DE3779430T2

DE3779430T2 - Steuerverfahren fuer impulsbreitenmodulationswechselrichter.

Info

Publication number: DE3779430T2
Application number: DE8787100325T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Nakamura; Tokunosuke Tanamachi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-13
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2007-01-14
Also published as: DE3779430D1; EP0229656A2; US4723201A; CN87100280A; EP0229656A3; JPH0564036B2; EP0229656B1; JPS62163589A; CN1008867B; AU581797B2; AU6748587A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für einen Pulsbreitenmodulations-Wechselrichter und genauer ein Steuerverfahren mit einer verbesserten Übergangsfunktion zwischen einem Drei-Puls-Modus und einem Einzelpulsmodus der Wechselrichter- Ausgangsspannung.

Beschreibung des Standes der Technik

Obwohl die Einzelheiten später noch beschrieben werden, wird allgemein bei einem Pulsbreitenmodulations-Wechselrichter (im folgenden PWM-Wechselrichter genannt) die Anzahl der Spannungsimpulse im Halbzyklus der Arbeitsperiöde des PWM-Wechselrichters bei der Steuerung der Ausgangs-Wechselspannung davon geändert. Wenn es erforderlich wird, die Wechselrichter-Ausgangsspannung anzuheben, muß bei der Steuerung letztlich die Zahl der Ausgangsspannungspulse im Halbzyklus der Arbeitsperiode des Wechselrichters von drei Pulsen auf einen Puls gewechselt werden, um die höchstmögliche Ausgangsspannung zu erhalten, das heißt, der Betrieb des Wechselrichters ist von einem Drei-Puls- Modus auf einen Einzelpulsmodus umzuschalten.
In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 57-132 772 ist zum Beispiel eine der Steuertechniken für einen PWM-Wechselrichter dieser Art beschrieben. Demnach ist ein Steuersystem vorgesehen, um die folgenden Probleme in einem PWM-Wechselrichter mit einstellbarer Spannung/einstellbarer Frequenz zu lösen, d. h. die unerwünschte Änderung in der Wechselrichter-Ausgangsspannung beim Übergang zwischen einem Drei-Puls-Modus und einem Einzelpulsmodus und die Phasenabweichung der Grundschwingung der Wechselrichter-Ausgangsspannung zu diesem Zeitpunkt zu vermeiden.
Dieses Steuersystem ist jedoch nicht frei von Problemen, da die Steuerung kompliziert ist und sich die Phase der Grundschwingung der Wechselrichter-Ausgangsspannung während des Verlaufs der Phasenkontrolle immer noch ändert, die für den Übergang vom Drei-Puls-Modus zum Einzelpulsmodus und umgekehrt mit drei Pulsen ausgeführt wird.
In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 57-85 583 ist ein Steuerverfahren zum Erhalten von Gatesignalen für einen PWM-Wechselrichter durch Vergleichen einer Dreieckswelle als Trägerwelle mit zwei sinusförmigen Wellen als modulierenden Wellen mit einem Phasenunterschied von 120º beschrieben. Auch bei diesem Verfahren tritt jedoch zum Zeitpunkt des Überganges zwischen einem Drei-Puls-Modus und einem Einzelpulsmodus die Phasenabweichung in der Grundschwingung der Wechselrichter-Ausgangsspannung auf. Des weiteren ist es bei diesem Verfahren aufgrund der Induktivität eines Motors, der vom Wechselrichter gespeist wird, sehr schwierig, die Wechselrichter-Ausgangsspannung im Einzelpulsmodus im voraus so zu bestimmen, daß sie der maximalen Wechselrichter-Ausgangsspannung im Drei-Puls-Modus nahezu gleich ist, und es kann daher die unerwünschte Änderung der Wechselrichter-Ausgangsspannung nicht unterdrückt werden.
Andererseits beschreibt die japanische Patentschrift Nr. 60-24 670 ein Verfahren zum Erzeugen eines Mehrpulsstromes in jedem Halbzyklus der Grundschwingung des Ausgangsstromes in einem Stromquellen-Wechselrichter. Dieser Stand der Technik betrifft jedoch nur die Verringerung von höheren Harmonischen im Ausgangsstrom und schließt nicht ein, daß die Zahl der Strompulse zur Steuerung des Ausgangsstromes des Wechselrichters geändert wird. Obwohl eine Wellenform für Gatesignale gezeigt ist, die denen gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich ist, findet sich beim Stand der Technik nirgends die Beschreibung einer Änderung der Ausgangsspannung oder des Stromes und der Phasenabweichung, die zum Zeitpunkt des Überganges zwischen einem Drei-Puls-Modus und einem Einzelpulsmodus in der Ausgangsspannung oder dem Strom eines PWM-Wechselrichters auftritt.
Um die Spannungsänderung im Wechselrichterausgang zu verringern, offenbart die DE-A-32 32 589 einen Drei-Puls-Zwischenmodus, der zwischen dem herkömmlichen Drei-Puls-Modus und dem Einzelpulsmodus verwendet wird. Im Drei-Puls-Zwischenmodus wird die Phase der Intervalle zwischen den Pulsen geändert, um die Ausgangsspannung des Wechselrichters zu steuern. Auch dieses Verfahren verursacht jedoch eine Phasenverschiebung in der Grundschwingung der Wechselrichter-Ausgangsspannung. Dieser Nachteil ist besonders von Bedeutung, wenn sich entweder die Last oder die Quellenspannung des Wechselrichters plötzlich ändert. In diesem Fall tritt ein plötzlicher Sprung in der Phase der Grundwelle der Ausgangsspannung auf.
In IEE PROC, Band 128, Teil B, Nr. 1, Januar 1981, Seiten 67 bis 72 ist ferner ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Pulsverschiebung angewendet wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerung für einen PWM-Wechselrichter zu schaffen, bei der die Änderung in der Größe der Wechselrichter-Ausgangsspannung zum Zeitpunkt des Überganges zwischen einem Drei-Puls-Modus und einem Einzelpulsmodus verringert ist und bei der auch keine Phasenabweichung in der Grundschwingung der Wechselrichter-Ausgangsspannung verursacht wird. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß in einem PWM-Wechselrichter, bei dem die Zahl der Pulse einer Betriebsspannung (im folgenden Betriebsspannungspulse genannt) in jedem Halbzyklus einer Ausgangs-Wechselspannung des Wechselrichters entsprechend der Frequenz der Ausgangs-Wechselspannung geändert wird und die Intervalle zwischen den Betriebsspannungspulsen in jedem Modus für die jeweilige Zahl der Betriebsspannungspulse gesteuert werden, zwischen einem ersten Drei-Puls- Modus, bei dem drei Betriebsspannungspulse innerhalb von 120º des elektrischen Winkels der Ausgangs-Wechselspannung vorliegen, und einem Einzelpulsmodus, bei dem die Breite des Betriebsspannungspulses gleich 120º im gleichen elektrischen Winkel ist, über einen zweiten Drei-Puls-Modus umgeschaltet wird, der aus zwei Betriebsspannungspulsen, die an beiden Seiten außerhalb der Periode von 120º im gleichen elektrischen Winkel liegen, und einem Mitten-Betriebsspannungspuls zusammengesetzt ist, der zwischen den beiden Betriebsspannungspulsen liegt.
Erfindungsgemäß kann die maximale Wechselspannung im zweiten Drei-Puls-Modus dadurch im wesentlichen gleich der im Einzelpulsmodus gemacht werden, daß die Pulsbreiten der beiden Betriebsspannungspulse an den beiden Seiten und die Intervalle zwischen dem Mitten-Betriebsspannungspuls und den beiden Betriebsspannungspulsen geeignet gesteuert werden, so daß der Sprung in der Ausgangs-Wechselspannung und die Phasenabweichung in der Ausgangs-Wechselspannung, die bei der herkömmlichen Steuerung beim Übergang zwischen dem Drei-Puls-Modus und dem Einzelpulsmodus aufgetreten sind, verhindert werden können.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den allgemeinen Aufbau einer Steuerung für einen PWM-Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, die für die Steuerung eines Induktionsmotors verwendet wird;
die Fig. 2a bis 2e sind Zeichnungen zur Erläuterung der Erzeugung von Gatesignalen für den Wechselrichter und der Wellenform einer Betriebsspannung einer Ausgangs-Wechselspannung des Wechselrichters in einem ersten Drei-Puls-Modus;
die Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zahl von Betriebsspannungspulsen und der Ausgangs-Wechselspannung bezüglich der Frequenz der Ausgangs-Wechselspannung zeigt;
die Fig. 4a bis 4f zeigen die Beziehung zwischen den Gatesignalen und der Betriebsspannung im ersten Drei-Puls-Modus, wenn die Intervalle zwischen den Betriebsspannungspulsen minimal sind, und im Einzelpulsmodus;
die Fig. 5a bis 5g sind Zeichnungen zur Erläuterung der Erzeugung von Gatesignalen für den Wechselrichter und die Wellenform der Betriebsspannung der Ausgangs-Wechselspannung in einem zweiten Drei-Puls-Modus;
die Fig. 6a bis 6f zeigen die Beziehung zwischen den Gatesignalen und der Betriebsspannung im zweiten Drei-Puls-Modus, wenn die Intervalle zwischen den Betriebsspannungsimpulsen minimal sind, und im Einzelpulsmodus;
die Fig. 7 zeigt die Charakteristik der Wechselrichter-Ausgangsspannung bezüglich des Intervalls zwischen den Betriebsspannungspulsen im ersten und im zweiten Drei-Puls-Modus;
die Fig. 8 ist ein Blockschaltbild, das die genaue Anordnung einer Modulationseinrichtung zeigt, die bei der Steuervorrichtung der Fig. 1 verwendet wird;
die Fig. 9a bis 9l sind Zeichnungen zür Erläuterung der Erzeugung von Gatesignalen für den Wechselrichter durch die Modulationseinrichtung der Fig. 8;
die Fig. 10a bis 10d sind Zeichnungen zur Erläuterung einer Modifikation der Erzeugung der Gatesignale für den Wechselrichter; und
die Fig. 11a bis 11d sind Zeichnungen zur Erläuterung einer weiteren Modifikation der Erzeugung der Gatesignale für den Wechselrichter.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die den allgemeinen Aufbau einer Steuervorrichtung für einen PWM-Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der Anwendung auf eine Induktionsmotorsteuerung zeigt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine Gleichspannungsguelle, 2 einen Pulsbreitenmodulations-Wechselrichter, der aus Steuer-Schaltelementen UP, VP, WP und UN, VN, WN wie Thyristoren besteht, 3 einen Induktionsmotor und 5 eine Modulationsschaltung, die aus einer Trägerwellen-Erzeugungseinrichtung 51, einer Modulationswellen-Erzeugungseinrichtung 52, einer Vergleichseinrichtung 53 und einer Steuereinrichtung 54 besteht. Die Steuer-Schaltelemente UP bis WN des Wechselrichters 2 werden in vorgegebener Folge durch die Ausgangssignale dieser Modulationsschaltung 5 über eine Gatesteuerung 4 ein- und ausgeschaltet.
In Fig. 1 wird die Drehfrequenz fn des Induktionsmotors 3 durch einen fn-Detektor 6 erfaßt, und eine Schlupffrequenz fs wird durch einen Addierer 10 während des Leistungslaufes und des regenerativen Laufes hinzuaddiert bzw. davon subtrahiert. Dies ergibt die Ausgangsfrequenz f (=fn±fs) des Wechselrichters 2. Die Schlupffrequenz fs wird von einer fs-Steuerung 9 durch Erfassen eines Wertes IM des Stromes des Induktionsmotors 3 durch einen Stromdetektor 7 und Vergleichen des festgestellten Wertes IM mit einem Stromsollwert IP in einem Komparator 8 gesteuert.
Auf der anderen Seite erhält die Modulationsschaltung 5 das Ausgangssignal des Addierers 10. Ein erster Trägerwellengenerator 511 der Trägerwellen-Erzeugungseinrichtung 51 erzeugt eine alternierende Dreieckswelle C, wie es in der Fig. 2a gezeigt ist, und ein Sinus-Modulationswellengenerator 521 der Modulationswellen-Erzeugungseinrichtung 52 erzeugt sinusförmige Modulationswellen für die U-, V- und W-Phasen, wie es bei U, V und W in der Fig. 2a gezeigt ist. Die Vergleichseinrichtung 53 vergleicht die sinusförmigen Modulationswellen U, V und W mit der Dreieckträgerwelle C und erzeugt Gateimpulse für die Steuer- Schaltelemente UP, VP und WP, wie es in den Fig. 2b bis 2d gezeigt ist. Durch Invertieren der in diesen Darstellungen gezeigten Impulse werden Gateimpulse (nicht gezeigt) für die Steuer-Schaltelemente UN, VN und WN erzeugt. Obwohl hier keine ausführliche Erläuterung erfolgt, hat die Betriebsspannung zwischen zwei Phasen der Wechselrichter-Ausgangsspannung die durch ein exclusives ODER der Gateimpulse der entsprechenden Phasen erhaltene Wellenform. Die Betriebsspannung zwischen den Phasen U und V des Wechselrichters 2 hat daher die in der Fig. 2e dargestellte Wellenform.
In der Fig. 2 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem der Halbzyklus der Ausgangsspannung des Wechselrichters 2 drei Pulse enthält. Dieser Modus ist üblich und wird im folgenden erster Drei-Puls-Modus genannt. Die Zahl der Pulse der Ausgangsspannung des Wechselrichters 2, die in jedem Halbzyklus davon enthalten sind, wird durch Verändern des Verhältnisses der Frequenz der Dreieckträgerwelle C zu der der Sinus-Modulationswellen U, V und W gesteuert; gewöhnlich wird die Frequenz der Trägerwelle geändert, und die der Modulationswelle wird konstant gehalten. Diese Pulszahl wird durch die Steuereinrichtung 54 bezüglich der Ausgangsfrequenz f des Wechselrichters 2 zum Beispiel gemäß der Folge von 27, 15, 9, 5 und 3 Pulsen geändert, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist.
Die Ausgangs spannung VM des Wechselrichters 2 wird durch Ändern der Breite θ eines Spaltes in den Gateimpulsen wie in den Fig. 2b bis 2d gezeigt und daher in der Betriebsspannung wie in der Fig. 2e gezeigt gesteuert. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Breite θ des Spaltes durch Ändern des Modulationsfaktors VC, d.h. des Verhältnisses des Spitzenwertes der Sinus- Modulationswellen U, V und W zu dem der Dreieckträgerwelle C mittels eines Modulationsfaktorrechners 11 derart gesteuert werden kann, daß die Ausgangsspannung VM bezüglich der Ausgangsfrequenz f des Wechselrichters 2 gleichmäßig wird, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist. Gewöhnlich wird zur Steuerung der Breite θ des Spaltes der Spitzenwert der Modulationswelle geändert, und der der Trägerwelle wird konstant gehalten.
Um die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 bis zur höchsten Spannung anzuheben, die der Wechselrichter 2 ausgeben kann, muß der Drei-Puls-Modus der Ausgangsspannung VM in einen Einzelpulsmodus geändert werden, da die Breite θ des Spaltes auf die minimale Löschperiode θmin begrenzt ist, die für die Steuer- Schaltelemente UP bis WN zum Abschalten erforderlich ist. Dieser Zustand ist in den Fig. 4a bis 4f gezeigt.
Die Fig. 4a, 4b, 4d und 4e davon stellen die Ausgangssignale der Vergleichseinrichtung 53 dar, auf deren Basis die Gateimpulse für die entsprechenden Steuer-Schaltelemente UP und VP durch die Gatesteuerung 4 erzeugt werden. Die in diesen Darstellungen gezeigten Pulse können daher als die Gateimpulse für die jeweiligen Steuer-Schaltelemente UP und VP betrachtet werden, wobei während des hohen Pegels davon die entsprechenden Steuer- Schaltelemente UP und VP leitend bleiben.
Wie mit Bezug zu der Fig. 2 bereits beschrieben, werden die (nicht gezeigten) Gateimpulse für die Steuer-Schaltelemente UN und VN durch Invertieren der in diesen Darstellungen gezeigten Pulse erhalten. Als Ergebnis des Anlegens solcher Gateimpulse an die entsprechenden Steuer-Schaltelemente UP bis VN wird die Betriebsspannung zwischen den Phasen U und V wie in den Fig. 4c und 4f gezeigt.
Wenn die Breite θ des Spaltes in den Gateimpulsen zu θmin wird, wie es in den Fig. 4a und 4b gezeigt ist, das heißt wenn die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 wie in der Fig. 4c gezeigt wird, wird vom Drei-Puls-Modus der Ausgangsspannung VM zum Einzelpulsmodus übergegangen, wie es in der Fig. 4f gezeigt ist, um die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 weiter anzuheben. Zu diesem Zweck werden auch die Gateimpulse von denen wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt in jene geändert, die in den Fig. 4d und 4 e gezeigt sind. Wenn jedoch der Betriebsmodus des Wechselrichters 2 vom Drei-Puls-Modus zum Einzelpulsmodus geändert wird, ändert sich die Ausgangsspannung VM abrupt, wie es bei (a) in der Fig. 3 gezeigt ist (die Größe dieser Spannungsänderung wird später noch angegeben).
Durch die Steuereinrichtung 54 wird dann bei der Ausgangsfrequenz f des Wechselrichters 2, bei der die Breite θ gleich θmin wird, vom ersten Trägerwellengenerator 511 in der Trägerwellen-Erzeugungseinrichtung 51 auf einen zweiten Trägerwellengenerator 512 und vom Sinus-Modulationswellengenerator 521 in der Modulationswellen-Erzeugungseinrichtung 52 auf einen Rechteck-Modulationswellengenerator 522 übergegangen.
Der zweite Trägerwellengenerator 512 erzeugt eine modifizierte Trägerwelle C', wie es in den Fig. 5a, 5c und 5e durch ausgezogene Linien gezeigt ist. Wie aus diesen Darstellungen hervorgeht, ist die modifizierte Trägerwelle C' in jedem Halbzyklus von und synchron zu einer Rechteck-Modulationswelle aus zwei Dreieckwellen zusammengesetzt, wie es durch eine strichpunktierte Linie in der Zeichnung gezeigt ist und wie es genauer später beschrieben wird. Jede der Dreieckwellen hat den positiven oder negativen Spitzenwert beim Nulldurchgangspunkt der Rechteck-Modulationswelle der entsprechenden Phase. Das Intervall zwischen den Spitzenwertpunkten der beiden Dreieckwellen beträgt 180º im elektrischen Winkel, und die Punkte der unteren Werte davon sind voneinander 60º entfernt. Diese Rechteck-Modulationswellen werden vom Rechteck-Modulationswellengenerator 522 in der Modulationswellen-Erzeugungseinrichtung 52 erzeugt.
Die Vergleichseinrichtung 53 vergleicht die Rechteck-Modulationswellen mit den entsprechenden modifizierten Trägerwellen und erzeugt Gateimpulse für die Steuer-Schaltelemente UP, VP und WP, wie es in den Fig. 5b, 5d und 5f dargestellt ist. Die invertierten Pulse (nicht gezeigt) der Pulse der Fig. 5b, 5d und 5f werden zu Gateimpulsen für die Steuer-Schaltelemente UN, VN und WN.
Als Ergebnis des Anlegens solcher Gateimpulse wie beschrieben wird die Wellenform der Betriebsspannung zum Beispiel zwischen den Phasen U und V der Ausgangsspannung VM zu drei Pulsen, die aus einem Puls, der in der Mitte der Breite 120º liegt, und zwei Pulsen bestehen, die an den beiden äußeren Seiten der Breite 120º liegen, wie es in der Fig. 5g gezeigt ist. Wie aus der in der Fig. 5g gezeigten Beziehung hervorgeht, hat der Mittenpuls eine Pulsbreite von 120º-2θ, und jeder Seitenpuls hat eine Pulsbreite von θ. Der in der Fig. 5g gezeigte Drei-Puls- Modus der Wechselrichter-Ausgangsspannung wird im folgenden zweiter Drei-Puls-Modus genannt.
In diesem zweiten Drei-Puls-Modus wird die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 durch Verringern der Breite θ des Spaltes in den Gateimpulsen angehoben, das heißt durch Vergrößern des Betrages der Rechteck-Modulationswellen mittels des Ausgangssignales VC des Modulationsfaktorrechners 11 derart, daß, wie in der Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie (b) gezeigt, ein weiterer gleichmäßiger Anstieg der Ausgangsspannung VM bezüglich der Ausgangsfrequenz f des Wechselrichters 2 erhalten wird.
Wenn die Breite θ den Wert θmin erreicht, wie in den Fig. 6a und 6c, hat die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 im zweiten Drei-Puls-Modus den größten Wert. Um die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 zu der maximalen Spannung anzuheben, die der Wechselrichter 2 ausgeben kann, wird von der Steuereinrichtung 54 bei der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 2, bei der die Breite θ gleich θmin wird, vom zweiten Trägerwellengenerator 512 auf einen dritten Trägerwellengenerator 513 umgeschaltet.
Der dritte Trägerwellengenerator 513 erzeugt ein Nullpegel- Ausgangssignal, und die Vergleichseinrichtung 53 vergleicht das Ausgangssignal mit den in den Fig. 5a, 5c und 5e gezeigten Rechteck-Modulationswellen, die vom Rechteck-Modulationswellengenerator 522 erzeugt werden, um Gateimpulse für die Steuer- Schaltelemente UP und WN auszugeben. Davon sind in den Fig. 6d und 6e die Gateimpulse für die Steuer-Schaltelemente UP und VP gezeigt. Im Ergebnis wird die Betriebsspannung zwischen den Phasen U und V zu einem Puls mit der Pulsbreite 120º, wie es in der Fig. 6f dargestellt ist.
Wenn die Umschaltung vom zweiten Drei-Puls-Modus der Fig. 6c auf den Einzelpulsmodus der Fig. 6f mit der Umschaltung vom ersten Drei-Puls-Modus der Fig. 4c auf den Einzelpulsmodus der Fig. 4f, der der gleiche ist wie der der Fig. 6f, verglichen wird, so ist die Betriebsspannung zwischen den Phasen U und V im zweiten Drei-Puls-Modus der Fig. 6c, die der Gesamtfläche der in der Zeichnung gezeigten drei Pulse entspricht, im wesentlichen gleich der im Einzelpulsmodus der Fig. 6f, während die Betriebsspannung zwischen den Phasen U und V im ersten Drei-Puls-Modus der Fig. 4c, die der Gesamtfläche der drei Pulse in der Zeichnung entspricht, beträchtlich kleiner als die in dem in der Fig. 4f gezeigten Einzelpulsmodus ist.
Es ist somit ersichtlich, daß die in der Fig. 6 gezeigte Umschaltung vom zweiten Drei-Puls-Modus auf den Einzelpulsmodus eine kleinere Änderung in der Größe der Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 und eine kleinere Phasenabweichung der Grundschwingungskomponente der Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 beinhaltet als die in der Fig. 4 gezeigte Moden-Umschaltung.
Im folgenden wird die Größenänderung in der Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 beim Umschalten vom Drei-Puls- Modus auf den Einzelpulsmodus erläutert.
Wenn die Wellenform der Ausgangsspannung des Wechselrichters 2 während des zweiten Drei-Puls-Modus der Fig. 5g in eine Fourierreihe entwickelt wird, ist der Betrag (Effektivwert) VN3 der Grundschwingung wie folgt gegeben:
Desgleichen ist die Grundschwingungskomponente (Effektivwert) VO3 der Wellenform der Ausgangsspannung des Wechselrichters 2 während des ersten Drei-Puls-Modus der Fig. 2e wie folgt gegeben:
wobei in den Formeln (1) und (2) Es den Wert der Spannung an der Gleichspannungsquelle 1 darstellt.
Gemäß den Formeln (1) und (2) werden die Größen VN3 und VO3 bezüglich der Breite θ durch jene des Einzelpulsmodus normiert, das heißt durch den Wert bei θ = 0º, , und die sich ergebenden Werte V'N3 und V'O3 sind in dem Diagramm der Fig. 7 gezeigt. Wie aus der Fig. 7 ersichtlich, ist im Falle des zweiten Drei-Puls- Modus der Fig. 5g (V'N3) die Ausgangsspannung des Wechselrichters 2 höher als im Falle des ersten Drei-Puls-Modus der Fig. 2e (V'O3), auch wenn die Breite θ die gleiche bleibt.
Nach Fig. 7 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise wie folgt: Im ersten Drei-Puls-Modus der Fig. 2e wird die Ausgangsspannung VM durch Verringern der Breite θ (vgl. die gestrichelte Linie V'O3) erhöht. Wenn, wie in der Fig. 4c gezeigt, die Breite θ ihren minimalen Wert θmin (vgl. Punkt a) erreicht, wird vom ersten Drei-Puls-Modus der Fig. 2e auf den zweiten Drei-Puls- Modus der Fig. 5g (vgl. Punkt b) übergegangen. Wie aus der Fig. 7 ersichtlich, tritt dabei keine Spannungsänderung auf. Danach wird die Ausgangsspannung VM durch Verringern der Breite θ im zweiten Drei-Puls-Modus der Fig. 5g (vgl. die ausgezogene Linie VN3') weiter angehoben. Wenn, wie in der Fig. 6c gezeigt, die Breite θ erneut ihren minimalen Wert θmin (vgl. Punkt c) erreicht, wird vom zweiten Drei-Puls-Modus der Fig. 6c auf den Einzelpulsmodus der Fig. 6f übergegangen.
Es werde nun beispielhaft der Fall eines Wechselrichters betrachtet, bei dem die minimale Löschzeit Tmin, die für die Steuer-Schaltelemente UP bis WN erforderlich ist, gleich 240 us und die Ausgangsfrequenz f des Wechselrichters beim Übergang zum Einzelpulsmodus gleich 75 Hz ist. Die Tmin (=240 us) entsprechende minimale erforderliche Löschperiode θmin ist dann gegeben durch:
θmin = 360 f Tmin = 360x75x240x10&supmin;&sup6; = 6.5º
Aus der Fig. 7 ist deshalb ersichtlich, daß, wenn die Breite θ ihren minimalen Wert θmin erreicht, im Falle des ersten Drei-Puls-Modus der Fig. 4c nur 88,7 % der Spannung des endgültigen Einzelpulsmodus erreicht werden kann, während im Falle des zweiten Drei-Puls-Modus der Fig. 6c die Spannung auf 98,7 % der Spannung im endgültigen Einzelpulsmodus angehoben werden kann. Die Änderung in der Größe der Ausgangsspannung VM beim Übergang zum Einzelpulsmodus ist daher im letzteren Fall extrem klein.
Die Fig. 8 zeigt den genauen Aufbau der Modulationsschaltung 5 der Fig. 1. Die gleichen Bezugszeichen und Symbole bezeichnen dabei die gleichen Teile wie in der Fig. 1. Obwohl bei der Fig. 1 der Modulationsvorgang durch den Vergleich zwischen der Modulationswelle und der Trägerwelle, beide als Wechselspannungs-Wellenformen, erklärt wird, wird bei der in der Fig. 8 gezeigten Ausführungsform eine gleichstromartige Trägerwelle mit einem Gleichstrompegel verglichen und das Ergebnis des Vergleichs durch die gleichstromartige Modulationswelle in positive und negative Perioden aufgeteilt, um die Schaltung zu vereinfachen, wie es später mit Bezug zu der Fig. 9 noch erläutert wird.
Es wird nun die Anordnung und die Arbeitsweise der Fig. 8 anhand der Fig. 9 beschrieben. In der Fig. 8 zählt ein Zähler 514 auf der Basis der Wechselrichterfrequenz f eine Frequenz, und ein ROM (Festwertspeicher) 4 des ersten Trägerwellengenerators 511 und ein ROM 1 der Modulationswellen-Erzeugungseinrichtung 52 gibt eine Dreieck-Trägerwelle bzw. eine Rechteck- Modulationswelle ab, wie es in den Fig. 9a und 9c gezeigt ist. Die Dreieck-Trägerwelle der Fig. 9a wird mit dem Gleichstrompegel-Ausgangssignal Vc des Modulationsfaktorrechners 11 in einem Komparator 531 verglichen, der einen Puls wie in der Fig. 9b gezeigt abgibt. Dieses Ausgangssignal wird dann zusammen mit der Rechteck-Modulationswelle der Fig. 9c an ein exclusives ODER 532 angelegt, und das exclusive ODER 532 ereugt die in der Fig. 9d gezeigten Pulse, das heißt die gleichen Pulse wie die drei Pulse in den Fig. 2b, 2c oder 2d.
In den ROMs 5 - 8 des ersten Trägerwellengenerators 511 sind übrigens vorab die Dreieck-Trägerwellen gespeichert, die die gleiche Pulszahl ergeben wie die Pulszahl, die durch Vergleichen der Dreieck-Trägerwellen mit den Sinus-Modulationswellen erhalten werden, wie zu Beispiel 5, 9, 15, 27 und so weiter, und die Zahl der Pulse wird durch die Steuereinrichtung 54 in Übereinstimmung mit der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz f wie in der Fig. 3 gezeigt geändert.
Es wird mit anderen Worten in Reaktion auf die Wechselrichter-Ausgangsfrequenz f durch einen Pulszahlwähler 541, in dem die Ausgangsfrequenzen des Wechselrichters 2, bei denen die Zahl der Pulse geändert wird, vorab eingestellt sind, ein bestimmtes Pulszahlsignal ausgewählt. Das ausgewählte Pulszahlsignal betätigt eines der Gates einer Pulszahl-Umschaltvorrichtung 542, so daß das Ausgangssignal der Trägerwellen-Erzeugungseinrichtung 51, das heißt die Zahl der Pulse geändert wird.
Wenn das Ausgangssignal der Trägerwellen-Erzeugungseinrichtung 51 durch die Steuereinrichtung 54 vom Ausgangssignal des ersten Trägerwellengenerators 511 (ROM 4) auf das des zweiten Trägerwellengenerators 512 (ROM 3) umgeschaltet wird, gibt der zweite Trägerwellengenerator 512 eine Dreieck-Trägerwelle ab, wie es in der Fig. 9e gezeigt ist. Im Falle dieser Dreieck-Trägerwelle ist das Intervall zwischen den Spitzenwerten im elektrischen Winkel gleich 180º, und das zwischen den unteren Werten ist im elektrischen Winkel gleich 60º.
Die Trägerwelle der Fig. 9e wird mit dem Gleichspannungs- Ausgangssignal VC aus dem Modulationsfaktorrechner 11 im Komparator 531 verglichen, der einen Puls wie in der Fig. 9f gezeigt abgibt. Dieses Ausgangssignal wird zusammen mit der Rechteck- Modulationswelle als das Ausgangssignal des ROMs 1 der Modulationswellen-Erzeugungseinrichtung 52, das in der Fig. 9g gezeigt ist, an das exclusive ODER 532 angelegt, und das exclusive ODER 532 gibt wie in der Fig. 9h gezeigt drei Pulse aus, das heißt die gleichen Pulse wie in den Fig. 5b, 5d und 5f.
Wenn des weiteren durch die Steuereinrichtung 54 vom zweiten Trägerwellengenerator 512 (ROM 3) auf den dritten Trägerwellengenerator 513 (ROM 2) umgeschaltet wird, gibt der dritte Trägerwellengenerator 513 wie in der Fig. 9i gezeigt ein Nullpegelsignal aus. Dieses Nullpegel-Ausgangssignal wird mit dem Gleichspannungs-Ausgangssignal VC vom Modulationsfaktorrechner 11 im Komparator 531 verglichen, der seinerseits ein Nullpegelsignal wie in der Fig. 9j gezeigt ausgibt. Dieses Ausgangssignal wird zusammen mit der Rechteck-Modulationswelle als das Ausgangssignal des ROMs 1 der Modulationswellen-Erzeugungseinrichtung 52 wie in der Fig. 9k gezeigt an das exklusive ODER 532 gelegt, und das exklusive ODER 532 gibt einen Puls wie in der Fig. 9l gezeigt aus, das heißt, den gleichen Puls wie in den Fig. 6d und 6e.
In Anbetracht des Signalflusses in der Modulationsschaltung 5 ist die Beziehung zwischen der Trägerwellen-Erzeugungseinrichtung 51 und der Steuereinrichtung 54 in der Fig. 8 im Vergleich zu der in Fig. 1 übrigens umgekehrt. Der Grund liegt darin, daß die Fig. 1 das allgemeine Konzept der Modulationsschaltung 5 zeigt, um das Verständnis der Arbeitsweise davon zu erleichtern. Es ist anzumerken, daß beide funktionell identisch sind.
Die obige Beschreibung stellt den Fall dar, daß von dem in der Fig. 2e gezeigten herkömmlichen oder ersten Drei-Puls-Modus, der durch die Gateimpulse wie in der Fig. 9d gezeigt erzeugt wird, über den zweiten Drei-Puls-Modus der Fig. 5g, der durch die Gateimpulse wie in der Fig. 9h gezeigt erzeugt wird, auf den Einzelpulsmodus der Fig. 6f umgeschaltet wird, der durch die Gateimpulse wie in der Fig. 9l gezeigt erzeugt wird.
Es ist natürlich möglich, von einem Fünf-Puls-Modus über den zweiten Drei-Puls-Modus direkt auf den Einzelpulsmodus überzugehen, ohne den ersten Drei-Puls-Modus zu durchlaufen. In einem solchen Fall wird der erste Drei-Puls-Modus lediglich durch den zweiten Drei-Puls-Modus ersetzt.
Wenn jedoch vom Fünf-Puls-Modus direkt auf den zweiten Drei-Puls-Modus übergegangen wird, ist die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 kleiner, das heißt die Breite θ des Spaltes in den in der Fig. 5 gezeigten Gateimpulsen wird größer (vgl. Fig. 7) als wenn vom ersten Drei-Puls-Modus zum zweiten Drei-Puls-Modus übergegangen wird. Die Wellenform der Ausgangsspannung des Wechselrichters 2 wird entsprechend verzerrt (oder es wird mit anderen Worten die Welligkeit groß), mit dem Ergebnis eines Anwachsens der Kommutationskapazität des Wechselrichters 2 (das heißt einem Ansteigen des Umsetzungsfaktors des Wechselrichters 2). Es ist daher in diesem Fall eine gründliche Untersuchung erforderlich.
Das System entsprechend der in den Fig. 1 und 8 gezeigten Ausführungsform, bei dem vom ersten Drei-Puls-Modus über den zweiten Drei-Puls-Modus auf den Einzelpulsmodus übergegangen wird, hat dagegen die Auswirkung, daß die Welligkeit des Ausgangsstromes des Wechselrichters 2 nicht vergrößert wird oder daß mit anderen Worten die Kommutationskapazität des Wechselrichters 2 nicht angehoben wird.
Des weiteren wird im zweiten Drei-Puls-Modus die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 bezüglich der Breite θ nichtlinear (vgl. VN3'), wie es durch die ausgezogene Linie in der Fig. 7 gezeigt ist. Entsprechend wird, wenn vom zweiten Trägerwellengenerator 512 anstelle der durch eine gestrichelte Linie in der Fig. 10a dargestellten Trägerwelle eine gekrümmte Trägerwelle erzeugt wird, wie es in der Fig. 10a durch eine ausgezogene Linie angezeigt ist, die Änderung der Breite θ bezüglich der Änderung der vom Modulationsfaktorrechner 11 ausgegebenen Spannung VC nichtlinear, so daß sich die Ausgangsspannung VM des Wechselrichters 2 linear ändert.
Wenn zusätzlich vom zweiten Trägerwellengenerator 512 anstelle der in der Fig. 11a durch eine gestrichelte Linie gezeigten Trägerwelle eine Dreieck-Trägerwelle erzeugt wird, deren Spitzen flach sind, wie es in der gleichen Fig. durch eine ausgezogene Linie angezeigt wird, und wenn dann die Breite des abgeflachten Bereichs gleich der minimalen Löschperiode θmin gemacht wird, gelangt die Ausgangsspannung VM entsprechend der Beziehung θ ≤ θmin aufgrund des Ansteigens der vom Modulationsfaktorrechner 11 ausgegebenen Spannung VC automatisch in den Einzelpulsmodus. Entsprechend kann der Effekt erhalten werden, daß in der Trägerwellen-Erzeugungseinrichtung 51 der dritte Trägerwellengenerator 513 weggelassen werden kann.
Bei der obigen Beschreibung ist der Übergang in der Anzahl der Pulse auf den Fall gerichtet, daß die Ausgangsfrequenz f des Wechselrichters 2 ansteigt, und wenn die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 2 abnimmt, erfolgt für die Änderung der Anzahl der Pulse die umgekehrte Steuerung. Die erwähnten Auswirkungen der vorliegenden Erfindung gehen demgemäß natürlich nicht verloren.
Erfindungsgemäß ist das Ausmaß der Änderung in der Wechselrichter-Ausgangsspannung während des Überganges zwischen dem Drei-Puls-Modus und dem Einzelpulsmodus extrem verringert, und es tritt auch keine Phasenabweichung in der Grundschwingungskomponente der Wechselrichter-Ausgangsspannung auf.
Zusammenfassend ergibt die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte: Zum ersten wird der Sprung in der Wechselrichter-Ausgangsspannung beim Übergang zwischen dem Drei-Puls-Modus und dem Einzelpulsmodus extrem klein. Zum zweiten verursacht der Wechselrichter keinen Kommutationsfehler (Abnahme der Kommutationsfähigkeit). Schließlich werden Drehmomentänderungen verringert, und Induktionsmotoren können gleichmäßig betrieben werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters für Pulsbreiten-Modulation (PWM) mit

einem aus einer Vielzahl von Schaltelementen (UP, VP, WP, UN, VN, WN) zusammengesetzten Wechselrichter (2), der mit einer Gleichspannung versorgt wird und eine Ausgangs-Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt, und

einer Modulationseinrichtung (5) zum Vergleich einer Modulationswelle, deren Frequenz die Frequenz der Grundkomponente der Ausgangs-Wechselspannung bestimmt, mit einer Trägerwelle, um für die Schaltelemente (UP, VP, WP, UN, VN, WN) Tor- Signale zu erzeugen, um dadurch den PWM-Betrieb des Wechselrichters (2) zu veranlassen,

wobei ansprechend auf vorbestimmte Frequenzen der Ausgangs-Wechselspannung ein durch die Zahl der Spannungspulse in jedem Halbzyklus der Ausgangs-Wechselspannung definierter Pulsmodus der PWM-Steuerung gewechselt wird, und eine maximale AusgangsWechselspannung durch Wechseln des Pulsmodus von einem ersten Drei-Puls Modus, in dem drei Spannungspulse innerhalb einer 120º-Periode des elektrischen Winkels der Ausgangs-Wechselspannung vorhanden sind, auf einen Einzelpulsmodus, in dem jeder Halbzyklus der Ausgangs-Wechselspannung einen einzigen Spannungspuls aufweist, über einen zweiten Drei-Puls Modus, in dem jeder Halbzyklus der Ausgangs-Wechselspannung drei Spannungspulse aufweist, erreichbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Drei-Puls Modus aus einem in der genannten 120º-Periode in dem elektrischen Winkel der Ausgangs-Wechselspannung vorhandenen Mitten-Puls und zwei auf beiden Seiten außerhalb der genannten 120º-Periode angeordneten Seiten-Pulsen besteht, wobei die Ausgangs-Wechselspannung durch symmetrisches Verändern der Breite der Spalten zwischen dem Mitten- Puls und den Seiten-Pulsen gesteuert wird, und

daß der Übergang von dem ersten Drei-Puls Modus zu dem zweiten Drei-Puls Modus und in die andere Richtung unter Auftreten eines Übergangs in der Breite der Intervalie θ zwischen den Spannungspulsen der Ausgangs-Wechselspannung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei

der Übergang von dem ersten Drei-Puls Modus zu dem zweiten Drei-Puls Modus und in die andere Richtung durchgeführt wird, wenn die Intervalle θ zwischen den Spannungspulsen der Ausgangs-Wechselspannung des Wechselrichters jeweils gleich einem ersten und einem zweiten vorbestimmten Wert sind, und

der Übergang zwischen dem zweiten Drei-Puls Modus und dem Einzelpulsmodus bei einem dritten vorbestimmten Wert der Intervalle zwischen den Spannungspulsen der von dem Wechselrichter unter PWM-Steuerung im zweiten Drei-Puls Modus zu erzeugenden Ausgangs-Wechselspannung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei

der erste und der dritte vorbestimmte Wert des Intervalls θ auf gleiche Weise in Abhängigkeit von der minimalen Lösch- Periode θ min der Steuerungs-Schaltelemente (UP, VP, WP, UN, VN, WN) bestimmt werden und

für den zweiten vorbestimmten Wert des Intervalls θ ein solcher Wert ausgewählt wird, daß die Ausgangs-Wechelspannung des im zweiten Drei-Puls Modus betriebenen Wechselrichters gleich der Ausgangs-Wechselspannung des im ersten Drei-Puls Modus betriebenen Wechselrichters ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei

der erste und der zweite vorbestimmte Wert des Intervalls θ so bestimmt sind, daß die maximal verfügbare Ausgangs-Wechselspannung, wenn der Wechselrichter im ersten Drei-Puls Modus arbeitet, gleich der minimal verfügbaren Ausgangs-Wechselspannung, wenn der Wechselrichter im zweiten Drei-Puls Modus arbeitet, ist, und

der dritte vorbestimmte Wert des Intervalls θ so bestimmt ist, daß die verfügbare Ausgangs-Wechselspannung, wenn der Wechselrichter im zweiten Drei-Puls Modus PWM-gesteuert wird, auf dem maximalen Wert bleibt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei

die Tor-Signale für die Steuerungs-Schaltelemente (UP, VP, WP, UN, VN, WN) im ersten Drei-Puls Modus durch Vergleich einer Modulations-Welle, die eine sinusförmige Wellenform und eine von der verlangten Ausgangs-Wechselspannung abhängige Amplitude aufweist, mit einer Trägerwelle, die eine alternierende, dreieckige Wellenform aufweist, gebildet werden, und

die Tor-Signale für die Steuerungs-Schaltelemente (UP, VP, WP, UN, VN, WN) im zweiten Drei-Puls Modus durch Vergleich einer zweiten Modulations-Welle mit einer veränderten Trägerwelle gebildet werden, wobei die zweite Modulations-Welle aus einer Rechteckwelle, die positiv oder negativ wechselt und eine von der benötigten Ausgangs-Wechselspannung abhängige Amplitude aufweist, besteht, und die veränderte Trägerwelle, für jeden Halbzylus der und in Synchronisation mit dem Wechsel der zweiten Modulations-Welle, aus zwei Dreieck-Wellen zusammengesetzt ist, von denen jede den Spitzenwert beim Nulldurchgang der wechselnden zweiten Modulations-Welle annimmt, wobei die Spitzenwerte der Dreieck-Wellen in einem bestimmten Halbzyklus eine positive oder negative Polarität und im darauffolgenden Halbzyklus die entgegengesetzte Polarität aufweisen.