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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umrichter für
elektrische Leistung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In B. Velaerts et al., "A Novel Approach to the Generation
and Optimization of Three-Level PWM Wave Forms" (PESC '88
RECORD, TEEE, April 1988, Seiten 1255 - 1262) wird die Verwendung
eines dipolaren Modulationsmodus vorgeschlagen, der zur
alternativen Ausgabe positiver und negativer Impulse, wie Spannungen,
über ein Nullpotential zur Verbesserung von Ausgangsspannungs-
Schwingungsformen eines Wechselrichters mit drei Niveaus
geeignet ist.
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Das vorstehend genannte Dokument zeigt, daß der Übergang
von einem dipolaren Modulationsmodus zu einem unipolaren
Modulationsmodus, der geeignet ist, ausschließlich pulsartige
Spannungen mit der gleichen Polarität wie die Ausgangsspannung
auszugeben, bei einem Optimum von in einer Periode vorliegenden sechs
Punkten ausgeführt werden muß.
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Ferner offenbart Fig. 9 der JP-A-2-101969 (1990), die dem
US-Patent Nr. 4,953,069 entspricht, das Vorhandensein sowohl der
dipolaren Modulationsperiode als auch der unipolaren
Modulationsperiode in einer Halbperiode der Ausgangsspannung.
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Die Verwendung des dipolaren Modulationsmodus ist sowohl
für eine Verbesserung der Schwingungsformen der Ausgangsspannung
als auch für eine Spannungsregelung wünschenswert.
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Wenn jedoch die Verwirklichung einer bestimmten
Ausgangsspannung erforderlich ist, macht der dipolare Modulationsmodus
die Verwirklichung von Pulsen mit einer der Ausgangsspannung
entgegengesetzten Polarität notwendig, wodurch der Nutzungsgrad
der Spannung verringert wird. Dementsprechend ist der Übergang
vom dipolaren Modulationsmodus zum unipolaren Modulationsmodus
unvermeidlich.
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Wenn der dipolare Modulationsmodus einfach zum unipolaren
Modulationsmodus verschoben wird, steigt beim Überwechseln die
Stromwelligkeit, wodurch eine Drehmomentschwankung des Motors
verursacht wird, wenn die entsprechende Last ein
Wechselstrommotor ist.
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Der zuerst ausgeführte Stand der Technik zeigt, daß der
Übergang zwischen dem dipolaren Modulationsmodus und dem
unipolaren Modulationsmodus derart gesteuert wird, daß er bei einer
vorgegebenen Phase ausgeführt wird.
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Eine derartige Steuerung muß jedoch nach der Bestimmung der
optimalen Punkte erfolgen, wobei lediglich sechs derartige
Punkte pro Periode vorhanden sind, wodurch das Problem auftritt, daß
das entsprechende Steuersystem in Verbindung mit der Steuerung
der zeitlichen Abstimmung komplex wird.
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Ferner können, wenn beispielsweise die Verwirklichung einer
Ausgangsspannung eines Umrichters für elektrische Leistung als
Reaktion auf eine bestimmte Anweisung für die Ausgangsspannung
erforderlich ist, unter Verwendung des unipolaren
Modulationsmodus die Basisabschnitte der sinusförmigen Anweisung für die
Ausgangsspannung nicht korrekt verwirklicht werden. Dies liegt
daran, daß in den Schaltelementen, die den Umrichter für
elektrische Leistung bilden, eine minimale Zeit existiert und eine
derart kleine Anweisung für die Ausgangsspannung wie in den
Basisabschnitten als Ausgangsspannung des Umrichters für elektrische
Leistung nicht verwirklicht werden kann.
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Nun zeigt Fig. 9 des zuletzt genannten Stands der Technik
eine Schwingungsform, die in einer Periode eine feste Periode
(60º) im dipolaren Modulationsmodus und die restliche Periode im
unipolaren Modulationsmodus enthält. Eine derartige
Schwingungsform wird jedoch ausgegeben, damit ein Abschnitt, in dem die
Modulationsschwingung 1 überschreitet, mit den anderen Phasen
kompensiert wird.
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Dementsprechend ist es selbst beim vorstehend ausgeführten
Stand der Technik der Fall, daß die vorstehend genannten
Basisabschnitte, sehr kleine Abschnitte der Ausgangsspannung, der
Anweisung für die Ausgangsspannung nicht verwirklicht werden
können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Umrichter
für elektrische Leistung zu schaffen, der die Ausgangsspannung
des Umrichters ohne Unterbrechung steuert.
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Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Umrichter für elektrische Leistung zu schaffen, der
in der Ausgangsspannung des Umrichters eine Anweisung für die
Ausgangsspannung genau reproduziert.
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Die vorstehend aufgeführten Aufgaben werden durch einen
Umrichter für elektrische Leistung mit einem ersten
Modulationsbereich, der eine Halbperiode der Ausgangsspannung durch
abwechselnde Ausgabe positiver und negativer Ausgangspulse
verwirklicht, und einem zweiten Modulationsbereich gelöst, der eine
Halbperiode der Ausgangsspannung verwirklicht, indem er nur
Ausgangspulse mit der gleichen Polarität wie die Ausgangsspannung
ausgibt und eine Gleichspannung in eine
Wechselstromphasenspannung mit Potentialen auf mindestens drei Niveaus umwandelt,
wobei der Übergang bei der Verschiebung vom ersten
Modulationsbereich zum zweiten Modulationsbereich über einen dritten
Modulationsbereich erfolgt.
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Ferner werden die vorstehend aufgeführten Aufgaben durch
einen Umrichter für elektrische Leistung gelöst, der eine
Gleichspannung in eine Wechselstromphasenspannung mit
Potentialen auf mindestens drei Niveaus umwandelt, einen dritten
Modulationsbereich aufweist, der in einer Halbperiode der
Ausgangsspannung aus einer Periode mit abwechselnder Ausgabe positiver
und negativer Ausgangspulse und einer weiteren Periode mit einer
Ausgabe nur von Ausgangspulsen mit der gleichen Polarität wie
die Ausgangsspannung besteht, und ferner eine Einrichtung zum
Verändern dieser beiden Perioden umfaßt.
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Im Verlauf des Übergangs zwischen dem ersten
Modulationsbereich, dem dipolaren Modulationsbereich, und dem zweiten
Modulationsbereich, dem unipolaren Modulationsbereich, erfolgt der
Übergang nicht direkt, sondern wird über den dritten
Modulationsbereich ausgeführt, daher wird die beim direkten Übergang
verursachte Steigerung der Stromwellen unterdrückt.
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Ferner müssen, wenn Anweisungen für die Ausgangsspannung in
einer Halbperiode betrachtet werden, für sinusartige
Schwingungen in der Nähe des Scheitelpunkts hohe Ausgangsspannungen und
für die Basisabschnitte derselben sehr kleine Ausgangsspannungen
ausgegeben werden.
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In einer Periode, in der, wie in der Nähe des ihres
Scheitelpunkts, vergleichsweise hohen Ausgangsspannungen erforderlich
sind, wird der unipolare Modulationsmodus verwendet, und in
einer Periode, in der, wie in der Nähe der ihres Fußes,
vergleichsweise niedrige Ausgangsspannungen erforderlich sind, wird
der dipolare Modulationsmodus verwendet, und ferner sind diese
Perioden dazu geeignet, verändert zu werden, wodurch, selbst
wenn die Anweisung für die Ausgangsspannung verändert wird, eine
Ausgangsspannung reproduziert wird, die der veränderten
Spannungsanweisung korrekt entspricht.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Aufbaudiagramm, das eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2(a) ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
einer Wechselrichterfrequenz und einer Anweisung für die
Ausgangsspannung zeigt;
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Fig. 2(b) ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen
einer Wechselrichterfrequenz und einer Ausgangsspannung zeigt;
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine
Grundmodulationsschwingung und Pulsschwingungsformen der Ausgangsspannung im dipolaren
Modulationsbetrieb zeigt;
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das eine
Grundmodulationsschwingung und Pulsschwingungsformen der Ausgangsspannung im teilweise
dipolaren Modulationsbetrieb zeigt;
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine
Grundmodulationsschwingung und Pulsschwingungsformen der Ausgangsspannung im
unipolaren Modulationsbetrieb zeigt;
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine
Grundmodulationsschwingung und Pulsschwingungsformen der Ausgangsspannung im
Übermodulationsbetrieb zeigt;
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Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer
Amplitude A der Grundmodulationsschwingung und einer
Versetzungsgröße B zur Bestimmung von PWM-Modi
(Pulsweitenmodulationsmodi) zeigt;
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Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer
Wechselrichterfrequenz, einer Anweisung für die Ausgangsspannung
und PWM-Modi zeigt;
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Fig. 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer
Pulsmustererzeugung im dipolaren Modulationsbetrieb und im unipolaren
Modulationsbetrieb;
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Fig. 10 ist ein Diagramm zur Erläuterung der
Pulsmustererzeugung beim Übermodulationsbetrieb;
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Fig. 11 ist ein Ablaufdiagramm, das Prozesse darstellt, die
in dem in Fig. 1 gezeigten Pulsmustergenerator 31 ausgeführt
werden;
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Fig. 12 ist ein Ablaufdiagramm, das einen weiteren Prozeß
darstellt, der in dem in Fig. 1 gezeigten Mustergenerator 31
ausgeführt wird;
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Fig. 13 ist ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform
der Polaritätsunterscheidungs- und Verteilungseinrichtungen
gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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Fig. 14 ist ein Diagramm, das Schwingungsformen an
jeweiligen Abschnitten in der in Fig. 13 gezeigten weiteren
Ausführungsform darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im folgenden werden nach der Erläuterung einer Übersicht
über die vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren
1 bis 14 Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Derzeit wird eine Technologie eingeführt, bei der ein
Induktionsmotor, insbesondere ein Induktionsmotor für den Antrieb
von Walzgut, durch einen als Wechselrichter mit drei Niveaus
oder auch als Multi-Serien-Wechselrichter bezeichneten
Wechselrichter betätigt wird, bei dem neben einem Punkt mit hohem
Potential einer Gleichstromquelle und einem Punkt derselben mit
niedrigem Potential ein Punkt mit einem Zwischenpotential
zwischen dem Punkt mit hohem Potential und dem Punkt mit niedrigem
Potential vorgesehen ist und Potentiale auf drei Niveaus, dem
Punkt mit dem hohem Potential, dem Punkt mit dem niedrigem
Potential und dem Punkt mit dem Zwischenpotential, über einen
wahlweisen An- und Ausbetrieb der Gruppen von Schaltelementen,
die den Wechselrichter bilden, an Wechselstromanschlüssen als
Phasenspannung selektiv hinausgeleitet werden.
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Eines der Hauptmerkmale des Wechselrichters mit drei
Niveaus ist, daß aufgrund eines offensichtlichen Anstiegs der PWM-
Schaltfrequenz ein Wechselstromausgang mit kleinem relativen
harmonischen Gehalt erhalten wird.
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Dadurch wird die Drehmomentschwankung des damit verbundenen
Motors verringert, und eine Verringerung der Überschlagsspannung
der Schaltelemente wird ebenso erzielt.
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Der Grundaufbau der Hauptschaltung eines Umrichters für
elektrische Leistung bei drei Phasen ist in Fig. 1 dargestellt.
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In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 60 eine obenliegende
elektrische Leitung einer Gleichspannungsquelle, die
Bezugszeichen
61 und 62 bezeichnen Spannungsteilungskondensatoren zum
Einstellen eines Zwischenpunkts N, der im folgenden als
neutraler Punkt bezeichnet wird, von der Gleichspannungsquelle 60, die
Bezugszeichen 70 - 73, 80 - 83 und 90 - 93 sind
selbstausschaltende Schaltelemente, die jeweils ein Gleichrichterelement für
die Stromzirkulation aufweisen, wobei in der vorliegenden
Ausführungsform als Beispiele IGBTs dargestellt sind, jedoch
anstelle der IGBTs GTOs und Transistoren verwendet werden können,
die Bezugszeichen 74, 75, 84, 85, 94 und 95 sind
Hilfsgleichrichterelemente zum Hinausleiten des Potentials auf dem
neutralem Punkt aus den Kondensatoren. Ferner wird bei der
vorliegenden Ausführungsform eine Last in Form eines Induktionsmotors 10
als Beispiel verwendet.
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Die grundlegende Funktionsweise der Schaltarme 7 - 9, die
von jeder Phase unabhängig betätigbar sind, wird erläutert,
wobei der Schaltarm 7 als Beispiel genommen wird.
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Es wird davon ausgegangen, daß Spannungen ed1 und ed2 an
den Kondensatoren 61 und 62 ideale glatte Gleichspannungsquellen
sind, die als ed1 = ed2 = Ed/2 definiert sind (wobei Ed die
gesamte Gleichspannung ist).
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Unter der vorstehend ausgeführten Bedingung wird, wenn das
Ein- und Ausschalten der Schaltelemente 70 - 73 gemäß der in
Tabelle 1 dargestellten Reihenfolge gesteuert wird, an einem
Wechselstromausgangsanschluß U eine Ausgangsspannung e mit drei
Niveaus, nämlich Ed/2, 0 und -Ed/2, erzielt.
Tabelle 1
Leitzustand der Schaltelemente
Schaltfunktion
Ausgangsspannung
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Sp
- Sn und S sind Schaltfunktionen, die den Leitzustand
der Schaltelemente 70 - 73 in Form von 1, 0 und -1 ausdrücken,
und die Ausgangsspannung e wird wie folgt ausgedrückt:
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e = Sp ed1 - Sn ed2 = S Ed/2 ... (1)
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Die Schwingungsform der Ausgangsspannung e wird durch die
Kombination pulsartiger Spannungen mit den Größen Ed/2, 0 und
-Ed/2 bestimmt, und die Schaltfunktion S = Sp - Sn wird im
allgemeinen derart durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert, daß
sich die Schwingungsform der Ausgangsspannung einer
sinusförmigen Schwingungsform nähert.
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Bei einer PWM-Steuervorrichtung wird der Leitzustand der
Schaltelemente durch Herstellen der Schaltfunktionen Sp und Sn
bestimmt.
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Ferner sind Einzelheiten des Wechselrichters mit drei
Niveaus beispielsweise in der JP-B-51-47848 (1976) und der
JP-A-56-74088 (1981) offenbart.
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Nun ist bei einer elektrischen Steuervorrichtung für
Walzgut, bei der mit einer begrenzten Quellenspannung eine
Drehzahlsteuerung über einen breiten Bereich ausgeführt wird, anders
ausgedrückt, beim Ausführen einer Drehzahlsteuerung von einem
Bereich mit veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz
(VVVF) zu einem Bereich mit konstanter Spannung und
veränderlicher Frequenz (CVVF), eine in Fig. 2 (b) durch eine durchgehende
Linie dargestellte Kennlinie für die Ausgangsspannung
erforderlich.
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In einem Bereich mit niedriger Drehzahl wird nämlich die
Ausgangsspannung im wesentlichen proportional zur
Wechselrichterfrequenz eingestellt, wobei dieser Bereich als VVVF-
Steuerbereich bezeichnet wird, wodurch der Magnetfluß im Motor
im wesentlichen konstant gehalten und ein vorgegebenes
Drehmoment erhalten wird. Ferner wird in einem Bereich mit hoher
Drehzahl die Wechselrichterfrequenz sukzessive gesteigert, während
die Ausgangsspannung des Wechselrichters auf dem Maximum
gehalten wird, wobei dieser Bereich als CVVF-Bereich bezeichnet wird,
wodurch der Nutzungsgrad der Spannung maximiert und der Betrieb
mit hoher Drehzahl mit der begrenzten Quellenspannung
verwirklicht wird.
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Bei einer sehr kleinen Spannungsanweisung, die zwei Momente
umfaßt, einen, in dem die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters
klein und die Ausgangsspannungsanweisung selbst ebenfalls klein
ist, und einen, in dem die Ausgangsspannungsanweisung im
Vergleich mit der zuerst genannten groß ist, aber eine sehr kleine
Spannung in der sinusförmigen Schwingungsform, die ausgegeben
werden muß, enthalten ist, kann jedoch keine Spannung, die
kleiner als die von einem Ausgangspuls mit der von der minimalen
Zeit der Schaltelemente bestimmten minimalen Pulsweite erzeugte
Spannung ist, verwirklicht werden; anders ausgedrückt, nicht als
Ausgangsspannung des Wechselrichters reproduziert werden, und
daher wird eine größere Ausgangsspannung als die
Ausgangsspannungsanweisung ausgegeben.
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Die Grundschwingungskomponente E1 der Ausgangsspannung, die
erhalten wird, wenn sämtliche Spannungspulse für die
Ausgangsspannung des Wechselrichters jene mit der von der minimalen Zeit
bestimmten minimalen Pulsweite sind, wird beispielsweise durch
die folgende Formel ausgedrückt:
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E1 = 2Ton PFi Emax ... (2)
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wobei Ton die minimale Zeit ist, P die Anzahl der Pulse
bezeichnet, Fi die Wechselrichterfrequenz ist und Emax die maximale
Ausgangsspannung repräsentiert.
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Nun wird die Schaltfrequenz Fc wie folgt ausgedrückt:
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Fc = PFi ... (3)
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wodurch die Grundschwingungskomponente E1 der Ausgangsspannung
durch die folgende Formel ausgedrückt wird:
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E1 = 2Ton Fc Emax ... (4)
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Dementsprechend gilt, wenn beispielsweise davon ausgegangen
wird, daß die Schaltfrequenz 1 kHz und die maximale Zeit im
eingeschalteten Zustand 100 µs ist, E1 = 0,2 Emax, d.h. die
Ausgangsspannung
unter 20 % der maximalen Ausgangsspannung kann
nicht gesteuert werden.
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Aus diesem Grund ist die steuerbare minimale
Ausgangsspannung abhängig von der in Fig. 2(b) durch eine Punktlinie
dargestellten Kennlinie derart begrenzt, daß das Problem auftrat, daß
eine kontinuierliche Regelung der Ausgangsspannung schwierig
war.
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Dementsprechend wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform
bei der Ausgabe einer sehr kleinen Ausgangsspannung entsprechend
einer Anweisung für eine kleine Ausgangsspannung des
Wechselrichters durch abwechselndes Ausgeben pulsartiger Spannungen mit
hohem und niedrigem Potential über ein Zwischenpotential mit
drei Niveaus in der dipolaren Modulation die kleine
Ausgangsspannungsanweisung in der Ausgangsspannung des Wechselrichters
reproduziert.
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Wenn eine sehr kleine Spannung in einer sinusförmigen
Schwingung enthalten ist, die ausgegeben werden muß, obwohl die
Amplitude der Ausgangsspannungsanweisung nicht so klein ist,
wird eine Ausgangsspannung des Wechselrichters verwirklicht, die
genau der Ausgangsspannungsanweisung entspricht, indem in einer
Halbperiode der Ausgangsspannung eine Periode, in der über ein
Zwischenpotential unter den drei Niveaus pulsartige Spannungen
mit hohem und niedrigem Potential abwechselnd ausgegeben werden,
und eine weitere Periode vorgesehen ist, in der lediglich
Ausgangspulse mit der gleichen Polarität wie die Ausgangsspannung
in einer kombinierten Modulation aus der dipolaren Modulation
und der unipolaren Modulation ausgeben werden, die im folgenden
als teilweise dipolare Modulation bezeichnet wird.
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Entsprechend der Steigerung der Ausgangsspannungsanweisung
werden bei der unipolaren Modulation sämtliche Pulse in Pulse
umgewandelt, die die gleiche Polarität wie die Ausgangsspannung
aufweisen.
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Um die Ausgangsspannung weiter zu steigern, wird der
Ausgang des Zwischenpotentials durch Maximierung der
Ausgangspulsweite
in der Nähe der Spitze der momentanen Ausgangsspannung
unterdrückt, und die Ausgangsspannung wird gesteigert, bis die
Anzahl der in einer Halbperiode der Ausgangsspannung enthaltenen
Pulse eins wird.
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Durch ein kontinuierliches Durchlaufen dieser Reihe von
Modulationsmodi wird kontinuierlich eine hochgenaue und stabile
Ausgangsspannung von einer Nullspannung zur maximalen Spannung
erzielt.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 2(a) bis
8 die Beziehung zwischen der Ausgangsspannungsanweisung für den
Wechselrichter und der Ausgangsspannung des Wechselrichters
erläutert.
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Eine Ausgangsspannungsanweisung E* für den Wechselrichter
wird als Reaktion auf eine Wechselrichterfrequenz Fi*
eingestellt, wie in Fig. 2(a) dargestellt, wobei Fcv eine
Wechselrichterfrequenz ist, von der eine Ausgangsspannungsanweisung
konstant gehalten wird.
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Bei der Ausgangsspannungsanweisung E* für den
Wechselrichter und der Gleichspannung Ed wird die Amplitude A einer
Grundmodulationsschwingung gemäß der folgenden Gleichung eingestellt:
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A=2 [2]E* /Ed ... (5)
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Eine Grundmodulationsschwingung a1* wird durch die
Amplitudenanweisung A und die Phase θ derselben wie folgt bestimmt:
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a1* = A sin θ ... (6)
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Dies ist in den Figuren 3(a), 4(a) und 5(a) dargestellt.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 die dipolare
Modulation erläutert.
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Um die minimale Pulsweite, anders ausgedrückt, die
Pulsweite für die minimale Zeit zu erhalten, wenn die
Ausgangsspannungsanweisung E* für den Wechselrichter sehr klein ist, werden
zwei positive und negativeias- modulationsschwingungen ap1* und
an1* gemäß den folgenden Formeln erstellt, wie in Fig. 3(b)
dargestellt:
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wobei B die Größe der Versetzung und der Ausgang einer
Versetzungseinstelleinheit 4 ist.
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Nun wird durch Einstellen der Größe der Versetzung, die
einen vorgegebenen Wert überschreitet, wie in den Figuren 3(c)
und 3(d) dargestellt, die Erzeugung einer sehr kleinen
Ausgangsspannungsanweisung dadurch verhindert, daß Anweisung nahe Null
sowohl für den oberen als auch für den unteren Arm
ausgeschlossen werden und die minimale Zeit für die jeweiligen
Schaltelemente beibehalten wird, wodurch die Ausgangsspannung selbst bei
einer sehr kleinen Größe gesteuert wird, wobei das vorgegebene
Minimum der Pulsweite beibehalten wird.
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Hierbei wird vorausgesetzt, daß die Größe der Versetzung B
eine Gleichspannung ist, mit der die Ausgangsspannungsanweisung
in einer vorgegebenen Richtung bei einer Biasspannung überlagert
wird.
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Das positivseitige Pulsmuster, die in Fig. 3(e)
dargestellte Schaltfunktion Sp, und das negativseitige Pulsmuster, die in
Fig. 3(f) dargestellte Schaltfunktion Sn, werden auf der
Grundlage der positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an* in einer Pulserzeugungsperiode 2Tck erzeugt.
Die Pulsweite während der Pulserzeugungsperiode 2Tck wird
abhängig von den Amplituden der jeweiligen Modulationsschwingungen
bestimmt. Wenn ap*, an* ≥ 0 gilt, wird die Pulserzeugung
fortgesetzt, und wenn ap*, an* = 0 gilt, wird die Pulserzeugung
unterdrückt. Fig. 3(g) ist eine Ausgangspulsspannung, die am
Wechselstromanschluß U in dem Wechselrichterarm 7 auftritt, wenn die in
den Figuren 3(e) und 3(f) dargestellten positivseitigen und
negativseitigen Pulsmuster und die Pulsmuster und jeweils an
die entsprechenden Gatter der Schaltelemente angelegt werden.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 die teilweise
dipolare Modulation erläutert.
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Es ist vorzuziehen, die teilweise dipolare Modulation in
einem Bereich zu verwenden, in dem die Amplitude der
Ausgangsspannungsanweisung nicht so hoch ist, die Spannungen an den
Basisabschnitten der sinusförmigen Schwingung jedoch nicht
vernachlässigt werden können. Wenn nämlich die gesamte Periode
durch die dipolare Modulation umgewandelt wird, treten
hinsichtlich der Reproduktion der Ausgangsspannungsanweisung keine
Probleme auf, der Nutzungsgrad der Spannung wird jedoch verringert.
Wenn andererseits die gesamte Ausgangsspannungsanweisung durch
die unipolare Modulation reproduziert wird, um den Nutzungsgrad
der Spannung zu verbessern, können die Basisabschnitte durch die
Begrenzung aufgrund der minimalen Zeit nicht korrekt
reproduziert werden.
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In einem derartigen Bereich werden die Basisabschnitte
durch die Verwendung der dipolaren Modulation reproduziert, und
ihre Periode wird abhängig von der Amplitude der
Ausgangsspannungsanweisung verändert.
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Wie aus Fig. 4(b) hervorgeht, treten abhängig von der
Versetzungsgröße B Bereiche wie ap1* ≤ 0 oder an1* ≥ 0 auf, in
denen die Erzeugung von Pulsmustern zur Verwirklichung der
positiven und negativen Biasmodulationsschwingungen ap1* und an1* im
Wechselrichterausgang unmöglich ist.
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Im Bereich an1* ≥ 0 wird es beispielsweise erforderlich,
eine positive Ausgangsspannung mit einem negativseitigen
Pulsmuster zu erzeugen.
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Hinsichtlich des Aufbaus der Hauptschaltung des
Wechselrichters mit drei Niveaus kann durch Einstellen lediglich des
negativseitigen Pulsmusters keine Ausgangspulsspannung mit
positiver Polarität ausgegeben werden, daher kann durch das
negativseitige Pulsmuster keine positive Ausgangsspannung erzeugt
werden.
Ahnlich kann bei einem positivseitigen Pulsmuster durch das
positivseitige Pulsmuster keine negative Ausgangsspannung
erzeugt werden.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, bei der die PWM-
Modi durch Andern der Versetzungsgröße verändert werden, tritt
der vorstehend beschriebene Zustand insbesondere bei der
Verschiebung vom dipolaren Modulationsmodus zum unipolaren
Modulationsmodus auf.
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Dadurch wird in derartigen Bereichen das Pulsmuster
bestimmt, um die Unterspannung einer Modulationsschwingung mit
einer Polarität durch eine weitere Modulationsschwingung mit der
entgegengesetzten Polarität zu kompensieren.
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Wie in den Figuren 4(c) und (d) dargestellt, kann nämlich
durch Einstellen der positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an* gemäß den folgenden Formeln die
Unterspannung durch die Ausgangsspannung der
Modulationsschwingung mit der entgegengesetzten Polarität kompensiert werden, und
als Ergebnis wird eine korrekt einer Ausgangsspannungsanweisung
für den Wechselrichter entsprechende Ausgangsspannung
reproduziert.
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wobei in der Periode I in der ap1* ≥ 0 und an1* ≤ 0 gelten, die
dipolare Modulation ausgeführt wird, und in der Periode II, in
der ap1* ≥ 0 und an1* ≥ 0 oder an1* ≤ 0 und an1* ≤ 0 gelten, die
unipolare Modulation ausgeführt wird.
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Durch Andern des Intervalls der Periode I und der Periode
II als Reaktion auf die Ausgangsspannungsanweisung für den
Wechselrichter oder durch Andern des Verhältnisses der Periode I zu
der Periode II
in einer Halbperiode der Ausgangsspannung des
Wechselrichters wird in dem teilweise dipolaren
Modulationsbereich eine Ausgangsspannung reproduziert, die einer
Ausgangsspannungsanweisung für den Wechselrichter korrekt entspricht.
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Wenn nun die Versetzungsgröße B auf B = 0 weiterverringert
wird, wird der PWM-Modus zum unipolaren Modulationsmodus
verschoben.
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Der unipolare Modulationsmodus wird unter Bezugnahme auf
Fig. 5 erläutert.
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Wenn die Versetzungsgröße B auf 0 verringert wird, stimmen
die beiden in Fig. 5(b) dargestellten
Biasmodulationsschwingungen ap1* und an1* vollständig überein, und die positivseitigen
und negativseitigen Modulationsschwingungen ap* und an* werden,
wie in den Figuren 5(c) und (d) dargestellt, gemäß den folgenden
Formeln modifiziert.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Einstellen der
Versetzungsgröße B wesentlich, und der Bereich der
einzustellenden Versetzungsgröße B ist auf die in Fig. 7 dargestellten drei
Bereiche begrenzt.
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Dipolarer Modulationsbereich: A/2 ≤ B < 0,5
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Teilweise dipolarer Modulationsbereich: 0 < B < A/2
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Unipolarer Modulationsbereich: B = 0
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Im dipolaren Modulationsbereich erfolgt die dipolare
Modulationssteuerung über die gesamte Periode (siehe Fig. 3 (e),
(f) und (g) ).
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Im teilweise dipolaren Modulationsbereich wird in der Nähe
der Spitze der Ausgangsspannung der unipolare Modulationsmodus
und an den Basisabschnitten der Ausgangsspannungsanweisung für
den Wechselrichter der dipolare Modulationsmodus verwendet
(siehe Fig. 4(e), (f) und (g)).
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Ferner wird, wenn B = 0 gilt, die gesamte Periode durch den
unipolaren Modulationsmodus betrieben (siehe Fig. 5(e), (f) und
(g).
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Weiterhin wird, wenn B = 0,5 gilt, der PWM-Modus auf einen
bipolaren Modulationsmodus mit zwei Niveaus ohne
Zwischenpotential eingestellt.
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Dementsprechend wird in einem Bereich, in dem eine kleine
Amplitude A der Grundmodulationsschwingung erforderlich ist, die
versetzungsgröße B in einem Bereich A/2 + Δ1 ≤ B ≤ 0,5 - Δ2
eingestellt, wobei Δ1 und Δ2 durch eine minimale Ein-/Aus-Zeit
bestimmte Konstanten zum Aufrechterhalten der vorgegebenen
Nullspannungsperiode sind und die Versetzungsgröße B als Reaktion
auf eine Steigerung der Amplitude A der
Grundmodulationsschwingung verringert wird, wodurch ein sanfter und kontinuierlicher
Pulsmodusübergang erzielt wird.
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In der in Fig. 8 dargestellten Kennlinie der
Ausgangsspannung werden nämlich die PWM-Modi als Reaktion auf eine
Wechselrichterfrequenz Fi aus dem dipolaren Modulationsmodus (0 ≤ Fi ≤
F1) und dem teilweise dipolaren Modulationsmodus (F1 ≤ Fi ≤ F2)
in den unipolaren Modulationsmodus (F2 ≤ Fi ≤ F3) und weiter
uber den Übermodulationsmodus (F3 ≤ Fi ≤ Fcv), der im folgenden
beschrieben wird, in einen Einzelpulsmodus mit drei Niveaus (Fi
≥ Fcv) mit einem unverzichtbaren Zwischenpotential verschoben.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 der
Übermodulationsbereich erläutert.
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Der Übermodulationsmodus ist ein Bereich, in dem die
Versetzungsgröße B Null ist und ferner ein Teil der
Ausgangsspannungsanweisung für den Wechselrichter 1 überschreitet.
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Wenn für den Abschnitt, in dem die
Ausgangsspannungsanweisung für den Wechselrichter 1 überschreitet, die unipolare
Modulation ausgeführt wird, fällt die durchschnittliche Spannung
aufgrund des Vorhandenseins einer Aus-Periode ab, und es kann
keine einer Ausgangsspannungsanweisung entsprechende
Ausgangsspannung ausgegeben werden.
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Daher werden die in der Periode, in der die
Ausgangsspannungsanweisung für den Wechselrichter 1 übersteigt, vorhandenen
Pulse verbunden, wie in Fig. 6(b), (c) und (d) dargestellt.
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Ferner wird die Anzahl der in einer Halbperiode enthaltenen
Pulse, wenn der wesentliche Teil der Ausgangsspannungsanweisung
1 übersteigt, auf eins verringert, wobei dies als
Einzelpulsmodulationsmodus mit drei Niveaus bezeichnet wird (nicht
dargestellt).
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Im folgenden werden bei einer Anwendung der vorliegenden
Ausführungsform auf eine Induktionsmotorsteuerung für Walzwerke,
bei der kein breiter Steuerbereich beispielsweise mit dem
Übermodulationsbereich und dem Einzelpulsmodulationsbereich
verwendet wird, der Übergang zwischen dem dipolaren
Modulationsbereich, dem teilweise dipolaren Modulationsbereich und dem
unipolaren Modulationsbereich als Reaktion auf beispielsweise die
Wechselrichterfrequenz und die entsprechende
Ausgangsspannungsanweisung ausgeführt, wodurch die Drehmomentschwankung aufgrund
der Stromwellensteigerung während des Übergangs unterdrückt wird
und ferner die in dem Ausgangsstrom enthaltenen harmonischen
Komponenten verringert werden, da selbst eine sehr kleine
Ausgangsspannungsanweisung korrekt reproduziert wird.
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Ferner ist es bei einer dynamischen Motorsteuerung, die
selbst den Einzelphasenmodulationsbereich nutzt, wie bei einer
elektrischen Walzgutsteuerung, nicht wünschenswert, bei einer
Einzelpulsmodulation eine Drehmomentschwankung über sämtliche
Bereiche von einer sehr geringen Drehzahl zu einer sehr hohen
Drehzahl zu verursachen.
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Daher wird, wenn die dipolare Modulation zumindest für den
VVVF-Bereich verwendet wird, die Unterdrückung der
Drehmomentschwankung erzielt, der Nutzungsgrad der Spannung während der
Periode wird jedoch verringert.
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Daher werden die PWM-Modi abhängig von einer Steigerung der
Wechselrichterfrequenz oder der entsprechenden
Fahrzeuggeschwindigkeit nacheinander gewechselt.
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Wie in Fig. 8 dargestellt, wird nämlich vom Start bis zur
Wechselrichterfrequenz F1 der dipolare Modulationsmodus
verwendet, der die Ausgabe einer sehr kleinen Ausgangsspannung
ermöglicht, nach dem Erreichen der Wechselrichterfrequenz F1 wird der
PWM-Modus zum teilweise dipolaren Modulationsbereich verschoben,
und der PWM-Modus wird nacheinander bei F2 zum unipolaren
Modulationsbereich, bei F3 zum Übermodulationsmodus und bei Fcv
zum Einzelpulsmodulationsbereich verschoben.
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Der Übergang zwischen den Bereichen wird durch zwei
Verfahren ausgeführt; das eine erfolgt als Reaktion auf die
Wechselrichterfrequenz und das andere als Reaktion auf die
Ausgangsspannungsanweisung.
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Dementsprechend kann bei der elektrischen
Walzgutsteuervorrichtung, bei der es schwierig war, die Stöße während des Starts
zu verhindern, da keine sehr kleine Ausgangsspannung ausgegeben
werden konnte, eine Steuerung mit wenig Drehmomentschwankungen
ausgeführt werden, wobei sowohl während des Starts als auch in
den anderen Betriebsbereichen ein hoher Nutzungsgrad der
Spannung aufrechterhalten wird.
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Vorstehend wurde unter Bezugnahme auf die Beziehung
zwischen den Schwingungsformen der Ausgangsspannungsanweisung für
den Wechselrichter und den Ausgangspulsen das Prinzip der
vorliegenden Ausführungsform erläutert. Im folgenden wird der
Aufbau beschrieben, der das vorstehend erläuterte Prinzip
verwirklicht.
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Fig. 1 ist ein Beispiel der steuervorrichtungen für einen
elektrischen Wechselrichter, der eine Wechselstrom-
Ausgangsspannung ausgibt, die sich über eine Ein-/Aus-Steuerung
von vier in Serie geschalteten Schaltelementgruppen zwischen
Potentialen mit drei Niveaus ändert, wobei in der Zeichnung die
Steuervorrichtung für eine Phase dargestellt ist.
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Gemäß Fig. 1 werden eine Frequenzanweisung Fi* der
Ausgangsspannung des Wechselrichters, eine Anweisung E* für eine
effektive Ausgangsspannung und eine Gleichspannung Ed in einen
Generator 1 für eine Spannungsanweisung für eine Grundschwingung
eingegeben, der die Grundmodulationsschwingung A sin 0 bestimmt
und diese an einen Amplitudenanweisungsverteiler 2 ausgibt.
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Eine Versetzungseinstelleinheit 4 gibt eine
Versetzungsgröße B aus, die abhängig von einer Amplitude A der
Grundmodulationsschwingung an den Amplitudenanweisungsverteiler 2 berechnet
und eingestellt wird.
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Ferner erzeugt der Amplitudenanweisungsverteiler 2, in den
die Grundmodulationsschwingung A sin θ und die Versetzungsgröße B
eingegeben werden, die positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an*, wie in den Figuren 3(c) und
(d), 4(c) und (d) und 5(c) und (d) dargestellt.
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Überdies erzeugt eine Pulserzeugungs- und
Verteilungseinrichtung 3, in die die positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an* eingegeben werden, PWM-
Pulsketten S1 bis S4, die von den Schaltfunktionen Sp und Sn
bestimmt werden und den Schaltelementen zuzuführen sind.
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Diese PWM-Pulsketten S1 bis S4 werden über einen nicht
dargestellten Gateverstärker den Schaltelementen 70 bis 73 für die
U-Phase zugeführt, um eine Ein-/Aus-Steuerung der jeweiligen
Schaltelemente auszuführen.
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Im folgenden wird der vorstehend ausgeführte Aufbau im
einzelnen beschrieben.
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Die Phase θ wird durch Zeitintegration der
Frequenzanweisung Fi* der Ausgangsspannung des Wechselrichters, die durch
einen Additionsvorgang der anhand der Abweichung zwischen einer
Motorstromanweisung und einem tatsächlichen Motorstrom und einer
Motordrehzahl ermittelten Schlupffrequenz ermittelt wird, in
einem Integrator 10 erhalten.
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Der in einem Sinusgenerator 11 anhand des derart
ermittelten Werts θ berechnete Wert von sin θ und die in einer
Amplitudeneinstelleinheit 12 anhand der effektiven Ausgangsanweisung E*
ermittelte Amplitude A der Grundmodulationsschwingung, die
proportional zur Frequenzanweisung Fi* ist, sowie die
Gleichspannung Ed werden in einer Multipliziereinrichtung 13
multipliziert, und von dieser wird eine momentane
Grundmodulationsschwingung A sin 0 ausgegeben. Wenn die Stromquelle eine genaue
Spannungsquelle ist, wird die Eingabe Ed weggelassen, die
obenliegende Leitung ist jedoch nicht notwendigerweise konstant, es
ist erforderlich, die Modulationsrate mit diesem Eingangswert
einzustellen.
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Zwei sinusförmige Biasmodulationsschwingungen ap1* und an1*
werden durch Addieren oder Subtrahieren der über die
Versetzungseinstelleinheit 4 abhängig von der Amplitude A der
Grundmodulationsschwingung eingestellten Versetzungsgröße B zu bzw. von
einem durch Halbieren der über Additionseinrichtungen 22 und 23
von der Einrichtung 1 zur Erzeugung einer Anweisung für die
Grundschwingungsspannung eingegebenen Grundmodulationsschwingung
A sin θ über eine Halbierungseinheit 20 ermittelten Signal
erzeugt. Die Grundmodulationsschwingung wird nicht
notwendigerweise durch 2 geteilt, wenn dies jedoch nicht der Fall ist, wird
der darauf folgende Aufbau komplexer.
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Anhand dieser sinusförmigen Biasmodulationsschwingungen
ap1* und an1* werden über Polaritätsunterscheidungs- und
Verteilungseinrichtungen 24 und 25 und eine Addiereinrichtung 26 sowie
über Polaritätsunterscheidungs- und Verteilungseinrichtungen 27
und 28 und eine Additionseinrichtung 29 jeweils eine
positivseitige Modulationsschwingung ap* und eine negativseitige
Modulationsschwingung an* erzeugt.
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Auf der Grundlage der positivseitigen Modulationsschwingung
ap* und der negativseitigen Modulationsschwingung an*, die von
dem Amplitudenanweisungsverteiler 2 ausgegeben werden, erzeugt
ein Pulsgenerator 31 ein positivseitiges Pulsmuster, das der
Schaltfunktion Sp entspricht, und ein negativseitiges
Pulsmuster, das der Schaltfunktion Sn entspricht, sowie die PWM-
Pulsketten, d.h. die Gatesignale S1 - S4.
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Im folgenden wird die Funktionsweise des
Amplitudenanweisungsverteilers 2 anhand des Beispiels der teilweise dipolaren
Modulation erläutert, wie in Fig. 4 dargestellt.
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Der Ausgang des Generators 1 für die Anweisung für die
Grundschwingungsspannung, über den die vorstehend aufgeführte
Versetzungsgröße B gelegt wird, um dadurch die in Fig. 4(b)
dargestellten Schwingungsformen zu erhalten, wird, wie in Fig. 4(a)
dargestellt, durch die Halbierungseinheit 20 durch 2 geteilt.
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Nun müssen aufgrund der Biasmodulationsschwingungen ap1*
und an1* die positivseitige Modulationsschwingung ap* und die
negativseitige Modulationsschwingung an* erzeugt werden. Wenn
jedoch die Phase der negativen Biasmodulationsschwingung an1*
unverändert umgekehrt wird, um die negativseitige
Modulationsschwingung an* zu erhalten, kann die Grundmodulationsschwingung
in der Periode II in der negativen Biasmodulationsschwingung
an1* nicht korrekt reproduziert werden.
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Daher wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform das
vorstehend beschriebene Problem durch Vorsehen der
Polaritätsunterscheidungs- und Verteilungseinrichtungen 24, 25,
26 und 27 gelöst.
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Die Polaritätsunterscheidungs- und Verteilungseinrichtung
25 ist nämlich derart vorgesehen, daß der positive Abschnitt in
der negativen Biasmodulationsschwingung an1* als Teil der
positivseitigen Modulationsschwingung ap* erhalten wird, und ferner
ist die Polaritätsunterscheidungs- und Verteilungseinrichtung 28
derart vorgesehen, daß der negative Abschnitt in der positiven
Biasmodulationsschwingung ap1* als Teil der negativseitigen
Nodulationsschwingung an* erhalten wird.
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Durch diese Maßnahme werden die positivseitigen und
negativseitigen Modulationsschwingungen ap* und an* von den
Addiereinrichtungen 26 und 29 erhalten.
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Anschließend werden die positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an* über die Pulserzeugungs- und
Verteilungseinrichtung 3 in PWM-Pulse umgewandelt, wie im
folgenden erläutert.
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Im folgenden wird die Funktionsweise der
Pulserzeugungsund Verteilungseinrichtung 3 erläutert, die Pulsmuster zum
Einund Ausschalten der Schaltelemente erzeugt.
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Die positivseitigen und negativseitigen Pulsmuster oder
die Schaltfunktionen Sp und Sn für die Ausgangsspannung werden
durch den Pulsgenerator 31 verwirklicht.
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In den Pulsgenerator 31 eingegebene Taktgebersignale CK
sind Referenzsignale, die die zeitliche Abstimmung der
Pulserzeugung und die Schaltfrequenz der Schaltelemente bestimmen.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel des
Pulsgenerators 31 erläutert, der aus einer Einrichtung zur
Berechnung von führenden und abschließenden Zeitpunkten und zwei
Taktgebern besteht, die zu den synchron mit den Referenz-
Taktgebersignalen CK eingestellten Zeitpunkten Pulse ausgeben.
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Die Pulsmuster für die Ausgangsspannungen werden
entsprechend der Amplitude der positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an* in drei Kategorien eingeteilt.
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Fig. 9 stellt ein Beispiel der Pulsmustererzeugung in der
dipolaren Modulation in der Periode 1 und der
Pulsmustererzeugung in der unipolaren Modulation in der Periode II dar.
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Fig. 10 stellt ein Beispiel der Pulsmustererzeugung dar,
bei der der absolute Wert der positivseitigen oder
negativseitigen Modulationsschwingung ap* oder an* 1 bei der unipolaren
Modulation übersteigt (im folgenden als Übermodulation
bezeichnet). Fig. 11 zeigt Ablaufdiagramme der in dem Pulsgenerator 31
ausgeführten Verarbeitung zur Erzeugung der in Fig. 9 und Fig.
10 dargestellten Pulsmuster.
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Bei der dipolaren Modulation gemäß Fig. 9 werden der
führende Zeitpunkt Tp1 des positivseitigen Pulsmusters Sp und der
abschließende Zeitpunkt Tn2 des negativseitigen Pulsmusters Sn
abhängig von den positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an* auf der Grundlage der folgenden
Formeln bestimmt,
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Tp1 = (1 - ap*) Tck ... (12)
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Tn2 = an* Tck ... (13)
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wobei Tck die Periode des Referenzsignals CK ist.
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Anschließend werden die vorstehend aufgeführten Werte in
dem Taktgeber eingestellt (Prozeß 1).
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Der Taktgeber arbeitet synchron mit den Referenzsignalen CK
und gibt zu den in Fig. 9 dargestellten Zeitpunkten Pulse von
positivseitigen und negativseitigen Pulsketten Sp und Sn aus.
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In der folgenden Periode werden der abschließende Zeitpunkt
Tp2 des positivseitigen Pulsmusters Sp und der führende
Zeitpunkt Tn1 des negativseitigen Pulsmusters Sn gemäß den folgenden
Formeln erhalten und in dem Taktgeber eingestellt (Prozeß 2).
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Tp2 = ap* Tck ... (14)
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Tn1 = (1 - an*) Tck ... (15)
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Auf die gleiche Weise wird die dipolare Modulation durch
abwechselndes Ausführen der Prozesse 1 und 2 synchron mit den
Referenzsignalen CK verwirklicht.
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Bei der unipolaren Modulation ist ausschließlich die
Erzeugung unipolarer Pulse erforderlich, wie in Fig. 9 in der Periode
II dargestellt, und die unipolare Modulation wird durch
Unterdrücken der Pulserzeugung in der Periode II verwirklicht, in der
die Amplitude der negativseitigen Modulationsschwingung an*
ist.
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Ferner wird, wenn die Amplituden der positivseitigen und
negativseitigen Modulationsschwingungen ap* und an* steigen und
ihre absoluten Werte 1 überschreiten, der Modulationsmodus zum
Übermodulationsmodus verschoben, wie in Fig. 10 dargestellt.
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Wenn die Amplitude der positivseitigen oder negativseitigen
Modulationsschwingung ap* oder an* 1 übersteigt, wird der
führende Pulszeitpunkt auf Null verringert, und der abschließende
Pulszeitpunkt wird auf Tck eingestellt.
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In einem derartigen Moment wird die Pulserzeugung
fortgesetzt, bis die Amplitude der positivseitigen oder
negativseitigen Modulationsschwingungen ap* oder an* auf unter 1 verringert
wird.
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Wenn die Amplitude weiter gesteigert wird, wird der
Modulationsmodus schließlich zum Einzelpulsmodulationsmodus mit drei
Niveaus verschoben.
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In diesem Modus werden Tp1, Tp2, Tn1 und Tn2 derart
eingestellt, daß eine Nullpotentialperiode gehalten wird, die größer
als ein vorgegebener Wert ist, und eine maximale
Ausgangsspannung des Wechselrichters mit drei Niveaus wird ausgegeben.
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Ferner wird, da die Einstellung des abschließenden
Imulszeitpunkts beim Start nicht erforderlich ist, der in Fig. 12
dargestellte Prozeß 0 ausgeführt.
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Es ist wirkungsvoll, die Ausgansspannungspulse unter
Verwendung des Referenzsignals CK mit einem gleichen Intervall zu
erzeugen, Referenzsignale CK mit ungleichmäßigem Intervall sind
jedoch ebenso in einem Bereich anwendbar, in dem die
Nullspannung in dem Pulsgenerator 31 gehalten wird.
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Ferner wird, wenn die Schaltfrequenz der Schaltelemente,
die die Hauptschaltung des Wechselrichters bilden, in dem
Bereich, in den die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters niedrig
ist und die dipolare Modulation ausgeführt wird, niedrig
eingestellt ist und die Schaltfrequenz derart eingestellt ist, daß
sie entsprechend dem Übergang auf die unipolare Modulation auf
einen hohen Wert gesteigert wird, ein Schaltverlust in den
Schaltelementen im wesentlichen über sämtliche Betriebsbereiche
des Wechselrichters konstant gehalten.
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Abhängig von der Verringerung der Versetzungsgröße B in dem
teilweise dipolaren Modulationsbereich ist nämlich die Frequenz
der Taktgebersignale CK für eine Steigerung geeignet. Dadurch
kann der Schaltverlust ohne Modifikation des übrigen Aufbaus
konstant gehalten werden.
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Wenn ein Mikroprozessor für die erfindungsgemäße
Steuervorrichtung angewendet wird, können selbstverständlich ein Teil
oder sämtliche der vorstehend beschriebenen Pulserzeugungsmittel
durch programmierte Software verwirklicht werden.
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Ferner wird bei der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform die Versetzungsgröße B auf der Grundlage der Amplitude A
der Grundmodulationsschwingung verändert, wenn jedoch eine
vorgegebene Beziehung, wie eine proportionale Beziehung, zwischen
der Amplitude A der Grundmodulationsschwingung und der
Ausgangsfrequenzanweisung für den Wechselrichter vorhanden ist, kann der
Versetzungswert als Reaktion auf die Ausgangsfrequenzanweisung
für den Wechselrichter oder die dazu proportionale
Fahrzeuggeschwindigkeit verändert werden.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die
Ausgangsspannung kontinuierlich und glatt von der Nullspannung zur maximalen
Spannung eingestellt werden, und ferner kann eine hochgenaue und
stabile Ausgangsspannung zugeführt werden.
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Ferner liegen in dem in Fig. 3 dargestellten dipolaren
Modulationsbereich die positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen um einen vorgegebenen Wert vom Nullniveau
entfernt, wobei die minimale Zeit fehlerfrei erhalten wird, wenn
PWM-Pulse erzeugt werden.
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In den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Modulationsmodi
müssen jedoch unter Verwendung der positivseitigen und
negativseitigen Modulationsschwingungen Ausgangsspannungen erzeugt
werden, die nahezu Null entsprechen, so daß eine Periode auftritt,
in der die minimale Zeit nicht erhalten werden kann.
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Zur Gewährleistung der minimalen Zeit wird eine Maßnahme
erwogen, bei der die Pulsweite durchgehend überwacht und der
Puls verdünnt wird, wenn die Wahrscheinlichkeit besteht, daß ein
Puls mit einer Breite unter der minimalen Zeit erzeugt wird.
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Durch die vorstehend ausgeführte Maßnahme wird jedoch der
Puls, der zur Reproduktion einer korrekt einer
Ausgangsspannungsanweisung entsprechenden Ausgangsspannung erzeugt wird,
mechanisch entfernt, wodurch der harmonische Gehalt ansteigt und
die Stromwellen gesteigert werden.
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Zur Lösung der vorstehend aufgeführten Probleme wird gemäß
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der
Amplitudenanweisungsverteiler 2 modifiziert, um die minimale
Zeit zu gewährleisten, wobei die Merkmale des Wechselrichters
mit drei Niveaus genutzt werden.
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Die in Fig. 1 dargestellten Polaritätsunterscheidungs- und
Verteilungseinrichtungen 24, 25, 27 und 28 werden verbessert,
wie in Fig. 13 dargestellt, um die minimale Zeit zu
gewährleisten.
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Im folgenden wird der modifizierte
Amplitudenanweisungsverteiler unter Bezugnahme auf die Figuren 13 und 14 erläutert.
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Die Polaritätsunterscheidungs- und Verteilungseinrichtungen
240, 250, 270 und 280 sind derart aufgebaut, daß zur
Gewährleistung der positivseitigen minimalen Zeit die
Polaritätsunterscheidungs- und Verteilungseinrichtung 240
vorgespannt wird, um keine Ausgangsspannungsanweisung unter einem
vorgegebenen Wert d auszugeben, der der minimalen Zeit
entspricht, und der entsprechende Bereich wird durch die
negativseitige Ausgangsspannungsanweisung kompensiert.
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Die in Fig. 14(a) dargestellten Biasmodulationsschwingungen
ap1* und an1* werden jeweils in die
Polaritätsunterscheidungsund Verteilungseinrichtungen 240, 250, 270 und 280 eingegeben,
deren jeweilige Ausgangsschwingungsformen in den Figuren 14(b)
bis (e) dargestellt sind, und die Ausgänge von den
Additionseinrichtungen 26 und 29 in den positivseitigen und negativseitigen
Modulationsschwingungen ap* und an* sind die in den Figuren
14(f) und (g) dargestellten.
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Dementsprechend werden sowohl von den positivseitigen als
auch von den negativseitigen Modulationsschwingungen keine
Ausgangsspannungsanweisungen unter der minimalen Zeit ausgegeben.
Überdies werden diese Ausgänge durch Verarbeitung der
Ausgangsspannungsanweisungen erhalten, wobei die Wellensteigerung im
Ausgangsstrom des Wechselrichters beseitigt wird.
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Ferner wurden die Vorteile der vorliegenden
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf eine Phase erläutert, die gleichen
Vorteile werden jedoch ebenso bei zwei Phasen oder Multi-Phasen mit
mehr als zwei Phasen erzielt.
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Darüber hinaus wurden die vorliegenden Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf einen Induktionsmotor erläutert, die
vorliegende Erfindung ist jedoch mit den gleichen Vorteilen ebenso
für einen Synchronmotor anwendbar.
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Vorstehend wurden sämtliche Ausführungsformen im
Zusammenhang mit einem Wechselrichter erläutert, die vorliegende
Erfindung ist jedoch ebenso für einen seibsterregenden Gleichrichter
anwendbar, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und durch
Verbinden der Ausgangsanschlüsse des in den Ausführungsformen
erläuterten Wechselrichters mit einer Wechselstromquelle über
Reaktanzelemente gebildet wird, um mit den gleichen Vorteilen
wie beim Wechselrichterbetrieb einen Regenerationsvorgang
auszuführen.
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Erfindungsgemäß kann die Ausgangsspannung des
Wechselrichters von der Nullspannung bis zur maximalen Spannung
kontinuierlich und glatt eingestellt werden.
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Ferner kann als Ausgangsspannung des Wechselrichters eine
sehr kleine Ausgangsspannung reproduziert werden, die der
Ausgangsspannungsanweisung entspricht.