DE3137267A1

DE3137267A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung einer pulsspannung mit saegezahnfoermigem mittelwert

Info

Publication number: DE3137267A1
Application number: DE19813137267
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. 8399 Ruhstof Schörner
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1981-09-18
Filing date: 1981-09-18
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE3137267C2; NL8201350A

Description

B E S C H R E I B U N-G
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Pulsbreitenmodulierte Spannungen mit sägezahnförmig verlaufendem Mittelwert werden beispielsweise in Pulssteuersätzen für Zwischenkreisumrichter benötigt. Es handelt sich hierbei um Pulsverfahren, bei denen über das Pulsmuster die niedrigzahligen Oberschwingungen in den Umrichterausgangsgrößen unterdrückt werden. Die Verstellung der Grundschwingungsamplituden erfolgt über den Zwischenkreis.
Derartige Pulsverfahren sind für Umrichter mit Spannungszwischenkreis und mit Stromzwischenkreis bekannt (Lit. BD Bedford R.G. Hoft: Principles of Inverter Circuits ; John Wiley 1964. T. Kutman: Optimierung des Pulsbetriebes beim Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom; etz Archiv (1979), Heft 7, S. 223 - 228).
Pulsmuster können grundsätzlich digital oder analog erzeugt werden.
Bei der bekannten digitalen Signalerzeugung werden verschiedene Pulsmuster digital gespeichert und je nach Grundschwingungsfrequenz wird auf die einzelnen Pulsmuster umgeschaltet (DE-OS 27 46 952).
Diese digitale Signalerzeugung ist insofern nachteilig, als der Schaltungsaufwand für niedrige Grundschwingungsfrequenzen stark zunimmt. Weiterhin können beim Pulsmusterwechsel erhebliche Geräusche im Umrichter und angeschlossener Last auftreten, weil die Pulsmusterabstufung aus Aufwandsgründen relativ grob ist.
Bei der bekannten analogen Signalerzeugung werden die Pulsmuster dadurch gebildet, daß sägezahn- oder sinusförmige Referenzspannungen mit einer höherfrequenten dreieckförmigen Abtastspannung abgetastet werden (Zusatzanmeldung VPA 75 P 30 56). Diese Art der Signalbildung ist mit dem Nachteil behaftet, daß die Erzeugung von sägezahnförmigen Analogspannungen im Bereich kleiner Frequenzen hochwertige Bauelemente und einen erheblichen Abstimmaufwand erfordern. Eine Annäherung der sägezahnförmigen Spannung durch eine digital erzeugte Stufenkurve läßt sich leichter realisieren, bedeutet aber bei dem erwähnten Abtastverfahren mit Dreieck spannungen einen Zusatzaufwand zur Ausblendung von Randimpulsen, die bei Abtastung der Stufenränder auftreten können. Außerdem ist eine relativ hohe Anzahl von Stufen notwendig, damit auch im untersten Frequenzbereich der Rundlauf einer angeschlossenen Maschinenlast gewährleistet ist. Ein weiterer Nachteil liegt im erforderlichen Aufwand zur Erzeugung der Abtastspannung und für die Synchronisation von Puls- und Grundschwingungsfrequenz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruch 1 zu schaffen, die sich durch einen schaltungstechnisch wesentlich geringeren Aufwand auszeichnet,als die bekannten Schaltungsanordnungen und trotzdem den letzteren gegenüber in funktioneller Hinsicht mindestens gleichwertig ist.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden die Pulsmuster ebenfalls analog erzeugt. Die oben geschilderten Nachteile der bekannten analogen Signalerzeugung werden bei ihr aber vermieden, und zwar dadurch, daß Referenz- und Abtastspannung nicht mehr diskret erzeugt werden, sondern in ihrer Funktion in einer Integratorschaltung zusammengefaßt sind.
Die Ausgangsspannung UI dieses Integrators ergibt sich bei näherungsweise konstanten Eingangsstrom In im Integrationsintervall Tp zu: (1) UI = 1 . IH . t für Zeiten 0 # t # Tp kI mit KI: Integrationskonstante Die Spannung U1 wird in dem Komparator mit der Vergleichspannung UV verglichen. Für die Komparatorausgangsspannung Up gilt: (2) Up = 0 für 1U11 UV; P UP = 1 für |UI| > UV; Wenn der Integrator auf Null gesetzt wird, erhält man einen Puls der Breitea T: (3) #T = UV . KI.1 ; #T < Tp IH Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfüllt der Strom IH die Beding mg: (4) IH . t # const. für 0 # t # TS TS wobei gilt: TS » Tp gemäß er Annahme, daß IH während der Integration näherungseise konstant bleibt.
Aus den Gleichungen (1 - 4) folgt für die Pulsbreite oT: (5) #T UV . KI 1 .
const für 0 # t # TS TS Daraus folgt, daß die Breite T der am Ausgang des Komparators auftretenden Pulse im Sägezahnintervall T5 linear mit der Zeit t abnimmt, bzw. am Ausgang des gemäß Anspruch 3 nachgeschaltenen Inverters linear mit der Zeit zunimmt. Das letztere entspricht einer pulsbreitenmodulierten Spannung mit sägezahnförmig zunehmendem Mittelwert.
Der hyperbolische Verlauf von IH wird gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise durbh eine Stufenkurve angenähert. Die Stufen werden durch den Integrator geglättet ; Randimpulse können bei dem gewählten Prinzip, nach dem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet, nicht auftreten. Auch die weiteren Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Anspruchs 1. Ausführung der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachstehend beispielhaft erläutert: Es zeigen: Fig. 1: Den Zeitverlauf der in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 auftretenden wesentlichen Signalgrößen zur Erzeugung de Pulsspannung Up innerhalb eines Sägezahnintervalls TS Fig. 2 : Das Schaltbild der Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Pulsspannungen Up und Up.
In Fig. la, 1b, 1c ist der zeitliche Verlauf der Frequenzsignale fS, 2fss 4-fS zur Erzeugung eines hier 8-stufigen Referenzstromes IH dargestellt. Aus den Frequenzsignalen wird in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 über digitale Verknüpfungslieder 1 - 8 und die Widerstünde 9 - l6 der Summenstrom IH gemäß Fig. ld gebildet. Durch Integration des Stromes IH im Verstärker 17 mit dem Integrationskondensator 18 ergibt sich die Integratorausgangsspannung UI. Die Spannung UI wird durch die Zenerdiode 19 (Fig. 2) auf die Spannung Uz begrenzt. Über den Schalter 20 wird der Integrationskondensator 18 in den einzelnen Sägezahnintervallen TS mehrmals schlagartig entladen. Der Schalter 20 wird durch die Frequenzquelle 21 in den Zeitintervallen T - 1/f angesteuert. Je nach Anforderungen kann p p die Frequenz fp mit der Frequenz f5 synchronisiert werden. Der grundsätzliche Verlauf von fp und Integratorspannung UI ist in den Bildern le, If in Fig. 1 aufgezeigt. Die Spannung UI wird mit der Spannung Uv im Komparator 26 verglichen, wobei UI und Uv durch die Eingangswiderstände 23 und 24 gleich bewertet werden.
Wenn die Summe der beiden Spannungen UI und Uv größer als Null ist, dann wird die Zenerdiode des Komparators in Vorwärtsrichtung leitend, d.h. die Ausgangsspannung Up ist ungefähr gleich Null; wenn die Summe der beiden Spannungen UI und Uv kleiner als Null ist, dann wird die Zenerdiode in Rückwärtsrichtung leitend, d.h. U entspricht der Zenerp spannung. Über das Potentiometer 25 kann man die Amplitude von UV und damit den Schaltzeitpunkt des Komparators einstellen. Folglich laßt Sich über UV die Mindestpulsbreite 9 Tmin vorgeben, wie dies in Bild 1 angedeutet ist.
Am Komparatorausgang treten infolge des Zwei-Punkt-Verhaltens des Komparators digitale Signale tf auf, deren Breite # T in den p einzelnen Sägezahnintervallen TS jeweils linear abnimmt. Durch Invertierung des Komparatorausgangssignals Up im Inverter 27 erhält man ein pulsbreitenmoduliertes Signal Um mit sägezahnförmig ansteigendem Mittelwert gemäß Fig. i h. Die Frequenz fp kann man am Abgleichwiderstand 22 einstellen. Die Signale Up und Up lassen sich zu einem Signal mit konstantem Mittelwert ergänzen.
Die weitere Verarbeitung der pulsbreitenmodulierten Signale Up und Up zu Steuersignalen für Zwischenkreisumrichter sind in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben und brauchen damit nicht weiter behandelt zu werden.
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Claims

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Pulsspannung mit sägezahnförmigem Mittelwert Patentansprüche Ö Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer pulsbreitenmodulierten Spannung Up mit sägezahnfömig verlaufendem Mittelwert, gekennzeichnet durch einen Stromgenerator zum Erzeugen eines Stromes IH mit mindestens angenähert hyperbelförmigem Amplitudenverlauf innerhalb der einzelnen Sägezahnintervalle T5 , ferner durch einen mit dem Strom IH gespeisten, diesen integrierenden Integrator (17-19), durch eine Einrichtung (20-22) für die Null-Rückstellung des Integrators (17-19) mehrmals innerhalb eines jeden Sägezahnintervalls T5 und durch eine Komparatorschaltung (23, 24, 26), die das Ausgangssignal UI des Integrators ( 17 - 19) mit einer Gleichspannung UV so vergleicht, daß das Ausgangssignal Up des Komparators (23, 24, 26) das pulsbreitenmodulierte Signal mit sägezahnförmig verlaufendem Mittelwert darstellt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (23, 24, 26) das Ausgangssignal UI des Integrators (17 - 19) mit der Gleichspannung Uv so vergleicht, daß der sägezahnförmig verlaufende Mittelwert ihres Ausgangssignals Up abfällt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß dem Komparator (23, 24,26) ein Inverter (27) nachgeschaltet ist, der das Ausgangssignal Up des Komparators invertiert, so daß an dem Ausgang des Inverters ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangs signal mit sägezahnfärmig ansteigendem Mittelwert auftritt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Stromgenerator ( 1- 16) den Strom IH aus 2n Einzelströmen zusammensetzt, die über 2n Bewertungswiderstände (9-16) aus 2n Spannungsquellen innerhalb jedes Sägezahnintervalls T5 2n - mal so zu- oder abgeschaltet werden, daß durch diese Schaltvorgänge in Verbindung mit den gewählten Bewertungswiderständen der hyperbelförmige Amplitudenverlauf des Stromes IH durch eine Stufenkurve angenähert wird.
5. schaltUnRsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h gekennzeichnet, daß zur Vorgabe des Pulsmusters innerhalb der einzelnen Sägezahnintervalle T5 der Integrationskondensator (18) des Integrators (17 - 19) mit einer einstellbaren Frequenz f = 1/T über einen p p Analogschalter (20) entladen wird, so daß die Häufigkeit der Entladungen die Pulsfrequenz fp festlegt, und daß die Integrationszeit und die Frequenz fp so gewählt werden, daß der Integrator (17 - 19) auch beim kleinstmöglichen Eingangsstrom IH ausgangsseitig noch einen vorbestimmten Maximalwert Uz erreicht, der durch eine zum Integrationskondensator (18) parallelgeschaltete Zenerdiode (19)festgelegt ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h gekennzeichnet, daß zur Synchronisation des Pulsmusters mit einer Fremdfrequenz die Entladung des lntegrationskondensators (18) so schnell erfolgt, daß die abfallende Flanke des Integratorausgangssigna;ts' UI synchron zu dem Entladesignal ist, und daß das Entladesignal mit der übergeordneten Fremdfrequenz fs synchronisiert ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h gekennzeichnet, daß über die Größe der dem Komparator (23, 24, 26) zugeführten Gleichspannung Uv die Mindestdauer aTmin der Einzelpulse des Ausgangssignals Up des Inverters (27) einstellbar ist.