DE19524005A1 - Motorbetriebsregler und bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Motorbetriebsregler und einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer zum Auf­ nehmen von unterschiedlichen Stromversorgungsspannungen.

Einem Motorbetriebsregler zugeführte Stromversorgungsspan­ nungen variieren wesentlich in Abhängigkeit von der Anwen­ dung des Motors und dem Land oder Gebiet, in dem der Motor verwendet wird. In Japan liegt beispielsweise die Hausstromversorgungsspannung bei 100 V Wechselspannung, während die Industriestromversorgungsspannung bei 200 V Wechselspannung liegt. In Überseeländern liegen die Stromversorgungsspannungen bei 200-230, 380, 400 und 415 V Wechselspannung (Europa) und 240 und 460-480 V Wech­ selspannung (USA). Industriestromversorgungsspannungen las­ sen sich allgemein grob in 200, 240, 380, 415 und 480 Volt Wechselspannung unterteilen.

Ein Motor wird in jedem Betriebszustand, also bei Beschleu­ nigung, normalem Ausgang und Verzögerung verwendet. Der Mo­ torbetriebsregler benötigt also zwei Funktionen, nämlich die Zuführung von Energie von einer Eingangsstromversorgung zum Motor, die im folgenden als "Leistungsmodus" bezeichnet wird, und der Rückführung der Drehenergie des Motors und eines an dem Motor befestigten Rotors zu der Eingangsstrom­ versorgung, indem der Motor als Generator betrieben wird; diese Funktion wird im folgenden als "Regenerationsmodus" bezeichnet.

Fig. 28 ist ein Blockdiagramm, das als Teil eines herkömm­ lichen Motorbetriebsreglers die Hauptschaltung zeigt, wobei die Bezugsziffer 1 für eine Eingangsstromversorgung steht, die Bezugsziffer 2 für einen Motorbetriebsregler und die Bezugsziffer 3 für einen Motor. Der Motorbetriebsregler 2 ist grob in einen Umformerabschnitt 4 zum bidirektionalen Umformen eines Wechselstromeingangsabschnitts und eines Gleichstromabschnitts sowie einen Wechselrichterabschnitt 5 zum Umformen von Gleichstrom zu Wechselstrom unterteilt. Im Umformerabschnitt 4 steht die Bezugsziffer 6 für einen Gleichrichter aus einer Diodenbrücke usw., die Bezugsziffer 7 für einen Stromversorgungswechselrichter aus einer Tran­ sistorbrücke usw. zur Ausgabe einer Stromversorgungsfre­ quenz, die Bezugsziffer 8 steht für einen Stromversorgungs­ wechselrichterregler zum Regeln des Betriebs des Stromver­ sorgungswechselrichters 7, und die Bezugsziffer 9 steht für eine Glättungsschaltung aus einem Elektrolytkondensator usw. In dem Wechselrichterabschnitt 5 steht die Bezugszif­ fer 10 für einen Wechselrichter zur Abgabe einer Spannung, eines Stroms und einer Frequenz in Reaktion auf den Be­ triebszustand des Motors 3, die Bezugsziffer 11 steht für einen Wechselrichterregler zum Regeln des Betriebs des Wechselrichters 10, und die Bezugsziffer 12 steht für eine Schnittstellenschaltung zum Empfang von Betriebsbefehlen für den Motor 3, wie Beschleunigung, Verzögerung und Dreh­ zahl, die von außen gegeben werden.

Fig. 29 ist ein herkömmliches Beispiel zur Aufnahme von Stromversorgungsspannungen, die nicht mit den Spannungs­ spezifikationen des Motorbetriebsreglers 2 und des Motors 3 kompatibel sind, wobei die Bezugsziffer 1a eine Eingangs­ stromversorgung ist, die nicht mit den Spannungsspezifika­ tionen kompatibel ist, und die Bezugsziffer 13 einen Trans­ formator zum Umformen einer Stromversorgungsspannung, die nicht mit den Spannungsspezifikationen kompatibel ist, in eine Spannung bezeichnet, die den Spezifikationen ent­ spricht.

Fig. 30 ist ein Anschlußbeispiel mit mehreren Motorbe­ triebsreglern 2a, 2b und 2c sowie mehreren Motoren 3a, 3b und 3c. In dem Beispiel wird über den Transformator 13 eine Stapelspannungsumformung zur Versorgung der Motorbetriebs­ regler 2a, 2b und 2c durchgeführt. Die Motorbetriebsregler 2a, 2b und 2c empfangen Motorbetriebsbefehle a, bzw. b und c von außerhalb.

Fig. 31 ist ein Schaltungsdiagramm, das in der japanischen Offenlegungsschrift 4-38192 gezeigt ist und bei dem ein Gleichspannungsumformer 20 zwischen einem Gleichrichter 6 in einem Umformerabschnitt und einem Wechselrichterab­ schnitt 5 vorgesehen ist, um Stromversorgungsspannungen aufzunehmen, die mit den Spannungsspezifikationen des Mo­ tors 3 nicht kompatibel sind. In Fig. 31 bezeichnet die Be­ zugsziffer 21 eine Primärglättungsschaltung, die Bezugszif­ fer 22 eine Sekundärglättungsschaltung, die Bezugsziffer 23 einen Überbrückungswiderstand, die Bezugsziffer 24 einen Entladungsschalter und die Bezugsziffer 25 einen Regler zum Regeln des Gleichspannungsumformers 20 und des Wechselrich­ terabschnitts 5.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Dazu wird zunächst der Betrieb des Motorbetriebsreglers 2 in Fig. 28 beschrie­ ben. Der Motorbetriebsregler 2 formt im Leistungsmodus über den Gleichrichter 6 eine Eingangswechselspannung 1 in eine Gleichspannung um und glättet die Gleichspannung durch die Glättungsschaltung 9. Dann formt er durch den Wechselrich­ ter 10 die geglättete Gleichspannung in eine Wechselstrom­ versorgung mit einer Spannung, einem Strom und einer Fre­ quenz um, die zum Betrieb des Motors 3 erforderlich sind.

Bei Empfang eines Ausgangssignals des Gleich­ richterabschnitts 5 wird der Motor mit einer vorbestimmten Drehzahl betrieben. Als nächstes arbeitet der Wechselrich­ ter 10 im Regenerationsmodus so, daß der Motor 3 als Ge­ nerator betrieben wird. Als Ergebnis wird die Drehenergie des Motors 3 durch die Glättungsschaltung 9 über den Strom­ versorgungswechselrichter 7 zur Eingangsstromversorgung 1 zurückgeführt, wobei eine elektrische Bremse angelegt wird. Der Wechselrichterregler 11 steuert den Wechselrichter 10 so, daß der Motor 3 in Reaktion auf einen externen Motorbe­ triebsbefehl angetrieben wird, der an der Schnittstellen­ schaltung 12 empfangen wird. Der Strom­ versorgungswechselrichter 7 gibt die Größe der Versorgungs­ spannung, die Frequenz, die Phase und die Spannung der Glättungsschaltung 9 ein. Wird die Spannung der Glättungs­ schaltung höher als die Stromversorgungsspannung wie im Re­ generationsmodus, dann wird der Stromversorgungswechsel­ richter 7 mit der gleichen Frequenz und Phase wie die Ein­ gangsstromversorgung getrieben, wodurch die Energie zu der Eingangsstromversorgung 1 zurückgeführt wird. Der Umfor­ merabschnitt 4 besitzt also eine Reihe von Bauteilen, aber eine einfache Funktion, während der Wechselrichterabschnitt 5 Funktionen wie die Regelung der Motordrehzahl und der Drehposition besitzt und mit einem externen Regler über eine Schnittstelle in Verbindung steht. Weiterhin nimmt der Umformerabschnitt 4 die zentralen Funktionen und den grund­ legenden Betrieb des Motorbetriebsreglers 2 wahr.

Als nächstes werden herkömmliche Beispiele zur Aufnahme von Versorgungsspannungen erläutert, die mit den Spannungsspe­ zifikationen des Motors 3 nicht kompatibel sind. Zur Auf­ nahme von Versorgungsspannungen, die mit den Spannungsspe­ zifikationen nicht kompatibel sind, können die folgenden drei Methoden verwendet werden.

Methode 1

Die Haltespannung, die zulässige Spannung und der Strom des Motorbetriebsreglers 2 und des Motors 3 werden zur Auswahl der Bauteile und der Auslegung der Struktur in Reaktion auf Eingangsspannungen betrachtet.

Methode 2

Wie dies in Fig. 29 gezeigt ist, ist der Transformator 13 zwischen die Eingangsstromversorgung 1a und den Motorbe­ triebsregler 2 geschaltet, um die Spannungsumformung durch­ zuführen.

Methode 3

Wie dies in Fig. 31 gezeigt ist, ist der interne Gleich­ spannungsumformer 20 vorgesehen.

Nach der Methode 1 können Motorbetriebsregler mit 200 Volt Wechselspannung und Motoren mit 200 Volt Wechselspannung nicht bei 400 V Wechselspannung verwendet werden, wenn die Haltespannung berücksichtigt wird, und sie können nicht bei 100 V Wechselspannung verwendet werden, wenn die Stromkapa­ zität der Hauptschaltungsteile berücksichtigt wird, da ein doppelter Strom erforderlich ist, obwohl die Spannung im Vergleich zu 200 V die Hälfte beträgt. Als Ergebnis müssen für verschiedene Stromversorgungsspannungen Motorbetriebs­ regler 2 und Motoren 3 unterschiedlicher Typen vorgesehen sein.

Nach der Methode 2 müssen unterschiedliche Typen von Trans­ formatoren für verschiedene Spannungen vorgesehen sein.

Nach der Methode 3 kann der Motor 3 mit Spezifikationen verwendet werden, die sich von der Stromversorgungsspannung 1a unterscheiden, aber wie bei Methode 2 ist ein Transfor­ mator erforderlich, um eine Isolierung vorzusehen. Es kann zwar ein einziger interner Wechselrichterabschnitt für ver­ schiedene Versorgungsspannungen verwendet werden, aber un­ terschiedliche Typen von Motorbetriebsreglern müssen vorge­ sehen sein.

Fig. 32 ist ein Schaltungsdiagramm eines bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers, der in der US-Patent­ schrift Nr. 5,027,264 offenbart ist, wo die Bezugsziffer 21 eine Primärglättungsschaltung bezeichnet, die Bezugsziffer 22 eine Sekundärglättungsschaltung, die Bezugsziffer 100 einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer, die Bezugsziffer 110 einen Schaltelementregler des bidi­ rektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers 100 und die Bezugsziffer 120 einen Spannungsschleifenregler des bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers 100. Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer 100 weist Primärschaltelemente 101a-101d, einen internen Transformator 102 sowie Sekundärschaltelemente 103a-103d auf. Die Bezugszeichen i1, iL1, iL2 und i2 bezeichnen Ströme, die in Fig. 32 in Pfeilrichtung fließen, und V1 und V2 stehen für die Primär- bzw. Sekundärspannung.

Fig. 33 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der inter­ nen Figuration des Schaltelementreglers 110 in Fig. 32 zeigt, wobei die Bezugsziffer 111 einen Impulsgenerator be­ zeichnet, die Bezugsziffer 112 eine Phasenschieberschaltung zur Eingabe der Phasendifferenz ph und zum Verschieben der Phase eines Ausgangsimpulses des Impulsgenerators 111 um die Phasendifferenz ph, und die Bezugsziffern 113 und 114 sind NICHT-Schaltungen zum Invertieren von Impulssignalen. Unter der Annahme, daß ein von dem Impulsgenerator 111 er­ zeugter Impuls pls ist, sorgt der Schaltelementregler 110 dafür, daß pls in die Primärschaltelemente 101a und 101d und das invertierte pls in die Primärschaltelemente 101b und 101c eingegeben wird. Er sorgt auch dafür, daß pls, dessen Phase um die Phasendifferenz ph verschoben ist, in die Sekundärschaltelemente 103a und 103 eingegeben wird, und daß das invertierte pls, dessen Phase um die Phasendifferenz ph verschoben ist, in die Sekundärschalt­ elemente 103b und 103c eingegeben wird.

Fig. 34(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der in­ ternen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120 in Fig. 32 zeigt, wobei die Bezugsziffer 121 ein Subtrahier­ glied zum Herausfinden einer Differenz zwischen dem Sekun­ därspannungserfassungswert V2 und dem Sekundärspannungs­ zielwert V2* in dem bidirektionalen Isolations-Gleichspan­ nungsumformer 100 und die Bezugsziffer 122 eine Spannungs­ schleifenverstärkungsschaltung bezeichnet, die beispiels­ weise aus einem Proportionalelement und einem Integrierele­ ment besteht.

Fig. 34(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120 in Fig. 34(a) darstellt. Die Se­ kundärspannung V2 wird im Schritt S101 eingegeben, die Spannungsabweichung V2er wird im Schritt S102 berechnet, die Phasendifferenz ph, eine Regelvariable, wird im Schritt S103 herausgefunden, und die Phasendifferenz ph wird im Schritt S104 ausgegeben.

Fig. 35 und 36 sind Zeitsteuerdiagramme und Stromwellen­ formdiagramme, die den Betriebszustand von Primär- und Se­ kundärtreiberschaltungen zeigen; Fig. 35 zeigt den Lei­ stungsmodus, und Fig. 36 zeigt den Regenerationsmodus. In den Figuren geben die Signale 101a bis 101d und 103a bis 103d den Betrieb der Schaltelemente mit den gleichen Be­ zugsziffern an; der niedere (L-)Impuls bezeichnet den Ausschaltzustand, und der hohe (H-)Impuls bezeichnet den Einschaltzustand.

Als nächstes wird der Betrieb unter Bezug auf Fig. 35 und 36 beschrieben. Der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer 100 formt die Primärgleichspannung V1 in die Sekundärgleichspannung V2 um, wobei sie gegeneinander iso­ liert sind.

Da sich die Primärschaltelemente 101a und 101d und die Se­ kundärschaltelemente 103b und 103c im Abschnitt a in Fig. 35 im Einschaltzustand befinden, fließt der Primärstrom von dem Primärglättungskondensator 21 → Schaltelement 101a → inter­ ner Transformator 102 → Schaltelement 101d → Pri­ märglättungskondensator 21, wobei die Spannung V1 an die Primärwicklung des internen Transformators 102 angelegt wird. Unter der Annahme, daß das Windungsverhältnis des in­ ternen Transformators 102 n : 1 beträgt, tritt an der Sekun­ därwicklung des internen Transformators 102 eine Spannung von etwa V1/n auf und ein Strom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 103b → Sekundärglät­ tungskondensator 22 → Schaltelement 103c → interner Transformator 102. Unter der Annahme, daß der Primärstrom und der Sekundärstrom des internen Transformators 102 iL1 bzw. iL2 sind, ist der Stromwert iL2

iL2 = n · iL1 (1).

Beträgt nun die Streuinduktivität des internen Transforma­ tors 102 Lh, und ist im Vergleich zur Wechselinduktivität ein ausreichend kleiner Wert eingestellt, dann findet man iL1 bezüglich der Einschaltzeit t nach dem folgenden Aus­ druck:

iL1 = (V1 + n · V2) · t/Lh (2).

Es sei nun angenommen, daß die Phasenüberlappungszeit ph und der Strom zu dieser Zeit IL1x ist. Aus dem Ausdruck (2) ist zu ersehen, daß der Strom im Verhältnis zu V1 + n · V2 und damit innerhalb einer kurzen Zeit ansteigt.

Als nächstes werden im Abschnitt b die Schaltelemente 103b und 103c ausgeschaltet, und der Primärstrompfad ist der gleiche wie oben; der Sekundärstrom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 103a (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode) → Sekundärglättungskonden­ sator 22 → Schaltelement 103d (in Verbindung mit dem Ele­ ment vorgesehene Diode) → interner Transformator 102. Die Richtung von i2 ist umgekehrt. Deshalb gilt:

iL1 = IL1x + (V1 - n · V2) t/Lh (3).

Es sei angenommen, daß der Stromwert zu der Zeit IL1y ist.

Da die Schaltelemente 101a und 101d im Abschnitt c ausge­ schaltet werden, wird die Richtung des Primärstroms umge­ schaltet, und der Strom fließt von dem internen Transforma­ tor 102 → Schaltelement 101c (in Verbindung mit dem Ele­ ment vorgesehene Diode) → Primärglättungskondensator 21 → Schalt­ element 101b (in Verbindung mit dem Element vorgese­ hende Diode) → interner Transformator 102. Der Sekundär­ strom ist der gleiche wie oben beschrieben. Der Stromwert nimmt ab wie in

iL1 = -IL1y + (V1 + n · V2) t/Lh (4)

und nimmt weiter ab, bis iL1 = 0.

Da die Primärschaltelemente 101b und 101c und die Sekun­ därschaltelemente 103a und 103d im Abschnitt d eingeschal­ tet werden, fließt der Primärstrom von dem Primärglättungs­ kondensator 21 → Schaltelement 101c → interner Transfor­ mator 102 → Schaltelement 101b → Primärglättungskondensa­ tor 21. Der Sekundärstrom fließt von dem internen Transfor­ mator 102 → Schaltelement 103d → Sekundärglättungskonden­ sator 22 → Schaltelement 103a → interner Transformator 102. Der Stromwert ist der gleiche wie im Ausdruck (2). Deshalb wird der Strom IL1x bei gleicher Phasenüberlap­ pungszeit ph.

Als nächstes werden im Abschnitt e die Schaltelemente 103a und 103d ausgeschaltet, und der Primärstrompfad ist der gleiche wie oben beschrieben; der Sekundärstrom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 103c (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode) → Sekun­ därglättungskondensator 22 → Schaltelement 103b (in Ver­ bindung mit dem Element vorgesehene Diode) → interner Transformator 102. Die Richtung von i2 ist umgekehrt. Des­ halb ist der Stromwert der gleiche wie in (3).

Da als nächstes die Schaltelemente 101b und 101c im Ab­ schnitt f ausgeschaltet werden, wird die Richtung des Pri­ märstroms umgeschaltet, und der Strom fließt von dem inter­ nen Transformator 102 → Schaltelement 101a (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode) → Primärglättungskon­ densator 21 → Schaltelement 101d (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode → interner Transformator 102. Der Sekundärstrom ist der gleiche wie oben beschrieben. Der Stromwert ist der gleiche wie im Ausdruck (4) und nimmt weiter ab, bis iL1 = 0.

Als nächstes wird der Betrieb im Regenerationsmodus be­ schrieben. Da der Motor im Regenerationsmodus als Generator arbeitet, steigt die Sekundärspannung V2 und die Leistung fließt umgekehrt von der Sekundärwicklung zu der Primär­ wicklung. Zunächst sind die Primärschaltelemente 101b und 101c und die Sekundärschaltelemente 103a und 103d im Ab­ schnitt g in Fig. 36 eingeschaltet; damit fließt also der Sekundärstrom von dem Sekundärglättungskondensator 22 → Schalt­ element 103a → interner Transformator 102 → Schalt­ element 103d → Sekundärglättungskondensator 22, womit die Spannung V2 an die Sekundärwicklung des internen Transfor­ mators 102 angelegt wird. An der Primärwicklung des inter­ nen Transformators 102 tritt eine Spannung von etwa n · V2 auf, und ein Strom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 101b → Primärglättungskondensator 21 → Schaltelement 101c → interner Transformator 102. Der Stromwert ist nach dem folgenden Ausdruck zu finden:

iL1 = (V1 + n · V2) · t/Lh (5).

Nun sei angenommen, daß die Phasenüberlappungszeit Tx be­ trägt und der Strom zu der Zeit IL1x ist. Aus dem Ausdruck (5) ist zu ersehen, daß der Strom proportional zu V1 + n · V2 ist und damit in kurzer Zeit ansteigt.

Als nächstes werden im Abschnitt h die Schaltelemente 101b und 101c ausgeschaltet, und der Sekundärstrompfad ist der gleiche wie oben beschrieben; der Primärstrom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 101a (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode) → Pri­ märglättungskondensator 21 → Schaltelement 101d (in Ver­ bindung mit dem Element vorgesehene Diode) → interner Transformator 102. Die Richtung von i1 ist umgekehrt. Des­ halb gilt:

iL1 = -IL1x + (n · V2 - V1) · t/Lh (6).

Es sei angenommen, daß der Stromwert zu der Zeit IL1y ist.

Da als nächstes im Abschnitt i die Schaltelemente 103a und 103d ausgeschaltet werden, wird die Richtung des Sekundär­ stroms umgeschaltet, und der Strom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 103c (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode) → Sekundärglättungskonden­ sator 22 → Schaltelement 103b (in Verbindung mit dem Ele­ ment vorgesehene Diode) → interner Transformator 102. Der Primärstrom ist der gleiche wie oben beschrieben. Der Stromwert nimmt ab wie in:

iL1 = -IL1y + (V1 + n · V2) · t/Lh (7),

und er nimmt weiter ab, bis iL1 = 0.

Da die Primärschaltelemente 101a und 101d und die Sekun­ därschaltelemente 103b und 103c im Abschnitt j eingeschal­ tet werden, fließt der Sekundärstrom von dem Sekundärglät­ tungskondensator 22 → Schaltelement 103c → interner Transformator 102 → Schaltelement 103b → Sekundärglät­ tungskondensator 22. Der Primärstrom fließt von dem inter­ nen Transformator 102 → Schaltelement 101d → Primärglät­ tungskondensator 21 → Schaltelement 101a → interner Transformator 102. Der Stromwert ist der gleich wie im Aus­ druck (5). Deshalb wird der Strom zu IL1x bei gleicher Pha­ senüberlappungszeit ph.

Als nächstes werden im Abschnitt k die Schaltelemente 101a und 101d ausgeschaltet und der Sekundärstrompfad ist der gleiche wie oben beschrieben; der Primärstrom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 101c (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode) → Pri­ märglättungskondensator 21 → Schaltelement 101b (in Ver­ bindung mit dem Element vorgesehene Diode) → interner Transformator 102. Die Richtung von i1 ist umgekehrt. Des­ halb ist der Stromwert der gleiche wie in (6).

Da als nächstes die Schaltelemente 103b und 103c im Ab­ schnitt 1 ausgeschaltet werden, wird die Richtung des Se­ kundärstroms umgeschaltet,und der Strom fließt von dem in­ ternen Transformator 102 → Schaltelement 103a (in Verbin­ dung mit dem Element vorgesehene Diode) → Sekun­ därglättungskondensator 22 → Schaltelement 103d (in Ver­ bindung mit dem Element vorgesehene Diode) → interner Transformator 102. Der Primärstrom ist der gleiche wie oben beschrieben. Der Stromwert ist der gleiche wie im Ausdruck (7) und nimmt weiter ab, bis iL1 = 0.

Deshalb werden die Wellenformen der Ströme i1, iL1 und i2 trapezförmig, wie dies in Fig. 35 und 36 gezeigt ist, und ihre Übertragungsleistung P wird etwa wie folgt:

P = (Durchschnittsstrom von i2) × V2 = n · IL1 · V2 (8).

Die Gleichspannungen können also isoliert bidirektional um­ geformt werden.

Als nächstes werden die Eigenschaften des Umformers in Fig. 32 erläutert. Fig. 37 ist ein Graph, der die Sekundärspan­ nung V2 zeigt, wenn der Lastwiderstand R0 = 3Ω mit der Se­ kundärwicklung verbunden ist und die Phasendifferenz ph bei der Schaltperiode Ts = 50 µs geändert wird, wenn die Streu­ induktivität Lh des internen Transformators 102 40 µH ist, das Windungsverhältnis n = 2 und die Primärspannung V1 600 V beträgt. Wie dies in Fig. 37 zu sehen ist, kann die Se­ kundärspannung V2 gesteuert werden, indem die Phasendiffe­ renz ph geändert wird.

Als nächstes zeigt Fig. 38(a) die Beobachtungsergebnisse des Sekundärstroms iL2 des internen Transformators 102, wenn die Primärspannungen V1 150 V und 125 V betragen, wo­ bei die Sekundärspannung V2 auf 75 V festgelegt ist und das Windungsverhältnis n des internen Transformators 102 auf 2 eingestellt ist. Die Ergebnisse deuten an, daß bei V1 = n · V2, iL2 eine trapezförmige Wellenform erhält, daß iL2 aber bei V1 =/n · V2 keine trapezförmige Wellenform erhält und der Spitzenstrom von iL2 ansteigt. Fig. 38(b) zeigt, wie sich der Spitzenwert von iL2 ändert, wenn die Primärspannung V1 unter den gleichen Bedingungen wie in Fig. 38(a) geän­ dert wird. Indem also die Phasendifferenzregelung des bi­ direktionalen Isolations-Gleichspannungsumformers in Fig. 32 durchgeführt wird, steigt der Spitzenstrom an, außer wenn die Beziehung V1 = n · V2 gilt.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer wurde bei Verwendung des in Fig. 32 gezeigten Einphasentransfor­ mators gezeigt. In der US-Patentschrift Nr. 5 027 264 sind auch der in Fig. 39 gezeigte bidirektionale Dreiphaseniso­ lations-Gleichspannungsumformer und ein bidirektionaler Mehrphasenisolations-Gleichspannungsumformer beschrieben; sie besitzen Eigenschaften, die den oben beschriebenen ent­ sprechen.

Da die herkömmlichen Motorbetriebsregler derart ausgestal­ tet sind, muß folgendes vorgesehen sein, um verschiedene Stromversorgungsspannungen aufzunehmen:

• 1. Unterschiedliche Typen von Motorbetriebsreglern und Mo­ toren, die zu den Versorgungsspannungen passen;
• 2. Unterschiedliche Typen von Transformatoren, die den Spannungsspezifikationen und der Ausgangskapazität des Mo­ torbetriebsreglers und des Motors für jede Versorgungsspan­ nung entsprechen; oder
• 3. Unterschiedliche Motorbetriebsregler, die einen Gleich­ spannungsumformer für einen gemeinsamen Motor aufweisen. Dabei ergeben sich allerdings Probleme bei der Maschinen­ entwicklung der Produktivität, der Bestandsverwaltung, der Wartungsverwaltung usw.

Die Hauptversorgungsspannungen zur Motorregelung sind 300-600 V Gleichspannung und werden an Maschinen geliefert, die wie Motoren häufig mit menschlichen Körpern in Kontakt ge­ langen; damit ist ein vollständiger Isolationsmechanismus zwischen der Eingangsstromversorgung und der Maschine er­ forderlich. Zu diesem Zweck müssen bei den oben beschriebe­ nen Optionen 1 und 2 zusätzliche Transformatoren vorgesehen werden.

Da Schaltungsteile (auf der Grundlage der Haltespannung und der Stromkapazität) für Motorbetriebsregler, Motoren und Transformatoren in Abhängigkeit von den Spezifikationen der Stromversorgungsspannungen ausgewählt sind, variieren die Außenabmessungen, die Außenstruktur und das Gewicht stark in Abhängigkeit von der Stromversorgungsspannung. Motorbe­ triebsregler, Motoren und Transformatoren lassen sich be­ merkenswert schwer normieren.

Motorbetriebsregler, Motoren und Transformatoren müssen an Maschinen angebracht werden, die einen Motor verwenden, also Werksmaschinen und Werkzeugmaschinen, die zu den je­ weiligen Spannungsspezifikationen passen. Mit einer Ände­ rung der Spannungsspezifikationen ist nicht nur ein Aus­ tausch der Motorbetriebsregler, der Motoren, der Transfor­ matoren und des Verdrahtungsaufbaus verbunden, sondern auch eine Änderung der Strukturen, Umrisse und der Aufstell­ plätze der Maschinen verbunden.

Die Motorbetriebsregler und Motoren sind direkt elektrisch verbunden, und es besteht eine starke Möglichkeit, daß es durch eine Verschlechterung der Isolation zu Unfällen durch elektrischen Schlag kommen kann.

Der in der US-Patentschrift Nr. 5 027 264 offenbarte bidi­ rektionale Isolations-Gleichspannungsumformer neigt zum Überstrom und erfordert Schaltelemente und einen internen Transformator mit hoher Stromkapazität.

Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motorbetriebsregler vorzusehen, der unterschiedliche Stromversorgungsspannungen aufnehmen kann, indem die Schal­ tungskonfiguration bei Verwendung üblicher Motoren, Ver­ drahtung usw. minimal geändert wird, und der eine Isolati­ onsstruktur zwischen der Eingangsstromversorgung und den Motoren besitzt, um die Fähigkeit zum bidirektionalen Be­ trieb im Leistungsmodus und im Regenerationsmodus vorzuse­ hen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Überstrom des in der US-Patentschrift Nr. 5 027 264 offenbarten bidi­ rektionalen Gleichspannungsumformers zu unterdrücken.

Erfindungsgemäß ist ein Motorbetriebsregler vorgesehen, der folgendes aufweist: einen Umformerabschnitt mit einem Gleichrichter zum Umformen einer Stromversorgungswechsel­ spannung in eine Gleichspannung, eine Stromversorgungswech­ selrichterschaltung zum Umformen einer Gleichspannung in eine Stromversorgungswechselspannung, einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer und einen Wechselrich­ terabschnitt zum Liefern von Strom an einen Motor.

Erfindungsgemäß ist ein Motorbetriebsregler vorgesehen, der folgendes aufweist: einen Umformerabschnitt mit einem Gleichrichter zum Umformen einer Stromversorgungswechsel­ spannung in eine Gleichspannung, eine Stromversorgungswech­ selrichterschaltung zum Umformen einer Gleichspannung in eine Stromversorgungswechselspannung sowie einen bidirek­ tionalen Gleichspannungsumformer und einen Wechselrich­ terabschnitt zum Liefern von Strom an einen Motor, wobei der Motorbetriebsregler in zwei Blöcke, den Umformerab­ schnitt und den Wechselrichterabschnitt unterteilt ist, die in getrennten Gehäusen aufgebaut sind.

Erfindungsgemäß ist ein bidirektionaler Isolations-Gleich­ spannungsumformer vorgesehen, der folgendes aufweist: einen ersten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer er­ sten Gleichspannung in eine Wechselspannung, einen Trans­ formator mit einer Primärwicklung, die mit dem Wechsel­ spannungsausgang des ersten Umformers verbunden ist, sowie einen zweiten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen ei­ ner Wechselspannung, die an einer Sekundärwicklung des Transformators angelegt ist, in eine zweite Gleichspannung, wobei die Übertragungsleistung geregelt wird, indem eine Treiberphasendifferenzregelung aller Leistungsüber­ tragungsschaltelemente und einiger Leistungsempfangs­ schaltelemente durchgeführt wird.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Erfindung umfaßt ferner eine Spannungsregelschleifen­ schaltung zum Konstanthalten eines Verhältnisses zwischen der Primärspannung und der Sekundärspannung.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Erfindung umfaßt ferner eine Spannungsregelschleifen­ schaltung zum Konstanthalten einer Differenz zwischen einer Sekundärspannung, in die eine Primärspannung umgeformt wird, und einer Sekundärspannung.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Erfindung umfaßt ferner eine Spannungsregelschleifen­ schaltung zum Erreichen einer gewünschten Regelung durch die Auswahl einer Konstantsekundärspannungsregelung, einer Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekun­ därspannung oder eine Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses in Reaktion auf den Betriebs­ zustand.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Erfindung, bei dem der zum Bestimmen des Regelmodus des bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers verwen­ dete Betriebszustand die Übertragungsleistung ist, umfaßt ferner eine Spannungsregelschleifenschaltung zur Durchfüh­ rung der Konstantsekundärspannungsregelung, wenn die Über­ tragungsleistung niedrig ist, oder zur Durchführung der Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, der Sekundärspannung oder der Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungs­ verhältnisses, wenn die Übertragungsleistung hoch ist.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Erfindung, bei dem der zum Bestimmen des Regelmodus des bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers verwen­ dete Betriebszustand die Primärspannung ist, umfaßt ferner eine Spannungsregelschleifenschaltung zur Durchführung der Konstantsekundärspannungsregelung, wenn die Primärspannung höher als ein Einstellwert ist, oder zur Durchführung der Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundär­ spannung oder der Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses, wenn die Primärspannung niedriger als der Einstellwert ist.

Der bidirektionale Gleichspannungsumformer nach der Erfin­ dung umfaßt ferner eine Spannungsregelschleifenschaltung zur Regelung durch Änderung einer Regelsystemverstärkung in Abhängigkeit von der ausgewählten Regelmethode, wenn ent­ weder die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungs­ verhältnisses, die Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung, oder die Konstantsekundärspan­ nungsregelung zur Verwendung ausgewählt wird.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Erfindung umfaßt ferner eine Spannungsregelschleifen­ schaltung zur Bestimmung des Maximalwerts einer Sollände­ rungssteigung, so daß sich ein Sollwert der Sekundär­ spannung bei Änderung der Regelmethoden nicht rasch ändert, wenn entweder die Konstantregelung des Primär-/Se­ kundärspannungsverhältnisregelung, die Konstantdiffe­ renzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Pri­ märspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung, oder die Konstantsekundärspannungsregelung zur Verwendung ausge­ wählt wird.

Der bidirektionale Gleichspannungsumformer nach der Erfin­ dung umfaßt ferner ein Filter, das in der Lage ist, eine erfaßte Primärspannungswelligkeit zu dämpfen.

Erfindungsgemäß ist ein bidirektionaler Isolations-Gleich­ spannungsumformer vorgesehen, der folgendes aufweist: einen ersten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer er­ sten Gleichspannung in eine Wechselspannung, einen Trans­ formator mit einer Primärwicklung, die mit einem Wechsel­ spannungsausgang des ersten Umformers verbunden ist, einen zweiten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer Wechselspannung, die an einer Sekundärwicklung des Trans­ formators angelegt ist, in eine zweite Gleichspannung, so­ wie eine Spannungsregelschleifenschaltung zum Regeln einer Primär- und einer Sekundärspannung, wobei eine Pulsbreite in Reaktion auf eine Differenz zwischen der Primärspannung und der Primärspannung geändert wird, in die die Sekundär­ spannung umgeformt wird.

Erfindungsgemäß ist ein Motorbetriebsregler vorgesehen, der folgendes aufweist: einen Umformer mit einem Gleichrichter zum Umformen einer Stromversorgungswechselspannung in eine Gleichspannung, eine Stromversorgungswechselrichterschal­ tung zum Umformen einer Gleichspannung in eine Stromversor­ gungswechselspannung sowie einen bidirektionalen Isolations­ gleichspannungsumformer und einen Wechselrichterabschnitt zum Liefern von Strom an einen Motor, wobei bei Einschalten des Stroms der Gleichrichter und der bidirektionale Isola­ tions-Gleichspannungsumformer gleichzeitig betrieben wer­ den.

Der Motorbetriebsregler nach der Erfindung, der einen bidi­ rektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer aufweist, kann eine Umformerabschnittausgangsspannung für unter­ schiedliche Stromversorgungsspannungen in einem gegebenen Bereich in eine Gleichspannung umwandeln und eine bidirek­ tionale Spannungsumformung durchführen.

Der Motorbetriebsregler nach der Erfindung ist in zwei Blöcke, einen Umformerabschnitt zur Durchführung der bidi­ rektionalen Spannungsumformung in eine Gleichspannung in einem gegebenen Bereich für unterschiedliche Stromversor­ gungsspannungen sowie einen Wechselrichterabschnitt unter­ teilt, die in getrennten Gehäusen enthalten sind. Damit können unterschiedliche Stromversorgungsspannungen aufge­ nommen werden, ohne den Motor, den Wechselrichter, die Ver­ drahtung usw. zu ändern.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung regelt die Übertragungsleistung über die Durch­ führung einer Treiberphasenregelung der Leistungsübertra­ gungsschaltelemente und der Leistungsempfangs-Einseiten­ armschaltelemente des internen Transformators. Damit läßt sich die Stromwellenformsteigung um die Hälfte reduzieren, um die Regelbarkeit zu verbessern.

Da die Sekundärspannung proportional zu einer Änderung der Primärspannung geregelt wird, läßt sich der Maximalstrom selbst dann unterdrücken, wenn sich die Primärspannung än­ dert.

Da die Regelung so durchgeführt wird, daß die Differenz zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung gehalten wird, kann der Maximalstrom bei einer Änderung der Primärspannung oder einer Änderung des Ausgangs des Wechselrichterab­ schnitts unterdrückt werden.

Da die Regelung durch Auswahl der Konstantsekundärspan­ nungsregelung, der Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung oder durch eine Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses in Reaktion auf den Betriebszustand durchgeführt wird, kann der Maximal­ strom in Reaktion auf eine Bedingung wie eine Änderung der Stromversorgungsspannung oder des Motorausgangs unterdrückt werden.

Da die Regelung durch Auswahl der Konstantsekundär­ spannungsregelung bei einem niedrigen Ausgangssignal oder der Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung oder die Konstantregelung des Pri­ mär-/Sekundärspannungsverhältnisses bei einem hohen Aus­ gangssignal durchgeführt wird, kann der Maximalstrom bei einer Änderung der Stromversorgungsspannung oder des Motor­ ausgangs unterdrückt werden.

Da die Regelung durch Auswahl der Konstantsekundärspan­ nungsregelung, wenn die Primärspannung höher als ein Ein­ stellwert ist, oder der Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung oder durch eine Konstantre­ gelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses durchge­ führt wird, wenn die Primärspannung niedriger als der Ein­ stellwert ist, kann der Maximalstrom unterdrückt werden, wenn der Strom eingeschaltet wird oder anormal ist.

Wird die Konstantsekundärspannungsregelung durchgeführt, dann wird die Verstärkung geeignet angehoben, und wird die Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgewandelt wird und der Sekundär­ spannung oder die Konstantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisse durchgeführt, dann wird die Verstär­ kung unterdrückt. Wird also die Konstantsekundärspan­ nungsregelung durchgeführt, dann kann eine schnelle Span­ nungsschleifenreaktion stattfinden, und wird die Kon­ stantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundär­ spannung oder die Konstantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisses durchgeführt, dann kann verhindert werden, daß die Welligkeit der Primärspannung den Strom schwingen läßt.

Wird die Regelung durch Auswahl aus der Konstantsekundär­ spannungsregelung, der Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung oder aus der Konstant­ regelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses durch­ geführt, dann wird zu dem Zeitpunkt der Maximalwert der Solländerungssteigung des Sollwertes der Sekundärspannung bestimmt. Damit kann ein Überstrom aufgrund einer raschen Änderung der Sollsekundärspannung unterdrückt werden.

Wird die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungs­ verhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung durchgeführt, dann wird mit­ tels des Filters eine erfaßte Primärspannungswelligkeit ge­ dämpft. Damit kann verhindert werden, daß die Primärspan­ nungswelligkeit eine Schwingung des Stroms verursacht.

Die maximale Pulsbreite, die erforderlich ist, damit der Strom zum maximalen Einstellspitzenstrom wird, wird aus der Differenz zwischen der Primärspannung und der Sekundärspan­ nung des bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumfor­ mers berechnet, und die Obergrenze der Pulsbreite ist ein­ geschränkt. Damit kann der Maximalstrom unterdrückt werden, wenn der Strom eingeschaltet wird oder die Spannung ab­ fällt.

Wird bei dem Motorbetriebsregler nach der Erfindung, der einen Umformer mit einem Gleichrichter zum Umformen eine Stromversorgungswechselspannung in eine Gleichspannung, eine Stromversorgungswechselrichterschaltung zum Umformen einer Gleichspannung in eine Stromversorgungswechselspan­ nung und einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungs­ umformer sowie einem Wechselrichterabschnitt zum Liefern von Strom zu einem Motor aufweist, der Strom eingeschaltet, dann werden der Gleichrichter und der bidirektionale Gleichspannungsumformer gleichzeitig betrieben, um die Pri­ märspannung und die Sekundärspannung gleichzeitig zu än­ dern. Damit kann ein Überstrom unterdrückt werden.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Motorbetriebsreglers nach der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines bidirektionalen Isolations- Gleichspannungsumformers zeigt;

Fig. 3(a)-3(c) sind Blockdiagramme von Motorbe­ triebsreglern nach der Erfindung;

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Er­ findung zeigt;

Fig. 5 ist ein internes Blockdiagramm eines Schalt­ elementreglers in Fig. 4;

Fig. 6 ist ein Zeitsteuerdiagramm und ein Stromwel­ lenformdiagramm im Leistungsmodus des bidirektio­ nalen Isolations-Gleichspannungsumformers der Er­ findung;

Fig. 7 ist ein Zeitsteuerdiagramm und ein Stromwel­ lenformdiagramm im Regenerationsmodus des bidi­ rektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers der Erfindung;

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 9(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 9(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschleifenreglers von Fig. 8;

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 11(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 11(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 10;

Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 13(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 13(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 12;

Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 15(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 15(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 14;

Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 17(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 17(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 16;

Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 19(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 19(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 18;

Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 21(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 21(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 20;

Fig. 22 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 23(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 23(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 22;

Fig. 24 ist ein Blockdiagramm, das einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer der Erfindung zeigt;

Fig. 25(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 25(b) ist ein Flußdiagramm eines Schaltelement­ reglers in Fig. 24;

Fig. 26(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 26(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers in Fig. 24;

Fig. 27 ist ein Blockdiagramm, das einen Umformerab­ schnitt mit einer bidirektionalen Isolations- Gleichspannungsumformfunktion nach der Erfindung zeigt;

Fig. 28 ist ein Blockdiagramm des Hauptschaltungsteils eines herkömmlichen Motorbetriebsreglers;

Fig. 29 ist ein herkömmliches Beispiel zur Aufnahme von Stromversorgungsspannungen, die mit den Spezifi­ kationen nicht kompatibel sind;

Fig. 30 ist ein herkömmliches Anschlußbeispiel zum An­ schluß von Motorbetriebsreglern und Motoren;

Fig. 31 ist ein Blockdiagramm der Hauptschaltung eines herkömmlichen Motorbetriebsreglers, der einen Gleichspannungsumformer enthält;

Fig. 32 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumfor­ mer zeigt;

Fig. 33 ist ein internes Blockdiagramm des Schaltele­ mentreglers in Fig. 32;

Fig. 34(a) ist ein internes Blockdiagramm, und Fig. 34(b) ist ein Flußdiagramm des Spannungsschlei­ fenreglers von Fig. 32;

Fig. 35 ist ein Zeitsteuerdiagramm und ein Stromwel­ lenformdiagramm im Leistungsmodus eines herkömm­ lichen bidirektionalen Isolations-Gleichspan­ nungsumformers;

Fig. 36 ist ein Zeitsteuerdiagramm und ein Stromwel­ lenformdiagramm im Regenerationsmodus eines her­ kömmlichen bidirektionalen Isolations-Gleichspan­ nungsumformers;

Fig. 37 ist ein Graph, der die elektrischen Kennlinien der herkömmlichen bidirektionalen Isolations- Gleichspannungsumformers zeigt;

Fig. 38(a) und 38(b) sind Graphen, die die elektrischen Kennlinien des herkömmlichen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers zeigen;

Fig. 39 ist ein Hauptschaltungsdiagramm eines weiteren herkömmlichen bidirektionalen Isolations- Gleichspannungsumformers.

Unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen werden nun be­ vorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt.

Ausführungsform 1

Eine Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf Fig. 1 gezeigt.

Fig. 1 ist das Blockdiagramm eines Motorbetriebsreglers mit einem bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer nach einer Ausführungsform der Erfindung. Schaltungsteile, die mit den oben unter Bezug auf Fig. 28 beschriebenen identisch oder dazu ähnlich sind, sind in Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht erneut erläutert. Die Bezugsziffer 30 bezeichnet einen Motor­ betriebsregler mit einem bidirektionalen Isolations-Gleich­ spannungsumformer. Die Bezugsziffer 31 bezeichnet einen Um­ formerabschnitt mit der Funktion einer bidirektionalen Iso­ lations-Gleichspannungsumformung, die Bezugsziffer 32 be­ zeichnet einen bidirektionalen Gleich­ spannungsumformerabschnitt, die Bezugsziffer 33 bezeichnet einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer, die Bezugsziffer 34 bezeichnet eine Glättungsschaltung und die Bezugsziffer 35 ist ein Regler des bidirektionalen Iso­ lations-Gleichspannungsumformers 33.

Im Betrieb formt der bidirektionale Gleichspannungsumfor­ mungsabschnitt 32 die Primärgleichspannung V1, die sich nach der Höhe der Eingangsspannung 1a ändert, bidirektional in die Sekundärspannung V2 um, wobei sie gegeneinander iso­ liert sind. Damit sind die Eingangsstromversorgung und die Maschine völlig gegeneinander isoliert, ohne daß ein exter­ ner Transformator vorgesehen ist, und selbst Maschinen, die häufig mit dem menschlichen Körper in Kontakt gelangen, sind sicher, ohne daß die Gefahr eines Stromschlages be­ steht.

Außer den herkömmlichen, in Fig. 32 und 39 gezeigten bidi­ rektionalen Isolations-Gleichspannungsumformern sind ver­ schiedenen Schaltungen wie die in Fig. 2 gezeigte als bi­ direktionaler Gleichspannungsumformer 33 ausgelegt. Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm, das auf der nationalen Konfe­ renz der Electric Society 1993 vorgeschlagen wurde, wobei die Bezugsziffer 33a einen bidirektionalen Isolations- Gleichspannungsumformer bezeichnet.

Ausführungsform 2

Fig. 3(a) ist ein Blockdiagramm der Konfiguration, bei der ein Motorbetriebsregler in zwei Module eines Umformerab­ schnitts 31 mit einer bidirektionalen Gleichspannungsum­ formfunktion und einen Wechselrichterabschnitt 5 unterteilt ist, und die Module sind in getrennten Gehäusen aufgebaut.

Fig. 3(b) zeigt die Schaltungskonfiguration zum Ansteuern mehrerer Motoren 3a, 3b und 3c. Der Umformerabschnitt 31 mit der bidirektionalen Gleichspannungsumformfunktion wird gemeinsam verwendet, und die Wechselrichterabschnitte 5a, 5b und 5c sind mit den Motoren 3a bzw. 3b und 3c verbunden.

Fig. 3(c) zeigt ein Beispiel, bei dem die Spanungsspezifi­ kationen der Wechselrichterabschnitte und der Motoren zu denjenigen der Eingangsspannung 1 passen. Bei diesem Bei­ spiel ist der Umformerabschnitt 31 mit einem bidirektiona­ len Gleichspannungsumformungsabschnitt 32 von Fig. 1 nicht erforderlich, und der Umformerabschnitt 4 des in Fig. 27 gezeigten herkömmlichen Motorbetriebsreglers kann in einem Gehäuse als ein Modul zum Anschluß an die Wechselrichterab­ schnitte aufgebaut sein.

Der Umformerabschnitt 31 mit der bidirektionalen Gleich­ spannungsumformungsfunktion oder der Umformerabschnitt 4 und der Wechselrichterabschnitt 5, die in Module unterteilt sind, werden also in Kombination verwendet, womit unter­ schiedliche Eingangsspannungen leicht aufgenommen werden können. Der Wechselrichterabschnitt, an den eine große Zahl von externen Kabeln auf komplizierte Weise angeschlossen sind, und die Motoren, für deren Austausch Präzision und Geschicklichkeit erforderlich ist, können als solche ver­ wendet werden, und damit lassen sich die Strukturen und die Verdrahtung der Maschinen, die einen Motor verwenden, unab­ hängig von der Stromversorgungsspannung gemeinsam gestal­ ten. Ebenso läßt sich die Zahl der Typen von Motor­ betriebsreglern und Motoren minimieren. Sind beispielsweise der Umformerabschnitt 4, der Wechselrichterabschnitt 5 und die Motoren für 200 V Wechselspannung und der Umformerab­ schnitt 31 mit bidirektionaler Gleichspannungs­ umformungsfunktion für 400 V Wechselspannung ausgelegt, dann können der Umformerabschnitt 4 und der Wechsel­ richterabschnitt 5 in Kombination für eine Überseestrom­ versorgung von 400 V Wechselspannung verwendet werden. Im Ergebnis können Maschinen, die für heimische Zwecke herge­ stellt wurden, zu Maschinen für Übersee gemacht werden, in­ dem einfach der Umformerabschnitt 31 mit 200-V-Wechselspan­ nungs-Umformungsfunktion durch einen solchen mit einer 400- V-Wechselspannungs-Umformungsfunktion ersetzt wird, und der Wechselrichterabschnitt 5 und der Motor 3 sowie die Ver­ drahtung und die Kabeltypen, also die Haltespannung und die Größe können unabhängig von der Stromversorgungsspannung gemeinsam gestaltet werden.

Ausführungsform 3

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isolati­ ons-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Er­ findung. Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsum­ former von Fig. 4 unterscheidet sich also von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer bezüg­ lich des Schaltelementreglers 110a. Fig. 5 ist ein Block­ diagramm, das ein Beispiel der internen Konfiguration des Schaltelementreglers 110a zeigt. Dieser Schaltelementregler 110a unterscheidet sich von dem in Fig. 33 gezeigten her­ kömmlichen Schaltelementregler bezüglich der Leistungs-/Rege­ nerationsmodusbestimmungsschaltung 115 zum Bestimmen des Leistungs- oder Regenerationsmodus nach der Phasendif­ ferenz ph und der Treiberschaltänderungsanordnung 116. Ist die Phasendifferenz ph beispielsweise positiv, dann gibt die Leistungs-/Regenerationsmodusbestimmungschaltung 115 für den Leistungsmodus 1 aus; ist ph negativ, dann gibt sie 0 für den Regenerationsmodus aus. Bei Empfang des Ausgangssignals, also 1 (Leistungsmodus), schaltet die Treiberschaltänderungsanordnung 116 die Sekundärschaltele­ mente 103c und 103d ab, um eine Phasendifferenzregelung mit allen Primärschaltelementen und einigen der Sekun­ därschaltelemente durchzuführen. Ist das empfangene Aus­ gangssignal 0 (Regenerationsmodus), dann schaltet die Treiberschaltänderungsanordnung 116 die Pri­ märschaltelemente 101c und 101d ab, um eine Phasendiffe­ renzregelung mit einigen Primärschaltelementen und allen Se­ kundärschaltelementen durchzuführen. Fig. 6 und 7 sind Zeitsteuerdiagramme und Stromwellenformdiagramme, die den Betriebszustand der Primär- und Sekundärtreiberschaltungen eines internen Transformators 102 zeigen; Fig. 6 zeigt den Leistungsmodus und Fig. 7 den Regenerationsmodus.

Nun wird der Betrieb der Ausführungsform erläutert. Die Ausführungsform treibt die Primär- und Sekundärschaltele­ mente gleichzeitig zum Regeln der Phasendifferenz, womit die Übertragungsleistung geregelt wird und die Zeit der Phasenüberlappungszeit ph (Phasendifferenz) zur Verbesse­ rung der Regelbarkeit verlängert wird. Nur die Abschnitte a, d, g und j in Fig. 6 und 7 unterscheiden sich von den in Fig. 35 gezeigten und werden deshalb erläutert. Da die Pri­ märschaltelemente 101a und 101d und die Sekundärschaltele­ mente 103b im Abschnitt a in Fig. 6 zunächst eingeschaltet sind, fließt der Primärstrom von dem Primärglättungskonden­ sator 21 → Schaltelement 101a → interner Transformator 102 → Schaltelement 101d → Primärglättungskondensator 21, womit die Spannung V1 an die Primärwicklung des internen Transformators 102 angelegt wird. Eine Spannung von etwa V1/n tritt an der Sekundärwicklung des internen Transforma­ tors 102 auf, und ein Strom fließt von dem internen Trans­ formator 102 → Schaltelement 103b → Schaltelement 103d (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Diode) → inter­ ner Transformator 102. Der Stromwert läßt sich nach dem folgenden Ausdruck finden:

iL1 = V1 · t/Lh (9).

Im Ausdruck (9) steigt iL1 im Vergleich zum Ausdruck (2) etwa halb so schnell an, damit läßt sich ph verdoppeln, um iLx auf den gleichen Grad zu bringen, und die Regelung läßt sich im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel vereinfa­ chen.

Da die Primärschaltelemente 101b und 101c und das Sekun­ därschaltelement 103a im Abschnitt d eingeschaltet sind, fließt der Primärstrom von dem Primärglättungskondensator 21 → Schaltelement 101c → interner Transformator 102 → Schalt­ element 101b → Primärglättungskondensator 21. Der Sekundärstrom fließt von dem internen Transformator 102 → Schalt­ element 103c (in Verbindung mit dem Element vorgese­ hene Diode) → Schaltelement 103a → interner Transformator 102. Der Stromwert ist der gleiche wie im Ausdruck (9).

Im Regenerationsmodus sind die Primärschaltelemente 101b und die Sekundärschaltelemente 103a und 103d im Abschnitt g in Fig. 7 eingeschaltet; der Sekundärstrom fließt also von dem ersten Glättungskondensator 22 → Schaltelement 103a → inter­ ner Transformator 102 → Schaltelement 103d → Sekun­ därglättungskondensator 22. Der Primärstrom fließt von dem internen Transformator 102 → Schaltelement 101b → Schalt­ element 101d (in Verbindung mit dem Element vorgesehene Di­ ode) → interner Transformator 102. Der Stromwert läßt sich nach Ausdruck (9) finden.

Da das Primärschaltelement 101a und die Sekundärschaltele­ mente 103b und 103c im Abschnitt j eingeschaltet sind, fließt der Sekundärstrom von dem Sekundärglättungskondensa­ tor 22 → Schaltelement 103c → interner Transformator 102 → Schaltelement 103b → Sekundärglättungskondensator 22. Der Primärstrom fließt von dem internen Transformator 102 → Schalt­ element 101c (in Verbindung mit dem Element vorge­ sehene Diode) → Schaltelement 101a → interner Transforma­ tor 102. Der Stromwert ist der gleiche wie im Ausdruck (9).

Wie dies in Fig. 6 und 7 zu sehen ist, kehrt im Leistungs­ modus in den Abschnitten a und d kein Strom zu der Sekun­ därglättungsschaltung 22 zurück; im Regenerationsmodus kehrt in den Abschnitten g und j kein Strom zu der Pri­ märglättungsschaltung 21 zurück. Deshalb ist der Wellig­ keitsstrom des Elektrolytglättungskondensators für eine kleine Kapazität und eine lange Lebensdauer des Elektrolyt­ kondensators reduziert.

Ausführungsform 4

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isolati­ ons-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Er­ findung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 8 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer bezüg­ lich des Spannungsschleifenreglers 120a. Bei der Ausfüh­ rungsform 4 regelt der Spannungsschleifenregler 120a der­ art, daß das Verhältnis zwischen V1 und V2 konstantgehalten wird, was eine Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen Spannungsschleifenregler darstellt, der so regelt, daß V2 konstantgehalten wird.

Fig. 9(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der in­ ternen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120a zeigt. Dieser Spannungsschleifenregler 120a unterscheidet sich von dem in Fig. 34(a) gezeigten herkömmlichen Span­ nungsschleifenregler dadurch, daß er einen Spannungsver­ hältnisvervielfacher 123 zum Herausfinden eines Sekundär­ spannungssollwertes V2ref aus der Primärspannung V1 be­ sitzt. Hier ist das Verhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärspannung auf nk eingestellt, womit eine solche Re­ gelung vorgesehen ist, daß das Verhältnis zwischen der Primärspannung und der Sekundärspannung konstantgehalten wird.

Fig. 9(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120a in Fig. 9(a) darstellt. Im Schritt S1 wird die Primärspannung V1 eingegeben und durch nk dividiert, um im Schritt S2 den Sekundärspannungssoll­ wert V2ref herauszufinden. Als nächstes wird V2ref zur Abarbeitung der Schritt S101 bis S104 verwendet, die denje­ nigen bei dem in Fig. 34(b) gezeigten herkömmlichen Spannungsschleifenregler 120 ähnlich sind.

Im folgenden wird der Betrieb beschrieben.

Wie dies in Fig. 38(b) gezeigt ist, die die Kennlinien des herkömmlichen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungs­ umformers zeigt, besitzt der Transformatorstrom iL2 einen Spitzenwert, der in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwi­ schen der Primärspannung V1 und der Sekundärspannung V2 stark variiert. Der Spitzenwert wird minimal, wenn V1 = n · V2. Wird die Regelung dagegen als V1/n = V2ref durchgeführt (mit anderen Worten, V1/n : V2ref = 1 : 1), dann läßt sich der Spitzenwert bei V1 zu einem Zeitpunkt am stärksten sen­ ken. Dies bedeutet, daß die Regelung unter der Bedingung einer Spitzenstromunterdrückung durchgeführt werden kann, indem das Verhältnis nk der Primär- und der Sekundärspan­ nung zum Windungsverhältnis n des Transformators 102 einge­ stellt wird. Selbst wenn also beispielsweise die Regelung als nk = n 0,9 durchgeführt wird (mit anderen Worten V1/n : V2ref = 0,9 : 1), dann läßt sich im Vergleich zu einer Konstantregelung der Sekundärspannung ein übermäßiger Stromanstieg verhindern.

Ausführungsform 5

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 10 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer durch den Spannungsschleifenregler 120b. Bei der Ausfüh­ rungsform 5 regelt der Spannungsschleifenregler 120b der­ art, daß die Differenz zwischen V1/n und V2 konstant­ gehalten wird, was eine Verbesserung gegenüber dem herkömm­ lichen Spannungsschleifenregler darstellt, der so regelt, daß V2 konstantgehalten wird.

Fig. 11(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der in­ ternen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120b zeigt. Dieser Spannungsschleifenregler 120b unterscheidet sich von dem in Fig. 34(a) gezeigten herkömmlichen Span­ nungsschleifenregler dadurch, daß er eine Schaltung 124 zum Umformen in die Sekundärspannung aufweist, um die Primär­ spannung V1 in die Sekundärspannung umzuformen, wobei der Spannungsdifferenzsollwert ΔV* durch einen Addierer 125 zu der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspannung V1/n addiert wird, um einen Sekundärspannungssollwert V2ref her­ auszufinden, wodurch derart geregelt wird, daß die Diffe­ renz zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Pri­ märspannung und der Sekundärspannung konstantgehalten wird.

Fig. 11(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120b in Fig. 11(a) darstellt. Im Schritt S1 wird die Primärspannung V1 eingegeben, und die in die Sekundärspannung umgeformte Primärspannung V1/n und ΔV* werden addiert, um im Schritt S3 den Sekundärspan­ nungssollwert V2ref herauszufinden. Als nächstes wird V2ref zur Abarbeitung der Schritte S101 bis S104 verwendet, die denjenigen bei dem in Fig. 34(b) gezeigten herkömmlichen Spannungsschleifenregler 120 ähnlich sind.

Im folgenden wird der Betrieb beschrieben.

Wie dies bei der vierten Ausführungsform beschrieben wurde, besitzt der Transformatorstrom iL2 einen Spitzenwert, der in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der Primärspan­ nung V1 und der Sekundärspannung V2 stark variiert. Der Spitzenwert wird minimal, wenn V1 = n · V2. Wird die Rege­ lung dagegen als V1/n = V2ref durchgeführt, dann läßt sich der Spitzenstrom bei V1 zu einem Zeitpunkt am stärksten senken. Dies läßt sich bei der fünften Ausführungsform auf ähnliche Weise erreichen, indem ΔV* = 0 V eingestellt wird.

Selbst wenn beispielsweise ΔV* = 33,3 V eingestellt wird, dann läßt sich im Vergleich zu einer Konstantregelung der Sekundärspannung ein übermäßiger Stromanstieg verhindern.

Die folgenden Unterschiede bestehen zwischen der vierten und der fünften Ausführungsform:

Wird die Regelung bei der vierten Ausführungsform bei­ spielsweise mit nk = n · 0,9 und n = 2 durchgeführt, dann gilt:
wenn V1 = 600, V2ref = 333,3 V,
wenn V1 = 700, V2ref = 388,9 V,
wenn V1 = 500, V2ref = 277,8 V.

Andererseits gilt bei Einstellung von ΔV* = 33,3 V nach der Konstantdifferenzregelung bei der fünften Ausführungsform folgendes:
wenn V1 = 600, V2ref = 333,3 V,
wenn V1 = 700, V2ref = 383,3 V,
wenn V1 = 500, V2ref = 283,3 V.

Im Vergleich zur Konstantverhältnisregelung bei der vierten Ausführungsform wird der Änderungsbereich von V2ref bezüg­ lich der Änderung von V1 etwas enger.

Allerdings gilt V1/n : V2ref = 0,88 : 1 bei V1 = 500 V; im Vergleich zu 0,9 : 1 bei der vierten Ausführungsform steigt der Spitzenstrom an.

Um den Spitzenstrom teilweise und die Sekundärspannungsän­ derung auch nur wenig zu unterdrücken, wird bei der fünften Ausführungsform ein Regelungsverfahren angewendet, um die Differenz zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspannung konstantzuhalten. Zur zuverlässigen Unterdrückung des Spitzenstroms wird das Regelungsverfahren bei der vierten Ausführungsform angewen­ det, um das Verhältnis zwischen der Primär- und der Sekun­ därspannung konstantzuhalten.

Ausführungsform 6

Die Regelung wird beim herkömmlichen Beispiel derart durch­ geführt, daß V2 konstantgehalten wird, bei der vierten Aus­ führungsform derart, daß das Verhältnis zwischen V1 und V2 konstantgehalten wird, und bei der fünften Ausführungsform derart, daß die Differenz zwischen V1/n und V2 konstantge­ halten wird. Die sechste Ausführungsform der Erfindung sieht einen verbesserten Spannungsschleifenregler vor.

Bei einer Anwendung wie bei einem bidirektionalen Isolati­ ons-Gleichspannungsumformer, wo eine Sekundärspannung kon­ stantgehalten werden muß, kann die Regelung derart durchge­ führt werden, daß die Sekundärspannung wie bei dem herkömm­ lichen Beispiel konstantgehalten wird. In diesem Fall ver­ ursacht die Primärspannung einen Anstieg des Spitzenstroms, wie dies in Fig. 38(b) gezeigt ist. Der Spitzenstrom kann dann durch die Konstantspannungsverhältnisregelung bei der vierten Ausführungsform oder durch die Konstantspannungs­ differenzregelung der fünften Ausführungsform unterdrückt werden. Allerdings berührt bei der vierten und fünften Aus­ führungsform eine Änderung der Primärspannung direkt die Sekundärspannung, und es ergeben sich Probleme bei einer Anwendung, wo die Regelung so durchgeführt werden soll, daß die Sekundärspannung konstantgehalten wird. Bei der sech­ sten Ausführungsform wird dann in Abhängigkeit von dem Be­ triebszustand die Konstantsekundärspannungsregelung, die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Se­ kundärspannung umgeformte Primärspannung und der Sekundär­ spannung zur Verwendung ausgewählt. Als Ergebnis wird damit die Regelung derart durchgeführt, daß die Sekundärspannung im tatsächlichen Betriebszustand konstantgehalten wird, und die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhält­ nisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der Pri­ märspannung, in die die Sekundärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung wird durchgeführt, wenn der Spit­ zenstrom unterdrückt werden soll.

Als nächstes wird der Betrieb der Ausführungsform erläu­ tert. Hier ist ein Beispiel angegeben, bei dem die Kon­ stantsekundärspannungsregelung und die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses nach der Schaltele­ menttemperatur eines bidirektionalen Isolations-Gleichspan­ nungsumformers geändert werden.

Fig. 12 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 12 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten Gleichspannungsumformer durch die Verwen­ dung eines Temperaturdetektors 126 und eines Spannungs­ schleifenreglers 120c. Fig. 13(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der internen Konfiguration des Spannungs­ schleifenreglers 120c zeigt. Dieser Spannungsschleifenreg­ ler 120c unterscheidet sich von dem in Fig. 34(a) gezeigten herkömmlichen Spannungsschleifenregler dadurch, daß er einen Spannungsverhältnisvervielfacher 123 zum Herausfinden eines Sekundärspannungssollwertes V2ref aus der Primärspan­ nung V1, eine Temperaturbestimmungsschaltung 127 zum Ver­ gleich der von dem Temperaturdetektor 126 in Fig. 12 einge­ gebenen Schaltelementtemperatur th mit der Einstelltempera­ tur th0 zum Bestimmen einer Größer-Als-, Gleich- oder Klei­ ner-Als-Beziehung zwischen den Temperaturen th und th0 so­ wie Schalter 128a und 128b zum Schalten der Regelung in Re­ aktion auf einen Ausgang der Temperaturbestimmungsschaltung 127 besitzt, wodurch die Konstantsekundärspannungsregelung und die Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses in Reaktion auf die Schalt­ elementtemperatur th geändert werden kann.

Fig. 13(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120c in Fig. 13(a) darstellt. Im Schritt S4 wird die Schaltelementtemperatur th eingegeben und im Schritt S5 mit th0 verglichen. Ist die Schaltele­ menttemperatur th höher als die Einstelltemperatur th0, dann werden im Schritt S6 der Schalter 128a ausgeschaltet und der Schalter 128b eingeschaltet. Ist die Schaltelement­ temperatur th andererseits niedriger als die Einstelltempe­ ratur th0, dann werden im Schritt S7 der Schalter 128a ein­ geschaltet und der Schalter 128b ausgeschaltet. Geht die Regelung zum Schritt S6, dann wird die Regelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses durchgeführt. Dann wird im Schritt S8 die Primärspannung V1 eingegeben und im Schritt S9 durch das Zielspannungsverhältnis nk dividiert, um den Sekundärspannungssollwert V2ref herauszufinden. Geht die Regelung zum Schritt S7, dann wird die Konstantsekundär­ spannungsregelung durchgeführt. Dann wird im Schritt S10 der Sekundärspannungszielwert V2* (Festwert) als Sekundär­ spannungssollwert V2ref zugeteilt. Damit variiert die Se­ kundärsollspannung in Abhängigkeit von der Schaltelement­ temperatur th. Als nächstes wird V2ref zur Abarbeitung der Schritte S101 bis S104 verwendet, die denjenigen bei dem in Fig. 34(b) gezeigten Spannungsschleifenregler 120 ähnlich sind.

Ist also die Schaltelementtemperatur in dem bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer hoch, dann wird der Strom zur Unterdrückung einer Temperaturerhöhung so stark wie möglich unterdrückt, wodurch ein Durchbruch der Schalt­ elemente in dem bidirektionalen Gleichspannungsumformer aufgrund der Erwärmung verhindert wird. Ist die Schaltele­ menttemperatur in dem bidirektionalen Gleichspannungsumfor­ mer niedrig, dann kann die Sekundärspannung konstantgehal­ ten werden, obwohl der Spitzenstrom ziemlich hoch wird.

Ausführungsform 7

Bei der sechsten Ausführungsform wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand die Konstantsekundärspannungsregelung, die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Se­ kundärspannung umgewandelten Primärspannung und der Sekun­ därspannung zur Verwendung ausgewählt. Die siebte Ausfüh­ rungsform der Erfindung sieht einen verbesserten Spannungs­ schleifenregler vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Übertragungsleistung für den Betriebszustand der Regel­ schaltung verwendet wird.

Bei der sechsten Ausführungsform wird die Schaltelementtem­ peratur als Beispiel eines Kriteriums für die Regelschalt­ bestimmung verwendet; allerdings läßt sich die Schaltele­ mentübergangstemperatur häufig nicht genau erfassen, und die Gehäusetemperatur oder ähnliches wird statt dessen ver­ wendet. Wird also durch eine rasche Laständerung oder ähn­ liches ein abrupter Temperaturanstieg bewirkt, wobei ange­ nommen wird, daß die Übergangstemperatur niedrig ist, dann führt dies zur thermischen Zerstörung. Die siebte Aus­ führungsform ist dann in der Lage, nach der Übertragungs­ leistung bei niedriger Last die Konstantsekundärspannungs­ regelung oder bei hoher Last die Konstantregelung des Pri­ mär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdiffe­ renzregelung zwischen der in die Sekundärspannung umgeform­ ten Primärspannung und der Sekundärspannung durchzuführen.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Hier wird ein Bei­ spiel gegeben, bei dem die Konstantsekundärspannungsrege­ lung und die Konstantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Sekundär­ übertragungsleistung eines bidirektionalen Isolations- Gleichspannungsumformers geändert werden.

Fig. 14 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 14 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer durch den Spannungsschleifenregler 120d. Fig. 15(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der internen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120d zeigt. Dieser Spannungs­ schleifenregler 120d unterscheidet sich von dem in Fig. 13(a) gezeigten Spannungsschleifenregler der sechsten Aus­ führungsform dadurch, daß er eine Sekundärstrommittelwert­ schaltung 129, einen Leistungsdetektor 130 und eine Lei­ stungsbestimmungsschaltung 131 zum Umschalten der Schalter 128a und 128b zum Schalten der Regelung in Reaktion auf die Sekundärleistung aufweist, wodurch die Konstantsekundär­ spannungsregelung und die Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses in Reaktion auf die Sekun­ därübertragungsleistung geregelt werden kann.

Fig. 15(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120d von Fig. 15(a) darstellt. Im Schritt S11 wird der Sekundärstrom i2 eingegeben, im Schritt S12 wird ein Mittelwert I2 des Sekundärstroms i2 herausgefunden, im Schritt S13 wird die Sekundärspannung V2 eingegeben, und im Schritt S14 wird die Sekundärübertra­ gungsleistung P gefunden. Als nächstes wird im Schritt S15 die Übertragungsleistung P mit der Einstelleistung P0 ver­ glichen. Ist die Übertragungsleistung höher als die Ein­ stelleistung, dann werden im Schritt S6 der Schalter 128a ausgeschaltet und der Schalter 128b eingeschaltet. Ist an­ dererseits die Übertragungsleistung P niedriger als die Ein­ stelleistung P0, dann werden im Schritt S7 der Schalter 128 eingeschaltet und der Schalter 128b ausgeschaltet. Geht die Regelung zum Schritt S6, dann wird die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses durchgeführt. Dann wird im Schritt S8 die Primärspannung V1 eingegeben und im Schritt S9 durch das Zielspannungsverhältnis nk dividiert, um den Sekundärspannungssollwert V2ref zu finden. Geht die Regelung zum Schritt S7, dann wird die Sekundärspannungsre­ gelung durchgeführt. Danach wird im Schritt S10 der Sekun­ därspannungszielwert V2* (Festwert als Sekundärspannungs­ sollwert V2ref) zugewiesen. Die Sekundärsollspannung vari­ iert also in Abhängigkeit von der Übertragungsleistung P. Als nächstes wird V2ref zur Abarbeitung der Schritte S101 bis S104 verwendet, die denjenigen bei dem in Fig. 34(b) gezeigten herkömmlichen Spannungsschleifenregler 120 ähn­ lich sind.

Verursacht also eine rasche Laständerung einen Anstieg der Übertragungsleistung, dann wird die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses durchgeführt, um den Spitzenstrom zu unterdrücken, so daß ein Temperaturanstieg und damit die thermische Zerstörung sofort verhindert wird.

Ist die Übertragungsleistung in dem bidirektionalen Gleich­ spannungsumformer niedrig, dann läßt sich die Sekun­ därspannung konstanthalten, obwohl der Spitzenstrom ziem­ lich hoch wird.

Ausführungsform 8

Bei der sechsten Ausführungsform wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand die Konstantsekundärspannungsregelung, die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Se­ kundärspannung umgewandelten Primärspannung und der Sekun­ därspannung zur Verwendung ausgewählt. Die achte Ausfüh­ rungsform der Erfindung sieht einen verbesserten Spannungs­ schleifenregler vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Primärspannung für den Betriebszustand der Regelschal­ tung verwendet wird.

Ändert sich die Stromversorgungsspannung stark, beispiels­ weise, wenn der Strom eingeschaltet wird oder anormal ist, dann steigt der Spitzenstrom nach Fig. 38(b), die bei dem herkömmlichen Beispiel erläutert wurde, wenn die Kon­ stantsekundärspannungsregelung durchgeführt wird. Bei der achten Ausführungsform wird dann, wenn die Primärspannung V1 niedriger als ein unterer Einstellgrenzwert V1n oder hö­ her als ein oberer Einstellgrenzwert V1p ist, die Konstant­ regelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Sekundär­ spannung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspan­ nung durchgeführt; normalerweise wird die Konstantsekundärspannungsregelung durchgeführt.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Hier wird ein Bei­ spiel gegeben, bei dem die Konstantsekundärspannungsrege­ lung in Abhängigkeit von der Primärspannung eines bidirek­ tionalen Isolations-Gleichspannungsumformers mit der Kon­ stantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses abwechselt.

Fig. 16 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 16 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer durch den Spannungsschleifenregler 120e. Fig. 17(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der internen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120e zeigt. Dieser Spannungs­ schleifenregler 120e unterscheidet sich von dem in Fig. 13(a) gezeigten Spannungsschleifenregler der sechsten Aus­ führungsform dadurch, daß er eine Leistungsbestim­ mungsschaltung 132 zum Umschalten der Schalter 128a und 128b zum Schalten der Regelung in Reaktion auf die Primär­ spannung aufweist, wodurch die Konstantsekundärspan­ nungsregelung mit der Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses in Reaktion auf die Primärspan­ nung abgewechselt werden kann.

Fig. 17(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120e von Fig. 17(a) darstellt. Im Schritt S16 wird die Primärspannung V1 eingegeben und im Schritt S17 mit der unteren Grenzeinstellspannung V1n und der oberen Grenzeinstellspannung V1p verglichen. Ist V1 niedriger als V1n oder höher als V1p, dann werden im Schritt S6 der Schalter 128a ausgeschaltet und der Schalter 128b eingeschaltet. Ist andererseits V1 höher als Vf1a und kleiner als V1p, dann werden im Schritt S7 der Schalter 128a eingeschaltet und der Schalter 128b ausgeschaltet. Geht die Regelung zum Schritt S6, dann wird die Konstant­ regelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses durch­ geführt. Dann wird im Schritt S8 die Primärspannung V1 ein­ gegeben und im Schritt S9 durch das Zielspannungsverhältnis nk dividiert, um den Sekundärspannungssollwert V2ref zu finden. Geht die Regelung zum Schritt S7, dann wird die Sekundärspannungsregelung durchgeführt. Danach wird im Schritt S10 der Sekundärspannungszielwert V2* (Festwert) als Sekundärspannungssollwert V2ref zugewiesen. Die Sekun­ därsollspannung variiert also in Abhängigkeit von der Pri­ märspannung V1. Als nächstes wird V2ref zur Abarbeitung der Schritte S101 bis S104 verwendet, die denjenigen bei dem in Fig. 34(b) gezeigten herkömmlichen Spannungsschleifenregler 120 ähnlich sind.

Wird also der Strom eingeschaltet oder ist anormal, dann steigt der Transformatorspitzenstromwert selbst dann nicht übermäßig an, wenn sich die Primärspannung V1 stark ändert, und die Sekundärspannung kann normalerweise konstantgehal­ ten werden.

Ausführungsform 9

Wird bei der sechsten Ausführungsform in Abhängigkeit vom Betriebszustand die Konstantsekundärspannungsregelung, die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Se­ kundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekun­ därspannung zur Verwendung ausgewählt, dann wird unabhängig von der ausgewählten Regelmethode die gleiche Verstärkung K verwendet. Die neunte Ausführungsform der Erfindung sieht einen verbesserten Spannungsschleifenregler vor, der da­ durch gekennzeichnet ist, daß die Verstärkung in Reaktion auf die ausgewählte Regelmethode geändert wird.

Wird die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungs­ verhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspannung durchgeführt und enthält dabei die Primärspannung eine Welligkeit, dann enthält die Sekun­ därspannung ebenfalls eine Welligkeit. Die Welligkeit kann in Abhängigkeit von der Last zu einem Problem werden oder nicht. Selbst wenn sich allerdings für die Last kein Pro­ blem ergibt, dann kann bei Erhöhung der Verstärkung die in dem Sollwert enthaltene Welligkeit eine Schwingung des Transformatorstroms des bidirektionalen Isolations-Gleich­ spannungsumformers bewirken, wodurch der Spitzenstrom er­ höht wird und die Schaltelemente des bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers zerstört werden.

Die Verstärkung muß also unterdrückt werden, so daß sie nicht auf die Welligkeit reagiert. Andererseits beeinträch­ tigt die Primärspannungswelligkeit bei der Konstantsekun­ därspannungsregelung nicht den Sollwert, und die Verstär­ kung kann erhöht werden, um im Vergleich zur Konstantrege­ lung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder der Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Sekundärspan­ nung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspannung eine schnelle Spannungsschleifenreaktion zu liefern.

Wird die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungs­ verhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspannung nur dann durchgeführt, wenn der Strom eingeschaltet wird oder anormal ist, wie dies bei der ach­ ten Ausführungsform beschrieben wurde, dann wird die nied­ rige Verstärkung K1 nur zu diesem Zeitpunkt verwendet. Die hohe Verstärkung K2 wird zur Durchführung einer schnellen Spannungsschleifenreaktion verwendet, wenn die Konstantse­ kundärspannungsregelung während des Normalbetriebs durchge­ führt wird.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Hier wird ein Bei­ spiel gegeben, bei dem die Konstantsekundärspannungs­ regelung in Abhängigkeit von der Primärspannung eines bidi­ rektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers mit der Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses abwechselt, die niedrige Verstärkung K1 für die Konstantre­ gelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses verwendet wird und die hohe Verstärkung K2 für die Konstantsekundär­ spannungsregelung verwendet wird.

Fig. 18 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 18 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer durch den Spannungsschleifenregler 120f. Fig. 19(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der internen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120f zeigt. Dieser Spannungs­ schleifenregler 120f unterscheidet sich von dem in Fig. 17(a) gezeigten Spannungsschleifenregler der achten Ausfüh­ rungsform dadurch, daß er eine Spannungsschleifen­ verstärkungsschaltung 122a besitzt, die für die Konstant­ regelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses ver­ wendet wird, sowie eine für die Konstantsekundärspannungs­ regelung verwendete Spannungsschleifenverstärkungsschaltung 122b besitzt, auf die die Schalter 128a und 128b zum Schal­ ten der Regelung folgen, wodurch die Konstantsekun­ därspannungsregelung und die Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses in Reaktion auf die Primär­ spannung umgeschaltet werden und ferner die Verstärkung in Abhängigkeit von der gewählten Regelmethode geändert werden kann.

Fig. 19(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120f von Fig. 19(a) darstellt. Im Schritt S18 wird die Sekundärspannung V2 eingegeben, und im Schritt S19 wird die Primärspannung V1 eingegeben und im Schritt S20 mit der oberen Grenzeinstellspannung V1n und der oberen Grenzeinstellspannung V1p verglichen. Ist V1 niedriger als V1n oder höher als V1p, dann werden im Schritt S6 der Schalter 128a ausgeschaltet und der Schalter 128b eingeschaltet. Ist dagegen V1 höher als V1n und nied­ riger als V1p, dann werden im Schritt S7 der Schalter 128a eingeschaltet und der Schalter 128b ausgeschaltet. Geht die Regelung zum Schritt S6, dann wird die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses durchgeführt. Dann wird die Primärspannung V1 im Schritt S9 durch das Ziel­ spannungsverhältnis nk dividiert, um den Sekundärspannungs­ sollwert V2ref zu finden, die Sekundärspannung V2 wird im Schritt S21 von dem Sekundärspannungssollwert V2ref subtra­ hiert, um die Spannungsabweichung V2er zu finden, und die Spannungsabweichung V2er wird im Schritt S22 mit der nied­ rigen Verstärkung K1 multipliziert, um eine Phasendifferenz ph zu finden. Geht die Regelung zum Schritt S7, dann wird die Konstantsekundärspannungsregelung durchgeführt. Danach wird im Schritt S10 der Sekundärspannungszielwert V2* (Festwert) als Sekundärspannungssollwert V2ref zugewiesen, und im Schritt S24 wird die Spannungsabweichung V2er mit der hohen Verstärkung multipliziert, um eine Phasendiffe­ renz ph zu finden. Die Phasendifferenz variiert also in Ab­ hängigkeit von der Primärspannung V1. Als nächstes wird die Phasendifferenz im Schritt S104 ausgegeben.

Wird also die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspan­ nungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwi­ schen der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspan­ nung und der Sekundärspannung durchgeführt, dann kann ver­ hindert werden, daß die Primärspannungswelligkeit eine Schwingung des Transformatorstroms des bidirektionalen Iso­ lations-Gleichspannungsumformers verursacht, wird die Konstantsekundärspannungsregelung durchgeführt, dann kann die Verstärkung angehoben werden, um eine schnelle Reaktion zu liefern.

Ausführungsform 10

Wird bei der sechsten Ausführungsform in Abhängigkeit vom Betriebszustand die Konstantsekundärspannungsregelung, die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Se­ kundärspannung umgewandelten Primärspannung und der Sekun­ därspannung zur Verwendung ausgewählt, dann kann sich der Sekundärspannungssollwert abrupt ändern. Die zehnte Aus­ führungsform der Erfindung sieht einen verbesserten Span­ nungsschleifenregler vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß sich der Sekundärspannungssollwert glatt ändert, wenn die Regelmethode ausgewählt wird.

Ein Experiment zeigt, daß bei einem raschen Anstieg des Se­ kundärspannungssollwerts der Transformatorstrom momentan ansteigt, er aber nicht ansteigt, wenn der Sekundär­ spannungssollwert rasch abfällt. Ist die Primärspannung niedrig, wenn die Konstantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisses durchgeführt wird und auf die Kon­ stantsekundärspannungsregelung umgeschaltet wird, oder wenn die Primärspannung hoch ist, wenn die Konstantsekundär­ spannungsregelung durchgeführt wird und auf die Konstant­ regelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses umge­ schaltet wird, dann kann ein rascher Anstieg des Sekun­ därspannungssollwertes auftreten. Um dies zu vermeiden, wird der Maximalwert der Sollwertänderungssteigung be­ stimmt.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Hier wird ein Bei­ spiel gegeben, bei dem die Konstantsekundärspannungs­ regelung in Abhängigkeit von der Primärspannung eines bidi­ rektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers mit der Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses abwechselt. Der Einfachheit halber wird in dem Beispiel eine rasche Änderung des Sekundärspannungssollwertes unter­ drückt, wenn die Konstantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisses bei niedriger Primärspannung zur Konstantsekundärspannungsregelung umgeschaltet wird.

Fig. 20 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 20 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer durch den Spannungsschleifenregler 120g.

Fig. 21(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der in­ ternen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120g zeigt; dieser ist teilweise softwaremäßig vorgesehen. Der Spannungsschleifenregler 120g unterscheidet sich von dem in Fig. 17(a) gezeigten Spannungsschleifenregler der achten Ausführungsform dadurch, daß er eine 1-Abtastverzögerungs­ schaltung 133 zur Ausgabe des unmittelbar vorhergehenden Ab­ tastwerts des Sekundärspannungssollwertes V2ref sowie eine Schaltung 134 zum Begrenzen der Sollwertänderungssteigung aufweist, um bei Empfang eines Ausgangssignals der 1- Abtastverzögerungsschaltung 133 eine rasche Änderung des Sollwerts abzudämpfen, wodurch eine rasche Änderung des Sekundärspannungssollwerts unterdrückt werden kann, wenn die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhält­ nisses bei niedriger Primärspannung in die Konstant­ sekundärspannungsregelung umgeschaltet wird.

Fig. 21(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120g von Fig. 21(a) darstellt. Abge­ sehen von den Schritten S25 oder S26 handelt es sich um das gleiche Flußdiagramm wie in Fig. 17(b) bei der achten Aus­ führungsform. Diese Schritte werden im folgenden erläutert. Wird die Primärspannung V1, die etwas niedriger als der un­ tere Einstellgrenzwert V1n ist, etwas höher als V1n, dann wird der Sekundärspannungssollwert V2ref, der bei der ach­ ten Ausführungsform als V1/nk bestimmt wird, zu V2* und steigt rasch an. Die in Fig. 21(b) gezeigten Schritte S25 und S26 werden abgearbeitet, um dies zu verhindern. Ändert sich V2ref von V1/nk zu V2*, dann wird die beim vorherge­ henden Abtasten erhaltene Differenz zwischen V2* und V2ref im Schritt S25 mit dem maximalen Änderungsbetrag der Soll­ spannung, ΔV2max, verglichen. Ist der erste Wert höher als der letztere, dann wird der Schritt S26 abgearbeitet, ist der erste kleiner oder gleich dem letzteren, dann wird der Schritt S10 abgearbeitet. Im Schritt S26 wird ΔV2max zu V2ref addiert, das eine Abtastperiode vorher erhalten wurde, um ein neues V2ref bereitzustellen.

Werden also die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspan­ nungsverhältnisses und die Konstantsekundärspannungs­ regelung vertauscht, dann läßt sich verhindern, daß sich der Sekundärspannungssollwert rasch ändert, um eine Erhö­ hung des Transformatorstromspitzenwerts des bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers zu unterdrücken.

Bei der zehnten Ausführungsform wurde der Einfachheit hal­ ber nur das Beispiel erläutert, bei dem die Konstantrege­ lung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses gegen die Konstantsekundärspannungsregelung ausgetauscht wurde, wenn die Primärspannung niedrig ist. Wird allerdings die Kon­ stantsekundärspannungsregelung zur Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses geändert, wenn die Primärspannung hoch ist, oder in die Konstantdifferenzrege­ lung zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Pri­ märspannung und der Sekundärspannung und nicht in die Kon­ stantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses, dann kann eine rasche Änderung des Sekundärspannungssoll wertes ebenfalls verhindert werden, indem der Spitzenwert durch eine ähnliche Methode unterdrückt wird.

Ausführungsform 11

Wir haben bereits bei der vierten Ausführungsform die Kon­ stantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses und bei der fünften Ausführungsform die Konstantdifferenz­ regelung zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspannung erörtert; enthält die Primärspannung allerdings eine Welligkeit, dann verur­ sacht die Erhöhung der Verstärkung die Schwingung des Transformatorstroms des bidirektionalen Isolations-Gleich­ spannungsumformers, wie dies bei der neunten Ausführungs­ form beschrieben wurde. Die elfte Ausführungsform sieht dann einen verbesserten Spannungsschleifenregler vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein Filter aufweist, das die Welligkeit des Primärspannungserfassungswerts bei der Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder der Konstantdifferenzregelung zwischen der in die Se­ kundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekundär­ spannung dämpfen kann, wodurch der Transformatorstrom des bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers selbst dann nicht schwingt, wenn die Verstärkung erhöht wird.

Zur Unterdrückung der Schwingung des Transformatorstroms des bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformers kann eine niedrige Verstärkung verwendet werden, oder die Verstärkung braucht nur vermindert zu werden, wie dies bei der neunten Ausführungsform beschrieben wurde. Allerdings würde dies zu einer langsamen Reaktion der Spannungs­ schleife führen, womit eine Laständerung usw. zu einer starken Änderung der Sekundärspannung führen würde. Bei der neunten Ausführungsform wird bei Normalbetrieb die Kon­ stantsekundärspannungsregelung durchgeführt, wodurch die Verstärkung angehoben wird, um eine schnelle Spannungs­ schleifenreaktion durchzuführen. Allerdings würde dies zu einem ziemlich hohen Spitzenstrom führen, wenn sich die Primärspannung ändert. Die elfte Ausführungsform der Erfin­ dung eignet sich zur Anhebung der Verstärkung, um eine schnelle Spannungsschleifenreaktion zu erreichen, während der Spitzenstrom im Vergleich zur Konstantsekundärspan­ nungsregelung soweit wie möglich unterdrückt wird.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Hier wird ein Bei­ spiel gegeben, bei dem nur die Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses durchgeführt wird.

Fig. 22 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 22 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer durch den Spannungsschleifenregler 120h. Fig. 23(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der internen Konfiguration des Spannungsschleifenreglers 120h zeigt. Dieser Span­ nungsschleifenregler 120h unterscheidet sich von dem in Fig. 9(a) gezeigten Spannungsschleifenregler der vierten Ausführungsform dadurch, daß er eine Filterschaltung 135 besitzt, die in der Lage ist, eine erfaßte Welligkeit der Primärspannung V1 zu dämpfen, wodurch selbst dann, wenn die Primärspannung V1 eine Welligkeit enthält, die Verstärkung angehoben werden kann, um für eine schnelle Spannungs­ schleifenreaktion zu sorgen, ohne daß der Transformator­ strom des bidirektionalen Gleichspannungsumformers schwingt.

Fig. 23(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120h von Fig. 23(a) darstellt. Es handelt sich um das gleiche Fußdiagramm wie in Fig. 9(b) bei der vierten Ausführungsform, abgesehen vom Schritt S27, bei dem eine erfaßte Primärspannungswelligkeit gedämpft wird. Ist hier die Primärseite des bidirektionalen Isolati­ ons-Gleichspannungsumformers ein Dreiphasen-Vollweggleich­ richter und die Stromversorgungsfrequenz 60 Hz, dann kann das Filter ein Filter sein, das in der Lage ist, eine 360- Hz-Frequenzkomponente zu dämpfen.

Ein Experiment wurde unter Verwendung eines Verzögerungs­ filters erster Ordnung als Filterschaltung durchgeführt, das in der Lage war, 360 Hz zu dämpfen. Bei dem Experiment trat keine Schwingung des Transformatorstroms auf, und es ergab sich ein gutes Ergebnis, wenn auch die Verstärkung etwas angehoben ist.

Ausführungsform 12

Ein Strom steigt proportional zu der Summe der Primärspan­ nung und der in einem Phasenüberlappungsabschnitt in die Primärspannung umgeformten Sekundärspannung (V1 + n · V2) nach dem bei der zweiten Ausführungsform beschriebenen Aus­ druck (2) an. Überlappen sich die Phasen nicht, dann steigt der Strom proportional zur Differenz zwischen der Primär­ spannung und der in die Primärspannung umgeformten Sekun­ därspannung (V1 - n · V2) an, wie dies im Ausdruck (3) ge­ zeigt ist. Es sei nun angenommen, daß die Differenz zwi­ schen der Primärspannung und der in die Primärspannung um­ geformten Sekundärspannung groß ist, dann steigt der Strom nicht nur in Phasenüberlappungsabschnitten an, sondern auch in Abschnitten, in denen sich keine Phasen überlappen; im Ergebnis wird der Spitzenstrom hoch. Dies bedeutet, daß der Spitzenstrom zwangsläufig hoch wird, wenn die Differenz zwischen der Primärspannung und der in die Primärspannung umgeformten Sekundärspannung hoch ist.

Die zwölfte Ausführungsform der Erfindung sieht eine ver­ besserte Spannungsschleifenregelschaltung und einen verbes­ serten Schaltelementregler vor, wobei dann, wenn der Be­ trieb mit dem eingestellten Maximalspitzenstrom abläuft, die Differenz zwischen der Primärspannung und der in die Primärspannung umgeformten Sekundärspannung stets überwacht wird, aus der Spannungsdifferenz und der Streuinduktivität die maximale Pulsweite berechnet wird, die erforderlich ist, damit der Strom zum maximalen Einstellspitzenstrom wird, und die Pulsbreite stets unter der maximalen Puls­ breite liegt.

Nach dem Ausdruck (3) beträgt die Zeit Tmax, die der Pri­ märstrom iL1 braucht, um zum maximalen Primäreinstellstrom­ wert Ipeak zu werden:

Tmax = (Ipeak - IL1x) · LH/|(V1 - n · V2)| (10).

Wird hier die Pulsbreite verengt, dann wird die Phasenüber­ lappungszeit eliminiert, und der von der Phasenüberlappung bewirkte Strom IL1x wird zu null. Deshalb ändert sich der Ausdruck (10) wie folgt:

Tmax = (Ipeak · Lh/|(V1 - n · V2)| (11).

Ist (V1 - n · V2) negativ, dann wird Tmax negativ, da Ipeak positiv ist. Um eine solche Bedingung zu vermeiden, wird in den Ausdrücken (10) und (11) der Absolutwert von (V1 - n · V2) angenommen.

Unter der Annahme, daß die Schaltperiode T ist, wird beim normalen Phasendifferenzregelbetrieb die Pulsbreite T/2, da die NUTZARBEIT 50% ist. Da zu diesem Zeitpunkt |(V1 - n · V2)| klein ist, wird Tmax groß, und T/2 überschreitet nicht Tmax. Wird allerdings der Strom eingeschaltet oder fällt die Spannung ab, dann wird |(V1 - n · V2)| hoch, damit wird Tmax klein, und T/2 überschreitet Tmax. Dies bedeutet, daß ein Strom von Ipeak oder höher fließt. Überschreitet T/2 Tmax, dann ist die Pulsbreite durch Tmax begrenzt, wodurch verhindert wird, daß ein Einstellstrom Ipeak oder mehr fließt.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Hier wird ein Bei­ spiel angegeben, wie die Pulsbreite begrenzt wird, wenn |(V1 - n · V2)| bei der Konstantsekundärspannung hoch wird.

Fig. 24 ist ein Blockdiagramm eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. D.h., der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer von Fig. 24 unterscheidet sich von dem in Fig. 32 gezeigten herkömmlichen Gleichspannungsumformer durch einen Schaltelementregler 110i und einen Spannungs­ schleifenregler 120i.

Fig. 25(a) ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der in­ ternen Konfiguration des Schaltelementreglers 110i zeigt. Fig. 25(b) ist ein Zeitsteuerdiagramm des Schaltele­ mentreglers. In Fig. 25(a) bezeichnet die Bezugsziffer 117 einen Dreieckwellengenerator zur Ausgabe einer Dreieckwelle im Bereich von 0 bis 1, die Bezugsziffer 118 bezeichnet einen Wechselrichter zum Invertieren eines Ausgangs des Dreieckwellengenerators 117, die Bezugsziffern 119a und 119b sind PWM-Schaltungen, und die Bezugsziffern 112a und 112b bezeichnen Phasenschieberschaltungen. Der Schaltele­ mentregler 110i unterscheidet sich von dem in Fig. 33 ge­ zeigten Schaltelementregler 110 des herkömmlichen Beispiels dadurch, daß die Pulsbreite in Reaktion auf den DU (Nutz­ arbeitseingang) begrenzt werden kann. Ist DU beispielsweise DU = 0,5, dann wird das gleiche Signal wie bei dem herkömm­ lichen Beispiel an das Schaltelement ausgegeben. In Fig. 25(b) ist gezeigt, daß die Pulsbreite in Reaktion auf DU klein wird, wenn DU kleiner als 0,5 ist. Die Phasen­ verschiebung ist die gleiche wie bei dem herkömmlichen Bei­ spiel.

Als nächstes ist Fig. 26(a) ein Blockdiagramm, das ein Bei­ spiel der internen Konfiguration des Spannungsschleifenreg­ lers 120i zeigt, wobei die Bezugsziffer 136 eine Schaltung zur Umformung in die Primärspannung zum Umformen der Sekun­ därspannung in die Primärspannung ist, die Bezugsziffer 137 bezeichnet eine Maximalnutzbarkeitsberechnungsschaltung zur Eingabe der Differenz zwischen der Primärspannung und der in die Primärspannung umgeformten Sekundärspannung und zum Berechnen der maximalen Nutzarbeit, damit der Strom der ma­ ximale Einstellstrom Ipeak wird, und die Bezugsziffer 138 ist eine Auswahlschaltung zum Vergleich eines Ausgangs der Maximalnutzarbeitsberechnungsschaltung 137, DUmax, mit 0,5 und zur Ausgabe von DU = 0,5, wenn Dumax ist größer oder gleich 0,5; ansonsten zur Ausgabe von DU = Dumax.

Fig. 26(b) ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb des Span­ nungsschleifenreglers 120i von Fig. 26(a) darstellt. Im Schritt S28 wird die Sekundärspannung V2 eingegeben, im Schritt S29 wird die Abweichung V2er zwischen dem zweiten Spannungszielwert V2* und der Sekundärspannung V2 herausge­ funden, und im Schritt S30 wird die Phasendifferenz ph her­ ausgefunden. Allerdings ist die Phasendifferenz temporär. Die Schritte S28 bis 30 sind die gleichen wie bei der her­ kömmlichen Konstantsekundärspannungsregelung. Als nächstes wird im Schritt S31 die Primärspannung V1 eingegeben, und im Schritt S32 wird die maximale Nutzarbeit Dumax berech­ net, indem Tmax, das im Ausdruck (11) gefunden wurde, durch die Schaltperiode T dividiert wurde, also wie in:

Dumax = Ipeak · Lh/(T · |(V1 - n · V2)|) (12).

Als nächstes wird im Schritt S33 Dumax mit 0,5 verglichen. Ist Dumax größer oder gleich 0,5, dann wird DU im Schritt S34 auf 0,5 eingestellt, und ph wird im Schritt S35 auf php eingestellt. Der Weg über die Schritte S34 und 35 ist der gleiche wie bei der herkömmlichen Konstantsekundärspan­ nungsregelung. Ist Dumax dagegen kleiner als 0,5, dann wird DU im Schritt S36 auf Dumax eingestellt, und ph wird im Schritt S37 auf 0 eingestellt. Ist die Differenz zwischen der Primärspannung und der in die Primärspannung umgeform­ ten Sekundärspannung groß, dann wird der Weg über die Schritte S36 und S37 genommen, um die Pulsbreite so zu be­ grenzen, daß der Spitzenstrom nicht erhöht wird. Auf jedem Wege werden DU und ph bestimmt, und DU wird dann im Schritt S38 und ph im Schritt S39 ausgegeben.

Nur wenn also die Differenz zwischen der Primärspannung und der in die Primärspannung umgeformten Sekundärspannung hoch ist, wird die Pulsbreite in Reaktion auf die Differenz be­ grenzt, wodurch verhindert wird, daß der Spitzenstrom an­ steigt, wenn die Spannungsdifferenz groß wird.

Ausführungsform 13

Fig. 27 ist ein Blockdiagramm eines Umformerabschnitts mit der Funktion eines bidirektionalen Isolations-Gleichspan­ nungsumformers einer Ausführungsform der Erfindung. Es han­ delt sich um ein Blockdiagramm, das eine Verbesserung bei der dreizehnten Ausführungsform zeigt, die dem Umformerab­ schnitt 31 mit der Funktion eines bidirektionalen Isolati­ ons-Gleichspannungsumformers der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform entspricht. Der in Fig. 32 gezeigte bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer 100 wird als bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer 33 verwendet. Eine Abschaltschaltung 36 zum Abschalten der Spannung der Eingangsstromversorgung 1 und ein Startsi­ gnalablaufregler 37 sind hinzugefügt, um den Betriebsablauf des Umformers mit der Funktion eines bidirektionalen Isola­ tions-Gleichspannungsumformers zu regeln.

Als nächstes wird der Betrieb erläutert. Wird eine Wechsel­ spannung eingegeben, dann beginnt ein Gleichrichter 6 so­ fort den Betrieb und lädt eine Glättungsschaltung 9 mit der Gleichspannung. Wird der bidirektionale Gleichspannungsum­ former betrieben, nachdem die Glättungsschaltung 9 mit ei­ ner ausreichenden Gleichspannung geladen ist, dann ist die Differenz zwischen der Primärspannung V1 und dem Spannungs­ wert der Umformung der Sekundärspannung V2 in die Primär­ spannung bei dem bidirektionalen Gleichspannungsumformer groß, und ist die Einschaltzeit t kurz, dann wird der Pri­ märstrom iL1 hoch, wie dies im Ausdruck (3) gezeigt ist. Dann ist der Startsignalablaufregler 37 in Fig. 27 vorgese­ hen, um den bidirektionalen Gleichspannungsumformer 100 zu starten, ehe die Abschaltschaltung 36 bei Einschalten des Stroms in Leitung gezwungen wird, dann die Abschaltschal­ tung 36 in Leitung zu zwingen, womit der Gleichrichter 6 und der bidirektionale Gleichspannungsumformer 100 gleich­ zeitig arbeiten und das Einschalten des Stroms ermöglichen, während die Differenz zwischen der Primärspannung V1 und der Spannungswert der Umformung der Sekundärspannung V2 in die Primärspannung klein bleibt. Dies bedeutet, daß beim Einschalten ein Anstieg der Stromspitze verhindert werden kann.

Die Erfindung führt zu den folgenden Wirkungen:

Erfindungsgemäß kann der Motorregler der Erfindung, der einen bidirektionalen Gleichspannungsumformer aufweist, eine Umformerabschnittausgangsspannung in einem gegebenen Bereich für unterschiedliche Stromversorgungsspannungen in eine Gleichspannung umformen und eine bidirektionale Span­ nungsumformung durchführen. Damit können die Wechselrich­ terschaltungskonfiguration, die Motoren, die Verdrahtung usw. unabhängig von den Stromversorgungsspannungen gemein­ sam gestaltet werden.

Auch die Maschinen, die die Motoren verwenden, können unab­ hängig von den Stromversorgungsspannungen konfiguriert wer­ den, und die Zahl der Typen von Bauteilen wie Leistungsbe­ triebsreglern und Motoren läßt sich drastisch reduzieren. Damit lassen sich die Maschinenentwicklung, die Produktivi­ tät, die Bestandsverwaltung und die Wartungsverwaltung dra­ stisch verbessern. Da die Eingangsstromversorgung und die Motoren durch den internen Transformator gegeneinander iso­ liert sind, besteht nur eine geringe Gefahr eines Unfalls durch einen elektrischen Schlag.

Der Motorbetriebsregler ist in zwei Blöcke unterteilt, den Umformerabschnitt zur bidirektionalen Spannungsumformung in eine Gleichspannung in einem gegebenen Bereich für unter­ schiedliche Versorgungsspannungen und den Wechselrichterab­ schnitt, die in getrennten Gehäusen enthalten sind. Damit können die Wechselrichterabschnitte der Motorbetriebsreg­ ler, die Motoren, die Verdrahtung usw. unabhängig von den Stromversorgungsspannungen gemeinsam hergestellt werden; die Konfiguration der Maschinen, die die Motoren verwenden, kann gemeinsam gestaltet werden, und die Typen von Bautei­ len können reduziert werden. Da ferner unabhängig von den Stromversorgungsspannungen ein gemeinsamer Wechselrich­ terabschnitt mit einer Anzahl von Kabeln zu Motoren und Schnittstellen zu externen Reglern verwendet werden kann und nur der Umformerabschnitt nach der Stromversorgungs­ spannung ersetzt werden kann, sind die Maschinenentwick­ lung, die Produktivität, die Bestandsverwaltung und die Wartungsverwaltung weiter drastisch verbessert.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer nach der Erfindung steuert die Primärschaltelemente und die Se­ kundäreinseitenarmschaltelemente des internen Transforma­ tors an und regelt die Übertragungsleistung in Reaktion auf die Phasendifferenz. Damit ist das Stromwellenformverhält­ nis verbessert, und der maximale Stromwert kann um die Hälfte reduziert werden, um einen wirksamen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer vorzusehen. Durch die verbesserte Phasendifferenzregelung läßt sich die Regelbar­ keit der Übertragungsleistung verbessern, und die Wellig­ keit der Glättungsschaltung kann reduziert werden, womit eine Miniaturisierung und eine lange Lebensdauer der Schaltanordnung erreicht werden.

Da die Sekundärspannung bei dem Regelverfahren des bidirek­ tionalen Isolations-Gleichspannungsumformers proportional zu einer Änderung der Primärspannung geregelt wird, kann der Maximalstrom selbst bei Änderung der Primärspannung un­ terdrückt werden. Damit kann eine geeignete Schalt­ elementstromkapazität ausgewählt und ein wirksamer bidi­ rektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer bereit­ gestellt werden.

Da der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer so geregelt wird, daß die Differenz zwischen der Sekundärspan­ nung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Se­ kundärspannung konstantgehalten wird, kann der Maximalstrom bei einer Änderung der Primärspannung oder einer Änderung des Wechselrichterabschnittausgangssignals unterdrückt werden. Damit kann also eine geeignete Schaltelementstrom­ kapazität ausgewählt und ein wirksamer bidirektionaler Iso­ lations-Gleichspannungsumformer bereitgestellt werden.

Da der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer durch die Auswahl einer konstanten Sekundärspannungsrege­ lung, einer Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekun­ därspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung oder eine Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses in Reaktion auf den Be­ triebszustand des bidirektionalen Gleichspannungsumformers in dem Wechselrichterabschnitt geregelt wird, kann der Ma­ ximalstrom in Reaktion auf eine Bedingung unterdrückt wer­ den. Damit lassen sich eine geeignete Schaltelementstrom­ kapazität auswählen und ein wirksamer bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer vorsehen. Es kann auch ein bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer mit einer konstanten Sekundärspannung im praktischen Verwen­ dungsbereich vorgesehen werden.

Da der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer so geregelt wird, daß die Sekundärspannung konstantgehalten wird, wenn die Ausgangsleistung niedrig ist, oder daß das Verhältnis zwischen der Primär- und Sekundärspannung oder die Differenz zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung konstantgehalten wird, wenn die Ausgangsleistung hoch ist, kann der Maximalstrom bei einer Primärspannungsänderung oder einer Änderung des Wechselrichterabschnittausgangssi­ gnals unterdrückt werden. Damit läßt sich eine geeignete Schaltelementstromkapazität auswählen und ein wirksamer bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer vorse­ hen. Es kann auch ein bidirektionaler Isolations-Gleich­ spannungsumformer mit einer konstanten Sekundärspannung im praktischen Verwendungsbereich vorgesehen werden.

Da der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer so geregelt wird, daß die Sekundärspannung konstantgehalten wird, wenn die Primärspannung des bidirektionalen Gleich­ spannungsumformers höher als ein Einstellwert ist, oder daß das Verhältnis zwischen der Primär- und Sekundärspannung oder die Differenz zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung konstantgehalten wird, wenn die Primärspannung niedriger als der Einstellwert ist, kann der Maximalstrom selbst dann unterdrückt werden, falls die Primärspannung abnimmt, wenn der Strom eingeschaltet wird oder anormal ist. Damit lassen sich eine geeignete Schaltelementstromkapazität auswählen und ein wirksamer bidirektionaler Isolations-Gleichspan­ nungsumformer vorsehen. Es kann auch ein bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer mit einer konstanten Se­ kundärspannung im praktischen Verwendungsbereich vorgesehen werden.

Der bidirektionale Isolations-Gleichspannungsumformer wird so geregelt, daß die Verstärkung unterdrückt wird, wenn die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhält­ nisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der Se­ kundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung durchgeführt wird, oder so, daß die Verstärkung geeignet angehoben wird, wenn die Sekundär­ spannungsregelung durchgeführt wird. Damit läßt sich ver­ hindern, daß eine Welligkeit der Primärspannung eine Schwingung des Stroms verursacht, wenn die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Kon­ stantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundär­ spannung durchgeführt wird. Deshalb lassen sich eine ge­ eignete Schaltelementstromkapazität auswählen und ein wirk­ samer bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer vorsehen. Es kann auch ein bidirektionaler Isolations- Gleichspannungsumformer mit einer konstanten Sekundärspan­ nung im praktischen Verwendungsbereich vorgesehen werden.

Wird die Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungs­ verhältnisses, die Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung oder die Konstantsekundärspan­ nungsregelung zur Verwendung ausgewählt, dann ist der Maxi­ malwert der Sollwertänderungssteigung derart festgelegt, daß sich der Sollwert der Sekundärspannung zu diesem Zeit­ punkt nicht rasch ändert. Damit läßt sich ein Überstrom unterdrücken, der sich aufgrund einer raschen Änderung des Sollwerts ergibt. Deshalb lassen sich eine geeignete Schaltelementstromkapazität auswählen und ein wirksamer bi­ direktionaler Isolations-Gleichspannungsumformer vorsehen.

Bei dem Regelverfahren des bidirektionalen Isolations- Gleichspannungsumformers wird dann, wenn die Konstantrege­ lung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses oder die Konstantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundär­ spannung durchgeführt wird, eine erfaßte Primärspannungs­ welligkeit mittels eines Filters gedämpft. Damit läßt sich die Stromschwingung unterdrücken. Deshalb lassen sich eine geeignete Schaltelementstromkapazität auswählen und ein wirksamer bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumfor­ mer mit einer schnellen Spannungsschleifenreaktion vorse­ hen.

Die maximale Pulsbreite, die erforderlich ist, damit der Strom der maximale Einstellspitzenstrom wird, wird bei dem bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer aus der Differenz zwischen der Primärspannung und der Primärspan­ nung berechnet, in die die Sekundärspannung umgeformt wird, und die Obergrenze der Pulsbreite ist beschränkt. Damit kann der Maximalstrom unterdrückt werden, wenn der Strom eingeschaltet wird oder die Spannung abfällt. Deshalb kann eine geeignete Schaltelementstromkapazität ausgewählt und ein wirksamer bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsum­ former vorsehen werden.

Bei dem Motorbetriebsregler der Erfindung werden der Gleichrichter und der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer in dem Umformerabschnitt gleichzeitig betrie­ ben. Wird also der Strom eingeschaltet, dann können Ände­ rungen der Primär- und der Sekundärspannung bei dem bidi­ rektionalen Isolations-Gleichspannungsumformer gleichzeitig stattfinden, und ein Überstrom kann unterdrückt werden. Deshalb können eine geeignete Schaltelementstromkapazität ausgewählt und ein wirksamer bidirektionaler Isolations- Gleichspannungsumformer vorgesehen werden.

Die Anmeldung beschreibt die Erfindung zwar nach einigen speziellen Ausführungsformen, die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Die Anmelderin verweist dazu auf alle Lehren, die in Dokumenten mit ausländischer Priorität ent­ halten sind, deren Nutzen hier beansprucht wird.

Bezugszeichenliste

1 Eingangsstromversorgung
2, 2a, 2b, 2c Motorbetriebsregler
3, 3a, 3b, 3c Motor
4 Umformerabschnitt
5 Wechselrichterabschnitt
6 Gleichrichter
7 Stromversorgungswechselrichter
8 Stromversorgungswechselrichterregler
9 Glättungsschaltung
10 Wechselrichter
11 Wechselrichterregler
12 Schnittstellenschaltung
13 Transformator
20 Gleichspannungsumformer
21 Primärglättungsschaltung
22 Sekundärglättungsschaltung
23 Überbrückungswiderstand
24 Entladungsschalter
25 Regler
30 Motorbetriebsregler
31 Umformerabschnitt
32 Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformungs­ abschnitt
33 Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer
34 Glättungsschaltung
35 Regler
36 Abschaltschaltung
37 Startsignalablaufregler
100 Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer
101, a- d Primärschaltelement
102 interner Transformator
103, a- d Sekundärschaltelement
110 Schaltelementregler
111 Impulsgenerator
112, a, b Phasenschieberschaltung
113 NICHT-Schaltung
114 NICHT-Schaltung
115 Leistungs-/Regenerationsmodusbestimmungsschaltung
116 Treiberschaltänderungsanordnung
117 Dreieckwellengenerator
118 Wechselrichter
119, a, b PBM-Schaltung
120, a, b, c, d, e, f, g Spannungsschleifenregler
122 Spannungsschleifenverstärkungsschaltung
123 Spannungsverhältnisvervielfacher
124 Schaltung zur Umformung in die Sekundärspannung
126 Temperaturdetektor
127 Temperaturbestimmungsschaltung
128, a, b Schalter
129 Mittelwertschaltung
130 Stromdetektor
131 Leistungsbestimmungsschaltung
132 Leistungsbestimmungsschaltung
133 1-Abtastverzögerungsschaltung
134 Schaltung
135 Filterschaltung

Claims (22)

1. Motorbetriebsregler, der folgendes aufweist:

• - einen Umformerabschnitt mit einem Gleichrichter zum Umformen einer Stromversorgungswechselspannung in eine Gleichspannung,
• - eine Stromversorgungswechselrichterschaltung zum Um­ formen einer Gleichspannung in eine Stromversorgungswechselspannung,
• - einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumfor­ mer und
• - einen Wechselrichterabschnitt zum Liefern von Strom an einen Motor.

2. Motorbetriebsregler, der folgendes aufweist:

• - einen Umformerabschnitt mit einem Gleichrichter zum Umformen einer Stromversorgungswechselspannung in eine Gleichspannung,
• - eine Stromversorgungswechselrichterschaltung zum Um­ formen einer Gleichspannung in eine Stromversorgungswechselspannung sowie
• - einen bidirektionalen Gleichspannungsumformerabschnitt und einen Wechselrichterabschnitt zum Liefern von Strom an einen Motor, wobei der Motorbetriebsregler den Umformerabschnitt in einem ersten Gehäuse und den Wechselrichterabschnitt in einem getrennten, zweiten Gehäuse aufweist.

3. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer, der folgendes aufweist:

• - einen ersten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer ersten Gleichspannung in eine Wechselspannung und zum Bereitstellen der Wechselspannung an einem Ausgang,
• - einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung mit einem Wechselspannungsausgang des ersten Umformers verbunden ist, sowie
• - einen zweiten Umformer mit Schaltelementen zum Umfor­ men einer Wechselspannung, die an einer Sekundärwick­ lung des Transformators angelegt ist, in eine zweite Gleichspannung, wobei der zweite Umformer ferner eine Einrichtung zum Regeln der Übertragungsleistung um­ faßt, indem eine Treiberphasendifferenzreglung aller Leistungsübertragungsschaltelemente und einiger Leistungsempfangsschaltelemente durchgeführt wird.

4. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer, der folgendes aufweist:

• - einen ersten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer ersten Gleichspannung in eine Wechselspannung,
• - einen Transformator, der eine Primärwicklung mit einer daran anliegenden Primärspannung und eine Sekundär­ wicklung mit einer daran anliegenden Sekundärspannung aufweist, wobei die Primärwicklung mit einem Wechsel­ spannungsausgang des ersten Umformers verbunden ist,
• - einen zweiten Umformer mit Schaltelementen zum Umfor­ men einer Wechselspannung, die an einer Sekundärwick­ lung des Transformators angelegt ist, in eine zweite Gleichspannung, sowie
• - eine Spannungsregelschleifenschaltung zum Konstanthal­ ten des Verhältnisses zwischen der Primärspannung und der Sekundärspannung.

5. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer, der folgendes aufweist:

• - einen ersten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer ersten Gleichspannung in eine Wechselspannung,
• - einen Transformator, der eine Primärwicklung mit einer daran anliegenden Primärspannung und eine Sekundär­ wicklung mit einer daran anliegenden Sekundärspannung aufweist, wobei die Primärwicklung mit einem Wechsel­ spannungsausgang des ersten Umformers verbunden ist,
• - einen zweiten Umformer mit Schaltelementen zum Umfor­ men einer Wechselspannung, die an der Sekundärwicklung des Transformators angelegt ist, in eine zweite Gleichspannung, sowie
• - eine Spannungsregelschleifenschaltung zum Konstanthal­ ten der Differenz zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekun­ därspannung.

6. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer, der folgendes aufweist:

• - einen ersten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer ersten Gleichspannung in eine Wechselspannung,
• - einen Transformator, der eine Primärwicklung mit einer daran anliegenden Primärspannung und eine Sekundär­ wicklung mit einer daran anliegenden Sekundärspannung aufweist, wobei die Primärwicklung mit einem Wechsel­ spannungsausgang des ersten Umformers verbunden ist,
• - einen zweiten Umformer mit Schaltelementen zum Umfor­ men einer Wechselspannung, die an einer Sekundärwick­ lung des Transformators angelegt ist, in eine zweite Gleichspannung, sowie
• - eine Spannungsregelschleifenschaltung zur Regelung auf der Grundlage wenigstens (i) einer Konstantsekundärspannungsregelung, (ii) einer Kon­ stantdifferenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Se­ kundärspannung oder (iii) einer Konstantregelung des Primär-/Sekundärspannungsverhältnisses in Reaktion auf eine Betriebszustandscharakteristik.

7. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer nach Anspruch 6, bei dem die zum Bestimmen des Re­ gelmodus des bidirektionalen Isolations-Gleichspan­ nungsumformers verwendete Betriebszustandscharakteri­ stik die Übertragungsleistung ist, wobei dann, wenn die Übertragungsleistung niedrig ist, die Konstantse­ kundärspannungsregelung durchgeführt wird, oder dann, wenn die Übertragungsleistung hoch ist, die Konstant­ differenzregelung zwischen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekun­ därspannung oder die Konstantregelung des Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnisses durchgeführt wird.

8. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer nach Anspruch 6, bei dem die zum Bestimmen des Re­ gelmodus des bidirektionalen Isolations-Gleichspan­ nungsumformers verwendete Betriebszustandscharakteri­ stik der Primärspannungswert ist, wobei dann, wenn die Primärspannung höher als ein Einstellwert ist, die Konstantsekundärspannungsregelung durchgeführt wird, oder dann, wenn die Primärspannung niedriger als der Einstellwert ist, die Konstantdifferenzregelung zwi­ schen der Sekundärspannung, in die die Primärspannung umgeformt wird, und der Sekundärspannung oder die Kon­ stantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisses durchgeführt wird.

9. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer nach Anspruch 6, der ferner eine Einrichtung zum Än­ dern der Regelsystemverstärkung in Abhängigkeit von dem Regelverfahren aufweist.

10. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer nach Anspruch 6, bei dem ein Maximalwert einer Sollwertänderungssteigung definiert ist, so daß sich der Sollwert der Sekundärspannung nicht rasch ändert, wenn die Regelmethoden geändert werden.

11. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer nach Anspruch 4, der ferner ein Filter umfaßt, das in der Lage ist, eine erfaßte Primärspannungswelligkeit zu dämpfen.

12. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer nach Anspruch 5, der ferner ein Filter umfaßt, das in der Lage ist, eine erfaßte Primärspannungswelligkeit zu dämpfen.

13. Bidirektionaler Isolations-Gleichspannungsumformer, der folgendes aufweist:

• - einen ersten Umformer mit Schaltelementen zum Umformen einer ersten Gleichspannung in eine Wechselspannung,
• - einen Transformator, der eine Primärwicklung mit einer daran anliegenden Primärspannung und eine Sekundär­ wicklung mit einer daran anliegenden Sekundärspannung aufweist, wobei die Primärwicklung mit einem Wechsel­ spannungsausgang des ersten Umformers verbunden ist,
• - einen zweiten Umformer mit Schaltelementen zum Umfor­ men einer Wechselspannung, die an der Sekundärwicklung des Transformators angelegt ist, in eine zweite Gleichspannung, sowie
• - eine Spannungsregelschleifenschaltung zum Regeln der Primär- und Sekundärspannung, wobei die Pulsbreite in Reaktion auf eine Differenz zwischen der Primärspan­ nung, in die die Sekundärspannung umgeformt wird, und der Primärspannung geändert wird.

14. Motorbetriebsregler, der folgendes aufweist:

• - einen Umformer mit einem Gleichrichter zum Umformen einer Stromversorgungswechselspannung in eine Gleich­ spannung,
• - eine Stromversorgungswechselrichterschaltung zum Um­ formen einer Gleichspannung in eine Stromversorgungswechselspannung sowie
• - einen bidirektionalen Isolations-Gleichspannungsumfor­ mer und einen Wechselrichterabschnitt zum Liefern von Strom an einen Motor,

wobei der Regler ferner eine Einrichtung aufweist, die bei Einschalten des Stroms wirksam ist, um den Gleich­ richter und den bidirektionalen Isolations-Gleich­ spannungsumformer gleichzeitig zu betreiben.

15. Verfahren zum Regeln des Betriebs eines bidirektiona­ len Isolations-Gleichspannungsumformers, der zwischen eine Primärglättungsschaltung mit einer daran angeleg­ ten Primärspannung und eine Sekundärglättungsschaltung mit einer daran angelegten Sekundärspannung geschaltet ist, wobei der bidirektionale Gleichspannungsumformer Primärschaltelemente und Sekundärschaltelemente mit einem dazwischengeschalteten internen Transformator aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• - Eingabe der Primärspannung,
• - Eingabe der Sekundärspannung,
• - Berechnung der Sekundärspannungsabweichung,
• - Bestimmung einer Phasendifferenzregelvariable in Ab­ hängigkeit von der Sekundärspannungsabweichung und
• - Verwendung der Phasendifferenz zum Regeln der Primär- und Sekundärschaltelemente, wobei die Verbesserung folgendes beinhaltet:
• - Berechnen der Sekundärspannungsabweichung in Abhängig­ keit von einem Sekundärbezugswert, der in konstantem Verhältnis zu der Primärspannung liegt.

16. Verfahren zum Regeln des Betriebs eines bidirektiona­ len Isolations-Gleichspannungsumformers, der zwischen eine Primärglättungsschaltung mit einer daran angeleg­ ten Primärspannung und eine Sekundärglättungsschaltung mit einer daran angelegten Sekundärspannung geschaltet ist, wobei der bidirektionale Isolations-Gleichspan­ nungsumformer Primärschaltelemente und Sekundärschalt­ elemente mit einem dazwischengeschalteten internen Transformator aufweist, wobei das Verfahren die fol­ genden Schritte umfaßt:

• - Eingabe der Primärspannung,
• - Eingabe der Sekundärspannung,
• - Berechnung der Sekundärspannungsabweichung,
• - Bestimmung einer Phasendifferenzregelvariable in Ab­ hängigkeit von der Sekundärspannungsabweichung und
• - Verwendung der Phasendifferenz zum Regeln der Primär- und Sekundärschaltelemente, wobei die Verbesserung folgendes beinhaltet:
• - Berechnen der Sekundärspannungsabweichung in Abhängig­ keit von einem Sekundärbezugswert, also in Abhängig­ keit von der Primärspannung und einem Spannungsdiffe­ renzsollwert, so daß die Differenz zwischen der Sekun­ därspannung und der Primärspannung geteilt durch das Transformatorverhältnis eine Konstante ist.

17. Verfahren zum Regeln des Betriebs eines bidirektiona­ len Isolations-Gleichspannungsumformers, der zwischen eine Primärglättungsschaltung mit einer daran angeleg­ ten Primärspannung und eine Sekundärglättungsschaltung mit einer daran angelegten Sekundärspannung geschaltet ist, wobei der bidirektionale Gleichspannungsumformer Primärschaltelemente und Sekundärschaltelemente mit einem dazwischengeschalteten internen Transformator aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• - Eingabe der Primärspannung,
• - Eingabe der Sekundärspannung,
• - Berechnung einer Sekundärspannungsabweichung,
• - Bestimmung einer Phasendifferenzregelvariable in Ab­ hängigkeit von der Sekundärspannungsabweichung und
• - Verwendung der Phasendifferenz zum Regeln der Primär- und Sekundärschaltelemente, wobei die Verbesserung folgendes beinhaltet:
• - Erfassen der Schaltelementtemperatur, Vergleichen der erfaßten Temperatur mit einem Einstellwert und Regeln des Umschaltens der Schaltelemente auf der Grundlage des Vergleichs, wodurch eine Konstantregelung des Pri­ mär-/Sekundärspannungsverhältnisses erreicht wird, wenn die Schaltelementtemperatur höher als der Ein­ stellwert ist, und eine Konstantsekundärspannungsrege­ lung erreicht wird, wenn die Schaltelementtemperatur niedriger als der Einstellwert ist.

18. Verfahren zum Regeln des Betriebs eines bidirektiona­ len Isolations-Gleichspannungsumformers, der zwischen eine Primärglättungsschaltung mit einer daran angeleg­ ten Primärspannung und eine Sekundärglättungsschaltung mit einer daran angelegten Sekundärspannung geschaltet ist, wobei der bidirektionale Gleichspannungsumformer Primärschaltelemente und Sekundärschaltelemente mit einem dazwischengeschalteten internen Transformator aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• - Eingabe der Primärspannung,
• - Eingabe der Sekundärspannung,
• - Berechnung der Sekundärspannungsabweichung,
• - Bestimmung einer Phasendifferenzregelvariable in Ab­ hängigkeit von der Sekundärspannungsabweichung und
• - Verwendung der Phasendifferenz zum Regeln der Primär- und Sekundärschaltelemente, wobei die Verbesserung folgendes beinhaltet:
• - Eingabe eines Sekundärstroms,
• - Bestimmung des Mittelwerts des Sekundärstroms,
• - Eingabe der Sekundärspannung,
• - Berechnung der Leistung der Sekundärspule,
• - Bestimmung, ob die Sekundärleistung höher als ein vorbestimmter Wert ist und Berechnung der Bezugs-Se­ kundärspannung gemäß einem konstanten Primär-/Sekun­ därspannungsverhältnis, wenn die Sekundärleistung größer oder gleich als der vorbestimmte Wert ist, und Berechnung der Bezugs-Sekundärspannung gemäß einer Konstantsekundärspannungsregelung, wenn die Sekun­ därleistung niedriger als ein vorbestimmter Wert ist.

19. Verfahren zum Regeln des Betriebs eines bidirektiona­ len Isolations-Gleichspannungsumformers, der zwischen eine Primärglättungsschaltung mit einer daran angeleg­ ten Primärspannung und eine Sekundärglättungsschaltung mit einer daran angelegten Sekundärspannung geschaltet ist, wobei der bidirektionale Gleichspannungsumformer Primärschaltelemente und Sekundärschaltelemente mit einem dazwischengeschalteten internen Transformator aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• - Eingabe der Primärspannung,
• - Eingabe der Sekundärspannung,
• - Berechnung der Sekundärspannungsabweichung,
• - Bestimmung einer Phasendifferenzregelvariable in Ab­ hängigkeit von der Sekundärspannungsabweichung und
• - Verwendung der Phasendifferenz zum Regeln der Primär- und Sekundärschaltelemente, wobei die Verbesserung folgendes beinhaltet:
• - Bestimmung, ob die Primärspannung einen ersten Wert besitzt, der niedriger als ein unterer Einstellgrenz­ wert und höher als ein oberer Einstellgrenzwert ist, und
• - Anwendung einer Konstantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisses oder der Konstantdifferenzrege­ lung zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspannung, wenn ein sol­ cher erster Wert vorliegt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Konstantsekun­ därspannungsregelung durchgeführt wird, wenn die Primärspannung einen zweiten, anderen als den ersten Wert besitzt.

21. Verfahren zum Regeln des Betriebs eines bidirektiona­ len Isolations-Gleichspannungsumformers, der zwischen eine Primärglättungsschaltung mit einer daran angeleg­ ten Primärspannung und eine Sekundärglättungsschaltung mit einer daran angelegten Sekundärspannung geschaltet ist, wobei der bidirektionale Gleichspannungsumformer Primärschaltelemente und Sekundärschaltelemente mit einem dazwischengeschalteten internen Transformator aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

• - Eingabe der Primärspannung,
• - Eingabe der Sekundärspannung,
• - Berechnung der Sekundärspannungsabweichung,
• - Bestimmung einer Phasendifferenzregelvariable in Ab­ hängigkeit von der Sekundärspannungsabweichung und
• - Verwendung der Phasendifferenz zum Regeln der Primär- und Sekundärschaltelemente, wobei die Verbesserung folgendes beinhaltet:
• - Bestimmung, ob die Primärspannung einen ersten Wert besitzt, der niedriger als ein unterer Einstellgrenz­ wert und höher als ein oberer Einstellgrenzwert ist, und
• - Anwendung einer Konstantregelung des Primär-/Sekundär­ spannungsverhältnisses oder der Konstantdifferenzrege­ lung zwischen der in die Sekundärspannung umgeformten Primärspannung und der Sekundärspannung, wenn ein sol­ cher erster Wert vorliegt, und
• - Bestimmung, ob die Differenz zwischen der resultieren­ den Sekundärspannung und der Bezugssekundärspannung größer als ein Maximalwert ist, wenn ein solcher er­ ster Wert vorliegt und, wenn sie größer ist, Berech­ nung einer neuen Bezugssekundärspannung und, wenn sie kleiner ist, Verwendung der Ausgangsbe­ zugssekundärspannung.