DE19947128A1

DE19947128A1 - PWM-Stromrichter

Info

Publication number: DE19947128A1
Application number: DE19947128A
Authority: DE
Inventors: Junichi Itho; Shinichi Ishii; Hidetoshi Umida
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2000-04-27
Also published as: JP3497995B2; CN1180526C; CN1250242A; JP2000116115A; US6259611B1

Abstract

Ein PWM-Stromrichter enthält einen Addierer, der ein hochfrequentes Signal von einem Hochfrequenzgenerator zu einem Spannungssollsignal addiert, und einen PWM-Generator des Trägervergleichstyps oder des Raumzeigertyps, der ein PWM-Signal auf der Basis des Ausgangssignals des Addierers erzeugt, welches zur Ansteuerung von Schaltelementen bzw. Stromrichterventilen verwendet wird, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu liefern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen PWM-Stromrichter, d. h. einen Stromrichter, der von einem Pulsweitenmodulations-(PWM)-Verfahren Gebrauch macht und mit Hilfe von Strom richterventilen bzw. Schaltelementen aufgebaut ist, um eine gewünschte Ausgangsspannung dadurch zu liefern, daß die Einschaltdauer und die Ausschaltdauer der Schaltelemente gesteuert wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen PWM-Stromrichter mit einem PWM- Signalgenerator in Form digitaler Hardware, der in der Lage ist, eine niedrige Ausgangsspannung mit geringer Welligkeit oder Fehlern in der Ausgangsspannung zu erzeugen.

Bei Stromrichtern wird die Pulsweitenmodulation in großem Umfang als Steuerverfahren zum Erhalt einer gewünschten Ausgangsspannung eingesetzt. Die Pulsweitenmodulation ist ein Verfahren, bei dem Schaltelemente (Stromrichterventile) für eine Zeitspanne proportional einem Spannungssoll Wert eingeschaltet werden. Die Pulsweitenmodulation läßt sich in ein Trägerver gleichsverfahren und ein Raumzeigerverfahren unterteilen, die beide bekannt sind. Das Trägerver gleichsverfahren kann zur Pulsweitenmodulation eines allgemeinen Stromrichters eingesetzt werden, wobei eine gewünschte Pulsweite durch Vergleich eines Trägersignals mit einem Spannungssollwert erhalten wird. Das Raumzeigerverfahren kann zur Erzeugung mehrphasigen Wechselstroms mittels eines Stromrichters, etwa eines Wechselrichters, verwendet werden, bei dem die Einschaltdauer der Schaltelemente pro Zeiteinheit auf der Basis eines Raumzeigers bestimmt wird, der die Spannung oder den magnetischen Fluß repräsentiert.

Das Trägervergleichsverfahren wird beispielsweise in der Druckschrift "5,2,3 PWM CONTROL", Seiten 727-728, in "Electrical Engineering Handbook", veröffentlicht am 28. Februar 1987 von I.E.E.J., beschrieben. Das Raumzeigerverfahren ist in der Druckschrift "Theory and Design of AC Servo System", Seiten 47-53, veröffentlicht am 10. August 1991 von Sougou Electronics Publishing Co. Ltd. beschrieben. Die Einzelheiten dieser Verfahren sind bekannt und brauchen daher hier nicht wiedergegeben zu werden.

In Verbindung mit der in letzter Zeit erfolgten Weiterentwicklung der digitalen Technologie, wird zum Zwecke der Kostenverringerung zunehmend digitale Hardware bei Pulsweitenmodulatoren eingesetzt. Bei der digitalen Realisierung des Trägervergleichsverfahrens beispielsweise werden Momentanwerte eines Sollspannungssignals und eines Trägersignals als diskrete Werte behan delt, und die Trägerwellenform und die Sollspannungswellenform werden einer D/A-Umsetzung (Digital/Analog-Umsetzung) unterzogen, um Stufenwellenformen zur Darstellung in analoger Form zu schaffen. Die Größe bzw. der Wert eines Schritts (Schrittweite) bezogen auf die Ausgangs spannung soll hier als "PWM-Auflösung" bezeichnet werden.

Fig. 6 zeigt die Wellenform einer Ausgangsspannung v_out innerhalb einer Periode eines Träger signals, wenn die Auflösung d_n ist, wobei sich die Ausgangsspannung v_out schrittweise für jeden Wert von d_n ändert. Wenn die Schrittweite d_n kleiner wird, werden Quantisierungsfehler, die bei der Gewinnung diskreter Werte auftreten, entsprechend geringer.

Ein Trägersignal mit einer gewünschten Frequenz kann beispielsweise dadurch gewonnen werden, daß die Anzahl der mit einem Aufwärts/Abwärts-Zähler gezählten CPU-Taktimpulse geändert wird. Wenn die Trägerfrequenz erhöht werden soll, wird die zu zählende Anzahl verringert und folglich die PWM-Auflösung reduziert, was zu einer Zunahme der Quantisierungs fehler führt. Wenn die Schrittweite d_n ausreichend klein ist und die Ausgangsspannung ausrei chend groß, sind die resultierenden Quantisierungsfehler unbedeutend. Wenn eine niedrige Ausgangsspannung erzeugt werden soll, insbesondere beim Antrieb eines Motors mit geringer Drehzahl, nehmen die Spannungsfehler der Ausgangsspannung zu und verursachen eine Drehmomentenwelligkeit oder ungleichförmige Drehung.

Fig. 7 zeigt eine bekannte Technik zu Verringerung unerwünschter Spannungsabweichungen der Ausgangsspannung. Zur Verringerung der Spannungsabweichungen mißt ein Ausgangsspan nungs-Meßfühler 12 die Ausgangsspannung, und der Spannungsmeßwert und ein Sollwert für die Ausgangsspannung werden einem Spannungsregler 11 zugeführt, um einen Sollwert zur Erzeugung von PWM-Impulsen zu korrigieren und dadurch eine gewünschte Ausgangsspannung zu liefern. Dabei beruht die Pulsweitenmodulation hier auf dem Trägervergleichsverfahren, bei dem ein Trägergenerator 5 und ein Vergleicher 6 eingesetzt werden.

Die Verwendung einer Regelung gemäß Darstellung in Fig. 7 zur Verringerung von Quantisie rungsfehlern führt zu einer Zunahme der Kosten wegen der Notwendigkeit einer Meßfühleranord nung. Diese Meßfühleranordnung muß von der Hauptschaltung isoliert sein und erfordert damit einen teueren Isolierverstärker mit der Folge einer deutlichen Kostenzunahme. Außerdem ist eine teurere CPU für das Verfahren erforderlich, bei dem die Auflösung d_n durch Erhöhung der Frequenz des CPU-Takts verringert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen PWM-Stromrichter zu schaffen, der mit einer ohne Spannungsrückkopplung auskommenden Steuerung arbeitet, um eine gewünschte Span nung mit relativ geringer Welligkeit unter Einsatz geringer Kosten selbst dann zu erzielen, wenn die Ausgangsspannung relativ niedrig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen PWM-Stromrichter gemäß einem der unabhän gigen Ansprüche 1 bis 5 gelöst.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines PWM-Stromrichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Funktionsweise des Stromrichters von Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5(a) und 5(b) Darstellungen von Spannungszeigerortskurven, wie sie ohne bzw. mit überlagertem Hochfrequenzsignal erhalten werden,

Fig. 6(a) und 6(b) Darstellungen zur Erläuterung eines Beispiels einer Ausgangswellenform, wie sie mit einem bekannten Stromrichter erzeugt wird, und

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines Beispiels eines bekannten Stromrichters.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das einen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung aufgebauten PWM-Stromrichter zeigt. Der Stromrichter dieses ersten Ausfüh rungsbeispiels umfaßt einen Addierer 1, einen PWM-Impulsgenerator 2, einen Hochfrequenz signalgenerator 3 und andere Komponenten. Der Addierer 1 addiert ein Hochfrequenzsignal von dem Hochfrequenzsignalgenerator 3 zu einem Sollspannungssignal, und der PWM-Impulsgenera tor 2 erzeugt PWM-Impulse auf der Basis des Sollspannungssignals, dem das Hochfrequenzsignal überlagert wurde. Der PWM-Ipulsgenerator 2 kann entweder eine nach dem Trägervergleichsver fahren oder eine nach dem Raumzeigerverfahren arbeitende Einrichtung sein. Das Prinzip der Arbeitsweise des Stromrichters von Fig. 1 soll anhand von Fig. 2 erläutert werden.

Bei dem bekannten Stromrichter ändert sich, wie oben beschrieben, die Ausgangsspannung v_out des PWM-Impulsgenerators nicht, d. h. sie wird auf einem konstanten Wert gehalten, solange sich das Sollspannungssignal v* jeweils innerhalb der Intervalle (= Auflösung) d_n-1, d_n, d_n+1 befindet, wie in Fig. 6(a) gezeigt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dagegen dem Sollspan nungssignal v* ein Hochfrequenzsignal überlagert, so daß sich das Sollspannungssignal v* bzw. die Ausgangsspannung v_out viermal bzw. mehrfach in jedem Intervall d_n-1, d_n, d_n+1, ändert, wie in Fig. 2(a) gezeigt. Somit wird die Anzahl der Änderungen im Sollspannungssignal erhöht und die Auflösung des Sollspannungssignals im Mittel vervierfacht bzw. vervielfacht, was die Quantisie rungsfehler der Ausgangsspannung verringert. Fig. 2(b) zeigt die Ausgangswellenform v_out.

Wie in Fig. 2(a) gezeigt, kann das dem Sollspannungssignal v* überlagerte Hochfrequenzsignal gemäß einer anderen Sichtweite als ein Trägersignal betrachtet werden, das bei einer Pulswei tenmodulation nach dem Trägervergleichsverfahren eingesetzt wird. Während das Trägersignal des Trägervergleichsverfahrens beispielsweise in Form einer Sägezahnwelle, einer Sinuswelle oder einer Zerhackerwelle (chopping wave) eingesetzt werden kann, ergibt sich als Ergebnis von Wellenformanalysen, daß höhere Harmonische mit geringerer Wahrscheinlichkeit in der Aus gangsspannung auftreten, wenn eine Zerhackerwelle verwendet wird. Auch bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel wird eine Zerhackerwelle als dem Sollspannungssignal zu überlagerndes Hochfrequenzsignal verwendet, so daß höhere Harmonische, die infolge der Hochfrequenzsignal überlagerung auftreten, minimiert werden können.

Wenn man erwartet, daß das Hochfrequenzsignal eine Pulsweitenmodulation in jedem der Intervalle d_n-1, d_n, d_n+1, ermöglichen soll, wird die Spitze-Spitze-Amplitude des Hochfrequenz signals gleich oder größer als die Auflösung des Trägers oder des Sollsignals festgelegt. Anders ausgedrückt, die Amplitude des Hochfrequenzsignals wird so bestimmt, daß sie gleich ist oder größer als die Hälfte der Auflösung des Trägers oder des Sollsignals. In diesem Fall wird eine gewünschte Ausgangsspannung im Mittel einmal pro Periode des Hochfrequenzsignals erhalten. Weiter wird die Periode des zu überlagernden Hochfrequenzsignals als Vielfaches derjenigen des Trägersignals ausgewählt, so daß die Hochfrequenzspannung, die infolge des überlagerten Hochfrequenzsignals auftritt, eine Schwebung unterdrückt, die andernfalls in der Ausgangsspan nung auftreten würde.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Der PWM-Stromrichter dieses zweiten Ausführungsbeispiels besteht aus einem Addierer 1, einem Hochfrequenzsignalgenerator 3, einem Trägergenerator 5, einem Komparator 6 und anderen Komponenten. Der Addierer 1 empfängt ein jeweiliges Ausgangssignal vom Hochfrequenzsignal generator 3 und vom Trägergenerator 5.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem PWM-Impulsgenerator um einen solchen des Trägervergleichstyps, und ein Hochfrequenzsignal wird dem Träger überlagert, um die mittlere Auflösung der Sollspannung zu erhöhen.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieses vierte Ausführungsbeispiel ist in der Form eines Dreiphasen-Wechselrichters, der Addierer 1a, 1b, 1c für die jeweiligen Phasen (U-Phase, V-Phase und W-Phase), Hochfrequenzsignalgene ratoren 3a, 3b, 3c, Komparatoren 6a, 6b, 6c und einen Trägergenerator 5, der ein gemeinsames Trägersignal für die Komparatoren 6a, 6b und 6c erzeugt. Der PWM-Impulsgenerator ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein solcher des Trägervergleichstyps, und ein Hochfrequenzsignal wird einem Sollspannungssignal für die jeweilige Phase überlagert, um die Anzahl von Änderun gen im Sollspannungssignal v* zu erhöhen und dadurch die mittlere Auflösung der Sollspannung zu vergrößern.

Bei der obigen Anordnung kann das Hochfrequenzsignal als Nullsystemkomponente dem Sollsignal der jeweiligen Phase überlagert werden, so daß Fehler in der Ausgangsspannung infolge des überlagerten Hochfrequenzsignals verringert werden können. Wenn ein elektrischer Motor mittels des Stromrichters betrieben wird, kann eine Drehmomentenschwingung oder -welligkeit des Motors verringert werden. Es ist auch möglich, das Hochfrequenzsignal dem Trägersignal zu überlagern. In Fig. 4 bezeichnet die Bezugszahl 7 eine Totzeiterzeugungseinrich tung, die verhindert, daß Schaltelemente (Stromrichterventile) im oberen und unteren Arm der Halbbrücke einer jeweiligen Phase gleichzeitig eingeschaltet werden, was einen Kurzschluß hervorrufen würde. Die Totzeiterzeugungseinrichtung ist nicht direkt mit der vorliegenden Erfindung verbunden und wird daher nicht weiter im einzelnen beschrieben.

Fig. 5(a) zeigt eine Spannungszeigerortskurve für den Fall einer Ausgangsspannung von 2% (100% ist die Nennspannung), ohne daß ein Hochfrequenzsignal einem Sollspannungssignal überlagert ist, während Fig. 5(b) die entsprechende Ortskurve für den Fall einer Überlagerung des Hochspannungssignals zeigt. Während in dem Fall von Fig. 5(a) ohne Hochfrequenzsignalüberla gerung eine Verzerrung auftritt, stellt die Ortskurve im Fall von Fig. 5(b) mit Überlagerung des Hochfrequenzsignals eine Kreisform im wesentlichen ohne Verzerrung dar.

Selbst wenn der PWM-Impulsgenerator eine schlechte Auflösung aufweist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Auflösung eines Sollspannungssignals bei relativ geringen Kosten und ohne Erfordernis einer Rückkopplung eines Signals, das eine mittels eines Fühlers gemessene Ausgangsspannung darstellt, verbessert werden, womit der Stromrichter in die Lage versetzt wird, eine gewünschte Ausgangsspannung zu liefern. Wenn der Stromrichter zum Betrieb eines Motors mit niedriger Drehzahl eingesetzt wird, kann somit der Motor stetig unter Einsatz relativ geringer Kosten gedreht werden, ohne daß eine ungleichförmige Drehung auftritt.

Wie beschrieben, enthält gemäß der vorliegenden Erfindung ein PWM-Stromrichter einen Addierer, der ein hochfrequentes Signal von einem Hochfrequenzgenerator zu einem Spannungs sollsignal addiert, und einen PWM-Generator des Trägervergleichstyps oder des Raumzeigertyps, der ein PWM-Signal auf der Basis des Ausgangssignals des Addierers erzeugt, welches zur Ansteuerung von Schaltelementen bzw. Stromrichterventilen verwendet wird, um eine ge wünschte Ausgangsspannung zu liefern.

Claims

1. PWM-Stromrichter, umfassend:
eine Einrichtung (1) zur Überlagerung eines hochfrequenten Signals auf ein erstes Soll signal zur Erzeugung eines zweiten Sollsignals, wobei das hochfrequente Signal eine höhere Frequenz als das erste Sollsignal aufweist, und
eine Pulsweitenmodulationseinrichtung (2) als Hardware zur digitalen Ausführung einer Pulsweitenmodulation zur Lieferung einer gewünschten Ausgangsspannung, wobei die Pulswei tenmodulationseinrichtung pulsweitenmodulierte Impulse auf der Basis des zweiten Sollsignals erzeugt.

2. PWM-Stromrichter, umfassend:
eine Einrichtung (1) zur Überlagerung eines hochfrequenten Signals auf ein erstes Trägersignal zur Erzeugung eines zweiten Trägersignals, wobei das hochfrequente Signal eine höhere Frequenz als ein Sollsignal aufweist, und
eine Pulsweitenmodulationseinrichtung als Hardware zur digitalen Ausführung einer Pulsweitenmodulation zur Schaffung einer gewünschten Ausgangsspannung, wobei die Pulswei tenmodulationseinrichtung pulsweitenmodulierte Impulse durch Vergleich des Sollsignals mit dem zweiten Trägersignal erzeugt.

3. PWM-Mehrphasen-Stromrichter, umfassend:
eine Einrichtung (1a, 1b, 1c) zur Überlagerung eines hochfrequenten Signals auf ein jeweiliges erstes Sollsignal jeder Phase des Stromrichters zur Erzeugung eines jeweiligen zweiten Sollsignals, wobei das hochfrequente Signal eine höhere Frequenz als das jeweilige erste Sollsignal aufweist,
eine Pulsweitenmodulationseinrichtung (5, 6a, 6b, 6c) als Hardware zur digitalen Aus führung einer Pulsweitenmodulation zur Schaffung einer gewünschten Ausgangsspannung, wobei die Pulsweitenmodulationseinrichtung pulsweitenmodulierte Impulse für jede Phase durch Vergleich des jeweiligen zweiten Sollsignals mit einem Trägersignal erzeugt.

4. PWM-Mehrphasen-Stromrichter, umfassend:
eine Einrichtung zur Überlagerung eines hochfrequenten Signals mit einer höheren Frequenz als ein Sollsignal auf ein erstes Trägersignal zur Erzeugung eines zweiten Trägersignals, und
eine Pulsweitenmodulationseinrichtung als Hardware zur digitalen Ausführung einer Pulsweitenmodulation zur Lieferung einer gewünschten Ausgangsspannung, wobei die Pulswei tenmodulationseinrichtung pulsweitenmodulierte Impulse für die einzelnen Phasen des Stromrich ters durch Vergleich des der jeweiligen Phase entsprechenden Sollsignals mit dem zweiten Trägersignal erzeugt.

5. PWM-Mehrphasen-Stromrichter, umfassend:
eine Einrichtung zur Überlagerung eines hochfrequenten Signals auf ein jeweiliges erstes Sollsignal jeder Phase als eine Nullsystemkomponente derselben, zur Erzeugung eines jeweiligen zweiten Sollsignals, wobei das hochfrequente Signal eine höhere Frequenz als das erste Sollsignal aufweist, und
eine Pulsweitenmodulationseinrichtung als Hardware zur digitalen Ausführung einer Pulsweitenmodulation zur Lieferung einer gewünschten Ausgangsspannung, wobei die Pulswei tenmodulationseinrichtung pulsweitenmodulierte Impulse für die einzelnen Phasen durch Vergleich des der jeweiligen Phase entsprechenden zweiten Sollsignals mit einem Trägersignal erzeugt.

6. PWM-Stromrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Hochfrequenz signal eine Periode aufweist, die ein Vielfaches derjenigen des Trägersignals ist.

7. PWM-Stromrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Hochfrequenz signal eine Zerhackerwelle umfaßt.

8. PWM-Stromrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das hochfrequente Signal eine Amplitude aufweist, die nicht kleiner als die Hälfte der Auflösung des Sollsignals oder des Trägersignals ist.