DE69316711T2

DE69316711T2 - Leistungswandler

Info

Publication number: DE69316711T2
Application number: DE69316711T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Nakamura; Kiyoshi Nakata; Masato Suzuki; Tokunosuke Tanamachi; Mutsuhiro Terunuma; Eiichi Toyota; Yoshio Tsutsui; Kouji Yasuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: ZA933944B; EP0597132A1; KR940006328A; WO1993024989A1; CN1040383C; AU4354393A; CN1083985A; EP0597132B1; DE69316711D1; AU664466B2; US5467262A; JP2814837B2; EP0597132A4; US5587891A; JPH05344739A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung an einer elektrichen Leistungswandlervorrichtung zum Wandeln von Gleichspannung in Wechselspannung und umgekehrt. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung die Kontrolle der Ausgangsspannung einer elektrischen Leistungswandlervorrichtung.

HINTERGRUNDBILDENDE TECHNIK

Ein 3-Pegel-Wechselrichter erzeugt Spannungen von drei Pegeln, nämlich eine hohe Spannung, eine mittlere Spannung und eine tiefere Spannung durch Unterteilen einer Gleichspannung (Leitungsspannung) in zwei Gleichspannungen durch in Reihe geschaltete Kondensatoren, und sie führt diese Spannungen von drei Pegeln selektiv dadurch einem Wechselrichter-Ausgangsanschluss zu, dass sie die Schaltelemente des Hauptschaltkreises ein/aus-schaltet. Der 3-Pegel-Wechselrichter verfügt über die folgenden Merkmale.
Da die Schrittanzahl der Ausgangsspannungspulse erhöht ist, ist die scheinbare Schaltfrequenz erhöht und dadurch wird ein Ausgangssignal mit weniger Verzerrung erhalten. Da die an ein Element angelegte Spannung auf ungefähr 1/2 im Vergleich mit der bei einem 2-Pegel-Wechselrichter verringert ist, können Schaltelemente mit relativ niedrigen Standhaltespannungen verwendet werden. Da die an die Schaltelemente angelegten Spannungen verringert sind, können die in den Schaltelementen auftretenden Verluste verringert werden.
Als Erzeugungs-/Steuerungsverfahren für die Ausgangsspannungsimpulse des oben genannten 3-Pegel-Wechselrichters wurden die folgenden Verfahren vorgeschlagen:
(1) "New Developments of 3-Level PWM Strategies" (EPE' 89 Record, 1989), Seite 412. Gemäß Fig. 1 wird eine sogenannte "bipolare Modulation" (die Ausgangsspannung wird dadurch erzeugt, dass positive/negative Pulse über die Spannung null innerhalb einer Halbperiode der Ausgangsspannung erzeugt), eine sogenannte "unipolare Modulation" (die Ausgangsspannung wird durch Ausgeben von Pulsen mit einer einzelnen Polarität innerhalb einer Halbperiode der Ausgangsspannung erzeugt) und auch ein Verfahren zum Umschalten zwischen der oben genannten bipolaren Modulation und der unipolaren Modulation ausgeführt.
(2) "PWM Systems in Power Converters: An Extension of the "Subharmonic" Method" (IEEE Transaction on Industrial Electronics and Control Instrumentation, Vol. IECI-28, No. 4, November 1981), Seite 316. Gemäß Fig. 2(b) wurde ein anderes Modulationsverfahren (das als "Übermodulation" bezeichnet wird) vorgeschlagen. Es besteht nämlich eine Halbperiode der Ausgangsspannung aus mehreren Pulsen mit jeweils einer einzelnen Polarität, und die Ausgangsspannung wird dadurch erzeugt, dass die Anzahl der Pulse auf solche Weise verringert wird, dass Schlitze zwischen den Pulsen vom zentralen Abschnitt dieser Halbperiode ausgehend aufgefüllt werden.
(3) Study of 2 and 3-level precalculated modulations (EPE' 91 record, 1991), Seite 411. Gemäß Fig. 16 wurde ein Erzeugungs-/Steuerungsverfahren für Ausgangsspannungspulse zum Überdecken eines Ausgangsspannungsbereichs von 0 bis 100 % vorgeschlagen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Wenn ein 3-Pegel-Wechselrichter bei Anwendungen wie Schienenfahrzeugen verwendet wird, existieren verschiedene Forderungen. Um nämlich Geschwindigkeitskontrolle über einen großen Bereich zu erzielen, kann die Grundwelle der Ausgangsspannung eines Wechselrichters kontinuierlich eingestellt werden und es kann auch eine Oberwelle in der Ausgangsspannung dieses Wechselrichters gleichmäßig von der Spannung bis zu einer Maximalspannung eingestellt werden, bei der der Spannungsnutzungsfaktor 100 % erreicht (d.h., es handelt sich um einen Spannungsbereich, in dem nur ein einzelner Puls innerhalb einer Halbperiode der Ausgangsspannung vorhanden ist, was als "1-Puls" bezeichnet wird).
Dann können gemäß dem oben genannten Stand der Technik (1) Spannungen von der Spannung 0 bis zur Maximalspannung ausgegeben werden, da eine Auswahl zwischen der bipolaren Modulation, die eine sehr kleine, den Wert null enthaltende Spannung kontrollieren kann, der unipolaren Modulationsmaßnahme zum Überdecken des mittleren Geschwindigkeitsbereichs (mittlere Spannung) sowie dem sogenannten "1-Puls" zum Überdecken der Maximalspannung erfolgt. Es kann die Kontinuität der Grundwelle aufrechterhalten werden. In der Oberwelle der Ausgangsspannung tritt eine Diskontinuität auf, wenn von der unipolaren Modulation auf den "1-Puls" gewechselt wird. So existiert ein Problem dahingehend, dass auf Grund plötzlicher und starker Änderungen der Frequenz Störsignale erzeugt werden.
Bei der im oben genannten Stand der Technik (2) beschriebenen technischen Idee besteht ein anderes Problem dahingehend, dass keine Spannungen von der Spannung null bis zur Maximalspannung erzeugt werden können.
Andererseits wird beim oben erläuterten Stand der Technik (1) die Steuerung zum kontinuierlichen Steuern der Grundwelle der Ausgangsspannung kompliziert, da die der Phase und der Spannung der Grundwelle entsprechenden Pulsdaten in einen Speicher eingespeichert werden und die den jeweiligen Modulationsarten entsprechenden Pulsreihen auf Grundlage der Pulsdaten ausgegeben werden. Ferner sind bei der unipolaren Modulation gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik (3) komplizierte Steuerungen erforderlich, da diese Modulationsart einem Modulationsverfahren zum Ändern der Anzahl von Pulsen entspricht, wie sie in einer Halbperiode der Grundwelle enthalten sind.
Außerdem besteht beim oben beschriebenen Stand der Technik ein weiteres Problem dahingehend, dass dann, wenn die Modulationsverfahren und die Pulszahl geändert werden, unangenehme, diskontinuierliche Geräusche erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 3-Pegel-Pulserzeugungssteuerung auf solche Weise zu realisieren, dass die Ausgangsspannung eines 3-Pegel-Wechselrichters von null bis auf einen Maximalwert gesteuert werden kann und die Ausgangsspannung des Wechselrichters kontinuierlich und gleichmäßig gesteuert werden kann.
Ferner sollte die Steuerung eines Wechselrichters vereinfacht werden und diskontinuierliche Geräusche in einem Elektrofahrzeug mit einem solchen Wechselrichter sollten verhindert sein.
Die oben beschriebene Aufgabe ist durch einen elektrischen Leistungswandler gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 5 gelöst.
Mit einer Ausführungsform eines solchen elektrischen Leistungswandlers gemäß Anspruch 7 oder Anspruch 8 wird eine vereinfachte Steuerung eines Wechselrichters erzielt.
Ferner werden diskontinuierliche Geräusche in einem Elektrofahrzeug durch eine Steuerungsvorrichtung für ein derartiges Fahrzeug dadurch verhindert, dass dieses mit einem Wechselrichter zum Ausgeben einer variablen Wechselspannung mit variabler Frequenz sowie mit einem durch diesen Wechselrichter betriebenen Induktionsmotor versehen ist.
Diese Steuerungsvorrichtung umfasst eine Steuerungseinrichtung zum kontinuierlichen Ändern der Schaltfrequenz des Wechselrichters innerhalb aller Bereiche in solcher Weise, dass innerhalb einer Halbperiode der Grundwelle der Ausgangsspannung des Wechselrichters mehrere Pulse vorhanden sind.
Beim 3-Pegel-Wechselrichter wird die Ausgangsspannung kontinuierlich von null bis zur Maximalspannung geändert, da zur Steuerung niedriger Spannungen im wesentlichen bipolare Modulation verwendet wird, zur Steuerung mittlerer Spannungen unipolare Modulation verwendet wird und zur Steuerung hoher Spannungen Übermodulation verwendet wird, um einen Übergang der Modulation zwischen unipolarer Modulation und 1-Puls- Betrieb zu erzielen.
Auch kann der Aufbau der ersten Modulationseinrichtung zum Erzeugen der Pulse einfach sein, da die oben erläuterte erste Modulationseinrichtung Ausgangsimpulse unabhängig von der Frequenz des Wechselrichters erzeugen kann.
Ferner werden höhere Oberwellen der Ausgangsspannung im wesentlichen kontinuierlich geändert, da eine Steuerungseinrichtung verwendet ist, die die Schaltfrequenz des Wechselrichters kontinuierlich variiert, so dass diskontinuierliche Geräuschänderungen verringert sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Anordnung eines elektrischen Leistungswandlers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern der Beziehung zwischen einer Ausgangsspannungscharakterstik und einem PWM-Modus;
Fig. 3 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern von Modulationssignalverläufen, die für einen kontinuierlichen Überfang von PWM-Modi in einem Bereich mit mehreren Pulsen verwendet werden;
Fig. 4 zeigt schematisch einen Detailaufbau für den in Fig. 1 dargestellten elektrischen Leistungswandler;
Fig. 5 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Steuerungseinrichtung für den Übergang bipolar/unipolar;
Fig. 6 zeigt schematisch ein Beispiel einer Pulserzeugungseinrichtung in einer Erzeugungseinrichtung für mehrere Pulse;
Fig. 7 ist ein Signalverlaufsdiagramm zum Repräsentieren der Beziehung zwischen den Breiten von Ein/Aus-Pulsen;
Fig. 8 zeigt schematisch eine Charakteristik für die Breiten von Ein/Aus-Pulsen;
Fig. 9 zeigt schematisch ein Beispiel eines Übermodulations- Signalverlaufs;
Fig. 10 ist ein Flussdiagramm einer durch Software betriebenen Pulszeitpunkt-Einstelleinrichtung;
Fig. 11 zeigt schematisch ein Beispiel für den Aufbau einer Amplitudeneinstelleinrichtung;
Fig. 12 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Steuerungseinrichtung für den Wechsel Mehrfachpuls/1-Puls;
Fig. 13 repräsentiert schematisch ein Beispiel für eine 1- Puls-Erzeugungseinrichtung;
Fig. 14 zeigt schematisch ein Beispiel für die Anordnung eines anderes bevorzugten Ausführungsbeispiels;
Fig. 15 repräsentiert schematisch ein Beispiel einer Übergangs-Steuerungseinrichtung;
Fig. 16 zeigt die Beziehung zwischen einer Ausgangsspannungscharakteristik und einem PWM-Modus im Fall eines anderen PWM-Modus;
Fig. 17 ist ein erläuterndes Diagramm zu einem Modulationssignalverlauf bei einem anderen PWM-Modus;
Fig. 18 zeigt eine Anordnung einer Übergangs-Steuerungseinrichtung zum Erzielen eines anderen PWM-Modus;
Fig. 19 zeigt schematisch ein Beispiel einer Übergangs- Steuerungseinrichtung;
Fig. 20 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern der Beziehung zwischen einer Wechselrichterfrequenz und einer Schaltfrequenz;
Fig. 21 ist ein Flussdiagramm einer durch Software betriebenen Pulsbreitemodulations-Einrichtung;
Fig. 22 ist ein erläuterndes Diagramm zum Erläutern des Betriebs zur Steuerung des Wechsels von Übermodulations/1- Puls;
Fig. 23A bis 23F zeigen Signalverläufe, wie sie auftreten, wenn eine Steuerung zum Wechsel von Übermodulation/1-Puls ausgeführt wird; und
Fig. 24 ist ein erläuterndes Diagramm zum wirkungsvollen Erläutern des Grundbetriebs einer Schalteinheit für die Phase U.

BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Nachdem die Erfindung zusammengefasst unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 sowie Fig. 24 erläutert wurde, wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 und die Fig. 4 bis 13 erläutert.
Ein 3-Pegel-Wechselrichter (auch als "NPC-Wechselrichter" bezeichnet) erzeugt Spannungen mit drei verschiedenen Pegeln, d.h. von hohem Potential, mittlerem Potential und niedrigem Potential, durch Teilen einer Quellengleichspannung (Oberleitungsspannung im Fall eines Elektrofahrzeugs) in zwei Gleichspannungen unter Verwendung von in Reihe geschalteten Kondensatoren, und sie liefert diese Spannungen von drei Pegeln selektiv dadurch an einen Ausgangsanschluss des 3-Pegel-Wechselrichters, dass sie Schaltelemente eines Hauptschaltkreises ein/aus-schaltet.
In Fig. 1 ist ein Beispiel der Anordnung des Hauptschaltkreises dargestellt, wobei es sich um eine Grundanordnung (im Fall von drei Phasen) handelt, wenn dieser Hauptschaltkreis bei einem elektrischen Schienenfahrzeug angewandt wird.
In Fig. 1 kennzeichnet die Bezugszahl 4 eine Gleichspannungs-Oberleitung, die Funktionszahl 50 zeigt eine Gleichspannungsdrossel, und die Bezugszahlen 51 und 52 bezeichnen Klemmkondensatoren, die gesondert vorhanden sind und die dazu dienen, ein Zwischenpotential "0" (dieses wird als "-- Neutralpunkt" bezeichnet) aus der Spannung der Gleichspannungsquelle 4 zu erzeugen. Ferner bezeichnen die Bezugszahlen 7a, 7b und 7c Schalteinheiten, die durch ein zwangskommutiertes Schaltelement gebildet sind und auf ein diesem Schaltelement zugeführtes Torsignal hin selektiv eine Spannung von hohem Potential (P-Punkt-Spannung), eine Neutralpunktspannung (0-Punkt-Spannung) oder eine Spannung von niedrigem Potential (N-Punkt-Spannung) ausgeben. In diesem Fall ist die Schalteinheit 7a durch zwangskommutierte Schaltelemente 70 bis 73 (es sind zwar IGBTs verwendet, jedoch können GTOs, Transistoren oder dergleichen verwendet werden), Schwungrad-Gleichrichterelemente 74 bis 77 sowie Hilfsgleichrichterelemente 78 und 79 gebildet. Als Last ist ein Induktionsmotor 6 verwendet. Die restlichen Schalteinheiten 7b und 7c haben jeweils dieselbe Anordnung wie die Schalteinheit 7a.
Als erstes wird nun als Beispiel der Grundbetrieb der Schalteinheit 7a für die Phase U unter Bezugnahme auf Fig. 24 beschrieben.
Es ist zu beachten, dass Spannungen "Vcp" und "Vcn", wie sie an den Klemmkondensatoren 51 und 52 auftreten, vollständig geglättete Gleichspannungen sind, die einer geteilten Spannung "Ed/2" entsprechen, und der Neutralpunkt (0-Punkt) ist scheinbar geerdet. Auch ist als Ausgangsspannung eine vom Wechselrichter ausgegebene Phasenspannung bezeichnet, solange kein anderer spezieller Hinweis erfolgt.
Die Schaltelemente 70 bis 73 zum Aufbauen der Schalteinheit 7a werden abhängig von drei verschiedenen Leitungsmustern ein/aus-geschaltet, wie in Fig. 24 dargestellt. Anders gesagt, werden in einem Ausgangsmodus P, bei dem das Potential ausgegeben wird, wie es am Punkt P auf der Gleichspannungsseite vorliegt, die Schaltelemente 70 und 71 auf EIN geschaltet, während die Schaltelemente 72 und 73 auf AUS geschaltet werden, so dass die Ausgangsspannung Ed/2 wird. In einem Ausgangsmodus 0, in dem das am Neutralpunkt vorhandene Potential ausgegeben wird, sind die Schaltelemente 71 und 72 auf EIN geschaltet, während die Schaltelemente 72 und 73 auf AUS geschaltet sind, so dass als Ausgangsspannung das Potential 0 ausgegeben wird. In einem Ausgangsmodus N, in dem das am Punkt N vorliegende Potential ausgegeben wird, sind die Schaltelemente 70 und 71 auf AUS geschaltet, während die Schaltelemente 72 und 73 auf EIN geschaltet sind, so dass die Ausgangsspannung -Ed/2 wird.
In Fig. 24 sind Ersatzschaltungen einphasig Hauptschaltkreise (Schalteinheit und Klemmkondensator) für die jeweiligen Ausgangsmodi dargestellt. Es sei nun angenommen, dass Schaltfunktionen Sp und Sn zum Repräsentieren der Leitungszustände der Schaltelemente durch die zwei Werte "1" und "0" verwendet werden:
- im Fall des Ausgangsmodus P kann dies durch Sp = 1 und Sn = 0 ausgedrückt werden;
- im Fall des Ausgangsmodus 0 kann dies durch Sp = 0 und Sn = 0 ausgedrückt werden; und
- im Fall des Ausgangsmodus N kann dies durch Sp = 0 und Sn = 1 ausgedrückt werden. In diesem Fall kann die Beziehung zwischen den Schaltfunktionen Sp, Sn und den Torsignalen Gpu, Gpx, Gnx, Gnu (es sei angenommen, dass ein Signal AUS den Wert 0 hat, während ein Signal EIN den Wert 1 hat), wie sie den Schaltelementen 70, 71, 72, 73 zugeführt werden, durch die folgende Formel ausgedrückt werden kann:
Infolgedessen können die Leitungszustände der Schaltelemente dadurch bestimmt werden, dass zwei Schaltfunktionen Sp und Sn für die jeweiligen Phasen bereitgestellt werden. Diese Schaltfunktionen Sp und Sn werden auf solche Weise bestimmt, dass die Ausgangsspannung "eu" durch Pulsbreitenmodulations(PWM = pulse width modulation)-Steuerung Sinusform erhält.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Hauptschaltkreise des 3- Pegel-Wechselrichters in den Dokumenten JP-A-51-47 848 und JP-A-74 088 detaillierter beschrieben sind.
Andererseits ist eine Ausgangsspannungscharakteristik, wie sie durch die durchgezogene Linie in Fig. 2 dargestellt ist, erforderlich, wenn eine Geschwindigkeitseinstellung über einen großen Bereich von einem Bereich mit variabler Spannung / variabler Frequenz (VVVF) bis in einen Bereich mit konstanter Spannung / variabler Frequenz (CVVF) bei begrenzter Quellenspannung, wie bei einem Elektrofahrzeug erfolgt. Das heißt, dass Antrieb mit hoher Geschwindigkeit auf solche Weise erzielt wird, dass im Niedergeschwindigkeitsbereich, da die Ausgangsspannung im wesentlichen proportional zur Wechselrichterfrequenz eingestellt wird (dieser Bereich wird als "VVVF-Steuerungsbereich" bezeichnet), der magnetische Fluss innerhalb des Motors im wesentlichen konstant gehalten wird und ein vorbestimmtes Drehmoment aufrechterhalten wird, wohingegen im Hochgeschwindigkeitsbereich der Spannungsnutzungsfaktor bei der begrenzten Spannung maximiert ist, da die Wechselrichterfrequenz kontinuierlich erhöht wird, während die maximale Ausgangsspannung des Wechselrichters beibehalten wird (dieser Bereich wird als "CVVF- Steuerungsbereich" bezeichnet).
Jedoch kann gemäß dem herkömmlich bekannten unipolaren Modulationsverfahren in einem Bereich (der nahe dem Startpunkt des VVVF-Steuerungsbereichs liegt), in dem die Wechselrichterfrequenz niedrig ist und die Steuerung einer sehr kleinen Ausgangsspannung erforderlich ist, kein Spannungspuls realisiert werden, der kleiner als die minimale Ausgangspulsbreite ist, die durch die minimale EIN-Zeit des Schaltelements bestimmt ist, sondern es wird, wie es in Fig. 2 durch eine gepunktete Linie angedeutet ist, eine Spannung über der Sollspannung ausgegeben.
Wenn nun als Beispiel alle vom Wechselrichter ausgegebenen Spannungspulse minimale Pulsbreiten aufweisen, die durch die minimale EIN-Zeit "Ton" des Schaltelements gegeben sind, ist der Effektivwert "E" der Ausgangsspannung hierbei wie folgt gegeben:
E 2FcTonEmax Gl. 2,
wobei Fc die Trägerfrequenz ist.
Dann können beliebige Spannungen unter dieser Ausgangsspannung nicht gesteuert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das Symbol "Emax" den Effektivwert einer Rechteckspannung mit einem Leitwinkel von 180º repräsentiert. Dieser Effektivwert "Emax" ist durch die folgende Gleichung (3) gegeben:
Emax = ( 2/π)Ed Gl. 3.
Auch stimmt die maximale Ausgangsspannung des 3-Pegel-Wechselrichters im wesentlichen mit diesem Wert "Emax" überein.
Gemäß der oben angegebenen Gleichung (2) gilt E = 0,1 Emax, wenn Fc = 500 Hz, Ton = 100 us gelten. Für diesen Fall ist zu beachten, dass für eine Spannung keine Steuerung erfolgt, die 10 % oder weniger der maximalen Ausgangsspannung Emax beträgt. Im Ergebnis besteht ein Problem dahingehend, dass der untere Grenzwert der nur durch unipolare Modulation steuerbaren Ausgangsspannung beschränkt ist, weswegen es schwierig ist, die Spannung kontinuierlich zu steuern.
Um dieses Problem zu überwinden, sollte, obwohl zwar bipolare Modulation (Bipolarmodus) ausführbar ist, beim Stand der Technik spezielle Sorgfalt gewahrt werden, wenn die Modulationsart von dieser Bipolarmodulation auf unipolare Modulation (Unipolarmodus) umgeschaltet wird.
Andererseits ist die maximale Spannung "E", die bei unipolarer Modulation erzeugt werden kann, am Grenzpunkt (Modulationsfaktor A = 1) einer idealen Sinusmodulation wie folgt gegeben:
E = (π/4)Emax 0,785 Emax Gl. 4
Wenn die minimale AUS-Zeit Toff des Schaltelements berücksichtigt wird, ist diese maximale Spannung "E" wie folgt ausdrückbar:
E (π/4) (1 - TcToff)Emax Gl. 5,
wobei Fc eine Trägerfrequenz ist.
Zum Beispiel gilt E = 0,707 Emax, wenn Fc = 500 Hz und Toff = 200 us gelten. In diesem Fall ergibt sich die Folge, dass nur ungefähr 70 % der maximalen Ausgangsspannung Emax nicht überdeckt werden können. Dabei wird die Grundwelle diskontinuierlich, wenn nun angenommen wird, dass die Impulsbreite im 1-Puls-Modus nicht eingestellt werden kann. Dagegen ist die Kontinuität höherer Oberwellen beeinträchtigt, wenn nun angenommen wird, dass die Pulsbreite im 1-Puls-Modus eingestellt werden kann, da Kontinuität durch Verringern der Pulsbreite beibehalten wird.
Es können verschiedene Modulationsverfahren zum Überdecken dieses Spannungsbereichs in Betracht gezogen werden. Übermodulation (Übermodulationsmodus) ist das wirkungsvollste Modulationsverfahren, was einfache Steuerung der Pulserzeugung, die Anpassungs(Übereinstimmungs)charakteristik mit unipolarer Modulation, Kontinuität von in der Ausgangsspannung enthaltenen hohen Oberwellen und dergleichen betrifft. Gemäß dem Übermodulationsbereich werden Schlitze mit kleinen Breiten unter den Pulsen im zentralen Abschnitt der Spannungspulsfolge (um einen Spitzenwert des Momentanwerts einer Grundwelle herum) innerhalb einer Halbperiode einer Ausgangsspannung allmählich so aufgefüllt, dass die Ausgangsspannung nahe dem 1-Puls vergrößert ist.
In einem Bereich, in dem der Modulationsfaktor extrem groß wird, d.h. in dem Übermodulationssteuerung begrenzt ist, erfolgt ein Übergang der Modulationsart auf dem sogenannten "1-Puls-Modus", in dem während einer Halbperiode der Ausgangsspannung nur 1 Impuls vorhanden ist, und die Ausgangsspannung erreicht zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen den Wert "Emax". Jedoch kann unter solchen Umständen der Übergangszeitpunkt nicht beliebig eingestellt werden, da der Übergangszeitpunkt von Übermodulation auf den 1-Puls, oder vom 1-Puls auf Übermodulation, vom Modulationsfaktor und der Trägerfrequenz abhängt. Wenn dazwischen eine Hysterese vorhanden ist, wäre die Kontinuität der Grundspannungswelle beeinträchtigt.
So erfolgt ein Übergang des Steuerungsmodus von Übermodulationssteuerung auf 1-Puls-Steuerung, wo das Steuern der Spannung durch Pulsbreitenmodulation möglich ist, wobei es sich nicht um eine Erweiterung der Übermodulationssteuerung handelt (d.h., es liegt die Erzeugung des 1-Puls-Modus vor, in dem der Modulationsfaktor nicht unendlich gemacht ist). Im Ergebnis ist der Modusübergangsvorgang zu einem vorausgewählten Zeitpunkt zwischen Übermodulationssteuerung und 1- Puls-Steuerung möglich, und so kann ein kontinuierlicher Übergang der Grundwelle realisiert werden.
Es wird eine Reihe dieser Übergangssteuerungen (bipolare Modulation), unipolare Modulation, Übermodulation, 1-Puls) kontinuierlich ausgeführt, so dass Ausgangsspannungen von der Spannung null bis zur Maximalspannung bei stabilen Bedingungen und mit hoher Genauigkeit erhalten werden können, während der Pulsmodus (Modulationsart) entsprechend der erforderlichen Ausgangsspannung ausgewählt wird.
Das heißt, dass dann, wenn, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, der Induktionsmotor 6 bei Bedingungen mit V/F = konstant gesteuert wird, bipolare Modulation vom Anfangsstadium bis zur Wechselrichterfrequenz F1 verwendet wird. Dann wird, wenn die Wechselrichterfrequenz F1 erreicht, von dieser bipolaren Modulation auf den Bereich unipolarer Modulation umgeschaltet. Wenn die Wechselrichterfrequenz F2 erreicht, erfolgt ein Übergang des Betriebsmodus auf den Übermodulationsbereich. Ferner wird, wenn die Wechselrichterfrequenz den Wert F3 erreicht, der Betriebsmodus auf den 1-Puls-Bereich umgeschaltet.
In Fig. 3 ist ein Beispiel eines Modulationssignalverlaufs dargestellt, der die oben beschriebene Idee auf Grundlage eines einheitlichen Spannungsbefehls realisieren kann.
Eine Grundmodulationswelle "a", die proportional zu einer Grundwellenkomponenten der Ausgangsspannung ist, wird auf Grundlage sowohl eines von der Stromsteuereinrichtung auf der Wirtsseite hergeleiteten Sollwert Fi* für die Wechselrichterfrequenz als auch eines daraus hergeleiteten Sollwerts E* für die Ausgangsspannung erzeugt:
A = AsinΘ Gl. 6
mit A: Modulationsfaktor, t: Zeit, Θ = Phase.
Hierbei ist der Modulationsfaktor "A" (0 ≤ A ≤ 1) im Sinusmodulationsbereich durch die folgende Gleichung gegeben:
A = 2 2E*Emax/Ed Gl. 7
Diese Grundmodulationswelle "a" ist identisch mit der bei bipolarer Modulation und bei unipolarer Modulation, und sie ist ähnlich derjenigen bei Übermodulation, mit Ausnahme des Berechnungsverfahrens für den Modulationsfaktor "A" (was später erläutert wird).
Um es zu ermöglichen, einen kontinuierlichen Übergang der Modulationsart zwischen bipolarer Modulation und bipolarer Modulation zu erzielen, werden eine positive Vormodulationswelle "a bp" und eine negative Vormodulationswelle "a bn" bereitgestellt, die in diesem Fall durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt sind:
Bei Steuerung für bipolare Modulation werden die oben angegebenen positiven/negativen Vormodulationswellen "a bp" und "a bn" unmittelbar eine Modulationswelle "ap" auf der positiven Seite bzw. eine Modulationswelle "an" auf der negativen Seite.
Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Fall sowohl die Modulation "a p" auf der positiven Seite als auch die Modulation "a n" auf der negativen Seite auf positiv gesetzt sind, um die Erzeugung der Schaltfunktionen Sp und Sn zu vereinfachen. Schließlich wird die Pulsbreite der Ausgangsspannung auf solche Weise eingestellt, dass diese Pulsbreite unmittelbar proportional zu den Amplituden der Modulationswellen "a p" und "a n" auf der positiven Seite / negativen Seite ist. Im Fall bipolarer Modulation wird der Steuerungsvorgang dadurch ausgeführt, dass der positive Puls und der negative Puls jeweils um ungefähr 180º verschoben werden.
Wenn in der oben angegebenen Gleichung (8) B = 0 gilt, ergibt sich unipolare Modulation. Dabei überlappt die positive Vormodulationswelle "a bp" mit der negativen Vormodulationswelle "a bn", wie in Fig. 3(ii) veranschaulicht. So sind die erzeugten positiven/negativen Modulationswellen "a p" und "a n" wie folgt gegeben:
Wenn die minimale AUS-Zeit des Schaltelements vernachlässigbar kurz ist, ist der Momentanwert der negativen Modulationswelle "a n" größer oder gleich 1, und es wird der maximale Puls ausgegeben (Übermodulation wird beschrieben).
Es ist ersichtlich, dass die Einstellung des Vorgabewerts "B" bei der Übergangssteuerung sehr wichtig ist. Auf Grundlage des Werts von B kann eine Übergangssteuerung zwischen dem Bereich bipolarer Modulation und dem Bereich unipolarer Modulation realisiert werden:
(a) wenn A/2 ≤ B < 0,5 gilt, ergibt sich bipolare Modulation.
(b) Wenn B = 0 gilt, ergibt sich unipolare Modulation.
Zum Beispiel werden bei B = 0,5 zwei Elemente des oberen Arms gleichzeitig geschaltet, und es werden zwei Elemente des unteren Arms gleichzeitig geschaltet, was einen sogenannten "2-Pegel-Wechselrichter (es existiert keine Periode, während der das Potential am Neutralpunkt ausgegeben wird) ergibt. Auch bei B > 0,5 ist eine derartige Periode vorhanden, während der alle in Reihe geschalteten vier Elemente auf EIN geschaltet sind. Da diese Periode bewirken kann, dass die Spannungsquelle kurzgeschlossen wird, muss diese Periode verhindert werden.
Andererseits wird bei Übermodulationssteuerung der Modulationsfaktor A auf 1 oder über 1 erhöht und die Schlitze (d. h. die Periode, in der die Spannung 0 ausgegeben wird) zwischen den Pulsen der Ausgangsspannung um den zentralen Abschnitt einer Halbperiode dieser Ausgangsspannung herum werden unterdrückt, so dass die Ausgangsspannung verbessert wird.
Wenn die Sollspannung weiter erhöht wird, führt der Übermodulationsmodus zum 1-Puls-Modus. Ein derartiger Vorgang wird beim folgenden Ausführungsbeispiel erläutert.
Wie oben beschrieben, können bipolare Modulation, unipolare Modulation und Übermodulation auf Grundlage eines einheitlichen Spannungssollwerts erzielt werden, und so kann eine Steuerung für kontinuierliche Übergänge erzielt werden, bis die 1-Puls-Modulationssteuerung vorliegt, die die maximale Ausgangsspannung ergibt.
Nun wird eine Anordnung eines elektrischen Leistungswandlers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die oben beschriebene Idee realisieren kann, erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Impulsbreitemodulations-Vorrichtung zum Steuern der oben erläuterten Schalteinheit zum Ausgeben von Wechselspannungen mit Potentialen auf drei Pegeln.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Mehrpuls-Erzeugungseinrichtung zum Ausgeben eines bipolaren Modulationssignalverlaufs, eines unipolaren Modulationssignalverlaufs oder eines Übermodulations-Signalverlaufs abhängig von Ausgangsspannungs-Beziehungsinformation und Übergangssteuerungsinformation. Die Bezugszahl 2 zeigt eine 1-Puls-Erzeugungseinrichtung zum Ausgeben eines 1-Puls-Signalverlaufs abhängig von der Ausgangsspannung-Beziehungsinformation (1- Puls-Modus); und die Bezugszahl 3 kennzeichnet eine Übergangs-Steuerungseinrichtung für einen kontinuierlichen Übergang zwischen den jeweiligen PWM-Modi. Ein dem Ausgangssignal der Übergangs-Steuerungseinrichtung 3 entsprechendes Torsignal wird über einen Torsignalverstärker (nicht dargestellt) für die jeweiligen Phasen an die Schaltelemente in der Schalteinheit geliefert, so dass EIN/AUS-Steuerungsvorgänge ausgeführt werden. Die aus dieser Mehrpuls-Erzeugungseinrichtung 1, der 1-Puls-Erzeugungseinrichtung 2 und der Übergangs-Steuerungseinrichtung 3 aufgebaute Pulsbreitenmodulations-Einrichtung bildet das Kennzeichen der Erfindung.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei diesem Beispiel die von der Pulsbreitenmodulations-Einrichtung erfasste Spannungsbeziehungsinformation von einer wirtsseitigen Strom-Steuerungseinrichtung 8 geliefert wird. Diese Strom-Steuerungseinrichtung 8 erzeugt durch eine Stromeinstelleinrichtung einen Schlupffrequenz-Sollwert FS* (durch die Abweichung zwischen dem Stromsollwert und dem Motor-Iststrom erzeugt) für den Induktionsmotor 6. Ferner erzeugt die Strom-Steuerungseinrichtung 8 dadurch einen Wechselrichterfrequenz- Sollwert Fi*, dass sie den oben angegebenen Schlupffrequenz- Sollwert Fs* zur Drehfrequenz Fr des Induktionsmotors addiert, die durch eine am Induktionsmotor 6 angebrachte Drehfrequenz-Erfassungseinrichtung 61 erfasst wird.
Außerdem erzeugt eine Ausgangsspannungs-Einstelleinrichtung 82 einen Ausgangsspannungs-Sollwert E* auf Grundlage sowohl des Wechselrichterfrequenz-Sollwerts Fi* als auch der Gleichspannung Ed (d.h. Spannung zwischen P und N, entsprechend der Summe "VcP + Vcn" der Spannungen an den Klemmkondensatoren) des 3-Pegel-Wechselrichters.
Die Ausgangsspannungs-Einstelleinrichtung 82 nimmt eine solche Einstellung vor, dass die Steigung zunimmt, wenn die Gleichspannung Ed niedrig ist (Ed = Ed1), während sie eine Einstellung für eine Verringerung der Steigung vornimmt, wenn die Gleichspannung Ed hoch ist (Ed = Ed3), so dass die Ausgangsspannung den Erfordernissen kontinuierlich genügen kann. Im Ergebnis wird die in Fig. 2 dargestellte Ausgangsspannungs-Charakteristik erzielt. Diese Strom-Steuerungseinrichtung kann Momentanwerte der Ausgangsspannung ausgeben.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 11 werden nun eine Anordnung und die Funktion der oben beschriebenen Pulsbreitemodulations-Einrichtung detaillierter beschrieben.
In Fig. 4 ist ein Beispiel der Gesamtanordnung der Impulsbreitemodulations-Einrichtung dargestellt. In dieser Zeichnung besteht die Mehrpuls-Erzeugungseinrichtung 1 aus einer Grundmodulationswelle-Erzeugungseinrichtung 11, einer Vorsignal-Überlagerungseinrichtung 12, einer Positiv/Negativ-Verteilungseinrichtung 13, einer Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung 14 und einer Pulserzeugungseinrichtung 15.
Die Grundmodulationswelle-Erzeugungseinrichtung 11 berechnet eine Phase "Θ" durch zeitweiliges Integrieren des Wechselrichterfrequenz-Sollwerts Fi*, wie als Ausgangsspannungsrelation-Information von einer Phasenberechnungseinrichtung 112 erhalten, um dadurch einen Sinuswert "sin Θ" für diese Phase Θ zu erhalten. Andererseits wird die Amplitude "A" (Modulationsfaktor A = 4/π E*) der Grundmodulationswelle durch eine Amplitudeneinstelleinrichtung 111 aus dem Spannungssollwert E* berechnet, der einer der Ausgangsspannungsrelation-Informationen entspricht. Nachdem die sich ergebende Amplitude "A" durch 1/2 geteilt wurde, wird die geteilte Amplitude mit sin Θ multipliziert, um eine Momentan-Grundmodulationswelle a/2 auszugeben, die die Hälfte der Amplitude "A" aufweist, die dann ausgegeben wird. Die Vorsignal-Überlagerungseinrichtung 12 addiert und subtrahiert ein Vorsignal "B", wie es von der Mehrpulsübergangs-Steuerungseinrichtung 31 der Übergangs-Steuerungseinrichtung 3 erhalten wurde, zu/von diesem Signal a/2, so dass zwei Sätze positiver/negativer Vormodulationswellen "a bp" und "a bn" erzeugt und ausgegeben werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass der kontinuierliche Übergangsvorgang zwischen bipolarer Modulation und unipolarer Modulation durch Einstellen des Vorsignals "B" ausgeführt wird. In Fig. 5 ist ein Beispiel einer Anordnung der Bipolar/Unipolar-Übertragungs-Steuerungseinrichtung 311 zum Ausführen der Übergangssteuerung durch Einstellen dieses Vorsignals "B" dargestellt. Die Bipolar/Unipolar-Übergangs-Steuerungseinrichtung 311 setzt den Ausgangsspannungs-Sollwert E* durch Multiplikation mit 4/π bei 311a in den Modulationsfaktor A um. Das diesem Modulationsfaktor entsprechende Vorsignal "B" wird in einer Vorsignal-Erzeugungseinrichtung 311b bestimmt. Das heißt, dass B = Bo (Hinweis: Bo ≥ A/2) unter der Bedingung eingestellt wird, dass der Modulationsfaktor A klein ist und eine sehr kleine Ausgangsspannung erforderlich ist. Wenn die Amplitude A den Wert A1 erreicht, hat das Vorsignal B den Wert 0. Wenn dieser Wert "A1" so bestimmt ist, dass die Ausgangsspannung im Fall A = A1 größer als die in der Gleichung (2) angegebene Spannung wird, kann eine Spannungssteuerung ausgehend von einer derartigen sehr kleinen Spannung, zu der auch 0 gehört, erzielt werden.
Ferner werden die oben angegebenen positiven/negativen Vormodulationswellen "a bp" und "a bn" durch eine Positiv/Negativ-Verteilungseinrichtung 13 auf solche Weise verteilt und miteinander kombiniert, dass der positive Abschnitt unter diesen Vormodulationswellen "a bp" und "a bn" auf "ap" verteilt wird, während der negative Abschnitt derselben auf "an" verteilt wird, so dass positive/negative Modulationswellen "ap" und "an", die von bipolarer Modulation auf unipolare Modulation Kontinuität der Grundwelle aufrechterhalten, erzeugt werden.
Anders gesagt, wird nur die negative Vormodulationswelle "a bn" bei bipolarer Modulation in eine negativseitige Modulationswelle "an" invertiert. Bei unipolarer Modulation werden beide Vormodulationswellen auf der positiven Seite unter den positiven/negativen Vormodulationswellen zueinander addiert, und beide zugehörigen negativseitigen Vormodulationswellen werden zueinander addiert, wobei diese addierten Wellen zur positivseitigen Modulationswelle "ap" bzw. zur negativseitigen Modulationswelle "an" werden.
Auf Grundlage der positiven/negativen Modulationswellen "ap" und "an" erzeugt die Pulserzeugungseinrichtung 15 Schaltfunktionen "Sp" und "Sn", deren Pulserzeugungsperioden den Wert 2To erhalten. Gemäß dem Schaltfrequenz-Sollwert Fsw* bestimmt die Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung 14 die Pulserzeugungsperiode To. Hierbei ist die Beziehung zwischen dem Schaltfrequenz-Sollwert Fsw* und der Pulserzeugungsperiode To durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
To = 1/(2Fsw*) Gl. 12
Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 ein Pulserzeugungsvorgang durch die Pulserzeugungseinrichtung 15 erläutert.
In Fig. 6 berechnet eine Pulszeitpunkt-Einstelleinrichtung 151 einen Anstiegszeitpunkt "Tpup" der Schaltfunktion Sp sowie einen Abklingzeitpunkt "Tndn" der Schaltfunktion Sn auf Grundlage von "a p", "a n", "a off" und "To" (was später beschrieben wird, abhängig von den folgenden Gleichungen (Prozess 1):
In der nächsten Periode werden sowohl der Abklingzeitpunkt "Tpdn" der Schaltfunktion Sp als auch der Anstiegszeitpunkt "Tnup" der Schaltfunktion Sn auf ähnliche Weise wie beim oben beschriebenen Prozess 1 erhalten (Prozess 2):
Die oben beschriebenen Prozesse 1 und 2 werden abwechselnd ausgeführt, um die Schaltfunktionen Sp und Sn zu erzeugen.
Hierbei sind "a on" und "a off" Werte, die durch die minimale EIN-Zeit Ton und die minimale AUS-Zeit Toff der Schaltelemente bestimmt sind, und sie sind wie folgt gegeben:
Anders gesagt, sind, wie es in Fig. 7 repräsentiert ist (-- Beispiel der Schaltfunktion "Sp"), eine EIN-Pulsbreite "-- Twon" und eine AUS-Pulsbreite "Twoff" wie folgt definiert:
Diese EIN-Pulsbreite und die AUS-Pulsbreite verfügen über Charakteristiken, wie sie durch die gestrichelte Linie in Fig. 8 dargestellt sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Charakteristiken so modifiziert werden sollten, wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 8 angegeben ist, damit die EIN-Pulsbreite Twon kürzer als oder gleich groß wird wie die durch die Schaltelemente bestimmte minimale EIN-Zeit Ton, und damit auch die AUS-Pulsbreite Twoff kürzer als oder gleich groß wird wie die durch die Schaltelemente bestimmte AUS-Zeit Toff. Um diese Modifizierung zu realisieren, ist die Funktion der Pulszeitpunkt-Einstelleinrichtung 151, wie in Fig. 6 dargestellt, hinzugefügt. Im Ergebnis, da nämlich die Diskontinuität der Grundwellenkomponente der Ausgangsspannung, wie durch diese Funktion erzeugt, sehr klein ist, ist diese Diskontinuität vernachlässigbar.
Es sei darauf hingewiesen, dass "a off" eine Variable innerhalb eines solchen Bereichs ist, dass die Diskontinuität der Grundwellenkomponente der Ausgangsspannung vernachlässigbar ist, wobei sie von einer Unipolar/Übermodulation-Übergangs- Steuerungseinrichtung 312 als Übergangszeitpunkt von unipolarer Modulation auf Übermodulation geliefert wird. Wenn "a off" auf einen konstanten Wert eingestellt wird, kann die Pulserzeugung vereinfacht werden.
Die Schaltfunktion-Erzeugungseinrichtung 152 erzeugt ein Bezugssignal mit der Periode "To" und sie stellt die Schaltfunktionen Sp und Sn synchron mit dieser Erzeugung des Bezugssignals auf Grundlage der oben erläuterten Wert von Tpup, Tndn oder Tpdn, Tnup ein.
In Fig. 9 ist ein Beispiel für die Schaltfunktion bei Übermodulation dargestellt. Wenn der Momentanwert "a off" überschreitet, wird ein Schlitz (d.h. ein schraffierter Abschnitt in Fig. 9c) zwischen den Pulsen der Schaltfunktion Sp aufgefüllt. Diese aufgefüllte Schlitzbreite ist kleiner als die minimale AUS-Zeit Toff des Schaltelements, und da die Anzahl der Schlitze allmählich um 1 auf 2 zunimmt, ergibt sich im wesentlichen kein nachteiliger Einfluss auf die Grundwelle der Ausgangsspannung.
In Fig. 10 ist ein Flussdiagramm für den Fall dargestellt, dass die Pulszeitpunkt-Einstelleinrichtung 151 durch Software realisiert ist.
Bei Übermodulationssteuerung wird der Schlitz zwischen Pulsen, die im zentralen Abschnitt der Halbperiode der Ausgangsspannung liegen, aufgefüllt, um den Zustand mit maximaler Spannung aufrechtzuerhalten, und es wird PWM-Steuerung nur für die Position benachbart zum Nulldurchgangspunkt des Modulationssignalverlaufs ausgeführt. Im Ergebnis werden der Modulationsfaktor A und die tatsächlich hergeleitete Ausgangsspannung in diesem Bereich nichtlinear. Selbst wenn der Modulationsfaktor A in linearer Form erhöht wird, nimmt die Ausgangsspannung folgend auf diesen linearen Anstieg nicht linear zu.
Demgemäß wird der Modulationsfaktor A in nichtlinearer Form festgesetzt, um die Ausgangsspannung bei Übermodulation zu linearisieren. Das heißt, dass, wenn nun angenommen wird, dass die Schaltfrequenz im PWM-Steuerungsabschnitt ausreichend hoch ist, die Beziehung zwischen dem Effektivwert E der Grundwelle der Ausgangsspannung und dem Modulationsfaktor A durch die folgende Gleichung ausgedrückt ist:
Infolgedessen wird die Beziehung zwischen E* und A vorab aus der oben genannten Gleichung (19) berechnet und es wird die in Fig. 11 dargestellte Amplitudeneinstelleinrichtung 111 so ausgebildet, dass die Ausgangsspannung auf lineare Weise in bezug auf E* eingestellt wird. Im Ergebnis kann insbesondere die Spannungssteuercharakteristik im Hochspannungsbereich nahe dem 1-Puls-Modus verbessert werden.
Wenn der Spannungssollwert weiter erhöht wird, erfolgt ein Übergang des Funktionsmodus vom Übermodulationsmodus auf den 1-Puls-Modus, was mittels des Auswählschalters 32 der Übergangs-Steuerungseinrichtung 3 erfolgt. Der Auswählschalter 32 wird gemäß den folgenden Bedingungen betrieben:
- wenn SPM =0 gilt, was einem der Ausgangssignale der Mehrpuls-Übertragungs-Steuerungseinrichtung 31 entspricht, wird dieser Auswählschalter 32 auf die Seite des Mehrpulsmodus umgeschaltet; und
- wenn SPM = 1 gilt, wird der Auswählschalter 32 auf die Seite des 1-Puls-Modus umgeschaltet. In Fig. 5 ist ein Beispiel für die Steuerungseinrichtung 313 für den 1-Puls/Mehrfachpuls-Wechsel dargestellt. Bei diesem Beispiel ist eine Hysterese auf solche Weise vorhanden, dass dann, wenn der Spannungssollwert E* den Wert E1p überschreitet, der Funktionsmodus vom Mehrpulsmodus auf den 1-Puls-Modus umgeschaltet wird, wohingegen dann, wenn der Spannungssollwert E* kleiner als EMP wird, der Funktionsmodus vom 1-Puls-Modus auf den Mehrpulsmodus umgeschaltet wird. Im Ergebnis wird ein unbeabsichtigter Übergang des PWM-Modus unterdrückt und es kann eine stabile Ausgangsspannung mit kleineren Übergangsänderungen erzeugt werden.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht der Modusübergang vom Übermodulationsmodus zum 1-Puls-Modus dem Übermodulationsmodus, und der Modulationsfaktor wird nicht erhöht, bevor nicht die Pulszahl den Wert 1 erlangt.
Wie oben beschrieben, kommt es, wenn der Funktionsmodus auf den 1-Puls-Modus umgeschaltet wird, zu einer Wechselwirkung zwischen der Seitenbandkomponente und der Grundwelle, so dass die Kontinuität des Ausgangsstroms verlorengeht und eine Drehmomentänderung hervorgerufen wird.
Daher wird gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Übermodulationsmodus der Funktionsmodus zwangsweise selbst in einem solchen Zustand auf den 1-Puls-Modus umgeschaltet, in dem mehrere im Halbzyklus der Grundwelle enthaltene Pulse vorhanden sind (was im einzelnen erörtert wird).
Die 1-Puls-Erzeugungseinrichtung 2 besteht aus einer Phasenberechnungseinrichtung 21 und einer Pulserzeugungseinrichtung 22. Die Funktion der Phasenberechnungseinrichtung 21 ist vollständig dieselbe wie diejenige der Amplitudeneinstelleinrichtung 111. Das Ausgangssignal dieser Amplitudeneinstelleinrichtung 111 kann unter Weglassung der Phasenberechnungseinrichtung 21 genutzt werden.
In Fig. 13 ist ein Beispiel für den Aufbau der Pulserzeugungseinrichtung 22 dargestellt. Im 3-Pegel-PWM-Steuerungsmodus kann die Ausgangsspannung bei 1-Puls-Steuerung dadurch eingestellt werden, dass die Pulsbreite gesteuert wird, was verschieden vom 2-Pegel-PWM-Steuerungsmodus ist. Demgemäß werden die Phase "α" zum Anstiegszeitpunkt sowie die Phase "β" zum Abklingzeitpunkt für einen Puls aus dem Spannungssollwert E* wie folgt erhalten:
Diese Zeitpunktsphasen "α" und "β" werden mit der Phase "Θ" als Bezug eingestellt, und die Schaltfunktionen Sp und Sn werden erzeugt und ausgegeben, so dass ein 1-Puls-Signalverlauf erzielt ist.
Wie oben beschrieben, werden bipolare Modulation, unipolare Modulation und Übermodulation auf Grundlage des einheitlichen Spannungssollwerts erzielt, und es kann kontinuierliche Übergangssteuerung bis zum 1-Puls bei maximaler Ausgangsspannung erzielt werden.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen Vorteile dahingehend, dass die Ausgangsspannung kontinuierlich und gleichmäßig von der Spannung null bis zur Maximalspannung eingestellt werden kann und dass ferner eine stabile Ausgangsspannung mit hoher Genauigkeit geliefert werden kann.
In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass beim in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel die Ausgangspulsfolge der oben beschriebenen Mehrfachpuls-Erzeugungseinrichtung in einem asynchronen Zustand zur Frequenz des Wechselrichters erzeugt wird und dass der Ausgangspuls der 1-Puls- Erzeugungseinrichtung so gesteuert wird, dass er mit der Frequenz des Wechselrichters synchronisiert ist.
Der Grund besteht darin, die verschiedenen im Stand der Technik vorhandenen Probleme zu verhindern. Das heißt, dass gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik hinsichtlich des Verwendens des Synchronisierungsverfahrens im Mehrpulsbereich komplizierte Steuerung, als erstes Problem, zum Überwachen der Phase erforderlich ist. Als zweites Problem kann, wenn der Ausgangsspannungs-Sollwert auf eine bestimmte Steuerungsanforderung hin gegenüber einer Sinuswelle verzerrt werden muss (in Fig. 1 wurden die Wechselrichterfrequenz Fi* und der Ausgangsspannungs-Sollwert E* abhängig vom Erfordernis der Steuerung eines Elektrofahrzeugs eingestellt), kann die Ausgangsspannungsanweisung nicht korrekt befolgt werden.
Das heißt, dass beim ersten Problem entsprechend dem Synchronisierungstyp des elektrischen Leistungswandlersystems, da die Pulse eine Frequenz aufweisen, die ein ganzzahliges Mehrfaches der Frequenz des Wechselrichters ist, eine Tabelle mit einer Beziehung zwischen der Phase und dem erzeugten Puls pro Pulsart verwendet wird, aus der die Pulserzeugungsphase auf Grundlage der Pulsart und der Wechselrichterfrequenz ausgelesen wird. Um eine derartige Phasenverwaltung zu erzielen, sind eine große Anzahl von Speichern für jede Pulsart und großer Kompilierungsumfang erforderlich, was zu komplizierten Steuerungsabläufen führt.
Als zweites Problem verfügt das herkömmliche elektrische Leistungswandlersystem vom Synchronisierungstyp über Pulsdaten für 90º. Da jedoch diese Daten auf solche Weise erstellt wurden, dass die Ausgangsspannung eine Sinuswelle wird, kann die Ausgangsspannung nicht korrekt entsprechend der Anweisung ausgedrückt werden.
Daher können gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel diese herkömmlichen Probleme dadurch überwunden werden, dass der Puls in asynchronem Zustand zur Wechselrichterfrequenz im Mehrpulsmodus erzeugt wird.
Anders gesagt, können, was das oben beschriebene erste Problem betrifft, Pulse unabhängig ohne jede Beschränkung durch die Wechselrichterfrequenz erzeugt werden, um sie zu erzeugen. Das heißt, dass in Fig. 4 der Schaltfrequenz-Sollwert FSW* unabhängig in bezug auf den Wechselrichterfrequenz- Sollwert Fi* eingestellt werden kann (in Fig. 4 ist die Bezugssignalerzeugung 14 unabhängig von der Wechselrichterfrequenz). Im Ergebnis kann die Steuerung vereinfacht werden, ohne dass komplizierte Steuerungsabläufe zum Erzeugen der Pulse erforderlich sind.
Hinsichtlich des zweiten herkömmlichen Problems werden keine Daten mehr für jede Phase gespeichert, wenn das elektrische Leistungswandlersystem vom asynchronen Typ ist. Da dem momentanen Spannungssollwert entsprechende Pulse ausgegeben werden können, kann sogar eine verzerrte Sinuswelle korrekt wiedergegeben werden. Wie bereits ausgeführt, ist es möglich, da Steuerungsvorgänge betreffend die Phasenberechnungen und dergleichen vereinfacht werden können, eine Berechnung zum Ausgeben von Impulsen, die dem Spannungssollwert eineindeutig entsprechen, auszuführen. Da die Berechnungsperiode verkürzt werden kann, ist die Wiedergabetreue erhöht.
Auch dann, wenn ein asynchrones elektrisches Leistungsschaltsystem verwendet wird, können, da die Schaltfrequenz nicht von der Wechselrichterfrequenz abhängt, Schwankungen der Schaltfrequenz minimiert werden. So existiert ein anderer Vorzug dahingehend, dass Tonänderungen (Geräusche, unangenehme Töne), wie sie vor/nach einer Pulsartänderung auftreten und wie sie beim herkömmlichen elektrischen Leistungswandlersystem vom Synchronsierungstyp existieren, minimiert werden können.
Auch wurde beim oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel zwar ein 3-Pegel-Wechselrichter beschrieben, jedoch gilt entsprechendes auch im Fall eines 2-Pegel-Wechselrichters oder eines Mehrpegel-Wechselrichters über einem 3-Pegel-Wechselrichter.
Indessen kann im Fall eines Schaltelements wie eines GTO- Thyristors, der mit relativ niedrigen Frequenzen geschaltet wird, eine Wechselwirkung zwischen einer Seitenbandkomponente einer höheren Oberwelle in der Ausgangsspannung, wie entsprechend der Schaltfrequenz erzeugt, und der Grundwellenkomponente der Wechselrichterfrequenz auftreten. Um eine derartige Wechselwirkung zu vermeiden, werden der bipolare Modulationsmodus und der unipolare Modulationsmodus unter asynchronen Bedingungen hinsichtlich der Wechselrichterfrequenz ausgeführt, was die PWM-Modi der Mehrpuls-Erzeugungseinrichtung betrifft, wohingegen der Übermodulationsmodus und der 1-Puls-Modus synchron mit der Wechselrichterfrequenz ausgeführt werden (Fig. 14).
Mit einer derartigen Anordnung kann eine stabilere Spannung sogar im Übermodulationsmodus geliefert werden.
In Fig. 15 ist eine Mehrpuls-Übergangssteuerung gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass nur eine Mehrpuls- Übergangssteuerungseinrichtung 31 dargestellt ist. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel dient dazu, Übergänge zwischen vier Arten von PWM-Modi abhängig von sowohl dem Wechselrichterfrequenz-Sollwert Fi* als auch dem Spannungssollwert E* auszuführen. Anders gesagt, wird der bipolare Modulationsmodus verwendet, wenn die Bedingung Fi* < F1 und E* < E1 erfüllt ist. Wenn die Bedingung Fi* ≥ F1 und E1 ≤ E* < E2 erfüllt ist, wird der unipolare Modulationsmodus verwendet. Wenn die Bedingung E2 ≤ E* < E3 erfüllt ist, wird der Übermodulationsmodus verwendet. Wenn die Bedingung E* ≥ E3 erfüllt ist, wird der 1-Puls-Modus verwendet. Infolgedessen kann selbst dann, wenn die Ausgangsspannung im Hochgeschwindigkeitsbereich, in dem die Frequenz hoch ist, wie bei einem regenerierenden Startvorgang und bei der Wiederversorgung von Spannung, einen Weichstart erfährt, die Übergangsbedingung bipolare Modulationsart, unipolare Modulationsart, Übermodulationsart und 1-Puls-Modulationsart in dieser Reihenfolge erfüllt werden, und es steht ein stabiler Spannungserhöhungsvorgang zur Verfügung. Auch ist es möglich, da im Niederfrequenzbereich Steuerung durch bipolare Modulation kontinuierlich ausgeführt wird, eine Stromkonzentration in einem speziellen Schaltelement zu vermeiden, wie im Fall der unipolaren Modulationsart.
Es erfolgt nun eine Beschreibung eines elektrischen Leistungswandlersystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie es in Fig. 16 dargestellt ist, können durch Erweitern der Idee des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels, wenn bipolare Teilmodulation, bei der sowohl der bipolare Modulationssignalverlauf als auch der unipolare Modulationssignalverlauf gemischt sind, zwischen den bipolaren Modulationsmodus und den unipolaren Modulationsmodus eingefügt wird, gleichmäßigere Vorgänge betreffend die Ausgangsspannung und die Schaltfrequenz hervorgehoben werden.
Ein Beispiel für den Signalverlauf eines Ausgangsspannungs- Sollwerts ist in Fig. 17 dargestellt. In Fig. 17 stimmen die Modulationsarten außer dem (ii)-Teilmodulationsmodus mit denen in Fig. 3 überein. Hinsichtlich dieser bipolaren Teilmodulation erfolgt nun die folgende Beschreibung.
Auf Grund von Wirkungen der Vorsignal-Überlagerung und der Positiv/Negativ-Verteilung können selbst dann, wenn das Vorsignal "B" auf den Bereich (0 < B < A/2) gesetzt wird, der weder bipolarer Modulation noch unipolarer Modulation entspricht, Spannungen, die an die Erfordernisse der Grundmodulationswelle angepasst sind, ohne jede Erniedrigung/Erhöhung wiedergegeben werden. In diesem Fall besteht die bipolare Teilmodulation aus der unipolaren Modulationsart, wie sie um den Spitzenwertabschnitt der Ausgangsspannung herum verwendet wird, und der bipolare Modulation, wie sie für den unteren Abschnitt der Ausgangsspannung verwendet wird. Dabei sind eine positivseitige Modulationswelle "a p" und eine negativseitige Modulationswelle "a n" wie folgt ausgedrückt:
Wie es leicht aus der vorstehenden Beschreibung erkennbar ist, stimmt (ap - an) kontinuierlich mit der Grundmodulationswelle "a" überein, und es kann die Kontinuität des Momentanwerts der Grundwelle der Ausgangsspannung aufrechterhalten werden.
Wenn das Vorsignal B auf eine Erhöhung des Modulationsfaktors A unter Verwendung der oben beschriebenen Merkmale allmählich verkleinert wird, kann ein kontinuierlicher Übergang der Modulationsart von bipolarer Modulation über die bipolare Teilmodulation auf die unipolare Modulation erfolgen. Selbstverständlich ist es möglich, einen anderen Übergang der Modulationsart, entgegengesetzt zum oben beschriebenen Übergang der Modulationsart auszuführen.
In Fig. 18 ist ein Beispiel einer bipolar/unipolar-Übergangs-Steuerungseinrichtung dargestellt. Wie es durch die durchgezogene Linie in Fig. 18 gekennzeichnet ist, wird, wenn das Vorsignal B eingestellt ist, bipolare Modulation innerhalb des Bereichs 0 ≤ A ≤ A1 ausgeführt, bipolare Teilmodulation wird innerhalb des Bereichs A1 < A < A2 ausgeführt und unipolare Modulation wird innerhalb des Bereichs A ≥ A2 ausgeführt. In diesem Fall kann die elektrische Leistungswandlervorrichtung im Zustand geringer Geräusche betrieben werden, da vom Motor keine Geräusche erzeugt werden, wenn der Schaltvorgang zwischen bipolarer Modulation und unipolarer Modulation ausgeführt wird.
Wenn die Idee von Fig. 18 zur Modulationsübergangssteuerung verwendet wird, können die PWM-Modi für jeden Bereich so überwacht werden, wie es in Fig. 19 dargestellt ist. Fig. 19 zeigt nur eine Mehrpuls-Übergangssteuerungseinrichtung 31. Diese Übergangs-Steuerungseinrichtung dient dazu, abhängig von sowohl dem Wechselrichterfrequenz-Sollwert Fi* als auch dem Spannungssollwert E* eine Übertragung zwischen fünf Arten von PWM-Modi auszuführen. Das heißt, dass dann, wenn die Bedingung Fi* < Fo und E* < Eo erfüllt ist, der bipolare Modulationsmodus verwendet wird. Wenn die Bedingung Fo ≤ Fi* < F1 und Eo < E* < E1 erfüllt ist, wird bipolare Teilmodulation verwendet. Wenn die Bedingung Fi* > F1 und E1 ≤ E* < E2 erfüllt ist, wird unipolare Modulation verwendet. Auch wird Übermodulation verwendet, wenn die Bedingung E2 ≤ E* < E3 erfüllt ist, und wenn E* ≥ E3 erfüllt ist, wird 1-Puls-Modulation verwendet. Im Ergebnis kann selbst dann, wenn die Ausgangsspannung im Hochgeschwindigkeitsbereich mit hoher Frequenz während z. B. eines regenerierenden Neustarts und bei Wiederversorgung mit Spannung, einen Weichstart erfährt, die Übergangsbedingung bipolare Modulation, bipolare Teilmodulation, unipolare Modulation, Übermodulation und 1-Puls- Modulation in dieser Reihenfolge erfüllt werden, und demgemäß steht ein stabiler Spannungsanstiegsvorgang zur Verfügung. Selbst bei einer Wiederanhaftungssteuerung kann eine ähnliche Wirkung wie bei regenerierendem Neustart erzielt werden. Ferner besteht ein anderer Vorteil dahingehend, dass das Auftreten von Geräuschen vom Motor, wenn der Pulsmodus geändert wird, bei allen Betriebsbedingungen minimiert werden kann.
Indessen wird bei einem Wechselrichter, wie er in einer elektrischen Leistungswandlervorrichtung für ein Schienenfahrzeug verwendet wird, der variable Bereich der Wechselrichterfrequenz Fi* so ausgewählt, dass er in der Größenordnung von 0 bis 300 Hz liegt. Die Wechselrichterfrequenz Fcv, bei der die Ausgangsspannung maximal ist, entspricht 1/5 bis 1/3 der oberen Grenzfrequenz der variablen Wechselrichterfrequenz, und die obere Grenzfrequenz der Wechselrichterfrequenz Fcv beträgt ungefähr 100 Hz. Um Schwankungen im Ausgangsstrom zu vermeiden, wie sie durch eine Wechselwirkung zwischen nahe der Schaltfrequenz erzeugten hohen Oberwellen und der Grundwelle mit der Wechselrichterfrequenz erzeugt werden, wenn Pulse bei asynchronen Bedingungen erzeugt werden, muss die Schaltfrequenz einen Wert aufweisen, der dadurch erhalten wird, dass die Wechselrichterfrequenz Fcv mit ungefähr zehn multipliziert wird, d.h., dass der Wert bei über 1 KHz liegt.
Ferner ist es zum Unterdrücken der oben genannten Geräusche wirkungsvoll, die Schwankungen der Schaltfrequenz zu minimieren. Schwankungen der Schaltfrequenz können im Mehrpulsbereich durch Einführen des Übermodulationsmodus innerhalb von 1 bis 2 Fi herabgedrückt werden.
Fig. 20 ist ein Vergleichsdiagramm zu Variationen der Schaltfrequenzen, wenn im Mehrpulsbereich asynchroner Betrieb, insgesamt asynchroner Betrieb oder synchroner Betrieb vorliegt. Wenn im Mehrpulsbereich synchroner Betrieb vorliegt, ändert sich die Schaltfrequenz auf diskontinuierliche Art, wohingegen dann, wenn im Mehrpulsbereich asynchroner Betrieb vorliegt, die Schaltfrequenz auf kontinuierliche Art variiert wird. Im Ergebnis werden Geräuschänderung gering.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 12, 22 und 23 wird nun eine Übergangssteuerung zwischen einem Übermodulationsmodus und einem 1-Puls-Modus erläutert.
In Fig. 1 bestimmt die 1-Puls/Mehrfachpuls-Umschaltsteuerungseinrichtung (1P/MP-Umschaltsteuerung) 313 ein Signal SPM zum Umschalten von entweder dem Übermodulationsmodus auf den 1-Puls-Modus oder vom 1-Puls-Modus auf den Übermodulationsmodus, und zwar durch Eingeben des Spannungssollwerts E* entsprechend der Übergangssteuerungs-Information sowie der Phase Θ der Ausgangsspannung.
In Fig. 12 ist ein Beispiel für den Aufbau der 1-Puls/Mehrfachpuls-Umschaltsteuerungseinrichtung 313 dargestellt. Ein Umschaltspannungsdetektor 313a erhält den Ausgangspannungs- Sollwert E* als Eingangssignal, und er gibt das Signal SPM' = 1 aus, wenn der Ausgangsspannungs-Sollwert E* den Bezugswert E1P erreicht, und er gibt auch das Signal SPM' = 0 aus, wenn der Ausgangsspannungs-Sollwert E* auf den Bezugswert EMP verringert wird.
Einerseits gibt der Umschaltzeitpunkt-Generator 313b dann den Wert 1 aus, wenn die dem Ausgangssignal der Phasenberechnungseinrichtung 21 entsprechende Phase Θ den Wert der PWM-Modus-Übergangsphasen αc, αc + 60º, αc + 120º, αc + 180º, αc + 240º oder αc + 300º erreicht, und sie gibt den Wert 0 aus, wenn diese Phase irgendeine andere Phase als eine der vorstehend angegebenen Phasen ist.
Ferner nimmt eine Latcheinrichtung 313c eine Zwischenspeicherung des Inhalts des Ausgangssignals SPM' des Umschaltspannungsdetektors 313a zum Ausgabezeitpunkt des Umschaltezeitpunkt-Generators 313b vor.
Unter Bezugsnahme auf Fig. 22 wird nun die Funktion dieser 1-Puls/Mehrfachpuls-Umschaltsteuerungseinrichtung erläutert.
In Fig. 22(a) ist der Spannungssollwert E* dargestellt. Wenn E* ≥ E1P gilt, gibt die Umschaltsteuerungseinrichtung das Signal SPM' = 1 aus, wie es in Fig. 22(b) dargestellt ist. Fig. 22(c) repräsentiert die Phase als Bezug der Ausgangsspannung. Fig. 22(d) zeigt das Ausgangssignal des Umschaltzeitpunkt-Generators 313b, das bei Θ = αc und bei einer Phase mit einem Intervall von 60º den Wert 1 erhält. Fig. 22(e) zeigt das Ausgangssignal der Latcheinrichtung 313c. Zum Zeitpunkt, zu dem vom Umschaltzeitpunkt-Generator 313b der Wert 1 ausgegeben wird, nachdem der Umschaltspannungsdetektor 313a sein Ausgangssignal erzeugt hat, gibt die Latcheinrichtung das tatsächliche Umschaltzeitpunktsignal SPM aus.
Um den PWM-Modus gleichmäßig umzuschalten, bilden die Übergangsspannungen E1P, EMP sowie die PWM-Modus-Übergangsphasen αc, αc + 60º, αc + 120º, αc + 180º, αc + 240º, αc + 300º wichtige Faktoren.
Durch Versuche wurde klargestellt, dass dann, wenn der PWM- Modus umgeschaltet wurde, während nur 1 Phase unter 3 Phasen des Wechselrichters die Neutralpunktspannung ausgab, die Grundwelle und der Strom diskontinuierlich wurden und eine Drehmomentpulsation hervorgerufen wurde. Daher wird im Übermodulationsmodus kein PWM-Modus-Umschaltvorgang ausgeführt, bis ein Ausgangsspannungs-Sollwert erhalten werden kann, durch den ein solcher Phasenbereich errichtet wird, dass die Modulationsstoppperioden in allen Phasen miteinander überlappen. Diese Modulationsstopperiode beinhaltet eine Periode, während der ein Puls mit großer Breite nahe dem Spitzenwert der Grundwelle ausgegeben wird. Ferner wird der PWM- Modus bei dieser Überlappungsphase umgeschaltet.
Da der Ausgangsspannungs-Sollwert E*, bei dem die Modulationsstoppperioden einander in allen Phasen überlappen, einer Spannung entspricht, bei der die Startphase α1 der Modulationsstopperiode unter 30º liegt, ergibt sich E* = 0,957, wenn die Spannungsanweisung zu diesem Zeitpunkt berechnet wird. Infolgedessen wird dieser Wert als unterer Grenzwert für die Bezugswerte E1P, EMP (≥ 0,957, d.h. A = 2 in Gleichung 19) der Übergangsspannung bestimmt.
Auch ist ein oberer Grenzwert ein solcher Wert, wie er durch die Schaltfrequenz bestimmt ist. Der PWM-Modus muss zumindest bei derjenigen Bedingung auf den 1-Puls-Modus umgeschaltet werden, gemäß der in einem Halbzyklus der Grundwelle mehrere Pulse enthalten sind. Dies, da dann, wenn, wie bereits ausgeführt, der PWM-Modus vom 1-Puls-Modus, der nicht durch einen PWM-Modus steuerbar ist (d.h. 1-Puls-Modus, wie durch Erhöhen des Modulationsfaktors im Übermodulationsmodus erhalten) in den durch einen PWM-Modus steuerbaren 1-Puls-Modus umgeschaltet wird, keine Kontinuität der Grundwelle erzielt werden kann.
Als nächstes muss der PWM-Modus selbst dann, wenn eine Periode existiert, in der Modulationsstoppperioden in allen Phasen nicht miteinander überlappen, der PWM-Modus in einem derartigen Überlappungszustand umgeschaltet werden.
Daher werden die Schaltphasen überwacht. In den Fig. 22(f), (g), (h) sind Spannungen für die jeweiligen Phasen dargestellt, aus denen es ersichtlich ist, dass dann, wenn Θ zum Bezug auf null gesetzt ist, die Modulationsstopphasen aller Phasen bei Θ = α1 (nicht dargestellt), jedoch eine Phase unter dem obigen Wert von 30º) überlappen, wobei anschließend alle 70º Überlappungspunkte vorliegen.
Die Schaltphase αc ist wie folgt eingestellt:
α1 ≤ αc < 60º - α1.
Infolgedessen kann die Kontinuität der Grundwelle beibehalten werden.
Die Fig. 23A - 23F zeigen ein Beispiel zu Simulationssignalverläufen, wie sie auftreten, nachdem der PWM-Modus vom 1- Puls-Modus auf den Übermodulationsmodus umgeschaltet wurde, wenn ein Induktionsmotor als Last verwendet wird. Die Fig. 23A - 23C zeigen einen Fall, dass hinsichtlich der Schaltspannung und der Phase nichts unternommen ist. Die Fig. 23D- 23F veranschaulichen einen Fall, bei dem das vorliegende Ausführungsbeispiel angewandt ist.
Wenn das vorliegende Ausführungsbeispiel nicht angewandt würde, würde der Spitzenwert des Ausgangsstroms springen und das erzeugte Drehmoment würde sich ändern, wenn ein Übergang des PWM-Modus erfolgt. Jedoch ist es erkennbar, dass diese Variationen ausreichend verringert werden, wenn das bevorzugte Ausführungsbeispiel angewandt wird.
Wenn ein Mikroprozessor verwendet wird, kann entweder ein Teil, oder es können alle Teile, der oben beschriebenen Pulsbreitemodulations-Einrichtung auf Softwareweise programmiert und realisiert werden. In Fig. 21 ist ein Beispiel eines Flussdiagramms zum Erläutern, dass Anstiegs-/Abklingzeitpunkte in der in Fig. 4 dargestellten Pulsbreitenmodulations-Einrichtung unter Steuerung durch Software berechnet werden, dargestellt.
Obwohl alle oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele einen Induktionsmotor verwenden, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern sie kann auf ähnliche Weise auf andere Wechselstrommotoren angewandt werden, wobei ähnliche Vorzüge erreicht werden. Auch erfolgte die gesamte obige Beschreibung für Wechselrichter. Die Ausgangsanschlüsse dieser Wechselrichter sind über ein Reaktanzelement mit einer Wechselspannungsversorgung verbunden, wobei Betrieb als selbsterregender Umsetzer zum Umsetzen von Wechselspannung in Gleichspannung möglich ist. Auch in diesem Fall kann ein ähnlicher Effekt wie bei einem Wechselrichter erzielt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die obigen Beschreibungen zwar für einen 3-Pegel-Wechselrichter erfolgten, dass jedoch die erfindungsgemäße Idee der Erfindung in ähnlicher Weise auf andere Mehrpegel-Wechselrichter als einen 3-Pegel-Wechselrichter angewandt werden kann.
Gemäß der Erfindung kann die Ausgangsspannung eines Wechselrichters gleichmäßig und kontinuierlich von der Spannung null bis zur Maximalspannung eingestellt werden. Darüber hinaus kann das Steuerungssystem für die Pulserzeugung vereinfacht werden.
Außerdem kann, wenn die erfindungsgemäße Idee bei einem Elektrofahrzeug angewandt wird, ein solches Elektrofahrzeug so hergestellt werden, dass es mit geringen Geräuschen arbeitet.

Claims

1. Elektrischer Leistungswandler zur Wandlung einer Gleichspannung in Phasen von Wechselspannung mit dreistufigen Potentialen zum Betrieb eines Wechselspannungsmotors mit

einer ersten Einheit zur Aufnahme einer Gleichspannung, die aus dieser eine Wechselspannung in einer dipolaren Modulationsart erzeugt, wobei eine Reihe von Ausgangspulsen derart gebildet werden, daß jede halbe Periode der Grundwelle der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers durch eine Reihe von Pulsen dargestellt wird, die zwischen einem positiven und einem negativen Puls ein neutrales Potential besitzen,

einer zweiten Einheit zur Aufnahme einer Gleichspannung, die aus dieser eine Wechselspannung in einer unipolaren Modulationsart erzeugt, wobei eine Reihe von Ausgangspulsen derart gebildet werden, daß jede halbe Periode der Grundwelle der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers durch eine Reihe einpolarer Pulse dargestellt wird,

gekennzeichnet durch

eine dritte Einheit zur Aufnahme einer Gleichspannung, die aus dieser eine Wechselspannung in einer Übermodulationsart erzeugt, wobei eine Reihe von Ausgangspulsen derart erzeugt werden, daß jede halbe Periode der Grundwelle der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers durch eine Reihe einpolarer Pulse dargestellt wird, wobei zumindest einer der Spalte mit schmaler Breite zwischen den Pulsen im Zentralbereich der Spannungspulsfolge zur Bildung eines größeren Zentralpulses ausgefüllt wird, wodurch die Anzahl der Spalte schrittweise abnimmt, und durch

eine Ausgangseinheit zum Umschalten zwischen der ersten, zweiten und dritten Einheit, um den Modulationsmodus zwischen bipolarer Modulationsart, unipolarer Modulationsart und Übermodulationsart zu ändern.

2. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangspulse der ersten, zweiten und dritten Einheit, die in der dipolaren, unipolaren bzw. Übermodulationsart arbeiten, asynchron mit der in der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers enthaltenen Grundwellenkomponente erzeugt werden.

3. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit der Reihe nach zwischen der ersten, zweiten und dritten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus umkehrbar von der dipolaren Modulationsart auf die unipolare Modulationsart und auf die Übermodulationsart ändern zu können.

4. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit zwischen der ersten und der zweiten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der dipolaren und der unipolaren Modulationsart zu ändern, indem eine in einer positiven Pulsfolge und in einer negativen Pulsfolge der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers enthaltene Gleichspannungskomponente gesteuert wird, und daß die Ausgangseinheit zwischen der zweiten und der dritten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der unipolaren Modulationsart und der Übermodulationsart in Übereinstimmung mit der Größe der Wechselspannungskomponente zu ändern, die in der positiven Pulsreihe und in der negativen Pulsreihe der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers enthalten ist.

5. Elektrischer Leistungswandler zur Wandlung einer Gleichspannung in Phasen von Wechselspannung mit dreistufigen Potentialen zum Antrieb eines Wechselstrommotors mit

einer ersten Einheit zur Aufnahme einer Gleichspannung, die aus dieser eine Wechselspannung in einer unipolaren Modulationsart erzeugt, wobei eine Reihe von Ausgangspulsen derart gebildet werden, daß jede halbe Periode der Grundwelle der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers durch eine Reihe von einpolaren Pulsen dargestellt wird,

gekennzeichnet durch

eine zweite Einheit zur Aufnahme einer Gleichspannung, die aus dieser eine Wechselspannung in einer Übermodulationsart erzeugt, wobei eine Reihe von Ausgangspulsen derart gebildet werden, daß jede halbe Periode der Grundwelle der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers durch eine Reihe von einpolaren Pulsen dargestellt wird, wobei zumindest einer der Spalte schmaler Breite zwischen den Pulsen im Zentralabschnitt der Spannungspulsfolge zur Bildung eines größeren Zentralpulses aufgefüllt wird, wodurch die Anzahl der Spalte schrittweise abnimmt,

eine dritte Einheit zur Aufnahme einer Gleichspannung, die aus dieser eine Wechselspannung in einem 1-Pulsmodus erzeugt, wobei ein Ausgangspuls derart gebildet wird, daß eine halbe Periode der Grundwelle der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers durch einen einzigen Puls gleicher Polarität wie die halbe Periode der Grundwelle dargestellt wird, und durch

eine Ausgangseinheit, die zwischen der ersten, der zweiten und der dritten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der unipolaren Modulationsart, der Übermodulationsart und dem 1-Pulsmodus zu ändern.

6. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine vierte Einheit zur Aufnahme der Gleichspannung, um hieraus eine Wechselspannung in einer dipolaren Modulation zu erzeugen, wobei eine Reihe von Ausgangspulsen derart gebildet wird, daß jede halbe Periode der Grundwelle der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers durch eine Reihe von Pulsen mit einem neutralen Potential zwischen einem positiven und einem negativen Puls dargestellt wird, wobei die Ausgangseinheit zwischen der ersten, zweiten, dritten und vierten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen unipolarer Modulationsart, Übermodulationsart, dem 1-Pulsmodus und der dipolaren Modulationsart zu ändern.

7. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von der dipolaren Modulationsart und der unipolaren Modulationsart abgeleiteten Ausgangspulse asynchron mit einer in der von dem elektrischen Leistungswandler ausgegebenen Wechselspannung enthaltenen Komponente der Grundwelle erzeugt werden, und daß die von der Übermodulationsart und dem 1-Pulsmodus abgeleiteten Ausgangspulse synchron mit der in der von dem elektrischen Leistungswandler ausgegebenen Wechselspannung enthaltenen Komponente der Grundwelle erzeugt werden.

8. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von der dipolaren, der unipolaren und der Übermodulationsart abgeleiteten Ausgangspulse asynchron mit einer in der von dem elektrischen Leistungswandler ausgegebenen Wechselspannung enthaltenen Komponente der Grundwelle erzeugt werden, und daß die vom 1-Pulsmodus abgeleiteten Ausgangspulse synchron mit der in der von dem elektrischen Leistungswandler ausgegebenen Wechselspannung enthaltenen Komponente der Grundwelle erzeugt werden.

9. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine fünfte Einheit zur Aufnahme einer Gleichspannung, um hieraus eine Wechselspannung in einer partiellen dipolaren Modulationsart zu erzeugen, wobei eine Reihe von Ausgangspulsen derart gebildet wird, daß jede Halbperiode der Grundwelle der Ausgangsspannung des elektrischen Leistungswandlers durch eine Reihe von Pulsen dargestellt wird, die von der dipolaren und von der unipolaren Modulationsart abgeleitete Modulationswellenformen aufweisen, und daß die Ausgangseinheit zwischen der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der unipolaren Modulationsart, der Übermodulationsart, dem 1-Pulsmodus, der dipolaren Modulationsart und der partiellen dipolaren Modulationsart zu ändern.

10. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit der Reihe nach zwischen der ersten, zweiten, dritten und vierten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus umkehrbar von der dipolaren Modulationsart zur unipolaren Modulationsart, zur Übermodulationsart und zum 1-Pulsmodus zu ändern.

11. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit der Reihe nach zwischen der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus umkehrbar von der dipolaren Modulationsart zur partiellen dipolaren Modulationsart, zur unipolaren Modulationsart, zur Übermodulationsart und zum 1-Pulsmodus zu ändern.

12. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit zwischen der vierten und der ersten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der dipolaren Modulationsart und der unipolaren Modulationsart zu ändern, indem eine in einer positiven Pulsreihe und in einer negativen Pulsreihe der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers enthaltene Gleichspannungskomponente gesteuert wird, und daß die Ausgangseinheit zwischen der ersten und der zweiten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der unipolaren Modulationsart und der Übermodulationsart in Übereinstimmung mit der Größe der Wechselspannungskomponente der Grundwelle zu ändern, die in der positiven Pulsreihe und der negativen Pulsreihe der Ausgangswechselspannung des elektrischen Leistungswandlers enthalten ist.

13. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit zwischen der vierten und der ersten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der dipolaren Modulationsart und der unipolaren Modulationsart in Übereinstimmung mit der Ausgangsfrequenz und der Ausgangswechselspannung zu ändern, und daß sie zwischen der ersten und der zweiten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der unipolaren Modulationsart und der Übermodulationsart in Übereinstimmung mit der Ausgangswechselspannung zu schalten.

14. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit zwischen der zweiten und der dritten Einheit umschaltet, um den Modulationsmodus zwischen der Übermodulationsart und dem 1-Pulsmodus unter der Bedingung zu ändern, daß die von dem elektrischen Leistungswandler abzugebende Ausgangsspannung größer oder gleich 0,95 ist.

15. Elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinheit zwischen der zweiten und der dritten Einheit umschaltet, wenn sich alle Phasen des elektrischen Leistungswandlers auf einer vom neutralen Potential unterschiedlichen Spannung befinden.

16. Elektrischer Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einem daran angeschlossenen elektrischen Motor zum Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs.