DE102013001387B4

DE102013001387B4 - Pulsweitenmodulations-Gleichrichter mit einem Modulationsschemawahlschalter für einen Motorantrieb

Info

Publication number: DE102013001387B4
Application number: DE102013001387.9A
Authority: DE
Inventors: Yasusuke Iwashita; Masakazu Niwa; Kenta Yamamoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2033-01-26
Also published as: US8786239B2; JP5309232B2; DE102013001387A1; US20130193897A1; CN103248247A; CN103248247B; JP2013162529A

Abstract

Pulsweitenmodulations-Gleichrichter (1) für einen Motorantrieb zum Konvertieren eines Dreiphasenwechselstroms in einen Gleichstrom durch Steuern von Pulsweitenmodulationssignale verarbeitenden Schaltbauteilen, der umfasst:einen Steuerabschnitt (40), der das PWM-Signal in Übereinstimmung mit entweder einem Dreiphasen-Modulationsschema, in dem das PWM-Signal durch Vergleich eines PWM-Spannungsbefehls mit einem PWM- Träger konstanter Amplitude und konstanter Frequenz erzeugt wird, oder einem Zweiphasen Modulationsschema erzeugt, in dem ein PWM-Spannungsbefehl für eine Phase, die aus einer von drei Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, ausgewählt ist, bestimmt und auf dem Wert festgehalten wird, der dem Maximalwert oder Minimalwert des PWM-Trägers während einer vorgegebenen Zeitspanne entspricht, und in dem ein PWM-Spannungsbefehl für die beiden anderen Phasen durch zusätzliches Anwenden einer zur Erzielung der Bestimmung (setting) erforderlichen Verschiebung (offset) auf die beiden anderen Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, gewonnen wird, und in dem das PWM-Signal durch Vergleich des PWM-Spannungsbefehls mit dem PWM-Träger erzeugt wird,einen Messabschnitt (28), der den Dreiphasenwechselstrom misst und der den gemessenen Stromwert ausgibt, undeinen Wahlabschnitt (42), der den gemessenen Stromwert mit einem ersten Schwellenwert, der größer als Null (0) ist, und einem zweiten Schwellenwert, der größer als der erste Schwellenwert ist, vergleicht und der als das in dem Steuerabschnitt (40) zur Erzeugung des PWM-Signals zu verwendende Modulationsschema das Zweiphasen-Modulationsschema, wenn der gemessene Stromwert größer als der erste Schwellenwert aber kleiner als der zweite Schwellenwert ist, auswählt und sonst das Dreiphasen-Modulationsschema auswählt.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen PWM-Gleichrichter für einen Motorantrieb, der einen Dreiphasenwechselstrom in einen Gleichstrom durch Steuern von Schaltgeräten unter Verwendung eines PWM-Signals (Pulsweitenmodulationssignals) konvertiert.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In einer Motorsteuervorrichtung für den Antrieb einer Werkzeugmaschine, einer Fertigungsmaschine, eines Roboters oder dergleichen, wird ein Konverter für den Motorantrieb verwendet, der industriellen Wechselstrom (aus dem Netz) bzw. Wechselstromleistung in Gleichstrom bzw. Gleichstromleistung konvertiert und der den Gleichstrom in einen Inverter für den Antriebsmotor einspeist.
Ein Diodengleichrichter ist ein Beispiel eines solchen Konverters. Während der Diodengleichrichter den Vorteil hat, preiswert zu sein, hat er den Nachteil, dass Oberschwingungen und Blindleistung im abgegebenen Strom zunehmen.
Aufgrund dieses Umstandes hat in den letzten Jahren der Einsatz von Gleichrichtern, die eine Pulsweitenmodulation (PWM) (nachfolgend als „PWM-Gleichrichter“ bezeichnet) verwenden, wegen der Notwendigkeit, Oberschwingungen und Blindleistung im abgegebenen Strom zu vermindern, zugenommen.
9 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines bekannten PWM-Gleichrichters zeigt. Im PWM-Gleichrichter 100 umfasst ein Hauptschaltkreis 10 Transistoren 12 bis 17, Dioden 18 bis 23 und einen Glättungs- bzw. Siebkondensator 24, die - wie dargestellt - miteinander verbunden sind. Eine Dreiphasenwechselstromversorgung 30 bzw. das Wechselstromnetz ist über Wechselstromdrosselspulen 26 an die Eingangsseite des Hauptschaltkreises 10 angeschlossen und eine Last 32, wie zum Beispiel ein PWM-Inverter, ist mit der Ausgangsseite verbunden.
Ein Addierglied 36 gibt die Differenz (Spannungsdifferenz) zwischen der Ausgangsspannung des PWM-Gleichrichters 100, d.h. der Spannung über den Glättungskondensator 24, und einem Spannungssteuerbefehl aus. Ein Spannungsregler 34 empfängt als Eingangssignale die vom Addierglied 36 ausgegebene Spannungsdifferenz und die Spannung aus dem Dreiphasenwechselstromnetz 30 und gibt einen Strombefehl aus. Ein weiteres Addierglied 38 gibt die Differenz (Stromdifferenz) zwischen dem von einem Strommessgerät 28 gemessenen Stromwert an der Wechselspannungseingangsseite des PWM-Gleichrichters 100 und dem Stromsteuerbefehl aus. Ein Stromregler 140 vergleicht einen PWM-Spannungssteuerbefehl, der auf der Grundlage der Stromdifferenz erzeugt wird, mit einem PWM-Träger konstanter Amplitude und konstanter Frequenz (Pulsweitenmodulations-Träger) und gibt, auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs, ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulations-Signal) zur Steuerung der Transistoren 12 bis 17 aus.
10 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Dreiphasen-Modulationsschemas, das in einem bekannten PWM-Gleichrichter verwendet wird. In 10 sind die PWM-Spannungsbefehle für die R-Phase, die S-Phase und die T-Phase in dem Dreiphasen-Modulationsschema mit durchgezogenen Linien und die mit ihnen zu vergleichenden PWM-Träger mit gestrichelten Linien dargestellt. In dem Stromregler 140 wird der PWM-Spannungsbefehl für jede Phase mit dem PWM-Träger mit einer dreiecksförmige Wellenform verglichen und wenn der PWM-Spannungsbefehl größer als der PWM-Träger ist, wird ein zugeordneter oberer Transistor der Transistoren 12, 14 und 16 in 9 eingeschaltet und ein zugehöriger unterer Transistor der Transistoren 13, 15 und 17 ausgeschaltet. Da sich der Wert des PWM-Spannungsbefehls für jede Phase ändert, wie dies in 10 dargestellt ist, ändert sich auch die EIN-Periode jedes mit der Phase verbundenen Transistors, d.h. während sich der Wert des PWM-Spannungsbefehls dem Maximalwert des PWM-Trägers nähert, steigt die EIN-Periode des oberen, mit der Phase verbundenen Transistors an und wenn er sich dem Minimalwert nähert, steigt die EIN-Periode des unteren mit der Phase verbundenen Transistors an.
In dem PWM-Gleichrichter nehmen die Schaltverluste zu, weil die Schaltbauteile mit hoher Geschwindigkeit umgeschaltet werden, wie dies zuvor beschrieben wurde. Folglich hat der PWM-Gleichrichter das Problem, dass, verglichen mit den altbekannten Dioden-Gleichrichtern, die Verluste in der Vorrichtung als Ganzes ansteigen und auch die Größe der Vorrichtung zunimmt.
Zur Lösung dieses Problems wurde im Stand der Technik ein Vorgehen angewendet, bei dem die PWM-Frequenz in den Regionen absenkt wird, in denen die Amplitude der Eingangswechselstromstärke groß ist. Dieses Verfahren ist bei der Verringerung der Schaltverluste (Erwärmung) der Schaltbauteile und dem Verringern der Größe der Vorrichtung wirksam. Dieses Vorgehen im Stand der Technik hat jedoch den Nachteil, dass sich das Ansprechverhalten des Reglers verschlechtert, weil sich die rückgekoppelte Abtastzeitperiode mit abnehmender PWM-Frequenz erhöht.
Angesichts dieses Umstands ist zum Beispiel in der Veröffentlichung Nr. 2004-200412 einer ungeprüften japanischen Patentanmeldung ein PWM-Gleichrichter vorgeschlagen worden, der die Schaltverluste - ohne eine Verschlechterung der Steuerbarkeit zu bewirken - durch Verwendung eines Zweiphasen-Modulationsschemas vermindern kann, das die Anzahl der Schaltvorgänge durch Bestimmen bzw. Einstellen und Halten eines der Dreiphasen PWM-Spannungsbefehle auf einem Wert, der dem Maximalwert oder dem Minimalwert des PWM-Trägers in einem Bereich hoher Stromstärke, in dem die Schaltverluste ansteigen, entspricht, zu senken versucht.
Weiterhin ist zum Beispiel in der Veröffentlichung Nr. 2004-048885 einer ungeprüften japanischen Patentanmeldung ein PWM-Inverter vorgeschlagen, der eine Technik einsetzt, die ein Dreiphasen-Modulationsschema oder ein Zweiphasen-Modulationsschema wählt, je nachdem ob Vorrang der Genauigkeit der Stromsteuerung oder der Unterdrückung von Wärmeentwicklung zu geben ist, wenn mit Hilfe eines PWM-Signals ein Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln ist.
Ferner wurde ein PWM-Inverter vorgeschlagen, zum Beispiel in der Veröffentlichung Nr. H08-023698 einer ungeprüften japanischen Patentanmeldung, der eine Technik anwendet, die das Modulationsschema von einem Dreiphasen-Modulationsschema zu einem Zweiphasen-Modulationsschema zur Verminderung der Verzerrungen der Wellenform des aktuellen Stroms umschaltet, wenn sich der Motor in einem Generatorbetrieb befindet, oder zur Unterdrückung von Übergangsschwankungen im Strom und im Drehmoment, wenn der Motor aus dem Generatorbetrieb in einen Antriebsbetrieb umgeschaltet wird.
Bei dem oben erwähnten Zweiphasen-Modulationsschema können zwar die Schaltverluste (Erwärmung) der Schaltbauteile verringert werden, aber der Anteil der Welligkeitskomponenten (harmonische Komponenten) gegenüber den Grundkomponenten des Wechselstroms nimmt zu, da die Anzahl der Schaltvorgänge geringer als im Falle des Dreiphasen-Modulationsschemas ist. Das bedeutet, dass, wenn man annimmt, dass die Grundkomponente des Eingangswechselstroms im Zweiphasen-Modulationsschema und im Dreiphasen-Modulationsschema die gleiche ist, das Problem entsteht, dass der Spitzenwert des Wechselstroms größer wird als im Falle des Zweiphasen-Modulationsschemas.
Um zu verhindern, dass die Schaltbauteile mit einem größeren Strom als ihrem maximalen Nennstrom betrieben werden, ist in einem PWM-Gleichrichter üblicherweise eine Schutzfunktion vorgesehen, die den Eingangswechselstrom in Echtzeit überwacht und die, wenn der Eingangsstromwert einen vorgegebenen Wert überschreitet, bewirkt, dass der PWM-Vorgang durch Ausgabe eines Alarms oder durch aktives Anhalten des Schaltvorgangs und durch Begrenzen des Stroms durch Hardwaremittel gestoppt wird.
Da jedoch der Anteil der Welligkeitskomponenten relativ zu den Grundkomponenten des Eingangswechselstroms im Falle eines Zweiphasen-Modulationsschemas, wie dies oben beschrieben wurde, ansteigt, bereitet das Zweiphasen-Modulationsschema das Problem, dass die Schutzfunktion früher aktiviert wird als im Falle eines Dreiphasen-Modulationsschemas. 11a ist eine Darstellung zur Erläuterung der Stromwelligkeit, die auf der Eingangsseite des Wechselstroms eines bekannten PWM-Gleichrichters für den Fall eines Dreiphasen-Modulationsschemas auftritt. 11b ist eine Darstellung zur Erläuterung der Stromwelligkeit, die auf der Wechselstromeingangsseite eines bekannten PWM-Gleichrichters für den Fall eines Zweiphasen-Modulationsschemas auftritt. In den 11a und 11b sind die Grundkomponenten des Eingangswechselstroms zuzüglich der Welligkeitskomponente als durchgezogene Linien dargestellt, und die Grundkomponente des Eingangswechselstroms ist als gestrichelte Linie gezeigt. Der Vergleich mit der Stromwelligkeit im Falle des Dreiphasen-Modulationsschemas, das in 11a dargestellt ist, zeigt, dass die Größe der Stromwelligkeit relativ zur Grundkomponente des Eingangswechselstroms im Falle des Zweiphasen-Modulationsschemas, die in 11b dargestellt ist, ansteigt, da die Anzahl der Schaltvorgänge in dem Bereich, in dem der Strom seinen höchsten Wert annimmt, kleiner ist als im Falle des Dreiphasen-Modulationsschemas. Wenn man annimmt, dass der Auslösepegel der Schutzfunktion so gewählt ist, wie dies in den 11a und 11b gezeigt ist, und dass die Grundkomponente des Eingangswechselstroms die gleiche im Zweiphasen-Modulationsschema wie im Dreiphasen-Modulationsschema ist, da die Größe der Stromwelligkeit im Zweiphasen-Modulationsschema größer wird als im Dreiphasen-Modulationsschema, nimmt der Höchstwert des Wechselstroms zu und als Folge hiervon wird die Schutzfunktion leichter zu aktivieren sein.
Bei dem Verfahren, das als Modulationsschema für den PWM-Gleichrichter das Dreiphasen-Modulationsschema in dem Bereich, in dem der Eingangswechselstrom niedrig ist, und das Zweiphasen-Modulationsschema in dem Bereich, in dem der Eingangswechselstrom hoch ist, verwendet, besteht folglich die Notwendigkeit, den PWM-Gleichrichter mit abgesenkter Ausgangsleistung zu betreiben, um so die Schutzfunktion nicht zu aktivieren. Dies hat zu dem Problem geführt, dass im Vergleich mit dem Verfahren, das das Dreiphasen-Modulationsschema zu allen Zeiten verwendet, unabhängig von der Größe des Eingangswechselstroms, die Ströme in den Schaltbauteilen nicht effektiv genutzt werden können und folglich die maximale Ausgangsleistung des PWM-Gleichrichters vermindert ist.
Die DE 10 2010 007 184 A1 betrifft einen PWM-Gleichrichter, wobei Schaltverluste in einer Halbleiteranordnung reduziert sind, ohne die Dynamik eines Kontrollsystems zu beeinträchtigen. In einem PWM-Übermodulationsbereich wird eine Dreiphasenmodulationsart als Modulationsart eingestellt. In anderen Bereichen wird eine Umstellbedingung, wie zum Beispiel die Amplitude eines Eingangsstroms, ermittelt und wird mit einem Umstellniveau verglichen. Wenn die Amplitude des Eingangsstroms größer als das Umstellniveau ist, wird die Modulationsart zu einer modifizierten Zweiphasenmodulationsart umgestellt, die bei gleicher PWM-Frequenz die Anzahl der Schaltvorgänge auf zwei Drittel reduziert.
Zusammenfassung der Erfindung
Mit Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen PWM-Gleichrichter für einen Motorantrieb zu schaffen, der die Schaltverluste der Schaltbauteile zu verringern vermag, ohne dass die maximale Ausgangsleistung verringert und ohne dass die Ansprechzeit des Reglers verschlechtert wird.
Gemäß der Erfindung umfasst der Pulsweitenmodulation-Gleichrichter für einen Motorantrieb zum Konvertieren eines Dreiphasenwechselstroms in einen Gleichstrom durch Steuern von Pulsweitenmodulationssignale verarbeitenden Schaltbauteilen:

einen Steuerabschnitt, der das PWM-Signal in Übereinstimmung mit entweder einem Dreiphasen-Modulationsschema, in dem das PWM-Signal durch Vergleich eines PWM-Spannungsbefehls mit einem PWM-Träger konstanter Amplitude und konstanter Frequenz erzeugt wird, oder einem Zweiphasen-Modulationsschema erzeugt, in dem ein PWM-Spannungsbefehl für eine Phase, die aus einer von drei Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, ausgewählt ist, bestimmt und auf dem Wert festgehalten wird (set and held), der dem Maximalwert oder Minimalwert des PWM-Trägers während einer vorgegebenen Zeitspanne entspricht, und in dem ein PWM-Spannungsbefehl für die beiden anderen Phasen durch Anwenden einer zur Erzielung der Bestimmung (setting) erforderlichen Verschiebung (offset) auf die beiden anderen Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, gewonnen wird, und in dem das PWM-Signal durch Vergleich des PWM-Spannungsbefehls mit dem PWM-Träger erzeugt wird,
einen Messabschnitt, der den Dreiphasenwechselstrom misst und der den gemessenen Stromwert ausgibt, und
einen Wahlabschnitt, der den gemessenen Stromwert mit einem ersten Schwellenwert, der größer als Null (0) ist, und einem zweiten Schwellenwert, der größer als der erste Schwellenwert ist, vergleicht und der als das in dem Steuerabschnitt zur Erzeugung des PWM-Signals zu verwendende Modulationsschema das Zweiphasen-Modulationsschema auswählt, wenn der gemessene Stromwert größer als der erste Schwellenwert aber kleiner als der zweite Schwellenwert ist, und sonst das Dreiphasen-Modulationsschema auswählt.

Der für den Vergleich des ersten und des zweiten Schwellenwerts im Wahlabschnitt gemessene Stromwert ist ein Maximalwert der Absolutwerte der Phasenstromamplitude des Dreiphasenwechselstroms oder ein Vektor (vektor norm) eines Stromvektors, der durch Transformieren des Dreiphasenwechselstroms auf Zweiphasen-Koordinatenachsen gewonnen wird.
Der erste Schwellenwert ist auf der Grundlage wenigstens eines Parameters bestimmt, der aus der thermischen Leistung der Schaltbauteile und der Trägerfrequenz des PWM-Trägers ausgewählt ist.
Der zweite Schwellenwert ist auf der Grundlage wenigstens eines Parameters bestimmt, der aus der maximalen Strombelastbarkeit der Schaltbauteile, der in dem Dreiphasenwechselstrom auftretenden Stromwelligkeit und der Trägerfrequenz des PWM-Trägers ausgewählt ist.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden beigefügten Zeichnungen besser verstanden.

1 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines PWM-Gleichrichters zeigt.
2 ist eine Zustands-Übergangs-Darstellung eines in dem PWM-Gleichrichter verwendeten Modulationsschemas.
3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Schwellenwerten, die im Wahlabschnitt für das Modulationsschema in dem PWM-Gleichrichter zu verwenden sind.
4 ist eine Darstellung zur Erläuterung, wie ein Stromvektor aus Dreiphasen-Koordinaten in Zweiphasen-Koordinaten umgewandelt wird.
5a, 5b und 5c sind Diagramme zur Erläuterung eines ersten Beispiels eines Zweiphasen-Modulationsschemas, das in dem PWM-Gleichrichter verwendet wird.
6a, 6b und 6c sind Darstellungen zur Erläuterung eines zweiten Beispiels eines in dem PWM-Gleichrichter verwendeten Zweiphasen-Modulationsschemas.
7a, 7b und 7c sind Diagramme zur Erläuterung eines dritten Beispiels eines Zweiphasen-Modulationsschemas, das in dem PWM-Gleichrichter verwendet wird.
8a, 8b und 8c sind Diagramme zur Erläuterung eines vierten Beispiels eines Zweiphasen-Modulationsschemas, das in dem PWM-Gleichrichter eingesetzt wird.
9 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines bekannten PWM-Gleichrichters zeigt.
10 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Dreiphasen-Modulationsschemas, das in dem bekannten PWM-Gleichrichter verwendet wird.
11a ist eine Darstellung zur Erläuterung der Stromwelligkeit, die auf der Eingangsseite des Wechselstroms bei dem bekannten PWM-Gleichrichter im Falle eines Dreiphasen-Modulationsschemas auftritt.
11b ist eine Darstellung zur Erläuterung der Stromwelligkeit, die auf der Wechselstromeingangsseite des bekannten PWM-Gleichrichters im Falle eines Zweiphasen-Modulationsschemas auftritt.

Ausführliche Beschreibung
Ein PWM-Gleichrichter für einen Motorantrieb mit einem Wahlschalter für das Modulationsschema wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beigefügten Zeichnungen beschränkt ist und dass sie nicht auf die speziellen, hier beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist.
1 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines PWM-Gleichrichters zeigt. Der PWM-Gleichrichter für einen Motorantrieb 1 ist mit seinem Wechselstromeingang an eine Dreiphasenwechselstromversorgung 30 angeschlossen, konvertiert den Dreiphasenwechselstrom aus der Dreiphasenwechselstromversorgung 30 in Gleichstrom durch Steuern von Schaltbauteilen, die ein PWM-Signal verwenden bzw. verarbeiten, und liefert die Gleichstromleistung an eine Last 32, die an den Gleichstromausgang angeschlossen ist. Die Last 32 ist ein Inverter, der am Ausgang Wechselstrom für den Antrieb eines Motors liefert.
Der PWM-Gleichrichter 1 enthält einen Stromregler als einen Steuerabschnitt 40, der das PWM-Signal (Pulsweitenmodulations-Signal) entsprechend entweder einem Dreiphasen-Modulationsschema, für das das PWM-Signal durch Vergleich eines PWM-Spannungsbefehls mit einem PWM-Träger (Pulsweitenmodulations-Träger) mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude erzeugt wird, oder einem Zweiphasen Modulationsschema erzeugt wird, in dem ein PWM-Spannungsbefehl für eine Phase, die aus einer von drei Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, ausgewählt ist, bestimmt und auf dem Wert festgehalten wird (set and held), der dem Maximalwert oder Minimalwert des PWM-Trägers während einer vorgegebenen Zeitspanne entspricht, und in dem ein PWM-Spannungsbefehl für die beiden anderen Phasen durch zusätzliches Anwenden einer zur Erzielung der Bestimmung (setting) erforderlichen Verschiebung (offset) auf die beiden anderen Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, gewonnen wird, und in dem das PWM-Signal durch Vergleich des PWM-Spannungsbefehls mit dem PWM-Träger erzeugt wird, einen Messabschnitt, der den Dreiphasenwechselstrom aus der Dreiphasenwechselstromversorgung mit einem Strommessgerät 28 misst und der den gemessenen Stromwert ausgibt, und einen Wahlschalter 42 als Wahlabschnitt, der den gemessenen Stromwert mit einem ersten Schwellenwert, der größer als Null (0) ist, und einem zweiten Schwellenwert, der größer als der erste Schwellenwert ist, vergleicht und der als das in dem Steuerabschnitt (Stromregler) 40 zur Erzeugung des PWM-Signals zu verwendende Modulationsschema das Zweiphasen-Modulationsschema auswählt, wenn der gemessene Stromwert größer als der erste Schwellenwert aber kleiner als der zweite Schwellenwert ist, und sonst das Dreiphasen-Modulationsschema auswählt. Der erste und der zweite Schwellenwert werden in einem Speicher 44 gespeichert, und der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema liest bei Bedarf den ersten und den zweiten Schwellenwert aus dem Speicher 44 für den Vergleich mit dem gemessenen Stromwert aus.
Auf diese Weise wählt der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema entweder das Dreiphasen-Modulationsschema oder das Zweiphasen-Modulationsschema aus. Der Stromregler 40 erzeugt das PWM-Signal in Übereinstimmung mit dem durch den Wahlschalter 42 für das Modulationsschema gewählten Modulationsschema. Einzelheiten der Arbeitsweise des Wahlschalters 42 für das Modulationsschema werden an späterer Stelle beschrieben.
Ein Hauptschaltkreis 10 in dem PWM-Gleichrichter 1 enthält Transistoren 12 bis 17, Dioden 18 bis 23 und einen Glättungs- bzw. Siebkondensator 24, die wie dargestellt miteinander verbunden sind. Die Dreiphasenwechselstromversorgung 30 ist über eine Wechselstromdrossel 26 mit der Eingangsseite des Hauptschaltkreises 10 verbunden, und die Last 32 ist an die Ausgangsseite angeschlossen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Transistoren als Beispiele für die Schaltbauteile gezeigt, die den PWM-Gleichrichter bilden. Die Erfindung ist aber nicht auf eine besondere Art von Schaltbauteilen beschränkt und es kann von jeglichen anderen geeigneten Halbleiterbauteilen Gebrauch gemacht werden.
Ein Addierglied 36 gibt eine Differenz (Spannungsdifferenz) zwischen der Ausgangsspannung des PWM-Gleichrichters 1, d.h. der Spannung am Glättungskondensator 24, und einem Spannungsbefehl aus. Ein Spannungsregler 34 empfängt als Eingangsgrößen die von dem Addierglied 36 eingespeiste Spannungsdifferenz und die Spannung aus der Dreiphasenwechselstromversorgung 30 und gibt einen Strombefehl aus. Ein weiteres Addierglied 38 berechnet eine Differenz (Stromdifferenz) zwischen dem Stromwert, der von dem auf der Wechselstromeingangsseite des PWM-Gleichrichters 1 vorgesehenen Strommessbauteil 28 gemessenen wird, und dem Strombefehl und gibt die Differenz an den Stromregler 40 aus.
Der Stromregler 40 erzeugt ein PWM-Signal in Übereinstimmung mit dem von dem Wahlschalter 42 für das Modulationsschema gewählten Modulationsschema, wie dies zuvor beschrieben wurde. Mit anderen Worten, wenn das von dem Wahlschalter 42 für das Modulationsschema gewählte Modulationsschema das Dreiphasen-Modulationsschema ist, wird der auf der Grundlage der vom Addierglied 38 ausgegebenen Stromdifferenz erzeugte PWM-Spannungsbefehl mit dem PWM-Träger konstanter Amplitude und konstanter Frequenz verglichen und das Ergebnis des Vergleichs als das PWM-Signal zur Steuerung der Transistoren 12 bis 17 ausgegeben. Wenn andererseits das von dem Wahlschalter 42 für das Modulationsschema gewählte Modulationsschema das Zweiphasen-Modulationsschema ist, wird der in Übereinstimmung mit dem Zweiphasen-Modulationsschema erzeugte PWM-Spannungsbefehl mit dem PWM-Träger verglichen und das Ergebnis des Vergleichs als das PWM-Signal ausgegeben.
Die zuvor beschriebene Arbeitsweise des Spannungsreglers 34, der Addierglieder 36 und 38, des Stromreglers 40 und des Wahlschalters 42 für das Modulationsschema wird unter Verwendung eines Operationsprozessors, wie z.B. einem DSP, FPGA oder einem Mikroprozessor, implementiert.
Als nächstes wird die Arbeitsweise des Wahlschalters 42 für das Modulationsschema im Einzelnen beschrieben werden.
2 ist eine Zustands-Übergangs-Darstellung des Modulationsschemas in dem PWM-Gleichrichter. 3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Schwellenwerte, die im Wahlabschnitt für das Modulationsschema in dem PWM-Gleichrichter zu verwenden sind.
Der erste Schwellenwert, der im Wahlschalter 42 für das Modulationsschema für den Vergleich mit dem gemessenen, vom Strommessbauteil 28 eingespeisten Stromwert verwendet wird, wird auf einen Wert größer als Null (0) voreingestellt und der zweite Schwellenwert wird auf einen Wert größer als der erste Schwellenwert voreingestellt.
Der erste Schwellenwert wird auf der Grundlage von wenigstens einem Parameter bestimmt, der zwischen der Wärmeleistung der Schaltbauteile und der Trägerfrequenz des PWM-Trägers gewählt wird. Der Grund, dass zusätzlich zur Trägerfrequenz des PWM-Trägers die Wärmeleistung der Schaltbauteile als Parameter zur Bestimmung des ersten Schwellenwerts verwendet wird, ist der, dass der erste Schwellenwert zur Voreinstellung einer Bedingung für das Schalten zwischen dem Dreiphasen-Modulationsschema und dem Zweiphasen-Modulationsschema verwendet wird, und das Zweiphasen-Modulationsschema dazu dient, die Schaltverluste (Erwärmung), die in den Schaltbauteilen in Bereichen, in denen der Stromwert hoch ist, auftreten, zu verringern.
Auf der anderen Seite wird der zweite Schwellenwert auf der Grundlage wenigstens eines Parameters bestimmt, der aus der maximalen Stromleistung der Schaltbauteile, der im Dreiphasenwechselstrom auftretenden Stromwelligkeit und der Trägerfrequenz des PWM-Trägers gewählt ist. Der Grund dafür, dass zusätzlich zur Trägerfrequenz des PWM-Trägers die maximale Stromleistung der Schaltbauteile und die im Dreiphasenwechselstrom auftretende Stromwelligkeit als Parameter für die Bestimmung des zweiten Grenzwerts verwendet werden, ist der, dass der zweite Grenzwert zur Einstellung einer Bedingung für das Schalten vom Zweiphasen-Modulationsschema zurück zum Dreiphasen-Modulationsschema dient, wenn der gemessene Stromwert ansteigt, und der, dass es Ziel ist, den PWM-Gleichrichter in die Lage zu versetzen, nahe der maximalen Stromleistung (nahe des Nennstroms) der Schaltbauteile betrieben zu werden und so wirkungsvollen Gebrauch der Ströme in den Schaltbauteilen zu machen sowie zu verhindern, dass die Ausgangsleistung des PWM-Gleichrichters abfällt.
Der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema holt sich den ersten und zweiten Grenzwert nach Bedarf aus dem Speicher 44 zum Vergleich mit dem gemessenen Stromwert. Das bedeutet, wie dies in 3 dargestellt ist, dass der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema den gemessenen Stromwert mit dem ersten Grenzwert, der größer als 0 ist, und den zweiten Grenzwert, der größer als der erste Grenzwert ist, vergleicht. Wenn der gemessene Stromwert größer als der erste Grenzwert aber kleiner als der zweite Grenzwert ist, wird das Zweiphasen-Modulationsschema gewählt und für die Erzeugung des PWM-Signals im Stromregler 40 verwendet und sonst wird das Dreiphasen-Modulationsschema gewählt und für die Erzeugung des PWM-Signals im Stromregler 40 verwendet. Dies wird mit weiteren Einzelheiten an späterer Stelle unter Bezugnahme auf die Zustands-Übergangs-Darstellung in 2 beschrieben.
Bei der Einleitung des PWM-Betriebs des PWM-Gleichrichters 1 aus seinem anfänglichen Zustand S0 erfolgt ein Übergang vom anfänglichen Zustand S0 in den Zustand S1. Der Zustand S1 wird aufrechterhalten, bis der gemessene Stromwert an der Wechselstromeingangsseite den ersten Grenzwert überschreitet. Während des Zustandes S1 wählt der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema das Dreiphasen-Modulationsschema, wie dies in 10 dargestellt ist, als das Modulationsschema, das für die Erzeugung des PWM-Signals im Stromregler 40 zu verwenden ist.
Wenn der gemessene Stromwert an der Wechselstromeingangsseite den ersten Grenzwert übersteigt, wird ein Übergang vom Zustand S1 zu einem Zustand S2 vorgenommen. Der Zustand S2 wird aufrechterhalten, bis der gemessene Stromwert an der Eingangsseite des Wechselstromeingangs den zweiten Grenzwert überschreitet oder bis der gemessene Stromwert an der Wechselstromeingangsseite auf einen Wert abfällt, der gleich oder kleiner als (ERSTER GRENZWERT - ERSTE HYSTERESE) ist. Das bedeutet, dass eine Hysterese zum Schalten vorgesehen ist, um durch Evaluieren der Schaltbedingung erzeugt zu werden. Während des Zustandes S2 wählt der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema das Zweiphasen-Modulationsschema als das für die Erzeugung des PWM-Signals im Stromregler 40 zu verwendende Modulationsschema. Wenn der gemessene Stromwert den ersten Schwellenwert überschreitet, bedeutet dies, dass in den Bereich, in dem der Wechselstromeingangsstrom groß ist, eingetreten wird. Aber aufgrund dieser Ausführung der vorliegenden Erfindung können, da das Modulationsschema für die Erzeugung des PWM-Signals hier vom Dreiphasen-Modulationsschema auf das Zweiphasen-Modulationsschema umgeschaltet wird, die Schaltverluste der Schaltbauteile im Vergleich zu dem Fall, in dem das Dreiphasen-Modulationsschema verwendet wird, verringert werden.
Wenn der gemessene Stromwert auf der Wechselstromeingangsseite den zweiten Schwellenwert überschreitet, erfolgt ein Übergang vom Zustand S2 zum Zustand S3 und wählt der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema noch einmal das Dreiphasen-Modulationsschema. Der Zustand S3 wird aufrechterhalten, bis der gemessene Stromwert auf der Wechselstromeingangsseite auf einen Wert gleich oder kleiner als (ZWEITER SCHWELLENWERT - ZWEITE HYSTERESE) abfällt. Das bedeutet, dass die Hysterese vorgesehen ist, damit das Umschalten unter Berücksichtigung der Schaltbedingung vorgenommen wird. Im Zustand S3 wählt der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema das Dreiphasen-Modulationsschema als das Modulationsschema, das für die Erzeugung des PWM-Signals im Stromregler 40 zu verwenden ist. Wenn der gemessene Stromwert an der Wechselstromeingangsseite den zweiten Grenzwert übersteigt, weist dies darauf hin, dass sich der gemessene Stromwert an der Wechselstromeingangsseite nahe der maximalen Stromleistung befindet. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird aber das Modulationsschema, das für die Erzeugung des PWM-Signals verwendet wird, vom Zweiphasen-Modulationsschema, in dem die Stromwelligkeit groß ist, zum Dreiphasen-Modulationsschema, in dem die Stromwelligkeit gering ist, umgeschaltet und reduziert dadurch die Größe der Stromwelligkeit gegenüber der Grundkomponente des Eingangswechselstroms, und dies ermöglicht es dem PWM-Gleichrichter, nahe der maximalen Stromleistung der Schaltvorrichtungen betrieben zu werden. Im Stand der Technik bestand die Notwendigkeit, die Ausgangsleistung des PWM-Gleichrichters zu verringern, um die Schutzfunktion der Schaltvorrichtung, die üblicherweise in dem PWM-Gleichrichter vorgesehen ist, nicht zu aktivieren. Im Gegensatz hierzu besteht bei der vorliegenden Erfindung keine Notwendigkeit hierzu und der PWM-Gleichrichter 1 kann ohne Verminderung der maximalen Ausgangsleistung betrieben werden, da wirksamer Gebrauch von den Strömen in den Schaltbauteilen gemacht werden kann. Der Strom in der Nähe der maximalen (Nenn-) Stromleistung, der von der Wechselstromeingangsseite an den PWM-Gleichrichter 1 abgegeben wird, wird nicht zu allen Zeiten, sondern nur momentan in einem Übergangszustand zu solchen Zeiten wie der Beschleunigung oder der Verzögerung des Motors abgegeben, da die Last 32 ein Inverter zur Lieferung zur Wechselstromantriebsleistung an den Motor ist. Als Folge hiervon ist die Zunahme der Schaltverluste, die beim Umschalten des Modulationsschemas von dem Zweiphasen-Modulationsschema zurück zum Dreiphasen-Modulationsschema im Bereich nahe der maximalen Stromleistung der Schaltbauteile, wie oben beschrieben, im Vergleich zu den Verlusten der Vorrichtung als Ganzes vernachlässigbar. Folglich tritt im PWM-Gleichrichter 1, wenn das Modulationsschema umgeschaltet wird, kein thermisches Problem in den Schaltbauteilen auf.
Wenn der gemessene Stromwert auf der Wechselstromeingangsseite auf einen Wert gleich oder kleiner als (ZWEITER SCHWELLENWERT - ZWEITE HYSTERESE) abfällt, erfolgt ein Übergang vom Zustand S3 zum Zustand S2 und der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema wählt das Zweiphasen-Modulationsschema aus. Wie bereits zuvor beschrieben, wird der Zustand S2 aufrechterhalten, bis der gemessene Stromwert an der Wechselstromeingangsseite den zweiten Schwellenwert übersteigt oder bis der gemessene Stromwert auf der Wechselstromeingangsseite auf einen Wert gleich oder kleiner als (ERSTER SCHWELLENWERT - ERSTE HYSTERESE) abfällt.
Wenn der gemessene Stromwert auf der Wechselstromeingangsseite auf einen Wert gleich oder kleiner als (ERSTER SCHWELLENWERT - ERSTE HYSTERESE) abfällt, erfolgt ein Übergang vom Zustand S2 zum Zustand S1 und der Wahlschalter 42 für das Modulationsschema wählt das Dreiphasen-Modulationsschema aus. Wie zuvor beschrieben, wird der Zustand S1 beibehalten, bis der gemessene Stromwert auf der Wechselstromeingangsseite den ersten Schwellenwert übersteigt.
Der gemessene Stromwert auf der Wechselstromeingangsseite wird in dem Wahlschalter 42 für das Modulationsschema mit dem ersten und dem zweiten Schwellenwert verglichen. Der gemessene Stromwert, der im Wahlschalter 42 für das Modulationsschema mit dem ersten und dem zweiten Schwellenwert zu vergleichen ist, ist der Maximalwert der Absolutwerte der Stromamplituden der Phasen im Dreiphasenwechselstrom, oder ein Normvektor (vector norm) eines Stromvektors, der durch Transformieren des Dreiphasenwechselstroms auf Zweiphasen-Koordinatenachsen gewonnen wird. Für den Fall, in dem der Normvektor des Stromvektors verwendet wird, wird eine Beschreibung gegeben. 4 ist eine Darstellung zur Erläuterung, wie der Stromvektor aus den Dreiphasen-Koordinaten in die Zweiphasen-Koordinaten transformiert wird. Wie in 4 gezeigt, wird der Stromvektor auf den Dreiphasen-Koordinaten, die durch R, S und T Achsen wiedergegeben sind, durch Dreiphasen- in Zweiphasen-Transformation (sogenannte αβ-Transformation) in den Stromvektor in den Zweiphasen-Koordinaten, die durch die α und ß-Achsen wiedergegeben werden, transformiert. Der Normvektor des Stromvektors, der durch Transformieren des Dreiphasenwechselstroms auf die Zweiphasen-Koordinatenachsen auf diese Weise erlangt wurde, kann als der gemessene Stromwert, der mit dem ersten und dem zweiten Schwellenwert zu vergleichen ist, verwendet werden.
Als nächstes wird das Zweiphasen-Modulationsschema in dem PWM-Gleichrichter beschrieben. In dem Zweiphasen-Modulationsschema wird der Spannungsbefehl für eine der drei Phasen, die jeweils einen PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, als ausgewählte Phase bestimmt (set) und auf einem Wert gehalten (held), der über eine vorgegebene Zeitspanne gleich dem Maximalwert oder Minimalwert des PWM-Trägers ist, und wird das PWM-Signal durch einen Vergleich mit dem PWM-Träger einer Kombination des PWM-Spannungsbefehls für eine Phase und zwei PWM-Spannungsbefehlen für die beiden anderen Phasen, die durch Anwenden einer Verschiebung bzw. eines Offset erzeugt wurden, der zur Erzielung der Bestimmung (setting) bei den beiden anderen Phasen erforderlich ist, gewonnen. Das in dem PWM-Gleichrichter gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Zweiphasen-Modulationsschema kann zum Beispiel auf eine von vier an späterer Stelle beschriebenen Weisen verwirklicht sein.
Die 5a, 5b und 5c zeigen Diagramme zur Erläuterung des ersten Beispiels des vom PWM-Gleichrichter angewendeten Zweiphasen-Modulationsschemas.
Wie es die 5a, 5b und 5c zeigen, wird in dem Zweiphasen-Modulationsschema gemäß dem ersten Beispiel der PWM-Spannungsbefehl für diejenige Phase, deren PWM-Spannungsbefehl dem Absolutwert nach der größte unter den 3 Phasen ist, die den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, bestimmt und auf dem Wert festgehalten (set and held), der dem Maximalwert oder Minimalwert des PWM-Trägers während einer vorgegebenen Zeitspanne einschließlich der Zeit, zu der der Absolutwert des PWM-Spannungsbefehls den Maximalwert annimmt, entspricht, und der Offset bzw. die Verschiebung, der bzw. die zur Erzielung der Bestimmung (setting) erforderlich ist, wird auch auf die beiden anderen Phasen angewendet. Mit anderen Worten, wie dies in den 5a, 5b und 5c gezeigt ist, lässt man den höchsten PWM-Spannungsbefehl unter den PWM-Spannungsbefehlen für die R, S und T Phase auf einen Wert ansteigen, der dem Maximalwert des PWM-Trägers entspricht, und der Offset (Zunahme) wird ebenfalls auf die beiden anderen Phasen angewendet.
Die 6a, 6b und 6c zeigen Diagramme zur Erläuterung des zweiten Beispiels des vom PWM-Gleichrichter angewendeten Zweiphasen-Modulationsschemas.
Wie es die 6a, 6b und 6c zeigen, wird in dem Zweiphasen-Modulationsschema gemäß dem zweiten Beispiel der PWM-Spannungsbefehl für diejenige Phase, deren PWM-Spannungsbefehl dem Absolutwert nach der größte unter den 3 Phasen ist, die den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, bestimmt und auf dem Wert festgehalten, der dem Maximalwert des PWM-Trägers während einer vorgegebenen Zeitspanne einschließlich der Zeit, zu der der Absolutwert des PWM-Spannungsbefehls am größten wird, entspricht, und der Offset bzw. die Verschiebung (Zunahme), der bzw. die zur Erzielung der Bestimmung erforderlich ist, wird auch auf die beiden anderen Phasen angewendet. Mit anderen Worten, wie dies in den 6a, 6b und 6c gezeigt ist, lässt man den höchsten PWM-Spannungsbefehl unter den PWM-Spannungsbefehlen für die R, S und T Phase auf einen Wert ansteigen, der dem Maximalwert des PWM-Trägers entspricht, und der Offset (Zunahme) wird ebenfalls auf die beiden anderen Phasen angewendet.
Die 7a, 7b und 7c zeigen Diagramme zur Erläuterung des dritten Beispiels des vom PWM-Gleichrichter angewendeten Zweiphasen-Modulationsschemas.
Wie es die 7a, 7b und 7c zeigen, wird in dem Zweiphasen-Modulationsschema gemäß dem dritten Beispiel der PWM-Spannungsbefehl für diejenige Phase, deren PWM-Spannungsbefehl dem Absolutwert nach der kleinste unter den 3 Phasen ist, die den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, bestimmt und auf dem Wert festgehalten, der dem Minimalwert des PWM-Trägers während einer vorgegebenen Zeitspanne einschließlich der Zeit, zu der der Absolutwert des PWM-Spannungsbefehls den Minimalwert annimmt, entspricht, und der Offset bzw. die Verschiebung (Abnahme), der bzw. die zur Erzielung der Bestimmung erforderlich ist, wird auch bei den beiden anderen Phasen angewendet. Mit anderen Worten, wie dies in den 7a, 7b und 7c gezeigt ist, lässt man den kleinsten PWM-Spannungsbefehl unter den PWM-Spannungsbefehlen für die R, S und T Phase auf einen Wert abfallen, der dem Minimalwert des PWM-Trägers entspricht, und der Offset (Zunahme) wird ebenfalls auf die beiden anderen Phasen angewendet. Ebenso lässt man den niedrigsten PWM-Spannungsbefehl unter den PWM-Spannungsbefehlen für die R, S und T Phasen auf einen Wert abnehmen, der dem Minimalwert des PWM-Trägers entspricht, und der Offset (Abnahme) wird ebenfalls auf die beiden anderen Phasen angewendet.
Die 8a, 8b und 8c zeigen Diagramme zur Erläuterung des vierten Beispiels des vom PWM-Gleichrichter angewendeten Zweiphasen-Modulationsschemas.
Wie es die 8a, 8b und 8c zeigen, wechselt sich in dem Zweiphasen-Modulationsschema gemäß dem vierten Beispiel die Zeitspanne, während der der PWM-Spannungsbefehl für diejenige Phase, deren PWM-Spannungsbefehl dem Wert nach der größte unter den drei Phasen ist, die den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, bestimmt und auf dem Wert festgehalten, der dem Maximalwert des PWM-Trägers entspricht, mit der Zeitspanne ab, während der der PWM-Spannungsbefehl für diejenige Phase, deren PWM-Spannungsbefehl dem Wert nach der kleinste unter den 3 Phasen ist, die den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, bestimmt und auf dem Wert gehalten wird, der dem Minimalwert des PWM-Trägers entspricht. Mit anderen Worten, wechseln sich, wie es in den 8a, 8b und 8c gezeigt ist, der Prozess des Ansteigens des größten PWM-Spannungsbefehls auf den Wert, der dem Maximalwert des PWM-Trägers entspricht, entsprechend dem zweiten, in den 6a, 6b und 6c gezeigten Beispiel, und der Prozess des Abfallens des niedrigsten PWM-Spannungsbefehls auf den Minimalwert des PWM-Trägers gemäß dem dritten, in den 7a, 7b und 7c gezeigten Beispiel, einander ab. In den 8a, 8b und 8c ist die Wechselperiode als doppelt so hoch wie die des Trägers gezeigt, so dass die beiden miteinander synchronisiert sind. Die Wechselperiode muss jedoch weder zweimal so hoch oder ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Trägers sein, noch müssen sie miteinander synchronisiert sein.
Im dem Zweiphasen-Modulationsschema gemäß einem der ersten bis vierten, oben beschriebenen Beispiele nimmt, da kein Umschalten für die Phase durchgeführt wird, deren PWM-Spannungsbefehl auf einen Wert eingestellt wurde, der mit dem des PWM-Trägers gleich ist, die Anzahl der Schaltoperationen auf zwei Drittel der des Dreiphasen-Modulationsschemas ab. Auf diese Weise können die Schaltverluste durch Umschalten des PWM-Modulationsschemas vom Dreiphasen-Modulationsschema auf das Zweiphasen-Modulationsschema verringert werden.
Die vorliegende Erfindung kann somit auf einen PWM-Gleichrichter, der in einer Motorsteuervorrichtung zum Betreiben einer Werkzeugmaschine, einer Fertigungsmaschine, einem Roboter oder dergleichen als Konverter verwendet wird, eingesetzt werden, der Wechselstrom aus Industrienetzen in Gleichstromleistung konvertiert und der die Gleichstromleistung in einem Inverter zum Antrieb eines Motors wieder umwandelt.
Im PWM-Gleichrichter für einen Motorantrieb zum Konvertieren von Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom durch Steuern bzw. Regeln der Schaltbauteile unter Verwendung eines PWM-Signals wird der auf der Wechselstromeingangsseite gemessene Stromwert mit dem ersten Schwellenwert, der größer als Null (0) ist, und dem zweiten Schwellenwert, der größer als der erste Schwellenwert ist, verglichen, und wenn der gemessene Stromwert größer als der erste Schwellenwert aber kleiner als der zweite Schwellenwert ist, wird das Zweiphasen-Modulationsschema, nicht aber das Dreiphasen-Modulationsschema für die Erzeugung des PWM-Signals gewählt, so dass die Schaltverluste (Wärmeentwicklung) der Schaltbauteile verringert werden können. Dann, wenn der gemessene Stromwert den zweiten Schwellenwert überschreitet, wird das für die Erzeugung des PWM-Signals verwendete Modulationsschema von dem Zweiphasen-Modulationsschema auf das Dreiphasen-Modulationsschema umgeschaltet, und wird dadurch die Höhe der Stromwelligkeit relativ zur Grundkomponente des Eingangswechselstroms verringert. Dies erlaubt es, den PWM-Gleichrichter für den Motorantrieb nahe des maximalen Nennstroms der Schaltbauteile zu betreiben. Im Stand der Technik war es erforderlich, die Ausgangsleistung des PWM-Gleichrichters zu reduzieren, um nicht die Schutzfunktion für die Halbleiterschaltvorrichtung zu aktivieren, die üblicherweise in dem PWM-Gleichrichter vorgesehen ist. Im Gegenteil, bei der vorliegenden Erfindung besteht eine solche Notwendigkeit nicht und der PWM-Gleichrichter für den Motorantrieb kann ohne Reduzierung seiner Maximalleistung betrieben werden. Folglich kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein PWM-Gleichrichter für einen Motorantrieb verwirklicht werden, der die Schaltverluste der Schaltbauteile ohne Reduzierung der maximalen Ausgangsleistung und ohne Verschlechterung des Ansprechverhaltens des Reglers verringern kann.

Claims

Pulsweitenmodulations-Gleichrichter (1) für einen Motorantrieb zum Konvertieren eines Dreiphasenwechselstroms in einen Gleichstrom durch Steuern von Pulsweitenmodulationssignale verarbeitenden Schaltbauteilen, der umfasst: einen Steuerabschnitt (40), der das PWM-Signal in Übereinstimmung mit entweder einem Dreiphasen-Modulationsschema, in dem das PWM-Signal durch Vergleich eines PWM-Spannungsbefehls mit einem PWM- Träger konstanter Amplitude und konstanter Frequenz erzeugt wird, oder einem Zweiphasen Modulationsschema erzeugt, in dem ein PWM-Spannungsbefehl für eine Phase, die aus einer von drei Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, ausgewählt ist, bestimmt und auf dem Wert festgehalten wird, der dem Maximalwert oder Minimalwert des PWM-Trägers während einer vorgegebenen Zeitspanne entspricht, und in dem ein PWM-Spannungsbefehl für die beiden anderen Phasen durch zusätzliches Anwenden einer zur Erzielung der Bestimmung (setting) erforderlichen Verschiebung (offset) auf die beiden anderen Phasen, die jeweils den PWM-Spannungsbefehl in dem Dreiphasen-Modulationsschema bilden, gewonnen wird, und in dem das PWM-Signal durch Vergleich des PWM-Spannungsbefehls mit dem PWM-Träger erzeugt wird, einen Messabschnitt (28), der den Dreiphasenwechselstrom misst und der den gemessenen Stromwert ausgibt, und einen Wahlabschnitt (42), der den gemessenen Stromwert mit einem ersten Schwellenwert, der größer als Null (0) ist, und einem zweiten Schwellenwert, der größer als der erste Schwellenwert ist, vergleicht und der als das in dem Steuerabschnitt (40) zur Erzeugung des PWM-Signals zu verwendende Modulationsschema das Zweiphasen-Modulationsschema, wenn der gemessene Stromwert größer als der erste Schwellenwert aber kleiner als der zweite Schwellenwert ist, auswählt und sonst das Dreiphasen-Modulationsschema auswählt.
Pulsweitenmodulations-Gleichrichter (1) für einen Motorantrieb nach Anspruch 1, bei dem der gemessene Stromwert ein Maximalwert der Absolutwerte der Phasenstromamplitude des Dreiphasenwechselstroms oder ein Normvektor eines Stromvektors, der durch Transformieren des Dreiphasenwechselstroms auf Zweiphasen-Koordinatenachsen gewonnen wird, ist.
Pulsweitenmodulations-Gleichrichter (1) für einen Motorantrieb nach Anspruch 1, bei dem der erste Schwellenwert auf der Grundlage wenigstens eines Parameters bestimmt ist, der aus der thermischen Leistung der Schaltbauteile und der Trägerfrequenz des PWM-Trägers ausgewählt ist.
Pulsweitenmodulations-Gleichrichter (1) für einen Motorantrieb nach Anspruch 1, bei dem der zweite Schwellenwert auf der Grundlage wenigstens eines Parameters bestimmt ist, der aus der maximalen Strombelastbarkeit der Schaltbauteile, der in dem Dreiphasenwechselstrom auftretenden Stromwelligkeit und der Trägerfrequenz des PWM-Trägers ausgewählt ist.