DE69423279T2

DE69423279T2 - Leistungsumwandlungssystem

Info

Publication number: DE69423279T2
Application number: DE69423279T
Authority: DE
Inventors: Susumu Tadakuma; Shigeru Tanaka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1994-09-07
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2014-09-08
Also published as: JP2791273B2; EP0642211A2; EP0642211A3; EP0642211B1; DE69423279D1; US5504667A; CN1106175A; JPH0779567A; CN1048594C; KR950010310A; KR0140466B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Leistungswandlungssystem, welches umfaßt:
eine Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle zur Erzeugung von Wechselstromleistung;
einen Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler, der mit der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle verbunden ist, um die Wechselstromleistung in Gleichstromleistung umzuwandeln, an Gleichstrom-Anschlüssen des Wechselstrom-Gleichstrom- Leistungswandlers;
einen Hauptglättungskondensator, der zwischen den Gleichstrom- Anschlüssen des Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungswandler geschaltet ist;
eine Lastvorrichtung zur Aufnahme einer ersten Gleichspannung aus den Gleichstrom-Anschlüssen; und
ein Gleichstrom-Aktivfilter (DC-AF), welches parallel zu dem Hauptglättungskondensator geschaltet ist. Ein solches Leistungswandlungssystem wird in JP-A-50 64451 offenbart, bei welchem das Gleichstrom-Aktivfilter als aktives Element einen Gleichstrom-Glättungskondensator enthält, der zwischen den Gleichstrom-Anschlüssen des Wechselstrom/Gleichstrom- Leistungswandlers geschaltet ist.
Fig. 19 ist ein Entwurfsdiagramm, welches ein Beispiel eines Leistungswandlungssystems zeigt, welches konventionell für elektrische Fahrzeuge usw. verwendet wird, welche Wechselstromleistung aus einer Wechselstrom-Speisungsleitung empfangen. In der Zeichnung ist SUP eine Einphasen- Wechselstrom-Energiequelle (Einphasen-Energiequelle), LS ist eine Wechselstrom-Induktivität, CNV ist ein Pulsbreitenmodulations-Steuerwandler (PWM-Wandler), welcher die Wechselstrom-Leistung in Gleichstrom-Leistung wandelt, CdO ist ein Gleichstrom-Glättungskondensator, INV ist ein Pulsbreitenmodulations-Steuerwechselrichter (PWM- Wechselrichter), welcher die Gleichstromleistung in Wechselstrom-Leistung umwandelt, und IM ist ein Dreiphasen- Induktionsmotor bzw. Drehstrommotor.
Die Steuerschaltung besteht aus: einem Gleichspannungsdetektor ISO, einem Eingangsstrom-Detektor CTS, einem Wechselspannungsdetektor PTS, Motorstrom-Detektoren CTU, CTV und CTW, einer Gleichstrom-Steuerschaltung AVR, einer Eingangsstrom-Steuerschaltung ACRS, einer Pulsbreitenmodulations-Steuerschaltung PWMC1 für den PWM- Wandler CNV, einem Geschwindigkeitsdetektor PG, einer Geschwindigkeitssteuerschaltung SPC, einer Laststrom- Steuerschaltung ACRL und einer Pulsbreitenmodulations- Steuerschaltung PWMC2 für den PWM-Wechselrichter INV.
Der PWM-Wandler CNV wandelt einen Eingangsstrom Is, welcher von der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle SUP zugeführt wird, so daß eine Spannung Vd, welche an den Gleichstrom- Glättungskondensator Cdo angelegt wird, praktisch konstant ist. An diesem Punkt kann die Leistungswandlung mit kleinen höheren Harmonischen erzielt werden und mit einem Eingangsleistungsfaktor von 1, indem der Eingangsstrom Is auf eine Sinuswelle der gleichen Phase wie die Energiequellenspannung Vs gesteuert wird.
Unter Verwendung des Gleichstrom-Glättungskondensators Cdo als Gleichspannungsquelle, wandelt der PWM-Wechselrichter INV die Gleichspannung in dreiphasige Wechselstromleistung variabler Spannung und variabler Frequenz um, und betreibt den Induktionsmotor IM durch die Dreiphasen-Wechselstromleistung. Der 300-Klassen Elektrozug "Nozomi", welcher auf der Tokaido Shinkansen-Zugstrecke verwendet wird, ist ein Beispiel eines solchen Systems bei welchem Wechselstrom-Leistung aus einer Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle SUP zugeführt wird. Die Wechselstrom-Leistung wird in Gleichstrom-Leistung umgewandelt, und die Gleichstrom-Leistung wird wiederum in Wechselstrom- Leistung umgewandelt, um den Induktionsmotor IM zu betreiben.
Der PWM-Wandler CNV wurde in den Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Band 107-D Nr. 3, 1987, "Consideration on high Quality AC Traction Motor Drives using PWM Converters" beschrieben. Der PWM-Wechselrichter INV ist dem Fachmann geläufig, so daß eine ausführliche Beschreibung des PWM-Wandler CNV und PWM-Wechselrichters INV weggelassen werden kann.
Das Leistungswandlungssystem des beschriebenen Standes der Technik ist den folgenden Problemen unterworfen.
Wenn Wechselstrom-Leistung von der Einphasen-Wechselstrom- Energiequelle SUP zugeführt wird, fluktuiert die Wechselstrom- Leistung mit einer Frequenz, welche doppelt so groß ist wie die Energiequellenfrequenz. Als Ergebnis fluktuiert auch die Spannung Vd, welche an den Gleichstrom-Glättungskondensator Cdo angelegt wird, mit einer Frequenz, welche doppelt so groß ist wie die Energiequellenfrequenz bzw. Versorgungsfrequenz. Die Größe dieser Spannungsfluktuation ist proportional zur Größe der aktiven Leistung, welche durch den PWM-Wechselrichter INV ausgegeben wird, und umgekehrt proportional zur Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators Cdo.
Folglich, wenn die Kapazität des Gleichstrom- Glättungskondensators Cdo größer gemacht wird, kann die Fluktuation der Gleichspannung Vd, welche durch eine Umwandlung erhalten wird, die durch den Einphasen-PWM-Wandler CNV durchgeführt wird, verringert werden. Dies erhöht jedoch das Gewicht und die Größe des Leistungswandlungssystems, und erhöht seine Kosten. Insbesondere bei dem Antriebssystem eines Elektrofahrzeuges sollten das Gewicht und die Größe des Leistungswandlungssystems jedoch so klein wie möglich sein.
Es war daher notwendig einen gewissen Grad an Gleichspannungs- Fluktuation zuzulassen.
Diese Fluktuation der Gleichspannung Vd beeinflußt jedoch die Wechselrichterseite, und erzeugt eine Fluktuation des Ausgangsstroms des PWM-Wechselrichters INV. Beispielsweise wenn die Frequenz der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle SUP 50 Hz beträgt, ist die Fluktuationsfrequenz der Gleichspannung Vd 100 Hz. In diesem Fall, wenn sich die Ausgangsfrequenz des PWM- Wechselrichters INV 100 Hz nähert, wird die Fluktuation der Ausgangsspannung groß, was zu einer Schwebung im Strom des Motors IM führt. Dies führt zu einem Pulsieren des vom Motor IM erzeugten Drehmoments, was Vibrationen und Rauschen verursacht.
Auch wird der Maximalwert der Spannung, welche angelegt wird an die Halbleitervorrichtungen, welche den PWM-Wandler CNV und PWM-Wechselrichter INV bilden, durch die Größe der Fluktuation der Gleichspannung Vd vergrößert, was die Notwendigkeit schafft, Halbleitervorrichtungen zu verwenden, die höheren Spannungen widerstehen können. Dies erhöht das Gewicht und die Größe der Vorrichtung, wodurch ihre Kosten erhöht werden.
Es wird Bezug genommen auf IEEE Transactions on Power Delivery, Band Nr. 4, Oktober 1989, "Feasibility study of AC- and DC- active Filters for HDVC converter Terminals", in welchen ein Gleichstrom-Aktivfilter offenbart wird zur Kompensation von höheren Harmonischen, die auf der Grundlage der Zahl an Pulsen im Wandler erzeugt werden. Als Energiequelle wird eine Dreiphasen-Wechselstrom-Energiequelle verwendet, anstatt einer Einphasenquelle.
Die Erfindung versucht ein Leistungswandlungssystem zu schaffen, in welchem die Fluktuation der Gleichspannung, welche durch Leistungsfluktuationen der Einphasen-Wechselspannungs- Energiequelle erzeugt werden, ausgeschlossen werden kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines Leistungswandlungssystems, bei welchem der Belastungsgrad bzw. Ausnutzungsgrad des Leistungswandlungssystems vergrößert werden kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines Leistungswandlungssystems, bei welchem die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators stark verringert werden kann und die Abnutzungen und das Gewicht des Leistungswandlungssystems als ganzes verringert werden kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines Leistungswandlungssystems, bei welchem das Schwebungsphänomen des Wechselrichter-Ausgangsstroms ausgeschlossen ist, wodurch die Motorvibration und das Rauschen stark verringert werden können.
Gemäß dieser Erfindung wird ein eingangs definiertes Leistungswandlungssystem geschaffen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gleichstrom-Aktivfilter angeordnet ist eine Frequenzkomponente der ersten Gleichspannung, welche an den Hauptglättungskondensator angelegt wird, zu erfassen, welche doppelt so groß ist wie die Frequenz der Einphasen- Wechselstrom-Energiequelle, und einen Kompensationsstrom (IF) zu steuern, der in das Gleichstrom-Aktivfilter fließt, damit die Frequenzkomponente der ersten Gleichspannung ausgelöscht wird.
Diese Erfindung kann so verwirklicht werden, daß die Leistungsfluktuation der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle absorbiert wird durch das Gleichstrom-Aktivfilter, welches auf der Gleichstromseite des Wechselstrom-Gleichstrom- Leistungswandlers vorgesehen ist, so daß der Ausnutzungsgrad des Leistungswandlungssystems erhöht wird. Dies ermöglicht es, die Fluktuation der Gleichspannung auszuschließen, und ermöglicht es die Vibrationen und das Rauschen des Motors zu verringern, und ermöglicht es die Kapazität des gleichstromseitigen Glättungskondensators zu verringern.
Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung und viele ihrer Vorteile treten besser hervor, wenn die Erfindung besser verstanden wird durch die Bezugnahme auf die folgende, ausführliche Beschreibung, welche nur als Beispiel gegeben wird, zusammen betrachtet mit den begleitenden Zeichnungen, wobei:
Fig. 1 ein Entwurfsdiagramm ist, welches eine erste Ausführung eines Leistungswandlungssystems nach dieser Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Spannungs/Strom-Vektordiagramm ist, welches zur Erklärung des Betriebs des Leistungswandlungssystems der Fig. 1 gezeigt wird;
Fig. 3 ein Signalform-Diagramm der Spannung, des Stroms und der Leistung der verschiedenen Einheiten ist, gegeben als Erklärung des Betriebs des in Fig. 1 gezeigten Leistungswandlungssystems;
Fig. 4 ein Signalform-Diagramm der Spannung, des Stroms und der Leistung der verschiedenen Einheiten ist, gegeben als Erklärung des Betriebs des in Fig. 1 gezeigten Leistungswandlungssystems;
Fig. 5 ein Äquivalentschaltbild ist, welches als Erklärung des Betriebs des Leistungswandlungssystems der Fig. 1 gezeigt wird;
Fig. 6 ein Entwurfsdiagramm ist, welches eine zweite Ausführung eines Leistungswandlungssystems nach dieser Erfindung zeigt;
Fig. 7 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Gleichstrom- Aktivfilter eines Leistungswandlungssystems nach einer dritten Ausführung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 8 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Gleichstrom- Aktivfilter eines Leistungswandlungssystems nach einer vierten Ausführung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 9 ein Äquivalentschaltbild und Spannung/Strom- Vektordiagramm ist, welches zur Erklärung des Betriebs des Gleichstrom-Aktivfilters der Fig. 8 gezeigt wird;
Fig. 10 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Gleichstrom- Aktivfilter eines Leistungswandlungssystems nach einer fünften Ausführung der Erfindung zeigt;
Fig. 11 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Gleichstrom- Aktivfilter eines Leistungswandlungssystems nach einer sechsten Ausführung diese Erfindung zeigt;
Fig. 12 ein Zeitdiagramm ist, welches zur Erklärung der PWM- Steuerwirkung des Gleichstrom-Aktivfilters in Fig. 11 gezeigt wird;
Fig. 13 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Gleichstrom- Aktivfilter eines Leistungswandlungssystems nach einer siebten Ausführung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 14 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Gleichstrom- Aktivfilter eines Leistungswandlungssystems nach einer achten Ausführung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 15 ein Spannung/Strom-Vektordiagramm ist, welches zur Erklärung des Betriebs des Leistungswandlungssystems dieser Erfindung gezeigt wird;
Fig. 16 eine Ansicht ist, welche die Spannungs-, Strom- und Leistungs-Signalformen der verschiedenen Einheiten zeigt, gegeben als Beispiel des Betriebs des Leistungswandlungssystems dieser Erfindung;
Fig. 17 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Gleichstrom- Aktivfilter eines Leistungswandlungssystems nach einer neunten Ausführung dieser Erfindung zeigt;
Fig. 18 ein Charakteristik-Schaubild ist, welches zur Erklärung des Betriebs des Leistungswandlungssystems dieser Erfindung gezeigt wird; und
Fig. 19 ein Entwurfsdiagramm ist, welches ein Beispiel eines Leistungswandlungssystems des Standes der Technik zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, irr welchen gleiche Bezugsziffern gleiche oder identische oder entsprechende Teile durch mehrere Ansichten hindurch bezeichnen, werden nun Ausführungen dieser Erfindung unten beschrieben.
Als erstes wird eine Übersicht eines erfindungsgemäßen Leistungswandlungssystems unter Bezugnahme auf Fig. 1 gegeben. In dieser Figur ist SUP eine Einphasen-Wechselstrom- Energiequelle (Einphasen-Energiequelle), LS ist eine Wechselstrom-Induktivität, und CNV ist ein Pulsbreitenmodulations-Steuerungs-Wandler (im folgenden als PWM-Wandler bezeichnet), der ein Beispiel eines Wechselstrom/Gleichstrom-Leistungswandlers ist, INV ist ein Pulsbreitenmodulationsteuerungs-Wechselrichter (im folgenden als PWM-Wechselrichter bezeichnet), IM ist ein Dreiphasen- Induktionsmotor bzw. Drehstrommotor, Cd ist ein Hauptglättungskondensator und DC-AF ein Gleichstrom- Aktivfilter.
Bekannte Beispiele von Wechselstrom/Gleichstrom- Leistungswandlern sind ein Diodengleichrichter oder ein Pulsbreitenmodulationsteuerungs-Wandler (PWM-Wandler). Im folgenden wird PWM-Wandler CNV als Beispiel beschrieben. Der PWM-Wandler CNV steuert den Strom Is, welcher aus der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle SUP zugeführt wird, damit die Gleichspannung Vd, welche an den Hauptglättungskondensator Cd angelegt wird, praktisch konstant wird. Gewöhnlich wird dieser Eingangsstrom Is so gesteuert, daß er eine Sinuswelle der gleichen Phase wie die Spannung Vs der Einphasen- Wechselstrom-Energiequelle SUP bildet, was zu einer Leistungswandlung mit einem Leistungswandlungsfaktor von 1 und wenig höheren Harmonischen führt.
Die Gleichspannung fällt ab, wenn die Lastvorrichtung, z. B. der Induktionsmotor IM eine Last aufnimmt. Die Gleichspannung Vd wird jedoch auf einen konstanten Wert gesteuert, durch Ausübung der Steuerung, so daß eine Aktivleistung, welche dieser Last gleicht, aus der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle SUP zugeführt wird. Die Lastvorrichtungen umfassen den Pulsbreitenmodulationsteuerung-Wechselrichter (PWM- Wechselrichter) INV mit dreiphasigem Ausgang und einen Wechselstrommotor (Induktionsmotor, usw.), der von diesem Wechselrichter INV betrieben wird. In dem stationären Zustand, in welchem die Drehgeschwindigkeit und das erzeugte Drehmoment des Motors praktisch konstant sind, ist der Gleichstrom des Dreiphasen-PWM-Wechselrichters INV praktisch konstant, abgesehen von harmonischen Komponenten. Die meisten der gleichstromseitigen harmonischen Komponenten dieses Wechselrichters INV werden durch den Hauptglättungskondensator Cd absorbiert.
Wie jedoch unter Bezugnahme auf das Leistungswandlungssystem des Standes der Technik beschrieben, fluktuiert die Leistung, welche aus der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle SUP zugeführt wird, mit einer Frequenz, die doppelt so groß ist wie die Energiequellen-Frequenz bzw. Versorgungsfrequenz, was zu einer Fluktuation der Gleichspannung führt.
Ein Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF ist parallel zum Hauptglättungskondensator Cd geschaltet und steuert einen Kompensationsstrom IF, welcher in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließt, um den Betrag der Leistungsfluktuation der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle SUP zu absorbieren. Ein Befehlswert bzw. Stellwert IF* dieses Kompensationsstroms IF ist wie folgt gegeben. Als erstes wird die Fluktuationsleistung ΔPC gefunden, durch Subtraktion eines Mittelwerts Pav der von der Wechselstrom-Energiequelle SUP zugeführten Aktivleistung, von einem berechnetem Wert PC der instantanen wechselstromseltigen Leistung des PWM-Wandlers CNV. Als nächstes, durch Teilung der Fluktuationsleistung ΔPC durch die Gleichspannung Vd, wird der Befehlswert IF* gefunden. Das bedeutet,
ΔPC = PC - Pav
IF* = ΔPC/Vd
Da der Kompenstationstrom IF = IF* durch das Gleichstrom- Aktivfilter DC-AF fließt, wird ein Strom zum Hauptglättungskondensator Cd, welcher von der Fluktuation der Einphasen-Wechselstromleistung herrührt, daran gehindert zu fließen, und die Fluktuation der Gleichspannung Vd wird daher ausgeschlossen. Der Hauptglättungskondensator Cd kann daher mit einer Kapazität ausgestattet sein, welche nur dafür ausreicht, die harmonischen Komponenten der Gleichstromseite des PWM- Wandlers CNV und des Dreiphasen-PWM-Wechselrichters INV zu absorbieren, so daß die Kapazität nicht besonders groß sein muß.
Das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF besteht z. B. aus einer Konstantgleichspannungsquelle EA, einem PWM-Wechselrichter VSI für die Spannungsquelle, welcher die Gleichspannung der Konstantgleichspannungsquelle EA in eine Wechselspannung variabler Spannung wandelt, und einem Gleichspannungs- Glättungskondensator CF, welcher mit dem Ausgangsanschluß des Wechselrichters VSI verbunden ist. Das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF steuert den Kompensationsstrom IF durch Einstellen der Ausgangsspannung des Wechselrichters VSI. Die Kapazität des PWM-Wechselrichters VSI, welche in dem Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF verwendet wird, hängt ab von der Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF. In anderen Worten, wenn die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF als Null angenommen werden würde, wird es notwendig, die Kapazität bzw. Fähigkeit des PWM-Gleichrichters VSI des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF gleich zu wählen wie die Kapazität bzw. Fähigkeit des PWM-Wandlers CNV. Und, wenn die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF unendlich groß gemacht werden würde, könnte die Kapazität des PWM-Wechselrichters VSI des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF zu Null gemacht werden.
Unter Berücksichtigung dessen, wird die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF größer gewählt als jene des Hauptglättungskondensators Cd, und halb so groß wie oder in einem kleineren Bruchteil gewählt als der Gleichstrom- Glättungskondensator Cdo, welcher im Leistungswandlungssystem des Standes der Technik verwendet wird. Als Ergebnis kann die Kapazität des PWM-Wechselrichters VSI des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF 10% bis 20% der Kapazität des PWM-Wandlers CNV betragen, so daß die Kapazität der Kondensatoren des Leistungswandlungssystem als Ganzes verringert wird, was wesentliche Vorteile für ein Elektrofahrzeugsystem schafft, bei welchem Gewichtsverringerung und Größenverringerung als wichtig angesehen werden. Ferner, da die Fluktuation der Gleichspannung Vd ausgeschlossen wird, kann eine höhere Gleichspannung verwendet werden, voraus als Ergebnis eine Erhöhung der Ausgangskapazität bzw. Ausgabefähigkeit des PWM-Wandlers CNV und des PWM-Gleichrichters INV erwartet werden können.
Fig. 1 zeigt ein Hauptschaltung-Entwurfsdiagramm und ein Steuerschaltungs-Diagramm, welches eine erste bevorzugte Ausführung eines Leistungswandlungssystems nach diese Erfindung veranschaulicht.
Das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF wird gebildet durch die Konstantspannungsquelle EA, den Einphasen-Spannungsquellen-PWM- Wechselrichter VSI, einen Einphasen-Transformator TR, eine Induktivität LF und einen Gleichstrom-Glättungskondensator CF.
Ferner besteht die Steuervorrichtung aus: dem Eingangsstrom- Detektor CTS, einem Wechselspannungs-Detektor PTS, einem Gleichspannungs-Detektor PTD, Gleichstrom-Detektoren CT1, CT2, CTF, Laststrom-Detektoren CTU, CTV, CTW, einem Geschwindigkeitsdetektor PG, der Gleichspannungs- Steuerschaltung AVR, der Eingangsstrom-Steuerschaltung ACRS, der PWM-Steuerschaltung PWMC1 für den PWM-Wandler CNV, einer Geschwindigkeitssteuerschaltung SPC, einer Laststrom- Steuerschaltung ACRL, einer PWM-Steuerschaltung PWMC2 für den Dreiphasen-PWM-Wechselrichter INV, einer Kompensationsstrom- Befehlsschaltung FCR, einer Kompensationsstrom-Steuerschaltung ACRF und einer PWM-Steuerschaltung PWMC3 für den Einphasen- Spannungsquellen-PWM-Wechselrichter VSI.
Der PWM-Wechselrichter INV verwendet als seine Gleichspannungsquelle den Hauptglättungskondensator Cd, und liefert Dreiphasen-Wechselstromleistung variabler Spannung und variabler Frequenz an den Induktionsmotor IM.
Ausführlicher gesagt, wird die Drehgeschwindigkeit ωr des Motors IM durch den Geschwindigkeitsdetektor PG erfaßt, und der Geschwindigkeitssteuerschaltung SPC eingegeben. Die Geschwindigkeitssteuerschaltung SPC vergleicht einen Geschwindigkeitsbefehlswert ωr* mit dem erfaßten Geschwindigkeitswert ωr, und erzeugt einen Dreiphasen- Laststrom-Befehlswert IL*, welcher der Abweichung &epsi;r = ωr* - ωr dieser zwei Werte ωr* und ωr entspricht.
Die Laststrom-Steuerschaltung ACRL vergleicht die Dreiphasen- Lastströme IL (IU, IV, IW), welche durch Stromdetektoren CTU, CTV, CTW erfaßt werden, mit Dreiphasen-Laststrom-Befehlswerten IL*(IU*, IV*, IW*), und liefert Dreiphasen- Spannungsbefehlswerte eL* (eU*, eV*, eW*), welche ihren Abweichungen entsprechen, an die PWM-Steuerschaltung PWMC2.
Die PWM-Steuerschaltung PWMC2 gibt Gatesignale gI an Schaltvorrichtungen im PWM-Wechselrichter INV aus, auf der Grundlage von Dreiphasen-Spannungsbefehlswerten eL*. Als Ergebnis erzeugt der Dreiphasen-PWM-Wechselrichter INV Dreiphasen-Spannungen VL (VU, VV, VW) proportional zu diesen Dreiphasen-Spannungsbefehlswerten eL*, und steuert dadurch Dreiphasen-Lastströme IL.
Es ist bekannt, daß eine Ausgangscharakteristik, welche der Gleichstrommotor-Ausgangscharakteristik ähnlich ist, durch Vektorsteuerung des Induktionsmotors IM erhalten werden kann, da dies jedoch nicht der Hauptpunkt dieser Erfindung ist, wird eine ausführliche Beschreibung hiervon weggelassen.
Der Dreiphasen-PWM-Wechselrichter INV und der Induktionsmotor IM, wenn man sie von der Gleichspannungsquelle (Hauptglättungskondensator CD) hersieht, können als eine Art von Konstantstromquelle angesehen werden, um den Gleichstrom Id2 fließen zu lassen, wenn harmonische Komponenten vernachlässigt werden.
Der PWM-Wandler CNV steuert den Eingangsstrom Is so, daß die Spannung Vd, welche an den Hauptglättungskondensator Cd angelegt wird, praktisch konstant ist. Bei diesem Prozeß, da der Eingangsstrom Is auf eine Sinuswelle der gleichen Phase (oder entgegengesetzten Phase) zur Energiequellenspannung Vs gesteuert wird, kann ein Betrieb mit einem Eingangsleistungsfaktor von 1 erzielt werden.
Genauer gesagt, wenn die Spannung Vd des Hauptglättungskondensators Cd erfaßt wird von dem Gleichspannungsdetektor PTD und in die Spannungssteuerschaltung AVR eingegeben wird, wo die Spannung Vd verglichen wird mit einem Spannungsbefehlswert Vd*, um eine Abweichung &epsi;V = Vd* - Vd zu finden, welche verstärkt wird, um einen Spitzenwertbefehl Ism* für den Eingangsstrom Is zu finden.
Auch wird die Spannung Vs der Einphasen-Energiequelle SUP durch den Spannungsdetektor PTS erfaßt; und eine Einheitssinuswelle sin ωt, welche mit der Spannung Vs synchronisiert ist, wird gefunden. Die Einheitssinuswelle sin ωt mit multipliziert mit dem Stromspitzenwert-Befehl Ism*, um einen Eingangsstrom- Befehlswert Is* zu erhalten. Genauer:
Is* = Ism* · sinωt
Die Eingangsstrom-Steuerschaltung ACRS vergleicht den Befehlswert Is* mit dem Eingangsstrom Is, der durch den Stromdetektor CTS erfaßt wird, um eine Abweichung &epsi;I = Is* - Is zu finden, welche dann (- k1 mal) verstärkt wird, um ein Eingangssignal eC* in die PWM-Steuerschaltung PWMC1 für den Wandler CNV zu erhalten. Die PWM-Steuerschaltung PWMC1 gibt Gatesignale gC an Schaltvorrichtungen im PWM-Wandler CNV auf der Grundlage des Eingangssignals eC* aus.
Der PWM-Wandler CNV erzeugt auf der Wechselstromseite eine Spannung VC, welche proportional zum Eingangssignal eC* ist, und steuert den Eingangsstrom Is. Die Wechselstrom-Induktivität LS wird mit der Differenzspannung VLS = Vs - VC der Quellenspannung Vs und Wandlerspannung VC versorgt.
Zum Beispiel, wenn Is* > Is, hat die Abweichung &epsi;I einen positiven Wert, und das Eingangssignal eC* der PWM- Steuerschaltung PWMC1 hat einen negativen Wert. Folglich wird die Spannung VLS, die an die Wechselstrom-Induktivität LS angelegt wird, erhöht, und der Eingangsstrom Is wird erhöht. Im Gegensatz dazu, wenn Is* < Is, hat die Abweichung &epsi;I einen negativen Wert und das Eingangssignal eC* nimmt einen positiven Wert an. Folglich wird die Spannung VLS, welche an die Wechselstrom-Induktivität LS angelegt wird, verringert, und der Eingangsstrom Is wird verringert. Folglich wird der Eingangsstrom Is so gesteuert, daß er mit dem Strombefehlswert Is* übereinstimmt. In diesem Fall, für den Strombefehlswert Is*, wird eine Sinuswelle der gleichen Phase wie die Energiequellenspannung Vs zugeführt, und der Eingangsstrom Is wird auch so gesteuert, daß er dem Strombefehlswert Is* folgt. Somit kann ein Betrieb mit einem Eingangsleistungsfaktor gleich 1 geschaffen werden, mit geringen Harmonischen.
Die Gleichspannung Vd wird wie folgt gesteuert.
Zum Beispiel, wenn Vd* > Vd, nimmt die Abweichung &epsi;V einen positiven Wert an, und der Stromspitzenwert-Befehl Ism* wird mit einem positiven Wert vergrößert. Als Ergebnis nimmt die Leistung PS = Vs · Is, welche aus der Einphasenwechselstrom- Energiequelle SUP zugeführt wird, einen positiven Wert an, und die Leistung PS wird dem Hauptglättungskondensator Cd zugeführt, wodurch die Gleichspannung Vd zunimmt. Im umgekehrten Fall, wenn Vd* < Vd, nimmt die Abweichung &epsi;V einen negativen Wert an, und der Stromspitzenwert-Befehl Ism* nimmt einen negativen Wert an. Als Ergebnis wird die im Hauptglättungskondensator Cd gespeicherte Energie in die Einphasenwechselstrom-Energiequelle SUP regeneriert, und die Gleichspannung Vd nimmt ab. Auf diese Weise wird die Gleichspannung Vd so gesteuert, daß sie mit dem Spannungsbefehlswert Vd* übereinstimmt.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einen Spannungs/Strom- Vektordiagramms der Seite der Einphasen-Energiequelle SUP des Leistungswandlungssystems der Fig. 1.
Die Fig. 2(a) zeigt ein Vektordiagramm für den Fall des Leistungsverbrauchs des Fahrzeugs. Der Eingangsstrom Is fließt, was dazu führt, daß die Spannung VLs = jω · Ls · Is an die Wechselstrom-Induktivität Ls angelegt wird. Die Spannung VC, welche von dem PWM-Wandler CNV erzeugt wird, wird so, wie es in der Figur gezeigt ist. In diesem Fall wird der Betrag VCm der Spannung VC und der Phasenwinkel θ (Nacheilen) ausdrückt durch die folgenden Gleichungen:
VCm = (Vsm² + VLSm²)1/2
θ = tan&supmin;¹ (VLSm/Vsm)
wobei
VS = Vsm · sin ωt
Is = Ism · sin ωt
und VLsm = ω Ls · Ism.
Fig. 2(b) ist ein Vektordiagramm, welches den Fall des Regenerationsbetriebs zeigt. Der Eingangsstrom Is wird so gesteuert, daß er umgekehrte Phase hat bezüglich der Energiequellenspannung Vs. Da die Phase der Spannung VLs, welche angelegt wird an die Wechselstrom-Induktivität Ls, invertiert ist, eilt der Phasenwinkel θ der Spannung VC, welche durch den PWM-Wandler CNV erzeugt wird, vor.
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches Spannungs- und Strom- Signalformen während des Leistungsverbrauchs des PWM-Wandler CNV des Leistungswandlungssystems der Fig. 1 zeigt. Der Eingangsstrom Is wird auf die gleiche Phase gesteuert wie die Energiequellenspannung vs, und die von dem PWM-Wandler CNV erzeugte Spannung vC eilt um den Phasenwinkel θ gegenüber der Energiequellenspannung vs nach. Die instantane Leistung PS, welche von der Einphasenwechselstrom-Energiequelle SUP geliefert wird, ist:
PS = vs · is = Vsm · sin ωt x Ism · sin ωt = (Vsm · Ism/2) · (1 - cos ωt)
Die instantane Leistung PS fluktuiert mit einer Frequenz, welche doppelt so groß ist wie jene der Einphasenwechselstrom- Energiequelle SUP. Ebenso ist eine instantane Leistung PC des PWM-Wandlers CNV das Produkt der von dem PWM-Wandler CNV erzeugten Spannung vC und des Stroms ist, und zeigt somit eine wesentliche Fluktuation, entsprechend dem Betrag des Spannungsabfalls der Wechselstrom-Induktivität Ls.
Genauer,
PC = vC · is = VCm · sin (ωt - θ) x Ism · sin ωt = (VCm · Ism/2) · (cos θ - cos (2ωt - θ)}
Da VCm = Vsm/cos θ gilt, beträgt der Mittelwert Pav der Aktivleistung:
Pav = Vsm · Ism/2
Im stationären Zustand ist die Aktivleistung Pav gleich einer Leistung PL, welche von der Lastvorrichtung (PWM-Wechselrichter INV und Induktionsmotor IM) verbraucht wird, und die Leistungsfluktuation ΔPC fließt in den bzw. aus dem Hauptglättungskondensator Cd. Das bedeutet
ΔPC = PC - PL = (VCm · Ism/2) · cos (2ωt - θ)
Ein Strom idc, welcher in den Hauptglättungskondensator Cd fließt, kann somit durch die folgende Gleichung abgeschätzt werden, wobei der Mittelwert der Gleichspannung Vd als Vdo genommen wird.
idc = ΔPC/Vdo = (VCm · Ism/2 Vdo) · cos (2ωt - θ) = -{Pav/(Vdo · cos θ)} · cos (2ωt - θ).
Die Fluktuationsstärke ΔVd der Gleichspannung Vd wird daher durch die folgende Berechnungsformel gegeben:
ΔVd = (¹/&sub4; Cd) · idc dt = -{Vcm · Ism/(4 · Vdo · ω · cd)} · sin (2ωt - θ) = -{Pav/(2 · cos θ · Vdo · ω · Cd)} · sin (2ωt - θ) = -ΔVdm · sin (2ωt - θ)
Genauer ist die Größe der Gleichspannungsfluktuation ΔVd proportional zur Aktivleistung PL, welche bis zur Lastvorrichtung gebracht wird, wobei PL = Pav = Vsm · Ism/2, und ist umgekehrt proportional zur Kapazität des Hauptglättungskondensators Cd. Zum Beispiel, wenn PL = 3000 kW, Vdo = 2000 V, f = ω/(2π) = 50 Hz, Cd = 0.02 F und cos θ = 0.9, so gilt für den Betrag von ΔVd, daß ΔVdm = 132.6 V.
Fig. 4 zeigt Spannungs- und Ström-Signalformen der verschiedenen Einheiten während des Regenerationsbetriebs. Die Spannung Vc, welche von dem PWM-Wandler CNV erzeugt wird, läuft die Energiequellenspannung Vs um den Phasenwinkel voraus.
Folglich
PC = vC · is = VCm · sin (ωt + θ) x Ism · sin (ωt + π) = -(Vcm · Ism/2) · {cos θ - cos (2ωt + θ)}
Da Vcm = Vsm/cos θ, stimmt die Aktivleistung Pav mit der aus der Lastvorrichtung (PWM-Wechselrichter INV und Induktionsmotor IM) regenerierten Leistung PL überein, und die Leistungsfluktuation ΔPC wird in den bzw. aus dem Hauptglättungskondensator Cd eingegeben bzw. ausgegeben. Genauer
ΔPC = PC - Pl = (VCm (Ism/2) · cos (2ωt + θ)
Somit kann der Strom Idc, welcher in dem
Hauptglättungskondensator Cd fließt, abgeschätzt werden durch den folgenden Ausdruck, wobei der Mittelwert der Gleichspannung Vd als Vdo genommen wird.
Idc = ΔPC/Vdo = (Vcm · Ism/2Vdo) · cos (2ωt + θ) = {Pav/(Vdo · cos θ)} · cos (2ωt + θ)
Folglich beträgt die Fluktuationsstärke ΔVd der Gleichspannung Vd:
ΔVd = (1/Cd) idc dt = {Vcm · Ism/ (4 · Vdo · ω · Cd)} · sin (2ωt +θ) = {Pav/ (2 · cos θ · Vdo · ω · Cd)} · sin (2ωt + θ) = ΔVdm · sin (2ωt + θ)
Als nächstes wird die Steuerwirkung des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF des Leistungswandlungssystems der Fig. 1 beschrieben.
Zunächst wird der Ausgangsgleichstrom Id1 des Einphasen-PWM- Wandlers CNV und der Eingangsgleichstrom Id2 des Dreiphasen- PWM-Wechselrichters INV durch jeweilige Stromdetektoren CT1, CT2 erfaßt und der Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR eingegeben, wo ihre Differenz IF* gefunden wird. Der Differenzstrom IF* = Id1 - Id2 bildet den Befehlswert des Kompensationsstroms IF, welcher im Gleichstrom-Aktivfilter DC- AF fließt. An diesem Punkt besteht keine Notwendigkeit, daß harmonische Stromkomponenten, die durch PWM-Steuerung des PWM- Wandlers CNV und/oder PWM-Wechselrichters INV erzeugt werden, in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließen, so daß die erfaßten Werte Id1, Id2 der Gleichströme in die Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR eingegeben werden, mit durch ein Filter entfernten harmonischen Komponenten.
Der in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließende Kompensationsstrom IF wird durch den Stromdetektor CTF erfaßt und in die Stromsteuerschaltung ACRF eingegeben. Die Stromsteuerschaltung ACRF vergleicht den Kompensationsstrom- Befehlswert IF* mit dem Kompensationsstrom-Erfassungswert IF, um eine Abweichung SF = IF* - IF zu finden. Die Abweichung &epsi;F wird dann invertiert, verstärkt und der PWM-Steuerschaltung PWMC3 als Spannungsbefehlswert eF* zugeführt. Die PWM- Steuerschaltung PWMC3 gibt Gatesignale gF an Schaltvorrichtungen in dem Spannungsquellen-PWM-Wechselrichter VSI aus, auf der Grundlage des Spannungsbefehlswerts eF*. Als Ergebnis steuert der Spannungsquellen-PWM-Wechselrichter VSI den Kompensationsstrom IF durch Erzeugung einer Spannung VF, welche dem Spannungsbefehlswert eF* proportional ist.
Wenn IF* > IF, nimmt die Abweichung &epsi;F einen positiven Wert an, woraus sich ergibt, daß der Spannungsbefehlswert eF* einen negativen Wert annimmt, und die Ausgangsspannung VF nimmt einen negativen Wert an. Der Kompensationsstrom IF wird daher vergrößert, und die Steuerung wird so bewirkt, daß IF = IF*.
Im umgekehrten Fall, wenn IF* < IF, nimmt die Abweichung &epsi;F einen negativen Wert an, der Spannungsbefehlswert eF* nimmt einen positiven Wert an, und die Ausgangsspannung VF nimmt einen positiven Wert an. Als Ergebnis wird der Kompensationsstrom IF verringert. Somit wird die Steuerung immer noch so ausgeübt, daß IF = IF*.
Fig. 5 Zeit ein Äquvalentschaltbild des Leistungswandlungssystems der Fig. 1. Der PWM-Wandler CNV und der PWM-Wechselrichter INV können als Stromquellen dargestellt werden. Unter Vernachlässigung des durch die PWM-Steuerung erzeugten harmonischen Stroms, enthält der Eingangsstrom Id2 des PWM-Wechselrichters INV nur eine Gleichstromkomponente IC, und der Ausgangsstrom Id1 der PWM-Wandlers CNV enthält eine Gleichstromkomponente IC und eine Wechselstromkomponente idc, welche mit einer Frequenz variiert, die doppelt so groß ist wie die Energiequellenfrequenz. Ein Strom Id3, welcher im Hauptglättungskondensator Cd fließt, wird dann Null, da der Kompensationsstrom IF = idc durch das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließt. Genauer gesagt, da der Kompensationsstrom IF keinen harmonischen Strom enthält, fließt ein harmonischer Strom in den Hauptglättungskondensator Cd. Da die Frequenz jedoch hoch ist, kann die Kapazität des Hauptglättungskondensators Cd viel kleiner gewählt werden, während immer noch praktisch alle Spannungsfluktuationen ausgelöscht werden.
Fig. 6 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Leistungswandlungssystems zeigt. In Fig. 6(a) ist SUP eine Einphasen-Wechselstrom- Energiequelle (Einphasen-Energiequelle), CNV ist ein PWM- Wandler, DC-AF ist ein Gleichstrom-Aktivfilter, Cd ist ein Hauptglättungskondensator, INV ist ein Dreiphasen-PWM- Wechselrichter und M ist ein Wechselsstrommotor.
Das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF besteht aus: einem Transformator TR, einer Induktivität LF, einem Gleichstrom- Glättungskondensator TF, einem Einphasenspannungsquellen-PWM- Wechselrichter VSI, einer Gleichstromkapazität CA, einer Gleichstrom-Induktivität LCH, einer Schaltvorrichtung CHO und einer Freilaufdiode DCH. Die Schaltvorrichtung CHO, die Freilaufdiode DCH und die Wechselstrominduktivität LCH bilden einen Gleichstrom-Zerhacker bzw. Chopper.
Der Unterschied im Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF gegenüber der Ausführung der Fig. 1 ist, daß eine Spannung VA, welche durch den Gleichstrom-Zerhacker an den Gleichstrom-Kondensator CA angelegt wird, konstant gesteuert wird, und der Gleichstrom- Kondensator CA als Spannungsquelle des Einphasen- Spannungsquellen-PWM-Wechselrichters VSI genommen wird. Der Betrieb dieses Gleichstrom-Zerhackers wird unten beschrieben. Die Gleichstrom-Zerhacker-Steuerschaltung, wie sie in Fig. 6(b) gezeigt ist, besteht aus einem Vergleicher C2, einer Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GCH(S) und einer PWM-Steuerschaltung PWMC4.
Als aller erstes wird die Spannung VA, welche an den Gleichstrom-Kondensator CA angelegt wird, erfaßt und dem Vergleicher C2 eingegeben. Der Vergleicher C2 vergleicht einen Spannungsbefehlswert VA* mit dem Spannungserfassungswert VA, um eine Abweichung &epsi;A = VA* - VA zu erhalten, welche dann der Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GCH(S) eingegeben wird. Die Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GCH(S) verstärkt die Abweichung &epsi;A, um einen Spannungsbefehlswert eCH* zu erzeugen, welcher dann der PWM-Steuerschaltung PWMC4 eingegeben wird. Die PWM-Steuerschaltung PWMC4 ist eine gewöhnliche Steuerschaltung mit Pulsbreitenmodulation für Dreieckssignalvergleich, und gibt ein Gatesignal g4 an die Schaltvorrichtung CHO im Gleichstrom-Zerhacker aus, auf der Grundlage des Spannungsbefehlswerts eCH*.
Wenn VA* > VA, nimmt die Abweichung &epsi;A einen positiven Wert an, was bewirkt, daß der Spannungsbefehlswert eCH* zunimmt, und die AN-Periode der Schaltvorrichtung CHO verlängert wird. Als Ergebnis wird der Strom, welcher den Gleichstrom-Kondensator CA lädt, erhöht, was die angelegte Spannung VA erhöht, und die Steuerung so gestaltet, daß VA = VA*.
In der umgekehrten Situation, wenn VA* < VA, nimmt die Abweichung &epsi;A einen negativen Wert an, wodurch der Spannungsbefehlswert eCH* abnimmt, und die AN-Periode der Schaltvorrichtung CHO verkürzt wird. Als Ergebnis wird die Steuerung ebenfalls so ausgeübt wird, daß VA = VA*, durch Verringerung des Stroms, mit welchem der Gleichstrom- Kondensator CA geladen wird, wodurch die angelegte Spannung VA verringert wird.
Wie oben beim Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF in Fig. 1 beschrieben, läßt auch das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF in Fig. 2 den Kompensationsstrom IF so passieren, daß die Spannung Vd, welche an den Hauptglättungskondensator Cd angelegt wird, konstant wird. Dank des Hineinfließens des Kompensationsstroms IF in den Gleichstrom-Glättungskondensator CF, fluktuiert eine Spannung VCF, welche an den Gleichstrom- Glättungskondensator CF angelegt wird. Daher wird eine der Fluktuationsstärke der Spannung VCF entgegengesetzte Spannung dann in dem Einphasenspannungsquellen-PWM-Wechselrichter VSI erzeugt, und die an den Hauptglättungskondensator Cd angelegte Spannung wird konstant gehalten. Die Spannung VF, welche durch den Einphasenspannungsquellen-PWM-Wechselrichter VSI erzeugt wird, und der Kompensationsstrom IF haben eine Phasendifferenz von praktisch 90º, so daß es gewöhnlicherweise beinahe überhaupt keine Eingabe oder Ausgabe von Aktivleistung in den bzw. aus dem Einphasenspannungsquellen-PWM-Wechselrichter VSI gibt. Folglich kann der Gleichstrom-Zerhacker des Leistungswandlungssystems der Fig. 6 eine Kapazität haben, welche nur ausreicht, Verluste des Einphasen-Spannungsquellen- PWM-Wechselrichters VSI usw. zu liefern.
Aufgrund dieser Konstruktion der zweiten Ausführung der Fig. 6, kann eine niedrigere Spannung für die Energiequellenspannung VA des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF verwendet werden, und eine stabile Spannungsquelle kann erzielt werden.
Im Fall, daß die Haltespannung des Einphasenspannungsquellen- PWM-Wechselrichter VSI sichergestellt wird durch Verbinden der zwei Anschlüsse des Gleichstrom-Kondensators CA des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF parallel zum Hauptglättungskondensator Cd, kann auf die Gleichstrom- Zerhackerschaltung der Fig. 6 verzichtet werden.
Fig. 7 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine dritte Ausführung eines Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF eines erfindungsgemäßen Leistungswandlungssystems zeigt. Man beachte, daß ein Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF in den folgenden Ausführungen verwendet wird, um das Gleichstrom-Aktivfilter DC- AF im Leistungswandlungssystem der Fig. 1 zu ersetzen.
In Fig. 7(a) sind P und N positive und negative Gleichstromanschlüsse der Hauptschaltung, EA ist eine Gleichsspannungsquelle, VSI ist ein Einphasenspannungsquellen- PWM-Wechselrichter, TR ist ein Einphasen-Transformator, LF ist eine Induktivität und CF ist ein Gleichstrom- Glättungskondensator.
Der Einphasenspannungsquellen-PWM-Wechselrichter VSI besteht aus Schaltvorrichtungen Sl bis 54 und Freilaufdioden D1 bis D4. Die Induktivität LF ist mit der Primärseite des Einphasen- Transformators TR verbunden. Zum Zwecke der vereinfachten Erklärung wird das Primär/Sekundär-Wicklungsverhältnis des Transformators TR als 1 : 1 angenommen.
Ebenso, wie in Fig. 7(b) gezeigt, besteht die Steuervorrichtung aus: einem Stromdetektor CTF, einer Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR, einer Kompensationsstrom-Steuerschaltung ACRF und einer PWM- Steuerschaltung PWMC3 für den Einphasenspannungsquellen-PWM- Wechselrichter VSI. Die Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR wird gebildet durch Multiplizierer ML1, ML2, einen Proportionalberechner OA, einen Addierer AD und einen Teiler DIV. Die Kompensationsstrom-Steuerschaltung ACRF besteht aus einem Vergleicher C1 und einer Steuerkompensationsschaltung GF(S).
Das Produkt der wechselstromseitigen Spannung VC des PWM- Wandlers CNV und des Eingangsstroms Is des PWM-Wandlers CNV wird als erstes vom Multiplizierer ML2 bestimmt. Da an diesem Punkt der Spannungserfassungswert VS eine starke harmonische Komponente enthält, könnte das PWM-Steuereingangssignal (Spannungsbefehlswert) eC* des PWM-Wandlers CNV statt dessen verwendet werden. Genauso könnte der Strombefehlswert Is* anstelle des Eingangsstrom-Erfassungswerts Is verwendet werden. Der Ausgang des Multiplizierers ML2 ist die instantane Leistung PC des PWM-Wandlers CNV.
Ferner berechnet der Multiplizierer ML1 das Produkt des Spannungsquellen-Spannungsspitzenwerts Vsm und des Eingangsstrom-Spitzenwerts Ism. Das Produkt wird durch den Proportionalberechner OA halbiert, um einen Mittelwert Pav der Aktivleistung, welche von der Wechselstrom-Energiequelle SUP geliefert wird, zu erzeugen. Der Befehlswert Ism* könnte anstelle des Eingangsstrom-Spitzenwerts Ism verwendet werden.
Der Addierer AD berechnet den Wert (PC - Pav), um die Fluktuationsleistung ΔPC zu finden, welche dann in den Teiler DIV eingegeben wird. Der Teiler DIV teilt die Fluktuationsleistung ΔPC durch den Gleichspannungs- Erfassungswert Vd, und dieses Ergebnis bildet den Befehlswert IF* für den Kompensationsstrom IF.
Der Kompensationsstrom-Befehlswert IF*, welcher so bestimmt wird, wird gleich groß wie die Stärke der Fluktuation idc des gleichstromseitigen Stroms des PWM-Wandlers CNV, welche sich aus der Leistungsfluktuation ΔPC der Einphasen-Energiequelle SUP ergibt.
Der Kompensationsstrom-Befehlswert IF* wird in den Vergleicher C1 der Kompensationsstrom-Steuerschaltung ACRF der nächsten Stufe eingegeben, wo er verglichen wird mit dem Kompensationsstrom IF, der vom Stromdetektor CTF erfaßt wird. Eine Abweichung &epsi;F = IF* - IF, welche auf diese Weise gefunden wird, wird in die Steuerkompensationsschaltung GF(S) eingegeben, invertiert und (-KF mal) verstärkt, um den Spannungsbefehlswert eF* für den Einphasen-PWM-Wechselrichter VSI zu schaffen. Die Steuerung des Kompensationsstroms, so daß IF = IF* gilt, wurde bereits oben beschrieben, und somit wird die Beschreibung dieser Steuerung weggelassen.
Somit, aufgrund der Tatsache, daß das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF den Kompensationsstrom IF fließen läßt, welcher gleich IF* (= idc) ist, fließen die Fluktuationen der Einphasenleistung nicht länger in den Hauptglättungskondensator Cd, so daß die Fluktuationsspannung beseitigt werden kann.
Fig. 8 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine vierte Ausführung eines Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF des Leistungswandlungsystems nach dieser Erfindung zeigt.
In dieser Figur ist die Hauptschaltung des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF die gleiche wie jene des in der Fig. 7 gezeigten Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF, außer daß ein Glättungskondensator CA, welcher für eine Gleichstrom- Energiequelle des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF verwendet wird, anstelle der Gleichstrom-Spannungsquelle EA vorgesehen ist.
Die Steuervorrichtung besteht aus: einem Stromdetektor CTF, einem Gleichspannungsdetektor ISOA, Vergleichern C1 und C2, einer Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GA(S), einer Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR, einer Phasensynchronisationsschaltung PLL, einem Multiplizierer ML3, einem Addierer AD2, einer Stromsteuerungs- Kompensationsschaltung GF(s) und einer PWM-Steuerschaltung PWMC3. Die Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR ist genauso aufgebaut wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 7 beschrieben.
Als erstes bestimmt die Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR den Befehlswert IF*, welcher durch die folgende Formel angegeben wird. Genauer:
IF* = idc = ΔP/Vd = -(VCm · Ism/2Vd) · cos (2ωt - θ)
Die Phasensychronisationsschaltung PLL findet eine Einheitskosinuswelle cos (2ωt - θ), die mit dem Kompensationsstrom-Befehlswert IF* synchronisiert ist, und gibt eine Einheitssinuswelle sin (2ωt - θ) aus, welche durch Verschiebung um 90º erhalten wird.
Der Spannungsdetektor ISOA erfaßt die Spannung VA des Gleichstrom-Kondensators CA, welche dem Vergleicher C2 eingegeben wird. Der Vergleicher C2 vergleicht den Spannungsbefehlswert VA* mit dem Spannungserfassungswert VA, um eine Abweichung EA = VA* - VA zu erhalten. Die Abweichung &epsi;A wird invertiert und verstärkt (-KA) durch die Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GA(S), um ein Ausgangssignal IAm* zu erhalten. Der Multiplizierer ML3 multipliziert das Ausgangssignal IAm* der Spannungssteuerungs- Kompensationsschaltung GA(S) und das Ausgangssignal sin (2ωt - θ) der Phasensychronisationsschaltung PLL, um in der Folge einen Strombefehlswert IA* zu erhalten.
IA* = IAm* · sin (2ωt - θ)
Der Addierer AD2 addiert den Strombefehlswert IA* und den Kompensationsstrom-Befehlswert IF*, um einen neuen Kompensationsstrom-Befehlswert IF'* zu erhalten.
Der Vergleicher C1 vergleicht den neuen Kompensationsstrom- Befehlswert IF'* mit dem Kompensationsstrom IF, der von dem Stromdetektor CTF erfaßt wird, um eine Abweichung &epsi;F = IF'* - IF zu erhalten, welche der Stromsteuerungs- Kompensationsschaltung GF(S) eingegeben wird. Die Steuerung des Kompensationsstrom IF ist so, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben wurde, so daß die Steuerung ausgeübt wird, damit IF = IF'*.
Fig. 9 ist eine Ansicht, welche zur Erklärung des Betriebs der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung gegeben wird. Fig. 9(a) zeigt deren Äquivalentschaltbild. Fig. 9(b) ist ihr Spannung/Strom- Vektordiagramm. Fig. 9 zeigt nur die Wechselstromgrößen, welche sich mit einer Frequenz von zwei mal der Energiequellenfrequenz ändern, und die Gleichstromkomponente wird weggelassen.
In dem Äquivalentschaltbild in Fig. 9(a) ist idc eine Fluktuationskomponente der Gleichstromseite, welche von dem PWM-Wandler CNV der Fig. 1 erzeugt wird. Wie bereits gezeigt
Idc = -(VCm · Ism/2Vd) · cos (2ωt - θ)
Entsprechend läßt das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF einen Kompensationsstrom IF' = IF'* passieren, welcher dargestellt wird durch die folgende Gleichung:
IF'* = IF' + IA = idc + IAm* sin (2ωt - θ)
Als Ergebnis wird die Spannung VCF' des Gleichstrom- Glättungskondensators CF:
VCF' = (1/CF) IF' dt = -{VCm · Ism/(4 ·Vd · ω · CF)} · sin (2ωt - θ) - {IAm*/ (2 · ω · CF) } · cos (2ωt - θ)
Wie in Fig. 9(b) gezeigt, läuft die Phase des Spannungsvektors VCF' der Phase des Stromvektors IF' um 90º nach.
Im Hauptglättungskondensator Cd fließt auch ein Strom Id3 = Idc - IF'* = -IA*. Die Spannung VCd des Hauptglättungskondensators Cd wird:
VCd = (1/Cd) Id3dt = {IAm*/(2 · ω · Cd)} · cos (2ωt - θ)
was zu einem in Fig. 9(b) gezeigten Spannungsvektor VCd führt.
Wenn die positive Richtung der Spannung VF', welche von dem Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF erzeugt wird, in die Richtung des Pfeils in Fig. 9(a) genommen wird, gilt
VF' = VCd - VCF'
und die Spannung VF' wird als Spannungsvektor VF' der Fig. 9(b) gezeigt. Wenn die Phasendifferenz zwischen dem Spannungsvektor VF' und dem Stromvektor IF' als cPF genommen wird, ist die Aktivleistung PA, welche in das Gleichstrom- Aktivfilter DC-AF fließt:
PA = IF' · VF' cos ΦF
Wenn IAm* einen positiven Wert hat, ΦF > 90º, hat PA einen negativen Wert, und die gespeicherte Energie des Gleichstromkondensators CA wird verringert. Im Gegensatz dazu, wenn IAm* einen negativen Wert hat, wird ΦF kleiner als 90º, so daß PA einen positiven Wert hat und die gespeicherte Energie des Gleichstrom-Kondensators CA vergrößert wird.
Im Regenerationsbetrieb ist die Phase des Fluktuationsstroms idc der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV invertiert, so daß die Eingabe/Ausgabe dieser Energie entgegengesetzt zu dem oben beschriebenen ist.
Der Steuervorgang der Spannung VA, welche an den Gleichstrom- Kondensator CA des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF angelegt wird, wird nun in Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben. Es wird der Fall beschrieben, bei welchem der PWM-Wandler CNV der Vorrichtung der Fig. 1 Leistung verbraucht.
Wenn VA* > VA, hat die Abweichung &epsi;A einen positiven Wert, welcher mit -KA multipliziert wird, so daß der Stromspitzenwert IAm* einen negativen Wert hat. Folglich steht der Stromvektor IA der Fig. 9(b) in der entgegengesetzten Richtung, so daß der Phasenwinkel ΦF kleiner ist als 90º, und die Aktivleistung PA, welche in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließt, hat einen positiven Wert, so daß die gespeicherte Energie des Gleichstrom-Kondensators CA erhöht wird. Als Ergebnis wird die Spannung VA des Gleichstrom-Kondensators CA erhöht, und die Steuerung wird so bewirkt, daß VA = VA*.
In umgekehrten Situation, wenn VA* < VA, nimmt die Abweichung &epsi;A einen negativen Wert an, welcher dann mit -KA multipliziert wird, so daß der Stromspitzenwert IAm* einen positiven Wert hat. Folglich ist der Stromvektor IA wie in Fig. 9(b) gezeigt, mit einem Phasenwinkel ΦF > 90º. Die Aktivleistung PA, welche in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließt, hat somit einen negativen Wert, und die gespeicherte Energie des Gleichstrom- Kondensators CA wird verringert. Als Ergebnis wird die Spannung VA des Gleichstrom-Kondensators CA verringert, so daß die Steuerung ebenfalls so bewirkt wird, daß VA = VA*.
Während des Regenerationsbetriebs kann die Steuerung ausgeübt werden, so daß VA = VA*, durch Inversion des Vorzeichens des Signals des Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GA(S) der Fig. 8.
Mit dem Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF der Fig. 8 kann durch Verwendung des Gleichstrom-Kondensators CA als Gleichsspannungsquelle EA ein wirtschaftlicheres System erzielt werden. Ebenso, wenn notwendig, kann auf den Einphasen- Transformator TR verzichtet werden, da die Gleichstrom- Anschlüsse P,N der Hauptschaltung isoliert werden können und von der Gleichstrom-Energiequelle des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF elektrisch isoliert werden können.
Fig. 10 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine fünfte Ausführung eines Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF eines erfindungsgemäßen Leistungswandlungsystems zeigt.
In dieser Figur ist die Hauptschaltung des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF die gleiche, wie jene, die in Fig. 8 gezeigt ist.
Die Steuervorrichtung wird gebildet durch: einen Stromdetektor CTF, einen Gleichspannungsdetektor ISOA, Vergleicher C1, C2, eine Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GA(S), Vorzeicheninvertierer AS1, AS2, Multiplizierer ML3, ML4, eine Berechnungsschaltung CAL, einen Zähler CMT, eine Speichertabelle ROM, einen Addierer AD2, eine Stromsteuerungs- Kompensationsschaltung GF(S) und eine PWM-Steuerschaltung PWMC3.
Als erstes werden der erfaßte Wert Vsm des Spannungsspitzenwerts der Einphasen-Energiequelle SUP, der Eingangsstrom-Spitzenwertbefehl Ism* und der erfaßte Gleichspannungswert Vd in die Berechnungsschaltung CAL eingegeben, so daß der Kompensationsstrom-Spitzenwertbefehl Ifm* und ein in Fig. 2 gezeigter Phasenwinkel wie folgt berechnet werden können.
VLSm = ω · LS/Ism*
Vcm = (Vsm² + VLSm²)1/2
θ = tan&supmin;¹ (VLSm/Vsm)
Ifm* = Ism* · VCm/(2 · Vd)
Der Kompensationsstrom-Spitzenwertbefehl Ifm*, der somit berechnet wird, wird in den Multiplizierer ML4 über den Vorzeicheninvertierer AS2 eingegeben. Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (Ism* > 0), gibt der Vorzeicheninvertierer AS2 ein Signal -Ifm* durch Inversion des Eingangssignals IFm* aus; im Fall des Regenerationsbetriebs (Ism* < 0) wird das Eingangssignal IFm* unverändert aus dem Vorzeicheninvertierer AS2 ausgegeben.
Die Berechnungsschaltung CAL gibt den so berechneten Phasenwinkel θ an die Speichertabelle ROM aus. Der Zähler CNT wird durch eine Taktfrequenz von 2n-mal der Energiequellen- Winkelfrequenz ω betätigt, und gibt seinen Zählwert θ s = 2ωt an die Speichertabelle ROM aus. Die Speichertabelle ROM berechnet einen Phasenwinkel (2ωt - θ) als eine Phasenadresse. Die Speichertabelle ROM speichert Sinussignal-Werte und Kosinussignal-Werte, welche der Phasenadresse PS entsprechen, und gibt so eine Einheitssinuswelle sin(2ωt - θ) und eine Einheitskosinuswelle cos(2ωt - θ) aus, entsprechend dem eingegebenen Phasenwinkel (θs - θ).
Ebenso erfaßt der Spannungsdetektor ISOA die Spannung VA des Gleichstrom-Kondensators CA, und diese dem Vergleicher C2 ein. Der Vergleicher C2 vergleicht den Spannungsbefehlswert VA* und den Spannungserfassungswert VA, wobei eine Abweichung &epsi;A = VA* - VA gefunden wird. Die Abweichung &epsi;A wird danach invertiert und mit (-KA mal) multipliziert durch die Spannungssteuerung- Kompensationsschaltung GA(S), um den Stromspitzenwert-Befehl IAm* zu erhalten. Der Stromspitzenwert-Befehl IAm* wird dem Multiplizierer ML3 über den Vorzeicheninvertierer AS1 eingegeben. Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (Ism* > 0), gibt der Vorzeicheninvertierer AS1 das Eingangssignal IAm* unverändert aus; im Fall des Regenerationsbetriebs (Ism* < 0) wird das Vorzeichen des Eingangssignals IAm* vor seiner Ausgabe invertiert.
Der Multiplizierer ML3 multipliziert das Ausgangssignal sin(2ωt - θ) aus der Speichertabelle ROM mit dem Stromspitzenwert-Befehl IAm*, um den Strombefehl IA* zu erhalten. Das bedeutet
IA* = IAm* · sin (2ωt - θ)
Ebenso multipliziert der Multiplizierer ML4 das Ausgangssignal cos(2ωt - θ) aus der Speichertabelle ROM mit dem Kompensationsstrom-Spitzenwertbefehl -IFm*, um den Kompensationsstrom-Befehl IS* zu erhalten. Das bedeutet
IF* = -IFm* · cos (2ωt - θ)
Der Addierer AD2 addiert den Kompensationsstrom-Befehl IF* und den Strombefehl IA*, um einen neuen Kompensationsstrom-Befehl IF'* zu erzeugen.
Der Stromdetektor CTF erfaßt den Kompensationsstrom IF, der aus dem Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF ausgegeben wird. Der Komparator C1 vergleicht den Kompensationsstrom IF mit dem neuen Kompensationsstrom-Befehl IF'*, der oben erwähnt wurde, um eine Abweichung &epsi;F = IF'* - IF zu finden. Diese Abweichung &epsi;F wird dann invertiert und (-kF mal) verstärkt durch die Stromsteuerungs-Kompensationsschaltung GF(S), um den Spannungsbefehl eF* des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF zu erhalten, welcher der PWM-Steuerschaltung PWMC3 eingegeben wird.
Als erstes wird der Betrieb des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF beschrieben, unter der Annahme daß VA* = VA, d. h. IA* = 0. Die Beschreibung wird unter der Annahme gegeben, daß der Kompensationsstrom IF so gesteuert wird, daß IF = IF'*.
Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (Ism = Ism* > 0), wird der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom-Aktivfilters DC- AF so gesteuert, daß:
IF = IF'* = IF* = -IFm* · cos (2ωt - θ) = -Ism · VCm/(2 · Vd) · cos (2ωt - θ)
Somit fließt als Kompensationsstrom IF ein Strom, welcher gleich ist wie der Fluktuationsstrom idc der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV. Als Ergebnis kann der Fluktuationsstrom idc nicht in den Hauptglättungskondensator Cd fließen, und die Fluktuation der Gleichspannung Vd ist beseitigt. Wenn der Betrag des Eingangsstroms Ism sich verändert, verändert sich auch der Kompensationsstrom IF als Reaktion darauf. Als Resultat stimmt der Fluktuationsstrom idc immer mit dem Kompensationsstrom IF überein, so daß die Fluktuation der Gleichspannung Vd beseitigt werden kann.
Ebenso, wenn der PWM-Wandler CNV im Regenerationsbetrieb ist (Ism = Ism* < 0), wird das Vorzeichen des Kompensationsstrom- Befehls IF* durch den Vorzeicheninvertierer AS2 nicht invertiert, und der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF wird so gesteuert, daß:
IF = IF'* = IF* = IFm' · cos (2ωt - 0) = Ism · VCm/(2 · Vd) · cos (2ωt - θ)
Da die Phase des Fluktuationsstroms idc auf der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV invertiert ist während des Regenerationsbetriebs, wird sie so gesteuert, daß IF = idc. Als Ergebnis wird eine Auslöschung erzielt, und die Fluktuation der an den Hauptglättungskondensator Cd angelegten Spannung Vd wird auch beseitigt.
Als nächstes wird der Prozeß der Steuerung der Spannung VA, welche an den Gleichstrom-Kondensator CA des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF angelegt wird, beschrieben. Diese Beschreibung wird auch unter Bezugnahme auf Fig. 9 gegeben.
Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (Ism = Ism* > 0), gibt der Vorzeicheninvertierer AS1 das Eingangssignal IAm* direkt aus, ohne Inversion.
Der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF wird so gesteuert, daß er mit dem neuen Kompensationsstrom- Befehl IF'* = IF* + IA*, der oben beschrieben wurde, übereinstimmt. Genauer
IF = IF' * = IF* + IA* = -IFm* · cos (2ωt - θ) + IAm* · sin (2ωt - θ)
Das Vektordiagramm für diesen Fall ist in Fig. 9(b) gezeigt. Wenn VA* > A, nimmt die Abweichung &epsi;A einen positiven Wert an, welcher dann -KA mal multipliziert wird, um den Stromspitzenwert IAm* mit negativem Wert zu geben. Folglich zeigt der Stromvektor IA der Fig. 9(b) in die entgegengesetzte Richtung, und der Phasenwinkel ΦF wird kleiner als 90º, so daß die Aktivleistung PA, welche in das Gleichstrom-Aktivfilter DC- AF fließt, einen positiven Wert annimmt, und die gespeicherte Energie des Gleichstrom-Kondensators CA nimmt zu. Als Ergebnis nimmt die Spannung VA des Gleichstrom-Kondensators CA zu, und die Steuerung wird so vollzogen, daß VA = VA*.
Im entgegengesetzten Prozeß, wenn VA* < VA, nimmt die Abweichung &epsi;A einen negativen Wert an, welcher dann durch -KA multipliziert wird, um einen Stromspitzenwert IAm* mit einem positiven Wert zu ergeben. Folglich wird der Stromvektor IA so wie in Fig. 9(b) gezeigt, so daß der Phasenwinkel ΦF größer als 90º wird, und die Aktivleistung PA, welche in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließt, nimmt einen negativen Wert an, so daß die gespeicherte Energie des Gleichstrom- Kondensators CA abnimmt. Als Ergebnis wird die Spannung VA des Gleichstrom-Kondensators CA verringert, so daß die Steuerung immer noch so erreicht wird, daß VA = VA*.
Wenn der PWM-Wandler CNV den Regenerationsbetrieb ausführt (Ism = Ism* < 0) liefert der Vorzeicheninvertierer AS1 eine Ausgabe, welcher erhalten wird durch Inversion des Vorzeichens des Eingangssignals IAm*. Da unter diesen Bedingungen IFm* nicht durch Vorzeicheninvertierer AS2 invertiert wird, wird der Kompensationsstrom IF des Aktivfilters DC-AF gegeben durch:
IF = IF'* = IF* + IA* = IFm* · cos (2ωt - θ) - IAm* · sin (2ωt - θ)
In diesem Fall ist zu beachten, daß alle Phasen des gesamten Vektordiagramms der Fig. 9(b) um 180º gedreht sind, so daß die Steuerung so erreicht wird, daß VA = VA*, genauso wie im Fall des Leistungsverbrauchs.
Fig. 11 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine sechste Ausführung des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF eines erfindungsgemäßen Leistungswandlungsystems zeigt.
In Fig. 11(a) sind P und N positive und negative Gleichstromanschlüsse der Hauptschaltung, CHO ist eine Schaltvorrichtung für einen Zerhacker bzw. Chopper, DCH ist eine Freilaufdiode für einen Zerhacker, LA ist eine Gleichstrom-Induktivität, CSI ist ein Einphasenstromquellen- PWM-Wechselrichter, CH ist ein Hochfrequenz-Kondensator, TR ist ein Transformator und CF ist ein Gleichstrom- Glättungskondensator. Der Einphasen-Stromquellen-PWM- Gleichrichter CSI wird gebildet durch die Schaltvorrichtungen S11 bis S14.
Die Steuervorrichtung, welche in Fig. 11(b) und 11(c) gezeigt ist, besteht aus einem Stromdetektor CTA, einem Vergleicher C3, eine Stromsteuerungs-Kompensationsschaltung Ho(S), einer Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR, einem Teiler DIV, und PWM-Steuerschaltungen PWMC5, PWMC6.
Als erstes wird der Betrieb des Gleichstrom-Zerhackers beschrieben.
Der Stromdetektor CTA erfaßt den Gleichstrom Io, welcher durch die Gleichstrom-Induktivität LA fließt, und gibt ihn dem Vergleicher C3, wo er mit dem Strombefehlswert Io* verglichen wird, um eine Abweichung &epsi;o = Io* - Io zu erhalten. Die Abweichung so wird durch Stromsteuerungs- Kompensationsschaltungen Ho(S) verstärkt, um einen Spannungsbefehlswert eo* zu schaffen, welcher dann der PWM- Steuerschaltung PWMC5 eingegeben wird. Die PWM-Steuerschaltung PWMC5 legt ein Gatesignal g5 an die Schaltvorrichtung CHO an, so daß der Mittelwert der Spannung, die an die Gleichstrom- Induktivität LA angelegt wird, proportional zum Spannungsbefehlswert eo* wird. Genauer, wenn der Spannungsbefehlswert eo* klein ist, ist das Verhältnis der AN- Zeit tON bezüglich der Schaltperiode T der Schaltvorrichtung CHO klein, während wenn der Spannungsbefehlswert eo* größer wird, das Verhältnis der AN-Zeit tON der Schaltvorrichtung CHO größer gemacht wird.
Wenn Io* > Io, nimmt die Abweichung so einen positiven Wert an, und der Spannungsbefehlswert eo* wird vergrößert, was bewirkt, daß das Verhältnis der AN-Zeit der Schaltvorrichtung CHO größer wird, wodurch der Gleichstrom Io vergrößert wird. In der umgekehrten Situation, wenn Io* < Io, nimmt die Abweichung eo einen negativen Wert an, was eine Verringerung des Spannungsbefehlswerts eo* bewirkt, was das Verhältnis der AN- Zeit der Schaltvorrichtung CHO verringert, wodurch der Gleichstrom Io verringert wird. Die Steuerung wird dadurch so ausgeübt, daß der Gleichstrom Io gleich dem Gleichstrom- Befehlswert Io* ist.
Als nächstes wird der Betrieb des Gleichstrom-Aktivfilters DC- AF beschrieben. Die Kompensationsstrom-Befehlsschaltung FCR der Fig. 11 ist auf die gleiche Weise aufgebaut wie die unter Bezug auf die Fig. 7 beschriebene Schaltung FCR. Der Befehlswert IF* des Kompensationsstroms IF, welcher das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF passiert, wird gefunden durch Berechnung aus dem Energiequellen-Spannungsspitzenwert Vsm, dem Eingangsstrom-Spitzenwertbefehl Ism*, dem Spannungsbefehlswert eC*, dem Eingangsstrombefehl Is* des PWM-Wandlers CNV und dem erfaßten Gleichspannungswert Vd. Der Kompensationsstrom- Befehlswert IF* wird dem Teiler DIV eingegeben, wo er geteilt wird durch den erfaßten Gleichstromwert Io (oder den Gleichstrom-Befehlswert Io*) um ein Eingangssignal kF* für die PWM-Steuerung des Stromquellen-PWM-Wechselrichters CSI zu erhalten. Die PWM-Steuerschaltung PWMC6 erzeugt Gatesignale g1, g2 auf der Grundlage des Signals kF*, welche an den Stromquellen-PWM-Wechselrichter CSI angelegt werden, wie unten beschrieben.
Fig. 12 ist ein Zeitdiagramm, welches zur Erklärung der PWM- Steuerwirkung des Stromquellen-PWM-Wechselrichters CSI der Fig. 11 gegeben wird. In dieser Figur sind X und Y Trägersignale für die PWM-Steuerung. Eine Dreieckwelle, welche zwischen +1 und -1 variiert, wird oft als Trägersignal X und Y verwendet. Die Dreieckwelle Y (gestrichelte Linie) ist in der Phase um 180º verschoben bezüglich der Dreieckwelle X (durchgezogene Linie).
Die Dreieckwelle X wird mit einer Prozentmodulation kF* verglichen, um ein Gatesignal g1 für die Vorrichtung S11 und S12 zu schaffen. Die Dreieckwelle Y wird mit einer Prozentmodulation kF* verglichen, um ein Gatesignal g2 für die Vorrichtung S13 und S14 zu schaffen. Im einzelnen
wenn kF* > X, g1 = 1 und S11 ist AN (S12 ist AUS)
wenn kF* ≤ X, g1 = 0 und S11 ist AUS (S12 ist AN)
wenn kF* > Y, g2 = 1 und S14 ist AN (S13 ist AUS)
wenn kF* ≤ X, g2 = 0 und S14 ist AUS (S13 ist AN)
Im Fall des Stromquellen-Wechselrichters CSI, um einen Pfad für den Durchgang des Stroms 10 sicherzustellen, ist eine Überlappzeit vorgesehen, während welcher sich die AN-Zeiten der Vorrichtungen S11 und S12 für eine kurze Periode überlappen. Eine Überlappzeit ist ebenfalls vorgesehen zwischen den Vorrichtungen S13 und S14. In Fig. 12 ist die Überlappzeit der Einfachheit halber nicht vorgesehen, d. h. die Überlappzeit beträgt 0.
Der Ausgangsstrom (Kompensationsstrom) IF des Wechselrichters CSI wird aufgrund der AN/AUS-Tätigkeit der Vorrichtungen S11 bis S14 wie folgt sein:
wenn S11 und S14 AN sind, IF = +Io;
wenn S11 und S13 AN sind oder S12 und S14 AN sind, IF = +Io; und
wenn S12 und S13 AN sind, IF = -Io.
Die Signalform des Ausgangsstroms IF ist im unteren Teil der Fig. 12 gezeigt. Sein Mittelwert IF(VA) ist gleich einem Wert kF* · Io, welcher mit dem zuvor genannten neuen Kompensationsstrom-Befehlswert IF* übereinstimmt. In Fig. 11 ist ein Hochfrequenz-Kondensator CH vorgesehen, um harmonische Komponenten des Kompensationsstroms IF zu absorbieren. Somit wird der Kompensationsstrom IF = IF* von dem Stromquellen-PWM- Wechselrichter CSI zugeführt.
Da der Kompensationsstrom IF = IF* gleich dem Fluktuationsstrom idc auf der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV ist, löschen sich diese zwei Ströme aus. Als Ergebnis kann der Fluktuationsstrom idc nicht in den in Fig. 1 gezeigten Hauptglättungskondensator Cd fließen, so daß die Fluktuation der Gleichspannung Vd beseitigt werden kann.
Mit einem Leistungswandlungsystem nach dieser Erfindung, welches das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF der Fig. 11 verwendet, gibt es den Vorteil, daß der Kompensationsstrom IF direkt gesteuert werden kann.
Fig. 13 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine siebte Ausführung eines Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF eines erfindungsgemäßen Leistungswandlungsystems zeigt.
In dieser Figur sind P und N ein Gleichstrom-Anschluß der positiven Seite und ein Gleichstrom-Anschluß der negativen Seite der Hauptschaltung. LA ist eine Gleichstrom-Induktivität, CSI ist ein Einphasenstromquellen-PWM-Wechselrichter, CH ist ein Hochfrequenz-Kondensator und CF ist ein Gleichstrom- Glättungskondensator. Der Einphasenstromquellen-PWM- Wechselrichter CSI besteht aus Schaltvorrichtungen S11 bis S14.
Die Steuervorrichtung besteht aus Stromdetektoren CTF, CTA, einem Vergleicher C3, einer Stromsteuerungs- Kompensationsschaltung Ho(S), Vorzeicheninvertierern AS1, AS2, Multiplizierern ML3, ML4, einer Berechnungsschaltung CAL, einem Zähler CMT, einer Speichertabelle ROM, einem Addierer AT2, einem Teiler DIV und einer PWM-Steuerschaltung PWMC6.
Als erstes sind die Steuervorrichtung und das Verfahren zur Auffindung des Befehlswerts IF* für den Kompensationsstrom IF des in Fig. 13 beschriebenen Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 10 beschrieben. Deren Beschreibung wird daher weggelassen.
Als nächstes erfaßt der Stromdetektor CTA den Strom Io der Gleichstrom-Induktivität LA und gibt ihn dem Vergleicher C3 ein. Der Vergleicher C3 vergleicht den Strombefehlswert Io* und den Stromerfassungswert Io, um eine Abweichung &epsi;o = Io* - Io zu finden, welche dann invertiert und (-Ko mal) verstärkt wird durch die Stromsteuerungs-Kompensationsschaltung Ho(S), um den Stromspitzenwert-Befehl IAm* zu erzeugen. Der Stromspitzenwert- Befehl IAm* wird dem Multiplizierer ML3 über den Vorzeicheninvertierer AS1 eingegeben.
Die folgende Steuervorrichtung und das Verfahren zur Auffindung des Strombefehls IA* sind gleich wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 10 beschrieben. Deren Beschreibung wird daher weggelassen.
Der Addierer AD2 addiert den Kompensationsstrom-Befehl IF* und den Strombefehl IA*, um den neuen Kompensationsstrom-Befehl IF'* zu schaffen. Dieser Kompensationsstrom-Befehl IF'* wird im Teiler DIV durch den Gleichstrom-Erfassungswert Io geteilt, um so die Prozentmodulation kF* = IF'*/Io zu erhalten, welche dann der PWM-Steuerschaltung PWMC6 eingegeben wird.
Der PWM-Steuervorgang des Stromquellen-PWM-Wechselrichters CSI wurde bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 11 beschrieben, und wird daher weggelassen. Der Mittelwert IF(av) des Ausgangsstroms des Stromquellen-PWM-Wechselrichters CSI ist gleich kF* · Io, was mit dem neuen Kompensationsstrom- Befehlswert IF'* übereinstimmt. In Fig. 13 ist der Hochfrequenz-Kondensator CH vorgesehen, um die harmonischen Komponenten des Kompensationsstroms IF zu absorbieren. Auf diese Weise wird der Kompensationsstrom IF = IF'* aus dem Stromquellen-PWM-Wechselrichter CSI zugeführt.
Als erstes wird der Betrieb des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF beschreiben, mit Io = Io*, d. h. IA* = 0.
Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (Ism = Ism* > 0), wird das Kompensationselement IF des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF so gesteuert, daß:
IF = IF' * = IF* = -IFm* · cos (2ωt - θ) = -Ism · VCm/(2 · Vd) cos (2ωt - θ)
Somit läuft als Kompensationsstrom IF ein Strom durch, welcher gleich ist wie der Fluktuationsstrom idc auf der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV. Als Ergebnis kann der Fluktuationsstrom idc nicht in den Hauptglättungskondensator Cd der Fig. 1 eintreten, und die Fluktuation der Gleichspannung Vd ist beseitigt. Wenn der Betrag des Eingangsstroms Ism des PWM-Wandlers CNV verändert wird, gibt es eine entsprechende Veränderung im Kompensationsstrom IF, so daß der Kompensationsstrom IF und der Fluktuationsstrom idc immer gleich sind, so daß die Fluktuation der Gleichspannung Vd beseitigt werden kann.
Ähnlich, wenn der PWM-Wandler CNV im Regenerationsbetrieb (Ism = Ism* < 0), invertiert der Vorzeicheninvertierer AS2 das Vorzeichen des Kompensationsstrom-Befehls IF* nicht, so daß der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF so gesteuert wird, daß:
IF = IF'* = IF* = IFm* · cos (2ωt - θ) = Ism · VCm/ (2 · Vd) · cos (2ωt - θ)
Während des Regenerationsbetriebs ist die Phase des Fluktuationsstroms idc der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV invertiert, so daß IF = idc und eine Auslöschung immer noch erzielt wird. Somit ist die Fluktuation der Spannung Vd, welche an den Hauptglättungskondensator Cd angelegt wird, auch beseitigt.
Als nächstes wird der Betrieb der Steuerung des Stroms Io, welcher in die Gleichstrom-Induktivität LA des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF fließt, unter Bezugnahme auf die Fig. 9 beschrieben.
Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (Ism = Ism* < 0), gibt der Vorzeicheninvertierer AS1 das Eingangssignal IAm* direkt aus, ohne Inversion.
Der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF wird so gesteuert, daß er, wie oben beschrieben, mit dem neuen Kompensationsstrom-Befehl IF* übereinstimmt, d. h.
IF = IF'* = IF* + IA*
= -IFm* · cos (2ωt - θ) + IAm* · sin (2ωt - θ)
Das Vektordiagramm ist dann so, wie es in Fig. 9(b) gezeigt ist.
Wenn Io* > Io, hat die Abweichung so einen positiven Wert, welcher dann mit -Ko multipliziert wird, um einen Stromspitzenwert IAm* zu erhalten, der einen negativen Wert hat. Folglich zeigt der Stromvektor IA der Fig. 9(b) in die entgegengesetzte Richtung, und der Phasenwinkel ΦF wird kleiner als 90º, so daß die Aktivleistung PA, welche in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließt, einen positiven Wert annimmt, und die gespeicherte Energie der Gleichstrom- Induktivität LA erhöht wird. Als Ergebnis wird der Strom Io der Gleichstrom-Induktivität LA vergrößert, so daß die Steuerung so erzielt wird, daß Io = Io*.
In der entgegengesetzten Situation, wenn Io* < Io, nimmt die Abweichung so einen negativen Wert an, welcher dann mit -Ko multipliziert wird, um einen Stromspitzenwert IAm* mit einem positiven Wert zu erhalten. Folglich ist der Stromvektor IA wie in Fig. 9(b) gezeigt, und der Phasenwinkel ΦF wird > 90º, so daß die Aktivleistung PA, welche in das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF fließt, einen negativen Wert annimmt, was dazu führt, daß die gespeicherte Energie der Gleichstrom-Induktivität LA abnimmt. Als Ergebnis nimmt der Strom Io der Gleichstrom- Induktivität LA ab, und die Steuerung wird immer noch so bewirkt, daß Io = Io*.
Wenn der PWM-Wandler CNV im Regenerationsbetrieb ist (Ism = Ism* < 0) gibt der Vorzeicheninvertierer AS1 das Eingangssignal IAm* mit invertiertem Vorzeichen aus. Unter diesen Bedingungen wird IFm* durch Vorzeicheninvertierer AS2 nicht invertiert, so daß der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom-Aktivfilters DC- AF wird:
IF = IF'* = IF* + IA* = IFm* · cos (2ωt - θ) - IAm* · sin (2ωt - θ)
In diesem Fall sieht man das alle Phasen des gesamten Vektordiagramms der Fig. 9(b) um 180º gedreht sind, so daß die Steuerung so bewirkt wird, daß Io = Io*, genauso wie beim Leistungsverbrauch.
Das Gleichstrom-Aktivfilter der Fig. 13 hat den Vorteil, daß auf die Zerhackervorrichtung, welche in Fig. 11 verwendet wurde, verzichtet werden kann.
Fig. 14 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine achte Ausführung eines Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF eines erfindungsgemäßen Leistungswandlungsystems zeigt.
In der Figur weist CAP auf einen Hochfrequenz-Kondensator, HF-T weist auf einen Hochfrequenz-Transformator, C/C weist auf einen Einphasen-Steuerumrichter mit geschlossenem Stromkreis, LF weist auf eine Induktivität, und CF verweist auf einen Gleichstrom-Glättungskondensator.
Die Steuervorrichtung besteht aus: einem Hochfrequenz- Spannungsdetektor PTH, einer Gleichrichterschaltung REC, einem Stromdetektor CTF, Vergleichern C1, C2, einer Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GH(S), Vorzeicheninvertierern AS1, AS2, Multiplizierern ML3, ML4, einer Berechnungsschaltung CAL, einem Zähler CNT, einer Speichertabelle ROM, einem Addierer AD2, einer Stromsteuerungs- Kompensationsschaltung GF(S) und einer Phasensteuerschaltung PHC.
Der Einphasen-Steuerumrichter mit geschlossenem Stromkreis C/C besteht aus: einem positiven Gruppenwandler SSP, einem negativen Gruppenwandler SSN und Induktivitäten L01, L02. Der positive Gruppenwandler SSP und negative Gruppenwandler SSN sind extern kommutierte Wandler, jeweils mit sechs Thyristoren in Graetz-Schaltung. Die Ausgangsspannungen VP und VN werden durch Steuerung der Zündphasenwinkel dieser Thyristoren gesteuert.
Der Hochfrequenz-Kondensator CAP ist ein Phasenvorlauf- Kondensator, der in dreiphasiger A-Verbindung oder Y- Verbindung angeschlossen ist, und eine Blindleistungsquelle des Steuerumrichters C/C bildet.
Die Gleichstrom-Induktivitäten L01, L01 haben die Aufgabe die Welligkeit des geschlossenen Stroms des Steuerumrichters C/C zu unterdrücken, und sind unverzichtbar bei einem Steuerumrichter C/C mit geschlossenem Stromkreis, bei dem positive Gruppenwandler SSP und negative Gruppenwandler SSN gleichzeitig betätigt werden. Der Hochfrequenz-Tansformator HF-T hat die Aufgabe den positiven Gruppenwandler SSP und negativen Gruppenwandler SSN elektrisch zu isolieren, um so die Welligkeit des geschlossenen Stroms zu verringern, und ist vorgesehen zur Verringerung der Kapazität bzw. Fähigkeit der Gleichstrom-Induktivitäten L01, L02.
Wenn die Zündphasenwinkel (Nacheilen) des positiven Gruppenwandlers und negativen Gruppenwandlers SSP und SSN jeweils αP, αN sind, steuert der Steuerumrichter C/C mit geschlossenem Stromkreis die Phasenwinkel αP, αN so, daß αN = 180º- αP. Als Ergebnis, wenn die Richtungen der Pfeile für die Ausgangsspannung VP, VN der positiven und negativen Gruppenwandler SSP, SSN in Fig. 14 als positiv angesehen werden,
VP = k · VCAP · cos αP
VN = -k · VCAP · cos αN = VP
Die Differenzspannung (VP - VN) des positiven Gruppenwandlers SSP und negativen Gruppenwandlers SSN wird an die Gleichstrom- Induktivitäten L01, L02 angelegt. Als Ausgangsspannung VF des Steuerumrichters C/C, wird ein Mittelwert (VP + VN)/2 der Ausgangsspannungen VP und VN der positiven und negativen Gruppenwandler SSP, SSN erzeugt. Der Ausgangsspannung VF = (VP + VN)/2 ist eine Spannung, welche proportional ist zum Eingang der Phasensteuerschaltung PHC der Fig. 14, d. h. dem Spannungsbefehlswert eF*.
Der Steuerumrichter C/C wandelt die Dreiphasen- Hochfrequenzspannung, welche an den Hochfrequenz-Kondensator CAP angelegt wird, direkt in eine variable Einphasen-Spannung. Der Steuerumrichter C/C nimmt immer einen Nacheilstrom, da er eine natürliche Kommutierung unter Verwendung dieser Hochfrequenzspannung ausführt. Folglich, von der Hochfrequenz- Energiequelle aus betrachtet, kann der Steuerumrichter C/C als eine Art von Induktivität LC angesehen werden, welche eine nacheilende Blindleistung QCC nimmt. Wenn der geschlossene Strom des Steuerumrichters C/C erhöht wird, wird die Nacheil- Blindleistung QCC vergrößert, und die äquivalente Induktivität LCC der Induktivität LC wird verringert. In der umgekehrten Situation, wenn der geschlossene Strom verringert wird, wird die äquivalente Induktivität LCC der Induktivität LS erhöht.
Eine Hochfrequenz-Energiequelle wird geschaffen durch den Hochfrequenz-Kondensator CAP, welcher die voreilende Blindleistung nimmt, und den Steuerumrichter C/C, der die nacheilende Blindleistung nimmt. Genauer, wenn eine Kapazität des Hochfrequenz-Kondensators CAP als CCAP genommen wird, und die äquivalente Induktivität des Steuerumrichters C/C als LCC genommen wird, wird eine Resonanzschaltung gebildet, mit einer Resonanzfrequenz:
fCAP = 1/{2 · π (LCC · CCAP)1/2}
Da die Kapazität CCAP des Hochfrequenz-Kondensators CAP konstant ist, kann die Resonanzfrequenz fCAP dieser Hochfrequenz-Energiequelle eingestellt werden durch Einstellung des geschlossenen Stroms des Steuerumrichters C/C.
Tatsächlich fließt ein geschlossener Strom so, daß die Resonanzfrequenz fCAP mit der Frequenz der Dreiphasen- Referenzspannung übereinstimmt, die in der Phasensteuerschaltung PHC des Steuerumrichters C/C verwendet wird, wodurch eine Hochfrequenz-Energiequelle automatisch errichtet wird. Ihr Betriebsprinzip wurde bereits ausführlich in der japanischen Patentoffenbarung Nr. Sho.63-23591 beschrieben, und daher wird ihre Beschreibung weggelassen.
Die Steuervorrichtung und das Verfahren zur Auffindung des Befehlswerts IF* für den Kompensationsstrom IF des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF, welches in Fig. 14 beschrieben wurde, wurde bereits unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschreiben. Deren Beschreibung wird daher weggelassen.
Als nächstes wird das Verfahren zur Steuerung des Spitzenwerts VCAP der Dreiphasen-Spannung, welche an den Hochfrequenz- Kondensator CAP der Fig. 14 angelegt wird, beschrieben.
Als erstes wird die an den Hochfrequenz-Kondensator CAP angelegte Spannung durch den Hochfrequenz-Spannungsdetektor PTH erfaßt, und dann durch die Gleichrichterschaltung REC gleichgerichtet, um ihren Spitzenwert VCAP zu finden.
Als nächstes werden der Spannungserfassungswert VCAP und ein Spannungsbefehlswert VCAP* durch den Vergleicher C2 verglichen, um eine Abweichung &epsi;CAP = VCAP* - VCAP zu bestimmen. Die Abweichung &epsi;CAP wird invertiert und (-KH mal) verstärkt durch die Spannungssteuerungs-Kompensationsschaltung GH(S). Das Ausgangssignal IAm* der Spannungssteuerungs- Kompensationsschaltung GH(S) wird durch den Vorzeicheninvertierer AS1 dem Multiplizierer ML3 eingegeben, wo es mit einer Einheitssinuswelle sin (2ωt - θ) multipliziert wird, um einen Befehlswert IA* für den in Fig. 9 gezeigten Stromvektor IA zu erhalten. Wenn der PWM-Wandler CMV der Hauptschaltung einen Regenerationsbetrieb ausführt, invertiert der Vorzeicheninvertierer AS1 das Vorzeichen dieses Stromspitzenwerts IAm*.
Der Addierer AD2 addiert den Kompensationsstrom-Befehlswert IF* und den Strombefehlswert IA*, um einen neuen Kompensationsstrom-Befehlswert IF'* = IF* + IA* zu erhalten. Der Stromdetektor CTF erfaßt den Kompensationsstrom IF, welcher aus dem Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF ausgegeben wird. Der Vergleicher C1 vergleicht den erfaßten Kompensationsstrom IF mit dem neuen Kompensationsstrom-Befehl IF'*, um eine Abweichung &epsi;F = IF'* - IF zu finden.
Die Stromsteuerungs-Kompensationsschaltung GF(S) invertiert und verstärkt die Abweichung &epsi;F = IF'* - IF (-kF mal), und das Resultat wird der Phasensteuerungsschaltung PHC als Spannungsbefehlswert eF* des Steuerumrichters C/C eingegeben. Der Steuerumrichter C/C erzeugt eine Spannung VF, welche proportional zum Strombefehlswert eF* ist, wie oben beschrieben. Genauer gesagt, erzeugt er:
VF = (VP + VN)/2.
Wenn IF'* > IF, nimmt die Abweichung &epsi;F einen positiven Wert an, und der Spannungsbefehlswert eF* nimmt einen negativen Wert an. Folglich nimmt auch die Ausgangsspannung VF des Steuerumrichters C/C einen negativen Wert an, was den Kompensationsstrom IF verringert.
In der umgekehrten Situation, wenn IF* < IF, nimmt die Abweichung &epsi;F einen negativen Wert an, und der Spannungsbefehlswert eF* nimmt einen positiven Wert an. Folglich nimmt auch die Ausgangsspannung VF des Steuerumrichters C/C einen positiven Wert an, und der Kompensationsstrom IF wird vergrößert. Auf diese Weise wird der Kompensationsstrom IF so gesteuert, daß er gleich dem Befehlswert IF'* ist.
Im folgenden wird die Beschreibung fortgesetzt unter der Annahme IF = IF'*.
Wenn VCAP* > VCAP, nimmt die Abweichung &epsi;CAP einen positiven Wert an, und der Stromspitzenwert IAm* nimmt einen negativen Wert an. Als Ergebnis wird der Stromvektor IA der Fig. 9(b) in der Phase um 180º invertiert, und der Phasenwinkel ΦE zwischen einem Kompensationsstrom IF' und einer von dem Gleichstrom- Aktivfilter DC-AF erzeugten Spannung VF' wird kleiner als 90º. Als Ergebnis wird die Aktivleistung den Hochfrequenz- Kondensator CAP durch den Steuerumrichter C/C eingespeist, die gespeicherte Energie dieses Hochfrequenz-Kondensators CAP wird erhöht, und der Spitzenwert VCAP der angelegten Spannung wird vergrößert.
In der umgekehrten Situation, wenn VCAP* < VCAP, nimmt die Abweichung &epsi;CAP einen negativen Wert an, und der Stromspitzenwert IAm* nimmt einen positiven Wert an. Als Ergebnis wird der Stromvektor IA in die in Fig. 9(b) gezeigte Richtung vergrößert, und der Phasenwinkel ΦF des Kompensationsstrom IF' und der Spannung VF', welche von dem Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF erzeugt werden, wird größer als 90º. Als Ergebnis wird Aktivleistung aus dem Hochfrequenz- Kondensator CAP durch den Steuerumrichter C/C abgegeben, was die gespeicherte Energie des Hochfrequenz-Kondensators CAP verringert und den Spitzenwert VCAP der angelegten Spannung verringert.
Auf diese Weise wird die Steuerung so ausgeübt, daß die angelegte Spannung VCAP des Hochfrequenz-Kondensators CAP gleich ihrem Befehlswert VCAP* ist.
Mit der achten Ausführung der Fig. 14 kann das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF unter Verwendung von Thyristoren konstruiert werden, die natürliche Kommutierung verwenden, so daß ein Leistungswandlungsystem hoher Effizienz und Wirtschaftlichkeit geschaffen werden kann.
In der obigen Beschreibung wurden hauptsächlich Ausführungen dieser Erfindung beschrieben, bei welchen die Energiequellen- Spannung Vs und der Eingangsstrom Is gleiche Phase hatten (bei Leistungsverbrauch) oder entgegengesetzte Phase (während des Regenerationsbetriebs).
Fig. 15 ist ein Spannungs/Strom-Vektordiagramm der Wechselstromseite eines PWM-Wandlers CNV von typischen Leistungswandlungsystemen gemäß dieser Erfindung. Dies zeigt ein Beispiel eines Vektordiagramms beim Betrieb mit einem Eingangsstrom Is, der um einen Phasenwinkel Φ gegenüber der Energiequellenspannung Vs nacheilt, beim Leistungsverbrauch.
In dieser Figur ist Vs die Energiequellenspannung, Is der Eingangsstrom, VC ist die auf der Wechselstromseite des PWM- Wandlers CNV erzeugte Spannung, IP ist die aktive Stromkomponente des Eingangsstroms Is, IQ ist die Blindstrom- Komponente des Eingangsstroms Is, ω ist die Winkelfrequenz der Einphasenwechselstrom-Energiequelle SUP und LS ist die Induktivität der Wechselstrom-Induktivität.
Der Aktivstrom IP und der Blindstrom IQ können ausgedrückt werden durch die folgenden Ausdrücke, anhand des Phasenwinkels Φ. Genauer:
IP = Is · cos Φ
IQ = Is · sin Φ
Der Durchgang des Eingangsstroms Is schafft eine Spannung jω · LS · Is an zwei Anschlüssen der Wechselstrom-Induktivität LS, so daß die von dem Wandler CNV erzeugte Spannung Vc so ist, wie in Fig. 15 gezeigt. Fig. 16 zeigt die Signalformen der Spannung, des Stroms und der Leistung der verschiedenen Einheiten unter diesen Bedingungen.
Wenn man nimmt:
vS = Vsm · sin (ωt)
iS = Ism · sin (ωt - Φ)
und vc = VCm · sin (ωt - θ),
dann: Ism = (IP² + Iqm²)1/2
Φ = tan&supmin;¹ (IQ/IP)
VCm = (VCP² + VCQ²)1/2
θ = tan&supmin;¹ (VCQ/VCP)
wobei: VCP = Vsm - ω · LS · Iqm
und VCQ = -ω · LS · IPm
Auch ist die instantane Leistung PC auf der Wechselstromseite des PWM-Wandlers CNV:
PC = vc · is = VCm · sin (ωt - θ) · Ism · sin (ωt - Φ) = (VCM Ism/2) · {cos (θ - Φ) - cos (2ωt - θ - Φ)}
Der erste Term des obigen Ausdrucks ist der Mittelwert der Aktivleistung und ist gleich der von der Lastvorrichtung verbrauchten Leistung PL. Folglich ist die Stärke der Leistungsfluktuation ΔPC:
ΔPC = (-VCm · Ism/2) · cos (2ωt - θ - Φ)
Teilt man diese Leistungsfluktuationsstärke ΔPC durch die Gleichspannung Vd, erhält man die Fluktuationsstärke idc des Gleichstroms. Dies kann ausgedrückt werden durch:
idc = (-VCm · Ism/2Vd) · cos (2ωt - θ - Φ) (A)
Wenn kein Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF vorhanden ist, ist die Fluktuationsstärke ΔVd der Gleichspannung Vd:
ΔVd = (1/Cd) idc dt = {- Vcm · Ism/ (2ω · Cd · Vd)} · sin (2ωt - θ - Φ).
In anderen Worten kann die Fluktuation ΔVd der Gleichspannung Vd zu Null gemacht werden, wenn das Gleichstrom-Aktivfilter DC- AF den Kompensationsstrom IF = idc nimmt.
Im Fall, daß der PWM-Wandler CNV mit einem Eingangsleistungsfaktor von 1 betrieben wird, wird das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF so gesteuert, daß der Kompensationsstrom IF gleich der Fluktuationsstärke idc des Gleichstroms im folgenden Ausdruck (B) wird.
Im oben beschriebenen Ausdruck (A)
Idc = (-Vcm · Ism/2Vd) · cos (2ωt - θ - Φ) ... (A) durch Einsetzen des Phasenwinkels Φ = 0, wird der Ausdruck (B) erhalten.
Idc = (-Vcm · Ism/2Vd) · cos (2ωt - Φ) (B)
In diesem Fall kann die Fluktuation ΔVd der Gleichspannung Vd zu Null gemacht werden, wenn das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF den Kompensationsstrom IF = idc des Ausdrucks (B) nimmt.
Fig. 17 ist ein Entwurfsdiagramm, welches eine neunte Ausführung eines Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF eines Leistungswandlungsystems nach dieser Erfindung zeigt, wenn der Eingangsleistungsfaktor cosΦ nicht 1 beträgt. In dieser Figur ist die Hauptschaltung des Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF gleich wie jene in Fig. 10 gezeigte.
Die Steuervorrichtung des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF ist gleich wie die in Fig. 10 gezeigte, außer der Berechnungsschaltung CAL und der Speichertabelle ROM.
Als erstes gibt die Berechnungsschaltung CAL den erfaßten Wert Vsm des Spannungsspitzenwerts der Einphasen-Energiequelle SUP, die Aktivkomponenten IPm* und die Blindkomponente IQm* des Eingangsstrom-Spitzenwertbefehls Ism* und den erfaßten Gleichspannungswert Vd ein, und berechnet den Phasenwinkel 6 und Leistungsfaktorwinkel Φ wie in der Fig. 15 gezeigt, und den Kompensationsstrom-Spitzenwertbefehl IFm* unter Verwendung der folgenden Ausdrücke:
Ism* = (IPm*² + IQm*²)1/2
Φ = tan&supmin;¹ (IQm*/IPm*)
VCp = Vsm - ω · Ls · IQm*
VCQ = - ω · Ls · IPm*
VCm = (VCP² + VCQ²)1/2
θ = tan&supmin;¹ (VCQ/VCP)
IFm* = Ism* · VCm/(2 · Vd)
Der Kompensationsstrom-Spitzenwertbefehl IFm* wird dem Multiplizierer ML4 durch den Vorzeicheninvertierer AS1 eingegeben. Wenn der PWM-Wandler CNV bei Leistungsverbrauch arbeitet (Ipm* > 0), invertiert der Vorzeicheninvertierer AS2 das Vorzeichen des Eingangssignals IFm* vor der Ausgabe. Wenn der PWM-Wandler CNV einen Regenerationsbetriebs ausführt (Ipm* < 0) gibt der Vorzeicheninvertierer AS2 das Eingangssignals IFm* direkt ohne Inversion aus.
Die Berechnungsschaltung CAL gibt den so berechneten Phasenwinkel θ und so berechneten Leistungsfaktorwinkel Φ an die Speichertabelle ROM aus.
Unter dessen wird der Zähler CNT mit der Taktfrequenz betätigt, welche 2n-mal der Energiequellen-Winkelfrequenz ω ist, und er gibt seinen Zählwert θs = 2ωt an die Speichertabelle ROM aus. Die Speichertabelle ROM berechnet einen Phasenwinkel (θs - θ - Φ) als eine Phasenadresse. Die Speichertabelle ROM speichert Sinuswellen-Werte und Kosinuswellen-Werte an Phasenadressen, und gibt eine Einheitssinuswelle sin(2ωt - θ - Φ) und eine Einheitskosinuswelle cos(2ωt - θ - φ) aus, entsprechend dem Phasenwinkel (θs - θ - Φ)
Auch erfaßt der Gleichstromdetektor ISOA die Spannung VA des Gleichstrom-Kondensators CA und gibt diese dem Vergleicher C2 ein. Der Vergleicher C2 vergleicht den Spannungsbefehlswert VA* und den Spannungserfassungswert VA, um eine Abweichung &epsi;A = VA* - VA zu bestimmen, welche dann invertiert und (-KA mal) verstärkt wird durch die Spannungssteuerungs- Kompensationsschaltung GA(S) um den Stromspitzenwert-Befehl IAm* zu erzeugen. Der Stromspitzenwert-Befehl IAm* wird dem Multiplizierer ML3 durch den Vorzeicheninvertierer AS1 eingegeben. Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (wenn IPm* > 0) gibt der Vorzeicheninvertierer AS1 das Eingangssignal IAm* direkt aus, ohne Inversion. Wenn der PWM-Wandler CNV im Regenerationsbetrieb ist (IPm* < 0) gibt der Vorzeicheninvertierer AS1 das Eingangssignal IAm* mit invertiertem Vorzeichen aus.
Der Multiplizierer ML3 multipliziert das Ausgangssignal sin(2ωt - θ - Φ) aus der Speichertabelle ROM und den Stromspitzenwert-Befehl IAm* und gibt den folgenden Strombefehl IA* aus. Das bedeutet
IA* = IAm* · sin (2ωt - θ - Φ)
Ebenso multipliziert der Multiplizierer ML4 das Ausgangssignal cos(2ωt - θ - Φ) aus der Speichertabelle ROM mit dem Kompensationsstrom-Spitzenwertbefehl -IFm*, und gibt den folgenden Kompensationsstrom-Befehl IF* aus. Das bedeutet
IF* = -IFm* · cos (2ωt - θ - Φ)
Der Addierer AD2 addiert den Kompensationsstrom-Befehl IF* und den Strombefehl IA*, um den neuen Kompensationsstrom-Befehl IF'* zu erzeugen.
Der Stromdetektor CTF erfaßt den Kompensationsstrom IF, welcher aus dem Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF ausgegeben wird. Der Vergleicher C1 vergleicht den Kompensationsstrom IF mit dem neuen Kompensationsstrom-Befehl IF'*, und findet eine Abweichung &epsi;F = IF'* - IF. Die Abweichung &epsi;F wird invertiert und (-KF mal) verstärkt durch die Stromsteuerungs- Kompensationsschaltung GF(S) um einen Spannungsbefehl eF* des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF zu erhalten, welcher der PWM- Steuerschaltung PWMC3 eingegeben wird.
Als erstes wird der Betrieb des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF unter der Annahme VA* = VA beschrieben, d. h. in anderen Worten IA* = 0. Die Beschreibung nimmt auch an, daß der Kompensationsstrom IF so gesteuert wird, daß IF = IF'*.
Wenn der PWM-Wandler CNV Leistung verbraucht (Ipm* > 0) wird der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF so gesteuert, daß:
IF = IF'* = IF* = -IFm* · cos (2ωt - θ - Φ) = -Ism · VCm/(2 · Vd) · cos (2ωt - θ - Φ)
Somit fließt der Kompensationsstrom IF genauso wie der Fluktuationsstrom idc auf der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV. Als Ergebnis kann der Fluktuationsstrom idc nicht in den Hauptglättungskondensator Cd fließen, so daß die Fluktuation der Gleichspannung Vd beseitigt ist. Wenn der Betrag des Eingangsstroms Ism sich verändert, verändert sich auch der Kompensationsstrom IF entsprechend. Als Ergebnis sind der Kompensationsstrom IF und der Fluktuationsstrom idc immer gleich, so daß die Fluktuation der Gleichspannung Vd beseitigt werden kann.
Genauso, wenn der PWM-Wandler CNV einen Regenerationsbetrieb ausführt (Ipm* < 0), wird das Vorzeichen des Kompensationsstrom-Befehls IF* durch den Vorzeicheninvertierer AS2 nicht invertiert, und der Kompensationsstrom IF des Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF wird so gesteuert, daß:
IF = IF'* = IF* = IFm* · cos (2ωt - θ - Φ) = Ism · VCm/(2 · Vd) · cos (2ωt - θ - Φ)
Da die Phase des Fluktuationsstroms idc auf der Gleichstromseite des PWM-Wandlers CNV beim Regenerationsbetrieb invertiert ist, wird eine Auslöschung gleichermaßen mit IF = idc erhalten, und die Fluktuation der angelegten Spannung Vd des Hauptglättungskondensators Cd ist beseitigt.
Der Steuervorgang der Spannung VA, welche an den Gleichstrom- Kondensator CA des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF angelegt wird, ist gleich wie jener, der unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben wurde. Jedoch können die Bezugsachsen des in der Fig. 9(b) gezeigten Vektordiagramms angesehen werden als verändert auf:
-cos (2ωt - θ - Φ),
sin (2ωt - θ - Φ)
Wie oben beschrieben, mit den Leistungswandlungsystemen, welche hier beschrieben wurden, kann die Gleichspannung Vd konstant gehalten werden, selbst wenn der Eingangsleistungsfaktor nicht 1 beträgt. Ebenso wird die Leistungsfluktuation, welche aus der Einphasen-Energiequelle SUP stammt, durch das Gleichstrom- Aktivfilter DC-AF, in welches der Gleichstrom- Glättungskondensator CF eingebaut ist, absorbiert, so daß nur der harmonische Strom, der von der PWM-Steuerung erzeugt wird, den Hauptglättungskondensator Cd passiert. Folglich kann die Kapazität des Hauptglättungskondensators Cd stark verringert werden. In andern Worten, mit den offenbarten Leistungswandlungsystemen kann ein wirtschaftlicheres System geschaffen werden, indem die Kapazität des Hauptglättungskondensators Cd kleiner gemacht wird als jene des Gleichstrom-Glättungskondensators CF des Gleichstrom- Aktivfilters DC-AF.
Die Kapazität des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF wird durch den Betrag des Kompensationsstroms IF = idc bestimmt, der in dem Gleichstrom-Glättungskondensator CF fließt, und den Betrag der Fluktuationsspannung ΔVd. Der Betrag des Kompensationsstroms IF wird durch den Leistungsverbrauch PL der Lastvorrichtung und den Mittelwert Vdo (praktisch konstant) der Gleichspannung Vd bestimmt, und weist keine Beziehung auf zur Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF.
Wenn der Betrieb des Leistungswandlungsystems durchgeführt wird mit einem Eingangsleistungsfaktor cosΦ = 1, einer Last PL = 3000 kW, einer Gleichspannung Vd = 2000 V, einer Energiequellenfrequenz F = ω/2π = 50 Hz und cosθ = 0.9, wird der Spitzenwert IFm des Kompensationsstroms IF ausgedrückt als: IFm = VCm · Ism/(2 · Vdo) = 1.666 A. Der Spitzenwert ΔVCFm der Fluktuation der Spannung, welche angelegt wird an beide Anschlüsse des Gleichstrom-Glättungskondensators CF aufgrund des Kompensationsstroms IFm, ist ΔVCFm = IFm/ (2ω · CF) = 265.2 V. Die Kapazität bzw. Fähigkeit (Effektivwert) des Einphasen- PWM-Wechselrichters VSI des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF beträgt 221 kVA. Diese Kapazität entspricht 7.4% der Lastkapazität PL = 3000 kW. Somit, indem ein Gleichstrom- Aktivfilter DC-AF mit nur kleiner Kapazität bereitgestellt wird, kann die Fluktuation der Gleichspannung Vd beseitigt werden, und eine stabilisierte Konstantspannung kann der Lastvorrichtung zugeführt werden, für welche die Gleichspannung Vd eine Gleichstrom-Energiequelle bildet.
Fig. 18 zeigt ein Beispiel eines Gewichts WCF des Gleichstrom- Glättungskondensators CF und ein Gewicht WVSI des Einphasen- PWM-Wechselrichters VSI im Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF. Sie sind bezüglich der Kapazität des Gleichstrom- Glättungskondensators CF normiert. Das Gewicht WCF vergrößert sich proportional zur Vergrößerung der Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators, und das Gewicht WVSI ist umgekehrt proportional zur Kapazität des Gleichstrom- Glättungskondensators CF. Zum Beispiel, in einem Elektrofahrzeug, in welchem das Gesamtgewicht die größte Sorge ist, kann die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF so gewählt werden, daß das Gewicht (WCF + WVSI) einen Minimalwert bildet.
Im Fall des gegenwärtig in Betrieb befindlichen Tokaido Shinkansen-Zuges ist in dem Leistungswandlungsystems (PWM- Wandler + PWM-Wechselrichter) für die Ausgangskapazität von 3000 kW ein Hauptglättungskondensator mit der Kapazität von ungefähr 0.02 F vorgesehen. Der Hauptglättungskondensator Cd stellt einen großen Teil des Leistungswandlungsystems als Ganzes dar, und ist ein Faktor bei der erhöhten Größe und dem erhöhtem Gewicht des Leistungswandlungsystems. Auch beträgt die Fluktuation ΔVdm der Gleichspannung dieses Leistungswandlungsystems des Standes der Technik ΔVdm = 132.6 V, so daß die Gleichspannung Vd zwischen 1867.4 V und 2132.6 V schwankt. Als Ergebnis nimmt der Gebrauchsfaktor des PWM- Wandlers CNV und des PWM-Wechselrichters INV auf 1867.4 V/2132.6 V = 0.876 ab. In anderen Worten, der PWM- Wandler CNV und PWM-Wechselrichter INV muß 1/0.876 = 1.142 mal größer sein.
Mit dem hier offenbarten Leistungswandlungsystem nehme man an, daß die Kapazität des Hauptglättungskondensators Cd 0.001 F beträgt und die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF 0.005 F beträgt. Als Ergebnis ist der Spitzenwert ΔVCFm der Fluktuationsstärke der über beide Anschlüsse des Gleichstrom-Glättungskondensators CF angelegten Spannung ΔVCFm = IFm/(2ω · CF) = 512.4 V, und die Kapazität bzw. Fähigkeit (der Effektivwert) des Einphasen-PWM- Wechselrichters VSI des Gleichstrom-Aktivfilters DC-AF beträgt 442 kVA. Dies ist 14.7% der Ausgangskapazität von 3000 kW des Leistungswandlungsystems. In anderen Worten, wenn das Gleichstrom-Aktivfilter DC-AF vorgesehen werden würde mit einem Einphasen-PWM-Wechselrichter VSI, der ungefähr den gleichen Kapazitätsbetrag wie den Betrag der Zunahme der Kapazität des Leistungswandlungsystems des Standes der Technik aufgrund dessen Gleichspannungs-Fluktuation hätte, könnte die Gesamtkapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators CF und des Hauptglättungskondensators Cd durch einen Faktor von 0.3 (= (0.005 + 0.001)/0.02) = 6/20) verringert werden.
Wie oben beschrieben sind die Leistungswandlungsysteme, welche hier offenbart sind, so konstruiert, daß die Kompensationssteuerung durchgeführt wird damit die Leistungsfluktuation der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle auf der Gleichstromseite absorbiert wird. Die folgenden Wirkungen können erzielt werden mit den oben beschriebenen, hier offenbarten Leistungswandlungsystemen.
(1) Die Fluktuation der Gleichspannung, die durch Leistungsfluktuationen der Einphasen-Wechselstrom- Energiequelle erzeugt werden, können beseitigt werden, so daß der Gebrauchsfaktor des Leistungswandlungsystems in jenem Maße erhöht werden kann.
(2) Das Schwebungsphänomen des Wechselrichter-Ausgangsstroms, welches bei durch PWM-Wechselrichter angetriebene Induktionsmotoren Probleme schuf, ist beseitigt, so daß die Motorvibration und das Rauschen stark verringert werden können.
(3) Die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators kann stark verringert werden, und die Abmessungen und das Gewicht des Leistungswandlungsystems als Ganzes können reduziert werden.

Claims

1. Leistungswandlungssystem, welches verbindbar ist mit einer Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle (SUP) zur Erzeugung von Wechselstromleistung, wobei das System umfaßt:

einen Wechselstrom/Gleichstrom-Leistungswandler (CNV), der mit der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle verbunden ist, um die Wechselstromleistung in Gleichstromleistung umzuwandeln, an Gleichstrom-Anschlüssen des Wechselstrom/Gleichstrom-Leistungswandlers;

einen Hauptglättungskondensator (Cd), der zwischen den Gleichstrom-Anschlüssen des Wechselstrom/Gleichstrom- Leistungswandlers geschaltet ist;

eine Lastvorrichtung (INV, IM) zur Aufnahme einer ersten Gleichspannung (Vd) aus den Gleichstrom-Anschlüssen; und

ein Gleichstrom-Aktivfilter (DC-AF), welches parallel zu dem Hauptglättungskondensator geschaltet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Gleichstrom-Aktivfilter angeordnet ist, eine Frequenzkomponente der ersten Gleichspannung, welche an den Hauptglättungskondensator angelegt wird, zu erfassen, welche doppelt so groß ist wie die Frequenz der Einphasen- Wechselstrom-Energiequelle, und einen Kompensationsstrom (IF), der in das Gleichstrom-Aktivfilter fließt, zu steuern, damit die Frequenzkomponente der ersten Gleichspannung ausgelöscht wird.

2. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gleichstrom-Aktivfilter enthält:

eine Konstant-Gleichspannungsquelle zur Erzeugung einer zweiten Gleichspannung;

einen PWM-Inverter der Spannungsquelle, welcher mit der Konstant-Gleichspannungsquelle verbunden ist, um die zweite Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Spannung umzuwandeln;

einen Einphasen-Transformator, der mit den wechselstromseitigen Ausgangsanschlüssen des PWM-Inverters der Spannungsquelle verbunden ist; und

einen Gleichstrom-Glättungskondensator, der in Reihe mit einer Sekundärwicklung des Einphasen-Transformators geschaltet ist, um zu bewirken, daß der Kompensationsstrom (IF) durch den Gleichstrom-Glättungskondensator fließt.

3. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gleichstrom-Aktivfilter enthält:

eine Konstant-Gleichspannungsquelle zur Erzeugung einer zweiten Gleichspannung;

einen PWM-Inverter der Spannungsquelle, welcher mit der Konstant-Gleichspannungsquelle verbunden ist, um die zweite Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Spannung umzuwandeln; und

eine Reihenschaltung aus einem Gleichstrom- Glättungskondensator und einer Induktivität, wobei die Reihenschaltung in Reihe geschaltet ist mit den wechselstromseitigen Ausgangsanschlüssen des PWM-Inverters der Spannungsquelle, um zu bewirken, daß der Kompensationsstrom (IF) durch die Reihenschaltung fließt.

4. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gleichstrom-Aktivfilter enthält;

eine Konstant-Gleichstromquelle zur Erzeugung eines Gleichstroms;

einen PWM-Inverter der Stromquelle, welcher mit der Konstant-Gleichstromquelle verbunden ist, um den Gleichstrom in einen Wechselstrom mit variablem Strom umzuwandeln;

einen Hochfrequenz-Kondensator, der mit den Wechselstrom- Ausgangsanschlüssen des PWM-Inverters der Stromquelle verbunden ist; und

einen Gleichstrom-Glättungskondensator, der in Reihe mit dem Hochfrequenz-Kondensator geschaltet ist, um zu bewirken, daß der Kompensationsstrom (IF) durch den Gleichstrom-Glättungskondensator fließt.

5. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gleichstrom-Aktivfilter enthält;

eine Konstant-Gleichstromquelle zur Erzeugung eines Gleichstroms;

einen Hochfrequenz-Kondensator der mit den Wechselstrom- Ausgangsanschlüssen des PWM-Inverters der Stromquelle verbunden ist;

ein Einphasen-Transformator, der parallel zu dem Hochfrequenz-Kondensator geschaltet ist; und einen Gleichstrom-Glättungskondensator, der in Reihe geschaltet ist mit einer Sekundärwicklung des Einphasen- Transformators, um zu bewirken, daß der Kompensationsstrom (IF) durch den DC-Glättungskondensator fließt.

6. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gleichstrom-Aktivfilter enthält:

eine Hochfrequenz-Spannungsquelle zur Zuführung einer Spannung hoher Frequenz;

einen Steuerumrichter mit geschlossenem Stromkreis, der angeschlossen ist um die Spannung hoher Frequenz als Eingabe zu empfangen, um eine Einphasen-Wechselspannung zu erzeugen; und

einen Gleichstrom-Glättungskondensator, der in Reihe mit den Ausgangsanschlüssen des Steuerumrichters mit geschlossenem Stromkreis geschaltet ist, um zu bewirken, daß der Kompensationsstrom (IF) durch den Gleichstrom- Glättungskondensator fließt.

7. Leistungswandlungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Kapazität des Gleichstrom-Glättungskondensators des Gleichstrom-Aktivfilters größer ist als die Kapazität des Hauptglättungskondensators.

8. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gleichstrom-Aktivfilter angeordnet ist, den Kompensationsstrom (IF) ansprechend auf eine Differenz eines ersten Gleichstroms (Id1), der von dem Wechselstrom/Gleichstrom-Leistungswandler ausgegeben wird, und eines zweiten Gleichstrom (Id2), der in die Lastvorrichtung gespeist wird, zu steuern.

9. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gleichstrom-Aktivfilter angeordnet ist, den Kompensationsstrom (IF) ansprechend auf die Differenz eines berechneten Werts (Pc) einer momentanen Wechselstromleistung des Wechselstrom/Gleichstrom- Leistungswandlers und eines berechneten Werts (Pav) einer mittleren Aktivleistung, die von der Einphasen- Wechselstrom-Energiequelle zugeführt wird, zu steuern.

10. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Wechselstrom/Gleichstrom-Leistungswandler einen PWM- Wandler enthält, zur Steuerung eines Eingangsstrom (Is), der zugeführt wird aus der Einphasen-Wechselstrom- Energiequelle, so daß die erste Gleichspannung (Vd), die an den Hauptglättungskondensator angelegt wird, praktisch konstant ist.

11. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 10, wobei ein Befehlswert (IF*) für den Kompensationsstrom (IF) des Gleichstrom-Aktivfilters gegeben ist als:

IF* = (k1 · ec* · Is* - k2 · Vsm · Ism*)/Vd

wobei ein Spannungsbefehlswert des PWM-Wandlers ec* ist, ein Eingangsstrom-Befehlswert des PWM-Wandlers Is* ist, ein Spitzenwert des Eingangsstrom-Befehlswerts (Is*) des PWM-Wandlers Ism* ist, ein Spitzenwert der Ausgangsspannung (Vs) der Einphasen-Wechselstrom- Energiequelle Vsm ist, ein Erfassungswert der ersten Gleichspannung des Hauptglättungskondensators Vd ist, und k1 und k2 Proportionalitätskonstanten sind.

12. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 10, wobei die Anordnung so ist, daß bei Benutzung des Leistungswandlungssystems, wenn der Eingangsstrom (Is), der aus der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle zugeführt wird, und eine Ausgangsspannung (Vs) der Einphasen- Wechselstrom-Energiequelle durch den PWM-Wandler so gesteuert werden, daß sie Sinuswellen sind, die in Phase sind, ist ein Befehlswert (IF*) für den Kompensationsstrom (IF) des Gleichstrom-Aktivfilters gegeben als:

IF* = -Ism · Vcm/(2 · Vd) · cos (2ωt - θ) (während des Energieverbrauchs), und

IF* = + Ism · Vcm/(2 · Vd) · cos (2ωt - θ) (während des Regenerationsbetriebs)

wobei

VLsm = ω · Ls · Ism

Vcm = (Vsm² + VLsm²)1/2

θ = tan&supmin;¹(VLsm/Vsm)

und wobei ein Spitzenwert der Ausgangsspannung (Vs) der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle Vsm ist, ein Spitzenwert des Eingangsstroms (Is) des PWM-Wandlers Ism ist, und ein Erfassungswert der ersten Gleichspannung des Hauptglättungskondensators Vd ist.

13. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 10, wobei die Anordnung so ist, daß bei Verwendung des Leistungswandlungssystems, wenn der Eingangsstrom (Is), der aus der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle zugeführt wird, durch den PWM-Wandler gesteuert wird, eine Sinuswelle zu sein mit einem nacheilenden Phasenwinkel φ bezüglich einer Ausgangsspannung (Vs) der Einphasen- Wechselstrom-Energiequelle, ist ein Befehlswert (IF*) für den Kompensationsstrom (IF) des Gleichstrom-Aktivfilters gegeben als:

IF* = -Ism · Vcm/(2 · Vd) cos (2ωt - θ - φ)

(während des Energieverbrauchs) und

IF* = +Ism · Vcm/(2 · Vd) · cos (2ωt - θ - φ)

(während des Regenerationsbetriebs)

wobei

Ism = (IPm² + IQm²)1/2

φ = tan&supmin;¹ (IQm/IPm)

VcP = Vsm - ω · Ls · IQm

VcQ = - ω · Ls · IPm

Vcm = (VcP² + VcQ²)-1/2

A = tan&supmin;¹(VcQ/VcP)

und wobei ein Spitzenwert der Ausgangsspannung (Vs) der Einphasen-Wechselstrom-Energiequelle Vsm ist, ein Spitzenwert des Eingangsstroms (Is) des PWM-Wandlers Ism ist, eine Aktivkomponente des Spitzenwerts (Ism) IPm ist, eine Blindkomponente des Spitzenwerts (Ism) IQm ist, und ein Erfassungswert der ersten Gleichspannung des Hauptglättungskondensators Vd ist.

14. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Lastvorrichtung enthält:

einen PWM-Wandler, der mit dem Hauptglättungskondensator verbunden ist, um die erste Gleichspannung (Vd) in eine Dreiphasen-Wechselspannung umzuwandeln, und

einen Dreiphasen-Induktionsmotor, der angeordnet ist, von dem PWM-Inverter angetrieben zu werden.

15. Leistungswandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Wechselstrom/Gleichstrom-Energiewandler weiterhin einen PWM-Wandler umfaßt, zur Steuerung eines Eingangsstroms (Is), der zugeführt wird von der Einphasen-Wechselstrom- Energiequelle, so daß die erste Gleichspannung (Vd), die an den Hauptglättungskondensator angelegt wird, praktisch konstant ist.