EP1273092A1

EP1273092A1 - Verfahren zur steuerung von freilaufpfaden bei einem matrixumrichter

Info

Publication number: EP1273092A1
Application number: EP01919214A
Authority: EP
Inventors: Manfred Bruckmann; Marco Kaiser; Hubert Schierling; Olaf Simon; Christian Briesen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2003-01-08
Also published as: DE10016230A1; WO2001076050A1; US20030112640A1; US6603647B2; DE10016230B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von kontinuierlich vorhandenen positiven oder negativen Freilaufpfaden jeweils in einer Phase (X, Y, Z) eines Matrixumrichters (2) mit neun in einer 3x3-Schaltermatrix (6) angeordneter bidirektionaler Leistungsschalter (4), die jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschalter (S1P, S1N; S2P, S2N; S3P, S3N) aufweisen. Erfindungsgemäss wird jeweils ein bidirektionaler Leistungsschalter (4) einer Matrixumrichterphase (X, Y, Z) bestimmt, an dem eine negativste oder positivste Leiterspannung (UU, UV, UW) ansteht, und wird jeweils ein Halbleiterschalter (S1P, S1N; S2P, S2N; S3P, S3N) dieser beiden bestimmten bidirektionaler Leistungsschalter (4) für einen positiven oder negativen Freilaufpfad angesteuert, der einen positiven oder negativen Laststrom führen kann. Somit ist im Fehler- oder Abschaltfall des Matrixumrichters (2) ein zeitlich verzögerungsfreies Abschalten ohne Zerstörung des Matrixumrichters (2) möglich.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Steuerung von Freilaufpfaden bei einem Matrixumrichter

Die Erfindung bezieht sich a f ein Verfahren zur Steuerung von positiven oder negativen Freilaufpfaden jeweils in einer Phase eines Matrixu richters mit neun in einer 3x3 -Schaltermatrix angeordneten bidirek ionalen 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 3x3 -Schaltermatrix kann jeweils eine der drei Ausgangsphasen des Matrixumrichters elektrisch mit einer Eingangsphase verbunden werden. Eine Phase des Matri- xumrichters 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 3x1- Schaltermatrix bezeichnet. Der Matrixumrichter benötigt kei- nen Zwischenkreis. Der selbstgeführte Direktumrichter bietet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rückspeise- fähig 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 Insula- ted-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet, die jeweils eine antiparallele Diode aufweisen. Derartig ausgebildete bi- direktionale Leistungsschalter werden vorzugsweise bei Umrichtern für kleine und mittlere Leistungen verwendet. Durch die Ansteuerung dieser Halbleiterschalter der bidirektionalen ) _o t H-^»

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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 Kommutie- rungsvorgangs immer ein Pfad für beide Ξtromwege vorhanden ist .

In der FIG 2 sind alle möglichen Kommutierungsschritte graphisch dargestellt. Insgesamt gibt es 22 verschiedene Schalt- handlungen, 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 stationä- ren Zustand zum nächsten, so besteht keine Möglichkeit, umzukehren. Diese "Einbahnstrassenregelung" ist notwendig um keine Undefinierten Zustände und Reaktionen zu erhalten. L > to υ μ> H-¹

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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 Freilaufdioden- ventile (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 Halbleiter- Schalter 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 Freilauf fade 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 Veröf entlichung "Semi Natural two Steps commutation strategy for maπrix Converters", M. Ziegler, W. Hofmann,

PESC 98, Seiten 727 bis 731, ist eine Zwei-Schritt-Kommutierungsstrategie für einen Matrixumrichter bekannt, die span- nungsorientier" ist. Ausgangspunkt dieses Steuerverfahrens ist die Erfassung aktueller 60°-Intervalle . Ein Intervall be- ginnt 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 Hauptzu- stände 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 ge- schlössen. 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 3x3-Matrixum- richters 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 Matrixumrich- ters 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 Veröf entlichung vorgestellte Verfahren ist außerdem als nationale Patentanmeldung 197 46 797 veröffentlicht.

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 An- spruchs 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 Kommutierungs- steuerung zur jederzeit im Matrixumrichter ein Strompfad, der einen kontinuierlichen Stromfluss der in einer Lastinduktivi- tät fließenden Stromes gewährleistet. Das heißt, eine Ener- gierückspeisung 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 Halb- leiterschalter 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 mittels eines KommutierungsVerfahrens ermittelten Halbleiterschalter bidirektionaler Leistungsschalter 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 er- mittelt, 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 Matrixum- richters Freilaufzweige kontinuierlich eingeschaltet, wobei diese in ihren Funktionen von den eingeschalteten Halbleiterschalter bidirektionaler Leistungsschalter der Kom utierungs- steuerung getrennt sind, damit ist immer ausschließlich eine Energiespeisung von der Lastseite in das speisende Netz ge- währleistet. In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses Verfahren gegen Spannungs- fehler, 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 eingeschalteten Schalter vor einer Abschaltung durch die KommutierungsSteuerung oder andere Ab- schaltursachen 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. Es ist notwendig, da plötzliches Sperren aller Halblei- terschalter der bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters zur Zerstörung der Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter durch Überspannung kommen 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 erfin- dungsgemäßen Freilaufsteuerung schematisch veranschaulicht sind.

FIG 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Matrixumrichters, wobei in der FIG 2 alle möglichen Kommutierungsschritte dieses Matrixum- richters dargestellt sind, die FIG 3 zeigte eine Phase eines Matrixumrichters mit kommu- tierungs- und freilaufbedingt zu schaltenden Halblei- terschaltern bidirektionaler Leistungsschalter, in der IG 4 sind die Eingangsspannungen eines Matrixumrichter in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, wogegen in der IG 5 ein Spannungsnulldurchgang einer verketteten Ein- gangsspannung näher dargestellt ist, die IG 6 zeigt eine Phase eines Matrixumrichters mit einem freilaufbedingten Kurzschluss und die IG 7 zeigt eine Phase eines Matrixumrichters ohne einen freilaufbedingten Kurzschluss, in der IG 8 ist ein Blockschaltbild einer Kommutierungs- und

Freilaufsteuerung einer Matrixumrichterphase dargestellt, und die U> to to H-¹

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In der FIG 3 sind die kommutierungsbedingten Halbleiterschalter S2P und S2N dick und die freilaufbedingten Halbleiterschalter SIN 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 Halbleiter- Schalter SIN 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 Halb- leiterschalter SIN 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 SIN, 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 FIG 4 gezeigten LeiterSpannungen Uu,U_v und U_w aufgeführt.

Zeit positivste negativste negativer positiver

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hinterlegt. Da beim zweiten Verfahren ausschließlich die Vorzeichen der gemessenen verketteten Spannungen als Eingangs- signale benötigt werden, ist dieses Verfahren eine bevorzugte Ausführungsform zur Ermittlung von LeiterSpannungen .

In der FIG 5 ist ein Ausschnitt aus dem Diagramm der FIG 4 näher dargestellt, bei dem sich die Spannungen Uu und U_v 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 SIN als nega- tiver 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 er- fasst wird, sind nach der vorgenannten Tabelle folgende Schalter eingeschaltet:

Abschnitt II: SIN 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 . UJ UJ to to

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+/- 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 Kommutie- rungsSteuerung einzuschalten sind. In diesem Fall werden bei- de 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.

Der Vorteil des modifizierten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung positiver und negativer Freilaufpfade liegt darin, dass keine zusätzlichen spannungsabhängigen Halbleiterschalter eingeschaltet werden. Die Ermittlung der Halblei- terschalter 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 Kurz- schluss 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 Nulldurchgangsbe- reich 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 FIG 7 ist eine Phase des Matrixumrichters 2 nach der FIG 1 dargestellt, bei dem die Freiläufe anhand des modifizierten erfindungsgemäßen Freilaufverfahren ermittelt werden. Es werden folgende Zustände angenommen:

stationärer Zustand Phase U → Halbleiterschalter SIP, SIN sind eingeschaltet

Vorzeichen der verketteten Spannung Uuv positiv, die verkettete Spannung Uuv ist im Bereich +/-10 V - Vorzeichen der verketteten Spannung U_w positiv Vorzeichen der verketteten Spannung Uu negativ Aus diesen Ausgangsbedingungen folgt, dass der bidirektionale Leistungsschalter 4, der an der Leiterspannung U_w liegt, nicht im Bereich +/-10 V der verketteten Spannung liegt. Die betreffenden Halbleiterschalter sind S3P und S3N. Da die Lei- terspannung U_w negativ ist, wird der Halbleiterschalter S3P nach den Bedingungen des erfindungsgemäßen Freilaufverfahrens eingeschaltet .

Für den Nulldurchgangsbereich müssen die genannten zwei Be- dingungen erfüllt werden.

Erste Bedingung:

Die um diesen Nulldurchgang relevanten Halbleiterschalter sind SIP, SIN und S2P,S2N. Die Leiterspannungen Uu und U_v sind positiv. Es werden deshalb negative Freiläufe benötigt. Diese negativen Freiläufe können durch die Halbleiterschalter SIN und S2N geschaltet werden. Um eine Schalthaltung durchzuführen muss jedoch noch die zweite Bedingung erfüllt werden.

Zweite Bedingung:

Durch die Kommutierungssteuerung sind die Halbleiterschalter SIP und SIN eingeschaltet. In der ersten Bedingung werden die Halbleiterschalter SIN und S2N vorgeschlagen. Aus der ersten und der zweiten Bedingung folgt nun, dass der Halbleiter- Schalter SIN zusätzlich eingeschaltet werden kann. Somit ist der Halbleiterschalter SIP kommutierungsbedingt eingeschaltet, wogegen der Halbleiterschalter SIN 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 FIG 4 handelt es sich um positive Nulldurchgangsbereiche. Die Bereiche 4,8 und 12 dieser FIG 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 FIG 4 mit den Ziffern 1,3,5,7,9 und 11 be- schrittet.

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 Ein- gangsSpannungen 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 Halbleiter- Schalter statt. Es wird zwischen dem einfachen erfindungsgemäßen Freilaufverfahren und dem modifizierten erfindungsgemäßen Freilaufverfahren umgeschaltet. Bei einem solchen Zu- standswechsel ist, wie während eines Kommutierungsvorgangs darauf zu achten, dass es zu keiner Unterbrechung des Strom- pfades 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 Freilauf eg unter keinen Umständen unterbrochen wird. Um die Überlappung zu ermög- liehen, 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 Freilauf- verfahren 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 FIG 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, v u d Uu •

An den Einrichtungen 22 und 24 stehen jeweils die gemessenen verketteten Spannungen Uv, Uvw und Uu des Matrixumrichters 2 an. Die Einrichtung 22 ermittelt aus diesen gemessenen verketteten Spannungen Uuv, Uvw und Uwu jeweils eine negativste und eine positivste LeiterSpannung U_Ö,U und U_w. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Einrichtung 22 weist eine Tabelle auf, die jeweils die Zuordnung der Vorzeichen der gemessenen verketteten Spannungen Uuv,Uvw und Uu und der negativsten und positivsten Leiterspannungen U_Ö,U_V und U_w wiedergibt. Diese ermittelten zwei LeiterSpannungen werden den beiden Einrichtun- gen 28 und 30 zur Ermittlung von Freiläufen zugeführt. Die Kommu ierungssteuerung 18 erhält von der Einrichtung 22 ein Vorzeichensignal S_Vz der gemessenen verketteten Spannungen UtjV'Uvw und Uu und von einem übergeordneten Steuersatz ein Sollschaltzustands-Signal S_SCh- Die Einrichtung 24 zur Ermittlung von Nulldurchgängen der gemessenen, verketteten Spannungen Uuv, Uv und Uu ist ausgangsseitig jeweils mit einem Ein- gang der Einrichtungen 28 und 30 verknüpft. Eingangsseitig stehen an der Einrichtung 24 die gemessenen, verketteten Spannungen Uuv, Uv und Uwu des Matrixumrichters 2 an. An zwei weiteren Eingängen dieser Einrichtung 24 steht jeweils ein positiver und ein negativer Referenzspannungswert +U_ref und -U_ref an. Diese beiden Referenzspannungswerte +U_ref und -U_re_ 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 S_x der Halbleiterschalter S1P,S1N,S2P,S2N und S3P,S3N der Phase X des Matrixumrichters 2 an. Zur Generierung von Schaltsignalen S_γ und S_z sind ebenfalls jeweils eine Kommutierungs- und FreilaufSteuerung 16 vorgesehen.

Die Realisierung dieser dargestellten Kommutierungs- und FreilaufSteuerung 16 erfolgt in einem programmierbaren Logik- baustein .

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 U_X,U_Y,U_Z des Matrixumrichters 2 erzeugt. Als eine Eingangsgröße dient hier das Sollzu- stands-Signal S_Sch, das angibt, mit welcher Eingangsphase U, V, W die Ausgangsphase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2 verbunden werden soll. Das Signal S_Sch für eine Matrixumrichterphase wird beispielsweise mittels eines Pulsweitenmodulators eines übergeordneten Steuersatzes generiert. Außerdem ist die Information über das Vorzeichen der verketteten Spannungen Uuv, Uv und Uwu notwendig, die mittels des ermittelten Spannungsvorzeichen-Signals S_Vz 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 Uu und jeweils die negativste und positivste Leiterspannung notwendig. Außerdem werden für die Bestimmung der Bereiche der Nulldurchgänge der gemessenen, verketteten Span- nungen Uu , Uvw und Uwu die positive und die negative Referenz^¬ spannungswerte +U_ref und -U_rsf benötigt. Ferner wird das Ausgangssignal S_κ der Kommutierungssteuerung 18 gebraucht, dass die Information über die Halbleiterschalter SIP, SIN, 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 S_κ und die von den Einrichtungen 28 und 30 der bevorzugten FreilaufSteuerung 20 generierten Signale S_FN und S_F werden mittels des ODER-Gliedes 26 logisch verknüpft, an dessen Ausgang das Steuersignal S_x bzw. S_γ bzw. S_z für die Halbleiterschalter SIP, S1N,S2P, S2N und S3P,S3N der bidirektionalen Leistungs- Schalter 4 der Phase X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 2 anstehen.

In der FIG 9 ist eine mögliche Realisierung der Kommutierungs- und Freilaufsteuerung 16 einer Phase X,Y oder Z des Matrixumrichters 2 nach FIG 8 näher dargestellt. Diese unterscheidet sich vom Blockschaltbild der FIG 8 dadurch, dass eine Signalfreigabe 32, eine Verriegelungseinrichtung 34 und LO O to t > μ>

LΠ o LΠ o LΠ o LΠ

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 Abschaltsig- nals S_AK sofort abgeschaltet. Durch die geschalteten Freiläu- fe kann sich der Laststrom kontrolliert abbauen. Es kommt daher zu keinen Überspannungen an den Halbleiterschaltern. Nachdem der Strom zu Null geworden ist, werden die freilauf- bedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 mittels eines Abschaltsig- nals S_AF ebenfalls geöffnet. Dieses kontrollierte Abschalten wird bei einem Abschaltsignal S_AUs 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 Sι_F 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 Freilaufs*teuerung 20 wird beim Abschalten der kommu- tierungsbedingten Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 ein kontinuierli- eher Stromfluss des in der Last abfließenden Stromes gewährleistet .

Durch die Parallelität von Kommutierungs- und Freilaufsteuerung 18 und 20 ist eine funktionale Trennung zwischen Halb- leiterschaltern, 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 Uu robust.

Claims

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LΠ O LΠ o LΠ o LΠ

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(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, Uv , Uu) des Matrixumrichters (2) gemessen werden, wobei deren Polarität ermittelt werden und wobei in Abhängigkeit dieser ermittelten Polaritäten der verketteten EingangsSpannungen jeweils eine po- sitivste und negativste Leiterspannung (Uu,U_v,U_w) 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 (+U_re_ , -U_ref ) verglichen wird, dass bei Unter- oder Überschreitung der Referenzwerte (+U_ref , -U_ref) jeweils ein Aktivierungs-Signal generiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ermittlung einer positivsten und negativsten Leiterspannung (Uu,U_v,U_w) des Matrixumrichters (2) in Abhängigkeit der ermittelten Polaritäten der gemessenen, verketteten EingangsSpannungen (Uuv,Uvw, Uwu) des Matrixumrichters (2) mittels einer hinterlegten Ta- belle erfolgt.