DE4241647C1 - Controlling pulsed inverter fed from constant DC voltage source - using vector modulation to produce required voltage vectors at 60 deg. electrical to one another with voltage output vectors at centre of each angular range - Google Patents
Controlling pulsed inverter fed from constant DC voltage source - using vector modulation to produce required voltage vectors at 60 deg. electrical to one another with voltage output vectors at centre of each angular rangeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a method according to the preamble of the claim.
Ein solches Verfahren ist bekannt durch Ogasawara, S.; Akagi, H.; Nabae, A.: "A novel PWM scheme of voltage source inverters based on space vector theory", Proc. EPE'89, Aachen, 1989, Vol. III, Seiten 1197 bis 1202.Such a process is known from Ogasawara, S .; Akagi, H .; Nabae, A .: "A novel PWM scheme of voltage source inverters based on space vector theory ", Proc. EPE'89, Aachen, 1989, Vol. III, pages 1197 to 1202.
Regelverfahren für Pulswechselrichterantriebe, die mit einer Spannungs- Stellgröße arbeiten, benötigen einen Pulsmustergenerator zur Umsetzung dieser Spannungs-Stellgröße in die eigentlichen Steuergrößen des Wechselrichters - die Stellbefehle der Wechselrichterstränge.Control procedure for pulse inverter drives, which with a voltage Working manipulated variable, require a pulse pattern generator for implementation this voltage manipulated variable in the actual control variables of the inverter - the control commands of the inverter strings.
Erlaubt der Pulswechselrichter nur geringe Pulsfrequenzen, ist man zur Pulserzeugung auf sogenannte off-line optimierte Pulsmuster angewiesen. Sie sind für stationären Betrieb bezüglich Stromoberschwingungen oder Drehmomentpulsationen optimiert.If the pulse inverter only allows low pulse frequencies, you are Pulse generation relies on so-called off-line optimized pulse patterns. They are for stationary operation regarding current harmonics or Torque pulsations optimized.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung soll speziell auch ein optimiertes 3er-Seitenpulsmuster, wie es in Fig. 1 der Zeichnung in seinem grundsätzlichen zeitlichen Verlauf dargestellt ist, erstellbar sein. Das optimierte 3er-Seitenpulsmuster erzeugt für die Pulszahl 3 für große Aussteuerungen des Pulswechselrichters die geringsten Stromoberschwingungen. Da andere Pulsmuster mit der Pulszahl 3 erheblich höhere Motorverluste hervorbringen, ist die Verwendung des 3er-Seitenpulsmusters für diese Pulszahl zwingend. With the method according to the invention, an optimized triple side pulse pattern, as shown in FIG. 1 of the drawing in its basic temporal course, should also be able to be created. The optimized 3-way side pulse pattern generates the lowest current harmonics for the pulse number 3 for large modulations of the pulse-controlled inverter. Since other pulse patterns with pulse number 3 produce significantly higher motor losses, it is imperative to use the triple side pulse pattern for this pulse number.
Problematisch bei off-line optimierten Pulsmustern ist ihre Handhabung bei dynamischen Übergangsvorgängen und auch die Umschaltung zwischen verschiedenen Arten von optimierten Pulsmustern, was zwar beherrscht werden kann, aber doch einigen Aufwand erfordert.Handling them with off-line optimized pulse patterns is problematic in dynamic transitions and also switching between different types of optimized pulse patterns, which dominates can be, but still requires some effort.
In bezug auf diese Problematik bietet die sogenannte Vektormodulation Vorteile. Hierbei werden Stellbefehle zu einem vorgegebenen Zeitintervall derart bestimmt, daß ein vorgegebener Spannungs-Sollwert als Mittelwert der Ausgangsspannung des Pulswechselrichters in dem entsprechenden Zeitintervall realisiert wird. Vorteil der Vektormodulation ist es, daß es keinen prinzipiellen Unterschied zwischen der Erzeugung eines Pulsmusters für stationären Betrieb und für dynamische Übergangsvorgänge gibt. Aufgrund der getakteten Arbeitsweise der Vektormodulation eignet sie sich hervorragend für den Einsatz zusammen mit einer zeitdiskreten Regelung, die idealerweise im gleichen Zeittakt arbeiten sollte.In relation to this problem, the so-called vector modulation offers Advantages. Here, control commands are given at a predetermined time interval determined in such a way that a predetermined voltage setpoint is averaged the output voltage of the pulse inverter in the corresponding Time interval is realized. The advantage of vector modulation is that it no fundamental difference between the generation of a pulse pattern for stationary operation and for dynamic transition processes. Because of It is suitable for the clocked mode of operation of vector modulation excellent for use together with time-discrete control, which should ideally work at the same time.
Auf die Stromoberschwingungen und die Drehmomentpulsationen kann bei der Vektormodulation zwar durch die Gestaltung einiger Freiheitsgrade Einfluß genommen werden (siehe z. B. Ogasawara, S.; Akagi, H.; Nabae, A.: "A novel PWM scheme of voltage source inverters based on space vector theory", Proc. EPE'89, Aachen, 1989, Vol. III, Seiten 1197 bis 1202), doch sind die entstehenden Pulsmuster im Vergleich mit off-line optimierten in der Regel sub-optimal. Diese Unterschiede können besonders bei kleinen Pulszahlen (Zahl der Pulse je Strang und je Grundschwingungsperiode) relevant sein.On the current harmonics and the torque pulsations can vector modulation by designing some degrees of freedom Influence (see e.g. Ogasawara, S .; Akagi, H .; Nabae, A .: "A novel PWM scheme of voltage source inverters based on space vector theory ", Proc. EPE'89, Aachen, 1989, Vol. III, pages 1197 to 1202), but are the resulting pulse patterns compared to those optimized off-line usually sub-optimal. These differences can be especially small Pulse numbers (number of pulses per line and per fundamental period) to be relevant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Verfahren so auszugestalten, daß die günstige Auswirkung des Pulsmusters, das nur bei großen Aussteuerungen des Pulswechselrichters angewendet werden soll, auf den Oberschwingungsgehalt der Ausgangsströme des Pulswechselrichters mit der bekannten Eignung der Vektormodulation für die Ansteuerung des Pulswechselrichters für schnelle dynamische Anregelungen kombiniert wird.The invention has for its object the method specified in the introduction To design so that the beneficial effect of the pulse pattern, the can only be used for large pulse inverter outputs should, on the harmonic content of the output currents of the pulse inverter with the known suitability of vector modulation for control of the pulse inverter for fast dynamic Regulations is combined.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. This object is achieved according to the invention by the in claim 1 marked features solved.
Vorteilhafterweise gelingt es durch eine spezielle Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Variante der Vektormodulation, im stationären Fall das bezüglich der Oberschwingungen günstige 3er-Seitenpulsmuster zu erzeugen, ohne die Eignung der Vektormodulation für schnelle dynamische Anregelungen einzuschränken. Hierbei ist der numerische Berechnungsaufwand nicht größer als bei der herkömmlichen Vektormodulation, da je Grundschwingungsperiode nur sechs Zyklen der Vektormodulation, nämlich die sechs Sollvektoren, errechnet werden müssen.A special embodiment of the invention advantageously makes it possible Variant of vector modulation, in the stationary case that to generate favorable 3-way side pulse patterns with regard to harmonics, without the suitability of vector modulation for fast dynamic control restrict. Here is the numerical calculation effort not larger than with conventional vector modulation, since it depends on the fundamental period only six cycles of vector modulation, namely the six target vectors, must be calculated.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung erläutert werden.The invention will be explained below with reference to the drawing.
Es zeigenShow it
Fig. 1 das mit dem Verfahren nach der Erfindung angestrebte 3er-Seitenpulsmuster, Fig. 1, the target with the method of the invention a 3-side pulse pattern,
Fig. 2 eine Realisierung eines Spannungs-Sollvektors durch die herkömmliche Raumzeigermodulation, Fig. 2 shows a realization of a voltage command vector by the conventional space vector modulation,
Fig. 3 eine Realisierung eines Spannungs-Sollvektors durch drei von Null verschiedene Spannungs-Ausgangsvektoren, Fig. 3 shows a realization of a voltage command vector by three non-zero voltage output vectors
Fig. 4 die Bildung der Spannungs-Sollvektoren aus Tripeln von Spannungs-Ausgangsvektoren zur Erzeugung des 3er-Seitenpulsmusters und Fig. 4 shows the formation of the voltage target vectors from triples of voltage output vectors to generate the triple side pulse pattern and
Fig. 5 das 3er-Seitenpulsmuster, wie es mit den Vektoren gemäß Fig. 4 realisiert wird. FIG. 5 shows the triple side pulse pattern as is realized with the vectors according to FIG. 4.
Zum besseren Verständnis des Verfahrens nach der Erfindung soll zunächst das herkömmliche Verfahren der Vektormodulation kurz dargestellt werden.For a better understanding of the method according to the invention should first the conventional method of vector modulation are briefly described.
Fig. 2 zeigt in der üblichen Zwei-Achsen-Darstellung die möglichen Ausgangsspannungen eines dreisträngigen 2-Level-Wechselrichters als Vektoren in der (α,β)-Ebene. Neben der Nullspannung u₀, die gleichermaßen durch Verbinden aller drei Ausgangsstränge des Pulswechselrichters mittels entsprechender Ansteuerung seiner Halbleiterschalter entweder nur mit dem positiven Pol oder nur mit dem negativen Pol der speisenden Gleichspannungsquelle erzeugt werden kann, können 6 verschiedene Spannungsvektoren u i (i = 1 . . . 6) auf den Ausgang des Wechselrichters geschaltet werden. Hierbei sind die tatsächlichen Spannungen i des Wechselrichters durch Fig. 2 shows the possible output voltages in the usual two-axis representation of a three-strand 2-level inverter as vectors in the (α, β) plane. In addition to the zero voltageu₀ that equally through Connect all three output strings of the pulse-controlled inverter by means of appropriate Control of its semiconductor switch either only with the positive pole or only with the negative pole of the supplying DC voltage source 6 different voltage vectors can be generated u i (i = 1... 6) can be switched to the output of the inverter. Here are the actual tensions i of the inverter
so normiert, daß die Längen der normierten Vektoren u i = 1 sind (ud ist die speisende Gleichspannung des Pulswechselrichters, also zum Beispiel die Zwischenkreisspannung in einem Umrichter).standardized so that the lengths of the standardized vectors u i = 1 (u d is the DC supply voltage of the pulse-controlled inverter, for example the DC link voltage in a converter).
Ziel ist es, eine zeitliche Abfolge einer geeigneten Auswahl dieser Spannungsvektoren derart zu bestimmen, daß ein gegebener (entsprechend (1) normierter) Spannungs-Sollwert u in einem vorgegebenen Zeitintervall der Länge TA (Abtastintervall) als Mittelwert am Ausgang des Pulswechselrichters realisiert wird. Unmittelbar einsichtig ist, daß auf diese Weise nur Spannungs-Sollwerte realisiert werden können, die innerhalb oder auf dem Rand des durch die Spannungsvektoren u i aufgespannten Hexagons liegen.The aim is to determine a chronological sequence of a suitable selection of these voltage vectors in such a way that a given (corresponding (1) standardized) voltage setpoint u is realized as a mean value at the output of the pulse-controlled inverter in a predetermined time interval of length T A (sampling interval). It is immediately apparent that only voltage setpoints can be achieved in this way that lie within or on the edge of the hexagon spanned by the voltage vectors u i .
Zur Auswahl geeigneter Spannungsvektoren und zur Berechnung der zugehörigen Schaltzeiten geht man beim bekannten Verfahren so vor, daß unter den möglichen sieben Spannungsvektoren die drei dem jeweiligen Spannungs-Sollvektor u nächst benachbarten Vektoren ausgewählt werden. Im Beispiel der Fig. 2 sind dies die Vektoren u₀, u₁, u₂. Der Spannungsnullvektor u₀ gehört auf diese Weise immer zum Tripel der ausgewählten Vektoren. Für dieses Vektortripel werden zugehörige Schaltzeiten T₀, T₁, T₂ so bestimmt, daßTo select suitable voltage vectors and to calculate the associated switching times, the known method is such that the three vectors closest to the respective desired voltage vector u are selected from the possible seven voltage vectors. In the example of Fig. 2, these are the vectors u ₀, u ₁, u ₂. In this way, the voltage zero vector u ₀ always belongs to the triple of the selected vectors. For this vector triplet associated switching times T₀, T₁, T₂ are determined so that
undand
TA = T₀+T₁+T₂ (3)T A = T₀ + T₁ + T₂ (3)
erfüllt wird. Diese algebraische Forderung kann sehr anschaulich wie in Fig. 2 geometrisch interpretiert werden, wenn man auf die normierten Schaltzeitenis fulfilled. This algebraic requirement can be interpreted geometrically very clearly as in Fig. 2 if one looks at the normalized switching times
übergeht. Für alle Sollvektoren innerhalb oder auf dem Rand der schraffierten Fläche gibt es eine Lösung mit nicht-negativen Zeiten T₀, T₁, T₂. Zusammen mit dem Auswahlverfahren der jeweils an der Realisierung beteiligten Vektoren ist somit sichergestellt, daß jeder beliebige Sollwert, der innerhalb oder auf dem Rand des Hexagons liegt, durch die Vektormodulation realisierbar ist.transforms. For all target vectors inside or on the edge of the hatched Area there is a solution with non-negative times T₀, T₁, T₂. Together with the selection process of each of the realization The vectors involved ensure that any desired value, that is inside or on the edge of the hexagon, through which Vector modulation is feasible.
Obwohl nun die drei Vektoren u₀, u₁, u₂ mit ihren zugehörigen Schaltzeiten T₀, T₁, T₂ festliegen, ist deren zeitliche Reihenfolge innerhalb des Zeitintervalls der Länge TA noch frei. Zusätzliche Freiheitsgrade entstehen durch die zwei möglichen Schaltzustände der Halbleiterschalter bei der Erzeugung des Nullspannungsvektors u₀ = 0 und durch die Möglichkeit, die Zeiten T₀, T₁, T₂ innerhalb des Intervalls TA sogar noch aufzuteilen.Although the three vectors u ₀, u ₁, u ₂ with their associated switching times T₀, T₁, T₂ are fixed, their chronological order within the time interval of length T A is still free. Additional degrees of freedom arise from the two possible switching states of the semiconductor switch when generating the zero voltage vector u ₀ = 0 and by the possibility of even dividing the times T₀, T₁, T₂ within the interval T A.
Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich im stationären, synchronisierten Betrieb: Man nimmt dann in einer geeigneten Weise auf die umzusetzenden Sollvektoren derart Einfluß, daß nur eine ganze Zahl von Sollvektoren je Grundschwingungsperiode entsteht. Durch die Wahl der Sollvektoren und durch ihre im synchronen Betrieb gewünschten Winkellagen im Hexagon entstehen weitere Einflußmöglichkeiten auf das Pulsmuster.Further variation possibilities arise in the stationary, synchronized Operation: One then takes in a suitable way on the ones to be implemented Target vectors influence such that only an integer number of target vectors arises per fundamental period. By choosing the target vectors and by the angular positions desired in synchronous operation in the hexagon there are further possibilities of influencing the pulse pattern.
Durch die Handhabung dieser Variationsmöglichkeiten kann auf die Stromoberschwingungen Einfluß genommen werden und im Einzelfall ein einem off-line optimierten Pulsmuster identisches erzeugt werden.By using these variation options, the current harmonics can be influenced and in individual cases one identical pulse patterns can be generated offline.
Beim mit dem Verfahren nach der Erfindung angestrebten 3er-Seitenpulsmuster sind jedoch folgende Randbedingungen zu beachten: Die hier beschriebene Art der Vektormodulation erzeugt für jeden innerhalb des Hexagons liegenden Spannungs-Sollwert eine Schaltfolge, in der auch der Nullspannungsvektor auftritt. Nur für Sollwerte auf dem Rand des Hexagons werden keine Nullspannungen erzeugt. Das 3er-Seitenpulsmuster ist nun aber so geartet, daß es keine Nullspannungen enthält (siehe Fig. 1). Man kann dieses Pulsmuster durch die eben beschriebene Art der Vektormodulation nur erzeugen, wenn man ausschließlich Sollwerte auf dem Rand des Hexagons vorgibt. Wenn man aber nur Sollvektoren auf dem Rand des Hexagons zuläßt, beraubt man die Regelung der unabhängigen Vorgabe ihrer beiden Stellgrößen, nämlich der beiden Komponenten des Spannungs-Sollzeigers. Durch die fehlende Unabhängigkeit der Spannungskomponenten verschlechtert sich die Dynamik des Regelkreises.In the case of the three-sided pulse pattern sought with the method according to the invention, however, the following boundary conditions must be observed: The type of vector modulation described here generates a switching sequence for each voltage setpoint lying within the hexagon, in which the zero-voltage vector also occurs. No zero voltages are generated only for setpoints on the edge of the hexagon. The triple side pulse pattern is now such that it contains no zero voltages (see Fig. 1). You can only generate this pulse pattern using the type of vector modulation just described if you only specify setpoints on the edge of the hexagon. But if you only allow target vectors on the edge of the hexagon, you are deprived of the control of the independent specification of their two manipulated variables, namely the two components of the voltage target pointer. Due to the lack of independence of the voltage components, the dynamics of the control loop deteriorate.
Der wesentliche Grund, warum das 3er-Seitenpulsmuster mit der üblichen Art der Vektormodulation nur schlecht zu realisieren ist, liegt also, wie erwähnt, in der Verwendung des im 3er-Seitenpulsmuster nicht auftretenden Nullspannungsvektors für alle Sollvektoren, die innerhalb des Hexagons liegen. Dies kann auf das Auswahlverfahren der für die Realisierung eines Sollwerts verwendeten Spannungsvektoren zurückgeführt werden, da der Nullvektor immer einer der drei beteiligten Spannungsvektoren ist. Die Erfindung löst sich daher von diesem Auswahlverfahren. Auf jeden Fall werden jedoch weiterhin drei verschiedene Vektoren verwendet, die aber alle von Null verschieden sein müssen.The main reason why the 3-side pulse pattern with the usual Type of vector modulation is difficult to implement, so lies how mentioned in the use of that which does not occur in the 3-side pulse pattern Zero voltage vector for all target vectors that are within the Hexagons lie. This can affect the selection process for realization used voltage vectors because the zero vector is always one of the three voltage vectors involved is. The invention therefore separates from this selection process. In any case, three different vectors are still used, but they all have to be different from zero.
Fig. 3 zeigt unter dieser Prämisse die Realisierung eines Spannungs-Sollvektors u. Fig. 3 shows under this premise the realization of a voltage target vector u .
Ansatzweise werden zum Beispiel die Spannungs-Ausgangsvektoren u₆, u₁, u₂ ausgewählt. Mit den zugehörigen normierten Pulszeiten τ₆, τ₁, τ₂ ergeben sich mögliche Spannungen nachAppropriately, for example, the voltage output vectors u ₆, u ₁, u ₂ are selected. With the associated standardized pulse times τ₆, τ₁, τ₂ possible voltages result
u = τ₆u₆+τ₁u₁+τ₂u₂ (5) u = τ₆ u ₆ + τ₁ u ₁ + τ₂ u ₂ (5)
wobei die Nebenbedingungenbeing the constraint
τ₆+τ₁+τ₂ = 1, τi < 0 (6)τ₆ + τ₁ + τ₂ = 1, τ i <0 (6)
einzuhalten sind. Stellt man die Gleichung (5) für den Spannungs-Sollwert u in kartesischen (α,β)-Komponenten dar, erhält man die Gleichungenare to be observed. Representing equation (5) for the voltage setpoint u in Cartesian (α, β) components gives the equations
Die Auflösung der Gleichungen (6) und (7) nach den Pulszeiten τ₆, τ₁ τ₂ für einen gegebenen Spannungssollwert u = (uα, uβ) ergibtThe resolution of equations (6) and (7) after the pulse times τ₆, τ₁ τ₂ for a given voltage setpoint u = (u α , u β ) results
Durch geometrische oder algebraische Betrachtungen erkennt man schnell, daß sich mit der getroffenen Auswahl der drei Spannungsvektoren u₆, u₁, u₂ alle Sollvektoren der kreuzweise schraffierten Fläche in Fig. 3 realisieren lassen.Geometric or algebraic considerations quickly reveal that with the selection of the three voltage vectors u ₆, u ₁, u ₂ all desired vectors of the cross-hatched area in FIG. 3 can be realized.
Mit anderen Tripeln jeweils benachbarter Vektoren wie (u₁, u₂, u₃), (u₂, u₃, u₄) usw. erhält man jeweils gedrehte Flächen von realisierbaren Sollvektoren, für die man ebenso die entsprechenden Pulszeiten bestimmen kann. Beispielsweise erhält man für das Vektortripel (u₁, u₂, u₃) ausgehend von den GleichungenWith other triples of adjacent vectors such as ( u ₁, u ₂, u ₃), ( u ₂, u ₃, u ₄) etc., each gives rotated surfaces of realizable target vectors, for which one can also determine the corresponding pulse times. For example, one obtains for the vector triplet ( u ₁, u ₂, u ₃) based on the equations
und der Nebenbedingungand the constraint
τ₁+τ₂+τ₃ = 1 (10)τ₁ + τ₂ + τ₃ = 1 (10)
die Pulszeitenthe pulse times
Vereinigt man die durch die jeweiligen Vektortripel realisierbaren Dreiecksflächen, erhält man im Gegensatz zu der herkömmlichen Vektormodulation nicht die gesamte Fläche des Hexagons, sondern nur den in Fig. 3 schraffierten Teil. Spannungs-Sollvektoren mit einem normierten Betrag kleiner als 1/2 können mit dieser Art der Vektormodulation also nicht realisiert werden. Jeder Vektor, der innerhalb oder auf dem Rand des Hexagons liegt und einen normierten Betrag größer als besitzt, ist jedoch realisierbar. Bei Vektoren mit Beträgen zwischen 1/2 und ist es von der Winkellage abhängig, ob sie realisierbar sind.If the triangular surfaces that can be realized by the respective vector triples are combined, in contrast to the conventional vector modulation, the entire surface of the hexagon is not obtained, but only the part hatched in FIG. 3. Voltage target vectors with a normalized amount less than 1/2 cannot be realized with this type of vector modulation. However, any vector that lies within or on the edge of the hexagon and has a normalized amount greater than is realizable. For vectors with amounts between 1/2 and, it depends on the angular position whether they can be realized.
Anders als bei der herkömmlichen Vektormodulation, bei der keine Mehrdeutigkeiten existieren, gibt es durch die Überlappung der einzelnen realisierbaren Dreiecksflächen für eine Teilmenge von Sollvektoren mehrere Realisierungsmöglichkeiten.Unlike with conventional vector modulation, in which there are no ambiguities exist, there is by the overlap of the individual feasible triangular surfaces for a subset of target vectors several Realization options.
Neben dieser Mehrdeutigkeit für die Auswahl geeigneter Vektortripel existieren wie bei der herkömmlichen Vektormodulation auch bei der neuen Variante noch weitere Freiheitsgrade, wie Zahl und Winkellage der Sollvektoren im stationären Betrieb und Reihenfolge der ausgewählten Spannungsvektoren in einem Abtastintervall. Über diese Freiheitsgrade muß nun zur Erstellung des angestrebten 3er-Seitenpulsmusters geeignet verfügt werden.In addition to this ambiguity for the selection of suitable vector triples exist in the same way as with conventional vector modulation new variant even more degrees of freedom, such as number and angular position the target vectors in stationary operation and the order of the selected ones Voltage vectors in one sampling interval. About these degrees of freedom must now to create the desired 3-side pulse pattern appropriately.
Zunächst wird die Mehrdeutigkeit in der Zuordnung mehrerer Auswahlmöglichkeiten von Vektortripeln zu einem gegebenen Spannungs-Sollvektor durch eine eindeutige Auswahlvorschrift eingeengt. First, the ambiguity in assigning multiple choices vector triples to a given voltage target vector restricted by a clear selection rule.
Dies geschieht durch Zuordnung der Spannungs-Sollvektoren abhängig von ihrem Winkel zur α-Achse zu definierten Winkelbereichen und der Festlegung eines Tripels von Ausgangsvektoren für jeweils einen Winkelbereich. Es werden sechs gleichgroße, unmittelbar aneinander anschließende, also jeweils 60° umfassende Winkelbereiche gewählt. Der Bereich 1 wird hier - willkürlich - festgelegt zwischen -30° und +30° der α-Achse. Die anderen Bereiche werden im mathematisch positiven Sinne weitergezählt, wie das in Fig. 4 gezeigt ist.This is done by assigning the voltage target vectors depending on their angle to the α-axis to defined angular ranges and by defining a triple of output vectors for each angular range. Six equally large, directly adjoining, i.e. 60 ° angle ranges are selected. Range 1 is - arbitrarily - defined between -30 ° and + 30 ° of the α-axis. The other areas are counted further in a mathematically positive sense, as shown in FIG. 4.
Liegt nun z. B. ein Sollvektor im Bereich 1 - bildet er also zur α-Achse einen Winkel im Bereich von -30° bis +30° - wird zu seiner Realisierung das Vektortripel u₆, u₁, u₂ festgelegt, auch wenn im Einzelfall eine Realisierung ebenso durch die Tripel u₅, u₆, u₁ oder u₁, u₂, u₃ möglich wäre. Entsprechend wird die Auswahl der Vektortripel für die anderen Bereiche festgelegt.Is now z. B. a target vector in the range 1 - it forms an angle in the range of -30 ° to + 30 ° to the α-axis - the vector triplet u ₆, u ₁, u ₂ is determined for its implementation, even if in individual cases a realization also by the triples u ₅, u ₆, u ₁ or u ₁, u ₂, u ₃ would be possible. The selection of the vector triples for the other areas is determined accordingly.
Über die Formulierung der Geradengleichungen der Winkelbereichsgrenzen in der (α,β)-Ebene gelangt man zu algebraischen Bedingungen, die direkt die Zuordnung eines Spannungs-Sollvektors zu einem Winkelbereich in Abhängigkeit seiner Komponenten uα, uβ angeben. Es müssen die Vorzeichen der drei in der nachfolgenden Tabelle 1 angegebenen algebraischen Terme bestimmt werden, woraus sich unmittelbar die Zuordnung des Sollvektors zu einem Winkelbereich ergibt. Die explizite Bestimmung des Winkels eines Sollvektors ist dadurch nicht notwendig.The formulation of the straight line equations of the angular range boundaries in the (α, β) plane leads to algebraic conditions which directly indicate the assignment of a voltage target vector to an angular range depending on its components u α , u β . The signs of the three algebraic terms given in Table 1 below must be determined, which immediately results in the assignment of the target vector to an angular range. This means that the explicit determination of the angle of a target vector is not necessary.
Da es insgesamt acht Zuordnungsfälle aber nur sechs Winkelbereiche gibt, ist zwei Fällen kein Bereich zugeordnet. Diese Fälle können aber ohnehin nicht eintreten, da in diesen Fällen die Vorzeichen der drei Terme zueinander im Widerspruch stehen.Since there are a total of eight assignment cases but only six angular ranges, no area is assigned to two cases. However, these cases can anyway do not occur, because in these cases the signs of the three terms to each other To be in contradiction with.
Die zeitliche Abfolge der ausgewählten Spannungs-Ausgangsvektoren wird nun derart festgelegt, daß diese der Drehrichtung zweier aufeinanderfolgender Spannungs-Sollvektoren gleich ist. Drehen sich die Sollvektoren von Schritt zu Schritt der Vektormodulation im mathematisch positiven Sinn, soll beispielsweise im Winkelbereich 1 die zeitliche Reihenfolge u₆, u₁, u₂ und bei negativer Drehrichtung die Reihenfolge u₂, u₁, u₆ festgelegt werden. Das für jeden Bereich gültige Vektortripel und die zeitliche Reihenfolge der einzelnen Vektoren ist bei dieser Festlegung der Tabelle 2 zu entnehmen:The time sequence of the selected voltage output vectors is now determined such that it is the same as the direction of rotation of two successive voltage target vectors. If the target vectors rotate from step to step of vector modulation in a mathematically positive sense, the time sequence u bereich, u ₁, u ₂ and the sequence u ₂, u ₁, u ₆ should be defined, for example, in the angular range 1. The vector triple valid for each area and the chronological order of the individual vectors can be found in Table 2:
Zusätzlich sind in dieser Tabelle die jeweils gültigen Beziehungen für die Berechnung der normierten Schaltzeiten angegeben, wie sie mit den Gleichungen (8) und (11) für die Zeitbereiche 1 und 2 bereits hergeleitet wurden. Für die anderen Zeitbereiche sind die Schaltzeiten durch die Ausnutzung von Symmetrien leicht abzuleiten.In addition, the relationships that are valid for the Calculation of the normalized switching times indicated, as with the equations (8) and (11) for time periods 1 and 2 have already been derived. For the other time ranges are the switching times by using Easily derive symmetries.
Für jeden beliebigen Spannungs-Sollvektor liegen jetzt mit den Tabellen 1 und 2 die auszuwählenden Ausgangsvektoren mit den jeweiligen Schaltzeiten fest.Tables 1 are now available for any desired voltage vector and 2 the output vectors to be selected with the respective switching times firmly.
Um ein mit der Grundfrequenz synchronisiertes Pulsmuster zu erzeugen, muß die Zahl und die Winkellage der Sollvektoren im stationären Betrieb festgelegt werden. Dies erreicht man, indem die der Vektormodulation vorgegebene Abtastzeit TA entsprechend der Grundfrequenz variiert wird. Zweckmäßigerweise wird man eine derartige Verstellung der Abtastzeit in Form einer Regelschleife ähnlich einer phasenstarren Kopplung aufbauen, was jedoch hier nicht weiter ausgeführt wird.In order to generate a pulse pattern synchronized with the fundamental frequency, the number and the angular position of the target vectors must be determined in stationary operation. This is achieved by varying the sampling time T A predetermined for the vector modulation in accordance with the fundamental frequency. It is expedient to set up such an adjustment of the sampling time in the form of a control loop similar to a phase-locked coupling, but this will not be explained further here.
Um ein 3er-Seitenpulsmuster zu erzeugen, werden nun als spezielle Ausgestaltung des beschriebenen Verfahrens zusammen mit den vorangegangenen Festlegungen in jeder Grundschwingungsperiode genau sechs Spannungs-Sollvektoren mit konstantem Betrag vorgegeben, wobei deren Winkel mit der α-Achse jeweils 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300° sein sollen. Dadurch wird in der Mitte jedes der sechs Winkelbereiche genau ein Spannungs-Sollvektor plaziert, wie dieses aus Fig. 4 ersichtlich ist.In order to generate a triple side pulse pattern, as a special embodiment of the described method, together with the previous definitions, exactly six voltage target vectors with a constant amount are specified in each fundamental oscillation period, the angles of which are 0 °, 60 °, 120 with the α-axis °, 180 °, 240 °, 300 °. As a result, exactly one desired voltage vector is placed in the middle of each of the six angular ranges, as can be seen from FIG. 4.
Jetzt soll verifiziert werden, daß mit den getroffenen Verfügungen tatsächlich das gewünschte 3er-Seitenpulsmuster erzeugt wird. Dazu ist in Fig. 5 das angestrebte Pulsmuster für positive Drehrichtung (siehe Fig. 1) zusammen mit den den jeweiligen Schaltzuständen des Pulswechselrichters zugeordneten Ausgangs-Spannungsvektoren dargestellt. Wird nun genau je ein Spannungs-Sollvektor in jedem der Winkelbereiche 1 bis 6 vorgegeben, kann man anhand der Tabelle 2 bzw. der Fig. 4 nachvollziehen, daß die gleiche Reihenfolge der Schaltzustände wie beim 3er-Seitenpulsmuster entsteht. Ob nun aber die Schaltzeiten (Pulszeiten) auch die gewünschten Symmetrien aufweisen, kann durch diese Betrachtung noch nicht festgestellt werden. Dazu werden jetzt die Spannungs-Sollvektoren in den notwendigen Winkellagen mit einem konstanten Betrag a vorgegeben. Die Komponenten des Spannungs-Sollvektors mit einem Winkel von 0° (Winkelbereich 1) lautenNow it should be verified that the desired 3-sided pulse pattern is actually generated with the dispositions made. To this end, in Fig. 5 the desired pulse pattern of positive direction (see FIG. 1) is shown associated with the respective switching states of the pulse inverter output voltage vectors. If exactly one voltage target vector is specified in each of the angular ranges 1 to 6, it can be seen from Table 2 and Fig. 4 that the same sequence of switching states as in the 3-sided pulse pattern occurs. However, it cannot be determined from this consideration whether the switching times (pulse times) also have the desired symmetries. For this purpose, the voltage target vectors are now specified in the necessary angular positions with a constant amount a. The components of the voltage target vector are at an angle of 0 ° (angular range 1)
Folglich ergeben sich nach der Tabelle 2 im Zeitbereich 1 die SchaltzeitenAs a result, the switching times result in time range 1 according to Table 2
Die Schaltzeiten τ₆ = τ₂ geben die Dauer des sogenannten Seitenpulses an, der also an beiden Seiten des 3er-Pulsmusters gleich lang ausfällt. Als weitere Kontrolle soll der um 60° gedrehte Spannungs-Sollvektor aus dem Winkelbereich 2 mit den KomponentenThe switching times τ₆ = τ₂ indicate the duration of the so-called side pulse, which is the same length on both sides of the triple pulse pattern. When the voltage setpoint vector rotated by 60 ° from the Angular range 2 with the components
in die betreffenden Formeln der Tabelle 2 eingesetzt werden. Es ergeben sichcan be used in the relevant formulas in Table 2. Result it yourself
Es werden also die gleichen Schaltzeiten für die Seitenpulse wie im Zeitbereich 1 bestimmt. Für die anderen Zeitbereiche ergeben sich ebenso diese Werte. Damit ist nachgewiesen, daß das entstehende Pulsmuster nicht nur qualitativ die gleichen Reihenfolgen von Schaltzuständen erzeugt wie das 3er-Seitenpulsmuster, sondern im stationären Fall auch die gewünschten Pulsmustersymmetrien aufweist (siehe auch Fig. 4).The same switching times for the side pulses as in time range 1 are therefore determined. These values also result for the other time periods. This proves that the resulting pulse pattern not only produces the same sequence of switching states in terms of quality as the triple side pulse pattern, but also has the desired pulse pattern symmetries in the stationary case (see also FIG. 4).
Für einen steigenden Betrag der Spannungs-Sollvektoren werden die Seitenpulse immer schmaler und fallen für den maximalen Betrag a = 1 ganz weg, womit automatisch ein Übergang in die Blocktaktung erfolgt.The side pulses are used for an increasing amount of the voltage target vectors getting narrower and falling for the maximum amount a = 1 completely away, which automatically leads to a transition to block timing.
Der im stationären Betrieb kleinste realisierbare Betrag des Spannungs- Sollvektors ist 1/2. Für Spannungs-Sollvektoren mit kleinerem Betrag muß die herkömmliche Vektormodulation verwendet werden. Dies stellt aber keine wesentliche Einschränkung bei dem Betrieb eines Pulswechselrichters dar, da man die Umschaltung zu dem 3er-Seitenpulsmuster ohnehin erst bei großer Aussteuerung des Pulswechselrichters, also bei normierten Beträgen von 0,8 . . . 0,9 vornehmen wird.The smallest realizable amount of voltage in stationary operation The target vector is 1/2. For voltage target vectors with a smaller amount must the conventional vector modulation can be used. But this poses no significant restriction when operating a pulse-controlled inverter because you have to switch to the 3-sided pulse pattern anyway with large control of the pulse-controlled inverter, i.e. with standardized amounts of 0.8. . . 0.9 will make.
Es soll betont werden, daß sich zwar im stationären Zustand mit der neuartigen Vektormodulation genau das gewünschte 3er-Seitenpulsmuster ergibt, daß aber dennoch bei dynamischen Vorgängen sofort beliebige andere Spannungs-Sollvektoren aus der in Fig. 3 dargestellten Menge (schraffierter Bereich) realisiert werden können, wenn dies von der Regelung angefordert wird. Während derartiger stationärer Vorgänge darf natürlich nicht mehr die oben nachgewiesene stationäre Symmetrie des Pulsmusters erwartet werden. Dann verschieben sich die einzelnen Schaltzeitpunkte den dynamischen Anforderungen entsprechend. Sofern auch bei instationären Vorgängen noch genau ein Spannungs-Sollvektor in jeden Winkelbereich fällt, ist aber sichergestellt, daß jeder Strang des Pulswechselrichters bei einem Umlauf der Spannungs-Sollvektoren wie im stationären Fall genau dreimal pulst. Werden aber Zeitbereiche übersprungen oder mehrfach hintereinander durch Spannungs-Sollvektoren getroffen, ergeben sich andere Pulszahlen.It should be emphasized that although the novel vector modulation produces exactly the desired 3-way side pulse pattern in the stationary state, any desired voltage target vectors can nevertheless be immediately realized from the set (hatched area) shown in FIG. 3 in dynamic processes if this is required by the regulation. During such stationary processes, the stationary symmetry of the pulse pattern demonstrated above can of course no longer be expected. Then the individual switching times shift according to the dynamic requirements. If exactly one voltage setpoint vector also falls within each angular range even in the case of non-steady-state processes, it is ensured, however, that each string of the pulse-controlled inverter pulses exactly three times when the voltage setpoint vectors circulate, as in the stationary case. However, if time ranges are skipped or hit several times in succession by target voltage vectors, different pulse numbers result.
Claims (4)
daß die möglichen Spannungs-Sollvektoren in sechs, jeweils 60° umfassende Winkelbereiche derart eingeteilt werden, daß die Ausgangsspannungsvektoren des Wechselrichters jeweils symmetrisch in der Mitte der Bereiche liegen,
und daß abhängig von dem jeweiligen Winkelbereich, in dem der jeweils vorgegebene Spannungs-Sollvektor liegt, der Ausgangs-Spannungsvektor in der Mitte des jeweiligen Winkelbereichs und die beiden jeweils benachbarten, von Null verschiedenen Ausgangs-Spannungsvektoren zur Realisierung des Spannungs-Sollvektors herangezogen werden.2. The method according to claim 1, characterized in that
that the possible voltage target vectors are divided into six angular ranges, each comprising 60 °, such that the output voltage vectors of the inverter are each symmetrically in the middle of the ranges,
and that depending on the respective angular range in which the respectively predetermined voltage target vector lies, the output voltage vector in the middle of the respective angular range and the two respectively adjacent, non-zero output voltage vectors are used to implement the voltage target vector.
daß die zeitliche Reihenfolge der drei gewählten Ausgangs-Spannungsvektoren innerhalb des Zeitintervalls TA abhängig von der Drehrichtung aufeinanderfolgender Spannungs-Sollvektoren derart gewählt wird,
daß beim Fortschreiten der Winkel zweier aufeinanderfolgender Spannungs-Sollvektoren in positiver Winkelzählrichtung von den drei gewählten Ausgangs-Spannungsvektoren derjenige zuerst geschaltet wird, der im Sinne der Winkelzählrichtung vor den beiden anderen liegt, und daß dann die um 60° und um 120° in positiver Zählrichtung gegenüber dem ersten Ausgangs-Spannungsvektor gedrehten Ausgangs- Spannungsvektoren folgen,
und daß beim Fortschreiten der Winkel zweier aufeinanderfolgender Spannungs-Sollvektoren in negativer Winkelzählrichtung die umgekehrte Reihenfolge gewählt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that
that the chronological order of the three selected output voltage vectors within the time interval T A is selected as a function of the direction of rotation of successive voltage target vectors,
that when the angle of two successive voltage target vectors progresses in the positive angle counting direction, of the three selected output voltage vectors, the one which is ahead of the other two in the sense of the angle counting direction is switched first, and then that by 60 ° and 120 ° in the positive counting direction output voltage vectors rotated relative to the first output voltage vector,
and that when the angle of two successive voltage target vectors progresses in the negative angle counting direction, the reverse order is selected.
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