DE3131344C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von Spannungssollwerten zu Zündsignalen mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen siehe hiezu z. B. Siemens-Zeitschrift 45 (1971). Heft 3 S. 154-161 sowie eine Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einem Wechselrichter, dessen beide Gleichspannungseingänge mit einer vorgegebenen (z. B. konstant eingeprägten) Eingangsgleichspannung gespeist sind, können durch ein dem jeweiligen Ausgang zugeordnetes Zündsignal die auf diesen Ausgang arbeitenden Ventile oder Schalter so angesteuert werden, daß dem Ausgang die Eingangsgleichspannung - jeweils entsprechend dem Zustand des Zündsignals - positiv oder negativ aufgeschaltet wird, also eines von zwei durch die Eingangsgleichspannung diskret vorgegebenen Potentialen an diesem Ausgang vorliegt. Eine annähernd kontinuierliche, z. B. sinusförmige Ausgangsspannung kann erreicht werden, indem zwischen den beiden Zuständen des Zündsignales (und damit zwischen den beiden diskreten Potentialen) rasch umgeschaltet wird, so daß Spannungsimpulse entstehen, deren Dauer von der jeweils angestrebten Spannung abhängig ist und die durch Glättung einen kontinuierlichen Spannungsverlauf ergeben. Dies kann für die jeweils einem Ausgang zugeordneten Zündsignale einzeln (d. h. für jede Ausgangsspannung getrennt) durchgeführt werden. Werden die einzelnen Ausgangsspannungen so gesteuert, daß sie gegeneinander phasenversetzt sind, so können die Phasenspannungen einer angeschlossenen Last zu einem Raumzeiger zusammengesetzt werden, der den Spannungszustand der Last kennzeichnet. Bei einer dreiphasigen, symmetrischen Last mit offenem Sternpunkt, z. B einer entsprechenden Ständerwicklung einer Drehfeldmaschine, ergeben sich auf diese Weise sechs im Betrag durch die Eingangsgleichspannung und in ihrer räumlichen Lage durch den jeweiligen Zustand der drei Phasenspannungen bestimmte diskrete Raumzeiger für die Ausgangsspannung sowie zwei Zustände, bei denen alle Ausgangsspannungen im gleichen Zustand sind, indem alle Wechselrichterausgänge mit dem positiven oder negativen Wechselrichter-Eingang ("positiver" bzw. "negativer Klemmenkurzschluß") verbunden sind.

Sieht man davon ab, daß zur Vermeidung eines Wechselrichter­ kurzschlusses bei Änderung eines Zündsignals lediglich kurzzeitig ein Zustand angesteuert wird, bei dem alle auf entsprechenden Ausgang arbeitenden Ventile gesperrt werden, so ist jeder der acht möglichen Kombinationen ("Zündkombinationen") der drei Zündsignale ein bestimmter Spannungszustand eindeutig zugeordnet. Es ergeben sich sechs diskrete Zeiger als Raumzeiger sowie der (doppelt zu zählende) Nullzustand beim Klemmenkurzschluß. Eine quasikontinuierliche Steuerung der Ausgangsspannung, z. B. zur Steuerung einer Drehfeldmaschine, kann also nur über ein Hin- und Herpulsen des anzusteuernden Raumzeigers ("Spannungszeigers") der Ständerspannung zwischen den diskreten Zeigern erfolgen. Bei einem bekannten Pulssteuerverfahren ("Sinus-Dreieck-Modulation") nach o. g. Siemens-Zeitschrift 45 a. a. O. werden aus eingegebenen Sollwerten für die quasikontinuierliche Steuerung der Phasenspannungen Steuersignale dadurch gebildet, daß in einer Eingangsstufe für jeden Wechselrichterausgang eine sinusförmige Sollspannung erzeugt wird, um beispielsweise einen konstant umlaufenden Spannungsraumzeiger zu erhalten. Ein Generator liefert ein Laufzeitsignal, insbesondere eine freischwingende oder auf dem umlaufenden Spannungsraumzeiger synchronisierte Dreiecksspannung. In einer Vergleicherstufe wird nun jede Sinusspannung mit dieser Dreiecksspannung abgefragt, wobei jeweils bei Gleichheit beider Spannungen durch Umschalten des Zündsignals für die auf den entsprechenden Ausgang arbeitenden Ventile die Eingangsgleichspannung mit umgekehrter Polarität auf den Ausgang gelegt, also der Zustand der Phasenspannung geändert wird. Bei hinreichend hoher Frequenz des Laufzeitsignals entstehen durch Glättung der Spannungspulse annähernd sinusförmige Phasenspannungen, die sich zu dem quasikontinuierlich zu steuernden Spannungsraumzeiger zusammensetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Steuerung eines Pulswechselrichters anzugeben, die insbesondere eine einfache Digitalisierung zuläßt. Bei einer Digitalisierung läßt sich in der Regel mit geringerem Aufwand eine hohe Genauigkeit erreichen. Ferner kann durch die Erfindung der Stellbereich für die Ausgangsspannung eines Umrichters optimal genutzt und der Oberwellengehalt in der Ausgangsspannung gering gehalten werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebene Steuerverfahren zum Bilden der Zündsignale für einen Pulswechselrichter durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 ausgebildet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer entsprechenden Steuereinrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird an Hand von in 6 Figuren dargestellten zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Pulsumrichters zur Speisung einer symmetrischen Last, deren Sternpunkt nicht angeschlossen ist; Fig. 2 und 3 verdeutlichen die diskreten Zeiger Z₁ bis Z₆, die den entsprechenden Zündkombinationen der Umrichterventile oder -schalter zugeordnet sind; Fig. 4 zeigt in zwei Beispielen den Raumzeiger der Ausgangsspannung und dessen Komponenten bezüglich der benachbarten diskreten Zeiger; die Fig. 5 und 6 betreffen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In Fig. 1 ist der Wechselrichter 1 über die Klemme 2 mit dem positiven und über die Klemme 3 mit dem negativen Anschluß einer vorgegebenen Eingangsgleichspannung U _z verbunden, wobei der Wechselrichterausgang a entsprechend der Polarität eines digitalen Steuersignals S _a über die auf diesem Ausgang a arbeitenden Schalter (Ventile a 1 und a 2) alternativ mit dem positiven Eingang 2 oder dem negativen Eingang 3 verbindbar ist. Die entsprechenden, auf die Ausgänge b und c arbeitenden Ventile sind mit b 1, b 2 bzw. c 1, c 2 bezeichnet. Die Ventile sind schematisch als Schalter dargestellt, sie können z. B. Schalttransistoren oder Thyristoren sein, wobei zu den Ventilen noch antiparallele Freilaufdioden vorgesehen sind. An die Ausgänge a, b, c ist eine symmetrische Last 4 mit den Phasenspannungen U _a, U _b, U _c und freiem Sternpunkt 5 angeschlossen.

Die Steuersignale S _a, S _b, S _c für die Steuerung der Ventile werden von einer Steuereinrichtung 6 in Form von digitalen Signalen gebildet werden, wobei beispielsweise dem Zustand S _a=1 der geschlossenen Schalter a 1 und der geöffnete Schalter a 2 zugeordnet ist. Zum Umschalten von a 1 auf a 2 bei einer Zustandsänderung von S _a ist schematisch ein Negationsglied 7 dargestellt, wobei im realen Fall noch üblicherweise weitere (nicht dargestellte) Bauteile, z. B. Endverstärker und eine Sperrschaltung (um beim Umschalten der Ventile einen kurzzeitigen Wechselrichterkurzschluß, bei dem Strom über beiden Ventilen a 1, a 2 fließen kann, zu vermeiden) verwendet werden.

Bei jedem Betriebszustand, bei dem jeweils nur eines der auf einen Ausgang arbeitenden Ventile gezündete ist, kann bei bekannter Eingangsgleichspannung U _z die Ausgangsspannung U durch die Kombination der entsprechenden Zündsignale S _a, S _b, S _c beschrieben werden. Entsprechend den möglichen 8 Kombinationen dieser drei Zündsignale entstehen die in Fig. 2 als Raumzeiger gezeigten Zustände Z ₁ bis Z ₆ sowie der Zustand Z ₀, der entsprechend einem Klemmenkurzschluß über die Klemme 2 (S _a=S _b=S _c=1) oder die Klemme 3 (S _a=S _b=S _c=0) doppelt zu zählen ist. Zu jedem der auf diese Weise vorgegebenen diskreten Zeiger Z ₁ bis Z ₆ sowie zum Nullzustand Z₀ ist in Fig. 2 jeweils die entsprechende Kombination der Zündsignale als 3Bit-Wort angegeben. Wird z. B. für festes S _a=1, S _c=0 nur der Ausgang b durch Übergang von b₂ auf b₁ umgeschaltet, so bedeutet dies einen Übergang von Z ₁ auf Z ₂. Geht man davon aus, daß bei Zünden eines Ventils die Ausgangsspannung betragsmäßig proportional der Eingangsspannung U _z ist und vernachlässigt Spannungsabfälle im Wechselrichter, so besteht für die Spannungsbeträge der Zusammenhang

Z ₁ = . . . = Z ₆ = 2/3 · U _z und Z ₀ = 0.

Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, daß ein z. B. in einer Zwischenlage zwischen zwei diskreten Zeigern vorgegebener Sollspannungs-Raumzeiger dadurch gesteuert werden kann, daß die beiden benachbarten diskreten Vektoren und ggf. der Nullzusand Z ₀ von vornherein ausgewählt und die Zünddauer ("Verweilzeit") für die entsprechenden Zündkombinationen so berechnet werden, daß im Mittel durch die vektorielle Additon dieser Zustände der Soll- Raumzeiger erhalten wird. Die Schaltfolge, durch die diese Zustände erzeugt werden, kann dann bereits vorher berechnet und optimiert werden.

Das Verfahren, das sich auch auf Umrichter mit einer anderen Zahl von Ausgängen übertragen läßt, wird im folgenden anhand des gewählten dreiphasigen Beispiels weiter erläutert.

Gemäß Fig. 2 ist ein Umlauf des Spannungsraumzeigers U durch die diskreten Zeiger Z ₁ bis Z ₆ in sechs Winkelbereiche geteilt. In Fig. 3 wird der Spannungsraumzeiger nur relativ zu seinen benachbarten Zeigern Z _α , Z _β betrachtet wobei mit Z _α der bei gegebener Zählrichtung des Umlaufwinkels vorangegangene ("rechtsbenachbarte") Zeiger und mit Z _β der folgenden ("linksbenachbarte") Zeiger bezeichnet ist. Es wird also vom Umlaufwinkel Φ (0°Φ 360°) auf die Winkelgröße Φ=Φ modulo 60° übergegangen. Wird innerhalb eines zeitlichen Intervalls T die zum rechtsbenachbarten Zeiger gehörende Zündkombinaton (z. B. (100) nach Fig. 1 entsprechend Z _α=Z₁) für eine Dauer (Verweilzeit) T _α und die zum linksbenachbarten Zeiger gehörende Zündkombination (im Beispiel (110) für Z _β= Z ₂) angesteuert, so ergibt sich im Mittel

Betrachtet man andererseits die Komponenten des Spannungsraumzeigers bezüglich der Einheitszeiger Z _α/| Z _α| und Z _b/| Z _β|, so liefert die Geometrie nach Fig. 3:

wobei gilt |Z _a|=|Z _β|= U _z. Es kann also offensichtlich der Spannungsraumzeiger U erhalten werden, wenn für die Verweilzeiten die Bedingung (3)

eingehalten wird. Entsprechend werden gemäß der Erfindung zur quasikontinuierlichen Steuerung der Phasenspannungen Steuersignale gebildet, indem von einem aus eingegebenen Spannungssollwerten bestimmte Raumzeiger ausgegangen wird. Sind z. B. direkt die anzusteuernden Phasenspannungen einer Last durch Sollwerte gegeben, so können diese Sollwerte zu einem Soll-Raumzeiger der Lastspannung mit dem Betrag |U| um einen Umlaufwinkel Φ zusammengesetzt werden; andererseits ist es häufig einfacher, den Raumzeiger U selbst durch Betrag |U| und Winkel Φ vorzugeben.

Es werden nun einerseits zur momentanen Lage dieses Raumzeigers die beiden benachbarten Vektoren Z _α, Z _β bestimmt und andererseits als Steuersignale die Komponenten des Raumzeigers bezüglich den benachbarten diskreten Zeigern ermittelt. Diese Steuersignale werden verwendet, um durch Vergleich mit einem Laufzeitsignal Schaltsignale zum Abschalten der jeweils angesteuerten Zündkombination zu bilden. Diese Komponenten dienen als zu einem Zeitvergleich, um die Einschaltdauern ("Verweilzeit") für die in der jeweiligen Kombination gezündeten Wechselrichterventile zu ermitteln; sie werden bereits beim oder wenigstens kurz nach dem Start des Laufzeitsignals im voraus berechnet. Nach dem Start des Laufzeitsignals werden dann die die benachbarten Zeiger bestimmten Zündkombinationen jeweils für die zuvor berechneten, durch die zugehörigen Komponenten gegebenen Verweilzeiten angesteuert.

Gemäß Fig. 5 kann hierzu vorteilhaft eine Steuereinrichtung verwendet werden, die eine Eingangsstufe 30, einen Generator 38 für das Laufzeitsignal, eine Vergleicherstufe 37 und eine Verteilerstufe 35 enthält.

Die Eingangsstufe 30 stellt an einer Auswahlleitung 34 ein Auswahlsignal S _s bereit, das jeweils zwei einander benachbarte Zeiger kennzeichnet. Das Auswahlsignal S _s wird von der Auswahlstufe 35 zugeführt, die jedem Wert von S _s die Zündkombinationen zuordnet, die den dadurch gekennzeichneten Winkelbereich bzw. den begrenzten Zeigern entsprechen. Werden die jeweils durch zwei einander benachbarte diskrete Zeiger begrenzte Winkelbereiche des Umlaufwinkels nach Fig. 1 in vorgegebener Zählrichtung fortlaufend gezählt, - beginnend z. B. mit dem zwischen Z ₁ und Z ₂ liegenden Bereich mit einer fortlaufenden Digitalzahl 000 bis 101 - so können der Zählnummer jedes Winkelbereichs jeweils in eindeutiger Weise einer der Vektoren Z ₁ bis Z ₆ als rechts- und linksbenachbarter Zeiger zugeordnet werden. Die Auswahlstufe ordnet im Beispiel dem Signal S _s=000 die beiden Zündkombinationen S _α=100 (entsprechend Z _α= Z ₁) und S _β=110 (entsprechend Z _b= Z ₂) zu. Die Auswahlstufe gibt dann in Abhängigkeit von den von der Vergleichstufe gebildeten Schaltsignalen i die entsprechenden Zündsignale S _a bis S _c in den entsprechenden Kombinationen S _α und S _β ab.

Die Eingangsstufe bestimmt ferner an den Ausgängen 32 und 33 mittels eines Funktionsbildners die Steuersignale für die Vergleicherstufe 37, wobei die Steuersignale den Komponenten des Spannungsraumzeigers bezüglich der beiden benachbarten diskreten Zeiger entsprechen.

In dem besonders einfachen Fall, daß für jede Lage des Spannungs-Raumzeigers U der maximal mögliche Zeigerbetrag U* erzeugt werden soll, können die zugehörigen Verweilzeiten T* _α und T* _β zu

T* _α = c · sin (60°-ϕ), (4a)

T* _β = c · sin ϕ (4b)

mit einem konstanten Wert c gewählt werden, wobei für das Zeitintervall T der Mitteilung

T* = T _α* + T* _β = c (sin 60°-ϕ) + sin ϕ (4c)

und für den Betrag des Spannungsraumzeigers

gilt. Offenbar sind damit die Bedingungen (3) erfüllt. Der Funktionsbildner braucht daher in diesem Fall nur einen Funktionsgenerator enthalten, dem der Umlaufwinkel Φ als ein die Winkellage des Spannungsraumzeigers relativ zu den benachbarten Zeigern Z _α, Z _β beschreibende Winkelgröße ϕ eingegeben wird. Zu jedem Wert ϕ brauchen dann lediglich die Funktionswerte sin (60°C-ϕ) und sin ϕ als Komponenten des Raumzeigers U bezüglich der beiden ausgewählten benachbarten Zeiger ausgegeben zu werden.

Die Eingangsstufe läßt sich mit besonders einfachen, insbesondere digitalen, Mitteln aufbauen, wenn der den anzusteuernden Sollwerten der Phasenspannung entsprechende Raumzeiger in polaren Koordinaten durch die Betragskomponente und die Winkelkomponente bestimmt ist. Beispielsweise kann für die Steuerung einer Synchronmaschine als Winkelkomponente direkt die Polradlage verwendet werden. Für eine digitale Steuereinrichtung ist es vorteilhaft, zur Vorgabe der Winkelkomponente den Umlauf des Spannungsraumzeigers in derartige nacheinander zu zählende Winkelschritte zu zerlegen, daß der von zwei einander benachbarten Vektoren begrenzte Winkelbereich in 2 ^m Winkelschritten zerlegt ist. Z. B. kann der volle Umlauf (360°) des Spannungsraumzeigers in 768 Winkelschritte zerlegt werden, so daß eine Winkelauflösung von 360°/768≈0,5° erhalten wird. Der Umlaufwinkel Φ (Winkelkomponente des Raumzeigers) wird dabei als 10 Bit-Wort digital eingegeben. Die m=7 Endstellen des die Winkelkomponente darstellenden Digitalwortes beschreiben dann die relative Winkellage in dem von Z _α, Z _β begrenzten Winkelbereich und können als sprechendes Winkelsignal dem Funktionsbildner zugeführt werden, während die verbleibenden drei Anfangsstellen des Digitalwortes als das den Winkelbereich bzw. die auszuwählenden benachbarten Zeiger Z _α, Z _β bestimmende Auswahlsignal S _s der Auswahlstufe zugeführt wird. Insbesondere ist es hier vorteilhaft, als Funktionsgenerator und als Auswahlstufe jeweils einen Festwertspeicher zu verwenden, deren Addressiereingänge das digitale Winkelsignal bzw. das digitale Auswahlsignal zugeführt sind. Im Funktionsgenerator braucht dabei nur die Funktion sin ϕ eingespeichert zu sein, da an seinem Eingang durch Komplementbildung des m-stelligen Winkelsignals sofort nach Berechnung von sin ϕ auf die Winkelfunktion von (60°C-ϕ) übergegangen werden kann.

Vorteilhaft ist ferner zwischen Funktionsgenerator 36 und der Vergleicherstufe 37 wenigstens ein Zwischenspeicher angeordnet, um bei Bedarf die den Verweilzeiten entsprechenden ermittelten Steuersignale abzurufen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird im Zwischenspeicher 42 T* _α entsprechend der Beziehung (4a) abgespeichert, während im Zwischenspeicher 43 die Summe T* _α+T* _β abgespeichert ist.

Die Vergleicherstufe 37 enthält wenigstens einen Komparator für einen Zeitvergleich, wobei durch Vergleich des im Generator 38 erzeugten Laufzeitsignales mit den in der Eingangsstufe 30 ermittelten Komponenten des Spannungsraumzeigers die Schaltsignale i gebildet werden, die die Verweilzeiten für die diskreten Zeiger festlegen. Der Generator 38 ermittelt bei der dargestellten digitalen Einrichtung durch Zählen von Impulsen vorgegebener (z. B. fester) Frequenz (Zähler 39) ein zeitveränderliches Laufzeitsignal n. Zum Start des Laufzeitsignals kann der Zähler 39 über einen Rücksetzeingang 44 auf Null gesetzt werden. Das Laufzeitsignal wird in der Vergleicherstufe 37 zusammen mit der Verweilzeit T _α für den Zeiger Z _α einem ersten Komparator 40 aufgeschaltet und gibt z. B. für n T _α das Schaltsignal i=0 ab, mit dem die Vergleicherstufe von den beiden durch das Auswahlsignal S _s addressierten entsprechenden Zündkombinationen S _α, S _β die zu Z _α gehörende Zündkombination S _α auswählt und auf die Ausgänge S _a bis S _c aufschaltet. Für T _α<nT _β+T _α liegt der andere Zustand des Schaltsignals i vor und die Auswahlstufe 35 erzeugt nun die zu Z _β gehörende Zündkombination S _β. Bei Ansprechen des Komparators 41, dem entsprechend der Verweilzeit T _β die Verweilzeitsumme T _a+T _β=T zusammen mit dem Laufzeitsignal n aufgeschaltet ist, wird über die Leitung 44 der Zähler 39 rückgesetzt und es beginnt mit einem neuen Start des Laufzeitsignals ein neues Schaltsignal der Wech­ selrichterventile. Gleichzeitig kann mit diesem Komparatorsignal auch die Eingangsstufe 30 angesteuert werden, um mit dem erneuten Start des Laufzeitsignals eine neue Berechnung der Verweilzeiten durchzuführen. Vorteilhaft ist hierbei am Eingabeeingang für den Spannungsvektor noch ein Zwischenspeicher 45 vorgesehen, der die momentane Sollwertvorgabe für den Spannungsvektor U abspeichert und dem Funktionsgenerator 36 im Rechentakt zur Verfügung stellt.

Wählt man den Start des Laufzeitsignals so, daß er jeweils nach einem Sechstel der Umlaufzeit des Spannungsraumzeigers erfolgt, und setzt ϕ=0 oder 60° (d. h. es wird in allen Winkelbereichen nur Z _α oder in allen Winkelbereichen nur Z _β angesteuert), so erhält man hierbei den ungepulsten Betrieb mit maximalem Betrag des Spannungs­ vektors.

Bei einer Ansteuerung gemäß den Beziehungen (4) wird stets der durch (4d) bestimmte, vom Momentanwert der Winkellage ϕ abhängige theoretisch mögliche Maximalwert des Spannungsraumzeigers angesteuert. Die Endpunkte dieses Raumzeigers liegen damit auf der in Fig. 4 durch die Gerade 20 dargestellten Raumkurve. Für ein Pulssteuerverfahren kommt im Hinblick auf wirtschatliche Anwendungen der Spannungsausnutzung besondere Bedeutung zu. Dabei ist es üblich, den maximal erreichbaren Wert der in der Ausgangsspannung enthaltenen Grundschwingungsamplitude bezogen auf den Maximalwert bei ungepulstem Betrieb anzugeben. Bei der angegebenen maximalen Aussteuerung kann eine mittlere Grundschwingungsamplitude von etwa 0,955 erreicht werden, so daß der Abstand der Vollblocksteuerung nur noch etwa 4,5% beträgt. Dabei entstehen in der verketteten Ausgangsspannung neben der Grundschwingung auch Harmonische von 5., 7. und 11. Ordnung. Die Amplitude der 5. Harmonischen beträgt jedoch nur noch 4% gegenüber der Grundschwingung und alle höheren Harmonischen haben keine Bedeutung mehr.

Die bisher besprochene Aussteuerung liefert gemäß (4d) stets die zu U _z gehörende Maximalspannung U* ("Vollaussteuerung"). Beliebige Spannungsbeträge |U| lassen sich demnach erzeugen, indem man den Umrichter nicht mit einer konstanten Eingangsgleichspannung U _z fährt, sondern U _z entsprechend dem Sollspannungs-Betrag steuert. Der Umrichter selbst wird dann stets voll ausgesteuert.

Man kann aber auch die Umrichter-Eingangsgleichspannung U _z konstant vorgeben und dem Umrichter mit einer von dem Sollspanungs-Betrag abhängigen, gegebenenfalls unterhalb der Vollaussteuerung liegenden Aussteuerung betreiben. Dabei ist das bisher beschriebene Verfahren durch Einbeziehung des Nullzustandes Z₀ (Klemmenkurzschluß) zu ergänzen. Der für die Dauer T₀ eingeschaltete Nullzustand Z₀ (Klemmenkurzschluß) bewirkt, daß der Betrag des Spannungs- Raumzeigers, gemittelt über die Dauer T eines Schaltspiels, im Verhältnis

U/U* = (T _α+T _b)/(T _α + T _β + T₀) = T _α/T + T _β/T

verkürzt wird. Für den bisher betrachteten Fall, daß T _α, T _b unabhängig vom Spannungsbetrag |U| lediglich gemäß (4a, 4b) aus der die relative Raumzeigerlage bezüglich der beiden benachbarten Zeiger Z _α, Z _β bestimmenden Winkelgröße ϕ bestimmt werden, ergibt sich dann, daß die Dauer T entsprechend

gewählt werden muß. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß in Ergänzung der Anordnung nach Fig. 4 der am Ausgang 33 anstehende Wert für

T _α + T _β = C · (sin (60°C-ϕ) + sin ϕ)

zusätzlich einem Mupltiplizierer zugeführt und mit einer entsprechend einzugebenden Größe U*/U multipliziert wird. Das Schaltspielende wird dann mittels eines weiteren Komparators durch Vergleich des Multipliziererausgangs mit dem Laufzeitsignal festgelegt, während das Ausgangssignal des Komparators 41 als weiteres Schaltsignal der Verteilerstufe 35 eingegeben wird, die dann für n T _a+T _β von der zu Z _β gehörenden Schaltkombination S _β auf eine der zu Z₀ gehörenden Kombination S _-=(000) oder S ₊=(111) umschaltet und diesen Klemmenkurzschluß bis zum Ende des Schaltspiels beibehält.

Man gelangt jedoch zu einem einfacheren Verfahren, wenn die Dauer des Schaltspiels (d. h. die Laufzeit des Laufzeitsignals oder der jeweilige Start des Lauzeitsignales) extern vorgegeben wird. So kann der Start z. B. mit konstanter Frequenz vorgegeben werden, oder er kann mit einer auf dem Umlauf des Spannungsvektors oder einer anderen rotierenden Bezugsgröße (z. B. der Polradlage einer angeschlossenen Synchronmaschine) synchronisierten Frequenz vorgegeben werden.

Für diesen Fall, daß die Schaltspieldauer T extern vorgegeben ist, (T=T _e), kann die Berechnung entsprechend der Beziehung (3) durch eine modifizierte Beziehung (3′) er­ folgen:

Die Verweilzeit für die beiden Zündkombinationen Z _α, Z _β können also vorteilhaft aus der Winkelgröße und dem Betrag des Sollspannungs-Raumzeigers bestimmt werden. Der Funtkionsbildner 30 aus Fig. 5 ist also auch in diesem Fall durch einen Multiplizierer 50 zu ergänzen, dem neben dem Ausgangssignal des Funktionsgenerators 36 der Spannungsbetrag U aufgeschaltet ist. Fig. 6 zeigt eine derartige Schaltung, wobei die Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, soweit sie bereits bei Fig. 5 verwendet sind.

Die Vorgabe des Spannungsraumzeigers geschieht hierbei vorteilhaft dadurch, daß als Sollwerte für die Steuerung der Phasenspannungen der Raumzeiger U durch einen Betrag U sowie ein frequenzproportionales Signal λ, bei dem z. B. 728 Zählimpulse einer Umdrehung des Spannungsvektors entsprechen, vorgegeben werden. In einem Vorwärts- Rückwärtszähler 51 werden die frequenzproportionalen Impulse integriert, wobei die letzten sieben binären Stellen des Signals als Winkelgröße ϕ und die ersten drei Stellen des Signals als Auswahlsignal S _s am Ausgang abgegriffen werden und eine Rückwärtszählung einer Umkehrung der Drehrichtung entspricht. Der Zähler 51 wirkt demnach bereits als Winkeldiskriminator, der den Winkel Φ des Spannungsvektors modul 60° (entsprechend dem Winkel zwischen zwei benachbarten Zeigern) zerlegt. Dabei kann neben den Eingängen 54, 55, an denen die Winkelkomponente des Spannungs-Raumzeigers bestimmenden Frequenz λ und der Betrag U eingegeben wird, ein zusätzlicher Eingang 56 vorgesehen sind, um für dynamische Steuerungen durch Aufschaltung eines Zusatzwinkels Δ Φ den Winkel des Spannungs-Raumzeigers rasch zu verstellen.

Der analog vorgegebene Spannungsbetrag U wird in einem Analog-Digital-Umsetzer 52 in ein entpsrechendes Digitalsignal umgewandelt. Schreib- und Lesespeicher 45 dienen zur Zwischenspeicherung der jeweils zu Beginn eines Schaltspiels (d. h. beim Start des Laufzeitsignals) abgelesenen Werte von S _s, ϕ und U. Das Laufzeitsignal wird im Generator 38 durch einen Spannungsgesteuerten Impulsgenerator 53 erzeugt, dessen Zählimpulse von einem Zähler 39 jeweils bis zu einer Maximalzahl N₀ zyklisch gezählt werden. Bei einer Frequenz f _f des Impulsgenerators 53 erfolgt somit der Start des Laufzeitsignals jeweils nach der Schaltspieldauer T _e=N₀/f _f.

Die Komponenten des Raumzeigers bezüglich der durch das Auswahlsignal S _s festgelegten rechtsbenachbarten und linksbenachbarten Vektoren, d. h. die Verweilzeiten für die entsprechenden Zündkombinationen, werden durch einen den Festwertspeicher 36 und den Mulitplizierer 50 enthaltenden Funktionsbildner bestimmt. Dem Festwertspeicher 36 sind auf den Plätzen x=1 bis 128 die Funktionswerte y=const · sin x eingespeichert und sein Ausgang ist zusammen mit den digitalen Spannungsbetrag U dem Multiplizierer 50 aufgeschaltet. Wird somit der Funktionsbildner mit dem Wert U und der Adresse x=ϕ angesteuert, so liefert er gemäß der Beziehung (3b′) den Wert T _β=c · sin ϕ · U. Zur Bildung von T _α=c · sin (60°-ϕ) · U wird an einem dem Eingang des Festwertspeichers 36 vorgeschalteten Komplementbildner 57 jedes Bit des Winkelsignals ϕ invertiert und dadurch die Eingangsadresse x=60°-ϕ für den Festwertspeicher gebildet.

Die Ansteuerung des Komplementbildners 57 erfolgt so, daß beim Umlauf des Raumzeigers in jedem übernächsten, von den Zeigern begrenzten Winkelbereich zuerst T _β entsprechend x=ϕ und anschließend T _α entsprechend x= berechnet wird. In den dazwischenliegenden Bereichen wird umgekehrt zuerst x= und T _α gebildet. Dadurch ist sichergestellt, daß beim Übertritt des Raumzeigers von einem Winkelbereich in den nächsten die zeitliche Reihenfolge der Bildung von T _α und T _β jeweils umgekehrt wird. Dies hat im späteren Verlauf der Schaltung zur Folge, daß in aufeinanderfolgenden Bereichen Z _α und Z _β jeweils in umgekehrter zeitlicher Folge angesteuert werden, und kann für die später erläuterte Optimierung der Schaltfolge ausgenutzt werden. Die Ansteuerung des Komplementbildners kann mit dem letzten Bit des Auswahlsignals S _s erfolgen.

Die jeweils zu Beginn eines Schaltspiels ermittelten Werte von T _α, T _β werden einerseits in zwei hinteinander geschalteten Zwischenspeichern 48, 42 abgespeichert, andererseits an einer Additionsstelle 59 addiert und das Additionsergebnis T _α+T _β im Zwischenspeicher 43 einge­ lesen.

Die Vergleicherstufe 37 enthält wiederum zwei Komparatoren 40, 41 zu Vergleich der von den Speichern 42, 43 bereitgestellten Steuersignale T _α (bzw. T _β) und T _α+T _β mit dem Laufzeitsignal n des Zählers 39. Von den Ausgangssignalen dieser Komparatoren sowie den Auswahlsignal S _s wird die als Festwertspeicher ausgebildete Auswahlstufe addressiert, die entsprechend ihrer Programmierung die Zündsignale S _a, S _b, S _c für die Wechselrichterventile in der jeweils gewünschten Kombination abgibt. Die Programmierung dieses Festwertspeichers geschieht nach der folgenden Optimierung:

Innerhalb eines Schaltspiels soll unmittelbar von einer Zündkombination auf die andere Zündkombination umgesteuert werden und die Ansteuerung des Klemmkurzschlusses soll jeweils vor oder - vorzugsweise - nach einer derartigen Umschaltung vorgenommen werden. Eine Ansteuerung, bei der jeweils nach einer Zündkombination und vor der nächsten Zündkombination ein Klemmenkurzschluß angesteuert wird, würde nämlich zu einer hohen Zahl von Schaltvorgängen führen. Auch ist es vorteilhaft, wenn beim Ansteuern des Klemmenkurzschlusses zwischen positivem und negativem Klemmenkurzschluß abgewechselt wird. Bevorzugt wird innerhalb des Schaltspiels jede Zündkombination einmal ansteuert, wobei die zeitliche Folge der beiden Kombinationen in aufeinanderfolgenden Schaltspielen umgekehrt wird.

Insgesamt ergibt sich daraus eine optimale Zündfolge, wenn z. B. bei einer im ersten Winkelbereich mit Z _β= Z ₂ beginnenden Ansteuerung nacheinander die Zündkombinationen S =(110), (100), (000), im nächsten Schaltspiel (100), (110), (111) angesteuert werden. Wird nun in den zweiten, durch Z _α= Z ₂, Z _β= Z ₃ gekennzeichneten Winkelbereich übergegangen, so ergibt sich die Zündkombinationsfolge (110), (010), (000); (010). (110), (111). Im dritten Winkelbereich wird nun wiederum mit Z _β, d. h. Z ₄=(011) begonnen. Man entnimmt daraus, daß sich jeweils bei einer Umschaltung nur ein Zündsignal innerhalb einer Zündkombination ändert, d. h. es werden nur die jeweils auf einen Ausgang arbeitenden Wechselrichterventile umgesteuert.

Für die jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltspielen vorzunehmende Umkehrung der Ansteuerung von Z _α und Z _β ist das logische Schaltelement 60 an den Ausgang des Laufzeitgenerators 38 angeschlossen, das jeweils bei einem erneuten Start das Laufzeitsignales das Vorzeichen eines über die Leitung 61 abgegebenen Zeitfolge-Steuersignals S _z ändert. Der Festwertspeicher 35 wird von dem Auswahlsignal S _s, dem Zeitfolge-Steuersignal S _z und den Ausgängen der Komparatoren 40 und 41 adressiert und enthält auf jedem derart adressierten Speicherplatz ein 3-Bit-Wort, wobei jeder Stelle dieses dreistelligen Wortes eine entsprechende Ausgangsleitung zugeordnet ist, die das jeweils einem Wechselrichterausgang zugeordnete Zündsignal S _a, S _b, S _c abgibt und somit auf den entsprechenden Ausgang a, b, c arbeitenden Wechselrichterventile ansteuert.

Bei der Bildung der Steuersignale T _α, T _β ist die Be­ dingung:

T _α + T _β T _e

zu beachten, da sonst die Verweilzeiten der beiden Zündkombinationen S _α, S _β die vorgegebene Schaltspieldauer T _e übersteigen. Dieser Fall ist gegeben, wenn der durch die Spannungssollwerte vorgegebene Raumzeiger den durch (4d) gegebenen maximalen Betrag U* übersteigt (Übersteuerung). In diesem Fall sind durch (3′) unzulässig große Verweilzeiten _α, _β bestimmt. Diese müssen daher im Verhältnis T _e/( _α+ _b ) proportional verkleinert werden, so daß sich ergibt:

Dies entspricht dem bereits im Zusammenhang mit Fig. 5 erläuterten Fall der Vollaussteuerung, wobei jedoch jetzt die Schaltspieldauer T _s=T* _α+T* _β vorgegeben ist.

Eine Übersteuerung tritt stets bei sin (60°-ϕ)+sin ϕ<1 auf und kann z. B. daran abgelesen werden, daß an der Additionsstelle 59 ein Überlauf für das höchstwertige Bit auftritt. Mit dem Überlauf kann der Funktionsgenerator 36 des Funktionsbildners so angesteuert werden, daß nunmehr eine auf weiteren 128 Speicherplätzen abgespeicherte Funktion y=const · sin x/(sin (60°-x)+sin x) abgerufen wird. Diese Werte werden sodann an den Multiplizierer 50 weitergegeben und dort mit einer Konstanten multipliziert, die am Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers 52 mittels einer Begrenzerschaltung immer dann bereitgestellt wird, wenn der Spannungsbetrag U den maximalen Betrag U* überschreitet. Mit den auf diese Weise gebildeten korrigierten Steuersignalen T _α, T _β werden die zuvor ermittelten, unkorrigierten Steuersignale in den Speichern 58, 42 und 43 überschrieben, so daß nunmehr auch im Fall der Vollaussteuerung in der Vergleicherstufe 37 die richtigen (korrigierten) Verweilzeiten mit dem Laufzeitsignal n verglichen werden. Dadurch ist bei vorgegebenem Sollwinkel Φ* für den Sollspannungs-Raumzeiger eine winkelgetreue Raumzeiger-Führung mit maximalem Spannungsbetrag sichergestellt.

Für den in Fig. 4 dargestellten Fall, daß der Raumzeigerbetrag U innerhalb des durch den Kreis 70 dargestellten Bereiches liegt, in dem die Vollaussteuerung nicht erreicht wird, ergibt sich stets ein linearer Zusammenhang zwischen dem zur Steuerung der Ausgangsspannung vorgegebenen Raumzeiger U und dem Raumzeiger der tatsächlich am Wechselrichterausgang vorhandenen Spannung.

Das Verfahren liefert eine Spannungsausnutzung, die den theoretisch maximal erreichbaren Wert von f/2=0,907 für eine sinusförmige Steuerung der Umrichterausgangsspannung erreicht und etwa 15% höher liegt als bei der reinen Sinus-Dreieck-Modulation. Bei großem Frequenzverhältnis des Umsteuertaktes zur Grundfrequenz ist das Oberschwingungsspektrum bei diesem Verfahren vergleichbar mit dem Oberschwingungsspektrum bei der Sinus-Dreieck- Modulation. Für Frequenzverhältnisse unter 15 ergeben sich jedoch günstigere Eigenschaften, wenn man als ge­ bräuchliches Kriterium hinsichtlich der Auswirkungen der Oberschwingungen auf den Ausgangsstrom den relativen Verzerrungsstrom vergleichend zugrunde legt.

Claims (15)

1. Verfahren zum Verarbeiten von Spannungssollwerten (U*, f*) zu Zündsignalen (S _a, S _b, S _c), die die Ventile (a 1 bis c 2) eines mit vorgegebener Eingangsgleichspannung (U _z) gespeisten Wechselrichters (1) ansteuern, wobei durch die Kombination ("Zündkombination") der durch die Zündsignale jeweils gezündeten Ventile aus der Menge der diskreten Zeiger (Z ₁ bis Z ₆), die aus den entsprechend den Stromführungszuständen der Wechselrichterventile an den Wechselrichterausgängen möglichen Spannungen (U _a, U _b, U _c) zusammengesetzt sind, ein diskreter Spannungsraumzeiger (U) an den Wechselrichterausgängen bestimmt ist, mit den folgenden Merkmalen:

• a) zur quasikontinuierlichen Steuerung der Phasenspannungen werden den Spannungssollwerten entsprechende Steuersignale gebildet,
• b) es wird ein Laufzeitsignal (n) erzeugt (Generator 38),
• c) durch Vergleich (Vergleicherstufe 37) des Laufzeitsignals mit den Steuersignalen wird ein Schaltsignal (i) zum Abschalten der momentan angesteuerten Zündkombination (000 bis 111) gebildet,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) für einen aus Sollwerten der Phasenspannungen (U _a, U _b, U _c) zusammengesetzten quasikontinuierlich veränderlichen Spannungsraumzeiger (U) die benachbarten diskreten Zeiger (Z _α, Z _β ) bestimmt werden,
• e) jeweils bei einem Start des Laufzeitsignals (n) als Steuersignale die Komponenten des Spannungsraumzeigers bezüglich diesen benachbarten Zeigern gebildet werden, und
• f) nach dem Start des Laufzeitsignals die beiden die benachbarten diskreten Zeiger (Z _α, Z _β ) bestimmenden Zündkombinationen (S _a, S _β ) jeweils für die durch die zugehörigen Komponenten gegebenen Dauern ("Verweilzeiten", T _α, T _β ) angesteuert werden (Fig. 1 bis 4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines durch das Laufzeitsignal (n) bestimmten Schaltspiels für die neben der Verweilzeit (T _α+T _β ) der beiden Zündkombinationen (S _α, S _β ) verbleibende Zeit (T₀) des Schaltspiels eine zu einem Klemmenkurzschluß (Z ₀) - d. h. zur Zündung der die Wechselrichterausgänge mit einem einzigen Wechselrichtereingang verbindenden Ventile (Zündsignale S _a=S _b=S _c=0 oder 1) - gehörenden Zündkombination angesteuert wird, und entweder bei veränderlicher Dauer (T) des Schaltspiels die Verweilzeiten (T _α, T _β ) für die beiden Zündkombinationen (S _α, S _β ) aus einer die relative Lage des Spannungsraumzeigers bezüglich den beiden benachbarten diskreten Zeiger (Z _α, Z _β ) bestimmenden Winkelgröße ( ϕ ) und die Dauer T=T _a+T _β+T₀) des Schaltspiels aus der Winkelgröße ( ϕ ) und dem Betrag (U) des Spanungsraumzeigers bestimmt werden, oder bei vorgegebener Dauer (T=T _e) des Schaltspiels die Verweilzeiten (T _α, T _b ) für die beiden Zündkombinationen aus der Winkelgröße (ϕ) und dem Betrag (U) des Spannungsraumzeigers bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Schaltspiels unmittelbar von einer Zündkombination (S _α ) auf die andere Zündkombination (S _a ) umgesteuert wird und die Ansteuerung des Klemmenkurzschlusses vor oder bevorzugt nach einer derartigen Umschaltung vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansteuern des Klemmenkurzschlusses zwischen einem Klemmenkurzschluß über den positiven Gleichspannungseingang und einem Klem­ menkurzschluß über den negativen Gleichspannungseingang abgewechselt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schaltspiels jede Zündkombination (S _α, S _β ) einmal angesteuert wird, wobei die zeitliche Folge der beiden Kombinationen in aufeinanderfolgenden Schaltspielen umgekehrt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der beiden Zündkombinationen und dem Klemmenkurzschlusses so erfolgt, daß jeweils bei einer Umschaltung nur ein Zündsignal geändert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Start für das Laufzeitsignal jeweils extern vorgegeben ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Start mit einer auf den Umlauf des Spannungszeigers oder einer rotierenden Bezugsgröße synchronisierten Frequenz vorgegeben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übergang auf ungepulsten Betrieb des Wechselrichters der Start des Laufzeitsignals mit der sechsfachen Frequenz des Spannungsraumzeigers erfolgt und jeweils nur die Zündkombination angesteuert wird, die den dem Spannungsraumzeiger in gleichem Drehsinn benachbarten Zeiger (Z _α ) bestimmt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine Eingangsstufe (30) an einer Auswahlleitung (34) ein zwei einander benachbarte diskrete Zeiger (Z _α, Z _β ) kennzeichnendes Auswahlsignal (S _s) bereitstellt, wobei die beiden diskreten Zeiger zu einem Spannungsraumzeiger (U*) benachbart sind, der aus den durch eingegebene Sollwerte (U*, Φ ) anzusteuernde Phasenspannungen (U _a, U _b, U _c) zusammengesetzt ist.
• b) die Eingangsstufe (30) mittels eines Funktionsbildners (36) Steuersignale (T _α, T _β ) bestimmt, die den Komponenten des Spannungsraumzeigers (U*) bezüglich der beiden benachbarten diskreten Zeiger (Z _α, Z _β ) entsprechen,
• c) ein Generator (38) ein Laufzeitsignal (n) erzeugt,
• d) eine wenigstens einen Komparator (40, 41) enthaltende Vergleicherstufe (37) durch Vergleich des Laufzeitsignals (n) mit den Komponenten des Spannungsraumzeigers die Verweilzeiten (T _α, T _β ) für die Ansteuerung der diskreten Vektoren festlegt, und
• e) eine Auswahlstufe (35) in Abhängigkeit von dem Auswahlsignal (S _s) und dem Komparator-Ausgangssignal (i) die Zündsignale (S _a, S _b, S _c) für die Wechselrichterventile nacheinander in den durch die benachbarten diskreten Zeiger gegebenen Kombinationen (S _α, S _β ) abgibt (Fig. 4).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsbildner (30) einen Funktionsgenerator (36), dem eine die Winkellage des Spannungsraumzeigers (U) relativ zu den benachbarten diskreten Zeiger (Z _a, Z _β ) beschreibende Winkelgröße ( ϕ ) eingegeben ist, und einen nachgeschalteten Multiplizierer (50) enthält, dem der Betrag (U) des Spannungsraumzeigers aufgeschaltet ist (Fig. 5).

12. Digitalisierte Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (30) Eingabeeingänge (54, 55) für die polaren Komponenten (Betrag U, Winkel Φ ) des Spannungsraumzeigers enthält, wobei zur Vorgabe der in einem Digitalwort dargestellten Winkelkomponente ( Φ ) ein Umlauf in derartige nacheinander zu zählende Winkelschritte zerlegt ist, daß der von zwei einander benachbarten diskreten Zeigern (Z ₁ bis Z ₆) begrenzte Winkelbereich in 2 ^m Winkelschritte zerlegt ist und die m Endstellen des Digitalwortes als die relative Winkellage beschreibendes Winkelsignal ( ϕ ) dem Adressiereingang eines als Funk­ tiongsgenerator verwendeten ersten Festwertspeichers (36) und die verbleibenden Anfangsstellen des Digitalwortes als Auswahlsignal (S _s) dem Adressiereingang eines als Auswahlstufe verwendeten zweiten Festwertspeichers (35) zugeführt sind (Fig. 5).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsgenerator (36) und/oder der Vergleicherstufe (37) Zwischenspeicher (42, 43, 45) vorgeschaltet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Eingabeeinheit ein Zustatz-Sollwinkel ( Δ Φ ) für den Spannungsraumzeiger aufschaltbar ist.