AT511298A1 - Dynamische pwm-steuerung für transformatorgekoppelte gegentaktwechselrichter - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung eines über an Gleichspannung (UB) zu schaltenden Transformators (3), wobei die Gleichspannung (UB) über einen Wechselrichter (2) zur Verfügung gestellt wird, und der Wechselrichter ( 2 ) die Primärspule des Transformators ( 3 ) wechselweise mit drei Spannungszuständen versorgt, nämlich positive Spannung ( U B ) , negative Spannung ( - U B ) und Spannung Null, wobei jede dieser drei Spannungen gemäß eines Pulses mit einer Pulsdauer an der Primärspule anliegt, wobei aus zumindest einer gegenüber einem Zeitpunkt (t) voran gegangener Pulsdauern ein dem Zeitpunkt (t) zugeordnetes Magnetisierungssignal (m) abgeleitet wird, welches zumindest zeitweise zumindest die den Zeitpunkt (t) unmittelbar folgende Pulsdauer im Sinne einer Angleichung der Magnetisierung im Transformator ( 3 ) an eine symmetrische Magnetisierung beeinflusst.

Description

Dynamische PWM-Stcucrung für transformatorgekoppelte Gegentaktwechselrichter.

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Steuern eines Gleichstromumrichlers mit Wechselspannungszwischenkreis nach dem Prinzip des Durchflußwandlers bestehend aus einem Wechselrichter mit eingeprägter Gleichspannung, einem Transformator und einem Gleichrichter, wobei der Wechselrichter die drei Spannungszustände positive Spannung (Zustand Plus), negative Spannung (Zustand Minus) und Spannung Null (Zustand Null) erzeugt und eine Wechsel Spannung an den Transformator legt, deren Halbpcrioden aus einem Einschaltintervall mit positiver oder negativer Spannung (Impuls) und einem Pausentintervall mit der Spannung Null bestehen, und eine Schaltpcriodc aus zwei Halbpenoden besteht, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik:

Gebräuchliche Gegentaktwandler nach Oberbegriff des Anspruchs 1 sind Elalb- oder Vollbrückenwechselrichter. Vorteilhaft gegenüber dem Vorwärtswandler sind die volle Transformatorausnützung, sowie die geringe Welligkeit von Ein- und Ausgangsstrom und ein geringerer Filteraufwand. Nachteilig besteht die Gefahr der Sättigung des Transformators aufgrund unterschiedlich langer positiver und negativer Spannungsimpulse, weshalb die Regelung nur langsam erfolgen konnte.

Um die Vorteile des Gegentaktwandlcrs nutzbar zu machen, beziehen sich frühere Patente auf Verfahren, mit denen unterschiedliche und insbesondere stromabhängige Schaltverzugszcitcn der Leistungsschalter ausgeglichen wurden. Moderne Leistungsschalter, z.B. FET, IGBT, weisen eine nahezu stromunabhängige Ausschaltverzugszeit und nahezu keine Einschaltverzugszeit auf, sodass bei konstanter oder bekannter

Wechselrichterversorgungsspannung allein aus den Steuersignalen für die Schaltelemente eines Wechselrichters auf den Magnetisierungszustand des Transformators geschlossen weiden kann, Dieses Vorgehen ist in /7/ AT 505507 Al, Anspruch 6 geschützt.

Das neue Verfahren und die neuen Vorrichtungen sind funktionsbedingt auf pulsweitenmodulierte (PWM) Wechselrichter eingeschränkt, unterschiedlich zu einer quasistationären Regelung bzw. Symmetrierung des Magnetisierungsstromes, wie in US 6,577,11 i beschrieben, die für einen phäsciivcrschicbuiigsgcstciicrtcn Vollbrückcn(quasi)resonanzwandler ausreichend ist, bei dem auch bei PWM-Steuerung aus den Steuersignalen für die Leistungs sch alter nicht direkt auf den Magnetisierungszustand des Transformators geschlossen werden kann. US 6,577,111 zeigt den Aufwand für die Erfassung des Magnetisierungsstromes bzw. des nicht direkt erfassbaren magnetischen Flusses im Translonnatorkem. Im technischen Gebiet der gegenständlichen Erfindung kann die Meßeinrichtung für den Magnetisierungsstrom durch einen wesentlich kostengünstigeren Beobachter ersetzt werden.

In der Patentfamilie /2/ AT 505509 und DE 196 34 713 Al (gleiche Uranmeldung bzw. gleicher Anspruch 1) ist ein Verfahren beschrieben, das bereits große Unterschiede in den Zeitdauern von aufeinander folgenden positiven und negativen Spannungsimpulsen am Transformator durch Voreinstellung der Einschaltzeiten und deren Mittelwertbildung gestattet. Dabei wird jegliche Flußverlagerung durch Voreinstellung der Einschaltzeiten oder zumindest durch Voreinstellung der Einschalt- und/oder Ausschaltzeitpunkte einer Schaltperiode unterdrückt. Einer festgestellten Änderung des Steuerwertes w'ird mit dem ersten Impuls zur Hälfte und mit dem zweiten Impuls der folgenden Schaltperiode vollständig entsprochen, sodass die Regel ge sch windigkeit. eines mit gleicher Schaltfrequenz betriebenen Vorvvärtswandlers erreicht wird, der nur einen Spannungsimpuls pro Schaltperiode erzeugt.

Damit wird der Gegentaktwcchsclrichtcr für dynamischere Prozesse, z.B. Lichtbogenabschaltung oder Lichtbogenregclung. ertüchtigt. Bei vielen Anwendungen ist, schon aus Gründen der Betriebssicherheit, eine Strombegrenzung gefordert. Diese kann bis dato nur im Regler realisiert werden. Insbesondere ist es bislang aufgrund des gefährlichen Transformarorkurzschlusses nicht möglich, die Energieübertragung wie beim Vorwärtswandler jederzeit zu beenden, z.B. wie dies bei einer Puls zu Puls Strombegrenzung der Fall ist. Weil der magnetische Fluß weder meßtechniseh erfasst, noch beobachtet wird, erfolgt die Steuerung so, dass jegliche Flußverlagerung unterbunden wird. Wenn während einer Schaltperiode der Strom einen zumeist einstellbaren Wert übersteigt, so erfolgt, auch wenn der Sollwert augenblicklich auf Null gesetzt wird, noch die Ausgabe einer Mindesteinschaltzeit, die bis zu einer halben maximalen Einschaltzeit betragen kann, damit der Leistungstransformator entmagnetisiert wird. Hinzu kommt eine weitere Totzeit, weil der Sollwert eine Schaltperiode oder zwei Pulse lang, und nicht für jeden Impuls verarbeitet wird. Das kann im Strombegrenzungsbetrieb zu unerwünschten und hörbaren Schwingungen fuhren.

Weiters ward in /2/ und auch in /3/ EP 0898360 Bl ein Verfahren geschützt, wonach die Mittelwertbildung nicht für eine Schaltperiode sondern von Impuls zu Impuls erfolgt. In /3/ wird dazu kennzeichnend eine drei eck förmige Hilfsspannung für den Pulsweitenmodulator verwendet. Dadurch wird die Totzeit, die vom Zeitpunkt der möglichen Ausführung an verstreicht, bis der Sollwcrtsprung tatsächlich ausgefuhrt ist, in etwa halbiert, cs verbleibt jedoch noch eine Totzeit aufgrund der Mittelwertbildung und ist folglich die Genauigkeit einer Strombegrenzung gegenüber dem Vorwärtswandler herabgesetzt. Eine weitere Totzeit kommt hinzu, wenn die Pulsdauer aufgrund des zuvor abgetasteten Stcucrwertes voreingestellt und nicht aktuell ermittelt wird. Für den unwahrscheinlichen Fall, daß das Spektrum der Steuerspannung über einen längeren Zeitraum hinweg hohe schalt frequente Frequenzanteile aufweist, oder diese in kürzeren aufenanderfolgenden Intervallen auftreten, besteht kein Sättigungsschutz. In diesen Zeiträumen klingt die plötzlich aufgetretene Fluß Verlagerung aufgrund parasitärer Effekte ab. Verschwindet die schaltfrequente Störung ebenso plötzlich, so lässt die Mittelwertbildung die abgeklungene Flußverlagerung neu entstehen, wobei der ungünstige Fall des Sättigungskurzschlusses eintreten kann. Auch können sich auf diese Weise mehrere Fehler zufolge des Abklingens der Fluß Verlagerung aufgrund parasitärer Effekte zufällig in die gleiche Richtung addieren. Dies wird bislang durch /2/ verhindert, wenn der Sollwert nur jede Schaltperiode gespeichert wird. Dadurch wird jedoch die Totzeit von einer Schaltperiode eingeführt und die Genauigkeit einer Strombegrenzung merkbar herabgesetzt.

In /2/ und /3/ EP 0898360 Bl werden Einschaltzeitcn für positive und negative Spannungsimpulse erzeugt, sodass keine Flußverlagerung - nur im Falle anhaltender schaltfrequenter Überlagerungen auf der Steuerspannung bliebe die Flußverlagerung unabgestcuert - auffritt.

Die erfindungsgemäßen Verfahren benötigen die Speicherung der beobachteten Magnetisierung und sind insoferne digitale Lösungen, wie /2/ und /3/, die gewährleisten, dass zumindest die halbe vorhergegangene Pulsbreite ausgegeben wird. Die Bedeutung der digitalen Lösung liegt in der naheliegenden weiteren Vorgangsweise begründet, die in /4/ WO 00/23223 und /51 WO 00/79675 beschrieben sind. Kennzeichnend sind der digitale PWM und/oder voreingcstellte oder hinterlegte Schaltzeitpunkte bzw. Einschaltzeiten.

Auch in /6/ WO 2005/043738 ist die Steuerung und ein Vollbrückenwcchsclrichtcr beschrieben. Auch hier erfolgt generell eine Voreinstellung der Schaltzeiten bzw. der Schaltzeitpunktc. Die Mittclwertbildung ist in den Ansprüchen 3, 4 und 5 geschützt. In Anspruch 3 wird ..die Periodendaucr bzw. Frequenz für die Pulswcitcnmodulation^ (Steuerung der Pulsweite bei fester Schaltfrequenz) „zum Umschalten der Schaltclcmente des Brückenwechselrichters ... eingestellt.“ Auf diese Weise wurde schon in den Diplomarbeiten Tuymer und Wenzelhuemer (österreichische Vorhaltungen zu /2/ AT 505509 Al) die Mittelwertbildung realisiert. Der darin beschriebene Mittelwert-PWM stellt die Phasenverschiebung bzw. Einschaltzeit zwischen voreilendem und nacheilendem Halbbrückenumschaltcr einer Vollbrücke ein, indem eine Schaltperiode eines Umschalters vergrößert wird. Der Eingriff auf den nacheilenden Umschalter bewirkt die Vergrößerung, der Eingriff auf den voreilenden Umschalter die Verringerung der Phasenverschiebung. Die Reduzierung der Schaltverluste in den Schaltelementen des Wechselrichters zufolge Mittelwertbildung ist Gegenstand der DA Tuymer. Die (stückweise) Erzeugung eines der Transformatomagnetisierung entsprechenden Signales, wie sie für gegenständlichen Anspruch 1 kennzeichnend ist, ist bei den Vorgehen nach /2/ - /6/ nicht gegeben.

Unterschiedlich zu /7/ AT 505507 Al, sonst wäre ein Zusatzpatent beantragt worden, wird der Betrag des magnetischen Flusses, im Folgenden als Magnetisierung bezeichnet, beobachtet.

In /7/ ist ein Verfahren beschrieben, das sehr einfach mittels Analogschaltung realisiert werden kann, Steuerwert und Strombegrenzungssignal werden auch schon wie bei einem Vorwärtswandler verarbeitet. Weiters wird gegenüber dem Vorwärtswandler die doppelte Stellgeschwindigkeit erreicht, wobei Flußverlagerungen auftreten können. Aufgrund von parasitären Effekten, die das Abklingen einer Flußverlagerung bewirken, kann es jedoch mit der Zeit zu Abweichungen kommen, zwischen dem beobachteten Verlauf des magnetischen Flusses und dem magnetischen Fluß, der um die Verzögerungszeit des Wechselrichters später tatsächlich im Transformatorkem auftritt. Diesen Effekt zu berücksichtigen kann sich aufwändig gestalten.

Es wird zum Patent angemeldct das Verfahren, wonach das Abklingen der Flußverlagerung nicht nachgeahmt, sondern aktiv durch Veränderung der Pulsdauern bewirkt und abgesteuert wird, sodass die Transformatormagnetisierung der beobachteten Magnetisierung nachläuft und kostengünstig begrenzt werden kann. Der Transformator kann ohne Luftspalt ausgeführt, der Magnetisierungsbedarf und somit die Ausschaltarbeit der Umschalter des Wechselrichters η s 11 *“f \l/ n*1rn«rt-nrtfn/i rvrtntrM nTö-t*r|atl luuuziui uuu u^ri vv iiKuu^^iau L vVCIiiwil.

Es wird eine einfache Vorrichtung zur Beobachtung der Magnetisierung beschrieben.

Iii der Anmeldung ward weiters eine Vorrichtung beschrieben, womit auch Flußverlagerungen während unwahrscheinlicher schaltffequenter Überlagerungen auf dem Steuerwert, die bei Abwandlung der Steuerspannung mit einem digitalen Begrenzungssignal theoretisch plötzlich entstehen, anhalten und verschwinden können, abgesteuert werden.

Technische Aufgabe:

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem Verfahren der eingangs genannte Gattung die durch dynamische Vorgänge verursachte Flußverlagerung im Transformator mit kostengünstigen Mitteln zu benützen, um die dynamischen Eigenschaften des Wechselrichters zu verbessern, die Sicherheit weiter zu erhöhen, indem die Energieübertragung jederzeit z.B. zwecks Bauteilschutz oder Begrenzung einer Prozessgröße gefahrlos beendet werden kann, und indem auch während anhaltender schaltfrcquenter Überlagerungen auf der Steuerspannung eine aktive Symmetrierung des Transformators 4-, erfolgt, und den Magnetisierungsbedarf des Transformators zu senken bzw. den Wirkungsgrad zu steigern.

Die teilweise Lösung der Aufgabe besteht in einem ersten Schritt darin, die Transformatomiagnetisierung bzw. den Betrag des magnetischen Flusses im Transformatorkem während eines Impulses einer dreieckförmigen Hilfsspannung für den Pulsweilenmodulator nachzusteuem, wobei die Voreinstellung einer folgenden Schalthandlung (Aus- und/oder Einschaltung eines Impulses) so erfolgt, dass auch bei Impulsverkürzungen aufgrund eines weiteren Digitalsignal es eine Flußverlagerung verhindert oder im Begrenzungsbetrieb vollständig abgesteuert wird.

Mittels des Magnetisierungsbeobachters - einem zustandsabhängigen Betragsintegrator - und seiner Symmetrierung, wird die Aufgabe der Erfindung vollständig gelöst. Die Symmetrierung des Beobachters bewirkt die Symmetrierung des Transformators unabhängig von der schaltfrequenzbestimmenden Hilfsspannung des Pulsweitcnmodulators.

Die Symmetrienigscinrichtung vergleicht in der Pulspause bzw. bei Impulscnde den vom Magnetisierungszähler ausgegebene Magnetisierungsbetrag mit dem Betrag, der im symmetrischen Belriebsfall auftreten würde und mischt für die Erzeugung der folgenden Einschaltzeiten dem Steuerwert eine entsprechende Abweichung, die speziellen Anforderungen angepaßt werden kann, hinzu, sodass die Flußverlagerung verkleinert wird.

Die ständige Symmetrierung des Transforraators kann erfolgen, ohne Reglerparameter zu verändern, wobei der Mittelwert zweier Impulsdauern einer Schaltpcriode dem Steuerwert entsprechen kann (Solarkonverter), oder dazu benützt werden, Steuerwertänderungen zu verstärken, z.B. um beim Schweißprozess bei unterschiedlichen Schlauchpaketelängen annähernd gleiche Dynamik zu erreichen. Es wird eine Realisierung der Mittelwertbildung nach /2/, Anspruch 6, mit sägezahnförmiger Hilfsspannung beschrieben, wonach eine Flußverlagerung weitestgehend unterbunden wird, und es wird eine erfindungsgemäße Möglichkeit angegeben, zugelassene Fluß Verlagerungen mittels Abschwächung der Steuerwertänderung abzusteuem. Weiters wird die allgemeine Rechenvorschrift angegeben, wonach der Steuerspannung in den Einschaltzeiten ein nahezu beliebiges Sprungverhalten überlagert werden kann. Es eröffnen sich dadurch Möglichkeiten, nichtlineare Prozesse dynamischer zu regeln und/oder den Regler zu entlasten und/oder das Streckenverhalten gezielt zu beeinflussen.

Erreicht die beobachtete Magnetisierung einen Maximalwert, erfolgt die unverzügliche Impulsabschaltung. Dieses Signal wird weiters dazu benützt, schaltfrequente Überlagerungen auf der Steuerspannung zu erkennen. Wird jeder zweite Impuls (Impulse der gleichen Polarität) vom Beobachter beendet, liegt eine schaltfrequente Überlagerung vor. Solange die Detektierungssequenz vorliegl, erfolgt eine laufende Herabsetzung der

Maximalmagnetisierung, bis die Dedektierungssequenz spätestens dadurch unterbrochen wird, dass auch der dazwischen liegende Impuls durch Erreichen der herabgesetzten Maximalmagnetisierung beendet wird und ein symmetrischer Betriebszustand erreicht ist. Die Maximalmagnetisierung wird bei Unterbleiben der Dedektierungssequenz wieder erhöht oder gleich auf den ursprünglichen Wert zurückgesetzt.

Den Stand der Technik und das Gebiet der Erfindung zeigen Funktionsschaltbilder Fig.l und Fig.l la und Zeitverläufe in Fig.2. Die Erfindung und der Begrenzungsbetrieb tverden anhand der Zeitverläufe in Figs. 2, 4 und 6 erläutert. Das erfindungsgemäßc Verfahren wird anhand der Vorrichtungsschaltbilder 3 und 5 und der Signalflußbildcr 7 und 1 lb für PWM 10 in Fig.lc, dem Vorrichtungsschaltbild für den Beobachter in Fig.8, und anhand der Diagramme in Fig.9 und Fig.10 erläutert und die Ergebnisse in Fig.l 2 zusammengefaßt. s

Es zeigen:

Fig. 1: a: Prinzipschaltbild eines Gleichstrom Umrichters mit Netzgleichrichter.

Spannungszvvischcnkreis, Vollbrückcnwcchsclrichtcr, Transformator Ausgangsgleichrichter und Last, sowie Regler und herkömmlichen oder bekannten Pulsweitenmodulator, b: Funktionssehaltbild für bekannten Pulswcitcmnodulator mit Mittelwcrtbildung durch drei eck iormige schaltfrequenzbestimmende Hilfsspannung, c: neue Steuerung mit weiterenm Digitaleingangen für start/stop- und/oder Begrenzungsbetrieb;

Fig.2: Zeitverläufe im Begrenzungsbetrieb und resultierende Flußverlagerung;

Fig,3: Vorrichtungsschaltbild eines erfindungsgemäßen Pulsweitenmodulators mit stückweisem Magnetisierungssignal und Eingang für Begrenzungs- und start/stop Betrieb;

Fig.4: Zcitverläufe im Begrenzungsbetrieb, stückweise entsprechendem

Magnetisierungssignal, Unterdrückung der Fluß Verlagerung zufolge weiterem Digitaleingang:

Fig.5: Vorrichtungsschaltbild eines erfmdungsgemäßen Pulsweitenmodulators mit stückweise erzeugtem Magnetisierungssignai und Eingang für Begrenzungsbetri eb;

Fig.6: Zeitverläufe im vollen Begrenzungsbetrieb, stückweise entsprechendem

Magnetisierungssignal, Unterdrückung der Flußverlagerung mit

Pulsauslassung;

Fig.7: Signallflußbild eines erfindungsgemäßen Pulsweitenmodulators mit

Beobachter und von schaltfrequenzbestimmender Hilfsspannung (PWM) entkoppelter Magnetisierungssteuerung oder Symmetrierungseinrichtung und weiterem Digitaleingang;

Fig.8: Vorrichtungsschaltbild des Betragsbeobachters;

Fig.9: Diagramm für den Kreisprozess der Absteuerung einer Flußverlagerung mit einem Impuls;

Fig. 10: Diagramm für den Kreisprozess der Absteuerung einer Flußverlagerung mit mehreren Impulsen auf zwei verschiedene Arten;

Fig. 11: a. Signalflußbild für einen PWM nach /2/ mit sägezahn förmiger Hilfsspannung; b. Signallflußbild des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens ohne laufende Rückkoppelung der Magnetisierung an die Symmetrierungseinrichtung;

Fig. 12: Steuerspannungssprungantworten des Wechselrichters nach bekanntem und neuem Verfahren mit verschiedenen Rechenvorschriften.

Fig.la zeigt das Prinzipschaltbild eines Gleichstromstellers mit

Wechselspannungszwischenkreis uw für den Einsatz der erfindungsgemäßen Steuerung bzw. Pulsmustererzeugung (10) für einen Wechselrichter (2). Wechselrichter (2) wird typisch vom Netz über Netzgleichrichtcr (6) eingangsseitig von der Betriebsspannung UB versorgt, die von Kondensastor (1) geglättet wird. Der Wechselrichterausgang speist die Primärwicklung von Transformator (3) mit abwechselnd positiver oder negativer Betriebsspannung und dazwischen liegenden Unterbrechungen der Energieübertragung. V)

Der an die Sekundärwicklung von Transformator (3) angeschlossene Ausgangsgleichrichter (4) wandelt die transformierte Wechsel Spannung uw in die Ausgangsspannung uA um und versorgt die über Induktivität 7 angeschlossene Last 5.

Die Steuerung der Wechselspannung uw erfolgt aus Pulsmust er gencrator (11) über die Signale auf den Leitungen (12,13) oder (12) bis (15). Wechselrichter (2) kann z.B. als VollbrückcnWechselrichter mit Phasenverschiebungssteuerung ausgeführt sein. Die Steuersignale für den voreilcnden Brückenzweig, z.B. (11) und (12) bestimmen den Beginn und die Steuersignale (13, 14) für den nachcilcnden Brückenzweig das Ende jedes positiven oder negativen Spannungsimpulses an Transformator (3). Pulsmustergenerator 11 erzeugt aus PWM-Signal z0 Steuersignale für abwechselnd positive und negative Spannungsimpulse von uw und versieht die Steuersignale mit Verriegclungszeiten, aufgrund der i.a. größeren Ausschaltverzögerungszeit moderner Leistungsschalter, die nahezu keine Einschaltverzögerung mehr aufweisen. Pulsmustergenerator 11 ist Stand der Technik. Die Erfindung betrifft Pulsweitenmodulator 10.

Pulsmustergenerator 11 wird von PWM 10 mit dem digitalen PWM-Signal Zo versorgt und wandelt jeden Impuls von Zo in Steuerimpulse (12,13) oder (12-15) für einen positiven oder negativen Spannungsimpuls von uw um, wobei Pulsmustergenerator 11 aus aufeinanderfolgenden Impulsen von zq Steuersignale für abwechselnd positive und negative Spannungsimpulse am Wechsclrichterausgang erzeugt. Die Dauer von aufeinanderfolgenden Impulsen Zq entsprechen der Dauer von aufeinanderfolgend abwechselnd positiven und negativen Spannungsimpulsen uw· PWM-Signal z0 auf Zustand 0 bedeutet Pulspause, keine Energieübertragung und Speicherung der Transformatormagnetisierung im Frcilaufpfad (uw =0). Die auf Pulspausen (Zustand 0) folgenden Zustände 1 legen die Pulsdauem der abwechselnd positiven und negativen Spannungsimpulse fest. Nach diesem Muster erzeugt Pulsmustergenerator 11 aus zq die Ansteuersignale in den Anstcuerleitungen 12 und 13 oder 12 bis 15 für Wechselrichter 2. Die Erzeugung unterschiedlicher Pulsmuster für verschiedene Wechselrichter 2 betrifft nicht die Erfindung.

Der gewünschte Verlauf der Ausgangsgleichspannung uA wird Pulsweitenmodulator (10) durch Steuerspannung us auf Leitung (8) vorgegeben, die von Regler 16 erzeugt wird. Regler 16 erhält emgangsseitig z.B. den Sollwert uSot.u der sich z.B. bei Impulsschweiß verfahren sprunghaft ändert. An Regler 16 sind Ausgangsspannung uA und zumeist auch Ausgangsstrom iA rückgekoppelt. PWM 10 verarbeitet Steuerspannung u$ zu PWM-Signal zo, das von konventionellem Pulsmustergenerator 11 in die Steuersignale 12, 13 oder 12 bis 15 für mittlerweile weit verbreitete Gegentaktwechselrichter umgesetzt wird.

Aufgrund des Sättigungsproblems sind bekannte Steuerverfahren für PWM 10 nicht in der Lage die Energieübertragung (einen Spannungsimpuls Uw) jederzeit zu beenden und ein diesbezügliches Signal zu verarbeiten.

Fig.lb zeigt ein Eunktionsschaltbild für den bekannten PWM 10 mit Mittelwertbildung bei Verwendung einer drei eck förmi gen Hilfsspannung 23. Mischer 21 vergleicht eine mit Halteglied 24 abgewandelte Sollwertspannung usi mit der dreieckförmigen Hilfsspannung 23. Ergebnis 20 wird von Zwcipunktglied 22 in PWM-Signal Zo umgewandelt.

Das Umschalten des Zweipunktgliedes 22 vom logischen Zustand 0 auf den logischen Zustand 1 (Beginn einer Einschaltzcit) erfolgt im Entmagnetisierungsintervall während der fallenden Flanke der Dreieckhilfsspannung bei Haltesignal 25 aufgrund der im Halteglied 24 festgehaltenen bzw. abgewandelten Steuerspannung usi - Das Ende einer Einschaltzeit wird im Freigabeintervall während der steigenden Flanke der Dreieckhilfsspannung durch die Steuerspannung u$ in ihrem aktuellen Verlauf bestimmt.

Durch Festhalten oder Abtastung der Steuerspannung b/.w. Voreinstellung des folgenden Einschaltzeitpunktes und Abschaltfrcigabe ab Hilfsspannungsminimum wird sichcrgestellt, dass eine bei Impulsende vorliegende Magnetisierung mit dem folgenden Impuls unabhängig von der Steuerspannung Us zur Gänze abgesteuert wird.

Fig.lc zeigt den erfindungsgemäßen PWM 10 für das System in Fig.la, der gegenüber dem Stand der Technik hinaus mit einem eventuellen weiteren Eingang 9 in der Lage ist, die Energieübertragung für ein System nach Oberbegriff in Anspruch 1 aufgrund eines weiteren, bevorzugt digitalen Signales auf Leitung 9 jederzeit zu beenden, etwa zum Bautcilschutz oder zwecks genauer Begrenzung einer Zustandsgröße (Strombegrenzung), wie dies beim Vorwärtswandler möglich ist. Dazu wird beispielsweise iA an Mischer 17 rückgekoppelt. Mischer 17 gibt die Differenz aus Maximalwert 19 und Signal iA an Zweipunktglied 18, welches das digitale Signal 9 erzeugt und an PWM 10 leitet. Übersteigt der Ausgangsstrom iA einen einstellbaren Wert 1mAx, so schaltet PWM 10 den Impuls zt, z{ oder /.{ ab, wodurch augenblicklich die Energieübertragung unterbrochen wird.

Die von PWM 10 ausgegebenen Impulse Z| und z\ beruhen auf der bekannten Mittelwertbildung mit erfindungsgemäßem Durchgriff tür ein weiteres digitales Signal 9. Die volle Ausnützung der dynamischen Resourcen eines Gegentaktwechselrichtersystems nach Fig.la ist durch Signal z{ möglich, das von einem PWM 10 nach Fig.7 oder Fig.l lb ausgegeben wird.

Fig.2 zeigt die Wirkungsweise dieses bekannten Steuerverfahrens in Fig.lb für ein transformatorgekoppeltes System mit Wechselspannungszwischenkreis uw in Fig.la, wenn Impulse z0 aufgrund eines weiteren Digital signales x auf Leitung 9 verkürzt werden, z.B. zwecks Strombegrenzung. Diagramm 27 zeigt Dreieckhilfsspannung Uhd und stationäre Steuerspannungen us, usi- Strichliert cingczeichuet ist der Verlauf der Magnetisierung m, womit in dieser Anmeldung der Betrag des beobachteten magnetischen Flusses in Transformator 3 bezeichnet ist, wobei der Maximalwert der Magnetisierung der Amplitude der Dreieckhilfsspannung Uhd entspricht. Diagramm 28 zeigt Ausgangssignal z0 von PWM in Fig.lb. Während der fallenden Flanke von Uhd wird aufgrund der festgehaltenen Steuerspannung usi-us (weil stationär) ein Impuls gestartet. Während der folgenden steigenden Flanke von uhd erfolgt die Pulsabschaltung zufolge der freigegebenen Steuerspannung us- Diagramm 29 zeigt Signal x, das beispielsweise von einer Puls zu Puls Strombegrenzung erzeugt wird, wie in Fig. 1 c dargestellt. In Diagramm 30 ist das mit Digitalsignal x abgewanuelie Ausgangssignal zo’ dargestellt. Die Dauer dei abwechselnd positiven und negativen Spannungsimpulse der resultierenden

Zwischenkreiswechselspannung uw in Diagramm 31 werden nun von der Dauer der Impulse des abgewandeltcn PWM-Signales Zo’ festgelegt. Demnach werden zwei negative Spannungsimpulse von uw nun zu den Zeitpunkten t6' und tl3’ aufgrund von Signal x vorzeitig abgeschaltet. Ausgehend vom stationären symmetrischen Betriebszustand bis zum Zeitpunkt t6' ist in Diagramm 32 der Verlauf des magnetischen Flusses in Transformator 3 zufolge der Beziehung Φ = ^u^dl dargestellt.

In Fig. lb nach Lit./3/ wird, wie bereits ausgeführt, der Einschaltzeitpunkt eines Impulses mittels festgehaltener Steuerspannung voreingestellt, sodaß der Verlauf des Betrages des Flusses im Transformatorkcm dem Verlauf der Magnetisierung m in Diagramm 27 (strichliert eingezeichnct) entspricht. Die Einschaltung, zu wechselt von Zustand 0 in Zustand 1, des positiven Spannungsimpulses zum Zeitpunkt tl erfolgt, wenn Uhd die in usi festgehaltene Steuerspannung unterschreitet. Die Abschaltung, zo wechselt von Zustand 1 in Zustand 0 zurück, ist erst ab Freigabe zum Zeitpunkt t2 möglich, bei dem Transformator 3 entmagnetisiert ist. Danach wird mit der noch verbleibenden Pulsdauer, bis Uhd die · 8" freigegebene Steuerspannung ug zum Zeitpunkt t3 wieder übersteigt, die Magnetisierung auf jenen Wert gebracht, welcher der neuen Steuerspannung zum Zeitpunkt t3 entspricht. Mit dem Festhalten der Steuerspannung zum Zeitpunkt t3 bis zur neuerlichen Freigabe beim nächsten Minimum von um zum Zeitpunkt t5 wird zugleich die Magnetisierung m gespeichert. Während der folgenden fallenden Flanke von U|1(| wird der nächste Impuls umgekehrter (negativer) Polarität gestartet, wenn u^ die in u$i feslgehaltene Steuerspannung us unterschreitet, zum Zeitpunkt t4. Es erfolgt die Einschaltung zum Zeitpunkt t4 mit Mindestimpulsdauer bis t5.

Es wird ein praktischer Fall angenommen, dass Steuerspannung us zum Zeitpunkt t3 einen Maximalwert erreicht hat, und eine weitere Einrichtung, z.B. eine Strombegrenzung, über Leitung 9 eingreift und Impulse verkürzt.

Ab Impulsbeginn t4 folgt die Magnetisierung dem Verlauf der fallenden Flanke der Dreieckhilfsspannung Uhj, bis zum Entmagnetisierungszeitpunkt t5 und anschließend dem Verlauf der steigenden Flanke von U|,d bis Zeitpunkt t6\ der vorzeigen Abschaltung dieses (negativen) Impulses durch Signal x auf Leitung 9. Steuerung nach Lit./3/ speichert zum Zeitpunkt t6 die abgewandelte Sollwertspannung usi, die nun nicht mehr der bereits zum Zeitpunkt t6’ in Transformator 3 gespeicherten Magnetisierung m bzw. |Φ| entspricht.

Zum Zeitpunkt t7 der Einschaltung des nächsten Impulses umgekehrter (positiver) Polarität beginnt die nun kürzere Entmagnetisierungsphase, die schon zum Zeitpunkt t8 vor dem nächsten Minimum von Uhd in t9 beendet ist. Bei Impulsende tlO weist Transformator 3 eine gegenüber der Pulsbreite höhere Magnetisierung auf, weil sich der magnetische Fluss zufolge des verkürzten negativen und des folgenden unverminderten positiven Impulses verlagert hat. Der strichliert eingezeichnete Magnetisierungsverlauf hat sich gegenüber Uhd verschoben (siehe auch Diagramm 32).

Eine weitere Flußverlagerung in die gleiche Richtung erfolgt, wenn Signal x den nächsten negativen Impuls verkürzt, der zum Zeitpunkt tl 1 gestartet wird. Weiters kann es geschehen, dass die vorzeitige Abschaltung zu einem Zeitpunkt tl 3’ vor dem nächsten Minimum der Hilfsspannung uM in tl2 erfolgt. Bei der nächsten Einschaltung des positiven Impulses zum Zeitpunkt 114 wird sodann keine Entmagnetisierungsphase gestartet, sondern erfolgt eine weitere Aufmagnetisierung, wobei schon nach kurzer Impulsdauer zum Zeitpunkt tl 5 die maximale Magnetisierung überschritten wird.

Ein nach Anspruch 1 aufgebautes Verfahren verhindert ebenfalls jegliche Flußverlagerung, erzeugt jedoch ein PWM-Signal z]5 dessen Impulse aufgrund eines weiteren Signales x verkürzt werden können. Weiters kann nach Anspruch 1 ein Signal Zj erzeugt werden, welches auch nicht mehr den Beschränkungen der Mittelwertbildung (/2/./3/,/6/) unterliegt.

Zunächst wird weiterhin von der Mittelwertbildung nach Lit,/2,3,6/ ausgegangen. Unverändert führt das verbesserte Verfahren eine Steuerspannungsänderung Aus in zwei Schritten aus, sodass in etwa die Dynamik eines mit gleicher Schaltfrequenz betriebenen Vorwärtswandlers, der nur einen, der Steuerspannung entsprechenden Spannungsimpuls pro Schaltpcriode aufweist, erreicht werden kann, gegenüber den bekannten Verfahren z.B. jedoch mit höherer Genauigkeit einer Strombegrenzung.

Fig.3 zeigt das Funktionsschaltbild für einen PWM nach Fig. 1 c mit Mittelwertbildung, wonach in der Freischaltphase Puls Verkürzungen möglich werden und die Genauigkeit einer Strombegrenzung erhöht wird. Magnetisierungssignal m wird stückweise aus der dreieckförmigen Hilfsspannung u>j gewonnen.

Der bekannte PWM in Fig.lb (20-26) wird mit Abtasthaiteglied 33 und Umschalter 34 erweitert. Umschalter 34 Weist die Eingänge 0 für die abgewandelte Stcuerspannung usi und ο

Eingang l für Magnetisierungssignal m auf und schaltet einen der beiden Eingänge auf Ausgang 20 und den Eingang von Mischer 21 durch. Umschalter 34 wird von UND-Gatter 38 in Stellung 0 gesteuert und von UND-Gatter 36 in Stellung 1. Magnetisierungssignal m wird mit Abtast-Halteglied 33 aus der Hilfsspannung uhtl gewonnen. Eine Abtastung von uhd erfolgt gleichzeitig mit der Umschaltung von Schalter 34 durch Signal 37, das von UND-Gatter 36 ausgegeben wird. 1m Normalbelrieb (x 1) ist die von Halteglied 24 abgewandclte Steuerspannung u$i an den +Eingang von Mischer 21 geschaltet. Die Rückumsehaltung in diese Stellung geschieht durch die steigenden Flanken von Freigabesignal 26, die solange von UND-Gatter 38 auf Leitung 39 geschaltet sind, bis Signal x am zweiten Eingang in den Zustand x -0 (Pulsverkürzung) wechselt.

Magnetisierungssignal m wird von Umschalter 34 an den +Eingang von Mischer 21 geschaltet, solange sich Umschalter 34 in Stellung 1 (Pulsvcrkürzung) befindet. In diese Stellung wird Umschalter 34 durch die steigende Flanke von Signal 37 gesteuert, welche gleichzeitig auch die Abtastung von Hilfsspannung Uhd veranlaßt. Signal 37 wird von UND-Gatter 36 ausgegeben, dem eingangsseitig Freigabesignal 26, Haltesignal bzw. PWM-Signal z,\ auf Leitung 25 und das invertierte Signal x von Inverter 35 zugeführt wird. Eine Abtastung von Hilfsspannung Uhd mit AH33 und die gleichzeitige Umschaltung von US34 von Stellung 0 nach Stellung 1 erfolgt, wenn mit der fallenden Flanke von Signal x die Energieübertragung unterbunden werden soll, aufgrund von Freigabesignal 26 frühestens nach Entmagnetisierung im Freigabeintervall (Signal 26 ist 1).

Die Funktionsweise des Verfahrens nach Fig.3 und Ansprüchen... wird anhand der Diagramme 40-46 in Fig.4 erläutert. Steuerspannungen u<,=usi und die vorzeitigen Abschaltzcitpunkte t6’ und tl 31 durch die fallenden Flanken von Signal x werden angenommen, wie in Fig.2.

Diagramm 40 zeigt Hilfsspannung Uhd, Steuerspannung us=uSi, sowie strichliert gezeichnet Magnetisierungsverlauf m, der keine Verlagerung mehr aufweist und stückweise aus Hilfsspannung Uhd zusammengesetzt wird. Diagramm 41 zeigt Freigabesignal 26. Diagramm 42 zeigt Signal x. In Diagramm 43 ist Signal 37 dargestellt. Die sich aus Freigabesignal 26 bzw. Rückschaltsignal für US34 und Umschaltsignal 37 ergebende Schaltcrstcllung von Umschalter 34 ist in Diagramm 44 aufgetragen, ln Diagramm 45 ist Signal Z| dargestellt, und in Diagramm 46 die resultierende Zwischenkreiswechselspannung uw·

Im Normalbetrieb (x~l) bis Zeitpunkt t6’ ist Freigabcsignal 26 auf Leitung 38 durchgeschaltet und befindet sich US34 in Stellung 0. Zum Zeitpunkt t6' wechselt Signal x von Zustand 1 in Zustand 0. Gleichzeitig wechselt aufgrund vom invertierten Signal x, dessen Zustand in t6’ von 0 auf 1 wechselt, Signal 37 am Ausgang von U36 von Zustand 0 in Zustand 1. Sowohl z\, als auch Freigabesignal 26 weisen zum Zeitpunkt t6" Zustand 1 auf, weil die fallende Flanke von x im Freigabeintervall (Signal 26 ist Eins) auftritt, und weiters auch nicht in einer Pulspause (ζι ::Ό). Mit der steigenden Flanke von Signal 37 wird der Momentanwert der Hilfsspannung uj,a zum Zeitpunkt t6’ in Abtasthalteglied 33 gespeichert und ist als Magnetisierungssignal m an Eingang 1 von US34 geführt, der aufgrund der gleichen steigenden Flanke von Signal 37 in Stellung 1 umschaltet und Signal m an den Eingang von Mischer 21 legt. Während der steigenden Flanke von Uhd übersteigt die Hilfsspannung augenblicklich ihren Momentanwert m, es erfolgt eine sofortige Pulsabschaltung, zi wird Null. Signal 37 wechselt in Zustand 0 zurück. Deshalb ist Signal 37 zum Zeitpunkt 16’ als Nadelimpuls dargestellt.

Kill! Signal m ist nun die Magnetisierung zum vorzeitigen Abschaltzeitpunkt t6’ des (negativen) Spannungsimpulscs gespeichert. Dadurch wird die F1 ußvcrlagerung unterbunden, weil sich die nächste Einschaltung des (positiven) Impulses vom Zeitpunkt t7 auf Zeitpunkt 17’ verschiebt, sodass die vollständige Entmagnetisierung zum nächsten Freigabezeitpunkt t8 erfolgt. Mit steigender Flanke des Freigabesignal cs wird Halteglied 24 freigegeben, US34 wieder in Stellung 0 gebracht, und es erfolgt die bereits beschriebene Abschaltung zum Zeitpunkt t9 und Einschaltung des folgenden (negativen) Impulses in tl 1 im folgenden, in tlO beginnenden Fntmagnetisierungszeitraum [tl 0,t 12] (Signal 26 ist Null).

Zeitpunkt tl 3' der neuerlichen Umschaltung von x nach Zustand 0 fallt in das Entmagnetisierungsintervall der fallenden Flanke der Hilfsspannung uhci und ist bis zum folgenden Freigabezeitpunkt tl 2 unwirksam. Bei x-0 gelangt die steigende Flanke von Freigabesignal 26 zum Zeitpunkt tl 2 nun an Ausgang 37 von UND-Gatter 36. AH33 speichert das Minimum der Dreieckhilfsspannung um und Umschalter 34 schaltet den im Signal m gespeicherten Wert an den -ι-Eingang von Mischer 21. Hilfsspannung Uhd übersteigt ihr in m abgetastetes Minimum und es erfolgt die Pulsabschaltung zum Entmagnetisierungszeitpunkt tl 2. Aufgrund des in m festgehaltencn Minimums der Dreieckhilfsspannung U|Kj erfolgt die nächste Einschaltung frühestens im nächsten Freigabezeitpunkt tl4. Die steigende Flanke von Frei gäbe Signal 26 gibt Halteglied 24 frei und schaltet bei x=l Umschalter 34 in Stellung 0 zurück. Zum Abschaltzeitpunkt tl 5 entspricht Magnetisierung m dem durch die Hilfsspannung Uhd vorgegebenen Verlauf und der folgende, in tl 6 gestartete (negative) Spannungsimpuls kann bereits wieder die dem Steuerwert us entsprechende Dauer aufweisen.

Ist x zum Zeitpunkt tl2 immer noch in Zustand 0 erfolgt keine Rückumschaltung von Umschalter 34, Hilfsspannung Uhd wird neuerlich im Minimum abgetastet, und es erfolgt kein Impulsstart.

Signal x kann von einer Begrenzungseinrichtung kommen (Fig.lc), sodass angenommen werden kann, dass x kurz nach erfolgter Pulsverkürzung wieder in Zustand 1 zurückwechselt, wie dargestellt. Eine eventuelle Strombegrenzung ist nicht mehr gänzlich an die Beschränkungen der SteuerspannungsVerarbeitung gebunden und wird die Schwingungsneigung reduziert und die Genauigkeit der Strombegrenzung erhöht. Signal x kann auch ein start/stop-Signal sein. Die Stillsetzung kann schneller erfolgen, wie bei den bekannten Verfahren, weil ein aktueller Impuls im Freigabeinterval] (Signal 26 ist Eins) ohne Totzeit abgebrochen wird und mit dem letzten Impuls eine geringere Magnetisierung abgebaut wird. Die Schaltung ist einfach.

In weiterer Ausgestaltung der Idee kann beim Mittelwert-PWM der Sättigungsschutz auch im Falle vorzeitiger Pulsverkürzungcn im Entmagnetisierungsintervall gewährleistet werden.

Fig.5 zeigt das Funktionsschaltbild nach Ansprüchen... mit vollem Durchgriff für Signal x. Ausgegangen wird vom PWM in Fig.3, der Signal /.[ erzeugt. Eine Abtastung der Hilfsspannung Uhd durch AH33 und die Umschaltung von US34 nach Stellung 1 wird durch die fallende Flanke von Abschaltsignal 37 ausgelöst. Weil Signal 37 im Entmagnetisierungsintervall keine Pulsabschaltung bewirken kann, ist Signal 37 zusätzlich an einen Eingang von UND-Gatter 48 geführt, an dessen weiteren Eingang Signal Z\ angeschlossen ist. An den dritten Eingang ist OK-Signal 49 angeschlossen. UND-Gatter 48 gibt das PWM-Signal z{' aus.

Signal ist über Leitung 25 an einen Steuereingang von Halteglied 24, die Eingänge von Impulsgeber 60 und 52, sowie von Inverter 50 rückgekoppelt. Abschaltsignal 37 wird von impulsgeber 53 erzeugt, dessen Ausgang 1 ist, jedoch nach fallender Flanke von Signal x für eine Taktperiode Zustand 0 annimmt. Impuls 37 bewirkt im Freigabeintervall die Pulsabsehaltung von ?,\ und somit auch von z{. Im Entmagnctisierungsintervall bewirkt

Taktimpuls 37 die Abschaltung von Z|‘. Dieser Fall wird von UND-Gatter 59 wahrgenommen, das im Entmagnetisierungsintervall den Taktimpuls von Impulsgeber 60 an den Rücksetzeingang von RS Flip-Flop 55 leitet. RS55 setzt OK-Signal 49 zurück, wodurch zf abgcschaltet bleibt. Weiters ist Signal 49 an einen Eingang von UND-Gatter 38 geführt und verhindert dort die Rück um Schaltung von Umschalter 34 in Stellung 0 mittels Ausgangssignal 39. OK-Signal 49 entsteht am Ausgang von RS55, das an den START-Eingang von Zähler 56 rückgekoppelt ist. An den Taktengang von Zähler 56 wird Freigabesignal 26 geführt. An Preseteingang 57 wird der Startwert 2 angelegt. Bei OK=0 zählt Zähler 56 bei jeder fallenden Flanke von Freigabesignal 26 Eins herunter, bis auf Null. Bei Null angelangt wechselt Ausgangssignal 58 von Zustand 0 in Zustand 1, wodurch RS55 wieder gesetzt und der Zähler in diesem Zustand gehalten wird. Zustand 1 ist der stabile Ruhezustand.

Die Rücksetzung von FF55 geschieht durch den Ausgang von UND-Gatter 59. Ein Eingang von U59 wird vom Ausgang des Impulsformers 60 versorgt, der bei fallender Flanke von /|', also bei Abschaltung eines Spannungsimpulses, einen Impuls ausgibt. Freigabesignal 26 wird von Inverter 61 invertiert und das invertierte Signal an den zweiten Eingang von U59 gelegt. Ein Impuls von Impulsformer 60 gelangt daher nur im Entmagnctisicrungsintcrvall an den Rücksetzeingang von FF55.

Im Freigabeintervall erfolgt eine Impulsverkürzung durch Signal 37, AH33 und US34, wie in Fig.3 beschrieben. Signal Z] wechselt nahezu gleichzeitig mit Signal 37 in Zustand 0. RS55 bleibt gesetzt und Signal 49 in Zustand 1. Im Entmagnetisierungsintervall wird dadurch jedoch noch keine Abschaltung von Z| bewirkt, weshalb die Impulsverkürzung im Entmagnetisierungszeitraum von UND-Gatter 48 aufgrund der Signale 37 und 49 erfolgt. Signal 37 am Eingang von U48 bewirkt die Abschaltung von zj ’ und die Rücksetzung von Signal 49, wodurch z\ abgeschaltet bleibt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindungsidee wird mit Ausgängen 37, 49 auch während der Entmagnetisierungsphase eine Impulsabschaltung Z|’ an Pulsmustergenerator 11 (Fig. la) ausgegeben und zf an Stelle von z\ rückgekoppelt.

Signal 37 entsteht am Ausgang von (Nadel)Impulsformer 53, dessen Eingang mit Leitung 47 an den Ausgang von ODER-Gatter 51 angeschlossen ist. Signal x ist an einen Eingang von ODER-Gatter 51 geführt. An die beiden weiteren Eingänge sind die Ausgänge von Pulsformer 52 und von Inverter 50 angeschlossen, die eingangsscitig vom rückgekoppelten PWM-Signal Z[ (25) versorgt werden. An den Eingang von Inverter 50 ist Digitalsignal Z\’ rückgekoppelt, um eine eventuell in der Pulspause (invertiertes Signal Zj ’) fallende Flanke von Signal 47 bis zum Impulsstart zu verschieben. (In der Pulspause entspricht die Dreieckhilfsspannung nicht dem Magnetisierungsverlauf.)

Ausgang 47 ist während der Pulspausen in Zustand 1 und kann nun auch schon im EntmagnetisierungsZeitraum in Zustand 0 wechseln. Negativimpuls 37 bringt Zj’ in Zustand 0, der durch Signal 49 verlängert wird. Impulserzeuger 52 wird durch das Einschalten von zf getriggert und gibt einen Impuls 54 der Dauer c aus. Aufgrund von Signal 54 fuhrt ein eventueller Zustand 0 von Signal x beim Einschalten von Z|' erst um eine Dauer c später zu einer fallenden Flanke von Signal 47, damit auch bei anhaltendem Zustand 0 von Signal x die Magnetisierung abgesteuert wird. Pulsformcr 52 erzeugt beim cingangsseitigen Einschalten von zi (Wechsel von 0 auf 1) am Ausgang einen Impuls einstellbarer Länge c. Damit wird, sollte x ein STOP-Signal und schon bei Impulsstart in Zustand 0 sein (im Falle einer Puls zu Puls Strombegrenzung unwahrscheinlich, weil x nach Pulsverkürzung wieder gesetzt wird), die fallende Flanke von Signal 47 verzögert, damit ein Entmagnctisierungsimpuls der Dauer c ausgeführt werden kann. Erfolgt keine Entmagnetisierung, so wird die Entmagnetisierung mit dem übernächsten Spannungsimpuls der gleichen Polarität fortgesetzt, sodass auch in diesem t2

Fall die Magnetisierung abgesteurt wird. Ohne diese Maßnahme würde die in Transfonnator 3 gespeicherte Magnetisierung, unterschiedlich zum in AH33 gespeicherten Wert im aufgrund parasitärer Effekte abklingen. Weil verfahrensgemäß mit einer Einschaltung ein Entmagnetisicrungsintervall beginnt, würde der Einschaltimpuls um diesen Fehlbetrag zu lange ausfallen und könnte die Maximalmagnetisierung überschritten werden.

Weiters funktioniert in diesem Fall die Mittelwertbildung nicht (siehe Fig.2, Zeitpunkt tl4), weshalb, der nächste Impuls umgekehrter Polarität unterdrückt werden muß. Der übernächste Impuls mit der gleichen Polarität des verkürzten Impulses startet mit Wert m, die über den ausgelassenen Impuls umgekehrter Polarität hinweg, bis Impulsstart gespeichert werden muß und wird in dieser Zeit auch eine Rückumschaltung von US34 unterbunden.

Die Funktionsweise des Verfahrens wird anhand der Zcitverläufe in Fig.6 erläutert. Es zeigen Diagramm 62 wieder Hilfsspannung Uhd, Steuerspannung us~usi und beobachtete Magnetisierung m, Diagramm 63 Z\, Diagramm 64 Signal x, Diagramm 65 Signal 47, Diagramm 66 Freigabesignal 26, Diagramm 67 Signal 49, Diagramm 68 ζΓ und Diagramm 69 Zwischenkreiswcchselspannung uw, die unterdrückten (positiven) Impulse sind punktiert angedeutet.

Beispielhaft erfolgt im Entmagnetisierungszeitraum [tl0,tl2] zum Zeitpunkt tl 1 die Einschaltung eines negativen Impulses von uw und die vorzeitige Abschaltung zum Zeitpunkt tl3’ durch Signal x. Der Ausgang von Inverter 50 zeigt mit Zustand 0 an, dass ein Impuls vorliegt. Der beim Einschalten ausgelöste Impuls c auf Eingang 54 wurde ignoriert, da bis Zeitpunkt tl3’ x=l ist. Beide anderen Ausgänge, die an Eingänge von ODER-Gatter 51 geschaltet sind, sind in Zustand 0, sodass mit Signal x auch Signal 47 am Ausgang von ODER-Gatter 51 von Zustand 1 in Zustand 0 wechselt. Der Wechsel triggert ImpuJsgeber 53, mit dessen Ausgangssignal auf Leitung 37 zf abgeschaltet wird. Durch die Rückkoppelung auf Leitung 25 wechselt der Ausgang von Inverter 50 in Zustand 1 und zieht Signa] 47 mit, weshalb Signal 47 in diesem Zeitmaßstab sehr kurz als Nadelimpuls erscheint. Nadelimpuls 47 wird von Impulsgeber 53 etwas verlängert, sodass Ausgang z{ sicher in Zustand 0 verharrt, bis Ausgang 49 von FF55 ebenfalls auf Zustand 0 umschaltet. Die Rücksetzung von FF55 geschieht nahezu gleichzeitig durch Impulsgcbcr 60 bei fallender Flanke des rückgekoppelten PWM-Signales z{' (25).

Gleichzeitig mit der Abschaltung von zf wird Uhd abgetastet, Magnetisierung m gespeichert und an den Eingang von Mischer 21 geschaltet. Während OK-Signal 49 in Zustand 0 ist, erfolgt keine weitere Ansteuerung von AH33 und keine Rücksteuerung von Umschalter 34. Der nächste Impuls [tl4’,tl 5’] von zi wird aufgrund der gespeicherten Magnetisierung m erzeugt, in zf jedoch mittels OK-Signal 49 unterdrückt. Zähler 56 zählt zum Zeitpunkt tl4 Eins herunter. Bei der nächsten fallenden Flanke von Freigabesignal 26 zum Zeitpunkt tl 5 zählt Zähler 56 auf Null und setzt w'ieder das OK-Signal.

Signal x ist weiterhin in Zustand 0, Signale 47, 37 in Zustand 1. Zum Zeitpunkt tl 6 erfolgt ein Impulsstart. Die durch Rückkoppelung an den Eingang von Inverter 50 ausgangsseitig auftretende fallende Flanke wird durch Ausgang 54 von Impulsgeber 52 ausgeblcndet und tritt um die einstellbare Zeitdauer c später an Ausgang 47 auf. Es erfolgt die Ausgabe eines Entmagnctisierungsimpulses der Breite c, die von Impulsgeber 52 festgelcgt ist. Ab Nadelimpuls 47 zum Abschaltzeitpunkt tl 8" wiederholt sich der Ablauf von tl3' bis tl6 mit der neu abgetasteten Magnetisierung.

Das Verfahren ist einfach, doch auch die Pulsauslassung kann Schwingungen in einem schnellen Begrenzungskreis begünstigen. Aufgrund der höheren Dynamik und aufgrund der höheren Transformatorausnützung ist es vorteilhaft, die Steuerung der

Transformatonnagnetisierung von der Hilfsspannung des Pulsweitcnmodulators zu entkoppeln.

Fig.7 zeigt das Signalflußbild für das neue Steuerverfahren nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines hochdynamischen PWM-Signales z2‘ aus Steuerspannung us und Digitalsignal x.

Mischer 70 erhält eingangsseitig Signal x (9) und Steuerspannung us (8) und gibt Steuerwert a(t) aus. Mischer 70 schaltet Steuerspannung us an Ausgang α durch, wenn Signal x in Zustand 1 ist, und gibt tx(t)-0 aus, wenn Signal x in Zustand 0 ist. Die mit Signal x abgewandelte Steuerspannung α ist an einen -i Eingang von PWM (71-73.22) geführt. Mischer 71 weist gegenüber bekannten Pulsweitenmodulatoren einen weiteren ^Eingang auf, mit dem Symmetrierungskorrektur Δ0 verarbeitet wird. Wie beim herkömmlichen PWM ist eine sägezahnformige Hilfsspannung 72 an den -Eingang des Mischers geführt und erzeugt Zweipunktglied 22 aus Ergebnis 73 PWM-Signal Z2. UND-Gatter 93 und Impulsgeber 95 erhalten eingangsseitig Signal z2. Die Ausgänge von UND-Gatter 93 und Impulsgebcr 95 sind an die Eingänge des ODER-Gatters 97 geführt, das z2’ ausgibt. Die Abschaltung von z2’ kann nun erfolgen aufgrund eines weiteren von Differenzbildner 74 und Zweipunktglied 75 erzeugten Digitalsignales 76 am anderen Eingang des UND-Gatters, wenn Magnetisierung m 77 den auf Leitung 78 festgelegten Wert Mmax erreicht. Im Falle der Impulsabschaltung durch Ausgang 76 geschieht die folgende Einschaltung von z2’ durch den Impulsgeber, der von der steigenden Flanke von z2 ausgelöst wird. Aufgrund der einsetzenden Ummagnetisicrung unterschreitet Magnetisierung 77 den auf Leitung 78 eingestellten Wert, Signal 76 wird wieder gesetzt und PWM-Signal z2 von UND-Gatter 93 an den Ausgang z2’ durchgeschaltet.

Signal z2: wird auf Leitung 79 an den Eingang von Beobachter 80 rückgekoppelt. Beobachter 80 erzeugt am Ausgang 77 Magnetisierungssignal m, das weiters an einen Eingang von Symmetrierungseinrichtung 81 (82-84) geführt ist.

Symmetrierungseinrichtung 81 enthält Mischer 82, der aus Steuerwert α die Magnetisierung msYM berechnet, die im symmetrischen Betrieb auftreten würde, Differenzglied 83 und einen weiteren Mischer 84 mit der Übertragungsfunktion k, die insbesondere ein fester oder variabler Wert zwischen 0 und 2 sein kann. Das Differenzglied ermittelt aus Steuerwert a und Magnetisierungssignal m vorzeichenrichtig die Höhe einer eventuellen Fluß Verlagerung U und gibt das Ergebnis U an Mischer k aus. Mischer k berechnet Symmetrierungswert Λδ.

Die gleiche Symmetrierungswirkung kann mit verhältnismäßig großen oder verhältnismäßig kleinen Symmetrierungs werten Δδ erreicht werden. Für ein dynamisches Strecken verhalten sind größere und langsam abnehmende Werte vorteilhaft. Im Begrenzungsbetrieb werden kleine und rasch abnehmende Δδ gut sein. Mit einem eventuellen weiteren Eingang 85 kann die Rechenvorschrift in Mischer k verändert werden. Beispielsweise kann Signal x auch auf Eingang 85 geführt werden (strichlierte Verbindung), sodass gleichzeitig mit Steuerwert Null auch ein kleiner Symmetrierungswert Δδ oder auch Δδ-O an Mischer 71 ausgegeben wird.

Theoretisch kann das Spektrum der mit Signal x abgewandelten Steuerspannung α und von Ergebnis 20 oder 73 hohe schaltfrequcnte Frequenzanteile enthalten, die plötzlich auftreten, anhalten und ebenso plötzlich wieder verschwinden. Filter 87 dedektiert schaltfrequcnte Eingriffe, beispielsweise durch Signal x oder durch eine mit Signal x abgewandelte Steuerspannung, und ist punktiert cingezeichnet. ln den Anwendungen Lit /2/-/6/ besteht für diesen Fall kein Sättigungsschutz, ausgenommen Lit /2/,/6/ wenn die Impulse einer Schaltperiode voreingestellt werden. Weil das aber mit dem Nachteil einer größeren Totzeit verbunden ist, hat sich die dynamischere Puls zu Puls Mittelwertbildung nach Lit /2/,

Anspruch 6 m Anwendung /3/ durchgesetzt und funktioniert mit vergleichbarer Sicherheit, wie der Vorwärtswandler. Detektor 87 mag in künftigen Anwendungsbereichen größere Bedeutung erlangen, belegt aber nicht viel Platz in einem schnellen Mikroprozessor oder Signalprozessor und erhöht die Robustheit des Systems.

Verfahrensgemäß ist es nun mit Filterdetektor 87 möglich, die Symmetrierung des Leistungstransformators 3 auch bei schaltfrequenten Eingriffen zu gewährleisten. Es können prozessabhängige Flußverlagerungen auch im Falle zwischenzeitlich auftretender massiver sehaltfrequenter Eingriffe mit einstellbarer Geschwindigkeit abgesteuert werden. Es wird das Verfahren geschützt, wonach ein Beobachter symmetriert wird, ein Signal zur Impulsabschaltung erzeugt wird, wenn der Beobachter die Magnetisierungsgrenze erreicht, und dieses Signal an den Eingang eines Filters geführt wird, der die Magnetisierungsgrenze festlegt.

Der Ausgang von Detektor 87 ist Magnetisierungsmaximalwert 78. Eine anhaltende schaltfrequente Überlagerung liegt vor, wenn jeder zweite Impuls, also entweder aufeinanderfolgende positive oder negative Spannungsimpulse z^’ von Signal 76 abgeschaltet werden. Ausgang 76 und Signal 86 sind an Eingänge von Detektor 87 geführt. Signal 86 wird von Sägezahngenerator 72 ausgegeben. Bei Verwendung eines ständig durchzählenden Zählers mit 8 Bit besteht Signal 86 aus einem Taktimpuls, wenn der Zähler von 2S-1 =255 auf Null springt. Die Länge des Taktimpulses beträgt in diesem Beispiel 1/512-tel der sich ergebenden Sehaltperiode, die einen positiven und einen negativen Spannungsimpuls enthält. Taktimpuls 86 toggelt ein T-FF. Während der Ausgang von TFF 0 ist, können nur Spannungsimpulse einer (z.B. der negativen) Polarität von uw auftreten, und in Zustand 1 können nur Impulse der anderen (positiven) Polarität auftreten.

Ein Ereignis ist die fallende Flanke von Ausgang 76. Ein Ereignis wird in RS1 gespeichert, wenn es während Zustand 1 von TFF auftritt und in RSO, wenn es während Zustand 0 auftritt. Die Speicherung eines Ereignisses bewirkt die Rücksetzung des anderen Ereignisspeichers. Wird bei fortschreitender Zeit ein Ereignisspeicher gesetzt und durch den anderen in der folgenden Halbperiode nicht rückgesetzt, so erfolgt, außer cs tritt ein neuerliches Ereignis auf, die Rücksetzung automatisch am Ende dieser Halbpcriode. Jedes mal, wenn ein Ereignis bei bereits gesetztem Ereignisspeicher auftritt, erfolgt am Ende der Halbperiode keine automatische Rücksetzung und wird Ausgang 78 verkleinert. Dieser Vorgang kann sich wiederholen, bis auch der Impuls gegenteiliger Polarität aufgrund der herabgesetzten Magnetisierungsgrenze von Signal 76 abgeschaltet wird, der Ereignisspeicher endlich durch den anderen Ereugnisspeicher rückgesetzt wird, und symmetrischer Betrieb vorliegt. Wird ein Ereignisspeicher durch den anderen zurückgesetzt (Begrenzungsbetrieb), oder sind beide Ereignisspeicher zurückgesetzt bzw. in Zustand 0 (Normalbetrieb), so wird Ausgang 78 erhöht oder auf den voreingestellten Wert zuriickgcstellt.

Mit der zusätzlichen Veränderung der Magnetisierungsgrenze 78 durch die Betriebsspannung UB wird bei Bedarf eine Versteuerung bewirkt bzw. kann zusätzlich die magnetische Beanspruchung des Transformatorkemes von der Betriebsspannung unabhängig gemacht werden. Vorteilhaft können dabei Betragsintegrator bzw. Magnetisierungszähler 88 (siehe Fig.8) und Sägezahngenerator 72 (Fig.7) mit gleicher Taktfrequenz oder festem Taktfrequenzverhältnis betrieben werden, wodurch Synchronisierungsaufwand entfallt.

Fig.8 zeigt das Prinzipschaltbild des Betragsbeobachters. Signal zT ist über Leitung 79 an den start/stop-Emgang von Integrator 88 rückgekoppelt und wird integriert, wenn 1. Während ist der Integrator angehalten. Die Integrationsrichtung wird durch das Signal auf Leitung 92 festgelegt. Integrator 88 erzeugt durch Integration von zM Magnetisierung m und Digitalsignal 89, das 1 ist, solange m Null ist. Eine steigende Flanke von Signal 89, wenn der magnetische Fluß seine Richtung ändert, gelangt zu einem Eingang von ODER-Gatter 90 und 15 weiter an den Setzeingang von RS Flip Flop 91. dessen Ausgang 92 die Zählrichlung abwärts (Zustand 0) oder aufwärts {Zustand 1) fcstlegt. Bei Null angclangt. steuert sich Integrator 88 von selbst in die Aufwärtsrichtung, bis Impulsende.

Die Festlegung der Zählrichtung für den folgenden Impulsstart geschieht bei Impulsende durch Taktimpuls 93, der von Impulsgeber 94 bei fallender Flanke von z2' ausgegeben und von Umschalter 124 zustandsabhängig entweder in Stellung 0 über ODER-Gatter 96 an den Setzeingang, oder in Stellung 1 an den Rücksetzeingang von RS91 geschaltet w'ird. Der Ausgang von ODER-Gatter 96 ist mit dem Setzeingang verbunden und ist ODER-Gatter 96 für beide Eingänge durchlässig.

Die Schalterstellung 0 oder 1 von Umschalter 124 entspricht der Zählrichtung bzw. Ausgang 92 von RS91, sodass ein Taktimpuls 93, also ein Impulsende von z2\ während des Aufwärtszählens in Stellung 1 RS97 zurückgesetzt. Tritt Impulsende 93 schon während des Abwärtszählens in Stellung 0 auf, so erfolgt anstatt Rücksetzung die noch nicht erfolgte Setzung von RS97, wodurch sich ab Einschaltung des nächsten Impulses die Magnetisierung vergrößert, vergl. Fig.2, Zeitpunkt t!4.

Integrator 88 kann als digitaler Magnetisierungszähler ausgeführt; sein, der 1 Bit weniger aufweist, als der ununterbrochen durchzählendc Hilfsspannungszähler 72, und kann mit der gleichen Taktfrequenz arbeiten.

Die Ableitung der in Symmetrierungseinrichtung 81 durchgeführten Rechenvorschriften zur Steuerung eines Weehselrichtersystems in Fig. 1 a geschieht auf Basis des Funktionsschaltbildes in Fig.7 anhand des Diagramms in Fig.9.

Zwecks einfacher Schaltungsrealisierung und der Herleitung möglichst einfacher Rechenvorschriften sind Magnetisierung m und Einschaltzeit δ normierte Größen: m MO1 [0...0,5] und S='i 2 2.7), "Ts

Die Darstellung des ständigen Kreisprozesses, den Magnetisierung m in jeder Schaltperiode durchläuft, ist auf der bidirektionalen Zeitachsc 96 aufgebaut. Vereinbarungsgemäß (umgekehrt wäre ebensogut) folgt Magnetisierung m während eines positiven Spannungsimpulses von uw Verlauf 77 in positiver Richtung von Achse 96 und während eines negativen Impulses in negativer Richtung. Beispielsweise folgt Magnetisierung rn wahrend des positiven Impulses δ.2 der Dauer 97 Verlauf 77 von m von Startzustand 98 zum Nullpunkt und von dort weiter bis Zustand 987 Ein negativer Spannungsimpuls δ.| gleicher Dauer führt Beobachter bzw. Transfonnator von Zustand 98’ nach Zustand 98 zurück.

Mit α ist der ebenfalls auf 1 normierte Wert von Steuerspannung us bezeichnet. Im symmetrischen Betriebsfall a_x = S_t ist Δ<7_, = 0 und für den Einschaltzeitpunkt der 0-ten Einschaltzeit weiters 2

Der Großbuchstabe M steht für die während der Pulspause in Transformator und Beobachter gespeicherte Magnetisierung.

Eine Flußverlagerung entsteht dadurch, daß die ganze in der 0-ten Halbperiode auftretende Steuerwertänderung mit Pulsbreite 99 ausgeführt wird, mit der Einschaltzeit t>0 = a0 = a_, + Δα_χ , (Δδ.ι=0). 16

Die Zustände 101, 10Γ sind die symmetrischen Zustände für den neuen Stcucrwert (¾. Mit Δα,, (t) = a(t j„+, )~cr„ =0 ergeben sich nach Fig.7 die Einschaltzeitcn zu <>„ = ) + Λίϊ)',-ι - n=0,l ,2...

Mit dem positiven Impuls der Dauer 99 wird Transformator 3 von Zustand 98 nach Zustand 100' gesteuert. Die Magnetisierung ist um den Wert Uo (102) zu hoch. Mischer 83 errechnet in der Pulspause 100' Unsymmetrie 102 aus der gespeicherten Magnetisierung Mo und dem von Mischer 82 ausgegebenen Wert Mo,Sym=tt(/2, nach und gibt den Wert an Mischer 84 aus. Die Länge der Pulsdauer 103, um Transfonnator 3 mit dem folgenden negativen Impuls von Zustand 100’ in den für ao symmetrischen Betriebszustand 101 zu steuern, beträgt 2>, = a,; + Αδ(ι mit ΔΔ() = U0.

Im Falle der vollständigen Absteucrung der Fluß Verlagerung mit Δδο (104) ist k-1, Mischer 84 kann entfallen, und Mischer 71 liefert das gewünschte Ergebnis 73 (Fig.7), wonach PWM-Impuls Z2 die Dauer 103 cc ö\ ~ Δ2>0 = an +- Όΰ = Mü λ— aufweist.

In der Zeitspanne Öi wird die höhere Magnetisierung Mo von Zustand 100’ abgebaut und auf die symmetrische Magnetisierung a0/2 ummagnetisiert, wobei die Steuerwertänderung verstärkt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Fig.7 durch a δη=α(ΪΛ,„) + Δδη_| , mit ΔΔίΗ =/((/„.,), U,H =A/„_, - beschrieben, wobei Transformator 3 entweder mit der Einschaltzeit = M„-\ + von Magnetisierung Mn.| auf Magnetisierung M„ ummagnetisiert oder mit

Sn = M- Mn , was nicht gesondert behandelt wrerden muß (Beobachter), nur teilweise abmagnetisiert wird. Dabei ist in der ersten Halbperiode mit Einschaltzeit δ| Symmetrierungswert Δδ0 eine Funktion der am Ende der 0-ten Halbperiode [0,1V2] (siehe auch Fig. 12) festgestellten Fluß Verlagerung Uo, die durch die zur Gänze den Sprung Λα_| enthaltende Einschaltzcit δ0 entstanden ist. Für AÖ„_i=k-Un-i, k eine rationale Zahl, gilt Δίζ cc *0 = ' O'o = ^ — + D0, Δό0 — k · U0 , 2>| — ttß + ASn.

Mit M[=6|-Mo und α,,-αο, n_0, 1.2... wird V, = -U„ (1 - *) und M, = -1/0 (l - *). 17

Damit wird ^ = kv{^l)'\und Δί>„ - k -= k L\, (k -1Γ1. n-0,1,2.....

Eine Absteuerung der Unsymmetrie, ist nur bei k -1| < 1 gegeben. Dies ist für 0<k<2 der Fall.

In Fig.lü sind zwei Möglichkeiten zur Absteuerung der Flußverlagerung beispielhaft für kM,5 und k=0,5 dargestellt. Für 1 <k<2 findet eine exponentiell abnehmende Verstärkung des Steuerwertsprunges statt, bis die Unsymmetrie abgesteuert ist. Die Impulse 108 und 109 der 0-ten Schaltperiode sind strichhert hervorgehoben. Die Einschaltzeit 108, mit der Transformator 3 von Zustand 100’ nach Zustand 105 gesteuert wird, ist

Es folgt M,=M^,a+U„ Ut

U (ιγ,2j M0,sym=ao/2, und ,Δδ.ι=υ.,=0, n=0,l,2,3,.... 2,1 J ( 1 γ än=<Xo+H,-i=ao + ^f·· Ί

Mit Einsehaltzeit 109 3t/,, tri — (Xn + Δ<7ι — (Xis + wird Transformator 3 von Zustand 105 nach 107'gesteuert. Unsymmetric U0 (102) ist nach 2 Impulsen auf 1/4-tel der ursprünglichen Flußvcrlagerung Uo abgesteuert. Je nach Vorzeichen von Uo erfolgt die Absteuerung ausschließlich mit Pulsverkürzungen oder Pulsverlängerungen im Sinne einer Verstärkung der verursachenden Steuerwertänderung Δα_ι. Es wird dem Strecken verhalten dadurch ein mittels k prozessunabhängig einstellbarer D-Anteil hinzugefugt. Die Realisierung eines D-Anteils im Regler fuhrt leicht zu Instabilität und wird, wenn möglich vermieden. Der Regler kann entlastet, und die Symmetrierung von Transfomiator (3) zur Steigerung der Dynamik bzw. Beschleunigung der Prozessregelung verwendet werden.

Bei Verfahren mit 0<k< 1 konvergieren die Magnetisierungsamplituden M„ von m (77) von beiden Seiten gegen Mo.sym, und die Pulsweiten ö„ von beiden Seiten gegen die neue Pulsbreite <xo. Bei k=0,5 wird Transfonnator 3 in der 0-ten Halbperiode mit den strichpunktiert eingezeichneten Impulsen 110 und 111 von Zustand 100' über 106 nach 107’ gesteuert. Es gilt Γ8·

Bei diesen Verfahren wird der Sollwcrtsprung nur geringfügig verstärkt, insbesondere bezüglich des Mittelwertes der Pulsdauem der folgenden Schaltperiode. Der Mittelwert der Einschaltzeiten der nach Ausführung von Δα_ι mit Einschaltzcit δο folgenden Schallperiode beträgt

8 + δ 2

Die von Transformator (3) übertragene Energie nach Ausführung des Sollw'ertsprunges entspricht bereits weitgehend Steuerwert (8) an-

In beiden Fällen wird eine durch den Sollwertsprung in der O-tcn halben Schaltperiode entstandene Unsymmetric exponentiell abgesteuert. Es tritt keine Totzeit auf und ist der volle Rcglerdurchgriff gegeben. Es kann jedes 0<k<2 eingestellt werden.

Die Funktionssicherheit des Steuerverfahrens beruht darauf, dass die symmetrierende Wirkung von Einrichtung 81 größer ist, als jene der parasitären Effekte, die ebenfalls ein Abklingen der Flußverlagerung bewirken. Deshalb ist es nicht nur möglich, sondern in diesem Sinne sogar wünschenswert, Transformator 3 ohne Luftspalt auszufuhren. Der gleiche magnetische Fluß bildet sich bei wesentlich kleinerem Magnetisierungsstrom aus. Die Umschalter des Wechselrichters werden von zusätzlicher Abschaltarbeit befreit und kann der Wirkungsgrad des Wechselrichters gesteigert werden. Aufgrund der größtmöglichen Koppelungsinduktivität klingt eine Flußverlagerung aufgrund der parasitären Effekte sehr langsam ab und kann die Abstcucrung einer Flußverlagerung zufolge einer plötzlichen Steuerwertänderung besonders langsam erfolgen, z.B. um um eine PT[-Strecke, die durch Ausgangsinduktivität 7 und eine ohmsche Last 5 (Fig.la) gebildet sein kann, zu dynamisieren.

Es kann mit N Impulsen eine vollständige lineare Absteucrung der Flußverlagerung erfolgen. Für N Impulse wird die Unsymmetrie U,, n = ~ ermittelt. Damit ist

λ.ο N AS„=N-U„,„-k .

Es wird 1 <k<2 betrachtet. Aus der Bedingung

daß mit jedem Impuls ein N-tel der Flußverlagerung abgesteuert wird, folgt k = 2- — .

N

Bei N=1 ist k=l und es erfolgt die vollständige Absteuerung mit dem nächsten Impuls, wie behandelt, Für N>2 gilt für den n-ten Impuls

Für N=2, k=2-l/N=3/2, und Ö2.o=Uo/2 ergeben sich die Impulsdauern einer Schaltperiode zu AJ,,, =(3-2n)-U2ü,n=0,l. 19

Transformator 3 wird von Zustand 105 nach 10Γ gebracht, wobei in Zustand 1 05 keine Neubcstimmung der Flußverlagcrung vorgenommen wird.

Mit N wird der D-Anteil eingestellt, welcher dem Sollwertsprung in der Stcuerspannung hinzugefügt wird, zwecks schneller Regelung nichtlinearer Prozesse (Lichtbogenrcgelung, -abschaltung). Anzahl N kann theoretisch hoch gewählt werden. Bei N>2, z.B. N=50, ist es auch bei relativ langsamen Prozessen sinnvoll, eine Abstcucrung vorzeitig zu aktualisieren, wenn z.B. die 37-ste Impulsabschaltung durch Ausgang 76 ausgelöst wurde, weil Magnetisierung (77) die Sättigungs grenze 78 erreicht hat (Fig.7).

Prinzipiell wird mit dem Steuerwert die Energie eingestellt, die mit Transformator (3) übertragen wird. Die Absteucrung der Unsymmetrie kann nun auch so erfolgen, dass der Mittelwert der Einschaltzeiten der auf einen ausgeführten Stcucrwertsprung folgenden Schaltperioden dem Steuerwert ganz genau entspricht. Es sei jetzt eine vollständig lineare Absteuerung erwünscht, sodass die mit jeder folgenden Schaltperiode mit Transformator (3) übertragene Energie Steuerwert α entspricht, weshalb 0<k<l gewählt wird. Wenn der Mittelwert der Pulsdauern einer auf einen Steuerwertsprung folgenden Schaltperiode dem Steuerwert entsprechen soll (z.B. Solarkonvertcr), so muß die Absteuerung der Unsymmetrie auf mindestens zwei Impulse aufgeteilt werden. Mit jedem folgenden Impuls wird die Unsymmetrie um ü0N = —^ abgesteuert.

Die Bedingung lautet

Es folgt mit 6o=ao+kUo und M<j=ao/2+Uo unmittelbar (k-I/N)Uo=0, bzw. k=1· .

N

Bei N=1 ist k_ l und es erfolgt die vollständige Absteuerung mit dem nächsten Impuls, wie behandelt. Für N>2 gilt für den n-ten Impuls öSjl = , ASNji = Uv o · (-1)", n=0...N-l. Für N=2, k=l/N=l/2, und U2,o=Uo/2 ergibt sich Δ =(“Ό" ·ϋ20. n=0,l.

Transformator 3 wird von Zustand 106 in den symmetrischen Betriebszustand 101’ gebracht, wobei in Pulspause 106 keine Neubestimmung der Flußverlagerung vorgenommen wird. Eine weitere hochdynamische Anforderung kann in der Praxis z.B. darin bestehen, den Betrieb für eine kurze Zeit, die durch den Ausgangsfiller übcrbrückt wird und in der das Solarpanel nicht belastet werden soll, zu unterbrechen, zwecks Erfassung betrieblicher Parameter.

Es kann die Unsymmetrie nicht jedes Impulsendc, sondern seltener festgcstellt werden. Es können auch exponentielle und lineare Absteuerungen in bestimmten Zeiträumen vorherrschen. Weiters kann der k-Wert auch während des Betriebes verändert und jederzeit eine vollständige Absteuerung einer Fluß Verlagerung erfolgen, oder eine vollständige Entmagnetisierung vorgenommen werden. 2Ό·

Fig.lla zeigt das Signal flußbild für das bekannte Mittelwertverfahren nach /2/, Anspruch 6, mit sägezahnformigcr Hilfsspannung U|V/. Mit der Abschaltung von zo steht die Einschaltzcit on fest, sowie Steuerwert ot„, der mit AH 121 abgetastet und an den -Eingang von Mischer 122 geführt ist. Mischer 122 erhält am +Eingang den aktuellen Steuerwert a(t) und gibt laufend die Diffcmz Δαιι.1(/) = ατ(ί)-α„,ι an Mischer 84 aus, in dem die laufende Korrektur berechnet und an einen +Eingang von Mischer 71 ausgegeben wird. Am zweiten -Eingang von Mischer 71 liegt Steuerwert u(t). Am -Eingang von Mischer 71 liegt Hilfsspannung uh7. an. Die Einschaltung von z2’ erfolgt bei fallender Flanke der Hilfsspannung bzw. Zählerüberlauf. Die von PWM (71-73,22) erzeugte Einschaltzeit 6„ beträgt

Aay,(0 a^+ajt) 2 2

Das gleiche Ergebnis erhält man direkt mit dem Vorgehen nach /3/ mit dreieckformiger Hilfsspannung. Steuerwert an.i ist die abgetastete oder abgewandelte Steuerspannung usi und ü(t) die freigegebene Steuer Spannung us. Springt Steuerwert a(t) auf Null, so erfolgt jedenfalls die vollständige Entmagnetisierung mit der Mindesteinschaltzeit -Δαη-ι/2.

Fig.llb zeigt ausgehend von Fig.7 das Signalflußbild des neuen Verfahrens, wenn Korrckturwert Δδ direkt aus den Stcuerwertänderungen Δα berechnet wird.

Steuerwert a(t) am Ausgang von Mischer 70 ist an den O-Eingang von Umschalter 120 geführt. An den 1 -Eingang ist der Ausgang von Abtast-Halteglied 119 angeschlossen, an dessen Eingang die sägezahnformige Hilfsspannung U|17 geführt ist. Umschalter 120 schaltet entweder Eingang 0 oder Eingang 1 an Ausgang α durch. Bei jedem Impulsstart 86 wird Umschalter 120, sollte er sich in Stellung 1 befinden, nach Stellung 0 gesteuert. Abschaltimpuls 76, wenn die Maximalmagnetisierang erreicht ist, wird von Impulsgeber 123 bei fallender Flanke von Ausgang 75 ausgegeben und steuert Umschalter 120 in Stellung 1, löst eine Abtastung der Hilfsspannung mit AH 119 aus, und bewirkt bis zum nächsten Impulsstart 86 die Ausgabe von Δδ=0 durch Mischer 84. Weil die Sägezahnförmigc Hilfsspannung ihren abgetasteten Momentanwert übersteigt, erfolgt die augenblickliche Abschaltung von Z2’ durch Zweipunktglied 22, wobei in Steuerwert α auch in diesem Fall die Pulsdauer gespeichert ist. PWM-Signal z2’ bewirkt bei jeder Impulsabschaltung (fallenden Flanke) die Abtastung des Steuerwertes α und dessen Speicherung als α,,.! in AH 121. In Mischer 122 ist noch der vorhergehende Wert a„.2 gespeichert. In Mischer 122 wird der Wert Aal,.2-(a,i.|-an-2)'/2 an Mischer 84 ausgegeben und wird an_2 mit a„_i überschrieben. Mischer 84 berechnet daraus Korrekturwert Δδη.| für den folgenden Impuls. Mit k-0,5 wird die Flußverlagerung zufolge jedem Δα1>2 mit der folgenden Impulskorrektur Δδη.ι=Λαη.2/2 zur Gänze ab gesteuert,

Soll jedoch mit dem folgenden Impuls nur 1/N-tel der Flußverlagerung abgesteuert werden, so überlagern sich die unabgesteuerten Flußverlagerungen, weshalb Mischer 84 den Korrekturwert Δδ nach

"I Δ δ. k Ί Χ· ΣΑα” η, !.,·=0

ί 1 U V" \ } k 1_ Ν berechnen müßte.

Bei Vorgehen nach Fig.7, wenn die Fluß Verlagerung

U.. , = M η-1

. mit M„.|=m(tA i,n) beobachtet wird, kann die Steuerwertänderung aber auch anders abgeschwächt werden, indem z.B. die Flußvcrlagerung mit den Einschaltzeiten der gleichpoligen Spannungsimpulse abgesleuert wird, die nur einen Teil der Steuerwertänderung enthalten, während die gegenpoligen Impulse der Steuerwertänderung zur Gänze entsprechen. Die Reihe = k • /{m) · Un_m , f(0)~l, |f(m)|<l und streng monoton fallend, mH) kann jederzeit abgebrochen werden. Aufgrund der ständigen aktuellen Ennittlung der Fluß Verlagerung ist eine ständige Magnetisierungssteuerung möglich, auch in Form einer abklingenden Schwingung. Die Abstcuerungszeit kann sehr weit ausgedehnt werden. Mit der in Mischer k realisierbaren Berechnung

M Δό'„ = k ^ f(m) Un ,m , f(m) eine in Mischer k abgelegte Funktion, m-0 kann einem Steuerwertsprung Aa.| in den Einschaltzeiten δη, n=0,1,..., aufgrund der resultierenden Flußverlagerungen Un_i ein nahezu beliebiges Verhalten hinzuaddiert werden, um nichtlineare Prozesse besser zu beherrschen und/oder den Regler zu entlasten und/oder das Streckenverhalten gezielt zu beeinflussen.

Die je nach PWM-Signal zo oder unterschiedlichen PWM-Signalen zi’ sich ergebenden Verläufe von Zwischenkreiswechselspannung Uw und Magnetisierung m, strichliert eingezcichnct, nach einem Steuerwertsprung von a_]=U_i=0 auf uo=0,5 zufolge des stark eingezcichncten Verlaufes der Steuerspannung sind in Diagrammen 112-118 in Fig.12 dargestellt. Wenn die Steuerwertänderung ohne Totzeit 125 durchgeführt ward, so entsteht die Flußverlagerung Uo. Pfeil 126 kennzeichnet die Abschaltung, bei der der symmetrische ßetricbszinstand erreich! ist.

Diagramm (112) zeigt Steuerwert α und sägezahnförmige Hilfsspannung Uhz-

Verlauf z0 in Diagramm (113) entsteht, wenn nach Lit./2/ Stcucrwert a(t) einmal pro Schaltperiode verarbeitet wird. Vorteilhaft besteht eine Immunität gegenüber zwischenzeitlich über mehrere Schaltpenodcn hinweg auftretende schaltfrequente Überlagerungen auf Steuerwert a(t), die bei Puls zu Puls Mittelwertbildung verloren geht. Nachteilig dabei ist Totzeit 125.

In Diagramm 114 wird Totzeit 125 halbiert, indem nach Lit./2,3/ Steuerwert α zweimal pro Schaltperiode, also für jeden Impuls verarbeitet wird. Mit der Einschaltzeit , «„-ί +«Ü,J _ ... ) °n~ 2 " - α»-ι+ o

Werden Flußverlagerungen weitestgehend unterbunden.

In Diagrammen 115 bis 118 wird nach Fig.7 vorgegangen. Ein Steuerwertsprung wird zur Gänze ausgefuhrt, nach

Su = a(tAM) + Αδι:_,, ιι^Ο,1.2.mit Λδη.

-kUn.i, und L„, =MU

Es tritt keine Totzeit, dafür eine Flußverlagerung Un auf, die zu dem mit Pfeil 126 bczeichnelen Abschaltzcitpunkt abgestcuert ist.

In Diagramm 11 5 erfolgt die Absteuerung der Flußvcrlagcrung Uo mit k=I mit der Einschaltzeit t! 7 f _ f>i — ct0 + 60, T0 ^ ln Diagramm (116) werden die Einschaltzeiten mit k~l ,5 ermittelt. Die einmalige Verstärkung ist zu einem exponentiell abklingenden D-Anteil (Verlauf 127), der Steuerspannung us hinzugedacht werden kann, ausgebaut worden.

In Diagrammen 117 und 118 erfolgt nach Ausführung des Steuerwertsprunges mit den beiden Impulsen der folgenden Schaltperiode, N=2, eine vollständige lineare Absteucrung der Fluß Verlagerung, siehe Pfeil 126.

In Diagramm 117 wurden die Korrekturweite Δδ0 und Δδ| für die Impulse einer Schaltperiode mit k=2-l/N=l ,5 nach Δδ2ιι = (3-2n)·U2 0, n=0,!, mit U20 = berechnet, wodurch der Steuerweitsprung verstärkt wird. ln Diagramm 118 erfolgt die Berechnung der Korrekturwerte für die Impulse einer Schaltperiode mit k=l/N=0,5 nach Δ<52.„ = (-1)" · ^2.o , n=0,l, mit U2 0 = .

Der Mittelwert der Impulsdauern der auf den in Halbperiode [0, Ts/2] ausgeführten Steuerwertsprung auf a() folgenden Schaltpcriode [Ts/2, 3Ts/2] entspricht dem neuen Stcuerwert a()=0,5.

Bezugszeichenaufstellung: 1 Betriebsspannung 15 Steuerleitung 2 Gegentaktwechselrichter 16 Regler 3 Transformator 17 Differenzbildner 4 Ausgangsgleichrichter 18 Zweipunktglied 5 Last 19 Leitung, Maximalwert 6 N etzgl ei ehri chter 20 Leitung, Signal, Ergebnis 7 Ausgangsinduktivität 21 Differenzbildner 8 Stcuerspannung 22 Zweipunktglied 9 Leitung, Digitalsignal x 23 FI i 1 fsspannungsquell c 10 P ulsweitenmodul ator 24 Halteglied 11 Pulsmustergenerator 25 Leitung, PWM-Signal zo 12 Steuerleitung 26 Leitung, Freigabesignal 13 Steuerleitung 27 Diagramm 14 Steuerleitung 28 Diagramm

Diagramm 79 Leitung, PWM-Signal zi' Diagramm 80 Beobachter Diagramm 81 Symmetrierungseinrichtung Diagramm 82 Mischer Abtast-Halteglied 83 Diffcrcnzbildner Umschalter (Demultiplexer) 84 Mischer k Inverter 85 Leitung, Steuereingang UND-Gatter 86 Leitung, Einschaltsignal Leitung, Signal 87 Symmetrierungseinri chtung UND-Gatter 88 Integrator, Zähler Leitung, Signal 89 Leitung, Diagramm 90 ODER-Gatter Diagramm 91 RS-FlipFlop Diagramm 92 Leitung, Signal Diagramm 93 UND-Gatter Diagramm 94 Impulsformer Diagramm 95 Impulsformer Diagramm 96 Achse Leitung, Signal 97 ODER-Gatter UND-Gatter 98, 98' symmetrische Zustände Leitung, OK-Signal 99 positiver Spannungsimpuls Inverter 100’ Zustand ODER-Gatter 101, 101’ symmetrische Zustände Impulsformer 102 Fluß Verlagerung U Impulsformer 103 negativer Impuls Leitung 104 Korrekturwert Δδ RS-FlipFlop 105 Zustand Zähler 106 Zustand Preset-Eingang 107' Zustand Leitung 108 negativer Spannungsimpuls UND-Gatter 109 positiver Spannungsimpuls Impulsformer 110 negativer Spannungs impul s Inverter 111 positiver Spaimungsimpuls Diagramm 112 Diagramm Diagramm 113 Diagramm Diagramm 114 Diagramm Diagramm 115 Diagramm Diagramm 116 Diagramm Diagramm 117 Diagramm Diagramm 118 Diagramm Diagramm 119 Abtast-Halteglied Mischer 120 Umschalter (Demultiplexer) Mischer 121 Abtast-Halteglied Hilfsspannungsquelle 122 Mischer Leitung, Signal, Ergebnis 123 Impulsformer D i ffer enzb i ldner 124 Umschalter (Multiplexer) Zweipunktglied 125 Totzeit Leitung, Abschaltsignal 126 Pfeil, Abschaltung Leitung, Signal m Leitung, Maximalwert 127 Steuerwert verl auf

Claims (7)

1. E15340 A 434/2011 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Steuerung der Leistungsübertragung über wechselweise an eine Gleichspannung (UB) zu schaltenden Transformatoren (3), insbesondere von pulsweitenmodulierten Halb- oder Vollbrückenwechselrichtem (2), wobei der Wechselrichter (2) die Primärspule des Transformators (3) bevorzugt mit den drei Spannungszuständen positive Spannung (Uß), negative Spannung (-Uß) und Spannung Null (0) versorgt, und wobei ein Pulsweitenmodulator (10) ein PWM-Signal (zO) erzeugt, das die Zeitdauer (δ) eines Impulses (zo) festlegt, über die die Primärspule positiv oder negativ an den Gleichspannungskreis angeschlossen ist, und wobei die Zeitdauer (δ) von einer benötigten Höhe einer Ausgangsgröße eines an einer Sekundärwicklung des Transformators (3), bevorzugt über einen Gleichrichter, angeschlossenen Verbraucher bzw. eines Steuerwertes (a) abhängt. dadurch gekennzeichnet, dass eine maximal zulässige Magnetisierung vom Transformator (3) nicht überschritten wird und der Pulsweitenmodulator (10) ein PWM-Signal (zl,zT oder z2’) erzeugt, wonach jeder positive oder negative Spannungsimpuls am Transformator (3), insbesondere aufgrund eines weiteren Signals (9) oder eines Steuerwertes (a), die volle aktuelle Steuerwertänderung (Δα) enthält, sodass die vorzeitige Abschaltung eines Spannungsimpulses (uw) auch erfolgen kann, wenn eine Prozessgröße (iA) einen Maximalwert (Imax) überschreitet.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsverkürzung des PWM-Signals (zO im Freigabeintervall und/oder im Entmagnetisierungsintervall erfolgt.
3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung des Transformators (3) nach einer dreieckformigen Hilfsspannung eingestellt wird und, dass die Dynamik eines Vorwärtswandlers dadurch erreicht wird, dass zur Strombegrenzung die erforderliche Steuerwertänderung (Δα) unmittelbar und vollständig ausgeführt wird.
4. 4 . Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PWM-Signal an einen Beobachter (80) abgegeben wird, der durch die Beobachtung des Verlaufs des PWM-Signals (zj1) laufend ein Magnetisierungssignal (m(t)) der Magnetisierung des Transformators (3) ermittelt, und dass die Ansteuerschaltung den aktuellen Impuls von (.Z2’) verkürzt, wenn das Magnetisierungssignal (m(t)) einen Maximalwert (Μμαχ) überschreitet, um die weitere Magnetisierung des Transformators (3) unmittelbar zu beenden.
5. 5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Symmetrisierungseinrichtung (81) anhand der Steuerspannung (usoll) und des Magnetisierungssignals (m(t)) die Magnetisierung (msyxi) ermittelt, die im symmetrischen Betrieb des Wechselrichters auftreten würde, womit ein Steuerwert (a) zur Anpassung der unmittelbar folgenden Einschaltzeit des PWM-Signals erzeugt wird, um eine nachträgliche Symmetrisierung der Magnetisierung des Transformators zu bewirken.
6. 6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrisierung ohne Beobachter aufgrund der ausgeführten Steuerwertänderungen (Δα) in der Symmetrisierungseinrichtung (84,119-122) erfolgt. Iche die_ NACHGEREICHT
7. 7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1,4,5,6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von einem sich mit Schaltfrequenz ändernden Sollwert die Symmetrisierung von Transformator (3) durch eine Vorrichtung (87) erfolgt, Magnetisierungsober grenze herabsetzt.