DE2950806A1 - Anordnung zum regeln des effektivspannungswertes eines ausgangssinussignals eines wechselrichters durch pulsbreitenmodulation - Google Patents

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Anordnung zum Regeln des Effektivspannungswertes eines Ausgangssinussignals eines Wechselrichters durch Pulsbreitenmodulation

Die Erfindung bezieht sich auf die Spannungsregelung in einem Leistungswechselrichter und betrifft insbesondere eine Spannungsregelung unter Verwendung der Pulsbreitenmodulation (PDM).

Die Verwendung der Pulsbreitenmodulation zur Spannungsregelung und zur Verringerung der Harmonischen oder Oberwellen in der Grundsinuswelle, die von einem Wechselrichter geliefert wird, ist bekannt. Bekannte PDM-Verfahren beinhalten, kurzgesagt, das Zerhacken der Grundfrequenz(f)-Rechteckwelle aus der Wechselrichterbrücke mit einer oder mehreren Kerben in den positiv- und negativgehenden Teilen in jeder Periode des Grundsignals. Diese Kerben sind in einem Muster festgelegt, das sie unter ausgewählten elek-

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trischen Grad (36O°.f_o-T) von dem positiv- und negativgehenden übergang der Rechteckwelle positioniert, wobei das Kerbmuster des positiven Teils der Welle ein Spiegelbild des Kerbmusters in dem negativen Teil darstellt. Die Kerbimpulsbreiten sind in elektrischen Grad ebenso definiert und die Anzahl der Kerben, ihre Lage und ihre Impulsbreite bestirnten die Amplitude des Grundsinussignals und von dessen Harmonischen oder Oberwellen, wie es ausführlich in der US-PS 3 324 376 beschrieben ist.

Die PDM-Kerbmuster sind in zwei allgemeinen Kategorien von Randkertmustern, in welchen die Kerben innerhalb von 60° von der O - und der 180°-Position der Rechteckwellenperiode angeordnet sind, und von Mittenkerbmustern, in welchen die Kerben plus oder minus 30° symmetrisch um die 90 - und die 270 -Position der Grundwelle angeordnet sind, zusammengefaßt. Randkerben- und Mittenkerben-PDM-Wellen haben deutlich unterschiedliche Auswirkungen auf die Grundsignal- und Oberwellensignalamplituden. Die Grundsignalamplitude ist für Randkerben weit weniger empfindlich als für die gleiche Anzahl von Mittenkerben gleicher Impulsbreite, wohingegen das umgekehrte für die Oberwellensignalamplituden gilt. In Abhängigkeit von dem Verwendungszweck des Wechselrichters, d.h. bei Verwendung in Verbindung mit Motoren, können die Oberwellenamplituden von größerer Bedeutung sein als die Amplitude des steuernden Grundsignals, wohingegen in einem Präzisionsinstrumentensystem die Spannungsamplitude und der Effektivwert des Grundsignals von weit größerer Bedeutung als der Oberwellengehalt sein können, weshalb es naheliegt, entweder die Randkerbung oder die Mittenkerbung mit einem oder mehreren Mustern zu wählen, um eine Änderung in der Kerbenlage und der Kerbenbreite zu erzeugen.

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Da Randkerben-PDM Impulsbreiten in der Größenordnung des doppelten der Impulsbreiten verlangt, die bei der Mittenkerbung erforderlich sind, um dieselbe Verringerung der Grundsignalspannungsamplitude zu erzeugen, eignet sich die Randkerbung für eine geringere Verringerung der Spannungsamplitude, die bei stark belasteten Wechselrichtern erwünscht ist, bei denen die maximale Ausgangsspannung erwünscht ist. Die gröbere Mittenkerbung findet unter verschiedenen Bedingungen bei Wechselrichtern Anwendung, die geringe Belastungen und eine hohe Eingangsgleichspannung haben, wo kleine Änderungen in der Belastung zu großen Amplitudenänderungen des Grundsignals führen können und wo die Mittenkerbung gestattet, die geregelte Amplitude innerhalb einer kürzeren Ansprechzeit wiederherzustellen. In einigen bekannten Systemen, wie Leistungswechselrichtern, die einen großen Bereich von Strombelastungen haben, wird eine Kombination aus der Randkerbung und der Mittenkerbung angewandt. Das erfordert jedoch eine diskrete Umschaltung zwischen Randkerb- und Mittenkerbmustern auf die Amplitudenänderungen hin. Diese diskrete Umschaltung führt zu Spannungssprüngen am Ausgang des Wechselrichters, die den Oberwellengehalt des Grundsignals erhöhen und zur Beschädigung der Wechselrichterbelastung führen können, was bei einem Leistungswechselrichter, wie er bei kommerziellen Stromversorgungsunternehmen benutzt wird, alles unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die die Effektivspannung der Ausgangsgrundsinuswelle eines Wechselrichters durch Pulsbreitenmodulation der von der Wechselrichterbrücke gelieferten Rechteckwelle regelt, ohne gerade Harmonische oder Spannungssprünge in das Ausgangssignal einzuführen.

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Gemäß der Erfindung wird ein Steuersignal mit einer Größe, die die Solleffektivspannung darstellt, wie sie durch die Leistungskonditionierschaltung in dem Wechselrichter geliefert wird, einer Informationssuchtabelle dargeboten, die Sätze von gespeicherter Signalinformation enthält, von denen jeder Satz einer besonderen Steuersignalgröße zugeordnet ist und die Lage und die Impulsbreite einer einzelnen Kerbe definitiv angibt, welche in jeder Halbperiode der Rechteckwelle aus der Wechselrichterbrücke erzeugt wird, wobei die Suchtabelle aufeinanderfolgende Sätze von Signalinformation liefert, die aufeinanderfolgenden Werten der Solleffektivspannungsantwort auf die Größe des Steuersignals zugeordnet sind, und wobei jeder Satz einer PDM-Schaltung dargeboten wird, die zwischen die Wechselrichtertastsignalquelle und die Wechselrichterbrücke geschaltet ist und auf die unmodulierten Tastsignale hin eine gleitende Kerb-PDM jedes Tastsignals auf die Information aus der Tabelle hin liefert, wodurch eine einzelne Kerbe in jeder Halbperiode der Rechteckwelle ausgehend von einer Kerbe mit fester Impulsbreite verändert wird, die in veränderlicher Weise zwischen einer Randkerbposition und einer Mittenkerbposition angeordnet ist, wobei die Randkerbimpulsbreite bis zu einem Maximalwert von typischerweise 15° und die Mittenkerbimpulsbreite bis zu 60° wählbar ist und wobei die Information über die Lage der Kerbe und deren Impulsbreite von der Suchtabelle geliefert wird, die einen einzelnen Wert der Effektivwertgröße von 100% bis 0% angibt.

Die Spannungsregelung nach der Erfindung sorgt für eine kontinuierliche lineare Änderung in der Effektivwertgröße des Grundsignals, ohne daß Spannungsprünge erzeugt werden, die sich aufgrund der bekannten Verfahren des diskreten Umschaltens zwischen der Rand- und der Mittenkerbung ergeben, und sorgt zusätz-

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lieh für eine Interimsregelung durch Verschieben der Kerbe zwischen den Rand- und Mittenkerbpositionen. Die gleitende Kerb-PDM nach der Erfindung kann leicht an die Verwendung in vorhandenen Wechselrichtersystemen angepaßt werden und erlaubt somit eine einfache Umwandlung des Regelschemas von vorhandenen Systemen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, die zur Verwendung in einem dreiphasigen Leistungswechselrichter bestimmt ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer PDM-Anordnung, die in der Ausführungsforro von Fig. 1 verwendbar ist,

Fig. 3 eine Teildarstellung eines Teils der im Betrieb auftretenden Wellen der Ausführungsform von Fig. 1,

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung der Kennlinien der Gleitkerbregelung nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung eines Satzes von Wellen, die bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Ausführungsform von Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 6 eine Darstellung eines weiteren Satzes von

Wellen, die bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Ausführungsform von Fig. 1 benutzt

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wird, und

Fig. 7 eine Darstellung der Betriebswellen der Ausführungsform der PDM-Anordnung, die in Fig. gezeigt ist.

Ein Signal mit einer rechteckigen Kurvenform mit gleichen positiven und negativen Teilen, d.h. eine Rechteckwelle, enthält bekanntlich nur eine ungerade Anzahl von Signalharmonischen oder -Oberwellen der Grundfrequenz. Ebenso kann gezeigt werden, daß ein Signal, das eine pulsbreitenmodulierte Kurve hat, die keine geraden Harmonischen oder Oberwellen der Grundschwingung einführt, als die Summe einer ungeraden Anzahl von Rechteckwellen gleicher Frequenz ausgedrückt werden kann. Gemäß Fig. 5 enthält die Summe von drei Rechteckwellen, die eine Randkerbe ergibt, eine Bezugsrechteckwelle 10 (dargestellt bei (a)) mit einer Grundfrequenz f_Q , einer Periode T und 360 elektrischen Grad (360°f_QT). Die Rechteckwellen 11, 12 (Darstellungen (b) und (c)) sind unter ausgewählten Modulationswinkeln von (180+ot)⁰ bzw. V ° gegenüber der Bezugswelle phasenverschoben. Für die Rechteckwelle 11 ist die 180°-Phasenverschiebung fest und nur die relative Phasenverschiebung von ot wird betrachtet. Die Summe der drei Wellen 10-12 ergibt eine randgekerbte Welle 13 (Darstellung (d)), die gleiche Kerben 14, 15 in dem positiven und in dem negativen Wellenteil hat. Jede Kerbvorderflanke befindet sich bei c(^o von der 0°- und der 180°-Position der Bezugswelle und jede Kerbe hat eine Impulsbreite, die gleich (oi - V)° ist. Ein ähnliches Ergebnis wird für eine Mittelkerbe durch Summieren einer Bezugswelle 16 (Fig. 6, Darstellung (a)) mit den beiden phasenverschobenen Wellen 17, 18 (Fig. 6, Darstellungen (b), (c)) erzielt, die um -(180 + ß)° bzw. (+y>° gegenüber den 90°-und 270°-Positionen der Bezugs-

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welle phasenverschoben sind. Wiederum wird nur die relative Phasenverschiebung (-ß)° für die Kurve 17 betrachtet. Die Addition der drei Kurven ergibt eine mittengekerbte Kurve 19 (Darstellung (d)), die gleiche und identische Mittelkerben 20, 21 in jeder Hälfte der Welle hat. Die Kerben sind symmetrisch um die 90°- und 270°-Positionen der Bezugskurve angeordnet und jede hat eine Impulsbreite, die gleich (B-Y)⁰ ist.

Wenn die Bezugswellen 10, 16 (Fig. 5 und 6, Darstellung (a)) das unmodulierte Grundsignal aus einer Wechselrichterbrücke darstellen, von denen jedes eine Spitzenamplitude Ep hat, haben die sich ergebenden Sinuswellen von jedem (22, 23, strichpunktiert dargestellt) an dem Wechselrich-

terausgang eine Spitzenamplitude ^ Ep und einen Effektivwert von 0,90 Ep. Für jede PDM-Welle, d.h. die Randkerbwelle von Fig. 5 (d) und die Mittenkerbwelle von Fig. 6 (d), gibt es eine effektive Verringerung des Effektivwertes der resultierenden Sinuswelle von jeder (24, 25, strichpunktiert dargestellt), ohne daß irgendwelche geraden Signaloberwellen erzeugt werden.

Bei der Gleitkerb-PDM nach der Erfindung kann sich die Lage der Kerbe kontinuierlich von einer Randkerbe zu einer Mittenkerbe ohne diskontinuierliche Umschaltung von PDM-Mustern und ohne das Einführen von geraden Oberwellen des Wechselrichterausgangsgrundsignals ändern. Das Konzept der Gleitkerb-PDM nach der Erfindung kann am besten als eine PDM-Welle dargestellt werden, die durch die Summierung von drei phasenverschobenen Rechteckwellen gleicher Frequenz f_ erzeugt wird, von denen jede positive und negative übergänge hat, die um die verschiedenen elektrischen Gradwerte gegenüber zugeordneten Signalübergängen einer Bezugswelle, wie dem unmodulierten Grundsignal,

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phasenverschoben sind. Der Grad der Phasenverschiebung der drei Rechteckwellen erzeugt den Modulationswinkel und die Impulsbreite für die Gleitkerb-PDM-Welle. In Fig. 3 sind das Bezugssignal 26 (Darstellung (a)) und die drei phasenverschobenen Signale 27-29 (Darstellungen (b) bis (d)) nur für eine Halbperiode oder weniger der Wellenperiode (360 f_o5) dargestellt, da die Pulsbreitenmodulation zu einer Kerbe in jeder Halbperiode führt, die das Spiegelbild der in der anderen Halbperiode erzeugten Kerbe ist, wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist.

Die Halbperiode des Bezugssignals 26 hat einen positivgehenden übergang 30 bei 0° und einen negativgehenden übergang 32 bei 180°. Die verschobene Rechteckwelle 27, die mit ausgezogener Linie in der Darstellung (b) gezeigt ist, hat einen positivgehenden Übergang 34 bei 0C₁ und einen negativen übergang 36 bei OC-⁰» wobei gilt oC - eC =180°. Die Werte von <* und «·„ sind unter Werten in den Bereichen

von tf. - d bzw. ti - d. auswählbar, wobei gilt ο m o2 m2

oC - - ⁰^= ** 2 ~ <* ⁼ 180°. Das führt zur Verschiebung des positiven Übergangs 34 und des negativen Übergangs 36 zwischen Grenzen, wie es strichpunktiert durch die übergänge 37, 38 bzw. 40, 41 dargestellt ist. Die phasenverschobene Rechecktwelle 28, die mit ausgezogener Linie in der Darstellung (c) gezeigt ist, hat einen negativen übergang 42 bei ß , der unter irgendeinem Winkelwert in dem Bereich ^ßm *⁴³* ~ ^ßo *⁴⁴* auswählbar ist. In der Darstellung (d) befindet sich der positive übergang in der zweiten Halbperiode (nicht gezeigt) bei ß₂°» welcher aus einem gleichen Bereich von ß _ - ß - auswählbar ist, der um 180° gegenüber dem von β verschoben ist, so daß gilt ß_-ß=180°- Schließlich hat die dritte Rechteckwelle 29, die mit aus gezogener Linie in der Darstellung (d) gezeigt ist, einen

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positiven übergang 45, der bei einem Winkel Y auftritt, welcher bei einem Wert in dem Bereich Y (46) - Ύ (47), der strichpunktiert gezeigt ist, auswählbar ist, und einen negativen Übergang (nicht gezeigt) in der zweiten Halbperiode bei einem Winkel, der aus dem Bereich Y _ - Y-ausgewählt ist. Für die Rechteckwellen 27-29 gilt

WV °° ^Und *O2- ^ßo2= ^Vo2^{= 180}°-

Die Addition der drei phasenverschobenen Rechteckwellen bei Werten von A, β und V, die den Übergängen 38, 4 2 und 4 5 entsprechen, führt zu der PDM-Welle der Darstellung (f), die einen ersten positivgehenden übergang 48 bei «6° und eine Kerbe 49 zwischen einem negativen Übergang 50 und einem positiven Übergang 51 bei ß° bzw. V⁰ hat. Die Impulsbreite der Kerbe beträgt Y° - 0° und ihre Mitte liegt ungefähr zwischen 0° und 90°. Die Auswahl der Werte für die drei Winkel aus jedem ihrer zugeordneten Bereiche führt zu einer Familie von resultierenden PDM-Wellen von einer Randkerbe 50, die in der Darstellung (e) gezeigt ist, zu einer Mittenkerbe 52, die in der Welle der Darstellung (g) gezeigt ist. Die Randkerben haben eine Vorderflanke bei 0° und resultieren aus der Rechteckwelle 28, die auf ß = 0° eingestellt ist, und den Rechteckwellen 27, 29, die um dP und Y° verschoben sind, wobei gilt et= -Y und wobei Y in dem Bereich von y bis Y liegt (54, strich-

o m

punktiert in der Darstellung (d) gezeigt). Die Impulsbreite der Randkerbe ist gleich Y- ß und kann sich von

0° (beiY=y ) bis zu einem Maximum (Tf=Y ) ändern. Wenn ο m

die Rechteckwelle 27 auf eC = 0 eingestellt ist, können die Rechteckwellen 28, 29 auf Werte von ß und Y unterhalb und oberhalb von 90° eingestellt werden, um die Mittelkerbe 52 mit einer Impulsbreite V-ß und der Mitte bei zu erzeugen. Ebenso können für die drei Winkel Werte gewählt werden, um eine PDM-Welle mit einer Kerbe zu erzeu-

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gen, die sich irgendwo zwischen der Randkerbe und der Mittenkerbe befindet. In jedem Fall enthält die resultierende PDM-WeIIe nur ungerade Oberwellen der Grundfrequenz.

Bei der hier beschriebenen Gleitkerb-PDM werden die Werte der Winkel <* , ß und "V so gewählt, daß eine kontinuierliche Modulation der Welle von 100% bis 0% der Grundwelle (Effektivwert) über drei Gebieten erfolgt. Jedes Gebiet definiert einen Prozent-Grundsignal-Effektivwert zur gekerbten PDM-Beziehung beginnend mit einer Randkerbe, die eine auswählbare Impulsbreite hat, bis zu einem maximalen Gradwert von typischerweise 15 , der ein erstes Gebiet (I) definiert, einer Kerbe mit fester Impulsbreite bei einem Wert, der durch die Impulsbreite der Randkerbe festgelegt wird, die eine veränderliche Lage gegenüber der ausgewählten Randkerbimpulsbreitenposition über aufeinanderfolgende Winkel bis zu einer 90°-Mittelkerbposition hat, um ein zweites Gebiet (II) zu definieren, und schließlich ein drittes Gebiet (III) mit einer Mittelkerbe symmetrisch um die 90°-Position, die einen auswählbaren Impulsbreitenwert hat, der von dem der Kerbe in dem Gebiet II bis zu 60° reicht. Der prozentuale Effektivwert zum Gleitkerb-PDM-Plan oder -Profil für eine beispielhafte Ausführungsform, bei der die Impulsbreite der Randkerbe bis zu 5° auswählbar ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Die Abszisse zeigt den Prozent-Grundsignal-Effektivwert von 100% bis 0% und die Kurven 70-72 zeigen die Beziehung zwischen " Grad Phasenverschiebung" und "Prozent-Grundsignal" für die Winkel <*, ß bzw. V , die jeweils eine Lage des zugeordneten Signalübergangs der drei Signalübergänge der phasenverschobenen Rechteckwellen 27-29 darstellen (Fig. 3, Darstellungen (b) - (d)).

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In einem ersten Gebiet 73, dem Gebiet I, das durch den Bereich I dargestellt ist, liegen die drei Winkel bei Werten

von oi = ß =Y = 0° (74) bis d =-5°, Y =+5° und ß = ß = 0°, ο ο ο m m ο

um eine Randkerbe zu erzeugen, die sich von O bis 5 ändert. Der Winkel ß ist auf 0° festgelegt, während die Winkel et und V so eingestellt werden, daß gilt«C=-y , bis zu

Grenzwerten A (7 5) und Y (76) um den gewünschten Prozentm m

satz des Grundsignals zu erzeugen. Die Vorderflanke der Randkerbe liegt bei ß =0° und die Impulsbreite ist gleich y - β . Die Verlagerung des Winkels et in negativer Richtung beseitigt eine zufällige Phasenverschiebung des Grundsignals.

Die Beziehung zwischen den drei Winkeln und dem Prozent-Grundsignal-Wert in dem Gebiet I können durch die mathematische Beschreibung der resultierenden PDM-Welle folgendermaßen dargestellt werden:

f(t)=2^Q Sin2Tf_ot. (Cosci-Cosß+CosV)+Cos 2Tf_Qt. (Sin«i-Sinß+Siny)

Das Cosinusglied stellt eine zufällige Phasenverschiebungsmodulation des Grundsignals dar (Phase=Tan~¹ [/l· und für eine Nullphasenverschiebung während der Gleitkerb-PDM des Grundsignals muß das Cosinusglied gleich null sein, oder:Sind-Sinß + Sin V=O. Da in dem Gebiet I der Winkel ß=ß_Q= 0° beträgt, gilt Sinß= 0 und Sinrf=-y oder ά=-Ϋ . Die Prozentsatzänderung des Grundsignaleffektivwertes mit der Randkerb-PDM ist in der Tabelle I im Anhang A aufgeführt, wobei die Prozentsatzverringerung an Grundsignal in dem Gebiet I von 100% bis herunter zu 99,24% reicht oder eine Änderung von etwas weniger als 1% ausmacht. Bei Verwendung in einem Wechselrichter gestattet das Gebiet I eine Feinregelung des Prozentsatzes des Grundsignals für im wesentlichen konstante Wechselrichterbelastungen.

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In dem zweiten Gebiet 77 oder II nimmt der Winkelot von -5° bis 0° ab, wenn die Winkel ß und V von 0° (ß ) 74 und +5° (V ) 76 auf 87,5° (ß=ß_m, 78) und 92,5° (Y=F , 79) ansteigen. In diesem Gebiet II ist die Kerbimpulsbreite auf 5° festgelegt, so daß gilt 4ß =LY, und um eine zufällige Phasenverschiebung null zu gewährleisten, gilt für den Winkel V=Sin ~¹-(Sin V-Sinß). Am Ende des Gebietes II gilt Υ= 0° und die Kerbe ist um 90° symmetrisch, um eine Mittelkerbe von 5° zu erzeugen. Gemäß der Tabelle I reicht die Änderung in dem Prozentsatz des Grundsignals in dem Gebiet II von 99,24% bis 91,28% oder beträgt ungefähr 10%. In dem Gebiet II ergibt die Gleitkerb-PDM · eine zehnmal größere Änderung in dem Prozentsatz des Grundsignals als in dem Gebiet I.

In dem Gebiet 80 oder III gilt für den Winkel«(=o«_o=0⁰ und Aß=-Äy. Der Winkel ß ändert sich zwischen ß_m=87,5° (78) und ß=6O° (81), während sich der Winkel Y zwischen y=y¹=92,5° undV=y = 120° (82) ändert. Die Prozent des

Grundsignals (%F) können in dem Gebiet III folgendermaßen ausgedrückt werden: %F=91,28%[i-2Sin(9O%-ß)]. Die Impulsbreite der sich ergebenden Mittelkerbe, die um 90 symmetrisch ist, ändert sich von 5° bis 60° für eine entsprechende Änderung in dem Wert Prozent-Grundsignal von 91,28% bis 0%. Das Gebiet III stellt die höchste Empfindlichkeit von PrOzent-Grundsignal-Änderung zu Grad Phasenverschiebung dar, während das Gebiet I die niedrigste Empfindlichkeit darstellt. Das Gebiet II stellt einen Zwischenwert der Empfindlichkeit gegenüber den anderen beiden Gebieten dar.

Es sei beachtet, daß bei Bedarf die Phasenmodulation des Grundsignals zusätzlich zu der Gleitkerb-PDM desselben Signals durch Auswahl geeigneter Winkelwerte für et vorge-

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nommen werden kann. In jedem Gebiet wird der Wert des Winkels oC so gewählt, daß sich die gewünschte Phasenmodulation ergibt, nachdem die Werte von ß und Y gewählt sind, um die Gleitkerb-PDM vorzunehmen, und zwar gemäß

,,,„.. _. _ -1 rSin<C-Sinß+Siny "] folgender Beziehung: Phase = Tan [ J-

Gemäß vorstehenden Darlegungen kann der Effektivwert eines Grundsignals in kontinuierlicher Weise durch eine gleitende Kerb-PDM des Signals reguliert werden. Die Gleitkerb-PDM gestattet einen Prozent-Grundsignal-Effektivwert, der einen einzigen Wert für einen bestimmten Satz von Winkelwerten für die drei phasenverschobenen Wellen hat. Durch Kontrollieren des WinkelsoCkann die zufällige Phasenverschiebung des Grundsignals während der Gleitkerb-PDM eliminiert werden, um unerwünschte Leistungsänderungen in dem Grundsignal zu verringern. Andererseits kann eine Phasenverschiebung zusätzlich zu der Gleitkerb-PDM bei Bedarf eingeführt werden, indem in geeigneter Weise Werte von ot als Funktion der zum Erzeugen der Gleitkerb-PDM ausgewählten Winkelwerte ausgewählt werden. Fig. zeigt als ein Beispiel eine Ausführungsform der Gleitkerb-PDM nach der Erfindung, die zur Verwendung bei einem typischen dreiphasigen Wechselrichter 84 eines Typs vorgesehen ist, der einen oder mehrere Wechselrichterbrücken

85 enthält, die Eingangsleistung aus einer Gleichstromquelle

86 aufnehmen und Rechteckwellengrundfrequenzsignale in jeder von drei Phasen 0-, 0_n, 0_ liefern, die über Wechselrichtermagnetstufen 87 an eine Belastung 88 abgegeben werden. Die Magnetstuferf enthalten einen Ausgangstransformator aum Koppeln der Ausgangsgrundsignale mit der Belastung und können außerdem Frequenzfilter und Schaltungen zur Unterdrückung von Oberwellen enthalten. Die Polausgangsspannungen des Wechselrichters sind Sinuswellen in jeder der drei Phasen ^VOA' ^VOB' ^VOC ^{und naben} jeweils Spitzen- und Effektivwerte in Abhängigkeit von der Amplitude und dem Effektivwert der

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Wechselrichterbrückengrundsignale. Die Leistungskonditionierschaltung 89 überwacht die Amplitude und die Phase der Ausgangsspannungen und regelt in Verbindung mit einem Leistungskonditionierregler 90 die Wirkleistung und die Blindleistung der Ausgangsspannungen in Abhängigkeit von Belastungszuständen in bekannter Weise. Die Leistungskonditionierschaltung liefert auf einer Leitung 92 eine Ausgangsbefehlssignaldarstellung des Prozent-Grundsignal-Effektivwerts, der zum Erfüllen des Belastungsbedarfes zu jeder bestimmten Zeit erforderlich ist. Tast(gate)-Signale V^, V^, V__ werden der Brücke 85 zum Steuern des Zündens (einschalten, abschalten) der spannungsgesteuerten Schalter (Thyristoren oder Transistoren) in jedem der drei Phasenausgänge der Brücke zugeführt. Bei NichtVorhandensein irgendeiner Pulsbreitenmodulation werden die Tastsignale als Rechteckwellen aus einer Tastsignalquelle 94 geliefert, die jedes über Leitungen 95-97 an die Tast- oder Steuereingänge der Brücke abgibt,wobei jedoch in Fig. 1 PDM-Schaltungen 98-100 eingefügt sind, und zwar eine für jede Leitung, die jeweils ein zugeordnetes Tastsignal der drei Tastsignale V_QA, V_G_, V_GC empfangen.

Die PDM-Schaltungen sind gleich und nehmen jeweils die Gleitkerb-PDM des Rechteckwellentastsignales vor, das auf der zugeordneten Leitung aus der Tastsignalquelle erscheint. Jede PDM-Schaltung liefert ein Gleitkerb-PDM-Ausgangssignal auf einer zugeordneten Leitung der Leitungen 101-103 an den Tast- oder Steuereingang der Brücken. Die Kerbe wird auf die Kerbinformation hin erzeugt, die der PDM-Schaltung dargeboten wird und die Lage und die Impulsbreite der Kerbe beschreibt, und zwar entweder in Grad oder als eine Reihe von Zeitverzögerungen gegenüber einem ausgewählten Bezugswert.

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In einer Ausführungsform, in der die Information jeder PDM-Schaltung in Form von Gruppen von Zeitverzögerungen dargeboten wird, ist jede Zeitverzögerung einem der drei Winkel zugeordnet, so daß gilt:

τ = * r - ^ß t = y

^dl 360°.f_o ' ^d2~ 360°.f₀ ' ^d3 360°.f_o ' Jede Verzögerung wird ab einer Bezugsgröße gemessen, wie dem unmodulierten Tastsignal, das von der Quelle 94 geliefert wird, wo die Verzögerung ab den positiv- und negativgehenden übergängen der unmodulierten Welle gemessen wird. Die Zeitverzögerungsinformation wird jeder PDM-Schaltung über Leitungen 104 aus einer Suchtabelle 106, wie einem programmierbaren Festwertspeicher (PROM) dargeboten, der eine Anzahl von parallelen Festwertspeichern aufweisen kann, damit die erforderliche Bitkapazität zur Verfügung steht. Die erforderliche Bitkapazität ist sowohl von der Genauigkeit als auch von der Linearität abhängig, die für die gleitende Kerbe in einem besonderen System erforderlich ist. Die Wortbitlänge, die jede Verzögerung festlegt, wird so gewählt, daß sich für jeden Zeitverzögerungswert die notwendige Genauigkeit ergibt, und die Anzahl der Worte, die für jede Verzögerung gespeichert sind, bestimmt die Linearität oder Körnigkeit der gleitenden Kerbe, d.h. die Stufen zwischen Winkelwerten. Je höher die Anzahl von gespeicherten Werten für jeden Zeitverzögerungswert ist, um so linearer ist die Gleitkerbfunktion.

Wie bei den in Fig. 4 gezeigten Winkelwerten sind die Zeitverzögerungswerte für einen gegebenen Prozentsatz an Verringerung des Grundsignals einwertig. Der programmierbare Festwertspeicher 106 liefert jede Gruppe von drei Zeitverzögerungswerten auf eine Adresse hin, die von einem Analog/ Digital-Wandler 108 geliefert wird, der das analoge Prozent-

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Grundwelle-Signal auf der Leitung 92 aus der Leistungskonditionierschaltung in ein Digitalwort umwandelt, das einen Adreßspeicherplatz in dem programmierbaren Festwertspeicher darstellt, an welchem die drei Zeitverzögerungswerte, die der bestimmten Prozent-Grundsignal-Größe entsprechen, gespeichert sind.

Die Gleitkerb-PDM-Schaltungen können in verschiedenerlei, dem Fachmann bekannter Weise ausgebildet sein. In einer Ausfuhrungsform für die PDM-Schaltung 98, die in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Zeitverzögerungswerte t.., Γ,,, und T_d3 aufeinanderfolgende Verzögerungen, d.h. die erste Verzögerung Tj₁ ist auf das unmodulierte Tastsignal auf der Leitung 95 bezogen, die zweite Zeitverzögerung t_d2 ^ist auf die erste Zeitverzögerung bezogen und der dritte Zeitverzögerungswert ist auf die zweite Zeitverzögerung bezogen. Der Effekt ist, daß kasdadierte Zeitverzögerungen zur Verfügung stehen, die jeweils eine Funktion des unmodulierten Tastsignals sind, das als Bezugszeitbasis benutzt wird.

Gemäß Fig. 2 empfängt die PDM-Schaltung 98 ein unmoduliertes Tastsignal, wie es in Fig. 7 in der Darstellung (a) dargestellt ist, auf der Leitung 95. Das Tastsignal wird an eine Flankendetektorschaltung 112 angelegt, bei der es sich um das erste Element in einer Reihenschaltungsanordnung von Flankendetektorschaltungen 112-115 und Synchronzählern 118-120 handelt. Die Flankendetektoren können irgendeine von mehreren bekannten Schaltungskonfigurationen für die Flankenerkennung aufweisen, wie beispielsweise einen Digitalflankendetektor, bei dem zwei Flipflops benutzt werden, die durch ein Taktsignal getaktet werden, das auf Leitungen 122 aus einem Systemtaktgeber 124 kommt, dessen Ausgangssignale an die beiden Eingänge eines Exklusiv-ODER-Gatters angelegt werden, oder es kann aich um eine ana-

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löge Differenzierschaltung handeln. Die Synchronzähler empfangen jeweils das Taktsignal auf den Leitungen 122 (die Verbindung ist nicht gezeigt) und können jeweils mehrere in Reihe geschaltete Zähler aufweisen, wie den 4-Bit-Zähler, Modell 74161J der Fa. National Semiconductor, um die erforderliche Bitzählung bei dem besonderen Verwendungszweck vornehmen zu können. Gemäß Fig. 2 ist der Ausgang des Flankendetektors 112 über eine Leitung 126 mit dem Voreinstell-/Freigabe-Eingang (P/E-Eingang) des Zählers 118 verbunden, dessen Austragsausgang (C ) über eine Leitung 128 mit dem Eingang des Flankendetektors 113 verbunden ist. Ebenso sind die Ausgänge der Flankendetektoren 113, 114 über Leitungen 130 bzw. 132 mit den P/E-Eingängen von Zählern 119, 120 und mit den beiden Eingängen einer logischen Decodierschaltung 134 verbunden. Die C -Ausgänge der Zähler 119, 120 sind mit den Eingängen von Flankendetektoren 114, 115 verbunden und das Ausgangssignal des Flankendetektors 115 wird über eine Leitung 136 an einen weiteren Eingang der logischen Decodierschaltung 134 angelegt. Jeder Zähler hat einen Dateneingang, der gestattet, einen voreingestellten Zählwert zu laden, so daß der Zähler, wenn er freigegeben ist, von dem vorbestimmten Zählwert an aufwärts bis zu dem maximalen Zählwert (C ) zählt. Ih der Ausführungsform von Fig. 2 werden die tatsächlichen Zeitverzögerungen t .., T_d2 und T₃ als die Zeit festgelegt, die der Zähler benötigt, um mit der Taktfrequenz von dem voreingestellten Zählwert an, der in den Zähler geladen worden ist, bis zu dem maximalen Zählwert zu zählen. Die voreingestellten Zählwerte werden von dem programmierbaren Festwertspeicher 106 über Leitungen 1O4_a~1O4_c, die in den Leitungen 104 enthalten sind, geliefert.

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Die Arbeitsweise der in Reihe geschalteten Flankendetektoren und Zähler wird am besten anhand der Darstellungen in Fig. 7 verständlich. Das unmodulierte Tastsignal (138, Darstellung (a)) wird von dem Detektor 112 empfangen, der Impulse 140-142 auf die Wellenübergänge 143-145 des Tastsignals hin liefert. Jeder Impuls ergibt ein Voreinsteil-/ Freigabe-Signal des Zählers 118, so daß der Zähler von dem voreingestellten Zählwert an, der an dem Dateneingang gebildet worden ist, bis zu dem maximalen Zählwert C zu zählen beginnt. Der Zähler 118 liefert ein diskretes. Stufenausgangssignal auf der Leitung 128 bei jedem vollen Zählerstand. Jede Stufe wird durch den Detektor 113 erkannt, der einen Impuls auf jede Stufe hin auf der Leitung 130 abgibt, was durch die Impulse 146-148 in der Darstellung (c) gezeigt ist. Die wirklich verstrichene Zeit zwischen jedem der Impulse 140-142 aus dem Detektor 112 und jedem der folgenden Impulse 146-148 aus dem Detektor 113 entspricht im Wert der Verzögerung T_d1» wie es in Fig. 7 angegeben ist.

Jeder Impuls aus dem Detektor 113 bildet ein Voreinstell-/ Freigabe-Signal des Zählers 119, der von dem voreingestellten Zählerstand, den er über die Leitung 104, empfängt, bis zu dem Zählerstand C zählt. Jeder Zählwert C aus dem Zäh-

o ο

ler 119 wird durch den Detektor 114 erkannt, der auf jeden Zählwert hin einen diskreten Impuls auf der Leitung 132 abgibt, die als Impulse 149, 150 in der Darstellung (d) gezeigt und jeweils zeitlich um T,_ von den Impulsen getrennt sind, die auf der Leitung 130 erscheinen. Die Impulse auf der Leitung 132 sorgen ebenso für eine Voreinstellung/Freigabe des Zählers 120, der von dem voreingestellten Wert bis

zu dem Zählerstand C zählt. Der Detektor 115 liefert βίο

nen diskreten Impuls auf der Leitung 136 auf jeden vollen Zählerstand hin, was durch Impulse 151, 152 der Darstellung (e) gezeigt ist, die jeweils zeitlich um T,_ von dem zuge-

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ordneten vorangehenden Impuls auf der Leitung 132 getrennt sind.

Die Impulse auf den Leitungen 130/ 132 und 136 werden der logischen Decodierschaltung 134 zugeführt, die außerdem das auf der Leitung 98 erscheinende unmodulierte Tastsignal und das von einem Inverter 154 auf der Leitung 156 gelieferte invertierte Tastsignal empfängt. Die Decodierschaltung 134 gibt diskrete SETZEN-und RÜCKSETZEN-Signale über Leitungen 158, 160 und Inverter 162, 164 an die SETZ- und RÜCKSETZ-Eingänge eines elektronischen Schalters 166 ab, indem die diskreten Impulse auf den Leitungen 130, 132 und 136 in Kombination mit dem Tastsignal und dem invertierten Tastsignal auf den Leitungen 98, 156 decodiert werden. Das Decodieren erfolgt durch SETZEN-Logikgatter, zu denen UND-Gatter 167-169 gehören, die mit einem ODER-Gatter 170 verbunden sind, und durch RÜCKSETZEN-Logikgatter, zu denen UND-Gatter 171-173 gehören, die mit einem ODER-Gatter 174 verbunden sind. Die Decodierlogikschaltung decodiert, wie aus dem ausführlichen Schaltbild von Fig. ohne weiteres zu erkennen ist, die Impulse auf den Leitungen 130, 132, 136, um am Ausgang des elektronischen Schalters 166 auf der Leitung 101 die pulsbreitenmodulierten Tastsignale zu erzeugen. Das Decodieren der Impulse 146-152 führt zu dem PDM-Tastsignal 175 der Darstellung (f), das Kerben 176, 178 sowohl in der positiven als auch in der negativen Hälfte der Kurve hat, wobei jede Kerbe eine Impulsbreite hat, die gleich (ß-y)° ist.

Die Zeitverzögerungsinformation, die den PDM-Schaltungen 98-100 dargeboten wird, wird auf eine Änderung in dem Prozent-Grundwelle-Signal auf der Leitung 92 hin (Fig. 1) asynchron geliefert. Das Prozent-Grundwelle-Signal wird in Abhängigkeit von dem Beiastungsbedarf an dem Wechsel-

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richter ständig auf den neuesten Stand gebracht. Jedes Prozent-Grundwelle-Signal wird in dem A/D-Wandler 108 in eine Adresse der Suchtabelle (PROM) 106 umgewandelt, die die drei Zeitverzögerungswerte, die an dieser Adresse gespeichert sind, über die Leitungen 104 an die Gleitkerb-PDM-Schaltungen abgibt. Jede PDM-Schaltung spricht auf die Zeitverzögerungswerte an, wenn sie erscheinen; in der Ausführungsform von Fig. 2 werden sie als voreingestellte Zahlwerte dargeboten. Jeder Zähler liefert einen Zählwert von dem voreingestellten Wert, der durch den programmierbaren Festwertspeicher 106 festgelegt wird, an bis zu dem maximalen Zählwert C mit einer Frequenz, die gleich der des Taktsignals auf den Leitungen 122 ist, wobei jeder Zähler in der Reihe durch diskrete Impulse aus einem vorangehenden Zähler oder aus dem auf der Leitung 98 erscheinenden unmodulierten Tastsignal freigegeben wird. Damit ist die Änderung in der Lage der Kerbe und in der Impulsbreite der Kerbe kontinuierlich und beide sind jeweils von dem gewünschten Prozent-Grundsignal-Effektivwert abhängig. Die Lage der Kerbe ändert sich, d.h. die Kerbe gleitet von einer Randkerbe mit einer maximalen Impulsbreite von 5 und der Mitte bei 2,5° des als Bezugssignal genommenen unmodulierten Tastsignals zu einer Mittelkerbe mit einer Impulsbreite von 5 bis 60° und der Mitte bei 90° des Bezugstastsignals. Die prozentuale Änderung der Grundwelle für die Gleitkerb-PDM ist für jede Lage und Impulsbreite der Kerbe einwertig, so daß es eine einzige eingekerbte PDM-WeIIe für jeden Prozent-Grundsignal-Wert von 100% bis 0% gibt. Das erlaubt eine kontinuierliche Änderung des Grundsignaleffektivwertes ohne diskrete Umschaltung zwischen Randkerb- und Mittenkerbmustern, wie im Stand der Technik, und ohne Erzeugung von geraden Oberwellen des Grundsignals.

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Die Gleitkerb-PDM nach der Erfindung kann bei Bedarf in irgendeiner bekannten analogen Ausführungsform implementiert werden, die für die Implementierung der Summierung der drei phasenverschobenen Wellen (oc,ß,Y), die in Fig. dargestellt sind, sorgt. Die Phasenwinkelwerte können ebenso in Zeitverzögerungswerte bezüglich des unmodulierten Tastsignals umgesetzt werden, so daß eine äquivalente analoge Ausführungsform aufeinanderfolgende Zeitverzögerungen/ d.h. eine kaskadierte Funktion in der oben beschriebenen Weise erzeugen könnte. Die Randkerbimpulsbreite ist zwar in Fig. 4 als auswählbare Impulsbreite bis zu 5° dargestellt, sie kann jedoch ebenso bis zu einem Maximalwert von 15° auswählbar sein, wobei dann die gleitende Kerbe oberhalb von 15 beginnt und bei einer Impulsbreite von 15° sich ab der Position der Randkerbe zu der Position der Mittelkerbe auf die erforderliche Änderung des Grundsignaleffektivwertes hin vor- und zurückverschiebt.

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	η	ANHANG A	Y	% GRUNDS IGNAT.
	-1,0	Tabelle I	ο
GEBIET WINKEL	I -2,0	(GRAD)	W 1,0	ι nn nn
α	-3,0	ß	2,0	99,97
-4,0	η	3fö	99,88
-5,0	W 0	4,C	99r72
-4,986	0	5,0	99,51
-4,962	0	7,5	99,24
-4,886	0	10;0	98,86
-4,623	0	15,0	98,49
-4,219	2,5	25,0	97,75
II -3,669	5,0	35,0	96,34
-3,044	10,0	45,0	95f04
-2,306	20,0	55,0	93,90
-1,503	30,0	65,0	92,94
-0,652	40,0	75,0	92,18
0,0	50,0	85,0	91,65
0,0	60,0	92,5	91,34
0,0	70,0	95,0	91,28
III 0,0	80,0	100,0	82,57
0,0	87,5	105,0	65,27
0,0	85,0	110,0	48,24
0,0	80,0	115,0	31,60
	75,0	120,0	15,48
	70,0		0O7OO
65,0
60,0

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Claims (3)

1. Patentansprüche :

   / 1.) Anordnung zum Regeln des Effektivspannungswertes eines Ttusgangssinussignals eines Wechselrichters durch Pulsbreitenmodulation des Rechteckausgangssignals der Wechselrichterbrücke auf ein Steuersignal hin, das eine Größe hat, die einen ausgewählten Effektivwert darstellt, wobei die ' Brücke das Ausgangssignal mit einer Wellenform und einer Frequenz in Abhängigkeit von Rechtecktastsignalen aus einer Tastsignalquelle an einen Tasteingang der Brücke liefert,

   gekennzeichnet durch eine Suchtabellenschaltung (106), die mehrere Informationssätze speichert und auf das ihr dargebotene Steuersignal anspricht, wobei jedem Informationssatz eine besondere Steuersignalgröße zugeordnet ist und jeder Informationssatz die Impulsbreite und die Lage einer einzelnen Pulsbfeitenmodulationskerbe in bezug auf jede Halbperiode der Rechteckwellentastsignale angibt und wobei die Suchtabellenschaltung den zugeordneten Informationssatz an ihrem Ausgang auf das Vorhandensein der besonderen

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   ORIGINAL INSPECTED

   Steuersignalgröße hin an einem Suchtabelleneingang abgibt; und

   durch eine Pulsbreitenmodulationsschaltung (98, 99, 10O), die zwischen die Wechselrichtertastsignalquelle (94) und die Wechselrichterbrücke (85) geschaltet ist und auf die Rechtecktastsignale und auf die Informationssätze aus der Suchtabellenschaltung hin eine Pulsbreitenmodulation der Tastsignale mit einer einzigen Pulsbreitenmodulationskerbe vornimmt, deren Impulsbreite und Lage in jeder Halbperiode von denen durch einen dargebotenen Informationssatz angegebenen abhängig sind, wobei die Pulsbreitenmodulationsschal tung das modulierte Tastsignal an die Wechselrichterbrücke abgibt, um in Abhängigkeit von ihm eine Pulsbreitenmodulation des Ausgangssignals vorzunehmen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suchtabellenschaltung (106) auf das Vorhandensein von aufeinanderfolgenden Steuersignalgrößen hin, die Effektivwerte in jedem von drei aufeinanderfolgenden Gebieten darstellen, aufeinanderfolgende Informationssätze in jeder von drei aufeinanderfolgenden Gruppen von Informationssätzen liefert, wobei jede Gruppe einem entsprechenden der drei Gebiete zugeordnet ist und wobei eine erste Gruppe eine Pulsbreitenmodulationsrandkerbe definiert, die einem ersten Gebiet zugeordnet ist, welches höhere Effektivwerte darstellt, eine zweite Gruppe eine Pulsbreitenmodulationsgleitkerbe definiert, die einem zweiten Gebiet zugeordnet ist, das Zwischeneffektivwerte darstellt, und eine dritte Gruppe eine Pulsbreitenmodulationsmittelkerbe definiert, die einem dritten Gebiet zugeordnet ist, das niedrigere Effektivwerte darstellt.

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3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Suchtabellenschaltung (106) die aufeinanderfolgenden Informationssätze folgendermaßen liefert: von einem ersten Satz zu einem zweiten Satz in jeder der drei Gruppen auf das Vorhandensein von aufeinanderfolgenden Steuersignalgrößen von einem maximalen Effektivwert zu einem minimalen Effektivwert in jeder der drei Gruppen hin,

   aufeinanderfolgende Informationssätze der ersten Gruppe von dem ersten Satz zu dem letzten Satz, die eine Randkerbe definieren, welche aufeinanderfolgend höhere Impulsbreitenwerte bis zu einem ausgewählten Maximalwert hat,

   aufeinanderfolgende Informationssätze der zweiten Gruppe von dem ersten Satz zu dem zweiten Satz, die eine gleitende Kerbe definieren, welche eine feste Impulsbreite hat, die gleich dem für die Randkerbe ausgewählten Maximalwert ist und ihre Mitte an aufeinanderfolgenden Stellen hat, die von der Stelle der Randkerbe maximaler Impulsbreite zu einer Mittelkerbenstelle bei 90° reichen, und

   aufeinanderfolgende Informationssätze der dritten Gruppe von dem ersten Satz zu dem letzten Satz, die eine Mittelkerbe definieren, welche bei 90° angeordnet ist und aufeinanderfolgend höhere Impulsbreitenwerte von dem der gleitenden Kerbe bis zu einem Maximum von 60° hat.

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