung für die DC/AC-Umwandlungsschaltung 22.
Bei der vorliegenden Ausführungsform 3 steuert die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung den Momentanwert der Spannung, anstatt den Effektivwert der Spannung zu steuern, wie oben beschrieben. Um das AC-Spannungs-Befehlssignal V11 von der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung mit dem Spannungs-Korrektursignal V2 von der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 zuverlässig zu korrigieren, wird daher die Rückkopplungs-Steuerungsantwort der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 so eingestellt, dass sie ausreichend schneller als die Rückkopplungs-Steuerungsantwort der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung ist.
Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass eine integrale Zeitkonstante der Strombegrenzungs-Steuerung 32b der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 so eingestellt wird, dass sie kleiner als eine integrale Zeitkonstante des Spannungsreglers 31d der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung ist.
Folglich wird es möglich, den Überstrom für den Fall einer Überlast zu unterdrücken, während im Normallfall eine vorbestimmte AC-Spannung an die Last 3 angelegt wird. Folglich kann eine Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen Überlast erhalten werden.
9 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm, das eine Modifikation der Steuerungseinheit für die AC-Spannung und der AC-Strom-Unterdrückungseinheit gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bestandteile, die denjenigen in der in 8 dargestellten Steuerungseinheit für die AC-Spannung und in der AC-Strom-Unterdrückungseinheit entsprechen oder gleich zu diesen sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Konfiguration in 9 unterscheidet sich von der Konfiguration in 8 dadurch, dass die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung zusätzlich eine Bestimmungseinheit 31h für die Strombegrenzung aufweist, und dass das Spannungs-Korrektursignal V2, das von der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 ausgegeben wird, der Bestimmungseinheit 31h für die Strombegrenzung zugeführt wird. Die weitere Konfiguration der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung und der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 sind die gleichen wie in 8, und daher wird deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
Hier bestimmt die Bestimmungseinheit 31h für die Strombegrenzung, ob oder ob nicht das Spannungs-Korrektursignal V2 von der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 eingegeben wird, d. h. ob oder ob nicht die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 arbeitet. Wenn die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 so arbeitet, dass sie eine Strombegrenzung durchführt, dann verringert die Bestimmungseinheit 31h für die Strombegrenzung die integrale Verstärkung des Spannungsreglers 31d der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung, oder sie macht die integrale Verstärkung zu Null, um die integrale Regelung anzuhalten.
Bei der Steuerung des Momentanwerts der Spannung mittels der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung ist es demnach möglich, eine Fehlfunktion, wie z. B. einen Steuerungs-Überlauf oder ein „Nachjagen“ zu verhindern, was dadurch verursacht wird, dass das AC-Spannungs-Befehlssignal V11 unnötig durch den integralen Betrieb bei der Regelung mittels der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung während eines Zeitraums zunimmt, in welchem die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 arbeitet.
Daher ist es möglich, eine Oszillation der Spannung infolge der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung zu verhindern, und zwar unmittelbar, nachdem der Strom-Unterdrückungsvorgang der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 abgeschlossen ist. Daher kann eine stabilere AC-Spannung an die Last 3 abgegeben werden.
Ausführungsform 4
10 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm einer Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung und einer AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. Die Bestandteile, die denjenigen in der Steuerungseinheit für die AC-Spannung und in der AC-Strom-Unterdrückungseinheit gemäß Ausführungsform 1 entsprechen oder gleich diesen sind, die in 3 dargestellt ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die vorliegende Ausführungsform 4 unterscheidet sich von der obigen Ausführungsform 1 darin, wie das AC-Spannungs-Befehlssignal V1 von der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung erzeugt wird. Die restliche Konfiguration der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 1, und daher wird deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
Die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung detektiert die AC-Spannung, die von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, mittels des Spannungssensors 202, berechnet den Effektivwert des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung mittels des Effektivwert-Berechners 31a, und sie berechnet die Differenz zwischen dem erhaltenen Effektivwert und dem Effektivwert-Befehlswert Ve* der vorbestimmten Spannung mittels des Subtrahierers 31c.
Mit dem Spannungsregler 31d, dem Addierer 31e, dem Wurzel-2-Multiplizierer 31f, dem Spannungsphasen-Generator 31b und dem Multiplizierer 31g führt dann die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass die Differenz zwischen dem Effektivwert der AC-Spannung und dem Befehlswert Ve* für den Spannungs-Effektivwert Null wird, d. h. dass der Effektivwert der AC-Spannung mit dem Befehlswert Ve* für den Spannungs-Effektivwert übereinstimmt. Dadurch erzeugt sie eine AC-Komponente Vlac des AC-Spannungs-Befehlssignals V1.
Außerdem berechnet die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung den Durchschnittswert des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung mittels eines Durchschnittswert-Berechners 31i, sie berechnet die Differenz zwischen dem erhaltenen Durchschnittswert und einem Durchschnitts-Befehlswert der vorbestimmten Spannung (in 10: Null) mittels eines Subtrahierers 31j, und sie führt eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung Null wird, und zwar mittels eines Spannungsreglers 31k.
Dadurch erzeugt sie eine DC-Komponente V1dc des AC-Spannungs-Befehlssignals V1. Hierbei entsprechen der Durchschnittswert-Berechner 31i, der Subtrahierer 31j und der Spannungsregler 31k für den Detektionswert Vac für die AC-Spannung einem „Unterdrückungsbereich für die DC-Komponente“ in den Ansprüchen.
Dann addiert die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung die erzeugte AC-Komponente Vlac des AC-Spannungs-Befehlssignals V1 zu der erzeugten DC-Komponente Vldc des AC-Spannungs-Befehlssignals V1 mittels eines Addierers 311. Dadurch erzeugt sie das AC-Spannungs-Befehlssignal V1. Hierbei entspricht das „Addieren oder Subtrahieren einer Offset-Spannung zu oder von dem Befehlswert für die AC-Spannung“ in den Ansprüchen einem Addieren der DC-Komponente V1dc des AC-Spannungs-Befehlssignals V1 mittels des Addierers 311, um das AC-Spannungs-Befehlssignal V1 zu erzeugen.
Wie bei der Ausführungsform 1 gilt Folgendes: Nur wenn der Absolutwert des Detektionswerts Iac für den AC-Strom den Strom-Begrenzungswert Ilim überschreitet, beginnt die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 mit dem Betrieb, um den AC-Strom zu begrenzen, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird.
Dadurch verringert sie die Amplitude des AC-Spannungs-Befehlssignals V1. Der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 detektiert also den AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird, mittels des Stromsensors 211, und sie berechnet die Differenz zwischen dem Detektionswert Iac für den AC-Strom und dem vorbestimmten Strom-Begrenzungswert Ilim, der von der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag ausgegeben wird, mittels des Subtrahierers 32a.
Mittels der Strombegrenzungs-Steuerung 32b führt danach die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass der Detektionswert Iac für den AC-Strom nicht den Strom-Begrenzungswert Ilim übersteigt.
Dadurch erzeugt sie das Spannungs-Korrektursignal V2. Dann subtrahiert die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 das Spannungs-Korrektursignal V2 von dem AC-Spannungs-Befehlssignal VI, das von der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung ausgegeben worden ist, mittels des Subtrahierers 32c. Dadurch erzeugt sie den Befehlswert Vref (= V1 - V2) für die AC-Spannung für die DC/AC-Umwandlungsschaltung 22.
Durch die obige Konfiguration kann eine DC-Spannungskomponente unterdrückt werden, die in der AC-Spannung enthalten ist, welche von der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird. Selbst wenn eine Last vom Transformator-Eingangstyp als Last 3 verbunden wird, kann eine magnetische Sättigung infolge einer Vormagnetisierung im Transformator verhindert werden. Folglich wird eine Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 mit verbesserter Betriebsstabilität erhalten.
11 ist ein Steuerungs-Blockdiagramm, das eine Modifikation der Steuerungseinheit für die AC-Spannung und der AC-Strom-Unterdrückungseinheit gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bestandteile, die denjenigen in der in 10 dargestellten Steuerungseinheit für die AC-Spannung und in der AC-Strom-Unterdrückungseinheit entsprechen oder gleich diesen sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung detektiert die AC-Spannung, die von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird, mittels des Spannungssensors 202, berechnet den Effektivwert des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung mittels des Effektivwert-Berechners 31a, und sie berechnet die Differenz zwischen dem erhaltenen Effektivwert und dem Effektivwert-Befehlswert Ve* der vorbestimmten Spannung mittels des Subtrahierers 31c.
Mit dem Spannungsregler 31d und dem Addierer 31e führt die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, und sie führt eine Vorwärtssteuerung durch, so dass der Effektivwert der AC-Spannung mit dem Befehlswert Ve* für den Spannungs-Effektivwert übereinstimmt. Dadurch erzeugt sie eine Effektivwertkomponente Vlrms des AC-Spannungs-Befehlssignals V1.
Außerdem berechnet die Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung den Durchschnittswert des Detektionswerts Vac für die AC-Spannung mittels eines Durchschnittswert-Berechners 31i, sie berechnet die Differenz zwischen dem erhaltenen Durchschnittswert und einem Durchschnitts-Befehlswert der vorbestimmten Spannung (in 11: Null) mittels des Subtrahierers 31j, und sie führt eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung Null wird, und zwar mittels des Spannungsreglers 31k. Dadurch erzeugt sie die DC-Komponente V1dc des AC-Spannungs-Befehlssignals V1.
Eine Verstärkungs-Korrektureinrichtung 31m der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung korrigiert die Effektivwertkomponente Vlrms des AC-Spannungs-Befehlssignals V1 gemäß der DC-Komponente V1dc des AC-Spannungs-Befehlssignals V1. Insbesondere wird die Effektivwertkomponente Vlrms in eine Effektivwertkomponente VlrmsP der Spannung geteilt für den Fall, dass das AC-Spannungs-Befehlssignal V1 positiv ist, und in eine Effektivwertkomponente VIrmsN der Spannung geteilt für den Fall, dass das AC-Spannungs-Befehlssignal V1 negativ ist. VlrmsP und VlrmsN werden jeweils so korrigiert, wie es durch den Ausdruck (1) bzw. durch den Ausdruck (2) angegeben ist. Hier ist k ein beliebiger Koeffizient, der größer als 0 und kleiner als 1 ist. $V1rmsP = V1rms \times (1 + k) \times V1dc$
$V1rmsN = V1rms \times (1 - k) \times V1dc$
Mittels des Wurzel-2-Multiplizierers 31f, des Spannungsphasen-Generators 31b und des Multiplizierers 31g wird dann das AC-Spannungs-Befehlssignal V1 erzeugt.
Hierbei entspricht ein „erster Spannungs-Effektivwert-Berechner zum Berechnen eines Effektivwerts der AC-Spannung, wenn der Befehlswert für die AC-Spannung positiv ist“ in den Ansprüchen einer Einrichtung zum Berechnen von
VlrmsP = V1rms×(1 + k)×V1dc im Ausdruck (1). Ein „zweiter Spannungs-Effektivwert-Berechner zum Berechnen eines Effektivwerts der AC-Spannung, wenn der Befehlswert für die AC-Spannung negativ ist“ in den Ansprüchen entspricht einer Einrichtung zum Berechnen von VlrmsN = V1rms×(1 - k)×V1dc im Ausdruck (2). Eine „erste Korrekturverstärkung“ in den Ansprüchen entspricht (1 + k). Eine „zweite Korrekturverstärkung“ in den Ansprüchen entspricht (1 - k).
Wie bei der Ausführungsform 1 gilt Folgendes: Nur wenn der Absolutwert des Detektionswerts Iac für den AC-Strom den Strom-Begrenzungswert Ilim überschreitet, beginnt die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 mit dem Betrieb, um den AC-Strom zu begrenzen, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 ausgegeben wird.
Dadurch verringert sie die Amplitude des AC-Spannungs-Befehlssignals V1. Der AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 detektiert also den AC-Strom, der von der DC/AC-Umwandlungsschaltung 22 der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird, mittels des Stromsensors 211, und sie berechnet die Differenz zwischen dem Detektionswert Iac für den AC-Strom und dem vorbestimmten Strom-Begrenzungswert Ilim, der von der Unterdrückungseinheit 33 für den DC-Spannungsfehlbetrag ausgegeben wird, mittels des Subtrahierers 32a.
Mittels der Strombegrenzungs-Steuerung 32b führt danach die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 eine allgemeine Regelung, wie z. B. eine Proportional-Integral-Regelung durch, so dass der Detektionswert Iac für den AC-Strom nicht den Strom-Begrenzungswert Ilim übersteigt. Dadurch erzeugt sie das Spannungs-Korrektursignal V2.
Dann subtrahiert die AC-Strom-Unterdrückungseinheit 32 das Spannungs-Korrektursignal V2 von dem AC-Spannungs-Befehlssignal VI, das von der Steuerungseinheit 31 für die AC-Spannung ausgegeben worden ist, mittels des Subtrahierers 32c. Dadurch erzeugt sie den Befehlswert Vref (= V1-V2) für die AC-Spannung für die DC/AC-Umwandlungsschaltung 22.
Durch die obige Konfiguration kann eine DC-Spannungskomponente unterdrückt werden, die in der AC-Spannung enthalten ist, welche von der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegeben wird. Selbst wenn eine Last vom Transformator-Eingangstyp als Last 3 verbunden wird, kann daher eine magnetische Sättigung im Transformator verhindert werden. Folglich wird eine Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 mit verbesserter Betriebsstabilität erhalten.
Da außerdem der Zyklus, mit welchem die von der Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 ausgegebene AC-Spannung Null wird, konstant gehalten werden kann, ist es möglich, eine Energie-Umwandlungsvorrichtung 2 anzugeben, die stabil betrieben werden kann, und zwar selbst dann, wenn die Last, die eine Detektion eines Zyklus, mit welchem die AC-Spannung Null wird, als Last 3 angeschlossen wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Konfigurationen in den obigen Ausführungsformen 1 bis 4 beschränkt. Ohne von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, können die Konfigurationen in den Ausführungsformen 1 bis 4 kombiniert werden, es können verschiedenartige Modifikationen an den Ausführungsformen 1 bis 4 vorgenommen werden, oder bei Konfigurationen können teilweise Merkmale weggelassen werden.

Claims

Energie-Umwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: - eine Energie-Umwandlungsschaltung (20) zum Umwandeln von DC-Energie, die von einer DC-Energieversorgung (1) zugeführt wird, in AC-Energie; und - eine Energieumwandlungs-Steuerungseinheit (23) zum Steuern des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung (20) derart, dass sie autonome Betriebsenergie als eine AC-Spannungsquelle in einem parallelen Ausschaltzustand von einem Stromnetz (5) erzeugt, - wobei die Energie-Umwandlungsschaltung (20) Folgendes aufweist: -- eine DC-DC-Energieumwandlungsschaltung (21) zum Umwandeln von DC-Spannung der DC-Energieversorgung (1) in eine DC-Verbindungsspannung; und -- eine DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22) zum Umwandeln der DC-Verbindungsspannung in eine AC-Spannung, und - wobei die Energieumwandlungs-Steuerungseinheit (23) Folgendes aufweist: -- eine Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung zum Steuern der AC-Spannung der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22); -- eine AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) zum Begrenzen des AC-Stroms der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22) auf einen vorbestimmten Strom-Begrenzungswert oder niedriger; -- eine Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag zum Verringern, wenn die DC-Verbindungsspannung der Energie-Umwandlungsschaltung (20) abnimmt, in Antwort auf die Abnahme, des Strom-Begrenzungswerts, der an die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) ausgegeben werden soll; -- eine Schutzschaltung (24) zum Unterbrechen des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung (20), wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: - die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) hat den Betrieb zum Begrenzen des AC-Stroms auf den Strom-Begrenzungswert oder niedriger für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt; - ein Zustand, in welchem der Effektivwert der AC-Spannung, der auf der Basis eines Detektionswerts (Vac) für die AC-Spannung erzeugt worden ist, welcher von einer Spannungs-Detektionsschaltung (202) detektiert wird, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (2) ausgegeben wird, gleich einem oder kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, ist für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt worden; und - ein Zustand, in welchem eine Differenzspannung zwischen einem Befehlswert (Vref) für die AC-Spannung, der von der Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung erzeugt worden ist, und einem Momentanwert der AC-Spannung, der auf der Basis des Detektionswerts (Vac) für die AC-Spannung erhalten worden ist, welcher von der Spannungs-Detektionsschaltung (202) bestimmt worden ist, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (2) ausgegeben worden ist, gleich einer oder größer ist als eine vorbestimmte Schwellenspannung, ist für eine vorbestimmte Zeit oder länger fortgesetzt worden.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag arbeitet, wenn die DC-Verbindungsspannung (Vdc) der Energie-Umwandlungsschaltung (20) gleich dem oder kleiner als der Schwellenwert (Vdcsh) der vorbestimmten DC-Spannung wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei dann, wenn die DC-Verbindungsspannung (Vdc) der Energie-Umwandlungsschaltung (20) gleich dem oder kleiner als der Schwellenwert (Vdcsh) der vorbestimmten DC-Spannung wird, die Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag den Strom-Begrenzungswert (Ilim) so steuert, dass die DC-Verbindungsspannung (Vdc) den DC-Spannungs-Schwellenwert (Vdcsh) annimmt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei veranlasst wird, dass der Strom-Begrenzungswert (Ilim) in einem Zyklus variiert, der synchronisiert ist mit einem Befehlswert (Vref) für die AC-Spannung, der von der Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung erzeugt wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) einen Befehlswert (V2) erzeugt, um zu veranlassen, dass ein Detektionswert (Iac) für den AC-Strom, der von einer Strom-Detektionsschaltung (211) detektiert wird, welche den AC-Strom detektiert, der von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, gleich dem oder kleiner als der Strom-Begrenzungswert (Ilim) wird, der von der Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag berechnet wird, und wobei sie den Befehlswert (V2) zu einem Befehlswert (V1) addiert, der von der Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung erzeugt worden ist, oder ihn von diesem subtrahiert.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung einen Befehlswert (V1) für die AC-Spannung erzeugt, so dass der Effektivwert eines Detektionswerts (Vac) für die AC-Spannung, der von einer Spannungs-Detektionsschaltung (202) detektiert wird, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, einen vorbestimmten Spannungs-Effektivwert (Ve*) annimmt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung durch eine Regelung einen Befehlswert (V11) für die AC-Spannung erzeugt, so dass ein Detektionswert (Vac) für die AC-Spannung, der von einer Spannungs-Detektionsschaltung (202) detektiert wird, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung ausgegeben wird, einen vorbestimmten Spannungs-Momentanwert (Vi*) annimmt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei dann, wenn die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) arbeitet, die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung die integrale Verstärkung der Regelung verringert oder die integrale Verstärkung zu Null macht.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung einen Unterdrückungsbereich für die DC-Komponente zum Korrigieren eines Befehlswerts für die AC-Spannung aufweist, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, Null wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Unterdrückungsbereich für die DC-Komponente eine Offset-Spannung zu dem Befehlswert für die AC-Spannung addiert oder sie von diesem subtrahiert, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, Null wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Unterdrückungsbereich für die DC-Komponente Folgendes aufweist: - einen ersten Spannungs-Effektivwert-Berechner zum Berechnen des Effektivwerts der AC-Spannung der Energie-Umwandlungsschaltung (20), wenn der Befehlswert für die AC-Spannung positiv ist; - einen zweiten Spannungs-Effektivwert-Berechner zum Berechnen des Effektivwerts der AC-Spannung der Energie-Umwandlungsschaltung (20), wenn der Befehlswert für die AC-Spannung negativ ist; - eine erste Korrekturverstärkung zum Korrigieren des Befehlswerts für die AC-Spannung, wenn der Befehlswert für die AC-Spannung positiv ist; und - eine zweite Korrekturverstärkung zum Korrigieren des Befehlswerts für die AC-Spannung, wenn der Befehlswert für die AC-Spannung negativ ist, und wobei die erste Korrekturverstärkung und die zweite Korrekturverstärkung variabel sind, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, Null wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: - eine Energie-Umwandlungsschaltung (20) zum Umwandeln von DC-Energie, die von einer DC-Energieversorgung (1) zugeführt wird, in AC-Energie; und - eine Energieumwandlungs-Steuerungseinheit (23) zum Steuern des Betriebs der Energie-Umwandlungsschaltung (20) derart, dass sie autonome Betriebsenergie als eine AC-Spannungsquelle in einem parallelen Ausschaltzustand von einem Stromnetz (5) erzeugt, - wobei die Energie-Umwandlungsschaltung (20) Folgendes aufweist: -- eine DC-DC-Energieumwandlungsschaltung (21) zum Umwandeln von DC-Spannung der DC-Energieversorgung (1) in eine DC-Verbindungsspannung; und -- eine DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22) zum Umwandeln der DC-Verbindungsspannung in eine AC-Spannung, und - wobei die Energieumwandlungs-Steuerungseinheit (23) Folgendes aufweist: -- eine Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung zum Steuern der AC-Spannung der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22); -- eine AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) zum Begrenzen des AC-Stroms der DC-AC-Energieumwandlungsschaltung (22) auf einen vorbestimmten Strom-Begrenzungswert (Ilim) oder niedriger; und -- eine Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag zum Verringern, wenn die DC-Verbindungsspannung der Energie-Umwandlungsschaltung (20) abnimmt, in Antwort auf die Abnahme, des Strom-Begrenzungswerts (Ilim), der an die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) ausgegeben werden soll; - wobei der Strom-Begrenzungswert (Ilim) dazu veranlasst wird, in einem Zyklus zu variieren, der synchronisiert ist mit einem Befehlswert (Vref) für die AC-Spannung, der von der Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung erzeugt wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag arbeitet, wenn die DC-Verbindungsspannung (Vdc) der Energie-Umwandlungsschaltung (20) gleich dem oder kleiner als der Schwellenwert (Vdcsh) der vorbestimmten DC-Spannung wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei dann, wenn die DC-Verbindungsspannung (Vdc) der Energie-Umwandlungsschaltung (20) gleich dem oder kleiner als der Schwellenwert (Vdcsh) der vorbestimmten DC-Spannung wird, die Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag den Strom-Begrenzungswert (Ilim) so steuert, dass die DC-Verbindungsspannung (Vdc) den DC-Spannungs-Schwellenwert (Vdcsh) annimmt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) einen Befehlswert (V2) erzeugt, um zu veranlassen, dass ein Detektionswert (Iac) für den AC-Strom, der von einer Strom-Detektionsschaltung (211) detektiert wird, welche den AC-Strom detektiert, der von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, gleich dem oder kleiner als der Strom-Begrenzungswert (Ilim) wird, der von der Unterdrückungseinheit (33) für den DC-Spannungsfehlbetrag berechnet wird, und wobei sie den Befehlswert (V2) zu einem Befehlswert (V1) addiert, der von der Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung erzeugt worden ist, oder ihn von diesem subtrahiert.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung einen Befehlswert (V1) für die AC-Spannung erzeugt, so dass der Effektivwert eines Detektionswerts (Vac) für die AC-Spannung, der von einer Spannungs-Detektionsschaltung (202) detektiert wird, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, einen vorbestimmten Spannungs-Effektivwert (Ve*) annimmt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung durch eine Regelung einen Befehlswert (V11) für die AC-Spannung erzeugt, so dass ein Detektionswert (Vac) für die AC-Spannung, der von einer Spannungs-Detektionsschaltung (202) detektiert wird, welche die AC-Spannung detektiert, die von der Energie-Umwandlungsschaltung ausgegeben wird, einen vorbestimmten Spannungs-Momentanwert (Vi*) annimmt.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei dann, wenn die AC-Strom-Unterdrückungseinheit (32) arbeitet, die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung die integrale Verstärkung der Regelung verringert oder die integrale Verstärkung zu Null macht.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Steuerungseinheit (31) für die AC-Spannung einen Unterdrückungsbereich für die DC-Komponente zum Korrigieren eines Befehlswerts für die AC-Spannung aufweist, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, Null wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Unterdrückungsbereich für die DC-Komponente eine Offset-Spannung zu dem Befehlswert für die AC-Spannung addiert oder sie von diesem subtrahiert, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, Null wird.
Energie-Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Unterdrückungsbereich für die DC-Komponente Folgendes aufweist: - einen ersten Spannungs-Effektivwert-Berechner zum Berechnen des Effektivwerts der AC-Spannung der Energie-Umwandlungsschaltung (20), wenn der Befehlswert für die AC-Spannung positiv ist; - einen zweiten Spannungs-Effektivwert-Berechner zum Berechnen des Effektivwerts der AC-Spannung der Energie-Umwandlungsschaltung (20), wenn der Befehlswert für die AC-Spannung negativ ist; - eine erste Korrekturverstärkung zum Korrigieren des Befehlswerts für die AC-Spannung, wenn der Befehlswert für die AC-Spannung positiv ist; und - eine zweite Korrekturverstärkung zum Korrigieren des Befehlswerts für die AC-Spannung, wenn der Befehlswert für die AC-Spannung negativ ist, und wobei die erste Korrekturverstärkung und die zweite Korrekturverstärkung variabel sind, so dass der Durchschnittswert der AC-Spannung, die von der Energie-Umwandlungsschaltung (20) ausgegeben wird, Null wird.