DE10016230A1 - Verfahren zur Steuerung von Freilaufpfaden bei einem Matrixumrichter - Google Patents
Verfahren zur Steuerung von Freilaufpfaden bei einem MatrixumrichterInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von kontinuierlich vorhandenen positiven oder negativen Freilaufpfaden jeweils in einer Phase (X, Y, Z) eines Matrixumrichters (2) mit neun in einer 3x3-Schaltermatrix (6) angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern (4), die jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter (S1P, S1N; S2P, S2N; S3P, S3N) aufweisen. Erfindungsgemäß wird jeweils ein bidirektionaler Leistungsschalter (4) einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z) bestimmt, an dem eine negativste oder positivste Leiterspannung (U¶U¶, U¶V¶, U¶W¶) ansteht, und wird jeweils ein Halbleiterschalter (S1P, S1N; S2P, S2N; S3P, S3N) dieser beiden bestimmten bidirektionalen Leistungsschalter (4) für einen positiven oder negativen Freilaufpfad angesteuert, der einen positiven oder negativen Laststrom führen kann. Somit ist im Fehler- oder Abschaltfall des Matrixumrichters (2) ein zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung des Matrixumrichters (2) möglich.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung
von positiven oder negativen Freilaufpfaden jeweils in einer
Phase eines Matrixumrichters mit neun in einer 3 × 3-Schalter
matrix angeordneten bidirektionalen Leistungsschalter, die
jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter auf
weisen.
Bei einem Matrixumrichter handelt es sich um einen selbstge
führten Direktumrichter. Er ermöglicht die Umformung eines
starren Drehstromnetzes in ein System mit variabler Spannung
und Frequenz. Durch die Anordnung der bidirektionalen Leis
tungsschalter in einer 3 × 3-Schaltermatrix kann jeweils eine
der drei Ausgangsphasen des Matrixumrichters elektrisch mit
einer Eingangsphase verbunden werden. Eine Phase des Matri
xumrichters besteht aus einer Anordnung aus drei bidirektio
nalen Leistungsschaltern, die einerseits jeweils mit einer
Eingangsphase und andererseits mit einer Ausgangsphase ver
bunden sind. Eine derartige Anordnung wird auch als 3 × 1-
Schaltermatrix bezeichnet. Der Matrixumrichter benötigt kei
nen Zwischenkreis. Der selbstgeführte Direktumrichter bietet
den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rückspeise
fähig ist und durch eine entsprechend ausgeprägte Steuerung
sinusförmige Netzströme erreicht.
Die bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters
weisen jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschal
ter auf. Als Halbleiterschalter werden vorzugsweise Insula
ted-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet, die jeweils
eine antiparallele Diode aufweisen. Derartig ausgebildete bi
direktionale Leistungsschalter werden vorzugsweise bei Um
richtern für kleine und mittlere Leistungen verwendet. Durch
die Ansteuerung dieser Halbleiterschalter der bidirektionalen
Leistungsschalter wird jeweils ein Strompfad in einer durch
die Anordnung der Halbleiterschalter bestimmten Richtung
durchgeschaltet. Sind beide Halbleiterschalter eines bidirek
tionalen Leistungsschalters angesteuert, so ist dieser bidi
rektional eingeschaltet und es wird ein Stromfluss in beide
Richtungen ermöglicht. Dadurch entsteht eine sichere elektri
sche Verbindung zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangs
phase des Matrixumrichters. Wird nur ein Halbleiterschalter
eines bidirektionalen Leistungsschalters angesteuert, so ist
dieser unidirektional eingeschaltet und es entsteht eine
elektrische Verbindung zwischen einer Eingangs- und einer
Ausgangsphase des Matrixumrichters nur für eine bevorzugte
Stromrichtung.
Bei einer optimalen Ansteuerung ist eine sinusförmige Netz
stromaufnahme möglich. Um das speisende Netz nicht mit
pulsfrequenten Oberschwingungen zu belasten, benötigt der
Matrixumrichter zusätzlich einen Eingangsfilter, der aus LC-
Gliedern besteht. Aufgrund der großen Anzahl von Halbleiter
schaltern ist der Ansteueraufwand sehr groß.
Beim Abschalten des Matrixumrichters muss sichergestellt wer
den, dass der Ausgangsstrom zu Null wird, bevor die Abschal
tung aller Schalter vorgenommen werden kann. Es ist vorteil
haft, wenn der Strom nicht durch eine Stromregelung, sondern
mit Hilfe einer natürlichen Diodenfunktion zu Null gebracht
wird. Dies lässt sich mit Hilfe von Freiläufen im Matrixum
richter realisieren. Weiterhin besteht der Wunsch, den Matri
xumrichter im Fehlerfall, z. B. bei Überstrom, jederzeit in
einen sicheren Zustand zu überführen. Das heißt, es ist wün
schenswert von einem normalen Betrieb der Kommutierungssteue
rung auf eine Freilaufsteuerung übergehen zu können.
Aufgabe der Kommutierungslogik für eine Phase des Matrixum
richters ist die Ansteuerung der sechs Halbleiterschalter der
drei bidirektionalen Leistungsschalter in den jeweiligen Aus
gangsphasen des Matrixumrichters in der Weise, dass die
Schaltbefehle des Steuersatzes in der richtigen Weise umge
setzt werden und ein sicherer Betrieb des Umrichters ermög
licht wird. Durch die Steuerlogik muss unter allen Umständen
verhindert werden, dass auf der Eingangsseite ein Kurzschluss
der Versorgungsspannungen bzw. am Ausgang keine Unterbrechung
des Laststromes entsteht. Dies würde sonst zu einer Zerstö
rung mindestens eines Halbleiterschalters durch Überstrom
oder Überspannung führen.
Im Falle einer spannungsgesteuerten Kommutierungslogik werden
die Phase, auf die kommutiert werden soll, sowie das Vorzei
chen der verketteten Eingangsspannungen benötigt. Hierbei ist
das Vorzeichen des Ausgangsstromes nicht von Bedeutung, da
sowohl im stationären Fall als auch während eines Kommutie
rungsvorgangs immer ein Pfad für beide Stromwege vorhanden
ist.
In der Fig. 2 sind alle möglichen Kommutierungsschritte gra
phisch dargestellt. Insgesamt gibt es 22 verschiedene Schalt
handlungen, die bedingt durch die Kommutierungssteuerung auf
treten können. Eine "1" bedeutet, dass ein Halbleiterschalter
eines bidirektionalen Leistungsschalters eingeschaltet ist,
wobei eine "0" für einen ausgeschalteten Halbleiterschalter
eines bidirektionalen Leistungsschalters steht.
Nach dem Einschalten des Matrixumrichters sind alle Halblei
terschalter der neun bidirektionalen Leistungsschalter ausge
schaltet. Soll zu einem stationären Zustand gewechselt wer
den, muss vom Mittelpunkt "AUS" zu einem der drei Eckpunkte
"U", "V" oder "W" übergegangen werden. Von einem stationären
Zustand kann zu jedem anderen stationären Zustand gewechselt
werden. Abhängig von den Spannungsvorzeichen gibt es drei
verschiedene Wege, um in einen neuen stationären Zustand zu
gelangen. Befindet man sich auf einen Weg von einem stationä
ren Zustand zum nächsten, so besteht keine Möglichkeit, umzu
kehren. Diese "Einbahnstrassenregelung" ist notwendig um kei
ne undefinierten Zustände und Reaktionen zu erhalten.
Der Matrixumrichter muss jederzeit, auch während eines Kommu
tierungsvorgangs, abgeschaltet werden können. Damit dies mög
lich ist, muss von jedem Zustand ein Weg zum Mittelpunkt
"AUS" der Fig. 2 vorhanden sein. Damit es beim Abschalten al
ler Halbleiterschalter nicht zu Überspannungen und zur Zer
störung der Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungs
schalter kommt, muss eine Einrichtung vorhanden sein, die
beim Abschalten einen weiteren Stromfluss ermöglicht und die
Energie in der Last abbaut.
Dieser weitere Stromfluss wird durch einen Freilaufpfad er
möglicht, der geschaltet werden muss. Wenn von einem bidirek
tionalen Leistungsschalter mit zwei antiseriell geschalteten
Halbleiterschaltern nur ein Halbleiterschalter angesteuert
wird, d. h., der bidirektionale Leistungsschalter ist unidi
rektional geschlossen. Ist dessen freigegebene Stromrichtung
entgegen der an ihm anliegenden Spannung gerichtet, so wird
dies als Freilauf bezeichnet. Ermöglicht dieser unidirektio
nal geschlossene bidirektionale Leistungsschalter einen posi
tiven Stromfluss, d. h., vom Einspeisenetz zur Last, so wird
dieser Freilauf als positiver Freilauf bezeichnet. Wird ein
negativer Stromfluss ermöglicht, so wird der Freilauf als ne
gativer Freilauf bezeichnet.
Aus der Veröffentlichung "A Matrix Converter without reactive
clamp elements for an induction motor drive system",
A. Schuster, PESC 98, Japan, Seiten 714 bis 720, ist eine
vierstufige, stromabhängige Kommutierung bekannt. Diese
stromabhängige Kommutierung verwendet das Vorzeichen des Aus
gangsstromes als Entscheidungsgröße für die Schaltreihenfolge
der vier an der Kommutierung beteiligten Halbleiterschalter
zweier bidirektionaler Leistungsschalter. Außerdem wird in
dieser Veröffentlichung eine Abschaltstrategie für den Ma
trixumrichter beschrieben, die in Anschluss an den normalen
Betrieb aus bestimmten Zuständen in den Freilaufbetrieb über
gehen kann.
Diese Strategie hat den Nachteil, dass eine gewisse Zeitver
zögerung bis zum sicheren Erreichen des Freilaufbetriebes
vergehen kann. Somit ist eine jederzeitige Abschaltung des
Matrixumrichters nicht möglich. Für diesen Zeitraum sind da
her dennoch zusätzliche Schutzmaßnahmen für jeden Halbleiter
schalter der bidirektionalen Leistungsschaltern notwendig. In
dieser Veröffentlichung wird als Schutzmaßnahme Varistoren
vorgeschlagen, die elektrisch parallel zu jedem Halbleiter
schalter geschaltet sind.
Aus der Veröffentlichung "A Matrix converter switching
controller for low losses operation without snubber
circuits", R. Cittadini, J. J. Huselstein, C. Glaize, EPE 97,
Seiten 4.199 bis 4.203, ist ein Verfahren zur Kommutierung
und zum Einschalten eines Freilaufpfades bekannt. Abhängig
von der an der Kommutierungsgruppe anliegenden Spannung wer
den neben einem bidirektionalen Schalter zusätzliche Schalter
eingeschaltet, die einen Freilauf ermöglichen. Diese zusätz
lichen Schalter ermöglichen damit eine Rückspeisung, der in
der Lastinduktivität gespeicherten Energie ins Netz. Bei die
ser Kommutierung handelt es sich um eine zweistufige. Bei
dieser Kommutierung wird während des Übergangszustandes der
von der Stromflussrichtung in Spannungsrichtung orientierte
Halbleiterschalter abgeschaltet, während die Freilaufdioden
ventile (Stromfluss entgegen der Spannungsrichtung orien
tiert) kontinuierlich eingeschaltet bleiben. Bei diesem Ver
fahren ist die Spannung in drei Bereiche unterteilt. Bei
kleinen Spannungswerten wird die Vorgabe durch die Kommutie
rungssteuerung nicht beeinflusst, d. h., dass alle Halbleiter
schalter der Kommutierungsgruppe eingeschaltet sind, so dass
kurzzeitig ein Kurzschluss entsteht. Da dies im Übergangsbe
reich bei kleinen Spannungen stattfindet, sind die Kurz
schlussströme sehr gering.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass um den
Nullpunkt keine Freilaufpfade vorgehalten werden, wodurch ein
unsicherer Betrieb entstehen kann. Durch eine in der Spannungsauswertung
unsichere Messung, kann ein Phasenkurzschluss
bei dann höheren Spannungen entstehen.
Aus der Veröffentlichung "Semi Natural two steps commutation
strategy for matrix converters", M. Ziegler, W. Hofmann,
PESC 98, Seiten 727 bis 731, ist eine Zwei-Schritt-Kommutie
rungsstrategie für einen Matrixumrichter bekannt, die span
nungsorientiert ist. Ausgangspunkt dieses Steuerverfahrens
ist die Erfassung aktueller 60°-Intervalle. Ein Intervall be
ginnt mit einem Schnittpunkt zweier Eingangsstrangspannungen
und endet mit einem folgenden Schnittpunkt von zwei Eingangs
strangspannungen. Innerhalb eines Intervalls ändert folglich
keine der verketteten Spannungen das Vorzeichen. In Abhängig
keit von konkreten Intervallen können jeweils drei Hauptzu
stände gefunden werden, die keinen Kurzschluss zwischen zwei
Eingangsphasen verursachen. Jeder Hauptzustand stellt eine
bidirektionale Verbindung zwischen einer Ausgangsphase und
der Soll-Eingangsphase her. Zusätzlich sind in den Hauptzu
ständen sogenannte redundante unidirektionale Schalter ge
schlossen. Für den Fall, dass eine Eingangsphase eine größere
Spannung hat, als die Soll-Eingangsphase, ist ein entspre
chender unidirektionaler Schalter in Rückwärtsrichtung ge
schlossen. Für den Fall einer niedrigeren Spannung ist ein
entsprechender unidirektionaler Schalter in Vorwärtsrichtung
geschlossen. In einem Teilstromrichter eines 3 × 3-Matrixum
richters sind in den Hauptzuständen immer vier unidirektiona
le Schalter geschlossen und zwei offen. Ein Teilstromrichter
eines 3 × 3-Matrixumrichters besteht aus drei bidirektionalen
Schaltern, die jede der drei Eingangsphasen des Matrixumrich
ters mit einer Ausgangsphase verbinden können. Die Kommutie
rung des Ausgangsstromes von einer Eingangsphase zur anderen
ist dann stets in nur zwei Schritten möglich. In den Hauptzu
ständen ist jede Ausgangsphase bidirektional mit einer Ein
gangsphase verbunden. Beim Übergang von einem Hauptzustand
zum folgenden Zustand wird zuerst die bidirektionale Verbin
dung in einer Diodenanbindung zur Eingangsphase aufgelöst und
im folgenden der nächste bidirektionale Zustand (Hauptzu
stand) realisiert.
Bei diesem Verfahren ist es unklar, welche Schalter im Feh
lerfall abgeschaltet werden können, und welche eingeschaltet
werden müssen. Der Betrieb einer reinen Freilaufsteuerung ist
somit nicht möglich. Weiterhin können andauernde Kurzschlüsse
der Eingangsspannungen auftreten, wenn das Vorzeichen der
verketteten Spannungen fehlerhaft gemessen wird.
Das in dieser Veröffentlichung vorgestellte Verfahren ist au
ßerdem als nationale Patentanmeldung 197 46 797 veröffent
licht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Steuerung von kontinuierlich vorhandenen positiven oder
negativen Freilaufpfaden bei einem Matrixumrichter anzugeben,
so dass im Fehler- oder Abschaltfall des Matrixumrichters ein
zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung des
Matrixumrichters möglich ist. Außerdem soll das Verfahren ge
genüber Messfehler des Spannungsvorzeichens in einem Bereich
um den Nullpunkt robust sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Merkmal des An
spruchs 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung von positiven
oder negativen Freilaufpfaden wird für jede Phase eines
Matrixumrichters jeweils in der positivsten Eingangsphase der
Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters
eingeschaltet, der einen negativen Laststrom führen kann und
in der negativsten Eingangsphase der Halbleiterschalter eines
bidirektionalen Leistungsschalter eingeschaltet, der einen
positiven Laststrom führen kann. Somit erhält man eine reine
Freilaufsteuerung, die jederzeit ein Abschalten einer Kommu
tierungssteuerung eines Matrixumrichters ermöglicht, ohne
Zerstörung des Matrixumrichters. Durch die separate Freilaufsteuerung
existiert unabhängig von einer Kommutierungs
steuerung zur jederzeit im Matrixumrichter ein Strompfad, der
einen kontinuierlichen Stromfluss der in einer Lastinduktivi
tät fließenden Stromes gewährleistet. Das heißt, eine Ener
gierückspeisung von der Lastseite zur Netzseite wird immer
gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße Freilaufsteuerung
werden bidirektionale Leistungsschalter des Matrixumrichters
zum Schutz des Matrixumrichters eingeschaltet. Dadurch ist
ein zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung
des Matrixumrichters im Fehler- oder Abschaltfall möglich.
Durch die Verwendung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wer
den für die Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungs
schalter des Matrixumrichters keine Überspannungsschutzvor
richtungen, wie beispielsweise snubber circuits für die Halb
leiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter, mehr
benötigt.
Bei einem vorteilhaften Verfahren werden in einem Bereich ei
nes positiven oder negativen Nulldurchgangs einer verketteten
Eingangsspannung zunächst die Halbleiterschalter der beiden
am Nulldurchgang beteiligten bidirektionalen Leistungsschal
ter einer jeden Phase des Matrixumrichters für einen negati
ven oder positiven Freilaufpfad ausgewählt, die dann mittels
eines Kommutierungsverfahrens ermittelten Halbleiterschalter
bidirektionaler Leistungsschalter verglichen werden. Bei ei
ner Übereinstimmung dieses Vergleichs wird der ausgewählte
Halbleiterschalter angesteuert, der auch kommutierungsbedingt
bestimmt ist. Wird keine Übereinstimmung zwischen freilauf-
und kommunierungsbedingt zuschaltender Halbleiterschalter er
mittelt, so werden die freilaufbedingt zu schaltenden Halb
leiterschalter bidirektionaler Leistungsschalter einer jeden
Matrixumrichterphase angesteuert.
Die Gefahr für falsche Messergebnisse ist im Bereich um den
Spannungsnulldurchgang der verketteten Eingangsspannung des
Matrixumrichters am größten. Bedingt durch diese fehlerhaften
Spannungsmessungen kann es zu falschen freilaufbedingten
Schalthandlungen kommen, wodurch freilaufbedingte Kurzschlüs
se möglich sind. Mit diesem vorteilhaften Verfahren ist
selbst bei einer solchen Ermittlung der Spannungsvorzeichen
die Gefahr von Kurzschlüssen nicht mehr gegeben.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird mit Erreichen
eines Bereiches positiven oder negativen Nulldurchgangs einer
verketteten Eingangsspannung des Matrixumrichters das zuvor
genannte vorteilhafte Verfahren sofort aktiviert, wobei die
freilaufbedingt angesteuerten Halbleiterschalter, die vor
diesem Bereich aktiv waren, für eine vorbestimmte Zeit aktiv
bleiben. Somit wird ein Überlappungsbereich festgelegt, in
dem beide Verfahren aktiv sind. Dadurch ist immer ein Frei
lauf geschaltet. Nachdem die Überlappungszeit abgelaufen ist,
wird das zeitlich ältere Verfahren deaktiviert.
Mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere in ei
ner bevorzugten Ausführungsform, bestehend aus den zuvor ge
nannten Verfahren, werden während des Betriebes des Matrixum
richters Freilaufzweige kontinuierlich eingeschaltet, wobei
diese in ihren Funktionen von den eingeschalteten Halbleiter
schalter bidirektionaler Leistungsschalter der Kommutierungs
steuerung getrennt sind, damit ist immer ausschließlich eine
Energiespeisung von der Lastseite in das speisende Netz ge
währleistet. In der bevorzugten Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens ist dieses Verfahren gegen Spannungs
fehler, insbesondere im Nulldurchgang der verketteten Ein
gangsspannungen, robust.
Damit unnötige Schalthandlungen eliminiert werden können,
werden die kommutierungsbedingten Schalthandlungen und die
freilaufbedingten Schalthandlungen mittels eines ODER-Gliedes
logisch miteinander verknüpft. Dadurch werden bereits durch
die Kommutierungssteuerung eingeschalteten Schalter vor einer
Abschaltung durch die Kommutierungssteuerung oder andere Ab
schaltursachen gesichert. Die zusätzlichen freilaufbedingten
Schalter übernehmen während des normalen Betriebes des Matrixumrichters
keine stromführende Funktion. Sie sind derart
eingeschaltet, dass beim Abschalten des Matrixumrichters ein
Freilaufpfad für den Laststrom in jede Richtung gewährleistet
ist. Es ist notwendig, da plötzliches Sperren aller Halblei
terschalter der bidirektionalen Leistungsschalter des Matrix
umrichters zur Zerstörung der Halbleiterschalter der bidirek
tionalen Leistungsschalter durch Überspannung kommen kann.
Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geschalteten
Freilaufpfade ermöglichen einen kontinuierlichen Stromfluss
zwischen einer Ausgangsphase und einem speisenden Netz, wobei
der Strom gegen eine höhere Netzspannung getrieben wird.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfin
dungsgemäßen Freilaufsteuerung schematisch veranschaulicht
sind.
Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Matrixumrichters,
wobei in der
Fig. 2 alle möglichen Kommutierungsschritte dieses Matrixum
richters dargestellt sind, die
Fig. 3 zeigte eine Phase eines Matrixumrichters mit kommu
tierungs- und freilaufbedingt zu schaltenden Halblei
terschaltern bidirektionaler Leistungsschalter, in
der
Fig. 4 sind die Eingangsspannungen eines Matrixumrichter in
einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, wogegen
in der
Fig. 5 ein Spannungsnulldurchgang einer verketteten Ein
gangsspannung näher dargestellt ist, die
Fig. 6 zeigt eine Phase eines Matrixumrichters mit einem
freilaufbedingten Kurzschluss und die
Fig. 7 zeigt eine Phase eines Matrixumrichters ohne einen
freilaufbedingten Kurzschluss, in der
Fig. 8 ist ein Blockschaltbild einer Kommutierungs- und
Freilaufsteuerung einer Matrixumrichterphase darge
stellt, und die
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Realisie
rung einer Kommutierungs- und Freilaufsteuerung einer
Matrixumrichterphase nach Fig. 8.
In der Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild eines dreiphasigen
Matrixumrichters 2 näher dargestellt. Dieser dreiphasige
Matrixumrichter 2 weist neun bidirektionale Leistungsschalter
4 auf, die in einer 3 × 3-Schaltermatrix 6 angeordnet sind.
Durch die Anordnung der neun bidirektionalen Leistungsschal
ter 4 in einer 3 × 3-Schaltermatrix 6 kann jede Ausgangsphase
X, Y, Z an eine beliebige Eingangsphase U, V, W geschaltet wer
den. An den Ausgangsphasen X, Y, Z des Matrixumrichters 2 ist
eine induktivitätsbelastete Last 8 angeschlossen. Die Ein
gangsphasen U, V und W sind mit einem LC-Filter 10 verknüpft,
das eingangsseitig mit einem nicht näher dargestellten Netz
verbunden ist. Dieses LC-Filter 10 weist Induktivitäten 12
und Kondensatoren 14 auf. Diese Kondensatoren 14 sind hier in
Stern geschaltet, wobei eine Dreieckschaltung auch möglich
ist. Die Induktivitäten 12 sind in den Zuleitungen zu den
Kondensatoren 14 angeordnet, so dass deren Ladeströme geglät
tet werden. Eine Phase dieses Matrixumrichters 2 weist drei
bidirektionale Leistungsschalter 4 auf, die eine Ausgangspha
se X bzw. Y bzw. Z mit den Eingangsphasen U, V und W verbin
den können. Diese Matrixumrichter-Phase weist eine 3 × 1-
Schaltermatrix auf.
In der Fig. 3 ist eine derartige Phase des Matrixumrichters 2
näher dargestellt. Wie man dieser Figur entnehmen kann, weist
jeder bidirektionale Leistungsschalter 4 zwei antiseriell ge
schaltete Halbleiterschalter S1P und S1N auf, denen jeweils
eine Diode D1N und D1P antiparallel geschaltet sind. Bei den
dargestellten Halbleiterschaltern S1P, S1N; S2P, S2N und S3P,
S3N handelt es sich um Insultated-Gate-Bipolar-Transistoren
(IGBT). Die antiparallel geschalteten Dioden D1P, D1N; D2P,
D2N und D3P, D3N sind jedes Mal Bestandteil der zugehörigen
IGBT-Module. Jeder Halbleiterschalter S1P, S1N; S2P, S2N und
S3P, S3N der bidirektionalen Leistungsschalter 4 einer Phase
des Matrixumrichters 2 kann einzeln und unabhängig angesteu
ert werden. Von einem bidirektional eingeschalteten Schalter
wird gesprochen, wenn beide Halbleiterschalter S1P, S1N bzw.
S2P, S2N bzw. S3P, S3N eines bidirektionalen Leistungsschalters
4 eingeschaltet sind. Ist nur einer der beiden Halbleiter
schalter S1P, S1N bzw. S2P, S2N bzw. S3P, S3N eines bidirektio
nalen Leistungsschalters 4 angesteuert, so spricht man von
einem unidirektional eingeschalteten Schalter.
Wird von einem bidirektionalen Leistungsschalter 4 nur ein
Halbleiterschalter geschlossen und fließt in diesem aufgrund
eines anderen zu dieser Phase geschlossenen bidirektionalen
Leistungsschalters 4 kein Strom, so wird dieser Pfad als zu
sätzlicher Freilauf bezeichnet. Ermöglicht dieser zusätzlich
geschaltete Pfad einen Stromfluss in positiver Richtung (po
sitiver Strom: Netz → Last) so handelt es sich um einen po
sitiven Freilauf. Ist der Stromfluss in negativer Richtung
möglich, handelt es sich um einen negativen Freilauf. Auf den
normalen Betrieb haben diese Schaltzustände keinen Einfluss.
Werden die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter abge
schaltet, wirken sich die zusätzlichen Halbleiterschalter po
sitiv aus. Sie bilden einen Freilauf für den Laststrom. Die
in der Last gespeicherte Energie kann ins speisende Netz
rückgespeist werden.
Unter der Annahme, dass alle in Fig. 3 eingezeichneten Span
nungen UUV, UVW, und UWU in Pfeilrichtung positiv und der bidi
rektionale Leistungsschalter 4 der Phase V bidirektional ge
schlossen ist, ergeben sich nach der oben beschriebenen Defi
nition folgende Freilaufmöglichkeiten.
- - Der Halbleiterschalter S1N kann als negativer Freilauf eingeschaltet werden.
- - Der Halbleiterschalter S3P kann als positiver Freilauf eingeschaltet werden.
In der Fig. 3 sind die kommutierungsbedingten Halbleiterschal
ter S2P und S2N dick und die freilaufbedingten Halbleiter
schalter S1N und S3P gestrichelt eingezeichnet.
Solange die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P, S2N
eingeschaltet sind, ist die Last über den bidirektionalen
Leistungsschalter 4 elektrisch mit der Phase V verbunden.
Werden die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P, S2N
abgeschaltet, wird durch die freilaufbedingten Halbleiter
schalter S1N oder S3P ein weiterer Stromfluss ermöglicht.
Fließt der Laststrom von der Netz- zur Lastseite (in Strom
pfeilrichtung) so besteht über den positiven Freilauf S3P ein
weiterer Strompfad. Bei einem Laststrom von der Last zur
Netzseite (entgegen Strompfeilrichtung) wird über den Halb
leiterschalter S1N ein negativer Freilaufpfad ermöglicht.
Die Vorzeichen der verketteten Eingangsspannung UUV, UVW und UWU
ändern sich während einer Netzperiode. Es müssen verschiedene
Schalter als Freilauf eingeschaltet werden. In der jeweils
positivsten Eingangsphase U, V oder W wird der Schalter S1N,
S2N oder S3N, der einen negativen Strom führen kann (negati
ver Freilauf) eingeschaltet. In der negativsten Phase U, V
oder W wird der Schalter S1P, S2P oder S3P, der einen positi
ven Strom führen kann (positiver Freilauf), eingeschaltet. In
der folgenden Tabelle sind die freilaufbedingten Schalter in
Abhängigkeit von den in der Fig. 4 gezeigten Leiterspannungen
UU, UV und UW aufgeführt.
Gemäß dieser Tabelle wird für die Ermittlung von freilaufbe
dingt zu schaltenden Halbleiterschalter jeweils die positivs
te und negativste Leiterspannung UU, UV und UW des speisenden
Netzes benötigt. Um den Aufwand für die Messtechnik und die
Spannungsvorzeichenerfassung nicht unnötig zu vergrößern,
soll dieser auf ein vertretbares Maß reduziert werden. Um die
Leiterspannungen direkt messen zu können, müsste ein künstli
cher Sternpunkt gebildet werden. Bei spannungsorientierten
Kommutierungsverfahren werden verkettete Spannung verwendet.
Die Messung einer verketteten Spannung ist relativ einfach
und sicher zu messen. Es sind drei Messungen nötig.
Wie man aus den gemessenen verketteten Eingangsspannungen des
Matrixumrichters zu den größten bzw. kleinsten Leiterspannun
gen kommen kann, zeigen zwei Verfahren. Beim ersten Verfahren
wird der Betrag der größten verketteten Spannung und die Vor
zeichen der drei verketteten Spannungen als Eingangsinforma
tion verwendet. Mit diesen Informationen und einer Auswahl
matrix erhält man die positivste und negativste Leiterspan
nung. Ist das Vorzeichen der größten verketteten Spannung UUV
positiv, so ist die Leiterspannung UU die positivste und die
Leiterspannung UV die negativste Leiterspannung. Ist das Vor
zeichen jedoch negativ, so ist die Leiterspannung UU die ne
gativste und die Leiterspannung UV die positivste Leiterspan
nung.
Bei einem zweiten Verfahren werden nur die Vorzeichen der
drei gemessenen verketteten Spannungen als Eingangsinformati
on verwendet. Um aus diesen Eingangsinformationen die posi
tivste und negativste Leistungsspannung zu ermitteln, ist die
folgende Tabelle
hinterlegt. Da beim zweiten Verfahren ausschließlich die Vor
zeichen der gemessenen verketteten Spannungen als Eingangs
signale benötigt werden, ist dieses Verfahren eine bevorzugte
Ausführungsform zur Ermittlung von Leiterspannungen.
In der Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus dem Diagramm der Fig. 4
näher dargestellt, bei dem sich die Spannungen UU und UV bei
jeweils positivem Vorzeichen schneiden. Im Bereich des
Schnittpunktes geht die verkettete Spannung UUV gegen Null.
In den mit I und IV bezeichneten Abschnitten ist das Vorzei
chen der verketteten Spannung UUV meßtechnisch genau erfass
bar. Im Abschnitt I wird der Halbleiterschalter S1N als nega
tiver Freilauf geschaltet, wobei im Abschnitt IV der Halblei
terschalter S2N als negativer Freilauf geschaltet wird. In
den Abschnitten II und III ist die verkettete Spannung UUV
sehr niedrig. Eine richtige Erfassung des Vorzeichen wird
schwierig. Unter der Annahme, dass das Vorzeichen richtig er
fasst wird, sind nach der vorgenannten Tabelle folgende
Schalter eingeschaltet:
Abschnitt II: S1N
Abschnitt III: S2N
Abschnitt II: S1N
Abschnitt III: S2N
Bei dieser Schalterstellung gibt es bezüglich freilaufbeding
ter Kurzschlüsse keine Probleme. Wird das Vorzeichen der ver
ketteten Spannung UUV in diesen Abschnitten II und III falsch
gemessen, so werden folgende Halbleiterschalter als Freilauf
eingeschaltet.
Abschnitt II: S2N
Abschnitt III: S1N
Abschnitt II: S2N
Abschnitt III: S1N
Ist im Abschnitt II der aus den Halbleiterschaltern S1P und
S1N gebildete bidirektionale Leistungsschalter 4 zugeschal
ten, kann es zu Kurzschlüssen der Eingangsphasen durch die
freilauf- und kommutierungsbedingten Halbleiterschalter kom
men.
Sind zusätzliche zu den freilaufbedingten Halbleiterschaltern
auch noch die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter bei
spielsweise im stationären Fall der Phase V eingeschaltet, so
gelangt man zu den in der Fig. 6 eingezeichneten Schalterstel
lungen. Kommutierungsbedingt sind die Halbleiterschalter S2P,
S2 N eingeschaltet. Bei positiv eingezeichneter verketteter
Spannung UVU müsste der Halbleiterschalter S2N als Freilauf
geschaltet werden. Wurde jedoch die Spannung falsch gemessen,
ist der Halbleiterschalter S1N als Freilauf geschaltet. Über
den kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P und den
freilaufbedingten Halbleiterschalter S1N werden die Phasen U
und V miteinander verbunden. Es entsteht ein freilaufbeding
ter Kurzschlussstrom. Die den Kurzschlussstrom treibende
Spannung ist sehr gering. Aufgrund der Fehlmessungen der Ein
gangsspannung kann der Kurzschluss relativ lange andauern.
Der Kurzschluss wird bei größeren verketteten Spannungen UUV
aufgehoben, da dann die Spannungsverfassung wieder richtige
Ergebnisse liefert.
Im Hinblick auf die Bauteilebelastung sind solche Kurzschlüs
se zu vermeiden. Aus diesem Grund ist das erfindungsgemäße
Freilaufverfahren derart modifiziert, dass das erfindungsge
mäße Freilaufverfahren auch bei kleiner verketteter Spannung
zuverlässig arbeitet. Dieses modifizierte erfindungsgemäße
Freilaufverfahren findet seine Anwendung nur im Bereich der
Nulldurchgänge der verketteten Spannungen. Auch bei diesem
modifizierten Verfahren werden wieder zusätzliche Pfade ein
geschaltet. Befindet sich eine verkettete Spannung im Bereich
+/- einige Volt, so sind zwei unidirektionale Leistungsschal
ter 4 direkt mit dieser verketteten Spannung verbunden. Ein
bidirektionaler Leistungsschalter 4 ist mit den verketteten
Spannungen verbunden, die nicht im +/- einige Volt-Bereich
liegen.
Abhängig von der Art des Nulldurchgangsbereichs (positiv/
negativ) werden Pfade für den Freilauf vorgeschlagen. Liegt
der Nulldurchgangsbereich an einer negativen Leiterspannung,
so werden die beiden positiven Pfade der mit diesen Spannun
gen verbundenen bidirektionalen Leistungsschalter 4 des
Matrixumrichters 2 vorgeschlagen. Im anderen Fall liegt der
Nulldurchgangsbereich an einer positiven Leiterspannung, wo
durch die negativen Pfade der beteiligten bidirektionalen
Leistungsschalter 4 vorgeschlagen werden.
Mit einer zweiten Bedingung wird überprüft, welcher der vor
geschlagenen Pfade aus der ersten Bedingung bereits durch die
Kommutierungssteuerung einzuschalten sind. Ist dies bei einem
oder beiden der vorgeschlagenen Pfade der Fall, so werden die
Pfade für die beide Bedingungen erfüllt werden, als Freilauf
eingeschaltet. Eine Ausnahme bildet hierbei der Zustand, bei
dem keiner der beiden möglichen Pfade durch die Kommutie
rungssteuerung einzuschalten sind. In diesem Fall werden bei
de vorgeschlagenen Pfade aus der oben genannten ersten Bedin
gung eingeschaltet.
In der nachfolgenden Tabelle wird gezeigt, wie man aufgrund
der zwei beschriebenen Bedingungen die freilaufbedingten
Halbleiterschalter auswählt.
Der Vorteil des modifizierten erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Steuerung positiver und negativer Freilaufpfade liegt
darin, dass keine zusätzlichen spannungsabhängigen Halblei
terschalter eingeschaltet werden. Die Ermittlung der Halblei
terschalter für die erste Bedingung ist sehr zuverlässig. Für
die zweite Bedingung sind keine zusätzlichen Messungen erfor
derlich. Es werden die Daten der Kommutierungslogik übernom
men und nur Pfade eingeschaltet, die ohne hin schon kommutie
rungsbedingt einzuschalten sind. Es kann zu keinen Kurz
schluss durch die freilaufbedingten Halbleiterschalter kom
men.
Eine Ausnahme bildet hier der Fall, wenn beide (nach der ers
ten Bedingung) vorgeschlagenen Pfade eingeschaltet werden,
obwohl kein kommutierungsbedingter Pfad im Nulldurchgangsbe
reich geschaltet ist. Auch hier kann es zu keinem Kurzschluss
kommen, da sich der zweite für den netzseitigen Kurzschluss
notwendige bedingte in Richtung der an de Kommutierungsgruppe
anliegenden Spannung orientierte Halbleiterschalter nicht in
diesem Gefahrenbereich befindet.
Auch bei einer falschen Ermittlung der Spannungsvorzeichen
ist die Gefahr von Kurzschlüssen bei diesem Verfahren nicht
mehr gegeben.
In der Fig. 7 ist eine Phase des Matrixumrichters 2 nach der
Fig. 1 dargestellt, bei dem die Freiläufe anhand des modifi
zierten erfindungsgemäßen Freilaufverfahren ermittelt werden.
Es werden folgende Zustände angenommen:
- - stationärer Zustand Phase U → Halbleiterschalter S1P, S1N sind eingeschaltet,
- - Vorzeichen der verketteten Spannung UUV positiv, die ver kettete Spannung UUV ist im Bereich +/-10 V,
- - Vorzeichen der verketteten Spannung UVW positiv,
- - Vorzeichen der verketteten Spannung UWU negativ.
Aus diesen Ausgangsbedingungen folgt, dass der bidirektionale
Leistungsschalter 4, der an der Leiterspannung UW liegt,
nicht im Bereich +/-10 V der verketteten Spannung liegt. Die
betreffenden Halbleiterschalter sind S3P und S3N. Da die Lei
terspannung UW negativ ist, wird der Halbleiterschalter S3P
nach den Bedingungen des erfindungsgemäßen Freilaufverfahrens
eingeschaltet.
Für den Nulldurchgangsbereich müssen die genannten zwei Be
dingungen erfüllt werden.
Die um diesen Nulldurchgang relevanten Halbleiterschalter
sind S1P, S1N und S2P, S2N. Die Leiterspannungen UU und UV
sind positiv. Es werden deshalb negative Freiläufe benötigt.
Diese negativen Freiläufe können durch die Halbleiterschalter
S1N und S2N geschaltet werden. Um eine Schalthaltung durchzu
führen muss jedoch noch die zweite Bedingung erfüllt werden.
Durch die Kommutierungssteuerung sind die Halbleiterschalter
S1P und S1N eingeschaltet. In der ersten Bedingung werden die
Halbleiterschalter S1N und S2N vorgeschlagen. Aus der ersten
und der zweiten Bedingung folgt nun, dass der Halbleiter
schalter S2N zusätzlich eingeschaltet werden kann. Somit ist
der Halbleiterschalter S1P kommutierungsbedingt eingeschal
tet, wogegen der Halbleiterschalter S1N kommutierungs- und
freilaufbedingt eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter
S3P freilaufbedingt eingeschaltet ist.
Um zwischen dem einfachen Freilaufverfahren und dem modifi
zierten Freilaufverfahren nach der Erfindung wechseln zu kön
nen, müssen die jeweiligen Bedingungen festgelegt werden. Es
werden Bereiche definiert, bei denen sich die netzseitigen
verketteten Spannungen in Nulldurchgang befinden (modifizier
tes Freilaufverfahren) und solche, bei denen keine der ver
ketteten Spannungen im Nulldurchgangsbereich sind (einfaches
Freilaufverfahren). Ein Nulldurchgangsbereich liegt immer
dann vor, wenn sich eine der verketteten Spannungen im Be
reich von -10 V bis +10 V befindet. Bei den Bereichen 2, 6, 10
der Fig. 4 handelt es sich um positive Nulldurchgangsbereiche.
Die Bereiche 4,8 und 12 dieser Fig. 4 sind negative Nulldurch
gangsbereiche. Liegen alle verketteten Spannungen außerhalb
dieser Bereiche, so befindet sich der Matrixumrichter im Be
trieb "außerhalb der Nulldurchgänge". Die entsprechenden Be
reiche sind in der Fig. 4 mit den Ziffern 1, 3, 5, 7, 9 und 11 be
schriftet.
Für die Entscheidung, ob besondere Schalthandlungen aufgrund
eines Nulldurchgangs ausgeführt werden müssen, ist es zu
nächst nicht von Bedeutung, welche der verketteten Spannungen
sich im Nulldurchgang befindet. Es ist nur das Vorhandensein
eines Nulldurchgangs in einer der drei Eingangsspannungen
ausschlaggebend. Während einer Netzperiode befindet sich eine
verkettete Spannung jeweils einmal im positiven und einmal im
negativen Nulldurchgangsbereich. Bei drei verketteten Ein
gangsspannungen ergibt sich insgesamt sechs Bereiche pro Pe
riode, zu denen ein Nulldurchgangsbereich vorliegt.
Am Anfang und am Ende der Bereiche +/-10 V findet der Wechsel
zwischen den Bedingungen für die zusätzlichen Halbleiter
schalter statt. Es wird zwischen dem einfachen erfindungsge
mäßen Freilaufverfahren und dem modifizierten erfindungsgemä
ßen Freilaufverfahren umgeschaltet. Bei einem solchen Zu
standswechsel ist, wie während eines Kommutierungsvorgangs
darauf zu achten, dass es zu keiner Unterbrechung des Strom
pfades kommt. Der neue Halbleiterschalter muss eingeschaltet
werden, bevor der alte Halbleiterschalter abgeschaltet wird.
Beim wechsel zwischen den Verfahren muss eine Überlappung
beider Verfahren vorliegen, damit der Freilaufweg unter kei
nen Umständen unterbrochen wird. Um die Überlappung zu ermög
lichen, wird beim Erreichen eines Bereiches +/-10 V das modi
fizierte Freilaufverfahren sofort aktiviert. Die Halbleiter
schalter, die vorher aktiv waren, bleiben ebenfalls noch für
eine vorbestimmte Zeit eingeschalten. Beide Verfahren sind in
diesem Zeitraum aktiv und es ist immer ein Freilauf geschal
tet. Nach Ablauf der Überlappungszeit kann das einfache Frei
laufverfahren deaktiviert werden. Das modifizierte Freilauf
verfahren ist jetzt voll funktionstüchtig. Nach dem gleichen
Prinzip bleiben beim Verlassen eines Bereiches +/-10 V die
Halbleiterschalter für diesen Bereich noch für eine einstell
bare Zeit aktiv, während die Halbleiterschalter für den Be
reich außerhalb dieses Bereiches sofort aktiviert werden.
In der Fig. 8 ist ein Blockschaltbild einer Kommutierungs- und
Freilaufsteuerung 16 für eine Matrixumrichterphase X darge
stellt. Diese Steuerung 16 weist eine Kommutierungssteuerung
18, eine vorteilhafte Freilaufsteuerung 20, eine Einrichtung
22 zur Ermittlung einer negativsten und positivsten Leiter
spannung, eine Einrichtung 24 zur Ermittlung von Nulldurch
gängen verketteter Spannungen UUV, UVW und UWU und einem ODER-
Glied 26 auf.
Die vorteilhafte Freilaufsteuerung 20 ist unterteilt in eine
Einrichtung 28 und 30 zur Ermittlung von Freiläufen innerhalb
und außerhalb von Nulldurchgängen von verketteten Spannungen
UUV, UVW und UWU.
An den Einrichtungen 22 und 24 stehen jeweils die gemessenen
verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU des Matrixumrichters 2
an. Die Einrichtung 22 ermittelt aus diesen gemessenen ver
ketteten Spannungen UUV, UVW und UWU jeweils eine negativste und
eine positivste Leiterspannung UU, UV und UW. Eine bevorzugte
Ausführungsform dieser Einrichtung 22 weist eine Tabelle auf,
die jeweils die Zuordnung der Vorzeichen der gemessenen ver
ketteten Spannungen UUV, UVW und UWU und der negativsten und po
sitivsten Leiterspannungen UU, UV und UW wiedergibt. Diese er
mittelten zwei Leiterspannungen werden den beiden Einrichtun
gen 28 und 30 zur Ermittlung von Freiläufen zugeführt. Die
Kommutierungssteuerung 18 erhält von der Einrichtung 22 ein
Vorzeichensignal SVZ der gemessenen verketteten Spannungen
UUV, UVW und UWU und von einem übergeordneten Steuersatz ein
Sollschaltzustands-Signal SSch. Die Einrichtung 24 zur Ermitt
lung von Nulldurchgängen der gemessenen, verketteten Spannun
gen UUV, UVW und UWU ist ausgangsseitig jeweils mit einem Ein
gang der Einrichtungen 28 und 30 verknüpft. Eingangsseitig
stehen an der Einrichtung 24 die gemessenen, verketteten
Spannungen UUV, UVW und UWU des Matrixumrichters 2 an. An zwei
weiteren Eingängen dieser Einrichtung 24 steht jeweils ein
positiver und ein negativer Referenzspannungswert +Uref und
-Uref an. Diese beiden Referenzspannungswerte +Uref und -Uref
haben beispielsweise einen Betragswert von 10 V.
Die Einrichtung 28 zur Ermittlung von Freiläufen innerhalb
von Nulldurchgängen der verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU
ist eingangsseitig außerdem mit einem Ausgang der Kommutie
rungssteuerung 18 verknüpft. Das ausgangsseitig angeordnete
ODER-Glied 26 ist eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang
der Kommutierungssteuerung 18 und den Einrichtungen 28 und 30
der bevorzugten Freilaufsteuerung 20 verbunden. Am Ausgang
dieses ODER-Gliedes 26 stehen die Schaltsignale SX der Halb
leiterschalter S1P, S1N, S2P, S2N und S3P, S3N der Phase X des
Matrixumrichters 2 an. Zur Generierung von Schaltsignalen SY
und SZ sind ebenfalls jeweils eine Kommutierungs- und Frei
laufsteuerung 16 vorgesehen.
Die Realisierung dieser dargestellten Kommutierungs- und
Freilaufsteuerung 16 erfolgt in einem programmierbaren Logik
baustein.
Die Kommutierungssteuerung 18 entscheidet, welche Halbleiter
schalter S1P, S1N, S2P, S2N oder S3P, S3N der bidirektionalen
Leistungsschalter 4 der Phase X bzw. Y bzw. Z des Matrixum
richters 2 zum normalen Betrieb des Matrixumrichters 2 einge
schaltet werden müssen. Mittels des normalen Betriebes werden
die gewünschten Ausgangsspannungen UX, UY, UZ des Matrixumrich
ters 2 erzeugt. Als eine Eingangsgröße dient hier das Sollzu
stands-Signal SSch, das angibt, mit welcher Eingangsphase U,
V, W die Ausgangsphase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2
verbunden werden soll. Das Signal SSch für eine Matrixumrich
terphase wird beispielsweise mittels eines Pulsweiten modula
tors eines übergeordneten Steuersatzes generiert. Außerdem
ist die Information über das Vorzeichen der verketteten Span
nungen UUV, UVW und UWU notwendig, die mittels des ermittelten
Spannungsvorzeichen-Signals SVZ zugeführt sind.
Von der bevorzugten Freilaufsteuerung 20 werden die Freiläufe
des Matrixumrichters 2 geschaltet. Hierzu sind die Bereiche
der Nulldurchgänge der gemessenen, verketteten Spannungen
UUV, UVW und UWU und jeweils die negativste und positivste Lei
terspannung notwendig. Außerdem werden für die Bestimmung der
Bereiche der Nulldurchgänge der gemessenen, verketteten Span
nungen UUV, UVW und UWU die positive und die negative Referenz
spannungswerte +Uref und -Uref benötigt. Ferner wird das Aus
gangssignal SK der Kommutierungssteuerung 18 gebraucht, dass
die Information über die Halbleiterschalter S1P, S1N, S2P, S2N
und S3P, S3N der bidirektionalen Leistungsschalter 4 einer
Phase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2, die schon auf
grund der Kommutierungssteuerung 18 eingeschaltet werden sol
len.
Das von der Kommutierungssteuerung 18 erzeugte Signal SK und
die von den Einrichtungen 28 und 30 der bevorzugten Frei
laufsteuerung 20 generierten Signale SFN und SF werden mittels
des ODER-Gliedes 26 logisch verknüpft, an dessen Ausgang das
Steuersignal SX bzw. SY bzw. SZ für die Halbleiterschalter
S1P, S1N, S2P, S2N und S3P, S3N der bidirektionalen Leistungs
schalter 4 der Phase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2
anstehen.
In der Fig. 9 ist eine mögliche Realisierung der Kommutie
rungs- und Freilaufsteuerung 16 einer Phase X, Y oder Z des
Matrixumrichters 2 nach Fig. 8 näher dargestellt. Diese unter
scheidet sich vom Blockschaltbild der Fig. 8 dadurch, dass ei
ne Signalfreigabe 32, eine Verriegelungseinrichtung 34 und
eine Abschaltsteuerung 36 vorgesehen sind. Ferner sind Filter
38 vorgesehen. Die Kommutierungssteuerung 18 weist einen wei
teren Ausgang auf, an dem ein Signal SK1 ansteht. Dieses Sig
nal SK1 zeigt an, ob sich der Matrixumrichter 2 in einem sta
tionären Zustand befindet. Findet eine Kommutierung statt, so
ist der Matrixumrichter 2 nicht in einem stationären Zustand,
wodurch die Signalfreigabe 32 deaktiviert wird. Dadurch wer
den die Eingangssignale der Signalfreigabe 32 nicht mehr für
die Ermittlung seiner Ausgangssignale verwendet. Die letzten
gültigen Ausgangssignale werden ausgegeben. Ist die Kommutie
rung beendet, tritt wieder ein stationärer Zustand ein und
die Signalfreigabe 32 ist wieder aktiv. Die anstehenden aktu
ellen Eingangssignale werden wieder für die Ermittlung der
Ausgangssignale verwendet.
Die Signalfreigabe 32 ist vorgesehen, damit Fehler in der
Messwerterfassung während eines Kommutierungsvorgangs ausge
schlossen werden. Während eines Kommutierungsvorgangs findet
Schalthandlungen statt. Bedingt durch diese Schalthandlungen
kann es zu Veränderungen der Leiterspannungen UU, UV oder UW
kommen (Schaltspitzen, Oberschwingungen). Diese Veränderungen
der Leiterspannungen UU, UV oder UW können mitgemessen werden,
die zu verfälschten Messgrößen führen können. Damit diese
verfälschten Messgrößen nicht weiterverarbeitet werden, wer
den die Messsignale für die Dauer eines Kommutierungsvorgangs
"eingefroren". Nach Beendigung der Kommutierung gibt es keine
Schaltspitzen mehr, so dass die Messsignale wieder direkt
weitergeleitet werden.
Das Abschalten des Matrixumrichters 2 wird durch die Ab
schaltsteuerung 36 durchgeführt. Es wird zwischen kontrol
lierten Abschalten und Notabschalten unterschieden. Beim Not
abschalten werden sofort die kommutierungs- und freilaufbe
dingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungs
schalter 4 des Matrixumrichters 2 gleichzeitig abgeschaltet.
Dieser Abschaltung führt mit großer Wahrscheinlichkeit zu
Überspannungen, die eine Zerstörung der Halbleiterschalter
der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters
2 zur Folge haben kann. Diese Notabschaltung sollte deshalb
nur bei einem Matrixumrichter stattfinden, der eine Überspan
nungsschutzvorrichtung aufweist.
Beim kontrollierten Abschalten werden die kommutierungsbe
dingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungs
schalter 4 des Matrixumrichters 2 mittels eines Abschaltsig
nals SAK sofort abgeschaltet. Durch die geschalteten Freiläu
fe kann sich der Laststrom kontrolliert abbauen. Es kommt da
her zu keinen Überspannungen an den Halbleiterschaltern.
Nachdem der Strom zu Null geworden ist, werden die freilauf
bedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungs
schalter 4 des Matrixumrichters 2 mittels eines Abschaltsig
nals SAF ebenfalls geöffnet. Dieses kontrollierte Abschalten
wird bei einem Abschaltsignal SAUS von außen, beim Abschalten
durch einen Sollschaltzustand (1, 1, 1), bei Fehlern in der
Vorzeichenerfassung und bei Fehlern in der Nulldurchgangser
fassung, die jeweils durch ein Signal SIF gekennzeichnet
sind, eingeleitet.
Mit der bevorzugten Freilaufsteuerung 20, die zusätzlich zur
Kommutierungssteuerung 18 Einschaltbefehle für vorbestimmte
Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4
des Matrixumrichters 2 erzeugt, werden Überspannungen beim
Abschalten des Matrixumrichters 2 verhindert. Durch diese be
vorzugte Freilaufsteuerung 20 wird beim Abschalten der kommu
tierungsbedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen
Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 ein kontinuierli
cher Stromfluss des in der Last abfließenden Stromes gewähr
leistet.
Durch die Parallelität von Kommutierungs- und Freilaufsteue
rung 18 und 20 ist eine funktionale Trennung zwischen Halb
leiterschaltern, die zur Steuerung eingeschaltet sind, und
von Halbleiterschaltern, die zum Umrichterschutz eingeschal
tet werden, möglich. Im Fehler- oder Abschaltfall ist ein
zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung des
Matrixumrichters 2 möglich. Außerdem ist die Freilaufsteue
rung 20 gegen Spannungsmessfehler, insbesondere im Nulldurch
gang der verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU robust.
Claims (6)
1. Verfahren zur Steuerung von positiven oder negativen Frei
laufpfaden jeweils in einer Phase (X, Y, Z) eines Matrixumrich
ters (2) mit neun in einer 3 × 3-Schaltermatrix (6) angeordne
ten bidirektionalen Leistungsschalter (4), die jeweils zwei
antiseriell geschaltete Halbleiterschalter (S1P, S1N, S2P, S2N,
S3P, S3N) aufweisen, wobei jeweils ein bidirektionaler Leis
tungsschalter (4) einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z) bestimmt
wird, an dem eine negativste oder eine positivste Leiterspan
nung (UU, UV, UW) ansteht, und wobei jeweils ein Halbleiter
schalter (S1P, S1N, S2P, S2N, S3P, S3N) dieser beiden bestimmten
bidirektionalen Leistungsschalter (4) für einen positiven und
einen negativen Freilaufpfad angesteuert wird, der einen po
sitiven oder einen negativen Laststrom führen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Bereich eines
positiven oder negativen Nulldurchgangs einer verketteten
Eingangsspannung (UUV, UVW, UWU) Halbleiterschalter (S1P, S1N, S2P,
S2N, S3P, S3N) der beiden am Nulldurchgang beteiligten bidirek
tionalen Leistungsschalter (4) für einen negativen oder posi
tiven Freilaufpfad ausgewählt werden, wobei diese beiden aus
gewählten Halbleiterschalter mit mittels eines Kommutierungs
verfahrens ermittelten Halbleiterschaltern derart verglichen
werden, dass bei einer Übereinstimmung der entsprechend aus
gewählte Halbleiterschalter angesteuert wird und dass bei
keiner Übereinstimmung beide ausgewählten Halbleiterschalter
angesteuert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mit Erreichen ei
nes Bereiches positiven oder negativen Nulldurchganges einer
verketteten Eingangsspannung (UUV, UVW, UWU) das Verfahren der
Ermittlung freilaufbedingter zu steuernder Halbleiterschalter
bidirektionaler Leistungsschalter (4) jeweils einer Matrixum
richterphase (X, Y, Z) nach dem Verfahren nach Anspruch 2 so
fort aktiviert wird, und wobei die freilaufbedingt angesteu
erten Halbleiterschalter bidirektionaler Leistungsschalter
(4) jeweils einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z), die nach dem
Verfahren nach Anspruch 1 ermittelt werden, für eine vorbe
stimmte Zeit eingeschalten bleiben.
4. Verfahren nach einem der zuvor genannten Ansprüche 1 bis
3, wobei verkettete Eingangspannungen (UUV, UVW, UWU) des Matri
xumrichters (2) gemessen werden, wobei deren Polarität ermit
telt werden und wobei in Abhängigkeit dieser ermittelten Po
laritäten der verketteten Eingangsspannungen jeweils eine po
sitivste und negativste Leiterspannung (UU, UV, UW) ermittelt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ge
messenen, verketteten Eingangsspannungen (UUV, UVW, UWU) des
Matrixumrichters (2) jeweils amplitudenmäßig derart mit einem
positiven oder negativen Referenzwert (+Uref, -Uref) verglichen
wird, dass bei Unter- oder Überschreitung der Referenzwerte
(+Uref, -Uref) jeweils ein Aktivierungs-Signal generiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ermittlung einer po
sitivsten und negativsten Leiterspannung (UU, UV, UW) des Ma
trixumrichters (2) in Abhängigkeit der ermittelten Polaritä
ten der gemessenen, verketteten Eingangsspannungen (UUV, UVW,
UWU) des Matrixumrichters (2) mittels einer hinterlegten Ta
belle erfolgt.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10016230A DE10016230B4 (de) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | Verfahren zur Steuerung von Freilaufpfaden bei einem Matrixumrichter |
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EP01919214A EP1273092A1 (de) | 2000-03-31 | 2001-03-19 | Verfahren zur steuerung von freilaufpfaden bei einem matrixumrichter |
US10/259,246 US6603647B2 (en) | 2000-03-31 | 2002-09-27 | Method for controlling freewheeling paths in a matrix converter |
Applications Claiming Priority (1)
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