DE3712185A1 - Laststromerfassungseinrichtung fuer stromrichter mit pulsdauermodulation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromerfassungseinrichtung und insbesondere eine kostengünstige und kleine Stromerfassungseinrichtung, die sich in Stromrichtern mit Pulsdauermodulation (weiterhin als PWM-Stromrichter bezeichnet) eignet und eine Steuereinrichtung dafür.

Im Ausgangsstrom eines PWM-Stromrichters ist wegen der Schaltvorgänge, die im Stromrichter zur Erzeugung des Ausgangsstroms aus dem eingespeisten Gleichstrom stattfinden, eine gewisse Welligkeit vorhanden. Der Ausgangsstrom des PWM-Stromrichters muß erfaßt werden und ein daraus erzeugtes Stromsignal zur Steuerung des PWM-Stromrichters verwendet werden. Dieses Stromsignal kann jedoch Welligkeiten entsprechend den Welligkeiten im Ausgangsstrom aufweisen. Aus der JP-OS-58-1 98 165 ist ein Verfahren zur Verringerung der Welligkeitskomponenten im Stromsignal bekannt, das die Stromerfassung synchron mit einer besonderen Zeitsteuerung eines PWM-Signals aufgrunddessen der Schaltvorgang durchgeführt wird, ausführt. Dieses bekannte Verfahren nützt die Tatsache aus, daß die erfaßte Stromstärke, wenn die Stromerfassung synchron mit der Nachbarschaft der positiven und negativen Spitzenwerte mit einem zur Erzeugung des PWM-Signals verwendeten Trägersignals erfolgt, einen Strom darstellt, der zu einem Zeitpunkt fließt, der im wesentlichen dem Mittelpunkt des leitenden Intervalls oder des nichtleitenden Intervalls der einzelnen Schaltglieder, die den PWM-Stromrichter bilden, entspricht. Da der zum oben genannten Zeitpunkt erfaßte Strom die nachteiligen Welligkeitskomponenten nicht aufweist, läßt sich ein solcher Stromdetektor nicht nur wirksam zur Ausführung einer durch diskrete Berechnung durch einen Mikroprozessor oder dergleichen durchgeführten Stromsteuerung, sondern ebenso wirksam als Welligkeitsglättungsfilter in einem analog arbeitenden Stromsteuerungssystem einsetzen.

Die oben genannte JP-OS-58-1 98 165 verwendet einen isolierten Stromdetektor, beispielsweise ein Halleffektelement zur Erfassung des durch die einzelnen Phasen des PWM-Stromrichters fließenden Ist-Phasenstroms.

Solche isolierten Stromdetektoren sind jedoch im Vergleich mit Nebenschlußwiderständen oder anderen gewöhnlich zur Stromerfassung verwendeten Gliedern recht teuer und sind außerdem groß im Vergleich mit einfachen Widerständen. Die Abmessung eines ein solches großes Stromdetektorelement verwendenden PWM-Stromrichters können deshalb nicht verringert werden.

Andererseits ist aus der JP-OS-58-1 72 995 ein Verfahren bekannt, bei dem Nebenschlußwiderstände zwischen den unteren Armen eines PWM-Stromrichters und einem Minusanschluß einer Gleichspannungsquelle des Stromrichters zur Erfassung der Lastströme des Stromrichters eingeschaltet sind.

Der Wert des durch diese Nebenschlußwiderstände fließenden Stroms stellt jedoch nicht den genauen Wert des Laststroms dar, wenn das Schaltelement im unteren Arm, mit dem der Nebenschlußwiderstand verbunden ist, im nichtleitenden Zustand ist. Die genannte JP-OS-58-1 72 995 gibt keinen Hinweis, dieses Problem zu lösen.

In der Beschreibung wird der Ausdruck "unterer Arm" verwendet, die die zwischen dem Minusanschluß der Gleichspannungsquelle und einer Last angeschlossene Schaltung aus Hauptschaltelement und Rücklaufdiode angibt, wohingegen der Ausdruck "oberer Arm" zur Bezeichnung der Schaltung verwendet wird, die aus dem Hauptschaltelement und der Rücklaufdiode besteht, die zwischen dem positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle und der Last eingeschaltet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige und kleine Stromerfassungseinrichtung für einen PWM-Stromrichter anzugeben, die Nebenschlußwiderstände als Stromerfassungselemente verwendet und die Lastströme unabhängig davon, ob die Schaltelemente im leitenden oder im nichtleitenden Zustand sind, genau erfassen kann.

Der erfindungsgemäße PWM-Stromrichter, der die obige Aufgabe löst, weist einen zwischen einem in einem der zwei Arme in jeder Phase angeordneten Schaltelement und einem Minusanschluß einer Gleichspannungsquelle eingeschalteten Nebenschlußwiderstand zur Stromerfassung auf, und ein Spannungsabfall über dem Nebenschlußwiderstand wird zu einem Zeitpunkt erfaßt, wo das Schaltelement im leitenden Zustand ist. Dieser Zeitpunkt entspricht demjenigen, wo das Schaltelement, das mit dem jeweiligen Nebenschlußwiderstand verbunden ist, von seinem nichtleitenden Zustand in der Nähe eines positiven oder negativen Spitzenwerts eines zur Erzeugung eines PWM-Signals dienenden Trägersignals in den leitenden Zustand übergeht.

Jede Phase des PWM-Stromrichters enthält einen oberen und einen unteren Arm, in denen jeweils ein Schaltelement angeordnet ist, und der Schaltvorgang des PWM-Stromrichters wird durch abwechselndes Umschalten der zwei Schaltelemente in jeder Phase zwischen dem leitenden und dem nichtleitenden Zustand bewirkt. Deshalb ist der durch den Arm, in dem das mit dem jeweiligen Nebenschlußwiderstand versehene Schaltelement angeordnet ist, fließende Strom dem Phasenstrom gleich, und ein am Nebenschlußwiderstand auftretender Spannungsabfall entspricht diesem Phasenstrom. Wenn jedoch das Schaltelement im nichtleitenden Zustand ist, fließt der Phasenstrom durch das Schaltelement im anderen Arm. Dann ist der Spannungsabfall am Nebenschlußwiderstand Null und entspricht nicht dem Phasenstrom. Erfindungsgemäß wird ein Zeitsteuersignal erzeugt, das im wesentlichen den Mittelpunkt des leitenden Zeitabschnitts des Schaltelements, mit dem der Nebenschlußwiderstand verbunden ist, angibt.

Deshalb kann die den Phasenstrom angebende Stromstärke erfaßt werden, wenn der Spannungsabfall über dem Nebenschlußwiderstand mittels dieses Zeitsteuersignals abgetastet und gehalten wird. Diese erfaßte Stromstärke ist außerdem frei von Welligkeitskomponenten.

Die Erfindung wird im folgenden in Form von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß aufgebauten PWM-Stromrichters;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm, das die Funktion des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert;

Fig. 3 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 5 ein Blockdiagramm, das einen Teil des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels in weiteren Einzelheiten darstellt;

Fig. 6 ein Zeitdiagramm, das die Funktion des in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert;

Fig. 7, 8 und 9 Flußdiagramme der Operationsschritte des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4;

Fig. 10 ein Blockdiagramm des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 11 ein Zeitdiagramm, das die Funktion des in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Nun wird anhand der Fig. 1 und 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen PWM-Stromrichters beschrieben.

Der in Fig. 1 dargestellte PWM-Stromrichter weist eine Gleichspannungsquelle 1 und eine einen dreiphasigen Wechselstrom erzeugende Hauptschaltung 2 sowie einen Dreiphaseninduktionsmotor 3, der als Last mit den Stromrichterwechselstromausgangsanschlüssen O _U , O _V und O _W verbunden ist, auf.

Die Stromrichterhauptschaltung 2 besteht aus oberen Armen 2 _u , 2 _v , 2 _w und unteren Armen 2 _u ′, 2 _v ′, 2 _w ′. Die oberen Arme 2 _u , 2 _v , 2 _w und die unteren Arme 2 _u ′, 2 _v ′, 2 _w ′ enthalten Schaltelemente oder Transistoren Q _UP , Q _VP , Q _WP , Q _UN , Q _VN , Q _WN und Rücklaufdioden D _UP ; D _VP , D _WP , D _UN , D _VN , D _WN , die antiparallel zu den Kollektoremitterstrecken der jeweiligen Transistoren liegen.

Der obere Arm 2 _u ist in Reihe mit dem unteren Arm 2 _u ′ geschaltet und bildet den U-Phasenarm 21 _U . Der obere Arm 2 _v bildet eine Reihenschaltung mit dem unteren Arm 2 _v ′ und damit den V-Phasenarm 21 _V . Schließlich bildet der obere Arm 2 _w eine Reihenschaltung mit dem unteren Arm 2 _w ′ und damit den W-Phasenarm 21 _W . Diese drei Arme 21 _U , 21 _V und 21 _W sind miteinander zwischen einem Plusanschluß und einem Minusanschluß der Gleichspannungsquelle 1 parallelgeschaltet. Verbindungspunkte der Reihenschaltung der oberen Arme mit den unteren Armen bilden die Wechselstromausgangsanschlüsse O _u , O _v und O _w für die drei Phasen U, V und W. Zwischen die unteren Arme 2 _u ′, 2 _v ′ und 2 _w ′ und dem Minusanschluß der Gleichspannungsquelle 1 sind jeweils Nebenschlußwiderstände 4, 5 und 6 in Reihe mit den Transistoren der unteren Arme eingeschaltet. Abtast- und Halteschaltungen 7, 8 und 9 tasten die Spannungsabfälle V _RU , V _RV und V _RW an den Nebenschlußwiderständen 4, 5 und 6 ab und halten diese, wenn ein Ausgangssignal C _R einer Trägerschwingungssignalgeneratorschaltung 10 ein Ausgangssignal V _S einer Bezugswertsignalgeneratorschaltung 55 übersteigt. Die Abtast- und Halteschaltung 7 besteht aus einer in Fig. 1 gezeigten Schaltung aus einem Kondensator C und einem Feldeffekttransistor FET. Die anderen Abtast- und Halteschaltungen 8 und 9 haben dieselbe Schaltungsstruktur, wie die Abtast- und Halteschaltung 7. Eine Vergleicherschaltung 11 vergleicht das Ausgangssignal C _R der Trägerschwingungsgeneratorschaltung 10 mit dem Ausgangssignal V _S der Bezugswertsignalgeneratorschaltung 5 und erzeugt ein Abtastimpulssignal oder Zeitsteuersignal Hg, wenn der Pegel des Signals C _R denjenigen des Signals V _S überschreitet.

Eine Sollschwingungsformgeneratorschaltung 51 erzeugt Strom-Sollschwingungsformsignale i _ur , i _vr und i _wr für die Stromsignalform, die jeweils an den Wechselstromausgangsanschlüssen O _u , O _v und O _w auftreten sollen.

Diese Strom-Sollschwingungsformsignale i _ur , i _vr und i _wr sind Sinussignale mit einer elektrischen Phasendifferenz von 120°. Differenzberechnungsschaltungen 52, 53 und 54 berechnen Differenzen zwischen den Strom-Sollschwingungsformsignalen i _ur , i _vr , i _wr und den Ausgangssignalen i _du , i _dv , i _dw der Abtast- und Halteschaltungen 7, 8 und 9 für die einzelnen Phasen. Fehlerverstärker 12, 13 und 14 verstärken jeweils die Ausgangssignale der Differenzberechnungsschaltungen 52, 53 und 54.

Vergleicher 15, 16 und 17 vergleichen die jeweiligen Ausgangssignale M _U , M _V , M _W der Fehlerverstärker 12, 13 und 14 mit dem Ausgangssignal C _R der Trägerschwingungsgeneratorschaltung 10 und erzeugen PWM-Signale S _U , S _V und S _W , wenn das Ausgangssignal C _R der Trägerschwingungsgeneratorschaltung 10 die Ausgangssignale M _U , M _V und M _W der Fehlerverstärker 12, 13 und 14 übersteigen. Eine Impulsverteilerschaltung 18 invertiert die Ausgangssignale S _U , S _V und S _W der jeweiligen Vergleicher 15, 16 und 17 und erzeugt Signale mit Impulsdauern, die etwas schmaler sind als die der jeweiligen invertierten Signale und auch Signale, deren Impulsdauern etwas schmaler sind als diejenigen der jeweiligen Signale S _U , S _V und S _W . Ein Impulsverstärker 19 verstärkt die sechs Impulszüge, die von der Impulsverteilerschaltung 18 zugeführt werden und erzeugt Basis- oder Gatesteuersignale g _UP , g _UN , g _VP , g _VN , g _WP und g _WN , die den jeweiligen Schaltgliedern Q _UP , Q _UN , Q _VP , Q _VN , Q _WP und Q _WN angelegt werden. Die Kombination der Vergleicher 15, 16 und 17 der Impulsverteilerschaltung 18 und der Impulsverstärker 19 bildet eine Schaltsteuerschaltung im vorliegenden Ausführungsbeispiel.

Die Schaltglieder können Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren, Gate-turn-off-Thyristoren (GTO-Thyristoren) und dergleichen sein.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Nebenschlußwiderstände 4, 5 und 6 jeweils zwischen die Schaltglieder Q _UN , Q _VN , Q _WN der unteren Arme und den Minusanschluß der Gleichspannungsquelle 1 eingeschaltet. Diese Anordnung ist üblich, wenn NPN-Transistoren oder Leistungs- MOS-Feldeffekttransistoren als Schaltelemente verwendet werden. Dies liegt daran, daß die Gate-Steuersignale (oder Basis-Steuersignale) so eingestellt werden können, daß sie ein Bezugspotential gleich dem Potential der Nebenschlußwiderstände haben.

Wenn andererseits PNP-Transistoren als Schaltglieder verwendet werden, sind die Nebenschlußwiderstände jeweils zwischen den oberen Armen, insbesondere zwischen den Schaltgliedern in den oberen Armen und dem Plusanschluß der Gleichspannungsquelle 1 eingeschaltet.

Das Zeitdiagramm in Fig. 2 zeigt Signalformen, die an verschiedenen Stellen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 auftreten.

Das Trägerschwingungssignal C _R , das eine Amplitude V _m hat, wird zur Erzeugung des Zeitsteuersignals Hg mit dem Spannungspegel V _S verglichen. Dieses Zeitsteuersignal Hg ist ein Impulssignal mit der Periodendauer T _C und nimmt den "1"- Pegel nur um einen positiven Spitzenwert des Trägerschwingungssignals C _R an. T _C gibt also die Periodendauer des Trägerschwingungssignals C _R an, und der Spannungspegel V _S ist sehr nahe an, jedoch etwas kleiner als die Amplitude V _m und beträgt beispielsweise V _S = 0,95 V _m . Zum andern wird das PWM-Signal S _U der U-Phase durch Vergleich des Ausgangssignals M _U des Fehlerverstärkers 12, das dem Spannungssollwert der U-Phase entspricht, mit dem Trägerschwingungssignal C _R durch den Vergleicher 15 erzeugt. Das PWM-Signal S _U ist die Grundlage zur Erzeugung der Gate-Steuersignale g _UP und g _UN , die die jeweiligen Leistungstransistoren Q _UP und Q _UN im U-Phasenarm 21 _U ein- und ausschalten. Der "0"- Pegel und der "1"-Pegel der Gatesteuersignale g _UP und g _UN korrespondiert jeweils mit dem Aus-Zustand und dem Ein- Zustand der Leistungstransistoren Q _UP und Q _UN . Durch den Schaltvorgang dieser Leistungstransistoren Q _UP und Q _UN fließt ein Phasenstrom i _U der U-Phase, der Welligkeiten enthält.

Wenn der Phasenstrom i _u positiv ist und das Gate-Steuersignal g _UP seinen "1"-Pegel annimmt, wird der Leistungstransistor Q _UP im oberen Arm eingeschaltet und Strom fließt vom Pulsanschluß der Gleichspannungsquelle in der positiven Richtung. Wenn dann das Gate-Steuersignal g _UP in seinen "0"-Pegel geschaltet wird, wird der Leistungstransistor Q _UP ausgeschaltet und das Gate-Steuersignal g _UN nimmt nun seinen "1"-Pegel an. Es hängt vom Kollektorpotential des Leistungstransistors Q _UN ab, ob dieser eingeschaltet werden kann oder nicht.

Im ersten Fall wird das U-Phasenpotential zum Minusanschluß der Gleichspannungsquelle 1 geleitet, und der Phasenstrom fließt durch die Gleichstromquelle 1. Im zweiten Fall fließt andererseits der Phasenstrom durch die Rücklaufdiode D _UN . Jedoch ist in jedem der beiden Fälle der Phasenstrom, der fließt, wenn das Gate-Steuersignal g _UN seinen "1"-Pegel annimmt in Koinzidenz oder gleich mit dem Strom, der entweder durch den Leistungstransistor Q _UN oder die Rücklaufdiode D _UN fließt. Dies gilt auch sogar wenn der Phasenstrom i _u negativ ist.

Deshalb entspricht der Spannungsabfall V _RU über dem Nebenschlußwiderstand 4, wenn dieser so wie in Fig. 1 gezeigt, in den unteren Arm 2 _u ′ der U-Phase eingeschaltet ist und wenn das Gate-Steuersignal g _UN seinen "1"-Pegel annimmt, immer dem Phasenstrom i _U der U-Phase. Der Phasenstrom i _U fließt durch den Leistungstransistor Q _UP im oberen Arm 2 _u oder durch die Rücklaufdiode D _UP , wenn das Gate-Steuersignal g _UN seinen "0"-Pegel annimmt, und der Spannungsabfall V _RU über dem Nebenschlußwiderstand 4 ist dann Null. Wie bereits in der zuvor genannten JP-OS-58-1 98 165 offenbart, ist das Zeitsteuersignal Hg, das durch die zuvor genannten Mittel erzeugt wird, ein Impulssignal mit der Periodendauer T _C und nimmt seinen "1"-Pegel für die Dauer T _S etwa in der Mitte der Dauer des "1"-Pegels des Gate-Steuersignals g _UN an.

Wenn auf diese Weise die am Nebenschlußwiderstand 4 abfallende Spannung V _RU während der "1"-Dauer des Zeitsteuersignals Hg abgetastet und während des übrigen Zeitabschnitts (dem "0"-Pegel des Zeitsteuersignals Hg) gehalten wird und der Ausgangsstrom der Abtast- und Halteschaltung 7 erfaßt wird, ist der erfaßte Stromwert i _du immer in Koinzidenz mit dem Phasenstrom i _U unabhängig davon, ob der Phasenstrom i _U durch den Leistungstransistor Q _UN im unteren Arm 2 _u ′ oder durch die Rücklaufdiode D _UN fließt. Außerdem ist der erfaßte Stromwert i _du ohne Welligkeitskomponenten. Die "1"-Pegeldauer T _S des Zeitsteuersignals Hg kann durch Ändern des Spannungspegels V _S eingestellt werden und wird so kurz wie möglich, jedoch länger als die von der Abtast- und Halteschaltung 7 gewählt. Dasselbe gilt für die anderen Phasen.

Die detaillierte Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, daß ein Zeitsteuersignal zur Abtastung einer an einem Nebenschlußwiderstand abfallenden Spannung in jeder Phase von einer verhältnismäßig einfachen Schaltung erzeugt werden kann, so daß eine billige Stromerfassungseinrichtung, die eine Signalverarbeitungsschaltung einschließt, ermöglicht werden kann.

Nun wird anhand der Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dahingehend modifiziert, daß der Nebenschlußwiderstand R _SW und die Abtast- und Halteschaltung 9 weggelassen sind, und daß an deren statt eine Vektorrechenschaltung 9′ vorgesehen ist. Die Vektorrechenschaltung 9′ empfängt Vektorausgangssignale i _du und i _dv der jeweiligen Abtast- und Halteschaltungen 7 und 8 und berechnet i _dw = -1 × (i _du + -i _dv ).

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, in der Bezugsziffern 20, 21, 22 und 23 jeweils einen Mikroprozessor, einen PWM-Signalgenerator, einen Multiplexer und einen A/D-Wandler angeben und die dieselben Schaltungsteile wie in Fig. 1 angebenden Bezugszeichen sind dieselben.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wurde eine analoge Stromerfassungseinrichtung beschrieben. Das dritte Ausführungsbeispiel enthält eine Stromsteuereinrichtung, die für den Einsatz einer diskreten Arithmetik- und Logikeinrichtung, wie einen Mikroprozessor für die Stromsteuerung geeignet ist.

Der in Fig. 4 gezeigte PWM-Signalgenerator 21 erzeugt ein Zeitsteuersignal S _H , das dem Mikroprozessor 20 als ein Unterbrechungssignal zugeführt wird. Als Antwort auf die Vorderflanke des Zeitsteuersignals S _H , das dem Mikroprozessor 20 anliegt, durchläuft dieser eine Interrupt-Verarbeitungsroutine, und an den Nebenschlußwiderständen 4, 5 und 6 der einzelnen Phasen auftretende Analogspannungen werden durch den A/D-Wandler 23 in jeweilige Digital-Werte umgesetzt. (In diesem Fall ist das Potential am Minusanschluß der Gleichspannungsquelle 1 das Bezugspotential).

Genauer wählt ein Multiplexer 22 die erfaßten Analogspannungen V _RU , V _RV und V _RW an den Nebenschlußwiderständen 4, 5 und 6 nacheinander und der Analog/Digital-Umsetzer 23 setzt diese in jeweilige Digitaldaten um. Die so erfaßten Digitaldaten werden im Mikroprozessor 20 zusammen mit getrennt gelieferten Strom-Sollwerten eingespeist. Aufgrund der obigen eingespeisten Werte führt der Mikroprozessor 20 die nötige Berechnung für die Stromsteuerung aus. Die als Ergebnis der Berechnung erzeugten Daten werden dem PWM-Signalgenerator 21 eingespeist. Im PWM-Signalgenerator 21 werden PWM-Signale S _U , S _V und S _W für die einzelnen Phasen aufgrund der neuesten vom Mikroprozessor 20 gelieferten Daten erzeugt, um damit die gewünschte Stromsteuerung durchzuführen.

Fig. 5 zeigt Einzelheiten des in Fig. 4 gezeigten PWM- Signalgenerators 21. Letzterer enthält einen Taktimpulsgenerator 24, einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler 25, einen Größtwertdiskriminator D _H 26, einen Kleinstwertdiskriminator D _L 27, eine ODER-Schaltung 28, ein Flip-Flop 29, ein Register 30 und einen Vergleicher 31. In Fig. 5 ist ebenfalls der Mikroprozessor 20 dargestellt.

Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung des PWM-Signalgenerators 21 zeigt zum Zwecke der klareren Darstellung nur die zur U-Phase gehörigen Schaltelemente.

Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 25, der als Trägerschwingungsdatengenerator wirkt, zählt Taktimpulse CLK, die vom Taktimpulsgenerator 24 erzeugt werden und erzeugt Trägerschwingungsdaten D _C zur Erzeugung des PWM-Signals S _U . Die Kombination der Diskriminatorschaltungen 26, 27 mit der ODER-Schaltung 28 und dem Flip-Flop 29 ist für das Umschalten der Zählrichtung (Vorwärts/Rückwärts-Zählung) des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 25 vorgesehen. Die so erzeugten Trägerschwingungsdaten D _C werden durch den Vergleicher 31 mit im Register 30 vom Mikroprozessor 20 gespeicherten U-Phasenmodulationsdaten D _MU verglichen und daraus das U-Phasen-PWM-Signal S _U erzeugt. (Die Daten D _MU werden als Ergebnis der Berechnung der Stromsteuerung geliefert.)

Obwohl Fig. 5 nur das U-Phasen-Signal S _U zeigt, ist deutlich, daß genauso die V-Phasen und W-Phasen-PWM-Signale S _V und S _W aufgrund derselben Trägerschwingungsdaten D _C erzeugt werden. Ein Signal S _H , das zum Umschalten der Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 25 in die Rückwärtszählung verwendet wird, wird ebenfalls als Stromerfassungszeitsteuersignal dem Mikroprozessor 20 zugeführt. Das heißt, daß die Diskriminatorschaltungen 26 und 27 als Bezugsdatengeneratorschaltungen funktionieren. Ein Signalform-Solldatengenerator 51′ erzeugt Digitaldaten, die den in Fig. 1 dargestellten Strom-Sollschwingungsformsignalen i _ur , i _vr und i _wr entsprechen.

Nun wird anhand des Zeitdiagramms in Fig. 6, das Betriebsschwingungsformen darstellt, die Funktion des in Fig. 5 dargestellten PWM-Signalgenerators 21 erläutert.

Der Zählwert D _C des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 25 wird mit Daten D _H , die die vom Höchstwertdiskriminator 26 diskriminierten positiven Maximalwerte angeben und mit Daten D _L verglichen, die die vom Kleinstwertdiskriminator 27 diskriminierten negativen Maximalwerte angeben. Als Ergebnis des Vergleichsvorgangs werden abhängig vom Wert des Datums D _C an den Ausgängen der Diskriminatorschaltungen 26 oder 27 entweder ein Übertragssignal S _H oder ein Borrow-Signal S _L erzeugt. Wie Fig. 6 darstellt, werden die Signale S _H und S _L mit derselben Periodizität erzeugt, sind jedoch gegeneinander um einen halben Zyklus der Trägerschwingungsdaten D _C versetzt. Das Übertragssignal S _H oder das Borrow-Signal S _L werden über die ODER-Schaltung 28 dem Flip-Flop 29 angelegt, um dessen Zustand umzuschalten. Ein Signal S _F , das die Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 25 angibt, tritt am Ausgang des Flip-Flops 29 auf. Der "0"- und "1"- Pegel des Signals S _F gibt jeweils den Zähler 25 zum Rückwärts- bzw. Vorwärtszählen frei. Der Zählerausgang des Vorwärts- Rückwärts-Zählers 25 erzeugt die gewünschten Trägerschwingungsdaten D _C . Das Übertragssignal S _H wird synchron mit dem positiven Spitzenwert des Trägerschwingungssignals erzeugt. Deshalb korrespondiert der erfaßte Stromwert i _du , wenn die Spannung V _RU am Nebenschlußwiderstand 4 zum Zeitpunkt des Signals S _H erfaßt wird, immer mit dem Phasenstrom i _u und weist keine Welligkeitskomponenten auf, wie dies auch im ersten Ausführungsbeispiel nicht der Fall war. Das heißt, daß der Mikroprozessor 20 wie eine Abtast- und Halteschaltung arbeitet.

Die im dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung über dem Nebenschlußwiderstand 4 abfallende Spannung V _RU wird zum Zeitpunkt des positiven Spitzenwerts des Trägerschwingungssignals, das zur Erzeugung des PWM-Signals anliegt, erfaßt. Es ist jedoch deutlich, daß ein dem Phasenstrom entsprechender Stromwert genauso erfaßt werden kann, wenn der oben genannte Zeitpunkt vom positiven Spitzenwert des Trägerschwingungssignals innerhalb eines Bereichs verschoben wird, der kleiner ist als die kleinste Impulsdauer des PWM- Signals.

Wie die ausführliche Beschreibung des dritten Ausführungsbeispiels zeigt, kann in einer solchen Stromerfassungseinrichtung mit Nebenschlußwiderständen ein diskretes Rechenelement, wie ein Mikroprozessor, als Stromsteuerung eingesetzt werden.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen Flußdiagramme der Operationsschritte des dritten, anhand der Fig. 4 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung.

Fig. 10 zeigt eine in einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugte Schaltung eines PWM-Signalgenerators.

Der in Fig. 10 gezeigte PWM-Signalgenerator 21 enthält einen Taktimpulsgenerator 24, einen Vorwärts-Rückwärts- Zähler 25, Diskriminatorschaltungen 26 und 27, eine ODER- Schaltung 28, ein Flip-Flop 29, ein Register 30 und einen Vergleicher 31. Ein Mikroprozessor 20 ist mit dem PWM- Signalgenerator 21 verbunden. Im oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel wird eine über dem Nebenschlußwiderstand jeder Phase abfallende Spannung zum Zeitpunkt des positiven Spitzenwerts des Trägerschwingungssignals erfaßt, um den jeweiligen Phasenstrom im PWM-Stromrichter zu erfassen. In Fig. 10 wird ein Stromwert jeweils zwischen einem Erfassungszeitpunkt und dem nächsten Erfassungszeitpunkt auf der Basis des zuvor erfaßten Werts extrapoliert und als momentan erfaßter Stromwert verwendet.

Die in Fig. 10 dargestellte Schaltung des PWM-Signalgenerators 21 ist dieselbe wie die in Fig. 5 mit der Ausnahme, daß das Borrow-Signal S _L ebenfalls dem Mikroprozessor 20 als Unterbrechungssignal zusätzlich zum Übertragssignal S _H zugeführt wird.

Die Funktion des PWM-Signalgenerators 21 wird nun anhand der Fig. 11 beschrieben, die Signalverläufe dieses Ausführungsbeispiels zeigt. Eine an einem Nebenschlußwiderstand 4 auftretende Analogspannung V _RU wird in ein entsprechendes Digitaldatum D _iu umgesetzt, das vom Mikroprozessor 20 synchron mit dem Übertragssignal S _H geholt wird. Die Periodendauer des Signals S _H ist gleich der Periodendauer T _C des Trägerschwingungssignals. Die Daten D _iu sind in Fig. 11 durch kleine weiße unausgefüllte Kreise dargestellt. Zu der durch das Übertragssignal S _H bewirkten Unterbrechung wird der Mikroprozessor 20 ebenfalls zum Zeitpunkt des Borrow-Signals S _L unterbrochen, dessen Phase um T _C/2 gegenüber der Phase des Übertragssignals S _H versetzt ist. Zu diesem Zeitpunkt kann von der am Nebenschlußwiderstand abfallenden Spannung kein genauer Stromwert erfaßt werden. Deshalb werden die zuvor synchron mit dem Übertragssignal S _H erfaßten Daten gespeichert und durch Extrapolation dieser gespeicherten Daten Stromwerte berechnet, die zum Zeitpunkt des Borrow-Signals S _L erfaßt würden. Die schwarz ausgefüllten Kreise in Fig. 10 geben die so extrapolierten Werte an. Die Symbole k-1, k, k + 1, k + 2 und k + 3 in Fig. 10 geben die Zeitpunkte der Stromerfassung an. Ein Stromwert D _iu (k + 3), der zum Zeitpunkt k + 3 erfaßt wurde, wird nach folgender Gleichung berechnet:

Die mit der Gleichung (1) bewirkte Extrapolation ist eine lineare Extrapolation. Diese ist möglich, weil die Frequenz des Trägerschwingungssignals, das das PWM-Signal liefert, genügend höher als die des Strom-Sollwertsignals in dem normalen Betriebsbereich des PWM-Stromrichters gewählt ist, so daß angenommen werden kann, daß sich die Stromwerte, die zwischen den Werten, die aufgrund des Übertragssignals S _H erfaßt werden, erfaßt bzw. extrapoliert werden, linear ändern.

Natürlich kann auch eine Extrapolation zweiter oder höherer Ordnung, die zuvor erfaßte Daten verwendet, um die Genauigkeit der Extrapolation zu verbessern, eingesetzt werden.

Die vorangehende genaue Beschreibung des vierten Ausführungsbeispiels zeigt, daß dieses bezüglich des Ansprechverhaltens der Stromsteuerung verbessert ist, da die Zeitdauer der zur Stromerfassung notwendigen Abtastungen verkürzt werden kann.

Claims (11)

1. Stromerfassungseinrichtung für einen PWM-Stromrichter, der mehrere parallel zu einer Gleichspannungsquelle (1) geschaltete Arme (21 _u , 21 _v , 21 _w ), die jeweils eine Reihenschaltung zweier Schaltglieder (Q _UP , Q _UN , Q _VP , Q _VN , Q _WP , Q _WN ) enthalten, Wechselstromausgangsanschlüsse (O _u , O _v , O _w ), die jeweils am Verbindungspunkt zwischen den zwei Schaltgliedern, die die jeweiligen Arme bilden, vorgesehen sind und eine PWM-Schaltsteuereinrichtung (15, 16, 17, 18, 19) aufweist, die kontinuierlich und abwechselnd eine Vielzahl von Schaltsteuersignalen den beiden, die jeweiligen Arme bildenden Schaltgliedern zuführt, gekennzeichnet durch

• - Nebenschlußwiderstände (4, 5, 6), die zwischen die Gleichspannungsquelle und eines der die jeweiligen Arme bildenden zwei Schaltglieder eingeschaltet ist; und
• - eine Abtast- und Halteeinrichtung (7, 8, 9), die jeweils den in Reihe mit den Schaltgliedern geschalteten Nebenschlußwiderständen zugeordnet ist und die an dem Widerstand jeweils abfallende Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt während des leitenden Zeitabschnitts des Schaltglieds, mit dem der jeweilige Nebenschlußwiderstand verbunden ist, abtastet und hält, wodurch die Ausgangsströme der Wechselstromausgangsanschlüsse mittels der Ausgangssignale der Abtast- und Halteeinrichtung erfaßt werden.

2. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nur zwei Nebenschlußwiderstände (4, 5) zwischen die Gleichspannungsquelle und eines der beiden den jeweiligen Arm bildenden Schaltglieder eingeschaltet sind, und
eine Vektorberechnungseinrichtung (9′) einen Wert durch Multiplikation der Summe der Vektorausgangssignale (i _du und i _dv ) der beiden mit den Nebenschlußwiderständen (4, 5) verbundenen Abtast- und Halteeinrichtungen (7, 8) mit -1 berechnet, wodurch die Ausgangsströme der drei Wechselstromausgangsanschlüsse aufgrund der Ausgangssignale der zwei Abtast- und Halteeinrichtungen (7, 8) und des Ausgangs der Vektorberechnungseinrichtung (9′) erfaßt werden.

3. Stromerfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nebenschlußwiderstände (4, 5, 6) zwischen dem negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle und dem jeweiligen Schaltglied (Q _UN , Q _VN , Q _WN ) im unteren Teil des Arms eingeschaltet sind, und
die Abtast- und Halteeinrichtung und/oder die Vektorberechnungseinrichtung (7, 8, 9; 9′) die am Nebenschlußwiderstand abfallende Spannung während des leitenden Zeitabschnittes des Schaltelements (Q _UN , Q _VN , Q _WN ) im unteren Teil des Arms zur Erfassung des Ausgangsstroms an den Ausgangsanschlüssen (O _u , O _v , O _w ) erfassen.

4. Stromerfassungseinrichtung für einen PWM-Stromrichter, der mehrere parallel zu einer Gleichspannungsquelle (1) geschaltete Arme (21 _u , 21 _v , 21 _w ), die jeweils aus einem in Reihe geschalteten oberen und unteren Arm bestehen, die jeweils Schaltglieder (Q _UP , Q _UN , Q _VP , Q _VN , Q _WP , Q _WN ) und am Verbindungspunkt zwischen dem oberen und unteren Arm jeweils Wechselstromausgangsanschlüsse (O _u , O _v , O _w ) aufweisen, und
eine PWM-Schaltsteuereinrichtung (15, 16, 17, 18, 19) enthält, die kontinuierlich und abwechselnd eine Vielzahl von Schaltsteuersignalen dem einen und dem anderen die jeweiligen Arme bildenden Schaltglied zuführt, gekennzeichnet durch
Nebenschlußwiderstände (4, 5, 6), die zwischen die Gleichspannungsquelle (1) und eines der Schaltglieder, die die jeweiligen Arme bilden, eingeschaltet sind,

• - eine diskrete Spannungserfassungseinrichtung, die jeweils zu von einem PWM-Signal abgeleiteten Zeitpunkten die an den Nebenschlußwiderständen (4, 5, 6) abfallende Spannung erfaßt, und
• - eine Extrapoliereinrichtung (20), die durch Extrapolation aus vorangehend erfaßten Spannungsabfällen an den Nebenschlußwiderständen nachfolgende Spannungsabfälle abschätzt, wodurch die Ausgangsströme an den Wechselstromausgängen (O _u , O _v , O _w ) durch die von der Extrapoliereinrichtung (20) abgeschätzten Spannungswerte erfaßt werden.

5. PWM-Stromrichter mit mehreren parallel zu einer Gleichspannungsquelle (1) liegenden Armen (21 _u , 21 _v , 21 _w ), die jeweils eine Reihenschaltung aus einem oberen und einem unteren Armabschnitt jeweils aus Schaltgliedern (Q _UP , Q _UN , Q _VP , Q _VN , Q _WP , Q _WN ) und an den Verbindungspunkten zwischen den oberen und unteren Armabschnitten Wechselstromausgangsanschlüsse (O _u , O _v , O _w ) aufweisen, wobei eine Schaltsteuereinrichtung kontinuierlich und abwechselnd eine Vielzahl von Schaltsteuersignalen den Schaltelementen jeweils im oberen und unteren Armabschnitt anlegt, gekennzeichnet durch

• - einen Strom-Sollschwingungsformgenerator (51), der Führungssignale für Sollschwingungsformen des an den Wechselstromausgangsanschlüssen gelieferten Wechselstroms erzeugt;
• - einen Trägerschwingungsgenerator (10), der ein Trägerschwingungssignal erzeugt;
• - Nebenschlußwiderstände (4, 5, 6), die jeweils zwischen der Gleichspannungsquelle (1) und eines der die jeweiligen Arme bildenden Schaltelemente eingeschaltet sind;
• - Abtast- und Halteeinrichtungen (7, 8, 9), die jeweils den Nebenschlußwiderständen zugeordnet sind und eine an diesen abfallende Spannung synchron mit dem Ausgangssignal des Trägerschwingungsgenerators zu einem bestimmten Zeitpunkt während des leitenden Zeitabschnitts des zum jeweiligen Arm gehörenden Schaltelements abtasten und halten;
• - Differenzberechnungsglieder (52, 53, 54), die jeweils eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen des Strom-Sollschwingungsformgenerators (51) und den Ausgangssignalen der Abtast- und Halteeinrichtungen berechnen; und
• - eine Steuereinrichtung (15, 16, 17, 18, 19), die die Ausgangssignale der Differenzberechnungsglieder mit dem Ausgangssignal des Trägerschwingungsgenerators (10) vergleicht und daraus Schaltsteuersignale zum Schalten der Schaltelemente erzeugt.

6. PWM-Stromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bezugssignalgeneratoreinrichtung (55) ein Signal (V _s ) entsprechend einem Bezugspegel erzeugt und eine Vergleichseinrichtung (11) das Ausgangssignal (C _R ) des Trägerschwingungsgenerators (10) mit dem Ausgangssignal (V _s ) der Bezugssignalgeneratoreinrichtung (55) vergleicht, und die jeweilige Abtast- und Halteeinrichtung die an dem zugehörigen Nebenschlußwiderstand abfallende Spannung abtastet und hält, wenn das Ausgangssignal (C _R ) größer wird als das Ausgangssignal (V _s ) der Bezugssignalgeneratoreinrichtung.

7. PWM-Stromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bezugssignalgeneratoreinrichtung (55) ein Signal (V _s ) entsprechend einem Bezugspegel erzeugt und eine Vergleichseinrichtung (11) das Ausgangssignal (C _R ) des Trägerschwingungsgenerators (10) mit dem Ausgangssignal (V _s ) der Bezugssignalgeneratoreinrichtung (55) vergleicht und die jeweilige Abtast- und Halteeinrichtung die an dem zugehörigen Nebenschlußwiderstand abfallende Spannung abtastet und hält, wenn das Ausgangssignal des Trägerschwingungsgenerators kleiner wird als das Ausgangssignal (V _s ) der Bezugssignalgeneratoreinrichtung.

8. PWM-Stromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bezugssignalgeneratoreinrichtung (55) ein Signal (V _s ) entsprechend einem Bezugspegel erzeugt und eine Vergleichseinrichtung (11) das Ausgangssignal (C _R ) des Trägerschwingungsgenerators (10) mit dem Ausgangssignal (V _s ) der Bezugssignalgeneratoreinrichtung (55) vergleicht und die jeweilige Abtast- und Halteeinrichtung die an dem zugehörigen Nebenschlußwiderstand abfallende Spannung abtastet und hält, wenn der Absolutwert des Ausgangssignals des Trägerschwingungsgenerators größer wird als das Ausgangssignal (V _s ) der Bezugssignalgeneratoreinrichtung.

9. PWM-Stromrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Halteeinrichtungen jeweils einen Feldeffekttransistor (FET) und einen Kondensator (C) enthalten.

10. PWM-Stromrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strom-Sollschwingungsformgenerator, der Trägerschwingungssignalgenerator und die Referenzsignalgeneratoreinrichtung ihre Ausgangssignale als digitale Daten abgeben,
die Differenzberechnungseinrichtung die Differenzen zwischen den Ausgangsdaten des Strom-Sollschwingungsformgenerators und den Ausgangssignalen der Abtast- und Halteeinrichtung berechnen, und
die Schaltsteuereinrichtung die Ausgangsdaten der Differenzberechnungseinrichtung mit den Ausgangsdaten des Trägerschwingungsgenerators vergleicht, um die Schaltsteuersignale für die Schaltglieder zu erzeugen.

11. PWM-Stromrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß nur zwei Nebenschlußwiderstände (4, 5) zwischen der Gleichspannungsquelle (1) und einem der zwei Schaltelemente zweier Arme eingeschaltet sind,
zwei Abtast- und Halteschaltungen (7, 8) mit den Nebenschlußwiderständen verbunden sind und eine an den Nebenschlußwiderständen abfallende Spannung synchron mit der Periodizität der von dem Trägerschwingungsgenerator erzeugten Trägerschwingungsdaten zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Zeitabschnitt, wo das mit dem Nebenschlußwiderstand verbundene Schaltglied leitet, abtasten und halten,
eine Vektorberechnungseinrichtung (9′) einen Wert durch Multiplikation der Summe der Vektorausgangssignale der zwei Abtast- und Halteeinrichtungen mit -1 berechnen,
eine Extrapolationseinrichtung (20) durch Extrapolation Spannungswerte, die nachfolgend von den Abtast- und Halteeinrichtungen gehalten werden, auf der Basis von zeitseriellen Daten bezüglich an den Nebenschlußwiderständen abfallenden und von den Abtast- und Halteeinrichtungen in der vorangegangenen Abtastung gehaltenen Spannungen abschätzt, und
eine Differenzberechnungseinrichtung (20) die Differenzen zwischen den Ausgangssignalen der Extrapoliereinrichtung und den Ausgangssignalen der Abtast- und Halteeinrichtungen berechnet.