DE4020490C2 - PWM-Parallel-Wechselrichter-Anordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PWM-Parallel-Wechselrichter-Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, also eine Einrichtung mit vielen parallelen Wechselrichtern, im folgenden als Wandler bezeichnet. Die Erfindung ist auch auf eine Motor-Antriebseinrichtung anwendbar. Eine solche Anordnung ist aus JP-A-60-98875 bekannt.

Wenn es gewünscht ist, die Drehzahl eines Wechselstrommotors zu steuern, wird oft eine Wandlereinrichtung für die Impulsbreitenmodulation verwendet. Die Wandlereinrichtung für die Impulsbreitenmodulation hat jedoch das Problem, daß, weil die Ausgangsspannung zwei Pegel (im Positiven und im Negativen) aufweist, viele harmonische Komponenten in ihr enthalten sind.

Zum Zweck, das obige Problem zu vermeiden, wurden Einrichtungen vorgeschlagen, um mehrere Wandler so zu verbinden, daß harmonische Komponenten in der Ausgangsspannung unterdrückt werden. Beispielsweise ist eine solche herkömmliche Einrichtung zum Unterdrücken harmonischer Komponenten in der genannten JP-A-60-98875 offenbart, in welcher mehrere Spannungsquellen-Impulsbreiten- Modulationswandler parallel zueinander über eine Vielzahl paralleler Drosselspulen so verbunden sind, daß die Phase eines Trägersignals zum Steuern der jeweiligen Wandler aufeinanderfolgend um 360°C/n verschoben wird (n: Anzahl der Wandler), um hierdurch die harmonischen Seitenbandkomponenten des Trägersignals zu verringern.

In der JP-A-64-47277 ist auch eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der ein Modulationssignal mit zwei Ausgangspegeln im Positiven und Negativen hinsichtlich eines Bezugspotentials erzeugt wird, ein erstes und zweites Trägersignal, die jeweils positive und negative Amplituden hinsichtlich des Bezugspotentials aufweisen, erzeugt werden und das erste und zweite Trägersignal mit dem Modulationssignal so verglichen werden, daß mehrere Schalterelemente, die in Reihe miteinander verbunden sind, übereinstimmend mit dem Vergleichsergebnis geschaltet werden, um hierdurch harmonische Komponenten zu entfernen.

Die obigen Einrichtungen aus dem Stand der Technik können die harmonischen Komponenten jeweiliger Phasenspannungen unterdrücken, aber es wurde noch nicht eine Einrichtung mit vielen parallelen Wandlern vorgeschlagen, bei welcher eine Vielzahl von Einheitswandlern, die jeweils aus vielen Schalterelementen aufgebaut sind, mittels Drosseln parallel geschaltet sind, um die harmonischen Komponenten von verketteten Spannungen der Einrichtung zu verringern und bei der auch kein Kreisstrom durch die parallelen Drosseln fließt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit parallelen PWM-Wechselrichtern vorzusehen, bei der ein Kreisstrom durch Drosseln, mit denen die Wechselrichter verbunden sind, unterdrückt ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der Anordnung nach Anspruch 1. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Trägersignal so festgesetzt, daß es positiv ist, und sind eine Absolutwertschaltung zum Umwandeln der negativen Seite eines Ausgangsspannungssollwerts in eine positive sowie ein Vergleicher zum Vergleichen eines Ausgangs der Absolutwertschaltung vorgespannten Trägersignal vorgesehen. Ferner ist ein Polaritäts-Diskriminator zum Unterscheiden zwischen dem positiven und negativen Anteil des Ausgangsspannungs-Sollwertsignals vorgesehen, um eine positive Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn das Ausgangsspannungssollwertsignal positiv ist und der Ausgang des Vergleichers "1" ist, eine negative Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn das Ausgangsspannungs- Sollwertsignal negativ ist und der Ausgang des Vergleichers "1" ist, und eine Null-Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn der Ausgang des Vergleichers Null ist, wobei die Schaltelemente des Wandlers steuerbar EIN und AUS geschaltet werden, um die harmonischen Komponenten auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Zusätzlich kann die Unterdrückung eines Kreisstroms, der durch die parallelen Drosseln während der Nullperiode der Ausgangsspannung fließt, dadurch bewerkstelligt werden, daß man den EIN- und AUS-Betrieb der Schalterelemente der Wandler so steuert, daß sie die Polarität der Ausgangsspannungen der Wandler umschalten.

Die Größe harmonischer Komponenten des Ausgangsstromes der Einrichtung mit vielen parallelen Wandlern ist proportional zur Größe der harmonischen Komponenten, die in verketteten Spannungen enthalten sind. Die Größe der harmonischen Komponenten der verketteten Spannungen wird dadurch geändert, daß man die Zuordnungen zwischen der jeweiligen Phase der Ausgangsimpulsspannungen der Wandler ändert. Dementsprechend werden die harmonische Komponenten bildenden Spannungen, die in verketteten Spannungen vieler paralleler Wandler enthalten sind, mit dem Impulsbreiten-Modulationssystem des Ausführungsbeispiels geändert. Genauer gesagt, die Ausgangsspannung des Systems wird dadurch gesteuert, daß man den absoluten Wert des Ausgangsspannungs-Sollwertsignales mit dem positiv vorgespannten Trägersignal vergleicht und den EIN- und AUS-Betrieb der Schaltelemente der Wandler in Abhängigkeit von dem Vergleichs-Ergebnis und der Polarität des Sollwertsignales steuert. Wenn mehrere Trägersignale verwendet werden, ist es üblicherweise erforderlich, die Trägersignale so zu steuern, daß sie zueinander in Phase liegen. In diesem Fall kann, wenn die vorliegende Erfindung auf die oben erwähnte Weise eingerichtet ist, das Erfordernis zur Vornehmung der Phasenverschiebung des in Betracht gezogenen Trägersignals ausgeräumt werden.

Zusätzlich kann der Kreisstrom durch die parallelen Drosseln während der Nullperiode der Ausgangsspannung verhindert werden, indem man alternierend zwischen verschiedenen Polaritäten der Ausgangsspannungen der Wandler umschaltet.

Es wird nun auf die Zeichnung kurz Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung eines ersten Ausführungsbeispiels in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die die Zuordnungen zwischen einer Ausgangsspannung und den AN- und AUS-Zuständen der Schaltelemente hinsichtlich der Zustände der Ausgänge der ersten und zweiten Signalerzeugungseinrichtung zeigt,

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die die Zuordnungen zwischen dem Signal und der Ausgangsspannung zeigt, wenn die den Kreisstrom unterdrückende Schaltung hinzugefügt ist,

Fig. 4 ist ein Zeitablauf-Diagramm zum Erläutern der Zuordnungen zwischen einem Ausgangsspannungs-Befehlssignal sowie den Ausgangsspannungen der U- und V-Phase bei einer Einrichtung mit vielen parallelen Wandlern aus dem Stand der Technik,

Fig. 5 zeigt die Wellenformen der Ausgangsspannungen bei der Einrichtung mit vielen parallelen Wandlern aus dem Stand der Technik,

Fig. 6 ist ein Zeitablauf-Diagramm zum Erläutern der Zuordnungen zwischen einem Ausgangsspannungs-Befehlssignal, einem Trägersignal sowie den Ausgangsspannungen mit U- und V-Phase in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 zeigt die Wellenformen von Ausgangsspannungen in Übereinstimmung mit der Einrichtung mit vielen parallelen Wandlern der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 ist eine Anordnung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung, die die Zuordnungen zwischen jeweiligen Phasenausgangssignalen bei dem Koordinatensystem eines Stators eines Wechselstrommotors zeigt,

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung, die die Zuordnungen zwischen jeweiligen Phasenausgangssignalen bei dem Koordinatensystem des Wechselstrom-Statormotors in Rohrform zeigt,

Fig. 11 ist eine Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Einrichtung mit vielen parallelen Wandlern der vorliegenden Erfindung zum Unterdrücken eines Kreisstroms,

Fig. 12 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels, bei dem die vorliegende Erfindung bei einer Einrichtung mit vier parallelen Wandlern angewandt ist,

Fig. 13 und 14 ist jeweils ein Zeitablauf-Diagramm von Ausgangssignalen, die an verschiedenartigen Punkten der Schaltung der Fig. 12 auftreten, und

Fig. 15 ist eine Anordnung eines noch anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zum Verhindern des Kreisstroms.

Es erfolgt nun die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, wobei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen wird, dort ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, worin ein Parallel- Vielfachwechselrichter (im folgenden Wandler) 1 eine Gleichspannung in Wechselspannungen dreier Phasen mit drei Pegeln umwandelt, und zwar Positiv, Null und Negativ und die dreiphasigen Wechselspannungen einem Wechselstrommotor 2 zuführt.

Der Parallel-Vielfachwandler 1 umfaßt Dreiphasenwandler 3 und 4. Bei dem Parallel-Vielfachwandler 1 ist ein Glättungskondensator 8 parallel zu den Gleichstromquellen 6 und 7 angeschlossen, die in Reihe zueinander geschaltet sind, und die Dreiphasenwandler 3 und 4 sind parallel zum Kondensator 8 angeschlossen. Die Gleichstromquellen 6 und 7 sind unmittelbar an ihren einen Enden verbunden (Verbindungspunkt), und der Verbindungspunkt ist an Masse gelegt.

Der Dreiphasenwandler 3 umfaßt Reihenschaltungen von selbstabschaltenden Schaltelementen S1U und S2U, S1V und S2V und S1W und S2W, Reihenschaltungen von Freilaufdioden D1U und D2U, D1V und D2V sowie D1W und D2W; die Schaltelement-Reihenschaltungen sind parallel an die benachbarten Freilaufdioden-Reihenschaltungen in jeweils einander entgegengesetzter Polaritätsrichtung angeschlossen.

Der Dreiphasenwandler 4 umfaßt wie der Dreiphasenwandler 3 Reihenschaltungen von selbstabschaltenden Schaltelementen S3U und S4U, S3V und S4V und S3W und S4W, Reihenschaltungen von Freilaufdioden D3U und D4U, D3V und D4V sowie D3W und D4W; die Schaltelement- Reihenschaltungen sind parallel an die benachbarten Freilaufdioden-Reihenschaltungen in jeweils einander entgegengesetzter Polaritätsrichtung angeschlossen.

Als selbstabschaltende Schaltelemente können Transistoren, Gate-Abschalt- Thyristoren oder dergleichen Elemente verwendet werden. Die Dreiphasenwandler 3 und 4 sind auch mit ihren Ausgangsanschlüssen ihrer Wechselstromphasen (U, V, W) an die beiden Enden dreier paralleler Drosseln 5U, 5V und 5W angeschlossen, die jeweils eine mittige Anzapfung aufweisen. Die parallelen Drosseln 5U, 5V und 5W sind mit ihren mittigen Anzapfungen an einen Wechselstrommotor 2 angeschlossen.

Es wird als nächstes eine Erläuterung für Anordnung und Wirkungsweise der Impulsbreitenmodulations-Steuereinrichtung vorgenommen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Zur Abkürzung der Erläuterung wird diese nur für die U-Phase vorgenommen, aber es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß dieselbe Anordnung und Wirkungsweise auch für die V-Phase und W-Phase gilt.

In Fig. 1 ist ein Trägersignalgenerator 9 vorgesehen, um ein dreieckförmiges oder sägezahnförmiges Trägersignal zu erzeugen und das Trägersignal einer Vorspannungsschaltung aus einem Konstanten-Erzeuger 12 und einem Addierer 10 für die positive Vorspannung zuzuführen. Eine Absolutwertschaltung 22 empfängt das Ausgangsspannungs- Steuersignal V_U* aus einem Spannungssollwertgenerator (nicht gezeigt), der einen Ausgangsspannungssollwert gibt, und wandelt das Ausgangsspannungs-Sollwertsignal V_U* in ein positives Signal um, das dann einem Vergleicher 14 zugeführt wird. Der Vergleicher 14 empfängt auch ein Ausgangssignal der Vorspannschaltung zusätzlich zu dem oben genannten positiven Signal aus der Absolutwertschaltung 22 und vergleicht die empfangenen Signale. Eine Polaritäts-Diskriminierungsschaltung 23 bewirkt die Unterscheidung zwischen positiven und negativen Teilen des Ausgangsspannungs-Sollwertsignals V_U* und gibt "1" ab, wenn dieses positiv ist, und "0", wenn es negativ oder null ist. Eine erste Signalerzeugungseinrichtung umfaßt eine UND-Schaltung 24, die einen Ausgang "1" erzeugt, wenn der Polaritäts- Diskriminator 23 ein Ausgangssignal "1" erzeugt (positiv), und auch der Komparator 14 ein Ausgangssignal "1" erzeugt. Eine zweite signalerzeugende Einrichtung umfaßt eine NICHT-Schaltung 25 zum Umkehren ihres Ausgangssignals, wenn der Polaritäts-Diskriminator 23 negativ oder null erkennt, und eine UND-Schaltung 26 zum Erzeugen eines Ausgangs "1", wenn die NICHT-Schaltung 27 zum Umwandeln bzw. Umkehren des Ausgangs der UND-Schaltung 26.

Der obige Vorgang wird so zusammengefaßt, wie in Fig. 2 gezeigt.

Die Schaltelemente S1U und S3U werden in den Wandlern 3 und 4 auf EIN geschaltet und die Schaltelemente S2U und S4U werden auf AUS geschaltet, so daß dann, wenn die Ausgänge X1 und X2 der ersten und zweiten signalerzeugenden Einrichtung beide "1" sind, der Parallel-Vielfachwandler 1 eine positive Ausgangsspannung +E erzeugt. Die Schaltelemente S1U und S3U werden in den Wandlern 3 und 4 AUS geschaltet und die Schaltelemente S2U und S4U werden EIN geschaltet, so daß dann, wenn die Ausgänge X1 und X2 der ersten und zweiten signalerzeugenden Einrichtung beide "0" sind, der Parallel- Vielfachwandler 1 eine negative Ausgangsspannung -E erzeugt. Ferner werden die Schaltelemente S1U und S4U in den Wandlern 3 und 4 AUS geschaltet und die Schaltelemente S2U und S3U werden EIN geschaltet, so daß dann, wenn einer der Ausgänge X1 und X2 der ersten und zweiten signalerzeugenden Einrichtung "1" und der andere "0" ist, der Parallel-Vielfachwandler 1 die Ausgangsspannung Null erzeugt.

Unter der obigen Bedingung fließt, wenn einer der Ausgänge X1 und X2 der ersten und zweiten signalerzeugenden Einrichtung "1" und der andere "0" ist, ein Kreisstrom durch die parallele Drossel 5U, was dazu führt, daß der Stromverlust groß wird. Zum Zweck der Verhinderung des Kreisstroms sind, wie in Fig. 1 gezeigt, Logikschaltungen 19 und 20 sowie ein Oszillator 21 so vorgesehen, daß unter der obigen Bedingung die Betriebsart zum Schalten der Schaltelemente S1U und S4U auf EIN und eine Betriebsart zum Schalten der Schaltelemente S2U und S3U auf AUS in gleicher Weise verwendet werden.

Genauer gesagt, die Logikschaltung 19 umfaßt eine NICHT- Schaltung 19n zum Umkehren des Ausgangssignals der ersten Signalerzeugungseinrichtung sowie eine UND-Schaltung 19a zum Erzeugen eines Ausgangs "1", wenn der Ausgang der zweiten Signalerzeugungseinrichtung und der Ausgang der NICHT-Schaltung 19n beide "1" sind. Die Logikschaltung 20 weist eine ODER-Schaltung 20r sowie eine UND-Schaltung 20a zum Erzeugen eines Ausgangs "1" auf, wenn die Ausgangssignale der ersten und zweiten Signalerzeugungseinrichtung beide "1" sind, sowie eine UND-Schaltung 20b zum Erzeugen eines Ausgangs "1", wenn ein Ausgang X4 der Logikschaltung 19 "1" ist und ein Ausgang eines Oszillators 21 "1" ist, eine NICHT-Schaltung 20n zum Umkehren des Ausgangs des Oszillators 21, sowie eine UND-Schaltung 20c zum Erzeugen eines Ausgangs "1", wenn der Ausgang der NICHT-Schaltung 20n und der Ausgang der Logikschaltung 19 beide "1" sind, sowie eine ODER-Schaltung 20s, um einen ODER-Vorgang zwischen den Ausgängen der UND-Schaltungen 20a und 20c so durchzuführen, daß die Ausgänge der ODER-Schaltungen 20s und 20r die EIN/AUS-Steuerung der jeweiligen Schaltelemente des Vielfachwandlers 1 veranlassen.

Die Logikschaltung 19 empfängt die Ausgangssignale X1 und X2 der ersten und zweiten Signalerzeugungseinrichtung und gibt einen Ausgang X3 mit "1" nur während der Null-Pegel-Periode der Ausgangsspannung des Parallel-Vielfachwandlers 1 nach folgender Gleichung ab:

Die Logikschaltung 20 empfängt die Ausgangssignale X1 und X2 der ersten und zweiten Signalerzeugungseinrichtung, das Ausgangssignal X3 der Logikschaltung 19 und das Ausgangssignal X4 des Oszillators 21 und gibt Impulsbreiten-Modulationssignale Y1 und Y2 ab, die ihrerseits verwendet werden, um die Schaltelemente der Wandler 3 und 4 auf EIN und AUS zu schalten. Diese Arbeitsweise wird mit folgender Gleichung beschrieben, deren Datenwertetabelle in Fig. 3 gezeigt ist:

Der Oszillator 21 gibt zyklisch das Signal X4 mit "0" und "1" ab, das mit einer Frequenz variiert, die gleich oder niedriger ist als die halbe Frequenz des Ausgangssignals des Trägergenerators 9.

Wenn beispielsweise die Oszillationsfrequenz des Oszillators 21 auf die Hälfte der Oszillationsfrequenz des Generators 9 eingestellt ist und ihre Ausgangssignale in bezug auf die Phase synchronisiert sind, dann ändert sich das Signal X4 des Oszillators 21 zwischen "0" und "1" mit einer Periode, die der zweifachen Periode des Generators 9 entspricht. Genauer gesagt, während einer Null- Pegel-Periode der Ausgangsspannung des Parallel-Vielfachwandlers 1 werden zwei Betriebsarten ausgewählt, wenn für das Signal X4 mit "0" die Schaltelemente S2U und S3U auf EIN geschaltet und die Schaltelemente S1U und S4U auf AUS geschaltet werden, und wenn für das Signal X4 mit "1" die Schaltelemente S2U und S3U auf AUS und die Schaltelemente S1U und S4U auf EIN geschaltet werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Als Ergebnis wird es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung möglich, den Kreisstrom zu unterdrücken, der in den parallelen Drosseln 5U, 5V, 5W zwischen den Wandlern 3 und 4 strömt.

Es wird nun eine Erläuterung vorgetragen, wie man die harmonischen Komponenten bei der Erfindung auf ein Mindestmaß reduziert. Fig. 4 ist ein Zeitablauf-Diagramm von Signalen zum Erläutern der Wirkungsweise eines allgemein Impulsbreiten- Modulationssystems aus dem Stand der Technik. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird davon ausgegangen, daß Gleichspannungsbefehle, wie durch in Fig. 4 gezeigt, bei dem jeweiligen Phasen vorgesehen sind. Wenn der erste Vergleicher das Sollwertsignal V_U* für die U-Phasenspannung mit dem Trägersignal vergleicht, dann gibt der Wandler 3 eine Spannung ab, wie sie durch in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn der zweite Vergleicher das Sollwertsignal V_U* für die U-Phasenspannung mit einem Signal, das dadurch erhalten wurde, daß man das Trägersignal einer Gegenphasenumwandlung unterzogen hat, vergleicht, dann gibt der Wandler 4 eine Spannung ab, wie sie durch in Fig. 4 gezeigt ist. Dies führt dazu, daß der parallele Reaktor 5u eine Spannung abgibt, wie sie durch in Fig. 4 gezeigt ist, was der U-Phasen-Spannung des Wandlers 1 entspricht. Derselbe Betriebsvorgang wie für die U-Phase gilt auch für die V-Phase und die W-Phase. Im Hinblick auf die V- Phase geben die Wandler 3, 4 und 1 solche Spannungen ab, wie dies durch , bzw. in Fig. 4 gezeigt ist. Als Ergebnis weist die an den Wechselstrommotor 2 abzugebende, verkettete Spannung drei Pegel von 0, +E und +2E auf, wie in Fig. 4 gezeigt. Fig. 5 zeigt die Wellenform des Ausgangsspannungs-Sollwertsignals V_U*, der Phasenspannung V_U und der verketteten Spannung V_U-V der Parallel-Vielfachwandlereinrichtung auf der Grundlage der Impulsmodulationsbreite aus dem Stand der Technik. Die Impulsbreiten- Modulationseinrichtung aus dem Stand der Technik hat jedoch das Problem, daß die verkettete Spannung V_U-V eine Anzahl harmonischer Komponenten enthält, die zwischen +2E und -2E variieren, obwohl die Einrichtung die harmonischen Komponenten der Phasenspannung V_U unterdrücken kann. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen E die Spannung jeder der Gleichstromquellen 6 und 7.

Es wird nun auf Fig.6 Bezug genommen; dort ist ein Zeitablauf-Diagramm gezeigt, um die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Impulsbreiten- Modulationseinrichtung zu zeigen. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird davon ausgegangen, wie in Fig. 4, daß nur solche Gleichspannungsbefehle, wie in Fig. 6 gezeigt, für die jeweiligen Phasen vorgesehen sind. Wenn die erste Signalerzeugungseinrichtung ein Trägersignal, das durch eine ausgezogene Linie gezeigt ist, mit dem Spannungssollwertsignal der U-Phase V_U* vergleicht, dann gibt der Wandler 3 eine solche Spannung ab, wie sie durch Fig. 6 gezeigt ist.

Wenn die zweite Signalerzeugungseinrichtung das Trägersignal, das durch die ausgezogene Linie gezeigt ist, mit dem Spannungssollwertsignal V_U* der U-Phase vergleicht (was im wesentlichen dem Vergleich mit einem Trägersignal entspricht, das durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist), dann gibt der Wandler 3 eine Spannung ab, wie sie durch Fig. 6 gezeigt ist. Somit gibt die parallele Drossel 5U eine Spannung ab, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, was der U-Phasen-Spannung des Wandlers 1 entspricht. Dieselbe Tätigkeit wie für die U-Phase gilt auch für die V-Phase und die W-Phase. Im Hinblick auf die V-Phase geben die Wandler 3, 4 und 1 Spannungen ab, wie dies in Fig. 6 , bzw. gezeigt ist. Als Ergebnis hat die verkettete Spannung, die dem Wechselstrommotor 2 zuzuführen ist, zwei Pegel mit +E und +2E, wie in Fig. 6 gezeigt ist, wobei weniger Änderungen und weniger harmonische Komponenten vorteilhafterweise realisiert werden können, verglichen mit jenen aus der Einrichtung des Standes der Technik (siehe Fig. 4 ).

In Fig. 7 ist das Ausgangsspannungs-Befehlssignal V_U*, die Phasenspannung V_U und die verkettete Spannung V_U-V des Vielfachwandlers gezeigt, basierend auf der Impulsbreiten-Modulationseinrichtung der Fig. 1.

Es wird nun ohne weiteres aus dem Vergleich zwischen der vorliegenden Erfindung der Fig. 7 und dem Stand der Technik der Fig. 5 ersichtlich, daß die harmonischen Komponenten der verketteten Spannung, die zwischen +2E und -2E variiert, mit Verwendung der Impulsbreiten- Modulationseinrichtung der vorliegenden Erfindung entfernt werden können. In Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen E die Spannung einer jeden Gleichstromquelle 6 und 7. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Erzeugung eines Kreisstromes, der durch die parallelen Drosseln 5U, 5V und 5W fließt, wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verhindert wird.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dahingehend unterscheidet, daß eine einzige Polaritäts-Errechnungsschaltung 28 für die drei Phasen vorgesehen ist, um Polaritätssignale für die drei Phasen zu erhalten, während der Polaritäts-Diskriminator 23 für den Spannungssollwert im ersten Ausführungsbeispiel für jede Phase vorgesehen ist, um Polaritätssignale für die drei Phasen zu erhalten. Der Betrieb der Polaritäts-Errechnungsschaltung 28 wird in Verbindung mit den Fig. 9 und 10 erläutert. Fig. 9 ist eine schematische Darstellung, die die Zuordnung zwischen einem Spannungsvektorsollwert V* entsprechend einer Zusammensetzung der Drei-Phasen-Ausgangsspannungssollwerte des Vielfachwandlers 1 und den Achsen der U-, V- und W-Phasenwicklungen im Koordinatensystem eines Stators des Gleichstrommotors 2 zeigt. Auf der Grundlage eines der Abschnitte A bis F, zu denen der Spannungsvektorsollwert V* in Fig. 9 gehört, werden die Polaritäten der jeweiligen Phasen bestimmt. Die Werte eines Ausgangssignals "X5" der Polaritäts- Errechnungsschaltung 28 im Hinblick auf die unterschiedlichen Abschnitte und unterschiedlichen Phasen sind in Fig. 10 gezeigt. Wenn der Wechselstrommotor 2 gemäß einem bekannten Vektorsteuersystem gesteuert werden soll, dann kann ein Phasenwinkel des Spannungsvektorsollwerts V* mühelos aus der folgenden Gleichung (3) errechnet werden:

θ = π + ω₁*t + tan^-1(-V_d*V_q*) (3)

wobei V_d* und V_q* Spannungssollwerte im Koordinatensystem des rotierenden Magnetfelds des Gleichstrommotors 2 bezeichnen, ω₁* einen Primärwinkelfrequenzsollwert und t die Zeit bezeichnen.

In Übereinstimmung mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Polaritätssignale auf der Grundlage des Phasenwinkels des Ausgangsspannungsvektors erhalten werden.

Fig. 11 zeigt ein Beispiel, bei dem die Parallel-Vielfachwandlereinrichtung der vorliegenden Erfindung bei einer Einrichtung aus dem Stand der Technik (JP-A-64-47277) angewandt ist. Bei diesem Beispiel wandelt der Parallel-Vielfachwandler 1 eine Gleichspannung in eine Wechselspannung mit drei Pegeln Positiv, Null und Negativ um und liefert die dreiphasigen Wechselspannungen an den Wechselstrommotor 2. Der Parallel-Vielfachwandler 1 umfaßt Gleichstromquellen 6 und 7, einen Glättungskondensator 8, Dreiphasenwandler 3 und 4 und parallele Drosseln 5U, 5V und 5W. Der Glättungskondensator 8 ist parallel zu einer Reihenschaltung der Gleichstromquellen 6 und 7 angeschlossen, und ein Verbindungspunkt zwischen den Gleichstromquellen 6 und 7 ist an Masse gelegt. Die Dreiphasenwandler 3 und 4 sind aufgebaut aus selbstabschaltenden Graetz-Brücken- Schaltelementen S1U bis S4W und Rückkopplungsdioden D1U bis D4W, die parallel zu den Schaltelementen zueinander in Polaritätsrichtungen entgegengesetzt angeschlossen sind. Als selbstabschaltende Schaltelemente sind Transistoren, Gate-Abschalt-Thyristoren und dergleichen Schaltelemente verwendet. Die Dreiphasenwandler 3 und 4 sind an ihren U-, V- und W-Phasen-Wechselstrom-Ausgangsanschlüssen mit beiden Enden paralleler Drosseln 5U, 5V und 5W verbunden, die jeweils eine mittige Anzapfung aufweisen. Die parallelen Drosseln 5U, 5V und 5W sind mit ihren mittigen Anzapfungen an den Wechselstrommotor 2 angeschlossen.

Als nächstes wird eine Erläuterung zur Anordnung der Wirkungsweise der Impulsbreiten-Modulationseinrichtung der Fig. 11 vorgetragen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Erläuterung im Zusammenhang lediglich mit der U-Phase vorgetragen, aber dieselbe Anordnung und Wirkungsweise gilt auch für die V-Phase und die W- Phase. Ein Trägersignalgenerator 9 zum Erzeugen eines Trägersignals für die Impulsbreiten-Steuerung legt sein Ausgangssignal an Addiereinrichtungen 10 und 11. Die Addiereinrichtungen 10 und 11 addieren die Ausgänge von Konstanten-Generatoren 12 und 13 und das Trägersignal aus dem Trägergenerator 9, errechnen ein positivseitiges Trägersignal und ein negativseitiges Trägersignal und legen das positivseitige und negativseitige Trägersignal an Vergleicher 14 bzw. 15 an. Zu diesem Zeitpunkt liegt das positive Seitensignal in Phase mit dem negativen Seitensignal. Die Vergleicher 14 und 15 vergleichen üblicherweise das Ausgangsspannungs-Sollwertsignal V_U* der U-Phase mit dem Trägersignal und erzeugen Impulsbreiten-Modulationssignale (Impulsbreiten-Modulations-Impulssignale) zum Schalten der Schaltelemente S1U bis S4W der Wandler 3 und 4 auf EIN und AUS. Zu den Vergleichern 14 und 15 sind Logikschaltungen 19 und 20 und ein Oszillator 21 vorgesehen, zum Zweck, einen Kreisstrom zu unterdrücken, wie er im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert ist. Die Anordnungen der Logikschaltungen 19 und 20 sind dieselben wie jene der Fig. 1, und deshalb ist deren Erläuterung weggelassen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Eingang in die Logikschaltungen 19 und 20 der Fig. 1, d. h. der Ausgang der ersten signalerzeugenden Einrichtung dem Ausgang des Vergleichers 14, während der Ausgang der zweiten signalerzeugenden Einrichtung dem Ausgang des Vergleichers 15 entspricht.

Im Betrieb des obigen Ausführungsbeispiels wird ein Ausgang aus dem Parallel-Vielfachwandler 1 aus den Mittelanzapfungen der parallelen Drosseln 5U, 5V und 5W erhalten, und die Größe des Ausgangs entspricht der Hälfte der Summe der Ausgangsspannungen der Wandler 3 und 4. Auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Wirkungsweisen der jeweiligen Wandlerphasen die gleichen, ausgenommen ein Unterschied im Winkel der Phasen, und somit wird eine Erläuterung nur zur U-Phase vorgenommen. Die Ausgangsspannung in der U-Phase des Parallel- Vielfachwandlers 1 variiert in Abhängigkeit von den Schalttätigkeiten EIN und AUS der selbstabschaltenden Schalterelemente S1U, S2U, S3U und S4U. Genauer gesagt, wenn die Schalterelemente S1U und S3U auf EIN geschaltet sind (wobei die Schalterelemente S2U und S4U auf AUS geschaltet sind), dann ist der Ausgang des Wandlers ein Potential +E. Wenn die Schalterelemente S2U und S4U auf EIN geschaltet sind (wobei die Schalterelemente S1U und S3U auf AUS geschaltet sind), dann wird der Ausgang ein Potential -E. Wenn die Schaltelemente S1U und S4U oder S2U und S3U auf EIN geschaltet sind, dann ist der Ausgang des Wandlers ein Null-Potential bei einem mittigen Punkt der Gleichstromquellen. In jenem Fall, in dem der Wandlerausgang ein Null-Potential ist, werden die Ausgangssignale X1 und X2 der Vergleicher 14 und 15 an den logisch arbeitenden Kreis 19 angelegt, welcher seinerseits ein Signal X3 mit "1" nur während der Null-Periode der Ausgangsspannung des Parallel-Vielfachwandlers 1 abgibt.

Die Logikschaltung 20 empfängt die Ausgangssignale X1 und X2 der Vergleicher 14 und 15, das Ausgangssignal X3 der Logikschaltung 19 und ein Ausgangssignal X4 der Oszillationsschaltung 21, und gibt Impulse mit Modulationssignalen Y1 und Y2 aus, um die Schaltelemente der Wandler 3 und 4 auf EIN und AUS zu schalten.

Die Oszillatorschaltung 21 gibt das Signal X4 ab, welches zyklisch zwischen 0 und 1 und einer Frequenz variiert, die gleich oder kleiner ist als die halbe Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 9. Wenn beispielsweise die Oszillationsfrequenz der Oszillationsschaltung 21 so eingestellt ist, daß sie die halbe Oszillationsfrequenz des Oszillators 9 beträgt, und die Oszillationsschaltung 21 so eingestellt ist, daß sie in Phase mit dem Oszillator 9 liegt, dann ändert sich das Signal X4 des Oszillators 21 zwischen 0 und 1 mit einer Periode, die der zweifachen Trägerfrequenz entspricht. Das heißt, während einer Null-Potential-Periode der Ausgangsspannung des Parallel-Vielfachwandlers 1 werden wechselweise zwei Betriebsarten für das Signal X4 mit "0" gewählt, wenn die Schaltelemente S2U und S3U auf EIN geschaltet werden, und für das Signal X4 mit "1", wenn die Schaltelemente S1U und S4U auf EIN geschaltet werden. Als Ergebnis hat das vorliegende Ausführungsbeispiel die Fähigkeit, einen Kreisstrom, der durch die parallele Drossel 5U, 5V, 5W zwischen den Wandlern 3 und 4 fließt, zu unterdrücken.

Es wird nun auf Fig. 12 Bezug genommen; dort ist ein noch anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, worin dieselben Teile wie jene in Fig. 11 mit denselben Bezugszeichen und Symbolen bezeichnet sind und deren Erläuterung weggelassen ist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel entspricht einem Beispiel, in dem die vorliegende Erfindung an Vielfachwandlern angewandt ist, die jeweils zwei Wandler (insgesamt vier) umfassen, um eine Ausgangsspannung zu erhalten, die fünf Pegel von +E, +E/2, 0, -E/2 und -E aufweist. Da dieselbe Wirkungsweise im Hinblick auf die U-, V- und W-Phase durchgeführt wird, wird die Darstellung und Erläuterung lediglich hinsichtlich der U-Phase vorgetragen. Ein Wechselstrommotor 2 wird mit einem Mittelwert der Ausgangsspannungen der parallelen Vielfachwandler 1A und 1B aus einer Mittelanzapfung einer parallelen Drossel 32 gespeist. Der parallele Vielfachwandler 1A umfaßt Wandler 3A und 4A und eine parallele Drossel 5A, während der parallele Vielfachwandler 1B Wandler 3B und 4B sowie eine parallele Drossel 5B aufweist. Die Wandler 3A, 4A, 3B und 4B werden auf der Grundlage der Ausgangssignale der Vergleicher 14A, 15A, 14b bzw. 15b gesteuert. Die Vergleicher 14A, 15A, 14B und 15B empfangen ein gemeinsames Ausgangsspannungs-Befehlssignal V_U* der U-Phase und jeweilige Trägersignale, die von Addierern 10A, 11A, 10B bzw. 11B gesendet werden. Die Addierer 10A, 11A, 10B oder 11B addieren ein gemeinsames Ausgangssignal eines Oszillators 9A zu jeweiligen Vorspannungssignalen, die von konstanten Multiplizierern 12A, 13A, 12B bzw. 13B gesendet werden.

Die Wirkungsweise des obigen Ausführungsbeispiels wird als nächstes unter Bezugnahme auf die Fig. 13 und 14 beschrieben. Fig. 13 zeigt Wellenformen der Ausgänge der Wandler, wenn das Ausgangsspannungs- Sollwertsignal V_U* der U-Phase über 0,5 liegt. Das Signal V_U* mit einem Wert von 1 entspricht der maximalen Wandler-Ausgangsspannung. Wenn das Spannungs-Sollwertsignal V_U* über 0,5 liegt, dann erzeugen die Vergleicher 15A, 14B und 15B anders als der Vergleicher 14A Ausgangssignale von "1", und somit erzeugen die Wandler 4A, 3B und 4B alle die Ausgangsspannung von +E. Dies führt dazu, daß eine Ausgangsspannung V_U der parallelen Drossel 32 zwei Pegel aufweist und zwischen +E und +E/2 wechselt.

In Fig. 14 sind die Wellenformen der Ausgänge der Wandler gezeigt, wenn das Ausgangsspannungs-Sollwertsignal V_U* der U-Phase zwischen 0 und 0,5 variiert. In diesem Fall erzeugt der Vergleicher 14A ein Ausgangssignal von "0", die Vergleicher 14B und 15B erzeugen Ausgangssignale beide von "1", der Wandler 3A erzeugt eine Ausgangsspannung von -E und die Wandler 3B und 4B erzeugen beide Ausgangsspannungen +E. Als Ergebnis hat die Ausgangsspannung V_U der parallelen Drossel 32 zwei Pegel von +E/2 und 0. Durch die obige Tätigkeit erzeugen die beiden Vielfachwandler die Ausgangsspannung V_U mit fünf Pegeln von +E, +E/2, 0, -E/2 und -E. Zusätzlich können unter der Impulsbreiten-Modulationssteuerung mit vier Wandlern der Fig. 12 gegenüber der Impulsbreiten-Modulationssteuerung mit zwei Wandlern der vorausgehenden Ausführungsbeispiele die harmonischen Komponenten, die in einer verketteten Spannung enthalten sind, noch weiter verringert werden.

Ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 15 gezeigt, in welcher dieselben Teile wie jene in Fig. 1 durch dieselben Bezugszeichen und Symbole bezeichnet sind und deren Erläuterung weggelassen ist. Bei der Schaltungsausbildung der Fig. 1 werden zwei Arten von Schaltbetriebsarten in Intervallen mit konstanter Periode so geschaltet, daß die Ausgangsspannung 0 wird, wenn der Ausgang der ersten signalerzeugenden Einrichtung unterschiedlich ist von jenem der zweiten erzeugenden Einrichtung. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dagegen sind Stromfühler 5U1, 5U2, 5V1, 5V2, 5W1 und 5W2 an beiden Enden der parallelen Drosseln 5U, 5V bzw. 5W vorgesehen, um die Richtungen oder den Strömungssinn der Ströme zu messen, die durch die Drosseln fließen, und eine Umschaltsignal-Erzeugungsschaltung 30 ist vorgesehen, um ein Umschaltsignal zum Schalten der Schaltbetriebsarten auf solche Weise zu erzeugen, daß die Stromrichtungen auf der Grundlage der ermittelten Richtungsergebnisse zueinander entgegengesetzt werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strommeßfühler so vorgesehen, daß sie die Ströme der jeweiligen Drosseln an ihren beiden Enden ermitteln. Es ist jedoch auch ausreichend, die Ströme der Drosseln lediglich an den einen Enden zu ermitteln und die Ströme der Verbraucherseiten zu ermitteln. Es ist auch möglich, die Schaltbetriebsarten gemäß den Größen der ermittelten Ströme umzuschalten.

Wie vorangehend offenbart wurde, können, wenn eine Parallel-Vielfachwandlereinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, harmonische Komponenten, die in einer verketteten Spannung enthalten sind, verringert werden, und ein Kreisstrom kann daran gehindert werden, durch die parallelen Drosseln zu fließen, und zwar während jeder Null-Potential-Periode der Ausgangsspannung.

Insgesamt betrifft die Erfindung eine Parallel-Vielfachwandlereinrichtung 1 mit mehreren Wandlern 3, 4, die parallel zueinander durch eine oder mehrere parallele Drosseln 5U, 5V, 5W verbunden sind, wobei die Ausgangsspannungen der Wandler gesteuert werden auf der Grundlage der Polarität eines Ausgangsspannungs-Sollwertsignals und eines Vergleichsergebnisses zwischen einem Wert, der erhalten wird durch Umwandeln des Ausgangsspannungs-Sollwertsignals in ein positives Signal und einem Trägersignal, um die harmonischen Anteile der verketteten Spannungen zu verringern, und ferner sind zwei unterschiedliche Schaltbetriebsarten zum Einstellen der Ausgangsspannung des Systems auf 0 in gleicher Weise verwendet, um einen Kreisstrom durch die parallelen Drosseln während jeder Null-Potential-Periode der Ausgangsspannung des Systems zu verhindern.

Claims (4)

1. PWM-Parallel-Wechselrichter-Anordnung,
mit wenigstens einem Wechselrichtersatz (1) mit einem ersten und einem zweiten Wechselrichter (3, 4) zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, wobei gleichphasige Wechselspannungs-Anschlüsse des ersten und zweiten Wechselrichters (3, 4) jeweils über Drosseln (5U, 5V, 5W) miteinander verbunden sind, und
mit einer PWM-Signalerzeugungseinrichtung (9-15, 22-27) zur Erzeugung von PWM-Signalen (X1, X2) in Abhängigkeit von einem Trägersignal und einem Ausgangsspannungs-Sollwertsignal (V_U*) und zur Ansteuerung der Wechselrichter (3, 4) in Abhängigkeit von den PWM-Signalen (X1, X2), wobei an Zwischenabgriffen der Drosseln (5U, 5V, 5W) Ausgangsspannungen mit positivem, negativem oder dem Null-Pegel erzeugt werden,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung (19, 20, 21, 30, 5U1-5W2) zur Umkehr der Polaritäten der Ausgangsspannungen der Wechselrichter (3, 4) mit vorgegebener Frequenz dann, wenn die Ausgangsspannungen am Zwischenabgriff der jeweiligen Drosseln (5U, 5V, 5W) Null sein sollen.

2. PWM-Parallel-Wechselrichter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Frequenz so gewählt ist, daß sie gleich einer Frequenz des Trägersignals dividiert durch eine ganze Zahl ist.

3. PWM-Parallel-Wechselrichter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (19, 20, 21, 30, 5U1-5W2) zur Polaritätsumkehr Stromsensoren (5U1-5W2) zur Erfassung der Ausgangsströme der Wechselrichter (3, 4) und eine Umschaltsignal-Erzeugungseinrichtung (30) zur Steuerung der genannten Polaritätsumkehr derart, daß die Unterschiede in den Ausgangsströmen zu Null werden, aufweist.

4. PWM-Parallel-Wechselrichter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PWM-Signalerzeugungseinrichtung (9-15, 22-27) entsprechend der Anzahl der Wechselrichter (3, 4) mehrere Trägersignale erzeugt, deren Amplituden jeweils in einem einer Anzahl an Teilbereichen liegen, in die der mögliche Spannungsbereich, in dem das Ausgangsspannungs-Sollwertsignal (V_U*) bei Steuerung der Anordnung variieren kann, entsprechend der Anzahl der Wechselrichter (3, 4) aufgeteilt ist, und daß ein Vergleicher (14, 15) der das Ausgangsspannungs-Sollwertsignal (V_U*) mit den Trägersignalen vergleicht, vorgesehen ist.