WO2009121724A1 - Switchable freewheeling circuit for matrix converters - Google Patents
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Abstract
The matrix converter for converting a single or multi-phase input voltage with a variable or fixed frequency and a variable or fixed amplitude into a single or multi-phase output voltage with a variable frequency and/or amplitude is provided with at least two input connections, at least two output connections, a large number of controllable, electronic converter switches which are each arranged between the input connections and the output connections, a controllable freewheeling circuit which is arranged between the input connections and the output connections and, for each input connection, has a first and a second controllable electronic freewheeling circuit switch and, for each output connection, has a first and a second freewheeling diode. The first freewheeling circuit switches are arranged between a common first node and the respective input connections, and the second freewheeling circuit switches are arranged between a common second node and the respective input connections. The first freewheeling diodes are arranged between the first node and the respective output connections, and the second freewheeling diodes are arranged between the second node and the respective output connections and are in each case reverse-biased as seen from the feed system and forward-biased as seen from the load. The matrix converter is further provided with a converter drive unit for driving the converter switches in such a way that the multi-phase output voltage with the desired frequency and/or amplitude can be generated at the output connections, and with a freewheeling circuit drive unit for driving the freewheeling circuit switches. The freewheeling circuit drive unit drives the freewheeling circuit switches as a function of the magnitude of the input voltages of the individual phases in such a way that in each case only those of the first and second freewheeling circuit switches are switched on which are connected firstly to the input connection with the greatest positive and the greatest negative input voltage and secondly to a first or second freewheeling diode which is reverse-biased on the basis of the signs of the greatest positive and the greatest negative input voltages.
Description
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Schaltbarer Freilaufkreis für MatrixumrichterSwitchable freewheeling circuit for matrix converters
Die Erfindung betrifft einen Matrixurnrichter zum Umwandeln einer ein- oder mehrphasigen Eingangsspannung eines Speisenetzes in eine ein- oder mehrphasige Ausgaπgsspannung für einen Verbraucher und insbesondere eine Vorrichtung zum Schutz eines Matrixumrichters vor Zerstörung in Folge von Überspannungen bei der Kommutierung.The invention relates to a matrix converter for converting a single- or multi-phase input voltage of a feed network into a single- or multi-phase Ausgaπgsspannung for a consumer and in particular a device for protecting a matrix converter from destruction as a result of overvoltages during commutation.
Geregelte Drehstrom-Verbraucher enthalten derzeit zu bis zu 80 % Elemente der Leistungselektronik in Form von Umrichtern. Eine mögliche Art von Umrichtern ist der Matrixumrichter (siehe z.B. DE-A-199 58 041).Regulated three-phase current loads currently contain up to 80% of power electronics components in the form of converters. One possible type of converter is the matrix converter (see for example DE-A-199 58 041).
Dem Umrichter kommt bei einem Drehstrom-Verbraucher die Aufgabe zu, die vom Versorgungsnetz zur Verfügung gestellte sinusförmige Spannung mit fester oder variabler Frequenz und fester oder variabler Amplitude in eine Spannung mit variabler Frequenz und variabler Amplitude umzuwandeln. Die Veränderung der Frequenz und der Amplitude ist bei einem beispielsweise geregelten Drehstromantrieb notwendig, um Drehzahl und Drehmoment beeinflussen zu können. Die Verstellung der Frequenz und Amplitude erfolgt dabei durch Ansteuerung von steuerbaren, elektronischen Umrichterschaltern, bei denen es sich im Regelfali um leistungselektronische Schalter handelt, die als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET oder als RB-IGBT (Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor) realisiert sind. Bei einer elektrischen Leistung von mehreren kW kann im μs-Bereich von einem zum anderen Schalter umgeschaltet werden. Dieser Vorgang wird auch als Kommutierung bezeichnet, was die Übergabe des Stroms von einem Schalter zu einem anderen ohne Unterbrechung des Stromflusses meint. Mit dem Wort Kommutierung oder Kommutierungsstrategie ist auch gemeint, dass spezielle Schaltfolgen der Schaltermatrix die Übergabe des Stroms möglichst schonend für die Halbleiterbauelemente durchführen.
Es existieren verschiedene Ausführungen von Umrichtern. Herkömmliche Umrichter weisen einen Zwischenkreis auf, der der Zwischenspeicherung elektrischer Energie dient. Neben dieser Art von Umrichtern existieren auch die bereits oben angesprochenen Matrixumrichter, die eine programmierbare Schah termatrix aufweisen, deren Schalter jeweils einen der Eingangsanschlusse des Matrixumrichters mit einem der Ausgangsanschlusse des Matrixumrichters verbindet. Die Anzahl der Eingangsanschiusse entspricht dabei der Anzahl der Anschlüsse der Eingaπgsspannung, während die Anzahl der Ausgangsanschlusse der Anzahl der Anschlüsse der Ausgangsspannung entspricht. Um einen gewünschten Spannungsverlauf am Ausgang eines Matrixumrichters bei einem gegebenen Spannungsverlauf am Eingang des Matrixumrichters erzeugen zu können, müssen die Schalter der Schaltermatrix eine Vielzahl unterschiedlicher Schaltzustandskonfigurationen einnehmen. Dabei werden die Schalter der Matrix nach einem festgelegten Schema ein- bzw. ausgeschaltet, was eine relativ komplexe Steuerung erfordert. Diese realisiert zusätzlich zur Generierung einer variablen Ausgangsspannung mit variabler Frequenz (und Amplitude) ein zerstörungsfreies Schalten mit Hilfe der Kommutierung. Dies ist bei Matrixumrichtern bisher nur über Zwischenschritte möglich, da ansonsten die Bauteile Schaden nehmen und zerstört werden.In the case of a three-phase current load, the converter has the task of converting the fixed or variable frequency, fixed-amplitude or variable-amplitude sinusoidal voltage into a voltage of variable frequency and variable amplitude. The change in the frequency and the amplitude is necessary in an example regulated three-phase drive to influence speed and torque can. The adjustment of the frequency and amplitude is carried out by controlling controllable electronic converter switches, which are in the rule to power electronic switches, as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET or as RB-IGBT (Reverse Blocking Insulated Gate Bipolar Transistor ) are realized. With an electrical power of several kW, it is possible to switch from one switch to another in the μs range. This process is also referred to as commutation, which means passing the current from one switch to another without interrupting the current flow. The term commutation or commutation strategy also means that special switching sequences of the switch matrix carry out the transfer of the current as gently as possible for the semiconductor components. There are different versions of inverters. Conventional converters have an intermediate circuit which serves to temporarily store electrical energy. In addition to this type of converters, there are also the above-mentioned matrix converter, which have a programmable Schah termatrix, the switch connects one of the input terminals of the matrix converter with one of the output terminals of the matrix converter. The number of Eingangsanschiusse corresponds to the number of terminals of the input voltage, while the number of output terminals of the number of terminals corresponds to the output voltage. In order to be able to generate a desired voltage profile at the output of a matrix converter at a given voltage profile at the input of the matrix converter, the switches of the switch matrix must assume a multiplicity of different switching state configurations. The switches of the matrix are switched on and off according to a defined scheme, which requires a relatively complex control. In addition to generating a variable output voltage with variable frequency (and amplitude), this also implements non-destructive switching by means of commutation. Up to now, this has only been possible with matrix converters via intermediate steps, otherwise the components will be damaged and destroyed.
Ferner besteht die Gefahr, dass der Matrixumrichter bei einem Störfall, wie beispielsweise einem Netzausfall oder einer nicht sicheren Kommutierung, zerstört werden kann. Schließlich ist ein Kondensator und zwei Gleichrichter (sogenannte B6 Brücken) für das benötigte Überspaπnungsschutznetzwerk des Matrixumrϊchters erforderlich, was den Matrixumrichter schwer und das Bauvolumen groß macht. Die bisher für die Kommutierung und den Uberspan- nungsschutz vorgeschlagenen Lösungen bei Matrixumrichtern sind aufwendig und verlustbehaftet, da eine Vielzahl von Bauteilen verwendet werden, um die Funktion des Matrixumrichters sicherzustellen. Die Lebensdauer-Probleme des Pufferkondensators machen den Matrixumrichter auf Dauer teuer. Das Problem bei Kondensatoren besteht in deren Alterung, durch die es zu einem "Durchschlag" kommen kann, der den Kondensator zerstört. Daher bleibt oftmals keine andere Wahl, als den Kondensator nach einer gewissen Zeit auszu-
tauschen. Dieser Vorgang ist kostenintensiv. Zum einen sind die Gründe hierfür die Bauteilkosten und zum anderen Personaikosten sowie Produktionsausfallkosten des Verbrauchers, der an den Umrichter angeschlossen ist.Furthermore, there is the risk that the matrix converter can be destroyed in the event of a malfunction, such as, for example, a power failure or an unsafe commutation. Finally, a capacitor and two rectifiers (so-called B6 bridges) are required for the required Überspaπnungsschutznetzwerk the Matrixumrϊchters, which makes the matrix converter heavy and the volume of construction large. The solutions for matrix converters proposed hitherto for commutation and overvoltage protection are complicated and lossy because a large number of components are used to ensure the function of the matrix converter. The lifetime problems of the buffer capacitor make the matrix converter permanently expensive. The problem with capacitors is their aging, which can lead to a "breakdown" that destroys the capacitor. Therefore, there is often no choice but to exit the capacitor after a certain time. To deceive. This process is costly. On the one hand, the reasons for this are the component costs and, on the other hand, personal costs and production downtime costs of the consumer connected to the converter.
Dieser Vielzahl von Nachteilen entgegen stehen die Vorteile des Matrixumrichters, die beispielsweise in einem höheren Wirkungsgrad als bei einem herkömmlichen Umrichter bestehen. Es entfällt nämlich bei einem Matrixumrichter der bei herkömmlichen Umrichtern erforderliche Zwischenkreis mit den damit verbundenen elektrischen Verlusten, Ferner nur geringe Verluste beim Ener- giedurchfluss, da bei einem Matrixumrichter jeweils lediglich zwei Leistungsbauteile (elektronische Schalter) vom Strom durchflössen werden. Die Größe und das Gewicht eines Matrixumrichters sind wesentlich geringer als bei einem Zwischenkreis-Umrichter. Dadurch, dass die Energie ohne großen Aufwand zurύckgespeist werden kann, braucht ein Matrixumrichter unter anderem keine aufwändige Kühlung,This variety of disadvantages are contrary to the advantages of the matrix converter, which consist for example in a higher efficiency than in a conventional inverter. In the case of a matrix converter, the intermediate circuit required for conventional converters and the associated electrical losses are eliminated. Further, only small losses in the energy flow are eliminated, since in a matrix converter only two power components (electronic switches) are flowed through by the current. The size and weight of a matrix converter are significantly lower than in a DC link converter. Due to the fact that the energy can be fed back without much effort, a matrix converter does not need expensive cooling,
Ein Matrixumrichter mit aktivem Schutz vor Überspannungen ist in DE-B-100 14 665 beschrieben. Bei diesem bekannten Matrixumrichter wird zur Bekämpfung der Folgen einer kurzzeitigen Spannungsüberhöhung an den Ein- und Ausgängen des Matrixumrichters und der damit verbundenen potentiellen Zerstörung der Leistungshalbleiterbauelemente diese zum Schutz gegen Spannungsüberhöhungen mit Halbleiterdioden verschaltet, wie es in Fig. 4 von DE- B-100 14 665 gezeigt ist. Bei den Halbleiterdioden handelt es sich um Zener- Dioden, die mit hoher Zenerspannung arbeiten. Die Zenerspannung wird unter der maximal zulässigen Sperrspannung des IGBT gewählt. Wird der IGBT sperrfähig und seine Sperrspannung größer als die Zenerspannung, bricht die Zener-Diode durch. Das Gate des ΪGBT wird geladen und der Transistor steuert auf. Die Spannungsspitze zwischen Kollektor und Emitter bricht mit dem Aufsteuern zusammen, womit keine Überspannung über dem IGBT an- liegt. Dieser bekannte Betrieb zum Schutz der Leistungshaibleiterbauelemente eines Matrixumrichters verursacht jedoch hohe Verluste in den IGBTs. Der "Schutzbetrieb" wird nur solange aufrechterhalten, bis sich die Überspannung abgebaut hat bzw. ein anderer Schaltzustand des Matrixumrichters dieser ent-
gegenwirkt. Die entstehenden Verluste im IGBT sind damit begrenzt und können diesen nicht schädigen. Jeder IGBT der Schaltermatrix kann so geschützt werden. In DE-B-IOO 14 665 wird dies nur für die komplette Schaltermatrix beschrieben, was aber nichts am oben genannten Prinzip ändert.A matrix converter with active protection against overvoltages is described in DE-B-100 14 665. In this known matrix converter to combat the consequences of a brief voltage overshoot at the inputs and outputs of the matrix converter and the associated potential destruction of the power semiconductor components, these are interconnected with semiconductor diodes for protection against voltage increases, as shown in Fig. 4 of DE-B-100 665 is shown. The semiconductor diodes are zener diodes which operate with high zener voltage. The zener voltage is chosen below the maximum permissible reverse voltage of the IGBT. If the IGBT becomes blocked and its blocking voltage is greater than the Zener voltage, the Zener diode breaks through. The gate of the ΪGBT is charged and the transistor controls. The voltage peak between the collector and emitter breaks down with the open-circuit, so that there is no overvoltage across the IGBT. However, this known operation for protecting the power semiconductor devices of a matrix converter causes high losses in the IGBTs. The "protective mode" is only maintained until the overvoltage has dissipated or another switching state of the matrix converter corresponds to this counteracts. The resulting losses in the IGBT are therefore limited and can not damage them. Each IGBT of the switch matrix can thus be protected. In DE-B-100 14 665 this is described only for the complete switch matrix, but this does not change the above-mentioned principle.
In WO-A-2006/064279 ist ein zweistufiger Umrichter mit einem Matrixumrich- ter als Eingangsstufe und einem Wechselumrichter als Ausgangsstufe beschrieben. Der ausgangsseitige Wechselumrichter weist eine ihm zugeordnete Freilaufdiode auf.WO-A-2006/064279 describes a two-stage converter with a matrix converter as input stage and an AC converter as output stage. The output side AC converter has a free-wheeling diode associated with it.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Matrixumrichter mit verbesserter Funktionalität zu schaffen, der über einen verbesserten und einfacher zu realisierenden Schutz vor Überspannungen, sicherere Kommutierung und erhöhte Zuverlässigkeit verfugt.The object of the invention is to provide a matrix converter with improved functionality, which has an improved and easier-to-implement protection against surges, safer commutation and increased reliability.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Matrixumrichter zum Umwandein einer ein- oder mehrphasigen Eingangsspannung eines Speisenetzes mit einer variablen oder festen Frequenz und einer variabien oder festen Amplitude in eine ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung mit variabler Frequenz und/oder Amplitude für einen Verbraucher vorgeschlagen, wobei der Matrixumrichter versehen ist mit mindestens zwei Eingangsanschlussen, mindestens zwei Ausgangsanschlüssen, einer Vielzahl von steuerbaren, elektronischen Umrichterschaltern, die jeweils zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausganganschlüssen angeordnet sind, einem steuerbaren Freilaufkreis, der zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausgangsanschlussen angeordnet ist und pro Eingangsanschluss einen ersten und einen zweiten steuerbaren, elektronischen Freilaufkreisschalter und pro Ausgangsanschluss eine erste und eine zweite Freilaufdiode aufweist, wobei die ersten Freilaufkreisschalter zwischen einem gemeinsamen ersten Knoten und den jeweiligen Eingangsanschlussen und die zweiten
Freilaufkreisschalter zwischen einem gemeinsamen zweiten Knoten und den jeweiligen Eingangsanschiüssen angeordnet sind und wobei die ersten Freilaufdioden zwischen dem ersten Knoten und den jeweiligen Ausgangsanschlussen und die zweiten Freilaufdioden zwischen dem zweiten Knoten und den jeweiligen Ausgangsanschlussen angeordnet sowie vom Speisenetz aus gesehen in Sperrrichtung bzw. vom Verbraucher aus gesehen in Durchiassrichtung geschaltet sind, einer Umrichteransteuereinheit zur Ansteuerung der Umrichterschalter dergestalt, dass an den Ausgangsanschlüssen die ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung mit gewünschter Frequenz und/oder Amplitude erzeugbar ist, und einer Freilaufkreis-Ansteuereinheit zur Ansteuerung der FreiSaufkreis- schalter, wobei die Freilaufkreis-Ansteuereinheit die Freilaufkreisschalter in Abhän- gigkeit von der Größe der Spannungen der einzelnen Eingangsphasen derart ansteuert, dass jeweils nur diejenigen der ersten und zweiten Freilaufkreisschalter eingeschaltet sind, die einerseits mit dem Eingangs- anschluss mit der größten positiven und der größten negativen Eingangsspannung und andererseits mit einer aufgrund der Vorzeichen der größ- ten positiven und der größten negativen Eingangsspannungen in Sperrrichtung liegenden ersten bzw. zweiten Freilaufdiode verbunden sind.To achieve this object, the invention proposes a matrix converter for converting a single- or multi-phase input voltage of a supply network with a variable or fixed frequency and a variabien or fixed amplitude into a single- or multi-phase output voltage with variable frequency and / or amplitude for a consumer wherein the matrix converter is provided with at least two input terminals, at least two output terminals, a plurality of controllable electronic converter switches respectively disposed between the input terminals and the output terminals, a controllable freewheeling circuit disposed between the input terminals and the output terminals and per input terminal a first and a second controllable, electronic freewheeling circuit switch and per output terminal has a first and a second freewheeling diode, wherein the first freewheeling circuit breaker between a common e rsten node and the respective input terminals and the second Freewheel circuit switch between a common second node and the respective Eingangsanschiüssen are arranged and wherein the first freewheeling diodes between the first node and the respective output terminals and the second freewheeling diodes between the second node and the respective output terminals arranged and seen from the supply network in the reverse direction and from the consumer Seen in the direction Durchiassrichtung are, a Umrichteransteuereinheit for controlling the inverter switch such that at the output terminals, the single- or multi-phase output voltage with desired frequency and / or amplitude can be generated, and a freewheeling circuit drive unit for controlling the FreiSaufkreis- switch, the freewheeling circuit Actuator controls the freewheeling circuit switch in dependence on the size of the voltages of the individual input phases such that in each case only those of the first and second freewheel circuit switch scarf are connected on the one hand to the input terminal with the largest positive and the largest negative input voltage and on the other hand with a due to the signs of the largest positive and the largest negative input voltages in the reverse direction lying first or second free-wheeling diode.
Erfindungsgemäß ist sozusagen parallel zur Schaltermatrix zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausgangsanschlüssen des Matrixumrichters ein schaltbarer mehrphasiger Freilaufkreis geschaltet. Dieser Freilaufkreis weist pro Eingangsanschluss einen ersten und einen zweiten steuerbaren, elektronischen Freilaufkreisschalter (beispielsweise IGBT) und pro Ausgangsanschluss eine erste und eine zweite Freilaufdiode auf. Die ersten Freiiaufkreisschalter sind zwischen einem gemeinsamen ersten Knoten und den jeweiligen Ein- gangsanschlύssen angeordnet, während die zweiten Freiiaufkreisschalter ebenfalls zwischen einem gemeinsamen zweiten Knoten und den jeweiligen Eingangsanschlüssen angeordnet sind. Ferner sind die ersten Freilaufdioden zwischen dem ersten Knoten und den jeweiligen Ausgangsanschlussen und die
zweiten Freilaufdioden zwischen dem zweiten Knoten und den jeweiligen Aus- gangsanschlύssen angeordnet, wobei diese vorn Speisenetz aus gesehen in Sperrrichtung, vom Verbraucher aus gesehen in Durchlassrichtung geschaltet sind. Die ersten und zweiten steuerbaren Freilaufkreisschaiter werden über eine Freiiaufkreis-Ansteuereinheit angesteuert.According to the invention, a switchable multiphase freewheeling circuit is connected, so to speak, parallel to the switch matrix between the input connections and the output connections of the matrix converter. This freewheeling circuit has, per input connection, a first and a second controllable, electronic freewheeling circuit switch (for example, IGBT) and, per output connection, a first and a second freewheeling diode. The first free circulation switches are arranged between a common first node and the respective input terminals, while the second free circulation switches are also arranged between a common second node and the respective input terminals. Further, the first free-wheeling diodes between the first node and the respective output terminals and the second freewheeling diodes arranged between the second node and the respective output terminals, which are seen in the reverse direction, viewed from the load from the supply network in the forward direction. The first and second controllable freewheeling circuit resonators are controlled via a free-running circuit drive unit.
Erfindungsgemäß steuert diese Freilaufkreis-Ansteuereinheit die Freilaufkreisschalter in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannungen der einzelnen Phasen derart an, dass jeweils nur diejenigen der ersten und zweiten Kreis- laufschalter eingeschaltet sind, die einerseits mit dem Eingangsanschluss mit der größten positiven und der größten negativen Eingangsspannung und andererseits mit einer aufgrund der Vorzeichen der größten positiven und der größten negativen Eingangsspannungen in Sperrrichtung liegenden ersten bzw. zweiten Freilaufkreisdioden verbunden sind.According to the invention controls this freewheeling circuit drive unit, the freewheeling circuit switch in dependence on the size of the input voltages of the individual phases such that only those of the first and second circuit breaker are turned on, on the one hand to the input terminal with the largest positive and the largest negative input voltage and on the other hand connected to a lying on the basis of the signs of the largest positive and the largest negative input voltages in the reverse direction of the first and second freewheeling diode circuits.
Mit der Erfindung wird also ein Freilaufkreis für einen Matrixumrichter vorgeschlagen, wobei der Freiiaufkreis insofern eine Besonderheit aufweist, als es sich bei dem Matrixumrichter um einen Direktumrichter handelt, der mit einer oder mehreren ständig oszillierenden Phasen der Eingangsspannung arbeitet. Der erfindungsgemäß vorgesehene Freiiaufkreis ist schaitbar, wobei dieThus, the invention proposes a freewheeling circuit for a matrix converter, wherein the freewheeling circuit has a special feature insofar as the matrix converter is a direct converter which operates with one or more constantly oscillating phases of the input voltage. The inventively provided Freiiaufkreis is geschaitbar, the
Schalter des Freilaufkreises in Abhängigkeit von der Größe der Spannungen der Phasen geschaltet werden. Der Freilaufkreis weist eine Anzahl von ersten und zweiten Freilaufkreisschaltern auf, die gleich der Anzahl der Anschlüsse der Eingangsspannung sind. Der Anzahl der ersten und zweiten Freilaufdioden ist jeweils gleich der Anzahl der Anschlüsse der Ausgangsspannung. Diese Freilaufdioden und Freilaufkreisschaiter werden nun so geschaltet, dass sie von der Last aus gesehen parallel zur Matrixumrichtertopologie einen Freilauf bereitstellen. Dieser kann vielfältig in verschiedenen Betriebssituationen dem Strom einen Pfad anbieten, der dem zur Topologie der Freilaufdioden eines Zwischenkreis-Umrichters analogen Pfad entspricht.Switch the freewheeling circuit in response to the size of the voltages of the phases are switched. The freewheeling circuit has a number of first and second freewheeling circuit breakers equal to the number of terminals of the input voltage. The number of first and second free-wheeling diodes is equal to the number of terminals of the output voltage. These freewheeling diodes and Freewheelkreisschaiter are now switched so that they provide a freewheel parallel to the matrix converter topology seen from the load. In various operating situations, this can offer a path to the current which corresponds to the path analogous to the topology of the freewheeling diodes of a DC link converter.
Wie oben erwähnt, sind jeweils nur diejenigen der ersten und zweiten Freilauf- kreässchalter eingeschaltet, die mit dem Eingangsanschluss mit der größten
positiven und der größten negativen Eingangsspannung verbunden sind. Die Entscheidung, welche der Eingangsanschlusse gerade den größten positiven bzw. größten negativen Wert liefert, ist im Kreuzungsbereich zweier Spannungen nicht mit absoluter Eindeutigkeit festzustellen. Daher wird bei einer vor- teilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass für eine Zeitdauer vor und nach dem Wechsel der Eingangsanschlusse, an denen die größte positive und die größte negative Eingangsspannung anliegen, die gerade mit den Eingangsanschlύssen verbundenen Freilaufkreisschalter so lange eingeschaltet bleiben, wie der Unterschied der Beträge der an den betreffenden Eingangsan- Schlüssen anliegenden Spannungen kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert ist, und dass erst dann, wenn die Beträge der größten positiven Eingangsspannung und der größten negativen Eingangsspannung größer als der oder gleich dem Schwellwert ist, die bis dahin eingeschalteten ersten und zweiten Freilaufkreisschalter ausgeschaltet und diejenigen der anderen ersten und zweiten Freilaufkreisschalter eingeschaltet werden, die einerseits mit den die größte positive und die größte negative Spannung führenden Eingangsan- schϊussen und andererseits mit den aufgrund des Vorzeichens dieser Spannungen in Sperrrichtung liegenden ersten und zweiten Freilaufdioden verbunden sind,As mentioned above, in each case only those of the first and second free-wheeling circuit switches are switched on, which are connected to the input connection with the largest positive and the largest negative input voltage are connected. The decision as to which of the input terminals delivers just the largest positive or the largest negative value can not be determined with absolute unambiguousness in the crossing region of two voltages. Therefore, it is proposed in an advantageous embodiment of the invention that for a period of time before and after the change of the input terminals, which bear the largest positive and the largest negative input voltage, the freewheeling circuit switch currently connected to the input terminals remain switched on as long as the Difference of the amounts of the voltage applied to the respective input terminals voltages is smaller than a predetermined threshold, and that only when the amounts of the largest positive input voltage and the largest negative input voltage is greater than or equal to the threshold, the previously turned on first and second freewheeling circuit switch off and those of the other first and second freewheeling circuit switches are turned on, on the one hand with the largest positive and the largest negative voltage leading Eingangsan- and the other hand, due to the Vorzeic hens these voltages are connected in the reverse direction lying first and second free-wheeling diodes,
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbetspiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:The invention will be explained in more detail with reference to a Ausführungsbetspiels and with reference to the drawings. In detail, they show:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Funktionskomponenten eines Matrixumrichters gemäß einem Ausfuhrungsbeispie! der Erfindung mit schaltbarem1 is a block diagram of the functional components of a matrix converter according to a Ausfuhrungsbeispie! the invention with switchable
Freitaufkreis, wobei der Matrixumrichter eine dreiphasige Eingangs- spannung mit einer variablen oder festen Frequenz und einer variablen oder festen Amplitude in eine dreiphasige Ausgangsspannung mit veränderter Frequenz und/oder Amplitude umwandelt,A free-running circuit, wherein the matrix converter converts a three-phase input voltage having a variable or fixed frequency and a variable or fixed amplitude into a three-phase output voltage having a different frequency and / or amplitude,
Rg, 2 eine Darstellung des schaltungstechnischen Aufbaus des Freilaufkreises, wobei der Matrixumrichter eine bestimmte Schalterstellungskonfiguration aufweist,
Figπ. 3 bis 10 verschiedene Schaltersteilungskonfigurationen und Störfallsituationen, in denen der Freilaufschaltkreis jeweils einen zur Matrixumrich- tertopologie parallelen Freilauf für die im Abschaitaugenbiick vorhan- denen Ströme bereitstellt, um Überspannungen an den Schaltern desFIG. 2 is an illustration of the circuit construction of the freewheeling circuit, the matrix converter having a specific switch position configuration, FIG. Figπ. 3 to 10 different switch pitch configurations and fault situations in which the freewheeling circuit each provides a freewheel parallel to the matrix inverter topology for the currents present in the Abschaitaugenbiick to overvoltage at the switches of
Matrixumrichters zu verhindern,To prevent matrix converter
Fig. 11 die Schalterkonfiguration eines Matrixumrichters mit erfindungsgemäßem schaitbarem Freilaufkreis für eine einphasige Eingangsspan- nung und eine dreiphasige Ausgangsspannung und11 shows the switch configuration of a matrix converter with inventive schaitbarem freewheeling circuit for a single-phase input voltage and a three-phase output voltage and
Fig. 12 die Schaiterkonfiguration eines Matrixumrichters mit erfindungsgemäßem schaltbarem Freilaufkreis für eine dreiphasige Eingangsspannung und eine einphasige Ausgangsspannung.12 shows the Schaiterkonfiguration a matrix converter with inventive switchable freewheeling circuit for a three-phase input voltage and a single-phase output voltage.
Die wesentlichen Komponenten der Erfindung sind in den Fign. 1 und 2 gezeigt. Der Matrixumrichter 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Umrichter zum Wandeln einer dreiphasigen Eingangsspannung Ll, L2, L3 in eine dreiphasige Ausgangsspannung U, V, W mit veränderter Frequenz und Amplitude ausgelegt. Der Matrixumrichter 10 umfasst eine Schaltermatrix 12 mit in diesem Ausführungsbeispiel neun ansteuerbaren, bidirektionalen, elektronischen Schaltern Sl bis S9, die jeweils zwischen unterschiedliche der drei Eingangsanschlüsse 14,16,18 und unterschiedliche der drei Ausgangsanschlüsse 20,22,24 geschaltet sind. An die Eingangsanschlüsse 14 bis 18 ist in diesem Ausfuhrungsbeispiel die dreiphasige Netzspannung N angeschlossen, während mit den Ausgangsanschlüssen 20 bis 24 eine Drehstrommaschine M verbunden ist. In für Matrixumrichter 10 üblicherweise werden die elektronischen Schalter Sl bis S9 der Schaltermatrix von einer Umrichteransteuereinheit 26 angesteuert.The essential components of the invention are shown in FIGS. 1 and 2 shown. The matrix converter 10 is designed in this embodiment as a converter for converting a three-phase input voltage Ll, L2, L3 into a three-phase output voltage U, V, W with a changed frequency and amplitude. The matrix converter 10 comprises a switch matrix 12 with nine controllable bidirectional electronic switches S1 to S9 in this exemplary embodiment, which are each connected between different ones of the three input terminals 14, 16, 18 and different ones of the three output terminals 20, 22, 24. At the input terminals 14 to 18, the three-phase mains voltage N is connected in this exemplary embodiment, while with the output terminals 20 to 24, a three-phase machine M is connected. In the case of matrix converters 10, the electronic switches S 1 to S 9 of the switch matrix are usually driven by a converter drive unit 26.
Paraüel zur Schaltermatrix 12 ist ein in Fig. 1 durch den Block 28 symbolisierter schaltbarer Freilaufkreis geschaltet, dessen schaltungstechnischer Aufbau so, wie in Fig. 2 gezeigt, realisiert ist. Der schaltbare Freilaufkreis 28 weist drei
„ Q „Parallel to the switch matrix 12, a switchable freewheeling circuit symbolized in FIG. 1 by the block 28 is connected, the circuitry of which as shown in FIG. 2 is realized. The switchable freewheeling circuit 28 has three "Q"
erste elektronische Freilaufkreisschalter Tl bis T3 und drei zweite Freilaufkreisschalter T4 bis T6 auf. Jeder der ersten und jeder der zweiten Freilaufkreisschalter ist dabei mit jeweils einem der Eingangsanschlusse 14 bis 18 verbunden. Ferner sind die ersten Freilaufkreisschalter Tl bis T3 mit einem gemein- samen ersten Knoten 30 und die zweiten Freilaufkreisschalter T4 bis T6 untereinander mit einem gemeinsamen zweiten Knoten 32 verbunden. Zwischen beiden Schaltungsknoten 30 und 32 und jedem der Ausgangsanschlüsse 20 bis 24 sind erste Freiiaufdioden Dl bis D3 und zweite Freilaufdioden D4 bis D6 geschaltet, wobei die ersten Freilaufdioden Dl bis D3 und die zweiten Dioden D4 bis D6 jeweils vom Speisenetz aus gesehen in Sperrrichtung vom Verbraucher aus gesehen in Durchlassrichtung geschaltet sind.first electronic freewheel circuit Tl to T3 and three second freewheel circuit T4 to T6. Each of the first and each of the second freewheeling circuit switches is connected to one of the input terminals 14 to 18 in each case. Furthermore, the first freewheel circuit switches Tl to T3 are connected to one another with a common first node 30 and the second freewheel circuit switches T4 to T6 are connected to one another with a common second node 32. Between the two circuit nodes 30 and 32 and each of the output terminals 20 to 24 first free diodes Dl to D3 and second free-wheeling diodes D4 to D6 are connected, wherein the first free-wheeling diodes Dl to D3 and the second diodes D4 to D6 each seen from the feed network in the reverse direction of the consumer are switched in the forward direction.
Bei den ersten und zweiten Schaltern Tl bis T3 bzw. T4 bis T6 handelt es sich zweckmäßigerweise um Leistungseiektronik-Halbleiterschaiter wie beispieis- weise IGBTs. Auch die Schalter Sl bis S9 der Schaitermatrix 12 sind als Hochleistungshalbleiterschalter realisiert, wie es bei Umrichtern an sich üblich ist. Hier bieten sich Halbleiterschalter in Form von IGBTs, MOSFETs oder RB-IGBTs an.The first and second switches T 1 to T 3 or T 4 to T 6 are expediently power semiconductor semiconductor switches, such as, for example, IGBTs. The switches Sl to S9 of the Schaitermatrix 12 are realized as a high-power semiconductor switch, as is customary in converters. Here are semiconductor switches in the form of IGBTs, MOSFETs or RB-IGBTs.
Die Steuerung der ersten und zweiten FreilaufkreisschaSter Tl bis T3 bzw. T4 bis T6 erfolgt durch eine Freilaufkreis-Ansteuereinheit 34, die die Freilaufkreisschalter in Abhängigkeit von den Spannungsverläufen der Phasen der Eingangsspannung steuert. Dabei erfolgt die Ansteuerung in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannungen der einzelnen Phasen derart, dass jeweils nur diejenigen der ersten Freilaufkreisschaiter Tl bis T3 und diejenigen der zweiten Freilaufkreisschalter T4 bis T6 eingeschaltet sind, die einerseits mit dem Eingangsanschluss mit der größten positiven und der größten negativen Eingangsspannung verbunden sind und andererseits mit einer aufgrund der Vorzeichen der größten positiven und der größten negativen Eingangsspannungen in Sperrrichtung liegenden ersten bzw. zweiten Freilaufdioden Dl bis D3 bzw.The control of the first and second freewheeling circuit Tl to T3 and T4 to T6 by a freewheeling circuit driving unit 34 which controls the freewheeling circuit switches in response to the voltage waveforms of the phases of the input voltage. In this case, the control is carried out as a function of the size of the input voltages of the individual phases such that only those of the first freewheeling circuit Tl to T3 and those of the second freewheel circuit T4 to T6 are turned on, on the one hand to the input terminal with the largest positive and the largest negative Input voltage are connected and on the other hand with a due to the signs of the largest positive and the largest negative input voltages in the reverse direction lying first or second free-wheeling diodes Dl to D3 or
D4 bis D6 verbunden sind.
Diese Situation ist für eine bestimmte Schalterstellungskonfiguration der Schaitermatrix 12 in Fig, 2 gezeigt. Dabei wird in dieser Figur von einer Situation ausgegangen, in der die Umrichterschaiter S3, S4 und S7 eingeschaltet sind, Ll also mit V und W und L3 mit U verbunden ist. Die folgenden Erklärun- gen und Beispiele für diesen Schaltzustand lassen sich auf sämtliche anderen möglichen Schaltzustände der Schaltermatrix 12 des Matrixumrichters 10 analog übertragen. Dabei gilt, dass ein Schalter der Schaitermatrix 12 bzw. des Freilaufkreises 28 eingeschaltet ist, wenn er in den Fign. mit einem Kreis versehen ist. Die dicken Linien zeigen an, dass über die betreffenden Leitun- gen ein Strom fließt, wobei die Pfeile die Stromrichtung wiedergeben. Es sei femer angenommen, dass ein Abschnitt des dreiphasigen Spannungsverlaufs am Eingang des Matrixumrichters betrachtet wird, bei dem die Phase Ll gegenüber den beiden anderen Phasen das positivste Potential, die Phase L3 gegenüber den beiden anderen Phasen das negativste Potential und die Phase L2 gegenüber den beiden anderen Phasen ein Potential führt, welches zwischen dem positivsten und dem negativsten Potential liegt. Das bedeutet, dass von den ersten Freilaufkreisschaltern Tl bis T3 der Freilaufkreisschalter Tl und von den zweiten Freilaufkreisschaltern T4 bis T6 der Freüaufkreisschalter T6 eingeschaltet ist.D4 to D6 are connected. This situation is shown for a particular switch position configuration of the switch matrix 12 in FIG. In this figure, a situation is assumed in which the Umrichterschaiter S3, S4 and S7 are turned on, so Ll with V and W and L3 is connected to U. The following explanations and examples for this switching state can be analogously transmitted to all other possible switching states of the switch matrix 12 of the matrix converter 10. It is true that a switch of the Schaitermatrix 12 and the freewheeling circuit 28 is turned on when he in the Fign. is provided with a circle. The thick lines indicate that a current flows through the respective lines, with the arrows representing the current direction. It is further assumed that a portion of the three-phase voltage waveform at the input of the matrix converter is considered, in which the phase Ll opposite the other two phases, the most positive potential, the phase L3 opposite the other two phases, the most negative potential and the phase L2 opposite the two other potentials, which lies between the most positive and the most negative potential. This means that of the first freewheeling circuit breakers Tl to T3 of the freewheeling circuit Tl and of the second freewheeling circuit breakers T4 to T6 the Tommage T6 is turned on.
Bezogen auf die in Fig. 2 gezeigte Situation bedeutet der Umstand, dass die Freilaufkreisschalter Tl und T6 eingeschaltet sind, dass kein Kurzschluss der Eingangsspannungen über den Freilaufkreis 28 erzeugt oder verursacht wird, da die jeweils in den Freilaufpfaden liegenden Freilaufdioden Dl bis D3 bzw. D4 bis D6 in Sperrrichtung betrieben werden. Diese Aussage gilt unabhängig von der Schalterzustandskonfiguration der Schaltermatrix 12, wie man anhand von Fig. 3 erkennen kann. Dort ist eine Schalterzustandskonfiguration gezeigt, in der anders als in Fig. 2 die Umrichterschalter S2, S5 und S7 eingeschaltet sind. Wiederum verursachen die eingeschalteten Freüaufkreisschalter Tl und T6 keinen Kurzschluss, da jede der Dioden Di bis D3 und D4 bis D6 in Sperrrichtung betrieben wird. Damit ist gezeigt, dass die Schaltzustände des Frei- iaufkreises 28 unabhängig von den Schaltzuständen der Schaltermatrix 12 sind. Damit kann die Aussage getroffen werden, dass mit dem schaltbaren
Freilaufkreis 28 sämtliche Steuer-/Rege!ungsverfahren eines Matrixumrtchters in dieser Konfiguration mögüch sind.Relative to the situation shown in FIG. 2, the fact that the freewheeling circuit switches T1 and T6 are switched on means that no short circuiting of the input voltages is generated or caused via the freewheeling circuit 28, since the freewheeling diodes D1 to D3 or D4 lying in the freewheeling paths respectively to D6 are operated in the reverse direction. This statement applies independently of the switch state configuration of the switch matrix 12, as can be seen from FIG. 3. There, a switch state configuration is shown in which, unlike in Fig. 2, the inverter switches S2, S5 and S7 are turned on. Again, the switched-on circuit breakers Tl and T6 do not cause a short-circuit because each of the diodes Di to D3 and D4 to D6 is reverse-biased. This shows that the switching states of the free-running circuit 28 are independent of the switching states of the switch matrix 12. Thus the statement can be made that with the switchable Freewheel circuit 28 all control / Rege! □ procedures of a Matrixumrtchters are possible in this configuration.
Da die Freilaufdioden Dl bis D3 bzw, D4 bis D6 des schaltbaren Freilaufkreises 28 im ordnungsgemäßen Betrieb des Matrixumrichters in Sperrrichtung betrieben werden, kann über sie ein Laststrom weiter fließen, welcher beispielsweise beim Abschalten einer induktiven Last vorhanden ist. Als Beispiel hierfür sei angenommen, dass ausgehend von der Schalterzustandskonfiguration der Schaltermatrix 12 gemäß Fig. 2 der Umrichterschalter 57 abgeschaltet wird, um beispielsweise einen anderen möglichen Schaitzustand der Schaltermatrix 12 zu erreichen. Der kurze Moment der Abschaltung des Umrichterschalters S7 ist in den Fign. 4 und 5 zu sehen. Anhand von Fig. 4 ist zu erkennen, dass der zuvor vom Umrichterschalter S7 getriebene Strom vom schaltbaren Freilaufkreis übernommen wird. Der übernommene Strom kann sich über den Pfad D6, T6 und S3 oder über den Pfad D6, T6, Speisenetz und S4 selbst abbauen bzw. weiter fließen. Damit ist die Gefährdung einer Zerstörung durch Überspannung des Umrichterschalters S7 beim Abschaltvorgang eliminiert. Für die entgegengesetzt angenommene Stromrichtung (der Strom Hießt in Richtung Umrichter) kann der nach dem Abschaltvorgang vorhandene Strom über den Pfad D3, Tl und S4 oder über den Pfad D3, Tl, Speisenetz und S3 übernommen werden (siehe Fig. 5). Auch hier ist die Gefährdung einer Zerstörung des Umrichterschalters S7 beim Abschaltvorgang eliminiert.Since the freewheeling diodes D1 to D3 or D4 to D6 of the switchable freewheeling circuit 28 are operated in the reverse direction in the correct operation of the matrix converter, a load current can continue to flow through them, which is present, for example, when an inductive load is switched off. As an example of this, assume that starting from the switch state configuration of the switch matrix 12 of FIG. 2, the inverter switch 57 is turned off to achieve, for example, another possible state of the switch matrix 12. The short moment when the inverter switch S7 is switched off is shown in FIGS. 4 and 5 to see. It can be seen from FIG. 4 that the current previously driven by the converter switch S7 is taken over by the switchable freewheeling circuit. The current taken over can be dissipated or continued via path D6, T6 and S3 or via path D6, T6, supply network and S4. Thus, the risk of destruction by overvoltage of the inverter switch S7 is eliminated during shutdown. For the opposite assumed current direction (the current is in the direction of the converter), the current present after the switch-off process can be taken over the path D3, T1 and S4 or via the path D3, T1, supply network and S3 (see FIG. 5). Again, the threat of destruction of the inverter switch S7 is eliminated during the shutdown.
Damit ist gezeigt, dass immer zwei mögliche Freilaufpfade existieren, um den nach einem Abschaltvorgang vorhandenen Strom zu übernehmen. Dies ist entweder der Pfad über einen aktiven Schalter Sl bis S9 oder der Pfad über das Speisenetz. Diese Aussage gilt immer, wenn nur ein Schalter abgeschaltet wird oder abgeschaltet ist. Die Stromrichtung spielt keine Rolle für die Funktion des schaltbaren Freilaufkreises.This shows that there are always two possible free-wheeling paths in order to take over the current present after a switch-off process. This is either the path via an active switch S1 to S9 or the path via the feed network. This statement always applies if only one switch is switched off or switched off. The current direction does not matter for the function of the switchable freewheeling circuit.
Anhand von Fig. 6 soll nachfolgend gezeigt werden, welche Freilaufpfade existieren, wenn der Matrixumrichter mit zwei abgeschalteten Schaltern betrieben wird» Ausgangspunkt ist wiederum die Situation gemäß Fig. 2, wobei ange-
nommen wird, dass die Umrichterschalter S3 und S7 ausgeschaltet werden. Damit ist noch ein Schalter (nämlich der Umrichterschalter S4) der Schalter- matrix 12 aktiv. Die zuvor über die abgeschalteten Umrichterschalter S3 und S7 getriebenen Ströme werden bei Ausgangsklemme W über den Pfad D6, T6, Speisenetz und S4 und bei Ausgangsklemme U über den Pfad Dl, Tl und S4 oder über den Pfad Dl, Tl, Speisenetz und S4 weiter geleitet. Andere angenommene Stromrichtungen ändern nichts an der Funktionalität des schaltbaren Feilaufkreises 28; es werden lediglich andere erste bzw. zweite Dioden und andere erste bzw. zweite Freilaufkreisschalter des Freilaufkreises 28 bean- sprucht, Damit kann die Aussage getroffen werden, dass auch bei zwei abgeschalteten Schaltern jeweils Freilaufpfade existieren, über die im Abschaltaugenblick vorhandene Lastströme weiter fließen können.6, it will be shown below which freewheeling paths exist when the matrix converter is operated with two switches switched off. The starting point is again the situation according to FIG. is taken that the inverter switches S3 and S7 are turned off. This still a switch (namely, the inverter switch S4) of the switch matrix 12 is active. The currents previously driven via the switched-off inverter switches S3 and S7 are forwarded at output terminal W via path D6, T6, supply network and S4 and at output terminal U via path D1, T1 and S4 or via path D1, T1, supply network and S4 , Other assumed current directions do not change the functionality of the switchable filing circuit 28; Only other first or second diodes and other first or second freewheeling circuit breakers of the freewheeling circuit 28 are claimed. Thus, the statement can be made that there are freewheeling paths even when two switches are switched off, via which load currents present in the turn-off instant can continue to flow.
Werden sämtliche drei eingeschalteten Schalter zusammen abgeschaltet, er- geben sich die in Fig. 7 eingezeichneten Freilaufpfade. Hier kann festgestellt werden, dass durch die Bereitstellung der Freilaufpfade keiner der Umrichter- schalter Sl bis S9 der Schaltermatrix 12 Schaden nimmt. Des weiteren ist die Funktion des Freilaufkreises auch bei geänderter Stromrichtung gegeben. Unabhängig davon also, wie viele Umrichterschaiter der Schaltermatrix 12 gleϊch- zeitig abgeschaltet werden, existiert zu jedem Zeitpunkt ein Freilaufpfad über den Freilaufkreis 28.If all three switched-on switches are switched off together, the free-wheeling paths shown in FIG. 7 result. It can be stated here that none of the inverter switches S1 to S9 of the switch matrix 12 are damaged by the provision of the freewheeling paths. Furthermore, the function of the freewheeling circuit is given even with a changed current direction. Regardless of how many Umrichterschaiter the switch matrix 12 are switched off at the same time, there is a freewheeling path via the freewheeling circuit 28 at any time.
In Fig. 8 wird nun der Fall betrachtet, bei dem es eingangsspannungsseitig zu einem Ausfall einer Phase (im betrachteten Beispfelfall L3) kommt. In diesem Fall kann der schaltbare Freilaufkreis 28 den Strom, den zuvor die Phasen L3 und Ll geführt haben, weiterführen. Auch hierbei spielt die Stromrichtung für die Funktion des schaltbaren Freilaufkreises 28 keine Rolle. Bei einem Phasen- ausfall also bietet der schaltbare Freilaufkreis 28 eine Möglichkeit an, um den Strom weiter zuleiten,In Fig. 8, the case is considered in which it comes on the input voltage side to a failure of a phase (in the considered Beispfelfall L3). In this case, the switchable freewheeling circuit 28, the current that previously led the phases L3 and Ll, continue. Again, the current direction for the function of the switchable freewheeling circuit 28 does not matter. In the event of a phase failure, the switchable freewheeling circuit 28 offers a possibility for forwarding the current,
Anhand von Fig. 9 wird nachfolgend der Fall betrachtet, bei dem zwei stromführende Phasen der Etngangsspannung (in diesem Fall die Phasen Ll und L3) ausfallen. Der Strom, der vor dem Ausfall der Phasen Ll und L3 geflossen ist,
kann über die Freiiaufpfade abgebaut werden. Auch dabei spielt die Stromrichtung für die Funktion des schaltbaren Freüaufkreises 28 keine Rolle. Ein Netzausfall ist also beherrschbar und verursacht keine Schäden,9, the case is considered below in which two current-carrying phases of the ground voltage (in this case the phases Ll and L3) fail. The current that flowed before the failure of phases Ll and L3, can be reduced via the free paths. Also, the current direction for the function of the switchable Freüaufkreises 28 does not matter. A power failure is manageable and does not cause any damage
Wie bereits oben erwähnt, gehen die obigen im Zusammenhang mit den Fign. 2 bis 10 gemachten Betrachtungen davon aus, dass die Phase Ll gegenüber den beiden anderen Phasen das positivste Potentiaä und die Phase L3 gegenüber den beiden anderen Phasen das negativste Potential führt, während das Potential der Phase 2 zwischen diesen beiden Potentialen liegt. Kritisch wird es dann, wenn sich die Spannungsverläufe der Phasen mit dem positivsten Potential (bzw, negativsten Potential) und dem mittleren Potential kreuzen. Für einen gewissen Zeitraum vor und nach einem Kreuzungspunkt der Spannungsverläufe kann möglicherweise nicht mit Sicherheit gesagt werden, welche Phase noch das größte positive bzw, größte negative Potential fuhrt. Daher müssen die Kreuzungsbereiche der Phasen gesondert betrachtet werden. Es sei beispielsweise angenommen, dass die das größte positive Potential fuhrende Phase Ll sich mit der bis dahin das mittlere Potential geführt habenden Phase L2 kreuzt, so dass nach dem Durchkreuzen der beiden Spannungsverlaufskurven die Phase L2 das größte positive Potential führt und die Phase Ll ein mittleres Potential führt, das zwischen dem größten positiven Potential und dem größten negativen Potential liegt. Während dieser Uberkreuzung führt die Phase L3 kontinuierlich das negative Potential, Im Kreuzungsbereich der beiden Phasen Ll und L2 kann es damit zu der folgenden Situation kommen: Ist der schaltbare Freilaufkreis 28 so geschaltet, dass Ll als mit positivstem Potential angenommen wird, kann dies dazu führen, dass dann, wenn im Kreuzungsbereich L2 positiver wird als Ll, ein Kurzschluss der Eingangsspannung entsteht. Diese Situation kann entstehen, wenn beide Phasen Ll und L2 für eine Schalthandlung der Steuerstrategie des Matrixumrichters 10 benötigt werden. In Fig. 10 ist nun eine Schaltzustandskonfiguration der Schaltermatrix 12 gezeigt, die zu einem Kurzschluss fuhrt, wenn, wie angenommen, L2 imAs already mentioned above, the above go in connection with FIGS. 2 to 10, it is assumed that the phase L1 leads to the most positive potential compared to the other two phases and the phase L3 leads to the most negative potential compared to the other two phases, while the potential of phase 2 lies between these two potentials. It becomes critical when the voltage curves of the phases cross with the most positive potential (or, the most negative potential) and the mean potential. For a certain period of time before and after a crossing point of the voltage curves, it may not be possible to say with certainty which phase still leads to the greatest positive or greatest negative potential. Therefore, the intersections of the phases must be considered separately. Assume, for example, that the phase L 1 leading the largest positive potential crosses with the phase L 2 up to that point, so that after crossing the two voltage waveforms the phase L 2 leads the largest positive potential and the phase L 1 leads a middle one Potential lies between the largest positive potential and the largest negative potential. During this crossing, the phase L3 continuously leads the negative potential, in the crossing region of the two phases Ll and L2, this may lead to the following situation: If the switchable freewheeling circuit 28 is switched so that Ll is assumed to be the most positive potential, this can lead to it in that when the crossover area L2 becomes more positive than L1, a short circuit of the input voltage arises. This situation can arise if both phases L1 and L2 are required for a switching action of the control strategy of the matrix converter 10. In Fig. 10, a switching state configuration of the switch matrix 12 is shown, which leads to a short circuit when, as assumed, L2 im
Kreuzungsbereich positiver ist als Ll,
Um einen FaI! der vorstehend beschriebenen Art zu verhindern, existiert die Möglichkeit, ab einer gewissen (kleinen) Differenz zwischen Ll und L2 im Kreuzungsbereich für den Freilaufkreis 28 nur solche Schaltzustände der ersten bzw. der zweiten Freilaufkreässchaiter zu verwenden, die einen Kurzschluss der Eingangsanschlüsse 14 und 16 der Phasen Ll und L2 ausschließen- Um sicherzustellen, dass bei unsymmetrischem Ein-/Ausschaiten kein Kurzschiuss entsteht, sollte nach einer Ll- oder L2-Abschaltung eine L3-Einschaltung erfolgen, da diese unkritisch ist.Crossing area is more positive than L1, For a FaI! of the above-described type, there is the possibility, starting from a certain (small) difference between Ll and L2 in the crossing region for the freewheeling circuit 28 to use only those switching states of the first and the second Freilaufkreässchaiter that a short circuit of the input terminals 14 and 16 of the Exclude phases Ll and L2- To ensure that short-circuiting does not occur in the case of unbalanced switching on / off, an L3 switch-on should take place after a Ll or L2 switch-off, as this is not critical.
Dies wird nachfolgend anhand eines Betspiels unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert. Es sei angenommen, dass Ul mit Ll verbunden ist, der Umrichter- Schalter Sl also eingeschaltet ist. Im nächsten Schritt darf also nur L3 auf U geschaltet werden. Sollte L2 auf U geschaltet werden, kann dies um ungünstigsten FaI! zu einem Kurzschiuss führen. Nachdem der Kreuzungsbereich durchlaufen ist und wieder klar erkennbar ist, welche Phase die positivste (bzw. die negativste) ist, kann der schaitbare Freilaufkreis 28 umgeschaltet werden, ohne dass die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den beiden sich bezüglich ihrer Spannungsverläufe kreuzenden Phasen besteht.This will be explained below with reference to a Betspiels with reference to FIG. 10. It is assumed that Ul is connected to L1, that is, the inverter switch S1 is turned on. In the next step only L3 can be switched to U. If L2 is switched to U, this can be the worst case! lead to a short shot. After the intersection area has passed through and it is again clearly recognizable which phase is the most positive (or the most negative), the switchable freewheeling circuit 28 can be switched without the risk of short-circuits between the two phases crossing with respect to their voltage profiles.
Aufgrund des vorstehend gesagten wird also deutlich, dass durch Verwendung des erfindungsgemäß schaltbaren Freilaufkreises 28 keine aufwändige Kommutierungsstrategie für die Schaltermatrix 12 des Matrixumrichters 10 mehr notwendig ist. Damit werden der Rechenaufwand minimiert, die Anzahl der Messungen verringert, schneilere Reaktionen auf verschiedene Ereignisse möglich und Netzausfälle unproblematisch. Durch den schaltbaren Freilaufkreis 28 kann bei Matrixumrichtern gänzlich auf Überspannungsschutznetzwerke mit den damit verbundenen negativen Eigenschaften verzichtet werden, da der schaltbare Freilaufkreis 28 den Strom bei Bedarf selbstständig so umleitet, dass an der Schaltermatrix 12 und ihren Umrichterschaitern kein Schaden ent- steht.
In den Fign, 11 und 12 sind zwei Matrixumrichter mit erfindungsgemäßem Freilaufkreis gezeigt, die jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Eingangs- uns AusgangsspannungsanschJusseπ aufweisen.On the basis of the above, it is therefore clear that by using the switchable freewheeling circuit 28 according to the invention, no complicated commutation strategy for the switch matrix 12 of the matrix converter 10 is more necessary. This minimizes the amount of computation, reduces the number of measurements, makes it possible to respond more quickly to different events, and makes power failures unproblematic. Due to the switchable freewheeling circuit 28, it is entirely possible to dispense with overvoltage protection networks with the associated negative properties in the case of matrix converters, since the switchable freewheeling circuit 28 automatically redirects the current as required so that no damage occurs at the switch matrix 12 and its converter shunts. FIGS. 11 and 12 show two matrix converters with a freewheeling circuit according to the invention, each having a different number of input and output voltage connections.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen schaitbaren Freilaufkreis 28 ergeben sich für den verbesserten Matrixumrichter 10 folgende Vorteile:The inventively provided schaitbaren freewheeling circuit 28 results for the improved matrix converter 10 the following advantages:
deutlich mehr Betriebssicherheit verlustärmerer Betrieb - Verzicht auf einen Puffer-KondensatorSignificantly more operational reliability Lossier operation - no need for a buffer capacitor
Verzicht auf komplexe und dadurch unsichere Kommutierungsstrategien geringe Rechenleistung niedrige Kosten niedriges Gewicht und - kleine Bauform.Lack of complex and therefore uncertain commutation strategies low computing power low costs low weight and small size.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung des schaltbaren Freilaufkreises 28 eliminiert das Grundproblem des Matrixumrichters, dass nämlich der Matrixumrichter selbst nur durch komplexe Kommutierungsstrategien vor einer Zerstörung durch die beim Abschaltvorgang entstehenden Spannungen geschützt werden kann. Die bis heute hierfür vorgeschlagenen Ansätze haben diese Grundproblematik zwar gemindert, aber noch nie vollends gelöstThe proposed solution of the switchable freewheeling circuit 28 according to the invention eliminates the basic problem of the matrix converter, namely that the matrix converter itself can only be protected against destruction by the voltages generated during the switching-off process by complex commutation strategies. Although the approaches proposed to date have reduced this basic problem, they have never been completely resolved
Die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Matrixumrichters werden insbesondere gesehen: in Antrieben, bei denen die Drehzahl und Drehmoment der Maschine veränderlich sein soll bei der Rückgewinnung der Energie, z.B. beim Bremsen (Auto, Bahn, Fahrstuhl, ...,) - in der Luft-, Raum- und Unterseefahrt, da keine besondere Kühlung des Umrichters notwendig ist kein schwergewichtiger, großer Widerstand benötigt wird, und kein schwergewichtiger, großer Kondensator erforderlich ist,
in regenerativen Kraftwerken zur Anpassung an das öffentliche Netz für die Spannungsanpassung für die Frequenzerzeugung bzw. -Stabilisierung und -erhaitung, im Low-Cost-Bereich, da preisiich ein industriell gefertigter Matrixumrichter weit günstiger sein sollte als eine vergleichbare heute zur Verfügung stehende Zwischenkreis-Umrichtertopologie.
The possible uses of the matrix converter according to the invention are seen in particular: in drives in which the speed and torque of the machine should be variable in the recovery of energy, for example when braking (car, train, elevator, ...) - in the air, Space and submarine navigation, because no special cooling of the inverter is necessary no heavyweight, large resistance is needed, and no heavy, large capacitor is required, in regenerative power plants for adaptation to the public grid for voltage adjustment for frequency generation or stabilization and maintenance, in the low-cost range, since preisiich an industrially manufactured matrix converter should be far cheaper than a comparable available today DC link converter topology ,
Claims
1. Matrixumrichter zum Umwandeln einer ein- oder mehrphasigen Eingangsspannung eines Speisenetzes mit einer variablen oder festen Frequenz und einer variablen oder festen Amplitude in eine ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung mit variabler Frequenz und/oder Amplitude für einen Verbraucher, mit mindestens zwei Eingangsanschlüssen, mindestens zwei Ausgangsanschlüssen, einer Vielzahl von steuerbaren, elektronischen Umrichterschaltern, die jeweils zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausganganschiüs- sen angeordnet sind, einem steuerbaren Freilaufkreis, der zwischen den Eingangsanschlüs- sen und den Ausgangsanschlüssen angeordnet ist und pro Eingangs- anschluss einen ersten und einen zweiten steuerbaren, elektronischen Freilaufkreisschalter und pro Ausgangsanschluss eine erste und eine zweite Freilaufdiode aufweist, wobei die ersten Freilaufkreisschalter zwischen einem gemeinsamen ersten Knoten und den jeweiligen Eingangsanschlüssen und die zweiten Freilaufkreisschalter zwischen einem gemeinsamen zweiten Knoten und den jeweiligen Eingangsanschlύssen angeordnet sind und wobei die ersten Freilaufdioden zwischen dem ersten Knoten und den jeweiligen Ausgangsanschlüssen und die zweiten Freilaufdioden zwischen dem zweiten Knoten und den jeweiligen Ausgangsanschlüssen angeordnet sowie vom Speisenetz aus gesehen in Sperrrichtung bzw. vom Verbraucher aus gesehen in Durchlassrichtung geschaltet sind, einer Umrichteransteuereinheit zur Ansteueruπg der Umrichterschalter dergestalt, dass an den Ausgangsanschlussen die ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung mit gewünschter Frequenz und/oder Amplitude erzeugbar ist, und einer Freiiaufkreis-Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Freilaufkreisschalter, wobei die Freilaufkreis-Ansteuereinheit die Freilaufkreisschalter in Abhängigkeit von der Größe der Spannungen der einzelnen - Eingangsphasen derart ansteuert, dass jeweils nur diejenigen der ersten und zweiten Freilaufkreisschalter eingeschaltet sind, die einerseits mit dem Eingangsanschiuss mit der größten positiven und der größten negativen Eingangsspannung und andererseits mit einer aufgrund der Vorzeichen der größten positiven und der größten negativen Eingangsspannungen in Sperrrichtung liegenden ersten bzw. zweiten Freilaufdiode verbunden sind.A matrix converter for converting a single- or multi-phase input voltage of a supply network with a variable or fixed frequency and a variable or fixed amplitude into a single-phase or multi-phase output voltage with variable frequency and / or amplitude for a consumer, with at least two input terminals, at least two Output terminals, a plurality of controllable, electronic converter switches, which are each arranged between the input terminals and the output terminals, a controllable freewheeling circuit, which is arranged between the input terminals and the output terminals and per input terminal a first and a second controllable, electronic freewheel circuit switch and per output terminal having a first and a second free-wheeling diode, wherein the first freewheeling circuit switch between a common first node and the respective input terminals and the second freewheeling circuit switch zwisc hen a common second node and the respective input terminals are arranged and wherein the first free-wheeling diodes between the first node and the respective output terminals and the second free-wheeling diodes between the second node and the respective output terminals arranged as seen from the supply network in the reverse direction or from the consumer are switched in the forward direction, a Umrichteransteuereinheit for Ansteueruπg the inverter switch such that at the output terminals, the single- or multi-phase output voltage with desired frequency and / or amplitude can be generated, and a Freiiaufkreis drive unit for controlling the freewheel circuit switch, wherein the freewheeling circuit driving unit controls the freewheeling circuit switches in dependence on the magnitude of the voltages of the individual - input phases such that in each case only those of the first and second freewheeling circuit switches are turned on, on the one hand to the Eingangsanschuuss with the largest positive and the largest negative input voltage and on the other hand with a lying due to the sign of the largest positive and the largest negative input voltages in the reverse direction lying first or second free-wheeling diode are connected.
2. Matrixumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Zeitdauer vor und nach dem Wechsel der Eingangsanschlüsse, an denen die größte positive und die größte negative Eingangsspannung anliegen, die gerade mit den Eingangsanschlüssen verbundenen Freiiaufkreisschal- ter so lange eingeschaltet bleiben, wie der Unterschied der Beträge der an den betreffenden EingangsanschSüssen anliegenden Spannungen kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert ist, und dass erst dann, wenn die Beträge der größten positiven Eingangsspannung und der größten negativen Eingangsspannung größer als der oder gleich dem Schweliwert ist, die bis dahin eingeschalteten ersten und zweiten Freilaufkreisschaiter ausgeschaltet und diejenigen der anderen ersten und zweiten Freilaufkreisschalter eingeschaltet werden, die einerseits mit den die größte positive und die größte negative Spannung führenden Eingangsanschlüssen und andererseits mit den aufgrund des Vorzeichens dieser Spannungen in Sperrrichtung liegenden ersten und zweiten Freilaufdioden verbunden sind. 2. Matrix converter according to claim 1, characterized in that for a period of time before and after the change of the input terminals, which bear the largest positive and the largest negative input voltage, the currently connected to the input terminals Freiiaufkreisschal- ter remain turned on as long as the Difference of the amounts of the voltage applied to the respective EingangsanschSüssen voltages is smaller than a predetermined threshold, and that only when the amounts of the largest positive input voltage and the largest negative input voltage is greater than or equal to the Schweliwert, the previously turned on first and second Freewheel Kreisschaiter off and those of the other first and second freewheel circuit switch are turned on, on the one hand with the largest positive and the largest negative voltage leading input terminals and on the other hand with the sign of these Spannunge n lying in the reverse direction of the first and second free-wheeling diodes are connected.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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