DE19746797A1

DE19746797A1 - Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern

Info

Publication number: DE19746797A1
Application number: DE1997146797
Authority: DE
Inventors: Marcus Ziegler; Wilfried Hofmann
Original assignee: TU CHEMNITZ LS ELEKTRISCHE MAS
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2017-10-24
Also published as: DE19746797B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern mit getrennten internen Strompfaden für beide Stromrichtungen, 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 (IEEE PESC 1993, p. 545-550) [1] und (EPE 1991, p. 196-201) [2], Freilaufzweige (Dissertation Söhner, Universität Karlsruhe 1993) [3] oder parallelgeschaltete Kondensatoren (EPE 1991, p. 469-476) [4].

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 [4] sind ebenfalls die betriebsmäßig stromführenden zusätzlichen Bauteile, wie B6-Brücken, Zwischenkreiskapazität mit Einrichtungen zur Spannungsbegrenzung, z. B. Bremschopper, bzw. Kondensatoren parallel zu den Schaltern sowie die dadurch auftretenden zusätzlichen Verluste.

Dagegen sind nur zwei Verfahren bekannt, die keine zusätzlichen betriebsmäßig laststromführenden Bauteile erfordern (IEEE-Industry Application Society 1989 p. 1190-1194) [5] und getrennte interne Strompfade und Steuersignale für beide Stromrichtungen nutzen (bidirektionaler Schalter, auch als Vierquadrantenschalter bekannt, bestehend aus einer Antiparallelschaltung zweier Zweiquadrantenschalter, auch als unidirektionale Schalter bezeichnet).

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

Der wesentliche Nachteil der beiden Verfahren nach [5] sind die notwendigen vier Schaltschritte, was diese Verfahren für bei Matrixumrichtern wünschenswerten schnellen Umschaltvorgängen weniger geeignet macht. Matrixumrichter sind aber insbesondere zur aktiven Dämpfung der Netzfilterschwingungen und aufgrund fehlender Energiespeicher auf schnelle Umschaltvorgänge angewiesen.

Nachteilig ist des weiteren, daß nach Erfassung der Stromrichtung/Kommutierungsspannung vor dem ersten Schaltschritt die folgenden Schaltschritte zwangsweise ablaufen, ohne daß auf eine Änderung des Vorzeichens der Stromrichtung/Kommutierungsspannung reagiert werden kann, was während des gesamten Umschaltvorgangs in vier Schritten kurzzeitig einen Kurzschluß bzw. einen lückenden Strom zur Folge haben kann.

Kennzeichnend für die beiden Vierschritt-Verfahren ist, daß zwei unidirektionale Schalter aus- und zwei eingeschaltet werden.

Insbesondere beim Verfahren mit Erfassung der Stromrichtung vor dem ersten Schaltschritt wirken sich Offsetfehler besonders negativ aus, d. h. eine Unterbrechung von Lastströmen und damit verbundene Überspannungen können zu einer Zerstörung von Schalterelementen führen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, bidirektionale Schalter mit getrennten internen Strompfaden für beide Stromrichtungen vorzugsweise in 3×3 Matrixumrichtern bei einem Minimum zu schaltender unidirektionaler Schalter je Kommutierungsvorgang so anzusteuern, daß:

- ohne zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile eine Kommutierung in nur zwei Schalt-Schritten bei alleiniger Erfassung der Kommutierungsspannung möglich ist,
- eine freizügige Festlegung der Umschaltzeitpunkte vorgenommen werden kann,
- zu jedem Zeitpunkt, auch während des Umschaltens, ein Freilaufzweig für beide Stromrichtungen entsteht vorhanden ist.

Außerdem sollen die für Matrixumrichter typischen starken Eingangsspannungs schwankungen sowie Schwingungen an Eingangsfiltern vorteilhaft beeinflußbar sein.

Die Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bis 4 gelöst. Durch das erfindungsgemäße Steuerverfahren ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:

1. Zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile sind nicht notwendig.
2. Ein Umschalten zwischen zwei Eingangsphasen erfolgt in nur zwei Schritten, wobei in Abhängigkeit vom Referenz-Hauptzustand und vom Ziel-Hauptzustand entweder im ersten Schritt zwei unidirektionale Schalter abgeschaltet und im zweiten Schritt zwei unidirektionale Schalter eingeschaltet oder im ersten Schritt nur ein unidirektionaler Schalter abgeschaltet und im zweiten Schritt nur ein unidirektionaler Schalter eingeschaltet werden.
3. Schaltvorgänge können zu nahezu beliebigen Zeitpunkten, auch mit hohen Folgefrequenzen, erfolgen, wodurch Totzeiten praktisch vermieden werden und die Regeldynamik günstig beeinflußt wird.
4. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt, also auch während des Umschaltens, existiert ein Freilaufzweig für beide Stromrichtungen.
5. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens macht lediglich die Erfassung eines jeweils aktuellen Intervalles im Mehrphasensystem erforderlich, z. B. im Dreiphasensystem die Erfassung der sich zyklisch wiederholenden sechs Vorzeichenwechsel der verketteten Spannungen.
6. Aus der inhärenten Bedämpfung von Resonanzeffekten an den Eingangsfiltern resultieren verminderte Anforderungen an diese.
7. Das vorgeschlagene Steuerverfahren ist bei praktisch beliebigen Frequenzen des speisenden Netzes anwendbar; Einschränkungen bei höheren Frequenzen ergeben sich lediglich aus Schaltzeiten der elektronischen Bauteile.

Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen, die sich im wesentlichen auf den 3×3 Matrixumrichter 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,

Fig. 2 die 60°-Intervalle im dreisträngigen Mehrphasensystem,

Fig. 3 die vier Zustände eines bidirektionalen Schalters:
a.) bidirektionaler Schalter ausgeschaltet,
b.) bidirektionaler Schalter eingeschaltet,
c.) undidirektionaler Schalter in Vorwärtsrichtung eingeschaltet,
d.) unidirektionaler Schalter in Rückwärtsrichtung eingeschaltet,

Fig. 4 die intervallabhängige Zuordnung zwischen Eingangsspannung und Spannungshöhe sowie eine Tabelle aller konkreten Schaltzustände für Teilstromrichter 1,

Fig. 5 ein verallgemeinertes Statusdiagramm,

Fig. 6 Leitzustände in Abhängigkeit von der Stromrichtung in Teilstromrichter 1,

Fig. 7 Kommutierungsbeispiel für Intervall 4, I_o < 0, U_i1 < U_i3 < U_i1.

Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens ist die Erfassung der aktuellen 60°-In tervalle 1 . . . 6, wie sie in Fig. 2 beispielhaft für ein dreisträngiges Mehrphasensystem dargestellt sind. Ein Intervall beginnt mit dem Schnittpunkt zweier Eingangsstrangspannungen (U_i1, U_i2, U_i3) und endet mit dem folgenden Schnittpunkt von zwei Eingangsstrangspannungen. Innerhalb eines Intervalls ändert folglich keine der verketteten Spannungen das Vorzeichen, d. h. eine Eingangsstrangspannung ist immer größer als die beiden anderen Eingangsstrangspannungen und wird deshalb für die Dauer des Intervalls mit U_P bezeichnet, eine ist immer kleiner als die beiden anderen und wird deshalb für die Dauer des entsprechenden Intervalls mit U_N bezeichnet, und eine Eingangsstrangspannung liegt innerhalb eines Intervalls mit ihren Augenblickswerten zwischen den beiden Spannungen U_P und U_N und wird mit U_M bezeichnet. Die Zuordnung der Eingangsstrangspannungen zur relativen Höhe der Strangspannungen in Abhängigkeit vom Intervall zeigen die Spalten 1-4 in Fig. 4. So ist z. B. zu erkennen, daß im Intervall 4 die Netzphase U_i2 immer die größte Spannung besitzt, die Netzphase U_i1 immer die kleinste Spannung besitzt und die Spannung der Netzphase U_i3 immer zwischen U_i1 und U_i2 liegt.

Die Kommutierung nach dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren wird beispielhaft für einen Teilstromrichter des idealen 3×3 Matrixumrichters nach Fig. 1 erläutert. Ein Teilstromrichter besteht aus drei bidirektionalen Schaltern, die jede der drei Eingangsphasen mit einer Ausgangsphase verbinden können. Damit sind die drei Teilstromrichter identisch. Die Bezeichnung der unidirektionalen Einzelschalter erfolgt nach der folgenden Konvention:
S Schalter
1. Index: Ziffer der Eingangsphase oder relative Höhe der Eingangsstrangspannung (P: größte, M: mittlere, N: kleinste).
2. Index: Ziffer der Ausgangsphase.
3. Index: mögliche Stromrichtung im unidirektionalen Schalter:
"v" vorwärts, "r" rückwärts.

Ein bidirektionaler Schalter kann die vier in Fig. 3 dargestellten Schalt-Zustände annehmen. Fett hervorgehobene Gates kennzeichnen einen eingeschalteten IGBT; nicht fett hervorgehobene einen ausgeschalteten. Stromwege sind im folgenden ebenfalls fett hervorgehoben.

In Abhängigkeit vom konkreten Intervall können jeweils drei Hauptzusände P, M und N gefunden werden, die keinen Kurzschluß zwischen zwei Eingangsphasen verursachen. Jeder Hauptzustand stellt eine bidirektionale Verbindung zwischen einer Ausgangsphase (z. B. o1) und der Soll-Eingangsphase her, Status P mit der momentan größten Eingangsstrangspannung, Status M mit der mittleren Eingangsstrangspannung und Status N mit der momentan kleinsten Eingangsstrangspannung. Zusätzlich sind in den Hauptzuständen sogenannte redundante unidirektionale Schalter geschlossen. Für den Fall, daß eine Eingangsphase eine größere Spannung hat als die Soll-Eingangsphase, ist der entsprechende unidirektionale Schalter in Rückwartsrichtung geschlossen, für den Fall einer niedrigeren Spannung ist der entsprechende unidirektionale Schalter in Vorwärtsrichtung geschlossen. In einem Hauptzustand sind folglich in einem Teilstromrichter unter der Voraussetzung von n Eingangsphasen n+1 unidirektionale Schalter geschlossen, d. h. in einem Teilstromrichter des 3×3 Matrixumrichter sind in den Hauptzuständen immer vier unidirektionale Schalter geschlossen (zwei sogenannte Basis-Schalter, die innerhalb eines Intervalls einen Strompfad für beide Stromrichtungen garantieren und zwei weitere, dem Zustand P, M, N spezifische) und zwei offen, wie es in Fig. 4 für die Ausgangsphase o1 (zweiter Index ist 1) dargestellt ist.

Die Kommutierung von einem Referenz-Hauptzustand in einen anderen sogenannten Ziel- Hauptzustand, d. h. die Kommutierung des Ausgangsstromes von einer Eingangsphase zur anderen, ist stets in nur zwei Schritten möglich:

1. Abschalten der (des) unidirektionalen Schalter(s), die (der) für den Ziel-Hauptzustand nicht notwendig sind (ist).
2. Einschalten der (des) unidirektionalen Schalter(s), die (der) für den Ziel-Hauptzustand notwendig sind (ist).

Für die Wechsel zwischen den Zuständen P und M sowie zwischen M und N muß nur im ersten Schritt ein unidirektionaler Schalter eingeschaltet und im zweiten Schritt einer ausgeschaltet werden. Das ergibt sich aus identischen Spalten 9, 10 und 11 sowie 12, 13 und 14 nach Fig. 4. Ein Wechsel zwischen den Zuständen P und N erfordert in beiden Schritten jeweils das Schalten von zwei unidirektionalen Schaltern, da die Schnittmenge aus den beiden Zuständen nur die Basisschalter sind.

Nach dem Schritt 1 wird für die Dauer einer Sicherheitszeit, die im wesentlichen durch die Schaltzeiten der Ventile sowie deren Ansteuereinrichtungen bestimmt wird, ein Zwischenzustand (PM, MN, NP) erreicht. Die eingeschalteten unidirektionalen Schalter im Zwischenzustand bilden die Schnittmenge der eingeschalteten Schalter des Referenz- Hauptzustandes und des Ziel-Hauptzustandes. Schaltet man z. B. im Intervall 4 zwischen den Eingangsspannungen U_P und U_M, d. h. zwischen den Netzphasen U_i2 und U_i3, entsprechend den Zuständen P und M (siehe auch Fig. 7), so bleiben die Basis-Schalter S_21r, S_11v sowie der sowohl für den Zustand P als auch für den Zustand M spezifische Schalter S_31v durchgehend eingeschaltet, während S_21v im ersten Schritt abgeschaltet wird und S_31r im Schritt 2 eingeschaltet wird. Es müssen folglich nur zwei unidirektionale Schalter umgeschaltet werden. Für I_o1 < 0 kommutiert der Strom nach dem ersten Schritt.

Ein besonderes Merkmal des erfindungsgemaßen Steuerverfahrens wird deutlich, wenn man die Schnittmenge aller Haupt- und/oder Zwischenzustände innerhalb eines Intervalls bildet, was zum Zwischenzustand NP führt. Außer den Basisschaltern sind keine weiteren Schalter geschlossen. Folglich besteht zu jedem Zeitpunkt innerhalb eines Intervalls ein Strompfad für beide Stromrichtungen. Dies gilt auch während den Übergangszeiten zwischen zwei Schaltzuständen. In Spalte 5 sind die entsprechenden unidirektionalen Schalter in Rückwärtsrichtung und in Spalte 6 die jeweiligen unidirektionalen Schalter in Vorwärtsrichtung aufgeführt. Ein Lücken oder eine Unterbrechung des Laststromes wird somit innerhalb eines Intervalls vermieden.

Mit Hilfe der Zuordnung der Spalten 2-4 nach Fig. 4 ergibt sich eine allgemeine Darstellung der sechs Zustände innerhalb eines Intervalls wie in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 6 sind die Leitzustände der unidirektionalen Schalter in Abhängigkeit von der Richtung des Laststromes allgemein für alle Intervalle dargestellt. Die gleiche Graustufe entspricht dem gleichen zugeordneten unidirektionalen Schalter. Betrachtet man beispielsweise einen Schaltvorgang von Zustand P zum Zustand N bei positivem (Vorwärts-)Strom, dann fließt zunächst Strom durch den Schalter S_P1v. Im ersten Schaltschritt werden S_P1v und zusätzlich S_M1v abgeschaltet, so daß der Strom auf den in einem bestimmten Intervall immer eingeschalteten Basisschalter S_N1v zwangskommutiert. Der Zustand NP wird erreicht. Im zweiten Schaltschritt werden nach Fig. 5 die beiden unidirektionalen Schalter S_M1r und S_N1r in Rückwärtsrichtung eingeschaltet; der Zustand N wird erreicht. Der Strom fließt weiterhin durch S_N1v, vorausgesetzt er hat seine Richtung nicht geändert. Betrachtet man den Schaltvorgang in umgekehrter Richtung, so leitet zunächst der Schalter S_N1v den Strom nach dem ersten Schaltschritt im Zustand NP noch weiter. Erst nach dem zweiten Schaltschritt kommt es zu einer natürlichen Kommutierung auf das Ventil S_P1v, da U_P < U_N. Das Ventil S_N1v bleibt weiterhin eingeschaltet.

Eine weitere kennzeichnende Eigenschaft des Verfahrens besteht in den redundant geschlossenen Schaltern, wodurch nach jedem ersten Schaltschritt weiterhin ein Strompfad für beide Stromrichtungen zur Verfügung steht, d. h. während eines Umschaltvorganges kann keine Stromunterbrechung auftreten. Ein Nebeneffekt ist, daß sich die idealisierte Ordnung der Eingangsspannungen nach ihrer Größe innerhalb eines Intervalls auch bei Störungen praktisch nicht ändert, da die redundanten Schalter Ausgleichsströme zwischen den jeweils in Betracht kommenden Eingangsphasen ermöglichen. Im Intervall 4 führt beispielsweise im Zustand M ein Spannungseinbruch der eigentlich (idealisiert) größten Eingangsstrangspannung U_i2 bis unterhalb des Augenblickswertes der mittleren Spannung U_i3 zu einem Durchlaß des redundant, geschlossenen Ventils S_21r (siehe auch Fig. 5). U_i2 und U_i3 bleiben solange parallel geschaltet bis die eigentlich größere Eingangsstrangspannung wieder größer wird als der Augenblickswert der mittleren Eingangsstrangspannung. Eine daraus resultierende weitere positive Folge sind verminderte Anforderungen an die bei Matrixumrichtern notwendigen Eingangsfilter, da die Größe des Spannungseinbruches vermindert wird.

Literatur

[1] Pan, C.T.: A zero switching loss matrix converter. 1993, IEEE PESC, p. 545-550.

[2] Cho, J.G.: Soft switched Matrixconverter for high frequency direct AC to AC power conversion. 1991, EPE, p. 196-201.

[3] Söhner, W.: Der selbstgeführte Direktumrichter und seine Anwendung als Matrix- Converter zur Speisung von drehzahlgeregelten Antrieben mit Asynchronmaschinen. 1993, Dissertation, Uni Karlsruhe.

[4] Svensson, T.: The modulation and control of a Matrix Converter - Synchronous Machine Drive. 1991. EPE p. 469-476.

[5] Burany, N.: Safe control of 4 Quadrant Switches. 1989. IEEE-Industry Application Society, p. 1190-1194.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern mit getrennten internen Strompfaden und Steuersignalen für beide Stromrichtungen, vorzugsweise 3×3 Matrixumrichter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltvorgang von einem Haupt-Schaltzustand (P, M, N) in den anderen nach einem spannungsgesteuerten Zwei-Schritt-Verfahren ohne die Verwendung zusätzlicher betriebsmäßig laststromführender Bauteile, erfolgt und daß nach einem ersten Schritt alle unidirektionalen Schalter außer der Schnittmenge aus Referenz-Haupt-Schaltzustand und Ziel-Haupt-Schaltzustand abgeschaltet sind und daß nach einem zweiten Schritt alle Schalter des Ziel-Haupt-Schaltzustandes eingeschaltet sind.

2. Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Haupt-Schaltzuständen (P, M, N) neben der bidirektionalen Verbindung zwischen einer Soll-Eingangsphase und einer entsprechenden Ausgangsphase jeweils unidirektionale Schalter redundant geschlossenen sind, wobei Eingangsstrangspannungen, die theoretisch höher als die Soll-Eingangsspannungen sind, unidirektional in Rückwärtsrichtung, und Eingangsstrangspannungen, die theoretisch niedrigerer als die Soll-Eingangsstrangspannungen sind, unidirektional in Vorwärtsrichtung mit der jeweiligen Ausgangsphase verbunden sind.

3. Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von einem Intervall mit verketteten Spannungen unveränderten Vorzeichens zum folgenden derjenige Haupt-Schaltzustand im Zielintervall angestrebt wird, der dieselbe bidirektionale Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsphase beinhaltet wie im Referenz-Haupt-Schaltzustand.

4. Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall eines lastseitigen Freilaufs die entsprechende Ausgangsphase mit der mittleren Eingangsspannung verbunden ist (Zustand M).

5. Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsgesteuerte Zwei-Schritt-Verfahren mittels Synchronisiersignalen realisiert wird, die Intervallen unveränderten Vorzeichens der verketteten Spannungen zugeordnet sind.