DE3704590A1

DE3704590A1 - Frequenzumformer

Info

Publication number: DE3704590A1
Application number: DE19873704590
Authority: DE
Inventors: Colin David Schauder
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: AEG Westinghouse Industrial Automation Corp
Priority date: 1986-02-14
Filing date: 1987-02-13
Publication date: 1987-08-20
Also published as: JPS62193564A; GB8703239D0; CA1263699A; GB2186751B; US4642751A; GB2186751A

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein herkömmlicher Spannungsumformer enthält einen Gleichrichter (Wechselstrom/ Gleichstom-Umformer) und einen Wechselrichter (Gleichstrom/Wechselstromumformer), die durch eine Gleichstromverbindung miteinander verbunden sind. Als Spannungsquelle wird dieser Umformer dann so gesteuert, daß ein Wechselstrom mit einer ausgewählten Frequenz und einer ausgewählten Ausgangsspannung zur Verfügung steht und als Wechselstromlast mit einer vorbestimmten konstanten Spannung und einer konstanten Frequenz am Eingang des Gleichrichters wirkt. Dabei wird im allgemeinen eine Brückenschaltung mit sechs Thyristoren für die Gleichrichtung sowie sechs Leistungsschalter in einer Brückenschaltung verwendet, um den Wechselrichter aufzubauen.

Die Steuerung des Wechselrichters erfolgt auf verschiedene Weise, beispielsweise unter Verwendung einer Impulsbreitenmodulation, um die Wechselrichterschalter der Reihe nach anzusteuern und um Wechselstromschwingungen mit gesteuerter Amplitude und Frequenz zu erzeugen, die beispielsweise für die Ansteuerung der jeweiligen Phasen eines Wechselstrommotors verwendet werden können.

Ein anderer im Stand der Technik bekannter Weg zu Erzeugung eines Vielphasensignals mit variabler Frequenz und variabler Spannung aus einem Wechselstromsignal mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung ist der sogenannte UFC- Frequenzumsetzer, wie er in den US-Patentschriften 34 70 447 und 34 93 838 beschrieben ist.

Dort werden in jeder Phase des Wechselstromsignals zwei Richtungsschalter verwendet, um jede Phase mit dem Wechselstromausgang zu verbinden und einen Stromfluß in beiden Richtungen zur Verfügung zu stellen.

Die zwei Richtungsschalter sind vorzugsweise Komponenten, die durch Steuersignale beliebig in ihren Ein-Schaltzustand geschaltet werden können und die durch Steuersignale beliebig unterbrochen werden können, um einen Stromfluß in beiden Richtungen zu erlauben.

Die zwei Richtungsschalter wählen Segmente der Speisespannung aus, um sie an die Last anzulegen; in einer Dreiphasenstromversorgung gehört zum Auswahlprozeß, daß die Last sequentiell in einer solchen Weise mit der Speisespannung verbunden wird, daß bei jedem erneuten Anschluß eine definierte Phasenverschiebung entsteht (60° für eine Realisierung mit sechs Impulsen, 120° für drei Impulse). Für jede Schrittgeschwindigkeit, mit der diese Sequenz durchlaufen wird, entsteht eine verschiedene Grundfrequenz am Ausgang. Dieses System kann dazu verwendet werden, eine ausgewogene Gruppe von Ausgangsspannungen mit gesteuerter Frequenz und konstanter Amplitude zu erzeugen, die relativ geringe harmonische Verzerrungen aufweisen. Um die Grundfrequenz des Ausgangssignales zu steuern, wurden schon verschiedene Verfahren vorgeschlagen, von denen die meisten mit gesteuerten Tastverhältnissen periodisch die Lastspannung auf Null herabsetzen. Im allgemeinen sind UFC-Frequenzumsetzer mit sechs Impulsen technisch verläßlich. Eine Version mit drei Impulsen, in der nur halb soviele Schalter erforderlich sind, wurde zwar schon in Betracht gezogen, hat sich jedoch als weniger zufriedenstellend erwiesen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Frequenzumformer der eingangs genannten Art anzugeben, der mit drei Impulsen arbeitet und trotzdem verläßlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die oben beschriebenen UFC- Frequenzumformer im wesentlichen eine gesteuerte Wechselspannungsquelle sind und starke Ähnlichkeiten mit einem herkömmlichen Wechselrichter aufweisen. Die Amplitude und die Frequenz sind hier ebenfalls gesteuerte Variablen, unabhängig von der Tatsache, daß moderne Steuerverfahren für Wechselstrommotorantriebe, die zur Regelung des Stromes Leistungsverstärker und eine Steuerung der momentanen Ausgangsspannung erfordern, im allgemeinen für UFC-Systeme nicht anwendbar sind.

Die Erfindung schlägt nun eine Einrichtung vor, in der die Konfiguration aus zwei Richtungsschaltern eines UFC-Frequenzumformers mit drei Impulsen verwendet und einem besonderen Umschaltsteuerverfahren unterworfen wird. Dieses Verfahren erlaubt die schnelle Steuerung der mittleren Ausgangsspannung und behält doch die dem UFC-Frequenzumformer eigene Regenerationsfähigkeit bei.

In einem Drei-Impuls-UFC-System werden drei Gruppen von drei Zwei-Richtungsschaltern jeweils einer Ausgangsschaltung zugeordnet, und innerhalb jeder Gruppe ist jeder Zwei-Richtungsschalter einer der Eingangsphasenleitungen zugeordnet, so daß sich ein System mit neuen Schaltern ergibt. Innerhalb einer derartigen Gruppe werden entsprechend entweder einem positiven oder einem negativen Schaltmuster die drei Schalter ausgewählt, und zwar zu einem Zeitpunkt jeweils einer. Das positive oder negative Umschalten ist so eingerichtet, daß sich am Ausgang zwischen Phase und Nulleiter eine Gleichspannung gleicher Polarität ergibt. Die Spannungsamplitude kann durch Phasenverschiebung gesteuert werden. Mit einer derartigen Einrichtung zeigt jede Gruppe eine Einhüllende mit drei Impulsen und verhält sich tatsächlich wie ein Drei-Impulswandler. Die Spannung zwischen den Leitungen erhält man mit zwei derartigen Gruppen, von denen jede eine definierte Polarität aufweist, die durch das Umschalten bei bestimmten Zündwinkeln bestimmt ist. Diese betragen im einen Fall 0° und im anderen 180°. Dadurch ist zu jedem Zeitpunkt der Effekt auf die Last der gleiche wie beim Ausgang einer Gleichrichterbrücke mit sechs Impulsen, deren Phasensteuerung mit einem konstanten Phasenwinkel betrieben wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig.: die Darstellung eines im Stand der Technik bekannten UFC-Systems;

Fig. 2: ein Blockdiagramm mit der Grundschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 3: anhand von Kurven die Erzeugung von gegenüber dem Nulleiter gemessenen eingangsseitigen Wechselstromschwingungen, die erhalten werden, wenn die Leistungsschalter an eine Wechselstromspannungsquelle angeschlossen werden;

Fig. 4: die Schaltung gemäß der Erfindung, wie sie erscheint, wenn ihre Steuerung so erfolgt, daß sich gemäß Fig. 3 eine "verborgene" Gleichstromverbindung ergibt;

Fig. 5: die schematische Darstellung einer Schaltung zur Erzeugung von Gleichstrom-Verbindungsspannungen bei gem. Fig. 4 existierenden Funktionen;

Fig. 6: die Umschaltlogik für die Impulsbreitenmodulation der Gleichstrom- Verbindungsspannung gemäß Fig. 5;

Fig. 7: Kurven zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltungen gem. Fig. 5 und 6;

Fig. 8A: für eine Gruppe von Schaltern eine tatsächliche impulsbreitenmodulierte Gleichstrom-Verbindungsspannung;

Fig. 8B: das Frequenzspektrum der Spannung gemäß Fig. 8A;

Fig. 9A: eine der Spannung gemäß Fig. 8A entsprechende Spannung zwischen den Phasenleitern; und

Fig. 9B: das Frequenzspektrum der Spannung gemäß Fig. 9A.

Fig. 1 zeigt einen unbeschränkten Frequenzumformer (UFC), wie er in den US- Patenten Nr. 31 70 447 und 34 93 838 beschrieben ist; er enthält drei Umformer, in denen 18 Zwei-Richtungsschalter jeweils in Gruppen zu sechs (A 1, A 2, B 1, B 2 und C 1, C 2) zwischen zwei Wechselstromleitungen des Dreiphasen-Wechselstromeingangs und zwei Wechselstromleitungen des Dreiphasen-Wechselstromausgangs geschaltet sind. Wie in den Patenten erläutert ist, werden Paare von Zwei-Richtungsschaltern, die zu jedem derartigen Umformer gehören, so gesteuert, daß sie während eines gesteuerten Zeitintervalls zwischen zwei Hüllspannungen liegen und Strom führen, und zwar fortschreitend von Phasenleiter zu Phasenleiter.

In Fig. 2 sind drei miteinander verbundene Gruppen GPX, GPY und GPZ aus Zwei- Richtungsschaltern zwischen den Wechselstromanschlüssen vorgesehen. Jede Gruppe enthält hier jedoch drei Zwei-Richtungsschalter (XA, XB, XC für Gruppe GPX usw.) statt der sechs im Falle von Fig. 1. Darüberhinaus ist jede derartige Gruppe an der Eingangsseite mit einem der drei Phasenleiter (A, B, C) wie in Fig. 1 verbunden. Auf der Ausgangsseite sind die Gruppen jeweils mit einem der Phasenleiter (X, Y, Z) abweichend von Fig. 1 verbunden.

Die Fig. 3 und 4 erläutern das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Wenn die Umformer (GPX, GPY, GPZ) angesteuert werden, während die Zwei-Richtungsschalter in einer Brückenschaltung an die Wechselstromleiter (L 1, L 2, L 3 in Fig. 2) geschaltet sind, so daß sie als Gleichrichterbrücke arbeiten, hat die Hüllkurve der Eingangsspannung von Periode zu Periode bei natürlicher Schaltfolge die in Fig. 3 dargestellte Gestalt, wenn der Zündwinkel 0 ist. Es handelt sich um eine gleichgerichtete Spannung, die beispielsweise aus den drei aufeinanderfolgenden Abschnitten V _AN, V _BN und V _CN mit positiver Polarität auf dem ausgangsseitigen Phasenleiter V _XN und aus Abschnitten mit negativer Polarität für V _ZN gemäß Fig. 4 besteht. Dies gilt für eine vorgegebene Steuerzeit auf einer Einheitsbasis, das heißt, die Spannung ist 1 am Scheitelpunkt und 0,5 am natürlichen Umschaltpunkt NC zwischen zwei Spannungsabschnitten der Hüllkurve. Fig. 4 zeigt die Situation bei einer Anordnung mit sechs Impulsen. In dem Beispiel liegt anfänglich eine positive Polarität auf der "verborgenen" Gleichstromverbindung vor, die mit der Gruppe GPX und der Gruppe GPY erzeugt wird, wobei die negative Polarität mit der Gruppe GPZ dargestellt wird. Nach einer Zeitdauer von 60° wird die Polarität auf Leiter X umgedreht und mit der Gruppe GPX und GPZ eine negative Polarität erzeugt, während für weitere 60° die positive Polarität mit Gruppe GPY erzeugt wird.

Nach der Darstellung gemäß Fig. 4, welche einen wechselstromgetriebenen Motor darstellt, liegt zwischen den Wicklungen WX und WY die Spannung Null, während für die gleiche Zeitbasis für die beiden anderen Paare die zwischen den Leitern gemessne Spannung zwischen 2 und 1 variiert. Die "verborgene" Verbindungsspannung ist hier jedoch als zwischen Eingangsleiter und Nulleiter liegend betrachtet. Mit diesem Verständnis kann die Anordnung gemäß Fig. 2 als ein Umformer betrachtet werden, der bei geeigneter Zündung als ein Gleichrichter arbeitet. Fig. 2 zeigt ein Steuersystem CNS, das über Leitungen 11 bis 19 und die Torschaltung GC die neun Zwei-Richtungsschalter XA bis ZC ansteuert. Zwischen zwei eingangsseitigen Phasenleitern L 1, und L 2 wird mit Leitungen 1 und 2 die Phasenspannung n zwischen den Leitern abgefühlt und über Leitung 3 als elektrischer Bezugswinkel an das Steuersystem gegeben. Bezugssignale v _X*, v _Y*, v _Z* zur Charakterisierung der Motorströme i _x, i _y, i _z werden über Leitungen 20, 21 und 22 an das Steuersystem angelegt. Ein weiteres Bezugssignal für die Spannungsanforderung VG der Gesamtgruppe wird über Leitung 3′ an das Steuersystem gegeben. Wenn, wie in der folgenden Beschreibung, eine Impulsbreitenmodulation Verwendung findet, wird ein derartiges Anforderungssignal für die Gruppenspannung auf maximalen Spannungswert eingestellt.

Wenn die "verborgene Gleichstromverbindung" als solche zur Erzeugung eines Dreiphasen-Wechselstromes zum Beispiel durch Impulsbreitenmodulation verwendet wird, steht die Wechselrichterfunktion in ähnlicher Weise zur Verfügung wie in einem Standardwechselrichtersystem. Aus Fig. 3 geht außerdem hervor, daß die Hüllkurve oder die wellige Spannungskurve V _AN, V _BN, V _CN von einem Umschaltpunkt NC zum nächsten verläuft, wobei ein verzögerter Zündwinkel α von jedem derartigen Punkt aus eine zwischen Nulleiter und Phasenleitern X, Y, Z gemessene Spannung liefert, die einen kleineren Betrag hat. Der Einfachheit halber wird diese Erfindung für den Fall beschrieben, daß ein derartiger Verzögerungswinkel wie in Fig. 3 den Wert 0 hat, und daß die mittlere Gleichspannung durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt sechs Funktionsgeneratoren FG 1, FG 2, . . . FG 6, die eine Polarität (positiv für FG 1, FG 2, FG 3; negativ für FG 4, FG 5 und FG 6) sowie Zeitintervalle T 1, T 2, . . . T 6 in Form elektrischer Winkel definieren, währendwelcher die "verborgene" Gleichstrom-Verbindungsspannung VXN, VYN und VZN angelegt wird, wie sie durch die verborgene Gleichrichterfunktion mit einer entsprechenden Polarität erzeugt werden und durch die entsprechende Existenzfunktion charakterisiert sind. Bei der Betrachtung von Fig. 4 in Verbindung mit den Fig. 3 und 5 zeigt sich, wie die Zeitintervalle (T 1 bis T 6), welche die Polarität definieren, auf die Bögen der Welligkeit für jede Polarität und auf drei Phasenleiter X, Y und Z verteilt sind.

Fig. 6 zeigt, wie eine Impulsbreitenmodulation auf derartige "verborgene" Gleichstrom- Verbindungsspannungen VXN, VYN, VZN angewandt werden kann, damit auf den Leitern X, Y und Z am Ausgang ein Wechselstrom und eine Wechselspannung gewünschter Frequenz und Amplitude erscheinen. Die Erfindung kann auch für einen Motorantrieb angewandt werden. Entsprechend zeigen die Fig. 2 und 4, ähnlich wie Fig. 1, die drei Leiter X, Y und Z, welche mit den jeweiligen Wicklungen WX, WY und WZ eines Induktionsmotors MT verbunden ist.

Anders ausgedrückt enthält das System neun Zwei-Richtungsschalter XA-XC, YA-YC, ZA-ZC, die auf drei gleiche Gruppen GPX, GPY und GPZ verteilt sind. Innerhalb einer Gruppe werden die drei Schalter (XA, XB, XC) gemäß einer der zugehörigen Existenzfunktionen der Funktionsgeneratoren FG 1-FG 6 ausgewählt, und zwar eine zu jedem gegebenen Zeitpunkt sowie entsprechend entweder einer positiven oder einer negativen Polarität in Übereinstimmung mit dem Schaltmuster. Zu jedem Zeitpunkt wird jede Gruppe so ausgewählt, daß sie entweder eine positive oder eine negative Gruppe ist, wie es in Fig. 7 für die verschiedenen Existenzfunktionen FG 1-FG 6 dargestellt ist, und es das Schaltmuster für jede derartige Gruppe vorschreibt.

Sowohl das positive als auch das negative Schaltmuster sind synchronisiert, das heißt, (sie sind beispielsweise gemäß Fig. 5 über den Bezug zur Spannung V 12 zwischen den Leitern) mit der Hauptspeisespannung phasenverriegelt (PLL in Fig. 5). Das Umschalten der positiven Gruppe ist so ausgelegt, daß die Gruppe eine bestimmte mittlere positive Ausgangsspannung relativ zum Nulleiter erzeugt. In ähnlicher Weise wird das Umschalten der negativen Gruppe so eingerichtet, daß eine gleiche und entgegengerichtete mittlere negative Spannung erzeugt wird. Der Pegel der Gruppenausgangsspannung (positiv oder negativ) kann durch Phasenverschiebung der Schaltmuster eingestellt werden, die auf Spannung der Hauptspeisespannung (L 1, L 2, L 3) angewandt werden. Ein derartiger Spannungspegel wird durch das Steuergerät gemäß der gewünschten Betriebsart bestimmt.

Die Auswahl einer Gruppe als positiv oder negativ kann zu jedem Zeitpunkt geändert werden und unterliegt nur den praktischen Umschaltgrenzen. Mit einer deratigen Anordnung haben daher die zwischen den Leitern gemessenen Ausgangsspannungen entweder den Wert 0 (VXN-VYN in Fig. 4) oder einen mittleren Wert mit positivem oder negativem Vorzeichen und der zweifachen Gruppenspannung, die durch das Steuergerät eingestellt ist (VXN-VZN oder VYN-VZN in Fig. 4). Obwohl jede Gruppe als ein Drei-Impuls-Gleichrichter/Wechselrichter arbeitet, wird die Spannung zwischen den Leitern tatsächlich durch zwei derartige Gruppen aufgebaut, deren Schaltmuster um 180° phasenverschoben sind. Die zwischen den Leitern gemessene Ausgangsspannung entspricht daher zu jedem Zeitpunkt dem Ausgang eines Sechs- Impuls-Umformers mit einer Phasensteuerung, die bei konstantem Zündwinkel betrieben wird.

Die Erfindung stellt daher zuerst positive und negative Muster zur Verfügung, die an die jeweiligen Gruppen GPX, GPY und GPZ angelegt werden. Dies kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, die alle erfordern, daß eine Phase der Spannung auf den Leitern (L 1, L 2, L 3) der Spannungsversorgung sowie deren Nulldurchgänge gemessen wird. Ein bevorzugter Weg ist in Fig. 5 dargestellt. Eine phasenverriegelte Schleife PLL, die mit der zwischen den Phasenleitern L 1 und L 2 über die Leitungen 1 und 2 abgefühlten Spannung V ₁₂ zwischen den Leitern synchronisiert ist, wird auf die Spannung der Spannungsversorgung verriegelt und liefert auf Leitung 5 ein Signal, das die elektrischen Winkel darstellt, die von dem Zeitpunkt an gemessen werden, zu welchem V ₁₂ bei 60° liegt. Das ist allgemein bekannt. Wenn notwendig, kann über Leitung 4 und eine Subtraktionseinheit SM 1 ein Verzögerungswinkel der Leitung 5 als Subtrahent zugeführt werden. Der Verzögerungswinkel wird als Bezugssignal V _ref auf Leitung 3 einem Signalformerschaltkreis CND zugeführt, der auf Leitung 4 einen Verzögerungswinkel α liefert. Für die vorliegende Erläuterung wurde ein Wert von α = 0 zugrundegelegt. Das Signal auf Leitung 6 entspricht daher dem Signal auf Leitung 5.

Die Leitung 6 verläuft zu sechs Funktionsgeneratoren FG 1-FG 6, die jeweils auf die Leitungen 5 bis 10 Signale abgeben, von denen jedes einen Bereich von 120° definiert. Der PLL-Schaltkreis gibt somit über die Leitung 5 ein Signal ab, das die absolute Phase der eingangsseitigen Versorgungsspannung in einem Bereich von 0-2 π Radian gekennzeichnet, wobei der Wert 0 dem Moment entspricht, wenn V 12 bei 60° liegt. Wird das Signal auf der Leitung 4 unter der Annahme ignoriert, daß der Verzögerungswinkel α = 0 ist, wie im Fall beim Betrieb mit Impulsbreitenmodulation so empfängt jeder der Funktionsgeneratoren FG 1-FG 6 als eine Koordinate den laufenden Winkelbetrag auf der Bezugs-Wechselstromschwingung.

Somit liefert FG 1 über die Leitung 55 eine EINS für einen ersten Bereich von 120° mit der zugeordneten positiven Polarität. FG 2 gibt über die Leitung 56 ein Signal mit einer EINS ab, das einen zweiten Bereich von 120° ebenfalls mit zugeordneter positiver Polarität definiert. FG 3 erzeugt auf der Leitung 57 eine EINS für den dritten Bereich von 120° und für die gleiche positive Polarität. In der gleichen Weise erzeugen die Funktionsgeneratoren FG 4, FG 5 und FG 6 drei getrennte Bereiche von 120° für die negative Polarität, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 180° gegenüber den Generatoren mit positiver Polarität. Die Ausgangssignale von FG 4, FG 5 und FG 6 erscheinen auf den Leitungen 58, 59 bzw. 60.

Fig. 6 zeigt, wie die Signale auf den Leitungen 55 bis 60 an die drei Steuerlogikschaltungen SCLX, SCLY und SCLZ angelegt werden, welche mit den jeweiligen Gruppen GPX, GPY und GPZ zusammenarbeiten. Fig. 5 zeigt wie Gleichstromverbindungen erzeugt werden, auf die gemäß Fig. 6 die Impulsbreitenmodulation angewandt wird, um die Funktion eines gleichstromgekoppelten Wechselrichters in einem an eine Spannungsquelle angeschlossenen Wechselrichtersystem durchzuführen, und zwar auf den einzelnen Phasenleitern X, Y und Z.

Im folgenden soll als Beispiel die Schaltersteuerlogik SCLX betrachtet werden, die zu den drei Zwei-Richtungsschaltern XA, XB und XC der Gruppe GPX gehört. Eine Sinusschwingung v _X* wird über Leitung 20 für den Zeitbezug bei der Impulsbreitenmodulation mit einer Dreiecksschwingung geschnitten, die auf Leitung 23 durch einen Dreieckswellengenerator TWG erzeugt wird. Die Vergleichsschaltung CNP verarbeitet die Signale auf den Leitungen 20 und 23 und liefert über die Leitung 24 ein Fehlersignal, das an einen Transferfunktionsgenerator TFF 1 gelangt, der an die Leitung 25 ein Logiksignal abgibt, das eine logische EINS oder eine NULL ist und dessen Dauer der Breite der Überschneidung der Sinusschwingung v _X* und der mit einer viel höheren Frequenz angelegten Dreiecksschwingung entspricht. Die Frequenz und die Amplitude der Sinusschwingung v _X* definiert, wie allgemein bekannt, die Frequenz und die Amplitude der bei der Impulsbreitenmodulation entstehenden Spannung.

Die Signale der Leitungen 55 bis 60 in Fig. 6 werden jeweils Und-Gliedern 26 bis 31 zugeführt, die über Leitung 25 ebenfalls das impulsmodulierte Signal erhalten. Das Fehlersignal auf Leitung 24 wird durch den Transferfunktionsgenerator TFF 1 in Abhängigkeit des Vorzeichens des Fehlers auf NULL oder EINS gesetzt. Das ausgegebene Logiksignal, das für das impulsmodulierte Signal charakteristisch ist, wird den NAND-Gliedern 26 bis 28 und in invertierter Form den NAND-Gliedern 29 bis 31 zugeführt. Die sechs Gleichstrom-Verbindungsspannungen der Leitungen 32 bis 35 werden paarweise über ODER-Glieder (36, 36′, 36″) auf die Leitungen 11, 12 und 13 für die Schalter XA, XB oder XC gegeben, wobei die jeweiligen Signale a 1, a 2, a 3 die Steuerzustände für den leitenden oder nicht leitenden Zustand als Zeitintervalle für die Zeit-Richtungsschalter XA, XB, XC darstellen und so die Wechselspannung für den Leiter X bestimmen. Dasselbe gilt für die Schaltsteuerselektoren SCLY und SCLZ mit ihren jeweiligen Bezugssignalen V _Y* und V _Z*, die jeweils einer Phasenverschiebung von 120° gegeneinander wie die Leiter am Wechselstromausgang haben. Für SCLY geben daher die Leitungen 14, 15 und 16 die Signale b 1, b 2 und b 3 aus, die in der Gruppe GPY durch entsprechende Torschaltungen YA, YB und YC die leitenden und nicht leitenden Intervalle der Schalter festlegen. In ähnlicher Weise gibt SCLZ über Leitungen 17, 18 und 19 entsprechende Steuersignale c ₁, c ₂, c ₃ für die Zwei-Richtungsschalter ZA, ZB, ZC der Gruppe GPZ aus.

Fig. 7 zeigt die Bezugsspannung auf Leitung 4 mit einem Verzögerungswinkel α = 0, um die maximalen positiven und negativen Gleichstrom-Verbindungsspannungen zu erzeugen, die in den Fig. 3 dargestellt sind. Weiter unten in Fig. 7 sind die Signale wiedergegeben, die von den Funktionsgeneratoren FG 1-FG 6 erzeugt werden. Unmittelbar darunter ist die Impulsbreitenmodulation dargestellt, bei der die Dreiecksschwingung auf Leitungen 23 in Fig. 6 die Bezugswelle v _X* auf Leitung 20 schneidet. Die darunter dargestellten Kurven sind die impulsbreitenmodifizierten Impulse, die sich aus diesen Schnittstellen ergeben.

Die Kurven a 1, a 2, a 3 der Leitungen 11, 12 und 13 zeigen die Steuersignale, die an die Zwei-Richtungsschalter XA, XB und XC angelegt werden, um deren Leitfähigkeitszustand zu steuern und die entsprechend der vorstehenden Impulsbreitencharakteristik gesteuert sind. Die letzte Kurve in Fig. 7 zeigt die entstehende Spannung zwischen Leiter X und Nulleiter, wie er durch die Gruppe GPX modifiziert ist. Entsprechende Kurven ergeben sich auch für die Gruppen GPY und GPZ.

Fig. 8A zeigt eine tatsächliche Ausgangsspannung bezüglich des Nulleiters, die sich mit einer Dreiecksschwingung von 500 Hz, einem Eingangswechselstrom von 60 Hz und einer ausgegebenen Wechselstromspannung maximaler Amplitude mit einer Frequenz von 16 Hz ergibt.

Fig. 8B zeigt das Frequenzspektrum der abgegebenen Schwingung.

Fig. 9A ist ähnlich Fig. 8A und zeigt die zwischen den Leitern gemessene Ausgangsspannung sowie deren Frequenzspektrum gemäß Fig. 9B.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß das vorgeschlagene System ein Äquivalent für jedes der bekannten Wechselrichtersysteme mit Gleichstromverbindung darstellt. Im einzelnen wurden die folgenden beiden Betriebsarten gewählt:

a) Sechsstufiges Verfahren oder Quasi-Rechteckschwingung
Die Zuordnung jeder Gruppe erfolgt so, daß sie alternativ positiv und negativ geschaltet wird, und zwar für gleiche Zeitperioden mit einer Frequenz, die gleich ist der gewünschten Grundfrequenz des Ausgangssignals. Die Amplitude der Grundfrequenz der Ausgangsspannung wird direkt durch die Steuerung der Ausgangsspannung der Gruppe gesteuert. In dieser Betriebsart sind Spannung und Frequenz immer noch die gesteuerten Variablen.
b) Impulsbreitenmodulation
Jede Gruppe wird als Schaltverstärker behandelt. Die Gruppenspannung wird auf den maximalen Wert eingestellt (Phasenverzögerungswinkel α = 0). Die Gruppenpolarität wird dann entsprechend irgendeines impulsbreiten modulierten Algorithmus gewählt, der das Tastverhältnis des Schaltprozesses zwischen positiven und negativen Polaritäten so steuert, daß sich eine mittlere Ausgangsspannung ergibt, die einem gewünschten Spannungssignal entspricht. Das Umschalten kann mit konstanter Frequenz oder mit vorprogrammierten Schaltsequenzen erfolgen. Es ist ebenfalls möglich, das Umschalten gemäß den festgestellten Stromfehlersignalen durchzuführen. Die zur Erläuterung von Fig. 6 gewählte bevorzugte Ausführungsform vergleicht eine Bezugsspannung v _X*, v _Y* oder v _Z* mit einer Dreiecksschwingung (Leitung 23 aus TWG) und verwendet die Polarität des festgestellten Unterschiedes, um die Gruppenpolarität mit einer Transferfunktion TFN einzustellen. Eine besondere Logikschaltung (UND-Glieder 26 bis 31 und ODER-Glieder 36, 36′, 36″) werden angegeben, mit der die Schaltsteuersignale a ₁, a ₂, a ₃ auf Leitungen 11 bis 13, b ₁, b ₂, b ₃ auf Leitungen 14 bis 16 und c ₁, c ₂, c ₃ auf Leitungen 17 bis 19 erzeugt werden; und zwar unter Verwendung der Ausgangsbezugsspannung (v _x*, v _y* und v _z*) und der Logiksignale (Leitungen 59 bis 60), die aus den Phasenfunktionsgeneratoren und dem Phasenabfühlsystem der Spannungsversorgung abgeleitet wurden.

Die von jeder der Schaltgruppen erzeugte Gruppenspannung hat eine Welligkeitskomponente, mit dem Dreifachen der Eingangsfrequenz. In einem Dreiphasensystem stellt dies kein ernsthaftes Problem dar. Die Auswirkungen der Welligkeitskomponente auf die Ausgangsspannung kann jedoch fast ausgeschaltet werden, indem die Dreiecksschwingungen verschoben werden, um die Ausschläge in der Hüllkurve der Spannungsversorgungsspitzen zu kompensieren. Diese Maßnahmen sind empfehlenswert unter der Voraussetzung, daß die Umschaltfrequenz in der Impulsbreitenmodulation groß genug ist, um eine Steuerung der Ausgangsspannung mit hoher Qualität zu ermöglichen.

Ähnlich wie bei herkömmlichen UFC-Frequenzwandlersystemen muß das Umschalten innerhalb der Gruppen sorgfältig synchronisiert sein, um sowohl Kurzschlüsse in der Spannungsversorgung als auch Überspannungen auf Grund von Stromunterbrechungen zu verhindern.

Das System gemäß der Erfindung ist seinem Wesen nach regenerativ und kann zur Stromsteuerung mit hoher Bandbreite eingesetzt werden. Ein Motorantrieb, der die vorliegende Erfindung verwendet, hat daher die Fähigkeit eines Wechselstromantriebssystemes mit hoher Leistung.

Als Zwei-Richtungsschalter können alle bekannten schaltbaren Komponenten eingesetzt werden, zum Beispiel Transistoren, Thyristoren usw.

Claims

1. Wechselstromwandler, gekennzeichnet durch: eine Vielzahl von mit Leistung belastbaren Zwei-Richtungsschaltern (XA, XB, XC; YA, YB, YC; ZA, ZB, ZC), die in Gruppen (GPX, GPY, GPZ) zusammengeschaltet sind, wobei jede Gruppe einem Wechselstromausgangsleiter (X, Y, Z) zugeordnet ist und die bilateralen Schalter in jeder Gruppe jeweils einem der Wechselstromeingangsleiter (L 1, L 2, L 3) zugeordnet sind, so daß jeder Zwei-Richtungsleistungsschalter zwischen einem Wechselstromeingangsleiter und einem Wechselstromausgangsleister liegt;
erste Vorrichtungen (CNS) zur Steuerung der Zwei-Richtungsschalter jeder Gruppe, um auf jedem zugeordneten Wechselstromausgangsleiter eine Gleichspannung zu erzeugen; und
zweite Vorrichtungen (FG 1-FG 6) zur Steuerung des Leitfähigkeitszustandes der Zwei-Richtungsschalter, um die Gleichspannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gruppen zu modulieren und eine Wechselspannung zwischen entsprechenden Wechselstromausgangsleitern zu erzeugen.

2. Der Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Vorrichtungen (TWG 23) eine Impulsbreitenmodulation der entsprechenden Gleichstrom-Verbindungsspannung durchführen.

3. Der Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Vorrichtungen auf ein Spannungs- und Frequenzbezugssignal (20, v _X*, v _Y*, v _Z*) ansprechen, um die ausgegebene Wechselstromfrequenz zu bestimmen.

4. Der Umformer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Vorrichtungen auf ein Spannungsbezugssignal (V _G) ansprechen, um die ausgegebene Wechselspannung zu bestimmen.

5. Der Umformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsbezugssignal eine Zündwinkelverzögerung (CND) erzeugt, die an die Zwei-Richtungsschalter angelegt wird.