DE69013095T2

DE69013095T2 - Pulsbreiten-moduliertes Wandler/Wechselrichtersystem und Verfahren um dasselbe zu steuern.

Info

Publication number: DE69013095T2
Application number: DE69013095T
Authority: DE
Inventors: Yasufumi Akagi; Norito Ito; Tatsuya Shimoda
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2010-07-27
Also published as: EP0410463A3; DE69013095D1; US5136494A; CN1049253A; EP0410463B1; CN1035709C; EP0410463A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannungs-PBM-Stromrichter/Wechselrichtersystem zur Umsetzung einer Wechselstromeingabe einer ersten Frequenz in eine Wechselstromausgabe einer zweiten Frequenz sowie ein Verfahren zur Steuerung desselben
Allgemein dient ein Stromrichter/Wechselrichtersystem der Umsetzung eines Wechselstroms (Netzstroms) in einen Gleichstrom mittels eines Stromrichters. Der Gleichstrom wird mittels einer einen Kondensator etc. enthaltenden Glättungsschaltung geglättet und dann von einem Wechselrichter zu einem Wechselstrom variabler Frequenz umgesetzt. Die PBM (Pulsbreitenmodulation) ist eines der Verfahren zur Steuerung solch eines Systems. Bei der Sinuswellen-PBM- Steuerung für Frequenzumrichtung erzeugen ein Stromrichter und ein Gleichstromkondensator zur Glättung aus einem sinusförmigen Wechselstrom einen Gleichstrom konstanter Spannung, daß heißt eine Gleichstromleistung, um diese einem Wechselrichter zu liefern. Der Wechselrichter zerhackt dieselbe zur Änderung der Frequenz, wobei die Pulsbreite nicht-äquidistant gesteuert wird, wodurch eine Leistung gleich der Wechselstromleistung der Sinuswellenform erhalten wird
Zur Regelung der Spannung des Gleichstromkondensators eines Spannungs-PBM-Stromrichter/Wechselrichtersystems, daß heißt der Klemmenspannung des Glättungskondensators, auf einen konstanten Wert, hat man herkömmlicherweise eine Regelung (Rückkopplungssteuerung) verwendet, bei der die Spannung des Gleichstromkondensators gemessen und der Istwert zur Steuerung des Wechselrichters mit einem Sollwert verglichen wird. Dieses Regelverfahren ist beispielsweise beschrieben in Proceedings of (IPEC-Tokyo '83) organisiert von dem Institute of Electrical Engineers, April, 1983, Seiten 720 bis 731, etc.
Dieses herkömmliche Regelverfahren hat jedoch einen Nachteil insofern, als es schwierig ist, die Spannung des Gleichstromkondensators (die Spannung des Glättungskondensators) bei einem sogenannten transienten Zustand auf einen konstanten Wert zu regeln, beispielsweise wenn der Drehzahlsollwert eines Lastmotors abrupt geändert wird oder ein Lastmoment abrupt geändert wurde. Insbesondere besteht die Gefahr, daß, wenn Leistung rückgespeist wird, oder wenn ein Lastmoment abrupt abnimmt, die Spannung des Gleichstromkondensators ansteigt mit dem nachteiligen Ergebnis, daß in dem Stromrichter und dem Wechselrichter benutzte Schaltvorrichtungen zerstört werden.
Bei dem herkömmlichen Regelverfahren beruht die Regelung auf der Messung allein einer Änderung der Klemmenspannung des Gleichstromkondensators, und demgemäß stellt eine Meßverzögerung einen Nachteil dar. Damit die Spannung des Gleichstromkondensators konstant gehalten werden kann, wenn sich eine Last abrupt ändert, ist es nötig, daß eine große proportionale Verstärkung Kp und integrale Verstärkung Ki eines PI (Proportional-Integral) Reglers eingestellt werden, der in dem Regelsystem verwendet wird. Große Verstärkungen Kp, Ki machen das Regelsystem jedoch oft instabil, so daß im Hinblick auf die Stabilität die Verstärkungen Kp, Ki nicht zu groß gemacht werden können.
Eine erste Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein PBM-Stromrichter/Wechselrichtersystem des Spannungstyps zu schaffen, das in der Lage ist, mit hoher Geschwindigkeit die Kondensatorklemmengleichspannung des Glättungskondensators stabil zu halten.
Eine zweite Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung des oben beschriebenen Systems zu schaffen, das in der Lage ist, die Kondensatorklemmengleichspannung mit hoher Geschwindigkeit stabil zu halten.
Diese Aufgaben werden mit einem Stromrichter/Wechselrichtersystem und einem Verfahren zu seiner Steuerung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 7 gelöst.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung ist eine Momentanleistungsberechnungseinrichtung zur Berechnung eines Momentanleistungswerts auf der Basis gemessener, wechselrichterbezogener elektrischer Werte vorgesehen. Die Stromrichtersteuerungseinrichtung ist zur Spannungs-PBM-Steuerung der Stromrichteranordnung ausgelegt, und zwar auf der Grundlage eines eingestellten Stromrichtersollwerts, eines Klemmengleichspannungswerts der Glättungseinrichtung und des errechneten Momentanwerts der tatsächlichen Leistung.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, welche lediglich der Illustration dienen und nicht als beschränkend für die vorliegende Erfindung gedacht sind.
Weitere Anwendungsfelder der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung. Es ist jedoch anzumerken, daß die detaillierte Beschreibung und speziellen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, lediglich zur Illustration dienen, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb der Idee und des Rahmens der Erfindung für Fachleute aus dieser detaillierten Beschreibung hervorgehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist Blockdiagramm des Gesamtsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Momentanwertberechnungsschaltung für die tatsächliche Leistung, welche einen Hauptteil des Systems gemäß dieser Ausführungsform darstellt;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das die Ausführungsform der Momentanwertberechnungsschaltung für die tatsächliche Leistung mehr im einzelnen wiedergibt;
Fig. 4 ist ein Diagramm des Systems gemäß einer anderen Ausführungsform zur Erläuterung des Verfahrens zur Steuerung des Systems;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform der Momentanwertberechnungsschaltung für die tatsächliche Leistung;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines experimentellen Systems zur Untersuchung der Wirkung dieser Erfindung;
Fig. 7 sind Wellenformen, die die stationäre Charakteristik zeigen, welche mittels des Experiments erhalten wurden;
Fig. 8 ist eine Spannungswellenform und eine Stromwellenform zwischen den Anschlüssen des Gleichstromkondensators; und
Fig. 9 und 10 sind Wellenformen, die das transiente Verhalten der jeweiligen Teile zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt der Grundteil des Systems gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung eine Wechselstromquelle 10, einen Stromrichter 20, der eine von der Wechselstromquelle 10 gelieferte dreiphasige Wechselstromleistung gleichrichtet, und einen Wechselrichter 30, der eine Wechselstromleistung aus der gleichgerichteten Gleichstromleistung entsprechend einer erforderlichen Drehwinkelgeschwindigkeit eines Dauermagnet-Synchronmotors (PM) 40 erzeugt. Eine Drossel 50, die eine höhere harmonische Komponente entfernt, ist zwischen die Wechselstromquelle 10 und den Stromrichter 20 geschaltet, während zwischen dem Stromrichter 20 und dem Wechselrichter 30 ein Glättungskondensator 60 (Gleichstromkondensator) eingesetzt ist. Die Hauptschaltungen des Stromrichters 20 und des Wechselrichters 30 bestehen aus den gleichen dreiphasigen Brückenschaltungen, wie dies bei herkömmlichen Schaltungen der Fall ist, und verwenden IGBT Module als Leistungselemente. Die Last des Wechselrichters 30 ist der Motor (PM) 40. Es ist möglich, einen Induktionsmotor oder andere Wechselstrommotoren zu verwenden, und in diesem Fall sind die Steuersysteme für den Stromrichter 20 und den Wechselrichter 30 nicht völlig die gleichen, haben aber denselben Grundschaltungsaufbau.
Das Steuersystem des Stromrichters 20 umfaßt grundsätzlich folgende Einrichtungen. Daß heißt es umfaßt: Einen PI Regler 21, der eine Klemmenspannung (Kondensatorgleichspannung Vcd1) des Glättungskondensators 60 mit ihrem Sollwert Vcd2 vergleicht und auf der Basis des Vergleichsergebnisses ein Signal P ausgibt, eine Referenzstromberechnungsschaltung 22, die auf der Grundlage von Istwerten Vr1, Vs1, Vt1 dreiphasiger Eingangsspannungen zu dem Stromrichter 20 und des Signals P von dem PI Regler 21 Referenzströme ir2, is2, it2 berechnet; eine Referenzspannungsberechnungsschaltung 23, die auf der Basis der Referenzströme ir2, is2, it2, Istwerten ir1, is1, it1 dreiphasiger Eingangsströme zu dem Stromrichter 20 und den oben beschriebenen Istwerten Vr1, Vs1, Vt1 Referenzspannungen Vr2, Vs2, Vt2 berechnet; und eine PBM-Schaltung 24, die eine PBM-Steuerung des Stromrichters 20 auf der Basis der oben beschriebenen Referenzwerte Vr2, Vs2, Vt2 und eines Dreieckswellenträgers bewirkt. Die oben beschriebenen Istwerte Vr1, Vs1, Vt1 werden von einem Spannungsfühler 25 geliefert. Die Istwerte ir1, is1, it1 werden von einem Stromfühler 26 geliefert. Bei dieser Ausführungsform wird die Referenzstromberechnungsschaltung 22 mit einem Signal beliefert, das die Summe aus dem Signal P vom PI Regler 21 und einem Signal Pd von einer Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung darstellt. Dies steht im Zusammenhang mit einer Eigenart dieser Erfindung, die später näher ausgeführt wird. Die Erläuterung wird auf der Annahme fortgesetzt, daß das Signal Pd nicht zu dem Signal P hinzuaddiert wird.
Der Stromrichter 20 und sein Steuersystem arbeiten wie folgt:
Der Istwert Vcd1 der Klemmenspannung des Glättungskondensators 60 und ein Sollwert Vcd2 der Kondensatorgleichspannung werden mittels des PI Reglers 21 verglichen und ein Signal P erhalten. Der PI Regler 21 berechnet die Formel (1).
wobei Kp eine Proportionalverstärkung und Ki eine Integralverstärkung sind.
Das Signal P ist ein Momentanwert der tatsächlichen Leistung, der durch die Rückkopplung der Kondensatorgleichspannung des Glättungskondensators 60 erhalten wird, und dieser Momentanwert der tatsächlichen Leistung wird der Referenzstromberechnungssschaltung 22 geliefert. Diese Schaltung 22 berechnet die Formel (2)
wobei Vr&sub1;, Vs&sub1;, Vt&sub1; Dreiphaseneingangsspannungen zu dem Stromrichter sind.
Die von der Referenzstromberechnungsschaltung 22 erhaltenen Referenzströme werden der Referenzspannungsberechnungsschaltung 23 geliefert. Die Referenzspannungsberechnungsschaltung 23 berechnet Referenzspannungen Vr2, Vs2, Vt2 für die PBM-Steuerung durch die PBM-Schaltung 24 aufgrund der folgenden Formeln (3), (4) und (5)
Vr2 = K * (ir2 - ir1) + Vr1 ... (3)
Vs2 = K * (is2 - is1) + Vs1 ... (4)
Vt2 = K * (it2 - it1) + Vt1 ... (5)
Die PBM-Schaltung 24 benutzt hier die Dreieckswellenvergleichsmethode.
Das Steuersystem für den Wechselrichter 30 umfaßt grundsätzlich folgende Einrichtungen, daß heißt: Einen PI Regler 31, der ein Winkelgeschwindigkeitssignal Wmi des Lastmotors 40 mit dessen Sollwert Wm2 vergleicht und auf der Basis des Vergleichsergebnisses einen Momentenstromreferenzwert iq2 ausgibt, eine Referenzstromberechnungsschaltung 32, die auf der Basis des obigen Referenzwerts iq2 und eines Rotorpositionssignals θm des Motors Referenzströme iu2, iv2, iw2 ausgibt; eine Referenzspannungsberechnungschaltung 33, die auf der Basis der obigen Referenzströme iu2, iv2, iw2, Schätzwerten der elektromotorischen Gegenkraft eu, ev, ew und Istwerten iu1, iv1, iw1 von Ausgangsströmen des Wechselrichters 30 Referenzspannungen Vu2, Vv2, Vw2 ausgibt; und eine PBM-Schaltung 34, die eine PBM-Steuerung des Wechselrichters 30 auf der Basis der Referenzwerte Vu2, Vv2, Vw2 bewirkt. Das obige Winkelgeschwindigkeitssignal Wm1 wird von einem Drehzahlfühler (TG) 42 in einem Positionsfühler (PS) 41 für den Motor 40 erzeugt, während das Rotorpositionssignal θm von dem Positionsfühler 41 erzeugt wird. Die obigen Schätzwerte eu, ev, ew werden von einer Schätzschaltung 43 für die elektromotorische Gegenkraft auf der Basis des Winkelgeschwindigkeitssignals Wm1 und des Rotorpositionssignals geliefert. Die obigen Istwerte iu1, iv1, iw1 werden von einem Stromfühler 44 geliefert.
Die Arbeitsweise des Wechselrichters 30 und seines Steuersystems ist wie folgt.
Der PI Regler 31 vergleicht das Winkelgeschwindigkeitssignal Wm1 des Motors 40, das mittels des Drehzahlfühlers 42 gemessen wird, mit dem Drehzahlsollwert Wm2 zur Erzeugung des Momentenstromreferenzwerts iq2, um das Winkelgeschwindigkeitssignal Wm1 mit dem Drehzahlsollwert Wm2 in Übereinstimmung zu bringen. Der PI Regler 31 berechnet die folgende Formel (6)
iq2 = Kp * (Wm2 - Wm1) + Ki * (Wm2 - Wm1) dt ... (6)
wobei Kp eine Proportionalverstärkung und Ki eine Integralverstärkung sind.
Die Referenzstromberechnungsschaltung 32 wird mit dem Momentenstromreferenzwert iq2 und dem Rotorpositionssignal em beliefert und errechnet die folgenden Formeln (7), (8) und (9) zur Lieferung der Dreiphasen-Referenzstromwerte iu2, iv2, iw2
1u2 = [2/3] * iq2 * cos θm ... (7)
1v2 = [2/3] * iq2 * cos (θm -2π/3) ... (8)
1w2 = [2/3] * iq2 * cos (θm +2π/3) ... (9)
Die Referenzspannungsberechnungsschaltung 33 berechnet Referenzspannungswerte Vu2, Vv2, Vw2 aufgrund der folgenden Formeln (10), (11) und (12) für die PBM-Steuerung durch die PBM-Schaltung 34
Vu2 = K&sub1; * (iu2 - iu) + eu ... (10)
Vv2 = K&sub1; * (iv2 - iv) + ev ... (11)
Vw2 = K&sub1; * (iw2 - iw) + ew ... (12) wobei K&sub1; eine Verstärkung ist.
Die Schätzwerte der elektromotorischen Gegenkraft eu, ev, ew werden auf der Basis des Rotorpositionssignals θm und des Winkelgeschwindigkeitssignals Wm1 aufgrund der folgenden Formeln (13), (14) und (15) berechnet
eu = K&sub2; * Wm1 * cos θm (13)
ev = K&sub2; * Wm1 * cos (θm -2π/3) ... (14)
ew = K&sub2; * Wm1 * cos (θm +2π/3) ... (15)
wobei K&sub2; eine von dem Motor bestimmte Konstante ist. Die Dreiphasen-Referenzspannungswerte Vu2, Vv2, Vw2 werden für die PBM-Steuerung durch die PBM-Schaltung 34 benutzt, die Dreieckswellen für den Vergleich verwendet, und der Motor 40 wird mit einem sinusförmigen Strom beliefert.
Eine Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung, die einen Punkt dieser Erfindung darstellt, wird gemäß Darstellung in Fig. 1 mit den Referenzwerten Vu2, Vv2, Vw2 von der Referenzspannungsberechnungsschaltung 33, die zum Wechselrichter 30 gehören, beliefert, während sie die Motorströme iu1, iv1, iw1 von dem Stromfühler 44 erhält. Die Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung berechnet dann einen Momentanrechenwert für die tatsächliche Leistung Pd auf der Basis der Referenzspannungswerte und der Motorstromwerte, um diesen auf das Steuersystem des Stromrichters 20 rückzukoppeln. Daß heißt, der Momentanwert P der tatsächlichen Leistung (das Ausgangssignal des PI Reglers 21), der durch die Rückkopplung der Kondensatorgleichspannung des Glättungskondensators 60 gegeben ist, und der Momentanwert Pd der tatsächlichen Lastleistung (der berechnete Ausgangswert der Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung) werden kombiniert, um den berechneten Ausgangswert Pd der Referenzstromberechnungsschaltung 22 zur Verwendung bei der Steuerung des Stromrichters 20 einzugeben. Es bedarf keiner Erwähnung, daß der oben beschriebene Momentanwert der tatsächlichen Leistung auf der sogenannten Effektivspannung beruht. Die oben beschriebene Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung enthält grundsätzlich gemäß Darstellung in Fig. 2 Integratoren 71, 72, 73 und einen Addierer 74 zum Addieren der Ausgangssignale der Integratoren, und der Momentanwert Pd der tatsächlichen Leistung wird auf der Basis der Ausgangssignale Vu2, Vv2, Vw2 und der Motorströme iu1, iv1, iw1 aufgrund der folgenden Formel (16) berechnet
Pd = Vu2 * iu1 + Vv2 * iv1 + Vw2 * iw1 ... (16)
Der grundsätzliche Aufbau der Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung gemäß Fig. 2 kann mit Fig. 3 beispielhaft erläutert werden. Wie in Fig. 3 gezeigt, ersetzen Multiplizierer 701, 702, 703 die Integratoren 71, 72, 73 in Fig. 2, während eine Anordnung aus einem Operationsverstärker 704 an die Stelle des Addierers 74 in Fig. 2 tritt. Diese Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung führt die Berechnung unter Verwendung der Formel (16) in gleicher Weise aus.
Der berechnete Momentanwert Pd der tatsächlichen Leistung wird zu dem Signal P vom PI Regler 21 hinzuaddiert, um die Berechnung der Referenzstromberechnungsschaltung 22 unter Verwendung der folgenden Referenzformel (17) auszuführen.
wobei Vr1, Vs1 und Vt1 Dreiphasen-Eingangsspannungen zum Stromrichter sind.
Der Unterschied zwischen der Formel (17) und der obigen Formel (2) besteht darin, daß die erstere den berechneten Ausgangswert Pd der tatsächlichen Momentanleistung enthält. Die Wechselrichterseite und die Stromrichterseite können also in bezug auf den Momentanwert der tatsächlichen Leistung ins Gleichgewicht gebracht werden, was das Problem des herkömmlichen Verfahrens löst. Daß heißt, selbst wenn die Verstärkungen Kp, Ki in der Formel (1) klein gemacht werden, wird ein auf den Wechselrichter 30 bezogener Momentanwert der tatsächlichen Leistung ohne Zeitnacheilung erfaßt, um der Referenzstromberechnungsschaltung 22, die zum Stromrichter 20 gehört, geliefert zu werden. Dementsprechend kann die Kondensatorgleichspannung des Glättungskondensators 60 mit hoher Geschwindigkeit stabil gesteuert werden. Das der Momentanwertberechnungsschaltung 70 für die tatsächliche Leistung zu liefernde Signal für die Berechnung des Signal Pd ist nicht auf das der oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt, vielmehr können verschiedene Signale verwendet werden. Daß heißt, weil das Signal durchaus eine Grundlage für die Berechnung des zum Wechselrichter gehörenden Momentanwerts der tatsächlichen Leistung Pd darstellen kann, kann das Signal beispielsweise von den folgenden gebildet werden. Dies wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform handelt es sich um den Fall, bei dem die in Fig. 4 durch (a) und (b) bezeichneten Signale, daß heißt die Referenzspannungen Vu2, Vv2, Vw2 und die Motorstromwerte iu1, iv1, iw1 zur Berechnung der Momentanleistung Pd verwendet werden, und die Berechnungsformel ist die Formel (16). Unter Benutzung der in Fig. 4 durch (a) und (c) bezeichneten Signale, kann der Momentanwert Pd der tatsächlichen Leistung durch die folgende Formel (18) berechnet werden
Pd = Vu2 * iu2 + Vv2 * iv2 + Vw2 * iw2 ... (18)
wobei iu2, iv2, iw2 Referenzströme des Steuersystems des Wechselrichters sind.
Es ist auch möglich, den Momentanwert Pd der tatsächlichen Leistung unter Verwendung der Signale (d) und (e) in Fig. 4 zu berechnen, daß heißt eines Momentenstromreferenzwerts iq2, des Ausgangssignals des PI Reglers 31, der zum Wechselrichter 30 gehört, und des Motorwinkelgeschwindigkeitssignals Wm1
Pd = PM * Wm1 * iq2 (19)
wobei PM eine Motorkonstante ist. Fig. 5 zeigt einen Hauptteil des Systems gemäß einer Ausführungsform, bei der die Formel (19) von der Momentanwertberechnungsschaltung für die tatsächliche Leistung benutzt wird. Wie aus Formel (19) ersichtlich, werden die Motorwinkelgeschwindigkeit Wm1 und der Momentenreferenzstrom iq2 zur Steuerung des Systems in die Momentanwertberechnungsschaltung 32 für die tatsächliche Leistung eingegeben.
Unter Verwendung der Signale (f) und (g) in Fig. 4, daß heißt des Gleichspannungswerts Vcd1 und des Eingangsstroms id zum Wechselrichter 30, kann die tatsächliche Momentanleistung Pd durch folgende Formel (20) berechnet werden.
Pd = Vcd1 * id ... (20)
Es ist auch möglich, die tatsächliche Momentanleistung Pd unter Verwendung der folgenden Formeln (21) und (22) zu berechnen, daß heißt
Pd = Vu1 * iu1 + Vvi * iv1 + Vw1 * iw1 ... (21)
unter Verwendung der Motorströme iu1, iv1, iw1 und der Motorspannungen Vu1, Vv1, Vw1, oder
Pd = Vu1 * iu2 + Vv1 * iv2 + Vw1 * iw2 ... (22)
unter Verwendung der Signale (c) und (h) in Fig. 4.
Bei dieser Ausführungsform verwenden die PBM-Schaltungen 24, 34 in Fig. 1 die Dreieckswellenvergleichsmethode, sie können aber andere Methoden, zum Beispiel die Momentanwertvergleichsmethode verwenden. Ohne die anhand von Fig. 1 beschriebene Schätzschaltung für die elektromotorische Gegenkraft hat das System denselben Aufbau, jedoch ist es nötig, die Verstärkung K&sub1; in den Formeln (10), (11) und (12) zu erhöhen. Vom Standpunkt der Stabilität ist es aber vorzuziehen, daß die Verstärkung K&sub1; kleiner ist, und hier werden Schätzwerte eu, ev, ew der elektromotorischen Gegenkraft an die Referenzspannungsberechnungsschaltung 33 geliefert. Die Leistungsvorrichtungen für den Stromrichter 20 und den Wechselrichter 30 sind nicht notwendiger Weise IGBT-Module, sondern können irgendwelche Schaltvorrichtungen, zum Beispiel Bipolartransistoren, MOSFETs, GTOs, SlTs, Thyristoren oder andere sein. Die Momentanwertberechnungsschaltung für die tatsächliche Leistung und die Schätzschaltung für die elektromotorische Gegenkraft können von anderer Art sein, solange sie auf denselben grundsätzlichen Ideen beruhen.
Zum Testen der Wirkung dieser Erfindung zeigt Fig. 6 eine Schaltung, die einen Vorwärtswiderstand 81 anstelle des Wechselrichters und des Motors (Last) benutzt. Die Drosseln 50r, 50s, 50t haben 0,75 mH, der Glättungskondensator 60 hat eine Kapazität von 20 pF, und die Trägerfrequenz der der PBM-Schaltung 24 gelieferten Dreieckswelle beträgt 10 kHz. Die Klemmenspannung der Last, daß heißt des Vorwärtswiderstands 81, ist die Kondensatorgleichspannung Vcd1, und der durch den Widerstand 81 fließende Strom ist der Strom id. Ihr Produkt ist der berechnete Wert Pd der tatsächlichen Momentanleistung. Fig. 7 zeigt die stationäre Charakteristik des Falls, bei dem der Sollwert Vcd2 der Kondensatorgleichspannung konstant 200 V ist, und die von der Last verbrauchte Leistung beträgt 2,4 kW. Die jeweiligen Kurven zeigen von oben nach unten die Kondensatorspannung Vcd1, den Phasenstrom iu2 der U-Phase und den Eingangsstrom iu1 der U-Phase. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, folgt der tatsächliche Eingangsstrom genau dem Referenzstrom.
Fig. 8 zeigt die Spannungswellenform und die Stromwellenform des Gleichstromkondensators zu diesem Zeitpunkt. Die Fig. 9 und 10 zeigen das Übergangsverhalten für den Fall, daß der Kondensatorspannungssollwert V cd2 konstant auf 200 V eingestellt ist und die von der Last verbrauchte Leistung abrupt zwischen 0,8 kW und 2,4 kW geändert wird. Fig. 9 zeigt Wellenformen für den Fall, daß die verbrauchte Leistung von 0,8 kW durch Lasterhöhung auf 2,4 kW vergrößert wird. Fig. 10 zeigt Wellenformen für den Fall, daß die verbrauchte Leistung durch Lastverringerung von 2,4 kW auf 0,8 kW verringert wird. Die jeweiligen Wellenformen bedeuten von oben nach unten die U-Phasen-Spannung eu2, den U-Phasen-Referenzstrom iu2, den U-Phasen-Eingangsstrom iu1, die Kondensatorspannung Vcd1 und die Lastleistung Pd. Wie in Fig. 9 gezeigt, tritt bei einer schnellen Laständerung von weniger als 1 ms eine Spannungsänderung mit einem Maximum von 50 V infolge der Verzögerung des Steuersystems auf. Im Gegensatz dazu ist die Spannungsänderung bei einer Laständerung von etwa 3 ms auf nicht mehr als etwa 15 V unterdrückt. Dies ist das Ergebnis des Experiments, bei dem der Widerstand als Last verwendet wird, dieselbe Wirkung kann aber für ein Experiment erwartet werden, bei dem der Motor die Last darstellt.
Das System gemäß dieser Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, bei denen Motoren als Lasten verwendet wurden. Das System gemäß dieser Erfindung verwendet eine Dreiphasen-Netzstromquelle und ist anwendbar auf Maschinen und Instrumente, bei denen die Motoren elektrisch mit variablen Drehzahlen angetrieben werden, zum Beispiel verschiedene Motoren für Hausgeräte und -Instrumente, Leistungsmotoren für Fabrikautomatisierungsmaschinen und -Instrumente, Leistungsmotoren für mobile Gebilde und irgendwelche anderen Felder. Bei der Last braucht es sich nicht um Motoren zu handeln, sondern es können auch Hochfrequenzöfen sein, die nur Spulen verwenden. Diese Erfindung ist, wie sie ist, anwendbar auf Frequenzumrichter zur Umrichtung von Netzfrequenzen.
Bei dieser Erfindung wird eine auf den Wechselrichter bezogene tatsächliche Momentanleistung berechnet, und das Rechenergebnis wird auf das Steuersystem des Stromrichters rückgekoppelt. Dies erlaubt es, den Wechselrichter und den Stromrichter bezüglich der tatsächlichen Momentanleistung ins Gleichgewicht zu bringen mit der Folge, daß ein abrupter Anstieg der Kondensatorgleichspannung in einem transienten Zustand verhindert wird. Folglich kann die vorteilhafte Wirkung realisiert werden, daß die Steuerung bzw. Regelung der Kondensatorspannung stabil ist und Übergangscharakteristiken aufweist. Das bedeutet, diese Erfindung hat die herkömmlichen Probleme der Zerstörung etc. des Kondensators, die auftreten, wenn sich eine Last verändert, beseitigt. Folglich haben Produkte, die diese Erfindung verwenden, eine erheblich verbesserte Zuverlässigkeit. Bei unveränderter Kapazität des Gleichstromglättungskondensators sind die Steuersysteme darüberhinaus stabil, selbst wenn Ki und Kp für die PI Regelung erhöht werden. Folglich kann die Methode der PI Regelung leicht entworfen werden. Bei andererseits konstant gehaltenen Verstärkungen Ki, Kp kann der Kapazitätswert des Glättungskondensators stark verkleinert werden, was zur Miniaturisierung der diese Erfindung verwendenden Produkte erheblich beiträgt.

Claims

1. Spannungs-PBM-Stromrichter/Wechselrichtersystem umfassend:

eine Stromrichtereinrichtung (20) zur Umformung einer Eingangswechselstromleistung in eine Gleichstromleistung;

eine Wechselrichtereinrichtung (30) zur Umformung der Gleichstromleistung in eine Ausgangswechselstromleistung;

eine Glättungseinrichtung (60), die zwischen die Stromrichtereinrichtung und die Wechselrichtereinrichtung gesetzt ist;

eine Stromrichtersteuereinrichtung (24) für die Spannungs-PBM-Steuerung der Stromrichtereinrichtung auf der Basis einer Vielzahl von Eingangssignalen einschließlich eines Stromrichtersollwerts und eines Istwerts der Klemmenspannung der Glättungseinrichtung (60);

und eine Wechselrichtersteuereinrichtung (34) für die Spannungs-PBM-Steuerung der WechseIrichtereinrichtung (30) auf der Basis eines Wechselrichtersollwerts und der Ausgangswechselstromleistung, gekennzeichnet durch

eine Momentanleistungsberechnungseinrichtung (70) zur Berechnung, auf der Basis gemessener elektrischer Werte, die zu der Wechselrichtereinrichtung (39) gehören, eines berechneten Werts der Momentanleistung, der der Stromrichtersteuereinrichtungen (24) als weiteres Eingangssignal zugeführt wird,

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Momentanleistungsberechnungseinrichtung (70) den berechneten Wert der Momentanleistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Ausgangsspannung der Wechselrichtereinrichtung (30) und eines Istwerts oder eines Sollwerts des Ausgangsstroms der Wechselrichtereinrichtung ausgibt.

3. System nach Anspruch 1, bei dem die Momentanleistungsberechnungseinrichtung (70) den berechneten Wert der Momentanleistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Ausgangsspannung der Wechselrichtereinrichtung (30) und eines Istwerts oder eines Sollwerts des Eingangsstroms der Wechselrichtereinrichtung ausgibt.

4. System nach Anspruch 1, bei dem die Momentanleistungsberechnungseinrichtung (70) den berechneten Wert der Momentanleistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Eingangsspannung der Wechselrichtereinrichtung (30) und eines Istwerts oder eines Sollwerts des Ausgangsstroms der Wechselrichtereinrichtung ausgibt.

5. System nach Anspruch 1, bei dem die Momentanleistungsberechnungseinrichtung (70) den berechneten Wert der Momentanleistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Eingangsspannung der Wechselrichtereinrichtung (30) und eines Istwerts oder eines Sollwerts des Eingangsstroms der Wechselrichtereinrichtung ausgibt.

6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Stromrichtersteuereinrichtung (21, 23, 24) eine erste Einrichtung (21) zur Lieferung eines Momentanleistungswerts basierend auf einem Sollwert und einem Istwert, der an die Klemmen der Glättungseinrichtung (60) angelegten Gleichspannung; eine zweite Einrichtung zum Addieren des Momentanleistungswerts und des berechneten Werts der Momentanleistung; und eine dritte Einrichtung (23, 24) zur Steuerung der Stromrichtereinrichtung (20) basierend auf dem von der zweiten Einrichtung gelieferten Additionsergebnis und Istwerten der Eingangsspannung und des Eingangsstroms der Stromrichtereinrichtung umfaßt.

7. Verfahren zur Steuerung eines Spannungs-PBM-Stromrichter/Wechselrichtersystems, bei dem die Frequenz eines Eingangswechselstroms zur Ausgabe in eine andere Frequenz umgeformt werden kann und eine Anschlußspannung einer Glättungseinrichtung (60), die zwischen einen Stromrichter (20) und eine Wechselrichter (30) eingefügt ist, gemessen und zu einem Steuersystem des Stromrichters rückgekoppelt wird, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch

Berechnen einer Momentanleistung aus gemessenen elektrischen Werten, die zum Wechselrichter (30) gehören, und Rückkoppeln der berechneten Ausgabe als eines berechneten Werts der Momentanleistung zu dem Steuersystem des Stromrichters.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der berechnete Wert der Momentanleistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Ausgangsspannung des Wechselrichters und eines Istwerts oder eines Sollwerts des Ausgangsstroms des Wechselrichters (30) berechnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der berechnete Wert der Momentanleistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Ausgangsspannung des Wechselrichters und eines Istwerts oder eines Sollwerts des Eingangsstroms des Wechselrichters (30) berechnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der berechnete Wert der Momentanleistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Eingangsspannung des Wechselrichters und eines Istwerts oder eines SolIwerts des Ausgangsstroms des Wechselrichters (30) berechnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der berechnete Wert der MomentanIeistung auf der Basis eines Istwerts oder eines Sollwerts der Eingangsspannung des Wechselrichters und eines Istwerts oder eines Sollwerts des Eingangsstroms des Wechselrichters (30) berechnet wird.