DE19650994C1 - Pulse-width modulation (PWM) of rated voltage waveform for three-level four-quadrant control-servo (4QS) e.g. for railway engineering - Google Patents

Pulse-width modulation (PWM) of rated voltage waveform for three-level four-quadrant control-servo (4QS) e.g. for railway engineering

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Abstract

The method involves using pulse-width modulation (PWM) of a voltage in which a reference voltage is compared with a triangular (delta-form) waveform modulation signal. Timed sampled (tk) reference voltage values (u*) are compared with switching lines having maximum (ud) and minimum values (-ud) of the modulating signal.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der im Anhang in der Literatur­ liste unter [3] aufgeführten Dissertation von H.P. Wurm "Erhöhung der Aus­ nutzung von Pulswechselrichtern hoher Leistung durch das Dreipunktverfahren", Bergische Universität-Gesamthochschule Wuppertal, 1983, insbesondere Seiten 4 bis 9 und Seiten 154/155 bekannt.The invention relates to a method according to the preamble of the An Proverb 1. Such a method is from that in the appendix in the literature list the dissertation of H.P. Worm "increase in out use of high-performance pulse inverters using the three-point method ", Bergische University Comprehensive University Wuppertal, 1983, especially pages 4 to 9 and pages 154/155.

Für die Ansteuerung von Umrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis werden häufig Pulsmustergeneratoren eingesetzt, die eine gewünschte Sollspannung durch Pulsweitenmodulation über ein definiertes Zeitintervall nachbilden. Ein bewährtes Verfahren der Pulsweitenmodulation ist die Dreiecksmodulation für die Ansteuerung von Pulswechselrichtern oder auch Vierquadrantenstellern (4QS) in 2-Level-Technik [1, 2]. Zur Leistungserhöhung werden Pulswechsel­ richter bzw. 4QS zum Teil auch in 3-Level-Technik ausgeführt [3]. Zur An­ steuerung dieser Umrichter in 3-Level-Technik lassen sich ebenfalls Dreiecks­ modulationsverfahren konzipieren, die im Prinzip der Dreiecksmodulation für Umrichter in 2-Level-Technik gleichen [4, 5]. Ein Nachteil dieser Dreiecks­ modulationsverfahren ist jedoch die fehlende Berücksichtigung der Mindestein- und Mindestausschaltzeiten der Leistungshalbleiter, wodurch das errechnete Pulsmuster bei der Umsetzung durch den Umrichter verfälscht wird. Besonders bei GTO-Umrichtern großer Leistung sind diese Mindestzeiten beträchtlich (< 100 µs), wodurch die Vernachlässigung dieser Mindestzeiten bei der Berech­ nung des Pulsmusters unerwünschte Oberschwingungen verursacht. Eine Möglich­ keit, die Unterschreitung der Mindestzeiten durch das Pulsmuster zu vermeiden, ist die Beschränkung der vorgegebenen Sollspannung auf eine sinusförmige Spannung, die nur noch in ihrer Winkelgeschwindigkeit und Amplitude von der Regelung verstellt wird [6]. Diese sinusförmige Sollspannung wird nun so mit dem Pulsmuster verknüpft, daß die Unterschreitung der Mindestzeiten ausge­ schlossen ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die Regelung den Winkel der sinusförmigen Spannung nur indirekt über die Winkelgeschwindigkeit ein­ stellen kann und die erreichbare Regeldynamik somit herabgesetzt ist. Weiterhin lassen sich nur sinusförmige Sollspannungen realisieren. Gleich­ anteile und höhere Harmonische sind mit dieser Festlegung nicht realisier­ bar.For the control of inverters with a DC link Frequently pulse pattern generators are used which have a desired target voltage by pulse width modulation over a defined time interval. Triangular modulation is a proven method of pulse width modulation for controlling pulse inverters or four-quadrant actuators (4QS) in 2-level technology [1, 2]. Pulse changes are used to increase performance richter or 4QS also partially implemented in 3-level technology [3]. To the Control of these inverters in 3-level technology can also be triangular Design modulation processes that are based on the principle of triangular modulation for Inverters in 2-level technology are similar [4, 5]. A disadvantage of this triangle However, the modulation method is the lack of consideration of the minimum input and Minimum switch-off times of the power semiconductors, whereby the calculated Pulse pattern is falsified during implementation by the converter. Especially These minimum times are considerable for high-performance GTO inverters (<100 µs), which means that these minimum times are neglected in the calculation of the pulse pattern causes unwanted harmonics. One possible ability to avoid falling below the minimum times due to the pulse pattern, is the limitation of the specified target voltage to a sinusoidal one Voltage that only in terms of its angular velocity and amplitude Regulation is adjusted [6]. This sinusoidal target voltage is now so linked to the pulse pattern that the shortfall is exceeded is closed. A disadvantage of this method is that the regulation of the angle  the sinusoidal voltage only indirectly via the angular velocity can set and the achievable control dynamics is thus reduced. Furthermore, only sinusoidal target voltages can be realized. Soon proportions and higher harmonics are not possible with this definition bar.

In der Bahntechnik werden häufig mehrere 4QS-Module über galvanisch ent­ koppelte Transformatorwicklungen an das Bahnnetz angeschlossen (z. B. GTO- Umrichter in 3-Level-Technik: Bild 1 u. 2). In Bild 1 sind die umrichter­ seitigen Wicklungen des Transformators in Reihe geschaltet, so daß sich die pulsenden Spannungen der 4QS-Module addieren. Durch versetzte Taktung der 4QS-Module untereinander können die Oberschwingungen im Bahnnetz deutlich reduziert werden - mit der 3-Level-Technik können so die niedrigen zulässigen Oberschwingungsgrenzwerte der Bahn bereits bei niedrigen Pulsfrequenzen ein­ gehalten werden, wenn das Pulsmuster unverfälscht realisiert wird.In railway technology 4QS several modules via galvanically ent coupled transformer windings are often connected to the railway network (for example, GTO inverter 3-level technique. Figure 1 u. 2). In Figure 1, the converter windings of the transformer are connected in series so that the pulsating voltages of the 4QS modules add up. By staggering the 4QS modules with each other, the harmonics in the rail network can be significantly reduced - with the 3-level technology, the low permissible harmonic limit values of the rail can be maintained even at low pulse frequencies if the pulse pattern is implemented correctly.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine weitgehend frei vorgebbare Sollspannung unter Ein­ haltung der maximalen Pulsfrequenz moduliert, ohne dabei die Mindestzeiten der Leistungshalbleiter zu unterschreiten. Des weiteren ist die Belastung des Zwischenkreismittelpunkts durch Koordinierung der 4QS-Module unterein­ ander zu optimieren.The invention has for its object a method of the aforementioned Specify type, which a largely freely definable target voltage under On Maintaining the maximum pulse frequency modulated without losing the minimum times to fall below the power semiconductor. Furthermore, the burden the center of the DC link by coordinating the 4QS modules to optimize others.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.This object is characterized according to the invention by the in claim 1 Features resolved.

Auf vorteilhafte Weise erfolgt damit eine Berücksichtigung der Mindestein- und Mindestausschaltzeiten der Leistungshalbleiter, eine Einhaltung der vorge­ gebenen maximalen Pulsfrequenz und eine optimale symmetrische Belastung des Zwischenkreismittelpunkts unter Vorhaltung der Eingriffsmöglichkeit zur Zwischenkreisspannungs-Symmetrierung.The minimum input and Minimum switch-off times of the power semiconductors, compliance with the pre given maximum pulse rate and an optimal symmetrical load of the Intermediate circuit center while providing the possibility of intervention for DC link voltage balancing.

Im einzelnen findet das Verfahren nach der Erfindung wie folgt Anwendung:In detail, the method according to the invention is used as follows:

Pulsmustergenerator für einen VierquadrantenstellerPulse pattern generator for a four-quadrant actuator

Bei der Dreiecksmodulation werden aus dem Vergleich der zu modulierenden Soll­ spannung mit einem Dreiecks-Modulationsträger (bzw. Dreieckssignal) die Schaltzeit­ punkte des Pulsmusters abgeleitet. In Bild 3 ist auf diese Weise die zeitdiskret vorgegebene Sollspannung u* durch ein Pulsmuster mit zwei Schaltzuständen (2-Le­ vel-Zweigpaar) moduliert. Die zeitdiskrete Sollspannung u* kann zu jeder Spitze des Dreieckssignals aktualisiert werden, denn in dem jeweils zwischen zwei Spitzen liegenden Zeitintervall [tk, tk+1] generiert die Dreiecksmodulation eine Schaltflanke, mit der die Sollspannung im Mittel über dieses Zeitintervall eingestellt wird (Regular- Sampling). Die Länge TA(k) des Zeitintervalls [tk, tk+1] ist somit gleich der halben Peri­ odendauer des Dreieckssignals, wobei über die Frequenz des Dreieckssignals die mittlere Pulsfrequenz fP festlegt ist:
In triangular modulation, the switching times of the pulse pattern are derived from the comparison of the desired voltage to be modulated with a triangular modulation carrier (or triangular signal). In this way, Figure 3 modulates the setpoint voltage u *, which is time-discretely, by means of a pulse pattern with two switching states (2-level pair of branches). The time-discrete setpoint voltage u * can be updated at each peak of the triangular signal, because in the time interval [t k , t k + 1 ] between two peaks, the triangular modulation generates a switching edge with which the setpoint voltage is set on average over this time interval ( Regular sampling). The length T A (k) of the time interval [t k , t k + 1 ] is therefore equal to half the period of the triangular signal, the mean pulse frequency f P being determined via the frequency of the triangular signal:

Ein 3-Level-Zweigpaar - zwei 3-Level-Zweigpaare bilden einen 3-Level-4QS - besitzt nun drei Schaltzustände +,0 oder - und kann mit diesen drei unterschiedliche Poten­ tiale ½ud, 0 V, -½ud (bei ud1=ud2=½ud) an die Anschlußklemmen A bzw. B (Bild 2) schalten. Für die Dreiecksmodulation werden folglich zwei der in Bild 3 verwendeten Dreieckssignale benötigt, die gegeneinander um 180° phasenverschoben werden (Bild 4). Durchkreuzt die zeitdiskrete Sollspannung ein Dreieckssignal, so wechselt das 3-Level-Zweigpaar den Schaltzustand. Welcher Schaltzustand nach einer Durch­ kreuzung eines Dreieckssignals angenommen werden soll, muß in die Anordnung der Dreieckssignale (Bild 4) eingetragen werden, da dem einzelnen Dreieckssignal nicht mehr ein Potentialstellbefehl eines bestimmten Brückenzweiges zugeordnet werden kann, der im Falle der Durchkreuzung durch die Sollspannung umzuschalten ist. Im folgenden werden daher die einzelnen Dreieckssignale nicht mehr betrachtet, da sie ohnehin nur für eine analoge Realisierung des Pulsmustergenerators von Bedeutung sind. Maßgeblich für das Pulsmuster sind nur noch die von den Dreieckssignalen gebildeten Schaltlinien. (Die Angabe von Phasenverschiebungen bezieht sich jedoch weiterhin auf die einzelnen Dreieckssignale.) Die Zeitintervalle [tk, tk+1], über die die zeitdiskrete Sollspannung u* vorgegeben wird, bestimmen sich nun aus den Spitzen und den Kreuzungspunkten der Dreieckssignale (Bild 4). Über diese Zeitintervalle wird die Sollspannung u* jeweils mit einer Schaltflanke im Mittel eingestellt. Die Länge des Zeitintervalls TA(k) beträgt folglich:
A 3-level branch pair - two 3-level branch pairs form a 3-level 4QS - now has three switching states +, 0 or - and can use these three different potentials ½u d , 0 V, -½u d (with u Connect d1 = u d2 = ½u d ) to terminals A and B ( Fig. 2). For triangular modulation, two of the triangle signals used in Figure 3 are required, which are phase-shifted from each other by 180 ° ( Figure 4). If the time-discrete setpoint voltage crosses a triangular signal, the 3-level branch pair changes the switching state. Which switching state is to be assumed after crossing a triangular signal must be entered in the arrangement of the triangular signals ( Figure 4), since the individual triangular signal can no longer be assigned a potential setting command for a specific bridge branch, which must be switched in the event of a crossing through the setpoint voltage . The individual triangle signals are therefore no longer considered in the following, since they are only relevant for an analog implementation of the pulse pattern generator anyway. Only the switching lines formed by the triangular signals are decisive for the pulse pattern. (However, the specification of phase shifts still refers to the individual triangle signals.) The time intervals [t k , t k + 1 ], over which the time-discrete set voltage u * is specified, are now determined from the peaks and the crossing points of the triangle signals ( Fig 4). Over these time intervals, the target voltage u * is set on average with one switching edge. The length of the time interval T A (k) is therefore:

Ein 3-Level-4QS besteht aus zwei 3-Level-Zweigpaaren (Bild 2), die unabhängig voneinander schalten können. In Tabelle 1 sind für die insgesamt 32=9 möglichen Schaltzustände eines 3-Level-4QS die jeweilige Spannung uAB=vA-vB, die Belastung der Zwischenkreise und die stromführenden Halbleiter aufgeführt. Die Zwischenkreis­ spannungen ud1 und ud2 werden dabei als gleich groß angenommen. A 3-level 4QS consists of two 3-level branch pairs ( Figure 2), which can switch independently of one another. Table 1 shows the respective voltage u AB = v A -v B , the load on the intermediate circuits and the current-carrying semiconductors for the total of 3 2 = 9 possible switching states of a 3-level 4QS. The DC link voltages u d1 and u d2 are assumed to be the same size.

Belastung der Zwischenkreise und der Halbleiter eines 3-Level-4QS ab­ hängig vom Schaltzustand (Bezeichnungen siehe Bild 2)Load on the intermediate circuits and the semiconductors of a 3-level 4QS depending on the switching status (for designations see Figure 2)

Belastung der Zwischenkreise und der Halbleiter eines 3-Level-4QS ab­ hängig vom Schaltzustand (Bezeichnungen siehe Bild 2)Load on the intermediate circuits and the semiconductors of a 3-level 4QS depending on the switching status (for designations see Figure 2)

Um eine versetzte Taktung der Zweigpaare zu erreichen, werden die jeweils zwei Dreieckssignale der 3-Level-Zweigpaare (Bild 4), mit denen die Schaltlinien konstruiert werden, gegeneinander um 90° in der Phase verschoben. In die so gebildete Anord­ nung der Schaltlinien (Bild 5) lassen sich wiederum die Schaltzustände des 3-Level- 4QS eintragen (+,0 oder - für Zweigpaar A und B, z. B.: +- für vA=½ud, vB=-½ud). Nun gibt es verschiedene Schaltzustände, die bezüglich der an den Klemmen A, B (Bild 2) erzeugten Spannung uAB redundant sind: +0 und 0- für uAB=½ud, 0+ und -0 für uAB=-½ud, -- und 00 und ++ für uAB=0 V (ud1=ud2 vorausgesetzt) (s. Tabelle 1). Folglich gibt es auch verschiedene Möglichkeiten, diese Schaltzustände den Dreiecks­ signalen zuzuordnen. Bild 5 zeigt zwei Varianten a und b der Zuordnung der Schalt­ zustände, mit denen zu einer beliebigen zeitdiskreten Sollspannung die selbe Span­ nung uAB erzeugt wird. In Analogie zur Dreiecksmodulation für einen 3-Level-Brücken­ zweig (Bild 4) kann die zeitdiskrete Sollspannung wiederum zu jedem Kreuzungspunkt der Schaltlinien aktualisiert werden, denn in dem jeweils zwischen zwei Kreuzungs­ punkten liegenden Zeitintervall [tk, tk+1] generiert die Dreiecksmodulation eine Schalt­ flanke, mit der die Sollspannung im Mittel über dieses Zeitintervall eingestellt wird. FÜr die Länge des Zeitintervalls TA(k) gilt:
In order to achieve an offset timing of the branch pairs, the two triangular signals of the 3-level branch pairs ( Figure 4) with which the switching lines are constructed are shifted in phase by 90 °. The switching states of the 3-level 4QS can be entered in the arrangement of the switching lines ( Figure 5) (+, 0 or - for branch pairs A and B, e.g.: + - for v A = ½u d , v B = -½u d ). There are now various switching states that are redundant with regard to the voltage u AB generated at terminals A, B ( Figure 2): +0 and 0- for u AB = ½u d , 0+ and -0 for u AB = -½u d , - and 00 and ++ for u AB = 0 V (u d1 = u d2 provided) (see Table 1). As a result, there are various ways of assigning these switching states to the triangular signals. Figure 5 shows two variants a and b of the assignment of the switching states with which the same voltage u AB is generated for any time-discrete setpoint voltage. In analogy to triangular modulation for a 3-level bridge branch ( Fig. 4), the discrete-time setpoint voltage can in turn be updated for each crossing point of the switching lines, because it generates the time interval [t k , t k + 1 ] between two crossing points Triangular modulation is a switching edge with which the target voltage is set on average over this time interval. The following applies to the length of the time interval T A (k):

So können sämtliche Schaltflanken als Stellmöglichkeit für die Regelung genutzt werden. Diese Zeitintervalle [tk, tk+1] können gleichzeitig als Abtastintervalle der Regelung gewählt werden. So all switching edges can be used as a setting for the control. These time intervals [t k , t k + 1 ] can be selected at the same time as sampling intervals of the control.

Das Modulationsverfahren (Bild 5) muß bei der Umsetzung der Sollspannung für eine symmetrischen Belastung der Leistungshalbleiter und der Zwischenkreise sorgen und außerdem die vom Leistungsteil vorgegebenen Grenzwerte bezüglich maximaler Puls­ frequenz und Mindestzeiten Tmin der GTO einhalten. So weisen die bezüglich der erzeugten Spannung uAB redundanten Schaltzustände eine unterschiedliche Belastung der Leistungshalbleiter und Zwischenkreise auf. Werden die Sollspannung und der sich lastabhängig einstellende Strom als sinusförmig angenommen und sind die Schaltlinien des Modulationsverfahrens synchron zur Periode der Sollspannung, so kann eine symmetrische Belastung der Leistungshalbleiter und Zwischenkreise mit einer alternierenden Verteilung der bezüglich uAB redundanten Schaltzustände erreicht werden. Die Modulationsvarianten (Bild 5) zeigen zwei Möglichkeiten der alternie­ renden Verteilung dieser Schaltzustände.The modulation process ( Fig. 5) must ensure a symmetrical load on the power semiconductors and the intermediate circuits when converting the target voltage and also comply with the limit values specified by the power unit with regard to the maximum pulse frequency and minimum times T min of the GTO. The switching states, which are redundant with respect to the generated voltage u AB, have different loads on the power semiconductors and intermediate circuits. If the target voltage and the load-dependent current are assumed to be sinusoidal and the switching lines of the modulation process are synchronous with the period of the target voltage, symmetrical loading of the power semiconductors and intermediate circuits can be achieved with an alternating distribution of the switching states that are redundant with respect to u AB . The modulation variants ( Figure 5) show two options for the alternating distribution of these switching states.

Zur Einhaltung der maximal zulässigen Pulsfrequenz der GTO wird angenommen, das Modulationsverfahren erzeuge in jedem Zeitintervall t ∈ [tk, tk+1] genau eine Schaltflanke und die Schaltflanken würden im Mittel gleichmäßig auf die GTO verteilt. Unter dieser Bedingung ist die Pulsfrequenz der GTO gleich der Frequenz der einzelnen Dreiecks­ signale, die die Schaltlinien bilden und kann damit leicht festgelegt werden. Bei der Betrachtung der in Bild 5 bespielhaft skizzierten Verläufe der Sollspannung u* und der mit dem Modulationsverfahren erzeugten Spannung uAB wird jedoch deutlich, daß neben den o.g. Schaltflanken in den Zeitintervallen t ∈ [tk, tk+1] zusätzliche Schalt­ flanken auftreten, wenn die zeitdiskrete Sollspannung u* zu den Abtastzeitpunkten (z. B. bei tk+1 und tk+7) die Kreuzungspunkte der Schaltlinien schneidet. Werden diese zusätzlichen Schaltflanken zugelassen, so ist eine Sicherstellung der maximalen Pulsfrequenz schwierig. Zur Vermeidung dieser zusätzlichen Schaltflanken müssen Änderungen der Sollspannung über die Kreuzungspunkte hinaus verboten werden, auch wenn die gewünschte Sollspannung hierdurch nicht exakt realisiert wird. Bild 7 zeigt beispielhaft, wie die gewünschte Sollspannung modifiziert wird, um zusätzliche Schaltflanken zu vermeiden (gestrichelte Linie für die gewünschte Sollspannung u*, durchgezogene Linie für die modifizierte Sollspannung).To maintain the maximum permissible pulse frequency of the GTO, it is assumed that the modulation method generates exactly one switching edge in each time interval t ∈ [t k , t k + 1 ] and the switching edges are distributed evenly on average to the GTO. Under this condition, the pulse frequency of the GTO is equal to the frequency of the individual triangle signals that form the switching lines and can therefore be easily determined. When looking at the curves of the target voltage u * and the voltage u AB generated with the modulation method, which is exemplarily sketched in Figure 5, it becomes clear that in addition to the switching edges mentioned above, additional switching edges occur in the time intervals t ∈ [t k , t k + 1 ] , if the time-discrete target voltage u * at the sampling times (e.g. at t k + 1 and t k + 7 ) intersects the crossing points of the switching lines. If these additional switching edges are permitted, it is difficult to ensure the maximum pulse frequency. To avoid these additional switching edges, changes in the target voltage beyond the crossing points must be prohibited, even if the desired target voltage is not exactly achieved as a result. Figure 7 shows an example of how the desired setpoint voltage is modified in order to avoid additional switching edges (dashed line for the desired setpoint voltage u *, solid line for the modified setpoint voltage).

Schließlich muß das Modulationsverfahren zur Gewährleistung einer fehlerfreien Umsetzung der Sollspannung u* die zulässigen Mindestein- und Mindestausschalt­ zeiten der GTO einhalten. Andernfalls ist die Impulsbildung gezwungen, die zu den Sollspannungen berechneten Pulse zu verfälschen. In Bild 5 weist die erzeugte Spannung uAB sehr dicht aufeinanderfolgende Schaltflanken in der Nähe der Ab­ tastzeitpunkte tk+3, tk+6 und tk+8 auf. Realisiert das Modulationsverfahren diese Schalt­ flanken mit einem 3-Level-Zweigpaar, so besteht die Gefahr der Verletzung der Mindestzeiten der GTO. In der Nähe von tk+8 verwenden beide Modulationsvarianten die Schaltfolge +-, 0-, +-, um die Sollspannungen, die nahe an der Aussteuerungs­ grenze des Modulationsverfahrens liegen, umzusetzen. Beide Varianten führen somit zwei kurz aufeinanderfolgende Schaltungen mit Zweigpaar A aus, womit die Mindest­ zeiten verletzt werden. Dies ist jedoch bei hohen Aussteuerungen unumgänglich und kann nur durch Begrenzung der Sollspannung vermieden werden. Anders ist dies bei den Schaltflanken um tk+3, die bei der Modulationsvariante a mit der Schaltfolge 0+, -+, -0 und bei Variante b mit der Schaltfolge 0+, -+, 0+ realisiert werden. Während die zwei Schaltflanken bei Variante a mit verschiedenen Zweigpaaren realisiert werden, setzt Variante b nur Zweigpaar A ein und eine unerwünschte Unterschreitung der Mindestzeiten ist möglich. Für die Schaltflanken um tk+6 tritt der umgekehrte Fall ein. Hier verwendet Variante a mit 00, +0,00 nur Zweigpaar A und Variante b mit 00, 0-, -- beide Zweigpaare, d. h. bei Variante a droht die Unterschreitung der Mindest­ zeiten. Allgemein gilt:
Finally, the modulation process to ensure error-free implementation of the target voltage u * must adhere to the permissible minimum switch-on and switch-off times of the GTO. Otherwise, the pulse formation is forced to falsify the pulses calculated for the target voltages. In Figure 5, the voltage u AB generated has switching edges that follow one another very closely in the vicinity of the sampling times t k + 3 , t k + 6 and t k + 8 . If the modulation process realizes these switching edges with a 3-level pair of branches, there is a risk of violating the minimum times of the GTO. In the vicinity of t k + 8 , both modulation variants use the switching sequence + -, 0-, + - in order to implement the target voltages, which are close to the modulation limit of the modulation process. Both variants therefore carry out two circuits in succession with branch pair A, which violates the minimum times. However, this is unavoidable at high levels and can only be avoided by limiting the target voltage. This is different for the switching edges around t k + 3 , which are implemented in the modulation variant a with the switching sequence 0+, - +, -0 and in variant b with the switching sequence 0+, - +, 0+. While the two switching edges in variant a are implemented with different branch pairs, variant b only uses branch pair A and it is possible that the minimum times are undershot. The reverse occurs for the switching edges around t k + 6 . Here variant a with 00, +0.00 only uses branch pair A and variant b with 00, 0-, - both branch pairs, ie variant a threatens to fall below the minimum times. In general:

  • - Modulationsvariante a ist für Sollspannungen u* in der Nähe von 0 V ungeeignet- Modulation variant a is unsuitable for target voltages u * near 0 V.
  • - Modulationsvariante b ist für Sollspannungen u* in der Nähe von ±½ud ungeeignet.- Modulation variant b is unsuitable for target voltages u * close to ± ½u d .

Um dennoch eine Modulierung der Sollspannung u* ohne Unterschreitung der Min­ destzeiten der GTO zu erreichen, darf der Pulsmustergenerator nicht starr nach einer Modulationsvariante arbeiten, sondern muß flexibel zwischen den zwei Modulations­ varianten a und b wechseln: Verwendet der Pulsmustergenerator Variante a, so wird zu jedem Abtastzeitpunkt mit den Schaltzuständen +0, 0+, 0- oder -0 geprüft, ob mit der vorgegebenen Sollspannung u* die Mindestzeit Tmin in den folgenden Abtast­ schritten unterschritten werden könnte (wobei T'min wird mit ausreichendem Sicher­ heitsabstand zu Tmin gewählt wird):
In order to achieve a modulation of the target voltage u * without falling below the minimum GTO times, the pulse pattern generator must not work rigidly according to one modulation variant, but must switch flexibly between the two modulation variants a and b: If the pulse pattern generator uses variant a, then Each sampling time with the switching states +0, 0+, 0- or -0 checked whether the specified target voltage u * could fall below the minimum time T min in the following sampling steps (whereby T ' min becomes sufficient with safety margin to T min is selected):

In diesem Fall wird entsprechend der in Bild 5 angegebenen Pfeile, zur Modula­ tionsvariante b gewechselt, ohne daß hierbei zusätzliche Umschaltungen erforderlich sind. Nun verwendet der Pulsmustergenerator die Modulationsvariante b für die nächsten sechs Abtastschritte und wechselt dann entsprechend der Pfeile wieder zur Variante a zurück, wenn die Bedingung (4) nicht mehr erfüllt ist. Ist (4) nicht erfüllt, wird für weitere sechs Abtastschritte mit Modulationsvariante b fortgefahren. In Bild 6 sind zwei verschiedene Wechsel zwischen den Modulationsvarianten dargestellt. Mit dem hier beschriebenen neuartigen Verfahren der Dreiecksmodulation für 3-Level- 4QS können somit Fehler bei der Modulierung einer etwa sinusförmigen Sollspannung u* aufgrund von Unterschreitungen der Mindestzeiten vermieden werden, ohne zusätzliche Schaltflanken zu erzeugen. Die Sollspannung u* kann also nur dann nicht exakt realisiert werden, wenn sie zu nahe an die Aussteuerungsgrenze heran reicht (z. B. bei tk+8 in Bild 5) oder wenn sie in einem Abtastschritt über einen Kreuzungs­ punkt der Schaltlinien hinaus geändert wird.In this case, switch to modulation variant b in accordance with the arrows shown in Figure 5, without additional switching being required. Now the pulse pattern generator uses modulation variant b for the next six scanning steps and then switches back to variant a according to the arrows when condition (4) is no longer fulfilled. If (4) is not fulfilled, modulation variant b is continued for a further six scanning steps. Figure 6 shows two different changes between the modulation variants. With the novel method of triangular modulation for 3-level 4QS described here, errors in the modulation of an approximately sinusoidal target voltage u * due to the minimum times being undershot can be avoided without generating additional switching edges. The setpoint voltage u * can therefore not be achieved exactly if it reaches too close to the modulation limit (e.g. at t k + 8 in Fig. 5) or if it changes in one scanning step beyond a crossing point of the switching lines becomes.

Die Symmetrierung der Zwischenkreisspannungen kann mit beiden Modulations­ varianten leicht umgesetzt werden, indem die strenge Abfolge der Schaltzustände aufgegeben wird und bezüglich uAB redundante Schaltzustände ausgetauscht werden. Beispielsweise können bei Variante a in einzelnen Zeitintervallen (z. B. im Intervall [tk+3, tk+5] (Bild 5)) die Schaltzustände 0- und -0 gegen die Schaltzustände +0 und 0+ ersetzt werden, um ein Ungleichgewicht in der Belastung der einzelnen Zwischen­ kreise hervorzurufen und so eine dynamische Symmetrierung zu erreichen. Bei Variante b wird in gleicher Weise verfahren, jedoch muß hier immer eine Gruppe von zwei gleichen aufeinanderfolgenden Schaltzuständen gewechselt werden (wie z. B. 0- und -0 im Intervall [tk+5, tk+9] (Bild 5)). Werden bei Variante a Schaltzustände ausge­ tauscht, so muß zuvor die aktuelle Sollspannung geprüft werden. Ist diese in der Nähe von ±½ud, so besteht entgegen dem Normalfall die Gefahr der Unterschreitung der Mindestzeiten, da die jeweils schaltenden Zweigpaare durch den Austausch nun nicht mehr alternieren. The balancing of the DC link voltages can be easily implemented with both modulation variants by giving up the strict sequence of the switching states and exchanging redundant switching states with regard to u AB . For example, in variant a, the switching states 0- and -0 can be replaced by the switching states +0 and 0+ in individual time intervals (e.g. in the interval [t k + 3 , t k + 5 ] ( Fig. 5)) create an imbalance in the load on the individual intermediate circuits and thus achieve dynamic symmetry. The procedure for variant b is the same, but a group of two identical switching states must always be changed here (such as 0- and -0 in the interval [t k +5, t k + 9 ] ( Figure 5) ). If switching states are exchanged in variant a, the current target voltage must be checked beforehand. If this is in the vicinity of ± ½u d , there is a risk that the minimum times may not be met, contrary to the normal case, since the switching branch pairs no longer alternate due to the exchange.

Pulsmustergenerator für zwei VierquadrantenstellerPulse pattern generator for two four-quadrant actuators

Das für einen 3-Level-4QS entwickelte Modulationsverfahren wird im folgenden für die Steuerung von zwei 3-Level-4QS erweitert, die über den Bahnnetz-Transformator in Reihe geschaltet sind. (Die 4QS-Module 1 und 3 sind an die umrichterseitigen Wicklungen angeschlossen, während die übrigen zwei Wicklungen offen sind (Bild 1).) Für die Dreiecksmodulation werden für jeden 3-Level-4QS die Schaltlinien nach Bild 5 verwendet, wobei im Sinne der versetzten Taktung die einzelnen Dreieckssignale der Schaltlinien (mit ±ud als Spitzenwerten) für den ersten und zweiten 3-Level-4QS gegeneinander um 45° in der Phase verschoben werden (Bild 6). In Abschnitt 1 wurden die Zeitpunkte tk für die Aktualisierung der zeitdiskreten Sollspannung u* zeit­ gleich mit den Kreuzungspunkten der Schaltlinien eines 3-Level-4QS gewählt (Bild 5). Auch bei den durch Phasenverschiebung konstruierten Schaltlinien für zwei 4QS-Mo­ dule treten die Kreuzungspunkte weiterhin gleichzeitig auf (Bild 6). Die Spannungs­ sollwerte u der beiden 4QS-Module können somit gleichzeitig zu den gemeinsamen Zeitpunkten tk vorgegeben werden.The modulation method developed for a 3-level 4QS is expanded in the following for the control of two 3-level 4QS, which are connected in series via the rail network transformer. (The 4QS modules 1 and 3 are connected to the converter-side windings, while the other two windings are open ( Figure 1).) For the triangular modulation, the switching lines according to Figure 5 are used for each 3-level 4QS, whereby in the sense of offset, the individual triangle signals of the switching lines (with ± u d as peak values) for the first and second 3-level 4QS are shifted in phase by 45 ° ( Fig. 6). In section 1, the times t k for updating the time-discrete set voltage u * time were selected to be the same as the crossing points of the switching lines of a 3-level 4QS ( Figure 5). In the switching lines for two 4QS modules constructed by phase shifting, the crossing points continue to occur simultaneously ( Figure 6). The voltage setpoints u of the two 4QS modules can thus be specified simultaneously at the common times t k .

Für die Untersuchung der Zwischenkreis-Mittelpunktsbelastung der Pulsmuster der einzelnen 3-Level-4QS und der resultierenden Gesamtbelastung des Zwischenkreis- Mittelpunkts beider 3-Level-4QS werden die Hilfsgrößen pni eingeführt, die folgen­ dermaßen definiert sind: Zu den Zeitintervallen, bei denen das Pulsmuster die Schalt­ zustände +0 und 0+ annehmen kann, ist pni:=1 und zu den übrigen Zeitintervallen, in den die Schaltzustände -0 und 0- auftreten können, ist pni:=-1 (Bild 6). Aus den Hilfsgrößen pni allein ist die tatsächliche Belastung des Zwischenkreis-Mittelpunkts nicht ablesbar, da die von der modulierten Sollspannung abhängige Dauer der Schaltzustände (+0, 0+, -0, 0-) und auch der Stromverlauf nicht berücksichtigt sind. Dennoch kann anhand der Hilfsgrößen pni die Symmetrie der Belastung des Zwi­ schenkreis-Mittelpunkts analysiert werden, wenn Sollspannungen und Ströme als etwa sinusförmig angenommen werden. So wird bei pni=1 nur der positive Zwischenkreis je nach Vorzeichen von Strom und Sollspannung belastet, während bei pni=-1 in gleicher Weise der negative Zwischenkreis belastet wird und die Unsymmetrie somit kompensiert wird, wenn Strom und Sollspannung als unverändert angenommen werden. Betrachtet man pn1 und pn3, so alterniert die Mittelpunktsbelastung bei der Modulationsvariante a gegenüber der Variante b mit der doppelten Frequenz. Da der Pulsmustergenerator zur Vermeidung der Unterschreitung von Mindestzeiten jeweils für Vielfache von sechs Zeitintervallen nach der Modulationsvariante b verfährt, ist die Symmetrie jeder einzelnen Mittelpunktsbelastung pn1 bzw. pn3 unabhängig von der Modulationsvariante und auch die Symmetrie der Summe der Belastungen pn1+pn3 sichergestellt (Bild 6).For the investigation of the DC link center load of the pulse pattern of the individual 3-level 4QS and the resulting total load of the DC link center of both 3-Level 4QS, the auxiliary variables pn i are introduced, which are defined as follows: At the time intervals at which the Pulse pattern that the switching states +0 and 0+ can assume is pn i : = 1 and at the other time intervals in which the switching states -0 and 0- can occur, pn i : = - 1 ( Figure 6). The actual load on the intermediate circuit center cannot be read from the auxiliary variables pn i alone, since the duration of the switching states (+0, 0+, -0, 0-), which is dependent on the modulated target voltage, and the current profile are not taken into account. Nevertheless, the symmetry of the load on the intermediate circuit center can be analyzed on the basis of the auxiliary variables pn i if target voltages and currents are assumed to be approximately sinusoidal. With pn i = 1, only the positive DC link is loaded depending on the sign of the current and set voltage, while with pn i = -1 the negative DC link is loaded in the same way and the asymmetry is thus compensated for if current and set voltage are assumed to be unchanged . Looking at pn 1 and pn 3 , the center load alternates with the modulation variant a compared to the variant b with twice the frequency. Since the pulse pattern generator to avoid the underflow of minimum times each procedure b for multiples of six time intervals after modulation variant, the symmetry of each center load is pn 1 and pn 3 independent of the modulation variation and also the symmetry of the sum of the loads pn 1 + pn 3 ensured ( picture 6).

Da die einzelnen Sollspannungen u*2B,1 und u*2B,3 der 3-Level-4QS im stationären Betrieb nahezu identisch sind, wird auch die Bedingung (4) für die Anwendung der Modulationsvariante b für beide 3-Level-4QS etwa gleichzeitig erfüllt sein. Für eine Optimierung der gemeinsamen Zwischenkreis-Mittelpunktsbelastung pn1+pn3 ist es vorteilhaft, die Wechsel der Modulationsvariante der beiden 4QS-Module miteinander zu koordinieren: Aufgrund der versetzten Taktung befindet sich zu jedem Zeitpunkt tk immer nur ein 3-Level-4QS in einem Schaltzustand (+0, 0+, 0- oder -0), zu dem ein Wechsel der Modulationsvariante durchgeführt werden kann, ohne zusätzliche Schalt­ flanken zu verursachen. Ist zu einem Zeitpunkt tk die Bedingung (4) für einen Wechsel erfüllt, so wird zu diesem Zeitpunkt die Modulationsvariante des 3-Level-4QS mit dem entsprechenden Schaltzustand gewechselt und zum darauffolgenden Zeitpunkt tk+1 auch die Modulationsvariante des anderen 3-Level-4QS gewechselt. Die für die Mittel­ punktsbelastung relevanten Schaltzustände (+0, 0+, 0-, -0) werden dabei jeweils so gewählt, daß sich pn1 und pn3 in der Summe möglichst aufheben. Bild 6 zeigt zwei bezüglich der Mittelpunktsbelastung optimale Wechsel der Modulationsvariante für das Paar von 3-Level-4QS.Since the individual target voltages u * 2B, 1 and u * 2B, 3 of the 3-level 4QS are almost identical in steady-state operation, the condition (4) for using the modulation variant b for both 3-level 4QS becomes roughly the same be fulfilled. To optimize the common DC link center load pn 1 + pn 3 , it is advantageous to coordinate the change of the modulation variant of the two 4QS modules with each other: Due to the offset timing, there is only one 3-level 4QS at any time t k a switching state (+0, 0+, 0- or -0) to which the modulation variant can be changed without causing additional switching edges. If the condition (4) for a change is met at a point in time t k , the modulation variant of the 3-level 4QS with the corresponding switching state is changed at this point in time and also the modulation variant of the other 3-level at the following point in time t k + 1 -4QS changed. The switching states relevant for the center point load (+0, 0+, 0-, -0) are selected so that pn 1 and pn 3 cancel each other out as much as possible. Figure 6 shows two changes in the modulation variant for the pair of 3-level 4QS that are optimal with regard to the center load.

Zur Vermeidung von zusätzlichen Schaltflanken werden Änderungen der Sollspan­ nung über die Kreuzungspunkte der Schaltlinien hinaus nicht zugelassen (Abschnitt 1). Dies bedeutet aber, daß die gewünschte Sollspannung wie im Beispiel in Bild 7 nicht exakt realisiert werden kann. Wird auf eine Korrektur dieses Spannungsfehlers verzichtet, so entstehen hierdurch unerwünschte Oberschwingungen. Die Korrektur des Spannungsfehlers im darauffolgenden Zeitintervall erreicht nur eine unzureichen­ de Verbesserung des Oberschwingungsgehalts. Eine wirkungsvolle Korrektur des Spannungsfehlers kann nur durch eine Koordinierung der beiden 3-Level-4QS erreicht werden: Durch die versetzte Taktung der 3-Level-4QS sind auch die Kreuzungspunkte der Schaltlinien der Modulationsverfahren zueinander versetzt (Bild 7). Werden näherungsweise gleiche Sollspannungen für die beiden 3-Level-4QS vorausgesetzt, so wird eine Begrenzung der Sollspannung durch die Kreuzungspunkte immer nur bei einem der beiden 3-Level-4QS auftreten, während der andere für den Ausgleich der dadurch entstehenden Fehlspannung eingesetzt werden kann (Bild 7).To avoid additional switching edges, changes in the target voltage beyond the crossing points of the switching lines are not permitted (Section 1). However, this means that the desired target voltage, as in the example in Figure 7, cannot be achieved exactly. If this voltage error is not corrected, undesirable harmonics arise. The correction of the voltage error in the subsequent time interval only achieves an insufficient improvement in the harmonic content. An effective correction of the voltage error can only be achieved by coordinating the two 3-level 4QS: Due to the offset timing of the 3-level 4QS, the crossing points of the switching lines of the modulation methods are also offset from one another ( Figure 7). If approximately the same target voltages are required for the two 3-level 4QS, the target voltage will only be limited by the crossing points in one of the two 3-level 4QS, while the other can be used to compensate for the resulting incorrect voltage ( Image 7).

Pulsmustergenerator für vier VierquadrantenstellerPulse pattern generator for four four-quadrant actuators

Für die Erweiterung des Modulationsverfahrens für ein Paar von zwei 3-Level-4QS (Abschnitt 2) auf zwei Paare von insgesamt vier 4QS-Modulen werden die einzelnen Dreieckssignale der Schaltlinien (mit ±ud als Spitzenwerten) des jeweiligen Paares (Bild 6) (4QS-Modul 1 und 3 bzw. 2 und 4 in Bild 1) nochmals um 22.5° gegenein­ ander in der Phase verschoben. Während beim Modulationsverfahren für zwei 3-Le­ vel-4QS noch gemeinsame Zeitpunkte tk für die Aktualisierung der zeitdiskreten Sollspannung u existieren (Bild 6), sind die Zeitpunkte tk g und tk h der zwei Paare von 4QS-Modulen nun gegeneinander versetzt (Bild 8). Werden die Längen TA g(k), TA h(k) der Zeitintervalle [tk g, tk+1 g], [tk h, tk+1 h] im Betrieb variiert, so muß hierbei für die Gewähr­ leistung der versetzten Taktung gesorgt werden. Die Längen der Zeitintervalle werden folglich abhängig voneinander bestimmt:
To expand the modulation process for a pair of two 3-level 4QS (section 2) to two pairs of a total of four 4QS modules, the individual triangle signals of the switching lines (with ± u d as peak values) of the respective pair are used ( Figure 6) ( 4QS module 1 and 3 or 2 and 4 in Figure 1) shifted again by 22.5 ° against each other in phase. While in the modulation method for two 3-Le vel-4QS there are still common times t k for updating the time-discrete set voltage u ( Figure 6), the times t k g and t k h of the two pairs of 4QS modules are now offset from one another ( Image 8). If the lengths T A g (k), T A h (k) of the time intervals [t k g , t k + 1 g ], [t k h , t k + 1 h ] are varied during operation, then for Ensure the offset clocking are taken care of. The lengths of the time intervals are therefore determined depending on one another:

Abschließend soll nochmals die Zwischenkreis-Mittelpunktsbelastung bei den vier 3-Level-4QS betrachtet werden. Für die Paare der 3-Level-4QS wurde die gemeinsa­ me Mittelpunktsbelastung bereits in Abschnitt 2 optimiert (Bild 6). Für die Optimierung der gesamten Mittelpunktsbelastung der vier 3-Level-4QS werden daher die bereits festgelegten Mittelpunktsbelastungen der Paare pn1+pn3 und pn2+pn4 so gegenein­ ander zeitlich versetzt, daß sie sich in der Summe möglichst aufheben. Bild 9 zeigt zwei Möglichkeiten der Versetzung von pn1+pn3 und pn2+pn4 (Verläufe nach Bild 6a), von denen die zweite Möglichkeit eine deutlich geringere Belastung in der Gesamt- Mittelpunktsbelastung aufweist und somit zu bevorzugen ist. (Für andere Kombinatio­ nen der Verläufe von pn1+pn3 und pn2+pn4 na9h Bild 6a und 6b ist ebenfalls die zweite Möglichkeit die günstigere). Die resultierende Zuordnung der Schaltzustände zu den Schaltlinien ist in Bild 8 dargestellt. Finally, the DC link center load on the four 3-level 4QS should be considered again. For the pairs of the 3-level 4QS, the common center load was already optimized in section 2 ( Figure 6). To optimize the overall center load of the four 3-level 4QS, the already defined center loads of the pairs pn 1 + pn 3 and pn 2 + pn 4 are offset against each other in such a way that they cancel each other out as much as possible. Figure 9 shows two options for the displacement of pn 1 + pn 3 and pn 2 + pn 4 (curves according to Figure 6a), of which the second option has a significantly lower load in the total center load and is therefore preferable. (For other combinations of the courses of pn 1 + pn 3 and pn 2 + pn 4 na 9 h Fig. 6a and 6b, the second option is also the cheaper one). The resulting assignment of the switching states to the switching lines is shown in Figure 8.

Literaturliterature

[1] Yoone, H.K.; Mehrdad E.: An Algebraic Algorithm for Microcomputer-Based (Direct) Inverter Pulswidth Modulation; IEEE Trans. Ind. Appl., vol IA-23, No. 4, July/August 1987 654-660.[1] Yoone, H.K .; Mehrdad E .: An Algebraic Algorithm for Microcomputer-Based (Direct) Inverter Pulse Width Modulation; IEEE Trans. Ind. Appl., Vol IA-23, No. 4, July / August 1987 654-660.

[2] Bose, B.K.; Sutherland, H.A.: A High-Performance Pulsewidth Modulator for an Inverter-Fed Drive System Using a Microcomputer; IEEE Trans. Ind. Appl., vol IA-19, No. 2, March/April 1983 235-243.[2] Bose, B.K .; Sutherland, H.A .: A High-Performance Pulsewidth Modulator for an Inverter Fed Drive System Using a Microcomputer; IEEE Trans. Ind. Appl., Vol IA-19, No. 2, March / April 1983 235-243.

[3] Wurm, H. P.: Erhöhung der Ausnutzung von Pulswechselrichtern hoher Lei­ stung durch das Dreipunktverfahren; Dissertation, Bergische Universität-Ge­ samthochschule Wuppertal, 1983, insbesondere S. 4 bis 9 und S. 154/155.[3] Wurm, H. P .: Increasing the utilization of high-lei pulse inverters by the three-point method; Dissertation, Bergische Universität-Ge velthochschule Wuppertal, 1983, in particular pp. 4 to 9 and pp. 154/155.

[4] Garrara, G.; Gardella, S.; Marchesoni M.; Salutari, R.; Sciutto, G.: A new Multilevel PWM Method: A Theoretical Analysis; IEEE Trans. Power Electron., Vol. 7, No. 3, July 1992.[4] Garrara, G .; Gardella, S .; Marchesoni M .; Salutari, R .; Sciutto, G .: A new Multilevel PWM Method: A Theoretical Analysis; IEEE Trans. Power Electron., Vol. 7, No. 3, July 1992.

[5] Velaerts, B.; Mathys, P.; Tatakis, E.; Bingen, G.: A novel Approach to the Generation and Optimization of Three-Level PWM Wave Forms; Pesc 1988, S. 1255-1262.[5] Velaerts, B .; Mathys, P .; Tatakis, E .; Bingen, G .: A novel Approach to the Generation and Optimization of Three-Level PWM Wave Forms; Pesc 1988, p. 1255-1262.

[6] Stanke, G.: Untersuchung von Modulationsverfahren für Pulsstromrichter mit hohen dynamischen Anforderungen bei beschränkter Schaltfrequenz; Dis­ sertation an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen 1987, insbesondere S. 18 bis 33.[6] Stanke, G .: Investigation of modulation methods for pulse converters with high dynamic requirements with limited switching frequency; Dis at the Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen 1987, especially pp. 18 to 33.

Claims (3)

1. Verfahren zur Pulsweitenmodulation einer von einer Regelung vorgegebenen Soll­ spannung durch Vergleichen dieser Sollspannung mit einem dreieckförmigen Modula­ tionssignal für ein oder mehrere 3-Level Vierquadrantensteller (4QS-Module), die über galvanisch unabhängige Transformatorwicklungen entkoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zeitdiskrete Sollspannung u* mit Schaltlinien verglichen wird, die aus vier jeweils um 90° versetzten Dreieckssignalen mit ud als Maximalwert und -ud als Mini­ malwert gebildet werden, wobei ud die Summe der zwei Zwischenkreisspannungen Ud1 und Ud2 ist,
daß die Abtastzeitpunkte tk, zu denen die zeitdiskrete Sollspannung u* aktualisiert wird, synchron zu den Kreuzungspunkten der Schaltlinien gewählt werden,
daß den durch die Schaltlinien gebildeten Bereichen der jeweilige Schaltzustand des 4QS-Moduls zugeordnet wird, in den das 4QS-Modul in dem Moment wechselt, in dem die Sollspannung u* die den Bereich eingrenzenden Schaltlinien durchkreuzt und in diesen Bereich gelangt,
daß diese Schaltzustände nach zwei verschiedenen Varianten a und b so auf die von den Schaltlinien gebildeten Bereichen verteilt werden, daß sich mit diesen Verteilun­ gen für die jeweils konstanten Sollspannungen u*=-2/3ud, 1/3ud, 1/3ud, 2/3ud mit ud=ud1+ud2 und ud1=ud2 zu den Abtastzeitpunkten tk die Potentiale vA(tk) und vB(tk) an den Aus­ gängen der 3-Level Brückenzweige für Variante a nach
und für Variante b nach
ergeben,
daß bei der Pulsmustererzeugung im Betrieb wahlweise nach Variante a oder b der Verteilung der Schaltzustände des 4QS-Moduls verfahren werden kann und ein Wechsel zwischen den Varianten zu denjenigen Abtastzeitpunkten tk+1 zugelassen wird, zu denen die Schaltzustände von Variante a und b übereinstimmen,
daß prinzipiell bei Erfüllung der Bedingung (1)
Variante b verwendet wird und bei Nichterfüllung von (1) Variante a verwendet wird, wobei u*(tk) und u*(tk+1) zwei zeitlich aufeinanderfolgende zeitdiskrete Sollspannungen sind und für Tmin die maximale Mindestein- bzw. Mindestausschaltzeit der Leistungs­ halbleiter gewählt wird,
daß jede Variante unabhängig von dieser Bedingung immer genau so viele Abtast­ intervalle verwendet, daß die alternierende Abfolge der Zuordnung der Schaltzu­ stände +0 und 0-- (bzw. 0+ und -0) bei Variante a und die alternierende Abfolge +0, ++, +0 und 0-, --, 0- (bzw. 0+, ++, 0+ und -0, --, -0) bei Variante b abgeschlossen ist
und daß
zur Symmetrierung der Zwischenkreismittelpunkts-Spannung von der alternierenden Abfolge der Zuordnung der Schaltzustände +0 und 0- (bzw. 0+ und -0) bei Variante a und von der alternierenden Abfolge +0, ++, +0 und 0-, --, 0- (bzw. 0+, ++, 0+ und -0, --, -0) bei Variante b abgewichen wird, indem bei Variante a einzelne Zuord­ nungen der Schaltzustände +0 (bzw. 0+) und 0- (bzw. -0) gegeneinander ausge­ tauscht werden und bei Variante b die aufeinanderfolgend zugeordneten Schaltzu­ stände +0, ++, +0 (bzw. 0+, ++, 0+) und 0-, --, 0- (bzw. -0, --, -0) gegeneinander ausgetauscht werden.
1. Method for pulse width modulation of a target voltage specified by a control by comparing this target voltage with a triangular modulation signal for one or more 3-level four-quadrant actuators (4QS modules), which are decoupled via galvanically independent transformer windings,
characterized in that
the time-discrete setpoint voltage u * is compared with switching lines which are formed from four triangular signals, each offset by 90 °, with u d as the maximum value and -u d as the minimum value, where u d is the sum of the two intermediate circuit voltages U d1 and U d2 ,
that the sampling times t k , at which the time-discrete target voltage u * is updated, are selected synchronously with the crossing points of the switching lines,
that the respective switching state of the 4QS module is assigned to the areas formed by the switching lines, in which the 4QS module changes at the moment when the target voltage u * crosses the switching lines delimiting the area and reaches this area,
that these switching states are distributed according to two different variants a and b of the formed by the shift lines areas that gene using this distribu u for each constant desired voltages * = - 2/3 u d, 1 / U D 3, 1 / 3 u d, 2/3 of u d u d = u d1 + u d2 and u d1 = u d2 at the sampling instants t k, the potentials v A (t k) and V b (t k) to the off transitions of the 3 -Level bridge branches for variant a after
and for variant b after
surrender
that the pulse pattern generation during operation can either be carried out according to variant a or b of the distribution of the switching states of the 4QS module and a change between the variants is permitted at those sampling times t k + 1 at which the switching states of variant a and b match,
that in principle if condition (1) is fulfilled
Variant b is used and if (1) variant a is not used, where u * (t k ) and u * (t k + 1 ) are two consecutive time-discrete target voltages and the maximum minimum switch-on and switch-off time for T min Power semiconductor is selected,
that each variant, regardless of this condition, always uses exactly as many sampling intervals that the alternating sequence of the assignment of the switching states +0 and 0-- (or 0+ and -0) for variant a and the alternating sequence +0, + +, +0 and 0-, -, 0- (or 0+, ++, 0+ and -0, -, -0) for variant b is completed
and that
for symmetrizing the DC link center point voltage from the alternating sequence of the assignment of switching states +0 and 0- (or 0+ and -0) in variant a and from the alternating sequence +0, ++, +0 and 0-, - , 0- (or 0+, ++, 0+ and -0, -, -0) in variant b by deviating individual assignments of the switching states +0 (or 0+) and 0- in variant a (or -0) are exchanged for each other and in variant b the consecutively assigned switching states +0, ++, +0 (or 0+, ++, 0+) and 0-, -, 0- (or . -0, -, -0) can be exchanged for each other.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Verwendung von zwei 4QS-Modulen, die über zwei offene Transformator­ wicklungen magnetisch in Reihe bzw. parallel geschaltet sind, zur Pulsmustererzeu­ gung die Schaltlinien der 4QS-Module so gegeneinander versetzt werden, daß die jeweils die Schaltlinien der 4QS-Module bildenden Gruppen von um 90° versetzten Dreieckssignalen zusätzlich um 45° gegeneinander versetzt werden,
daß die Wechsel der Varianten a und b der verwendeten Zuordnung der Schaltzu­ stände zu den Schaltlinien jeweils in zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten für beide 4QS-Modulen durchgeführt werden,
daß ein Wechsel von Variante a nach Variante b für die 4QS-Module eingeleitet wird, sobald für eine der beiden zeitdiskreten Sollspannungen der 4QS-Module u*2B,1 oder u*2B,3 die Bedingung (1) erfüllt ist und ein Wechsel von Variante b nach Variante a für die 4QS-Module einge­ leitet wird, wenn diese Bedingung nicht mehr erfüllt ist, nach einer festen Anzahl von Abtastschritten wieder nach Variante a gewechselt wird, wenn die Bedingung (1) für eine der beiden Sollspannungen nicht mehr erfüllt ist,
daß unabhängig von der genannten Bedingung die mit der verwendeten Variante festgelegte Abfolge der Zuordnung der alternierenden Schaltzustände jedes 4QS- Moduls abgeschlossen ist,
daß bei der Einleitung eines Wechsels der Zuordnung der Schaltzustände von Variante a nach Variante b mit der alternierenden Abfolge der Schaltzustände +0, ++ +0 und 0-, --, 0- (bzw. 0+, ++, 0+ und -0, --, -0) der Variante b des zuletzt wech­ selnden 4QS-Moduls gerade so begonnen wird, daß sie invers zu der alternierenden Abfolge der Schaltzustände des zuerst wechselnden 4QS-Moduls liegt,
daß die vorgegebenen zeitdiskreten Sollspannungen der 4QS-Module u*2B,1 und u*2B,3 so begrenzt werden, daß sie sich zu den Abtastzeitpunkten nur innerhalb eines Bereichs von Schaltlinien verändern und keine Wechsel der Schaltzustände zu den Abtastzeitpunkten auftreten
und daß die bei der Sollspannung eines 4QS-Moduls durch derartige Begrenzungen auftretende Fehlspannung zu der Sollspannung des anderen 4QS-Moduls addiert wird und damit ausgeglichen wird.
2. The method according to claim 1, characterized in that
when using two 4QS modules, which are magnetically connected in series or in parallel via two open transformer windings, the switching lines of the 4QS modules are offset against one another in such a way that the respective switching lines of the 4QS modules form groups of triangle signals offset by 90 ° are additionally offset from one another by 45 °,
that the changes of variants a and b of the assignment of the switching states to the switching lines used are carried out in two successive sampling times for both 4QS modules,
that a change from variant a to variant b is initiated for the 4QS modules as soon as condition (1) is fulfilled for one of the two time-discrete set voltages of the 4QS modules u * 2B, 1 or u * 2B, 3 and a change from Variant b to variant a is initiated for the 4QS modules if this condition is no longer fulfilled, after a fixed number of scanning steps, the method is changed back to variant a if condition (1) for one of the two target voltages is no longer fulfilled ,
that the sequence of assignment of the alternating switching states of each 4QS module, which is determined with the variant used, is completed regardless of the condition mentioned,
that when initiating a change in the assignment of the switching states from variant a to variant b with the alternating sequence of switching states +0, ++ +0 and 0-, -, 0- (or 0+, ++, 0+ and -0, -, -0) of variant b of the last changing 4QS module is just started so that it is inverse to the alternating sequence of switching states of the first changing 4QS module,
that the specified time-discrete nominal voltages of the 4QS modules u * 2B, 1 and u * 2B, 3 are limited so that they only change within a range of switching lines at the sampling times and no switching states occur at the sampling times
and that the fault voltage occurring in the target voltage of one 4QS module due to such limitations is added to the target voltage of the other 4QS module and is thus compensated for.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Verwendung von vier 4QS-Modulen, die über vier offene Transformatorwick­ lungen magnetisch in Reihe bzw. parallel geschaltet sind, zur Pulsmustererzeugung die Schaltlinien der 4QS-Module so gegeneinander versetzt werden, daß die jeweils die Schaltlinien der 4QS-Module bildenden Gruppen von um 90° versetzten Dreiecks­ signale zusätzlich um 22,5° gegeneinander versetzt werden,
daß die zeitdiskreten Sollspannungen der Paare von 4QS-Modulen u*2B,1, u*2B,3 und u*2B,2, u*2B,4 entsprechend der Kreuzungspunkte der Schaltlinien zu zueinander ver­ setzten Abtastzeitpunkten vorgegeben werden,
daß die alternierenden Abfolgen der Zuordnungen der Schaltzustände +0 (bzw. 0+) und 0- (bzw. -0) nach Variante a zu den Schaltlinien der Paare von 4QS-Modulen mit synchronen Abtastzeitpunkten so gewählt werden, daß wenn für ein Paar zu zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten die Schaltzustände +0 (bzw. 0+) gewählt werden, für das andere Paar zu den um 22,5° versetzten Abtastzeitpunkten die Schaltzustände 0- (bzw. -0) gewählt werden
und daß der Wechsel zwischen den Varianten der Zuordnung der Schaltzustände unabhängig für das jeweilige Paar von 4QS-Modulen mit synchronen Abtastzeitpunk­ ten durchgeführt wird.
3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that
when using four 4QS modules that are magnetically connected in series or in parallel via four open transformer windings, the switching lines of the 4QS modules are offset against one another so that the respective switching lines of the 4QS modules are formed by groups Triangle signals offset by 90 ° are additionally offset by 22.5 ° against each other,
that the time-discrete nominal voltages of the pairs of 4QS modules u * 2B, 1 , u * 2B, 3 and u * 2B, 2 , u * 2B, 4 are specified according to the crossing points of the switching lines at mutually offset sampling times,
that the alternating sequences of the assignments of the switching states +0 (or 0+) and 0- (or -0) according to variant a to the switching lines of the pairs of 4QS modules with synchronous sampling times are selected so that if for a pair too the switching states +0 (or 0+) are selected two consecutive sampling times, the switching states 0- (or -0) are selected for the other pair at the sampling times offset by 22.5 °
and that the change between the variants of the assignment of the switching states is carried out independently for the respective pair of 4QS modules with synchronous sampling times.
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