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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtervorrichtung und
insbesondere eine Startschaltung zum Starten des Betriebs der Umformervorrichtung.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm einer herkömmlichen
unterbrechungsfreien Spannungsversorgungsquelle (USV), die in der
JP 09-205740 A offenbart
wird. Grundsätzlich
treibt dieses herkömmliche
USV-System einen Stromrichter
70, um einen über eine
Wechselspannungsversorgungsquelle
1 bereitgestellten Gleichstrom
und einen weiteren über einen
PWM-Umformer
60 (pulsweitenmodulierten Umformer) oder einen
weiteren über
einen Gleichstromschalter
80 von einer Batterie
6 bereitgestellten Gleichstrom
jeweils in einen Wechselstrom mit einer vorgegebenen konstanten
Spannung und einer konstanten Frequenz zu wandeln, bevor diese Wechselspannung
schließlich
an externe Quellen gelegt wird. Es ist demzufolge die übliche Praxis
gewesen, die vom PWM-Umformer
60 und die von der Batterie
6 ausgegebene
Gleichspannung so zu wählen,
dass sie einander im Wesentlichen gleich sind. In
4 ist auf
die Darstellung einer Ladeschaltung verzichtet worden.
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Die
einzelnen Zweige des PWM-Umformers bestehen aus einer Diode und
einem Schaltelement wie einem IGBT (insulated gate bipolar transistor; Isolierschicht-Bipolartransistor),
die in einer Gegenparallelschaltung verbunden sind. Normalerweise wird
eine Wechselspannung von einer Wechselspannungsversorgungsquelle 1 über einen
Hauptschalter 21 und ein Eingangsfilter empfangen, das
aus einer Drossel 35 und einem Kondensator 33 besteht,
sowie auch über
eine Zusatzdrossel 31. Die Eingangswechselspannung wird
dann zu einer Gleichspannung gleichgerichtet und vom PWM-Umformer 60 verstärkt. Zuletzt
wird die verstärkte
Gleichspannung von einem Elektrolytkondensator 4 hoher
Kapazität geglättet, bevor
sie schließlich
an den Stromrichter 70 gelegt wird. Eine Reihenschaltung,
bestehend aus einem Ladeschalter 22 und einem Ladewiderstand 10,
ist mit dem Hauptschalter 21 verbunden. Sämtliche
Operationen des PWM-Umformers 60 und des Stromrichters 70 werden
individuell von einer zugehörigen
Steuereinheit gesteuert. Die entsprechenden Steuereinheiten sind
in 4 nicht dargestellt.
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Eine
Einschaltsequenz-Steuerschaltung 45 ist so ausgelegt, dass
sie die Öffnungs-
und Schließoperationen
des Ladeschalters 22 und des Gleichstromschalters 80 sowie
das Einschalten des PWM-Umformers 60 steuert.
Wenn der Hauptschalter 21 und der Gleichstromschalter 80 offen
und der Stromrichter 70 AUS (OFF) bleiben, startet die
obige Steuerschaltung 45 bei Erhalt eines Einschaltbefehls und
nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit den Betrieb des
PWM-Umformers 60, so dass die Gleichspannung des Kondensators 4 verstärkt wird,
und veranlasst ferner, dass der Hauptschalter 21 nach Ablauf
einer vorgegebenen Verzögerungszeit
schließt.
Durch Steuern der obigen Operationen wird der Kondensator 4 in
die Lage versetzt, eine erste Ladeoperation über den Ladewiderstand zu implementieren,
ohne dass darin übermäßige Stromstöße auftreten.
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Bei
der herkömmlichen
USV-Schaltung von 4 bleibt, während die Wechselspannungsversorgungsquelle 1 in
Normalbetrieb verbleibt, der Gleichstromschalter 80 offen,
wohingegen der Hauptschalter 21 geschlossen ist. Eine Wechselspannung
wird von der Wechselspannungsversorgungsquelle 1 über den
Hauptschalter 21 und das Eingangsfilter empfangen. Die
Eingangswechselspannung wird vom PWM-Umformer 60 in eine
Gleichspannung gewandelt und dann vom Kondensator 4 geglättet. Die geglättete Gleichspannung
wird vom Stromrichter 70 in einen Wechselstrom gewandelt,
der schließlich
an einen Verbraucher (nicht dargestellt) geliefert wird. Im Falle
einer Betriebsunterbrechung der Wechselspannungsversorgungsquelle 1 veranlasst
die Steuerschaltung 45 als Mittel, mit dem eine plötzliche
Betriebsunterbrechung verhindert werden kann, das Schließen des
Gleichstromschalters 80, um sicherzustellen, dass eine
Gleichspannung an den Stromrichter 70 geliefert wird, so
dass also ein System zur wirksamen Verhinderung einer plötzlichen
Betriebsunterbrechung verwirklicht wird.
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Damit
beim normalen Laden des Kondensators 4 kein übermäßig starker
Einschaltstromstoß durch
diesen fließt,
wenn die Ladeoperation gestartet wird, ist es bei der obigen Schaltungskonfiguration erforderlich,
einen Ladeschalter 22 und einen Ladewiderstand 10 parallel
zum Hauptschalter 21 zwischen der Wechselspannungsversorgungsquelle 1 und
einem Wechselspannungs-Eingangsfilter des PWM-Umformers 60 zu
installieren. Ferner ist es erforderlich, eine weitere Einschaltsequenz-Steuerschaltung 45 zum
Steuern dieser zusätzlichen
Schalter bereitzustellen. Dies wiederum bedingt die Bereitstellung
einer größeren Anzahl
Bauteile, die einer Kostensenkung und Verkleinerung der USV-Einheit entgegenstehen.
Da außerdem
der Pegel der in der Batterie 6 gespeicherten Gleichspannung
im Wesentlichen gleich ist dem des PWM-Umformers 60, nimmt
im Fall eines herkömmlichen
USV-Systems mit einer mäßigen Ausgangsspannung
die Anzahl der in Reihe geschalteten Batterien unweigerlich zu, was
eine Kostensenkung und Verkleinerung des USV-Systems nachteilig beeinflusst.
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Zur
Lösung
dieser Probleme offenbart die
JP-A-2002-199620 ein Verfahren zum Installieren
eines Gleichspannungssteller mit einstellbarer zwischen einem Glättungskondensator
und einer Batterie. Gemäß diesem
Verfahren wird der Gleichspannungssteller mit einstellbarer Spannung
so aktiviert, dass er den Spannungspegel senkt, um das Aufladen der
Batterie zu bewirken, wenn die Wechselspannungsversorgungsquelle
in Normalbetrieb bleibt. Wenn die Wechselspannungsversorgungsquelle
dagegen eine Betriebsunterbrechung erfährt, wird der obige Gleichspannungssteller
so aktiviert, dass er den Spannungspegel erhöht, wodurch der Spannungspegel
der Batterie auf den gleichzeitig vom PWM-Umformer
60 ausgegebenen
Spannungspegel angehoben wird. Es ist deshalb möglich, eine niedrige Spannung
zum Aufladen der obigen Batterie zu wählen. Mit dem in der
JP-A-2002-199620 angegebenen Stand
der Technik wurde außerdem
die in
4 dargestellte Konfiguration zur Implementierung
des erstmaligen Ladens des Kondensators
4 beim Start des
Betriebs des USV-Systems eingeführt.
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Die
US-A-4,709,318 offenbart
ein USV-System als Stromrichtervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.
Bei diesem Stand der Technik wird der Kondensator von der Batterie
auf eine feste Spannung vorgeladen.
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Die
US-5,210,685 beschreibt
ein USV-System, das vor dem Umschalten auf die Reservebatterieversorgung
in einem Kommutierungsmodus arbeitet, der das Umschalten eines statischen
Umschalters ermöglicht,
der in den primären
Versorgungsleitungen vorgesehen ist, wodurch die Spannung der Reservebatterie
aufrechterhalten wird, so dass der Betrieb eines solchen Umschalters über einen
Inverter unmittelbar vor dem Start des USV-Betriebsmodus möglich ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromrichtervorrichtung
bereitzustellen, die die Fähigkeit
hat, das erstmalige Laden eine Glättungskondensators bei Erzeugung
eines minimalen Einschaltstromstoßes zu bewirken, und die die
Notwendigkeit für
eine Erhöhung
der Anzahl in Reihe geschalteter Batterien sowie für die Bereitstellung
einer Schaltung bestehend aus einem Ladewiderstand und einem Schalter
für das
erstmalige Laden beseitigt.
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Diese
Aufgabe wird von einer Stromrichtervorrichtung wie beansprucht gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung bewirkt eine Steuerschaltung immer, wenn die Stromrichtervorrichtung
gestartet wird, vor dem Einschalten des Hauptschalters unter Verwendung
eines Gleichspannungsstellers mit einstellbarer Spannung zwischen dem
obigen Glättungskondensator
und der Batterie, die jeweils an der Ausgangsseite des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers
angeordnet sind, das Laden des Glättungskondensators mit einer
Gleichspannung aus der oben genannten Batterie und erhöht dann
die Ladungsspannung auf einen Pegel, der deutlich über dem
Spitzenwert der Wechselspannungsversorgungsquelle liegt, und veranlasst schließlich das
Einschalten des Hauptschalters. Als Ergebnis ist es möglich, eine
geringere Anzahl in Reihe geschalteter Batterien zu verwenden. Außerdem kann
ein erstmaliges Laden oder Vorladen des Glättungskondensators ausgeführt werden,
das nur einen minimalen Einschaltstromstoß erzeugt, ohne dass zu diesem
Kondensator eine Schaltung für
das erstmalige Laden notwendigerweise hinzugefügt werden muss, was sonst die
zusätzliche
Bereitstellung eines Ladewiderstands und eines Ladeschalters erfordert.
Aufgrund der verringerten Anzahl von Bauelementen ist es weiter
möglich,
eine Kostensenkung und eine Verkleinerung der Stromrichtervorrichtung zu
verwirklichen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer Stromrichtervorrichtung;
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2 ein
Flussdiagramm der Operationsfolge der Stromrichtervorrichtung von 1;
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3 ein
detailliertes Blockdiagramm der Stromrichtervorrichtung von 1;
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4 ein
Blockdiagramm einer herkömmlichen
Stromrichterschaltung; und
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5 ein
schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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1 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm einer Stromrichtervorrichtung.
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Die
Stromrichtervorrichtung weist folgendes auf: einen Wechselstrom-Wandler 3,
der eine Wechselspannung von einer Wechselspannungsversorgungsquelle 1 über einen
Hauptschalter 21 erhält,
die Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung gleichrichtet,
wobei die Gleichspannung von einem Kondensator 4 geglättet wird,
und die geglättete Gleichspannung
wieder zu einer Wechselspannung wandelt; einen Verbraucher 2,
der zwischen einem Ausgangsanschluss des Wechselstrom-Wandlers 3 und
einem Ende der Wechselspannungsversorgungsquelle 1 angeordnet
ist; einen Gleichstrom-Wandler 5, der das Aufladen einer
Batterie 6 mit einer vom Kondensator 4 gelieferten
Gleichspannung oder, umgekehrt, das Aufladen des Kondensators 4 mit
einer von der Batterie 6 gelieferten Gleichspannung ermöglicht;
und eine Steuerschaltung 40, die zuerst ein Detektionssignal
der Wechselspannungsversorgungsquelle von einem Wechselspannungsversorgungsquellen-Detektor 11 und
ein Gleichspannungsdetektionssignal von einem Gleichspannungs-Detektor 41 empfängt, und
dann auf der Basis eines Operationsbefehlssignals ein EIN/AUS-Befehlssignal
und ein Steuersignal an den Hauptschalter 21, den Wechselstrom-Wandler 3 und den
Gleichstrom-Wandler 5 ausgibt.
Es ist zu beachten, dass in 1 der Anschluss
des Kondensators 4 am Wechselstrom-Wandler nicht an dessen
(Wechselspannungs)-Ausgang, sondern an dessen Gleichstromzwischenkreis
erfolgt.
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2 zeigt
ein Diagramm zur Verdeutlichung der Operationsabfolge. Wenn die
Steuerschaltung 40 ein Operationsbefehlssignal empfängt, beginnt
der Gleichstrom-Wandler 5 zu arbeiten, und anschließend wird
der Kondensator 4 als Reaktion auf eine Verstärkungsoperation
allmählich
mit Gleichspannung geladen. Sobald die Ladegleichspannung den Spitzenwert
der Wechselspannung der Wechselspannungsversorgungsquelle überschritten
hat, wird der Hauptschalter 21 eingeschaltet (ON). Dann
wird der Wechselstrom-Wandler 3 nach Ablauf einer vorgegebenen
Zeitspanne gestartet. Nachdem diese seriellen Operationen ausgeführt worden
sind, überschreitet
die im Kondensator 4 geladene Gleichspannung tatsächlich den
Spitzenwert der Wechselspannungsversorgungsquelle 1, wenn
der Hauptschalter 21 eingeschaltet ist, und demzufolge
wird verhindert, dass darin übermäßige Einschaltstromstöße zum Laden
des Kondensators 4 auftreten.
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3 zeigt
ein detailliertes Blockdiagramm der Wechselstrom-Wandlerschaltung
3 und
der Gleichstrom-Wandlerschaltung
5, die aus der
JP-A-2002-199620 bekannt
sind.
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Mittels
einer Mehrzahl Halbleiterschaltelemente S1 bis S4 führt der
Wechselstrom-Wandler 3 eine Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlung
aus, wodurch der Kondensator 4 mit Gleichspannung geladen
wird. Mittels einer Mehrzahl Halbleiterschaltelemente S3 bis S6
führt der
Wechselstrom-Wandler 3 eine Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlung
aus. Die Wechselspannung wird mittels der Wechselspannungsfilter 32 und 34 zu
einer gering verzerrten Sinuswellenform gefiltert, die schließlich zum
Verbraucher 2 übertragen
wird.
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Der
Gleichstrom-Wandler
5, der aus einem Paar Halbleiterschaltelemente
S7 und S8 und einer Gleichstrom-Drossel
51 besteht, bildet
eine Gleichspannungsstellerschaltung mit einstellbarer Spannung.
Indem das Halbleiterschaltelement S7 ein- und ausgeschaltet (ON/Off)
wird, wird die Batterie
6 mit einer Gleichspannung geladen.
Indem das Halbleiterschaltelement S8 ein- und ausgeschaltet wird, wird
die in der Batterie
6 gespeicherte Gleichspannung erhöht, so dass
der Kondensator
4 mit der erhöhten Gleichspannung von der
Batterie
6 geladen werden kann. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten
bezüglich
der Funktionsweise des Wechselstrom- und des Gleichstromwandlers
wird auf die
JP-A-2002-199620 verwiesen.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Hauptbauelemente der in den 1 und 5 dargestellten
Schaltungen sind gleich und mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die
zweite Ausführungsform
von 5 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform
von 1 darin, dass eine Vorladesteuerungseinheit in der
Steuerschaltung 40 durch eine arithmetische Operationseinheit 91 für den Gleichspannungs-Sollwert
und eine Relaiseinheit 92 implementiert ist.
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Bei
Eingabe eines Operationsbefehls auf der Basis einer von der Wechselspannungsversorgungsquelle
gelieferten Spannung Vin, die von einem Wechselspannungsdetektor 11 erfasst
wird, gibt die arithmetische Operationseinheit 91 einen
Gleichspannungs-Sollwert Vd* aus, der zum Vorladungsendwert wird.
Der Gleichspannungs-Sollwert Vd* wird so berechnet, dass die Spannung
Vd des Kondensators 4 bei Beendigung der Vorladung z. B.
den Spitzenwert der Wechselspannungsversorgungsquelle annimmt. Der
berechnete Gleichspannungs-Sollwert Vd* wird in den Gleichstrom-Wandler 5 und
die Relaiseinheit 92 eingegeben. Auf der Basis des Gleichspannungs-Sollwerts
Vd* führt
der Gleichstrom-Wandler 5 eine Verstärkungsoperation aus und lädt dann
den Kondensator 4 mit der von der Batterie 6 ausgegebenen
Gleichspannung. Weiterhin vergleicht die Relaiseinheit 92 die
Kondensatorspannung Vd, die vom Gleichspannungsdetektor 41 erfasst
wird, mit dem Gleichspannungs-Sollwert Vd*. Wenn festgestellt wird,
dass die Spannung Vd höher ist
als Vd*, bestimmt die Relaiseinheit 92, dass die Reserveladung
beendet ist, und gibt einen Einschaltbefehl RyON an den Hauptschalter 21 aus,
wodurch der Hauptschalter 21 eingeschaltet wird.
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Wie
oben ausführlich
erläutert
worden ist, wird bei der Bestimmung des Vorladungsendwerts entsprechend
einem tatsächlichen
Spannungswert der Wechselspannungsversorgungsquelle der Kondensator 4 durch
Aktivieren des Gleichstrom-Wandlers 5 bis zu einem Vorladungsendwert
geladen, so dass der Hauptschalter 21 eingeschaltet (ON)
wird. Selbst wenn die tatsächliche
Spannung der Gleichspannungsversorgungsquelle schwankt, ist es im
Ergebnis möglich
zu verhindern, dass Einschaltstromstöße den Kondensator 4 im
Moment der Aktivierung des Stromrichters nachteilig beeinflussen.
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Die
Stromrichtervorrichtung gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält eine
Gleichstromschaltung mit einem Kondensator hoher Kapazität wie einem
Elektrolytkondensator, um serielle Prozesse zum Wandeln von Wechselstrom zu
Gleichstrom und umgekehrt auf der Basis der Wechselspannung auszuführen, die über eine
Wechselspannungsversorgungsquelle eingegeben wird. Die Stromrichtervorrichtung
ist ferner auf verschiedenartige Energiespeichermittel anwendbar,
einschließlich
einer mit einer Batterie ausgerüsteten Stromrichtervorrichtung,
einem elektrischen Doppelschichtkondensator, einer Brennstoffzelle
und dgl. Das Ausgangsmittel ist bilateral sowohl mit Wechselstrom
als auch mit Gleichstrom kompatibel.