DE69737970T2 - Steuerungsmethode einer Dreiphasengleichrichterbrückenschaltung für Last-Regulierung durch Pulsweite-Modulation und Netzteil mit einer solchen Brücke - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Dreiphasenbrückenschaltung zur Regelung einer induktiven Last durch Pulsweitenmodulation.
• Außerdem betrifft sie eine Stromversorgungsvorrichtung, die eine solche Reglerbrückenschaltung umfasst.
• Eine solche Vorrichtung ist zum Beispiel ein Elektromotor, der in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, beispielsweise für die Sitzverstellung, die Betätigung der Seitenscheiben usw.
• Aus der US A 5365 422 ist die Steuerung einer Brückenschaltung für die Stromversorgung eines Drehstrommotors bekannt, welche den durch die kapazitiven Mittel der besagten Brückenschaltung fließenden effektiven Strom minimiert.
• Die Reglerbrückenschaltung einer solchen Vorrichtung wird herkömmlicherweise durch eine Gleichspannungsquelle, wie etwa die Fahrzeugbatterie, mit Strom versorgt. Die durch diese Spannungsquelle abgegebene Spannung wird nach einem Pulsweitenmodulationsverfahren zeitlich getaktet, so dass der Mittelwert des im Verbraucher bzw. in der Last fließenden Stroms verändert wird. Bei der Taktfrequenz ist die Last im Wesentlichen induktiver Art. Demzufolge ist der für Spannungen oder Ströme verwendeten Ausdruck 'Mittelwert' so zu verstehen, dass es sich um einen über mehrere Taktperioden erhaltenen Zeitwert handelt. Um die Veränderungen des durch die Spannungsquelle abgegebenen Stroms zu glätten, wird zwischen den Enden der Brückenschaltung ein Kondensator parallel geschaltet.
• Ein solcher Glättungskondensator ist jedoch mit einem großen Bauraumbedarf und dementsprechend auch mit einem nicht unerheblichen Kostenaufwand verbunden.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Abmessungen der Glättungskondensatoren der Reglerbrückenschaltungen zur Lastregulierung durch Pulsmodulation zu verkleinern.
• Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass die Sequenzen, nach denen die Ansteuerung der Schalter der Reglerbrückenschaltung erfolgt, so gewählt werden, dass der effektive Strom, der durch die zwischen den Enden der besagten Brückenschaltung geschalteten kapazitiven Mittel fließt, minimiert wird.
• Die Größe und die Kosten eines Kondensators sind in hohem Maße von dem effektiven Strom abhängig, der durch ihn hindurchfließt.
• Über eine Minimierung des effektiven Stroms, der durch die an der Reglerbrückenschaltung parallel geschalteten kapazitiven Mittel fließt, ermöglichen die Steuersequenzen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung eine Verringerung der Abmessungen – und somit der Kosten – dieser kapazitiven Mittel.
• Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich des Weiteren aus der nachfolgenden Beschreibung. Diese Beschreibung dient nur zur Veranschaulichung und hat keine einschränkende Wirkung. Sie ist unter Bezugnahme auf die beigefügte 1 zu lesen, bei der es sich um eine schematische Darstellung einer Stromversorgungsvorrichtung mit Dreiphasenbrückenschaltung handelt.
• Im Einzelnen ist die in 1 veranschaulichte Dreiphasenreglerbrückenschaltung für die Stromversorgung eines Drehstrommotors M_T verantwortlich.
• Diese Brücke oder Brückenschaltung wird durch eine Spannungsquelle S über eine Filterschaltung 1 mit einer Induktivität L und einem Kondensator C bestromt.
• Sie umfasst sechs Schalter, denen die Bezugsnummern I₁ bis I₆ zugeordnet sind.
• Die Schalter I₄ bis I₆ sind zwischen einem Punkt mit Neutral- oder Nullspannung (Masse) einerseits und Knoten N₁ bis N₃ zur Stromversorgung des Verbrauchers, den der Motor M_T darstellt, andererseits, geschaltet.
• Die Schalter I₁ bis I₃ sind zwischen den Enden der Spannungsquelle S, die dem Punkt mit Neutralspannung gegenüberliegt, und jeweils den besagten Knoten N₁ bis N₃ geschaltet.
• Der Kondensator C ist, bezogen auf die besagte Brückenschaltung, zwischen der gemeinsamen Klemme der Schalter I₁ bis I₃ und der gemeinsamen Klemme der Schalter I₄ bis I₆ parallel geschaltet.
• Die Induktivität L ist zum Beispiel zwischen der gemeinsamen Klemme der Schalter I₁ bis I₃ und der Spannungsquelle S geschaltet.
• Bei den Schaltern I₁ bis I₆ handelt es sich um MOS-Transistoren. Sie werden durch eine Steuereinheit U_c nach einem Verfahren gesteuert, das im Folgenden beschrieben werden soll.
• An den Schaltern I₁ bis I₆ sind, wie dies dem Fachmann bekannt ist, (nicht dargestellte) Dioden geschaltet, die als Freilaufdioden bezeichnet werden.
• Vorteilhafterweise werden die Schalter I₁ und I₄ (bzw. I₂ und I₅ sowie I₃ und I₆) entgegengesetzt gesteuert, um die Verluste in den besagten Freilaufdioden zu begrenzen. Sie müssen nichtüberlappend sein, um Kurzschlüsse zu verhindern.
• Die Lastbedingungen des Motors M_T werden durch die mittleren Potentiale V₁, V₂, V₃ an den drei Knoten N₁, N₂, N₃ zur Stromversorgung des Verbrauchers sowie durch die Stromstärken i₁, i₂, i₃ der über diese drei Knoten in den Motor eingespeisten Ströme definiert.
• Diese sechs Parameter lassen sich auf die Kenntnis von vier davon zurückführen, da i1 + i2 + i3 = 0 undda nur die Potentialunterschiede zwischen den verschiedenen Knoten N₁ bis N₃ beim Betrieb des Motors M_T eine Rolle spielen.
• Es lässt sich nachweisen, dass diese Lastbedingungen sieben verschiedene Zustände annehmen können, die wiederum von den drei Strömen i₁, i₂, i₃ abhängig sind.
• Es sei i der Strom am Eingang der Brückenschaltung, während r₀ bis r₆ für die verschiedenen Taktverhältnisse stehen, die den unterschiedlichen Lastzuständen entsprechen
  i = 0 für r₀
  i = i₁ für r₁
  i = i₂ für r₂
  i = i₃ für r₃
  i = i₁ + i₂ für r₄
  i = i₁ + i₃ für r₅
  i = i₂ + i₃ für r₆
  mit Σ r_j = 1.
• Mit anderen Worten: Bei den Parametern r₀ bis r₆ handelt es sich um die relativen Dauern, bezogen auf einen Takt, während derer i die verschiedenen oben angeführten Werte annimmt.
• Ausgehend von: α+ = r1 + r6, α– = r1 – r6, β+ = r2 + r5, β– = r2 – r5, γ+ = r3 + r4 und γ– = r3 – r4 lässt sich zeigen, dass eine Minimierung des effektiven Stroms am Kondensator C gleichbedeutend ist mit einer Minimierung des Ausdrucks (α+)i1 2 + (β+)i2 2 + (γ+)i3 2 – 2V13i1.I – 2V23i2.Iwobei V_ij einer mittleren Spannung entspricht, die (V_i – V_j)/U bezeichnet, wobei V_i für die Spannung am Knoten i und U für die Batteriespannung steht,
  und wobei I der effektive Strom am Eingang der Schaltungsanordnung ist, die durch den Kondensator C und die Reglerbrückenschaltung gebildet wird.
• Im Übrigen lässt sich zeigen dass, α₊, β₊, γ₊, α_, β_–, γ_– durch die folgenden Gleichungen erzwungen sind: (α+) ≥ (α_); (α+) ≥ (α_); (β+) ≥ –[(α_) – V22]; (β+) ≥ [(α_) – V12]; (γ+) ≥ –[(α_) – V13]; (γ+) ≥ [(α_) – V13]; (α+) + (β+) + (γ+) ≤ 1.
• Nach Maßgabe der jeweiligen Werte von α_– sind daher mehrere Fälle in Betracht zu ziehen.
• Vor allem in dem Fall, dass 0 ≤ V₁₂ ≤ V₁₃, lässt sich zeigen, dass:
• * wenn 2V₁₃ – V₁₂ ≤ 1 und V₁₂ + V₁₃ ≤ 1 ** wenn i₂i₃ ≥ 0, dann ergibt sich das Minimum für (α_) = 0, (α₊) = 0, (β₊) = V₁₂, (γ₊) = V₁₃, (β_–) = –V₁₂, (γ_–) = –V₁₃ das heißt für r₁ = 0, r₆ = 0, r₂ = 0, r₅ = V₁₂, r₃ = 0, r₄ = V₁₃
• ** wenn i₁i₂ ≥ 0 dann ergibt es sich für (α_) = V₁₃, (α₊) = V₁₃, (β_–) = V₁₃ – V₁₂, (γ_–) = 0, (β₊) = V₁₃ – V₁₂, (α₊) = 0 d. h.: r₁ = V₁₃, r₆ = 0, r₂ = V₁₃, r₅ = 0, r₃ = 0, r₄ = 0
• ** wenn i₁i₃ ≥ 0 dann ergibt sich das Maximum für (α_) = V₁₂, (α₊) = V₁₂, (β₊) = 0, (β_–) = 0, (γ₊) = V₂₃, (γ_–) = –V₂₃ r₁ = V₁₂, r₆ – 0, r₂ – 0, r₅ = 0, r₃ – 0, r₄ – V₂₃
• * wenn 2V₁₃ – V₁₂ ≥ 1 und V₁₂ + V₁₃ ≤ 1 ** wenn i₂i₃ ≥ 0 d) (α_) = 0 r₁ = 0, r₂ = 0, r₃ = 0, r₄ = V₁₃, r₅ = V₁₂, r₆ = 0, r₀ = 1 – V₁₂ – V₁₃
• ** wenn i₁i₂ ≥ 0 b) (α_) = 1 + V₁₂ – V₁₃ r₁ = 1 – V₂₃, r₂ = 1 – V₁₃, r₃ = 1 – V₁₃ – V₂₃, r₄ = 0, r₅ = 0, r₆ = 0, r₀ = –2 + 2V₁₃ + 2V₂₃
• ** wenn i₁i₃ ≥ 0 b) (α_–) = V₁₂ r₁ = V₁₂, r₂ = 0, r₃ = 0, r₄ = V₂₃, r₅ = 0, r₆ = 0, r₁ = 1 – V₁₃
• * wenn 2V₁₃ – V₁₂ ≤ 1 und V₁₂ + V₁₃ ≥ 1
• ** wenn i₂i₃ ≥ 0 d) (α_) = V₁₂ + V₁₃ – 1 r₁ = V₁₂ + V₁₃ – 1, r₂ = 0, r₃ = 0, r₄ = 1 – V₁₂, r₅ = 1 – V₁₃, r₆ = 0, r₀ = 0
• ** wenn i₁i₂ ≥ 0 b) (α_) = V₁₃ r₁ = V₁₃, r₂ = V₂₃, r₃ = 0, r₄ = 0, r₅ = 0, r₆ = 0, r₀ = 1 – V₁₃ + V₂₃
• ** wenn i₁i₃ ≥ 0 b) (α_) = V₁₂ r₁ = V₁₂, r₂ = 0, r₃ = 0, r₄ = V₂₃, r₅ = 0, r₆ = 0, r₀ = 1 – V₁₃
• * wenn 2V₁₃ – V₁₂ ≥ 1 und V₁₂ + V₁₃ ≥ 1
• ** wenn i₂i₃ ≥ 0 d) (α_) = V₁₂ + V₁₃ – 1 r₁ = V₁₂ + V₁₃ – 1, r₂ = 0, r₃ = 0, r₄ = 1 – V₁₂, r₅ = 1 – V₁₃, r₆ = 0, r₀ = 0
• ** wenn i₁i₂ ≥ 0 b) (α_) = 1 + V₁₂ – V₁₃ r₁ = 1 – V₂₃, r₂ = 1 – V₁₃, r₃ = 1 – V₁₃ – V₂₃, r₄ = 0, r₅ = 0, r₆ = 0, r₀ = –2 + 2V₁₃ + 2V₂₃
• ** wenn i₁i₃ ≥ 0 b) (α_) = V₁₂ r₁ = V₁₂, r₂ = 0, r₃ = 0, r₄ = V₂₃, r₅ = 0, r₆ = 0, r₀ = 1 – V₁₃
• In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass sich die übrigen Fälle mit entsprechender Transposition der Indices auf den exemplifizierten Fall zurückführen lassen.
• So entspricht zum Beispiel der Fall V₁₂ ≤ 0 ≤ V₁₃ dem Fall, in dem 0 ≤ V₂₁ ≤ V₂₃
  wobei es dann genügt, i₁ und i₂, r₁ und r₂ sowie r₅ und r₆ zu vertauschen.
• In der Praxis ist die Last so konzipiert, dass sie einen cosφ nahe 1 aufweist, was bedeutet, dass bei niedrigen Frequenzen im Verhältnis zur Taktfrequenz die Last im Wesentlichen resistiver Art ist. Der mittlere Strom in der Last bzw. im Verbraucher stellt sich dann als binäre Funktion der mittleren Spannung an seinen Klemmen dar.
• Für i₁.i₂ ≥ 0 ergibt sich dann die in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasste Strategie.

  

  wobei die Zustände der Transistoren jeweils auf zwei Zeilen in einer Reihenfolge entsprechend
  I₁ I₂ I₃
  I₄ I₅ I₆
  angegeben werden,
  wobei der Zustand I für den geschlossenen Zustand und der Zustand _ für den geöffneten Zustand steht,
  während sich die übrigen Fälle (i₂.i₃ ≥ 0 oder i₃.i₁ ≥ 0) durch eine einfache Indexvertauschung aus der vorstehenden Tabelle ableiten lassen.
• Die mittleren Spannungen V_ij sind in der Regel vorgegeben, während die mittleren Potentiale V_i daraus abzuleiten sind.
• Die Vorrichtung zur Stromversorgung umfasst dann vorteilhafterweise Mittel zur Messung der Ströme i₁ bis i₃ (Nebenschluss). Die so gemessenen Stromwerte werden an die Steuereinheit U_C übertragen, welche nach Maßgabe der besagten Stromwerte die Schalter I₁ bis I₆ ansteuert.
• Die Steuereinheit U_C kann außerdem die Eigenschaften der Last bzw. des Verbrauchers abspeichern, wobei in diesem Fall diese Strommessmittel nicht erforderlich sind.

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung einer Dreiphasen-Brückenschaltung mit Schaltern (I_i bis I₆) zur Regelung einer Last durch Pulsweitenmodulation, wobei die besagte Brückenschaltung durch eine Gleichspannungsquelle (S) gespeist wird, wobei zwischen den Enden der besagten Brückenschaltung kapazitive Glättungsmittel (C) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn mit i₁, i₂ und i₃ die Ströme, die über die drei den drei Phasen der Last entsprechenden Knoten der Brückenschaltung in die Last eingespeist werden, und mit V_ij die Verhältnisse (V_i – V_j)/U bezeichnet werden, wobei U die Speisespannung der Brückenschaltung ist und V₁, V₂ und V₃ die jeweiligen Spannungen an jedem der drei vorgenannten Knoten sind, die Dreiphasenbrückenschaltung in dem Fall, in dem i_i.i₂ ≥ 0 ist, nach einer Steuersequenz entsprechend der nachfolgenden Tabelle gesteuert wird:

   

   wobei in dieser Tabelle die Zustände der Transistoren jeweils auf zwei Zeilen angegeben werden, von denen die erste den Schaltern (I₁, I₂, I₃) entspricht, die einerseits mit den drei vorgenannten Knoten (N₁, N₂, N₃) und andererseits mit einer Speiseklemme zur Stromversorgung der Brückenschaltung verbunden sind, während die zweite den Schaltern (I₄, I₅, I₆) entspricht, die einerseits mit den drei vorgenannten Knoten und andererseits mit einem Punkt mit Neutral- oder Nullspannung verbunden sind, während die Symbole I und _ die geöffneten oder geschlossenen Zustände der verschiedenen Schalter I (I₁ bis I₆) der Brückenschaltung darstellen, wobei sich die Fälle, in denen i₂.i₃ ≥ 0 oder i₃.i₁≥ 0 gilt, durch Vertauschung von Indices der vorstehenden Tabelle ergeben.
2. Vorrichtung zur Stromversorgung einer Last, umfassend eine Brückenschaltung mit Schaltern (I₁ bis I₆), eine Gleichspannungsquelle (S), welche die besagte Brückenschaltung speist, zwischen den Enden der besagten Brückenschaltung geschaltete kapazitive Mittel (C) sowie eine Steuereinheit U_c, welche die Schalter (I₁ bis I₆) der besagten Brückenschaltung ansteuert, um die Last (M_T) durch Pulsweitenmodulation zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (U_C) die Schalter (I₁ bis I₆) der besagten Brückenschaltung nach dem Verfahren von Anspruch 1 ansteuert.
3. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Messung des Stroms in den verschiedenen Ausgangssträngen der Dreiphasenbrückenschaltung umfasst, wobei die so gemessenen Stromwerte an die Steuereinheit (U_C) übertragen werden, wobei die besagte Einheit die Schalter (I₁ bis I₄) der besagten Brückenschaltung nach Maßgabe der besagten Stromwerte ansteuert.
4. Vorrichtung zur Stromversorgung eines Elektromotors für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 besteht.