DE3012330A1

DE3012330A1 - Impulsbreitenmodulierter wechselrichter und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE3012330A1
Application number: DE19803012330
Authority: DE
Inventors: George Henry Studtmann; Raymond J Yarema
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1979-03-30
Filing date: 1980-03-29
Publication date: 1980-10-16
Also published as: JPS55131279A; GB2046034A; FR2452820A1; GB2046034B; AU533193B2; US4291368A; AU5641680A; CA1134907A; FR2452820B1

Description

Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter und Betriebsverfahren

Die Erfindung betrifft im allgemeinen statische Wechselrichter, insbesondere jedoch einen neuartigen und' verbesserten impulsbreitenmodulierten Wechselrichter sowie ein Betriebsverfahren für diesen.

Im US-Patent No. 3 538 420 ist ein Wechselrichter gezeigt/ der eine Wechselspannung mit einer vorv/ählbaren Frequenz und Spannung dadurch abgibt, daß er eine Wellenform erzeugt, die mindestens einen Einschnitt oder eine Einkerbung aufweist, bei welcher die Breiten der Einschnitte zur Steuerung der Ausgangsspannung verändert werden.

Im ÜS-Patent No. 3 611 086 wird ein impulsbreitenmodulierter Wechselrichter bekanntgemacht, dessen Modulationsfrequenz ein ganzzahliges Verhältnis der Trägerfrequenz ist, und dieses Verhältnis der Trägerfrequenz wird automatisch während dynamischer Umschaltungen der Motordrehzahl zu synchronisierten Zeitpunkten geschaltet.

Im US-Patent No. 3 739 253 wird eine impulsbreitenmodulierte Spannungsquelle offenbart, die zwischen zwei Ausgangslastanschlüssen eine Wellenform erzeugt, die in jeder Halbperiode einen Anfangs-,Mittel- und Endspannungsimpuls aufweist. Der An-

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fangs- und Schlußspannungsimpuls sind um 120° gegeneinander versetzt, wobei der mittlere Spannungsimpuls einen Teil dieses elektrischen Winkels von 120 ° einnimmt.

Es ist allgemein bekannt, daß Drehzahländerungen von Wechselstrommotoren durch entsprechende Regelung der Frequenz der angelegten Wechselspannung durchgeführt werden können. Frequenzänderungen verändern jedoch das Motorendrehmoment, das, wie bekannt, vom Verhältnis von Größe: Frequenz der am Motor anliegenden Wechselspannung abhängt. Daher wurden bisher viele Versuche unternommen, Umformer zu schaffen, die nicht nur mit einem regelbaren Frequenzumsetzer, sondern auch mit Spezialschaltungen wie einer Impulsbreitenmodulationsschaltung bestückt sind, um die Amplitude der Ausgangsspannung des Umsetzers zu regeln. Die Schwierigkeiten, die bei diesen früheren Einrichtungen auftraten, bestanden darin, daß die Impulsbreitenmodulationsschaltung im allgemeinen eigene Leistungsschalter zusammen mit der ohnedies erforderlichen Ausweitung komplizierter Steuerschaltungen brauchte. Es ist daher wünschenswert, einen impulsbreitenmodulierten Wechselrichter zu schaffen, der mit einer äußerst kleinen Anzahl von Leistungsschaltern sowohl für die Frequenz- als auch für die Spannungsregelung auskommen kann.

Eine weitere Schwierigkeit, die bei diesen früheren Vorrichtungen auftrat, die in einem weiten Frequenzbereich arbeiteten, bestand darin, daß sie bei höheren Frequenzen nicht berücksichtigten, daß weniger Impulse zur Modulation der Wechselrichterausgangsspannung wegen großer LeistungsVerluste und überhitzung

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der Leistungs- und Kraftschalter eingeblendet werden sollten. Außerdem war es allgemein bekannt, daß bei einer Vergrößerung der Impulsbreite zur Verringerung der Ausgangsspannung die Größe des harmonischen Anteils, besonders Harmonische niedriger Ordnung in solch einer Ausgangsspannung für eine gegebene Grundspannung erhöht wird, wodurch auch die Erwärmung des Motors anwächst. Somit ist es wünschenswert, einen impulsbreitenmodulierten Wechselrichter zu schaffen, bei welchem möglichst wenige Impulse von der kürzesten zulässigen Breite den Ausgangswellenformen bei der höchsten Wechselrichterfrequenz aufgeschaltet werden, wodurch eine Überhitzung der Leistungsschalter vermieden wird. Wenn bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die Frequenz herabgesetzt wird, wird die Impulsbreite laufend vergrößert, um die Ausgangsspannung bis auf eine vorgewählte Grenze herabzusetzen, wenn übermäßige ilotorerwärmung durch den vergrößerten harmonischen Anteil hervorgerufen werden kann. Dann wird die Impulszahl ohne Veränderung der gesamten Impulsbreiten erhöht , um eine konstante Grundspannung beizubehalten und dennoch die Harmonischen auf eine höhere Frequenz zu verlagern, um die Motorerwärmung zu verringern. Dieses Verfahren wird laufend mit zusätzlichen Impulsen wiederholt, wenn die Frequenz weiter herabgesetzt wird.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen impulsbreitenmodulierten Wechselrichter sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb zu schaffen, der mit möglichst wenigen Leistungsschaltern für die Frequenz- und die Spannungsregelung auskommt. Erfindungsgemäß soll ein impulsbreitenmodulierter Wechselrich-

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ter geschaffen werden, bei welchem ein Einzelimpuls mit der geringsten zulässigen Breite in jeder Halbperiode der Ausgangswellenformen bei der höchsten Wechselrichterfrequenz aufgeschaltet wird, wodurch eine überhitzung der Leistungsschalter vermieden wird. Weiter soll mit der Erfindung ein impulsbreitenmodulierter Wechselrichter geschaffen werden, bei dem die Impulsbreite der den Ausgangswellenformen überlagerten Impulsen laufend vergrößert wird, wenn die Wechselrichterfrequenz herabgesetzt wird, um die Ausgangsspannung solange zu verkleinern, bis ein gewählter Grenzwert erreicht ist, wo eine überhitzung des Motors durch den erhöhten harmonischen Anteil verursacht werden kann, worauf die Zahl der aufgeschalteten Impulse ohne Veränderung der Gesamtimpulsbreiten erhöht wird, um eine konstante Grundspannung beizubehalten und dennoch die Harmonischen auf eine höhere Frequenz zu verschieben, um die Motorerwärmung zu verringern. Weiter ist erfindungsgemäß ein impulsbreitenmodulierter Wechselrichter vorgesehen, bei welchem die Spannungsregelung durch eine Veränderung der Zahl und Breite der Impulse erfolgt, die den einzelnen Schaltsignalen eingeblendet werden, welche die Leistungsschalter in Abhängigkeit der Wechselrichterfrequenz steuern. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll ein impulsbreitenmodulierter Wechselrichter geschaffen werden, dessen Ausgangswellenformen durch Aufschaltung von mindestens einem Impuls von veränderlicher Breite moduliert werden, der symmetrisch um den Mittelpunkt oder 90 ° -Punkt im Mittelteil von 60 ° in jeder Halbperiode der Ausgangswellenform angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird ein impulsbreitenmodulierter Gleichrichter

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sowie ein Verfahren geschaffen, um einem Verbraucher eine dreiphasige Spannung mit einer vorgewählten Ausgangsfrequenz und einer vorwählbaren Ausgangsspannung einzuspeisen, wobei die Regelung der Wechselrichterausgangsspannung durch Modulation der Ausgangswellenformen erfolgt. Zu diesem Zweck ist eine Spannungsversorgung mit einer positiven und einer negativen Speiseklemme vorgesehen, und eine Schaltvorrichtung verbindet die Spannungsversorgung mit einer Last oder einem Verbraucher, der mit Ausgangsanschlüssen oder -klemmen A, B und C bestückt ist. Eine impulsbreitenmodulierte logische Steuerschaltung dient zur Auslösung oder Triggerung der Schalter, um Wellenformen an den Ausgangsanschlüssen zu erzeugen, so daß mindestens ein Impuls von einer regelbaren Breite symmetrisch um den Mittelpunkt oder 90 ° Punkt im mittleren 60 ° Teil einer jeden Halbperiode der Wellenformen liegt. Die Steuerschaltung umfaßt eine logische Schaltung für den Impulsfrequenzbereich zur Wahl und Veränderung der Impulse, die dem mittleren 60 ° Teil einer jeden Halbperiode der Wellenform in Abhängigkeit von einem Steuersignal aufgeschaltet werden sollen, dessen Wert eine Funktion der vorgewählten Ausgangsfrequenz ist. Die logische Steuerschaltung umfaßt auch eine Vergleichsschaltung zur Erzeugung der einzublendenden Impulse sowie zur Veränderung der Impulsbreiten in Abhängigkeit vom Steuersignal, so daß die Breite laufend verändert wird, wodurch sich die vorgewählte Ausgangsspannung ergibt.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von

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erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile kennzeichnen, zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Stromlaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 verschiedene Kurvenbilder von Wellenformen, die von der Anlage der Fig. 1 erzeugt werden, wenn sie nach dem früheren Stand der Technik unmoduliert betrieben wird,

Fig. 3 ein Kurvenbild der Wellenformen, die von der Einrichtung der Fig. 1 erzeugt werden, wenn sie durch die erfindungsgemäße logische Steuerschaltung moduliert sind,

Fig. 4 und 5 TaktsignaIdiagramme mit Darstellung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage,

Fig. 6 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen, modulierten Wechselrichter-Steuerschaltung,

Fig. 7-10 Einzelstromlaufplane der verschiedenen in Fig. 6 gezeigten Blöcke.

Fig. 1 zeigt einen vereinfachten Stromlaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des impulsbreitenmodulierten Wechselrichters 10. Der Wechselrichter erhält von einer Gleichspannungsquelle 11 über Versorgungsleitungen L1 und L2 Spannung, die durch eine dreiphasige Wechselrichterbrücke 12 umgesetzt wird, um eine dreiphasige Wechselspannung an die Ausgangsanschlüsse A, B und C zur Steuerung eines mehrphasigen Verbrauchers oder einer mehrphasigen Last 14 abzugeben. Die Last ist als Motorwicklung 16 in Sternschaltung mit einem gemeinsamen Knotenpunkt K gekennzeichnet. Dieser Verbraucher ist nicht auf

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eine Sternschaltung nach Fig. 1 beschränkt, und kann auch die Form einer Dreiecksschaltung annehmen.

Die Wechselrichter- oder Umsetzerbrücke 12 besteht aus sechs siliziumgesteuerten Gleichrichtern Q1 - Q6 oder deren funktioneilen Ersatzteilen wie Transistoren und Thyristoren, die Leistungsschalter bilden, um entweder eine negative Spannung über die Leitung L1 oder eine positive Spannung über die Leitung L2 an jeden der Ausgangsanschlüsse A, B und C anzulegen. Die Durchsteuerungsfolge und die Pausen der Gleichrichter Q1 - Q6 werden durch eine modulierte logische Wechselrichter-Steuerschaltung 18 gesteuert, die mit den Schalttoren der Gleichrichter verbunden ist und erfindungsgemäß an den Ausgangsanschlüssen A, B und C eine Rechteckimpulsfolge erzeugt (Fig. 3).

Als Grundlageninformation sind anhand der Fig. 2 verschiedene Wellenformen dargestellt, die an den Ausgangsanschlüssen A, B und C entstehen, wenn die Wechselrichterbrücke 12 nach früherer Art und Weise betrieben wird, d.h. daß die logische Steuerschaltung 18 unmodulierte Triggerimpulse an die Schalttore der Gleichrichter Q1 - Q6 abgibt. Die Wellenformen sind mit Bezug auf die Leitung L1 erzeugt und mit A - L1, B-L1 und C-L1 gekennzeichnet. Die Wellenform B-L1 ist mit der Wellenform A-L1 identisch, eilt ihr jedoch um 120 ° nach. Die Wellenform C-L1 ist mit der Wellenform A-L1 identisch, eilt dieser jedoch um 240 ° nach. Die Wellenform A-B zeigt die quasi rechteckige Ausgangsspannung, die zwischen den Ausgangsanschlüssen A und B anliegt, und die Wellenform A-C zeigt die quasi rechteckige

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Ausgangsspannung, die zwischen den Ausgangsanschlüssen A und C anliegt. Die Wellenformen A-B und A-C heißen verkettete Spannung. Die Summe der Wellenformen A-B und A-C ergibt eine Wellenform A-K, die allgemein als Phase-Neutralspannung oder Phase-Sternspannung bezeichnet wird. Gleiche Spannungen treten zwischen den Klemmen B und K sowie den Anschlußpunkten C und K für die jeweiligen Phasen B und C auf, die nicht dargestellt sind.

Die Wellenform A-K nähert sich weitgehend einer Sinuskurve und sorgt für einen ziemlich einwandfreien Betrieb eines Dreiphasenwechselstrommotors. Die Motordrehzahl wird durch Änderung der Frequenz der Wechselausgangsspannung gesteuert, die durch Triggerung der Schalttore der verschiedenen Gleichrichter Q1, Q6 in einer gegebenen Reihenfolge bei einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit erreicht wird, während die Ausgangsspannung durch Umpolung der Gleichrichter zu Zwischenzeitpunkten verändert wird. Wie allgemein bekannt ist, bleibt die effektive Wechselausgangsspannung im wesentlichen konstant, wenn die Ausgangsfrequenz bei einer festen Gleichspannungsquelle verändert wird. Der wirksame Betrieb des Wechselstrommotors bei verschiedenen Ausgangsfrequenzen erfordert jedoch, daß die Amplitude der Ausgangsspannung sich als Funktion der Frequenz verändere.

Die Fig. 3 (a) - 3 (c) zeigen erfindungsgemäß die Aufschaltung eines Impulses oder Einschnittes 20 in jeder Halbperiode der Ausgangsspannung der Wechselrichterbrücke 12 der Fig. 1 an den Anschlüssen A, B und C für die negative Versorgungsleitung L1,

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wenn die Schalttore der sxliziumgesteuerten Gleichrichter mit entsprechenden Triggerimpulsen angesteuert werden. Es sei bemerkt, daß ein einziger Einschnitt oder Impuls 20 mit einer Breite W symmetrisch um den Mittelpunkt oder 90° Punkt der Mitte des 6o Teils einer jeden Halbperiode ausgeblendet wird, die die Kontinuierlichkeit der angelegten Gleichspannung unterbricht, anstelle eine Spannung auf einem diskreten Pegel während 180 ° einer Periode zu belassen. Wieder sind diese drei Wellenformen identisch, ausgenommen, daß sie gegeneinander um 120 ° phasenverschoben sind . Diese Betriebsart, bei welcher zwei Impulse je Periode an die Ausgangsanschlüsse angelegt werden, heißt Zweifachimpulsbetriebsart. Die verkettete Spannung zwischen den Anschlüssen A und B wird im wesentlichen in Fig. 3 (d) dargestellt, und die verkettete Spannung zwischen den Anschlüssen A und C in Fig. 3 (e). Die Strangspannung an der Phase A des sterngeschalteten Verbrauchers wird hauptsächlich Fig. 3 (f) dargestellt. Obwohl man sich die Wellenform der Fig. 3 (f) wegen ihrer relativen Kompliziertheit schwer vorstellen kann, kann mathematisch gezeigt werden, daß der durchschnittliche Energiegehalt für eine Ausgangswechsel-Effektivspannung dieser Wellenform sich stark einer Sinuswellenkurve annähert.

Wie bereits erwähnt, kann die Ausgangswechselspannung durch Triggerung der Gleichrichter Q1 - Q6 in einer gegebenen Reihenfolge mit verschiedenen Geschwindigkeiten verändert werden. Auch durchVeränderung der Breite des Impulses 20 kann die Ausgangswechsel-Effektivspannung der Wellenform der Fig. 3 (f) ver-

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ändert werden, d.h. daß durch eine Verbreiterung des Impulses die effektive Ausgangswechselspannung verkleinert und umgekehrt durch Verkürzung des Impulses die effektive Ausgangsspannung erhöht wird. Durch Analyse der Harmonischen kann gezeigt werden, daß je breiter der Impuls wird, umso stärker erhöht sich-der harmonische Anteil niedriger Ordnung in der Wellenform für eine gegebene Grundspannung, wodurch sich eine größere Motorerwärmung ergibt. Außerdem sei bemerkt, daß durch Vergrößerung der Impulszahl ohne Änderung der Gesamtimpulsbreite für jede Halbperiode die Harmonischen nach einer höheren Frequenz hin verschoben werden, wodurch sich eine Verringerung der harmonischenStröme und damit der Motorerwärmung ergibt. Daher muß zum Betrieb eines Motors in einem großen Drehzahlbereich mehr als ein Impuls in jeder Halbperiode aufgeschaltet werden.

Um die Kommutations- oder ümschaltgeschwindigkeit und damit Schaltverluste in den siliziumgesteuerten Gleichrichtern des Wechselrichters minimal zu halten, wird in jeder Halbperiode (im Zweifachimpulsbetrieb) nur ein Einschnitt oder ein Impuls mit einer minimalen zulässigen Breite bei der höchsten Ausgangsfrequenz des Wechselrichters und einer maximalen Ausgangsspannung aufgeschaltet. Wird die Ausgangsfrequenz niedriger, so wird die Impulsbreite vergrößert, um die Grundausgangsspannung so lange herabzusetzen, bis ein bestimmter Grenzwert erreicht ist, der durch übermäßige Motorerwärmung infolge des erhöhten harmonischen Anteils niedriger Ordnung und der minimalen Impulsbreite-Begrenzung erreicht ist. Dann wird der Betrieb automatisch auf einen Vierfachimpulsbetrieb umgewechselt, wobei jedoch keine Ver-

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änderung der Gesamtimpulsbreite erfolgt, um eine konstante Grundspannung vor und nach dem Umschalten beizubehalten. Dieses Verfahren wird laufend bei höheren Impulsschwingungsarten wiederholt, wenn die Ausgangsfrequenz weiter herabgesetzt wird.

Fig. 3 (g) - 3 (i) zeigt die Ausgangswellenformen des Wechselrichters 12 der Fig. 1 an den Anschlüssen A, B und C, wo für jede Halbperiode beim Vierfachimpulsbetrieb vier Impulse aufgeschaltet werden. Zum Zwecke der besseren Erläuterung wird trotz der Änderung der Impulsbetriebsart die Frequenz der Fig. 3 (a) 3 (f) gleich der der Figur 3 (g) 3 (m) angenommen. Die verkettete Spannung zwischen den Anschlüssen A und B wird im wesentlichen in Fig. 3 (j) und die verkettete Spannung zwischen den Anschlüssen A und C in Fig. 3 (k) gezeigt. Die Strangspannung an der Phase A des sterngeschalteten Verbrauchers ist hauptsächlich so wie in Fig. 3(m) dargestellt.

Es sei bemerkt, daß alle Impulse 21 im mittleren 60° Teil einer jeden Halbperiode gleichmäßig verteilt oder symmetrisch um den 90 ° Punkt angeordnet sind und daß alle Impulse 21 gleiche Im-

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pulsbreite W2 oder besitzen. Es ist offensichtlich,

daß ähnliche Wellenformen für den Betrieb bei höheren Impulsschwingungszahlen wie 6, 8, 10 usw. erzeugt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Impulsbetriebsart und die Breite der eingeblendeten Impulse genau durch eine digitale logische Steuerung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, geregelt. Das Blockschaltbild der Fig. 6 zeigt Einzelheiten der modulierten logi-

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sehen Wechselrichtersteuerschaltung 18 der Fig. 1 zur Steuerung der Dreiphasenlast 40 unter Verwendung der Wechselrichterbrücke 12, die Wechselspannung mit einer vorwählbaren Frequenz und einer vorwählbaren effektiven Ausgangsspannung unter Verwendung des anhand der Fig. 3 (a) - 3 (m) beschriebenen Verfahrens erzeugt.

Eine beliebig regelbare Frequenzsteuerung 28 gibt ein Gleichspannungssignal ab, das dem Sechsfachen der vorgewählten Frequenz der Ausgangswechselspannung direkt proportional ist. Das Signal liegt an einem spannungsgeregelten Oszillator 30 an, um am Ausgang 32 eine Dreieckswelle 32a nach Fig. 4 (a) und am Ausgang 34 eine Rechteckwelle 34 (a) nach Fig. 4 (b) zu erzeugen. Die Dreieckswelle 32 (a) und die Rechteckwelle 34a besitzen die gleiche Frequenz (eine Periode für jeden elektrischen 60 Winkel bei der Zweifachimpulsbetriebsart), die ein ganzzahliges Vielfaches des sechsfachen Wertes der vorgewählten Frequenz der Ausgangswechselspannung ist und deren Phasenbeziehung aus Fig. 4 zu ersehen ist. Ein Binärzähler 36 subtrahiert von einer verhältnismäßig großen Frequenz, die vom Oszillator 30 erzeugt wird, um ein Signal abzugeben, das durch einen von mehreren Faktoren geteilt wird, d.h. 1 : 5. Der gewünschte Faktor wird durch eine logische Wahlschaltung 38 ausgesucht, an welcher die Eingangssignale einer logischen Impulsbetriebsartenschaltung 40 anliegen. Die logische Schaltung 40 wählt und "ändert die Zahl der Impulse, die einer jeden Halbperiode der Wellenformen an den Wechselrichterbrückenausgängen dadurch aufgeschaltet werden, daß das Signal an einem von meh-

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reren Ausgängen dem Oszillator 30 und der logischen Wahlschaltung 38 eingespeist wird. Die Frequenz des in Fig. 4 (b') gezeigten Signals 42a am Ausgang 42 der logischen Schaltung 38 beträgt das Sechsfache einer gewählten Grund- oder Modulationsfrequenz F, die an den Ausgangsanschlüssen A, B und C erzeugt wird. Dieses Signal 42a stellt die Phase in einem entsprechenden Periodenteil der Ausgangsperiode des Wechselrichters dar. Das heißt, an diesem Punkt treten für jede Periode der Wechselrichterausgangsfrequenz jeweils 6 Perioden auf, und jede der 6 Perioden entspricht einem 60° Intervall oder einem elektrischen 60° Winkel in der Ausgangsspannung des Wechselrichters. Das Signal 42a steuert eine Löschschaltung 44 mit einem Ausgang 46, die den Zähler 36 am Ende eines jeden 60° Intervalls löscht, und falls erforderlich einen Wechsel der Impulsbetriebsart gestattet, in dem der Ausgang 48 an einen Eingang der logischen Schaltung 40 angeschlossen wird. Das Signal 42a steuert auch einen Dreiphasenrechteckwellengenerator 50, welcher die Torsteuerungsoder Triggersignale für eine herkömmliche nichtmodulierte Wechselrichterbrücke mit den Wellenformen A-L1, B-L1 und C-L1 der-Fig. 2 erzeugt.

Die Ausgangssignale des Generators 50 werden durch eine logische Phasentaktgeberschaltung 52 addiert, um verschiedene Taktsignale zu ergeben, welche die Steuerung der einzelnen Operationen in den einzelnen Phasen zu verschiedenen Zeitpunkten zu bestimmen. Die logische Schaltung 52 steuert eine'Torschaltung 54, die es ermöglicht, daß einer oder mehrere Impulse eines Impulsformers oder Impulsgenerators 56 zu den richtigen Zeitpunk-

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ten an die richtigen Phasen gelangen. Ein logisches Addierwerk 58 addiert die Torimpulse des Generators 56 zu den unmodulierten Triggersignalen des Rechteckgenerators 50, um modulierte Vorsteuersignale für die Gleichrichter 01, Q2 und Q3 in der Wechselrichterbrücke 12 zu erzeugen. Die modulierten Ausgangstorsignale der logischen Schaltung 58 werden durch eine Inversionsschaltung 59 umgekehrt, um modulierte Vorsteuersignale für die anderen Gleichrichter Q4, Q5 und Q6 der Wechselrichterbrücke zu erzeugen.

Eine herkömmliche Einrichtung zur Abtastung des Verhältnisses Größe : Frequenz (V : f) der Ausgangsspannung, die ein V : f Regler 60 ist an die Wechselrichterbrücke 12 angeschlossen. Solch ein V : f -Regler ist im US Patent No. 3 343 063 bekanntgemacht. Am Regler 60 liegt ein anderes Eingangssignal von der logischen Schaltung 38 über den Löschkreis 44 und ein NAND-Tor 106 an, wobei die Ausgangsfrequenz der logischen Schaltung 38 durch die Oszillator 30 geregelt werden kann. Somit dient die Schaltung 60 als ein Regler zur Erzeugung eines Spannungsregelsignals, das proportional ist der Ausgangsspannung des Wechselrichters dividiert durch seine Ausgangsgrundfrequenz. Da die Frequenz des Oszillators 30 durch die Frequenzsteuerung 28 gesteuert wird, dient die Quelle 28 zur wahlweisen Änderung der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters. Wenn die Frequenz der Steuerquelle sich ändert, ändert sich auch das Ausgangssignal des Reglers 60, das seinerseits die Breite der Impulse des Generators 56 über einen Spannungsvergleichskreis 62 verändert. Daher wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters nach Bedarf

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verändert und geregelt, um so streng wie möglich den durch Einstellung der Frequenzsteuerung vorgegebenen Verhältniswert V : f beizubehalten. Das Ausgangssignal des Reglers 60 gelangt auch zur logischen Schaltung 40, die festlegt, wenn eine andere Impulsbetriebsart erforderlich ist, indem sie die Frequenz* des Oszillators 30 so steuert, daß dieser mit verschiedenen Vielfachen des Sechsfachen der Grundfrequenz arbeitet. Dieser durch die logische Schaltung 4 0 bestimmte Multiplikationsfaktor ist gleich der Anzahl der Impulse, die im mittleren 6 0° Sektor einer jeden Halbperiode der Signale an den Ausgängen des Wechselrichters aufgeschaltet werden müssen. Die Spannungsvergleichsschaltung 62 vergleicht die Dreieckswelle 32a des Oszillators 30 mit dem Spannungssteuersignal des Reglers 60 zur Erzeugung eines Signals für den Impulsgeber 56. Dieser formt das Signal und gewährleistet, daß Impulse, die kleiner sind als eine bestimmte Minimalbreite, nicht erzeugt werden.

Obwohl die verschiedenen Blöcke 30, 36, 38, 40, 44, 50, 52, 54, 56, 58, 59 und 62 in verschiedenen Ausführungsformen auftreten können, zeigen die Figuren 7-10 geeignete logische Schaltungen zur Erzeugung der Takt- und Folgesignale der erfindungsgemäßen Schaltvorgänge. Die logischen Schaltungen, die in ihren Einzelfunktionen verhältnismäßig aufwendig sein können, können unter Verwendung von integrierten Schaltungen betriebssicher, kompakt, verhältnismäßig billig sein. Obwohl diese Schaltpläne anhand der vorstehenden Beschreibung für den Fachmann als selbstverständlich gelten können, sei ihnen eine kurze Funktionsbeschreibung beigegeben. Die verschiedenen logischen Bauteile sind symbolisch un-

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ter Annahme einer positiven Logik in herkömmlicher Weise dargestellt. Es sei bemerkt, daß viele andere Ersatzbauteile und -werte für die Auslegung dieser erfindungsgemäßen logischen Schaltungen eingesetzt werden können.

Fig. 7 zeigt einen Stromlaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der logischen Impulsbetriebsartenschaltung 40, welche die Anzahl der Impulse bestimmt, die im mittleren 60° Sektor einer jeden Halbperiode der Ausgangswellenformen des Wechselrichters aufgeschaltet werden müssen. Das Ausgangssignal des Reglers 60, das ein der Wechselrichterausgangsspannung proportionales Gleichspannungssignal ist, liegt an den Rechenverstärkern 64, 65, 66 und 67 über eine Leitung 68 her an. Die einzelnen Verstärker 64 - 67 sind an Einstellschaltpunkten durch Spannungen V1 - V4 über Potentiometer P1 bis P4 vorgespannt. Die Spannung V1 kann beispielsweise einen Wert von 1 V aufweisen, der der niedrigsten Ausgangsfrequenz des Wechselrichters entspricht. Die Spannungen V2, V3 und V4 können einen Wert von 2,3 und 4 V aufweisen. Die Spannungen V1 - V4 sind auf die Modulationsfrequenz bezogene Bezugssignale, so daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators auf einem geivünschten, ganzzahligen Vielfachen liegt. Die einzelnen Verstärker 64-67 dienen als Vergleichsschaltung, die das der Ausgangsspannung des Wechselrichters proportionale Gleichspannungssignal mit der Spannung an den vorhandenen Vorspannungspunkten vergleichen. Wenn dieses Gleichspannungssignal beispielsweise größer ist als die durch P1 eingestellte Vorspannung von 1V, so gibt der Verstärker 64 ein hochpegeliges Signal oder ein logisches Signal "1" ab. Auch wenn das Gleichspannungssignal des

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Reglers 60 größer ist als 2V, 3V und 4V, liegt eine logische "1" am Ausgang der Verstärker 65, 66 und 67 an. Die einzelnen Ausgänge sind an entsprechende NAND-Tore 69, 70, 71 und 72 geführt, die als Pufferverstärker und Inversionsschaltungen dienen. Das Ausgangssignal der Tore 69 - 72 liegtjeweils an den Eingängen von 4 Flip-Flops 73 - 76 des sogenannten J-K Typs an. Die Ausgangssignale des Löschkreises 44 gelangen über eine Leitung 48 an den Taktimpuls oder CP - Anschluß der J-K-Flip-Flops 73-76 und dienen als Übertragungssignal für eine Datenanzeige der Vergleichsschaltungen 64-74 am Ende eines 60° Sektors.

Die Ausgangssignale Q2 - Q4 sowie die Komplementärsignale Q1, Q2 und Q3 liegen an NAND-Toren 77, 78 und 79 an, deren Ausgangssignale auf Leitungen 81, 82 und 83 gelangen. Die Komplementärwerte dieser Signale laufen über Leitungen 84, 85 und Die AusgangsSignaIe Q1, Q1 , Q4 und Q5 liegen an entsprechenden Leitungen 87, 88, 89 und 90 an.

Fig. 8 zeigt eine Detailschaltung des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Binärzählers 36, der logischen Wahlschaltung 38, des Löschkreises 44 sowie des Dreiphasenrechteckgenerators 50. Der Oszillator 30 erzeugt die Dreieckwelle am Ausgang 32 und die Rechteckwelle am Ausgang 34 wie bereits erwähnt. Die Frequenzen der Dreieckwelle und der Rechteckwelle sind gleich und stellen ein ganzzahliges Vielfaches des Sechsfachen der Grundfrequenz F dar, die über eine Leitung 28a durch die Steuerung 28 eingestellt wird. Das ganzzahlige Vielfache wird durch Signale bestimmt, die von Leitungen 88, 81, 82, 83 und 89 von der logi-

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sehen Impulsbetriebsartenschaltung 4 0 her an den Oszillatoreingängen anliegen. Die Ausgangsrechteckwellenspannung an der Leitung 34 wird an den Binärzähler 36 geführt, der als ein Teilerkreis mit Nenner N arbeitet und aus drei J-K-Flip-Flops 91, 92 und 93 zusammengesetzt ist, deren AusgangsSignaIe an 'den Leitungen 94 - 98 anliegen. Die Ausgangsfrequenz der Signale an den Leitungen 94 - 98 ist gleich der durch einen entsprechenden Faktor 1, 2, 3, 4 und 5 dividierten Rechteckwellenfrequenz.

Die logische Wahlschaltung 38 umfaßt fünf NAND-Tore 99, 100, 101, 102 und 103, deren Eingang jeweils an die entsprechenden Leitungen 94 - 98 des Binärzählers 36 angeschlossen ist. Der andere Eingang der Tore 99 - 103 ist mit den Leitungen 90, 86, 85, 84 und 87 der logischen Impulsbetriebsartenschaltung 44 verbunden, die jeweils eine Zweifachimpuls-, Vierfachimpuls-, Sechsfachimpuls-, Achtfachimpuls- oder Zehnfachimpulsbetriebsart steuern. Die einzelnen Ausgangssignale der Tore 99 - 103 sind gemeinsam an ein NAND-Tor 104 geführt, dessen Ausgangssignal am Punkt 38a anliegt. Der Löschkreis 44 umfaßt einen monostabilen Multivibrator 105, dessen Eingangssignal vom Punkt 38a her anliegt. Das komplementäre Ausgangssignal des Multivibrators 105 steuert die Löschanschlüsse der J-K-Flip-Flops 91 - 93 sowie auch den Regler 60 über ein NAND-Tor 106 über die Leitungen 46 und 47. Der Multivibrator 105 steuert auch den Taktimpuls oder die Anschlüsse CP der J-K-Flip-Flops 73 - 76 der logischen Schaltung 4 0 über die Leitung 48.

Der Rechteckwellengenerator 50 wird aus drei J-K-Flip-Flops 107 -

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109 gebildet, dessen Taktimpuls oder CP-Eingangssignale vom Punkt 38a her anliegen. Die Ausgangssignaleder Flip-Flops 1 07 109 liegen auf Leitungen 110 - 115 an. Die Ausgangswellenformen an den Leitungen 110, 111 und 112 stellen die unmodulierten Rechteckschaltsignale für die Gleichrichter 01 - Q3, die gegeneinander um 120 ° phasenversetzt sind (Fig. 5 (a)- 5 (c)). Die AusgancTswellenformen auf den Leitungen 113, 114 und 115 stellen die unmodulierten Rechteckwellenschaltsignale für die Gleichrichter Q4 - 06 dar, die die Komplementärsignale der entsprechenden Wellenformen auf den Leitungen 110 - 112 sind (Fig.5 (b) - 5 (f)).

Fig. 9 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Spannungsvergleichskreises 62 und des Impulsgenerators 56. Die Vergleichsschaltung umfaßt einen Rechenverstärker 116, an dessen Inversonseingang über die Leitung 68 ein regelbares Spannungssteuersignal des Reglers 60 anliegt. Am zweiten oder nicht-inversierenden Eingang des Verstärkers 116 liegt das Dreieckssignal vom Oszillator über die Leitung 32 her an. Die Vergleichsschaltung 62 umfaßt ein NAND-Tor 117, das zwischen den Verstärker 116 und den Eingang zum Impulsgeber 56 geschaltet ist. Dieser dient als Impulsformer und besteht aus zwei monostabilen Multivibratoren 118 , 119, sowie zwei NAND-Toren 120, 121, die die vorwählbare kleinste zulässige Breite des oder der Impulse steuert, die dem mittleren 60 Sektor einer jeden Halbperiode am Wechselrichterausgang aufgeschaltet werden. Bei dem gegenwärtigen Stand der Festkörperschaltvorrichtungen wird die minimale Breite so eingestellt, daß eine sichere Umpolung gewährleistet ist, wodurch

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ein Ausfall des Wechselrichters vermieden wird. Das Ausgangssignal des Impulsgebers 56 liegt auf einer Leitung 121a an und gelangt so zum Eingang des logischen Schaltkreises 54.

Fig. 10 zeigt die Einzelheiten der logischen Phasen- Taktgeberschaltung 52, der Torschaltung .54, des logischen Addierwerkes 58 sowie der Inversionsschaltung 5 9 in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die logische Schaltung 52 umfaßt drei Doppelfunktions-UND-ODER-Tore 122,123,124 und die Torschaltung 54 drei UND-Tore 125,127,129 sowie drei

NAND-Tore 126, 128 und 130. Eines der Eingangssignale für die Tore 125, 127 und 129 liegt vom Impulsgeber 56 über die Leitung 121a und das Tor 121b an, und die anderen Eingangssignale von den entsprechenden Toren 126, 128 und 130. Die Eingangssignale für die Tore 126, 128 und 130 liegen von den Ausgängen der entsprechenden Tore 122c, 123c und 124c her an. Die Ausgangssignale der Tore 125, 127 und 129 auf.entsprechenden Leitungen 125 a, 127a und 129a liegen am Eingang des logischen Addierwerkes 58 an.

der

Die vier Eingangssignale an jedem UND-NOR-Tore 122 - 124 werden von 4 der 6 Leitungen 110 - 115 des Rechteckwellengenerators 5 0 abgegriffen. Daraus ergibt sich, daß die vier Eingänge des Tors 122 die Leitungen 110, 111, 113 und 114 sind; die vier Eingänge des Tors 123 sind die Leitungen 111, 112, 114 und 115; und die vier Eingänge des Tors 124 sind die Leitungen 112, 110, 115 und 113.

Das logische Addierwerk 58 umfaßt drei ÜND-NOR-Tore 131, 132 und

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133 sowie drei NAND-Tore 134 - 136, deren vier Eingänge vom Rechteckwellengenerator 50 und der Torschaltung 54 herangeführt sind. Somit sind die vier Eingänge für die Tore 131 und 134 die Leitungen 110, 127a, 113 und 127a; die vier Eingänge für die Tore 132 und 135 sind die Leitungen 111, 125a, 114 und 125a; die vier Eingänge für die Tore 133 und 136 sind die Leitungen 112, 129a, 115 und 129a. Die Ausgangssignale der Tore 131c 133c sind die entsprechenden Triggerschaltsignale für die siliziumgesteuerten Gleichrichter Q1, O2 und 03, die über Leitungen 131d, 132d und 133d her anliegen. Die Komplementärsignale zu diesen letzten Signalen werden über die NAND-Tore 137, 138 und 139 abgegriffen, die die Inversionsschaltung 59 bilden. Die Ausgangssignale der Inversionsschaltung 59 liegen auf Leitungen 137a, 138a und 139a an und steuern die Tore der siliziumgesteuerten Gleichrichter Q4, Q5 und Q6 an.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird nachstehend die Arbeitsweise der anhand der Fig. 7-10 beschriebenen logischen Schaltungen im einzelnen dargestellt. Die Steuerspannung des Reglers 60 liegt über die Leitung 68 an den nicht-invertierenden Eingängen der Rechenverstärker 64 - 67 an, die an Einstellpunkten durch die Potentiometer P1 - P 4 vorgespannt sind. Die Steuerspannung ist ein Gleichspannungssignal, das kontinuierlich ansteigt, wenn die Grundfrequenz des Wechselrichters kleiner wird. Angenommen, diese Steuerspannung sei kleiner als 1V oder die Einstellung von V1 gelte für den Inversionseingang des Verstärkers 64. In diesem Zustand läuftder Motor mit seiner geringsten Drehzahl, und die höchste Impulszahl, die dem Ausgangssignal des

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Wechselrichters aufgeschaltet werden kann, übernimmt jetzt die Stouerfunktion. Somit arbeitet jetzt die 10-Impuls-Betriebsart, welcher das Signal von der Leitung 98 des Binärzählers 36 am ersten Eingang des Eingangs des NAND-Tors 103. Nur das Ausgangssignal des Tors 103 kann jetzt das Tor 104 durchlaufen.'

Vor dem ersten Wechsel der Impulsbetriebsart bestehen die folgenden loqischen Bedingungen: Das Ausgangssignal des Rechenvorstärker s 64 ist auf dem logischen Nullpegel, der Puffer 69 auf dem Pegel einer logischen 1, das Ausgangssignal Q1 des Flip-Flops 73 auf einer logischen 1 und das Ausgangssignal QI des Flip-Flops 73 auf einer logischen Null. Wenn jetzt die Steuerspannung größer ist als die am Einstellpunkt anliegende Spannung V1 für einen ersten Impulsbetriebsartwechsel, ändert der Rechenverstärker 64 seinen Schaltzustand in eine logische 1. Dadurch schaltet der Puffer 69 auf eine logische Null um. Angenommen, ein Signal liege am Takteingang des J-K-Flip-Flops 73 an, dann schaltet der Ausgang QI auf eine logische Null und der Ausgang Q1 auf eine logische 1 um. Es sei bemerkt, daß die Ausgangssignale der Flip-Flops 73 - 76 nur dann ihren Schaltzustand ändern, wenn ein Taktimpuls anliegt, der am Ende eines 60 Sektors auf der Leitung 48 vom Löschkreis 44 her auftritt. Wenn die Steuerspannung ansteigt, arbeiten die Rechenverstärker 65-67 in der gleichen Weise, um ihre entsprechenden Puffer 70 - 72 und die Flip-Flops 74 - 76 anzusteuern, wenn ein Taktimpuls an-, liegt. Vor der ersten Impulsbetriebsartenänderung sind die Ausgangssignale auf den Leitungen 90, 81, 82 und 83 auf einer logischen 1 und das Ausgangssignal auf der Leitung 88 auf einer lo-

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όϋ

gischen Null. Da der Oszillator 30 nur auf den Schaltzustand einer logischen Null anspricht, erzeugt er ein Ausgangssignal, dessen Frequenz das Dreißigfache der Wechselrichterausgangsfrequenz F ist, das durch die Steuerung 28 vorgegeben ist. Daher schaltet beim ersten Impulsbetriebsartwechsel die Leitung 88 von einer logischen Null auf eine logische 1 und die Leitung 81 von einer logischen 1 auf eine logische Null um, wodurch der Oszillator 30 ir it den 24fachen der Wechselrichterausgangsfrequenz schwenkt. Bei jedem folgenden Impulsbetriebsartenwechsel schalten die Leitungen 82, 83 und 9 0 nacheinander auf eine logische Null um, wodurch der Oszillator 30 jeweils mit der 18fachen, 12fachen und öfachen Ausgangsfrequenz des Wechselrichters schwingt.

Die nacheinanderfolgende Umschaltung der Eingangsleitungen 88, 81, 82, 83 und 90 des Oszillators 30 von einer logischen Eins auf eine logische Null bewirkt, daß sich der Innenwiderstand des Oszillators und damit auch der Wert einer Eingangsspannung zur Steuerung einer Ausgangsfrquenz ändert. Wie bekannt, ist dies die Definition eines Spannungssteueroszillators. Ebenso sind die EinganTsleitungen 87, 84, 85, 86 und 90 für die Tore 99 103 auf dem Pegel einer logischen Null, mit Ausnahme der Leitung 87, die vor dem ersten Impulsbetriebsartenwechsel auf einer logischen Eins liegt. Somit wird, wie bereits erwähnt, nur ein Signal auf der Leitung 98 vom Binärzähler 36 zum Ausgang des Tores 104 über das Tor 103 durchgesteuert. Das Signal auf der Leitung 98 ist gleich der Frequenz des Oszillators 30 dividiert durch den Faktor 5 oder 6F, das auch am Punkt 38a anliegt. Wenn

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die einzelnen Eingangsleitungen 84, 85, 86 und 90 fortschreitend auf eine logische Eins umschalten, werden die Signale auf den entsprechenden Leitungen 97, 96, 95 und 94 durch die entsprechenden Tore 102, 101, 100 und 99 zum Tor 104 durchgesteuert. Die Signale auf den Leitungen 97, 96, 95 und 94 sind gleich der Frequenz des Oszillators dividiert durch einen jeweils entsprechenden Faktor 4, 3,2 und 1 so daß die Frequenz am Punkt 38a stets gleich ist 6F.

Ure Änderungen der Impulsbetriebsart auf geregelte Weise zu ermöglichen, kann die Impulsbetriebsart nur am Ende eines jeden 60 Sektors der Wechselrichterausgangsspannung verändert werden. Dies wird durch einen monostabilen Multivibrator 105 erreicht, von dem ein Ausgangssignal als Übertragungssignal auf die mit den Taktimpulseingängen der Flip-Flops 73-76 verbundenen Leitung 48 wirkt. Das Signal auf der Leitung 48 besteht aus Impulsen von verhältnismäßig kurzer Dauer, die mit einer Frequenz von 6 je Periode der Modulationsfrequenz F oder mit je einem Impuls für jeden 60 Sektor der Modulationsfrequenz auftreten. Das andere Ausgangssignal des Multivibrators 105 gelangt über die Leitung 46 an die Löschanschlüsse der Flip-Flops 91 - 93 im Zähler 36, um die Flip-Flops mit der Modulationsfrequenz zu synchronisieren. Ist eine Impulsbetriebsartenänderung erforderlich, so kann sie nur zu Anfang eines 60° Sektors der Modulationsperiode auftreten, wenn die Taktimpulse anliegen und den Flip-Flops 73 - 76 gestatten, ihren Schaltzustand zu ändern.

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An einem Eingang des Rechenverstärkers 116 liegt das Dreieckssignal 32a der Fig. 4 (a) an, wo es mit der Steuergleichspannung vorglichen wird, die am anderen Eingang anliegt. Die Steuerspannung ist durch eine gerade Linie 140 in Fig. 4 (a) dargestellt. Die Rechteckspannung des Oszillators 30 schwingt mit der gleichen Frequenz wie die Dreiecksspannung, und die Phasenbeziehung zwischen beiden ist in Fig. 4 (b) gezeigt. Wenn die Spitzenamplitude der Dreieckwelle 32a den Pegel der Steuerspannung 140 übersteigt, wird ein Ausgangssignal am Rechenverstärker 116 erzeugt, dessen Wellenform ein Impulszug 142a der Fig. 4 (c) ist. Die Breite der einzelnen Impulse wird von dieser Steuerspannung gesteuert, die in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters ansteigt. Die Impulse 142a des Impulszuges werden bei ansteigender Ausgangsfrequenz des Wechselrichters enger, wodurch die effektive Ausgangsspannung für einen wirksamen Motorbetrieb ansteigt, d.h. konstante Volt/Hz. Die monostabilen Multivibratoren 118, 119 stellen sicher, daß die der Wechselrichterausgangsspannung aufzuschaltenden Impulse nicht kleiner sind als eine vorgegebene minimale Breite. D.h. daß die Minimalzeit zwischen einander folgenden Umpolungen der siliziumgesteuerten Gleichrichter so begrenzt sind, daß sie nicht kleiner ist als der vorgegebene Minimalwert, um einen Ausfall des Wechselrichters zu vermeiden, wenn die siliziumgesteuerten Gleichrichter nicht kommutieren.

Um die Taktsignale zur Steuerung des richtigen Zeitpunktes in jeder Phase zu erzeugen wenn ein oder mehrere Impulse aufgeschaltet werden sollen, wird die unmodulierte Ausgangsphase A

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des Rechteckwellengenerators 50 auf der Leitung 110 (Fig. 5 (a)) an einen Eingang des NAND-Tors 122a der logischen Schaltung 52 und die unmodulierte Ausgangsphase B des Generators 50 auf der Leitung 111 (Fig. 5 (b)) an den anderen Eingang des Tors 122a angelegt. Auch das Komplementärsignal der unmodulierten phase A oder die Phase Ä (Fig. 5 (b)) gelangt über die Leitung 113 an einen Eingang des NAND-Tors 122b und das Komplementärsignal der Phase B oder die Phase B~ (Fig. 5 (e) ) gelangt über die Leitung 114 an den anderen Eingang des Tores 122b. Die unmodulierte Ausgangsphase C des Generators 50 auf der Leitung 112 ist in Fig. 5 (c) gezeigt und die unmodulierte Phase C des Generators 50 auf der Leitung 115 in Fig. 5 (f). Mit der Boole¹ sehen Algebra kann gezeigt werden, daß das Ausgangssignal des NOR-Tores 122C durch AB + AB dargestellt werden kann. Das Signal AB wird durch die Wellenform der Fig. 5 (c) und das Signal AB durch die Wellenform der Fig. 5 (h) dargestellt. Ebenso wird das Ausgangssignal BC des Tors 12 3a durch die Wellenform der Fig. 5 (e), das Ausgangssignal BC des Tors 123b durch die Wellenform der Fig. 5 (j), das Ausgangssignal CA des Tors 124a durch die Wellenform der Fig. 5 (k), und das Ausgangssignal CA des Tors 124b durch die Wellenform der Fig. 5 (m) dargestellt. Unter Verwendung der Boole'sehen Algebra ergibt sich als Ausgangssignal des NOR-Tors 123c BC + BC und als Ausgangssignal des NOR-Tors 124c CA + CA .

Damit ein oder mehrere Impulse des Impulsgebers 56 der entsprechenden Phase zum korrekten Zeitpunkt aufgeschaltet werden können kombiniert die aus den Toren 125 - 130 bestehende logische

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Schaltung 54 die verschiedenen Wellenformen der logischen Phasen-Taktgeberschaltung 52 mit einem oder mehreren Impulsen des Generators 56. Die Impulse des Rechenverstärkers 116 sind mit P gekennzeichnet und durch die in Fig. 5 (n) gezeigte Wellenform für einen Zweifachimpulsbetrieb dargestellt. Da der Impulsgeber 56 diesen logischen Zustand umkehrt, heißt das Ausgangssignal auf der Leitung 121a P und wird durch die Wellenform der Fig. 5 (o) dargestellt. Das NAND-Tor 121b gibt auch das Ausgangssignal P ab, wie in Fig. 5 (n) gezeigt ist. Die NAND-Tore 126, 128 und 130 kehren den logischen Zustand der entsprechenden Tore 122c, 123c und 124c um. Somit ist nach der Boole"sehen Algebra das Ausgangssignal der logischen Schaltung 54 auf den Leitungen 125a, 127a und 129a (CA + CA) " P, (BC + BC) * P und (AB + AB) 'P. Das Signal (CA + CA) * P erhält man durch Überlagerung der Wellenformen der Fig. 5 (k), 5 (m) und 5 (n) und erscheint in Fig. 5 (p). Das Signal (BC + BC ) * P erhält man durch Überlagerung der Wellenformen der Fig. 5 (e), 5 (j) und 5 (n) und erscheint in Fig. 5 (q). Das Signal (AB + AB) " P erhält man durch Kombination der Wellenformen der Fig. 5 (g), 5 (h) und 5 (n) und ist in Fig. 5 (r) dargestellt.

Zur Erzeugung der modulierten Schaltsignale zur Triggerung der siliziumgesteuerten Gleichrichter Q1, Q2 und Q3 in den entsprechenden Phasen A, B und C des Wechselrichters summiert das logische Addierwerk 58 einen oder mehrere Impulse, die vom Generator 56 den unmodulierten Ausgangstriggersignalen des Rechteckwellengenerators 50 aufgeschaltet werden. Um diese lo-

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gische Funktion zu erfüllen, liegt über die Leitung 110 das unmodulierte Signal der Phase A am Eingang des Tores 131 A und über die Leitung 113 am Eingang des Tores 131b das unmodulierte Signal der Phase A an. Am anderen Eingang des Tores 131a liegt das Signal von der Leitung 127a und am anderen Eingang des Tores 131b das Komplementärsignal von der Leitung 127a an, das durch das NAND-Tor 134 invertiert wird. Auch am Eingang des Tores 132a liegt das unmodulierte Signal der Phase B über die Leitung 111 und am Eingang des Tores 132b das unmodulierte Signal der Phase B über die Leitung 114 an. Am anderen Eingang des Tores 132a steht das Signal von der Leitung 125a und am anderen Eingang des Tores 132b das Komplementärsignal von der Leitung 125a her an, das durch das NAND-Tor 135 invertiert wird. Außerdem erhält das Tor 133a Eingangssignale von der unmodulierten Phase C über die Leitung 112 und das Signal von der Leitung 129a, und das vor 133b erhält Eingangssignale von der unmodulierten Phase C über die Leitung 115 und das Komplementärsignal von der Leitung 129a, das durch das NAND-Tor 136 umgekehrt wurde. Die Komplementärwerte dieser Signale liegen auf den Leitungen 125a, 127a und 129a am Ausgang der Tore 134, 135 und 136 an und sind in den Fig. 5 (s), 5 (t) und 5 (u) gezeigt.

Anhand der Boole¹sehen Algebra kann gezeigt werden, daß das modulierte Signal zur Triggerung des siliziumgesteuerten Gleichrichters Q1 (Fig. 1) in Phase A am Ausgang des Tors 131c über die Leitung gleich ist

A " [JBC) + BC) * p] + Ä * QbC + BC) ' p]J , die durch die Wellenform der Fig. 5 (v) dargestellt wird, die

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eine Kombination der Wellenformen der Figuren 5 (a), 5 (q), 5 (d) und 5 (t) ist. Die Wellenform 5 (v) stellt die Spannung der Phase A am Anschluß A des impulsbreitenmodulierten Wechselrichters dar. Auch die Spannung der Phase B am Anschlußpunkt B des modulierten Wechselrichters ist gleich B * jjCA + CA) " + B " £ca + CA) * pjund wird durch die Wellenform in Fig. 5 (w) dargestellt, die eine Kombination der Wellenformen der Figuren 5 (b), 5 (p), 5 (e) und 5 (s) ist. Die Spannung der Phase C am Anschlußpunkt C des Wechselrichters ist gleich C * C(AB + AB * pj + C ' t(AB + AB) ' § und wird durch die Wellenform von Fig. 5 (x) dargestellt, die eine Kombination der Wellenformen der Fig. 5 (c), 5 (r) , 5 (f) und 5 (u) ist. Die Spannung A-B, d.h. die verkettete Spannung ist in Fig. 5 (y) gezeigt. Die anderen, nicht gezeigten, verketteten Spannungen B-C und C-A sind gleich dieser, jedoch um 120° und 240° gegenüber der Spannung A-B phasenversetzt. Man erkennt, daß die Wellenformen der Fig. 5 (v), 5 (w), 5 (x) und 5 (y) mit den Wellenformen der Fig. 3 (a) - 3 (b) für eine zweifache Impulsbetriebsart identisch sind.

Fig. 4 (d) zeigt die kurzen Ubertragungsimpulse auf der Leitung 48, die an den Anschlüssen CP der Flip-Flops 73-76 anliegen, um einen Impulsbetriebsartenwechsel nur zu Beginn eines 60 Sektors der Wechselrichterausgangsspannung zu lassen. Fig. 4 (e) zeigt die kurzen Impulse auf der Leitung 46, die an den Löscheingängen der Flip-Flops 91-93 anliegen. Fig. 4 (f) zeigt die Dreieckausgangsspannung des Oszillators 30 mit der Frequenz von einmal 6F für eine Zweifachimpulsbetriebsart, wobei die Steuerspannung

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durch die gestrichelte Linie 144 dargestellt ist. Fig. 4 (g) zeigt die Dreieckausgangsspannung des Oszillators 30 mit einer Frequenz von zweimal 6F oder 12F für eine Vierfachimpulsbetriebsart, wobei die Steuerspannung durch die gestrichelte Linie 144 dargestellt ist. Fig. 4 (h) zeigt den übergang am Ausgang des Oszillators 30 zum Zeitpunkt, wenn der Übertragungsimpuls auf der Leitung 48 von der Zweifachimpulsbetriebsart auf die Vierfachbetriebsart (6F auf 12F) am Übergangsschaltpunkt 146 anliegt, wobei die Steuerspannung durch die gestrichelte Linie 144 dargestellt wird. Fig. 4 (i) zeigt den übergang am Ausgang des Generators 56 auf der Leitung 121a. Die Steuerspannung 144 bleibt vor und nach dem Impulsbetriebsartenwechsel gleich, und die Gesamtbreiten der Impulse sind vor und nach der Umschaltung gleich, um die Grundspannung konstant zu halten. Die Strangspannungen der Phasen A, B und C am Übergangspunkt sind in den Fig. 4 (J)/ 4 (k) und 4 (m) gezeigt. Der addierte Impuls oder die addierten Impulse sind symmetrisch um den 90° Punkt im mittleren 60° Sektor einer jeden Halbperiode der entsprechenden Phasen verteilt. Die verkettete Spannung A-B ist am Übergangspunkt in Fig. 4 (n) gezeigt. Die anderen nicht gezeigten verketteten Spannungen B-C und C-A sind gleich der Spannung A-B, jedoch um 120° bzw. 240° gegen diese Phasen versetzt.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Erfindung einen neuartigen und verbesserten impulsbreitenmodulierten Wechselrichter sowie ein Verfahren bietet, nach welchem die Ausgangswellenformen des Wechselrichters durch Aufschaltung eines Einzelimpulses von einer minimalen, zulässigen Breite moduliert

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werden, der symmetrisch um den 9 0° Punkt im mittleren 60 Sektor einer jeden Halbperiode der Ausgangswellenform bei der höchsten Ausgangsfrequenz und maximalen Ausgangsspannung des Wechselrichters angeordnet ist, um die Kommutationsgeschwindigkeit und Schaltverluste weitgehend herabzusetzen. D.h., wenn die höchste Ausgangsfrequenz 60 Hz bei 24 0 V Ausgangsspannung ist, dann wird nur ein Impuls in jeder Halbperiode aufgeschaltet. Wenn die vorgewählte Ausgangsfrequenz herabgesetzt wird, wird die Zahl der im mittleren 60° Sektor aufgeschalteten Impulse automatisch und laufend durch eine logische Impulsbetriebsartenschaltung erhöht, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal einen Wert annimmt, der eine Funktion der vorgewählten Ausgangsfrequenz ist, wodurch übermäßige Motorerwärmung infolge von verstärkten Harmonischen niedriger Ordnung vermieden wird. Obwohl die Erfindung anhand des Betriebs in fünf verschiedenen Impulsbetriebsarten beschrieben wurde, kann durch kleinere Änderungen der verschiedenen logischen Schaltungen jeder beliebiger Betrieb mit mehr als fünf Impulsbetriebsarten durchgeführt werden.

Außer dem vorstehend beschriebenen und dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

2012330 Patentanwälte D'Pi. ing. H. Hauck D'P'· Phys. W. Schmitz D'PI· Ing. E. Graalfs Dipl. Ing. w. Wennert Dipl. Phys. W. Carstens "«■•-Ing. W. Döring Mozartstraße 23 8OOO München 2 Borg-Warner Corporation , . South Michigan Ave. Chicago, 111.60604 Anwaltsakte M-5183 USA 18. März 1980 Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter und Betriebsverfahren Patentansprüche

1.) Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter zur Abgabe einer Dreiphasenspannung an eine Last mit einer vorwählbaren Ausgangsfrequenz und einer vorwählbaren Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (10) einen Spannungsregler enthält, der folgende Baugruppen umfaßt: eine Spannungsversorgung (11) mit positiven und negativen Versorgungsanschlüssen, eine Schalteinrichtung (12) zur Wirkverbindung der Spannungsversorgung (11) mit einer Last (14), die Ausgangsanschlüsse (A, B und C) aufweist sowie eine modulierte Steuerung (18) zur Beaufschlagung der Schalteinrichtung (12), um an den Ausgangsanschlüssen (A, B, C) Wellenformen zu erzeugen, die mindestens einen Impuls mit veränderlicher Breite aufweisen, der symmetrisch um den

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Mittelpunkt im mittleren 60 Sektor einer jeden Halbperiode der Ausgangswellenform angeordnet ist.

2. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (18) einen Impulsbetriebsartenwähler (40) besitzt, um die Zahl der Impulse, die im mittleren 60 Sektor einer jeden Halbperiode der Wellenformen in Abhängigkeit von einem Steuersignal auszuwählen und zu verändern, dessen Wert eine Funktion der vorgewählten Ausgangsspannung und -frequenz ist.

3. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal eine Gleichspannung ist, welche sich laufend mit der Ausgangsgrundfrequenz des Wechselrichters (10, 12) ändert.

4. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichneter, daß er eine Vergleichsschaltung (62) zur Erzeugung der aufzuschaltenden Impulse und zur Veränderung der Breiten der in Abhängigkeit von der Gleichspannung aufzuschaltenden Impulse umfaßt, so daß die Breiten veränderlich sind, um eine vorgewählte Ausgangsspannung zu ergeben.

5. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (30) in Abhängigkeit von der Impulsbetriebsartenwahlschaltung (40) Ausgangssignale erzeugt, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches

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- 3 vom Sechsfachen der Wechselrichterausgangsfrequenz ist.

6. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Oszillators (30) ein Rechteckausgangs signal und ein Dreiecka.usgangssignal umfassen.

7. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzteiler (36) an den Rechteckwellenausgang des Oszillators (30) gekoppelt ist, um mehrere Ausgangssignale zu erzeugen, deren Frequenzen durch einen Faktor 1, 2, 3, 4 und 5 gegenüber der Oszillatorfrequenz geteilt ist.

8. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler (36) einen Divisionszähler mit Nenner N umfaßt, der aus mehreren Flip-Flops besteht.

9. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wahlschaltung eines von mehreren Ausgangssignalen des Frequenzteilers (36) wählt,dessen Frequenz gleich ist dem Sechsfachen der Modulationsfrequenz.

10. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechteckwellengenerator (50) an den Ausgang der Wahlschaltung (38) geführt ist, um unmodulierte Schaltsignale einer Dreiphasenwellenform für die

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- 4 Schalteinrichtung (12) zu erzeugen.

11. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasen-Taktgeber (52) an den Rechteckwellengenerator (50) angeschlossen ist, um in jeder Phase die richtigen Zeitpunkte zu bestimmen, in welchen die aufzuschaltenden Impulse aufgeschaltet werden müssen.

12. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (62) einen Rechenverstärker (116) umfaßt, an dessen einem Eingang die Gleichspannung und am zweiten Eincrang die Ausgangsdreieckwelle des Oszillators (30) anliegt , um die aufzuschaltenden Impulse zu erzeugen, wenn die Ausgangsdreieckspannung größer ist als die Gleichspannung.

13. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsformer (56) mit dem Rechenverstärker (116) verbunden ist, um sicherzustellen, daß die aufzuschaltenden Impulse eine minimale zulässige Breite haben.

14. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Torschaltung (54) an den Phasen-Taktgeber (52) sowie an den Impulsformer (56) angeschlossen ist, damit die aufzuschaltenden Impulse zum richtigen Zeitpunkt zu den entsprechenden Phasen gesteuert werden.

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15. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Addierwerk (58) mit dem Rechteckwellengenerator (50) und der Schalteinrichtung (54) verbunden ist, um die zu addierenden Impulse des Impulsformers (56) zu den unmodulierten Schaltsignalen des Rechteckwellengenerators (50) zu addieren, um modulierte Schaltsignale zu erzeugen.

16. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 2, da-

. durch gekennzeichnet, daß ein Löschkreis (44) ein Ubertragungssignal an die Impulsbetriebsartenwahlschaltung (40) abgibt, um einen Impulsbetriebartenwechsel nur am Ende eines jeden 60 ° Sektors der Ausgangsfrequenz zu ermöglichen.

17. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbetriebsartenwahlschaltung (4 0) in einer Zweifachbetriebsart arbeitet, so daß nur ein einziger Impuls mit der geringsten zulässigen Breite einer jeden Halbperiode dieser an den Ausgangsanschlüssen anliegenden Wellenformen bei der höchsten vorwählbaren Ausgangsfrequenz ausgeschaltet wird.

18. Impulsbreitenmodulierter Wechselrichter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (62) so arbeitet, daß die Impulsbreite des Einzelimpulses laufend erhöht wird, wenn die vorwählbare Ausgangsfrequenz herabgesetzt wird, um die Ausgangsspannung so lange zu verkleinern, bis ein vorgewählter Grenzwert erreicht ist, sowie dadurch,

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daß daraufhin die Impulsbetriebsartenwahlschaltung (40) automatisch auf eine Vierfachimpulsbetriebsart umgeschaltet wird, wobei jeder Halbperiode der an den Ausgangsanschlüssen (A, B, C) anliegenden Wellenformen jeweils zwei Impulse aufgeschaltet werden sowie dadurch, daß die Gesamtbreite der Impulse vor und nach dem Umschaltvorgang gleich ist, um die Grundfrequenz der Ausgangsspannung konstant zu halten.

19. Impulsbreitenmodulierter Gleichrichter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbetriebsart automatisch und laufend auf eine höhere Impulsbetriebsart umgeschaltet wird, wenn die vorwählbare Ausgangsfrequenz weiter herabgesetzt wird.

20. Verfahren zum Betrieb eines impulsbreitenmodulierten Gleichrichters zur Abgabe einer Dreiphasenspannung an eine Last bei einer vorwählbaren Ausgangsfrequenz und einer vorwählbaren Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß es· die folgenden Arbeitsgänge umfaßt: Einrichtung einer Spannungsversorgung mit einem positiven und einem negativen Versorgungsanschluß , Anschluß einer Schalteinrichtung zwischen der Versorgungsspannung und einer Last mit den Ausgangsanschlüssen (A, B, C) sowie Betätigung der Schalteinrichtung zur Erzeugung von Wellenformen an den Ausgangsanschlüssen mit mindestens einem Impuls mit einer veränderlichen Breite, der symmetrisch um den 90 ° Punkt im mittleren 60 ° Sektor einer jeden Halbperiode der Ausgangsspannung angeordnet ist.

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