DE112019007758B4

DE112019007758B4 - Umrichter und Motorsteuerungssystem

Info

Publication number: DE112019007758B4
Application number: DE112019007758.9T
Authority: DE
Inventors: Ryuma Hatano; Yoshitomo Hayashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: JPWO2021084584A1; WO2021084584A1; TW202118209A; CN114600360A; TWI769563B; JP6689478B1; DE112019007758T5; CN114600360B

Abstract

Umrichter (1), der zwischen einer Wechselstromversorgung (3) und einer Motorantriebsvorrichtung (4), die einen Motor (5) steuert, angeordnet ist, wobei der Umrichter (1) umfasst:ein Leistungsmodul (21) mit einer Vielzahl von Gleichrichterelementen (D1 bis D6) zum Gleichrichten einer von der Wechselstromversorgung (3) gelieferten Wechselspannung, einer Vielzahl von Schaltelementen (Q1 bis Q6), die jeweils parallel zu einem entsprechenden der Vielzahl von Gleichrichterelementen (D1 bis D6) geschaltet sind, und zwei Gleichstromversorgungsanschlüssen (14, 15) zum Ausgeben einer von der Vielzahl von Gleichrichterelementen (D1 bis D6) gleichgerichteten Spannung;einen Glättungskondensator (22), der mit den beiden Gleichstromversorgungsanschlüssen (14, 15) verbunden ist, um eine von dem Leistungsmodul (21) gleichgerichtete Spannung zu glätten;eine Busstromerfassungseinheit (23) zum Erfassen eines Busstroms, der ein Strom ist, der zwischen einem der zwei Gleichstromversorgungsanschlüsse (14, 15) und dem Glättungskondensator (22) fließt; undeine Steuereinheit (26), um das Leistungsmodul (21) zu veranlassen, Regenerationsenergie des Motors (5) an die Wechselstromversorgung (3) abzugeben, indem die Vielzahl von Schaltelementen (Q1 bis Q6) auf der Grundlage einer Spannungsphase der Wechselstromversorgung (3) gesteuert wird, wobei die Steuereinheit (26) umfasst:eine Stromunterbrechungserfassungseinheit (33), um auf der Grundlage des Busstroms, der von der Busstromerfassungseinheit (23) erfasst ist, zu bestimmen, ob eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung (3) während eines Stromversorgens des Motors (5) aufgetreten ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) konfiguriert ist, um auf der Grundlage eines Absolutwertes des Busstroms, der von der Busstromerfassungseinheit (23) erfasst ist, zu bestimmen, ob eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung (3) entweder während des Stromversorgens des Motors (5) oder während einer Regeneration des Motors (5) aufgetreten ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umrichter, der zwischen einer Wechselstromversorgung und einer Motorantriebsvorrichtung angeordnet ist, um eine Stromumwandlung durchzuführen, sowie ein Motorsteuerungssystem.
Hintergrund
Ein Umrichter, der zwischen einer Wechselstromversorgung und einer Motorantriebsvorrichtung angeordnet ist, umfasst ein Leistungsmodul mit einer Brückengleichrichterschaltung, in der eine Vielzahl von Gleichrichterelementen in Brückenschaltung angeordnet sind, und einen Glättungskondensator, der die von dem Leistungsmodul ausgegebene Spannung glättet. Die von der Wechselstromversorgung an den Umrichter gelieferte Wechselspannung wird durch das Leistungsmodul gleichgerichtet, und die gleichgerichtete Spannung wird durch den Glättungskondensator geglättet.
Der Motor, der von der Motorantriebsvorrichtung angetrieben wird, verbraucht typischerweise elektrische Energie während der Beschleunigung und erzeugt eine induzierte elektromotorische Kraft während einer Verzögerung. Daher bewirkt die Motorantriebsvorrichtung, dass der Motor wie ein Generator arbeitet. Im Folgenden wird der Beschleunigungsbetrieb des Motors als „Motorstromversorgen“ oder „Stromversorgen“ bezeichnet, und der Verzögerungsbetrieb des Motors wird als „Motorregeneration“ oder „Regeneration“ bezeichnet.
Während des Motorstromversorgens wird die von dem Umrichter geglättete Spannung an die Motorantriebsvorrichtung angelegt. Die Motorantriebsvorrichtung wandelt die von dem Umrichter ausgegebene/gelieferte Gleichspannung durch eine Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlung in eine Wechselspannung um und legt die resultierende Wechselspannung an den Motor an, um den Motor anzutreiben.
Während der Motorregeneration wird die in dem Motor erzeugte induzierte elektromotorische Kraft durch eine Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlung durch die Motorantriebsvorrichtung in eine Gleichspannung umgewandelt, und die resultierende Gleichspannung wird an den Glättungskondensator des Umrichters geliefert. Wenn die von dem Motor an die Motorantriebsvorrichtung angelegte Spannung groß ist, kann die von dem Motorantrieb an den Umrichter angelegte Gleichspannung die zulässige Spannung des Glättungskondensators oder des Leistungsmoduls des Umrichters überschreiten. In diesem Fall kann der Glättungskondensator oder das Leistungsmodul des Umrichters versagen; daher weist der Umrichter eine Funktion auf, Regenerationsenergie zu verarbeiten, d. h. Energie, die durch die induzierte elektromotorische Kraft des Motors erzeugt wird, um eine Beschädigung des Glättungskondensators oder des Leistungsmoduls zu verhindern.
Verfahren zum Verarbeiten von Regenerationsenergie umfassen eine Widerstandsregeneration, bei der Regenerationsenergie von einem Widerstand verbraucht wird, und eine Stromversorgungsregeneration, bei der die Regenerationsenergie in die Wechselstromversorgung zurückgeführt wird. In den letzten Jahren wurden in Industriemaschinen wie Werkzeugmaschinen und Robotern zunehmend Umrichter eingesetzt, die zum Zweck der Energieeinsparung auf der Stromversorgungsregeneration basieren. Ein Umrichter mit Stromversorgungsregeneration umfasst ein Leistungsmodul mit einer Schaltung, in der Schaltelemente parallel zu entsprechenden Gleichrichterelementen geschaltet sind: Die Regenerationsenergie in die Wechselstromversorgung erfolgt über eine Ein-/Aus-Steuerung jedes Schaltelements.
Wenn der Umrichter, der auf der Stromversorgungsregeneration basiert, einer Stromunterbrechung unterzogen ist, bei der die Stromversorgung von der Wechselstromversorgung während des Motorstromversorgens oder der Motorregeneration gestoppt wird, fließt ein Überstrom durch das Leistungsmodul zu Beginn der Stromunterbrechung oder der Wiederherstellung der Stromversorgung, was zu einer Verschlechterung oder einem Fehler des Leistungsmoduls führen kann. Wenn der Umrichter an einer Industriemaschine, wie beispielsweise einer Werkzeugmaschine oder einem Roboter, eingesetzt wird und während des Stromversorgens oder der Regeneration eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung auftritt, dreht sich die Vorschubwelle, Spindel oder ähnliches übermäßig, was zu einer Beschädigung am Werkzeug, Werkstück oder ähnlichen führen kann.
Die Patentliteratur 1 offenbart eine Umrichtersteuervorrichtung, die in der Lage ist, das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung während der Regeneration zu erfassen. In dieser Umrichtersteuervorrichtung ist ein Regenerationswiderstand zwischen den Anschlüssen des Glättungskondensators über einen Zerhacker angeschlossen, und die Regenerationsenergie wird durch kooperative Steuerung durch einen Spannungsquellen-Pulsweitenmodulations (PWM)-Umrichter und den Zerhacker gemeinsam verarbeitet. Während der Motorregeneration erfasst die Steuervorrichtung des Umrichters anhand des Verhältnisses zwischen dem Busstrom und dem durch den Regenerationswiderstand fließenden Zerhackerstrom dann das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung.
Die Druckschrift JP 2011 - 92 005 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz einer PWM-Umrichterschaltung, die in einem Stromversorgungsbetrieb Spannungsverzerrungen und dreiphasigen Asymmetrien ausgesetzt ist.
Die Druckschrift „PWM rectifier. In: Wikipedia, Stand 5.11.2018“ offenbart einen PWM-Umrichter, der ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler ist, der unter Verwendung von zwangskommutierten leistungselektronischen Halbleiterschaltern verwirklicht wird, wodurch Schwingungen höherer Ordnung verringert werden können.
Die Druckschrift CN 1 01 425 756 A offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines PWM-Umrichters mittels einer auf Strom- und Spannungsvektoren angewandten Vektortransformation.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Offenlegung der japanischen Patentanmeldung JP H06- 205 586 A
Überblick über die Erfindung
Technisches Problem
Die in der Patentliteratur 1 beschriebene Technik erfordert jedoch eine Vielzahl von Stromerfassungsmitteln zum Erfassen des Auftretens einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung: das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung wird anhand der Ausgaben der Vielzahl von Stromerfassungsmitteln erfasst, was hinsichtlich der Komplexität der Konfiguration problematisch ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Ausführungen gemacht, und ein Ziel davon ist es, einen Umrichter zu erhalten, der in der Lage ist, das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung mit einer einfachen Konfiguration zu erfassen.
Lösung des Problems
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, wird ein Umrichter mit den Merkmalen des beiliegenden unabhängigen Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen definiert. Insbesondere wird ein Umrichter gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen einer Wechselstromversorgung und einer Motorantriebsvorrichtung, die einen Motor steuert, angeordnet und umfasst ein Leistungsmodul, einen Glättungskondensator, eine Busstromerfassungseinheit und eine Steuereinheit. Das Leistungsmodul umfasst eine Vielzahl von Gleichrichterelementen, welche die von der Wechselstromversorgung gelieferte Wechselspannung gleichrichten, eine Vielzahl von Schaltelementen, die jeweils parallel zu den entsprechenden Gleichrichterelementen geschaltet sind, und zwei Gleichstromversorgungsanschlüsse, welche die von der Vielzahl der Gleichrichterelemente gleichgerichtete Spannung ausgeben. Der Glättungskondensator ist mit den beiden Gleichstromversorgungsanschlüssen verbunden und glättet die von dem Leistungsmodul gleichgerichtete Spannung. Die Busstromerfassungseinheit erfasst einen Busstrom, d. h. einen Strom, der zwischen einem der beiden Gleichstromversorgungsanschlüsse und dem Glättungskondensator fließt. Die Steuereinheit steuert die Vielzahl von Schaltelementen auf der Grundlage der Spannungsphase der Wechselstromversorgung und veranlasst dadurch das Leistungsmodul, die Regenerationsenergie des Motors an die Wechselstromversorgung abzugeben. Die Steuereinheit umfasst eine Stromunterbrechungserfassungseinheit, die auf der Grundlage des Absolutwertes des von der Busstromerfassungseinheit erfassten Busstroms bestimmt, ob eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung entweder während des Stromversorgens des Motors oder während der Regeneration des Motors aufgetreten ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Erfindungsgemäß kann der Umrichter den Effekt des Erfassens des Auftretens einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung mit einer einfachen Konfiguration erreichen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Motorsteuerungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb einer Stromversorgungsphasenerfassungseinheit und einer Basisantriebssignalerzeugungseinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Diagramm zum Erläutern des Betriebs während des Motorstromversorgens im Motorsteuerungssystem gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Versorgungsspannung der Wechselstromversorgung und den durch den Umrichter fließenden Strömen während des Motorstromversorgens des Motorsteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Diagramm zum Erläutern des schaltbasierten Stromversorgungsregenerationsbetriebs des Umrichters gemäß der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Versorgungsspannung der Wechselstromversorgung und den durch den Umrichter fließenden Strömen während der Motorregeneration des Motorsteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Diagramm, das einen Zustand des Motorsteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, in dem das Motorsteuerungssystem den Motor antreibt.
8 ist ein Diagramm, das einen Zustand des Motorsteuerungssystems zeigt, in dem eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung in dem in 7 gezeigten Motorstromversorgungsabschnitt auftritt.
9 ist ein Diagramm, das einen Zustand des Motorsteuerungssystems zeigt, in dem eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung in dem in 7 gezeigten Motorregenerationsabschnitt auftritt.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für einen Prozess durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit des Umrichters gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für einen Prozess durch die Regenerationssteuereinheit des Umrichters gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für einen Prozess durch die Motorsteuerungseinheit der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
13 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Motorsteuerungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für den Zählvorgang durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit des Umrichters gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
15 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für den Fehlervorhersageprozess durch die Fehlervorhersageeinheit der übergeordneten Steuervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
16 ist ein Diagramm, das eine weitere beispielhafte Konfiguration des Motorsteuerungssystems gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend werden ein Umrichter und ein Motorsteuerungssystem gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform.
Eine Konfiguration eines Motorsteuerungssystems wird gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Motorsteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Wie in 1 gezeigt, steuert das Motorsteuersystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform einen Motor 5 unter Verwendung der von einer Wechselstromversorgung 3 ausgegebenen dreiphasigen Wechselspannung. Das Motorsteuerungssystem 100 umfasst einen Umrichter 1, der die von der Wechselstromversorgung 3 ausgegebene Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt, und eine Motorantriebsvorrichtung 4, die den Motor 5 unter Verwendung der vom Umrichter 1 ausgegebenen Gleichspannung steuert.
Die Wechselstromversorgung 3 ist eine dreiphasige Wechselstromversorgung, die beispielsweise eine Stromerzeugungsvorrichtung und eine Stromübertragungseinrichtung umfasst. Die von der Wechselstromversorgung 3 gelieferte dreiphasige Wechselspannung umfasst eine R-Phasenspannung V_R, die eine Wechselspannung der R-Phase ist, eine S-Phasenspannung V_S, die eine Wechselspannung der S-Phase ist, und eine T-Phasenspannung V_T, die eine Wechselspannung der T-Phase ist. Nachfolgend können die R-Phasenspannung V_R, die S-Phasenspannung V_S und die T-Phasenspannung V_T gemeinsam als Versorgungsspannung V_RST bezeichnet werden. Der Motor 5 dient als Beispiel für einen Motor einer Industriemaschine wie einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters, kann aber auch ein anderer Motor als ein Motor einer Industriemaschine sein.
Der Umrichter 1 ist über eine Drosselspule 2 mit der Wechselstromversorgung 3 verbunden, die eine Eingangsstromversorgung ist. Der Umrichter 1 wandelt die von der Wechselstromversorgung 3 gelieferte Wechselspannung in Gleichspannung um und liefert die resultierende Gleichspannung an die Motorantriebsvorrichtung 4. Die Motorantriebsvorrichtung 4 umfasst eine Stromumwandlungseinheit 40, welche die Stromumwandlung ausführt, und eine Motorsteuereinheit 41, welche die Stromumwandlungseinheit 40 steuert. Die Motorsteuereinheit 41 veranlasst die Stromumwandlungseinheit 40, die von dem Umrichter 1 gelieferte Gleichspannung in Wechselspannung entsprechend der Steuergeschwindigkeit des Motors 5 umzuwandeln, und veranlasst die Stromumwandlungseinheit 40, die resultierende Wechselspannung an den Motor 5 zu liefern, wodurch eine variable Geschwindigkeitssteuerung des Motors 5 erfolgt.
Der Umrichter 1 hat eine Stromversorgungsregenerationsfunktion, die darin besteht, dass er die induzierte elektromotorische Kraft, die im Motor 5 erzeugt wird, als Regenerationsenergie an die Wechselstromversorgung 3 abgibt, wenn der Motor 5 verzögert. Die im Motor 5 erzeugte induzierte elektromotorische Kraft wird durch die Motorantriebsvorrichtung 4 von Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, und der durch die Umwandlung durch die Motorantriebsvorrichtung 4 erhaltene Gleichstrom wird dem Umrichter 1 zugeführt. Der Umrichter 1 wandelt die von der Motorantriebsvorrichtung 4 gelieferte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung um und gibt die resultierende Wechselstromleistung an die Wechselstromversorgung 3 ab. Im Folgenden kann der Betrieb während der Regeneration im Motorsteuerungssystem 100 als Stromversorgungsregenerationsbetrieb der bezeichnet werden, und der Betrieb während des Stromversorgens im Motorsteuerungssystem 100 kann als Stromversorgungsbetrieb bezeichnet werden. Darüber hinaus kann die induzierte elektromotorische Kraft, die im Motor 5 während des Stromversorgungsregenerationsbetriebs erzeugt wird, als Regenerationsenergie bezeichnet werden.
Verfahren zum Steuern von Umrichtern mit der Stromversorgungsregenerationsfunktion umfassen eine PWM-Steuerung und eine 120-Grad-Leitungsregeneration. Der Umrichter 1 ist ein Umrichter, der auf der 120-Grad-Leitungsregeneration basiert, und wird auch als Stromversorgungsregenerationsumrichter bezeichnet.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der Umrichter 1 ein Leistungsmodul 21, einen Glättungskondensator 22, eine Busspannungserfassungseinheit 23, eine Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24, eine Busstromerfassungseinheit 25, eine Steuereinheit 26 und eine Treiberschaltung 27.
Das Leistungsmodul 21 umfasst Wechselstromversorgungsanschlüsse 11 bis 13, einen Gleichstromversorgungsanschluss 14 auf der positiven Seite, einen Gleichstromversorgungsanschluss 15 auf der negativen Seite, eine Vielzahl von Gleichrichterelementen D1 bis D6 und eine Vielzahl von Schaltelementen Q1 bis Q6. Die Wechselstromversorgungsanschlüsse 11, 12 und 13 sind über die Drosselspule 2 mit dem R-Phasen-Stromversorgungsanschluss, dem S-Phasen-Stromversorgungsanschluss bzw. dem T-Phasen-Stromversorgungsanschluss der Wechselstromversorgung 3 verbunden. Die Vielzahl von den Gleichrichterelementen D1 bis D6 sind in Brückenschaltung miteinander verbunden und bilden eine Brückengleichrichterschaltung.
Die in Reihe geschalteten Schaltelemente Q1 und Q2, die in Reihe geschalteten Schaltelemente Q3 und Q4 und die in Reihe geschalteten Schaltelemente Q5 und Q6 sind zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 und dem Gleichstromversorgungsanschluss 15 parallel zueinander geschaltet. Die Kollektoranschlüsse der Schaltelemente Q1, Q3 und Q5, die den oberen Arm bilden, sind mit dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 verbunden, und die Emitteranschlüsse der Schaltelemente Q2, Q4 und Q6, die den unteren Arm bilden, sind mit dem Gleichstromversorgungsanschluss 15 verbunden. Der Gleichstromversorgungsanschluss 14 ist mit einem Gleichstromversorgungsanschluss 17 der Motorantriebsvorrichtung 4 auf der positiven Seite verbunden, und der Gleichstromversorgungsanschluss 15 ist mit einem Gleichstromversorgungsanschluss 18 der Motorantriebsvorrichtung 4 auf der negativen Seite verbunden.
Der Emitteranschluss des Schaltelements Q1 und der Kollektoranschluss des Schaltelements Q2 sind mit dem Wechselstromversorgungsanschluss 11 verbunden. Der Emitteranschluss des Schaltelements Q3 und der Kollektoranschluss des Schaltelements Q4 sind mit dem Wechselstromversorgungsanschluss 12 verbunden. Der Emitteranschluss des Schaltelements Q5 und der Kollektoranschluss des Schaltelements Q6 sind mit dem Wechselstromversorgungsanschluss 13 verbunden.
Die Schaltelemente Q1 bis Q6 sind parallel zu den entsprechenden Gleichrichterelementen D1 bis D6 geschaltet. Jedes der Gleichrichterelemente D1 bis D6 ist an dem Anodenanschluss mit dem Emitteranschluss des entsprechenden der Schaltelemente Q1 bis Q6 und an dem Kathodenanschluss mit dem Kollektoranschluss des entsprechenden der Schaltelemente Q1 bis Q6 verbunden.
Das Gleichrichterelement D1 und das Schaltelement Q1 bilden das positive Leistungselement der R-Phase, und das Gleichrichterelement D2 und das Schaltelement Q2 bilden das negative Leistungselement der R-Phase. Des Weiteren bilden das Gleichrichterelement D3 und das Schaltelement Q3 das positive Leistungselement der S-Phase und das Gleichrichterelement D4 und das Schaltelement Q4 das negative Leistungselement der S-Phase. Darüber hinaus bilden das Gleichrichterelement D5 und das Schaltelement Q5 das positive Leistungselement der T-Phase und das Gleichrichterelement D6 und das Schaltelement Q6 das negative Leistungselement der T-Phase. Es sei angemerkt, dass die in 1 gezeigte beispielhafte Konfiguration des Leistungsmoduls 21 der Wechselstromversorgung 3 entspricht, die eine dreiphasige Wechselstromversorgung ist. Die Wechselstromversorgung 3 kann jedoch auch eine einphasige Stromversorgung sein. In diesem Fall umfasst das Leistungsmodul 21 des Umrichters 1 vier Sätze von Leistungselementen.
Die Schaltelemente Q1 bis Q6 sind Halbleiterschaltelemente in Gestalt von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs). Die Gleichrichterelemente D1 bis D6 sind Dioden. Im Folgenden können die Schaltelemente Q1 bis Q6 gemeinsam als Schaltelement(e) Q und die Gleichrichterelemente D1 bis D6 gemeinsam als Gleichrichterelement(e) D bezeichnet werden.
Der Glättungskondensator 22 ist zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 und dem Gleichstromversorgungsanschluss 15 angeordnet und glättet die durch das Leistungsmodul 21 gleichgerichtete Spannung. Die Busspannungserfassungseinheit 23 erfasst eine Busspannung V_PN, d.h. einen Momentanwert einer Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22, d.h. einen Momentanwert der Spannung zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 und dem Gleichstromversorgungsanschluss 15. Die Busspannungserfassungseinheit 23 gibt Informationen über die Busspannung V_PN an die Steuereinheit 26 aus.
Die Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 erfasst die Spannungsphase der Wechselstromversorgung 3 aus der Stromversorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3. Es sei angemerkt, dass die Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 die Spannungsphase der Wechselstromversorgung 3 aus der Stromversorgungsspannung V_RST zwischen der Wechselstromversorgung 3 und der Drosselspule 2 erfasst, aber auch so angeordnet werden kann, dass sie die Spannungsphase der Wechselstromversorgung 3 aus der Stromversorgungsspannung V_RST zwischen der Drosselspule 2 und den Wechselstromversorgungsanschlüssen 11, 12 und 13 erfasst.
Die Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 gibt ein Stromversorgungsphasenerfassungssignal θ an die Steuereinheit 26 aus, das die Spannungsphase der Wechselstromversorgung 3 anzeigt. Das von der Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 ausgegebene Stromversorgungsphasenerfassungssignal θ umfasst ein R-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-S, ein S-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-R, ein S-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-T, ein T-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-S, ein T-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-R und ein R-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-T.
Das R-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-S zeigt die Phase einer R-S-Leitungsspannung V_R-S an, d. h. die Potenzialdifferenz der R-Phase in Bezug auf die S-Phase, und das S-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-R zeigt die Phase einer S-R-Leitungsspannung V_S-R an, d. h. die Potenzialdifferenz der S-Phase in Bezug auf die R-Phase. Die R-S-Leitungsspannung V_R-S und die S-R-Leitungsspannung V_S-R sind beides Spannungen zwischen der R-Phase und der S-Phase, die jedoch aufgrund der unterschiedlichen Bezugsphasen um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind.
Das S-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-T zeigt die Phase einer S-T-Leitungsspannung V_S-T an, d. h. die Potenzialdifferenz der S-Phase in Bezug auf die T-Phase, und das T-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-S zeigt die Phase einer T-S-Leitungsspannung V_T-S an, d. h. die Potenzialdifferenz der T-Phase in Bezug auf die S-Phase. Die S-T-Leitungsspannung V_S-T und die T-S-Leitungsspannung V_T-S sind beides Spannungen zwischen der S-Phase und der T-Phase, die jedoch aufgrund der unterschiedlichen Bezugsphasen um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind.
Das T-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-R zeigt die Phase einer T-R-Leitungsspannung V_T-R an, d.h. die Potenzialdifferenz der T-Phase in Bezug auf die R-Phase, und das R-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-T zeigt die Phase einer R-T-Leitungsspannung V_R-T an, d.h. die Potenzialdifferenz der R-Phase in Bezug auf die T-Phase. Die T-R-Leitungsspannung V_T-R und die R-T-Leitungsspannung V_R-T sind beides Spannungen zwischen der R-Phase und der T-Phase, die jedoch aufgrund der unterschiedlichen Bezugsphasen um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind.
Die Busstromerfassungseinheit 25 ist zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 des Leistungsmoduls 21 und dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 22 angeordnet und erfasst einen Busstrom I_PN, d.h. einen Momentanwert des Stroms, der durch den Gleichstrombus zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 des Leistungsmoduls 21 und dem Glättungskondensator 22 fließt. Es sei angemerkt, dass die Busstromerfassungseinheit 25 zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 15 des Leistungsmoduls 21 und dem negativen Anschluss des Glättungskondensators 22 anstatt zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 des Leistungsmoduls 21 und dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 22 angeordnet sein kann.
Als Nächstes wird die Steuereinheit 26 beschrieben. Die Steuereinheit 26 umfasst eine Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31, eine Regenerationssteuereinheit 32, eine Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 und eine Zustandseinstellungseinheit 34. Die Steuereinheit 26 umfasst einen Prozessor, einen Speicher, einen Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) und dergleichen. Der Prozessor, der Speicher und der AD-Wandler können z.B. über einen Bus Daten miteinander austauschen. Der Prozessor liest ein im Speicher gespeichertes Programm und führt es aus, wodurch die Funktionen der Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31, der Regenerationssteuereinheit 32, der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 und der Zustandseinstellungseinheit 34 ausgeführt werden.
Der Prozessor ist ein Beispiel für eine Verarbeitungsschaltung und umfasst beispielsweise eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPU), einen digitalen Signalprozessor (DSP) und eine System-Großintegration (LSI). Der Speicher umfasst einen oder mehrere von einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Nur-LeseSpeicher (ROM), einem Flash-Speicher, einem löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM) und einem elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM, eingetragenes Markenzeichen). Es sei angemerkt, dass die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31, die Regenerationssteuereinheit 32, die Stromunterbrechungserfasssungseinheit 33 und die Bedienungseinstellungseinheit 34 teilweise oder vollständig durch Hardware wie eine anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder ein Programmierbares Gatterfeld (FPGA) konfiguriert werden können. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 26 einen Teil oder die Gesamtheit der Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 umfassen.
Die Basisantriebssignalerfassungseinheit 31 erzeugt Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN zum Antreiben der Schaltelemente Q1 bis Q6 auf der Grundlage des Stromversorgungsphasenerfassungssignals θ. Die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 gibt die erzeugten Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN an die Regenerationssteuereinheit 32 aus.
Das Basisantriebssignal S_RP ist ein Signal zum Antreiben des Schaltelements Q1, und das Basisantriebssignal S_RN ist ein Signal zum Antreiben des Schaltelements Q2. Das Basisantriebssignal S_SP ist ein Signal zum Antreiben des Schaltelements Q3, und das Basisantriebssignal S_SN ist ein Signal zum Antreiben des Schaltelements Q4. Das Basisantriebssignal S_TP ist ein Signal zum Antreiben des Schaltelements Q5, und das Basisantriebssignal S_TN ist ein Signal zum Antreiben des Schaltelements Q6.
Die Regenerationssteuereinheit 32 gibt die Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN als Ausgangssignale an die Antriebsschaltung 27 aus, die auf dem Busstrom I_PN und der Busspannung V_PN basieren. Die Antriebsschaltung 27 verstärkt die Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN zur Ausgabe an die Basen der Schaltelemente Q1 bis Q6. Durch das Ein- und Ausschalten der Schaltelemente Q1 bis Q6 unter Verwendung der Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN wird der Stromversorgungsregenerationsbetrieb in dem Umrichter 1 ausgeführt. Der Stromversorgungsregenerationsbetrieb bewirkt, dass Regenerationsenergie von dem Umrichter 1 an die Wechselstromversorgung 3 ausgegeben wird.
Wenn beispielsweise die Differenz zwischen der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 und der Busspannung V_PN gleich oder größer als ein vorgegebener Wert wird, oder wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert wird, gibt die Regenerationssteuereinheit 32 die Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN als Ausgangssignale an die Antriebsschaltung 27 aus. Darüber hinaus gibt die Regenerationssteuereinheit 32 die Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN nicht an die Antriebsschaltung 27 aus, wenn beispielsweise die Differenz zwischen der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 und der Busspannung V_PN kleiner als der vorgegebene Wert ist und der Absolutwert des Busstroms I_PN den vorgegebenen Wert überschreitet. In diesem Fall sind alle Schaltelemente Q1 bis Q6 in dem Umrichter 1 ausgeschaltet, und der Stromversorgungsregenerationsbetrieb wird nicht durchgeführt.
Als Nächstes wird der Betrieb der Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 und der Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Stromversorgungsphasenerfassungseinheit und der Basisantriebssignalerzeugungseinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 2 zeigt zeitliche Änderungen der Leitungsspannung, des R-S-Leitungsphasenerfassungssignals θ_R-S, des S-R-Leitungsphasenerfassungssignals θ_S-R, des S-T-Leitungsphasenerfassungssignals θ_S-T, des T-S-Leitungsphasenerfassungssignals θ_T-S, des T-R-Leitungsphasenerfassungssignals θ_T-R, des R-T-Leitungsphasenerfassungssignals θ_R-T, der Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN und der Ströme, die durch die R-, T- und S-Phasen während der Motorregeneration fließen.
Die Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 erfasst die R-S-Leitungsspannung V_R-S, die S-R-Leitungsspannung V_S-R, die S-T-Leitungsspannung V_S-T, die T-S-Leitungsspannung V_T-S, die T-R-Leitungsspannung V_T-R und die R-T-Leitungsspannung V_R-T auf der Grundlage der R-Phasenspannung V_R, der S-Phasenspannung V_S und der T-Phasenspannung V_T. Im Folgenden werden die R-S-Leitungsspannung V_R-S, die S-R-Leitungsspannung V_S-R, die S-T-Leitungsspannung V_S-T, die T-S-Leitungsspannung V_T-S, die T-R-Leitungsspannung V_T-R und die R-T-Leitungsspannung V_R-T gemeinsam als Leitungsspannungen bezeichnet.
Die Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 erfasst einen Nulldurchgangspunkt jeder Leitungsspannung und erzeugt das R-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-S, das S-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-R, das S-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-T, das T-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-S, das T-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-R und das R-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-T. Im Folgenden können das R-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-S, das S-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-R, das S-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_S-T, das T-S-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-S, das T-R-Leitungsphasenerfassungssignal θ_T-R und das R-T-Leitungsphasenerfassungssignal θ_R-T gemeinsam als Leitungsphasenerfassungssignale bezeichnet werden.
In dem in 2 gezeigten Beispiel erzeugt die Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 ein Leitungsphasenerfassungssignal für jede Leitungsspannung, sodass das Leitungsphasenerfassungssignal in dem Phasenabschnitt, in dem die Leitungsspannung einen positiven Wert hat, einen hohen Pegel und in dem Phasenabschnitt, in dem die Leitungsspannung einen negativen Wert hat, einen niedrigen Pegel hat. Da die Wellenform der Leitungsspannung der Wechselstromversorgung 3, bei der es sich um eine dreiphasige Wechselstromversorgung handelt, eine Sinuswelle ist, wird die Leitungsspannung in der Mitte des Phasenabschnitts, in dem das Leitungsphasenerfassungssignal einen hohen Pegel hat, maximiert, und die Leitungsspannung wird in der Mitte des Phasenabschnitts, in dem das Leitungsphasenerfassungssignal einen niedrigen Pegel hat, minimiert. Die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 kann die Phase, die eine maximale Spannung anzeigt, und die Phase, die eine minimale Spannung anzeigt, aus jedem Leitungsphasenerfassungssignal berechnen, das von der Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 erzeugt wird.
Als Nächstes wird der Betrieb der Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 beschrieben. Die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 erzeugt die Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN auf der Grundlage der sechs Leitungsphasenerfassungssignale, die von der Stromversorgungsphasenerfassungseinheit 24 ausgegeben werden.
Im Folgenden wird das Schalten der Schaltelemente Q zwischen Ein und Aus als Schaltvorgang bezeichnet, und der Strom, der durch die Schaltelemente Q während des Regenerationsbetriebs des Umrichters 1 fließt, wird als Regenerationsstrom bezeichnet. Darüber hinaus sind in 1 ein R-Phasen-Strom I_R, ein S-Phasen-Strom I_S und ein T-Phasen-Strom I_T durch Pfeile gekennzeichnet, die von der Wechselstromversorgung 3 zum Umrichter 1 hin gerichtet sind, wobei die Ströme, die in der durch die Pfeile angegebenen Richtung fließen, als Ströme in der positiven Richtung und die Ströme in der entgegengesetzten Richtung als Ströme in der negativen Richtung behandelt werden. In Bezug auf die Ströme im Umrichter 1 werden die Ströme, die in Richtung vom Umrichter 1 zur Motorantriebsvorrichtung 4 hin fließen, als Ströme in der positiven Richtung behandelt, und die Ströme in der entgegengesetzten Richtung werden als Ströme in der negativen Richtung behandelt.
Die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 setzt die Basisantriebssignale S_SN und S_TP auf einen hohen Pegel und die verbleibenden Basisantriebssignale auf einen niedrigen Pegel im ersten Abschnitt von dem Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₂, in dem der Momentanwert der T-S-Leitungsspannung V_T-S am größten ist. Infolgedessen werden im ersten Abschnitt das Schaltelement Q5 auf der positiven Seite der T-Phase und das Schaltelement Q4 auf der negativen Seite der S-Phase eingeschaltet gehalten und die verbleibenden Schaltelemente ausgeschaltet gehalten. In diesem Fall sind die positiven und negativen Anschlüsse des Glättungskondensators 22 über die Stromversorgungsimpedanz der Wechselstromversorgung 3 mit den T- und S-Phasen der Wechselstromversorgung 3 verbunden. Daher fließt der Strom durch die T- und S-Phasen über die Schaltelemente Q5 und Q4, die eingeschaltet sind. In dem ersten Abschnitt fließt der durch die T-Phase fließende Strom oder ein T-Phasen-Regenerationsstrom Ir_T in der negativen Richtung, und der durch die S-Phase fließende Strom bzw. ein S-Phasen-Regenerationsstrom Ir_S fließt in der positiven Richtung.
Im zweiten Abschnitt vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₄, in dem der Momentanwert der R-S-Leitungsspannung V_R-S am größten ist, setzt die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 die Basisantriebssignale S_RP und S_SN auf einen hohen Pegel und die verbleibenden Basisantriebssignale auf einen niedrigen Pegel. Infolgedessen werden im zweiten Abschnitt das Schaltelement Q1 auf der positiven Seite der R-Phase und das Schaltelement Q4 auf der negativen Seite der S-Phase eingeschaltet gehalten und die verbleibenden Schaltelemente ausgeschaltet gehalten. Daher fließt der Strom durch die R- und S-Phasen über die Schaltelemente Q1 und Q4, die eingeschaltet sind. In dem zweiten Abschnitt fließt der durch die R-Phase fließende Strom oder ein R-Phasen-Regenerationsstrom Ir_R in der negativen Richtung, und der S-Phasen-Regenerationsstrom Ir_S fließt in der positiven Richtung.
In dem dritten Abschnitt vom Zeitpunkt t₄ bis zum Zeitpunkt t₆, in dem der Momentanwert der R-T-Leitungsspannung V_R-T am größten ist, setzt die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 die Basisantriebssignale S_RP und S_TN auf einen hohen Pegel und die verbleibenden Basisantriebssignale auf einen niedrigen Pegel. Infolgedessen werden in dem dritten Abschnitt das Schaltelement Q1 auf der positiven Seite der R-Phase und das Schaltelement Q6 auf der negativen Seite der T-Phase eingeschaltet gehalten und die verbleibenden Schaltelemente ausgeschaltet gehalten. Daher fließt der Strom durch die R- und T-Phasen über die Schaltelemente Q1 und Q6, die eingeschaltet sind. In dem dritten Abschnitt fließt der Regenerationsstrom der R-Phase Ir_R in negativer Richtung, und der Regenerationsstrom der T-Phase Ir_T fließt in positiver Richtung.
In dem vierten Abschnitt vom Zeitpunkt t₆ bis zum Zeitpunkt t₈, in dem der Momentanwert der S-T-Leitungsspannung V_S-T am größten ist, setzt die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 die Basisantriebssignale S_SP und S_TN auf einen hohen Pegel und die verbleibenden Basisantriebssignale auf einen niedrigen Pegel. Infolgedessen werden in dem vierten Abschnitt das Schaltelement Q3 auf der positiven Seite der S-Phase und das Schaltelement Q6 auf der negativen Seite der T-Phase eingeschaltet gehalten und die verbleibenden Schaltelemente ausgeschaltet gehalten. Daher fließt der Strom durch die S- und T-Phasen über die Schaltelemente Q3 und Q6, die eingeschaltet sind. In dem vierten Abschnitt fließt der S-Phasen-Regenerationsstrom Ir_S in der negativen Richtung und der T-Phasen-Regenerationsstrom Ir_T in der positiven Richtung.
In dem fünften Abschnitt vom Zeitpunkt t₈ bis zum Zeitpunkt t₁₀, in dem der Momentanwert der S-R-Leitungsspannung V_S-R am größten ist, setzt die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 die Basisantriebssignale S_SP und S_RN auf einen hohen Pegel und die verbleibenden Basisantriebssignale auf einen niedrigen Pegel. Infolgedessen werden in dem fünften Abschnitt das S-Phasen-Schaltelement Q3 auf der positiven Seite und das R-Phasen-Schaltelement Q2 auf der negativen Seite eingeschaltet gehalten und die verbleibenden Schaltelemente ausgeschaltet gehalten. Daher fließt der Strom durch die S- und R-Phasen über die Schaltelemente Q3 und Q2, die eingeschaltet sind. In dem fünften Abschnitt fließt der S-Phasen-Regenerationsstrom Ir_S in der negativen Richtung und der R-Phasen-Regenerationsstrom Ir_R in der positiven Richtung.
In dem sechsten Abschnitt vom Zeitpunkt t₁₀ bis zum Zeitpunkt t₁₂, in dem der Momentanwert der T-R-Leitungsspannung V_T-R am größten ist, setzt die Basisantriebssignalerzeugungseinheit 31 die Basisantriebssignale S_TP und S_RN auf einen hohen Pegel und die verbleibenden Basisantriebssignale auf einen niedrigen Pegel. Infolgedessen werden in dem sechsten Abschnitt das Schaltelement Q5 auf der positiven Seite der T-Phase und das Schaltelement Q2 auf der negativen Seite der R-Phase eingeschaltet gehalten und die verbleibenden Schaltelemente ausgeschaltet gehalten. Daher fließt der Strom durch die T- und R-Phasen über die Schaltelemente Q5 und Q2, die eingeschaltet sind. In dem sechsten Abschnitt fließt der T-Phasen-Regenerationsstrom Ir_T in der negativen Richtung und der R-Phasen-Regenerationsstrom Ir_R in der positiven Richtung.
Es sei angemerkt, dass der Regenerationsstrom, der zwischen dem Umrichter 1 und der Wechselstromversorgung 3 fließt, durch die Impedanz der Drosselspule 2 begrenzt ist. Außerdem fließt der Regenerationsstrom während des Schaltvorgangs der Schaltelemente Q1 bis Q6 nicht, auch wenn die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 kleiner oder gleich der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 ist. Der Regenerationsstrom fließt durch das Ausnutzen der Spannungsdifferenz zwischen der Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 und der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3.
Da der Umrichter 1, wie oben beschrieben, den Stromversorgungsregenerationsbetrieb auf der Grundlage einer 120-Grad-Leitungsregeneration durchführt, wird der Schaltvorgang jedes Schaltelements Q nur am Anfang und am Ende eines 120-Grad-Abschnitts durchgeführt. Daher kann der Umrichter 1 den Schaltverlust jedes Schaltelements Q im Vergleich zu einem PWM-Regenerationsumrichter erheblich reduzieren. Des Weiteren führt der Umrichter 1 weniger häufig Schaltvorgänge aus als ein PWM-Regenerationsumrichter und kann daher ein geringeres Schaltgeräusch aufweisen und kostengünstig konfiguriert werden. Darüber hinaus, während ein PWM-Regenerationsumrichter immer einen Schaltvorgang erfordert, stoppt der Umrichter 1 den schaltbasierten Stromversorgungsregenerationsbetrieb während des Motorstromversorgens und führt eine Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlung in der Gleichrichterbrückenschaltung des Leistungsmoduls 21 durch, sodass der Schaltverlust der Schaltelemente Q reduziert werden kann. Es sei angemerkt, dass der Umrichter 1 ein PWM-Regenerationsumrichter sein kann.
Als Nächstes wird der Stromversorgungsbetrieb in dem Motorsteuerungssystem 100 beschrieben. Während des Motorstromversorgens wandelt die Motorantriebsvorrichtung 4 des Motorsteuerungssystems 100 die von dem Umrichter 1 ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung um und liefert die resultierende Wechselspannung an den Motor 5, um eine variable Geschwindigkeitssteuerung des Motors 5 durchzuführen. In diesem Fall sinkt die Spannung des Glättungskondensators 22 des Umrichters 1, wenn die Motorantriebsvorrichtung 4 die von dem Umrichter 1 ausgegebene Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Sobald die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 kleiner wird als die Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3, wird die Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 über die Drosselspule 2 in das Leistungsmodul 21 eingespeist. Die Gleichrichterelemente D1 bis D6 des Leistungsmoduls 21 richten die von der Wechselstromversorgung 3 über die Drossel 2 eingespeisten Versorgungsspannung V_RST gleich und geben die gleichgerichtete Spannung an den Glättungskondensator 22 aus.
3 ist ein Diagramm zum Erläutern des Betriebs während des Motorstromversorgens in dem Motorsteuerungssystem gemäß der ersten Ausführungsform. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die Schaltelemente Q1 und Q4 eingeschaltet, der R-Phasen-Regenerationsstrom Ir_R fließt in Richtung von der Wechselstromversorgung 3 zur Motorantriebsvorrichtung 4 hin, und der S-Phasen-Regenerationsstrom Ir_S fließt in Richtung von der Motorantriebsvorrichtung 4 zur Wechselstromversorgung 3 hin. Es sei angemerkt, dass der Strom, der zwischen der Wechselstromversorgung 3 und dem Umrichter 1 fließt, im Folgenden als Versorgungsstrom bezeichnet wird.
4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Versorgungsspannung der Wechselstromversorgung und den durch den Umrichter fließenden Strömen während des Motorstromversorgens des Motorsteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 4 zeigt die zeitlichen Änderungen der Leitungsspannung, eines R-Phasen-Versorgungsstroms Ip_R, eines S-Phasen-Versorgungsstroms Ip_S, eines T-Phasen-Versorgungsstroms Ip_T, der Ströme I_D1, I_D2, I_D3, I_DA, I_D5 und I_D6, die jeweils durch die Gleichrichterelemente D1, D2, D3, D4, D5 und D6 fließen, und des Busstroms I_PN während des Motorstromversorgens des Motorsteuerungssystems.
Der R-Phasen-Versorgungsstrom I_PR ist ein Strom, der zwischen der R-Phase der Wechselstromversorgung 3 und dem Umrichter 1 während des Motorstromversorgens fließt. Der S-Phasen-Versorgungsstrom Ip_S ist ein Strom, der zwischen der S-Phase der Wechselstromversorgung 3 und dem Umrichter 1 während des Motorstromversorgens fließt. Der T-Phasen-Strom Ip_T ist ein Strom, der zwischen der T-Phase der Wechselstromversorgung 3 und dem Umrichter 1 während des Motorstromversorgens fließt. Der R-Phasen-Versorgungsstrom Ip_R, der S-Phasen-Versorgungsstrom Ip_S und der T-Phasen-Versorgungsstrom Ip_T fließen zwischen der Wechselstromversorgung 3 und dem Glättungskondensator 22 über die Gleichrichterelemente D1 bis D6.
Wie in 4 gezeigt, arbeitet der Umrichter 1 während des Motorstromversorgens in folgender Weise. In dem Abschnitt vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₂ befinden sich die Gleichrichterelemente D5 und D4 in einem leitenden Zustand, das Gleichrichterelement D5 lässt Strom in Richtung von der Wechselstromversorgung 3 zum Glättungskondensator 22 durch, und das Gleichrichterelement D4 lässt Strom in Richtung vom Glättungskondensator 22 zur Wechselstromversorgung 3 hin durch. In dem Abschnitt vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₄ befinden sich die Gleichrichterelemente D1 und D4 in einem leitenden Zustand, das Gleichrichterelement D1 lässt Strom in Richtung von der Wechselstromversorgung 3 zum Glättungskondensator 22 hin durch, und das Gleichrichterelement D4 lässt Strom in Richtung vom Glättungskondensator 22 zur Wechselstromversorgung 3 hin durch. In dem Abschnitt vom Zeitpunkt t₄ bis zum Zeitpunkt t₆ befinden sich die Gleichrichterelemente D1 und D6 in einem leitenden Zustand, das Gleichrichterelement D1 lässt Strom in Richtung von der Wechselstromversorgung 3 zum Glättungskondensator 22 hin durch, und das Gleichrichterelement D6 lässt Strom in Richtung vom Glättungskondensator 22 zur Wechselstromversorgung 3 hin durch.
In dem Abschnitt von Zeitpunkt t₆ bis Zeitpunkt t₈ befinden sich die Gleichrichterelemente D3 und D6 in einem leitenden Zustand, das Gleichrichterelement D3 lässt Strom in Richtung von der Wechselstromversorgung 3 zum Glättungskondensator 22 hin durch, und das Gleichrichterelement D6 lässt Strom in Richtung vom Glättungskondensator 22 zur Wechselstromversorgung 3 hin durch. In dem Abschnitt von Zeitpunkt t₈ bis Zeitpunkt t₁₀ befinden sich die Gleichrichterelemente D3 und D2 in einem leitenden Zustand, das Gleichrichterelement D3 lässt Strom in Richtung von der Wechselstromversorgung 3 zum Glättungskondensator 22 hin durch, und das Gleichrichterelement D2 lässt Strom in Richtung vom Glättungskondensator 22 zur Wechselstromversorgung 3 hin durch. In dem Abschnitt vom Zeitpunkt t₁₀ bis Zeitpunkt t₁₂ befinden sich die Gleichrichterelemente D5 und D2 in einem leitenden Zustand, das Gleichrichterelement D5 lässt Strom in Richtung von der Wechselstromversorgung 3 zum Glättungskondensator 22 hin durch, und das Gleichrichterelement D2 lässt Strom in Richtung vom Glättungskondensator 22 zur Wechselstromversorgung 3 hin durch.
Wie in 4 gezeigt, ist jedes Gleichrichterelement D in dem Leistungsmodul 21 nur für 1/3 des Stromversorgungszyklus der Wechselstromversorgung 3 in einem leitenden Zustand, um Strom durchzulassen. Außerdem wird in jeder Hälfte dieser Zeitspanne, d. h. in jedem 1/6 des Stromversorgungszyklus der Wechselstromversorgung 3, die Leitungsspannung mit einem maximalen Spannungswert geschaltet; daher wird die Kombination der Gleichrichterelemente D in einem leitenden Zustand geschaltet. Beispielsweise sind in dem Abschnitt vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₆ das Gleichrichterelement D1 und das Gleichrichterelement D4 leitend und lassen in dem Abschnitt vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₄ Strom durch, während in dem Abschnitt vom Zeitpunkt t₄ bis zum Zeitpunkt t₆ das Gleichrichterelement D1 und das Gleichrichterelement D6 leitend sind und Strom durchlassen.
Als Nächstes wird der Stromversorgungsregenerationsbetrieb des Umrichters 1 während der Motorregeneration beschrieben. 5 ist ein Diagramm zum Erläutern des schaltbasierten Stromversorgungsregenerationsbetriebs des Umrichters gemäß der ersten Ausführungsform. Während der Motorregeneration wandelt die Motorantriebsvorrichtung 4 die Regenerationsenergie des Motors 5 von Wechselstrom in Gleichstrom um und führt dem Glättungskondensator 22 die resultierende Wechselstromregenerationsenergie zu. Infolgedessen steigt die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 an, und die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 wird größer als die Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3.
Sobald die Differenz zwischen der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 und der Busspannung V_PN gleich oder größer als ein vorgegebener Wert wird, gibt die Regenerationssteuereinheit 32 des Umrichters 1 die Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN an die Antriebsschaltung 27 aus und startet den schaltbasierten Stromversorgungsregenerationsbetrieb des Leistungsmoduls 21. In dem Umrichter 1 wird nach dem Start des schaltbasierten Stromversorgungsregenerationsbetriebs die Gleichstromenergie des Glättungskondensators 22 an jedem Schaltelement Q des Leistungsmoduls 21 in Wechselstromenergie umgewandelt, und die resultierende Wechselstromenergie wird der Wechselstromversorgung 3 über die Drosselspule 2 als Regenerationsenergie zugeführt.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Versorgungsspannung der Wechselstromversorgung und den durch den Umrichter fließenden Strömen während der Motorregeneration des Motorsteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 6 zeigt die zeitlichen Änderungen der Leitungsspannung, des R-Phasen-Regenerationsstroms Ir_R, des S-Phasen-Regenerationsstroms Ir_S, des T-Phasen- Regenerationsstroms Ir_T, der Ströme I_Q1, I_Q2, I_Q3, I_Q4, I_Q5 und I_Q6, die jeweils durch die Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 fließen, und des Busstroms I_PN während der Motorregeneration.
Wie in 6 gezeigt, fließen während der Stromversorgungsregeneration des Umrichters 1 die Ströme I_Q1, I_Q2, I_Q3, I_Q4, I_Q5 und I_Q6 jeweils durch die Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4, Q₅ und Q6, wodurch der R-Phasen-Regenerationsstroms Ir_R, der S-Phasen-Regenerationsstroms Ir_S und der T-Phasen-Regenerationsstroms Ir_T zwischen dem Umrichter 1 und der Wechselstromversorgung 3 fließen und Regenerationsenergie vom Umrichter 1 an die Wechselstromversorgung 3 ausgegeben wird.
Wie in 6 gezeigt, ist jedes Schaltelement Q in dem Leistungsmodul 21 nur für 1/3 des Stromversorgungszyklus der Wechselstromversorgung 3 eingeschaltet, um Regenerationsstrom durchzulassen. Außerdem wird in jeder Hälfte dieser Zeitspanne, d.h. in jedem 1/6 des Stromversorgungszyklus der Wechselstromversorgung 3, die Leitungsspannung mit einem maximalen Spannungswert geschaltet; daher wird die Kombination der eingeschalteten Schaltelemente Q geschaltet. Beispielsweise sind im Abschnitt vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₆ das Schaltelement Q1 und das Schaltelement Q4 eingeschaltet und lassen Regenerationsstrom im Abschnitt vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₄ durch, während das Schaltelement Q1 und das Schaltelement Q6 eingeschaltet sind und Regenerationsstrom im Abschnitt vom Zeitpunkt t₄ bis zum Zeitpunkt t₆ leiten.
Als Nächstes wird der durch den Umrichter 1 fließende Busstrom I_PN während des Motorstromversorgens und der Motorregeneration beschrieben. 7 ist ein Diagramm, das einen Zustand des Motorsteuerungssystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, in dem das Motorsteuerungssystem den Motor antreibt. 7 zeigt die zeitlichen Änderungen der Motorgeschwindigkeit N, des Motordrehmoments T_out, der Motorleistung P_out, der Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22, des Busstroms I_PN und der Versorgungsspannung V_RST. Die Motorgeschwindigkeit N ist die Drehgeschwindigkeit der im Motor 5 vorgesehenen Drehwelle. Das Motordrehmoment T_out ist das Drehmoment des Motors 5. Die Motorleistung P_out ist die Leistung des Motors 5.
Zunächst wird der in 7 gezeigte Motorstromversorgungsabschnitt beschrieben. Der Motorstromversorgungsabschnitt ist der Abschnitt vom Zeitpunkt t₂₀ bis zum Zeitpunkt t₂₃, in dem der Versorgungsbetrieb durch das Motorsteuerungssystem 100 durchgeführt wird. Zum Zeitpunkt t₂₀ beginnt der Motor 5 zu beschleunigen, und zum Zeitpunkt t₂₃ erreicht die Motorgeschwindigkeit N eine Zielgeschwindigkeit. Im Motorstromversorgungsabschnitt erhöht sich die Motorgeschwindigkeit N aufgrund des Motordrehmoments T_out, und der Busstrom I_PN ansteigt, wenn die Motorleistung P_out zunimmt. Sobald das Motordrehmoment T_out sinkt, wird die Motorleistung P_out konstant und der Spitzenwert des Busstroms I_PN wird ebenfalls konstant.
Als Nächstes wird ein Motorkonstantgeschwindigkeitsabschnitt beschrieben. Der Motorkonstantgeschwindigkeitsabschnitt ist der Abschnitt vom Zeitpunkt t₂₃ bis zum Zeitpunkt t₂₄, in dem die Motorgeschwindigkeit N konstant ist. Anders als im Motorstromversorgungsabschnitt ist die Motorleistung P_out im Motorkonstantgeschwindigkeitsabschnitt so gering, dass der Busstrom I_PN kaum fließt.
Als Nächstes wird ein Motorregenerationsabschnitt beschrieben. Der Motorregenerationsabschnitt ist der Abschnitt vom Zeitpunkt t₂₄ bis zum Zeitpunkt t₂₇, in dem ein Stromversorgungsregenerationsbetrieb durch das Motorsteuerungssystem 100 durchgeführt wird. Der Zeitpunkt t₂₄ ist der Zeitpunkt, zu dem der Motor 5 zu verzögern beginnt, und der Zeitpunkt t₂₇ ist der Zeitpunkt, zu dem der Motor 5 stoppt. Sobald der Motor 5 zu verzögern beginnt, fließt die Regenerationsenergie des Motors 5 in den Glättungskondensator 22, sodass die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 ansteigt.
Wenn die Klemmenspannung V_DC einen vorgegebenen Wert überschreitet, beginnt der Umrichter 1 mit dem Stromversorgungsregenerationsbetrieb. Nach dem Beginn des Stromversorgungsregenerationsbetriebs fließt der Regenerationsstrom vom Glättungskondensator 22 in das Leistungsmodul 21, und die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 sinkt. Zum Zeitpunkt t₂₄, wenn der Motor verzögert, ist der Absolutwert der Motorleistung P_out so groß, dass ein großer Regenerationsstrom fließt. Wenn jedoch die Motorgeschwindigkeit N abnimmt, sinkt der Absolutwert der Motorleistung P_out, und der Regenerationsstrom nimmt ebenfalls ab.
Als Nächstes werden Fälle beschrieben, in denen eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 auftritt. Wenn während des Motorstromversorgens, des Motorkonstantgeschwindigkeitsbetriebs oder der Motorregeneration die Stromversorgung von der Wechselstromversorgung 3 zum Motorsteuerungssystem 100 unterbrochen wird, d. h. eine Stromunterbrechung auftritt, fließt ein großer Strom durch die Gleichrichterelemente D oder die Schaltelemente Q im Leistungsmodul 21. Dementsprechend umfasst der Umrichter 1 die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, die das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 erfasst.
Zunächst wird ein Fall beschrieben, in dem eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 während der Stromversorgung des Motors auftritt. 8 ist ein Diagramm, das einen Zustand des Motorsteuerungssystems zeigt, in dem eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung in dem in 7 gezeigten Motorstromversorgungsabschnitt auftritt. In 8 ist die Zeitspanne vom Zeitpunkt t₂₁ bis zum Zeitpunkt t₂₂ eine Stromunterbrechungsspanne. Der Zeitpunkt t₂₁ ist der Zeitpunkt, zu dem die Stromversorgung von der Wechselstromversorgung 3 zum Umrichter 1 unterbrochen wird, d. h. ein Zeitpunkt, zu dem eine Stromunterbrechung beginnt. In 8 ist der Zeitpunkt t₂₂ der Zeitpunkt, zu dem die Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 endet, d.h. ein Zeitpunkt, zu dem die Stromwiederherstellung beginnt.
Wie in 8 gezeigt, schaltet die Unterbrechung der Wechselstromversorgung 3 während des Motorstromversorgens zum Umrichter 1 ab und schaltet dementsprechend den Fluss des Busstroms I_PN ab. In der Zwischenzeit wird die Stromversorgung von der Motorantriebsvorrichtung 4 zum Motor 5 fortgesetzt; daher wird die im Glättungskondensator 22 angesammelte Energie vom Umrichter 1 der Motorantriebsvorrichtung 4 zugeführt. Infolgedessen sinkt die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 rasch ab.
Danach erholt sich die Wechselstromversorgung 3 von der Stromunterbrechung zum Zeitpunkt t₂₂, und die Stromversorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 wird größer als die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22. Daher fließt der Strom von der Wechselstromversorgung 3 über die Gleichrichterelemente D1 bis D6 in den Glättungskondensator 22. Da die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 kleiner ist als in dem in 7 gezeigten Fall, fließt der Busstrom I_PN, der größer ist als in dem in 7 gezeigten Fall, in die positive Richtung. In Bezug auf den Busstrom I_PN ist der Busstrom I_PN umso größer, je größer die Potenzialdifferenz zwischen der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 und der Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 ist.
Je größer also die Potentialdifferenz zwischen der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 und der Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 ist, desto größer ist der Strom, der durch die Gleichrichterelemente D1 bis D6 fließt. Auch im Motorkonstantgeschwindigkeitsabschnitt kann in Abhängigkeit vom Zustand der Motorleistung P_out ein großer Strom durch die Gleichrichterelemente D1 bis D6 fließen, und zwar nach dem gleichen Prinzip wie im Falle des Motorstromversorgens.
Als Nächstes wird ein Fall beschrieben, in dem eine Stromunterbrechung während der Motorregeneration auftritt. 9 ist ein Diagramm, das einen Zustand des Motorsteuerungssystems zeigt, in dem eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung in dem in 7 gezeigten Motorregenerationsabschnitt auftritt. In 9 ist die Zeitspanne vom Zeitpunkt t₂₅ bis zum Zeitpunkt t₂₆ eine Stromunterbrechungszeitspanne. Der Zeitpunkt t₂₅ ist ein Zeitpunkt, zu dem eine Stromunterbrechung beginnt, und der Zeitpunkt t₂₆ ist ein Zeitpunkt, zu dem eine Stromwiederherstellung beginnt. Während der Motorregeneration steigt die Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 aufgrund der Regenerationsenergie an. Wenn jedoch die Wechselstromversorgung 3 unterbrochen wird, wie in 9 gezeigt, wird die Potentialdifferenz zwischen der Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 und der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 größer als in dem in 7 gezeigten Fall; daher fließt der Busstrom I_PN, der größer ist als in dem in 7 gezeigten Fall, in die negative Richtung.
Je größer die Potenzialdifferenz zwischen der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 und der Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 ist, desto größer ist der Busstrom I_PN. Je größer also die Potenzialdifferenz zwischen der Versorgungsspannung V_RST der Wechselstromversorgung 3 und der Klemmenspannung V_DC des Glättungskondensators 22 ist, desto größer ist der Strom, der durch die Schaltelemente Q1 bis Q6 fließt. Es sei angemerkt, dass die Kombination der stromdurchlässigen Schaltelemente Q1 bis Q6 von der Spannungsphase der Wechselstromversorgung 3 abhängt.
Wie oben beschrieben, fließt bei einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 während des Motorstromversorgens oder des Motorkonstantgeschwindigkeitsbetriebs ein großer Strom durch die Gleichrichterelemente D1 bis D6 zum Beginn der Stromwiederherstellung. Tritt eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 während der Motorregeneration auf, fließt außerdem zum Beginn der Stromunterbrechung ein großer Strom durch die Schaltelemente Q1 bis Q6.
Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 erfasst während der Motorregeneration, ob der Absolutwert des von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstroms I_PN größer oder gleich einem vorgegebenen ersten Schwellenwert Ith1 ist. Wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN während der Motorregeneration größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist, bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, bestimmt, den Stromversorgungsregenerationsbetrieb zu stoppen, und gibt einen Regenerationsstoppbefehl zum Stoppen des Stromversorgungsregenerationsbetriebs an die Regenerationssteuereinheit 32 und die Motorsteuereinheit 41 aus.
Darüber hinaus bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 während der Motorregeneration, ob der Absolutwert des von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstroms I_PN kleiner oder gleich einem zweiten Schwellenwert Ith2 für eine vorgegebene erste Zeitspanne Tth1 ist. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 während der Motorregeneration ist, bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, bestimmt, den Stromversorgungsregenerationsbetrieb zu stoppen, und gibt einen Regenerationsstoppbefehl zum Stoppen des Stromversorgungsregenerationsbetriebs an die Regenerationssteuereinheit 32 und die Motorsteuereinheit 41 aus.
Als Reaktion auf den Regenerationsstoppbefehl, der von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 ausgegeben wird, stoppt die Regenerationssteuereinheit 32 das Ausgeben der Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN an die Antriebsschaltung 27, um den Stromversorgungsregenerationsbetrieb des Leistungsmoduls 21 zu stoppen. Infolgedessen kann der Umrichter 1 einen Fehler der Schaltelemente Q1 bis Q6 verhindern. Der oben beschriebene erste Schwellenwert Ith1 wird beispielsweise auf den Nennstromwert des Leistungsmoduls 21 eingestellt.
Als Reaktion auf den Regenerationsstoppbefehl, der von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 ausgegeben wird, steuert die Motorsteuereinheit 41 die Stromumwandlungseinheit 40, um zu bewirken, dass die Stromumwandlungseinheit 40 stoppt, Wechselstrom dem Motor 5 zuzuführen. Infolgedessen kann der Umrichter 1 einen Fehler der Schaltelemente Q1 bis Q6 verhindern.
Darüber hinaus bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 während des Motorstromversorgens, ob der Absolutwert des von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist. Wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN während des Motorstromversorgens größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist, bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, und bestimmt, den Stromversorgungsbetrieb zu stoppen. Auf das Bestimmen hin, dass der Stromversorgungsbetrieb zu stoppen ist, gibt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 einen Stromversorgungsstoppbefehl zum Stoppen des Stromversorgungsbetriebs an die Motorsteuereinheit 41 aus. Die Bestimmung, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, die von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 auf der Grundlage des Absolutwertes des Busstroms I_PN, der größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith 1 während des Motorstromversorgens ist, vorgenommen wird, wird zu dem Zeitpunkt erfasst, wenn die Stromversorgung von der Wechselstromversorgung 3 nach dem Auftreten der Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 wieder aufgenommen wird. Daher umfasst in diesem Fall die Bestimmung durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, dass die Stromunterbrechung aufgetreten ist, die Bestimmung des Beginns der Stromwiederherstellung.
Darüber hinaus bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 während des Motorstromversorgens, ob der Absolutwert des von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 ist. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 während des Motorstromversorgens ist, bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, und bestimmt, den Stromversorgungsbetrieb zu stoppen. Auf das Bestimmen hin, dass der Stromversorgungsbetrieb zu stoppen ist, gibt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 einen Stromversorgungsstoppbefehl zum Stoppen des Stromversorgungsbetriebs an die Motorsteuereinheit 41 aus.
Als Reaktion auf den von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 ausgegebenen Stromversorgungsstoppbefehl steuert die Motorsteuereinheit 41 die Stromumwandlungseinheit 40, um zu bewirken, dass die Stromumwandlungseinheit 40 das Ausgeben von Wechselstrom an den Motor 5 stoppt. Infolgedessen kann die Motorantriebsvorrichtung 4 einen Fehler der Gleichrichterelemente D1 bis D6 verhindern. Die Motorantriebsvorrichtung 4 kann beispielsweise auch eine Beschädigung des Werkzeugs oder des Werkstücks aufgrund einer übermäßigen Drehung der Vorschubwelle oder der Spindel der Industriemaschine verhindern.
Es sei angemerkt, dass die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 auch so konfiguriert sein kann, um nur dann zu bestimmen, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist, oder um nur dann zu bestimmen, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 ist.
Darüber hinaus kann die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 während der Motorregeneration davon absehen, einen Regenerationsstoppbefehl an die Motorsteuereinheit 41 auszugeben. Infolgedessen kann zum Beispiel, wenn die Stromunterbrechungszeitspanne, während der die Wechselstromversorgung 3 unterbrochen ist, kurz ist, die Regenerationsenergie des Motors 5 im Glättungskondensator 22 akkumuliert werden. In diesem Fall kann die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 auch einen Regenerationsstoppbefehl an die Motorsteuereinheit 41 ausgeben, wenn sie bestimmt, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für eine zweite Zeitspanne Tth2 ist, die länger ist als die erste Zeitspanne Tth1. Infolgedessen ist es möglich, eine übermäßige Akkumulation der Regenerationsenergie in dem Glättungskondensator 22 zu verhindern, wenn die Stromunterbrechungszeitspanne der Wechselstromversorgung 3 lang ist.
Die Bedingungseinstellungseinheit 34 empfängt eine Bedingung zur Bestimmung einer Stromunterbrechung durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 und stellt die empfangene Bedingung zur Bestimmung in der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 ein. Beispielsweise empfängt die Bedingungseinstellungseinheit 34 Bestimmungsbedingungsinformationen, die von einem Eingabegerät oder einem Endgerät (nicht gezeigt) angeschlossen oder drahtlos an den Umrichter 1 übertragen werden, und stellt eine Bedingung für die Bestimmung einer Stromunterbrechung durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 in der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 auf der Grundlage der empfangenen Bestimmungsbedingungsinformationen ein. Die Bestimmungsbedingungsinformationen umfassen beispielsweise Informationen, die den ersten Schwellenwert Ith1, den zweiten Schwellenwert Ith2, die erste Zeitspanne Tth1 und die zweite Zeitspanne Tth2, wie oben beschrieben, angeben. Die Bedingungseinstellungseinheit 34 kann den ersten Schwellenwert Ith1, den zweiten Schwellenwert Ith2, die erste Zeitspanne Tth1 und die zweite Zeitspanne Tth2 ändern, die in der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 eingestellt wurden.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für einen Prozess durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit des Umrichters gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, der zum Beispiel in vorgegebenen Intervallen wiederholt ausgeführt wird. Wie in 10 gezeigt, erfasst die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 Informationen über den von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstrom I_PN (Schritt S10). Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 berechnet den Absolutwert des Busstroms I_PN auf der Grundlage der erfassten Informationen über den Busstrom I_PN (Schritt S11).
Als Nächstes bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, ob der Absolutwert des Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist (Schritt S12). Als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN nicht größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist (Schritt S12: Nein), bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, ob der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die vorgegebene erste Zeitspanne Tth1 ist (Schritt S13).
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist (Schritt S12: Ja) oder dass der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 ist (Schritt S13: Ja), bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, ob eine Motorregeneration durchgeführt wird (Schritt S14). In Schritt S14 erfasst die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 beispielsweise von der Regenerationssteuereinheit 32 ein Zustandssignal, das Informationen umfasst, die angeben, ob ein Stromversorgungsregenerationsbetrieb durchgeführt wird, und bestimmt auf der Grundlage des erfassten Zustandssignals, ob eine Motorregeneration durchgeführt wird.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Motorregeneration nicht durchgeführt wird (Schritt S14: Nein), bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, ob das Motorstromversorgen durchgeführt wird (Schritt S15). In Schritt S15 erfasst die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 beispielsweise von der Motorsteuereinheit 41 ein Zustandssignal, das Informationen umfasst, die angeben, ob ein Stromversorgungsbetrieb durchgeführt wird, und bestimmt auf der Grundlage des erfassten Zustandssignals, ob ein Stromversorgungsbetrieb durchgeführt wird.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass eine Motorregeneration durchgeführt wird (Schritt S14: Ja), bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, den Stromversorgungsregenerationsbetrieb zu stoppen (Schritt S16), und gibt einen Regenerationsstoppbefehl an die Regenerationssteuereinheit 32 und die Motorsteuereinheit 41 aus (Schritt S17). In Schritt S17 kann die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 einen Regenerationsstoppbefehl entweder an die Regenerationssteuereinheit 32 oder die Motorsteuereinheit 41 ausgeben.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Motorstromversorgung durchgeführt wird (Schritt S15: Ja), bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33, den Stromversorgungsbetrieb zu stoppen (Schritt S18), und gibt einen Stromversorgungsstoppbefehl an die Motorsteuereinheit 41 aus (Schritt S19). Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 beendet den in 10 gezeigten Prozess als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN nicht kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 ist (Schritt S13: Nein) oder dass die Motorstromversorgung nicht durchgeführt wird (Schritt S15: Nein), oder nach Schritt S17 oder S19.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für einen Prozess durch die Regenerationssteuereinheit des Umrichters gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, der beispielsweise in vorgegebenen Intervallen wiederholt ausgeführt wird. Wie in 11 gezeigt, bestimmt die Regenerationssteuereinheit 32, ob ein Regenerationsstoppbefehl von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 erhalten wurde (Schritt S20).
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass ein Regenerationsstoppbefehl von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 erfasst wurde (Schritt S20: Ja), stoppt die Regenerationssteuereinheit 32 den Stromversorgungsregenerationsbetrieb (Schritt S21). In Schritt S21 stoppt die Regenerationssteuereinheit 32 das Ausgeben der Basisantriebssignale S_RP, S_RN, S_SP, S_SN, S_TP und S_TN an die Antriebsschaltung 27, um die Vielzahl von Schaltelementen Q1 bis Q6 auszuschalten, wodurch der Stromversorgungsregenerationsbetrieb gestoppt wird. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass kein Regenerationsstoppbefehl von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 (Schritt S20: Nein) oder nach Schritt S21 erhalten wurde, beendet die Regenerationssteuereinheit 32 den in 11 gezeigten Prozess.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für einen Prozess durch die Motorsteuereinheit der Motorantriebsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, der beispielsweise in vorgegebenen Intervallen wiederholt ausgeführt wird. Wie in 12 gezeigt, bestimmt die Motorsteuereinheit 41, ob ein Stromversorgungsbefehl von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 erhalten wurde (Schritt S30). Als Reaktion auf das Bestimmen, dass ein Stromversorgungsstoppbefehl von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 erhalten wurde (Schritt S30: Ja), steuert die Motorsteuereinheit 41 die Stromumwandlungseinheit 40, um die Stromversorgung von der Stromumwandlungseinheit 40 zum Motor 5 zu stoppen und den Stromversorgungsbetrieb der Stromumwandlungseinheit 40 zu stoppen (Schritt S31).
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 kein Stromversorgungsstoppbefehl erhalten wurde (Schritt S30: Nein), bestimmt die Motorsteuereinheit 41, ob von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 ein Regenerationsstoppbefehl erhalten wurde (Schritt S32). Als Reaktion auf das Bestimmen, dass ein Regenerationsstoppbefehl von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 erhalten wurde (Schritt S32: Ja), steuert die Motorsteuereinheit 41 die Stromumwandlungseinheit 40, um den Stromversorgungsregenerationsbetrieb der Stromumwandlungseinheit 40 zu stoppen (Schritt S33).
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass ein Regenerationsstoppbefehl nicht von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 (Schritt S32: Nein) oder nach Schritt S31 oder S33 erhalten wurde, beendet die Motorsteuereinheit 41 den in 12 gezeigten Prozess.
Wie oben beschrieben, ist der Umrichter 1 gemäß der ersten Ausführungsform zwischen der Wechselstromversorgung 3, die eine Eingangsstromversorgung ist, und der Motorantriebsvorrichtung 4, die eine variable Geschwindigkeitssteuerung für den Motor 5 durchführt, angeordnet und umfasst das Leistungsmodul 21, den Glättungskondensator 22, die Busstromerfassungseinheit 25 und die Steuereinheit 26. Das Leistungsmodul 21 umfasst die Vielzahl von Gleichrichterelementen D1 bis D6, welche die von der Wechselstromversorgung 3 gelieferte Wechselspannung gleichrichten, die Vielzahl von Schaltelementen Q1 bis Q6, die jeweils parallel zu dem entsprechenden der Vielzahl von Gleichrichterelementen D1 bis D6 geschaltet sind, und die beiden Gleichstromversorgungsanschlüsse 14 und 15, welche die von der Vielzahl von Gleichrichterelementen D1 bis D6 gleichgerichtete Spannung ausgeben. Der Glättungskondensator 22 ist mit den beiden Gleichstromversorgungsanschlüssen 14 und 15 verbunden und glättet die vom Leistungsmodul 21 gleichgerichtete Spannung. Die Busstromerfassungseinheit 25 erfasst den Busstrom I_PN, d. h. einen Strom, der zwischen dem Gleichstromversorgungsanschluss 14 oder der Gleichstromversorgungsanschluss 15 und dem Glättungskondensator 22 fließt. Die Steuereinheit 26 steuert die Vielzahl von Schaltelementen Q1 bis Q6 auf der Grundlage der Spannungsphase der Wechselstromversorgung 3 und führt die Regenerationsenergie des Motors 5 der Wechselstromversorgung 3 zu. Auf der Grundlage des Absolutwertes des von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstroms I_PN bestimmt die Steuereinheit 26, ob in der Wechselstromversorgung 3 während des Stromversorgens des Motors 5 und/oder der Regeneration des Motors 5 eine Stromunterbrechung aufgetreten ist. Infolgedessen kann der Umrichter 1 das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 mit einer einfachen Konfiguration erfassen. Beispielsweise benötigt der Umrichter 1 keine anderen Stromerfassungsmittel als die Busstromerfassungseinheit 25 für die Stromunterbrechungserfassung; daher kann der Umrichter 1 im Vergleich zu einem Umrichter, bei dem eine Vielzahl von Stromerfassungsmitteln für die Stromunterbrechungserfassung verwendet wird, kostengünstig hergestellt werden. Darüber hinaus umfasst ein herkömmlicher Umrichter mit der Stromversorgungsregenerationsfunktion ein Umwandlungsmittel, welches den von der Eingangsstromversorgung in den Umrichter eingegebenen Eingangsstrom überwacht und den Eingangsstrom auf der Grundlage des Überwachungsergebnisses in einen Gleichstrom umwandelt. Im Gegensatz dazu benötigt der Umrichter 1 kein solches Umwandlungsmittel und kann daher eine einfachere Konfiguration als der herkömmliche Umrichter aufweisen. Darüber hinaus muss der Umrichter 1, der das Auftreten einer Stromunterbrechung auf der Grundlage des Absolutwertes des Busstroms I_PN erfasst, keine unterschiedlichen Schwellenwerte für das Stromversorgen und die Regeneration verwenden, um das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 zu erfassen.
Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 bestimmt, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN den ersten Schwellenwert Ith1 überschreitet. Infolgedessen kann der Umrichter 1 das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 genau erfassen, ohne unterschiedliche Schwellenwerte für das Stromversorgen und die Regeneration zu verwenden. Der erste Schwellenwert Ith 1 ist ein Beispiel für einen vorgegebenen Wert.
Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 bestimmt, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die vorgegebene erste Zeitspanne Tth1 ist. Infolgedessen kann der Umrichter 1 das Auftreten einer Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 genau erfassen, ohne dass unterschiedliche Schwellenwerte für das Stromversorgen und die Regeneration verwendet werden. Der zweite Schwellenwert Ith2 ist ein Beispiel für einen vorgegebenen Wert.
Der Umrichter 1 umfasst die Bedingungseinstellungseinheit 34, die eine Bedingung für die Bestimmung einer Stromunterbrechung durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 empfängt und die empfangene Bedingung für die Bestimmung in der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 einstellt. Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 bestimmt, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN, der von der Busstromerfassungseinheit 25 erfasst wurde, die Bedingung für die Bestimmung erfüllt. Die Bestimmungsbedingung ist beispielsweise mindestens einer des oben beschriebenen ersten Schwellenwertes Ith1, des zweiten Schwellenwertes Ith2, der ersten Zeitspanne Tth1 und der zweiten Zeitspanne Tth2. Infolgedessen kann der Benutzer des Umrichters 1 die Empfindlichkeit der Stromunterbrechungserfassung ändern. Zum Beispiel kann der Benutzer, der Wert auf den Schutz des Umrichters 1 legen will, den ersten Schwellenwert Ith 1 und den zweiten Schwellenwert Ith2 auf Werte einstellen, die niedriger als der Nennstrom des Leistungsmoduls 21 sind, und der Benutzer, der eine fehlerhafte Erfassung von Stromunterbrechungen vermeiden will, um die Betriebseffizienz der Industriemaschine zu erhöhen, kann den ersten Schwellenwert Ith 1 und den zweiten Schwellenwert Ith2 auf Werte einstellen, die höher als der Nennstrom des Leistungsmoduls 21 sind.
Die Steuereinheit 26 umfasst die Regenerationssteuereinheit 32, welche die Vielzahl von Schaltelementen Q1 bis Q6 während der Motorregeneration steuert. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, gibt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 einen Regenerationsstoppbefehl an die Regenerationssteuereinheit 32 aus. Als Reaktion auf den Regenerationsstoppbefehl, der von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 ausgegeben wird, stoppt die Regenerationssteuereinheit 32 das Steuern der Vielzahl von Schaltelementen Q1 bis Q6. Infolgedessen kann der Umrichter 1 einen Fehler der Schaltelemente Q1 bis Q6 verhindern.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 aufgetreten ist, gibt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 einen Stromversorgungsstoppbefehl an die Motorantriebsvorrichtung 4 aus und bewirkt, dass die Stromversorgung von der Motorantriebsvorrichtung 4 zum Motor 5 durch einen Motorstoppbefehl gestoppt wird. Infolgedessen kann der Umrichter 1 den Betrieb der Motorantriebsvorrichtung 4 im Falle einer Stromunterbrechung während des Motorstromversorgens stoppen und einen Fehler der Gleichrichterelemente D1 bis D6 verhindern.
Zweite Ausführungsform.
Das Motorsteuerungssystem gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Motorsteuerungssystem gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass es darüber hinaus einen Fehler des Leistungsmoduls vorhersagt. In der folgenden Beschreibung werden die Komponenten, die dieselben Funktionen wie bei der ersten Ausführungsform aufweisen, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung entfällt. Der Unterschied zu dem Motorsteuerungssystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird hauptsächlich beschrieben.
13 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration des Motorsteuerungssystems gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 13 gezeigt, umfasst das Motorsteuerungssystem 100A gemäß der zweiten Ausführungsform einen Umrichter 1A, die Motorantriebsvorrichtung 4 und eine übergeordnete Steuerungsvorrichtung 6. Der Umrichter 1A unterscheidet sich von dem Umrichter 1 dadurch, dass eine Steuereinheit 26A mit einer Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A anstelle der Steuereinheit 26 mit der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 vorgesehen ist.
Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A weist zusätzlich zu der Funktion der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33 die Funktion auf, Zählerinformationen zu erzeugen und die erzeugten Zählerinformationen an die übergeordnete Steuervorrichtung 6 zu übermitteln. Die Zählerinformationen umfassen einen ersten Zählerwert N1 und einen zweiten Zählerwert N2. Der erste Zählerwert N1 gibt die Anzahl der Stromunterbrechungen an, die in der Wechselstromversorgung 3 während der Motorstromversorgung aufgetreten sind, und der zweite Zählerwert N2 gibt die Anzahl der Stromunterbrechungen an, die in der Wechselstromversorgung 3 während der Motorregeneration aufgetreten sind.
Da eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 während des Motorstromversorgens von einem Überstromfluss durch die Gleichrichterelemente D begleitet wird, kann der erste Zählerwert N1 auch als Überstromzählerwert für die Gleichrichterelemente D bezeichnet werden. Da eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung 3 während der Motorregeneration von einem Überstromfluss durch die Schaltelemente Q begleitet wird, kann der zweite Zählerwert N2 auch als Überstromzählerwert für die Schaltelemente Q bezeichnet werden.
Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A bestimmt, ob der Absolutwert des von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist. Wenn der Absolutwert des Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist, bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A, ob das Vorzeichen des Busstroms I_PN positiv ist. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Vorzeichen des Busstroms I_PN positiv ist, inkrementiert die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den ersten Zählerwert N1. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Vorzeichen des Busstroms I_PN nicht positiv ist, inkrementiert die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den zweiten Zählerwert N2. Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A gibt Zählerinformationen einschließlich des ersten Zählerwertes N1 und des zweiten Zählerwertes N2 an die übergeordnete Steuervorrichtung 6 aus. Es sei angemerkt, dass die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A auch Zählerinformationen einschließlich des inkrementierten des ersten Zählerwertes N1 und/oder des zweiten Zählerwertes N2 an die übergeordnete Steuervorrichtung 6 ausgeben kann.
Die übergeordnete Steuervorrichtung 6 übermittelt einen Motorbetriebsbefehl und einen Motorstoppbefehl an die Motorantriebsvorrichtung 4, um die Motorantriebsvorrichtung 4 zu steuern. Die Motorantriebsvorrichtung 4 beginnt mit der Steuerung des Motors 5, wenn sie den Motorbetriebsbefehl empfängt, und stoppt die Steuerung des Motors 5, wenn sie den Motorstoppbefehl empfängt.
Die übergeordnete Steuervorrichtung 6 umfasst eine Fehlervorhersageeinheit 60, die auf der Grundlage der von dem Umrichter 1A ausgegebenen Zählerinformationen bestimmt, ob die Möglichkeit eines Fehlers im Leistungsmodul 21 besteht. Wenn der erste Zählerwert N1 größer oder gleich einem ersten Zählerschwellenwert Nth1 ist, bestimmt die Fehlervorhersageeinheit 60, dass eine hohe Fehlerwahrscheinlichkeit in den Gleichrichterelementen D des Leistungsmoduls 21 besteht. Wenn der zweite Zählerwert N2 größer oder gleich einem zweiten Zählerschwellenwert Nth2 ist, bestimmt die Fehlervorhersageeinheit 60, dass eine hohe Fehlerwahrscheinlichkeit in den Schaltelementen Q des Leistungsmoduls 21 besteht. Es sei angemerkt, dass der erste Zählerschwellenwert Nth1 und der zweite Zählerschwellenwert Nth2 frei eingestellt werden können, z.B. durch die vom Hersteller des Leistungsmoduls 21 angegebenen Lebensdauerkennungswerte bestimmt werden können.
Wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit eines Fehlers der Gleichrichterelemente D oder der Schaltelemente Q des Leistungsmoduls 21 besteht, benachrichtigt die Fehlervorhersageeinheit 60 den Benutzer des Motorsteuerungssystems 100A über eine Fehlerwarnung des Leistungsmoduls. Bei der Fehlerwarnung für das Leistungsmodul handelt es sich um Informationen, die darauf hinweisen, dass die Möglichkeit eines Fehlers des Leistungsmoduls 21 besteht. Beispielsweise kann die Fehlervorhersageeinheit 60 die Fehlerwarninformationen auf einer Anzeigevorrichtung (nicht gezeigt) anzeigen oder die Fehlerwarninformationen über eine Kommunikationseinheit (nicht gezeigt) an das Endgerät des Benutzers übermitteln.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für den Zählprozess durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit des Umrichters gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, das beispielsweise in vorgegebenen Intervallen wiederholt ausgeführt wird. Wie in 14 gezeigt, erfasst die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A Informationen über den von der Busstromerfassungseinheit 25 erfassten Busstrom I_PN (Schritt S40). Die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A berechnet den Absolutwert des Busstroms I_PN auf der Grundlage der erfassten Informationen des Busstroms I_PN (Schritt S41).
Als Nächstes bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A, ob der Absolutwert des Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist (Schritt S42). Als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist (Schritt S42: Ja), bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A, ob das Vorzeichen des Busstroms I_PN positiv ist (Schritt S43). Es sei angemerkt, dass das Vorzeichen des Busstroms I_PN die Polarität des Busstroms I_PN angibt.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Vorzeichen des Busstroms I_PN positiv ist (Schritt S43: Ja), erhöht die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den ersten Zählerwert N1 durch ein Addieren von eins zum ersten Zählerwert N1 (Schritt S44). Als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Vorzeichen des Busstroms I_PN nicht positiv ist (Schritt S43: Nein), erhöht die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den zweiten Zählerwert N2, indem sie zum zweiten Zählerwert N2 eins addiert (Schritt S45).
Nach Schritt S44 oder S45 gibt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A Zählerinformationen einschließlich des ersten Zählerwertes N1 und des zweiten Zählerwertes N2 an die übergeordnete Steuervorrichtung 6 aus (Schritt S46). Nach Schritt S46 oder als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN nicht größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist (Schritt S42: Nein), beendet die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den in 14 gezeigten Prozess.
15 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren für den Fehlervorhersageprozess durch die Fehlervorhersageeinheit der übergeordneten Steuervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, das zum Beispiel in vorgegebenen Intervallen wiederholt ausgeführt wird. Wie in 15 gezeigt, bestimmt die Fehlervorhersageeinheit 60, ob Zählerinformationen von dem Umrichter 1A erfasst wurden (Schritt S50).
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass Zählerinformationen erfasst wurden (Schritt S50: Ja), bestimmt die Fehlervorhersageeinheit 60, ob der in den Zählerinformationen umfasste erste Zählerwert N1 größer oder gleich dem ersten Zählerschwellenwert Nth1 ist (Schritt S51). Als Reaktion auf Bestimmen, dass der erste Zählerwert N1 nicht größer oder gleich dem ersten Zählerschwellenwert Nth1 ist (Schritt S51: Nein), bestimmt die Fehlervorhersageeinheit 60, ob der zweite Zählerwert N2, der in den Zählerinformationen umfasst ist, größer oder gleich dem zweiten Zählerschwellenwert Nth2 ist (Schritt S52).
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass der erste Zählerwert N1 größer oder gleich dem ersten Zählerschwellenwert Nth1 ist (Schritt S51: Ja) oder dass der zweite Zählerwert N2 größer oder gleich dem zweiten Zählerschwellenwert Nth2 ist (Schritt S52: Ja), benachrichtigt die Fehlervorhersageeinheit 60 den Benutzer des Motorsteuerungssystems 100A über eine Fehlerwarnung des Leistungsmoduls (Schritt S53). In Schritt S53 kann die Fehlervorhersageeinheit 60 die Fehlerwarninformationen auf einer Anzeigevorrichtung (nicht gezeigt) anzeigen oder die Fehlerwarninformationen über eine Kommunikationseinheit (nicht gezeigt) an das Endgerät des Benutzers übermitteln.
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass keine Zählerinformationen erfasst wurden (Schritt S50: Nein) oder dass der zweite Zählerwert N2 nicht größer oder gleich dem zweiten Zählerschwellenwert Nth2 ist (Schritt S52: Nein), oder nach Schritt S53, beendet die Fehlervorhersageeinheit 60 den in 15 gezeigten Prozess.
Im oben genannten Beispiel ist die Fehlervorhersageeinheit 60 in der übergeordneten Steuervorrichtung 6 vorgesehen, aber die Fehlervorhersageeinheit 60 kann auch in dem Umrichter 1A vorgesehen sein. 16 ist ein Diagramm, das eine weitere beispielhafte Konfiguration des Motorsteuerungssystems gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 16 gezeigt, umfasst die Steuereinheit 26A des Umrichters 1A die Fehlervorhersageeinheit 60 zusätzlich zu den in 13 gezeigten Komponenten.
Ähnlich wie die in 13 gezeigte Fehlervorhersageeinheit 60 bestimmt die in 16 gezeigte Fehlervorhersageeinheit 60 auf der Grundlage der von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A ausgegebenen Zählerinformationen, ob die Möglichkeit eines Fehlers im Leistungsmodul 21 besteht. Insbesondere, wenn der erste Zählerwert N1 größer oder gleich dem ersten Zählerschwellenwert Nth1 ist und wenn der zweite Zählerwert N2 größer oder gleich dem zweiten Zählerschwellenwert Nth2 ist, bestimmt die Fehlervorhersageeinheit 60, dass die Möglichkeit eines Fehlers in den Gleichrichterelementen D oder den Schaltelementen Q des Leistungsmoduls 21 besteht. Wenn die Möglichkeit eines Fehlers in den Gleichrichterelementen D oder den Schaltelementen Q des Leistungsmoduls 21 besteht, benachrichtigt die Fehlervorhersageeinheit 60 den Benutzer des Motorsteuerungssystems 100A über eine Fehlerwarnung des Leistungsmoduls.
Es sei angemerkt, dass der Zeitpunkt, zu dem die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den ersten Zählerwert N1 und den zweiten Zählerwert N2 inkrementiert, nicht auf den oben beschriebenen Zeitpunkt beschränkt ist. Wenn beispielsweise der Absolutwert des Busstroms I_PN nicht größer oder gleich dem ersten Schwellenwert Ith1 ist, bestimmt die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A, ob der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 ist. Auf das Bestimmen hin, dass der Absolutwert des Busstroms I_PN kleiner oder gleich dem zweiten Schwellenwert Ith2 für die erste Zeitspanne Tth1 ist, erhöht die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den ersten Zählerwert N1, wenn das Vorzeichen des Busstroms I_PN positiv ist, und erhöht den zweiten Zählerwert N2, wenn das Vorzeichen des Busstroms I_PN negativ ist.
Die Hardwarekonfiguration der Steuereinheit 26A ist ähnlich wie die Hardwarekonfiguration der Steuereinheit 26. Die Funktion der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A wird durch den Prozessor ausgeführt, der ein im Speicher gespeichertes Programm liest und ausführt. Es sei angemerkt, dass ein Teil oder die gesamte Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A durch Hardware wie einen ASIC oder ein FPGA konfiguriert werden kann. Die Hardwarekonfiguration der Fehlervorhersageeinheit 60 ist ähnlich wie die Hardwarekonfiguration der Steuereinheit 26. Die Funktion der Fehlervorhersageeinheit 60 wird durch den Prozessor ausgeführt, der ein im Speicher gespeichertes Programm liest und ausführt. Es sei angemerkt, dass ein Teil oder die gesamte Fehlervorhersageeinheit 60 durch Hardware wie einen ASIC oder ein FPGA konfiguriert sein kann.
Wie oben beschrieben, umfasst das Motorsteuerungssystem 100A gemäß der zweiten Ausführungsform den Umrichter 1A, die Motorantriebsvorrichtung 4 und die übergeordnete Steuervorrichtung 6, welche die Motorantriebsvorrichtung 4 steuert. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass eine Stromunterbrechung aufgetreten ist, inkrementiert die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A des Umrichters 1A den ersten Zählerwert N1 oder den zweiten Zählerwert N2 in Abhängigkeit von der Polarität des Busstroms I_PN und gibt Zählerinformationen aus, die zumindest den inkrementierten ersten Zählerwert N1 oder den zweiten Zählerwert N2 umfassen. Die Fehlervorhersageeinheit 60 der übergeordneten Steuervorrichtung 6 sagt einen Fehler des Leistungsmoduls 21 auf der Grundlage der von der Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A ausgegebenen Zählerinformationen vorher. Infolgedessen ist es möglich, bevor das Leistungsmodul 21 des Umrichters 1A versagt und die Industriemaschine stoppt, den Benutzer über Informationen zu benachrichtigen, die darauf hinweisen, dass die Möglichkeit eines Fehlers im Leistungsmodul 21 besteht.
Der Umrichter 1A umfasst die Fehlervorhersageeinheit 60, die einen Fehler des Leistungsmoduls 21 auf der Grundlage des Ergebnisses der Bestimmung des Auftretens einer Stromunterbrechung durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A vorhersagt. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass eine Stromunterbrechung aufgetreten ist, erhöht die Stromunterbrechungserfassungseinheit 33A den ersten Zählerwert N1 oder den zweiten Zählerwert N2 in Abhängigkeit von der Polarität des Busstroms I_PN. Die Fehlervorhersageeinheit 60 sagt einen Fehler des Leistungsmoduls 21 auf der Grundlage des ersten Zählerwertes N1 und des zweiten Zählerwertes N2 vorher. Infolgedessen ist es möglich, bevor das Leistungsmodul 21 des Umrichters 1A versagt und die Industriemaschine stoppt, den Benutzer über Informationen zu informieren, die darauf hinweisen, dass die Möglichkeit eines Fehlers im Leistungsmodul 21 besteht.
Bezugszeichenliste

1, 1A: Umrichter;
2: Drosselspule;
3: Wechselstromversorgung;
4: Motorantriebsvorrichtung;
5: Motor;
6: übergeordnete Steuervorrichtung;
11, 12, 13: Wechselstromversorgungsanschluss;
14, 15: Gleichstromversorgungsanschluss;
21: Leistungsmodul;
22: Glättungskondensator;
23: Busspannungserfassungseinheit;
24: Stromversorgungsphasenerfassungseinheit;
25: Busstromerfassungseinheit;
26, 26A: Steuereinheit;
27: Antriebsschaltung;
31: Basisantriebssignalerzeugungseinheit;
32: Regenerationssteuereinheit;
33, 33A: Stromunterbrechungserfassungseinheit;
34: Bedingungseinstellungseinheit;
40: Stromsumwandlungseinheit;
41: Motorsteuereinheit;
60: Fehlervorhersageeinheit;
100, 100A: Motorsteuerungssystem;
D, D1, D2, D3, D4, D5, D6: Gleichrichterelement;
IPN: Busstrom;
N1: erster Zählerwert;
N2: zweiter Zählerwert;
Q, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6: Schaltelement.

Claims

Umrichter (1), der zwischen einer Wechselstromversorgung (3) und einer Motorantriebsvorrichtung (4), die einen Motor (5) steuert, angeordnet ist, wobei der Umrichter (1) umfasst: ein Leistungsmodul (21) mit einer Vielzahl von Gleichrichterelementen (D1 bis D6) zum Gleichrichten einer von der Wechselstromversorgung (3) gelieferten Wechselspannung, einer Vielzahl von Schaltelementen (Q1 bis Q6), die jeweils parallel zu einem entsprechenden der Vielzahl von Gleichrichterelementen (D1 bis D6) geschaltet sind, und zwei Gleichstromversorgungsanschlüssen (14, 15) zum Ausgeben einer von der Vielzahl von Gleichrichterelementen (D1 bis D6) gleichgerichteten Spannung; einen Glättungskondensator (22), der mit den beiden Gleichstromversorgungsanschlüssen (14, 15) verbunden ist, um eine von dem Leistungsmodul (21) gleichgerichtete Spannung zu glätten; eine Busstromerfassungseinheit (23) zum Erfassen eines Busstroms, der ein Strom ist, der zwischen einem der zwei Gleichstromversorgungsanschlüsse (14, 15) und dem Glättungskondensator (22) fließt; und eine Steuereinheit (26), um das Leistungsmodul (21) zu veranlassen, Regenerationsenergie des Motors (5) an die Wechselstromversorgung (3) abzugeben, indem die Vielzahl von Schaltelementen (Q1 bis Q6) auf der Grundlage einer Spannungsphase der Wechselstromversorgung (3) gesteuert wird, wobei die Steuereinheit (26) umfasst: eine Stromunterbrechungserfassungseinheit (33), um auf der Grundlage des Busstroms, der von der Busstromerfassungseinheit (23) erfasst ist, zu bestimmen, ob eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung (3) während eines Stromversorgens des Motors (5) aufgetreten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) konfiguriert ist, um auf der Grundlage eines Absolutwertes des Busstroms, der von der Busstromerfassungseinheit (23) erfasst ist, zu bestimmen, ob eine Stromunterbrechung in der Wechselstromversorgung (3) entweder während des Stromversorgens des Motors (5) oder während einer Regeneration des Motors (5) aufgetreten ist.
Umrichter (1) nach Anspruch 1, wobei die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) bestimmt, dass die Stromunterbrechung aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms einen vorgegebenen Wert während des Stromversorgens und/oder der Regeneration überschreitet.
Umrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) bestimmt, dass die Stromunterbrechung aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms für eine vorgegebene Zeitspanne während des Stromversorgens und/oder der Regeneration kleiner als oder gleich einem vorgegebenen Wert ist.
Umrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: eine Bedingungseinstellungseinheit (34) zum Empfangen einer Bedingung zur Bestimmung der Stromunterbrechung durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) und zum Einstellen der empfangenen Bedingung zur Bestimmung in der Stromunterbrechungserfassungseinheit (33), wobei die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) bestimmt, dass die Stromunterbrechung aufgetreten ist, wenn der Absolutwert des Busstroms die Bedingung für die Bestimmung während des Stromversorgens und/oder der Regeneration erfüllt.
Umrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit (26) eine Regenerationssteuereinheit (32) umfasst, um die Vielzahl von Schaltelementen (Q1 bis Q6) während der Regeneration zu steuern, die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) einen Regenerationsstoppbefehl (32) an die Regenerationssteuereinheit ausgibt, wenn sie bestimmt, dass die Stromunterbrechung während der Regeneration aufgetreten ist, und die Regenerationssteuereinheit (32) das Steuern der Vielzahl von Schaltelementen (Q1 bis Q6) als Reaktion auf den von der Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) ausgegebenen Regenerationsstoppbefehl stoppt.
Umrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33) einen Motorstoppbefehl an die Motorantriebsvorrichtung (4) ausgibt, wenn sie bestimmt, dass die Stromunterbrechung während des Stromversorgens des Motors (5) aufgetreten ist, und bewirkt, dass die Stromversorgung von der Motorantriebsvorrichtung (4) zu dem Motor (5) durch den Motorstoppbefehl gestoppt ist.
Umrichter (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend: eine Fehlervorhersageeinheit (60) zum Vorhersagen eines Fehlers in dem Leistungsmodul (21) auf der Grundlage eines Ergebnisses der Bestimmung des Auftretens der Stromunterbrechung durch die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33A), wobei die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33A) einen ersten Zählerwert (N1) oder einen zweiten Zählerwert (N2) in Abhängigkeit von einer Polarität des Busstroms inkrementiert, wenn sie bestimmt, dass die Stromunterbrechung aufgetreten ist, und die Fehlervorhersageeinheit (60) einen Fehler in dem Leistungsmodul (21) auf der Grundlage des ersten Zählerwertes (N1) und des zweiten Zählerwertes (N2) vorhersagt.
Umrichter (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stromunterbrechungserfassungseinheit (33A) einen ersten Zählerwert (N1) oder einen zweiten Zählerwert (N2) in Abhängigkeit von einer Polarität des Busstroms inkrementiert, wenn sie bestimmt, dass die Stromunterbrechung aufgetreten ist, und Zählerinformationen ausgibt, die den ersten Zählerwert (N1) und/oder den zweiten Zählerwert (N2) umfassen.
Motorsteuerungssystem (100A), umfassend: den Umrichter (1A) nach Anspruch 8; die Motorantriebsvorrichtung (4) und eine übergeordnete Steuervorrichtung (6) zum Steuern der Motorantriebsvorrichtung (4), wobei der Umrichter (1A) die Zählerinformationen an die übergeordnete Steuervorrichtung (6) ausgibt, und die übergeordnete Steuervorrichtung (6) auf der Grundlage der Zählerinformationen einen Fehler in dem Leistungsmodul (21) vorhersagt.