DE3414102A1

DE3414102A1 - Steuergeraet fuer einen stromwechselrichter

Info

Publication number: DE3414102A1
Application number: DE19843414102
Authority: DE
Inventors: Mitsuyuki Katsuta Hombu; Yasuo Hitachi Matsuda; Shigeta Hitachi Ueda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-04-15
Filing date: 1984-04-13
Publication date: 1984-11-15
Also published as: SG105287G; US4581693A; GB8409404D0; GB2140987A; DE3414102C2; GB2140987B

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung eines Stromwechselrichters und insbesondere auf die Steuerung eines Stromwechselrichters, der für eine Steuerung mit Pulsbreitenmodulation selbstlöschende Elemente einsetzt. Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstromleistung in Wechselstromleistung mit vorgegebener Frequenz werden grob in Spannungswechselrichter und Stromwechselrichter unterteilt. Bei Spannungswechselrichtern ist die Wellenform des Ausgangsstromes im allgemeinen sinusförmig, während die Wellenform der Ausgangsspannung Impulse enthält, die nach einem sinusförmigen Muster verteilt sind. Demgegenüber ist bei Stromwechselrichtern die Wellenform der Ausgangsspannung sinusförmig, währendt. die Wellenform des Ausgangsstromes Rechteckform besitzt.

Bezüglich der letzteren Art eines Stromwechselrichters mit Thyristoren ist vorgeschlagen worden, den Wechselrichter entsprechend einem Pulsbreiten-Modulationsverfahren zu steuern, das dem für die Steuerung eines Spannungswechselrichters eingesetzten Verfahren ähnlich ist, um die Wellenform des Ausgangs-Stromes zu verbessern. Aufgrund der Betriebskenngrößen der Thyristoren, die zum Aufbau der Stromwechselrichter nach dem Stand der Technik verwendet wurden, gibt es jedoch eine Begrenzung des Modulationsfrequenzbereiches, und die gewünschte Verbesserung der Wellenform des Ausgangsstromes mittels der pulsbreiten Modulationstechnik ist nur auf einen spezifischen Frequenzbereich beschränkt. Um diesen Nachteil eines .Stromwechselrichters nach dem Stande der Technik zu beseitigen, haben die Erfinder einen Stromwechselrichter vorgeschlagen, der selbstlöschende Elemente verwendet, die auch in einem Bereich hoher Frequenz arbeiten, der im Aufbau einfach ist und bei dem. die Pulsbreiten-Modulationssteuerung bis in den Bereich hoher Frequenzen ausgeführt werden kann (japanische Offenlegungsschrift Nr. 56-186815, ihr entspricht die US-Patentanmeldung Serial Nr. 443,398 und die europäische Patentanmeldung Nr.

82110784.4).

Ein solcher Stromwandler, der entsprechend dem Vorschlag der Erfinder selbstlöschende Elemente aufweist, kann eine Wellenform für den Ausgangsstrom liefern, die näher bei einer sinusförmigen Wellenform liegt als beim Stand der Technik, wenn die Hochfrequenz-Pulsbreitenmodulation ausgeführt wird. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, nicht nur die Wellenform des Ausgangsstromes sondern auch den Wert der Ausgangsströme bei dem vorgeschlagenen Stromwechselrichter zu steuern, solange man die bekannte Art und Weise der PuIsmustersteuerung anwendet. Im Falle eines Stromwechselrichters, der mit Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle versorgt wird und· der anders als ein Spannungswechselrichter nicht im Zustand eines offenen Stromkreises gelassen werden darf, muß nämlich das Pulsmuster zum Ausführen der Steuerung nach der Pulsbreiten-Modulationstechnik innerhalb der oben gegebenen Begrenzung festgelegt werden.

Genauer gesagt müssen in dem Fall eines Stromwechselrichters eine der Phasen bei den positiven Armen und eine der Phasen bei den negativen Armen im EIN-Zustand sein. Wird daher die Breite der an eine der Phasen angelegten Pulse verschmälert, um den Ausgangsstrom dieser Phase herabzusetzen, so muß die Breite der Pulse, die an die andere Phase angelegt werden, verbreitert werden. Dies führt nicht nur zu einem Ungleichgewicht der Ausgangsströme der drei Phasen, sondern auch zu einer nicht-sinusförmigen Wellenform des . Ausgangsstromes. Man erhält daher nicht die gewünschte Ausgangswellenform, wenn das Gleichgewicht zwischen den drei Phasen und die Stromwellenformen der drei Phasen beachtet werden.

Eine Technik zum Erzeugen einer sinusförmigen Wellenform des Ausgangsstromes bei einem Stromwechselrichter ist in dem Artikel mit dem Titel "A Novel PWM Technique for Three Phase Inverter/Converter" von T. Ohnishi u.a. in IEEJ, Conference Record IPEC-Tokyo, März 1983, S. 384-395 diskutiert worden.

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In diesem Artikel ist ein Wechselrichter-Steuergerät dargestellt, das in der Lage ist, eine sinusförmige Wellenform des Ausgangsstromes zu liefern und das weiterhin eine Steuerung des Wertes der Ausgangsströme ermöglicht. Das vorgeschlagene Steuergerät erfordert jedoch eine hohe Schaltfrequenz, was zu einem erhöhten Verlust der Elemente führt. Das vorgeschlagene Steuergerät hat daher Nachteile im Hinblick auf eine Verbesserung des Wirkungsgrades und ein Ansteigen der Kapazität.

Es ist daher hauptsächlich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zum Steuern eines Stromwechselrichters anzugeben, das Ausgangsspannungen.und Ausgangsströme mit sinusartiger Wellenform liefert, die nur in..einem sehr kleinen Anteil höhere harmonische enthalten, und daß eine variable Steuerung der Ausgangsströme über einen weiten Bereich erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit einem Steuergerät nach dem Dberbegriff des Patentanspruches 1 gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Steuergerät für einen Stromwechselrichter nach der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch den Umstand aus, daß während«, der Zeitperiode, in der durch das Pulsbrei tenmodulations signal jedes der die Wechselrichterbrücke bildenden Schaltelemente eingeschaltet wird, ein Triggerimpuls oder Triggerimpulse für eine vorgegebene Zeitspanne auch an das Schaltelement angelegt werden, das mit dem vorerwähnten Schaltelement in Reihe geschaltet ist und mit ihm ein Paar bildet, so.daß für diese Zeitperiode der Gleichstromweg kurz geschlossen wird, und das die Pulsbreite des Triggerimpulses oder der Triggerimpulse und der Triggerzeitpunkt (Triggersynchronisierung) gesteuert werden, um die Dauer und den Zeitpunkt des Kurzschließens des Gleichrstromweges zu regeln und dadurch Ausgangsströme von gewünschtem

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Wert zu liefern.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele, beschrieben.und näher erläutert.
Figur 1 ist ein Schaltbild eines Stromwechselrichters

mit selbstlöschenden Elementen;

Figur 2 zeigt in einem Blockschaltbild die Gestalt eines Wechselrichter-Steuergerätes nach dem Stand der Technik;

Figur 3 zeigt für das in Figur 2 dargestellte Wechselrichter-Steuergerät nach dem Stand.der Technik die Beziehung zwischen den Ausgangspulsen und den Drei-Phasen-Ausgangsströmen des Wechselrichters; Figur 4 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Ausführungsbeispieles eines Wechselrichter-

Steuergerätes nach der vorliegenden Erfindung; Figur 5 zeigt für das in Figur 4 dargestellte Wechselrichter-Steuergerät die Beziehung zwischen den Ausgangsimpulsen und den Drei-Phasen-Ausgangsströmen des Wechselrichters; Figur 6 zeigt ein vergrößertes Wellenformdiagramm eines

Teiles der Figur 5;

Figur 7 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;

Figur 8 zeigt die Arbeitsweise der Kurzschlußimpuls-Generatorschaltung des Ausführungsbeispieles der Figur 7;

Figur 9 zeigt Signal- und Stromwellenformdiagramme um die Arbeitsweise des in Figur 7 dargestellten

Ausführungsbeispieles zu erläutern;

Figuren zeigen die Beziehung zwischen der Breite des (a) Kurzschlußimpulses und der Wellenform des Ausgangs-(b) stromes bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel;

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Figur 11 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;

Figur 12 zeigt Signal- und Stromwellenformdiagramme, um die Wirkungsweise des in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispieles zu erläutern; Figur 13 zeigt ein vergrößertes Wellenformdiagramm als

Teil der Figur 12;

Figur 14 beschreibt die Arbeitsweise des Wechselrichters bei dem in Figur 13 dargestellten Signalzustand;

Figur 15 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles, der vorliegenden Erfindung;

Figur 16 zeigt Signal- und Wellenformdiagramme, um die Arbeitsweise des in Figur 15 dargestellten Ausführungsbeispieles zu erläutern; Figur 17 zeigt ein vergrößertes Wellenformdiagramm als

Teil der Figur 16;

Figur 18 zeigt die Arbeitsweise des Inverters bei dem in Figur 17 dargestellten Signalzustand;

Figur 19 zeigt Signal- und Stromwellenformdiagramme, um die Arbeitsweise eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung darzustellen; und
Figur 20 zeigt ein vergrößertes Wellenformdiagramm als

Teil der Figur 19.

Die Figur 1 zeigt einen Stromwechselrichter, der von den Erfindern vorgeschlagen worden ist und der selbstlöschende Elemente wie z.B. Thyristoren mit Abschältmöglichkeit über das Gate (GTOtThyristoren) aufweist. Bei der Figur 1 sind selbstlöschende Elemente S^, S„; S , S_y; S„, S„ jeweils paarweise in Serie und die Paare sind zueinander parallel geschaltet, so daß sie eine Brückenschaltung eines Stromwechselrichters 3 bilden, der über eine Gleichstromdrossel 2 an eine

Gleichstromquelle 1 angeschlossen ist und durch das Steuergerät 6 gesteuert wird. Ausgangsleistung, die jeweils an den Verbindungspunkten zwischen den selbstauslöschenden Elementen S^ und S_x, zwischen S„ und S_Y und zwischen S„ und S„ abgenommen werden, werden einer Last 4 zugeführt, die ein Drei-Phasen-Motor sein kann. Drei Ausgangsanschlußkondensatoren 5 in Υ oder Δ-Schaltung sind über die Ausgangsanschlüsse des Wechselrichters 3 gelegt.

Figur 2 zeigt den Aufbau eines Steuergerätes 6 nach dem Stand der Technik, das für die Pulsbreitenmodulation-(PWM) Steuerung eines solchen Stromwechselrichters mit selbstlöschenden Elementen verwendet wird. Bei der Figur weist das Steuergerät 6 eine Taktgeneratorschaltung 61, eine PWM-Muster-Generatorschaltung 62 und eine Treiberschaltung 63 auf. Nach Maßgabe des Anlegens eines Frequenz-Steuersignals f werden Signal Py, T?_z, Py, Ρ_χ, P„ und P_y, die die gewünschten PWM-Muster besitzen, .jeweils an die Gate-Elektroden der zugeordneten selbstauslöschenden Elemente S₁₁, S_z, S_v, S_x, S_w und S_Y angelegt.

Die Figur 3 zeigt ein Signal- und Wellenformdiagramm für die. Wellenformen der Wechselrichter-Ausgangsströme I , I_v und I„ im Vergleich zu den Gatesignalen P«, P , P„, P_x, P„ und Ρ_γ, die an die Gate-Elektroden der jeweiligen selbstauslöschenden Elemente S„, S_n, S._T, S_v; S_rT und S_x. in dem Wechselrichter 3 angelegt werden.

Der von den Erfindern vorgeschlagene Stromwechselrichter, der selbstlöschende Elemente besitzt, hat den Vorteil, daß trotzi-seines einfachen Aufbaus eine Hochfrequenz-Pulsbreitenmodulation durchgeführt werden kann, um Ausgangsströme zu liefern, die höhere harmonische nur in einem sehr kleinen Anteil enthalten. Solange jedoch das Triggern des vorgeschlagenen Stromwechselrichters durch PWM-Mustersignale gesteuert wird, die unter Beachtung des Umstandes bereitgestellt werden, daß der Inverter nicht im Zustand des offenen Schaltkreises bleiben darf, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, ist es ebenso wie im Fall der Stromwechselrichter nach dem Stand der Technik

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unmöglich, den Wert des Ausgangsstromes des Wechselrichters selbst zu steuern.

Figur 4 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Ausführungsbeispieles eines Wechselrichter-Steuergerätes nach der vorliegenden Erfindung, welches eine solche Funktion ausführt, daß dann, wenn eines der selbstauslöschenden Elemente eines Paares eingeschaltet wird, ein EIN-Impuls an das andere Element dieses Paares zur gleichen Zeit angelegt wird.

Bei der Figur 4 erzeugt eine Taktimpulsgeneratorschaltung 61 ein Taktsignal, dessen Frequenz proportional zu einem an sie angelegten Stromrichter-Freguenz-Befehlssignal f ist. Eine Pulsbreitenmodulationsmuster-Steuerschaltung 62 (PWM-Mustersteuerschaltung) erzeugt synchron zu dem Taktsignal PWM-Pulsmustersignale mit Pulsbreiten, die den Triggerzeiträumen (EIN-AUS) der einzelnen selbstlöschenden Elemente Sy, S_z, ^SV ^SX' ^Sw ^un^ ^SY ^entsP^recnen· Diese Muster sind derart, daß die Pulsbreitenverteilung ... einen Stromrichterausgangsstrom von sinusförmiger Wellenform liefert. Auf der Basis der an sie angelegten PWM-Mustersignale erzeugt eine Treiberschaltung 63 Gate-Signale Py, P„, Ρ_γ, Ρ_χ, P und P_y, die geweils an die Gate-Elektroden der zugeordneten selbstlöschenden Elemente S^, S„, S_v, S , S_w und S angelegt werden.

Das Ausgangssignal der Taktimpulsgeneratorschaltung 61 wird nicht nur an die PWM-Mustergernatorschaltung 62, sondern auch an die EIN-Impulsgeneratorschaltung 64 angelegt (sie wird im folgenden auch als Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung bezeichnet). Diese Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64 erzeugt Kurzschlußimpulse, die an die selbstauslöschenden Elemente angelegt werden, die mit denjenigen, die durch die PWM-Muster eingeschaltet werden, Paare bilden. Die PWM-Mustergeneratorschaltung 62 ist ähnlich der in Figur 2 dargestellten Schaltung, und ihre Ausgangssignale sind den in Figur 3 dargestellten Signalen Py ..., Ρ_γ ähnlich. Die Ausgangssignale

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der PWM-Mustergernatorschaltung 62 werden zusammen mit dem Ausgangssignal der Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64 an eine Mischsignalgeneratorschaltung 65 angelegt, die zusammengesetzte (gemischte) Ausgangssignale erzeugt. Die Ausgangssignale dieser Mischsignalgeneratorschaltung 65 werden an die Treiberschaltung 63 angelegt und liefern die Signale P , P„, P , P , P und P mit der in Figzr 5 dargestellten Zeitfolge. Die Signale P , P , P , P , P_w und P_y der Figur 5 haben andere Wellenformen als die in Figur 3 dargestellten Signale indem die Kurzschlußimpulse, die von der Kurzschlußgeneratorschaltung 64 erzeugt werden, den entsprechenden, in Figur 3 dargestellten Wellenformen zuaddiert sind.

Figur 6 zeigt einen Teil des Wellenformdiagramms der Figur 5 in vergößerter Form um die Zeitsteuerung für die Erzeugung der Kurzschlußimpulse darzustellen. Nach Figur wird ein Signal U- als das Gate-Signal P von der PWM-Mustergeneratorschaltung 62 erzeugt, und diesem Signal U, folgt ein Zug von Kurzschlußimpulsen S₁, S₂ und S₃, die von der Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64 synchron zu der Forderflanke der Impulse X₁, X~ und X₃ des Gate-Signales P erzeugt werden. Die Pulsbreite der Kurzschlußimpulse S₁, S₂ und S₃ ist kleiner als die Breite aller von der PWM-Mustergeneratorschaltung 62 erzeugten Impulse. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden solche Kurzschlußimpulse an das selbstauslöschende Element S₀ angelegt, das mit dem selbstauslöschenden Element S ein Paar bildet. Solche Kurzschlußimpulse können jedoch auch an das selbstauslöschende Element S angelegt werden, das mit dem selbstauslöschenden Element S ein Paar bildet.

Anhand der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Wellenformen der Ausgangsströme I.., I_v und I kann man erkennen, daß der Wert dieser Ausgangsströme sich in Abhängigkeit

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von der Pulsbreite d der angelegten Kurzschlußimpulse ändert. Da somit der Wert der Ausgangsströme klein bzw. groß ist, wenn die Pulsbreite d der Kurzschlußimpulse groß bzw. klein ist, kann der Wert der Ausgangsströme durch Steuerung der Pulsbreite d der Kurzschlußimpulse geregelt werden.

Figur 7 zeigt in einem Blockschaltbilds den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles des Steuergerätes nach der vorliegenden Erfindung. Bei der Figur 7 haben die Taktgeneratorschaltung 61, die PWM-Mustergeneratorschaltung 62 und die Treiberschaltung 63 jeweils eine ähnliche Funktion wie in Figur 2.

Eine Frequenzteilersehaltung 66 teilt die Frequenz des von der Taktimpulsgeneratorschaltung 61 erzeugten Taktsignals und erzeugt ein Impulszug-Signal Q₁, das eine dem gewünschten Wert des Ausgangsstromes entsprechende vorgegebene Pulsbreite d besitzt und synchron zu dem frequenzgeteilten Taktsignal ist. Dieses Impulszug-Signal Q₁ wird an die Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64 angelegt.

Figur 8 zeigt die Arbeitsweise der Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64. Entsprechend Figur 8 empfängt die Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64 die PWM-Mustersignalteile Q₂₁ und Q₂₂ des PWM-Mustersignals Q₂, das von der PWM-Mustersignalgeneratorschaltung 22 zugeführt wird. Diese PWM-Mustersignalteile Q₂₁ und Q₂₂ entsprechen der Phase von 0 bis 1/3π bzw. der Phase von 2/3ir bis ir. Bei der Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64 werden die PWM-Mustersignalteile Q₂-J und Q₂₂ zusammen mit dem Impuls zug signal Q₁ von vorgegebener Impulsbreite d , das von der Frequenz-

I S

teilerschaltung 66 zugeführt wird, an UND-Gatter angelegt, undtdie resultierenden Kurzschlußimpulszugsignale Q^₁ und Q₃₂, die jeweils dem PWM-Mustersignalteil Q₂- bz. Q₂₂ entsprechen werden an die Mischsignalgeneratorschaltung angelegt.

In der Mischsignalgeneratorschaltung 65 werden die Kurzschlußimpulszugsignale Q₃₂ und Q₃₁ jeweils dem (O bis 1/3ττ) bzw. (2/3π bis π)-Phasenanteil des von der PWM-Mustergeneratorschaltung 62 erzeugten PWM-Mustersignals Q₅ angelegt um die zugeordneten selbstlöschenden Elemente zu steuern.

Die resultierenden PWM-Mustersignale Q₆ werden von der Mischsignalgeneratorschaltung 65 an die Treiberschaltung 63 angelegt.

Bei dem Steuergerät mit dem Aufbau nach der Figur 7 werden von der Treiberschaltung 63 Gate-Signale P_T1, P₁₇, P_v, P , P und P mit den in Figur 9 dargestellten Wellenformen erzeugt. Somit erfolgt beispielsweise in der Periode I in Figur 9 eine EIN-AUS-Steuernng des selbstlöschenden Elementes S_w mit dem auf dem PWM-Mustersignal Q₂₂ basierenden Gatesignal P_w· Andererseits erfolgt entsprechend der Figur eine EIN-AUS-Steuerung des selbstlöschenden Elementes S„, das mit dem selbstlöschenden Elemente S„ des Armes der gleichen Phase ein Paar bildet und mit ihm in Reihe geschaltet ist, mit Hilfe des Gatesignales P„, das auf dem Kurzschlußimpulszugsignal Q_„ beruht. In ähnlichen Weise wird das selbstauslöschende Element S_n mit dem Gatesignal P_n, das auf dem PWM-Mustersignal Q₂₁ basiert, EIN- und Ausgesteuert, und mit Hilfe des auf dem Kurzschlußimpulszugsignal Q₃₁: basierenden Gate-Signals Ρ_χ erfolgt eine EIN-AUS-Steuerung des selbstauslöschenden Elementes S_v. Mit anderen Worten werden die selbstauslöschenden Elemente, die jeweils mit den intermittierend in den Perioden I bis VI der Figur eingeschalteten selbstauslösbhenden Elementen ein Paar bilden und in den gleichen Arm geschaltet sind, jeweils durch die Kurzschlußimpulszugsignale Q₃ eingeschaltet^ und weiterhin wird während der Periode mit der Impulsbreite d die

Gleichspannung E_n über die Gleichstromdrossel 2 kurzgeschlossen. Während dieser Kurzschlußzeit sind die Ausgangsströme:! , I_v und I. Null, und daher haben die Ausgangs-

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ströme I_n, I und I_w die in Figur 9 gezeigten Wellenformen. Die Wellenformen der der Last 4 zuzuführenden Ströme werden durch die Funktion der Ausgangsanschluß-Kondensatoren 5 gemittelt, so daß die tatsächlichen Ströme I_n, I_v und I_w, die der Last 4 zugeführt werden, die in Figur 9 mit den gestrichelten Linien angedeuteten sinusförmigen Wellenformen haben. Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel können die Mittelwerte der Ausgangsströme I_TT, I„ und I_ri über einen weiten Bereich gesteuert

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werden, in dem die Pulsbreite d der Kurzschlußimpulse verändert wird, und weiterhin sind die Stromwellenformen weniger verzerrt als im Fall des ersten Ausführungsbeispieles.

Die Figuren 10 (a) und 10 (b) zeigen die Wellenform (den Halbzyklus) für einen der Ausgangsströme Iy, I„ und I_w bei verschiedenen Pulsbreiten d der Kurzschlußimpulse. Im Fall der Figur 10 (a), bei der die Pulsbreite d klein ist, ist der Mittelwert des Ausgangsstromes groß, wie dies durch die gestrichelte Kurve angedeutet ist. Im Gegensatz dazu ist im Fall der Figur 10 (b), in der die Pulsbreite d größer ist als in Figur 10 (a), der Mittelwert des Ausgangs-Stromes klein. Man sieht somit, daß die Ausgangsströme des Inverters über einen weiten Bereich (von 0 % bis.100 %) verändert werden können selbst wenn der Wert des Gleichstromes I_Q aufrechterhalten wird. Selbstverständlich wird der minimale Stromwert durch die kleinstmögliche Pulsbreite der an die selbstlöschenden Elemente angelegten Kurzschlußimpulse gesteuert.

Anhand der voran beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Steuergerätes nach der vorliegenden Erfindung ist erkennbar, daß ein Stromwechselrichter Ausgangsströme von sinusförmiger Wellenform erzeugen kann, und daß der Wert der Ausgangsströme über einen sehr weiten Bereich veränderbar ist.

Figur 11 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles des Steuergerätes nach der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere so aufgebaut, daß die Impulsmuster für

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für das Triggern oder die Kurzschlußimpulse, die an die selbstlöschenden Elemente angelegt werden, dadurch geliefert werden, daß ein Funktionssignal, das die gleiche Periode wie die PWM-Mustersignale hat oder zu ihnen synchron ist, mit dem Befehlswert für Wechselstrom-Ausgangsströme verglichen word, der für den Stromwechselrichter gefordert wird.

Bei der Figur 11 wird ein Taktsignal mit einer Frequenz, das proportional zu einem Stromrichterfrequenz-Befehlssignal £_ ist, von einer Taktsignalgeneratorschaltung 61 erzeugt. Das Frequenz-Befehlssignal f_ wird ferner an eine Musterauswahlsignalgeneratorschaltung 76 angelegt, die ein Musterauswahlsignal erzeugt. Das Taktausgangssignal der Taktsignalgeneratorschaltung 61 wird an eine Frequenzteilerschaltung 79 angelegt, die Verteilungssignale R„, R_z, R^, R , R-, und R^ erzeugt, die später im einzelnen beschrieben werden. Das Taktsignal wird weiterhin an eine Referenzmustergeneratorschaltung 72 angelegt, die ein>.. Referenzmustersignal P liefert, sowie an eine Generatorschaltung 77 zum Erzeugen von Dreieckwellenformen mit nicht gleichförmiger Periode, die ein Dreiecksignal Q mit nicht gleichförmiger Periode erzeugt, das synchron zu dem Refer renzmustersignal P ist. Das Dreiecksignal Q wird mit einem Wechselstrom-Ausgangsstrom-Befehlssignal I_n in einer Kurzschlußimpulsgeneratorschaltung 64 verglichen, die Kurzschlußimpulse S erzeugt, um simultan eines der Paare der selbstlöschenden Elemente, die in die positiven und negativen Arme des Wechselrichters geschaltet sind, einzuschalten und dadurch den Gleichstromschaltkreis des Wechselrichters zwangsweise kurzzuschließen. Entsprechend dem Anliegen des Referenzmustersignals P und der Kurzschlußimpulse S erzeugt eine PWM-Mustergeneratorschaltung 62 PWM-Mustersignale P und P₁₅, die einer vorderen 60°-Periode

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und einer hinteren 60 °-Periode in der gesamten 180 °- Periode des Wechselrichterbetriebes, entsprechen*. Nach Maßgabe des Anliegens der Verteilungssignale R₀, R„, R-, R, R^ und R^ zusammen mit den PWM-MusterSignalen P„, P_. und den Kurzschlußimpulsen S erzeugt ein Misch-

Γ JK.

Signalgenerator 65 zusammengesetzte Mustersignale Pr/* P ', P ', P ', P ' und P', die über die drei Phasen verteilt sind um jede 180 °-Periode des Wechselrichterbetriebes zu steuern. Die Gatesignal-Muster Pr, ¹^ Pg' / P' , P_x ¹/ Ρχντ¹ und P ', die man auf diese Weise erhält, werden an eine Treiberschaltung 63 angelegt um Gate-Signale P , P , P , P , P und P zu erzeugen, die jeweils

U Zj V Λ VV X

an die selbstlöschenden Elemente S , S_, S_y, S , S_w und Sy angelegt werden.

Die Figur 12 zeigt weiteri:im einzelnen den Vorgang der Erzeugung der oben beschriebenen Signale. Bei der Figur 12 haben die Verteilungssignale R_n, R„, R^, R_x, R_n und Ry, die von der Frequenzteilerschaltung 79 erzeugt werden, eine Pulsbreite T, die der 60 °-Periode des Inverterbetriebes entspricht, und sie haben eine Phasendifferenz von 60 ° zueinander. Das Dreieck-Ausgangssignal der Generatorschaltung 77 zur Erzeugung eines .Dreiecksignals mit nicht gleichförmiger Periode nimmt sein Maximum oder seinen Spitzenwert Ipway ^zu ^^er Anstiegst zeit der Impulse des Referenzmustersignales P an. Dieses dreieckförmige Signal Q wird als Dreiecksignal mit nicht gleichförmiger Periode bezeichnet, weil die Periode eines jeden seiner Impulse durch die Pulsbreite des entsprechenden Impulses des Referenzmustersignals P bestimmt wird, und damit ist seine Periode nicht gleichförmig. Das Wechselstrom-Ausgangsstrom-Befehlssignal I_ wird mit diesem Dreieckssignal Q mit nicht gleichförmiger Periode verglichen um entsprechend der Figur 12 den Kurzschlußimpuls zu S zu liefern. Sodann werden das Referenzmustersignal P und das Kurzschlußimpulssignal S invertiert

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um ein invertiertes Referenzmustersignal P und ein invertiertes Kurzschlußimpulssignal S zu liefern. Die Signale P und S werden einem UND-Gatter zugeführt, um ein Signal P_p zu liefern und die Signale P und £> werden einem anderen UND-Gatter zugeführt, um das Signal P zu liefern. Die Signal Pp, R^j P , P ; S und R₃. werden UND-Gattern zugeführt, um .jeweils die Signale P₁-,', P_n' und S¹ zu liefern, und sodann werden die Signale P_F'# P_R', S¹ und R₀ an ODER-Gatter angelegt, um das Gate-Signalmuster P ' zu liefern, das an das Gatter des selbstlöschenden Elementes S_y angelegt wird. In ähnlicher Weise erhält man jeweils die Gate-Signalmuster P₂'/ P ', Py¹/ P_w' und P ' für die anderen selbstlöschenden Elemente S„, S_v, S , S und S . Die Ausgangsströme Iy, I_v/ I„ des Wechselrichters, die in jedem Zyklus des Wechselrichterbetriebs durch die Gate-Signale P , P₁₇, P , P , P. und P gesteuert werden, haben entsprechend der Figur 12 über 360 ° pulsbreitenmoduliearte^Wellenformen.

Figur 13 zeigt in einem vergrößerten Wellenformdiagramm im einzelnen die Wellenformen des Dreiecksignals Q, der Gate-Signalmuster P₀', P₂', Ρ_γ', Ρ_χ', P_w', Ρ_γ' und der Ausgangsströme I , I.., I„ in der Inverterbetriebsperiode I, die in Figur 12 dargestellt ist. In dieser Periode I entspricht der Kurzschlußimpuls zu S, den man als Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Dreiecksignal Q

JIf.

und dem Ausgangsstrombefehlssignal I_R erhält, dem Gate-Signalmuster P' .

Der Umstand, daß die Ausgangsströme Iy, I_v und I_w des Wechselrichters in der Kurzschlußperiode Null sind, wird unter Bezugnahme auf die Figur 14 beschrieben, und sodann wird beschrieben, wie die Werte der Ausgangsströme I₀, I und I_w durch Verändern des Wertes des Wechselstrom-Ausgangsstrombefehlsignals I_R gesteuert werden können.

Die Figur 14 zeigt den Betrieb der Wechselrichterschaltung vor und nach dem Anlegen eines Signals V^ des iⁿ Figur

dargestellten Gate-Signalmusters P '. Bei Figur 13 sei angenommen, daß der Ausgangsstrom L·. zur Zeit t_Q ansteigt, zur Zeit et- abfällt und wieder zur Zeit t₃ ansteigt, während der Ausgangsstrom I^ zu der zwischen den Zeiten t- und t₃ liegenden Zeit t₂ ansteigt. Damit ergeben sich die in den Figuren 14 (a), 14(b),und 14(c) dargestellten Zustände des Wechselrichters von dem Zeitpunkt t bis zum Zeitpunkt t₃. In den in den Figuren 14(a) und 14(b) jeweils dargestellten Perioden t < t < t₁ und t, < t < t_ führt der Wechselrichter seine üblichen Schaltvorgänge aus. In der in Figur 14 (b) dargestellten Periode t₂ _< t _< t₃ wirkt jedoch das Gate-Signal V₂ und damit der Kurzschlußimpuls S dahin, das selbstlöschende Element*.S_V einzuschalten, und der Gleichstromkreis wird durch die selbstlöschenden Elemente S„ und S_y kurzgeschlossen mit dem Ergebnis, daß der Gleichstrom I_Q unter der Gleichstrom-Kur ζ sch Iu ßbed ingung des Wechselrichters fließt. In diesem Zeitpunkt werden die Ausgangsströme der U-Phase, der V-Phase und er W-Phase nicht der Lst 4 zugeführt. Wenn der Wert des Wechselstrom-Ausgangsstrombefehlssignals I_R von 0 auf den Maximalwert Ι·ρ_ΜΑγ geändert wird, so ändern sich demgegenüber die Kurzschlußperioden d„*, d_g2 und d_g3 des Ausgangsstromes I_y von d-, d₂ und d₃ jeweils auf 0, wobei die folgende Beziehung aufrechterhalten bleibt:

I * ^dsi ^dq2 ^ds3 ^R

^d1 ^d2 ^d3 ¹RMAX

Der Ausgangsstrom I„ wird im ganzen ähnlich gesteuert. Im Fall des Ausgangsstromes I.. ändern sich die Perioden

^dS1' ^dS2' ^dS3' halten bleibt:	wobei	die	folgende	Beziehung	aufrechter-
^dsi	^{+ d}S3	d	S2 ^{+ d}S2	^dS3 ^{+ d}s:	I * ¹ 1 ^R
^d1	^{+ d}3	d	2 ^+d2	d₃ + d₁	¹RMAX

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Der Wert des Effektivstromes I_OMC wird zu dieser Zwit

JrJVLo

durch die folgende Gleichung gegeben:

2(d₁+d₂+d₃) I I_n*

Es ist der Wert des Effektivstromes I₁₅..,, = 0, wenn _n* = 0 ist und der Kurzschlußzustand über die Perioden andauertm und Ip₁₄₈ wird für den Fall I_R ⁺ = I_RMAX durch die folgende Gleichung gegeben:

2(d₁+d₂+d₃)
¹RMS ~ /3(α_ο+α_χ+α₂+α₃) ^{x 1}D

Der Wert von I_M variiert im Verhältnis zu

da die Werte von I_, ¹DMa_x ^un!^ ^- ^i*³ ^3"-konstant sind.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erhält man

_ die PWM-Muster, die der mittleren 60 °-Periode der 180 °-Arbeitsperiode des Wechselrichters in ähnlicher Weise, wdet dies mit den Wellenformen der Ausgangsströme I_n, I_v und I in Figur 12 dargestellt ist, und daher kann der Anteil der höheren harmonischen in den Ausgangsströmen auf ein

-π Minimum herabgesetzt werden. Weiterhin kann man die Ausgangsströme über einen weiten Bereich von O bis zu einem durch die Gleichung 4 gegebenen und von dem PWM-Referenzmustersignal P bestimmten Maximalwert geändert werden.

Bei dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel

-,_n waren die Kurzschlußimpulse in dem mittleren 60 °-Periodenteil der 180 °-Periode enthalten, in dem keine PWM-Mustersignale vorhanden sind. Diese Periode* entspricht beispielsweise in Figur 12 der Wechselrichter-Betriebsperiode V im Fall des Gate-Signalmusters P_n ¹. Die Kurzschlußimpulse können jedoch auch in dem 120 °-Periodenteil der 180 °- Periode enthalten sein, in dem kein PWM-Mustersignal vorhanden

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ist und von dem der mittlere 60 °-Periodenteil verschieden ist. Beispielsweise können die Kurzschlußimpulse im Fall des Gate-Signalmusters P_n' in den Wechselrichterbetriebsperioden IV und VI enthalten sein. Figur 15 zeigt ein Blockschaltbild für eine solche Abwandlung des Steuergerätes. Diese Abwandlung unterscheidet sich von dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß Kurzschlußimpulszüge S- und S₂ den Ausgangssignalen der PWM-Mustergeneratorschaltung 62 zuaddiert werden, und die Funtion der Mischsignalgeneratorschaltung 65 ist anders als bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 11. Figur 16 zeigt den Prozeß der Signalbildung bei dieser Abwandlung!. Entsprechend der Figuren 15 und 16 wird das Drei eckssignal Q mit dem Wert des Wechselstrom-Ausgangsstrom-Befehlssignal I_R verglichen, um den Kurzschlußimpulszug S zu erzeugen. Dann werden die Signale P und S für die Bildung von invertierten Signalen P und £3 invertiert, und die Signale p", S und P, S werden UND-Gattern zugeführt, um Kurzschlußsignalimpulszüge S_ bzw. S₁ zu erhalten. In der Mischsignalgeneratorschaltung 65 werden dann die Signale P_p (= P), R^.; £Ϊ, R^; P_R (= P), R_z; S₁, Ryf und S₂/ ^ and UND-Gattern angelegt, damit man Signale P^¹, £3', P₀ ¹, S₁' und S₀ ¹ jeweils erhält,

.Γ ι - XV. I jL

und diese Signale P-,¹, £3 ; Pr₅ ¹/ S₁' und S₀" werden an ein ODER-Gatter angelegt, um das Gate-Signalmuster P_n' zu erhalten, das an das selbstlöschende Element S angelegt werden soll. In völlig gleicher Weise können die Gate-Signalmuster für die anderen selbstauslöschenden Elemente erzeugt werden. Demzufolge haben die Ausgangsströme I_n, I_v und I des Wechselrichter, der durch die Gate-Signale P_n, P₂, P_v, P , P und Ρ_γ gesteuert wird, in jedem Zyklus des Wechselrxchterbetriebes pulsbreitenmodulierte Wellenformen über dem Bereich von 360 °, wie dies Figur 16 zeigt.

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Figur 17 zeigt in vergrößerter Form«Einzelheiten der Wellenformen des Dreicksignals Q, der Gate-Signalmuster P^¹, P₂', P₇ ¹, Ρ_χ·, P_w', Ρ_γ· und der Ausgangsströme I , I , I in der in Figur 16 dargestellten Wechselrichterbetriebsperiode I. In dieser Periode wird der Kurzschlußimpulszug S/ den man als Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Dreieckssignal Q und dem Wechselstromausgangsstrom-Befehlssignal I * erhält, aufgeteilt,

so daß er in den Signalen P ' und P ' enthalten ist.

Die Figur 18 stellt dar, wie der Wechselrichter in der Zeit von t = t_Q bis zur Zeit t = t₃ in dem in Figur 17 dargestellten Diagramm arbeitet. Figur 18, die die Zustände der von dem Steuergerät nach Figur 15 gesteuerten Wechselrichterschaltung darstellt, unterscheidet sich von Figur 14, welche die Zustände der von dem Steuergerät nach Figur U gesteuerten Wechselrichterschaltung.zeigt, . dadurch, daß im Fall der letzteren die Gleichstromschaltung in der V-Phase während der Periode t* <_ t <■ t~ kurzgeschlossen ist, während dies bei der ersteren sowohl in der W-Phase wie der V-Phase auftritt. Mit Ausnahme dieses Unterschiedes ist die Art der Steuerung des Ausgangsstromes bei der in Figur 15 dargestellten Abwandlung ähnlich der des in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispieles.

Anhand der Diagramme der Figuren 14 und 18, die die Schaltungszustände der Ausführungsbeispiele der Figuren 11 bzw. 15 darstellen, kann man erkennen, daß die Wirkung der vorliegenden Erfindung völlig gleich ist, wenn diese beiden Ausführungsbeispiele kombiniert werden, so daß der Kurzschluß des Gleichstromkreises in drei Perioden und verteilt auf die W-Phase, V-Phase* und U-Phase auftritt. In diesem Fall ist der Kurzschlußimpulszug S in jeder der 180 °-Perioden enthalten, in denen keine PWN-Mustersignale vorhanden sind.

Bei den voran beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Kurzschlußimpulszug S erzeugt worden, indem das Dreieckssignal Q mit dem Wechselstrom-Ausgangsstrom-Befehlssignal I * verglichen worden ist. Die Wirkung der

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vorliegenden Erfindung ist jedoch völlig gleich, wenn das Dreieckssignal Q in zwei Sägezahnsignale mit nicht gleichförmiger Periode aufgeteilt wird, indem man das Signal Q in seiner Spitze in zwei Teile schneidet. Beispielsweise kann das Dreieckssignal Q der Figur 12, das von der in Figur 11 gezeigten Generatorschaltung 77 zur Erzeugung eines Dreieckssignals mit nicht gleichförmiger Periode erzeugt wird, in zwei Sägezahnsignale Q- und Q₂ entsprechend Figur 19 aufgeteilt werden, und diese Signale Q₁ und Q₂ können mit dem Wechselstrom-Ausgangsstrom-Befehlssignal I * verglichen werden, um jeweils die Kurzschlußimpulszüge S₁ und S₂ zu erhalten. Diese Kurzschlußimpuls züge S-] und S₂ werden sodann an ein ODER-Gatter angelegt, um einen Impulszug zu erhalten, der völlig gleich zu dem Kur2schlußimpulszug S der Figur 12 ist. An die selbstauslöschenden Elemente anzulegende Gate-Signale können dann auf der Basis des Kurzschlußimpulszuges S wie im Zusammenhang mit Figur 12 erläutert erzeugt werden, um hiermit Ausgangsströme von völlig gleicher Wellenform zu erzeugen. Weiterhin kann der Wert der Ausgangsströme in ähnlicher Weise wie beschrieben verändert werden.

Weiterhin kann bei dem in Figur 11 oder 15 dargestellten Ausführungsbeispiel das der vorderen 6O °-Periode entsprechende PWM-Mmstersignal P als Referenzmustersignal P verwendet werden, und das der rückwärtigen 60 °-Periode entsprechende PWM-Mustersignal P„ kann als invertiertes Signal P verwendet werden. Die Figur 20 zeigt die Wellenformen der Gate-Signalmuster und die Ausgangsströme in der Inverter-Betriebsperiode I für einen solchen Fall. Die Figur 20 unterscheidet sich von der den Betrieb des Ausführungsbeispieles von Figur 11 darstellenden Figur dadurch, daß dann, wenn beispielsweise ein Signal V₂ des Gate-Signalmusters P ' während der Periode t^ t </t₂

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auf hohem Pegel ist, ein Signal W₂ des Gate-Signalmusters P ' in der Periode t_Q <_ t <_ t* ' auf hohem Pegel und ein Signal U₂ des Gate-Signalmusters P ' in der Periode t- ■ £ t _< t.j auf hohem Pegel ist. Entsprechend dem in Figur 20 dargestellten Diagramm wird während des Überganges von dem in Figur 14(a) dargestellten Schaltungszustand zu dem in Figur 14(b) dargestellten Schaltungszustand das selbstlöschende Element S„ eingeschaltet., während das selbstlöschende Element S_w in seinem EIN-Zustand gehalten wird, und dann wird das selbstlöschende Element S zu der Zeit t = t.. ' eingeschaltet, während das selbstlöschende Element S_v in seinem EIN-Zustand gehalten wird. Danach wird das selbstlöschende Element S-. zu der Zeit t = t₂ abgeschaltet, um einen Übergang von dem in Figur 14(b) dargestellten Schaltungszustand zu dem in Figur 14(c) dargestellten Schaltungszustand herbeizuführen. Wenn das selbstlöschende Element S.. während des Überganges von dem Schaltungszustand der Figur 14(a) zu dem der Figur 14(b) weiter eingeschaltet bleibt, während die Last, die ein».elektrischer Motor sein kann, im regenerativen Betriebszustand ist, so würde das Anlegen des Gate-Signals an das selbstlöschende Element S_v dieses selbstlöschende Element S_v nicht einschalten, und der gewünschte Wechselrichterbetrieb würde nicht ausgeführt, weil die Spannung der V-Phase höher ist als die der W-Phase. Daher ist das im Zusammenhang mit der Figur 20 beschriebene Ausführungsbeispiel ebenso wirkungsvoll wie die im Zusammenhang mit den Figuren 11 und 15 beschriebenen Ausführungsbeispiele, wenn eine statische Last oder ein regenerativer Betrieb der Last keine Berücksichtigung findet, weil der gewünschte Betrieb des Wechselrichters während des regenerativen Betriebes:, der Last nicht ausgeführt wird, obwohl dieses spezifische Ausführungsbeispiel«vorteilhaft zur Vereinfachung des Aufbaus der PWM-Mustergeneratorschaltung 62 ist. Dieses

spezifische Ausführungsbeispiel ist ebenfalls für einen Betrieb mit einem sägeförmigen Wellenformsignal, das keine gleichförmige Periode besitzt, wirksam. ·

Anhand der voranstehenden,- ins einzelne gehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist erkennbar, daß die Ausgangsströme eines Stromwechselrichters über einen weiten Bereich gesteuert werden können, wobei der Anteil höherer harmonischer in den Ausgangsströmen auf einen sehr kleinen Anteil herabgesetzt wird. Besonders dann, wenn die Last ein elektrischer Motor ist, kann das Rauschen auf einen niedrigen Pegel herabgesetzt werden und der Wirkungsgrad kann erhöht werden. Die vorliegende Erfindung ist weiter vorteilhaft zur Vereinfachung des Schältungsaufbaus des Wechselrichters sowie für die Verbesserung des Ansprechverhaltens des Wechselrichters.

RS/JG

Claims

PATBNTAN WÄ'l TTC STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 ^ ^ 1^ ' u ^* HITACHI, LTD. DEA-26 543 13. ΆΌχ±1 1984 Steuergerät für einen Stromwechselrichter PATENTANSPRÜCHE:

1.j Steuervorrichtung für einen Stromwechselrichter mit einer Brückenschaltung von in Brücke geschalteten selbstlöschenden Elementen (S_TT/ S_Tr, S_r7, S_v, S.., S₁₇) , die durch

U V W X χ L

Pulsbreiten-Modulationssignale getriggert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät eine Einrichtung (61, 62, 63, 64, 65) aufweist, um einen einzelnen oder mehrere Triggerimpulse (S.., S₂/ So/ Qo) von gewünschter Pulsbreite an diejenigen selbstlöschenden Elemente (S_v, S_v, S₁₇) anzulegen, die mit den

Λ X Δ

anderen selbstlöschenden Elementen (S_n, S_v, S_w) in Reihe geschaltet sind und mit ihnen in der Brücke Paare bilden, und um sie mit den entsprechenden Pulsbreiten-Modulationssignalen einzuschalten-

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2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß ein oder mehrere Triggerimpulse synchron zu den von den Pulsbreiten-Modulationssignalen bereitgestellten Triggersignälen an die Arme angelegt werden, an die die erstgenannten selbstlöschenden Elemente (S_v, S_v, S), welche Paare mit den letztgenannten

Λ JL ti

selbstlöschenden Elementen (S , S , S) bilden, angeschlossen sind.

3. Steuergerät nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß ein einzelner oder mehrere Triggerimpulse als Impulszug (Q₁, Q₂, Q₃₁/ ^32^ ^{von Pulsen mit} vorgegebener Impulsbreite angelegt werden.

4. Steuergerät nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ e .χ c h η e t, daß einer oder mehrere Triggerimpulse ein Impulsmuster haben, das sich als Ergebnis eines Vergleichs zwischen dem Wert eines Funktionssignals j(Q) , das synchron zu den Pulsbreiten-Modulationssignalen ist, mit dem Wert eines Wechselstrom-Ausgangsstrom-Befehlssignals (Ip*) ergibt, welches die für den Wechselrichter geforderten Wechselstrom-Ausgangsströme angibt.