DE102011011234B4

DE102011011234B4 - Stromversorgungsvorrichtung und Stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE102011011234B4
Application number: DE102011011234.0A
Authority: DE
Inventors: Takuya Ishigaki; Akihiko Kanouda; Hironori Ohashi; Yoshihisa Watabe; Masaki Sugiura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2024-01-04
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: DE102011011234A1; JP2011200048A; JP5463179B2; DE102011123160B3

Abstract

Stromversorgungsvorrichtung (01) umfassend einen Stromversorgungsschaltkreis (03), einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis (07) und eine elektrische Speichervorrichtung (04), wobei die Stromversorgungsvorrichtung (1) zum Bereitstellen einer Leistung für einen Motor (05, 06, 40, 41) mit einer Energiespeicherfunktion ausgelegt ist, wobei die Stromversorgungsvorrichtung (01) ferner eine Einheit (10) umfasst, die dazu ausgelegt ist, einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) auf der Grundlage der in dem Gerät (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeicherten Energie variabel einzustellen,wobei die Einheit (10) dazu ausgelegt ist, abhängig von einer vorübergehend in dem Motor (06) gespeicherten Energie und Motorlast den Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) variabel einzustellen,dadurch gekennzeichnet, dassder Steuerungsbefehlswert eine Funktion einer Federkonstanteninformation über den Motor (06) und einer Motorlast sowie einer Winkelversetzungsinformation über den Motor (06) und der Motorlast ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme, welche Strom für ein Gerät bereitstellen, welches Energie vorübergehend speichern kann.
Die Stromversorgungsvorrichtung, welche Strom für ein System mit der Funktion einer vorübergehenden Speicherung von Energie zur Verfügung stellt, benötigt eine Einheit die, wenn eine vorübergehend bereitgestellte Leistung zurückgegeben wird, die Energie speichert oder an ein elektrisches Leistungssystem zurückgibt. Beispielsweise wird, wenn eine Stromversorgungsvorrichtung zum Rotieren eines Motors Strom einspeist, die Rotationsenergie des Motors vorübergehend in dem Motor gespeichert und beim Bremsen des Motors wird Regenerationsenergie erzeugt. In diesem Fall ist zur Minimierung eines Verlusts ein Verfahren zum Speichern der Regenerationsenergie in einer elektrischen Speicherung mit hoher Kapazität, beispielsweise einem Kondensator oder eine Sekundärbatterie, bevorzugt. Da die gewöhnlich in der Leistungssteuerung verwendete Methode zum Steuern einer Kondensatorspannung die Regenerationsenergie jedoch nicht vorhersehen kann, könnte die Speichervorrichtung überladen werden.
Ferner umfassen im Stand der Technik die Beispiele für eine Einheit, die zum Vorhersehen und Steuern der Regenerationsenergie ausgelegt sind, die in der JP 2008 - 091 319 A beschriebene Einheit.
Zusammenfassung der Erfindung
Die in der JP 2008 - 091 319 A offenbarte Erfindung soll die erzeugte Energie optimal verteilen, es muss jedoch nicht nur eine benötigte Energie, sondern auch eine Zusatzenergie in der elektrischen Vorrichtung gespeichert werden, sodass das Problem einer Vergrößerung der Größe und der Kosten der elektrischen Speichervorrichtung bleibt.
Die gattungsgemäße JP H07- 123 355 B2 beschreibt eine Leistungsversorgungsschaltung mit einer Kondensatorbank, die zum Regenerieren von Leistung von einem Verbraucher her ausgelegt ist.
Die DE 20 2006 020 093 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer Maschine oder Anlage. Sie weist eine Einspeiseeinheit auf, die elektrische Leistung in einen Energiespeicher einspeist. Ein sich ändernder Energiebedarf der Maschine oder Anlage wird auch aus dem Energiespeicher gedeckt.
Die JP 2009 - 142 117 A beschreibt eine Motorleistungsversorgungsvorrichtung zur Verwendung in einer Gießmaschine oder in einer Pressmaschine.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, verlustarme und hochverdichtete Stromversorgungsvorrichtung bereitzustellen, die erfolgreich die benötigte Energie berechnen kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Im Folgenden wird kurz eine typische Erfindung aus den in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Erfindungen umrissen. Insbesondere wird eine Formel für die „gerade benötigte Energie: E_ref“, die „Energie bei voller Ladung: E_max“ und die „vorübergehend gespeicherte und rückgewonnene Energie E_back“ hergeleitet. Als nächstes wird unter der Verwendung der durch den Energieerhaltungssatz gegebenen Beziehung „E_ref-E_max-E_back“ ein Steuerungsbefehlswert (Spannungs- Steuerungswert V_ref oder Strom-Befehlswert I_ref) berechnet, der ein Term in E_ref ist. Zuletzt wird abhängig von V_ref oder I_ref eine Steuerungsvariable bestimmt, um den Stromversorgungsschaltkreis zu betreiben.
Wenn beispielsweise ein Gerät zum vorübergehenden Speichern von Energie ein Motor ist, ist die beim Bremsen des Motors erzeugte Rückgewinnungsenergie durch die Formel „E_back(t)=1/2xJxω(t)^2“ durch die Rotationsgeschwindigkeitsinformation und die Trägheitsmomentinformation des Motors gegeben, die Energie der elektrischen Speichervorrichtung bei voller Aufladung ist durch die Formal „E_max=1/2xCxV_max ^2“ gegeben und die gerade von der elektrischen Speichervorrichtung benötigte Energie ist durch die Formal „E_ref(t)=1/2xCxV_ref(t)^2“ gegeben. Aus dem Energieerhaltungsgesetz kann die folgende Formel (1) hergeleitet werden, um sukzessiv den Spannungssteuerungswert zu berechnen. $V_{ref} (t) = \sqrt{V_{MAX}^{2} - \frac{J}{C} ω {(t)}^{2}}$
Wobei V_ref(t): Spannungs-Steuerungswert, V_MAX: Spannungsmaximalwert, J: Trägheitsmoment des Motors oder Motorlast, C: Kapazität der elektrischen Speichervorrichtung und ω(t): Motorwinkelgeschwindigkeit.
Der Spannungssteuerungswert V_ref der Stromversorgungsvorrichtung wird gemäß der oben genannten Formel (1) eingestellt.
Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht nur mit einem Motor implementiert werden kann, sondern mit jedem Gerät, dessen vorübergehend gespeicherte Energie abgeschätzt werden kann.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, umfasst nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Stromversorgungssystem einen Stromversorgungsschaltkreis, einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis und eine elektrische Speichervorrichtung und stellt Strom für ein Gerät mit einer Energiespeicherfunktion bereit und umfasst ferner eine Funktion, in der ein Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung auf der Grundlage der Energie, die vorübergehend in der Vorrichtung gespeichert ist, variabel eingestellt werden kann.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen eine Stromversorgungsvorrichtung und eine Stromversorgungssystem einen Stromversorgungsschaltkreis, einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis und eine elektrische Speichervorrichtung und stellen eine Leistung für einen Wechselrichter und einen Motor bereit und haben ferner die Funktion, auf der Grundlage einer Energie, die vorübergehend in dem Motor gespeichert ist und der Motorlast einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung variabel einzustellen.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Stromversorgungssystem für eine Pressmaschine einen Stromversorgungsschaltkreis, einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis und eine elektrische Speichervorrichtung, um Leistung für einem Wechselrichter und einem Motor bereitzustellen, und umfassen ferner eine Funktion, mit der auf der Grundlage einer Energie, die vorübergehend in dem Motor gespeichert ist sowie einer Motorlast einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung variabel einzustellen.
Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Stromversorgungssystem für eine Spritzgießmaschine einen Stromversorgungsschaltkreis, einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis und eine elektrische Speichervorrichtung und sie stellen Strom für einen Wechselrichter und einen Motor bereit und haben ferner die Funktion, auf der Grundlage einer vorübergehend in den Motor gespeicherten Energie und einer Motorlast einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung variabel einzustellen.
Nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen eine Stromversorgungsvorrichtung und ein Stromversorgungssystem einen Stromversorgungsschaltkreis, einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis und eine Speichervorrichtung und sie stellen Strom für einen Wechselrichter und einen Motor bereit und haben ferner die Funktion, einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung auf der Grundlage der in dem Motor gespeicherten kinetischen Energie und der Motorlast variabel einzustellen.
Ferner umfassen die Stromversorgungsvorrichtung und das Stromversorgungssystem nach einem der ersten bis fünften Aspekte der vorliegenden Erfindung den Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis, der eine Empfängerfunktion zum Empfangen von Trägheitsmomentinformationen über den Motor und einer Motorlast und Motorwinkelgeschwindigkeitsinformation sowie eine Funktion, gemäß der auf der Grundlage der Trägheitsmomentinformationen und der Motorwinkelgeschwindigkeitsinformationen einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung variabel einzustellen (diese Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme werden als zweite Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme bezeichnet).
In der Stromversorgungsvorrichtung und dem Stromversorgungssystem nach einem der zweiten bis fünften Aspekte der vorliegenden Erfindung umfasst der Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis eine Empfängereinheit zum Empfangen von Informationen zur Berechnung eines Steuerungsbefehlswerts, der eine Funktion der Trägheitsmomentinformationen über den Motor und die Motorlast und der Winkelgeschwindigkeitsinformationen ist, sowie eine Funktion, die auf der Grundlage der Information zur Berechnung des Steuerungsbefehlswerts einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung variabel einstellen kann (diese Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme werden als dritte Stromversorgungsvorrichtung und Stromversorgungssystem bezeichnet).
In der zweiten oder dritten Stromversorgungsvorrichtung und dem Stromversorgungssystem wird der Steuerungsbefehlswert mit Hilfe einer digitalen Berechnung aus einem Spannungs-Maximalwert V_MAX, einer Energieeffizienz X während der Rückgewinnung, einem Trägheitsmoment J des Motors und der Motorlast, einer Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung und einer Winkelgeschwindigkeit ω(t) des Motors variabel eingestellt (diese Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme werden als vierte Stromversorgungsvorrichtung und Stromversorgungssystem bezeichnet).
Ferner ist in jeder der oben beschriebenen Steuerungsvorrichtungen und Steuerungssysteme der Steuerungsbefehlswert eine Funktion, die Federkonstanteninformation über den Motor und die Motorlast sowie Winkelpositionsinformation über den Motor und die Motorlast verwendet.
Ferner umfasst jede der oben beschriebenen Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme eine Funktion zur Berechnung der Kapazität der elektrischen Speichervorrichtung während des Ladevorgangs (diese Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme werden als eine fünfte Stromversorgungsvorrichtung und Stromversorgungssystem bezeichnet).
Ferner wird in der fünften Stromversorgungsvorrichtung und dem Stromversorgungssystem die Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung digital berechnet, und zwar unter der Verwendung einer Spannungsfluktuationsweite Δ V der elektrischen Speichervorrichtung und eines Stroms I(t) der elektrischen Speichervorrichtung sowie einer Zeit t (diese Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme werden als eine sechste Stromversorgungsvorrichtung und Stromversorgungssystem bezeichnet).
Ferner wird in der fünften und sechsten Stromversorgungsvorrichtung und dem Stromversorgungssystem die Lebensdauer der elektrischen Speichervorrichtung auf der Grundlage der berechneten Kapazität abgeschätzt.
Ferner konzentriert sich in jeder der oben beschriebenen Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme ein Ausgangsstrom des Stromversorgungsschaltkreises in einer Periode, in welcher die vorübergehend in der Vorrichtung mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie anwächst, während in einer Periode, in welcher die in der Vorrichtung mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie konstant ist und in einer Periode, in welcher die vorübergehend in der Vorrichtung mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie abnimmt, der Ausgangsstrom des Stromversorgungsschaltkreises im Vergleich zu demjenigen in der Periode, in welcher die in der Vorrichtung mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie zunimmt, extrem klein ist.
Ferner kann in jeder der oben beschriebenen Stromversorgungsvorrichtungen und jedem der Stromversorgungssystem ein Treibersignal des Stromversorgungsschaltkreises in einer Periode, in welcher die Energie, die vorübergehend in der Vorrichtung mit der Energiespeicherfunktion gespeichert ist, konstant bleibt, unterbrochen werden, und in einer Periode, in welcher die vorübergehend in der Vorrichtung mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie abnimmt, ebenfalls unterbrochen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Wahrscheinlichkeit, dass die elektrische Speichervorrichtung überladen wird, signifikant reduziert werden, da die elektrische Speicherungskapazität, die der Energie entspricht, die gleich der vorhergesagten Regenerationsenergie entspricht, immer gewährleistet werden kann.
Ferner wird in der herkömmlichen und gemeinhin verwendeten Gleichspannungssteuerung ein Puffer in einem oberen Bereich des Spannungsbereichs bereitgehalten, um Überladungen zu vermeiden, erfindungsgemäß kann der obere Grenzwert des Spannungsbereichs jedoch erhöht werden, da ein Überladen vermieden wird.
Durch die oben beschriebenen Effekte kann die speicherbare Energie selbst dann erhöht werden, wenn die Kapazität der elektrischen Speichervorrichtung gleich bleibt und dadurch kann die Kapazität der elektrischen Speichervorrichtung reduziert werden und eine Reduktion der Kosten und Vergrößerung der Dichte der Stromversorgungsvorrichtung kann erreicht werden.
Ferner kann die Energie, welche der Stromversorgungsschaltkreis in die elektrische Speichervorrichtung einleitet, auf ein notwendiges Minimum reduziert werden, der Verlust des Stromversorgungsschaltkreises kann minimiert werden und ein kostengünstiger Schaltkreis kann realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Konzeptansicht einer Änderung in der Rotationsenergie eines Motors, einer Änderung in einem Spannungs-Steuerungswert und einer Energieausgabe von einem Stromversorgungsschaltkreis bezogen auf eine Änderung in der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors der ersten Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Ansicht einer dritten Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Konzeptansicht einer Einheit, die dazu ausgelegt ist, eine Kapazität C einer elektrischen Speichervorrichtung der dritten Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zu berechnen.
6 ist eine Ansicht einer vierten Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Ansicht einer fünften Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Ansicht einer sechsten Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
1 illustriert eine erste Ausführungsform einer Leistungssteuereinheit nach der vorliegenden Erfindung.
Eine Stromversorgungsvorrichtung 01 aus 1 umfasst einen Stromversorgungsschaltkreis 03, eine elektrische Speichervorrichtung 04 und einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis 07. Die Stromversorgungsvorrichtung 01 empfängt eine Leistung von einer Eingangs-Stromversorgungsvorrichtung 02 und stellt die Leistung einem Wechselrichter 05 als Gerät bereit und der Wechselrichter 05 leitet die Leistung an einen Motor 06 weiter. Der Wechselrichter 05 und der Motor 06 senden die Zustandsinformationen wie beispielsweise Spannungsinformationen, Strominformationen, Temperaturinformationen und Winkelgeschwindigkeitsinformationen ω über den Motor an einen Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08. Der Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 führt die Zustandsinformationen über den Wechselrichter 05 und Motor 06 gemäß einem Treiberbefehl eines Host-Steuerungsschaltkreises 09 zurück und sendet ein Treibersignal an den Wechselrichter 05.
Auf der Grundlage der Zustandsinformationen wie beispielsweise Spannungsinformationen, Strominformationen und Temperaturinformationen von dem Stromversorgungsschaltkreis 03, der Steuerungskoeffizient-Informationen wie beispielsweise ein Proportional-Regelkoeffizient Kp und ein Integralregelungskoeffizient Ki, die in einem Anfangsinformations-Speicherblock 11 gespeichert sind und einem Spannungs-Steuerungswert V_ref, berechnet der Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis 07 eine geregelte Variable D_uty mittels eines Regel-Variablen-Berechnungsblocks 12 und erzeugt ein Treibersignal mittels eines Treibersignalerzeugungsschaltkreises 13 auf der Grundlage von D_uty, um den Stromversorgungsschaltkreis 03 zu steuern.
Ferner wird in dieser Ausführungsform die Winkelgeschwindigkeitsinformation über den Motor von dem Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 an den Spannungs-Steuerungswert-Berechnungsblock 10 übermittelt und die Spannungs-Maximalwertinformation V_MAX, die Trägheitsinformation J und die Kapazitätsinformation C über die elektrische Speichervorrichtung werden von dem Anfangsinformations-Speicherblock 11 an den Spannungs-Steuerungswert-Berechnungsblock 10 übermittelt. Der Spannungs-Steuerungswert-Berechnungsblock 10 führt anschließend die Berechnung der obigen Formel (1) aus, um den Spannungs-Steuerungswert V_ref zu gewinnen.
2 illustriert ein Beispiel für den zeitlichen Übergang der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors, der Rotationsenergie des Motors, des Spannungs-Steuerungswerts V_ref und des Energie-Outputs aus dem Stromversorgungsschaltkreis 03 der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Energie-Output aus dem Stromversorgungsschaltkreis ist im Wesentlichen synonym mit dem Strom-Output des Stromversorgungsschaltkreises 03 oder dem Strom-Input in den Stromversorgungsschaltkreis 03. Die Periode zwischen einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t3 ist eine Periode, in welcher der Motor beschleunigt und der Zeitpunkt t2 ist ein Zeitpunkt, in welchem die Beschleunigung maximal wird. In der Periode zwischen einem Zeitpunkt t3 bis zu einem Zeitpunkt t4 rotiert der Motor mit konstanter Geschwindigkeit. In der Periode zwischen einem Zeitpunkt t4 bis zu einem Zeitpunkt t5 verlangsamt sich der Motor. Wenn die Winkelgeschwindigkeit ω sich von dem Zeitpunkt t1 bis zu dem Zeitpunkt t5 wie in 2 dargestellt verändert, verändert sich die Rotationsenergie des Motors wie in 2 dargestellt abhängig von der Winkelgeschwindigkeit ω. Der Spannungs-Steuerungswert V_ref wird anschließend unter Verwendung der Beziehung aus Formel (1) der Spannungs-Maximalwertinformation V_MAX, der Trägheitsmomentinformation J, der Kapazitätsinformation C über die elektrische Speichervorrichtung 04 und die Winkelgeschwindigkeitsinformation ω über den Motor berechnet.
Wenn die Stromversorgungsvorrichtung wie in der ersten Ausführungsform aufgebaut ist, wird die Spannung zwischen beiden Enden der elektrischen Speichervorrichtung 04 selbst dann, wenn der Motor Rotationsenergie erzeugt, den Spannungsmaximalwert V_MAX nicht übertreffen. Aus diesem Grund benötigt der Stromversorgungsschaltkreis 03 keine Regenerationsfunktion, um Leistung in die Eingangs-Stromversorgungsvorrichtung 02 rückzuführen, sodass Kosten eingespart werden können. Überdies wird, wenn die Stromversorgungsvorrichtung in einem Hybridfahrzeug oder ähnlichem verwendet wird, ein Stromversorgungsschaltkreis 03 mit einer Rückgewinnungsfunktion zum Rückführen der Regenerationsenergie, die beispielsweise beim Herunterfahren über eine Steigung erzeugt wird, zu der Eingangsstromversorgungsvorrichtung 02 benötigt. Da eine zu der Rotationsenergie äquivalente Kapazität jedoch stets gewährleistet wird, kann die in die Eingangsstromversorgungsvorrichtung 02 rückgeführte Energie minimiert werden und daher kann der Verlust der Stromversorgungsvorrichtung 01 minimiert werden.
Ferner ist der Betrieb des Stromversorgungsschaltkreises nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass, wie in 2 dargestellt, sich die von dem Stromversorgungsschaltkreis ausgegebene Energie in einer Periode zwischen dem Zeitpunkt t 1. und dem Zeitpunkt t3 konzentriert, während in einer Periode zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t5 im Wesentlichen keine Energie von dem Stromversorgungsschaltkreis ausgegeben wird. Da dies zu einer Minimierung des Fluktuationsbereichs der Spannung zwischen beiden Enden der elektrischen Speichervorrichtung im Zeitpunkt t3, in welchem die Spannung ihren Tiefpunkt erreicht, ist, werden die Effekte einer Reduktion der Kapazität der elektrischen Speicherung oder einer Vergrößerung der Ausgangsleistung sowie einer Vergrößerung der Lebensdauer der elektrischen Speichervorrichtung erreicht.
Ferner wird in der Ausführungsform 1 der Stromversorgungsschaltkreis im Zeitpunkt t3 und danach keine Energie bereitstellen, bis der Motor das nächste Mal rotiert und folglich kann der Antrieb des Stromversorgungsschaltkreises vorübergehend unterbrochen werden, wenn die Spannung zwischen beiden Enden der elektrischen Speichervorrichtung gleich oder größer als der Spannungs-Steuerungswert wird sowie im Zeitpunkt t3 und danach, sodass der Effekt einer Reduktion des Verlustes des Stromversorgungsschaltkreises erreicht wird. Es sei bemerkt, dass zur Einstellung im Zeitpunkt t3 und danach das Aufladen wieder begonnen werden kann, wenn die Ableitung der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors kleiner oder gleich Null wird oder wenn eine gewisse Zeit nach dem Zeitpunkt t3 verstrichen ist.
Ferner wurde in dieser Ausführungsform die Beschreibung auf die Rotationsenergie des Motors beschränkt, die Energie der Rotationsbewegung $\frac{1}{2} \times J \times ω^{2}$
kann jedoch durch die Energie einer linearen Bewegung $\frac{1}{2} \times m \times V^{2}$
(wobei m die Masse der Motorlast und V die Geschwindigkeit der Motorlast ist) oder die Energie der Rotationsbewegung des Motors gegen eine Feder $\frac{1}{2} \times k \times θ^{2}$
addiert werden (wobei k eine Federkonstante und θ eine Winkelversetzung des Motors ist). Wenn die Energie der Linearbewegung und die Energie des Federwiderstands berücksichtigt wird, ist die Energieerhaltungsformel durch Formel (2) und der Spannungs-Steuerungswert durch Formel (3) gegeben. $\frac{1}{2} C V_{r e f} {(t)}^{2} = \frac{1}{2} C V_{M A X}^{2} - \frac{1}{2} m \cdot v^{2} - \frac{1}{2} k θ {(t)}^{2}$
$V_{ref} (t) = \sqrt{V_{MAX}^{2} - \frac{J}{C} ω {(t)}^{2} - \frac{k}{C} θ {(t)}^{2}}$
Ausführungsform 2
3 illustriert eine zweite Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
In Ausführungsform 2 aus 3 verändert sich die in Ausführungsform 1 beschriebene Steuerungskoeffizientinformation abhängig von dem Spannungs-Steuerungswert V_ref.
Mit dem Aufbau aus Ausführungsform 2 wird der Steuerungskoeffizient in der Periode, während welcher der Spannungs-Steuerungswert V_ref aus 2 abfällt, i.e. in der Periode zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t3, umgeschaltet, sodass der Energie-Output des Stromversorgungsschaltkreises schnell gesteuert werden kann.
Überdies wird der Steuerungskoeffizient in der Ausführungsform 2 abhängig von dem Spannungs-Steuerungswert V_ref umgeschaltet. Durch die Verwendung von Informationen wie der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors oder der Rotationsenergieinformation über den Motor, die eine Detektion des vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t3 ermöglichen, kann das Umschalten des Steuerungskoeffizienten in gleicher Weise durchgeführt werden. Aus diesem Grund kann die Stromversorgungsvorrichtung eine Steuerungseinheit umfassen, die das Umschalten durchführt.
Ausführungsform 3
4 illustriert eine dritte Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
In der Ausführungsform 3 aus 4 wird die in Ausführungsform 1 beschriebene Trägheitsmomentinformation J von dem Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 ausgegeben und die Kapazitätsinformation C über die elektrische Speichervorrichtung wird von einem C-Kapazitätsberechnungsblock 25 berechnet.
5 illustriert ein Beispiel einer Einheit, die zum Abschätzen der Kapazitätsinformation C über die elektrische Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist. Da die Übertragungsmenge von Ladung Q gleich dem Produkt aus der Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung und der Spannungsfluktuationsweite ΔV ist (und zum Zeitintegral des Stromwerts), kann die Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung C=IxΔt/ΔV berechnet werden. Wenn hier eine Differenz zwischen der Spannungsinformation und der Aktivierungszeit der Stromversorgungsvorrichtung und der Spannungsinformation und dem Ende des Aufladens durch ΔV bezeichnet wird, wird die Aufladezeit durch Δt bezeichnet und der Ladestrom wird durch I bezeichnet, sodass die Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung als C=IxtΔ/ΔV berechnet werden kann. Die Zeitintegration des Stromwerts kann in diesem Fall mit einem Berechnungszyklus durchgeführt werden. Alternativ kann ab dem Strombeschränkungswerts des Stromversorgungsschaltkreises des Stromwert als gleich dem Strombeschränkungswert betrachtet werden und damit als konstant, sodass die Zeitintegration des Stromwerts als ein Produkt aus dem Strombeschränkungswert und dem Zeitabstand Δt berechnet werden kann.
Mit dem Aufbau nach Ausführungsform 6 kann die Information über den Wechselrichter 05 und den Motor 06, der das Gerät bildet, durch den Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 verarbeitet werden und die Information über die Steuerungsvorrichtung 01 kann von dem Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis 07 verarbeitet werden. In einem Gerät, welches die Trägheitsmomentinformation J detektieren muss, wird die Trägheitsmomentinformation J vorzugsweise von dem Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 verarbeitet. Überdies ist das Vorhandensein des C Kapazitätsberechnungsblocks möglich, flexibel auf eine Änderung der Kapazität der elektrischen Speichervorrichtung zu reagieren und es ist ferner möglich, die Lebensdauer der elektrischen Speichervorrichtung aus einem Abnehmen der Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung abzuschätzen und einen Austauschzeitpunkt der elektrischen Speichervorrichtung darzustellen. In der vorliegenden Erfindung kann wie in Ausführungsform 3 die Stromversorgungsvorrichtung eine Einheit in den Spannungs-Steuerungswert-Berechnungsblock 10 umfassen, die zum Berechnender vorübergehend gespeicherten Energie ausgelegt ist.
Ausführungsform 4
6 illustriert eine vierte Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
In Ausführungsform 4 aus 6 ist der Spannungs-Steuerungswert-Berechnungsblock 10, der in Ausführungsform 1 beschrieben wurde, in dem Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 enthalten, sodass der Spannungs-Steuerungswert V_ref von dem Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 ausgegeben werden kann. Selbst wenn die Stromversorgungsvorrichtung wie in 4 aufgebaut ist, können die gleichen Wirkungen wie diejenigen aus 1 erreicht werden. Wie diese Ausführungsform 4 kann der Spannungssteuerungswert-Berechnungsblock 10 in dem Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 oder in dem Host-Steuerungsschaltkreis 09 bereitgestellt werden, um darin den Spannungs-Steuerungswert V_ref zu berechnen.
Ausführungsform 5
7 illustriert eine fünfte Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
In Ausführungsform 5 aus 7 wird innerhalb des Spannungs-Steuerungswert-Berechnungsblocks 10, der in Ausführungsform 1 beschrieben wurde, zur Berechnung eine Formel verwendet, die den Energiekoeffizienten X zum Zeitpunkt der Rückführung berücksichtigt. Ein Teil der vorübergehend in dem Motor 06 gespeicherten Energie wird in dem Wechselrichter 05 oder ähnlichem abklingen, bis die vorübergehend gespeicherte Energie in die elektrische Speichervorrichtung 04 rückgeführt ist und daher kann durch die Multiplikation der Rotationsenergie mit einer Rückführungseffizienz X eine Steuerung mit höherer Präzision realisiert werden.
Ausführungsform 6
8 illustriert eine sechste Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
In der Ausführungsform 6 aus 8 ist der Wechselrichter 05 aus Ausführungsform 1 durch eine Stromversorgung 40 vom Resonanztyp ersetzt. Entsprechend ist der Motor 06mit einer Last 41 und der Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis 08 mit einem Resonanztyp-Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis 42 ersetzt. In der Ausführungsform 6 umfasst ein Gerät zum vorübergehenden Speichern von Energie eine induktive Komponente L und eine kapazitive Komponente C und die vorübergehend gespeicherte Energie kann aus der induktiven Komponente L, einem durch die Induktivität fließenden Strom I, der kapazitiven Komponente C, der Spannung V der Kapazität, einem Phasenwinkel θ und ähnlichen berechnet werden. Wenn die Stromversorgungsvorrichtung 01 die Stromversorgung 40 vom Resonanztyp betreibt, können also die gleichen Wirkungen wie diejenigen aus Ausführungsformen 1 bis 5 erreicht werden. Wie in Ausführungsform 6 ist das Gerät zum vorübergehenden Speichern von Energie nicht auf die Rotationsenergie eines Motors beschränkt, sondern kann auch auf die in Ausführungsform 6 illustrierte elektrische Energie, lineare Bewegungsenergie, potentielle Energie einer Feder, potentielle Gravitationsenergie oder ähnliches angewandt werden. Es ist ferner möglich, zwei oder mehrere dieser Energien zu kombinieren, um den Spannungs-Steuerungswert zu berechnen.
Vorangehend wurden speziell sechs Ausführungsformen beschrieben, es können jedoch auch Kombinationen dieser Ausführungsformen benutzt werden.
Überdies muss nicht gesagt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise wird in der Ausführungsform 1 der Ausdruck „Spannungs-Maximalwertinformation V_MAX“ verwendet, der Spannungsmaximalwert V_MAX kann jedoch auch als Spannungsreferenzinformation genutzt werden, wenn die Menge an Rückführungsenergie von zwei Systemen, beispielsweise die Rückführungsenergie der Rotationsenergie des Motors eines Hybridfahrzeugs oder ähnliches und die potentielle Energiekomponente, die beim Herabfahren des Hybridfahrzeugs oder ähnlichem über eine Steigung erzeugt wird, vorhergesagt werden können. In diesem Fall können die Beträge der Rückführungsenergie der Rückführungsenergie der potentiellen Energiekomponente vorhergesagt werden, sodass der Spannungs-Steuerungswert aus dem Energieerhaltungssatz mit Hilfe von Formel (1) berechnet werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann für allgemeine industrielle Stromversorgungsvorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf industrielle Geräte wie beispielsweise eine Pressmaschine oder eine Spritzgießmaschine, auf Baumaschinen wie beispielsweise einen Radlader, einen Aufzug, ein Hybridfahrzeug, ein Zusatz-Hybridfahrzeug, ein Elektro-Fahrzeug und ein Schienenfahrzeug, welches einen Motor verwendet oder auf Stromversorgungsvorrichtungen und Stromversorgungssysteme wie beispielsweise ein Gleichstrom-Gleichstromwandler angewandt werden, der einen Resonanztypwandler nutzt.

Claims

Stromversorgungsvorrichtung (01) umfassend einen Stromversorgungsschaltkreis (03), einen Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis (07) und eine elektrische Speichervorrichtung (04), wobei die Stromversorgungsvorrichtung (1) zum Bereitstellen einer Leistung für einen Motor (05, 06, 40, 41) mit einer Energiespeicherfunktion ausgelegt ist, wobei die Stromversorgungsvorrichtung (01) ferner eine Einheit (10) umfasst, die dazu ausgelegt ist, einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) auf der Grundlage der in dem Gerät (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeicherten Energie variabel einzustellen, wobei die Einheit (10) dazu ausgelegt ist, abhängig von einer vorübergehend in dem Motor (06) gespeicherten Energie und Motorlast den Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) variabel einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsbefehlswert eine Funktion einer Federkonstanteninformation über den Motor (06) und einer Motorlast sowie einer Winkelversetzungsinformation über den Motor (06) und der Motorlast ist.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit dazu ausgelegt ist, abhängig von einer in dem Motor (06) gespeicherten kinetischen Energie und einer Motorlast den Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) variabel einzustellen.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis (07) eine Empfängereinheit zum Empfangen von Trägheitsmomentinformationen über den Motor (06) und einer Motorlast und Motorwinkelgeschwindigkeitsinformationen sowie eine Einheit (10) umfasst, die dazu ausgelegt ist, einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) abhängig von der Trägheitsmomentinformation und der Motorwinkelgeschwindigkeitsinformation variabel einzustellen.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Stromversorgungs-Steuerungsschaltkreis (07) eine Empfängereinheit zum Empfangen von Informationen zur Berechnung eines Steuerungsbefehlswerts umfasst, der eine Funktion der Trägheitsmomentinformation über den Motor (06) und der Motorlast sowie der Motorwinkelgeschwindigkeitsinformation ist und eine Einheit (04), die dazu ausgelegt ist, abhängig von der Information der für die Berechnung des Steuerungsbefehlswerts einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) variabel einzustellen.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Steuerungsbefehlswert durch eine digitale Berechnung aus dem Spannungsmaximalwert VMAX, einer Energieeffizienz X während der Rückführung, einem Trägheitsmoment J des Motors (06) und einer Motorlast, einer Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung (04) und Motorwinkelgeschwindigkeitsinformationen ω(t) variabel eingestellt wird.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend eine Einheit (25), die dazu ausgelegt ist, eine Kapazität der elektrischen Speichervorrichtung (04) während des Ladevorgangs zu berechnen.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach Anspruch 6, wobei die Kapazität C der elektrischen Speichervorrichtung (04) unter Verwendung der Spannungsfluktuationsbreite AV der elektrischen Speichervorrichtung (04) und eines Stroms I(t) der elektrischen Speichervorrichtung (04) sowie der Zeit t digital berechnet wird.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Lebensdauer der Speichervorrichtung (04) aus der berechneten Kapazität abgeschätzt wird.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Ausgangsstrom des Stromversorgungsschaltkreises (03) sich in einer Periode konzentriert, in welcher die vorübergehend in der Vorrichtung (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie anwächst, während der Ausgangsstrom in einer Periode, in welcher die vorübergehend in der Vorrichtung (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie konstant bleibt sowie in einer Periode, in welcher die vorübergehend in der Vorrichtung (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie abnimmt, der Ausgangsstrom des Stromversorgungsschaltkreises (03) im Vergleich zu demjenigen in der Periode, in welcher die vorübergehend in der Vorrichtung (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeicherte Energie anwächst, extrem klein ist.
Stromversorgungsvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Treibersignal des Stromversorgungsschaltkreises (03) in einer Periode, in welcher die Energie, die vorübergehend in der Vorrichtung (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeichert ist, konstant bleibt, sowie in einer Periode, in welcher die Energie, die vorübergehend in der Vorrichtung (05, 06, 40, 41) mit der Energiespeicherfunktion gespeichert ist, abnimmt, unterbrochen werden kann.
Stromversorgungssystem (30), umfassend eine Stromversorgungsvorrichtung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, einen Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis (08), der eine Einheit (10) umfasst, die dazu ausgelegt ist, einen Steuerungsbefehlswert der elektrischen Speichervorrichtung (04) abhängig von der in der Vorrichtung (05, 06, 40, 41) gespeicherten Energie variabel einzustellen; und einen Host-Steuerungsschaltkreis (09), der ein Steuerungssignal erzeugt, das in den Wechselrichter-Steuerungsschaltkreis (08) eingespeist wird.
Verwendung einer Stromversorgungsvorrichtung (01) nach Anspruch 1 für eine Pressmaschine.
Verwendung einer Stromversorgungsvorrichtung (01) nach Anspruch 1 für eine Spritzgussmaschine.