DE10146182A1

DE10146182A1 - Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern

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Publication number: DE10146182A1
Application number: DE2001146182
Authority: DE
Inventors: Marcus Ziegler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2003-04-10
Also published as: WO2003026110A2; WO2003026110A3

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Kommutierung des Laststromes in Matrixumrichtern. Unter der Voraussetzung der beiden minimal erforderlichen möglichen Zustände eines bidirektionalen Schalters - Stromfluß nur in Vorwärtsrichtung möglich/rückwärts sperrend, Stromfluß nur in Rückwärtsrichtung möglich/vorwärts sperrend - kann mithilfe der Kenntnisse über die Richtung des Laststromes und der Kommutierungsspanung(en) der beteiligten Phasen die Stromkommutierung intelligent, ohne zusätzliche laststromführende Bauteile, gelöst werden. Charakteristisch für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass ein Umschaltvorgang zwischen zwei Basishauptzuständen bzw. zwischen einem Basishauptzustand und einem Abschlusshauptzustand in nur einem Schritt erfolgen kann. Weiterhin kennzeichnend ist, dass die Schaltvorgänge bei der entsprechenden Wahl von Intervallanfang und Intervallende zu beliebigen Zeitpunkten ausgelöst werden können und dass lediglich die Erfassung eines jeweils aktuellen Intervalls im Mehrphasensystem erforderlich ist, und dass das Steuerverfahren bei praktisch beliebigen Frequenzen des speisenden Netzes anwendbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern, vorzugsweise 3 × 3 Matrixumrichtern.

Eine Reihe von Verfahren zur Stromkommutierung in Matrixumrichtern setzt auf eine Erweiterung der Grund-Topologie durch zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile. Bekannt geworden sind höherfrequente Resonanzkreise [5] und [6], Freilaufzweige [3] oder parallelgeschaltete Kondensatoren [7].

Nachteilig an den Anordnungen mit höherfrequenten Resonanzkreisen sind die betriebsmäßig laststromführenden zusätzlichen Bauelemente sowie ein notwendiges zeitgenaues Schalten im Nulldurchgang des hochfrequenten Stromes oder der Spannung. Beliebige Schaltzeitpunkte sind nicht wählbar, was Totzeiten zur Folge hat. Eine aktive Bedämpfung der für Matrixumrichter typischen Schwingungen an Eingangsfiltern ist nur eingeschränkt möglich. Nachteilig an den Lösungen nach [3] und [7] sind ebenfalls die betriebsmäßig stromführenden zusätzlichen Bauteile, wie B6-Brücken, Zwischenkreiskapazität mit Einrichtungen zur Spannungsbegrenzung, z. B. Bremssteller, bzw. Kondensatoren parallel zu den Schaltern sowie die dadurch auftretenden zusätzlichen Verluste.

Dagegen sind einige Verfahren bekannt, die keine zusätzlichen betriebsmäßig laststromführenden Bauteile erfordern und getrennte Steuersignale für beide Stromrichtungen nutzen (bidirektionaler Schalter, auch als Vierquadrantenschalter bekannt, beispielsweise bestehend aus einer Antiparallelschaltung zweier Zweiquadrantenschalter, auch als unidirektionale Schalter bezeichnet); Vier-Schrittverfahren mit Messung der Kommutierungsspannung bzw. der Laststromrichtung vor jedem Schaltschritt [2], und Zwei-Schrittverfahren [8], [1], [4], [9].

Charakteristisch für die letztgenannten Verfahren ist ein Schaltalgorithmus in zwei oder vier Schritten. Ausgangspunkt für die Schaltabfolge ist entweder die Ermittlung des Vorzeichens von mindestens einer Kommutierungsspannung zwischen den am Schaltvorgang beteiligten Phasen oder die Ermittlung des Vorzeichens des Stromes im aktuell leitenden bidirektionalen Schalter. Zwischen den Schritten müssen Sicherheitszeiten, die im wesentlichen durch die Schaltzeiten der Leistungshalbleiter sowie deren Ansteuereinrichtungen bestimmt sind, eingehalten werden.

Der wesentliche gemeinsame Nachteil der letztgenannten Verfahren liegt in der Vielzahl der erforderlichen Schritte zur Kommutierung, was diese Verfahren für bei Matrixumrichtern wünschenswerte schnelle Umschaltvorgänge weniger geeignet macht. Matrixumrichter sind insbesondere zur aktiven Dämpfung der Netzfilterschwingungen und aufgrund fehlender Energiespeicher auf schnelle Umschaltvorgänge angewiesen.

Des weiteren hängt der Zeitpunkt des tatsächlichen Kommutierungsvorgangs von der Stromrichtung ab. So kann beispielsweise beim Verfahren nach [4] der Strom nach dem ersten, aber auch nach dem zweiten Schaltschritt kommutieren. Ähnlich wie bei Zwischenkreisumrichtern müssen entsprechende Maßnahmen zur sogenannten Totzeitkompensation getroffen werden [10].

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, reale bidirektionale Schalter beispielsweise mit getrennten Steuersignalen für beide Stromrichtungen vorzugsweise in 3 × 3 Matrixumrichtern so anzusteuern, daß:

1. keine Unterbrechung der Last-/Ausgangsströme entstehen können,
2. kein Kurzschluß entstehen kann,
3. ohne zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile eine Kommutierung in möglichst wenigen Schalt-Schritten möglich ist,
4. eine möglichst freizügige Festlegung der Umschaltzeitpunkte vorgenommen werden kann,
5. der Laststrom zu allen Eingangsphasen kommutiert werden kann.

Die Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bis 13 gelöst. Durch das erfindungsgemäße Steuerverfahren ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:

1. Ein Umschalten zwischen einem Basishauptzustand und einem anderen Basishauptzustand oder einem Abschlußhauptzustand erfolgt in nur einem Schritt.
2. Keine Verriegelungszeit während dem Kommutierungsablauf in nur einem Schritt notwendig.
3. Totzeit entsteht nur in der Größenordnung der Schaltzeit und nicht aufgrund von Verriegelungszeiten
4. Zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile sind nicht notwendig.
5. Schaltvorgänge können bei bekannter Stromrichtung und bekannter/bekannten Kommutierungsspanung/en zu beliebigen Zeitpunkten auch mit sehr hohen Folgefrequenzen erfolgen.
6. Das vorgeschlagene Steuerverfahren ist bei praktisch beliebigen Frequenzen des speisenden Netzes anwendbar; Einschränkungen bei höheren Frequenzen ergeben sich lediglich aus Schaltzeiten der elektronischen Bauteile.
7. Kein Kurzschluß möglich, da nur unidirektionale Schalter in der Laststromrichtung eingeschaltet sind

Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen, die sich im wesentlichen auf einen Teilstromrichter (siehe Fig. 1) eines 3 × 3 Matrixumrichters beziehen, wird die Erfindung nachstehend näher beschrieben, wobei auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigen
Fig. 1 einen idealen 3 × 3 Matrixumrichter, basierend auf 3 Teilstromrichtern (Converter section) mit den drei Eingangsstrangspannungen U_E1, U_E2 und U_E3,
Fig. 2 beispielhafte diskrete Ausführungen e.), f.) und vier idealisierte Zustände eines bidirektionalen Schalters mit getrennten Steuersignalen G für die beiden Stromrichtungen (index v: vorwärts; index r: rückwärts; 0: ausgeschaltet, 1: eingeschaltet)

1. Unterbrechung (bidirektionaler Schalter ausgeschaltet),
2. Stromfluß nur in Vorwärtsrichtung möglich - rückwärts sperrend (unididirektionaler Schalter in Vorwärtsrichtung eingeschaltet),
3. Stromfluß nur in Rückwärtsrichtung möglich - vorwärts sperrend (unidirektionaler Schalter in Rückwärtsrichtung eingeschaltet),
4. bidirektionale Verbindung (bidirektionaler Schalter eingeschaltet),

Fig. 3 verallgemeinerte Basishauptzustände eines Teilstromrichters für bekannte Stromrichtung I_A und bekannte Größenverhältnisse der Eingangsstrangspannungen U_Ep ≥ U_Em ≥ U_En,
Fig. 4 beispielhafte Nutzung des Verfahrens bei der Einteilung in Intervalle unveränderter Vorzeichen der Kommutierungsspannungen (Intervalle 1. . .6) und der Laststromrichtung (Index +: I_A ≥ 0; Index -: I_A ≤ 0),
Fig. 5 Kommutierungsbeispiele mit den Zuständen aus Fig. 3 zwischen den Eingangsphasen 1 und 2 für Intervall 2 + (U_E1 ≥ U_E2 ≥ U_E3, I_A ≥ 0) und Intervall 2 - (U_E1 ≥ U_E2 ≥ U_E3, I_A ≤ 0) aus Fig. 4,
Fig. 6 Definition der 6 verschiedenen Kategorien (I. . .VI; Spalte 2) entsprechend den Größenverhältnissen/Bedingungen der Eingangsstrangspannungen (Spalte 1) und Zuordnung der Eingangsstrangspannungen zur relativen Höhe der Strangspannungen (größte U_Ep, kleinste U_En, mittlere U_Em) in Abhängigkeit vom Intervall nach Fig. 4,
Fig. 7 eine Tabelle aller konkreten Schaltzustände in Abhängigkeit der Kategorie (Größenverhältnisse der Eingangsstrangspannungen) für Teilstromrichter 1 bei negativem Strom (I_A ≤ 0) und bei positivem Strom (I_A ≥ 0), wobei eine "1" einen eingeschalteten unidirektionalen Schalter kennzeichnet, und wobei sich die Intervallangaben in Klammern (Spalte "Kategorie") auf Fig. 4 beziehen,
Fig. 8 Definition der 6 verschiedenen Kategorien (VII. . .XII; Spalte 2) entsprechend den Größenverhältnissen/Bedingungen der Eingangsstrangspannungen (Spalte 1) und Zuordnung der Eingangsstrangspannungen zur relativen Höhe der Strangspannungen (größte U_Ep, kleinste U_En, verbleibenden U_Ex, U_Ey) in Abhängigkeit vom Intervall nach Fig. 11,
Fig. 9 verallgemeinerte Zustände eines Teilstromrichters bei Identifikation der größten Eingangsstrangspannung U_Ep (Bedingungen der Kategorie VII, IX, XI) für bekannte Stromrichtung I_A und unbekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung zwischen U_Ex und U_Ey,
Fig. 10 Kommutierungsbeispiele mit Hilfe der Zustände aus Fig. 9 zwischen den Eingangsphasen 1 und 2 für Intervall 7 + (U_E2 ≤ U_E1 ≥ U_E3, I_A ≥ 0) und Intervall 7 - (U_E2 ≤ U_E1 ≥ U_E3, I_A ≤ 0),
Fig. 11 beispielhafte Nutzung des Verfahrens bei der Einteilung in Intervalle unveränderter Vorzeichen der Phasenspannung (Intervalle 7. . .12) und der Laststromrichtung (Index +: I_A ≥ 0; Index -: I_A ≤ 0),
Fig. 12 eine Tabelle aller konkreten Schaltzustände für Teilstromrichter 1 bei unbekanntem Vorzeichen einer Kommutierungsspannung für Teilstromrichter 1 bei negativem Strom (I_A ≤ 0) und bei positivem Strom (I_A ≥ 0), wobei eine "1" einen eingeschalteten unidirektionalen Schalter kennzeichnet, und wobei sich die Kategorien auf Fig. 8 beziehen,
Fig. 13 eine Tabelle aller konkreten Schaltzustände für Teilstromrichter 1 bei negativem Strom (I_A ≤ 0) und bei positivem Strom (I_A ≥ 0), wobei eine "1" einen eingeschalteten unidirektionalen Schalter kennzeichnet, und wobei sich die Kategorien auf Fig. 8 beziehen, und wobei in Abhängigkeit der bei einer Kommutierung beteiligten beiden Eingangsphasen teilweise unterschiedliche Basishauptzustände gewählt werden, da die unidirektionalen Schalter der unbeteiligten Phase ausgeschaltet bleiben,
Fig. 14 verallgemeinerte Zustände eines Teilstromrichters bei Identifikation der größten Eingangsstrangspannung U_Ep nach der Tabelle aus Fig. 13 für bekannte Stromrichtung I_A, unbekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung zwischen U_Ex und U_Ey, und bekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung der beteiligten Phasen (U_Ex ≤ U_Ep ≥ U_Ey),
Fig. 15 Kommutierungsbeispiele zwischen den Eingangsphasen 1 und 2 für Intervall 7 + (U_E2 ≤ U_E1 ≥ U_E3, I_A ≥ 0) und Intervall 7 - (U_E2 ≤ U_E1 ≥ U_E3, I_A ≤ 0),
Die Basis des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens bilden neben den grundlegenden Zuständen eines bidirektionalen Schalters nach Fig. 2b, c die Kenntnisse über die Vorzeichen des Laststroms I_A sowie der Kommutierungsspannung(en).
Das erfindungsgemäße Steuerverfahren wird beispielhaft an einem Teilstromrichter eines idealen 3 × 3 Matrixumrichters aus Fig. 1 erläutert. Ein Teilstromrichter (Converter section) besteht aus 3 bidirektionalen Schaltern, die jede der drei Eingangsphasen (1, 2, 3) entsprechend den Eingangsstrangspannungen (U_E1, U_E2, U_E3) mit einer Ausgangsphase (1, 2, 3) verbinden können. Damit sind die drei Teilstromrichter identisch. Die Bezeichnung der Einzelschalter sowie der im folgenden verwendeten Schaltzustände eines Teilstromrichters erfolgt nach der Konvention:
S: Schalter
1. Index: Ziffer der Eingangsphase
2. Index: Ziffer der Ausgangsphase
3. Index: mögliche Stromrichtung im unidirektionalen Schalter; v: vorwärts, r: rückwärts
B/A: Basishauptzustand/Abschlußhauptzustand
1. Index: mögliche Stromrichtung; v: vorwärts, r: rückwärts
2. Index: Soll-Eingangsphase, die den Laststrom führen soll
3. Index: die an einer Kommutierung zu beteiligende Eingangsphase
H: Hilfszustand
1. Index: mögliche Stromrichtung; v: vorwärts, r: rückwärts
2., 3. Index: die an der Kommutierung beteiligten Eingangsphasen
Heutzutage wird ein bidirektionaler Schalter praktisch aus diskreten Bauelementen aufgebaut und kann prinzipiell die idealisierten vier in Fig. 2a-d dargestellten Schalt-Zustände (states) durch entsprechende Ansteuerung der Gates (G_v, G_r) beispielhafter Topologien aus Fig. 2e, f annehmen. Neuere Vorschläge zur Realisierung von bidirektionalen Schaltern wie beispielsweise in [11] dargestellt ermöglichen durch unterschiedliche Spannungspegel an den beiden Gates einer monolithischen Schalterstruktur eine noch größere Vielfalt an Zuständen. Bei einer Realisierung nach [11] sind die für das vorgeschlagene Kommutierungsverfahren grundlegenden Zustände nach Fig. 2 b, c möglich.
Fett hervorgehobene Gates in Fig. 5, Fig. 10 und Fig. 15 kennzeichnen einen eingeschalteten IGBT; nicht fett hervorgehobene einen ausgeschalteten. Der eingeschaltete stromführende unidirektionale Schalter sei der aktive Schalter, die nicht stromführenden eingeschalteten unidirektionalen Schalter seien die passsiven Schalter. Stromwege sind im folgenden ebenfalls fett hervorgehoben.
Ist die Stromrichtung bekannt, so kann der Stromfluß durch die minimale unidirektionale Soll-Verbindung in Richtung des Stromes (I_A ≥ 0: Schaltzustand Fig. 2b; I_A ≤ 0: Schaltzustand Fig. 2c) zwischen der Soll-Eingangsphase und der Lastphase ermöglicht werden. Jede zusätzliche unidirektionale Verbindung zwischen den verbleibenden Eingangsphasen und der Lastphase in Richtung des Stromes kann zu keinem Kurzschluß führen. Sind alle unidirektionalen Schalter in Richtung des Stromes eingeschaltet, so liegt praktisch eine Mittelpunktschaltung M3 vor. Bei positiver Stromrichtung führt derjenige unidirektionale Schalter den Strom, dessen Eingangsphase die höchste Spannung U_Ep hat. Bei negativem Strom führt derjenige Schalter den Strom, dessen Eingangsphase die kleinste Spannung U_En hat. Soll der Strom immer zwischen der Soll-Eingangsphase und der Lastphase fließen, so dürfen folglich nur unidirektionale Schalter in Richtung des Stromes zusätzlich redundant eingeschaltet werden, deren Eingangsphase bei negativem Strom eine höhere Spannung und bei positivem Strom eine niedrigere Spannung als die Soll-Eingangsphase besitzt. Andernfalls erfolgt eine Kommutierung auf eine der zusätzlichen unidirektionalen Verbindungen.
Sind die Vorzeichen der drei Kommutierungsspannungen bekannt dann lassen sich die Eingangsstrangspannungen nach Ihrer Größe sortieren. Eine Eingangsstrangspannung ist immer größer als die beiden anderen Eingangsstrangspannungen und wird deshalb mit U_Ep bezeichnet, eine ist immer kleiner als die beiden anderen und wird deshalb mit U_En bezeichnet, und eine Eingangsstrangspannung liegt mit ihren Augenblickswerten zwischen den beiden Spannungen U_Ep und U_En und wird mit U_Em bezeichnet. Die entsprechenden Eingangsphasen werden mit p, n und m bezeichnet:

U_Ep = MAX(U_E1, U_E2, U_E3) (1)

U_En = MIN(U_E1, U_E2, U_E3) (2)

U_Em = MID(U_E1, U_E2, U_E3) (3)
Unter der Vorraussetzung bekannter Vorzeichen der drei Kommutierungsspannungen (Gleichungen 1-3 sind lösbar) sowie der Laststromrichtung und mit dem Ziel, ein Maximum an unidirektionalen Verbindungen in Richtung des Stromes zusätzlich einzuschalten, ohne daß der Strom von der Soll-Eingangsphase abkommutiert, ergeben sich die verallgemeinerten Schaltzustände aus Fig. 3 für die beiden Stromrichtungen. Jeder sogenannte Basishauptzustand B stellt neben möglichen zusätzlichen (redundanten) passiven Verbindungen eine unidirektionale aktive Soll-Verbindung zwischen einer Ausgangsphase (z. B. A1) und der Soll-Eingangsphase und folglich den entsprechenden aktiven Strompfad her; Zustand B_vp/B_rp mit der Eingangsphase p (Eingangsstrangspannung U_Ep), Zustand B_vm/B_rm, mit der Eingangsphase m (Eingangsstrangspannung U_Em) und B_vn/B_rn mit der Eingangsphase n (entsprechend Eingangsstrangspannung U_En).
Die Kommutierung zwischen zwei Basishauptzuständen, d. h. die Kommutierung des Ausgangsstromes zwischen einer Start-Eingangsphase und einer Ziel-Eingangsphase, ist stets in nur einem Schritt möglich:
1. Abschalten der (des) unidirektionalen Schalter(s), die (der) für den Ziel-Basishauptzustand nicht notwendig sind (ist), bzw. Einschalten der (des) unidirektionalen Schalter(s), die (der) für den Ziel- Basishauptzustand notwendig sind (ist).
Für die Kommutierung zwischen den Basishauptzuständen müssen höchstens zwei unidirektionale Schalter ab- oder eingeschaltet werden (siehe beispielhaft in Fig. 3 und Fig. 5). Die Kommutierung des Laststroms zur Ziel- Eingangsphase folgt direkt auf den Abschluß der Schalthandlung. Werden unidirektionale Verbindungen abgeschaltet, so findet unmittelbar eine erzwungene Kommutierung auf bereits bestehende zuvor passive Strompfade statt. Werden unidirektionale Schalter beim aktuellen Schaltschritt geschlossen, so findet eine natürliche Kommutierung auf einen der im aktuellen Schaltschritt geschlossenen Schalter statt. Eine Totzeitkompensation aufgrund von Verriegelungszeiten ist nicht erforderlich. Selbst ein sofortiges Zurückschalten auf den Vorgängerzustand führt zu keinem Kurzschluß. Die Kommutierungszeit wird nur von der Schaltzeit des Schalters beeinflußt.
Für die Größenverhältnisse (Bedingung) der 3 Eingangsstrangspannungen ergeben sich 3! = 6 Möglichkeiten, die in Fig. 6/Spalte 1 dargestellt sind und in Spalte 2 als Kategorien definiert sind. Abhängig von der Kategorie und der Stromrichtung sind in Fig. 7 die resultierenden konkreten Schaltzustände eines Teilstromrichters dargestellt. Eine beispielhafte Anwendung des Verfahrens ergibt sich aus der Erfassung der aktuellen 60°-Intervalle 1. . .6, wie sie in Fig. 4 beispielhaft für ein dreisträngiges Mehrphasensystem dargestellt sind. Ein Intervall beginnt mit dem Schnittpunkt zweier Eingangsstrangspannungen und endet mit dem folgenden Schnittpunkt von zwei Eingangsstrangspannungen. Innerhalb eines Intervalls ändert folglich keine der verketteten Spannungen das Vorzeichen. Die Zuordnung der Eingangsstrangspannungen zur relativen Höhe der Strangspannungen in Abhängigkeit vom Intervall zeigt Fig. 6. So ist z. B. zu erkennen, daß im Intervall 4 die Netzphase U_E2 immer die größte Spannung besitzt, die Netzphase U_E1 immer die kleinste Spannung besitzt und die Spannung der Netzphase U_E3 immer zwischen U_E1 und U_E2 liegt. Die Auswahl des entsprechenden Schaltzustandes ergibt sich dann letztendlich aus der Laststromrichtung.
In Fig. 5 sind zwei Beispiele für eine Kommutierung dargestellt. Schaltet man z. B. im Intervall 2- den Laststrom zwischen den Eingangsphasen 1 und 2, entsprechend den Zuständen B_rp und B_rm, (siehe auch Fig. 7), so bleibt der unidirektionale Schalter S11r durchgehend eingeschaltet und stellt somit zu jedem Zeitpunkt einen Strompfad für die negative Stromrichtung zur Verfügung, während S21r abhängig von der gewünschten Soll-Eingangsphase ein- oder abgeschaltet wird.
In praktischen Anwendungen kann das Vorzeichen einer Kommutierungsspannung zwischen den Spannungen der zwei sogenannten Abschluß-Eingangsphasen (x, y) unbekannt sein, beispielsweise in der Nähe des Schnittpunktes zweier Eingangsstrangspannungen. Die Schaltzustände aus Fig. 7 verursachen dann keinen Kurzschluß, allerdings ist eine unerwünschte Kommutierung zu einer Eingangsphase möglich, die nicht Soll-Eingangsphase ist. Aus den bekannten Vorzeichen der beiden anderen Kommutierungsspannungen ergibt sich die Definition einer sogenannten Basis-Eingangsphase, deren Phasenspannung (U_E1, U_E2, U_E3) immer größer (U_Ep: Fig. 8, Kategorie VII, IX, XI) oder kleiner (U_En: Fig. 8, Kategorie VIII, X, XII) als die beiden anderen ist (siehe auch Gleichung (2), bzw. (1)). Das Vorzeichen der verketteten Spannung zwischen den beiden Abschluß-Eingangsphasen mit den entsprechenden Eingangsstrangspannungen (U_Ex, U_Ey) kann beliebig sein, d. h. es kann sich auch während einer Kommutierung ändern. Es ergibt sich beispielsweise für ein dreisträngiges Mehrphasensystem eine Einteilung in 60°- Intervalle 7. . .12 wie sie in Fig. 11 dargestellt sind. Ein Intervall beginnt mit dem Nulldurchgang einer Eingangsstrangspannung und endet mit dem folgenden Nulldurchgang einer anderen Eingangsstrangspannung. Innerhalb eines Intervalls muß die Zuordnung von Eingangsphase zu Basis- und Abschluß-Eingangsphase gleich bleiben. Die entsprechende Zuordnung der Eingangsphasen in Abhängigkeit vom Intervall zeigt Fig. 8. So ist z. B. zu erkennen, daß im Intervall 9 die Eingangsphase 2 mit der Spannung U_E2 immer die größte Spannung (U_Ep) besitzt und damit Basis-Eingangsphase ist, und daß die Eingangsphasen 1 und 3 Abschluß-Eingangsphasen sind, da das Vorzeichen der verketteten Spannung U_E3-U_E1 im Intervall nicht eindeutig ist, bzw. sich das Vorzeichen ändert.
Unter den Vorraussetzungen bekannter Laststromrichtung, ein Maximum an zusätzlichen unidirektionalen Verbindungen in Richtung des Stromes, ohne daß der Strom von der Soll-Eingangsphase abkommutiert, und einer bekannten Basis-Eingangsphase mit den entsprechenden gleichen Vorzeichen der Kommutierungspannungen zu den Abschluß-Eingangsphasen, ergeben sich in Abhängigkeit des Soll-Strompfades die Basishauptzustände B und Abschlußhauptzustände A aus Fig. 12. Für den Fall einer Basis-Eingangsphase p mit der Strangspannung U_Ep sind in Fig. 9 die Zustände in verallgemeinerter Form dargestellt. Zustand B_vp/B_rp stellt den Strompfad zur Eingangsphase p, A_vx/A_rx zur Eingangsphase x und A_vy/A_ry stellt den Strompfad zur Eingangsphase y her. Im Vergleich zu den Schaltzuständen aus Fig. 3 sind aufgrund der fehlenden Information über das Vorzeichen einer Kommutierungsspannung entsprechend weniger zusätzliche unidirektionale Schalter eingeschaltet.
Die Kommutierung zwischen einem Basishauptzustand und einem Abschlußhauptzustand erfolgt wiederum in nur einem Schritt. In Fig. 10 ist beispielhaft eine Kommutierung von der Basis-Eingangsphase 1 zur Eingangsphase 2 dargestellt.
Soll eine Kommutierung von dem einen Abschlußhauptzustand zu dem anderen Abschlußhauptzustand durchgeführt werden, muß in zwei Schritten kommutiert werden. Der erforderliche Hilfszustand H ist in Fig. 12 ergänzend angegeben und ergibt sich aus der Summe aller eingeschalteten unidirektionalen Schalter der beiden Abschlußhauptzustände.
Für den Fall einer Kommutierung zwischen nur zwei beteiligten Eingangsphasen mit bekanntem Vorzeichen der Kommutierungsspannung, wie es beispielsweise zwischen der Basis-Eingangsstrangspannung und einer Abschlußstrangspannung ist, ergeben sich die Schaltzustände aus Fig. 13, die in Fig. 14 in verallgemeinerter Form für eine Basis-Eingangsphase p dargestellt sind. In Abhängigkeit der beiden an der Kommutierung beteiligten Eingangsphasen sind die Basishauptzustände modifiziert. Der unidirektionale Schalter der nicht beteiligten Phase in Richtung des Stromes ist im Gegensatz zu Fig. 9 offen (Schaltzustand Fig. 2a). Eine Kommutierung findet zwischen der Basis- und der Abschluß-Eingangsphase in einem Schritt statt, wobei entweder ein unidirektionaler Schalter in Richtung des Stromes zugeschaltet (Ziel-Netzphase) oder einer abgeschaltet wird (Start-Netzphase). In Fig. 15 ist beispielsweise für Intervall 7 die Kommutierung von der größeren Eingangsstrangspannung U_E1 zur kleineren Eingangsstrangspannung U_E2 dargestellt.
Die Hilfszustände H zur Kommutierung in zwei Schritten von einem Abschlußhauptzustand zum anderen Abschlußhauptzustand entsprechen denen aus Fig. 12.
Kennnzeichnendes Merkmal der Basishauptzustände ist, daß eine Kommutierung des Laststromes zu/von einer anderen Eingangsphase in nur einem Schritt durchgeführt werden kann.
Der Begriff Hauptzustand bezeichnet die Obermenge von Basis- und Abschlußhauptzustand. Für den Fall fehlender Parameter, beispielsweise aller Kommutierungsspannungen, kann das Verfahren mit bereits bekannten Verfahren kombiniert werden. Literatur [1] R. R. Beasant, W C. Beattie, A. Refsum: An approach to the realization of a high power Venturini converter. IEEE PESC, Seiten 291-297, 1990.
[2] N. Burany: Safe control of 4 Quadrant Switches. IEEE-Industry Application Society, Seiten 1190-1194, 1989.
[3] Walter Söhner: Der selbstgeführte Direktumrichter und seine Anwendung als Matrix-Converter zur Speisung von drehzahlgeregelten Antrieben mit Asynchronmaschinen. Dissertation, Uni Karlsruhe, 1993.
[4] Marcus Ziegler, Wilfried Hofmann: Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Matrixumrichtern. Deutsche Patentanmeldung 199 44 455.2, 1999.
[5] C. T. Pan: A zero switching loss matrix converter. IEEE PESC, Seiten 545-550, 1993.
[6] Jung G. Cho, Gyu H. Cho.: Soft switched Matrixconverter for high frequency direct AC to AC power conversion. EPE, Seiten 4.196-4.201, Firenze/Italy, 1991.
[7] T. Svensson, M. Alaküla: The modulation and control of a Matrix Converter - Synchronous Machine Drive. EPE, Seiten 4.469-4.476, Firenze/Italy, 1991.
[8] R. Cittadini, J-J. Husselstein, C. Glaize: A matrix converter switching controller for low losses operation without snubber circuits. EPE, Seiten 4.199-4.203, 1997.
[9] Mareus Ziegler, Wilfried Hofmann: Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Matrixumrichtern. Deutsche Patentanmeldung 199 44 455.2, 1999.
[10] Seung-Gi Jeong, Min-Ho Park: The Analysis and Compensation of Dead-Time Effects in PWM Inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 38, No 2, Seiten 108-114, April 1991.
[11] Folko Heinke, R. Sittig: The Monolithic bidirectional switch. IEEE ISPSD00, Toulouse, Seiten 237-240, 2000.

Claims

1. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern durch Steuerung bidirektionaler Schalter mit mindestens den beiden möglichen Schalterzuständen rückwärts sperrend - Strom vorwärts möglich (Fig. 2b) und vorwärts sperrend - Strom rückwärts möglich (Fig. 2c), vorzugsweise 3 × 3 Matrixumrichter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltvorgang von einem Basishauptzustand B in einen anderen Basishauptzustand B oder Abschlußhauptzustand A und umgekehrt auf der Grundlage der Informationen von Stromrichtung und Vorzeichen der Kommutierungsspannung(en) in nur einem Schritt ohne die Verwendung zusätzlicher betriebsmäßig laststromführender Bauteile erfolgt.

2. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Basishauptzuständen B_vp, B_vm, B_vn, B_rp, B_rm, B_rn aus Fig. 3, bzw. Fig. 7 für bekannte Größenverhältnisse der Eingangsstrangspannungen und in den aus der Identifikation einer Basiseingangsphase resultierenden Basishauptzuständen B_v1, B_v2, B_v3, B_r1, B_r2, B_r3 aus Fig. 9, bzw. Fig. 12, neben der unidirektionalen Verbindung in Richtung des Stromes I_A zwischen einer Soll-Eingangsphase und einer entsprechenden Ausgangsphase diejenigen Eingangsphasen, deren Strangspannung höher als die Soll-Eingangsstrangspannung ist, bei negativem Strom unidirektional in Rückwärtsrichtung, und diejenigen Eingangsphasen, deren Strangspannung niedriger als die Soll- Eingangsstrangspannung ist, bei positivem Strom unidirektional in Vorwärtsrichtung mit der jeweiligen Ausgangsphase zusätzlich verbunden sind.

3. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abschlußhauptzuständen A_vx, A_vy, A_rx, A_ry aus Fig. 12 und Fig. 13 neben der unidirektionalen Verbindung in Richtung des Stromes I_A zwischen einer Soll-Eingangsphase und einer entsprechenden Ausgangsphase diejenige Eingangsphase, deren Strangspannung höher als die Soll-Eingangsstrangspannung ist (beispielsweise Basis-Eingangsphase p), bei negativem Strom unidirektional in Rückwärtsrichtung, und diejenige Eingangsphase, deren Strangspannung niedriger als die Soll-Eingangsstrangspannung ist (beispielsweise Basis-Eingangsphase n), bei positivem Strom unidirektional in Vorwärtsrichtung mit der jeweiligen Ausgangsphase zusätzlich verbunden ist.

4. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in den Basishauptzuständen B_v12, B_v23, B_v32, B_r31, B_r12 und B_r21 aus Fig. 13, bzw. Fig. 14 für bekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung zwischen den beiden an der Kommutierung beteiligten Phasen, neben der unidirektionalen Verbindung in Richtung des Stromes I_A zwischen einer Soll-Eingangsphase und einer entsprechenden Ausgangsphase diejenige Eingangsphase, deren Strangspannung höher als die Soll-Eingangsstrangspannung ist, bei negativem Strom unidirektional in Rückwärtsrichtung, und diejenige Eingangsstrangspannung, die niedriger als die Soll-Eingangsstrangspannung ist, bei positivem Strom unidirektional in Vorwärtsrichtung mit der jeweiligen Ausgangsphase zusätzlich verbunden ist, wenn diese unidirektionale Verbindung nach der nächsten Kommutierung (nächster Schaltschritt) Strom führen wird (aktive Verbindung wird).

5. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Synchronisiersignalen realisiert wird, die Intervallen unveränderten Vorzeichen der verketteten Spannnungen zugeordnet sind.

6. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Übergang von einem Intervall mit verketteten Spannungen unveränderten Vorzeichens zum folgenden bei positivem Strom und steigender Soll-Eingangsstrangspannung der Wechsel des Basiszustandes nach dem Übergang, bei positivem Strom und fallender Soll-Eingangsstrangspannung mindestens eine Schaltzeit der Ventile vor dem Übergang erfolgt, und
bei negativem Strom und fallender Soll-Eingangsstrangspannung der Wechsel des Basiszustandes nach dem Übergang, bei negativem Strom und steigender Soll-Eingangsstrangspannung mindestens eine Schaltzeit der Ventile vor dem Übergang erfolgt.

7. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Wechsels der Stromrichtung die Summe aller unidirektionalen Verbindungen vom Basiszustand für positive Stromrichtung und vom Basiszustand für negative Stromrichtung eingeschaltet wird, wobei der bidirektionale Schalter den Zustand aus Fig. 2d realisieren können muß.

8. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade stromführende Schalter während des Wechsels der Stromrichtung in den Zustand Fig. 2d für bidirektionalen Stromfluß zu überführen ist.

9. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Synchronisiersignalen realisiert wird, die Intervallen unveränderten Vorzeichen der Phasenspannnungen zugeordnet sind.

10. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltvorgang zwischen zwei Abschlußhauptzuständen A in zwei Schritten erfolgen muß, und daß in dem ersten Schritt die Summe aller unidirektionalen Schalter der beteiligten Abschlußhauptzustände und im zweiten Schritt der Ziel-Abschlußhauptzustand eingeschaltet wird.

11. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von einem Intervall mit Phasenspannungen unveränderten Vorzeichens zum folgenden Intervall ein Wechsel zu demjenigen Basiszustand erfolgt, der den neuen geänderten Bedingungen (Größenverhältnissen) der Kommutierungsspannung(en) entspricht.

12. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Synchronisiersignalen realisiert wird, die Intervallen im Bereich der Änderung der verketteten Spannungen zugeordnet sind.

13. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Laststromumkehr die im aktuellen Zustand eines Teilstromrichters offene(n) Verbindung(en) (Fig. 2a.) bei positiver Stromrichtung in rückwärtsrichtung (Fig. 2c.) und bei negativer Stromrichtung in Vorwärtsrichtung (Fig. 2b.) geschlossen wird (werden).