DE3884675T2

DE3884675T2 - Steuereinrichtung für pulsbreitenmodulierte Wechselrichter mit veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz.

Info

Publication number: DE3884675T2
Application number: DE88108719T
Authority: DE
Inventors: Akira Horie; Yoshiji Jimbo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-06-01
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2008-06-01
Also published as: ZA883882B; KR930003236B1; JPS63302766A; CN1007571B; EP0293844B1; EP0293844A3; DE3884675D1; EP0293844A2; AU1661288A; CN88103301A; AU597174B2; KR890001264A; JPH0720374B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung einer Steuereinrichtung für einen durch Pulsbreitenmodulation gesteuerten Wechselrichter mit Veränderlicher Spannung und Veränderlicher Frequenz, insbesondere eine Verbesserte Steuereinrichtung für einen Wechselrichter zum Zuführen von Strom an einen Asynchronmotor, der so gesteuert wird, daß er ein konstantes Drehmoment erzeugt.

Hintergrund dem zugehörigen Stand der Technik

Es ist bekannt, einen Asynchronmotor mit Hilfe eines Wechselrichters mit Variabler Spannung und variabler Frequenz (VVVF-Typ = Variable Voltage/variable frequency type) zu steuern, der mit Pulsbreitenmodulation (PWM) moduliert wird, um ein konstantes Ausgangsdrehmoment zu erzeugen. Für die PMW-Steuerung eines Wechselrichters, wie er oben angegeben wurde, wird oft ein sogenannten Sinuswellen-Modulationsverfahren Verwendet. Bei einem solchen Modulationsverfahren werden Steuersignale für Halbleiterschaltelemente, wie Transistoren oder Abschaltthyristoren eines Wechselrichters dadurch erzeugt, daß ein Sinuswellen-Modulationssignal und ein Dreiecksträgersignal miteinander verglichen werden, wobei die beiden zueinander synchronisiert werden.
Die Ausgangswechselspannung eines solchen Wechselrichters wird dadurch eingestellt, daß der Modulationsfaktor verändert wird, bei dem es sich um das Verhältnis der Amplitude eines Modulationssignals zu derjenigen eines Trägersignals handelt, und seine Frequenz wird dadurch eingestellt, daß die Frequenz des Modulationssignals variiert wird. Ferner wird im folgenden die Frequenz der Ausgangswechselspannung eines Wechselrichters einfach als Ausgangsfrequenz bezeichnet. Es ist hierbei zu beachten, daß der Maximalwert des Modulationsfaktors durch die minimal zulässige Abschaltzeit von Halbleiterschaltelementen begrenzt wird, wie sie in einem Wechselrichter verwendet werden, was allerdings später im einzelnen beschrieben wird.
Andererseits muß, um eine Regelung auf konstantes Drehmoment eines Asynchronmotors auszuführen, ein Wechselrichter auf solche Weise gesteuert werden, daß das Verhältnis seiner Ausgangswechselspannung V zu seiner Ausgangsfrequenz f auf einem erforderlichen konstanten Wert gehalten wird, d.h., daß der Wechselrichter abhängig von einer vorgegebenen Charakteristik für das Verhältnis V/f gesteuert wird. Darüber hinaus wird im allgemeinen die Anzahl von Spannungsimpulsen innerhalb eines Zyklus der Ausgangswechselspannung eines PWM-gesteuerten Wechselrichters abhängig von einem vorgegebenen Bereich der Ausgangsfrequenz ausgeführt, um die Amplitude einer Welligkeitskomponente zu verringern, wie sie wegen der PWM-Steuerung im Ausgangsstrom vorhanden ist. Die Änderung der Anzahl von Spannungsimpulsen kann dadurch erzielt werden, daß das Verhältnis der Frequenz eines Trägersignals zu der eines Modulationssignals verändert wird.
Bei einem solchen PWM-gesteuerten Wechselrichter wird dessen Ausgangswechselspannung dadurch eingestellt, daß der Modulationsfaktor verändert wird, während die Anzahl von Spannungsimpulsen über einen vorgegebenen Bereich der Ausgangsfrequenz auf einem gewünschten Wert gehalten wird. Der Betrieb eines Wechselrichters bei einer bestimmten Anzahl von Spannungsimpulsen wird durch die Anzahl von Spannungsimpulsen bestimmt und als "Modus" bezeichnet. Z.B. wird der Betriebsmodus eines Wechselrichters von einem "Neun-Impuls-Modus" über einen "Fünf-Impuls-Modus" und einen "Drei-Impuls- Modus" mit Zunahme der Ausgangsfrequenz bis schließlich zu einem "Ein-Impuls-Modus" verändert.
Herkömmlicherweise wird der Wechsel des Impulsmodus abhängig von Bezugsfrequenzen ausgeführt, wie sie vorab festgelegt wurden. D.h., wenn die Ausgangsfrequenz einer Bezugsfrequenz entspricht, wird der Impulsmodus zwischen einem Neun-Impuls- Modus und einem Fünf-Impuls-Modus, zwischen einem Fünf-Im-Puls-Modus und einem Drei-Impuls-Modus bzw. zwischen einem Drei-Impuls-Modus und einem Ein-Impuls-Modus umgeschaltet. Selbstverständlich sind die oben angegebenen Bezugsfrequenzen so ausgewählt, daß die Amplitude der Welligkeitskomponente des Ausgangsstroms so klein wie möglich wird. Bei einer derartigen herkömmlichen Steuereinrichtung besteht jedoch der folgende Nachteil.
Wenn der Impulsmodus geändert wird, tritt im Ausgangsstrom des Wechselrichters ein Spitzenwert auf. Wenn die Spannung der Gleichspannungsquelle für einen Wechselrichter hoch ist, wird der vorgenannte Spitzenwert des Ausgangsstroms entsprechend hoch, was die Grenze für den Strom überschreiten kann, wie er von den Halbleiterschaltelementen des Wechselrichters umgeschaltet werden kann. Wenn dagegen die Spannung der Gleichspannungsversorgungsquelle niedrig ist, wird die nicht leitende Periode der Schaltelemente sehr klein, wobei sie kleiner sein kann als die minimal zulässige Abschaltzeit. Dies führt im Wechselrichter zu Kommutierungsfehlern. Zum Zweck des Beseitigens des vorstehend genannten Nachteils wurde eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, wie sie in JP-A- 57/129170 offenbart ist, im Hinblick auf welche der Oberbegriff von Anspruch 1 definiert wurde.
Gemäß dem Stand der Technik wird bei einem PWM-gesteuerten VVVF-Wechselrichter der aktuelle Modulationsfaktor in jedem Impulsmodus durch Rechnung auf Grundlage der Spannung einer Gleichspannungsquelle für den Wechselrichter und der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters ermittelt, und der Impulsmodus wird gewechselt, wenn erkannt wird, daß der ermittelte Modulationsfaktor seinen Maximalwert erreicht, wie er auf Grundlage des aktuellen Impulsmodus und der Ausgangsfrequenz zu diesem Zeitpunkt bestimmt wurde. Auf diese Weise kann die bekannte Steuereinrichtung die Änderung der Spannung einer Gleichspannungsquelle für einen Wechselrichter meistern.
EP-A-0 073 045 offenbart ein weiteres Verfahren zum Steuern eines Asynchronmotors durch einen PWM-Wechselrichter, bei dem der Impulsmodus abhängig von der Ausgangsfrequenz gewechselt wird, und verschiedene Impulsmoduscharakteristiken werden für verschiedene Werte der Versorgungsgleichspannung und des Strombefehls für den Asynchronmotor erhalten.
Tatsächlich bestehen jedoch oft Fälle, bei denen ein PWM-gesteuerter VVVF-Wechselrichter abhängig von verschiedenen Charakteristiken für das Verhältnis V/f gesteuert werden muß. In solchen Fällen erfordert der Stand der Technik eine Charakteristik für eine neue Impulsmodusänderung, die für eine neue Charakteristik des Verhältnisses V/f geeignet ist. Daher fehlt es der bekannten Steuereinrichtung an Flexibilität, und sie ist zum Variieren der Charakteristik des Verhältnisses V/f in breitem Umfang nicht geeignet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuereinrichtung für einen PWM-gesteuerten VVVF-Wechselrichter anzugeben, die dazu in der Lage ist, den Impulsmodus selbst dann automatisch zu wechseln, wenn eine andere Charakteristik des Verhältnisses V/f erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
Ein Merkmal der Erfindung liegt in der Tatsache, daß der Impulsmodus beim Betreiben eines PWM-gesteuerten Wechselrichters abhängig von der Ausgangsfrequenz des Wechselrichter und eines Signals gewechselt wird, das von einem Ausgangswechselspannungsfaktor abhängt, der als Verhältnis der vom Wechselrichter zu erzeugenden aktuellen Ausgangswechselspannung zu maximalen Ausgangswechselspannung definiert ist, die bei der aktuellen Gleichspannung erzeugt werden kann.
Bei der Erfindung ist keinerlei Charakteristik für die Änderung eines Impulsmodus erforderlich, wie sie herkömmlicherweise vorab erstellt werden mußte, um eine Anpassung an eine besondere, erforderliche Charakteristik des Verhältnisses V/f Vorzunehmen. Erfindungsgemäß kann durch das Einschließen eines für einen Ausgangswechselspannungsfaktor repräsentativen Signals in die Moduswechselsteuerung ein Impulsmodus automatisch bei geeigneter Ausgangsfrequenz auf einen folgenden Impulsmodus umgeschaltet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine erläuternde Zeichnung für ein Problem mit einer bekannten Steuereinrichtung, in der die Beziehungen einer Ausgangswechselspannung Va und eines Modulationsfaktors γ in bezug auf die Ausgangsfrequenz f dargestellt sind;
Fig. 2 ist ebenfalls eine erläuternde Zeichnung zum Problem mit der bekannten Steuereinrichtung, in der Beispiele von Charakteristiken für Impulsmoduswechsel dargestellt sind;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Steuereinrichtung für einen PWM-gesteuerten VVVF-Wechselrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 3a zeigt schematisch eine Konfiguration eines von einem Wechselrichter betriebenen Asynchronmotorsystems, auf das die Erfindung angewandt ist;
Fig. 4 zeigt die Charakteristik einer Ausgangswechselspannungsfaktor-Berechnungseinheit, wie sie in der Steuereinrichtung von Fig. 3 verwendet wird;
Fig. 5 zeigt eine Charakteristik einer Impulsmodus-Bestimmungseinheit, wie sie in der Steuereinrichtung von Fig. 3 verwendet wird;
Fig. 6 zeigt eine Charakteristik einer Modulationsfaktor-Berechnungseinheit, wie sie in der Steuereinrichtung von Fig. 3 Verwendet wird;
Fig. 7a bis 7e sind erläuternde Zeichnungen, in denen Signalzüge verschiedener Signale und Werte bei der PWM-Steuerung dargestellt sind; und
Fig. 8 ist eine erläuternde Darstellung, in der die Beziehung zwischen dem Modulationsfaktor sowie die Art der tatsächlichen Steuerung des Modulationsfaktors gemäß der Erfindung dargestellt sind.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Vor der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erfolgt eine detailliertere Beschreibung einer Schwierigkeit beim Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und Hier wird ein Beispiel diskutiert, bei dem der Impulsmodus mit zunehmender Ausgangsfrequenz von einem Neun-Impuls-Modus über einen Fünf-Impuls-Modus und dann einen Drei-Impuls-Modus zu einem Ein-Impuls-Modus verändert wird. In Fig. 1 sind die maximalen Modulationsfaktoren γ9(max), γ5(max) und γ3(max) im Neun-, Fünf- und Drei-Impuls-Modus dargestellt. Im Bereich unter der Linie für γ9(max) wird ein Wechselrichter im Neun-Impuls-Modus betrieben. Im Bereich zwischen den Linien für γ9(max) und γ5(max) wird der Wechselrichter im Fünf-Impuls-Modus betrieben, und ähnlich wird er im Bereich zwischen den Linien für γ5(max) und γ3(max) im Drei-Impuls- Modus betrieben. Schließlich wird er im Bereich unter der Linie für γ3(max) im Ein-Impuls-Modus betrieben.
Ferner wird, wenn angenommen wird, daß die Charakteristik für das Verhältnis V/f, wie es bei einer bestimmten Spannung einer Gleichspannungsquelle für einen Wechselrichter erforderlich ist, sich so verhält, wie mit einer ausgezogenen Linie A dargestellt, der Wechselrichter so gesteuert, daß die Ausgangswechselspannung Va desselben mit zunehmender Ausgangsfrequenz f entlang der Linie A erhöht wird. Im Verlauf dieser Steuerung ändert sich der Impulsmodus bei Frequenzen, bei denen sich die Linie A mit den jeweiligen Linien γ9(max), γ5(max) und γ3(max) kreuzt.
Wenn die so bestimmten Frequenzen für die Impulsmodusänderung hinsichtlich der Änderung der Spannung Ed der Gleichspannungsquelle aufgetragen werden, wird eine Modusänderungscharakteristik erhalten, wie sie durch eine Gruppe ausgezogener Linien in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 wird dann, wenn die Spannung Ed der Gleichspannungsquelle z.B. 1500 Volt ist, die Modusänderung bei denjenigen Ausgangsfrequenzen ausgeführt, bei denen eine horizontale Linie, die die Spannung von 1500 Volt anzeigt, die jeweiligen festen Linien überkreuzt.
Wie oben angegeben, mußte bei der bekannten Steuereinrichtung die Modusänderungscharakteristik erstellt werden, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, die vorab auf Grundlage von Beziehungen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, des Modulationsfaktors γ und der Ausgangswechselspannung Va in bezug auf die Ausgangsfrequenz f erhalten werden. Wenn es erforderlich ist, die Charakteristik für das Verhältnis V/f zu ändern, wie dies in Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie B dargestellt ist, muß daher auch die Modusänderungscharakteristik verändert werden, wie dies mit einer Gruppe gestrichelter Linien in Fig. 2 dargestellt ist. Eine derartige Umbequemlichkeit rührt von der Tatsache her, daß die Modusänderung auf Grundlage der Spannung Ed der Gleichspannungsquelle, nicht der Ausgangswechselspannung Va, und der Ausgangsfrequenz f ausgeführt wird.
Nun wird erfindungsgemäß ein Konzept eines Ausgangswechselspannungsfaktors β in die Modusänderungssteuerung eingeführt. Der Ausgangswechselspannungsfaktor β bedeutet das Verhältnis der Ausgangswechselspannung, wie sie von einem Wechselrichter bei einer bestimmten Spannung einer Gleichspannungsquelle erzeugt werden muß, zu einer maximalen Ausgangswechselspannung, die vom Wechselrichter bei der Spannung der Gleichspannungsquelle gewonnen werden kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun der Gesamtaufbau einer Steuereinrichtung für einen Wechselrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ferner zeigt Fig. 3a ein von einem Wechselrichter betriebenes Asynchronmotorsystem, auf das die Erfindung angewandt ist.
Zunächst wird die Anordnung des von einem Wechselrichter betriebenen Asynchronmotorsystems beschrieben. In Fig. 3a wird eine Spannung Ed von einer Gleichspannungsquelle einem VVVF- Wechselrichter INV zugeführt, der durch Torsignale auf PWM- Basis gesteuert wird, und der die Spannung Ed der Gleichspannungsquelle in eine Ausgangswechselspannung Va umwandelt. Die Spannung Ed der Gleichspannungsquelle wird von einem geeigneten Spannungsdetektor erfaßt; ein Ausgangssignal desselben wird als Spannungssignal Ed für die Gleichspannungsquelle an eine Steuereinrichtung gegeben. Die Ausgangswechselspannung Va des Wechselrichters wird für einen Asynchronmotor IM ausgegeben, der so zu steuern ist, daß er ein konstantes Drehmoment erzeugt. Der durch den Asynchronmotor IM fließende Strom wird von einem geeigneten Stromdetektor erfaßt; ein Ausgangssignal desselben wird als Motorstromsignal IM, das dem Ausgangsstrom des Wechselrichters INV entspricht, ebenfalls an die Steuereinrichtung gegeben. Mit dem Asynchronmotor IM ist ein Tachogenerator TG verbunden, der ein Signal n proportional zur Drehzahl des Asynchronmotors IM erzeugt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird ausgeführt, daß das Bezugszeichen 2 eine fr Berechnungseinheit aufweist, in der die Drehfrequenz fr auf Grundlage des Drehzahlsignals n berechnet wird. Ein Bezugszeichen 4 kennzeichnet eine fs-Berechnungseinheit, in der eine Schlupffrequenz fs des Asynchronmotors IM auf Grundlage einer Motorstrombezugsgröße IR und dem Ist-Motorstrom IM berechnet wird. Die so erhaltene Drehfrequenz fr und die Schlupffrequenz fs werden in einem Addierer 6 addiert, wodurch die Frequenz f der an den Asynchronmotor IM gelegten Ausgangswechselspannung Va erhalten wird, die der oben genannten Ausgangsfrequenz entspricht.
Ein Bezugszeichen 8 kennzeichnet eine β-Berechnungseinheit, die sowohl das Ausgangsfrequenzsignal f als auch das erfaßte Gleichspannungssignal ed erhält und den Ausgangswechselspannungsfaktor β erzeugt. Die Charakteristik der β-Berechnungseinheit 8 wird später im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Ein Bezugszeichen 10 kennzeichnet eine Impulsmodus-Bestimmungseinheit, in der der Impulsmodus auf Grundlage des Ausgangswechselspannungsfaktors β und des Ausgangsfrequenzsignals f bestimmt wird, und es wird ein Signal N erzeugt, das den festgelegten Impulsmodus repräsentiert. Die detaillierte Charakteristik auch dieser Einheit wird später unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.
Ein Bezugszeichen 12 kennzeichnet eine n-Berechnungseinheit, in der der Modulationsfaktor γ auf Grundlage sowohl des Ausgangswechselspannungsfaktors β als auch des Impulsmodussignals bestimmt wird. Die Charakteristik der γ-Berechnungseinheit 12 wird später unter Bezugnahme auf Fig. 6 im einzelnen beschrieben. Der berechnete Modulationsfaktor γ wird zusammen mit dem Ausgangsfrequenzsignal f und dem Impulsmodussignal N an eine PWM-Steuereinheit 14 gegeben. Die PWM-Steuereinheit 14 erzeugt Torsignale für den Wechselrichter INV.
Obwohl der allgemeine Betrieb der PWM-Steuereinheit 14 bereits bekannt ist, wird er im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 7a bis 7e kurz erläutert. Die PWM-Steuereinheit 14 erzeugt zunächst sinusförmige Modulationssignale, die den jeweiligen Phasen der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters entsprechen, wie sie in Fig. 7a unter U, V und W dargestellt sind. Die Frequenz und die Amplitude derartiger Modulationssignale werden durch das Ausgangsfrequenzsignal f bzw. den Modulationsfaktor β bestimmt. Ferner wird in der PWM-Steuereinheit 14 ein dreieckförmiges Trägersignal erzeugt, wie es in Fig. 7a unter C dargestellt ist, dessen Frequenz durch das Ausgangsfrequenzsignal f und das Impulsmodussignal N bestimmt wird. Die Amplitude des Trägersignals liegt im allgemeinen fest.
Dann werden die Modulationssignale U, V und W mit dem Trägersignal C verglichen, und die in den Fig. 7b bis 7d dargestellten Torsignale werden abhängig vom Vergleichsergebnis erzeugt. Als Ergebnis, daß der Wechselrichter INV mit den so erzeugten Torsignalen betrieben wird, wird eine Leitungsspannung z.B. zwischen den Phasen U und V erhalten, wie sie in Fig. 7e dargestellt ist, die durch Exklusiv-ODER-Verknüpfung eines Tor-Signalszugs für die Phase U von Fig. 7b mit einem solchen für die Phase V von Fig. 7c erhalten werden kann.
Aus diesen Figuren ist erkennbar, daß drei Impulse innerhalb eines Zyklus der entsprechenden Modulationssignale vorhanden sind, oder drei Leitungsspannungsimpulse innerhalb eines halben Zyklus der Ausgangswechselspannung. Daher wird das hier dargestellte Beispiel als Drei-Impuls-Modus bezeichnet.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 eine Erläuterung für den Betrieb der in Fig. 3 dargestellten Steuereinrichtung gegeben.
Wie bereits beschrieben, wird der Ausgangwechselspannungsfaktor β als Verhältnis einer Ausgangswechselspannung Va, wie sie vom Wechselrichter bei einer bestimmten Spannung Ed der Gleichspannungsquelle erzeugt werden muß, zu einer Maximalausgangswechselspannung repräsentiert, die vom Wechselrichter bei der Spannung Ed der Gleichspannungsquelle erhalten werden kann. Da die maximale Ausgangswechselspannung proportional zur dann vorliegenden Spannung Ed der Gleichspannungsquelle ist, wird der Ausgangswechselspannungsfaktor β durch die folgende Formel repräsentiert:
β = Va/(k&sub1; Ed) (1),
wobei k&sub1; eine Konstante ist.
Da die Ausgangswechselspannung Va so gesteuert wird, daß ihr Verhältnis k&sub2; zur Ausgangsfrequenz f konstant gehalten wird, kann die obige Gleichung (1) ferner wie folgt umgeschrieben werden:
β = (k&sub2; f)/(k&sub1; Ed) = k&sub3; f (1/Ed) (2),
wobei k&sub3; (= k&sub2;/k&sub1;) eine Konstante ist.
In Fig. 4 ist die durch die obige Gleichung (2) repräsentierte Beziehung dargestellt, wobei die Spannung Ed der Gleichspannungsquelle als Parameter verwendet ist. Wie es aus der dargestellten Beziehung erkennbar ist, kann, wenn ein großer Wert β im Fall eines niedrigen Wertes Ed, oder ein kleiner Wert β im Fall eines hohen Wertes Ed ausgewählt wird, das Verhältnis Va/f immer konstant gehalten werden, selbst wenn Ed verändert wird. Die β-Berechnungseinheit 8 ist mit der oben angegeben Beziehung ausgestattet, und sie berechnet den Ausgangswechselspannungsfaktor β auf Grundlage der Spannung Ed der Gleichspannungsquelle und der Ausgangsfrequenz f, welche Werte in sie eingegeben werden. Der so erhaltene Ausgangsspannungsfaktor β wird an die Impulsmodus- Bestimmungseinheit 10 und die γ-Berechnungseinheit 12 ausgegeben.
Übrigens besteht, wie bereits beschrieben, eine minimale Ausschaltzeitspanne für die Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters, was dem Minimalwert Θ in den Fig. 7a bis 7e entspricht. Wenn die nichtleitende Periode der Schaltelemente kleiner als die minimal zulässig Abschaltzeitspanne (min) ist, werden die Schaltelemente zerstört. Daher muß der Maximalwert γ(max) des Modulationsfaktors bei einer jeweiligen Ausgangsfrequenz f auf eine derartige minimale Ausschaltzeitspanne γ(min) begrenzt werden, was durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:
γ(max) = 1 - k&sub4;(N) Θ(min) f (3),
wobei k&sub4;(N) eine abhängig vom Impulsmodus bestimmte Konstante ist.
Ferner besteht die folgende Beziehung zwischen dem Modulationsfaktor γ und dem Ausgangswechselspannungsfaktor β:
γ = k&sub5;(N) β (4),
wobei k&sub5;(N) eine abhängig vom Impulsmodus bestimmte Konstante ist.
Wenn dann die Beziehung zwischen dem Ausgangswechselspannungsfaktor β und der Ausgangsfrequenz f für jeden Impulsmodus abhängig von den Gleichungen (3) und (4) dargestellt wird, wird eine Charakteristik erhalten, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Diese Charakteristik ist in der Impulsmodus-Bestimmungseinheit 10 vorhanden. Daher ist die Bestimmungseinheit 10 dazu in der Lage, den Impulsmodus abhängig von der Charakteristik von Fig. 5 auf Grundlage des Ausgangswechselspannungsfaktors β und der Ausgangsfrequenz f zu bestimmen, die in sie eingegeben werden. Wenn z.B. der von der Berechnungseinheit 8 erhaltene Ausgangswechselspannungsfaktor β 60 % ist und die vom Addierer 6 erhaltene Ausgangsfrequenz f 50 Hz ist, sollte der Wechselrichter im Neun-Impuls-Modus betrieben werden.
Ferner ist zu beachten, daß, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, der Bereich eines jeweiligen Impulsmodus hinsichtlich der Ausgangsfrequenz f beschränkt ist; z.B. liegt der Bereich des Neun-Impuls-Modus unter etwa 55 Hz der Ausgangsfrequenz, während derjenige des Fünf-Impuls-Modus unter 100 Hz liegt. 0bwohl der Bereich des Drei-Impuls-Modus ebenfalls auf unter 170 Hz beschränkt ist, ist er in der Figur nicht dargestellt. Die Frequenz für die oben angegebene Begrenzung wird so bestimmt, daß das Produkt aus einer Anzahl von Impulsen im jeweiligen Impulsmodus und der Ausgangsfrequenz f immer konstant gehalten wird. Das vorstehend genannte Produkt bedeutet die Schaltfrequenz der Schaltelemente des Wechselrichters. Daher dient die Tatsache, daß das Produkt aus der Anzahl von Impulsen und der Ausgangsfrequenz konstant gehalten wird, dazu, die Obergrenze für die Schaltfrequenz der Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters zu bilden, wodurch eine Zunahme von im Wechselrichter auftretenden Schaltenergieverlusten unterdrückt werden kann, die andernfalls ansteigen würden.
Die durch die Gleichung (4) repräsentierte Beziehung ist diejenige, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Die vorstehend genannte Beziehung ist in der γ-Berechnungseinheit 12 abgelegt, der der von der Berechnungseinheit 8 erstellte Ausgangswechselspannungsfaktor β und das von der Bestimmungseinheit 10 erzeugte Impulsmodussignal N zugeführt werden. In der Berechnungseinheit 12 kann daher der Modulationsfaktor γ in Übereinstimmung mit der Beziehung von Fig. 6 auf Grundlage des Wechselspannungsfaktors β und des Impulsmodussignals N bestimmt werden.
Der Modulationsfaktor γ, das Impulsmodussignale N und die auf eine Weise wie oben beschrieben erhaltene Ausgangsfrequenz f werden für die PWM-Steuereinheit 14 erstellt, in der die Gatesignale auf deren Grundlage erzeugt werden, wie bereits beschrieben.
In Fig. 8 ist die Änderung des Modulationsfaktors γ in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz f dargestellt, wenn die erfindungsgemäße Impulsmodussteuerung ausgeführt wird. Wie es aus der Figur erkennbar ist, sind einige diskontinuierliche Punkte bei der Änderung des Modulationsfaktors "vorhanden. Dies, weil es in jedem Impulsmodus einen maximalen Grenzwert γ(max) für den Modulationsfaktor γ gibt, der durch die Gleichung (3) gegeben ist, und weil abhängig vom Impulsmodus unterschiedliche Ausgangswechselspannungsfaktoren γ vorliegen, selbst wenn der Modulationsfaktor γ identisch ist. Daher ist es erforderlich, daß, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, der Modulationsfaktor γ in diskontinuierlicher Weise gesteuert wird, um Kontinuität bei der Änderung des Ausgangswechselspannungsfaktors β zu wahren.
Ferner wird ein Minimalwert für den Modulationsfaktor γ in jedem Impulsmodus, was durch eine gestrichelte Linie in Fig. 8 dargestellt ist, wie folgt bestimmt. Der Minimalwert des Modulationsfaktors γ im Fünf-Impuls-Modus wird z.B. so bestimmt, daß der Ausgangswechselspannungsfaktor β beim minimalen Modulationsfaktor im Fünf-Impuls-Modus mit dem maximalen Modulationsfaktor γ9(max) im Neun-Impuls-Modus übereinstimmt. Auf analoge Weise könne auch minimale Modulationsfaktoren für andere Impulsmodi bestimmt werden.
Bei der bekannten Steuereinrichtung wurden die Bezugsfrequenzen zum Umschalten der Impulsmodi fest ohne Berücksichtigung von Änderungen der Charakteristik des Verhältnisses V/f erstellt, wobei sie jedoch in bezug auf Änderungen der Spannung der Gleichspannungsquelle einstellbar sind. Bei der Erfindung wird eine Änderung der Charakteristik des Verhältnisses V/f dadurch bewältigt, daß der Ausgangswechselspannungsfaktor β verwendet wird, der unter Berücksichtigung der Änderung der Spannung der Gleichspannungsquelle bestimmt wird. Demgemäß können Bezugsfreguenzen, bei denen ein Impulsmodus beim Betrieb des PWM-gesteuerten Wechselrichters geändert wird, geeignet verändert werden, wobei nicht nur die Änderung der Spannung der Gleichspannungsquelle berücksichtigt wird, sondern auch die Änderung der Charakteristik des Verhältnisses V/f.
Im Vorstehenden sollte beachtet werden, daß, obwohl das Ausführungsbeispiel der Erfindung als Einrichtung beschrieben wurde, die durch diskrete Funktionsgruppen zum Ausführen jeweiliger Funktionen aufgebaut ist, die Erfindung auch durch einen Mikrocomputer realisiert werden kann, wie er für Steuerungen dieser Art Verwendet wird, der gemäß der Architektur programmiert wird, wie sie dem vorstehend vollständig offenbarten Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. Für einen Fachmann ist es auch offensichtlich, einen Mikrocomputer auf derartige Weise unter Bezugnahme auf die oben angegebene Offenbarung des Ausführungsbeispiels zu programmieren.
Obwohl hier nur eine Form einer Steuereinrichtung als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, ist zu beachten, daß verschiedene Änderungen und Modifizierungen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden können.

Claims

1. Steuereinrichtung für einen Wechselrichter (INV), der mit einer Gleichspannung (Ed) gespeist wird und einen Asynchronmotor (IM) mit einer Ausgangswechselspannung (Va) veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz abhängig von einer PWM(pulse width modulation = Pulsbreitenmodulation)-Steuerung versorgt, mit:

- einer Erfassungseinrichtung (2, 4, 6) zum Erfassen der Frequenz (f) (Ausgangsfrequenz) der Ausgangswechselspannung (Va) des Wechselrichters;

- einer Berechnungseinrichtung (8, 10, 12) zum Bestimmen, abhängig von der Ausgangsfrequenz (f) und der Ist-Gleichspannung (Ed), eines Impulsmodus (N) für den Betrieb des Wechselrichters, in welchem Modus eine spezielle Anzahl von Spannungsimpulsen innerhalb eines Zyklus der Ausgangswechselspannung (Va) beibehalten wird, und zum Erzeugen eines Modulationsfaktors (w) zum Steuern der Ausgangswechselspannung (Va); und

- einer PWM-Steuereinrichtung (14) zum Erzeugen von Torsignalen für den Wechselrichter auf Grundlage des Modulationsfaktors (γ) und der Ausgangsfrequenz (f) abhängig vom Impulsmodus (N);

dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinrichtung folgendes aufweist:

- eine Ausgangswechselspannungsfaktor-Berechnungseinheit (8), um auf Grundlage der Ausgangsfreguenz (f) und der Gleichspannung (Ed) einen Ausgangswechselspannungsfaktor (β) zu berechnen, der das Verhältnis der Ist-Ausgangswechselspannung (Va), wie sie vom Wechselrichter (INV) zu erzeugen ist, zum Maximalwert der Ausgangswechselspannung (Va) ist, wie sie vom Wechselrichter (INV) bei der Ist-Gleichspannung (Ed) erzeugt werden kann;

- eine Impulsmodus-Bestimmungseinheit (10) zum Bestimmen des Impulsmodus (N) auf Grundlage der Ausgangsfrequenz (f) und des Ausgangswechselspannungsfaktors (β); und

- eine Modalationsfaktor-Berechnungseinheit (12) zum Erstellen des Modulationsfaktors (γ) auf Grundlage des Ausgangswechselspannungsfaktors (β) und des Impulsmodus (N).

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Betriebsbereich des Wechselrichters (INV) in jedem Impulsmodus auf solche Weise begrenzt wird, daß das Produkt aus der Anzahl von Spannungsimpulsen in einem jeweiligen Impulsmodus (N) und der Ausgangsfrequenz (f) im wesentlichen einem Wert gleich ist, wie er durch die Begrenzung der Schaltfrequenz des Wechselrichters (INV) bestimmt ist.