DE19650994C1 - Verfahren zur Pulsweitenmodulation einer Sollspannung für 3-Level-Vierquadrantensteller mit Berücksichtigung der Mindestschaltzeiten der Leistungshalbleiterschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der im Anhang in der Literatur­ liste unter [3] aufgeführten Dissertation von H.P. Wurm "Erhöhung der Aus­ nutzung von Pulswechselrichtern hoher Leistung durch das Dreipunktverfahren", Bergische Universität-Gesamthochschule Wuppertal, 1983, insbesondere Seiten 4 bis 9 und Seiten 154/155 bekannt.

Für die Ansteuerung von Umrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis werden häufig Pulsmustergeneratoren eingesetzt, die eine gewünschte Sollspannung durch Pulsweitenmodulation über ein definiertes Zeitintervall nachbilden. Ein bewährtes Verfahren der Pulsweitenmodulation ist die Dreiecksmodulation für die Ansteuerung von Pulswechselrichtern oder auch Vierquadrantenstellern (4QS) in 2-Level-Technik [1, 2]. Zur Leistungserhöhung werden Pulswechsel­ richter bzw. 4QS zum Teil auch in 3-Level-Technik ausgeführt [3]. Zur An­ steuerung dieser Umrichter in 3-Level-Technik lassen sich ebenfalls Dreiecks­ modulationsverfahren konzipieren, die im Prinzip der Dreiecksmodulation für Umrichter in 2-Level-Technik gleichen [4, 5]. Ein Nachteil dieser Dreiecks­ modulationsverfahren ist jedoch die fehlende Berücksichtigung der Mindestein- und Mindestausschaltzeiten der Leistungshalbleiter, wodurch das errechnete Pulsmuster bei der Umsetzung durch den Umrichter verfälscht wird. Besonders bei GTO-Umrichtern großer Leistung sind diese Mindestzeiten beträchtlich (< 100 µs), wodurch die Vernachlässigung dieser Mindestzeiten bei der Berech­ nung des Pulsmusters unerwünschte Oberschwingungen verursacht. Eine Möglich­ keit, die Unterschreitung der Mindestzeiten durch das Pulsmuster zu vermeiden, ist die Beschränkung der vorgegebenen Sollspannung auf eine sinusförmige Spannung, die nur noch in ihrer Winkelgeschwindigkeit und Amplitude von der Regelung verstellt wird [6]. Diese sinusförmige Sollspannung wird nun so mit dem Pulsmuster verknüpft, daß die Unterschreitung der Mindestzeiten ausge­ schlossen ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die Regelung den Winkel der sinusförmigen Spannung nur indirekt über die Winkelgeschwindigkeit ein­ stellen kann und die erreichbare Regeldynamik somit herabgesetzt ist. Weiterhin lassen sich nur sinusförmige Sollspannungen realisieren. Gleich­ anteile und höhere Harmonische sind mit dieser Festlegung nicht realisier­ bar.

In der Bahntechnik werden häufig mehrere 4QS-Module über galvanisch ent­ koppelte Transformatorwicklungen an das Bahnnetz angeschlossen (z. B. GTO- Umrichter in 3-Level-Technik: Bild 1 u. 2). In Bild 1 sind die umrichter­ seitigen Wicklungen des Transformators in Reihe geschaltet, so daß sich die pulsenden Spannungen der 4QS-Module addieren. Durch versetzte Taktung der 4QS-Module untereinander können die Oberschwingungen im Bahnnetz deutlich reduziert werden - mit der 3-Level-Technik können so die niedrigen zulässigen Oberschwingungsgrenzwerte der Bahn bereits bei niedrigen Pulsfrequenzen ein­ gehalten werden, wenn das Pulsmuster unverfälscht realisiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine weitgehend frei vorgebbare Sollspannung unter Ein­ haltung der maximalen Pulsfrequenz moduliert, ohne dabei die Mindestzeiten der Leistungshalbleiter zu unterschreiten. Des weiteren ist die Belastung des Zwischenkreismittelpunkts durch Koordinierung der 4QS-Module unterein­ ander zu optimieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Auf vorteilhafte Weise erfolgt damit eine Berücksichtigung der Mindestein- und Mindestausschaltzeiten der Leistungshalbleiter, eine Einhaltung der vorge­ gebenen maximalen Pulsfrequenz und eine optimale symmetrische Belastung des Zwischenkreismittelpunkts unter Vorhaltung der Eingriffsmöglichkeit zur Zwischenkreisspannungs-Symmetrierung.

Im einzelnen findet das Verfahren nach der Erfindung wie folgt Anwendung:

Pulsmustergenerator für einen Vierquadrantensteller

Bei der Dreiecksmodulation werden aus dem Vergleich der zu modulierenden Soll­ spannung mit einem Dreiecks-Modulationsträger (bzw. Dreieckssignal) die Schaltzeit­ punkte des Pulsmusters abgeleitet. In Bild 3 ist auf diese Weise die zeitdiskret vorgegebene Sollspannung u* durch ein Pulsmuster mit zwei Schaltzuständen (2-Le­ vel-Zweigpaar) moduliert. Die zeitdiskrete Sollspannung u* kann zu jeder Spitze des Dreieckssignals aktualisiert werden, denn in dem jeweils zwischen zwei Spitzen liegenden Zeitintervall [t_k, t_k+1] generiert die Dreiecksmodulation eine Schaltflanke, mit der die Sollspannung im Mittel über dieses Zeitintervall eingestellt wird (Regular- Sampling). Die Länge T_A(k) des Zeitintervalls [t_k, t_k+1] ist somit gleich der halben Peri­ odendauer des Dreieckssignals, wobei über die Frequenz des Dreieckssignals die mittlere Pulsfrequenz f_P festlegt ist:

Ein 3-Level-Zweigpaar - zwei 3-Level-Zweigpaare bilden einen 3-Level-4QS - besitzt nun drei Schaltzustände +,0 oder - und kann mit diesen drei unterschiedliche Poten­ tiale ½u_d, 0 V, -½u_d (bei u_d1=u_d2=½u_d) an die Anschlußklemmen A bzw. B (Bild 2) schalten. Für die Dreiecksmodulation werden folglich zwei der in Bild 3 verwendeten Dreieckssignale benötigt, die gegeneinander um 180° phasenverschoben werden (Bild 4). Durchkreuzt die zeitdiskrete Sollspannung ein Dreieckssignal, so wechselt das 3-Level-Zweigpaar den Schaltzustand. Welcher Schaltzustand nach einer Durch­ kreuzung eines Dreieckssignals angenommen werden soll, muß in die Anordnung der Dreieckssignale (Bild 4) eingetragen werden, da dem einzelnen Dreieckssignal nicht mehr ein Potentialstellbefehl eines bestimmten Brückenzweiges zugeordnet werden kann, der im Falle der Durchkreuzung durch die Sollspannung umzuschalten ist. Im folgenden werden daher die einzelnen Dreieckssignale nicht mehr betrachtet, da sie ohnehin nur für eine analoge Realisierung des Pulsmustergenerators von Bedeutung sind. Maßgeblich für das Pulsmuster sind nur noch die von den Dreieckssignalen gebildeten Schaltlinien. (Die Angabe von Phasenverschiebungen bezieht sich jedoch weiterhin auf die einzelnen Dreieckssignale.) Die Zeitintervalle [t_k, t_k+1], über die die zeitdiskrete Sollspannung u* vorgegeben wird, bestimmen sich nun aus den Spitzen und den Kreuzungspunkten der Dreieckssignale (Bild 4). Über diese Zeitintervalle wird die Sollspannung u* jeweils mit einer Schaltflanke im Mittel eingestellt. Die Länge des Zeitintervalls T_A(k) beträgt folglich:

Ein 3-Level-4QS besteht aus zwei 3-Level-Zweigpaaren (Bild 2), die unabhängig voneinander schalten können. In Tabelle 1 sind für die insgesamt 3²=9 möglichen Schaltzustände eines 3-Level-4QS die jeweilige Spannung u_AB=v_A-v_B, die Belastung der Zwischenkreise und die stromführenden Halbleiter aufgeführt. Die Zwischenkreis­ spannungen u_d1 und u_d2 werden dabei als gleich groß angenommen.

Belastung der Zwischenkreise und der Halbleiter eines 3-Level-4QS ab­ hängig vom Schaltzustand (Bezeichnungen siehe Bild 2)

Belastung der Zwischenkreise und der Halbleiter eines 3-Level-4QS ab­ hängig vom Schaltzustand (Bezeichnungen siehe Bild 2)

Um eine versetzte Taktung der Zweigpaare zu erreichen, werden die jeweils zwei Dreieckssignale der 3-Level-Zweigpaare (Bild 4), mit denen die Schaltlinien konstruiert werden, gegeneinander um 90° in der Phase verschoben. In die so gebildete Anord­ nung der Schaltlinien (Bild 5) lassen sich wiederum die Schaltzustände des 3-Level- 4QS eintragen (+,0 oder - für Zweigpaar A und B, z. B.: +- für v_A=½u_d, v_B=-½u_d). Nun gibt es verschiedene Schaltzustände, die bezüglich der an den Klemmen A, B (Bild 2) erzeugten Spannung u_AB redundant sind: +0 und 0- für u_AB=½u_d, 0+ und -0 für u_AB=-½u_d, -- und 00 und ++ für u_AB=0 V (u_d1=u_d2 vorausgesetzt) (s. Tabelle 1). Folglich gibt es auch verschiedene Möglichkeiten, diese Schaltzustände den Dreiecks­ signalen zuzuordnen. Bild 5 zeigt zwei Varianten a und b der Zuordnung der Schalt­ zustände, mit denen zu einer beliebigen zeitdiskreten Sollspannung die selbe Span­ nung u_AB erzeugt wird. In Analogie zur Dreiecksmodulation für einen 3-Level-Brücken­ zweig (Bild 4) kann die zeitdiskrete Sollspannung wiederum zu jedem Kreuzungspunkt der Schaltlinien aktualisiert werden, denn in dem jeweils zwischen zwei Kreuzungs­ punkten liegenden Zeitintervall [t_k, t_k+1] generiert die Dreiecksmodulation eine Schalt­ flanke, mit der die Sollspannung im Mittel über dieses Zeitintervall eingestellt wird. FÜr die Länge des Zeitintervalls T_A(k) gilt:

So können sämtliche Schaltflanken als Stellmöglichkeit für die Regelung genutzt werden. Diese Zeitintervalle [t_k, t_k+1] können gleichzeitig als Abtastintervalle der Regelung gewählt werden.

Das Modulationsverfahren (Bild 5) muß bei der Umsetzung der Sollspannung für eine symmetrischen Belastung der Leistungshalbleiter und der Zwischenkreise sorgen und außerdem die vom Leistungsteil vorgegebenen Grenzwerte bezüglich maximaler Puls­ frequenz und Mindestzeiten T_min der GTO einhalten. So weisen die bezüglich der erzeugten Spannung u_AB redundanten Schaltzustände eine unterschiedliche Belastung der Leistungshalbleiter und Zwischenkreise auf. Werden die Sollspannung und der sich lastabhängig einstellende Strom als sinusförmig angenommen und sind die Schaltlinien des Modulationsverfahrens synchron zur Periode der Sollspannung, so kann eine symmetrische Belastung der Leistungshalbleiter und Zwischenkreise mit einer alternierenden Verteilung der bezüglich u_AB redundanten Schaltzustände erreicht werden. Die Modulationsvarianten (Bild 5) zeigen zwei Möglichkeiten der alternie­ renden Verteilung dieser Schaltzustände.

Zur Einhaltung der maximal zulässigen Pulsfrequenz der GTO wird angenommen, das Modulationsverfahren erzeuge in jedem Zeitintervall t ∈ [t_k, t_k+1] genau eine Schaltflanke und die Schaltflanken würden im Mittel gleichmäßig auf die GTO verteilt. Unter dieser Bedingung ist die Pulsfrequenz der GTO gleich der Frequenz der einzelnen Dreiecks­ signale, die die Schaltlinien bilden und kann damit leicht festgelegt werden. Bei der Betrachtung der in Bild 5 bespielhaft skizzierten Verläufe der Sollspannung u* und der mit dem Modulationsverfahren erzeugten Spannung u_AB wird jedoch deutlich, daß neben den o.g. Schaltflanken in den Zeitintervallen t ∈ [t_k, t_k+1] zusätzliche Schalt­ flanken auftreten, wenn die zeitdiskrete Sollspannung u* zu den Abtastzeitpunkten (z. B. bei t_k+1 und t_k+7) die Kreuzungspunkte der Schaltlinien schneidet. Werden diese zusätzlichen Schaltflanken zugelassen, so ist eine Sicherstellung der maximalen Pulsfrequenz schwierig. Zur Vermeidung dieser zusätzlichen Schaltflanken müssen Änderungen der Sollspannung über die Kreuzungspunkte hinaus verboten werden, auch wenn die gewünschte Sollspannung hierdurch nicht exakt realisiert wird. Bild 7 zeigt beispielhaft, wie die gewünschte Sollspannung modifiziert wird, um zusätzliche Schaltflanken zu vermeiden (gestrichelte Linie für die gewünschte Sollspannung u*, durchgezogene Linie für die modifizierte Sollspannung).

Schließlich muß das Modulationsverfahren zur Gewährleistung einer fehlerfreien Umsetzung der Sollspannung u* die zulässigen Mindestein- und Mindestausschalt­ zeiten der GTO einhalten. Andernfalls ist die Impulsbildung gezwungen, die zu den Sollspannungen berechneten Pulse zu verfälschen. In Bild 5 weist die erzeugte Spannung u_AB sehr dicht aufeinanderfolgende Schaltflanken in der Nähe der Ab­ tastzeitpunkte t_k+3, t_k+6 und t_k+8 auf. Realisiert das Modulationsverfahren diese Schalt­ flanken mit einem 3-Level-Zweigpaar, so besteht die Gefahr der Verletzung der Mindestzeiten der GTO. In der Nähe von t_k+8 verwenden beide Modulationsvarianten die Schaltfolge +-, 0-, +-, um die Sollspannungen, die nahe an der Aussteuerungs­ grenze des Modulationsverfahrens liegen, umzusetzen. Beide Varianten führen somit zwei kurz aufeinanderfolgende Schaltungen mit Zweigpaar A aus, womit die Mindest­ zeiten verletzt werden. Dies ist jedoch bei hohen Aussteuerungen unumgänglich und kann nur durch Begrenzung der Sollspannung vermieden werden. Anders ist dies bei den Schaltflanken um t_k+3, die bei der Modulationsvariante a mit der Schaltfolge 0+, -+, -0 und bei Variante b mit der Schaltfolge 0+, -+, 0+ realisiert werden. Während die zwei Schaltflanken bei Variante a mit verschiedenen Zweigpaaren realisiert werden, setzt Variante b nur Zweigpaar A ein und eine unerwünschte Unterschreitung der Mindestzeiten ist möglich. Für die Schaltflanken um t_k+6 tritt der umgekehrte Fall ein. Hier verwendet Variante a mit 00, +0,00 nur Zweigpaar A und Variante b mit 00, 0-, -- beide Zweigpaare, d. h. bei Variante a droht die Unterschreitung der Mindest­ zeiten. Allgemein gilt:

• - Modulationsvariante a ist für Sollspannungen u* in der Nähe von 0 V ungeeignet
• - Modulationsvariante b ist für Sollspannungen u* in der Nähe von ±½u_d ungeeignet.

Um dennoch eine Modulierung der Sollspannung u* ohne Unterschreitung der Min­ destzeiten der GTO zu erreichen, darf der Pulsmustergenerator nicht starr nach einer Modulationsvariante arbeiten, sondern muß flexibel zwischen den zwei Modulations­ varianten a und b wechseln: Verwendet der Pulsmustergenerator Variante a, so wird zu jedem Abtastzeitpunkt mit den Schaltzuständen +0, 0+, 0- oder -0 geprüft, ob mit der vorgegebenen Sollspannung u* die Mindestzeit T_min in den folgenden Abtast­ schritten unterschritten werden könnte (wobei T'_min wird mit ausreichendem Sicher­ heitsabstand zu T_min gewählt wird):

In diesem Fall wird entsprechend der in Bild 5 angegebenen Pfeile, zur Modula­ tionsvariante b gewechselt, ohne daß hierbei zusätzliche Umschaltungen erforderlich sind. Nun verwendet der Pulsmustergenerator die Modulationsvariante b für die nächsten sechs Abtastschritte und wechselt dann entsprechend der Pfeile wieder zur Variante a zurück, wenn die Bedingung (4) nicht mehr erfüllt ist. Ist (4) nicht erfüllt, wird für weitere sechs Abtastschritte mit Modulationsvariante b fortgefahren. In Bild 6 sind zwei verschiedene Wechsel zwischen den Modulationsvarianten dargestellt. Mit dem hier beschriebenen neuartigen Verfahren der Dreiecksmodulation für 3-Level- 4QS können somit Fehler bei der Modulierung einer etwa sinusförmigen Sollspannung u* aufgrund von Unterschreitungen der Mindestzeiten vermieden werden, ohne zusätzliche Schaltflanken zu erzeugen. Die Sollspannung u* kann also nur dann nicht exakt realisiert werden, wenn sie zu nahe an die Aussteuerungsgrenze heran reicht (z. B. bei t_k+8 in Bild 5) oder wenn sie in einem Abtastschritt über einen Kreuzungs­ punkt der Schaltlinien hinaus geändert wird.

Die Symmetrierung der Zwischenkreisspannungen kann mit beiden Modulations­ varianten leicht umgesetzt werden, indem die strenge Abfolge der Schaltzustände aufgegeben wird und bezüglich u_AB redundante Schaltzustände ausgetauscht werden. Beispielsweise können bei Variante a in einzelnen Zeitintervallen (z. B. im Intervall [t_k+₃, t_k+₅] (Bild 5)) die Schaltzustände 0- und -0 gegen die Schaltzustände +0 und 0+ ersetzt werden, um ein Ungleichgewicht in der Belastung der einzelnen Zwischen­ kreise hervorzurufen und so eine dynamische Symmetrierung zu erreichen. Bei Variante b wird in gleicher Weise verfahren, jedoch muß hier immer eine Gruppe von zwei gleichen aufeinanderfolgenden Schaltzuständen gewechselt werden (wie z. B. 0- und -0 im Intervall [t_k+5, t_k+9] (Bild 5)). Werden bei Variante a Schaltzustände ausge­ tauscht, so muß zuvor die aktuelle Sollspannung geprüft werden. Ist diese in der Nähe von ±½u_d, so besteht entgegen dem Normalfall die Gefahr der Unterschreitung der Mindestzeiten, da die jeweils schaltenden Zweigpaare durch den Austausch nun nicht mehr alternieren.

Pulsmustergenerator für zwei Vierquadrantensteller

Das für einen 3-Level-4QS entwickelte Modulationsverfahren wird im folgenden für die Steuerung von zwei 3-Level-4QS erweitert, die über den Bahnnetz-Transformator in Reihe geschaltet sind. (Die 4QS-Module 1 und 3 sind an die umrichterseitigen Wicklungen angeschlossen, während die übrigen zwei Wicklungen offen sind (Bild 1).) Für die Dreiecksmodulation werden für jeden 3-Level-4QS die Schaltlinien nach Bild 5 verwendet, wobei im Sinne der versetzten Taktung die einzelnen Dreieckssignale der Schaltlinien (mit ±u_d als Spitzenwerten) für den ersten und zweiten 3-Level-4QS gegeneinander um 45° in der Phase verschoben werden (Bild 6). In Abschnitt 1 wurden die Zeitpunkte t_k für die Aktualisierung der zeitdiskreten Sollspannung u* zeit­ gleich mit den Kreuzungspunkten der Schaltlinien eines 3-Level-4QS gewählt (Bild 5). Auch bei den durch Phasenverschiebung konstruierten Schaltlinien für zwei 4QS-Mo­ dule treten die Kreuzungspunkte weiterhin gleichzeitig auf (Bild 6). Die Spannungs­ sollwerte u der beiden 4QS-Module können somit gleichzeitig zu den gemeinsamen Zeitpunkten t_k vorgegeben werden.

Für die Untersuchung der Zwischenkreis-Mittelpunktsbelastung der Pulsmuster der einzelnen 3-Level-4QS und der resultierenden Gesamtbelastung des Zwischenkreis- Mittelpunkts beider 3-Level-4QS werden die Hilfsgrößen pn_i eingeführt, die folgen­ dermaßen definiert sind: Zu den Zeitintervallen, bei denen das Pulsmuster die Schalt­ zustände +0 und 0+ annehmen kann, ist pn_i:=1 und zu den übrigen Zeitintervallen, in den die Schaltzustände -0 und 0- auftreten können, ist pn_i:=-1 (Bild 6). Aus den Hilfsgrößen pn_i allein ist die tatsächliche Belastung des Zwischenkreis-Mittelpunkts nicht ablesbar, da die von der modulierten Sollspannung abhängige Dauer der Schaltzustände (+0, 0+, -0, 0-) und auch der Stromverlauf nicht berücksichtigt sind. Dennoch kann anhand der Hilfsgrößen pn_i die Symmetrie der Belastung des Zwi­ schenkreis-Mittelpunkts analysiert werden, wenn Sollspannungen und Ströme als etwa sinusförmig angenommen werden. So wird bei pn_i=1 nur der positive Zwischenkreis je nach Vorzeichen von Strom und Sollspannung belastet, während bei pn_i=-1 in gleicher Weise der negative Zwischenkreis belastet wird und die Unsymmetrie somit kompensiert wird, wenn Strom und Sollspannung als unverändert angenommen werden. Betrachtet man pn₁ und pn₃, so alterniert die Mittelpunktsbelastung bei der Modulationsvariante a gegenüber der Variante b mit der doppelten Frequenz. Da der Pulsmustergenerator zur Vermeidung der Unterschreitung von Mindestzeiten jeweils für Vielfache von sechs Zeitintervallen nach der Modulationsvariante b verfährt, ist die Symmetrie jeder einzelnen Mittelpunktsbelastung pn₁ bzw. pn₃ unabhängig von der Modulationsvariante und auch die Symmetrie der Summe der Belastungen pn₁+pn₃ sichergestellt (Bild 6).

Da die einzelnen Sollspannungen u*_2B,1 und u*_2B,3 der 3-Level-4QS im stationären Betrieb nahezu identisch sind, wird auch die Bedingung (4) für die Anwendung der Modulationsvariante b für beide 3-Level-4QS etwa gleichzeitig erfüllt sein. Für eine Optimierung der gemeinsamen Zwischenkreis-Mittelpunktsbelastung pn₁+pn₃ ist es vorteilhaft, die Wechsel der Modulationsvariante der beiden 4QS-Module miteinander zu koordinieren: Aufgrund der versetzten Taktung befindet sich zu jedem Zeitpunkt t_k immer nur ein 3-Level-4QS in einem Schaltzustand (+0, 0+, 0- oder -0), zu dem ein Wechsel der Modulationsvariante durchgeführt werden kann, ohne zusätzliche Schalt­ flanken zu verursachen. Ist zu einem Zeitpunkt t_k die Bedingung (4) für einen Wechsel erfüllt, so wird zu diesem Zeitpunkt die Modulationsvariante des 3-Level-4QS mit dem entsprechenden Schaltzustand gewechselt und zum darauffolgenden Zeitpunkt t_k+1 auch die Modulationsvariante des anderen 3-Level-4QS gewechselt. Die für die Mittel­ punktsbelastung relevanten Schaltzustände (+0, 0+, 0-, -0) werden dabei jeweils so gewählt, daß sich pn₁ und pn₃ in der Summe möglichst aufheben. Bild 6 zeigt zwei bezüglich der Mittelpunktsbelastung optimale Wechsel der Modulationsvariante für das Paar von 3-Level-4QS.

Zur Vermeidung von zusätzlichen Schaltflanken werden Änderungen der Sollspan­ nung über die Kreuzungspunkte der Schaltlinien hinaus nicht zugelassen (Abschnitt 1). Dies bedeutet aber, daß die gewünschte Sollspannung wie im Beispiel in Bild 7 nicht exakt realisiert werden kann. Wird auf eine Korrektur dieses Spannungsfehlers verzichtet, so entstehen hierdurch unerwünschte Oberschwingungen. Die Korrektur des Spannungsfehlers im darauffolgenden Zeitintervall erreicht nur eine unzureichen­ de Verbesserung des Oberschwingungsgehalts. Eine wirkungsvolle Korrektur des Spannungsfehlers kann nur durch eine Koordinierung der beiden 3-Level-4QS erreicht werden: Durch die versetzte Taktung der 3-Level-4QS sind auch die Kreuzungspunkte der Schaltlinien der Modulationsverfahren zueinander versetzt (Bild 7). Werden näherungsweise gleiche Sollspannungen für die beiden 3-Level-4QS vorausgesetzt, so wird eine Begrenzung der Sollspannung durch die Kreuzungspunkte immer nur bei einem der beiden 3-Level-4QS auftreten, während der andere für den Ausgleich der dadurch entstehenden Fehlspannung eingesetzt werden kann (Bild 7).

Pulsmustergenerator für vier Vierquadrantensteller

Für die Erweiterung des Modulationsverfahrens für ein Paar von zwei 3-Level-4QS (Abschnitt 2) auf zwei Paare von insgesamt vier 4QS-Modulen werden die einzelnen Dreieckssignale der Schaltlinien (mit ±u_d als Spitzenwerten) des jeweiligen Paares (Bild 6) (4QS-Modul 1 und 3 bzw. 2 und 4 in Bild 1) nochmals um 22.5° gegenein­ ander in der Phase verschoben. Während beim Modulationsverfahren für zwei 3-Le­ vel-4QS noch gemeinsame Zeitpunkte t_k für die Aktualisierung der zeitdiskreten Sollspannung u existieren (Bild 6), sind die Zeitpunkte t_k ^g und t_k ^h der zwei Paare von 4QS-Modulen nun gegeneinander versetzt (Bild 8). Werden die Längen T_A ^g(k), T_A ^h(k) der Zeitintervalle [t_k ^g, t_k+1 ^g], [t_k ^h, t_k+1 ^h] im Betrieb variiert, so muß hierbei für die Gewähr­ leistung der versetzten Taktung gesorgt werden. Die Längen der Zeitintervalle werden folglich abhängig voneinander bestimmt:

Abschließend soll nochmals die Zwischenkreis-Mittelpunktsbelastung bei den vier 3-Level-4QS betrachtet werden. Für die Paare der 3-Level-4QS wurde die gemeinsa­ me Mittelpunktsbelastung bereits in Abschnitt 2 optimiert (Bild 6). Für die Optimierung der gesamten Mittelpunktsbelastung der vier 3-Level-4QS werden daher die bereits festgelegten Mittelpunktsbelastungen der Paare pn₁+pn₃ und pn₂+pn₄ so gegenein­ ander zeitlich versetzt, daß sie sich in der Summe möglichst aufheben. Bild 9 zeigt zwei Möglichkeiten der Versetzung von pn₁+pn₃ und pn₂+pn₄ (Verläufe nach Bild 6a), von denen die zweite Möglichkeit eine deutlich geringere Belastung in der Gesamt- Mittelpunktsbelastung aufweist und somit zu bevorzugen ist. (Für andere Kombinatio­ nen der Verläufe von pn₁+pn₃ und pn₂+pn₄ na₉h Bild 6a und 6b ist ebenfalls die zweite Möglichkeit die günstigere). Die resultierende Zuordnung der Schaltzustände zu den Schaltlinien ist in Bild 8 dargestellt.

Literatur

[1] Yoone, H.K.; Mehrdad E.: An Algebraic Algorithm for Microcomputer-Based (Direct) Inverter Pulswidth Modulation; IEEE Trans. Ind. Appl., vol IA-23, No. 4, July/August 1987 654-660.

[2] Bose, B.K.; Sutherland, H.A.: A High-Performance Pulsewidth Modulator for an Inverter-Fed Drive System Using a Microcomputer; IEEE Trans. Ind. Appl., vol IA-19, No. 2, March/April 1983 235-243.

[3] Wurm, H. P.: Erhöhung der Ausnutzung von Pulswechselrichtern hoher Lei­ stung durch das Dreipunktverfahren; Dissertation, Bergische Universität-Ge­ samthochschule Wuppertal, 1983, insbesondere S. 4 bis 9 und S. 154/155.

[4] Garrara, G.; Gardella, S.; Marchesoni M.; Salutari, R.; Sciutto, G.: A new Multilevel PWM Method: A Theoretical Analysis; IEEE Trans. Power Electron., Vol. 7, No. 3, July 1992.

[5] Velaerts, B.; Mathys, P.; Tatakis, E.; Bingen, G.: A novel Approach to the Generation and Optimization of Three-Level PWM Wave Forms; Pesc 1988, S. 1255-1262.

[6] Stanke, G.: Untersuchung von Modulationsverfahren für Pulsstromrichter mit hohen dynamischen Anforderungen bei beschränkter Schaltfrequenz; Dis­ sertation an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen 1987, insbesondere S. 18 bis 33.

Claims (3)

1. Verfahren zur Pulsweitenmodulation einer von einer Regelung vorgegebenen Soll­ spannung durch Vergleichen dieser Sollspannung mit einem dreieckförmigen Modula­ tionssignal für ein oder mehrere 3-Level Vierquadrantensteller (4QS-Module), die über galvanisch unabhängige Transformatorwicklungen entkoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zeitdiskrete Sollspannung u* mit Schaltlinien verglichen wird, die aus vier jeweils um 90° versetzten Dreieckssignalen mit u_d als Maximalwert und -u_d als Mini­ malwert gebildet werden, wobei u_d die Summe der zwei Zwischenkreisspannungen U_d1 und U_d2 ist,
daß die Abtastzeitpunkte t_k, zu denen die zeitdiskrete Sollspannung u* aktualisiert wird, synchron zu den Kreuzungspunkten der Schaltlinien gewählt werden,
daß den durch die Schaltlinien gebildeten Bereichen der jeweilige Schaltzustand des 4QS-Moduls zugeordnet wird, in den das 4QS-Modul in dem Moment wechselt, in dem die Sollspannung u* die den Bereich eingrenzenden Schaltlinien durchkreuzt und in diesen Bereich gelangt,
daß diese Schaltzustände nach zwei verschiedenen Varianten a und b so auf die von den Schaltlinien gebildeten Bereichen verteilt werden, daß sich mit diesen Verteilun­ gen für die jeweils konstanten Sollspannungen u*=-²/₃u_d, ¹/₃u_d, ¹/₃u_d, ²/₃u_d mit u_d=u_d1+u_d2 und u_d1=u_d2 zu den Abtastzeitpunkten t_k die Potentiale v_A(t_k) und v_B(t_k) an den Aus­ gängen der 3-Level Brückenzweige für Variante a nach
und für Variante b nach
ergeben,
daß bei der Pulsmustererzeugung im Betrieb wahlweise nach Variante a oder b der Verteilung der Schaltzustände des 4QS-Moduls verfahren werden kann und ein Wechsel zwischen den Varianten zu denjenigen Abtastzeitpunkten t_k+1 zugelassen wird, zu denen die Schaltzustände von Variante a und b übereinstimmen,
daß prinzipiell bei Erfüllung der Bedingung (1)
Variante b verwendet wird und bei Nichterfüllung von (1) Variante a verwendet wird, wobei u*(t_k) und u*(t_k+1) zwei zeitlich aufeinanderfolgende zeitdiskrete Sollspannungen sind und für T_min die maximale Mindestein- bzw. Mindestausschaltzeit der Leistungs­ halbleiter gewählt wird,
daß jede Variante unabhängig von dieser Bedingung immer genau so viele Abtast­ intervalle verwendet, daß die alternierende Abfolge der Zuordnung der Schaltzu­ stände +0 und 0-- (bzw. 0+ und -0) bei Variante a und die alternierende Abfolge +0, ++, +0 und 0-, --, 0- (bzw. 0+, ++, 0+ und -0, --, -0) bei Variante b abgeschlossen ist
und daß
zur Symmetrierung der Zwischenkreismittelpunkts-Spannung von der alternierenden Abfolge der Zuordnung der Schaltzustände +0 und 0- (bzw. 0+ und -0) bei Variante a und von der alternierenden Abfolge +0, ++, +0 und 0-, --, 0- (bzw. 0+, ++, 0+ und -0, --, -0) bei Variante b abgewichen wird, indem bei Variante a einzelne Zuord­ nungen der Schaltzustände +0 (bzw. 0+) und 0- (bzw. -0) gegeneinander ausge­ tauscht werden und bei Variante b die aufeinanderfolgend zugeordneten Schaltzu­ stände +0, ++, +0 (bzw. 0+, ++, 0+) und 0-, --, 0- (bzw. -0, --, -0) gegeneinander ausgetauscht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Verwendung von zwei 4QS-Modulen, die über zwei offene Transformator­ wicklungen magnetisch in Reihe bzw. parallel geschaltet sind, zur Pulsmustererzeu­ gung die Schaltlinien der 4QS-Module so gegeneinander versetzt werden, daß die jeweils die Schaltlinien der 4QS-Module bildenden Gruppen von um 90° versetzten Dreieckssignalen zusätzlich um 45° gegeneinander versetzt werden,
daß die Wechsel der Varianten a und b der verwendeten Zuordnung der Schaltzu­ stände zu den Schaltlinien jeweils in zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten für beide 4QS-Modulen durchgeführt werden,
daß ein Wechsel von Variante a nach Variante b für die 4QS-Module eingeleitet wird, sobald für eine der beiden zeitdiskreten Sollspannungen der 4QS-Module u*_2B,1 oder u*_2B,3 die Bedingung (1) erfüllt ist und ein Wechsel von Variante b nach Variante a für die 4QS-Module einge­ leitet wird, wenn diese Bedingung nicht mehr erfüllt ist, nach einer festen Anzahl von Abtastschritten wieder nach Variante a gewechselt wird, wenn die Bedingung (1) für eine der beiden Sollspannungen nicht mehr erfüllt ist,
daß unabhängig von der genannten Bedingung die mit der verwendeten Variante festgelegte Abfolge der Zuordnung der alternierenden Schaltzustände jedes 4QS- Moduls abgeschlossen ist,
daß bei der Einleitung eines Wechsels der Zuordnung der Schaltzustände von Variante a nach Variante b mit der alternierenden Abfolge der Schaltzustände +0, ++ +0 und 0-, --, 0- (bzw. 0+, ++, 0+ und -0, --, -0) der Variante b des zuletzt wech­ selnden 4QS-Moduls gerade so begonnen wird, daß sie invers zu der alternierenden Abfolge der Schaltzustände des zuerst wechselnden 4QS-Moduls liegt,
daß die vorgegebenen zeitdiskreten Sollspannungen der 4QS-Module u*_2B,1 und u*_2B,3 so begrenzt werden, daß sie sich zu den Abtastzeitpunkten nur innerhalb eines Bereichs von Schaltlinien verändern und keine Wechsel der Schaltzustände zu den Abtastzeitpunkten auftreten
und daß die bei der Sollspannung eines 4QS-Moduls durch derartige Begrenzungen auftretende Fehlspannung zu der Sollspannung des anderen 4QS-Moduls addiert wird und damit ausgeglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Verwendung von vier 4QS-Modulen, die über vier offene Transformatorwick­ lungen magnetisch in Reihe bzw. parallel geschaltet sind, zur Pulsmustererzeugung die Schaltlinien der 4QS-Module so gegeneinander versetzt werden, daß die jeweils die Schaltlinien der 4QS-Module bildenden Gruppen von um 90° versetzten Dreiecks­ signale zusätzlich um 22,5° gegeneinander versetzt werden,
daß die zeitdiskreten Sollspannungen der Paare von 4QS-Modulen u*_2B,1, u*_2B,3 und u*_2B,2, u*_2B,4 entsprechend der Kreuzungspunkte der Schaltlinien zu zueinander ver­ setzten Abtastzeitpunkten vorgegeben werden,
daß die alternierenden Abfolgen der Zuordnungen der Schaltzustände +0 (bzw. 0+) und 0- (bzw. -0) nach Variante a zu den Schaltlinien der Paare von 4QS-Modulen mit synchronen Abtastzeitpunkten so gewählt werden, daß wenn für ein Paar zu zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten die Schaltzustände +0 (bzw. 0+) gewählt werden, für das andere Paar zu den um 22,5° versetzten Abtastzeitpunkten die Schaltzustände 0- (bzw. -0) gewählt werden
und daß der Wechsel zwischen den Varianten der Zuordnung der Schaltzustände unabhängig für das jeweilige Paar von 4QS-Modulen mit synchronen Abtastzeitpunk­ ten durchgeführt wird.