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Die
Erfindung beschreibt ein Ansteuerverfahren speziell auch des Kommutierungsprozesses eines
Matrixumrichters. Matrixumrichter gehören zur Familie der Direktumrichter.
Derartige Direktumrichter zeichnen sich dadurch aus, dass sie die
Eingangsphasen direkt mit den Ausgangsphasen, ohne Zwischenkreis,
miteinander verbinden.
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Selbstgeführte Direktumrichter,
Matrixumrichter, ermöglichen
beispielsweise die Umformung eines 3- Phasen Drehstromnetzes in
ein 3-phasiges System mit variabler Spannung und Frequenz. Dies wird
dadurch erreicht indem jede Phase des Eingangsnetzes mittels eines
bidirektionalen Schalters mit jeder Ausgangsphase verbunden ist
und jeder dieser Schalter geeignet angesteuert wird. Eine derartige
Anordnung der Schalter ist als 3 × 3 Schaltmatrix bekannt. Durch
diese Topologie ist der Matrixumrichter prinzipbedingt rückspeisefähig und
ermöglicht somit
einen 4-Quadrantenbetrieb.
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Matrixumrichter
sind ein vielfach untersuchtes Gebiet der Technik. Aus ihrer Topologie
ergeben sich einige systembedingte Anforderungen, wie z.B. der Umstand,
dass zu jedem Zeitpunkt des Betriebes ein sog. Freilaufpfad vorhanden
sein muss. Die
DE 100
16 230 A1 stellt ein bevorzugtes Verfahren vor, das diese
Bedingung sicherstellt.
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In
der
DE 100 37 970
A1 wird ein weiterer wichtiger Aspekt von Matrixumrichtern
beschrieben. Während
der Kommutierung treten durch Induktivitäten Überspannungen auf, die möglichst
gering gehalten werden müssen
um die Schalter, die nach dem Stand der Technik, Leistungshalbleiterschalter,
wie z.B. Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs) sind, nicht
zu zerstören.
In der
DE 100 37 970
A1 wird hierzu eine vorteilhafte Verschienung der einzelnen Schalter
vorgestellt, die neben der niederinduktiven Verbindung der Schalter
auch technisch einfach zu realisieren ist. Nachteilig hierbei ist
allerdings, dass bei einigen der vorgestellten Ausführungsbeispiele die
Querschnitte und damit die Stromtragfähigkeit oder der Materialaufwand
der Verschienungen der einzelnen Phasen sich erheblich unterscheiden.
Weiterhin nachteilig ist, dass die auftretenden Induktivitäten die
durch die Anordnung der Schalter selbst verursacht werden, nicht
berücksichtigt
sind. Somit wird das gewünschte
Ziel, eine niederinduktive Verschienung vorzustellen erreicht, allerdings
ist das gesamte System des Matrixumrichters durch diese Maßnahme noch
nicht vollständig
niederinduktiv ausgebildet.
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Aus
J. OYAMA, „Power
factor improvement of PWM Matrix converter using intermediate voltage", Conference Record
of the Power Conversion Conference, Yokohma, IEEE 1993 Seiten 284–289 ist
weiterhin bekannte, dass die Kommutierung immer zwischen zwei Schaltern
mit der geringsten Spannungsdifferenz der betroffenen Eingangsphasen,
d.h. zwischen Schaltern mit benachbarten Potenzialen, erfolgt.
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Bei
jeglicher Art von Stromrichter mit Versorgung aus einem Wechselspannungsnetz
ist es eine wichtige Anforderung, dieses speisende Netz möglichst
gleichmäßig und
sinusförmig
zu belasten. Ebenso ist ein möglichst
sinusförmiger
Lastausgang eine zentrale Anforderung an derartige Stromrichter.
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Die
vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Ansteuerung
eines Matrixumrichters vorzustellen, wobei die Stromaufnahme aus
dem Versorgungsnetz möglichst
sinusförmig
erfolgt, alle Phasen des Versorgungsnetzes gleichmäßig belastet
werden, die Ausgangsspannung alle Phasen möglichst sinusförmig ist
und die auftretenden Überspannungen
während
der Kommutierung gering sind.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Maßnahmen
des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen
genannt.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist, ein Verfahren zur Ansteuerung eines
Matrixumrichters bestehend aus drei benachbart angeordneten Eingangsphasen
(R, S, T), drei Ausgangsphasen (A, B, C) und je einem bidirektionalen
Schalter bestehend aus antiseriell geschalteten Halbleiterschaltern
mit zum jeweiligen Halbleiterschalter antiparallel geschalteter
Freilaufdiode anzugeben, bei dem die gewünschte momentane Ausgangsspannung
U∆t,X jeder Phase
in jedem Zeitintervall Δt
aus einer seriellen Superposition aller Eingangsphasen (R, S, T)
besteht. Weiterhin erfolgt sowohl innerhalb jedes Zeitintervalls Δt als auch
zwischen den Zeitintervallen die Kommutierung ausschließlich zwischen
benachbarten angeordneten Schaltern, also zwischen R und S, oder
S und T, d.h. eine Kommutierung von R nach T bzw. umgekehrt findet
nicht statt. Dadurch, dass eine Kommutierung nur zwischen benachbarten
Schaltern durchgeführt
wird ist die Fläche
die zur induktiv erzeugten Spannung beiträgt geringer als bei nicht benachbarten
Schaltern. Somit sind die auftretenden Überspannungen wirksam verringert.
Durch die serielle Superposition aller drei Phasen pro Zeitintervall Δt wird das
versorgende Netz, bzw. dessen Phasen (R, S, T) möglichst gleichmäßig belastet.
Im Zeitmittel führt
dies zu einer gleichmäßigen, sinusförmigen Belastung
dieses Versorgungsnetzes. Durch die Wahl geeignet kleiner Intervalle Δt wird ein
möglichst
sinusförmiges
Ausgangsignal erzeugt.
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Spezielle
Ausgestaltungen der erfinderischen Lösungen werden an Hand der 1 bis 5 erläutert.
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1 zeigt
die wesentlichen Bestandteile eines Matrixumrichters nach dem Stand
der Technik.
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2 zeigt
schematisch einen Matrixumrichter aufgebaut aus Halbleiterschaltern
nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt die während der Kommutierung zur
induktiven Spannung beitragenden Flächen einer Ausgangsphase.
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4 zeigt
die drei Eingangsphasen sowie eine Ausgangsphase eines Matrixumrichters.
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5 zeigt die Beiträge der Eingangphasen zu einer
Ausgangsphase in bestimmten Zeitintervallen Δt.
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1 zeigt
schematisch einen Matrixumrichter nach dem Stand der Technik. Den
drei Eingangphasen (R, S, T) eines Versorgungsnetzes sind die drei
Ausgangsphasen (A, B, C) eines Lastnetzes zugeordnet. Zur Verbindung
jeder Eingangphase mit jeder Ausgangsphase weist der Matrixumrichter
je einen bidirektionaler Schalter (10) auf. Der Matrixumrichter
weist weiterhin Kondensatoren (20) auf, die jeweils zwischen
zwei Eingangsphasen geschaltet sind.
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Nach
dem Stand der Technik werden die bidirektionalen Schalter (10)
ausgeführt
als antiserielle Schaltung zweier Halbleiterschalter (110, 120)
mit jeweils antiparallel geschalteter Freilaufdiode (111, 121).
Hierbei sind die einzelnen Halbleiterschalter häufig als eine Parallelschaltung
mehrerer IGBTs realisiert.
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Bei
der antiseriellen Schaltung der Halbleiterschalter können diese
entweder emittergekoppelt (10a) oder kollektorgekoppelt
(10b) sein.
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2 zeigt
einen derartigen Matrixumrichter nach dem Stand der Technik mit
emittergekoppelten Leistungshalbleiterschaltern (101 bis 109)
als bidirektionale Schalter.
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3 zeigt die während der Kommutierung zur
induktiven Spannung beitragenden Flächen einer beispielhaft gewählten Ausgangsphase
(A). Zusätzlich
zu den 1 und 2 sind hier noch eingangsseitige
Induktivitäten
(30) sowie eine ausgangsseitige Induktivität (40)
dargestellt.
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Während eines
Kommutierungsvorgangs von der Eingangphase R auf die Eingangphase
S (3a) trägt
die Fläche
(50) zur induktiven Spannungserzeugung bei. Hierzu zählen sowohl
die Leitungen (Verschienung), sowie die Schalter (101, 102) selbst.
Ein Kommutierungsvorgang von S nach R weist selbstverständlich analoge
Verhältnisse
auf.
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Bei
einem Kommutierungsvorgang von der Eingangphase S auf die Eingangsphase
T (3b) trägt
eine im Vergleich zur Kommutierung R-S gleich Fläche (50) bei.
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Der
Kommutierungsvorgang von der Eingangphase R auf die Eingangphase
T (3c) weist allerdings eine deutlich größere Fläche (51)
auf. Ziel des erfinderischen Verfahrens ist es genau diese Kommutierung
zwischen zwei nicht direkt benachbarten Schaltern zu vermeiden und
ausschließlich Kommutierungen
zwischen R und S, S und T bzw. T und S und S und R durch die Steuerung
zuzulassen. Somit wird auch die Induktion einer höheren Spannung
als in den in 3a und b dargestellten Fällen vermieden.
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4 zeigt
die drei Eingangsphasen (R, S, T) sowie eine beispielhaft gewählte Ausgangsphase (A)
eines Matrixumrichters in ihrem Zeitlichen Verlauf mit beliebigen
Einheiten. Die römischen
Ziffern I. bis III. kennzeichnen drei aufeinanderfolgende Zeitintervalle Δt.
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5 zeigt die Beiträge der Eingangphasen (R, S,
T) zu der beliebig gewählten
Ausgangsphase (A) zu den Zeitpunkten I. bis III. der 4 mit
einem Zeitintervall Δt
um dies Zeitpunkte. Dargestellt ist jeweils der Mittelwert der Ausgangsphase
(A) zu den Zeitpunkten I. bis III. und die mögliche Erzeugung des zugehörigen Spannungswertes
für A aus
einer oder mehrerer Eingangsspannungen der Eingangphasen.
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5a zeigt
die theoretisch einfachste Möglichkeit
die Ausgangsspannung A aus einer Eingangsspannung zu erzeugen. In
I. wird der benötigte Wert
der Ausgangsspannung erzeugt durch das Einschalten der Eingangsspannung
der Eingangphase R, deren mittlerer Spannungswert über dem
gewünschten
momentanen mittleren Spannungswert A liegt für eine Zeitdauer kleiner als
das Zeitintervall Δt. In
II. wird der benötigte
Spannungswert von A auf gleiche Weise wie in I. erzeugt. In III.
stellt die Eingangsphase S die Quelle der benötigten Spannung dar.
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Das
in 5a gezeigte Verfahren bildet nur den theoretischen
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung, da eine praktische Umsetzung
daran scheitert, dass nur zu bestimmten Zeitintervallen kleiner Δt das Eingangsnetz
belastet wird und somit ein ständiger
Stromfluss im Matrixumrichter nicht gewährleistet ist.
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5b stellt
ein Verfahren zur Erzeugung der Ausgangsspannung A dar, das mit
einer geringen Anzahl von Kommutierungsvorgängen auskommt, da in jedem
Zeitintervall Δt
nur zwei Eingangphasen zur Ausgangsspannung beitragen. In I. und
II. tragen jeweils die Eingangphasen R und T in unterschiedlichen
Anteilen entsprechenden ihres momentanen Mittelwertes zu Bildung
des gewünschten
Mittelwertes der Ausgangsspannung A bei. Dieser Beitrag erfolgt
in serieller Superposition, d.h. der Wert der Ausgangsspannung A
wird gebildet durch einen Spannungswert der Spannung R mit einer
bestimmten Zeitdauer. Dieser zu hohe Wert der Spannung wird durch
die Addition mit dem negativen Spannungswert der Phase T während des
zweiten Teilintervalls des Zeitintervalls Δt korrigiert, so dass sich als
Mittelwert über
das Intervall Δt
der gewünschte
Spannungswert A ergibt. In III wird der dort erforderlichen momentane
Spannungswert von A durch die serielle Superposition der Eingangphasen
S und T in sonst gleicher Weise wie in I. oder II. gebildet. Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass hierbei die Eingangsphasen sehr unterschiedlich
belastet werden, beispielhaft wird die Phase S in I. und II. nicht
belastet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
des erfinderischen Verfahren ist in 5c dargestellt
und weist zwei wesentliche Merkmale auf. Ersten wird der gewünschte Mittelwertes
der Ausgangsspannung A in jedem Zeitintervall Δt durch serielle Superposition
aller Eingangphasen gebildet, zweitens finden Kommutierungsvorgänge ausschließlich zwischen
benachbarten Schaltern (vgl. 3) statt.
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Innerhalb
des Zeitintervalls Δt
findet eine Kommutierung beispielhaft in I und III ausschließlich zwischen
den benachbarten Schaltern (101 und 102) der zugehörigen Eingangphasen
R und S oder zwischen den ebenfalls benachbarten Schaltern (102 und 103)
der zugehörigen
Eingangphasen S und T statt. In II finden Kommutierungsvorgänge ausschließlich zwischen
den benachbarten Schaltern (103 und 102) der zugehörigen Phasen
T und R und den benachbarten Schaltern (102 und 101)
der zugehörigen
Eingangphasen S und R statt. Zwischen den Zeitintervallen Δt finden
hier keine Kommutierungsvorgänge
statt.
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Auf
Grund des anhand der 5c beschriebenen erfinderischen
Verfahrens ist gewährleistet, dass
keine großen
stromumflossenen Flächen,
die während
eines Kommutierungsvorgängs
zu hohen Überspannungen
führen,
auftreten.
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Im
zeitlichen Mittel werden mittels des erfinderischen Ansteuerverfahrens
annährend
sinusförmige
Ströme
aus dem Versorgungsnetz aufgenommen und dabei alle Phase des Versorgungsnetzes gleichmäßig belastet.
Durch die geeignet kleine Wahl des Zeitintervalls Δt wird weiterhin
ein annähernd
sinusförmiger
Ausgangsstrom gewährleistet.