DE112022006901T5

DE112022006901T5 - Energiewandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112022006901T5
Application number: DE112022006901.5T
Authority: DE
Inventors: Keiko Tada; Masashi Nakamura
Original assignee: TMEIC Corp
Current assignee: TMEIC Corp
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2025-01-09
Also published as: WO2023181368A1; JPWO2023181368A1; CN119013885A

Abstract

Eine Energiewandlungsvorrichtung enthält einen Inverter mit mehreren Schaltelementen, wobei der Inverter eine Gleichspannung von einer Gleichspannungsquelle empfängt und die Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Spannung und variabler Frequenz wandelt, um die Wechselspannung an eine Last auszugeben, eine Steuereinheit, die eine Ein-/Aus-Ansteuerung der mehreren Schaltelemente per PWM-Steuerung steuert, und einen Reihenkörper aus einem Kondensator auf der Seite positiver Elektrode und einem Kondensator auf der Seite negativer Elektrode, der auf einer Eingangsseite des Inverters zwischen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode der Gleichspannungsquelle geschaltet ist. Ein Ausgangspotential des Inverters hat mindestens ein Potential der positiven Elektrode und ein Potential der negativen Elektrode der Gleichspannungsquelle und ein Potential eines Neutralpunkts, der ein Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator auf der Seite positiver Elektrode und dem Kondensator auf der Seite negativer Elektrode ist. Die Steuereinheit enthält eine Modulationsfaktor-Berechnungseinheit, die einen Modulationsfaktor des Inverters auf der Grundlage der Gleichspannung und eines Ausgangsspannungsbefehlswerts berechnet, einen Gate-Signal-Generator, der ein Gate-Signal zur Ein-/Aus-Ansteuerung der Schaltelemente zur Erzeugung einer Impulsfolge auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem berechneten Modulationsfaktor und einem Trägersignal erzeugt, und einen Gate-Signal-Zuordner, der eine Zuordnung eines Gate-Signals so abstimmt, dass eine Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und eine Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode ausgeglichen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Energiewandlungsvorrichtung und insbesondere auf einen Multilevel-Inverter.
STAND DER TECHNIK
Ein Multilevel-Inverter gibt nicht nur eine Nullspannung aus, sondern auch eine Spannung in mindestens einer Stufe sowohl auf der Seite positiver Elektrode als auch auf der Seite negativer Elektrode. Impulse auf jeder Stufe werden im Allgemeinen per PWM-Steuerung (PWM: Puls Width Modulation / Pulsweitenmodulation) erzeugt, die als Dreieckswellenvergleichs-PWM bezeichnet wird.
Der Multilevel-Inverter ist beispielsweise so konfiguriert, dass mehrere Energiewandlungseinheiten, die jeweils eine Inverterschaltung enthalten, die Ausgänge in drei Stufen bereitstellen kann, und eine unabhängige Gleichstrom- oder DC-Energieversorgung in Reihe geschaltet sind. Impulse auf jeder Stufe werden von individuellen Einheiten ausgegeben, und eine Kombination von Impulsspannungen, die von den Einheiten ausgegeben werden, wird vom Multilevel-Inverter ausgegeben.
In diesem Zusammenhang wird bei einer Schaltsteuerung des Multilevel-Inverters bei Erzeugung eines Impulsmusters für jede Stufe, das von jeder Energiewandlungseinheit auszugeben ist, eine Phase einer Dreieckswelle, die mit einem Befehlswert zu vergleichen ist, für jede Stufe verschoben, so dass ein zusammengesetzter Impuls ein Treppenmuster aufweist, und außerdem wird eine Energiewandlungseinheit, der Impulse zugewiesen werden, periodisch geändert, so dass Verluste zwischen den Energiewandlungseinheiten aufgrund eines Ungleichgewichts beim Schalten durch Schaltelemente nicht variieren (siehe Patentdokument 1).
Einige Multilevel-Inverter sind neutralpunktgeklemmte Multilevel-Inverter. Ein solcher Multilevel-Inverter kann Spannungen in mindestens drei Stufen ausgeben. Bei Variation in Spannung oder Frequenz wird jedoch eine Schaltzeit zwischen einer Seite positiver Elektrode und einer Seite negativer Elektrode bei Dreieckswellenvergleichsschaltung unausgeglichen, und je nach Leistungsfaktor werden Lade- und Entladungsmengen bei einer Spannung eines Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und einer Spannung eines Kondensators auf der Seite negativer Elektrode in einer DC-Bus-Schaltung unausgeglichen. Eine Spannungsdifferenz zwischen der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode kann zunehmen, was zu einer Überspannung einer Kondensatorspannung auf der Seite positiver Elektrode oder der Seite negativer Elektrode oder zu einer erhöhten Stromschwankung (Drehmomentwelligkeit) während eines Betriebs einer Last führen kann.
In diesem Zusammenhang wird beispielsweise im Falle eines 3-Stufen-Inverters ein Drehspannungsbefehlswert, der mit einer Dreieckswelle zu vergleichen ist, auf der Grundlage einer Kondensatorspannungsdifferenz zwischen der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode, eines Vorzeichens eines Spannungsbefehls oder eines Stroms in geeigneter Weise korrigiert, um ein Impulsmuster nach dem Vergleich mit der Dreieckswelle zu ändern, um dadurch einen Anstieg der Kondensatorspannungsdifferenz zwischen der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode in der DC-Bus-Schaltung während eines Betriebs der Last zu verhindern (siehe Patentdokument 2).
LITERATURVERZEICHNIS
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: JP 4 352 787 B2
Patentdokument 2: JP 6 707 298 B2

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Die Schaltsteuerung gemäß Patentdokument 1 bewirkt demgegenüber einen einheitlichen Schaltverlust unter den Energiewandlungseinheiten. Dieses Dokument schweigt jedoch hinsichtlich einer Aufgabe oder eines Effekts, um Kondensatorspannungen zwischen der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode in einer Reihenschaltung in jeder Einheit in einem Multilevel- oder mindestens 5-Stufen-Inverter ausgeglichen zu halten.
Ein Verfahren zur Beseitigung der Kondensatorspannungsdifferenz zwischen der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode einer DC-Bus-Schaltung gemäß Patentdokument 2 wird auf einen neutralpunktgeklemmten 3-Stufen-Inverter angewandt.
Da ein Inverter, der Spannungen in Stufen (mindestens fünf Stufen) ausgibt, die über drei Stufen hinausgehen, eine andere Schaltungskonfiguration aufweist, ist das Verfahren so nicht anwendbar.
Zum Beispiel gibt es für einen solchen Multilevel-Inverter, der eine Inverterschaltung enthält, die in der Lage ist, Spannungen in fünf Stufen auszugeben, da sie für jede Phase eine Schaltung enthält, die so konfiguriert ist, dass eine DC-Bus-Schaltung und zwei 3-Stufen-Schaltkreise verbunden sind, mehrere Schaltkombinationen für die Ausgabe der gleichen Spannung, und Richtungen des Ladens und Entladens von Kondensatoren auf der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode sind in Abhängigkeit von den Kombinationen unterschiedlich. Daher ist ein Verfahren zur Änderung eines Befehlswerts auf der Grundlage eines Dreieckswellenvergleichs gemäß Patentdokument 2 nicht in der Lage, die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Kondensatoren angemessen zu unterdrücken.
Die vorliegende Offenbarung ist geschaffen worden, um die obige Aufgabe zu lösen, und es ist Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Energiewandlungsvorrichtung bereitzustellen, die einen Anstieg eines Ungleichgewichts zwischen einer Spannung eines Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und einer Spannung eines Kondensators auf der Seite negativer Elektrode in einer DC-Bus-Schaltung in Abhängigkeit von einer Änderung in Spannung oder Frequenz oder eines Leistungsfaktors unterdrückt, und ein Auftreten eines Phänomens von Überspannung einer Kondensatorspannung aufgrund eines Anstiegs des Ungleichgewichts oder eines Phänomens eines Anstiegs von Drehmomentwelligkeit aufgrund einer Asymmetrie zwischen einer positiven Ausgangsspannung und einer negativen Ausgangsspannung zu verhindern.
LÖSUNG DER AUFGABE
Eine Energiewandlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform enthält einen Inverter mit mehreren Schaltelementen, wobei der Inverter eine Gleichspannung von einer Gleichspannungsquelle empfängt und die Gleichspannung in eine AC- oder Wechselspannung mit variabler Spannung und variabler Frequenz umwandelt, um die Wechselspannung an eine Last auszugeben, eine Steuereinheit, die eine Ein-/Aus-Ansteuerung der mehreren Schaltelemente unter PWM-Steuerung steuert, und einen Reihenkörper aus einem Kondensator auf der Seite positiver Elektrode und einem Kondensator auf der Seite negativer Elektrode, der zwischen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode der Gleichspannungsquelle auf einer Eingangsseite des Inverters geschaltet ist. Ein Ausgangspotential des Inverters hat mindestens ein Potential der positiven Elektrode und ein Potential der negativen Elektrode der Gleichspannungsquelle und ein Potential eines Neutralpunkts, der ein Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator auf der Seite positiver Elektrode und dem Kondensator auf der Seite negativer Elektrode ist. Die Steuereinheit enthält eine Modulationsfaktor-Berechnungseinheit, die einen Modulationsfaktor des Inverters auf der Grundlage der Gleichspannung und eines Ausgangsspannungsbefehlswerts berechnet, einen Gate-Signal-Generator, der ein Gate-Signal für die Ein-/Aus-Ansteuerung der Schaltelemente zur Erzeugung einer Impulsfolge auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem berechneten Modulationsfaktor und einem Trägersignal erzeugt, und einen Gate-Signal-Zuordner, der eine Zuordnung des Gate-Signals so abstimmt, dass eine Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und eine Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode ausgeglichen sind.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Eine Energiewandlungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung kann einen Anstieg eines Ungleichgewichts zwischen einer Spannung eines Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und einer Spannung eines Kondensators auf der Seite negativer Elektrode in einer DC-Bus-Schaltung in Abhängigkeit von einer Änderung in Spannung oder Frequenz oder eines Leistungsfaktors unterdrücken und ein Auftreten eines Phänomens von Überspannung einer Kondensatorspannung aufgrund eines Anstiegs des Ungleichgewichts oder eines Phänomens eines Anstiegs von Drehmomentwelligkeit aufgrund einer Asymmetrie zwischen einer positiven Ausgangsspannung und einer negativen Ausgangsspannung verhindern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt einen Schaltplan zur Veranschaulichung einer Gesamtkonfiguration einer Energiewandlungsvorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Hardware-Konfiguration der Energiewandlungsvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform.
3 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Abschnitts entsprechend nur einer Phase (U-Phase) eines Inverters 4 gemäß der ersten Ausführungsform.
4 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen Schaltzweigen 8a und 8b und einer Stufe einer Ausgangsspannung einer Einphasenschaltung des Inverters 4 gemäß der ersten Ausführungsform.
5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Betriebs eines Trägervergleichs-PWM-Generators 12 als ein Vergleichsbeispiel.
6 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Werts eines Neutralpunktstroms Ic und einer Zunahme und Abnahme der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff auf einer Seite positiver Elektrode in jedem Muster.
7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von Gate-Impulssignalen GA# und GB# gemäß der ersten Ausführungsform.
8 zeigt einen Schaltplan zur Veranschaulichung einer Gesamtkonfiguration einer Energiewandlungsvorrichtung 2# gemäß einer zweiten Ausführungsform.
9 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Betriebs einer Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit 15 gemäß der zweiten Ausführungsform.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit 15 gemäß der zweiten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend ist eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind den gleichen Elementen die gleichen Bezugszeichen zugeordnet. Da auch ihre Bezeichnungen und Funktionen identisch sind, wird ihre detaillierte Beschreibung nicht wiederholt.
Erste Ausführungsform.
1 zeigt einen Schaltplan zur Veranschaulichung einer Gesamtkonfiguration einer Energiewandlungsvorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Energiewandlungsvorrichtung 2 enthält, wie in 1 dargestellt, einen Inverter 4 und eine Steuereinheit 10, die den Inverter 4 steuert, und wandelt Gleichspannungen von Gleichspannungsquellen 1a, 1b und 1c der Phasen U, V und W in Wechselspannungen variabler Spannung und variabler Frequenz, um die Wechselspannungen an einen Motor 3 auszugeben, der eine Last ist.
Der Inverter 4 realisiert einen 5-Stufen-Inverter, bei dem zwei Schaltzweige oder Schaltschenkel 8a und 8b, die jeweils einen neutralpunktgeklemmten 3-Stufen-Inverter bilden, für jede Phase parallel geschaltet sind. Der neutralpunktgeklemmte 3-Stufen-Inverter enthält zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren, d. h. einen Kondensator 5a auf der Seite positiver Elektrode und einen Kondensator 5b auf der Seite negativer Elektrode, die eine Gleichspannung von der Gleichspannungsquelle 1a teilen, mehrere Schaltelemente 6, die durch IGBTs oder dergleichen mit jeweiligen antiparallel geschalteten Dioden realisiert sind, und eine Klemmdiode 7.
Wie oben beschrieben, ist im Folgenden ein Schaltmuster oder dergleichen in Verbindung mit einer Konfiguration des 5-Stufen-Inverters beschrieben, bei dem zwei Schaltzweige 8a und 8b, die jeweils den 3-Stufen-Inverter bilden, für jede Phase parallel geschaltet sind. In Anbetracht der Anwendung der vorliegenden Offenbarung ist jedoch keine Beschränkung auf den 5-Stufen-Inverter beabsichtigt, und eine Konfiguration zur Ausgabe von Spannungen in mindestens neun Stufen, bei der Inverterschaltungen in mehreren Stufen für jede Phase in Reihe geschaltet sind, ist in gleicher Weise anwendbar.
Der Inverter 4 wandelt Gleichspannungen der Gleichspannungsquellen 1a bis 1c in Wechselspannungen beliebiger Größe und Frequenz um, indem er die Schaltelemente 6 per PWM-Steuerung (PWM: Puls Width Modulation / Pulsweitenmodulation) ansteuert, um die Wechselspannungen auszugeben. Der Inverter 4 enthält ferner, in einem Verbindungsabschnitt zum Motor 3, einen Stromsensor 18 als einen Laststromdetektor, der einen Strom des Motors 3 erfasst, bei dem es sich um Lastströme iu, iv und iw handelt, sowie Neutralpunktspannungssensoren 20a, 20b und 20c, die als eine Neutralpunktspannung eine Spannungsdifferenz zwischen dem Kondensator 5a auf der Seite positiver Elektrode und dem Kondensator 5b auf der Seite negativer Elektrode erfassen, die Spannungen der Gleichspannungsquellen 1a bis 1c des Inverters 4 teilen.
Die Steuereinheit 10 ist aus einem U/f-Controller 19, einer Modulationsfaktor-Berechnungseinheit 11, einem Trägervergleichs-PWM-Generator 12 und einem Gate-Signal-Zuordner 13 aufgebaut, wobei der Gate-Signal-Zuordner 13 einen Impulsverteiler 14 enthält.
Jede dieser Komponenten ist im Folgenden beschrieben.
Der U/f-Controller 19 ist ein Controller, der einen Spannungsbefehlswert Vp ausgibt, indem er einen eingegebenen Frequenzbefehl Fc mit einem vorgeschriebenen Koeffizienten multipliziert. Im Allgemeinen wird ein Koeffizient verwendet, der sich aus einer Division einer Nennspannung des Motors durch eine Nennfrequenz ergibt.
Die Modulationsfaktor-Berechnungseinheit 11 berechnet einen Modulationsfaktorbefehl m in Übereinstimmung mit einem Ausdruck (1) auf der Grundlage einer Gleichspannung Vdc von den Gleichspannungsquellen 1a bis 1c und eines Ausgangsspannungsbefehlswerts (entsprechend einer Leitungsspannung) Vp des Inverters 4 und gibt den Modulationsfaktorbefehl aus. [Ausdruck 1] $m = \sqrt{\frac{2}{3}} * \frac{V p}{V d c}$
Der Trägervergleichs-PWM-Generator 12 vergleicht den von der Modulationsfaktor-Berechnungseinheit 11 ausgegebenen Modulationsfaktorbefehl m mit einer Dreieckswelle (einem Trägersignal) in vorgeschriebenen Frequenzzyklen und erzeugt und gibt zwei Sätze von 3-Stufen-Gate-Impulssignalen aus, die von zwei Schaltzweigen ausgegeben werden.
Der Impulsverteiler 14 des Gate-Signal-Zuordners 13 bestimmt, welchen Schaltelementen in den beiden Schaltzweigen 8a und 8b die beiden Sätze von erzeugten Gate-Impulssignalen zuzuweisen sind, und in Übereinstimmung mit der Bestimmung gibt der Impulsverteiler 14 ein Gate-Impulssignal 17 an die Schaltelemente in jedem der Schaltzweige 8a und 8b aus.
2 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Hardware-Konfiguration der Energiewandlungsvorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 2 dargestellt, wandelt der Inverter 4 Gleichspannungen von den Gleichspannungsquellen 1a, 1b und 1c der Phasen U, V und W in Wechselspannungen mit variabler Spannung und variabler Frequenz um, um die Wechselspannungen an den Motor 3, der die Last darstellt, auszugeben.
Die Steuereinheit 10 enthält einen Prozessor 301 und eine Speichervorrichtung 302. Ein Programm für die Steuereinheit 10 wird im Voraus in der Speichervorrichtung 302 gespeichert. Der Prozessor 301 führt ein in der Speichervorrichtung 302 gespeichertes Funktionsprogramm aus. Bei Ausführung des Funktionsprogramms durch den Prozessor 301 werden verschiedene Funktionen ausgeführt.
Die Steuereinheit 10 enthält den U/f-Controller 19, die Modulationsfaktor-Berechnungseinheit 11, den Trägervergleichs-PWM-Generator 12 und den Gate-Signal-Zuordner 13. Der Gate-Signal-Zuordner 13 enthält den Impulsverteiler 14.
Ein Detektor 29 ist aus einer Sensorgruppe aufgebaut, die eine Spannung und einen Strom von jeder Komponente des Inverters 4 erfasst. Im vorliegenden Beispiel enthält der Detektor 29 beispielsweise den Stromsensor 18 und die Neutralpunktspannungssensoren 20a bis 20c.
Der Prozessor 301 erzeugt ein Gate-Impulssignal 17, das die Schaltelemente 6 im Inverter 4 ansteuert, um diese ein- und auszuschalten, indem er Information von dem Detektor 29 verarbeitet.
Nachstehend sind die Betriebe beschrieben.
Nachstehend sind die Betriebe des Inverters 4 basierend auf der Ein-/Aus-Ansteuerung der Schaltelemente 6 in den beiden Schaltzweigen 8a und 8b beschrieben.
3 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Abschnitts entsprechend nur einer Phase (U-Phase) des Inverters 4 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 3 dargestellt, werden 3-Stufen-Ausgangsspannungen V_A and V_B von den jeweiligen Schaltzweigen 8a und 8b ausgegeben. Der Schaltzweig 8a ist mit einem Phasenausgangsanschluss des Inverters verbunden, und der Schaltzweig 8b ist mit einem Neutralpunkt der drei Phasen verbunden. Daher ist eine Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung V_INV eines Einphasen-Inverters, einer Ausgangsspannung V_A des Schaltzweiges 8a und einer Ausgangsspannung V_B des Schaltzweiges 8b im folgenden Ausdruck (2) dargestellt. [Ausdruck 2] $V_{I N V} = V_{A} - V_{B}$
Eine Kondensatorspannungsdifferenz V_diff ist in einem nachfolgenden Ausdruck (3) gezeigt, wobei V_PC eine Spannung des Kondensators 5a auf der Seite positiver Elektrode in einer DC-Bus-Schaltung darstellt und V_CN eine Spannung des Kondensators 5b auf der Seite negativer Elektrode in der DC-Bus-Schaltung darstellt. [Ausdruck 3] $V_{d i f f} = V_{P C} - V_{C N}$
4 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen den Schaltzweigen 8a und 8b und einer Stufe einer Ausgangsspannung einer Einphasenschaltung des Inverters 4 gemäß der ersten Ausführungsform.
In 4 stellt „E“ für eine Ausgangsspannung eine Einheit von Spannung pro Stufe dar, die vom Multilevel-Inverter ausgegeben wird.
Eine Ausgangsstufe oder Ausgangsstufe der Ausgangsspannung V_A des Schaltzweiges 8a wird am Ausgang des Inverters 4 unverändert wiedergegeben, während die Ausgangsstufe der Ausgangsspannung V_B des Schaltzweiges 8b mit umgekehrten positiven und negativen Werten wiedergegeben wird.
Beispielsweise werden bei Ausgabe einer Spannung von +1E vom Inverter 4 durch den Schaltzweig 8b die Schaltelemente 31 und 32 auf einer Seite positiver Elektrode und einer Seite negativer Elektrode des Schaltzweiges 8a gesperrt (ausgeschaltet), um die Ausgangsspannung V_A auf 0 zu setzen, und das Schaltelement 33 auf der Seite positiver Elektrode des Schaltzweiges 8b wird gesperrt und das Schaltelement 34 auf der Seite negativer Elektrode wird leitend geschaltet (eingeschaltet), um -1E als Ausgangsspannung V_B auszugeben.
Nachstehend ist beschrieben, wie das Gate-Impulssignal zugeordnet wird.
Der Trägervergleichs-PWM-Generator 12 erzeugt zwei Sätze von 3-Stufen-Gate-Impulssignalen.
Der Gate-Signal-Zuordner 13 mit dem Impulsverteiler 14 weist das Gate-Impulssignal 17 einem der beiden Schaltzweige 8a und 8b zu und gibt das Gate-Impulssignal aus.
5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Betriebs des Trägervergleichs-PWM-Generators 12 als ein Vergleichsbeispiel. In (A) von 5 stellt eine Wellenform 21 den Modulationsfaktorbefehlswert Vp dar und zeigt eine Änderung im elektrischen Grad in einem Zyklus.
Das vorliegende Beispiel zeigt vier Trägersignale car1 bis car4 (Wellenformen 22a bis 22d). Die Trägersignale car1 und car2 sind Trägersignale zur Erzeugung von Impulssignalen auf der Seite positiver Elektrode von zwei 3-Stufen-Impulsen. Die Trägersignale car3 und car4 sind Trägersignale zur Erzeugung von Impulssignalen auf der Seite negativer Elektrode von zwei 3-Stufen-Impulsen.
In (B) von 5 ist ein 3-Stufen-Impulssignal, das auf der Grundlage eines Vergleichs mit dem Trägersignal car1 und dem Trägersignal car4 im Ansprechen auf den Modulationsfaktorbefehlswert Vp in einem Zyklus erzeugt wird, ein Gate-Impulssignal GA (eine Wellenform 23a).
Ein 3-Stufen-Impulssignal, das auf der Grundlage eines Vergleichs mit dem Trägersignal car2 und dem Trägersignal car3 im Ansprechen auf den Modulationsfaktorbefehlswert Vp in einem Zyklus erzeugt wird, ist ein Gate-Impulssignal GB (eine Wellenform 23b).
Das Gate-Impulssignal GA wird an den Schaltzweig 8a ausgegeben. Das Gate-Impulssignal GB wird an den Schaltzweig 8b ausgegeben.
In (C) von 5 ist eine einphasige Ausgangsspannung Vcnv als Differenz (eine Wellenform 25) zwischen dem Gate-Impulssignal GA und dem Gate-Impulssignal GB dargestellt.
In diesem Fall ist eine Schaltfrequenz des Schaltzweiges 8b höher als eine Schaltfrequenz des Schaltzweiges 8a, und der Schaltzweig 8b hat eine längere Einschaltdauer.
Bezugnehmend auf (B) von 5, basierend auf dem Vergleich des Gate-Impulssignals für den Schaltzweig 8a mit dem Gate-Impulssignal für den Schaltzweig 8b, ist ein Abschnitt, in dem der Schaltzweig 8a 0 liefert und der Schaltzweig 8b +1E oder -1 E liefert, länger als andere Abschnitte.
6 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Werts eines Neutralpunktstroms Ic und einer Zunahme und Abnahme der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff auf der Seite positiver Elektrode in jedem Muster.
Wie in den 5 und 6 dargestellt, fließt der Neutralpunktstrom Ic in einem Abschnitt, in dem der Schaltzweig 8a 0 liefert und der Schaltzweig 8b +1E oder -1E liefert, oder in einem Abschnitt, in dem der Schaltzweig 8b 0 liefert und der Schaltzweig 8a +1E oder -1 E liefert.
In diesem Fall, wenn die Ausgangsspannungen des Schaltzweiges 8a und des Schaltzweiges 8b unter eine solche Kombination fallen, ist der Neutralpunktstrom Ic zum Laden und Entladen des Kondensators 5b -iu (positiv und negativ des Phasenstroms iu sind umgekehrt).
Wenn eine Last groß ist und der Phasenstrom iu groß ist, steigt und sinkt die Kondensatorspannungsdifferenz V_diff wiederholt stark in Einheiten von 1/2 Zyklus.
Darüber hinaus sind im Falle von asynchroner PWM Träger, die Impulse erzeugen, nicht mit einer Frequenz des elektrischen Grades synchronisiert. Daher ist ein Teil des Neutralpunktstroms, der in jedem Zyklus des elektrischen Grades in den und aus dem Kondensator 5b fließt, tendenziell asymmetrisch zwischen der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode, und folglich neigt die Differenz zwischen zwei Kondensatorspannungen der DC-Bus-Schaltung dazu, groß zu werden.
Um dieses Problem zu lösen, sollte das Schalten so erfolgen, dass der Betrag der Aufladung des Kondensators und der Entladung des Kondensators kleiner ist, indem eine Orientierung des Neutralpunktstroms Ic mehrere Male in einem halben Zyklus des elektrischen Grades geändert wird.
In der ersten Ausführungsform stimmt der Gate-Signal-Zuordner 13 die Zuordnung des Gate-Signals so ab, dass die Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und die Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode ausgeglichen sind. Insbesondere nimmt, beim Schalten für die Ausgabe der zwei 3-Stufen-Gate-Impulssignale GA und GB auf der Grundlage des Vergleichs von Trägern, der Impulsverteiler 14 des Gate-Signal-Zuordners 13 eine Abstimmung derart vor, dass der Schaltzweig 8a und der Schaltzweig 8b, an denen die Schaltelemente eingeschaltet sind, wechseln.
Insbesondere erfolgt die Abstimmung derart, dass ein Abschnitt, in dem der Neutralpunktstrom fließt, d. h. ein Abschnitt, in dem der Ausgang eines Schaltzweiges 0 ist und der Ausgang des anderen Schaltzweiges entweder +1E oder -1 E ist, kürzer gemacht wird und sich häufig eine positive oder negative Richtung ändert.
7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von Gate-Impulssignalen GA# und GB# gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in (A) von 7 gezeigt, ist das Gate-Impulssignal GA ein 3-Stufen-Impulssignal GA (Wellenform 23a), das basierend auf dem Vergleich mit dem Trägersignal car1 und dem Trägersignal car4 im Ansprechen auf den Modulationsfaktorbefehl Vp erzeugt wird. Das Gate-Impulssignal GB ist ein 3-Stufen-Impulssignal GB (Wellenform 23b), das auf der Grundlage des Vergleichs mit dem Trägersignal car2 und dem Trägersignal car3 im Ansprechen auf den Modulationsfaktorbefehlswert Vp erzeugt wird.
Wie in (B) von 7 gezeigt, erfolgt eine Abstimmung der Gate-Impulssignale GA# (eine Wellenform 24a) und GB# (eine Wellenform 24b) derart, dass die Einschaltzeit eines Schaltimpulses im Schaltzweig 8a und die Einschaltzeit eines Schaltimpulses im Schaltzweig 8b abwechselnd erfolgen.
In (C) von 7 ist eine einphasige Ausgangsspannung Vcnv als eine Differenz (Wellenform 25) zwischen dem Gate-Impulssignal GA und dem Gate-Impulssignal GB dargestellt.
Die Schaltzweige 8a und 8b werden abwechselnd eingeschaltet, der Abschnitt, in dem einer der beiden Schaltzweige 8a und 8b 0 und der andere +1E oder -1 E liefert, wird kürzer, und eine Ausrichtung des Stroms, der durch den Neutralpunkt in diesem Abschnitt fließt, ändert sich von Zeit zu Zeit. Daher verringert sich eine Strommenge, die in den Kondensator geladen und aus dem Kondensator entladen wird, und die Schwankung in der Differenz in der Kondensatorspannung kann ebenfalls geringer sein.
Ferner wird die Kondensatorspannungsdifferenz V_diff gemäß dem Ausdruck (3) auf der Grundlage der beiden Kondensatorspannungen V_PC und V_CN der DC-Bus-Schaltung jeder Phase berechnet, die von den Neutralpunktspannungssensoren 20a bis 20c erhalten werden.
Wenn ein Absolutwert einen Schwellenwert überschreitet, wird Information über einen als nächstes einzuschaltenden Schaltzweig einmalig zurückgesetzt.
Bis die Kondensatorspannungsdifferenz V_diff kleiner als der Schwellenwert wird, erfolgt ein Schalten zu Schaltzweig 8a → Schaltzweig 8b → Schaltzweig 8a, der in jedem Zyklus des Frequenzbefehls Fc zuerst eingeschaltet wird.
Wenn beispielsweise der Absolutwert der Spannungsdifferenz V_diff zwischen den beiden Kondensatoren 5a und 5b in der DC-Bus-Schaltung, der durch den Neutralpunktspannungssensor 20a in der U-Phasen-Schaltung erhalten wird, den Schwellenwert überschreitet, wobei der Abschnitt (= entsprechend einem Zyklus des Frequenzbefehls Fc) von einem Zeitpunkt, an dem die Phase einer nächsten Inverter-Ausgangsspannung 0 Grad wird, bis die Phase 360° erreicht, als fnumber = 1 definiert ist, wird der Schaltzweig 8a als derjenige Schaltzweig zugeordnet, der in diesem Abschnitt zuerst eingeschaltet wird. In einem nächsten Zyklus fnumber = 2 wird dann so geschaltet, dass der Schaltzweig 8b als der zuerst eingeschaltete Schaltzweig zugeordnet wird. Die Anhäufung eines Ungleichgewichts zwischen dem Positiven und dem Negativen des Neutralpunktstroms, der zu der Zeit des Umschaltens fließt, kann beseitigt werden, und ein Anstieg der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff kann ebenfalls verhindert werden.
Wie oben beschrieben, kann der Impulsverteiler, der die Gate-Signale den Schaltelementen im Schaltzweig 8a und im Schaltzweig 8b so zuordnet, dass die Schaltelemente im Schaltzweig 8a und die Schaltelemente im Schaltzweig 8b abwechselnd leitend werden, um die Spannung +1E oder -1E bereitzustellen, während der Inverter 4 die gleiche Spannung ausgibt, den Anstieg des Ungleichgewichts zwischen zwei Kondensatoren 5a und 5b in der DC-Bus-Schaltung auch während des Betriebs der Last unterdrücken und eine Überspannungsauslösung (anormaler Stopp) der Kondensatorspannung verhindern.
Zweite Ausführungsform.
8 zeigt einen Schaltplan zur Veranschaulichung einer Gesamtkonfiguration einer Energiewandlungsvorrichtung 2# gemäß einer zweiten Ausführungsform. Wie in 8 gezeigt, unterscheidet sich die Energiewandlungsvorrichtung 2# von der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Energiewandlungsvorrichtung 2 durch den Austausch der Steuereinheit 10 durch eine Steuereinheit 10#. Die Steuereinheit 10# unterscheidet sich von der Steuereinheit 10 durch den Austausch des Gate-Signal-Zuordners 13 durch einen Gate-Signal-Zuordner 13#. Der Gate-Signal-Zuordner 13# enthält im Vergleich zum Gate-Signal-Zuordner 13 einen Impulsverteiler 14 und eine Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit 15. Da die Konfiguration ansonsten dieselbe ist wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, wird die detaillierte Beschreibung nicht wiederholt.
9 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Betriebs der Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit 15 gemäß der zweiten Ausführungsform.
9 (A) ist ähnlich 7 (B), und die Abstimmung der Gate-Impulssignale GA# (Wellenform 24a) und GB# (Wellenform 24b) erfolgt derart, dass die Einschaltzeit eines Schaltimpulses im Schaltzweig 8a und die Einschaltzeit eines Schaltimpulses im Schaltzweig 8b aufgrund des Impulsverteilers 14 abwechseln.
9 (C) zeigt einen Impuls (26a), der nur aus einem Abschnitt extrahiert ist, in dem entweder das Gate-Impulssignal GA# (24a) oder das Gate-Impulssignal GB# (24b) 0 ist und das andere +1E oder -1 E ist.
Zu dieser Zeit ist eine Wellenform 36, die den Neutralpunktstrom repräsentiert, die gleiche wie ein Motorstrom 35 der U-Phase, während nur der Schaltzweig 8a eingeschaltet ist (+1 E oder -1E). Wenn nur der Schaltzweig 8b eingeschaltet ist (+1 E oder -1E), ist die Wellenform 36 umgekehrt positiv und negativ zum Motorstrom 35 der U-Phase.
Der Neutralpunktstrom fließt nicht (0), wenn beide Schaltzweige 8a und 8b ausgeschaltet sind (0) oder beide Schaltzweige 8a und 8b eingeschaltet sind (+1 E oder -1E).
Die Differenz zwischen der Spannung des Kondensators 5a und der Spannung des Kondensators 5b in der DC-Bus-Schaltung nimmt ab, während der Stern- bzw. Neutralpunktstrom 36 positiv ist, und nimmt zu, während der Neutralpunktstrom negativ ist. Als Beispiel zeigt 9 (D) die Spannungsdifferenz V_diff (eine Wellenform 38).
Als Ergebnis der Verteilungsverarbeitung durch den Impulsverteiler 14 wird der Anstieg der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Kondensatoren 5a und 5b unterdrückt. Wenn das Verhältnis zwischen dem Frequenzbefehl Fc und einer Frequenz eines Trägersignals so ist, dass der Frequenzbefehl mit dem Trägersignal in einem Zyklus synchronisiert ist, der ein ungerades Vielfaches des Trägers und ein gerades Vielfaches des Frequenzbefehls ist, kann ein Zustand fortbestehen, in dem eine ungerade Anzahl von Impulsen in zwei Stufen vorhanden ist, kann das Größenverhältnis zwischen der Einschaltzeit der Impulse auf der Seite positiver Elektrode und der Einschaltzeit der Impulse auf der Seite negativer Elektrode fix sein und kann eine Asymmetrie zwischen dem Positiven und dem Negativen fortbestehen.
Wenn die Schaltzweige 8a und 8b abwechselnd eingeschaltet werden, ist die Einschaltzeit auf der positiven Seite eines von ihnen länger, ist die Einschaltzeit auf der Seite negativer Elektrode des anderen länger, und hält ein Zustand an, in dem entweder eine Entladezeitspanne oder eine Ladezeitspanne des Kondensators 5b immer etwas länger ist, was die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Kondensatoren 5a und 5b schnell erhöhen kann.
Wenn der Absolutwert der Spannungsdifferenz V_diff zwischen zwei Kondensatoren einen zulässigen Schwellenwert V_th überschreitet und eine Ausrichtung des Neutralpunktstroms eine Richtung ist, die die Spannungsdifferenz beim nächsten Schalten weiter erhöht, wird zur Unterdrückung einer solchen Erhöhung das Schalten des Schaltzweiges 8a und des Schaltzweiges 8b vertauscht, um die Ausrichtung des Neutralpunktstroms in eine Richtung zu ändern, die die Kondensatorspannungsdifferenz verringert, um eine Erhöhung der Spannungsdifferenz zu unterdrücken.
Insbesondere, wenn zu erwarten ist, dass die Kondensatorspannungsdifferenz V_diff kleiner wird als ein Schwellenwert -V_th, wie an einem Punkt 39a gesehen, und der Neutralpunktstrom in einer Richtung fließen wird, um die Kondensatorspannungsdifferenz V_diff weiter zu erhöhen, wie eine Wellenform 39b beim nächsten Schalten (Schaltzweig 8a aus und Schaltzweig 8b positiver Elektrode ein), erfolgt eine Abstimmung derart, dass die negative Elektrode des Schaltzweiges 8a stattdessen eingeschaltet wird, während der Schaltzweig 8b ausgeschaltet bleibt, um die Richtung des Neutralpunktstroms umzukehren, und der Absolutwert der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff innerhalb eines Bereichs des Schwellenwerts liegt, wie in einer Wellenform 39c zu sehen.
9 (B) zeigt Gate-Impulse GAA# und GBB#, die durch weitere Abstimmung der Gate-Impulse GA# und GB# erhalten werden.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit 15 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Nachstehend ist ein Verarbeitungsablauf in einer Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
Zunächst wird bestimmt, ob oder nicht der Absolutwert einer Differenz |V_{diff_u}| zwischen der Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und der Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode in einer U-Phasen-DC-Bus-Schaltung den zulässigen Schwellenwert V_th überschritten hat (Schritt S401).
In Schritt S401, wenn der Absolutwert der Differenz |V_{diff_u}| zwischen der Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und der Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode den zulässigen Schwellenwert V_th nicht überschritten hat (NEIN in Schritt S401), wird ein Zustand in Schritt S401 beibehalten. Wenn der Absolutwert der Differenz |V_{diff_u}| zwischen der Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und der Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode den zulässigen Schwellenwert V_th überschritten hat (JA in Schritt S401), wird geprüft, ob oder nicht ein Produkt aus der Kondensatorspannungsdifferenz V_{diff_u} und dem Phasenstrom iu größer ist als ein Produkt aus dem zulässigen Schwellenwert V_th (V_th > 0) der Kondensatorspannungsdifferenz und einem Phasenstromschwellenwert I_th (I_th > 0) (Schritt S402).
Die Bestimmung in Schritt S402, dass das Produkt aus Kondensatorspannungsdifferenz V_{diff_u} und Phasenstrom iu größer ist als das Produkt aus zulässigem Schwellenwert V_th (V_th > 0) der Kondensatorspannungsdifferenz und Phasenstromschwellenwert I_th (I_th > 0) (JA in Schritt S402), bedeutet, dass die positiven und negativen Vorzeichen der Kondensatorspannungsdifferenz V_{diff_u} und des Phasenstroms iu gleich sind.
Wie unter Bezugnahme auf 9 (C) beschrieben, die die Wellenformen 26a und 26b der Gate-Impulssignale zeigt, die das Fließen des Neutralpunktstroms, des Phasenstroms iu (Wellenform 35) und des Neutralpunktstroms Ic (Wellenform 36) bewirken, erhöht sich die Kondensatorspannungsdifferenz V_diff, wenn der Neutralpunktstrom Ic (Wellenform 36) auf der negativen Seite ist. Wenn der Neutralpunktstrom Ic (Wellenform 36) auf der positiven Seite ist, nimmt die Kondensatorspannungsdifferenz V_diff ab.
Ein Ausdruck (4) zeigt die Beziehung zwischen Kondensatorspannungsdifferenz V_diff und Neutralpunktstrom Ic. [Ausdruck 4] $V_{d i f f} = V_{P C} - V_{C N} = - \frac{I c}{C 1 s}$
In diesem Ausdruck steht C1 für eine Kapazität der Kondensatoren 5a und 5b. Da das Verhältnis der positiven und negativen Vorzeichen der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff und eines integrierten Wertes des Neutralpunktstroms einander entgegengesetzt sind, bedeutet das Produkt aus Kondensatorspannungsdifferenz V_diff und Phasenstrom iu, das positiv ist, dass die Vorzeichen des integrierten Wertes des Neutralpunktstroms und des Phasenstroms iu einander entgegengesetzt sind.
Beim Schalten, bei dem der Absolutwert der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff weiter ansteigt, liefert der Schaltzweig 8a (der auch als Schenkel bzw. Zweig 8a bezeichnet wird) 0 (ein C-Potential) und der Schaltzweig 8b (der auch als Schenkel bzw. Zweig 8b bezeichnet wird) einen +1E oder -1E Ausgang.
Daher wird im Anschluss an Schritt S402 bestimmt, ob oder nicht die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E sind und der Inverter 4 den +1E Ausgang liefert (Schritt S403).
Wenn in Schritt S403 bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E sind und der Inverter 4 den +1E Ausgang liefert (JA in Schritt S403), übersteigt der Absolutwert der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff den Schwellenwert V_th und steigt weiter an. Daher sollte dieses Schalten getauscht werden. Beim Schalten nach dem Tauschen ist Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0. Wie oben beschrieben, ist bei Änderung der Ausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b, wenn nur eines der Schaltelemente auf der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode der Schaltzweige 8a und 8b geschaltet (leitend geschaltet oder gesperrt) wird, eine Bedingung für die Kombination der Stromausgänge von den Schaltzweigen, die getauscht werden können, natürlich begrenzt.
Die Kombination der Stromausgänge der Zweige 8a und 8b, bei der die nächsten Schaltausgänge vor dem Tausch Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E oder nach dem Tausch Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0 sein können, umfasst zwei Arten von Kombinationen, nämlich die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E, die zu einer Kombination führt, bei der ein Inverterausgang +2E ist, und Zweig 8a = Zweig 8b = 0, was zu einer Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist.
In Schritt S404 wird bestimmt, ob die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (Schritt S404).
Wenn in Schritt S404 bestimmt wird, dass die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (JA in Schritt S404), wird das Schalten zwischen Zweig 8a und Zweig 8b getauscht. Mit anderen Worten, es erfolgt die Einstellung Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0, und nicht die Einstellung Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E. Insbesondere kann, wenn der Inverterausgang +2E ist (Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E), das Schaltelement 34 auf der Seite negativer Elektrode des Zweiges 8b auf ein → aus geschaltet werden, um einen Ausgangskombinationszustand zu realisieren, der durch Vertauschung des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b erzielt wird. Wenn der Inverterausgang 0 ist (Zweig 8a = Zweig 8b = 0), kann das Schaltelement 31 auf der Seite positiver Elektrode des Zweiges 8a auf aus → ein geschaltet werden, um den Ausgangskombinationszustand zu realisieren, der durch Vertauschung des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b erzielt wird.
Wenn in Schritt S404 andererseits bestimmt wird, dass die Kombination von Stromausgängen von Zweig 8a und Zweig 8b nicht die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (NEIN in Schritt S404), kehrt der Prozess zu Schritt S401 zurück.
Wenn in Schritt S403 andererseits bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b nicht Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E sind und der Inverter 4 nicht den +1E Ausgang liefert (NEIN in Schritt S403), wird bestimmt, ob oder nicht Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1E ist und der Inverterausgang der -1E Ausgang ist (Schritt S406).
Wenn in Schritt S406 bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1E sind und der Inverter 4 den -1E Ausgang liefert (JA in Schritt S406), übersteigt der Absolutwert der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff den Schwellenwert V_th und steigt weiter an. Daher sollte dieses Schalten getauscht werden. Beim Schalten nach dem Wechsel ist Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0. Wie oben beschrieben, ist bei Änderung der Ausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b, wenn nur eines der Schaltelemente auf der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode der Schaltzweige 8a und 8b geschaltet (leitend geschaltet oder gesperrt) wird, die Bedingung für die Kombination der Stromausgänge von den Schaltzweigen, die getauscht werden können, natürlich begrenzt.
Die Kombination der Stromausgänge der Zweige 8a und 8b, bei der die nächsten Schaltausgänge vor dem Tausch Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1E oder nach dem Tausch Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0 sein können, umfasst zwei Arten von Kombinationen, nämlich die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E, die zu einer Kombination führt, bei der der Inverterausgang -2E ist, und Zweig 8a = Zweig 8b = 0, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist.
In Schritt S407 wird bestimmt, ob die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (Schritt S407).
Wenn in Schritt S407 bestimmt wird, dass die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (JA in Schritt S407), wird das Schalten zwischen Zweig 8a und Zweig 8b getauscht. Mit anderen Worten, es erfolgt die Einstellung Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0, und nicht die Einstellung Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1E. Insbesondere kann, wenn der Inverterausgang -2E ist (Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E), das Schaltelement 33 auf der positiven Seite des Zweiges 8b auf ein → aus geschaltet werden, um den Ausgangskombinationszustand zu realisieren, der sich aus der Vertauschung des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b ergibt. Wenn der Inverterausgang 0 ist (Zweig 8a = Zweig 8b = 0), kann das Schaltelement 32 auf der Seite negativer Elektrode des Zweiges 8a auf aus → ein geschaltet werden, um den Ausgangskombinationszustand zu realisieren, der sich aus der Vertauschung des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b ergibt.
Wenn in Schritt S406 andererseits bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b nicht Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1E sind und der Inverter 4 nicht den -1E Ausgang liefert (NEIN in Schritt S406), kehrt der Prozess zu Schritt S401 zurück. Wenn in Schritt S407 bestimmt wird, dass die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b nicht die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (NEIN in Schritt S407), kehrt der Prozess zu Schritt S401 zurück.
Bei der Schaltsteuerung gemäß der zweiten Ausführungsform wird zur Verringerung des Ungleichgewichts der Differenz zwischen zwei Kondensatorspannungen in der DC-Bus-Schaltung, zur Verringerung der Schaltverluste des Inverters 4 und zur Beseitigung des Ungleichgewichts der Elementverluste durch den Impulsverteiler 14 immer nur eines der Elemente 31 und 33 auf der P-Seite (positive Elektrode) und 32 und 34 auf der N-Seite (negative Elektrode) in den beiden Schaltzweigen 8a und 8b gesteuert, um ein- oder ausgeschaltet zu werden.
Wenn in Schritt S402 andererseits bestimmt wird, dass das Produkt aus Kondensatorspannungsdifferenz V_{diff_u} und Phasenstrom iu kleiner ist als das Produkt aus zulässigem Schwellenwert V_th (V_th > 0) der Kondensatorspannungsdifferenz und Phasenstromschwellenwert I_th (I_th > 0) (NEIN in Schritt S402), wird dann bestimmt, ob oder nicht das Produkt aus Kondensatorspannungsdifferenz V_{diff_u} und Phasenstrom iu kleiner als -1 mal so groß ist wie das Produkt aus zulässigem Schwellenwert V_th (V_th > 0) der Kondensatorspannungsdifferenz und Phasenstromschwellenwert I_th (I_th > 0) (Schritt S410).
Wenn in Schritt S410 bestimmt wird, dass das Produkt aus Kondensatorspannungsdifferenz V_{diff_u} und Phasenstrom iu kleiner ist als -1 mal so groß wie das Produkt aus zulässigem Schwellenwert V_th (V_th > 0) der Kondensatorspannungsdifferenz und Phasenstromschwellenwert I_th (I_th > 0) (JA in Schritt S410), sind die positiven und negativen Vorzeichen der Kondensatorspannungsdifferenz und des Phasenstroms unterschiedlich, weil das Vorzeichen des Produkts negativ ist.
In Anbetracht des Ausdrucks (4) sind daher die positiven und negativen Vorzeichen des integrierten Wertes des Neutralpunktstroms und des Phasenstroms gleich.
Bei dem Schalten, bei dem der Absolutwert der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff weiter ansteigt, liefert der Schaltzweig 8a +1E oder -1E und der Schaltzweig 8b 0.
Daher wird im Anschluss an Schritt S410 bestimmt, ob oder nicht die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0 sind und der Inverter 4 den +1E Ausgang liefert (Schritt S411).
Wenn in Schritt S411 bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0 sind und der Inverter 4 den +1E Ausgang liefert (JA in Schritt S411), übersteigt der Absolutwert der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff den Schwellenwert V_th und steigt weiter an. Daher sollte dieses Schalten getauscht werden. Beim Schalten nach dem Wechsel ist Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E. Wie oben beschrieben, ist bei Änderung der Ausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b, wenn nur eines der Schaltelemente auf der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode der Schaltzweige 8a und 8b geschaltet (leitend geschaltet oder gesperrt) wird, die Bedingung für die Kombination der Stromausgänge von den Schaltzweigen, die getauscht werden können, natürlich begrenzt.
Die Kombination von Stromausgängen von den Zweigen 8a und 8b, bei der die nächsten Schaltausgänge vor dem Tausch Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0 oder nach dem Tausch Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E sein können, umfasst zwei Arten von Kombinationen, nämlich die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E, die zu der Kombination führt, bei der der Inverterausgang +2E ist, und Zweig 8a = Zweig 8b = 0, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist.
In Schritt S412 wird bestimmt, ob die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (Schritt S412).
Wenn in Schritt S412 bestimmt wird, dass die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (JA in Schritt S412), wird das Schalten zwischen Zweig 8a und Zweig 8b getauscht. Mit anderen Worten, es erfolgt die Einstellung Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = -1E, und nicht die Einstellung Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0. Insbesondere kann, wenn der Inverterausgang +2E ist (Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E), das Schaltelement 31 auf der Seite positiver Elektrode des Zweiges 8a auf ein → aus geschaltet werden, um den Zustand der Ausgangskombination zu realisieren, der durch Vertauschung des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b erreicht wird. Wenn der Inverterausgang 0 ist (Zweig 8a = Zweig 8b = 0), kann das Schaltelement 34 auf der Seite positiver Elektrode des Zweiges 8b auf aus → ein geschaltet werden, um den Zustand der Ausgangskombination zu realisieren, der sich durch Vertauschung des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b ergibt.
Wenn in Schritt S412 andererseits bestimmt wird, dass die Kombination von Stromausgängen von Zweig 8a und Zweig 8b nicht die Kombination von Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = -1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (NEIN in Schritt S412), kehrt der Prozess zu Schritt S401 zurück.
Wenn in Schritt S411 bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b nicht Zweig 8a = +1E und Zweig 8b = 0 sind und der Inverter 4 nicht den +1E Ausgang liefert (NEIN in Schritt S411), wird bestimmt, ob oder nicht Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0 und der Inverterausgang der -1E Ausgang ist (Schritt S414).
Wenn in Schritt S414 bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0 sind und der Inverter 4 den -1E Ausgang liefert (JA in Schritt S414), übersteigt der Absolutwert der Kondensatorspannungsdifferenz V_diff den Schwellenwert V_th und steigt weiter an. Daher sollte dieses Schalten getauscht werden. Beim Schalten nach dem Vertauschen ist Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1 E. Wie oben beschrieben, ist bei Änderung der Ausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b, wenn nur eines der Schaltelemente auf der Seite positiver Elektrode und der Seite negativer Elektrode der Schaltzweige 8a und 8b geschaltet (leitend geschaltet oder gesperrt) wird, die Bedingung für die Kombination der Stromausgänge von den Schaltzweigen, die getauscht werden können, natürlich begrenzt.
Die Kombination von Stromausgängen der Zweige 8a und 8b, bei der die nächsten Schaltausgänge vor dem Tausch Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0 oder nach dem Tausch Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1E sein können, umfasst zwei Arten von Kombinationen, nämlich die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E, die zu der Kombination führt, bei der der Inverterausgang -2E ist, und Zweig 8a = Zweig 8b = 0, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist.
In Schritt S415 wird bestimmt, ob die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (Schritt S415).
Wenn in Schritt S415 bestimmt wird, dass die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (JA in Schritt S415), wird das Schalten zwischen Zweig 8a und Zweig 8b getauscht. Mit anderen Worten, es erfolgt die Einstellung Zweig 8a = 0 und Zweig 8b = +1E, und nicht die Einstellung Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0. Insbesondere kann, wenn der Inverterausgang -2E ist (Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E), das Schaltelement 32 auf der Seite negativer Elektrode des Zweiges 8a auf ein → aus geschaltet werden, um den Zustand der Ausgangskombination zu realisieren, der durch Vertauschen des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b erreicht wird. Wenn der Inverterausgang 0 ist (Zweig 8a = Zweig 8b = 0), kann das Schaltelement 33 auf der Seite positiver Elektrode des Zweiges 8b auf aus → ein geschaltet werden, um den Zustand der Ausgangskombination zu realisieren, der sich durch Vertauschung des Schaltens von Zweig 8a und Zweig 8b ergibt.
Wenn in Schritt S414 andererseits bestimmt wird, dass die nächsten Ausgänge der Zweige 8a und 8b nicht Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = 0 sind und der Inverter 4 nicht den -1E Ausgang liefert (NEIN in Schritt S414), kehrt der Prozess zu Schritt S401 zurück. Wenn in Schritt S415 bestimmt wird, dass die Kombination der Stromausgänge von Zweig 8a und Zweig 8b nicht die Kombination von Zweig 8a = -1E und Zweig 8b = +1E oder Zweig 8a = Zweig 8b = 0 ist, was zu der Kombination führt, bei der der Ausgang 0 ist (NEIN in Schritt S415), kehrt der Prozess zu Schritt S401 zurück.
Die Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit 15 führt die obige Verarbeitung nicht nur durch, um das Ungleichgewicht beim Schalten durch die Schaltelemente zu verringern, wobei das Schalten durch jedes Element minimiert wird, sondern auch, um einen plötzlichen Anstieg der Spannungsdifferenz zwischen zwei Kondensatoren 5a und 5b in der DC-Bus-Schaltung aufgrund des Einflusses der Last und des Leistungsfaktors zu unterdrücken, indem unter einer vorgeschriebenen Frequenzbedingung geschaltet wird, aber auch, um die Erzeugung einer Überspannung der Kondensatorspannung und den Anstieg der Drehmomentwelligkeit aufgrund von Asymmetrie zwischen der positiven Ausgangsspannung und der negativen Ausgangsspannung und der daraus resultierenden instabilen Steuerung zu unterdrücken.
Die vorliegende Offenbarung ist geeignet für eine freie Kombination eines Teils oder der Gesamtheit jeder Ausführungsform oder Modifikation oder für ein Weglassen jeder Ausführungsform, wie jeweils anwendbar, im Rahmen der Offenbarung.
Die Konfigurationen, die als die oben beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft sind, sind beispielhafte Konfigurationen der vorliegenden Offenbarung und können mit einer anderen bekannten Technik kombiniert werden oder können so konfiguriert werden, dass sie modifiziert werden, z. B. teilweise weggelassen werden, ohne vom Kern der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In den oben beschriebenen Ausführungsformen können die in einer anderen Ausführungsform beschriebene Verarbeitung und Konfiguration, wie jeweils anwendbar, übernommen und durchgeführt werden.
Es sollte verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht illustrativ und nicht einschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung wird eher durch die Begriffe der Ansprüche als durch die obige Beschreibung definiert und soll alle Modifikationen innerhalb des Umfangs und der Bedeutung einschließen, die den Begriffen der Ansprüche entsprechen.
BEZUGSZEICHENLISTE
2 Energiewandlungsvorrichtung; 3 Motor; 4 Inverter; 5a Kondensator auf der Seite positiver Elektrode; 5b Kondensator auf der Seite negativer Elektrode; 6, 31, 32, 33, 34 Schaltelement; 7 Klemmdiode; 8a, 8b Schaltzweig; 10 Steuereinheit; 11 Modulationsfaktor-Berechnungseinheit; 12 Trägervergleichs-PWM-Generator; 13 Gate-Signal-Zuordner; 14 Impulsverteiler; 15 Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit; 18 Stromsensor; 19 U/f-Controller; 20a, 20b, 20c Neutralpunktspannungssensor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 4 352 787 B2 [0006]
JP 6 707 298 B2 [0006]

Claims

Energiewandlungsvorrichtung, mit: einem Inverter mit mehreren Schaltelementen, wobei der Inverter eine Gleichspannung von einer Gleichspannungsquelle empfängt und die Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Spannung und variabler Frequenz wandelt, um die Wechselspannung an eine Last auszugeben; einer Steuereinheit, die eine Ein-/Aus-Ansteuerung der mehreren Schaltelemente per Pulsweitenmodulations- oder PWM-Steuerung steuert; und einem Reihenkörper aus einem Kondensator auf einer Seite positiver Elektrode und einem Kondensator auf einer Seite negativer Elektrode, der auf einer Eingangsseite des Inverters zwischen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode der Gleichspannungsquelle geschaltet ist, wobei ein Ausgangspotential des Inverters mindestens ein Potential der positiven Elektrode und ein Potential der negativen Elektrode der Gleichspannungsquelle und ein Potential eines Neutralpunkts hat, der ein Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator auf der Seite positiver Elektrode und dem Kondensator auf der Seite negativer Elektrode ist, und die Steuereinheit aufweist: eine Modulationsfaktor-Berechnungseinheit, die einen Modulationsfaktor des Inverters auf der Grundlage der Gleichspannung und eines Ausgangsspannungsbefehlswerts berechnet, einen Gate-Signal-Generator, der ein Gate-Signal zur Ein-/Aus-Ansteuerung der Schaltelemente zur Erzeugung einer Impulsfolge auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem berechneten Modulationsfaktor und einem Trägersignal erzeugt, und einen Gate-Signal-Zuordner, der eine Zuordnung des Gate-Signals so abstimmt, dass eine Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und eine Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode ausgeglichen sind.
Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Inverter mehrere Schaltkreise enthält, und der Gate-Signal-Zuordner einen Impulsverteiler enthält, der das Gate-Signal zur Ein-/Aus-Ansteuerung von Schaltelementen in den mehreren Schaltkreisen sequentiell zuordnet und eine Impulserzeugung den mehreren Schaltkreisen zuordnet.
Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Impulsverteiler eine Reihenfolge derart zuordnet, dass die mehreren Schaltkreise abwechselnd eingeschaltet werden, in Verbindung mit dem für die Ein-/Aus-Ansteuerung der Schaltelemente in den mehreren Schaltkreisen erforderlichen Gate-Signal.
Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Gate-Signal-Zuordner ferner eine Neutralpunktpotential-Schaltsteuereinheit enthält, die, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen der Spannung des Kondensators auf der Seite positiver Elektrode und der Spannung des Kondensators auf der Seite negativer Elektrode einen Schwellenwert überschreitet, auf der Grundlage einer Zuordnung des Gate-Signals bestimmt, ob die Differenz weiter zunehmen wird, und die Zuordnung des Gate-Signals zu den Schaltelementen in den mehreren Schaltkreisen so ändert, dass die Differenz abnehmen wird, wenn der Gate-Signal-Zuordner bestimmt, dass die Differenz zunehmen wird.