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Dokumentenidentifikation DE69628315T2 18.03.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000852425
Titel STROMWANDLERVORRICHTUNG UND -VERFAHREN
Anmelder Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Erfinder SAWA, Toshihiro, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806, JP;
KUME, Tsuneo, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806, JP;
HIRANO, Koichi, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806, JP
Vertreter Luderschmidt, Schüler & Partner, 65189 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 69628315
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.09.1996
EP-Aktenzeichen 969295138
WO-Anmeldetag 04.09.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/JP96/02495
WO-Veröffentlichungsnummer 0097009773
WO-Veröffentlichungsdatum 13.03.1997
EP-Offenlegungsdatum 08.07.1998
EP date of grant 21.05.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.2004
IPC-Hauptklasse H02M 5/27

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsumwandlungsvorrichtung und ein Leistungsumwandlungsverfahren zum Ansteuern eines Mediums an einem Hochspannungs-Wechselstrommotor mit einer veränderbaren Drehzahl und insbesondere auf eine Leistungsumwandlungsvorrichtung und ein Leistungsumwandlungsverfahren eines Pulsbreitenmodulations (PWM = pulse width modulation)-Steuersystems.

HINTERGRUND DER TECHNIK

Herkömmlicherweise wird für die Ansteuerung mit veränderbarer Drehzahl eines Hochspannungswechselstrommotors ein System, das einen Hochspannungsinverter benutzt, oder ein anderes System, bei dem ein Abwärtstransformator und ein Aufwärtstransformator mit der Eingangsseite und der Ausgangsseite eines Niederspannungsinverters verbunden sind, um den Hochspannungswechselstrommotor anzusteuern, benutzt.

6 ist ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung, die einen Hochspannungsinverter eines herkömmlichen Beispiels benutzt, und 7 ist ein Konzeptdiagramm, das einen Vierquadraturbetrieb basierend auf der Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl eines Motors darstellt. In 6 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Hochspannungswechselstrommotor eines Objekts einer Ansteuerung, 101 eine Invertereinheit, 102 eine Glättungskondensatoreinheit, 103 eine regenerative Wandlereinheit, 104A und 104B jeweils eine Wechselstromdrossel und 105 einen Dreiphasentransformator.

Die Invertereinheit 101 umfasst Dreistufen-Inverter des neutralen Klemmtyps und benutzt für die Leistungselemente einen GTO (Gate Turn Off Thyristor, hier nachstehend einfach als GTO bezeichnet), um eine hohe Stehspannung für die Elemente sicherzustellen. Die Leistungselemente sind in Reihe geschaltet, um eine geteilte Nutzung einer Spannung zu erreichen, und eine spannungsveränderbare/frequenzveränderbare Leistung (VVVF power = variable voltage variable frequency power) wird von einer aus der Glättungskondensatoreinheit 102 gebildeten Hochspannungsgleichstromversorgung an die Invertereinheit 101 geliefert. Um die geteilte Nutzung einer Spannung der GTOs beizubehalten, müssen bekannte Überspannungsbeschaltungen einzeln installiert werden. Bei der Wandlereinheit, die eine Gleichspannung an die Glättungskondensatoreinheit 102 liefert, ist die Kapazität der Hochspannungsinverter im allgemeinen so hoch wie mehrere hundert kW oder mehr, und der Aufbau der regenerativen Wandlereinheit 103 wird zur Dämpfung der Energieverarbeitung bei der Verzögerung oder für den Vierquadraturbetrieb (Vorwärtsansteuerung, Rückwärtsansteuerung, Vorwärtsregeneration und Rückwärtsregeneration) verwendet, die in 7 dargestellt ist, verwendet. In 6 werden zwei Schaltungen, die jeweils aus einer Kombination von Thyristoren und GTOs aufgebaut sind, in Reihenschaltung verwendet, und die Steuerung zwischen der Ansteuerung und der Regeneration wird abhängig von der Richtung der Gleichstromleistung durchgeführt. Die regenerative Wandlereinheit 103 ist mit Sekundärwicklungen des Dreiphasentransformators 105 durch die Wechselstromdrosseln 104A und 104B verbunden, während Primärwicklungen des Dreiphasentransformators 105 mit einer handelsüblichen Hochspannungsleistungsversorgung verbunden sind, um die Leistungsversorgung aufzunehmen.

8 ist ein Schaltbild, das eine Ansteuerschaltung zeigt, die einen Niederspannungsinverter eines herkömmlichen Beispiels benutzt. In 8 bezeichnet dasBezugszeichen 10 einen Hochspannungswechselstrommotor eines Objekts einer Ansteuerung, 106 eine Invertereinheit, 107 eine Glättungskondensatoreinheit, 108 eine regenerative Wandlereinheit, 109 eine Wechselstromdrossel, 110 einen Abwärtstransformator und 111 einen Aufwärtstransformator.

Die Invertereinheit 106 umfasst Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs = Insulated Gate Bipolar Transistors, hier nachstehend einfach als IGBTs bezeichnet) und Dioden, die in einer Dreiphasenbrückenschaltung verbunden und pulsbreitenmodulations-gesteuert (hier nachstehend einfach als PWM-gesteuert bezeichnet) sind, so dass sie eine Spannung und eine Frequenz ausgeben kann, die notwendig sind, um den Motor 10 durch den Aufwärtstransformator 111 anzusteuern. Da die Invertereinheit 106 ein Niederspannungsinverter ist, ist sie mit dem Hochspannungswechselstrommotor 10 durch den Aufwärtstransformator 111 verbunden. Die regenerative Wandlereinheit 108 ist ebenfalls aus IGBTs und Dioden aufgebaut, die in einer Dreiphasenbrückenschaltung ähnlich wie bei der Invertereinheit 106 verbunden sind, und ist mit Sekundärwicklungen des Abwärtstransformators 110 durch die Wechselstromdrossel 109 verbunden, während Primärwicklungen des Abwärtstransformators 110 mit einer handelsüblichen Hochspannungsleistungsversorgung verbunden sind, um die Leistungsversorgung aufzunehmen. Inzwischen sind ebenfalls Gleichspannungs-Zwischenkreise der regenerativen Wandlereinheit 108 und der Invertereinheit 106 miteinander durch die Glättungskondensatoreinheit 107 verbunden. Sowohl die Invertereinheit 106 als auch die regenerative Wandlereinheit 108 sind PWM-gesteuert.

Wie andere Motoransteuersysteme, beispielsweise ein in "Cycloconverter Apparatus" angeführter Mehrfachdirektumrichter, der in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Heisei 6–245511 offenbart ist, und ein in "Power Converting Apparatus of a Pulse Width Controlling System" angeführter PWM-Direktumrichter, der in der in der japanischen Patentveröffentlichungsanmeldung Nr. Heisei 7–44834 offenbart ist, sind bekannt. Sie sind jedoch nicht auf das Ansteuern eines oben beschriebenen Hochspannungswechselstrommotors gerichtet.

Inzwischen ist die Tendenz in der Welt auf Energieerhaltung, Ressourcenerhaltung, minimale Größe, hohen Wirkungsgrad und verzerrungsarme Spannung und Signalverlauf für die Umweltverbesserunggerichtet, und auf Grund der Kompliziertheit von Anwendungssystemen ist eine Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit, wie beispielsweise eine Verbesserung hinsichtlich der Redundanz erforderlich. Die oben beschriebenen Motoransteuersysteme des Stands der Technik werden natürlich ebenfalls ein Gegenstand einer derartigen Verbesserung.

Vom Blickpunkt der Energieerhaltung, der Ressourcenerhaltung, minimaler Größe, einem hohen Wirkungsgrad und verzerrungsarmer Signalverlauf von Spannung und Strom für die Umweltverbesserung weisen jedoch sowohl das Hochspannungsinvertersystem als auch das Niederspannungsinvertersystern der oben beschriebenen Beispiele des Stands der Technik die folgenden Probleme auf.

Im Fall des Hochspannungsinvertersystems von 6 wird ein GTO für Hauptschaltungselemente benutzt, um eine Hochspannungsstehfestigkeitseigenschaft zu erreichen. Da ein GTO kein Hochgeschwindigkeitsschaltelement ist, ist es schwierig, eine hohe Trägerfrequenz zu verwenden, und eine Verringerung im Rauschen bei der Inverteransteuerung oder eine Unterdrückung der Signalverlaufverzerrung kann nicht erwartet werden. Da außerdem eine Überspannungsbeschaltung eines GTO das Laden und Entladen jedes Mal wiederholt, wenn ein Schalten durchgeführt wird, ist der Verlust ebenfalls hoch, und da er einen Schaltungsaufbau aufweist, der ein Hochspannungselement benutzt, ist die Gewährleistung der Isolation für eine Hauptschaltung, eine Sammelschiene usw. erforderlich, und die Überspannungsbeschaltung ist zumMinimieren des Invertergehäuses nicht geeignet. Da außerdem eine GTO-Ansteuerleistungsversorgung für jeden GTO erforderlich ist und außerdem eine Hochspannung zwischen Steuerleistungsversorgungen angelegt wird, ist es nicht leicht, die Steuerleistungsversorgungen zu erzeugen, und dies ist ein Flaschenhals, um das Invertergehäuse zu minimieren.

Inzwischen ist in dem Fall des Aufwärtssystems des Niederspannungsinverters von 8, da er ein IGBT-Inverter einer Niederspannung ist, während einer Hochfrequenz PWM-Steuerung möglich ist und eine Verringerung im Rauschen erwartet werden kann, eine parallele Verbindung von IGBTs erforderlich, um eine hohe Kapazität zu erreichen, und eine Gegenmaßnahme zum parallelen Ausgleichen und eine Überspannungsbeschaltung sind erforderlich, und eine minimale Größe ist schwierig. Da ferner ein Anstieg im Verlust von IGBTs, Sammelschienen und Überspannungsbeschaltungen, die von einem hohen Strom entsteht, geschätzt wird, ist die Minimierung aus der Kühlphase ebenfalls schwierig. Wo eine Aufwärtsschaltung von einem Transformator durchgeführt wird, wie es in 8 ersichtlich ist, gibt es, da die Schaltgeschwindigkeit von IGBTs hoch ist, d. h., da dV/dt beim Schalten groß ist, ferner außerdem einen weiteren Nachteil, dass durch Induktivitäten von Verdrahtungsleitungen, schwebenden Kapazitäten der Verdrahtungsleitungen, Induktivitäten eines Transformators usw. eine Resonanzspannung synchron mit dem Schalten der PWM-Steuerung eines Konverters erzeugt wird, was einen dielektrischen Durchschlag des Motors verursacht. Als eine Gegenmaßnahme gegen den Nachteil wurde vorgeschlagen, ein Filter zwischen der Invertereinheit 106 und dem Aufwärtstransformator 111 von 8 einzufügen, wie es in "Output Filter Circuit of Voltage Type PWM Inveror" angeführt und in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Heisei 1–72144 offenbart ist. Da außerdem bei Niederfrequenzbetrieb das an den Transformator zu liefernde Spannungs-Frequenzverhältnis auf das 1,5 bis 2-fache desjenigen in der Nähe einer Nennfrequenz durch einen Inverter eingestellt wird, um ein Anfangsdrehmoment sicherzustellen, gibt es ein weiteres Problem, dass ein größerer Transformator als ein Transformator für eine handelsübliche Frequenz erforderlich ist, so dass keine magnetische Sättigung auftreten kann. Wenn der Inverter 106 ferner eine Offset-Spannung auf Grund einer Dispersion in der Schaltungseigenschaft der IGBTs usw. erzeugt, dann tritt, da eine Gleichspannung an den Aufwärtstransformator 111 angelegt wird, eine magnetische Sättigung auf. Folglich gibt es ebenfalls ein Problem, das ein übermäßiger Strom fließt.

Als eine Gegenmaßnahme gegen harmonische Verzerrung einer Ausgangsspannung oder eines Stroms benutzt, während der Hochspannungsinverter durch eine Dreistufen-Steuerung gesteuert wird, und sowohl die PWM-Steuerung als auch die Amplitudensteuerung verwendet werden, das Niederspannungsinvertersystem nur die PWM-Steuerung und weist eine große harmonische Verzerrung auf. Da die regenerative Wandlereinheit 103 das Hochspannungsinvertersystems von 6 Erregungssignalverläufe von 120 Grad verwendet, bleibt ebenfalls eine harmonische Verzerrung niedriger Ordnung für die Leistungsversorgungsspannung übrig, und, da die regenerative Wandlereinheit 108 eine PWM-Steuerung durchführt, bleiben, obwohl Oberwellen niedriger Ordnung des Leistungsversorgungsstroms unterdrückt werden, Oberwellen höherer Ordnung mit dem Niederspannungsinvertersystem von 8 übrig.

Wie es oben beschrieben ist, können die herkömmlichen Invertersystem die technischen Aufgaben, wie beispielsweise Energieerhaltung, Ressourcenerhaltung, minimale Größe, hohen Wirkungsgrad und Signalverläufe mit niedrigerer Verzerrung von Strom und Spannung für die vom Markt verlangte Umweltverbesserung nicht lösen. Jedes der Systeme kann ferner die technische Aufgabe der Verbesserung der Redundanz, so dass bei Ausfall der Betrieb mit einem normalen Teil durchgeführt wird, nicht lösen.

Von den von Invertersystemen unterschiedliche Systeme können die in "Cycloconverter Apparatus" angeführten Direktumrichter, die in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Heisei 6–245511 offenbart sind, da es das Leistungsversorgungskommutationssystem ist, die Ausgangsfrequenz nur bis zu 1/3 bis 1/2 der Leistungsversorgungsfrequenz anheben. Folglich ist der Direktumrichter für den Motoransteuerung nicht geeignet.

Eine Verbesserung des gerade beschriebenen Direktumrichters ist ein in "Power Converting Apparatus of the Pulse Width Controlling System" angeführter PWM-Direktumrichter, derin der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. Heisei 7-44834 offenbart ist. Der PWM-Direktumrichter weist die folgenden Eigenschaften auf.

  • 1) Eine Miniaturisierung ist einfach, da sie keine derartige Gleichstromschaltung erfordert, wie es von einem Invertersystem verlangt wird.
  • 2) Der Elementverlust ist niedrig und der Wirkungsgrad ist hoch, da die Anzahl von Elementen, die in Reihe auf einem Weg von einer Leistungsversorgung zu einer Last eingefügt wird, kleiner als diejenige eines Invertersystems ist.
  • 3) Ein Vierquadraturbetrieb ist einfach, da eine direkte Wechselstrom-Wechselstrom-Umwandlung verwendet wird.

Da dieses System jedoch ebenfalls ein PWM-Steuerleistungsumwandlungssystem von Dreiphaseneingängen und Dreiphasenausgängen ist, bleiben Oberwellen höherer Ordnung übrig, obwohl Oberwellen niedriger Ordnung des Leistungsversorgungsstroms unterdrückt werden, und die technische Aufgabe der Spannungs- und Stromverlaufsverzerrungsunterdrückung können sowohl für den Eingang als den Ausgang nicht gelöst werden. Um einen Hochspannungswechselstrommotor anzusteuern, wird ferner ein System angenommen, bei dem ein Leistungselement so ausgebildet ist, um eine hohe Spannungsteheigenschaft aufzuweisen, um einen Hochspannungs-PWM-Direktumrichter zu bilden, oder eine Spannung durch einen Transformator angehoben wird, und die gleichen Aufgaben wie diejenigen des Hochspannungsinvertersystems oder des Transformatoraufwärtssystems eines Niederspannungsinverters treten auf. Außerdem weisen bei den oben beschriebenen herkömmlichen Beispielen alle Systeme ein Problem auf, das wenn eine Funktion beschädigt wird, der Betrieb nicht fortgesetzt werden kann.

Die JP01050763 offenbart einen 2-Multiplex-Mehrphasen-Direktumrichter mit einer Einheit von Direktumrichtern, die einen getrennt angeregten Wandler und einen selbstangeregten Wandler abwechselnd antiparallel verbinden, und Eingangstransformatoren, die eine Last eines Wechselstrommotors treiben. Jede der beiden Sätze dieser Direktumrichter stellt seine Eingangsspannungsphase um 30 Grad unterschiedlich durch die Verbindung mit den Eingangstransformatoren ein, um die fünften und siebenten höheren harmonischen Komponenten verglichen damit, wenn keine Phasendifferenz in der Eingangsspannung erzeugt wird, zu verringern.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Leistungsumwandlungsvorrichtung und ein Leistungsumwandlungsverfahren eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichtersystems zum Ansteuern eines Hochspannungswechselstrommotors bereitzustellen, durch den eine hohe Spannung niedriger Verzerrung unter Verwendung einer Niederspannungsinvertertechnik erzeugt wird.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichtersystems zum Ansteuern eines Hochspannungs-Wechselstrommotors mit einer veränderbaren Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, dass

die Leistungsumwandlungsvorrichtung umfasst: m Dreiphasen-Transformatoren, wobei 1 ≤ m ≤ n ist, die jeweils einen einzigen Satz von Primärwicklungen und 3 × j Sätze von Sekundärwicklungen aufweisen, wobei j = n/m ist, 3 × n Dreiphasen-Drosseln, die einzeln mit den Sekundärwicklungen verbunden sind, und 3 × n Dreiphasen/Einphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichter, die einzeln mit den Dreiphasen-Drosseln verbunden sind,

wobei die Primärwicklungen des Dreiphasen-Transformators mit einer externen Wechselstromversorgung verbunden werden können, während die 3 × n Sekundärwicklungen in drei Einheiten angeordnet sind, wobei jede Einheit n Sätze von Sekundärwicklungen aufweist, wobei sich die Phasen elektrischer Ausgaben dieser Wicklungen um 60° : k unterscheiden, wobei 1 ≤ k ≤ n ist, wobei die Sekundärwicklungen in den drei Einheiten mit elektrischen Ausgaben der gleichen Phase n Gruppen bilden, wobei die Sekundärwicklungen, die Drosseln und die Direktumrichter in Reihe geschaltet sind,

wobei jeder Direktumrichter umfasst: Dreiphasen-Wechselstromanschlüsse, die mit entsprechenden der Dreiphasen-Drosseln verbunden sind, drei Filterkondensatoren, die in Dreieck- oder Stern-Schaltung mit den Dreiphasen-Wechselstromanschlüssen verbunden sind, sechs pulsbreitenmodulationsgesteuerte, bidirektionale Halbleiterschalter, die imstande sind, Strom in entgegengesetzten Richtungen dadurch fließen zu lassen und ein Selbstanschalten und Selbstausschalten zu ermöglichen, und extern verbundene Einphasen-Wechselstromanschlüsse, wobei die sechs bidirektionalen Halbleiterschalter in einer Dreiphasen-Brückenschaltung mit den Dreiphasen-Wechselstromanschlüssen und den Einphasen-Wechselstromanschlüssen verbunden sind, so dass die Phasen der elektrischen Ausgänge an den Einphasen-Wechselstromanschlüssen der Direktumrichter jeder Einheit gleich und mit einer 120°-Phasendifferenz zwischen Einheiten sein können,

die Direktumrichter jeder Einheit über die Einphasen-Wechselstromanschlüsse in Reihe geschaltet sind, wobei entsprechende der Einphasen-Wechselstromanschlüsse an einem Ende der Reihenschaltung jeder Einheit zusammengeschaltet sind, und die entsprechenden der Einphasen-Wechselstromanschlüsse an dem anderen Ende der Reihenschaltung jeder Einheit mit jeweiligen Eingangsanschlüssen des externen Hochspannungs-Wechselstrommotors verbunden sind.

Die Vorrichtung kann anstatt der Dreiphasen-Drosseln Mittel zum Verwenden von Streuinduktivitäten der Sekundärwicklungen umfassen.

Jeder bidirektionale Halbleiterschalter kann zwei Halbleiterschalter aufweisen, die jeweils ein Halbleiterelement mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit und eine Diode aufweisen, die umgekehrt parallel mit dem Halbleiterelement verbunden ist, so dass eine Durchlassrichtung derselben entgegengesetzt derjenigen des Halbleiterelements ist, wobei die beiden Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind, so dass Polaritäten derselben entgegengesetzt zueinander sind.

Alternativ kann jeder der bidirektionalen Halbleiterschalter zwei Halbleiterschalter, die jeweils ein Halbleiterelement mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit und eine Diode aufweisen, die mit dem Halbleiterelement in Reihe geschaltet ist, so dass eine Durchlassrichtung derselben mit derjenigen des Halbleiterelements koinzidiert, wobei die beiden Halbleiterschalter parallel geschaltet sind, so dass Polaritäten derselben entgegengesetzt zueinander sind.

Als eine weitere Alternative kann jeder der bidirektionalen Halbleiterschalter derart aufgebaut ist, dass ein Halbleiterelement mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit mit zwei Gleichstromanschlüssen von vier Dioden verbunden sind, die in einer Einphasenbrücke verbunden sind, so dass Durchlassrichtungen in der gleichen Richtung sein können, und zwei Wechselstromanschlüsse der Einphasenbrücke als Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse verwendet werden.

Wenn versucht wird, eine dreahzahlveränderbare Ansteuerung eines Hochspannungswechselstrommotors unter Verwendung der Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichtersystems des oben beschriebenen Aufbaus zu verwenden, werden, da eine Signalverlaufsteuerung der Dreiphasen/Einphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichter der drei, jeweils aus einer Mehrzahl von Gruppen aufgebauten Einheiten, durchgeführt wird, Eingangs- und Ausgangsspannungen und Ströme von Signalverläufen niedriger Verzerrung erhalten, und da die direkte Umwandlung von Wechselstrom in Wechselstrom durchgeführt wird, kann die Versorgung und Regeneration von Leistung ebenfalls frei durchgeführt werden. Da ferner keine Gleichstromschaltung beteiligt ist, ist die Anzahl von Komponenten klein, und die Anzahl der auf einem Weg von einer Leistungsversorgung zu einer Last zwischengeschalteten Elemente ist klein.

Wo Streuinduktivitäten der Sekundärwicklungen des Dreiphasentransformators oder Transformatoren verwendet werden, können die Dreiphasenwechselstromdrosseln ebenfalls weggelassen werden.

Da jede der Einheiten ferner aus einer Mehrzahl von Dreiphasen/Einphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichtern gebildet werden, kann sogar bei Ausfall der Betrieb unter Verwendung der Dreiphasen/Einphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichter der verbleibenden Gruppen fortgesetzt werden, die normal sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung, die eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations(hier nachstehend einfach als PWM bezeichnet)-Direktumrichtersytems einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt;

2 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel eines detaillierten Aufbaus eines in 1 gezeigten bidirektionalen Halbleiterschalters zeigt;

3 ist ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel eines detaillierten Aufbaus des in 1 gezeigten bidirektionalen Halbleiterschalters zeigt;

4 ist ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel eines detaillierten Aufbaus des in 1 gezeigten bidirektionalen Halbleiterschalters zeigt;

5 ist ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung, die eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichtersystems einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt;

6 ist ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung, die einen Hochspannungsinverter eines herkömmlichen Beispiels benutzt;

7 ist ein Konzeptdiagramm, das einen Vierquadraturbetrieb basierend auf einer Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl eines Motors darstellt; und

8 ist ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung, die einen Niederspannungsinverter eines herkömmlichen Beispiels benutzt.

BESTE BETRIEBSART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Anschließend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung, die eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations(hier nachstehend einfach als PWM bezeichnet)-Direktumrichtersystems einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt. In 1 bezeichnen Bezugszeichen 1 bis 9 jeweils einen Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter, 10 bezeichnet einen Hochspannungswechselströmmotor, der ein Objekt einer Ansteuerung ist, 11 bis 16 bezeichnen bidirektionale Halbleiterschalter, 17 bis 19 Filterkondensatoren, 21 bis 29 Dreiphasen-Wechselstromdrosseln, 30 bezeichnet einen Dreiphasentransformator, 31 bis 39 bezeichnen Sekundärwicklungen des Dreiphasentransformators 30 und 40 bezeichnet Primärwicklungen des Dreiphasentransformators 30.

Da die Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 1 bis 9 eine gleiche Struktur aufweisen, wird die Beschreibung des Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichters 1 angegeben. Der Dreiphasen/Einphasen-PWM-Zykokonverter 1 umfasst sechs bidirektionale Halbleiterschalter 11 bis 16, drei Filterkondensatoren 17 bis 19, Dreiphasenwechselstromanschlüsse r, s, t und Einphasenwechselstromanschlüsse u und v. Die sechs bidirektionalen Halbleiterschalter 11 bis 16, durch den Strom in entgegengesetzten Richtungen fließen kann und die ein Selbsteinschalten und Selbstausschalten ermöglichen, sind in einer Dreiphasenbrückenschaltung mit den Dreiphasenwechselstromanschlüssen r, s und t und den Einphasenwechselstromanschlüssen u und v verbunden, und die Filterkondensatoren 17 bis 19 sind in einer Dreieckschaltung mit den Dreiphasen Wechselstromanschlüssen r, s und t verbunden.

Während im allgemeinen Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter als eine Kombination von 3 × n derartiger Direktumrichter verwendet werden, zeigt 1 ein Beispiel, bei dem n = 3 ist und neun derartige Direktumrichter beteiligt sind. Bei dem vorliegenden Beispiel werden die Dreiphasenwechselstromanschlüsse r, s und t der neun Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 1 bis 9 mit den neun Sätzen von Sekundärwicklungen 31 bis 39 des Dreiphasentransformators 30 jeweils durch die neun Dreiphasen-Wechselstromdrosseln 21 bis 29 verbunden, und der Dreiphasentransformator 30 weist den einfachen Satz von Primärwicklungen 40 und die neun Sätze von Sekundärwicklungen 31 bis 39 auf. Die Primärwicklungen 40 sind mit einer Wechselstromleistungsversorgung verbunden. Es ist ansonsten möglich, Streuinduktivitäten der Sekundärwicklungen 31 bis 39 des Dreiphasentransformators 30 anstatt der Dreiphasenwechselstromdrosseln 21 bis 29 zu verwenden.

Die gesamte Vorrichtung ist aus drei Einheiten aufgebaut, die jeweils aus n (drei bei dem vorliegenden Beispiel) Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichtern (bei dem vorliegenden Beispiel 1 bis 3, 4 bis 6 und 7 bis 9) gebildet werden, und die Einphasenwechselstromanschlüsse u und v in jeder der Einheiten sind in Reihe geschaltet, und diejenigen der Anschlüsse u und v an den entgegengesetzten Enden der Reihenschaltungen sind in einer Sternschaltung zwischen den drei Einheiten verbunden, während die anderen drei Anschlüsse mit den drei Eingangsanschlüssen des Hochspannungswechselstrommotors 10 verbunden sind, der ein Objekt der Ansteuerung ist.

Durch die oben beschriebene Kombination wird eine Leistungsumwandlungsvorrichtung des mehrfachen PWM-Direktumrichterssytems von Dreiphaseneingängen und Dreiphasenausgängen gebildet.

Grundwellenspannungen der Wechselstromausgänge, die an die Einphasenwechselstromanschlüsse u und v der n Dreiphasen-PWM-Direktumrichter (bei dem vorliegenden Beispiel 1 bis 3, 4 bis 6 und 7 bis 9) jeder Einheit ausgegeben werden, werden gesteuert, so dass sie eine gleiche Phase aufweisen können, und die drei Einheiten werden gesteuert, so dass sie Wechselstromausgaben erzeugen können, von denen sich die elektrischen Winkel der Grundwellenspannungsphasen um 120 Grad in der Phase voneinander unterscheiden.

Da jeder der Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 1 bis (3 × n) (bei dem vorliegenden Beispiel 1 bis 9) als eine einphasige Last dienen, werden, um einen Lastausgleich auf der Leistungsversorgungsseite einzurichten und Oberschwingungsströme niedriger Ordnung unter den Sekundärwicklungen des Dreiphasentransformators 30 auszulöschen, die Sekundärwicklungen des Dreiphasentransformators 30 in n Gruppen aufgeteilt, die jeweils diejenigen der ersten bis n-ten Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter der drei Einheiten aufweisen, die die gleichen Ordnungszahlen aufweisen (bei den vorliegendem Beispiel drei Gruppen von 1, 4 und 7; 2, 5 und 8; und 3, 6 und 9), und die Wicklungen werden unter den gleichen Bedingungen ausgebildet, so dass induzierte Spannungen in jeder Gruppe eine gleiche Phase aufweisen können, wobei jedoch die Phase jeder Gruppe eine Phasendifferenz von 60° : k (1 ≤ k ≤ n, normalerweise k = n) aufweisen kann. Bei dem Beispiel von 1 sind die Primärwicklungen 40 des Dreiphasentransformators 30 in einer Dreieckschaltung verbunden, während die Sekundärwicklungen 31, 34 und 37 der ersten Gruppe in einer Zickzackschaltung verbunden sind, um eine Verzögerung eines elektrischen Winkels von 50 Grad von den Primärwicklungen 40 bereitzustellen; die zweite Gruppe 32, 35 und 38 ist in einer Sternschaltung verbunden, um eine Verzögerung eines weiteren elektrischen Winkels von 30 Grad von den Primärwicklungen 40 bereitzustellen; und die dritte Gruppe 33, 36 und 39 ist in einer Zickzackschaltung verbunden, um eine Verzögerung eines weiteren elektrischen Winkels von 10 Grad von den Primärwicklungen 40 bereitzustellen. Wenn die Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter symmetrisch gesteuert werden, dann wird folglich eine Spannung oder ein Strom von Leistungsversorgungsoberwellen, die niedriger als die Oberwellen der 22-ten Ordnung von der Leistungsversorgungsfrequenz ist, prinzipiell nicht erzeugt.

Während die Phasendifferenz zwischen den Sekundärwicklungen des Dreiphasentransformators 30 gleich 60° : 3 = 20° ist, da bei dem Beispiel von 1 n = 3 ist, dann ist, wenn n = 5 ist, 60 ° : 5 = 12 ° , und eine Spannung oder ein Strom der Leistungsversorgungsoberwellen, die niedriger als die Oberwellen der 34-sten Ordnung der Leistungsversorgungsfrequenz sind, wird nicht erzeugt.

Im folgenden wird eine Gegenmaßnahme zur Verbesserung der Redundanz beschreiben. Die Eigenschaft einer mehrfachen Leistungsumwandlungsvorrichtung liegt darin, dass eine Mehrzahl von Leistungsumwandlern mit einer gleichen Funktion wie die Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 1 bis 9 von 1 verwendet werden, und dass sogar wenn einige der Leistungsumwandler auf Grund von Ausfall abgeschaltet werden, der Betrieb fortgesetzt werden kann.

Wenn angenommen wird, dass der Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 4 von 1 ausfällt, dann werden dessen Einphasenwechselstromanschlüsse u und v unter Verwendung eines Drahts oder einer Sammelschiene kurzgeschlossen, während die Ausgangsspannungen von den Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 5 und 6 erzeugt werden, die normal sind. Für die anderen Einheiten werden ebenfalls, um einen ausgeglichenen Betrieb zu ermöglichen, drei Sätze von Schaltern, die jeweils aus zwei bidirektionalen Halbleiterschaltern 11 und 14, 12 und 15 und 13 und 16 aufgebaut sind, die mit den Dreiphasenwechselstromanschlüssen r, s und t des Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichters 1 der gleichen Gruppe verbunden sind, leitend gemacht, um einzeln bei gleichen Zeitintervallen nacheinander kurzgeschlossen zu werden, so dass Ausgangsspannungen von den Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichtern 2 und 3 erzeugt werden. Auf ähnliche Weise werden drei Sätze von Schaltern, die jeweils aus zwei bidirektionalen Halbleiterschaltern aufgebaut sind, die mit den Dreiphasenwechselstromanschlüsen r, s und t des Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichters 7 der gleichen Gruppe der verbleibenden Einheit verbunden sind, leitend gemacht, um nacheinander bei gleichen Zeitintervallen einzeln kurzgeschlossen zu werden, so dass Ausgangsspannungen von den Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichtern 8 und 9 erzeugt werden.

Durch die oben beschriebene Gegenmaßnahme können ausgeglichene Ausgangsspannungen der Dreiphasen erzeugt werden. Die maximale Ausgangsspannung wird jedoch auf 2/3 derjenigen eines Normalbetriebs verringert. Außerdem ist es möglich, anstatt die drei Sätze von Schaltern, die jeweils zwei bidirektionale Halbleiterschalter aufweisen, die mit den Dreiphasenwechselstromanschlüssen r, s und t verbunden sind, leitend zu machen, um nacheinander kurzgeschlossen zu werden, die Richtung des Stroms zwischen den Einphasenwechselstromanschlüssen u und v der Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 1 und 7 zu erfassen und nacheinander jedes Mal, wenn sich die Stromrichtung umkehrt, die drei Sätze der bidirektionalen Halbleiterschalter leitend zu machen, um einzeln kurzgeschlossen zu werden, um den Betrieb durchzuführen.

2 bis 4 sind Schaltbilder, die detaillierte Aufbaubeispiele der in 1 gezeigten bidirektionalen Halbleiterschalter 11 bis 16 zeigen. Mit Bezug auf 2 bis 4 bezeichnen Bezugszeichen 51, 52, 55, 56 und 59 jeweils einen IGBT und Bezugszeichen 53, 54, 57, 58 und 60 bis 63 jeweils eine Diode.

In 2 ist eine Funktion als ein bidirektionaler Halbleiterschalter als ein einzelner bidirektionaler Halbleiterschalter aufgebaut, der aus zwei in den entgegengesetzten Polaritäten in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern zusammengesetzt ist und die jeweils aus einem Halbleiterelement (in 2 ein IGBT) mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit, wie beispielsweise einem Transistor, einem IGBT oder einem FET, und einer mit dem Halbleiterelement verbundenen Diode, so dass dessen Durchlassrichtung zu derjenigen des Halbleiterelements umgekehrt sein kann, gebildet werden. Wenn Strom von A nach B fließt, läuft er durch den IGBT 51 und die Diode 54, wenn jedoch der Strom von B nach A fließt, läuft er durch den IGBT 52 und die Diode 53.

In 3 ist eine Funktion eines bidirektionalen Halbleiterschalters als ein einfacher bidirektionaler Halbleiterschalter aufgebaut, der aus zwei in den entgegengesetzten Polaritäten parallel geschaltetem Halbleiterschaltern zusammengesetzt ist und die jeweils aus einem Halbleiterelement (in 3 ein IGBT) mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit, wie beispielsweise einen Transistor, einen IGBT oder einen FET, und einer mit dem Halbleiterelement in Reihe geschaltete Diode, so dass dessen Durchlassrichtung die gleiche wie diejenige des Halbleiterelements sein kann, gebildet. Wenn Strom von A nach B fließt, läuft er durch den IGBT 55 und die Diode 57, wenn jedoch Strom von B nach A fließt, läuft er durch den IGBT 56 und die Diode 58.

In 4 ist eine Funktion eines bidirektionalen Halbleiterschalters als ein einfacher bidirektionaler Halbleiterschalter aufgebaut, der aus vier in einer Einphasenbrückenschaltung verbundenen Dioden und einem Halbleiterelement (in 4 ein IGBT) mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit, wie beispielsweise ein Transistor, ein IGBT und ein FET, ausgebildet und mit zwei Gleichstromanschlüssen verbunden ist, so dass deren Durchlassrichtung die gleiche wie diejenige der Dioden sein kann, während zwei Wechselstromanschlüsse der Einphasenbrücke als Eingangs- und Ausgangsanschlüsse verwendet werden. Wenn Strom von A nach B fließt, läuft er durch die Diode 60, den IGBT 59 und die Diode 63, wenn jedoch Strom von B nach A fließt, läuft er durch die Diode 62, den IGBT 59 und die Diode 61.

5 ist ein Schaltbild einer Ansteuerschaltung, die eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations(hier nachstehend einfach als PWM bezeichnet)-Direktumrichtersystems einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. In 5 bezeichnen Bezugszeichen 51 bis 59 Dreiphasen/Einphasen-PWM-Diektumrichter, 60 bezeichnet einen Hochspannungswechselstrommotor, der ein Objekt einer Ansteuerung ist, 61 bis 66 bezeichnen bidirektionale Halbleiterschalter, 67 bis 69 Filterkondensatoren, 71 bis 79 Dreiphasenwechselstromdrosseln, 91, 92 und 93 Dreiphasentransformatoren, 81 bis 89 Sekundärwicklungen der Dreiphasentransformatoren 91, 92 und 93 sowie 94, 95 und 96 Primärwicklungen der Dreiphasentransformatoren 91, 92 und 93.

Da die Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 51 bis 59 einen gleichen-Aufbau aufweisen, wird die Beschreibung des Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichters 51 angegeben. Der Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 51 umfasst sechs bidirektionale Halbleiterschalter 61 bis 66, drei Filterkondensatoren 67 bis 69, Dreiphasen-Wechselstromanschlüsse r, s, t und Einphasen-Wechselstromanschlüsse u und v. Die sechs bidirektionalen Halbleiterschalter 61 bis 66, durch die Strom in entgegengesetzten Richtungen fließen kann und die Selbsteinschalten und Selbstausschalten ermöglichen, sind in einer Dreiphasenbrückenschaltung mit den Dreiphasen-Wechselstromanschlüssen r, s und t und den Einphasen-Wechselstromanschlüssen u und v verbunden, und die Filterkondensatoren 67 bis 69 sind in einer Dreieckschaltung mit den Dreiphasen-Wechselstromanschlüssen r, s und t verbunden.

Während im allgemeinen Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter als eine Kombination von 3 × n derartiger Direktumrichter verwendet werden, zeigt 5 ein Beispiel, bei dem n = 3 ist und 9 derartige Direktumrichter auf ähnliche Weise wie in 1 beteiligt sind. Bei dem vorliegenden Beispiel sind die Dreiphasen-Wechselstromanschlüsse r, s und t der neun Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 51 bis 59 mit den neun Sätzen von Sekundärwicklungen 81 bis 89 der m (1 ≤ m ≤ n) Dreiphasentransformatoren, die jeweils einen Satz von Primärwicklungen und 3 × j (j = n/m) Sätze von Sekundärwicklungen aufweisen (da n = 3 in dem vorliegenden Beispiel ist, ist m = 3 und j = 1), das heißt, dass der Dreiphasentransformator 91 mit einem Satz von Primärwicklungen 94 und drei Sätzen von Sekundärwicklungen 81, 84 und 87, der Dreiphasentransformator 92 mit einem Satz von Primärwicklungen 95 und drei Sätzen von Sekundärwicklungen 82, 85 und 88, und der Dreiphasentransformator 93 mit einem Satz von Primärwicklungen 96 und drei Sätzen von Sekundärwicklungen 83, 86 und 89 durch die neun Dreiphasen-Wechselstrom-Drosseln 71 bis 79 jeweils verbunden sind. Die Primärwicklungen 94 bis 96 sind mit einer Wechselstromleistungsversorgung verbunden. Es ist ansonsten möglich, anstatt der Dreiphasenwechselstromdrosseln 71 bis 79 Streuinduktivitäten der Sekundärwicklungen 81 bis 89 der Dreiphasentransformatoren 91 bis 93 zu verwenden.

Die Wechselstromanschlüsse u und v der drei Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 51 bis 53 sind in Reihe geschaltet, um eine Einheit zu bilden, während die Wechselstromanschlüsse u und v der drei Einphasen-PWM-Direktumrichter 54 bis 56 und 57 bis 59 in Reihe geschaltet sind, um auf ähnliche Weise zwei Einheiten zu bilden, und eines der Enden der drei Einheiten ist in einer Sternschaltung verbunden, während die anderen Enden mit dem Hochspannungswechselstrommotor 60 verbunden sind, der als eine Last dient.

Durch die oben beschriebene Kombination wird eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen PWM-Direktumrichterssytems von Dreiphaseneingängen und Dreiphasenausgängen aufgebaut.

Grundwellenspannungen von Wechselstromausgängen, die an die Einphasen-Wechselstromanschlüsse u und v der drei Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter (bei dem vorliegenden Beispiel 51 bis 53, 54 bis 56 und 57 bis 59) jeder Einheit ausgegeben werden, werden gesteuert, so dass sie eine gleiche Phase aufweisen können, und die drei Einheiten werden gesteuert, so dass sie Wechselstromausgaben erzeugen können, deren elektrischen Winkel der Grundwellenspannungsphasen sich um 120 Grad in der Phase voneinander unterscheiden.

Da jeder der Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 51 bis {50 + (3 × n)} (bei dem vorliegenden Beispiel 51 bis 59) als eine einphasige Last dienen, um einen Lastausgleich auf der Leistungsversorgungsseite einzurichten und einen Oberwellenstrom niedriger Ordnung zwischen den Sekundärwicklungen der drei Dreiphasentransformatoren 91 bis 93 auszulöschen, werden die Wicklungen der Dreiphasentransformatoren 91 bis 93, das heißt der Sekundärwicklungen 81, 84 und 87 des Dreiphasentransformators 91, die mit den Wechselstromanschlüssen r, s und t der Einphasen-PWM-Direktumrichter 51, 54 und 57 der ersten Einheit verbunden sind, die Sekundärwicklungen 82, 85 und 88 des Dreiphasentransformators 92, die mit den Wechselstromanschlüssen r, s und t der Einphasen-PWM-Direktumrichter 52, 55 und 58 der zweiten Einheit verbunden sind, und die Sekundärwicklungen 83, 86 und 89 des Dreiphasentransformators 93, die mit den Wechselstromanschlüssen r, s und t der Einphasen-PWM-Direktumrichter 53, 56 und 59 der dritten Einheit verbunden sind, in den gleichen Bedingungen gewickelt, so dass induzierte Spannungen gleiche Phasen aufweisen können. Bei dem Beispiel von 5 sind die Sekundärwicklungen 81 bis 89 der drei Dreiphasentransformatoren 91, 92 und 93 in einer Dreieckschaltung verbunden, während die Primärwicklungen 94 des Dreiphasentransformators 91 in einer Zickzackschaltung gewickelt sind, so dass sie eine Verzögerung eines elektrischen Winkels von 50 Grad mit Bezug auf die Sekundär-Wicklungen 81, 84 und 87 darstellen. Die Primärwicklungen 95 des Dreiphasentransformators 92 sind in einer Sternschaltung gewickelt, so dass sie eine Verzögerung eines elektrischen Winkels von 30 Grad mit Bezug auf die Sekundärwicklungen 82, 85 und 88 bereitstellen. Die Primärwicklungen 96 des Dreiphasentransformators 93 sind in einer Zickzackschaltung gewickelt, so dass sie eine Verzögerung eines elektrischen Winkels von 10 Grad mit Bezug auf die Sekundärwicklungen 83, 86 und 89 bereitstellen.

Wenn die Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter symmetrisch gesteuert werden, dann wird folglich prinzipiell keine Spannung oder kein Strom von Leistungsversorgungsoberwellen niedriger als Oberwellen der 22-sten Ordnung der Leistungsversorgungsfrequenz erzeugt.

Eine Gegenmaßnahme zur Verbesserung der Redundanz und der Aufbau der bidirektionalen Halbleiterschalter sind die gleichen wie diejenigen der ersten Ausführungsform, und demgemäß wird eine Beschreibung von ihnen hier weggelassen.

Während die oben beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit einem Beispiel eines Hochspannungs-Wechselstrommotors beschrieben werden, ist die Anwendung der Leistungsumwandlungsvorrichtung und des Leistungsumwandlungsverfahrens des mehrfachen Dreiphasen-PWM-Direktumrichtersystems der vorliegenden Erfindung nicht auf einen Hochspannungswechselstrommotor begrenzt, sondern sie können auf alle Wechselstrommotoren angewendet werden.

Wie es oben beschrieben ist, wobei ein mehrfacher Dreiphasen-PWM-Direktumrichter der vorliegenden Erfindung verwendet wird, da eine Gleichstromschaltung, wie beispielsweise ein Invertersystem, nicht erforderlich ist, ist eine Miniaturisierung einfach, und da die Anzahl von Elementen, die in Reihe auf einem Weg von einer Leistungsversorgung zu einer Last angeordnet sind, klein ist, ist der Elementverlust niedrig und der Wirkungsgrad hoch. Da ferner die Signalverlaufsteuerung der einzelnen Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter durch die oben beschriebenen Mittel durchgeführt wird, werden Eingangs- und Ausgangsspannungen und Ströme von Signalverläufen niedriger Verzerrung erhalten, und die Versorgung und die Regeneration der Leistung kann frei auf Grund direkter Wechselstrom/Wechselstromumwandlung durchgeführt werden. Ferner ist sogar bei einem Ausfall der Betrieb mit einem normalen Teil möglich.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT DER ERFINDUNG

Auf diese Art und Weise weisen eine Leistungsumwandlungsvorrichtung eines mehrfachen Dreiphasen-Pulsbreitenmodulations-Direktumrichtersystems der vorliegenden Erfindung und ein Leistungsumwandlungsverfahren, bei dem die Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet wird, eine Wirkung auf, dass sie technische Aufgaben, wie beispielsweise Energieerhaltung, Ressourcenerhaltung, Miniaturisierung, Wirkungsgradverbesserung und Unterdrückung der Spannungs- und Stromsignalverlaufverzerrung zur Umweltverbesserung lösen können, die von dem Markt verlangt werden, und ferner die Redundanz und die Zuverlässigkeit beim Betrieb anheben können, und sie folglich die Möglichkeit aufweisen, dass sie weitverbreitet für die Steuerung von Wechselstrommotoren verwendet werden können, für die eine veränderbare Drehzahlansteuerung erforderlich ist.

BESCHREIBUNG VON BEZUGSZEICHEN 1 bis 9, 51 bis 59 Dreiphasen/Einphasen-PWM-Direktumrichter 10, 60 Hochspannungswechselstrommotor, der ein Objekt der Ansteuerung ist. 11 bis 16, 61 bis 66 bidirektionaler Halbleiterschalter 17 bis 19, 67 bis 69 Filterkondensator 21 bis 29, 71 bis 79 Dreiphasenwechselstromdrossel 30, 91 bis 93 Dreiphasentransformator 31 bis 39, 81 bis 89 Sekundärwicklung des Dreiphasentransformators 30 40, 94 bis 96 Primärwicklung des Dreiphasentransformators 30 51, 52, 55, 56, 59 IGBT 53, 54, 57, 58, 60 bis 63 Diode 101 Invertereinheit 102 Glättungskondensatoreinheit 103 regenerative Wandlereinheit 104A, 104B Wechselstromdrossel 105 Dreiphasentransformator 106 Invertereinheit 107 Glättungskondensatoreinheit 108 regenerative Wandlereinheit 109 Wechselstromdrossel 110 Abwärtstransformator 111 Aufwärtstransformator

Anspruch[de]
  1. Leistungsumwandlungsvorrichtung eines Mehrfach-Dreiphasen-Impulsbreitenmodulations-Direktumrichtersystem zum Ansteuern eines Hochspannungs-Wechselstrommotors mit einer veränderlichen Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass

    die Leistungsumwandlungsvorrichtung umfasst: m Dreiphasen-Transformatoren (30), wobei 1 ≤ m ≤ n ist, die jeweils einen einzigen Satz von Primärwicklungen (40) und 3 × j Sätze (3139) von Sekundärwicklungen aufweisen, wobei j = n/m ist, 3 × n Dreiphasen-Drosseln (2129), die einzeln mit den Sekundärwicklungen verbunden sind, und 3 × n Dreiphasen/Einphasen-Impulsbreitenmodulations-Direktumrichter (19), die einzeln mit den Dreiphasen-Drosseln (2129) verbunden sind,

    wobei die Primärwicklungen des Dreiphasen-Transformators mit einer externen Wechselstromversorgung verbunden werden können, während die 3 × n Sekundärwicklungen in drei Einheiten (3133, 3436, 3739) angeordnet sind, wobei jede Einheit n Sätze von Sekundärwicklungen aufweist, wobei sich die Phasen elektrischer Ausgaben dieser Wicklungen um 60° : k unterscheiden, wobei 1 ≤ k ≤ n ist, wobei die Sekundärwicklungen in den drei Einheiten mit elektrischen Ausgaben der gleichen Phase n Gruppen (31, 34, 37; 32, 35, 38; 33, 36, 39) bilden, wobei die Sekundärwicklungen, die Drosseln und die Direktumrichter in Reihe geschaltet sind,

    wobei jeder Direktumrichter umfasst: Dreiphasen-Wechselstromanschlüsse (r, s, t), die mit entsprechenden der Dreiphasen-Drosseln verbunden sind, drei Filterkondensatoren (1719), die in Dreieck- oder Stern-Schaltung mit den Dreiphasen-Wechselstromanschlüssen verbunden sind, sechs Impulsbreitenmodulations-gesteuerte, bidirektionale Halbleiterschalter (11– 16), die imstande sind, Strom in entgegengesetzten Richtungen dadurch fließen zu lassen und ein Selbstanschalten und Selbstausschalten zu ermöglichen, und extern verbundene Einphasen-Wechselstromanschlüsse (u, v), wobei die sechs bidirektionalen Halbleiterschalter in einer Dreiphasen-Brückenschaltung mit den Dreiphasen-Wechselstromanschlüssen und den Einphasen-Wechselstromanschlüssen verbunden sind, so dass die Phasen der elektrischen Ausgaben an den Einphasen-Wechselstromanschlüssen (u, v) der Direktumrichter (19) jeder Einheit gleich und mit einer 120°-Phasendifferenz zwischen den Einheiten sein können;

    die Direktumrichter jeder Einheit in Reihe über die Einphasen-Wechselstromanschlüsse geschaltet sind, wobei entsprechende der Einphasen-Wechselstromanschlüsse an einem Ende der Reihenschaltung jeder Einheit zusammengeschaltet sind, und die entsprechenden der Einphasen-Wechselstromanschlüsse an dem anderen Ende der Reihenschaltung jeder Einheit mit jeweiligen Eingangsanschlüssen des externen Hochspannungs-Wechselstrommotors verbunden sind.
  2. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei m = 1 ist.
  3. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die anstatt der Dreiphasen-Drosseln Mittel zum Verwenden von Streuinduktivitäten der Sekundärwicklungen umfasst.
  4. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der bidirektionalen Halbleiterschalter zwei Halbleiterschalter, die jeweils ein Halbleiterelement (51, 52) mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit aufweisen, und eine Diode (53, 54) umfasst, die umgekehrt parallel mit dem Halbleiterelement verbunden ist, so dass eine Durchlassrichtung derselben entgegengesetzt derjenigen des Halbleiterelements ist, wobei die beiden Halbleiterschalter in Reihe geschaltet sind, so dass Polaritäten derselben entgegengesetzt zueinander sind.
  5. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der bidirektionalen Halbleiterschalter zwei Halbleiterschalter, die jeweils ein Halbleiterelement (55, 56) mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit aufweisen, und eine Diode (57, 58) umfasst, die mit dem Halbleiterelement in Reihe geschaltet ist, so dass eine Durchlassrichtung derselben mit derjenigen des Halbleiterelements koinzidiert, wobei die beiden Halbleiterschalter parallel geschaltet sind, so dass Polaritäten derselben entgegengesetzt zueinander sind.
  6. Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der bidirektionalen Halbleiterschalter derart aufgebaut ist, dass ein Halbleiterelement (59) mit einer selbstunterbrechenden Fähigkeit mit zwei Gleichstromanschlüssen von vier Dioden (6063) verbunden sind, die in einer Einphasenbrücke verbunden sind, so dass Durchlassrichtungen in der gleichen Richtung sein können, und zwei Wechselstromanschlüsse der Einphasenbrücke als Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse verwendet werden.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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