DE60201714T2

DE60201714T2 - Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung für ein Wechselrichtergerät und Wechselstrom-Erfassungsverfahren für dieses

Info

Publication number: DE60201714T2
Application number: DE60201714T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Narashino-shi Hiraga; Junji Chiyoda-ku Kato; Tetsuya Chiyoda-ku Kimura; Teiichi Chiyoda-ku Furukawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: EP1280264B1; EP1280264A2; JP4377091B2; DE60201714D1; US20030020430A1; JP2003047261A; EP1280264A3; US6693404B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wechselrichtergerät zur Ausgabe einer Dreiphasen-Wechselspannung beliebiger Frequenz anhand einer Gleichspannung, um dadurch die Geschwindigkeit eines Induktionsmotors zu variieren, und insbesondere ein Wechselrichtergerät, das die Erfassung eines Ausgangswechselstroms benötigt, und ein Wechselstrom-Erfassungsverfahren für dieses.
Wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Hei 4(1992)-178197 offenbart ist, kann eine Stromerfassungsschaltung zum Erfassen momentaner Phasenströme der jeweiligen U-, V- und W-Phasen eines Motors bereitgestellt werden, um die Werte von Dreiphasen-Wechselströmen zu erhalten. Es sei bemerkt, daß die vorliegende Veröffentlichung zeigt, daß die Momentanströme der jeweiligen Phasen unter Verwendung dieser Stromerfassungsschaltung und einer Stromerfassungsschaltung zum Erfassen eines Ausgangsgleichstroms bestimmt werden und daß die bestimmten Ströme addiert werden, um dadurch die von einer Last verbrauchte Leistung zu erhalten.
Falls Ausgangswechselströme mit wenigstens zwei Phasen theoretisch erfaßt werden können, werden Ausgangswechselströme von drei Phasen als die Dreiphasen-Wechselströme erhalten. Demgemäß werden Ausgangswechselstromwerte und ein Leistungsfaktorwinkel erhalten.
Daher wurde beim herkömmlichen Wechselrichtergerät ein Stromsensor für wenigstens zwei Phasen von Ausgangswechselströmen bereitgestellt, wobei es erforderlich ist, eine Stromerfassung mit guter Genauigkeit auszuführen.
Die Größenverringerung des Wechselrichtergeräts hat in den letzten Jahren Fortschritte gemacht. Die belegte physika lische Größe eines Stromsensors zum Erfassen von Phasenwechselströmen in dem Wechselrichtergerät ist nicht mehr vernachlässigbar.
Wenngleich auch eine Einrichtung zum Erfassen nur eines Stroms eines Gleichstromabschnitts und zum Schätzen des Zustands eines Wechselstroms bekannt ist, ermöglicht der Strom des Gleichstromabschnitts nur die Erfassung einer Wirkstromkomponente des Wechselstroms und schließt die Erfassung einer Blindstromkomponente aus. Daher können ein wahrer Wechselstromwert und ein Leistungsfaktorwinkel nicht erhalten werden.
Wenngleich das Bereitstellen eines Wechselstrom-Erfassungssensors und eines Gleichstrom-Erfassungssensors in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 4(1992)-207992 beschrieben wurde, sind diese Stromsensoren als Sensoren zur Erfassung abnormer oder ungeeigneter Signale vorgesehen. Sie sind nicht zum Bestimmen eines Ausgangs-Wechselstromwerts und eines Leistungsfaktors vorgesehen.
Eine bevorzugte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technologie zum Einrichten eines Stromerfassungssystems hoher Genauigkeit unter Verwendung einer geringeren Anzahl von Stromsensoren und zum Implementieren einer Größenverringerung eines Wechselrichtergeräts mit einer guten Stromerfassungsgenauigkeit bereitzustellen.
Falls ein Wechselstromwert |I1| und ein Leistungsfaktorwinkel θ durch Ausführen einer Erfassung eines Stroms Idc eines Gleichstromabschnitts und einer Erfassung eines Wechselstroms Iu erhalten werden können, wird die Genauigkeit der Stromerfassung zufriedenstellend.
Hierzu ist es erforderlich, entweder eine Einrichtung zum Bestimmen von Schaltmustern von Hauptelementen und zum Bestimmen einer Stromkomponente von Idc oder eine Einrichtung zum Erfassen eines Maximalwerts von Idc bereitzustellen. Das Bereitstellen sowohl der Einrichtung zum Bestimmen der Schaltmuster der Hauptelemente und zum Bestimmen der Strom komponente von Idc als auch der Einrichtung zum Erfassen des Maximalwerts von Idc ermöglicht eine stabilere Stromerfassung.
Demgemäß ist es möglich, die Anzahl der Stromsensoren zu verringern, die Genauigkeit der Erfassung eines Wechselstroms eines Wechselrichtergeräts zu erhöhen und das Wechselrichtergerät zu verkleinern.
Die Erfindung ist durch den unabhängigen Anspruch 1 definiert.
1 ist ein Diagramm, in dem das Prinzip einer Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist, die zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist,
2 ist ein Vektordiagramm, in dem die Beziehung zwischen jeweiligen Spannungen und erfaßten Strömen dargestellt ist,
3 ist ein Blockdiagramm, in dem eine Ausführungsform einer Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist, die zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist,
4 ist ein Blockdiagramm, in dem eine weitere Ausführungsform einer Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist, die zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist, und
5 ist ein Blockdiagramm, in dem eine weitere Ausführungsform einer Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist, die zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung anhand mehrerer erläuterter Beispiele beschrieben.
1 ist ein Diagramm, in dem das Prinzip einer in einem Wechselrichtergerät verwendeten Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung beinhaltet Transistoren TrU, TrV, TrW, TrX, TrY und TrZ, die Hauptelementen zum Erzeugen einer durch ein PWM-System von einem Gleichspannungsabschnitt Vdc gesteuerten Endausgabe entsprechen, Dioden DU, DV, DW, DX, DY und DZ, die jeweils parallel zu diesen Transistoren geschaltet sind, einen Stromsensor Sdc zum Erfassen eines durch den Gleichspannungsabschnitt fließenden Stroms Idc und einen Wechselstromsensor Su zum Erfassen eines beliebigen ausgegebenen Wechselstroms Iu von Dreiphasen-Wechselströmen. Eine Bezugszahl 10 gibt einen Induktionsmotor an, der durch Ströme der Phasen U, V und W, d. h. die Ströme Iu, Iv und Iw, gesteuert wird.
Weiterhin ist die Vorrichtung mit einer Idc-Komponentenbestimmungseinrichtung 11 zum Bestimmen, ob der vom Gleichstromsensor Sdc erfaßte Gleichstrom Idc als einer der Ströme mit den Phasen U, V und W, also als einer der Ströme Iu, Iv und Iw, erfaßt wird, einer Idc-Maximalwert-Erfassungseinrichtung 12 zum Erfassen eines Maximalwerts des Stroms Idc während einer vorgegebenen Zeit, einer Leistungsfaktorwinkel-Berechnungseinheit 13 zum Berechnen eines Leistungsfaktors anhand des Werts des vom Wechselstromsensor Su erfaßten Wechselstroms, beispielsweise des Wechselstroms Iu und der Ausgaben der Idc-Komponentenbestimmungseinrichtung 11 und der Idc-Maximalwert-Erfassungseinrichtung 12, und einer Stromwert-|I1|-Berechnungseinheit 14 zum Berechnen eines Stromwerts |I1| anhand des vom Wechselstromsensor Su erfaßten Wechselstroms Iu versehen. Die Leistungsfaktorwinkel-Berechnungseinheit 13 bestimmt einen Leistungsfaktorwinkel θ, und die Stromwert-|I1|-Berechnungseinheit 14 bestimmt einen Stromwert |I1|. Es sei bemerkt, daß der Maximalwert von Idc im Fall der Dreiphasen-Wechselströme während eines Zyklus sechsmal erzeugt wird.
2 ist ein Vektordiagramm, in dem die Beziehung zwischen jeweiligen Spannungen und erfaßten Strömen dargestellt ist.
In 2 ist die Grundvektorachse einer Ausgangsspannung des Wechselrichtergeräts in Richtung einer stationären V1-Koordinatenachse aufgetragen, ein U-Phasen-Spannungsvektor bei wirklichen Ausgaben entsprechenden Dreiphasen-Ausgangsspannungen in Richtung einer Vu-Achse aufgetragen, ein V-Phasen-Spannungsvektor in Richtung einer Vv-Achse aufgetragen und ein W-Phasen-Spannungsvektor in Richtung einer Vw-Achse aufgetragen. Die Ursprungspunkte der jeweiligen Koordinaten und Vektoren in, 2 sind als 0 definiert, und die Vu-Achse, die Vv-Achse und die Vw-Achse geben jeweilige Drehkoordinaten an. Die Phasendifferenz zwischen den jeweiligen benachbarten Achsen wird stets als (2·π/3) rad angenommen. Sie werden entsprechend der Ausgabe des Wechselrichtergeräts entgegen dem Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn mit dem Ursprung 0 als Mittelpunkt gedreht.
Als nächstes sei ein Fall betrachtet, in dem ein Induktionsmotor als Last an die Ausgangsseite des Wechselrichtergeräts angeschlossen ist. In diesem Fall ergibt sich die in 2 dargestellte Vektorbeziehung zwischen den Spannungen und Strömen dieser Dreiphasen-Wechselspannungsausgaben.
Nun sei in 2 der Fall betrachtet, in dem eine gegebene Dreiphasen-Wechselspannung ausgegeben wird. In diesem Fall wird zuerst eine auszugebende Phasenspannung bestimmt, und die Vektorrichtung wird in Richtung der V1-Achse oberhalb von dieser eingetragen. Es sei der Fall betrachtet, in dem V1 in Spannungskoordinatenachsen mit den jeweiligen Phasen, die wiederum als Vu, Vv bzw. Vw definiert sind, konvertiert (gedreht) wird und diesen drei Phasen entsprechende Spannungsvektoren mit einer gegebenen Winkelfrequenz ω gedreht werden. Unter der Annahme, daß jeweilige Leitungsströme, die bei den jeweiligen Phasenspannungen fließen, als Iu, Iv bzw. Iw definiert sind, werden sie so dargestellt, wie in 2 dargestellt ist. Hierbei gibt θ in 2 einen abhängig vom Zustand des Induktionsmotors bestimmten Leistungsfaktorwinkel an.
Weil im Fall eines Dreiphasen-Wechselstroms |Iu| = |Iv| = |Iw| gilt, weisen Iu von der Vu-Achse, Iv von der Vv-Achse und Iw von der Vw-Achse identische Beziehungen zueinander auf. Wenn eine zur Konvertierung von V1 in die Spannungsachsen mit den jeweiligen Phasen entgegengesetzte Konvertierung für Iu, Iv und Iw ausgeführt wird, führen Iu, Iv und Iw in 2 alle zu I1. Demgemäß kann der Leitungsstrom, der bei der zuvor bestimmten Spannung V1 fließt, mit I1 bezeichnet werden. Falls der Leistungsfaktorwinkel θ festgelegt ist, ist die Beziehung zwischen dem Leistungsfaktorwinkel und der V1-Achse eindeutig bestimmt. Falls die Beziehung zwischen V1 und I1 bestimmt wurde, können Iu, Iv und Iw erfaßt werden.
Ein Strom I1 wird zuerst in der in 1 dargestellten Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung bestimmt.
Weil ein durch den Wechselstromsensor Su, der mit der U-Phase eines in 1 dargestellten Wechselstromabschnitts verbunden ist, erfaßbarer Wert durch die Projektion von I1 auf die Iu-Achse erfaßt wird, wird er anhand der folgenden Gleichung in 2 als Iud1 dargestellt: Iud1 = |I1|cosθiu (1)
Weil ein zwischen Iu und I1 gebildeter Winkel θiu ein gemeinsamer Winkel ist und hier |Iu| = |I1| ist, sind der durch Projizieren von Iu auf die I1-Achse erhaltene Betrag |Iud2| von Iud2 und |Iud1| gleich. Demgemäß läßt sich Iud2 folgendermaßen angeben: Iud2 = |Iu|cosθiu = |I1|cosθiu (2)
Weiterhin wird der zwischen Iu und I1 gebildete Winkel θiu anhand eines zwischen der Vu-Achse und der V1-Achse gebildeten Winkels θvu und eines Leistungsfaktorwinkels θ bestimmt. Dieser Winkel läßt sich folgendermaßen ausdrücken: θiu = θvu – θ + θ = θvu (3)
Weil θvu ein Drehwinkel der Vu-Achse zur V1-Achse zu dieser Zeit ist, läßt er sich anhand einer Ausgangswinkelfrequenz ω und der Zeit t bestimmen. Daher führt θvu zu einem Sollwert.
Weil zu dieser Zeit |Iu| = |I1| ist und θvu der Sollwert ist, lassen sich |Iu| und |I1I folgendermaßen ausdrücken: |Iu| = |Iud2|/cosθvu (4) |I1I = Iud1/cosθvu (5)
Auf diese Weise wird |I1| bestimmt. Wenn jedoch cosθvu = 0 ist, d. h. der zwischen der V1-Achse und der Vu-Achse gebildete Winkel θvu als (π/2) rad und (3·π/2) rad gegeben ist, hat die vorstehende Gleichung |I1| keine Lösung und wird in einen nicht erfaßbaren Zustand gebracht. Weil jedoch eine Änderung Δcosθvu in bezug auf den unmittelbar vorhergehenden cosθvu zu dieser Zeit so nahe wie möglich bei null liegt, kann ein Momentanstrom |I1| bei cosθvu = 0 eine Näherung für |I1| = |I1(n – 1)| bilden, falls der Strom |I1|, der unmittelbar vor cosθvu = 0 geflossen ist, durch |I1|(n – 1) gegeben ist.
Demgemäß läßt sich |I1| anhand der folgenden Gleichung bestimmen: |I1| = |Iud1|/cosθvu (6)
Wenn jedoch θvu als (π/2) rad und (3·π/2) rad bestimmt ist, läßt sich |I1| folgendermaßen angeben: |I1| = |I1|(n – 1) (7)
Eine Ausführungsform einer in einem Wechselrichtergerät verwendeten Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung wird nachstehend erklärt.
3 ist ein Blockdiagramm, in dem eine Ausführungsform der in dem Wechselrichtergerät verwendeten Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist. Die gleichen Elemente der Struktur wie jene, die in 1 dargestellt sind, sind jeweils mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und es wird daher auf ihre Beschreibung verzichtet.
In der Zeichnung ist ein Nebenschlußwiderstand Rsh als ein Gleichstromsensor Sdc bereitgestellt. Eine an den Nebenschlußwiderstand Rsh angelegte Spannung wird in einen Spannungsverstärker 31 eingegeben und durch einen A/D-Wandler (Analog/Digital-Wandler) 32 in digitale Form umgewandelt, woraufhin sie der Idc-Komponentenbestimmungseinrichtung 11 und der Idc-Maximalwert-Erfassungseinrichtung 12 zugeführt wird. Die Ausgaben der Idc-Komponentenbestimmungseinrichtung 11 und der Idc-Maximalwert-Erfassungseinrichtung 12 werden einer Leistungsfaktorwinkel-θ-Berechnungseinheit 13 zugeführt.
Ein von einem Wechselstromsensor Su erfaßter Wechselstrom wird durch einen Spannungsverstärker 33 verstärkt und anschließend durch einen A/D-Wandler 34 in digitale Form umgewandelt und wiederum der Leistungsfaktorwinkel-θ-Berechnungseinheit 13 und einer Stromwert-|I1|-Berechnungseinheit 14 zugeführt. Ein Leistungsfaktorwinkel θ und ein Stromwert |I1|, die dadurch jeweils berechnet wurden, werden in eine d-q-Konvertierungs- und Stromsteuereinrichtung 35 eingegeben, um Erregungsströme id und iq für einen d-Achse und eine q-Achse zu bestimmen und es dadurch zu ermöglichen, einen Induktionsmotor 10 zu steuern.
Um weitere Einzelheiten zu beschreiben, sei bemerkt, daß bei der Ausführungsform aus 3 ein Strom Idc eines Gleichstromabschnitts zuerst durch einen Nebenschlußwiderstand Rsh fließen gelassen wird und einer Strom-Spannungs-Wandlung unterzogen wird, woraufhin er erfaßt wird.
Danach bewirkt der Spannungsverstärker 31 eine mit der Skalenverstärkung des A/D-Wandlers 32 entsprechend einer nächsten Stufe übereinstimmende Verstärkung der erfaßten Spannung. Anschließend führt der A/D-Wandler 32 eine Konvertierung in einen Digitalwert aus. Die Idc-Komponentenbestimmungseinrichtung 11 bestimmt Iue1, und die Idc-Maximalwert-Erfassungseinrichtung 12 bestimmt Iue2. Sie werden an die Leistungsfaktorwinkel-θ-Berechnungseinheit 13 ausgegeben.
Andererseits wird ein einer Phase entsprechender Wechselstrom durch den Wechselstromsensor Su einer Strom-Spannungs-Wandlung unterzogen und anschließend erfaßt. Danach bewirkt der Spannungsverstärker 33 eine mit der Skalenverstärkung des A/D-Wandlers 34 einer nächsten Stufe übereinstimmende Verstärkung der erfaßten Spannung. Danach wird der durch den A/D-Wandler 34 in einen Digitalwert umgewandelte Strom Iud1 an die Stromwert-|I1|-Berechnungseinheit 14 und die Leistungsfaktorwinkel-θ-Berechnungseinheit 13 ausgegeben.
Die Stromwert-|I1|-Berechnungseinheit bestimmt einen Stromwert |I1| anhand der Eingabe Iud1 und des bekannten Werts θvu und gibt ihn aus. Überdies bestimmt die Leistungsfaktorwinkel-θ-Berechnungseinheit 13 θ anhand der Eingaben Iue1, Iue2 und Iud1 und des bekannten Werts θvu und gibt den Wert θ aus. Weil sich die Beziehung zwischen V1 und I1 anhand der vorstehend erwähnten |I1| und θ verstehen läßt, wird eine d-q-Wandlung ausgeführt, so daß die Stromsteuerung vorgenommen werden kann.
Weil die Leistungsfaktorwinkel-θ-Berechnungseinheit 13 gemäß der bevorzugten Ausführungsform den Leistungsfaktorwinkel θ unter Verwendung von Iue1, Iue2 und Iud1 und dem bekannten Wert θvu bestimmt, kann der Leistungsfaktorwinkel θ genau bestimmt werden.
Als Verfahren zum Bestimmen von Leistungsfaktorwinkeln θ können ein Verfahren zum Erfassen eines Stroms Idc eines Gleichstromabschnitts entsprechend Schaltzeiten und Schalt mustern von Hauptelementen und zum Erfassen eines Wechselstromwerts entsprechend einer Phase, um dadurch einen Leistungsfaktorwinkel zu bestimmen, und ein Verfahren zum Erfassen eines Maximalwerts eines Stroms Idc eines Gleichstromabschnitts und zum Erfassen eines Wechselstromwerts entsprechend einer Phase, um dadurch einen Leistungsfaktorwinkel zu bestimmen, genannt werden.
Zuerst wird das Verfahren zum Erfassen des Gleichstroms Idc in Übereinstimmung mit den Schaltzeiten und Schaltmustern der Hauptelemente zum Erfassen eines einer Phase entsprechenden Wechselstromwerts, um dadurch den Leistungsfaktorwinkel zu bestimmen, beschrieben.
Die durch den Stromsensor Sdc des in 1 dargestellten Gleichstromabschnitts erfaßbaren Werte sind Iu, Iv bzw. Iw. Sie haben jeweilige als Iue1, Ive1 und Iwe1, die durch Projizieren von Iud1, Ivd1 und Iwd1 auf ihre entsprechenden Spannungsachsen Vu, Vv und Vw erhalten werden, erfaßte Wirkstromkomponenten.
Weil nicht wirksame Stromkomponenten von Iu, Iv und Iw Stromkomponenten sind, die durch eine rückwärtsgerichtete elektromotorische Kraft des Motors erzeugt werden, fließen sie durch einen Weg, der durch eine Parallelschaltung der Transistoren TrU, TrV, TrW, TrX, TrY und TrZ, entsprechend den Hauptelementen und den Dioden DU, DV, DW, DX, DY und DZ, gebildet ist. Überdies fließen sie erneut zwischen dem Weg und dem Induktionsmotor (Motor) 10. Dementsprechend erscheinen keine Blindstromkomponenten bei dem Strom Idc des in 1 dargestellten Gleichstromabschnitts.
Es seien Ein- und Ausschaltmuster der Hauptelemente betrachtet. Die Transistoren TrU und TrX, die Transistoren TrV und TrY und die Transistoren TrW und TrZ werden jedoch zueinander exklusiv gesteuert. Hier werden nur Kombinationen von Ein- und Ausschaltmustern der Transistoren TrX, TrY und TrZ betrachtet.
Es sei angenommen, daß wenn die jeweiligen Hauptelemente eingeschaltet gehalten werden, sie jeweils als TrX = 1, TrY = 1 und TrZ = 1 dargestellt sind, und daß wenn die Hauptelemente ausgeschaltet gehalten werden, sie jeweils als TrX = 0, TrY = 0 und TrZ = 0 dargestellt sind, und der Strom Idc des Gleichstromabschnitts kann dann folgendermaßen dargestellt werden: Idc = Iue1·TrX + Ive1·TrY + Iwe1·TrZ (8) Anhand der vorstehenden Gleichung ergibt sich
Bei einer Bedingung 1: TrX = TrY = TrZ = 0, Idc = 0.
Bei einer Bedingung 2: TrX = TrY = TrZ = 1,
Idc = Iue1 + Ive1 + Iwe1.
Aus Iue1 + Ive1 + Iwe1 = 0, Idc = 0.
Bei einer Bedingung 3: TrX = 1 und TrY = TrZ = 0,
Idc = Iue1.
Bei einer Bedingung 4: TrX = TrY = 1 und TrZ = 0,
Idc = Iue1 + Ive1.
Aus Iue1 + Ive1 + Iwe1 = 0, Idc = –Iwe1.
Bei einer Bedingung 5: TrX = TrZ = 1 und TrY = 0,
Idc = Iue1 + Iwe1.
Aus Iue1 + Ive1 + Iwe1 = 0, Idc = –Ive1.
Bei einer Bedingung 6: TrY = 1 und TrX = TrZ = 0,
Idc = Ive1.
Bei einer Bedingung 7: TrY = TrZ = 1 und TrX = 0,
Idc = Ive1 + Iwe1.
Aus Iue1 + Ive1 + Iwe1 = 0, Idc = –Iue1.
Bei einer Bedingung 8: TrZ = 1 und TrX = TrY = 0, Idc = Iwe1.
Demgemäß erscheinen die jeweiligen Leitungsströme außer für die Bedingungen 1 und 2 bei Idc. Dadurch treten die Schaltfrequenzen der jeweiligen Hauptelemente in ausreichendem Maße vor jenen der Dreiphasen-Ausgangswechselströme auf, und es wird eine ausreichend frühe Erfassung von Idc an den Schaltfrequenzen der Hauptelemente vorgenommen. Folglich kann Idc in jedem Schaltmuster erfaßt werden, und es können daher Iue1, Ive1 und Iwe1 erfaßt werden. Sie lassen sich folgendermaßen darstellen: Iue1 = Iud1·cosθ (11) Ive1 = Ivd1·cosθ (10) Iwe1 = Iwd1·cosθ (11)
Sie werden als jene erfaßt, die auf die Vu-Achse, die Vv-Achse und die Vw-Achse projiziert werden, die als ihre Spannungsachsen verwendet werden.
Weil hier ein durch den Wechselstromsensor Su erfaßbarer Strom Iud1 ist, wird die Aufmerksamkeit auf den Fall Iud1 = Iud1·cosθ konzentriert. Folglich wird die folgende Gleichung erhalten: cosθ = Iue1/Iud1 (12)wobei Iud1 durch den Stromsensor Su erfaßt wird und Iue1 durch den Stromsensor Sdc unter der Bedingung erfaßt wird, daß (wenn TrY = TrZ = 1 und TrX = 0, Idc = –Iue1) und (wenn TrX = 1 und TrY = TrZ = 0, Idc = Iue1) gilt.
Demgemäß führt der Leistungsfaktorwinkel θ zu θ = cos^–1(Iue1/Iud1). Wenn jedoch Iud1 = 0 ist, hat die vorstehende Gleichung cosθ keine Lösung und wird daher in einen nicht erfaßbaren Zustand versetzt. Dieser Zustand tritt dann auf, wenn die Iu-Achse und die I1-Achse orthogonal zueinander sind. Wenn andererseits der Fall betrachtet wird, in dem sich der Leistungsfaktorwinkel in jedem Moment nicht stark ändert, kann der Leistungsfaktorwinkel beim Induktionsmotor im Moment von Iud1 = 0 in etwa θ = θ(n – 1) gemacht werden, falls θ unmittelbar vor Iud1 = 0 als θ(n – 1) angesehen wird. Weiterhin entspricht der Moment, in dem die Iu-Achse und die I1-Achse einander unter rechten Winkeln schneiden, der Zeit, zu der θvu als (π/2) rad und (3·π/2) rad gegeben ist, und er tritt zur gleichen Zeit auf, zu der |I1| einer Näherungsverarbeitung unterzogen wird. Demgemäß ist der Leistungsfaktorwinkel θ der folgende: θ = cos–1(Iue1/Iud1) (13)
Wenn jedoch θvu als (π/2) rad und (3·π/2) rad gegeben ist, wird der Leistungsfaktorwinkel aus der folgenden Gleichung erhalten: θ = θ(n – 1) (14)
Als nächstes wird das Verfahren zum Erfassen des Maximalwerts des Stroms Idc des Gleichstromabschnitts und zum Erfassen des Wechselstromwerts entsprechend einer Phase, um dadurch den Leistungsfaktorwinkel zu bestimmen, beschrieben.
Wenn Iu, Iv und Iw auf ihre entsprechenden Spannungsachsen Vu, Vv und Vw projiziert werden, ergeben sich Iue2, Ive2 bzw. Iwe2. Weil sie Wirkstromkomponenten für die jeweiligen Phasen sind, ergibt sich |Iue2| = |Ive2| = |Iwe2|. Iue2, Ive2 und Iwe2 erscheinen jeweils zweimal, d. h. während eines Zyklus eines Wechselstroms insgesamt sechsmal als der Maximalwert des Stroms Idc des Gleichstromabschnitts. Sie können durch den Stromsensor Sdc erfaßt werden.
Es sei die Beziehung zwischen dem durch den Wechselstromsensor Su erfaßten Iud1, dem durch den Gleichstromsensor Sdc erfaßten Iue2, Iu und I1 betrachtet. Diese Beziehung läßt sich folgendermaßen angeben: Iue2 = |Iu|cosθ (15) Iud1 = |I1|cosθvu (16)
Aus |Iu| = |I1| wird folgendes erhalten: Iue2/cosθ = Iud1/cosθvu (17) cosθ = Iue2·cosθvu/Iud1 (18)
Demgemäß ergibt sich für den Leistungsfaktorwinkel θ: θ = cos^–1(Iue2·cosθvu/Iud1). Weil die vorstehende Gleichung cosθ jedoch keine Lösung hat, wenn Iud1 = 0 ist, wird eine ähnliche Näherungsverarbeitung wie vorstehend angegeben ausgeführt.
Demgemäß läßt sich der Leistungsfaktorwinkel θ folgendermaßen angeben: θ = cos–1(Iue2·cosθvu/Iud1) (19)
Wenn θvu jedoch als (π/2) rad und (3·π/2) rad gegeben ist, läßt sich θ folgendermaßen bestimmen: θ = θ(n – 1) (20)
4 ist ein Blockdiagramm, in dem eine weitere Ausführungsform einer zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät geeigneten Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist. Die gleichen Elemente der Struktur wie jene, die in 1 dargestellt sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und es wird hier auf ihre Beschreibung verzichtet.
Die vorliegende Ausführungsform wurde angesichts der Tatsache gebildet, daß der von der Idc-Komponentenbestimmungseinrichtung 11 ausgegebene Wert Iue1 und der von einem Wechselstromsensor Su erfaßte Wert Iud1 berechnet werden, um dadurch anhand der Gleichungen (13) und (14) einen Leistungsfaktorwinkel θ zu erhalten. Ähnlich der in 3 dargestellten Ausführungsform wird ein Stromwert |I1| berechnet und durch eine Stromwert-|I1|-Berechnungseinheit 14 anhand der Eingabe Iud1 und des bereits bekannten Werts θvu bestimmt.
Selbst im Fall der vorliegenden Ausführungsform wird die d-q-Konvertierung schließlich auf der Grundlage des Stromwerts |I1| und des berechneten Winkels θ ausgeführt, wodurch es möglich wird, eine Stromsteuerung an einem Induktionsmotor 10 auszuführen.
5 ist ein Blockdiagramm, in dem eine weitere Ausführungsform einer zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät geeigneten Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung dargestellt ist. Die gleichen Elemente der Struktur wie jene, die in 1 dargestellt sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und es wird hier auf ihre Beschreibung verzichtet.
Die vorliegende Ausführungsform wurde angesichts der Tatsache gebildet, daß der von der Idc-Maximalwert-Erfassungseinrichtung 12 ausgegebene Wert Iue2 und der von einem Wechselstromsensor Su erfaßte Wert Iud1 berechnet werden, um dadurch anhand der Gleichungen (19) und (20) einen Leistungsfaktorwinkel θ zu erhalten.
Ähnlich der in 3 dargestellten Ausführungsform wird ein Stromwert |I1| berechnet und durch eine Stromwert-|I1|-Berechnungseinheit 14 anhand der Eingabe Iud1 und des bereits bekannten Werts θvu bestimmt.
Selbst im Fall der vorliegenden Ausführungsform wird die d-q-Konvertierung schließlich auf der Grundlage des Stromwerts |I1| und des berechneten Winkels θ ausgeführt, wodurch es möglich wird, eine Stromsteuerung an einem Induktionsmotor 10 auszuführen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist ein einziger Wechselstromsensor in der Lage, den Betrag |I1| eines Ausgangswechselstroms und einen Leistungsfaktorwinkel θ zu bestimmen, wodurch die Beziehung zwischen einer Wechselspannung V1 und einem Wechselstrom I1 erfaßt werden kann. Es ist daher möglich, einen Ausgangswechselstrom eines Wechselrichtergeräts mit zufriedenstellender Genauigkeit zu erfassen.
Beim herkömmlichen Wechselrichtergerät hat ein Ausgangswechselstromabschnitt zwei oder mehr Stromsensoren benötigt, weil zwei Phasen entsprechende Ausgangswechselströme erfaßt werden, wenn versucht wird, einen Wechselstromwert und ein Leistungsfaktorwinkel zu erfassen.
Falls in diesem Fall ein Stromsensor verwendet wird, bei dem ein Hall-Element eingesetzt wird, ist der Stromsensor selbst physikalisch groß, was dazu führt, daß der Größenverringerung des Wechselrichtergeräts Grenzen gesetzt werden. In dem Fall, in dem ein Nebenschlußwiderstand oder dergleichen in einem Wechselstromabschnitt verwendet wird, um einen Strom zu erfassen, werden zweckgebundene Leistungsversorgungen in Form zweier Systeme hinzugefügt, und es ergibt sich infolge der vom Nebenschlußwiderstand erzeugten Wärme eine nachteilige Wirkung, was ähnlich dem Stromsensor, bei dem das Hall-Element oder dergleichen verwendet wird, zu einer Begrenzung der Größenverringerung des Wechselrichtergeräts führt.
Vorzugsweise kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Erfassung eines Wechselstromwerts und eines Leistungsfaktorwinkels mit einer Verringerung der Anzahl der Stromsensoren verwirklicht werden.
Vorzugsweise sind gemäß der vorliegenden Erfindung ein Wechselstromsensor und ein Gleichstromsensor jeweils in der Lage, einzeln einen Wechselstromwert und einen Leistungsfaktorwinkel zu erhalten.

Claims

Wechselstrom-Erfassungsvorrichtung eines Wechselrichtergeräts zur Ausgabe einer Dreiphasen-Wechselspannung beliebiger Frequenz aus einer Gleichspannung, um dadurch die Geschwindigkeit eines Induktionsmotors zu variieren, aufweisend: eine Gleichstrom-Erfassungseinheit zur Erfassung eines durch einen Gleichstromabschnitt fließenden Stroms, und eine Wechselstrom-Erfassungseinheit zur Erfassung eines Ausgangswechselstroms entsprechend mindestens einer Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem folgendes aufweist: von einer Gleichstromkomponenten-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung, ob der von der Gleichstrom-Erfassungseinheit erfaßte Gleichstrom einem der Dreiphasenströme entspricht, oder einer Maximalwert-Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Maximalwerts des Gleichstroms mindestens eine davon, eine Leistungsfaktorwinkel-Berechnungseinheit, und eine Ausgangsstromwert-Berechnungseinheit, wobei der von der Wechselstrom-Erfassungseinheit erfaßte Ausgangswechselstrom und die Ausgabe der genannten mindestens einen Einrichtung der Leistungsfaktorwinkel-Berechnungseinheit zur Berechnung eines Leistungsfaktorwinkels zugeführt werden und der von der Wechselstrom-Erfassungseinheit erfaßte Ausgangswechselstrom der Ausgangsstromwert-Berechnungseinheit zur Berechnung eines Ausgangsstromwerts zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Maximalwert-Stromerfassungseinrichtung den Maximalwert des Gleichstroms während 1/6 Zyklus einer Ausgangs-Wechselstromfrequenz erfaßt.
Wechselstrom-Erfassungsverfahren zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät zur Ausgabe einer Dreiphasen-Wechselspan nung beliebiger Frequenz aus einer Gleichspannung, um dadurch die Geschwindigkeit eines Induktionsmotors zu variieren, aufweisend: einen Gleichstrom-Erfassungsschritt zur Erfassung eines durch einen Gleichstromabschnitt fließenden Stroms, einen Wechselstrom-Erfassungsschritt zur Erfassung eines Ausgangswechselstroms entsprechend mindestens einer Phase, und gekennzeichnet durch einen Schritt zur Berechnung eines Ausgangsstromwerts aufgrund des Wechselstrom-Erfassungsschritts und eines Leistungsfaktorwinkels aufgrund der vom Gleichstrom-Erfassungsschritt und vom Wechselstrom-Erfassungsschritt erfaßten Ströme.
Wechselstrom-Erfassungsverfahren zur Verwendung in einem Wechselrichtergerät zur Ausgabe einer Dreiphasen-Wechselspannung beliebiger Frequenz aus einer Gleichspannung, um dadurch die Geschwindigkeit eines Induktionsmotors zu variieren, aufweisend: mindestens entweder einen Gleichstromkomponenten-Bestimmungsschritt zur Erfassung eines durch einen Gleichstromabschnitt fließenden Stroms und Bestimmung, ob der erfaßte Gleichstrom einem der Dreiphasenströme entspricht, oder einen Maximalwert-Stromerfassungsschritt zur Erfassung eines Maximalwerts des Gleichstroms, einen Wechselstrom-Erfassungsschritt zur Erfassung eines Ausgangswechselstroms entsprechend mindestens einer Phase, und einen Schritt zur Berechnung eines Ausgangsstromwerts und eines Leistungsfaktorwinkels unter Verwendung des in dem genannten mindestens einen Schritt erhaltenen Werts und des im Wechselstrom-Erfassungsschritt erhaltenen Werts.