DE2950806C2

DE2950806C2 -

Info

Publication number: DE2950806C2
Application number: DE2950806A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Hartford Conn. Us Lipman
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1978-12-18
Filing date: 1979-12-17
Publication date: 1991-01-03
Also published as: FR2445062A1; JPS5583470A; US4245290A; CA1129494A; IL58874A0; GB2039392A; GB2039392B; DE2950806A1; IL58874A; FR2445062B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Schaltungsanordnung ist durch die DE-OS 19 61 245 bekannt.

Die Verwendung der Pulsbreitenmodulation (PDM) 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(f₀-) Rechteckwelle aus der Wechselrichterbrücke mit einer oder mehreren Lücken in den positiv- und negativgehenden Teilen in jeder Periode des Grundsignals. Diese Lücken sind in einem Muster festgelegt, das sie unter ausgewählten elektrischen Grad (360° · f₀ · T) von dem positiv- und negativgehenden Übergang der Rechteckwelle positioniert, wobei das Lückenmuster des positiven Teils der Welle ein Spiegelbild des Lückenmusters in dem negativen Teil darstellt. Die Breiten der Lücken sind in elektrischen Grad ebenso definiert und die Anzahl der Lücken, ihre Lage und ihre Breite bestimmen die Amplitude des Grundsinussignals und von dessen Harmonischen oder Oberwellen, wie es ausführlich in der US-PS 33 24 376 beschrieben ist.

Für die PDM-Lückenmuster gibt es zwei Kategorien, nämlich Randlückenmuster, in welchen die Lücken innerhalb von 60° von der 0°- und der 180°-Position der Rechteckwellenperiode angeordnet sind, und Mittenlückenmuster, in welchen die Lücken plus oder minus 30° symmetrisch um die 90°- und die 270°-Position der Grundwelle angeordnet sind. Randlücken- und Mittenlücken-PDM- Wellen haben deutlich unterschiedliche Auswirkungen auf die Grundsignal- und Oberwellensignalamplituden. Die Grundsignalamplitude ist für Randlücken weit weniger empfindlich als für die gleiche Anzahl von Mittenlücken gleicher Breite, 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 Randlücke oder die Mittenlücke mit einem oder mehreren Mustern zu wählen, um eine Änderung in der Lückenlage und der Lückenbreite zu erzeugen.

Da Randlücken-PDM Impulsbreiten in der Größenordnung des doppelten der Impulsbreiten verlangt, die bei den Mittenlücken erforderlich sind, um dieselbe Verringerung der Grundsignalspannungsamplitude zu erzeugen, eignen sich die Randlücken für eine geringere Verringerung der Spannungsamplitude, die bei stark belasteten Wechselrichtern erwünscht ist, bei denen die maximale Ausgangsspannung erwünscht ist. Die groberen Mittenlücken finden 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 Mittenlücken gestatten, die geregelte Amplitude innerhalb einer kürzeren Ansprechzeit wiederherzustellen. Bei Leistungswechselrichtern, die einen großen Bereich von Strombelastungen haben, wird eine Kombination aus den Randlücken und den Mittenlücken angewandt. Das erfordert jedoch eine diskrete Umschaltung zwischen Randlücken- und Mittenlückenmustern 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.

Die eingangs erwähnte DE-OS 19 61 245 beschreibt eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art für einen Pulswechselrichter mit Mittenlücken. Die Mittenlücken sind Lücken plus oder minus 30° symmetrisch um die 90°- Position der Grundwelle angeordnet, d. h. in dem mittlern Drittel jeder Halbperiode. Es werden drei Lücken verwendet, von denen die eine in der Mitte der Halbperiode liegt, während die beiden anderen beiderseits dieser Lücken symmetrisch zu dieser liegen. Da, wie oben dargelegt, Randlücken und Mittenlücken deutlich unterschiedliche Auswirkungen auf die Grundsignal- und Oberwellensignalamplituden haben, ist es üblich, entweder Randlücken oder Mittenlücken zu wählen. Bei dem bekannten Wechselrichter sind Mittenlücken gewählt worden. Wenn eine Kombination aus Rand- und Mittenlücken angewandt wird, so erfordert das bislang eine diskrete Umschaltung zwischen Rand- und Mittenlücken auf entsprechende Amplitudenänderung hin, wodurch sich aber Spannungssprünge am Ausgang des Wechselrichters und ein erhöhter Oberwellengehalt ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welcher sich der Effektivwert der Ausgangsspannung eines Wechselrichters durch Pulsbreitenmodulation regeln läßt, ohne daß gerade Harmonische oder Spannungssprünge in das Ausgangssignal eingeführt werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Gemäß der Erfindung wird mit einer Suchtabelle gearbeitet, die mehrere Informationssätze speichert, denen jeweils eine besondere Größe des Steuersignals zugeordnet ist. Aufgrund dieser Informationssätze wird eine einzige gleitende Lücke erzeugt, die sich entweder am Rand (0°) oder in der Mitte (90°) der Halbperiode oder zwischen dem Rand und der Mitte befindet und dabei variable Breiten hat. Das wesentliche an der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist die Verwendung einer Kombination aus Rand- und Mittenlücken, bei der pro Halbperiode von einer einzigen gleitenden Lücke variabler Breite Gebrauch gemacht wird. Zu diesem Zweck werden bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung Zeitverzögerungen für diskrete Fehlersignale aus dem Spannungsregler gespeichert und zum Steuern des Wechselrichters durch die Lücken benutzt. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung sorgt für eine kontinuierliche lineare Änderung im Spannungseffektivwert des Grundsignals, ohne daß Spannungssprünge erzeugt werden, die sich aufgrund der bekannten Verfahren des diskreten Umschaltens zwischen Rand- und der Mittenlücken ergeben, und sorgt zusätzlich für eine Interimsregelung durch Verschieben der Lücke zwischen Rand und Mitte. Die PDM mit gleitender Lücke kann leicht an vorhandene Wechselrichtersysteme angepaßt werden und erlaubt somit eine einfache Umwandlung des Regelschemas von vorhandenen Systemen.

Aus der US-PS 40 99 109 ist es zwar an sich bekannt, im Speicher eine Suchtabelle vorzusehen, jedoch nicht im Zusammenhang mit einer PDM mit gleitender Lücke.

Eine Ausgestaltung der Erfindung bildet den Gegenstand des Anspruchs 2.

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

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung in einem dreiphasigen Wechselrichter,

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

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

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung der Kennlinien der Gleitlückenregelung mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

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

Fig. 6 eine Darstellung eines weiteren Satzes von Pulsmustern, die bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Ausführungsform von Fig. 1 benutzt wird, und

Fig. 7 eine Darstellung der Pulsmuster der Ausführungsform der PDM-Anordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist.

Ein Rechtecksignal enthält bekanntlich nur eine ungerade Anzahl von Harmonischen oder Oberwellen der Grundfrequenz. Ebenso ist bekannt, daß ein Signal, das eine pulsbreitenmodulierte Kurve hat, die keine geraden Harmonischen enthält, als die Summe einer ungeraden Anzahl von Rechteckwellen gleicher Frequenz ausgedrückt werden kann.

Gemäß Fig. 5 enthält die Summe von drei Rechteckwellen, die eine Randlücke ergibt, eine Bezugsrechteckwelle 10 (dargestellt bei (a)) mit einer Grundfrequenz f₀, einer Periode T und 360 elektrischen Grad (360°f₀T). Die Rechteckwellen 11, 12 (Darstellungen (b) und (c)) sind unter ausgewählten Modulationswinkeln von (180+α)° bzw. γ° gegenüber der Bezugswelle phasenverschoben. Für die Rechteckwelle 11 ist die 180°-Phasenverschiebung fest und nur die relative Phasenverschiebung von α° wird betrachtet. Die Summe der drei Wellen 10-12 ergibt eine Randlückenwelle 13 (Darstellung (d)), die gleiche Lücken 14, 15 in dem positiven und in dem negativen Wellenteil hat. Jede Lückenvorderflanke befindet sich bei α° von der 0°- und der 180°-Position der Bezugswelle und jede Lücke hat eine Breite, die gleich (α-γ)° ist. Ein ähnliches Ergebnis wird für eine Mittenlücke 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+β)° bzw. (+γ)° gegenüber den 90°- und 270°-Positionen der Bezugswelle phasenverschoben sind. Wiederum wird nur die relative Phasenverschiebung (-β)° für die Kurve 17 betrachtet. Die Addition der drei Kurven ergibt eine Mittenlückenkurve 19 (Darstellung (d)), die gleiche und identische Mittenlücken 20, 21 in jeder Hälfte der Welle hat. Die Lücken sind symmetrisch um die 90°- und 270°-Positionen der Bezugskurve angeordnet, und jede hat eine Breite, die gleich (β-γ)° 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 Wechselrichterausgang eine Spitzenamplitude 4/π Ep und einen Effektivwert von 0,90 Ep. Für jede PDM-Welle, d. h. die Randlückenwelle von Fig. 5 (d) und die Mittenlückenwelle von Fig. 6 (d), gibt es eine Verringerung des Effektivwertes der resultierenden Sinuswelle (24, 25, strichpunktiert dargestellt), ohne daß irgendwelche geraden Signaloberwellen erzeugt werden.

Bei der Gleitlücken-PDM kann sich die Lage der Lücke kontinuierlich von einer Randlücke zu einer Mittenlücke ohne diskontinuierliche Umschaltung von PDM-Mustern und ohne das Einführen von geraden Oberwellen des Wechselrichterausgangsgrundsignals ändern. Das Konzept der Gleitlücken-PDM kann am besten als eine PDM-Welle dargestellt werden, die durch die Summierung von drei phasenverschobenen Rechteckwellen gleicher Frequenz f₀ 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, phasenverschoben sind. Der Grad der Phasenverschiebung der drei Rechteckwellen erzeugt den Modulationswinkel und die Impulsbreite für die Gleitlücken-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°f₀T/2) dargestellt, da die Pulsbreitenmodulation zu einer Lücke in jeder Halbperiode führt, die das Spiegelbild der in der anderen Halbperiode erzeugten Lücke 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 α₁° und einen negativen Übergang 36 bei α₂°, wobei gilt α₂-α₁=180°. Die Werte von α₁ und α₂ sind unter Werten in den Bereichen von α₀-α_m bzw. α₀₂-α_m2 auswählbar, wobei gilt α₀₂-α₀ = α_m2-α_m = 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 Rechteckwelle 28, die mit ausgezogener Linie in der Darstellung (c) gezeigt ist, hat einen negativen Übergang 42 bei β°, der unter irgendeinem Winkelwert in dem Bereich β_m (43) - β₀ (44) auswählbar ist. In der Darstellung (d) befindet sich der positive Übergang in der zweiten Halbperiode (nicht gezeigt) bei β₂°, welcher aus einem gleichen Bereich von β_m2-β₀₁ auswählbar ist, der um 180° gegenüber dem von β verschoben ist, so daß gilt β₂-β=180°. Schließlich hat die dritte Rechteckwelle 29, die mit ausgezogener Linie in der Darstellung (d) gezeigt ist, einen positiven Übergang 45, der bei einem Winkel γ auftritt, welcher bei einem Wert in dem Bereich γ_m (46) - γ₀ (47), der strichpunktiert gezeigt ist, auswählbar ist, und einen negativen Übergang (nicht gezeigt) in der zweiten Halbperiode bei einem Winkel, der aus dem Bereich γ_m2-γ₀₂ ausgewählt ist. Für die Rechteckwellen 27-29 gilt α₀=β₀=γ₀=0° und α₀₂=β₀₂=γ₀₂=180°.

Die Addition der drei phasenverschobenen Rechteckwellen bei Werten von α, β und γ, die den Übergängen 38, 42 und 45 entsprechen, führt zu der PDM-Welle der Darstellung (f), die einen ersten positivgehenden Übergang 48 bei α° und eine Kerbe 49 zwischen einem negativen Übergang 46 und einem positiven Übergang 48 bei β° bzw. γ° hat. Die Breite der Lücke beträgt γ°-β°, 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 Schar von resultierenden PDM-Wellen von einer Randlücke 50, die in der Darstellung (e) gezeigt ist, zu einer Mittenlücke 52, die in der Welle der Darstellung (g) gezeigt ist. Die Randlücken haben eine Vorderflanke bei 0° und resultieren aus der Rechteckwelle 28, die auf β₀=0° eingestellt ist, und den Rechteckwellen 27, 29, die um α° und γ° verschoben sind, wobei gilt α=-γ und wobei γ in dem Bereich von γ₀ bis γ_m liegt (54, strichpunktiert in der Darstellung (d) gezeigt). Die Breite der Randlücke ist gleich γ-β₀ und kann sich von 0° (bei γ=γ₀) bis zu einem Maximum (γ=γ_m) ändern. Wenn die Rechteckwelle 27 auf α₀=0° eingestellt ist, können die Rechteckwellen 28, 29 auf Werte von β und γ unterhalb und oberhalb von 90° eingestellt werden, um die Mittenlücke 52 mit einer Breite γ-β und der Mitte bei 90° zu erzeugen. Ebenso können für die drei Winkel Werte gewählt werden, um eine PDM-Welle mit einer Lücke zu erzeugen, die sich irgendwo zwischen der Randlücke und der Mittenlücke befindet. In jedem Fall enthält die resultierende PDM-Welle nur ungerade Oberwellen der Grundfrequenz.

Bei der hier beschriebenen Gleitlücken-PDM werden die Werte der Winkel α, β und γ 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 Lücken-PDM beginnend mit einer Randlücke, die eine auswählbare Breite hat, bis zu einem maximalen Gradwert von 15°, der ein erstes Gebiet (I) definiert, einer Lücke mit fester Breite bei einem Wert, der durch die Breite der Randlücke festgelegt wird, die eine veränderliche Lage gegenüber der ausgewählten Randlückenposition über aufeinanderfolgende Winkel bis zu einer 90°-Mittenlückenposition hat, um ein zweites Gebiet (II) zu definieren, und schließlich ein drittes Gebiet (III) mit einer Mittenlücke symmetrisch um die 90°-Position, die eine auswählbare Breite hat, welche von der der Lücke in dem Gebiet II bis zu 60° reicht. Der prozentuale Effektivwert zur Gleitlücken-PDM für eine beispielhafte Ausführungsform, bei der die Breite der Randlücke 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 α, β bzw. γ, die jeweils eine Lage des zugeordneten Signalübergangs der drei Signalübergänge der phasenverschobenen Rechteckwellen 27-29 darstellen (Fig. 3, Darstellungen (b)-(d)).

In einem ersten Gebiet 73, dem Gebiet I, das durch den Bereich I dargestellt ist, liegen die drei Winkel bei Werten von α₀=β₀=γ₀=0° (74) bis α_m=-5°, γ_m=+5° und β=β₀=0°, um eine Randlücke zu erzeugen, die sich von 0° bis 5° ändert. Der Winkel β ist auf 0° festgelegt, während die Winkel α und γ so eingestellt werden, daß gilt α=-γ, bis zu Grenzwerten α_m (75) und γ_m (76) um den gewünschten Prozentsatz des Grundsignals zu erzeugen. Die Vorderflanke der Randlücke liegt bei β₀=0°, und ihre Breite ist gleich γ-β₀. Die Verlagerung des Winkels α 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:

Das Cosinusglied stellt eine zufällige Phasenverschiebungsmodulation des Grundsignals dar

und für eine Nullphasenverschiebung während der Gleitlücken- PDM des Grundsignals muß das Cosinusglied gleich Null sein, oder: Sin α - Sin β + Sin γ = 0. Da in dem Gebiet I der Winkel β=β₀=0° beträgt, gilt Sin β=0 und Sin α=-γ oder α=-γ. Die Prozentsatzänderung des Grundsignaleffektivwertes mit der Randlücken-PDM ist in 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.

In dem zweiten Gebiet 77 oder II nimmt der Winkel α von -5° bis 0° ab, wenn die Winkel β und γ von 0° (β₀) 74 und +5° (γ_m) 76 auf 87,5° (β=β_m, 78) und 92,5° (γ=γ¹, 79) ansteigen. In diesem Gebiet II ist die Lückenbreite auf 5° festgelegt, so daß gilt Δβ=Δγ, und um eine zufällige Phasenverschiebung null zu gewährleisten, gilt für den Winkel γ=Sin^-1-(Sin γ-Sin β). Am Ende des Gebietes II gilt γ=0°, und die Lücke ist um 90° symmetrisch, um eine Mittenlücke von 5° zu erzeugen. Gemäß 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 Gleitlücken-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 α=α₀=0° und Δβ=-Δγ. Der Winkel β ändert sich zwischen β_m=87,5° (78) und β=60° (81), während sich der Winkel γ zwischen γ=γ¹=92,5° und γ=γ_m=120° (82) ändert. Die Prozente des Grundsignals (% F) können in dem Gebiet III folgendermaßen ausgedrückt werden: % F=91,28% [1-2 Sin (90%-β)]. Die Breite der sich ergebenden Mittenlücke, 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 Gleitlücken-PDM desselben Signals durch Auswahl geeigneter Winkelwerte für α vorgenommen werden kann. In jedem Gebiet wird der Wert des Winkels α so gewählt, daß sich die gewünschte Phasenmodulation ergibt, nachdem die Werte von β und γ gewählt sind, um die Gleitlücken-PDM vorzunehmen, und zwar gemäß folgender Beziehung:

Gemäß vorstehenden Darlegungen kann der Effektivwert eines Grundsignals in kontinuierlicher Weise durch eine Gleitlücken-PDM des Signals reguliert werden. Die Gleitlücken- PDM gestattet einen Prozent-Grundsignal- Effektivwert, der einen einzigen Wert für einen bestimmten Satz von Winkelwerten für die drei phasenverschobenen Wellen hat. Durch Regeln des Winkels α kann die zufällige Phasenverschiebung des Grundsignals während der Gleitlücken-PDM eliminiert werden, um unerwünschte Leistungsänderungen in dem Grundsignal zu verringern. Andererseits kann eine Phasenverschiebung zusätzlich zu der Gleitlücken- PDM bei Bedarf eingeführt werden, indem in geeigneter Weise Werte von α als Funktion der zum Erzeugen der Gleitlücken- PDM ausgewählten Winkelwerte ausgewählt werden.

Fig. 1 zeigt als ein Beispiel eine Ausführungsform der Gleitlücken- PDM, die zur Verwendung bei einem üblichen dreiphasigen Wechselrichter 84 vorgesehen ist, der Wechselrichterbrücken 85 enthält, die Eingangsleistung aus einer Gleichstromquelle 86 aufnehmen und Rechteckwellengrundfrequenzsignale in jeder von drei Phasen Φ_A, Φ_B, Φ_C liefern, die über Wechselrichterausgangsstufen 87 an eine Belastung 88 abgegeben werden. Die Ausgangsstufen 87 enthalten einen Ausgangstransformator zum 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 V_0A, V_0B, V_0C und haben jeweils Spitzen- und Effektivwerte in Abhängigkeit von der Amplitude und dem Effektivwert der Wechselrichterbrückengrundsignale. Ein Spannungsregler 89 empfängt den Istwert der Ausgangsspannung des Wechselrichters 84 und regelt in Verbindung mit einem Spannungssollwertgeber 90 den Effektivwert der Ausgangsspannung des Wechselrichters. Der Spannungsregler 89 liefert auf einer Leitung 92 ein Fehlersignal des Prozent-Grundsignal-Effektivwerts, der zum Decken des Belastungsbedarfes zu jeder bestimmten Zeit erforderlich ist. Pulsbreitenmodulierte Rechtecksignale V_GA, V_GB, V_GC werden den Brücken 85 zum Steuern des Zündens (einschalten, abschalten) von spannungsgesteuerten Schaltern (Thyristoren oder Transistoren) in den drei Phasen der Brücken zugeführt. Bei Nichtvorhandensein irgendeiner Pulsbreitenmodulation werden Rechtecksignale V_Ga, V_Gb, V_Gc als Rechteckwellen aus einer Rechtecksignalquelle 94 geliefert, die sie über Leitungen 95-97 an die Torsteuereingänge der Brücken abgibt. In Fig. 1 sind aber PDM-Schaltungen 98-100 vorgesehen, und zwar eine für jede Leitung, die jeweils eines der drei Rechtecksignale V_Ga, V_Gb, V_Gc empfangen und in eines der pulsbreitenmodulierten Rechtecksignale V_GA, V_GB bzw. V_GC umwandeln.

Die PDM-Schaltungen 98-100 sind gleich und nehmen also die Gleitlücken-PDM des Rechtecksignals vor, das auf der zugeordneten Leitung aus der Rechtecksignalquelle 94 erscheint. Jede PDM-Schaltung 98-100 liefert ein Gleitlücken-PDM-Ausgangssignal V_GA, V_GB, V_GC auf einer zugeordneten Leitung 101-103 an den Torsteuereingang der Brücken 85. Die Lücke wird auf die Information hin erzeugt, die der PDM-Schaltung dargeboten wird und die Lage und die Breite der Lücke beschreibt, und zwar entweder in Grad oder als eine Reihe von Zeitverzögerungen gegenüber einem ausgewählten Bezugswert.

In einer Ausführungsform, in der die Information jeder PDM-Schaltung 98-100 in Form von Gruppen von Zeitverzögerungen dargeboten wird, ist jede Zeitverzögerung einem der drei Winkel zugeordnet, so daß gilt:

Jede Verzögerung wird ab einer Bezugsgröße gemessen, wie dem unmodulierten Rechtecksignal, 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 98-100 über Leitungen 104 aus einem Speicher 106, der eine Suchtabelle enthält und z. B. ein programmierbarer Festwertspeicher (PROM) ist, dargeboten. Der Speicher 106 kann eine Anzahl von parallelen Festwertspeichern aufweisen, 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 Lücke für ein bestimmtes Wechselrichtersystem 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 der gleitenden Lücke, d. h. die Stufen zwischen Winkelwerten. Je höher die Anzahl von gespeicherten Werten für jeden Zeitverzögerungswert ist, um so linearer ist die Gleitlückenfunktion.

Wie bei den in Fig. 4 gezeigten Winkelwerten gibt es für jeden Zeitverzögerungswert jeweils nur einen bestimmten Prozentsatz an Verringerung des Grundsignals. Der Speicher 106 liefert jede Gruppe von drei Zeitverzögerungswerten auf eine Adresse hin, die von einem Analog/ Digital-Wandler 108 geliefert wird, der das analoge Prozent- Grundwelle-Signal auf der Leitung 92 aus dem Spannungsregler 89 in ein Digitalwort umwandelt, das einen Adreßspeicherplatz in dem Speicher 106 darstellt, an welchem die drei Zeitverzögerungswerte, die der bestimmten Prozent-Grundsignal-Größe (Fig. 4) entsprechen, gespeichert sind.

Die Gleitlücken-PDM-Schaltungen 98-100 können in verschiedenerlei, dem Fachmann bekannter Weise ausgebildet sein. In einer Ausführungsform für die PDM-Schaltung 98, die in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Zeitverzögerungswerte τ_d1, τ_d2 und τ_d3 aufeinanderfolgende Verzögerungen, d. h., die erste Verzögerung τ_d1 ist auf das unmodulierte Rechtecksignal auf der Leitung 95 bezogen, die zweite Zeitverzögerung τ_d2 ist auf die erste Zeitverzögerung bezogen, und der dritte Zeitverzögerungswert ist auf die zweite Zeitverzögerung bezogen. Der Effekt ist, daß kaskadierte Zeitverzögerungen zur Verfügung stehen, die jeweils eine Funktion des unmodulierten Rechtecksignals sind, das als Bezugszeitbasis benutzt wird.

Gemäß Fig. 2 empfängt die PDM-Schaltung 98 ein unmoduliertes Rechtecksignal V_Ga, wie es in Fig. 7 in der Darstellung (a) dargestellt ist, auf der Leitung 95. Das Rechtecksignal 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 für die Flankenerkennung einen Digitalflankendetektor aufweisen, 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 sich um eine analoge Differenzierschaltung handeln. Die Synchronzähler 118-120 empfangen jeweils das Taktsignal auf den Leitungen 122 (die Verbindung ist nicht gezeigt) und können jeweils mehrere in Reihe geschaltete Zähler aufweisen, z. B. 4-Bit-Zähler, 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 (C₀) 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 C₀-Ausgänge der Zähler 119, 120 sind mit den Eingängen der 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 (C₀) zählt. In der Ausführungsform von Fig. 2 werden die tatsächlichen Zeitverzögerungen τ_d1, τ_d2 und τ_d3 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 104 _a-104 _c, die in den Leitungen 104 enthalten sind, geliefert.

Die Arbeitsweise der in Reihe geschalteten Flankendetektoren 112-115 und Zähler 118-120 wird am besten anhand der Darstellungen in Fig. 7 verständlich. Das unmodulierte Rechtecksignal (138, Darstellung (a)) wird von dem Detektor 112 empfangen, der Impulse 140-142 auf die Wellenübergänge 143-145 des Rechtecksignals hin liefert. Jeder Impuls ergibt ein Voreinstell/ 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 C₀ 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 τ_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 _b empfängt, bis zu dem Zählerstand C₀ zählt. Jeder Zählwert C₀ aus dem Zähler 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 τ_d2 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 C₀ zählt. Der Detektor 115 liefert einen 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 τ_d3 von dem zugeordneten 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 Rechtecksignal und das von einem Inverter 154 auf der Leitung 156 gelieferte invertierte Rechtecksignal 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 Rechtecksignal und dem invertierten Rechtecksignal 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. 2 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 Rechtecksignale zu erzeugen. Das Decodieren der Impulse 146-152 führt zu dem PDM-Rechtecksignal 175 der Darstellung (f), das Lücken 176, 178 sowohl in der positiven als auch in der negativen Hälfte der Kurve hat, wobei jede Lücke eine Breite hat, die gleich (β-γ)° 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 Belastungsbedarf an dem Wechselrichter 84 ständig auf den neuesten Stand gebracht. Jedes Pro zent-Grundwelle-Signal wird in dem A/D-Wandler 108 in eine Adresse der Suchtabelle in dem Speicher 106 umgewandelt, die die drei Zeitverzögerungswerte, die an dieser Adresse gespeichert sind, über die Leitungen 104 an die Gleitlücken-PDM- Schaltungen 98-100 abgibt. Jede PDM-Schaltung spricht auf die Zeitverzögerungswerte an, wenn sie erscheinen; in der Ausführungsform von Fig. 2 werden sie als voreingestellte Zählwerte dargeboten. Jeder Zähler liefert einen Zählwert von dem voreingestellten Wert, der durch den programmierbaren Festwertspeicher 106 festgelegt wird, an bis zu dem maximalen Zählwert C₀ 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 Rechtecksignal freigegeben wird. Damit ist die Änderung in der Lage der Lücke und in der Breite der Lücke kontinuierlich, und beide sind jeweils von dem gewünschten Prozent-Grundsignal-Effektivwert abhängig. Die Lage der Lücke ändert sich, d. h. die Lücke gleitet von einer Randlücke mit einer maximalen Breite von 5° und der Mitte bei 2,5° des als Bezugssignal genommenen unmodulierten Rechtecksignals zu einer Mittenlücke mit einer Breite von 5 bis 60° und der Mitte bei 90° des Bezugsrechtecksignals. Für jede Lage und Breite der Lücke gibt es nur einen Wert der prozentualen Änderung der Grundwelle für die Gleitlücken-PDM, so daß es eine einzige mit Lücke versehene PDM- Welle für jeden Prozent-Grundsignal-Wert zwischen 100% und 0% gibt. Das erlaubt eine kontinuierliche Änderung des Grundsignaleffektivwertes ohne diskrete Umschaltung zwischen Rand- und Mittenlücken, wie im Stand der Technik, und ohne Erzeugung von geraden Oberwellen des Grundsignals.

Die Gleitlücken-PDM kann bei Bedarf in einer analogen Ausführungsform implementiert werden, die für die Summierung der drei phasenverschobenen Wellen (α, β, γ), die in Fig. 3 dargestellt sind, sorgt. Die Phasenwinkelwerte können ebenso in Zeitverzögerungswerte bezüglich des unmodulierten Rechtecksignals umgesetzt werden, so daß eine äquivalente analoge Ausführungsform aufeinanderfolgende Zeitverzögerungen, d. h. eine kaskadierte Funktion in der oben beschriebenen Weise erzeugen könnte. Die Randlückenbreite ist zwar in Fig. 4 als auswählbare Breite bis zu 5° dargestellt, sie kann jedoch ebenso bis zu einem Maximalwert von 15° auswählbar sein, wobei dann die gleitende Lücke oberhalb von 15° beginnt und bei einer Breite von 15° sich ab der Position der Randlücke zu der Position der Mittenlücke auf die erforderliche Änderung des Grundsignaleffektivwertes hin vor- und zurückverschiebt.

Anhang A

Tabelle I

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Regeln des Effektivwertes der Ausgangsspannung eines Wechselrichters (84) durch Pulsbreitenmodulation, wobei Rechtecksignale aus einem Rechteckgenerator (94) durch eine Pulsbreitenmodulationsschaltung (98, 99, 100) moduliert und dem Steuereingang des Wechselrichters (84) zugeführt werden, mit einem Spannungsregler (89), der vom Soll-Effektivwert abhängige Steuersignale an einen Speicher (106) abgibt, dessen Ausgangssignale die Pulsbreitenmodulationsschaltung (98, 99, 100) steuern, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (106) eine Suchtabelle enthält, die mehrere Informationssätze speichert, denen jeweils eine besondere Steuersignalgröße zugeordnet ist und die die Ausgangssignale des Speichers (106) ergeben, welche die Breite und die Lage einer einzigen gleitenden Lücke (49, 50 oder 52) in jeder Halbperiode der Rechtecksignale angeben, wobei die Lücke eine vom Soll-Effektivwert abhängige Breite und Position hat und zwischen einer Position am Rand (Fig. 3e), in der sie eine variable Breite hat, einer Position zwischen der Randposition und einer Mittelposition mit fester Breite (Fig. 3f) und einer Mittelposition (Fig. 3g), in der sie eine variable Breite hat, kontinuierlich verändert werden kann.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (106) so ausgebildet ist, daß er liefert:

- eine erste Gruppe von aufeinanderfolgenden Informationssätzen, die die Lücke (50) in der Randposition mit aufeinanderfolgend höheren Breiten bis zu einem ausgewählten Maximalwert definieren,
- eine zweite Gruppe von aufeinanderfolgenden Informationssätzen, die die Lücke (49) definieren, welche eine feste Breite hat, die gleich dem Maximalwert der Breite der Lücke (50) in der Randposition ist, und ihre Mitte an aufeinanderfolgenden Stellen zwischen der Randposition und der Mittelposition bei 90° hat, und
- eine dritte Gruppe von aufeinanderfolgenden Informationssätzen, die die Lücke (52) in der Mittelposition bei 90° definieren, die aufeinanderfolgend höhere Breiten von dem Wert der Breite der durch die zweite Gruppe definierten Lücke (49) bis zu einem Maximum von 60° hat.