DE3313445C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lieferung von pulsbreitenmodulierten Steuer­ impulsen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (Siemens-Zeitschrift 45 (1971) S. 154-161).

Für den Antrieb eines elektrisch getriebenen Fahrzeugs durch Steuerung des das Fahrzeug antreibenden Induktionsmotors mit einem VVVF-Wandler wird eine bestimmte Schlupf­ frequenzsteuerung unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Während des Lastbetriebs gilt

fINV = fR+fS (1)

während der Generatorbremsung gilt

fINV = fR-fS (2)

wobei fINV die Ausgangsfrequenz des VVVF-Wandlers, d. h. die Frequenz des umlaufenden Magnetfeldes im Induktionsmotor, fR die Drehfrequenz des Induktionsmotors und fS die Schlupffrequenz sind.

Die Ausgangsspannung V des VVVF-Wandlers wird zudem so gesteuert, daß das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Aus­ gangsfrequenz V/fINV konstant ist, wodurch das Ausgangs­ drehmoment T des Induktionsmotors konstant gehalten wird. Im Bereich, bei dem fS zu fINV klein ist, läßt sich das Ausgangsdrehmoment T durch folgenden Ausdruck darstellen:

T = k · V/fINV · fS (3)

Wenn also fS und V/fINV bei kleinem fS/fINV konstant gemacht werden, kann ein konstantes Ausgangsdrehmoment T gemäß Gleichung (3) erhalten werden.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Hauptschaltung für den VVVF-Wandler und den Induktionsmotor. Es gelten folgende Bezeichnungen: Gleichstromquelle 1; Schalter 2; Filter­ induktivität 3; Filterkondensator 4; VVVF-Wandler 5; Induktionsmotor 6; Frequenzfühler 7; mit dem die Umlauffrequenz fR des Induktionsmotors 6 abgetastet wird.

Bei einer Beschleunigung des Induktionsmotors 6 steigt gemäß Gleichung (1) die Ausgangsfrequenz fINV des VVVF-Wandlers wegen der Erhöhung der Umlauffrequenz fR, und die Wandlerausgangsspannung V erhöht sich proportional.

Ein Beispiel für ein Verfahren der Einstellung der Aus­ gangsspannung V und der Ausgangsfrequenz des Wandlers ist in Fig. 2 dargestellt. Danach wird das Schalten allgemein so vorgenommen, daß, beginnend mit einer niedrigen Ausgangsspannung und mit einer niedrigen Ausgangsfrequenz fINV die Zahl N von in einer Halbperiode der Ausgangsgröße auftretenden Impulsen mit steigender Ausgangsfrequenz fINV der Ausgangsspannung V gesenkt wird. Dies geschieht, weil die Schaltgeschwindigkeit eines die Ausgangsspannung steuernden Elementes wie eines Thyristors, der den VVVF-Wandler darstellt, begrenzt ist. Es ist unmöglich, eine sehr hohe Modulationsfrequenz (N×fINV) zu erzielen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen, mit neun Impulsen arbeitenden Modulationssystems, in dem die Zahl der Impulse N = 5 ist. Genauer gesagt zeigt Fig. 3 ein Sinuswellenmodulationssystem, bei dem kleine harmonische Komponenten in der Ausgangsspannungswelle enthalten sind. Die Fig. 3 zeigt eine Dreiecksträgerwelle 8, eine Sinuswellen-U-Phasenmodulationswelle 9, ein U-Phasenmodulationssignal 10, das durch Vergleich der Dreiecksträgerwelle 8 mit der U-Phasenmodulationswelle 9 gewonnen wird, ein V-Phasenmodulationssignal 11, das durch Vergleich der Dreiecksträgerwelle 8 und einer V-Phasenmodulationswelle (nicht dargestellt) erhalten wird, die dem U-Phasenmodulationssignal um 120° in der Phase nachhängt.

Wenn das U-Phasenmodulationssignal 10 als Ein/Aus-Signal dem U-Phasenausgangsspannungssteuerelement im Wechselrichter 5 in Fig. 1 und das V-Phasenmodulationssignal 11 dem V-Phasenausgangsspannungssteuerelement zugeführt werden, erhält man eine U-V-Phasenausgangsspannungswelle 12 des VVVF-Wandlers, wie in Fig. 3 dargestellt. Wenn die Höhe der U-Phasenmodulationswelle 9 wächst, vermindern sich die Lücken der Ausgangsspannungswelle 10, so daß die Größe der VVVF-Wandlerausgangsspannung V dadurch eingestellt werden kann. Die Wechselrichterausgangsfrequenz fINV kann dadurch eingestellt werden, daß die Frequenzen der Trägerwelle 8 und der U-Phasenmodulationswelle 9 verändert werden.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das den Anteilsfaktor kn der Grundwelle darstellt, welcher eine effektive Komponente zwischen den jeweiligen Ausgangswellen für die Fälle ist, daß 9, 5 bzw. 3 Impulszahlen vorliegen. Fig. 4 zeigt also den Grundwellenanteilsfaktor kn in der VVVF-Wandler­ ausgangsspannung V. Kommen z. B. drei Impulse vor, so ist der Anteilsfaktor kn bei maximalem Spannungswert der Ausgangsspannung V gleich 1. Davon abweichende Impulszahlen ergeben andere Anteilsfaktoren kn bezüglich der Höhe A der Modulationswelle 9. Wenn also dieselbe Höhe A gehalten wird, wenn die Impulszahl N umgeschaltet wird, so ändert sich die Ausgangsspannung V, was zur Folge hat, daß dem Induktionsmotor 6 eine erhöhte Spannung zugeführt wird und ein erhöhter Strom im Motor fließt. Sobald also sich die Impulszahl N verändert, entsteht in der Höhe A eine Sprungstelle, wie in Fig. 2 gezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein konstantes Modulationssignal verwendet wird, dessen Höhe auch bei Änderung der Impulszahl pro Halbwelle der Ausgangsgrundwelle konstant bleibt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine weitere Ausbildung findet sich im Patentanspruch 2.

Im einzelnen stellen die Figuren der Zeichnung folgendes dar:

Fig. 1 das Schaltbild des Hauptschaltkreises eines Induktionsmotors mit Wechselrichter insbes. VVVF-Wandler;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit zwischen Ausgangsspannung V und Ausgangsfrequenz fINV wieder­ gibt;

Fig. 3 ein Erläuterungsdiagramm zur Beschreibung des herkömmlichen Modulationssystems;

Fig. 4 ein Erläuterungsdiagramm, welches die Grundwellen­ anteilsfaktoren kn getrennt gemäß der Impulszahl N zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm für die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung.

Die Beschreibung der Erfindung erfolgt nun in Verbindung mit der Fig. 5, in der ein Fall mit der Impulszahl N = 5 dargestellt ist. Das herkömmliche Sinuswellenmodulationssystem ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Schnittpunkte der Dreieckssignalfolge und der Sinuswelle lassen sich durch Gleichsetzen der folgenden Gleichungen (4) und (5) bestimmen, wobei Fig. 5 der Einfachheit halber nur den Bereich von 0° bis 180° zeigt, der Bereich von 180° bis 360° jedoch durch Inversion des Modulationssignals gewonnen werden kann.

Dreieckssignalfolge (8):

Sinuswelle (9):

y = A · sin R (5)

mit A = kn · PMF<0 und
kn = Grundwellenanteilsfaktor bei einer Impulszahl
N = n;
PMF = Modulationsfaktor;
m = ganze Zahl von 1 bis n-1;
N = Zahl der Impulse pro Halbwelle und
R = Winkel.

Für Fig. 5 gilt N = 5, so daß kn = k 5 ist. Aus den Gleichungen (4) und (5) erhält man

Für die Gerade 13 gilt:

y = A (7)

Für die zugeordnete angenäherte Trapezwelle 14 lautet die Gleichung

Durch Gleichsetzen der Gleichungen (7) und (8) erhält man dasselbe R, das auch erhalten wird, wenn die Gleichungen (4) und (5) gleichgesetzt werden.

Aus der Fig. 4 geht hervor, daß der Modulationsfaktor PMF durch die Höhe A und den Grundwellenanteilsfaktor k ₅ definiert ist.

PMF = A/k₅ (9).

Wenn der Winkel R aus den obenbeschriebenen Daten gewonnen wird, wird deutlich, daß der Modulationsfaktor PMF beim Winkel R, wo die Sinuswelle 9 die Dreieckssignalfolge 8 schneidet, endgültig bestimmt ist. Aus den Gleichungen (6) und (9) gewinnt man

Die Ergebnisse der Berechnungen der Modulationsfaktoren PMF für sämtliche Winkel R gemäß Gleichung (10) sind so, wie sie durch ausgezogene Linien in Fig. 5 angedeutet sind. Man erhält also eine trapezförmige Trägerspannungssignalfolge 15, die der Geraden 16 zugeordnet ist.

Für den Fall, daß die Impulszahl N 9 ist, wird in Gleichung (10) der Faktor k₅ durch den Faktor k₉ ersetzt. Entsprechendes gilt für den Fall N = 3.

Der Modulationsfaktor PMF, 16 ist somit konstant, wie in Fig. 5 gezeigt. Es ist deshalb nicht nötig, die Höhe zu verändern, wenn die Impulszahl N umgeschaltet wird, und die einem Vergleich zu unterziehenden Wellen sind sehr einfach. Damit kann die Schaltung wesentlich vereinfacht und miniaturisiert werden, und es läßt sich die Modulationsschaltung hinsichtlich Zuverlässigkeit und Herstellungskosten verbessern.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Lieferung von pulsbreitenmodulierten Steuerimpulsen als nochfrequente Steuerimpulse für einen Wechselrichter, wobei aufgrund der Phasenlagen der Steuerimpulse eine sinusförmige Ausgangsgrundspannng gebildet wird, wobei die Phasenwinkel der Steuerimpulse ihrerseits dem Vergleichsergebnis der sinusförmigen Ausgangsgrundspannung mit dieser gegenüber entsprechend höherfrequenten Dreieckssignalfolge entsprechen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine erste Trägerspannungssignalfolge (14) durch Division einer Dreieckssignalfolge (8) durch den Sinus des Phasenwinkels ( R ) erhalten wird,
• - daß durch Division der ersten Trägerspannungssignalfolge (14) durch einen Anteilfaktor (k _n) der sinusförmigen Grundspannung (V) eine zweite Trägerspannungssignalfolge (15) gebildet wird, wobei der Anteilfaktor (k _n) bestimmt ist durch die Anzahl der Trägerspannungssignale in der Ausgangsgrundspannungs-Halbwelle und durch den Modulationsfaktor (PMF), der die Modulationsrate der Ausgangsgrundspannung (V) verkörpert,
• - daß die zweie Trägerspannungssignalfolge (15) mit einem konstanten Modulationsspannungssignal (16) verglichen wird, das dem die Modulationsrate verkörpernden Modulationsfaktor (PMF) entspricht, und
• - daß die Steuerimpulse aus dem Vergleichsergebnis von zweiter Trägerspannungssignalfolge (15) und konstantem Modulationsspannungssignal (16) erhalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Trägerspannungssignalfolge (14) angenähert ist durch die Beziehung: y = [(-1) ^m-1 · · R+2 · (-1) ^m · m]/ sin R,wobei m eine ganze Zahl zwischen 1 und n-1, N die Anzahl der Impulse pro Ausgangsgrundspannungs-Halbwelle und R der Winkel als Variable sind, daß das konstante Modulationsspannungssignal gleich der Amplitude (A) der Ausgangsgrundspannung ist und daß der Modulationsfaktor (PMF) gebildet ist durch y/k _n, wobei k _n gleich dem von der Anzahl der Trägerspannungssignale pro Ausgangs­ grund-Halbwelle abhängigen Anteilfaktor ist.