WO2010000548A2 - Verfahren und vorrichtung zur optimierung einer raumzeigerpulsweitenmodulation - Google Patents

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    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to a method for optimizing a space vector pulse width modulation in which a voltage is switched to a load by combining discrete switching states of a plurality of switches for driving the load, wherein the load is de-energized by two of the switching states and an apparatus for performing the method ,
  • the "Space Vector Pulse Width Modulation" (SVPWM) is often used, which on the one hand enables a relatively good drive rate and on the other hand is relatively easy to implement
  • the signals between the three half bridges are phase shifted by 120 °
  • the three half bridges contain six switches with 8 permissible discrete switching states which output periodic signals Six of the switching states are active, ie they carry a voltage Zero vectors denote and do not conduct voltage to the load.
  • the maximum drive level of the inverter which is controlled by the SVPMW method, is limited by a non-ideal hardware. So that the course of the switched voltage can follow the drive signal, is in real circuit breakers a minimum time interval t M ⁇ n between two switching operations of the same switch required, causing the maximum Aus confuseungsgrad A Max
  • the invention has for its object to provide a method for optimizing the space vector pulse width modulation, in which the maximum Aus confusegrad is increased.
  • An essential aspect of the invention is that one of the two voltage-free switching switching states in the form of the zero pointer is eliminated. This has the advantage that a switch is not switched, which eliminates a switch-on and a switch-off. This increases the maximum modulation rate A Ma ⁇ Neu
  • the de-energized switching state is extended at the beginning and at the end of each PWM period by the time that the de-energized switching state (zero-phasor) would have needed in the middle of the PWM period.
  • the minimum distance between two switching operations of the same switch is determined by the switch-on and the subsequent switch-off or vice versa, which in turn is given by the real hardware used and their switching speeds, since the switching speed can not be set infinitesimally short.
  • a device for optimizing a space vector pulse width modulation in which a voltage is switched to a load by discrete switching states of multiple switches are combined to drive the load, the load is de-energized by two of the switching states, with the help of the maximum Aus Kunststoffgrad be increased should, means are present which suppress at least one of the voltage-free switching switching states during a pulse width modulation period.
  • the times are calculated in accordance with the space vector pulse width modulation SVPMW and then either always or only when the previously achievable maximum modulation level of the zero pointers in the middle of a PWM period is omitted and its duration is added to the zero pointer at the beginning and at the end of the PWM period.
  • the maximum attainable Aus Kunststoffgrad increases.
  • the switching losses are reduced by one third.
  • the second case it is ensured that this behavior remains unchanged in the previously achievable taxation area.
  • Figure 1 3-phase inverter for controlling a
  • FIG. 2 Table with switching states of the switches used in the inverter according to FIG. 1
  • FIG. 1 shows an induction machine 1, which is connected to a control unit 2, which regulates the torque m or the speed n of the induction machine 1.
  • the induction machine 1 is connected to a 3-phase inverter 3 as a power part, which three half-bridges T1, T4; T2, T5 and T3, T6. Each half bridge is with a strand of
  • Induction machine 1 connected.
  • the strand 1 of the induction machine 1 is connected to the half-bridge T1, T4 of the inverter 3.
  • Strand 2 of the induction machine 1 is located on the half-bridge T2, T4, while the strand 3 leads to the half-bridge T3, T6.
  • FIG. 3 shows, by way of example, the drive signals for the three power semiconductors T1, T2 and T3 arranged in the bridge branches at the top.
  • the drive signals for the three lower power semiconductors T4, T5 and T6 result from the inversion of the signals shown.
  • T 0 , T k and T k + i are calculated by the method of the space vector pulse width modulation (SVPWM method) by the control unit 2, wherein T 0 stands for the activation of a zero pointer.
  • the PWM period is shown in Figure 3, is set by the power semiconductor T1, a null pointer for the period of 2 * (T 0/4 ).
  • the power semiconductor T2 is + i 0/2 are activated for a period of Tk + T during which the power semiconductor T3 k for the time period T + T + T + k is actively switched 0/2 i.
  • a zero pointer for the period each of T 0/4 is switched.
  • the zero pointer now disappears in the middle of the PWM period. In one embodiment, this is only done when the desired Ausberichtgrad achievable with the previous method
  • Tax level exceeds.
  • the zero pointer is either either always or only extended if the previous maximum Aus Kunststoffgrades at the beginning and end of each PWM period.
  • a control of the power semiconductor T1 is dispensed with.
  • the time duration for the drive signal for the power semiconductor T2 is now T k + i, while the time duration for the power semiconductor T 3 in this embodiment is T k + i + T k .
  • the control with the null pointer at the beginning and end of the PWM period is respectively T 0/2 and is thus twice as big as in the example of Figure 3.
  • the maximum modulation depth A Ma Xnew increased according to Equation 2, since the power switch T1 was not addressed and eliminates an on and off sequence. The previously non-adjustable operating range is thereby halved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Raumzeigerpulsweitenmodulation, bei welchem eine Spannung (Uz) an eine Last (1) geschaltet wird, indem diskrete Schaltzustände von mehreren Schaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6) zur Ansteuerung der Last (1) kombiniert werden, wobei die Last (1) durch zwei der Schaltzustände (0, 7) spannungsfrei geschaltet wird. Bei einem Verfahren, bei welchem der maximale Ansteuergrad erhöht wird, entfällt während einer Pulsweitenmodulationsperiode mindestens einer der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände (0, 7).

Description

Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung einer Raumzeigerpulsweitenmodulation
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Raumzeigerpulsweitenmodulation, bei welchem eine Spannung an eine Last geschaltet wird, indem diskrete Schaltzustände von mehreren Schaltern zur Ansteuerung der Last kombiniert werden, wobei die Last durch zwei der Schaltzustände spannungsfrei geschaltet wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zum Betrieb von Drehfeldmaschinen wird häufig die „Space Vector Pulse Width Modulation" (Raumzeigerpulsweitenmodulation) SVPWM eingesetzt, die einerseits einen relativ guten Ansteuergrad ermöglicht und andererseits relativ einfach zu realisieren ist. Insbesondere werden dabei die Ansteuersignale für die drei Halbbrücken, die zum Betrieb einer Drehfeldmaschine notwendig sind, generiert. Die Signale zwischen den drei Halbbrücken sind um 120° phasenverschoben. Die drei Halbbrücken enthalten sechs Schalter mit 8 zulässigen diskreten Schaltzuständen, die periodische Signale ausgeben. Sechs der Schaltzustände sind aktiv, d.h. sie führen eine Spannung. Zwei Schaltzustände werden als Nullvektoren bezeichnet und leiten keine Spannung an die Last.
Der maximale Ansteuergrad des Wechselrichters, welcher durch das SVPMW - Verfahren angesteuert wird, wird durch eine nicht ideale Hardware begrenzt. Damit der Verlauf der geschalteten Spannung dem Ansteuersignal folgen kann, ist bei realen Leistungsschaltern ein minimaler zeitlicher Abstand tMιn zwischen zwei Schaltvorgängen des gleichen Schalters erforderlich, wodurch sich der maximale Aussteuerungsgrad AMax zu
Aiviax = (TpwM — 2 * .Min) / TpwM (1 )
verringert.
Ein Nullzeiger, der für eine sehr kurze Zeit anliegen soll, die kleiner als .Mm ist, kann nicht mehr eingestellt werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung der Raumzeigerpulsweitenmodulation anzugeben, bei welchem der maximale Aussteuergrad erhöht wird.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass einer der beiden spannungsfrei schaltenden Schaltzustände in Form des Nullzeigers entfällt. Dies hat den Vorteil, dass ein Schalter nicht geschaltet wird, wodurch ein Einschalt- und ein Ausschaltvorgang entfallen. Damit erhöht sich der maximale Aussteuergrad AMaχNeu
AMax Neu = (TpwM — tMm) / TpwM (2)
Vorteilhafterweise entfällt der spannungsfrei schaltende Schaltzustand in der Mitte der PWM-Periode. Der spannungsfrei schaltende Schaltzustand wird am Beginn und am Ende jeder PWM-Periode entsprechend um die Zeit verlängert, welche der spannungsfrei schaltende Schaltzustand (Nullzeiger) in der Mitte der PWM-Periode benötigt hätte. Der minimale Abstand zwischen zwei Schaltvorgängen des gleichen Schalters wird von dem Einschaltvorgang und dem darauf folgenden Ausschaltvorgang oder umgekehrt bestimmt, was wiederum durch die verwendete reale Hardware und deren Schaltgeschwindigkeiten vorgegeben wird, da die Schaltgeschwindigkeit nicht infinitesimal kurz eingestellt werden kann.
Bei einer Vorrichtung zur Optimierung einer Raumzeigerpulsweitenmodulation, bei welchem eine Spannung an eine Last geschaltet wird, indem diskrete Schaltzustände von mehreren Schaltern zur Ansteuerung der Last kombiniert werden, wobei die Last durch zwei der Schaltzustände spannungsfrei geschaltet wird, mit deren Hilfe der maximale Aussteuergrad erhöht werden soll, sind Mittel vorhanden, die während einer Pulsweitenmodulationsperiode mindestens einen der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände unterdrücken.
Es werden zunächst die Zeiten gemäß der Raumzeigerpulsweitenmodulation SVPMW berechnet und dann entweder immer oder nur bei Überschreitung des bisher erzielbaren maximalen Aussteuergrades der Nullzeiger in der Mitte einer PWM-Periode weggelassen und dessen Zeitdauer dem Nullzeiger zu Beginn und am Ende der PWM-Periode hinzugefügt. In beiden Fallen erhöht sich der maximal erzielbare Aussteuergrad. Im ersten Fall werden die Schaltverluste um ein Drittel verringert. Dagegen ist im zweiten Fall sichergestellt, das dass Verhalten im bisher erzielbaren Aussteuerbereich unverändert bleibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsbeispiele zu. Eines davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt: Figur 1 : 3-phasiger Wechselrichter zur Ansteuerung einer
Drehfeldmaschine
Figur 2: Tabelle mit Schaltzuständen der im Wechselrichter nach Figur 1 verwendeten Schalter
Figur 3: Ansteuersignale für die Schalter T1 , T2, und T3 nach dem
Stand der Technik
Figur 4: Ansteuersignale für die Schalter T1 , T2 und T3 nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Drehfeldmaschine 1 , die mit einem Steuergerät 2 verbunden ist, welches das Drehmoment m oder die Drehzahl n der Drehfeldmaschine 1 regelt. Darüber hinaus ist die Drehfeldmaschine 1 mit einem 3-phasigen Wechselrichter 3 als Leistungsteil verbunden, welcher drei Halbbrücken T1 , T4; T2, T5 und T3, T6 aufweist. Jede Halbbrücke ist mit einem Strang der
Drehfeldmaschine 1 verbunden. So ist der Strang 1 der Drehfeldmaschine 1 mit der Halbbrücke T1 , T4 des Wechselrichters 3 verbunden. Strang 2 der Drehfeldmaschine 1 liegt auf der Halbbrücke T2, T4, während der Strang 3 auf die Halbbrücke T3, T6 führt.
Für die sechs als Leistungshalbleiter ausgebildeten Schalter T1 , T2, T3, T4, T5 und T6 gibt es acht zulässige Zustände, davon sind 6 aktive Zustände, was bedeutet, dass bei diesen Schaltzuständen eine Spannung an den einzelnen Strängen der Drehfeldmaschine 1 anliegt. Die genauen diskreten Schaltzustände und die jeweils an den Strängen 1 bis 3 anliegenden periodischen Spannungssignale sind der Tabelle der Figur 2 zu entnehmen. Die Spannungen an den Strängen 1 bis 3 sind um 120° phasenverschoben. In der Tabelle sind ebenfalls die „Space Vectoren" (Raumzeiger) angegeben, wie sie nach der „Space Vector Pulse Width Modulation" Anwendung finden. Neben den sechs aktiven Zuständen sind noch zwei Nullzustände 0 und 7 aufgezeigt, die als Nullvektoren bezeichnet werden und welche keine Spannung an die Stränge 1 bis 3 der Drehfeldmaschine 1 liefern.
Um einen gewünschten Spannungszeiger einstellen zu können, wird nun während einer PWM-Periode für eine Zeit Tkein aktiver Zustand und für die Zeit Tk+i ein benachbarter aktiver Zustand eingestellt, so dass zwischen diesen beiden Zuständen nur ein Schalter eingeschaltet und ein Schalter ausgeschaltet werden muss. Für die übrige Zeit wird ein Nullvektor eingestellt. In Figur 3 sind beispielhaft die Ansteuersignale für die drei, sich in den Brückenzweigen oben angeordneten Leistungshalbleiter T1 , T2 und T3 dargestellt. Die Ansteuersignale für die drei unteren Leistungshalbleiter T4, T5 und T6 ergeben sich durch die Invertierung der dargestellten Signale.
Häufig muss zwischen den Ansteuersignalen noch eine Verriegelungszeit eingehalten werden, die verhindern soll, dass während des Schaltvorganges aufgrund endlicher Schaltzeiten kurzzeitig zwei der als Leistungshalbleiter ausgebildeten Schalter leiten. Daher wird nach dem Ausschalten des oberen Leistungshalbleiters der untere Leistungshalbleiter erst um die Verriegelungszeit verzögert eingeschaltet und ebenso nach dem Ausschalten des unteren Halbleiters der obere verzögert eingeschaltet.
Die Zeiten T0, Tk und Tk+i werden mit dem Verfahren der Raumzeigerpulsweitenmodulation (SVPWM-Verfahren) durch das Steuergerätes 2 berechnet, wobei T0 für die Ansteuerung eines Nullzeigers steht. Nach dem Stand der Technik, dessen PWM-Periode in Figur 3 dargestellt ist, wird durch den Leistungshalbleiter T1 ein Nullzeiger für die Zeitdauer von 2 * (T0/ 4) eingestellt. Der Leistungshalbleiter T2 wird für eine Zeitdauer von Tk+i + T0/ 2 angesteuert, während der Leistungshalbleiter T3 für die Zeitdauer Tk + Tk+i + T0/ 2 aktiv geschaltet wird. Zu Beginn und am Ende der PWM- Periode wird ein Nullzeiger für den Zeitraum jeweils von T0/ 4 geschaltet.
Bei einer PWM-Periodendauer von beispielsweise 100 μs und einem minimalen zeitlichen Abstand von 2 μs zwischen zwei Schaltvorgängen ergibt sich nach dem Stand der Technik somit ein maximaler Ansteuergrad von 96%, berechnet nach Gleichung 1.
Wie aus Figur 4 entnehmbar ist, entfällt nun der Nullzeiger in der Mitte der PWM-Periode. In einer Ausgestaltung wird dies erst dann gemacht, wenn der gewünschte Aussteuergrad den mit dem bisherigen Verfahren erzielbaren
Aussteuergrad übersteigt. Dafür wird der Nullzeiger wahlweise entweder immer oder nur bei Überschreitung des bisherigen maximalen Aussteuergrades zu Beginn und Ende jeder PWM-Periode verlängert. Dies führt zu modifizierten Ansteuersignalen. So wird auf eine Ansteuerung des Leistungshalbleiters T1 verzichtet. Die Zeitdauer für das Ansteuersignal für den Leistungshalbleiter T2 beträgt nun Tk+i, während die Zeitdauer für den Leistungshalbleiter T3 bei dieser Ausführung Tk+i + Tk beträgt. Die Ansteuerung mit dem Nullzeiger zu Beginn und zum Ende der PWM-Periode beträgt jeweils T0/2 und ist somit doppelt so groß wie bei dem Beispiel nach Figur 3. Damit erhöht sich der maximale Aussteuergrad AMaxNeu gemäß Gleichung 2, da der Leistungsschalter T1 nicht angesteuert wurde und eine Ein- und Ausschaltsequenz entfällt. Der bisher nicht einstellbare Betriebsbereich wird dadurch halbiert.
So ergibt sich bei einer PWM-Periodendauer von 100 μs und einem minimalen zeitlichen Abstand von 2 μs zwischen zwei Schaltvorgängen ein maximaler
Aussteuergrad AMaxNeu von 98%, d.h. der nicht einstellbare Bereich halbiert sich gegenüber dem Verfahren nach dem Stand der Technik.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Optimierung einer Raumzeigerpulsweitenmodulation, bei welchem eine Spannung (Uz) an eine Last (1 ) geschaltet wird, indem diskrete Schaltzustände von mehreren Schaltern (T1 , T2, T3, T4, T5, T6) zur Ansteuerung der Last (1 ) kombiniert werden, wobei die Last (1 ) durch zwei der Schaltzustände (0, 7) spannungsfrei geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Pulsweitenmodulationsperiode mindestens einer der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände (0, 7) entfällt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der spannungsfrei schaltende Schaltzustand (0, 7) in der Mitte einer Pulsweitenmodulationsperiode entfällt.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der spannungsfrei schaltende Schaltzustand (0, 7) an mindestens einem Ende der Pulsweitenmodulationsperiode verlängert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Abstand zwischen zwei Schaltvorgängen des gleichen Schalters (T 1 , T2, T3, T4, T5, T6) von dem Einschaltvorgang und dem darauf folgenden Ausschaltvorgang oder umgekehrt bestimmt wird.
5. Vorrichtung zur Optimierung einer Raumzeigerpulsweitenmodulation, bei welchem eine Spannung (Uz) an eine Last (1 ) geschaltet wird, indem diskrete Schaltzustände von mehreren Schaltern (T1 , T2, T3, T4, T5, T6) zur Ansteuerung der Last (1 ) kombiniert werden, wobei die Last (1 ) durch zwei der Schaltzustände (0, 7) spannungsfrei geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (2) vorhanden sind, die während einer Pulsweitenmodulationsperiode mindestens einen der spannungsfrei schaltenden Schaltzustände (0, 7) unterdrücken.
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