DE3885737T2 - Verfahren zur mehrstufigen Impulsbreitenmodulation und Modulator dazu. - Google Patents

Verfahren zur mehrstufigen Impulsbreitenmodulation und Modulator dazu.

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DE3885737T2
DE3885737T2 DE88200623T DE3885737T DE3885737T2 DE 3885737 T2 DE3885737 T2 DE 3885737T2 DE 88200623 T DE88200623 T DE 88200623T DE 3885737 T DE3885737 T DE 3885737T DE 3885737 T2 DE3885737 T2 DE 3885737T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Impulsbreitenmodulation, das ermöglicht, ein moduliertes Signal mit mehreren Niveaus zu erzeugen, das insbesondere in vorteilhafter Weise für die Steuerung von Spannungswechselrichtern bei Hochspannungsanwendungen verwendet werden kann.
  • Die Impulsbreitenmodulation ermöglicht, periodische Wellenformen zu erzeugen, die aus Impulsen bestehen, deren Breite in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern veränderlich ist. Bei dem am weitesten verbreiteten Impulsbreitenmodulationsverfahren wird eine (im allgemeinen sinusförmige) modulierende Welle mit einer Trägerwelle von höherer Frequenz als die modulierende Welle verglichen, und das diskrete, kontinuierliche Niveau bestimmt, das die Spannungswelle in jedem Augenblick annehmen soll. Dieses Verfahren wird manchmal bipolare Modulation genannt. In der Praxis wird das Niveau der Spannungswelle in jedem Augenblick der Überschneidung der modulierenden Welle mit der Trägerwelle zwischen einem oberen Niveau und einem unteren Niveau, oder umgekehrt, umgeschaltet. Dieses Phänomen der raschen und wiederholten Umschaltung in schnellem Takt bewirkt, daß in der Ausgangsspannung Harmonische auftreten.
  • Ein Verfahren zur Impulsbreitenmodulation mit zwei Niveaus ist veranschaulicht in dem Artikel von M. VARNOVITSKY mit dem Titel "Development und comparative analysis of a pulse-width modulation strategy", veröffentlicht in IEEE Transaction on Industrial Electronics, Band IE-31, Nr. 3, August 1984, Seite 272-276.
  • Es ist nicht auf die Multiniveau-Technologie anwendbar. Eine typische Anwendung der Impulsbreitenmodulation ist ihre Verwendung bei den Nodulatoren, die die Spannungswechselrichter steuern, die für die Steuerung von synchronen oder asynchronen Maschinen, insbesondere beim Eisenbahnantrieb, mit variabler Geschwindigkeit bestimmt sind.
  • Das Ziel ist in diesem Fall, dem Motor ein in der Frequenz und in der Amplitude veränderliches, dreiphasiges Spannungssystem zu liefern, das dem ausgeglichenen, sinusförmigen dreiphasigen System möglichst nahe kommt. Die Spannungswechselrichter sind gut bekannte Einrichtungen, bei denen im allgemeinen Thyristorschaltungen verwendet werden.
  • Gegenwärtig neigt man immer mehr dazu, Thyristoren vom Typ GTO anstelle des herkömmlichen Thyristors zu verwenden, der ziemlich umfangreiche Löschschaltungen erfordert. In dem gegenwärtigen Stand der Technologie weisen die GTO-Thyristoren jedoch kaum eine genügende Spannungsfestigkeit für die Hochspannungsanwendungen auf, wie dies beispielsweise beim Eisenbahnantrieb der Fall ist, wo Spannungen von 3 kV üblich sind. Daher ist es bei den für Hochspannung verwendeten Wechselrichterschaltungen wichtig, darauf zu achten, daß ein GTO-Thyristor nie ein zu hohes Spannungsniveau aushalten muß, und folglich wird man mit dem Problem der Serienschaltung von GTO- Thyristoren konfrontiert, bei denen die Synchronisation der Unterbrechungen schwierig zu verwirklichen ist.
  • Das zu lösende Problem besteht also darin, einen Modulator zu verwirklichen, der zur Steuerung eines Spannungswechselrichters geeignet ist, bei dem GTO- Thyristoren als Umschaltelemente für Hochspannungsanwendungen verwendet werden, und der zugleich zur Erzeugung der Spannungswellen-Formen geeignet ist, die einen möglichst geringen harmonischen Anteil haben, da von dem harmonischen Anteil die Stromspitzen und die Verluste in dem Motor abhängen, der die gesteuerte Last darstellt.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein neues Impulsbreitenmodulationsverfahren gelöst, bei dem eine Welle erzeugt wird, deren Amplitude zwischen einem unteren Niveau und einem oberen Niveau variiert, und bei dem jeder Übergang zwischen einem diskreten, kontinuierlichen, unteren Niveau, und einem diskreten, kontinuierlichen, oberen Niveau, oder umgekehrt, mittels mindestens zwei aufeinanderfolgenden Umschaltungen in der gleichen Richtung verwirklicht wird, wobei die erste Umschaltung zwischen einem diskreten, kontinuierlichen, ersten Grenzniveau und einem diskreten, kontinuierlichen Zwischenniveau, und die zweite Umschaltung zwischen diesem diskreten Zwiscbenniveau und dem diskreten, kontinuierlichen, zweiten Grenzniveau erfolgt. Dieses Verfahren ist sowohl bei einer erzeugten Modulation, als auch bei einer berechneten Modulation anwendbar.
  • In dem Fall einer erzeugten Modulation ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß zwei verschiedene modulierende Wellen mit einer Trägerwelle verglichen werden, und daß die modulierte Welle das diskrete, kontinuierliche, untere Niveau annimt, wenn die obere modulierende Welle unter der Trägerwelle liegt, daß die modulierte Welle das diskrete, kontinuierliche Zwischenniveau annimt, wenn die Trägerwelle zwischen den zwei modulierenden Wellen liegt, und daß die modulierte Welle das diskrete, kontinuierliche, obere Niveau annimt, wenn die untere modulierende Welle über der Trägerwelle liegt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen neuen Multiniveau-Modulator zur Steuerung eines Spannungswechselrichters bei Hochspannungsanwendungen Gemäß der Erfindung ist ein Multiniveau-Modulator gekennzeichnet durch einen Funktionsgenerator, der so ausgelegt ist, daß er ein Signal erzeugt, das den Abstand zwischen einem unteren und einem oberen Grenzniveau repräsentiert, einen Trägerwellengenerator, der so ausgelegt ist, daß er eine Trägerwelle mit vorgegebener Frequenz erzeugt, zwei Generatoren für eine modulierende Welle, die so ausgelegt sind, daß sie zwei verschiedene modulierende Wellen erzeugen, die eine vorgegebene Frequenz und eine vorgegebene Spitzenamplitude haben, wobei diese Generatoren für eine modulierende Welle auf das Abstandssignal ansprechen, und einen Komparator, der so ausgelegt ist, daß er die Amplituden der modulierenden Wellen mit der Amplitude der Trägerwelle vergleicht, und jedesmal, wenn die obere modulierende Welle unter der Trägerwelle liegt, ein Signal erzeugt, das das diskrete, kontinuierliche, untere Niveau aufweist, jedesmal, wenn die Trägerwelle zwischen den zwei modulierenden Wellen liegt, ein Signal erzeugt, das das diskrete, kontinuierliche Zwischenniveau aufweist, und jedesmal, wenn die untere modulierende Welle über der Trägerwelle liegt, ein Signal erzeugt, das das diskrete, kontinuierliche, obere Niveau aufweist.
  • Die Erfindung wird nachstehend ausführlich beschrieben mit Hilfe der im Anhang beigefügten Zeichnungen, die Folgendes darstellen:
  • - Die Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Impulsbreitenmodulators, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird.
  • - Die Figur 2 ist ein Schaltbild eines typischen Spannungswechselrichters, der in vorteilhafter Weise durch einen erfindungsgemäßen Impulsbreitenmodulator gesteuert werden kann.
  • - Die Figur 3 ist ein Diagramm, das typische Wellenformen, die bei dem erfindungsgemßen Modulator verwendet werden, und die gemäß der Erfindung erzeugte Wellenform veranschaulicht.
  • - Die Figur 4 ist ein Diagramm, das ein typisches Spektrum der Spannung zwischen den Phasen bei einem erfindungsgemäßen Modulator wiedergibt.
  • - Die Figur 5 ist ein Diagramm, das typische Wellenformen bei einem früheren Modulationsverfahren (unipolare Modulation) veranschaulicht.
  • - Die Figur 6 ist ein Diagramm, das ein typisches Spektrum der Spannung zwischen den Phasen bei einem unipolaren Modulator gemäß dem früheren Modulationsverfahren wiedergibt.
  • - Die Figur 7 gibt Kurven wieder, die die Leistungsfähigkeit eines erfindungsgemäßen Modulators veranschaulichen.
  • - Die Figur 8 gibt Kurven wieder, die die Leistungsfähigkeit eines unipolaren Modulators gemäß dem früheren Modulationsverfahren veranschaulichen.
  • Die Figur 9 ist ein Diagramm, das Kurven des Verlustfaktors in Abhängigkeit von dem Modulationsgrad für verschiedene Modulationsarten wiedergibt.
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Modulationsverfahren als Beispiel für den Fall einer erzeugten Modulation beschrieben. In der Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Impulsbreitenmodulators wiedergegeben Dieser erfindungsgemäße Modulator ist so ausgelegt, daß er ein moduliertes Signal erzeugt, das beispielsweise drei verschiedene, diskrete, kontinuierliche Niveaus aufweist, die mit V1, V2 und V3 bezeichnet werden. Zwei Generatoren für eine modulierende Welle 11 und 12 erzeugen zwei modulierende Wellen, zum Beispiel sinusförmige Wellen mit vorgegebener Frequenz und vorgegebener Spitzenamplitude. Gemäß der Erfindung erzeugen die Generatoren 11 und 12 die modulierenden Wellen in Abhängigkeit von einem Parameter H, dessen Rolle weiter unten erklärt wird. Ein Trägerwellengenerator 13 erzeugt eine Trägerwelle, zum Beispiel eine dreieckige Welle, die eine vorgegebene Frequenz hat. Der Parameter H ist ein Signal, das von einem Funktionsgenerator 14 erzeugt wird, der das Signal H in Abhängigkeit von dem gewählten Modulationsgrad k erzeugt, wie man weiter unten sehen wird. Der Modulationsgrad k ist das Verhältnis der Amplitude der modulierenden Welle zu der Amplitude der Trägerwelle. Die Ausgangssignale der Generatoren 11, 12 und 13 werden auf Eingänge eines Komparators 15 gegeben, der so ausgelegt ist, daß er die augenblicklichen Niveaus der modulierenden Wellen mit der Trägerwelle vergleicht, und in jedem Augenblick dasjenige der drei diskreten, kontinuierlichen Signale V1, V2 oder V3 bestimmt, das die Ausgangsspannungswelle entsprechend den relativen Amplituden der Eingangssignale annehmen soll.
  • Der Komparator 15 ist so ausgelegt, daß er eine Spannungswelle erzeugt, bei der jeder Übergang zwischen dem diskreten, kontinuierlichen, unteren Spannungsniveau und dem diskreten, kontinuierlichen, oberen Spannungsniveau, oder umgekehrt, mittels mindestens zwei aufeinanderfolgenden Umschaltungen in der gleichen Richtung verwirklicht wird, wobei die erste Umschaltung zwischen einem diskreten, kontinuierlichen, ersten Grenzniveau (zum Beispiel V1) und einem diskreten, kontinuierlichen Zwischenniveau (zum Beispiel V2) erfolgt, und die zweite Umschaltung zwischen diesem diskreten Zwischenniveau und einem diskreten, kontinuierlichen, zweiten Grenzniveau (zum Beispiel V3) erfolgt.
  • Das gemäß der Erfindung verwendete Verfahren ist in der Figur 3 veranschaulicht, in der zwei typische modulierende Wellen 21 und 22, und eine Trägerwelle 23 von gleichschenkliger, dreieckiger Form, sowie drei vorgegebene Niveaus V1, V2 und V3 wiedergegeben sind. Die gemäß der Erfindung erzeugte modulierte Welle wird durch die Wellenform 24 repräsentiert.
  • Die Schnittpunkte der oberen modulierenden Welle 21 mit der Trägerwelle 23 bestimmen bei der Wellenform 24 die Umschaltungen zwischen dem kontinuierlichen Zwischenniveau V2 und dem kontinuierlichen unteren Niveau V1.
  • Wenn die obere modulierende Welle 21 über der Trägerwelle liegt, nimmt die Wellenform 24 das kontinuierliche Zwischenniveau V2 an. Wenn die obere modulierende Welle 21 unter der Trägerwelle liegt, nimmt die Wellenform 24 das kontinuierliche untere Niveau V1 an.
  • Die Schnittpunkte der unteren modulierenden Welle 22 mit der Trägerwelle bestimmen bei der Wellenform 24 die Umschaltungen zwischen dem kontinuierlichen Zwischenniveau V2 und dem kontinuierlichen oberen Niveau V3. Wenn die untere modulierende Welle 22 unter der Trägerwelle liegt, nimmt die Wellenform 24 das kontinuierliche Zwischenniveau V2 an. Wenn die untere modulierende Welle 22 über der Trägerwelle liegt, nimmt die Wellenform 24 das kontinuierliche obere Niveau V3 an.
  • Die herkömmlichen Parameter einer erzeugten Modulation sind, wie gut bekannt ist, der Modulationsgrad k, das heißt, das Verhältnis der Amplitude der modulierenden Welle zu der Amplitude der Trägerwelle, und das Modulationsverhältnis M, das heißt, das Verhältnis der Frequenz der Trägerwelle zu der Frequenz der modulierenden Welle. Zu diesen herkömmlichen Parametern k und M kommt hier gemäß der Erfindung ein weiterer Parameter hinzu: der Abstand H zwischen den zwei Grenzschwellen V1 und V3, zwischen denen die modulierenden Wellen 21 und 22 verlaufen können. Der Funktionsgenerator 14 der Figur 1 ist nun gerade vorgesehen, um ein Signal zu erzeugen, das den Parameter H in Abhängigkeit von dem gewählten Modulationsgrad k repräsentiert.
  • Infolge der Umschaltung zwischen drei diskreten Spannungsniveaus ermöglicht das erfindungsgemäße Modulationsverfahren, Modulatoren zu verwirklichen, die in der Lage sind, einen Spannungswechselrichter, bei dem GTO-Thyristoren verwendet werden, bei Hochspannungsanwendungen zu steuern. In der Figur 2 ist ein Schaltbild eines Wechselrichters wiedergegeben, der durch einen erfindungsgemäßen Modulator in vorteilhafter Weise gesteuert werden kann. Es handelt sich um einen Modulator für eine dreiphasige Spannung. Die drei diskreten Spannungsniveaus, von denen im Vorstehenden die Rede war, werden auf die mit V1, V2 und V3 bezeichneten Klemmen gegeben. Wenn man beispielsweise den ersten Zweig aus vier in Serie liegenden Umschaltelementen betrachtet, stellt man fest, daß dann, wenn T1 und T2 leitend sind, die Last an die Spannung V3 angeschlossen ist, wenn T2 und T3 leitend sind, die Last an die Zwischenspannung V2 angeschlossen ist, und wenn T3 und T4 leitend sind, die Last an die Spannung V1 angeschlossen ist. Es sind also immer zwei in Serie liegende Umschaltelemente vorhanden, und die Spannungsfestigkeit dieser Elemente stellt kein Problem dar. Die gleiche Feststellung gilt für die anderen Zweige des Wechselrichters. Die Umschaltelemente können also aus Thyristoren vom GTO-Typ bestehen.
  • Andererseits zeigt eine Fourier-Doppelreihen-Entwicklung, daß bei dem Ausdruck für die Spannung die Glieder, die die Harmonischen der modulierten Wellenform repräsentieren, alle einen Multipilikationsfaktor mit der Form Cosinus A enthalten, mit
  • A = p π/2 (H-k)
  • Dabei sind:
  • p = Indexziffer des Bandes, in dem sich die betrachtete Harmonische befindet,
  • k = Modulationsgrad,
  • H = Modulationshöhe gemäß der Erfindung, das heißt, Abstand zwischen der oberen und der unteren Schwelle.
  • Besonders interessant ist, daß der Faktor Cosinus A vorhanden ist, da sich daraus ergibt, daß die Stärke der Harmonischen kontrolliert und beherrscht werden kann, wenn der Parameter H in Abhängigkeit von k eingestellt wird.
  • Da der Faktor Cosinus A vorhanden ist, haben die Harmonischen in der Tat zwangsläufig kleinere oder unveränderte Amplituden, wobei diese Beherrschung sogar so weit gehen kann, daß alle Harmonischen in einem bestimmten Band, beispielsweise dem band p=2, das sich in der Praxis im allgemeinen als sehr hinderlich erweist, unterdrückt werden. Die Figur 4 veranschaulicht ein typisches Spektrum der Ausgangsspannung zwischen den Phasen, das mit k=0,3 und H=0,8 erzeugt wurde. Auf der Abszisse ist die Frequenz aufgetragen. Die auf der Ordinate wiedergegebene Spannung zwischen den Phasen ist als Prozentsatz der maximalen Amplitude (k=1) ausgedrückt.
  • Es ist ersichtlich, daß die Wirkung des Faktors Cosinus A für das erste Band von Hamonischen (p=1) nicht sehr ausgeprägt ist, aber daß sein Einfluß in dem Maße zunimmt, wie der Parameter k abnimmt. Dies ist besonders günstig in den Fällen einer Modulation mit schwachen Grundwellen.
  • Bei den folgenden Bändern von Harmonischen stellt man fest, daß der Faktor Cosinus A sehr oft zum Verschwinden gebracht werden kann, wenn der Parameter H in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem Modulationsgrad k angepaßt wird. Insbesondere hat es sich als möglich erwiesen, in der Praxis die Harmonischen des Bandes p=2 für Modulationsgrade k von weniger als 0,5 zu unterdrücken. Dieses Band ist bei den bekannten dreiphasigen Modulatoren mit einzelner Trägerwelle oft ausgeprägt und hinderlich.
  • Zusammenfassend läßt sich sagen, daß das erfindungsgemäße Multiniveau-Modulationsverfahren ermöglicht, den harmonischen Anteil der modulierten Welle in vorteilhafter Weise zu vermindern, was sich auf die Leistungsfähigkeit einer Maschine, die durch einen Spannungswechselrichter versorgt wird, der durch einen erfindungsgemäßen Multiniveau-Wechselrichter gesteuert wird, sehr günstig auswirkt, wie weiter unten gezeigt wird.
  • Es ist interessant, die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Leistungsfähigkeit eines bekannten Modulationsverfahrens, bei dem ebenfalls eine Spannung mit drei Niveaus erzeugt wird, zu vergleichen. Es handelt sich um ein Modulationsverfahren, bei dem bei einer Halbwelle der Grundwelle das Niveau der Spannung immer zwischen dem Zwi schenniveau und demselben extremen Niveau, das heißt dem unteren Niveau bei einer Halbwelle, und dem oberen Niveau bei der anderen Halbwelle, umgeschaltet wird. Diese Modulationsart wird im Folgenden unipolare Modulation genannt. Die Figur 5 veranschaulicht eine typische modulierende Welle 31, eine typische Trägerwelle 32, und die gemäß dem unipolaren Modulationsverfahren erzeugte modulierte Welle 33. Ein typisches Spektrum der Spannung zwischen den Phasen am Ausgang eines bekannten unipolaren Modulators ist in der Figur 6 wiedergegeben. Auf der Abszisse ist die Frequenz aufgetragen, und auf der Ordinate ist die Spannung als Prozentsatz der maximalen Amplitude (k=1) wiedergegeben. Dieses Diagramm muß mit demjenigen der Figur 4 verglichen werden, das ein typisches Spektrum der Spannung zwischen den Phasen am Ausgang eines erfindungsgemäßen Modulators wiedergibt. Aus der Figur 6 ist ersichtlich, daß die Harmonischen in dem ersten Band (p=1) stärker sind als in der Figur 4, und vor allem, daß die Harmonischen des zweiten Bandes (p=2) ebenfalls stark sind, während die Harmonischen dieses Bandes gemäß der Erfindung (Figur 4) unterdrückt sind. Andererseits ist die unipolare Modulation bei ihrer Anwendung beschränkt durch durch den technologischen Zwang der minimalen Leitungszeit, der von den GTO-Thyristoren, die die Umschaltungen in dem Wechselrichter ausführen, auferlegt wird. Dieser Zwang ist bei den niedrigen Werten des Modulationsgrades k für hohe Modulationsverhältnisse M, das heißt, in dem herkömmlichen Arbeitsbereich der erzeugten Modulation, sehr restriktiv.
  • Das neue Modulationsverfahren weist diesen Nachteil nicht auf. Die Breite der Rechteckimpulse der Spannungswelle nähert sich der minimalen Leitungszeit bei den extremen Niveaus (V1 und V3) nur für die sehr nahe bei Eins liegenden Werte von H, die in dem oben erwähnten Arbeitsbereich nicht erforderlich sind. Andererseits begrenzen zwei aufeinanderfolgende Umschaltungen, die eine Leitungsperiode im Bereich der Zwischenspannung einschließen, nicht eine minimale Leitungszeit, wobei jede dieser Umschaltungen einen verschiedenen GTO-Thyristor erfordert (siehe Figur 2).
  • Die Ausgänge des Komparators 15 der Figur 1 können so angeschlossen werden, daß sie einen Spannungswechselrichter steuern, wobei auf diesen beispielsweise die Spannungen 0, 1500 V und 3000 V gegeben werden, die für die Steuerung eines beim Eisenbahnantrieb verwendeten Asynchronmotors mit variabler Geschwindigkeit bestimmt sind. Bei dieser speziellen Anwendung hat die Verminderung des harmonischen Anteils, der sich unmittelbar aus dem erfindungsgemäßen Multiniveau-Modulationsverfahren ergibt, die günstige und vorteilhafte Folge, daß die Leistungsfähigkeit des Motors wesentlich verbessert wird.
  • Computersimulationen der Funktionsweise einer asynchronen Maschine wurden für den Fall einer Versorgung mit dreiphasiger Spannung, die von einem durch einen erfindungsgemäßen Modulator, und durch einen unipolaren Nodulator gemäß dem Stand der Technik gesteuerten Spannungswechselrichter geliefert wurde, für einen Modulationsgrad von k=0,3 durchgeführt. Die mit dem erfindungsgemäßen Modulator erhaltene Leistungsfähigkeit ist in den Diagrammen der Figur 7 veranschaulicht, und die mit dem bisherigen Modulator erhaltene Leistungsfähigkeit ist in den Diagrammen der Figur 8 veranschaulicht. Diese Figuren zeigen die modulierte Spannungswelle (Diagramm A), die Kurve des Statorstroms (Diagramm B), die Kurve des Drehmoments (Diagramm C), und die Spannung des Mittelpunkts (Diagramm D) in Abhängigkeit von der Zeit.
  • Wenn man die Figuren 7 und 8 vergleicht, stellt man fest, daß in der Figur 8 die Stromwelle (Diagramm B) von einer relativ starken Schwingung überlagert ist, während in der Figur 7 (gemäß der Erfindung gesteuerter Wechselrichter) die der Stromwelle überlagerte Schwingung sehr schwach ist. Der Vergleich der Kurven des Drehmoments (Diagramme C) und der Spannung des Mittelpunkts (Diagramme D) ist ebenfalls bedeutsam und günstig für den erfindungsgemäßen Modulator. Die in den Figuren 7 und 8 veranschaulichten Beispiele beziehen sich auf die gleiche Leitungszeit.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich ebenfalls sehr günstig, wenn man den Verlustfaktor in der Maschine betrachtet. Der Verlustfaktor ist definiert als das Quadrat der Summe der entsprechend ihrer Ordnungszahl gewichteten Harmonischen. Die Figur 9 zeigt Kurven des Verlustfaktors Sigma als Funktion des Modulationsgrads k für verschiedene Modulationsarten. Die Kurve A entspricht der Erfindung bei einem Modulationsverhältnis von M=27; die Kurve B entspricht einer bipolaren Modulation bei einem Modulationsverhältnis von M=27; die Kurven C und D entsprechen einer unipolaren Modulation bei Modulationsverhältnissen von M=26 und M=52. Bei dem letzteren Beispiel ist die Beschränkung der minimalen Leitungszeit nicht berücksichtigt, und das Modulationsverhältnis ist verdoppelt, um hinsichtlich der Anzahl der in einer Periode der modulierenden Welle ausgeführten Umschaltungen eine Aquivalenz zwischen den zwei verglichenen Modulationen zu erhalten.
  • Wie dem auch sei, aus der Figur 9 ist ersichtlich, daß die Kurven B, sowie C und D für die bipolare bzw. unipolare Modulation für einen Modulationsgrad von weniger als k=0,6, das heißt für den im allgemeinen für die erzeugten Modulationen verwendeten Modulationsgrad- Bereich, wesentlich weniger günstig als die erfindungsgemäße Kurve A sind, selbst bei Modulatoren mit Mikroprozessor.

Claims (6)

1. Impulsbreitenmodulationsverfahren, mit dem eine Welle erzeugt werden kann, deren Amplitude zwischen einem unteren und einem oberen Niveau variiert, und das für einen durch einen Multiniveau-Modulator gesteuerten Spannungswechselrichter bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Übergang der Welle (24) zwischen dem unteren diskreten, kontinuierlichen Niveau (V1) und dem oberen diskreten, kontinuierlichen Niveau (V3) mittels mindestens zwei aufeinanderfolgenden Umschaltungen in der gleichen Richtung verwirklicht wird, wobei die erste Umschaltung zwischen einem extremen diskreten, kontinuierlichen, ersten Niveau (zum Beispiel dem unteren Niveau V1) und einem mittleren diskreten, kontinuierlichen Niveau (zum Beispiel dem mittleren Niveau V2) erfolgt, und die zweite Umschaltung zwischen einem mittleren diskreten, kontinuierlichen Niveau (zum Beispiel dem mittleren Niveau V2) und einem extremen diskreten, kontinuierlichen Niveau (zum Beispiel dem oberen Niveau V3) erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerwelle (23) mit mindestens zwei modulierenden Wellen (zum Beispiel den modulierenden Wellen 21, 22) verglichen wird, und daß die erzeugte Welle (24) jedesmal, wenn die obere modulierende Welle (21) unter der Trägerwelle (23) liegt, das untere diskrete, kontinuierliche Niveau (V1) annimmt, daß die erzeugte Welle (24) jedesmal, wenn die Trägerwelle (23) zwischen den zwei modulierenden Wellen (21 und 22) liegt, das mittlere di skrete, kontinuierliche Niveau (V2) annimmt, und daß die erzeugte Welle (24) jedesmal, wenn die untere modulierende Welle (22) über der Trägerwelle (23) liegt, das obere diskrete, kontinuierliche Niveau (V3) annimmt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierenden Wellen (21, 22) in Abhängigkeit von einem Signal erzeugt werden, das den Abstand (H) zwischen den zwei extremen Niveaus (V1, V3) repräsentiert.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandssignal (H) in Abhängigkeit von dem Modulationsgrad (k) erzeugt wird.
5. Multiniveau-Nodulator zur Erzeugung eines Signals, das Impulse von variabler Breite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist: einen Funktionsgenerator (14), der so ausgelegt ist, daß er ein Signal erzeugt, das den Abstand (H) zwischen einem unteren Grenzniveau (V1) und einem oberen Grenzniveau (V3) repräsentiert, einen Trägerwellengenerator (13), der so ausgelegt ist, daß er eine Trägerwelle (23) von vorgegebener Frequenz erzeugt, zwei Wellengeneratoren (11, 12), die so ausgelegt sind, daß sie zwei getrennte modulierende Wellen (21, 22) erzeugen, die eine vorgegebene Frequenz und eine vorgegebene Spitzenamplitude haben, wobei diese Generatoren (11, 12) auf das Abstandssignal (H) ansprechen, und einen Komparator (15), der so ausgelegt ist, daß er die Amplituden der modulierenden Wellen (21, 22) mit der Trägerwelle (23) vergleicht, und jedesmal, wenn die obere modulierende Welle (21) unter der Trägerwelle (23) liegt, ein Signal (24) erzeugt, das das untere diskrete, kontinuierliche Niveau (V1) bat, und jedesmal, wenn die Trägerwelle (23) zwischen den zwei modulierenden Wellen (21 und 22) liegt, ein Signal (24) erzeugt, das das mittlere diskrete, kontinuierliche Niveau (V2) hat, und jedesmal, wenn die untere modulierende Welle (22) über der Trägerwelle (23) liegt, ein Signal (24) erzeugt, das das obere diskrete, kontinuierliche Niveau (V3) bat.
6. Modulator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (24) so ausgelegt ist, daß er ein Abstandssignal (H) in Abhängigkeit von einem Signal erzeugt, das den Modulationsgrad (k) repräsentiert.
DE88200623T 1988-04-05 1988-04-05 Verfahren zur mehrstufigen Impulsbreitenmodulation und Modulator dazu. Expired - Lifetime DE3885737T2 (de)

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