DE10016230B4 - Verfahren zur Steuerung von Freilaufpfaden bei einem Matrixumrichter - Google Patents

Verfahren zur Steuerung von Freilaufpfaden bei einem Matrixumrichter Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Steuerung von positiven oder negativen Freilaufpfaden jeweils in einer Phase (X, Y, Z) eines Matrixumrichters (2) mit neun in einer 3×3-Schaltermatrix (6) angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern (4), die jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter (S1P, S1N, S2P, S2N, S3P, S3N) aufweisen, wobei kontinuierlich jeweils ein bidirektionaler Leistungsschalter (4) einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z) bestimmt wird, an dem eine negativste oder eine positivste Leiterspannung (UU, UV, UW) ansteht, und wobei in jedem Schaltzustand des Matrixumrichters jeweils ein Halbleiterschalter (S1P, S1N, S2P, S2N, S3P, S3N) dieser beiden bestimmten bidirektionalen Leistungsschalter (4) für einen positiven und einen negativen Freilaufpfad angesteuert wird, der einen positiven oder einen negativen Laststrom führen kann.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von positiven oder negativen Freilaufpfaden jeweils in einer Phase eines Matrixumrichters mit neun in einer 3×3-Schaltermatrix angeordneten bidirektionalen Leistungsschalter, die jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter aufweisen.
  • Bei einem Matrixumrichter handelt es sich um einen selbstgeführten Direktumrichter. Er ermöglicht die Umformung eines starren Drehstromnetzes in ein System mit variabler Spannung und Frequenz. Durch die Anordnung der bidirektionalen Leistungsschalter in einer 3×3-Schaltermatrix kann jeweils eine der drei Ausgangsphasen des Matrixumrichters elektrisch mit einer Eingangsphase verbunden werden. Eine Phase des Matrixumrichters besteht aus einer Anordnung aus drei bidirektionalen Leistungsschaltern, die einerseits jeweils mit einer Eingangsphase und andererseits mit einer Ausgangsphase verbunden sind. Eine derartige Anordnung wird auch als 3×1-Schaltermatrix bezeichnet. Der Matrixumrichter benötigt keinen Zwischenkreis. Der selbstgeführte Direktumrichter bietet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rückspeisefähig ist und durch eine entsprechend ausgeprägte Steuerung sinusförmige Netzströme erreicht.
  • Die bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters weisen jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter auf. Als Halbleiterschalter werden vorzugsweise Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet, die jeweils eine antiparallele Diode aufweisen. Derartig ausgebildete bidirektionale Leistungsschalter werden vorzugsweise bei Umrichtern für kleine und mittlere Leistungen verwendet. Durch die Ansteuerung dieser Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter wird jeweils ein Strompfad in einer durch die Anordnung der Halbleiterschalter bestimmten Richtung durchgeschaltet. Sind beide Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters angesteuert, so ist dieser bidirektional eingeschaltet und es wird ein Stromfluss in beide Richtungen ermöglicht. Dadurch entsteht eine sichere elektrische Verbindung zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsphase des Matrixumrichters. Wird nur ein Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters angesteuert, so ist dieser unidirektional eingeschaltet und es entsteht eine elektrische Verbindung zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsphase des Matrixumrichters nur für eine bevorzugte Stromrichtung.
  • Bei einer optimalen Ansteuerung ist eine sinusförmige Netzstromaufnahme möglich. Um das speisende Netz nicht mit pulsfrequenten Oberschwingungen zu belasten, benötigt der Matrixumrichter zusätzlich einen Eingangsfilter, der aus LC-Gliedern besteht. Aufgrund der großen Anzahl von Halbleiterschaltern ist der Ansteueraufwand sehr groß.
  • Beim Abschalten des Matrixumrichters muss sichergestellt werden, dass der Ausgangsstrom zu Null wird, bevor die Abschaltung aller Schalter vorgenommen werden kann. Es ist vorteilhaft, wenn der Strom nicht durch eine Stromregelung, sondern mit Hilfe einer natürlichen Diodenfunktion zu Null gebracht wird. Dies lässt sich mit Hilfe von Freiläufen im Matrixumrichter realisieren. Weiterhin besteht der Wunsch, den Matrixumrichter im Fehlerfall, z.B. bei Überstrom, jederzeit in einen sicheren Zustand zu überführen. Das heißt, es ist wünschenswert von einem normalen Betrieb der Kommutierungssteuerung auf eine Freilaufsteuerung übergehen zu können.
  • Aufgabe der Kommutierungslogik für eine Phase des Matrixumrichters ist die Ansteuerung der sechs Halbleiterschalter der drei bidirektionalen Leistungsschalter in den jeweiligen Ausgangsphasen des Matrixumrichters in der Weise, dass die Schaltbefehle des Steuersatzes in der richtigen Weise umgesetzt werden und ein sicherer Betrieb des Umrichters ermöglicht wird. Durch die Steuerlogik muss unter allen Umständen verhindert werden, dass auf der Eingangsseite ein Kurzschluss der Versorgungsspannungen bzw. am Ausgang keine Unterbrechung des Laststromes entsteht. Dies würde sonst zu einer Zerstörung mindestens eines Halbleiterschalters durch Überstrom oder Überspannung führen.
  • Im Falle einer spannungsgesteuerten Kommutierungslogik werden die Phase, auf die kommutiert werden soll, sowie das Vorzeichen der verketteten Eingangsspannungen benötigt. Hierbei ist das Vorzeichen des Ausgangsstromes nicht von Bedeutung, da sowohl im stationären Fall als auch während eines Kommutierungsvorgangs immer ein Pfad für beide Stromwege vorhanden ist.
  • In der 2 sind alle möglichen Kommutierungsschritte graphisch dargestellt. Insgesamt gibt es 22 verschiedene Schalthandlungen, die bedingt durch die Kommutierungssteuerung auftreten können. Eine "1" bedeutet, dass ein Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters eingeschaltet ist, wobei eine "0" für einen ausgeschalteten Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters steht.
  • Nach dem Einschalten des Matrixumrichters sind alle Halbleiterschalter der neun bidirektionalen Leistungsschalter ausgeschaltet. Soll zu einem stationären Zustand gewechselt werden, muss vom Mittelpunkt "AUS" zu einem der drei Eckpunkte "U", "V" oder "W" übergegangen werden. Von einem stationären Zustand kann zu jedem anderen stationären Zustand gewechselt werden. Abhängig von den Spannungsvorzeichen gibt es drei verschiedene Wege, um in einen neuen stationären Zustand zu gelangen. Befindet man sich auf einen Weg von einem stationären Zustand zum nächsten, so besteht keine Möglichkeit, umzukehren. Diese "Einbahnstrassenregelung" ist notwendig um keine undefinierten Zustände und Reaktionen zu erhalten.
  • Der Matrixumrichter muss jederzeit, auch während eines Kommutierungsvorgangs, abgeschaltet werden können. Damit dies möglich ist, muss von jedem Zustand ein Weg zum Mittelpunkt "AUS" der 2 vorhanden sein. Damit es beim Abschalten aller Halbleiterschalter nicht zu Überspannungen und zur Zerstörung der Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter kommt, muss eine Einrichtung vorhanden sein, die beim Abschalten einen weiteren Stromfluss ermöglicht und die Energie in der Last abbaut.
  • Dieser weitere Stromfluss wird durch einen Freilaufpfad ermöglicht, der geschaltet werden muss. Wenn von einem bidirektionalen Leistungsschalter mit zwei antiseriell geschalteten Halbleiterschaltern nur ein Halbleiterschalter angesteuert wird, d.h., der bidirektionale Leistungsschalter ist unidirektional geschlossen. Ist dessen freigegebene Stromrichtung entgegen der an ihm anliegenden Spannung gerichtet, so wird dies als Freilauf bezeichnet. Ermöglicht dieser unidirektional geschlossene bidirektionale Leistungsschalter einen positiven Stromfluss, d.h., vom Einspeisenetz zur Last, so wird dieser Freilauf als positiver Freilauf bezeichnet. Wird ein negativer Stromfluss ermöglicht, so wird der Freilauf als negativer Freilauf bezeichnet.
  • Aus der Veröffentlichung "A Matrix Converter without reactive clamp elements for an induction motor drive System", A. Schuster, PESC 98, Japan, Seiten 714 bis 720, ist eine vierstufige, stromabhängige Kommutierung bekannt. Diese stromabhängige Kommutierung verwendet das Vorzeichen des Ausgangsstromes als Entscheidungsgröße für die Schaltreihenfolge der vier an der Kommutierung beteiligten Halbleiterschalter zweier bidirektionaler Leistungsschalter. Außerdem wird in dieser Veröffentlichung eine Abschaltstrategie für den Matrixumrichter beschrieben, die in Anschluss an den normalen Betrieb aus bestimmten Zuständen in den Freilaufbetrieb übergehen kann.
  • Diese Strategie hat den Nachteil, dass eine gewisse Zeitverzögerung bis zum sicheren Erreichen des Freilaufbetriebes vergehen kann. Somit ist eine jederzeitige Abschaltung des Matrixumrichters nicht möglich. Für diesen Zeitraum sind daher dennoch zusätzliche Schutzmaßnahmen für jeden Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschaltern notwendig. In dieser Veröffentlichung wird als Schutzmaßnahme Varistoren vorgeschlagen, die elektrisch parallel zu jedem Halbleiterschalter geschaltet sind.
  • Aus der Veröffentlichung "A Matrix converter switching controller for low losses operation without snubber circuits", R. Cittadini, J.J. Huselstein, C. Glaize, EPE 97, Seiten 4.199 bis 4.203, ist ein Verfahren zur Kommutierung und zum Einschalten eines Freilaufpfades bekannt. Abhängig von der an der Kommutierungsgruppe anliegenden Spannung werden neben einem bidirektionalen Schalter zusätzliche Schalter eingeschaltet, die einen Freilauf ermöglichen. Diese zusätzlichen Schalter ermöglichen damit eine Rückspeisung, der in der Lastinduktivität gespeicherten Energie ins Netz. Bei dieser Kommutierung handelt es sich um eine Zweistufige. Bei dieser Kommutierung wird während des Übergangszustandes der von der Stromflussrichtung in Spannungsrichtung orientierte Halbleiterschalter abgeschaltet, während die Freilaufdiodenventile (Stromfluss entgegen der Spannungsrichtung orientiert) kontinuierlich eingeschaltet bleiben. Bei diesem Verfahren ist die Spannung in drei Bereiche unterteilt. Bei kleinen Spannungswerten wird die Vorgabe durch die Kommutierungssteuerung nicht beeinflusst, d.h., dass alle Halbleiterschalter der Kommutierungsgruppe eingeschaltet sind, so dass kurzzeitig ein Kurzschluss entsteht. Da dies im Übergangsbereich bei kleinen Spannungen stattfindet, sind die Kurzschlussströme sehr gering.
  • Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass um den Nullpunkt keine Freilaufpfade vorgehalten werden, wodurch ein unsicherer Betrieb entstehen kann. Durch eine in der Span nungsauswertung unsichere Messung, kann ein Phasenkurzschluss bei dann höheren Spannungen entstehen.
  • Aus der Veröffentlichung "Semi Natural two steps commutation strategy for matrix converters", M. Ziegler, W. Hofmann, PESC 98, Seiten 727 bis 731, ist eine Zwei-Schritt-Kommutierungsstrategie für einen Matrixumrichter bekannt, die spannungsorientiert ist. Ausgangspunkt dieses Steuerverfahrens ist die Erfassung aktueller 60°-Intervalle. Ein Intervall beginnt mit einem Schnittpunkt zweier Eingangsstrangspannungen und endet mit einem folgenden Schnittpunkt von zwei Eingangsstrangspannungen. Innerhalb eines Intervalls ändert folglich keine der verketteten Spannungen das Vorzeichen. In Abhängigkeit von konkreten Intervallen können jeweils drei Hauptzustände gefunden werden, die keinen Kurzschluss zwischen zwei Eingangsphasen verursachen. Jeder Hauptzustand stellt eine bidirektionale Verbindung zwischen einer Ausgangsphase und der Soll-Eingangsphase her. Zusätzlich sind in den Hauptzuständen sogenannte redundante unidirektionale Schalter geschlossen. Für den Fall, dass eine Eingangsphase eine größere Spannung hat, als die Soll-Eingangsphase, ist ein entsprechender unidirektionaler Schalter in Rückwärtsrichtung geschlossen. Für den Fall einer niedrigeren Spannung ist ein entsprechender unidirektionaler Schalter in Vorwärtsrichtung geschlossen. In einem Teilstromrichter eines 3×3-Matrixumrichters sind in den Hauptzuständen immer vier unidirektionale Schalter geschlossen und zwei offen. Ein Teilstromrichter eines 3x3-Matrixumrichters besteht aus drei bidirektionalen Schaltern, die jede der drei Eingangsphasen des Matrixumrichters mit einer Ausgangsphase verbinden können. Die Kommutierung des Ausgangsstromes von einer Eingangsphase zur anderen ist dann stets in nur zwei Schritten möglich. In den Hauptzuständen ist jede Ausgangsphase bidirektional mit einer Eingangsphase verbunden. Beim Übergang von einem Hauptzustand zum folgenden Zustand wird zuerst die bidirektionale Verbindung in einer Diodenanbindung zur Eingangsphase aufgelöst und im folgenden der nächsten bidirektionale Zustand (Hauptzustand) realisiert.
  • Bei diesem Verfahren ist es unklar, welche Schalter im Fehlerfall abgeschaltet werden können, und welche eingeschaltet werden müssen. Der Betrieb einer reinen Freilaufsteuerung ist somit nicht möglich. Weiterhin können andauernde Kurzschlüsse der Eingangsspannungen auftreten, wenn das Vorzeichen der verketteten Spannungen fehlerhaft gemessen wird.
  • Das in dieser Veröffentlichung vorgestellte Verfahren ist außerdem als DE 194 46 797 veröffentlicht.
  • Aus der Veröffentlichung „Safe control of four-quadrant switches", Burany, N., Industry Applications Society Annual Meeting, 1989, IEEE, Pages: 1190 – 1194 ist eine Vier-Schritt-Kommutierungsstrategie für einen Matrixumrichter bekannt, bei deren Anwendung während der Kommutierung des Laststroms zwischen zwei bidirektionalen Schaltern jederzeit Freilaufpfade geschaltet werden. Da es sich um eine Kommutierungsstrategie handelt, werden nur die Kommutierungszeiträume betrachtet, und nicht die Schaltzustände der Halbleiterschalter außerhalb der Kommutierungsabschnitte, bzw. die stationären Schaltzustände.
    •
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung von kontinuierlich vorhandenen positiven oder negativen Freilaufpfaden bei einem Matrixumrichter anzugeben, so dass im Fehler- oder Abschaltfall des Matrixumrichters ein zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung des Matrixumrichters möglich ist. Außerdem soll das Verfahren gegenüber Messfehler des Spannungsvorzeichens in einem Bereich um den Nullpunkt robust sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung von positiven oder negativen Freilaufpfaden wird für jede Phase eines Matrixumrichters jeweils in der positivsten Eingangsphase der Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters eingeschaltet, der einen negativen Laststrom führen kann und in der negativsten Eingangsphase der Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalter eingeschaltet, der einen positiven Laststrom führen kann. Somit erhält man eine reine Freilaufsteuerung, die jederzeit ein Abschalten einer Kommutierungssteuerung eines Matrixumrichters ermöglicht, ohne Zerstörung des Matrixumrichters. Durch die separate Frei laufsteuerung existiert unabhängig von einer Kommutierungssteuerung zur jederzeit im Matrixumrichter ein Strompfad, der einen kontinuierlichen Stromfluss der in einer Lastinduktivität fließenden Stromes gewährleistet. Das heißt, eine Energierückspeisung von der Lastseite zur Netzseite wird immer gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße Freilaufsteuerung werden bidirektionale Leistungsschalter des Matrixumrichters zum Schutz des Matrixumrichters eingeschaltet. Dadurch ist ein zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung des Matrixumrichters im Fehler- oder Abschaltfall möglich. Durch die Verwendung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters keine Überspannungsschutzvorrichtungen, wie beispielsweise snubber circuits für die Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter, mehr benötigt.
  • Bei einem vorteilhaften Verfahren werden in einem Bereich eines positiven oder negativen Nulldurchgangs einer verketteten Eingangsspannung zunächst die Halbleiterschalter der beiden am Nulldurchgang beteiligten bidirektionalen Leistungsschalter einer jeden Phase des Matrixumrichters für einen negativen oder positiven Freilaufpfad ausgewählt, die dann mit den mittels eines Kommutierungsverfahrens ermittelten Halbleiterschaltern eines bidirektionalen Leistungsschalters verglichen werden. Bei einer Übereinstimmung dieses Vergleichs wird der ausgewählte Halbleiterschalter angesteuert, der auch kommutierungsbedingt bestimmt ist. Wird keine Übereinstimmung zwischen freilauf- und kommunierungsbedingt zuschaltender Halbleiterschalter ermittelt, so werden die freilaufbedingt zu schaltenden Halbleiterschalter bidirektionaler Leistungsschalter einer jeden Matrixumrichterphase angesteuert.
  • Die Gefahr für falsche Messergebnisse ist im Bereich um den Spannungsnulldurchgang der verketteten Eingangsspannung des Matrixumrichters am größten. Bedingt durch diese fehlerhaften Spannungsmessungen kann es zu falschen freilaufbedingten Schalthandlungen kommen, wodurch freilaufbedingte Kurzschlüsse möglich sind. Mit diesem vorteilhaften Verfahren ist selbst bei einer solchen Ermittlung der Spannungsvorzeichen die Gefahr von Kurzschlüssen nicht mehr gegeben.
  • Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird mit Erreichen eines Bereiches positiven oder negativen Nulldurchgangs einer verketteten Eingangsspannung des Matrixumrichters das zuvor genannte vorteilhafte Verfahren sofort aktiviert, wobei die freilaufbedingt angesteuerten Halbleiterschalter, die vor diesem Bereich aktiv waren, für eine vorbestimmte Zeit aktiv bleiben. Somit wird ein Überlappungsbereich festgelegt, in dem beide Verfahren aktiv sind. Dadurch ist immer ein Freilauf geschaltet. Nachdem die Überlappungszeit abgelaufen ist, wird das zeitlich ältere Verfahren deaktiviert.
  • Mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform, bestehend aus den zuvor genannten Verfahren, werden während des Betriebes des Matrixumrichters Freilaufzweige kontinuierlich eingeschaltet, wobei diese in ihren Funktionen von den eingeschalteten Halbleiterschaltern bidirektionaler Leistungsschalter der Kommutierungssteuerung getrennt sind, damit ist immer ausschließlich eine Energiespeisung von der Lastseite in das speisende Netz gewährleistet. In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses Verfahren gegen Spannungsfehler, insbesondere im Nulldurchgang der verketteten Eingangsspannungen, robust.
  • Damit unnötige Schalthandlungen eliminiert werden können, werden die kommutierungsbedingten Schalthandlungen und die freilaufbedingten Schalthandlungen mittels eines ODER-Gliedes logisch miteinander verknüpft. Dadurch werden bereits durch die Kommutierungssteuerung eingeschaltete Schalter vor einer Abschaltung durch die Kommutierungssteuerung oder andere Abschaltursachen gesichert. Die zusätzlichen freilaufbedingten Schalter übernehmen während des normalen Betriebes des Ma trixumrichters keine stromführende Funktion. Sie sind derart eingeschaltet, dass beim Abschalten des Matrixumrichters ein Freilaufpfad für den Laststrom in jede Richtung gewährleistet ist. Dies ist notwendig, da plötzliches Sperren aller Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters zur Zerstörung der Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter durch Überspannung führen kann. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geschalteten Freilaufpfade ermöglichen einen kontinuierlichen Stromfluss zwischen einer Ausgangsphase und einem speisenden Netz, wobei der Strom gegen eine höhere Netzspannung getrieben wird.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Freilaufsteuerung schematisch veranschaulicht sind.
  • 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Matrixumrichters, wobei in der
  • 2 alle möglichen Kommutierungsschritte dieses Matrixumrichters dargestellt sind, die
  • 3 zeigte eine Phase eines Matrixumrichters mit kommutierungs- und freilaufbedingt zu schaltenden Halbleiterschaltern bidirektionaler Leistungsschalter, in der
  • 4 sind die Eingangsspannungen eines Matrixumrichter in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, wogegen in der
  • 5 ein Spannungsnulldurchgang einer verketteten Eingangsspannung näher dargestellt ist, die
  • 6 zeigt eine Phase eines Matrixumrichters mit einem freilaufbedingten Kurzschluss und die
  • 7 zeigt eine Phase eines Matrixumrichters ohne einen freilaufbedingten Kurzschluss, in der
  • 8 ist ein Blockschaltbild einer Kommutierungs- und Freilaufsteuerung einer Matrixumrichterphase dargestellt, und die
  • 9 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Realisierung einer Kommutierungs- und Freilaufsteuerung einer Matrixumrichterphase nach 8.
    •
  • In der 1 ist ein Ersatzschaltbild eines dreiphasigen Matrixumrichters 2 näher dargestellt. Dieser dreiphasige Matrixumrichter 2 weist neun bidirektionale Leistungsschalter 4 auf, die in einer 3×3-Schaltermatrix 6 angeordnet sind. Durch die Anordnung der neun bidirektionalen Leistungsschalter 4 in einer 3×3-Schaltermatrix 6 kann jede Ausgangsphase X, Y, Z an eine beliebige Eingangsphase U, V, W geschaltet werden. An den Ausgangsphasen X, Y, Z des Matrixumrichters 2 ist eine induktivitätsbelastete Last 8 angeschlossen. Die Eingangsphasen U, V und W sind mit einem LC-Filter 10 verknüpft, das eingangsseitig mit einem nicht näher dargestellten Netz verbunden ist. Dieses LC-Filter 10 weist Induktivitäten 12 und Kondensatoren 14 auf. Diese Kondensatoren 14 sind hier in Stern geschaltet, wobei eine Dreieckschaltung auch möglich ist. Die Induktivitäten 12 sind in den Zuleitungen zu den Kondensatoren 14 angeordnet, so dass deren Ladeströme geglättet werden. Eine Phase dieses Matrixumrichters 2 weist drei bidirektionale Leistungsschalter 4 auf, die eine Ausgangsphase X bzw. Y bzw. Z mit den Eingangsphasen U, V und W verbinden können. Diese Matrixumrichter-Phase weist eine 3×1-Schaltermatrix auf.
  • In der 3 ist eine derartige Phase des Matrixumrichters 2 näher dargestellt. Wie man dieser Figur entnehmen kann, weist jeder bidirektionale Leistungsschalter 4 zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter S1P und S1N auf, denen jeweils eine Diode D1N und D1P antiparallel geschaltet sind. Bei den dargestellten Halbleiterschaltern S1P, S1N; S2P, S2N und S3P, S3N handelt es sich um Insultated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT). Die antiparallel geschalteten Dioden D1P, D1N; D2P, D2N und D3P, D3N sind jedes Mal Bestandteil der zugehörigen IGBT-Module. Jeder Halbleiterschalter S1P, S1N; S2P, S2N und S3P, S3N der bidirektionalen Leistungsschalter 4 einer Phase des Matrixumrichters 2 kann einzeln und unabhängig angesteuert werden. Von einem bidirektional eingeschalteten Schalter wird gesprochen, wenn beide Halbleiterschalter S1P, S1N bzw. S2P, S2N bzw. S3P, S3N eines bidirektionalen Leistungsschalters 4 eingeschaltet sind. Ist nur einer der beiden Halbleiterschalter S1P, S1N bzw. S2P, S2N bzw. S3P, S3N eines bidirektionalen Leistungsschalters 4 angesteuert, so spricht man von einem unidirektional eingeschalteten Schalter.
  • Wird von einem bidirektionalen Leistungsschalter 4 nur ein Halbleiterschalter geschlossen und fließt in diesem aufgrund eines anderen zu dieser Phase geschlossenen bidirektionalen Leistungsschalters 4 kein Strom, so wird dieser Pfad als zusätzlicher Freilauf bezeichnet. Ermöglicht dieser zusätzlich geschaltete Pfad einen Stromfluss in positiver Richtung (positiver Strom: Netz → Last) so handelt es sich um einen positiven Freilauf. Ist der Stromfluss in negativer Richtung möglich, handelt es sich um einen negativen Freilauf. Auf den normalen Betrieb haben diese Schaltzustände keinen Einfluss. Werden die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter abgeschaltet, wirken sich die zusätzlichen Halbleiterschalter positiv aus. Sie bilden einen Freilauf für den Laststrom. Die in der Last gespeicherte Energie kann ins speisende Netz rückgespeist werden.
  • Unter der Annahme, dass alle in 3 eingezeichneten Spannungen UUV, UVW und UWU in Pfeilrichtung positiv und der bidirektionale Leistungsschalter 4 der Phase V bidirektional geschlossen ist, ergeben sich nach der oben beschriebenen Definition folgende Freilaufmöglichkeiten.
    • – Der Halbleiterschalter S1N kann als negativer Freilauf eingeschaltet werden.
    • – Der Halbleiterschalter S3P kann als positiver Freilauf eingeschaltet werden.
  • In der 3 sind die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P und S2N dick und die freilaufbedingten Halbleiterschalter S1N und S3P gestrichelt eingezeichnet.
  • Solange die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P, S2N eingeschaltet sind, ist die Last über den bidirektionalen Leistungsschalter 4 elektrisch mit der Phase V verbunden. Werden die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P, S2N abgeschaltet, wird durch die freilaufbedingten Halbleiterschalter S1N oder S3P ein weiterer Stromfluss ermöglicht. Fließt der Laststrom von der Netz- zur Lastseite (in Strompfeilrichtung) so besteht über den positiven Freilauf S3P ein weiterer Strompfad. Bei einem Laststrom von der Last zur Netzseite (entgegen Strompfeilrichtung) wird über den Halbleiterschalter S1N ein negativer Freilaufpfad ermöglicht.
  • Die Vorzeichen der verketteten Eingangsspannung UUV, UVW und UWU ändern sich während einer Netzperiode. Es müssen verschiedene Schalter als Freilauf eingeschaltet werden. In der jeweils positivsten Eingangsphase U, V oder W wird der Schalter S1N, S2N oder S3N, der einen negativen Strom führen kann (negativer Freilauf) eingeschaltet. In der negativsten Phase U, V oder W wird der Schalter S1P, S2P oder S3P, der einen positiven Strom führen kann (positiver Freilauf), eingeschaltet. In der folgenden Tabelle sind die freilaufbedingten Schalter in Abhängigkeit von den in der 4 gezeigten Leiterspannungen UU, UV und UW aufgeführt.
  • Figure 00150001
  • Gemäß dieser Tabelle wird für die Ermittlung von freilaufbedingt zu schaltenden Halbleiterschalter jeweils die positivste und negativste Leiterspannung UU, UV und UW des speisenden Netzes benötigt. Um den Aufwand für die Messtechnik und die Spannungsvorzeichenerfassung nicht unnötig zu vergrößern, soll dieser auf ein vertretbares Maß reduziert werden. Um die Leiterspannungen direkt messen zu können, müsste ein künstlicher Sternpunkt gebildet werden. Bei spannungsorientierten Kommutierungsverfahren werden verkettete Spannung verwendet. Die Messung einer verketteten Spannung ist relativ einfach und sicher zu messen. Es sind drei Messungen nötig.
  • Wie man aus den gemessenen verketteten Eingangsspannungen des Matrixumrichters zu den größten bzw. kleinsten Leiterspannungen kommen kann, zeigen zwei Verfahren. Beim ersten Verfahren wird der Betrag der größten verketteten Spannung und die Vorzeichen der drei verketteten Spannungen als Eingangsinformation verwendet. Mit diesen Informationen und einer Auswahlmatrix erhält man die positivste und negativste Leiterspannung. Ist das Vorzeichen der größten verketteten Spannung UUV positiv, so ist die Leiterspannung UU die positivste und die Leiterspannung UV die negativste Leiterspannung. Ist das Vorzeichen jedoch negativ, so ist die Leiterspannung UU die negativste und die Leiterspannung UV die positivste Leiterspannung.
  • Bei einem zweiten Verfahren werden nur die Vorzeichen der drei gemessenen verketteten Spannungen als Eingangsinformation verwendet. Um aus diesen Eingangsinformationen die positivste und negativste Leistungsspannung zu ermitteln, ist die folgende Tabelle
    Figure 00170001
    hinterlegt. Da beim zweiten Verfahren ausschließlich die Vorzeichen der gemessenen verketteten Spannungen als Eingangssignale benötigt werden, ist dieses Verfahren eine bevorzugte Ausführungsform zur Ermittlung von Leiterspannungen.
  • In der 5 ist ein Ausschnitt aus dem Diagramm der 4 näher dargestellt, bei dem sich die Spannungen UU und UV bei jeweils positivem Vorzeichen schneiden. Im Bereich des Schnittpunktes geht die verkettete Spannung UUV gegen Null. In den mit I und IV bezeichneten Abschnitten ist das Vorzeichen der verketteten Spannung UUV meßtechnisch genau erfassbar. Im Abschnitt I wird der Halbleiterschalter S1N als negativer Freilauf geschaltet, wobei im Abschnitt IV der Halbleiterschalter S2N als negativer Freilauf geschaltet wird. In den Abschnitten II und III ist die verkettete Spannung UUV sehr niedrig. Eine richtige Erfassung des Vorzeichen wird schwierig. Unter der Annahme, dass das Vorzeichen richtig erfasst wird, sind nach der vorgenannten Tabelle folgende Schalter eingeschaltet:
    Abschnitt II: S1N
    Abschnitt III: S2N
  • Bei dieser Schalterstellung gibt es bezüglich freilaufbedingter Kurzschlüsse keine Probleme. Wird das Vorzeichen der verketteten Spannung UUV in diesen Abschnitten II und III falsch gemessen, so werden folgende Halbleiterschalter als Freilauf eingeschaltet.
    Abschnitt II: S2N
    Abschnitt III: S1N
  • Ist im Abschnitt II der aus den Halbleiterschaltern S1P und S1N gebildete bidirektionale Leistungsschalter 4 zugeschalten, kann es zu Kurzschlüssen der Eingangsphasen durch die freilauf- und kommutierungsbedingten Halbleiterschalter kommen.
  • Sind zusätzliche zu den freilaufbedingten Halbleiterschaltern auch noch die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter beispielsweise im stationären Fall der Phase V eingeschaltet, so gelangt man zu den in der 6 eingezeichneten Schalterstellungen. Kommutierungsbedingt sind die Halbleiterschalter S2P, S2N eingeschaltet. Bei positiv eingezeichneter verketteter Spannung UVU müsste der Halbleiterschalter S2N als Freilauf geschaltet werden. Wurde jedoch die Spannung falsch gemessen, ist der Halbleiterschalter S1N als Freilauf geschaltet. Über den kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P und den freilaufbedingten Halbleiterschalter S1N werden die Phasen U und V miteinander verbunden. Es entsteht ein freilaufbedingter Kurzschlussstrom. Die den Kurzschlussstrom treibende Spannung ist sehr gering. Aufgrund der Fehlmessungen der Eingangsspannung kann der Kurzschluss relativ lange andauern. Der Kurzschluss wird bei größeren verketteten Spannungen UVU aufgehoben, da dann die Spannungserfassung wieder richtige Ergebnisse liefert.
  • Im Hinblick auf die Bauteilebelastung sind solche Kurzschlüsse zu vermeiden. Aus diesem Grund ist das erfindungsgemäße Freilaufverfahren derart modifiziert, dass das erfindungsgemäße Freilaufverfahren auch bei kleiner verketteter Spannung zuverlässig arbeitet. Dieses modifizierte erfindungsgemäße Freilaufverfahren findet seine Anwendung nur im Bereich der Nulldurchgänge der verketteten Spannungen. Auch bei diesem modifizierten Verfahren werden wieder zusätzliche Pfade eingeschaltet. Befindet sich eine verkettete Spannung im Bereich +/– einige Volt, so sind zwei unidirektionale Leistungsschalter 4 direkt mit dieser verketteten Spannung verbunden. Ein bidirektionaler Leistungsschalter 4 ist mit den verketteten Spannungen verbunden, die nicht im +/– einige Volt-Bereich liegen.
  • Abhängig von der Art des Nulldurchgangsbereichs (positiv/negativ) werden Pfade für den Freilauf vorgeschlagen. Liegt der Nulldurchgangsbereich an einer negativen Leiterspannung, so werden die beiden positiven Pfade der mit diesen Spannungen verbundenen bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 vorgeschlagen. Im anderen Fall liegt der Nulldurchgangsbereich an einer positiven Leiterspannung, wodurch die negativen Pfade der beteiligten bidirektionalen Leistungsschalter 4 vorgeschlagen werden.
  • Mit einer zweiten Bedingung wird überprüft, welcher der vorgeschlagenen Pfade aus der ersten Bedingung bereits durch die Kommutierungssteuerung einzuschalten sind. Ist dies bei einem oder beiden der vorgeschlagenen Pfade der Fall, so werden die Pfade für die beide Bedingungen erfüllt werden, als Freilauf eingeschaltet. Eine Ausnahme bildet hierbei der Zustand, bei dem keiner der beiden möglichen Pfade durch die Kommutierungssteuerung einzuschalten sind. In diesem Fall werden beide vorgeschlagenen Pfade aus der oben genannten ersten Bedingung eingeschaltet.
  • In der nachfolgenden Tabelle wird gezeigt, wie man aufgrund der zwei beschriebenen Bedingungen die freilaufbedingten Halbleiterschalter auswählt.
  • Figure 00190001
  • Der Vorteil des modifizierten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung positiver und negativer Freilaufpfade liegt darin, dass keine zusätzlichen spannungsabhängigen Halbleiterschalter eingeschaltet werden. Die Ermittlung der Halbleiterschalter für die erste Bedingung ist sehr zuverlässig. Für die zweite Bedingung sind keine zusätzlichen Messungen erforderlich. Es werden die Daten der Kommutierungslogik übernommen und nur Pfade eingeschaltet, die ohne hin schon kommutierungsbedingt einzuschalten sind. Es kann zu keinen Kurzschluss durch die freilaufbedingten Halbleiterschalter kommen.
  • Eine Ausnahme bildet hier der Fall, wenn beide (nach der ersten Bedingung) vorgeschlagenen Pfade eingeschaltet werden, obwohl kein kommutierungsbedingter Pfad im Nulldurchgangsbereich geschaltet ist. Auch hier kann es zu keinem Kurzschluss kommen, da sich der zweite für den netzseitigen Kurzschluss notwendige bedingte in Richtung der an de Kommutierungsgruppe anliegenden Spannung orientierte Halbleiterschalter nicht in diesem Gefahrenbereich befindet.
  • Auch bei einer falschen Ermittlung der Spannungsvorzeichen ist die Gefahr von Kurzschlüssen bei diesem Verfahren nicht mehr gegeben.
  • In der 7 ist eine Phase des Matrixumrichters 2 nach der 1 dargestellt, bei dem die Freiläufe anhand des modifizierten erfindungsgemäßen Freilaufverfahren ermittelt werden. Es werden folgende Zustände angenommen:
    • – stationärer Zustand Phase U → Halbleiterschalter S1P, S1N sind eingeschaltet
    • – Vorzeichen der verketteten Spannung UUV positiv, die verkettete Spannung UUV ist im Bereich +/–10 V
    • – Vorzeichen der verketteten Spannung UVW positiv
    • – Vorzeichen der verketteten Spannung UWU negativ
  • Aus diesen Ausgangsbedingungen folgt, dass der bidirektionale Leistungsschalter 4, der an der Leiterspannung UW liegt, nicht im Bereich +/–10 V der verketteten Spannung liegt. Die betreffenden Halbleiterschalter sind S3P und S3N. Da die Leiterspannung UW negativ ist, wird der Halbleiterschalter S3P nach den Bedingungen des erfindungsgemäßen Freilaufverfahrens eingeschaltet.
  • Für den Nulldurchgangsbereich müssen die genannten zwei Bedingungen erfüllt werden.
  • Erste Bedingung:
  • Die um diesen Nulldurchgang relevanten Halbleiterschalter sind S1P, S1N und S2P, S2N. Die Leiterspannungen UU und UV sind positiv. Es werden deshalb negative Freiläufe benötigt. Diese negativen Freiläufe können durch die Halbleiterschalter S1N und S2N geschaltet werden. Um eine Schalthaltung durchzuführen muss jedoch noch die zweite Bedingung erfüllt werden.
  • Zweite Bedingung:
  • Durch die Kommutierungssteuerung sind die Halbleiterschalter S1P und S1N eingeschaltet. In der ersten Bedingung werden die Halbleiterschalter S1N und S2N vorgeschlagen. Aus der ersten und der zweiten Bedingung folgt nun, dass der Halbleiterschalter S1N zusätzlich eingeschaltet werden kann. Somit ist der Halbleiterschalter S1P kommutierungsbedingt eingeschaltet, wogegen der Halbleiterschalter S1N kommutierungs- und freilaufbedingt eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter S3P freilaufbedingt eingeschaltet ist.
  • Um zwischen dem einfachen Freilaufverfahren und dem modifizierten Freilaufverfahren nach der Erfindung wechseln zu können, müssen die jeweiligen Bedingungen festgelegt werden. Es werden Bereiche definiert, bei denen sich die netzseitigen verketteten Spannungen in Nulldurchgang befinden (modifiziertes Freilaufverfahren) und solche, bei denen keine der verketteten Spannungen im Nulldurchgangsbereich sind (einfaches Freilaufverfahren). Ein Nulldurchgangsbereich liegt immer dann vor, wenn sich eine der verketteten Spannungen im Bereich von –10 V bis +10 V befindet. Bei den Bereichen 2, 6, 10 der 4 handelt es sich um positive Nulldurchgangsbereiche. Die Bereiche 4, 8 und 12 dieser 4 sind negative Nulldurchgangsbereiche. Liegen alle verketteten Spannungen außerhalb dieser Bereiche, so befindet sich der Matrixumrichter im Betrieb "außerhalb der Nulldurchgänge". Die entsprechenden Bereiche sind in der 4 mit den Ziffern 1, 3, 5, 7, 9 und 11 beschriftet.
  • Für die Entscheidung, ob besondere Schalthandlungen aufgrund eines Nulldurchgangs ausgeführt werden müssen, ist es zunächst nicht von Bedeutung, welche der verketteten Spannungen sich im Nulldurchgang befindet. Es ist nur das Vorhandensein eines Nulldurchgangs in einer der drei Eingangsspannungen ausschlaggebend. während einer Netzperiode befindet sich eine verkettete Spannung jeweils einmal im positiven und einmal im negativen Nulldurchgangsbereich. Bei drei verketteten Eingangsspannungen ergibt sich insgesamt sechs Bereiche pro Periode, zu denen ein Nulldurchgangsbereich vorliegt.
  • Am Anfang und am Ende der Bereiche +/–10 V findet der Wechsel zwischen den Bedingungen für die zusätzlichen Halbleiterschalter statt. Es wird zwischen dem einfachen erfindungsgemäßen Freilaufverfahren und dem modifizierten erfindungsgemäßen Freilaufverfahren umgeschaltet. Bei einem solchen Zustandswechsel ist, wie während eines Kommutierungsvorgangs darauf zu achten, dass es zu keiner Unterbrechung des Strompfades kommt. Der neue Halbleiterschalter muss eingeschaltet werden, bevor der alte Halbleiterschalter abgeschaltet wird. Beim Wechsel zwischen den Verfahren muss eine Überlappung beider Verfahren vorliegen, damit der Freilaufweg unter keinen Umständen unterbrochen wird. Um die Überlappung zu ermöglichen, wird beim Erreichen eines Bereiches +/–10 V das modifizierte Freilaufverfahren sofort aktiviert. Die Halbleiterschalter, die vorher aktiv waren, bleiben ebenfalls noch für eine vorbestimmte Zeit eingeschalten. Beide Verfahren sind in diesem Zeitraum aktiv und es ist immer ein Freilauf geschaltet. Nach Ablauf der Überlappungszeit kann das einfache Freilaufverfahren deaktiviert werden. Das modifizierte Freilaufverfahren ist jetzt voll funktionstüchtig. Nach dem gleichen Prinzip bleiben beim Verlassen eines Bereiches +/–10 V die Halbleiterschalter für diesen Bereich noch für eine einstellbare Zeit aktiv, während die Halbleiterschalter für den Bereich außerhalb dieses Bereiches sofort aktiviert werden.
  • In der 8 ist ein Blockschaltbild einer Kommutierungs- und Freilaufsteuerung 16 für eine Matrixumrichterphase X dargestellt. Diese Steuerung 16 weist eine Kommutierungssteuerung 18, eine vorteilhafte Freilaufsteuerung 20, eine Einrichtung 22 zur Ermittlung einer negativsten und positivsten Leiterspannung, eine Einrichtung 24 zur Ermittlung von Nulldurchgängen verketteter Spannungen UUV, UVW und UWU und einem ODER-Glied 26 auf.
  • Die vorteilhafte Freilaufsteuerung 20 ist unterteilt in eine Einrichtung 28 und 30 zur Ermittlung von Freiläufen innerhalb und außerhalb von Nulldurchgängen von verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU.
  • An den Einrichtungen 22 und 24 stehen jeweils die gemessenen verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU des Matrixumrichters 2 an. Die Einrichtung 22 ermittelt aus diesen gemessenen verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU jeweils eine negativste und eine positivste Leiterspannung UU, UV und UW. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Einrichtung 22 weist eine Tabelle auf, die jeweils die Zuordnung der Vorzeichen der gemessenen verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU und der negativsten und positivsten Leiterspannungen UU, UV und UW wiedergibt. Diese ermittelten zwei Leiterspannungen werden den beiden Einrichtungen 28 und 30 zur Ermittlung von Freiläufen zugeführt. Die Kommutierungssteuerung 18 erhält von der Einrichtung 22 ein Vorzeichensignal SVZ der gemessenen verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU und von einem übergeordneten Steuersatz ein Sollschaltzustands-Signal SSch. Die Einrichtung 24 zur Ermittlung von Nulldurchgängen der gemessenen, verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU ist ausgangsseitig jeweils mit einem Eingang der Einrichtungen 28 und 30 verknüpft. Eingangsseitig stehen an der Einrichtung 24 die gemessenen, verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU des Matrixumrichters 2 an. An zwei weiteren Eingängen dieser Einrichtung 24 steht jeweils ein positiver und ein negativer Referenzspannungswert +Uref und –Uref an. Diese beiden Referenzspannungswerte +Uref und –Uref haben beispielsweise einen Betragswert von 10 V.
  • Die Einrichtung 28 zur Ermittlung von Freiläufen innerhalb von Nulldurchgängen der verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU ist eingangsseitig außerdem mit einem Ausgang der Kommutierungssteuerung 18 verknüpft. Das ausgangsseitig angeordnete ODER-Glied 26 ist eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang der Kommutierungssteuerung 18 und den Einrichtungen 28 und 30 der bevorzugten Freilaufsteuerung 20 verbunden. Am Ausgang dieses ODER-Gliedes 26 stehen die Schaltsignale SX der Halbleiterschalter S1P, S1N, S2P, S2N und S3P, S3N der Phase X des Matrixumrichters 2 an. Zur Generierung von Schaltsignalen SY und SZ sind ebenfalls jeweils eine Kommutierungs- und Freilaufsteuerung 16 vorgesehen.
  • Die Realisierung dieser dargestellten Kommutierungs- und Freilaufsteuerung 16 erfolgt in einem programmierbaren Logikbaustein.
  • Die Kommutierungssteuerung 18 entscheidet, welche Halbleiterschalter S1P, S1N, S2P, S2N oder S3P, S3N der bidirektionalen Leistungsschalter 4 der Phase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2 zum normalen Betrieb des Matrixumrichters 2 eingeschaltet werden müssen. Mittels des normalen Betriebes werden die gewünschten Ausgangsspannungen UX, UY, UZ des Matrixumrichters 2 erzeugt. Als eine Eingangsgröße dient hier das Sollzustands-Signal SSch, das angibt, mit welcher Eingangsphase U, V, W die Ausgangsphase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2 verbunden werden soll. Das Signal SSch für eine Matrixumrichterphase wird beispielsweise mittels eines Pulsweitenmodulators eines übergeordneten Steuersatzes generiert. Außerdem ist die Information über das Vorzeichen der verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU notwendig, die mittels des ermittelten Spannungsvorzeichen-Signals SVZ zugeführt sind.
  • Von der bevorzugten Freilaufsteuerung 20 werden die Freiläufe des Matrixumrichters 2 geschaltet. Hierzu sind die Bereiche der Nulldurchgänge der gemessenen, verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU und jeweils die negativste und positivste Leiterspannung notwendig. Außerdem werden für die Bestimmung der Bereiche der Nulldurchgänge der gemessenen, verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU die positive und die negative Referenzspannungswerte +Uref und –Uref benötigt. Ferner wird das Ausgangssignal SK der Kommutierungssteuerung 18 gebraucht, dass die Information über die Halbleiterschalter S1P, S1N, S2P, S2N und S3P,S3N der bidirektionalen Leistungsschalter 4 einer Phase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2, die schon aufgrund der Kommutierungssteuerung 18 eingeschaltet werden sollen.
  • Das von der Kommutierungssteuerung 18 erzeugte Signal SK und die von den Einrichtungen 28 und 30 der bevorzugten Freilaufsteuerung 20 generierten Signale SFN und SF werden mittels des ODER-Gliedes 26 logisch verknüpft, an dessen Ausgang das Steuersignal SX bzw. SY bzw. SZ für die Halbleiterschalter S1P, S1N, S2P, S2N und S3P, S3N der bidirektionalen Leistungsschalter 4 der Phase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2 anstehen.
  • In der 9 ist eine mögliche Realisierung der Kommutierungs- und Freilaufsteuerung 16 einer Phase X, Y oder Z des Matrixumrichters 2 nach 8 näher dargestellt. Diese unterscheidet sich vom Blockschaltbild der 8 dadurch, dass eine Signalfreigabe 32, eine Verriegelungseinrichtung 34 und eine Abschaltsteuerung 36 vorgesehen sind. Ferner sind Filter 38 vorgesehen. Die Kommutierungssteuerung 18 weist einen weiteren Ausgang auf, an dem ein Signal SK1 ansteht. Dieses Signal SK1 zeigt an, ob sich der Matrixumrichter 2 in einem stationären Zustand befindet. Findet eine Kommutierung statt, so ist der Matrixumrichter 2 nicht in einem stationären Zustand, wodurch die Signalfreigabe 32 deaktiviert wird. Dadurch werden die Eingangssignale der Signalfreigabe 32 nicht mehr für die Ermittlung seiner Ausgangssignale verwendet. Die letzten gültigen Ausgangssignale werden ausgegeben. Ist die Kommutierung beendet, tritt wieder ein stationärer Zustand ein und die Signalfreigabe 32 ist wieder aktiv. Die anstehenden aktuellen Eingangssignale werden wieder für die Ermittlung der Ausgangssignale verwendet.
  • Die Signalfreigabe 32 ist vorgesehen, damit Fehler in der Messwerterfassung während eines Kommutierungsvorgangs ausgeschlossen werden. Während eines Kommutierungsvorgangs findet Schalthandlungen statt. Bedingt durch diese Schalthandlungen kann es zu Veränderungen der Leiterspannungen UU, UV oder UW kommen (Schaltspitzen, Oberschwingungen). Diese Veränderungen der Leiterspannungen UU, UV oder UW können mitgemessen werden, die zu verfälschten Messgrößen führen können. Damit diese verfälschten Messgrößen nicht weiterverarbeitet werden, werden die Messsignale für die Dauer eines Kommutierungsvorgangs "eingefroren". Nach Beendigung der Kommutierung gibt es keine Schaltspitzen mehr, so dass die Messsignale wieder direkt weitergeleitet werden.
  • Das Abschalten des Matrixumrichters 2 wird durch die Abschaltsteuerung 36 durchgeführt. Es wird zwischen kontrollierten Abschalten und Notabschalten unterschieden. Beim Notabschalten werden sofort die kommutierungs- und freilaufbedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 gleichzeitig abgeschaltet. Dieser Abschaltung führt mit großer Wahrscheinlichkeit zu Überspannungen, die eine Zerstörung der Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 zur Folge haben kann. Diese Notabschaltung sollte deshalb nur bei einem Matrixumrichter stattfinden, der eine Überspannungsschutzvorrichtung aufweist.
  • Beim kontrollierten Abschalten werden die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 mittels eines Abschaltsignals SAK sofort abgeschaltet. Durch die geschalteten Freiläufe kann sich der Laststrom kontrolliert abbauen. Es kommt daher zu keinen Überspannungen an den Halbleiterschaltern. Nachdem der Strom zu Null geworden ist, werden die freilaufbedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 mittels eines Abschaltsignals SAF ebenfalls geöffnet. Dieses kontrollierte Abschalten wird bei einem Abschaltsignal SAUS von außen, beim Abschalten durch einen Sollschaltzustand (1, 1, 1), bei Fehlern in der Vorzeichenerfassung und bei Fehlern in der Nulldurchgangserfassung, die jeweils durch ein Signal SIF gekennzeichnet sind, eingeleitet.
  • Mit der bevorzugten Freilaufsteuerung 20, die zusätzlich zur Kommutierungssteuerung 18 Einschaltbefehle für vorbestimmte Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 erzeugt, werden Überspannungen beim Abschalten des Matrixumrichters 2 verhindert. Durch diese bevorzugte Freilaufsteuerung 20 wird beim Abschalten der kommutierungsbedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 ein kontinuierlicher Stromfluss des in der Last abfließenden Stromes gewährleistet.
  • Durch die Parallelität von Kommutierungs- und Freilaufsteuerung 18 und 20 ist eine funktionale Trennung zwischen Halbleiterschaltern, die zur Steuerung eingeschaltet sind, und von Halbleiterschaltern, die zum Umrichterschutz eingeschaltet werden, möglich. Im Fehler- oder Abschaltfall ist ein zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung des Matrixumrichters 2 möglich. Außerdem ist die Freilaufsteuerung 20 gegen Spannungsmessfehler, insbesondere im Nulldurchgang der verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU robust.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Steuerung von positiven oder negativen Freilaufpfaden jeweils in einer Phase (X, Y, Z) eines Matrixumrichters (2) mit neun in einer 3×3-Schaltermatrix (6) angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern (4), die jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter (S1P, S1N, S2P, S2N, S3P, S3N) aufweisen, wobei kontinuierlich jeweils ein bidirektionaler Leistungsschalter (4) einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z) bestimmt wird, an dem eine negativste oder eine positivste Leiterspannung (UU, UV, UW) ansteht, und wobei in jedem Schaltzustand des Matrixumrichters jeweils ein Halbleiterschalter (S1P, S1N, S2P, S2N, S3P, S3N) dieser beiden bestimmten bidirektionalen Leistungsschalter (4) für einen positiven und einen negativen Freilaufpfad angesteuert wird, der einen positiven oder einen negativen Laststrom führen kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem Bereich eines positiven oder negativen Nulldurchgangs einer verketteten Eingangsspannung (UUV, UVW, UWU) Halbleiterschalter (S1P, S1N, S2P, S2N, S3P, S3N) der beiden am Nulldurchgang beteiligten bidirektionalen Leistungsschalter (4) für einen negativen oder positiven Freilaufpfad ausgewählt werden, wobei diese beiden ausgewählten Halbleiterschalter mit mittels eines Kommutierungsverfahrens ermittelten Halbleiterschaltern derart verglichen werden, dass bei einer Übereinstimmung der entsprechend ausgewählte Halbleiterschalter angesteuert wird und dass bei keiner Übereinstimmung beide ausgewählten Halbleiterschalter angesteuert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mit Erreichen eines Bereiches positiven oder negativen Nulldurchganges einer verketteten Eingangsspannung (UUV, UVW, UWU) das Verfahren der Ermittlung freilaufbedingter zu steuernder Halbleiterschalter bidirektionaler Leistungsschalter (4) jeweils einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z) nach dem Verfahren nach Anspruch 2 sofort aktiviert wird, und wobei die freilaufbedingt angesteuerten Halbleiterschalter bidirektionaler Leistungsschalter (4) jeweils einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z), die nach dem Verfahren nach Anspruch 1 ermittelt werden, für eine vorbestimmte Zeit eingeschalten bleiben.
  4. Verfahren nach einem der zuvor genannten Ansprüche 1 bis 3, wobei verkettete Eingangspannungen (UUV, UVW, UWU) des Matrixumrichters (2) gemessen werden, wobei deren Polarität ermittelt werden und wobei in Abhängigkeit dieser ermittelten Polaritäten der verketteten Eingangsspannungen jeweils eine positivste und negativste Leiterspannung (UU, UV, UW) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gemessenen, verketteten Eingangsspannungen (UUV, UVW, UWU) des Matrixumrichters (2) jeweils amplitudenmäßig derart mit einem positiven oder negativen Referenzwert (+Uref, –Uref) verglichen wird, dass bei Unter- oder Überschreitung der Referenzwerte (+Uref, –Uref) jeweils ein Aktivierungs-Signal generiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ermittlung einer positivsten und negativsten Leiterspannung (UU, UV, UW) des Matrixumrichters (2) in Abhängigkeit der ermittelten Polaritäten der gemessenen, verketteten Eingangsspannungen (UUV, UVW, UWU) des Matrixumrichters (2) mittels einer hinterlegten Tabelle erfolgt.
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