WO2003026110A2 - Commutation method in matrix converters - Google Patents

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WO2003026110A2
WO2003026110A2 PCT/DE2002/003445 DE0203445W WO03026110A2 WO 2003026110 A2 WO2003026110 A2 WO 2003026110A2 DE 0203445 W DE0203445 W DE 0203445W WO 03026110 A2 WO03026110 A2 WO 03026110A2
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Marcus Ziegler
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Marcus Ziegler
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/25—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/27—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means for conversion of frequency
    • H02M5/271—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means for conversion of frequency from a three phase input voltage

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling bidirectional switches in converters, preferably 3x3 matrix converters.
  • a number of methods for current commutation in matrix converters are based on an expansion of the basic topology with additional operationally load-carrying components.
  • High-frequency resonance circuits [5] and [6], freewheel branches [3] or capacitors connected in parallel [7] have become known.
  • bidirectional switch also known as a four-quadrant switch, for example consisting of an antiparallel circuit of two two-quadrant switches, also called unidirectional switch
  • Four-step process with measurement of the commutation voltage or the load current direction before each switching step [2], and two-step process [8], [1], [4], [9].
  • a switching algorithm in two or four steps is characteristic of the latter methods.
  • the starting point for the switching sequence is either the determination of the sign of at least one commutation voltage between the phases involved in the switching process or the determination of the sign of the current in the currently conducting bidirectional switch.
  • safety times which are essentially determined by the switching times of the power semiconductors and their control devices, must be observed.
  • the main common disadvantage of the latter methods lies in the large number of steps required for commutation, which makes these methods less suitable for fast switching processes which are desirable in matrix converters.
  • Matrix inverters are particularly dependent on fast switching processes for the active damping of the line filter oscillations and due to the lack of energy storage. Furthermore, the time of the actual commutation process depends on the current direction.
  • the current can commutate after the first but also after the second switching step. Similar to DC link converters, appropriate measures for so-called dead time compensation must be taken [10].
  • the object of the invention is therefore to control real bidirectional switches, for example with separate control signals for both current directions, preferably in 3x3 matrix converters, in such a way that:
  • the load current can be commutated at all input phases.
  • the proposed control method is applicable to practically any frequencies of the supply network; Limitations at higher frequencies only result from switching times of the electronic components.
  • Fig. 6 Definition of the 6 different categories (I..VI; column 2) according to the size / conditions of the input string voltages (column 1) and assignment of the input string voltages to the relative magnitude of the string voltages (largest U Ep , smallest U En , medium U Em ) as a function of the interval according to FIG. 4,
  • Fig. 7 a table of all concrete switching states depending on the category (size ratios of the input string voltages) for partial converter 1 with a negative Current (I A ⁇ 0) and with positive current (I A > 0), where a "1" denotes a switched on unidirectional switch, and the interval information in brackets (column "Category”) refers to FIG. 4,
  • Fig. 8 Definition of the 6 different categories (VII..XII; column 2) according to the size / conditions of the input string voltages (column 1) and assignment of the input string voltages to the relative magnitude of the string voltages (largest U Ep , smallest U En , remaining U Ex U Ey ) depending on the interval according to Fig.
  • Fig. 10 Examples of commutation using the states of Fig. 9 between the input phases 1 and 2 for interval 7+ (U E2 ⁇ U E1 ⁇ U E3 , I A > 0) and interval 7- (U E2 ⁇ U E1 > U E3 , I A ⁇ 0),
  • Fig. 15 Examples of commutation between input phases 1 and 2 for interval 7+ (U E2 ⁇ U E1 > U E3 , I A ⁇ 0) and interval 7- (U E2 ⁇ U E1 > U E3 , I A ⁇ 0),
  • the control method according to the invention is exemplarily explained on a partial converter of an ideal 3x3 matrix converter from FIG. 1.
  • a converter section consists of 3 bidirectional switches that can connect each of the three input phases (1, 2, 3) to an output phase (1, 2, 3) according to the input string voltages (U E1 , U E2 , U E3 ).
  • the three partial converters are therefore identical.
  • the designation of the individual eyes and the switching states of a partial converter used in the following follows the convention:
  • a bidirectional switch is practically made up of discrete components and can in principle assume the idealized four switching states (states) shown in FIGS. 2a-d by correspondingly controlling the gates (G v , G r ) of exemplary topologies from FIGS. 2e, f .
  • FIGS. 2a-d the idealized four switching states (states) shown in FIGS. 2a-d by correspondingly controlling the gates (G v , G r ) of exemplary topologies from FIGS. 2e, f .
  • FIGS. 2 b, c the basic states according to FIGS. 2 b, c for the proposed commutation method are possible.
  • FIG. 10 and FIG. 15 indicate an activated IGBT; not highlighted in bold one off.
  • the switched on current-carrying unidirectional switch is the active switch, the non-current carrying switched on unidirectional switches are the passive switches. Current paths are also highlighted in bold below.
  • the current flow through the minimal unidirectional target connection in the direction of the current (I A ⁇ 0: switching state Fig. 2b; I A ⁇ 0: switching state Fig. 2c) between the target input phase and the load phase become. Any additional unidirectional connection between the remaining input phases and the load phase in the direction of the current cannot lead to a short circuit. If all unidirectional switches are turned on in the direction of the current, there is practically a midpoint circuit M3. In the case of a positive current direction, the unidirectional switch carries the current whose input phase has the highest voltage U Ep . In the case of a negative current, the switch whose current has the lowest voltage U En carries the current.
  • the input string voltages can be sorted according to their size.
  • An input string voltage is always greater than the other two input string voltages and is therefore designated U Ep , one is always smaller than the other two and is therefore designated U En , and an instantaneous input string voltage lies between the two voltages U p and U En with its instantaneous values and is called U Em .
  • the corresponding input phases are designated p, n and m:
  • U Ep MAX (U E l , U E2 , U,) (1)
  • U En MIN (U E U E2 , U E3 ) (2)
  • each so-called basic main state B establishes a unidirectional active target connection between an output phase (eg AI) and the target input phase and consequently the corresponding active current path;
  • State B yp / B TM with the input phase p (input phase voltage U Ep ), state B vm B rm with the input phase m (input phase voltage U Em ) and B vn / B m with the input phase n (corresponding to input phase voltage U En ).
  • An exemplary application of the method results from the detection of the current 60 ° intervals 1 ... 6, as shown in FIG. 4 for a three-strand multi-phase system.
  • An interval begins with the intersection of two input string voltages and ends with the following intersection of two input string voltages. Consequently, none of the linked voltages changes the sign within an interval.
  • the assignment of the input string voltages to the relative magnitude of the string voltages as a function of the interval is shown in FIG. 6. For example, it can be seen that in interval 4 the grid phase U E2 always has the greatest voltage, the grid phase U E1 always has the lowest voltage and the voltage the network phase U E3 is always between U E] and U E2 . The selection of the corresponding switching state ultimately results from the load current direction.
  • the sign of a commutation voltage between the voltages of the two so-called termination input phases (x, y) may be unknown, for example in the vicinity of the intersection of two input phase voltages.
  • the switching states from FIG. 7 then do not cause a short circuit, however undesired commutation to an input phase is possible which is not the desired input phase.
  • the sign of the chained voltage between the two terminating input phases with the corresponding input string voltages (U Ex , U Ey ) can be any, ie it can also change during commutation. For example, for a three-strand multi-phase system, there is a division into 60 ° intervals 7 ... 12 as shown in Fig. 11.
  • An interval begins with the zero crossing of an input string voltage and ends with the following zero crossing of another input string voltage.
  • the assignment of the input phase to the basic and final input phase must remain the same within an interval.
  • the corresponding assignment of the input phases as a function of the interval is shown in FIG. 8. For example, it can be seen that in interval 9 the input phase 2 with the voltage U E2 always has the greatest voltage (U Ep ) and is therefore the basic input phase, and that the input phases 1 and 3 are final input phases because the sign of the chained voltage U E3 -U E1 is not unique in the interval, or the sign changes.
  • auxiliary state H is also shown in FIG. 12 and results from the sum of all the unidirectional switches of the two final main states which are switched on.
  • FIG. 14 which are shown in FIG. 14 in a generalized form for a basic input phase p.
  • the basic main states have been modified depending on the two input phases involved in commutation.
  • the unidirectional switch of the phase not involved in the direction of the current is open (switching state FIG. 2a).
  • Commutation takes place between the basic and the final input phase in one step, with either a unidirectional switch being switched on in the direction of the current (target mains phase) or one being switched off (start mains phase).
  • 15 shows, for example, for interval 7 the commutation from the larger input string voltage U E1 to the smaller input string voltage U E2 .
  • auxiliary states H for commutation in two steps from one main termination state to another main termination state correspond to those from FIG. 12.
  • a characteristic feature of the basic main states is that the load current can be commutated to / from another input phase in only one step.
  • the term main state describes the superset of basic and final main state.
  • missing parameters for example all commutation voltages, the method can be combined with already known methods.
  • CT. Pan A zero switching loss matrix converter. IEEE PESC, pages 545-550, 1993.

Abstract

The invention relates to a method for load current commutation in matrix converters. Under the condition of the both minimal required possible states of a bidirectional switch current flow only possible in the forward direction / reverse blocking, current flow only possible in the reverse direction / forward blocking the current commutation can be intelligently triggered without additional load current conducting components, with knowledge of the direction of the load current and of the commutation voltage(s) of the involved phases. The solution of said invention is characterized in that a switching process between two base main states or between a base main state and a final main state can occur in only one step. Said invention is also characterized in that the switching processes can be triggered at any time on the corresponding selection of interval beginning and interval end, the only requirement being the recording of a corresponding actual interval in the polyphase system. The control method is applicable at practically any frequency of the supplying network.

Description

Verfahren zur Kommutierung in MatrixumrichternProcess for commutation in matrix converters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung bidirektionaler Schalter in Stromrichtern, vorzugsweise 3x3 Matrixumrichtern.The invention relates to a method for controlling bidirectional switches in converters, preferably 3x3 matrix converters.
Eine Reihe von Verfahren zur Stromkommutierung in Matrixumrichtern setzt auf eine Erweiterung der Grund-Topologie durch zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile. Bekannt geworden sind höherfrequente Resonanzkreise [5] und [6], Freilaufzweige [3] oder parallelgeschaltete Kondensatoren [7].A number of methods for current commutation in matrix converters are based on an expansion of the basic topology with additional operationally load-carrying components. High-frequency resonance circuits [5] and [6], freewheel branches [3] or capacitors connected in parallel [7] have become known.
Nachteilig an den Anordnungen mit höherfrequenten Resonanzkreisen sind die betriebsmäßig laststromführenden zusätzlichen Bauelemente sowie ein notwendiges zeitgenaues Schalten im Nulldurchgang des hochfrequenten Stromes oder der Spannung. Beliebige Schaltzeitpunkte sind nicht wählbar, was Totzeiten zur Folge hat. Eine aktive Bedämpfung der für Matrixumrichter typischen Schwingungen an Eingangsfiltern ist nur eingeschränkt möglich. Nachteilig an den Lösungen nach [3] und [7] sind ebenfalls die betriebsmäßig stromführenden zusätzlichen Bauteile, wie B6-Brük- ken, Zwischenkreiskapazität mit Einrichtungen zur Spannungsbegrenzung, z.B. Bremssteller, bzw. Kondensatoren parallel zu den Schaltern sowie die dadurch auftretenden zusätzlichen Verluste.Disadvantages of the arrangements with higher-frequency resonance circuits are the additional components which carry the operational load current, as well as the necessity of switching at the exact time in the zero crossing of the high-frequency current or the voltage. Arbitrary switching times cannot be selected, which results in dead times. Active damping of the vibrations typical of matrix inverters on input filters is only possible to a limited extent. Another disadvantage of the solutions according to [3] and [7] are the operationally current-carrying additional components, such as B6 bridges, DC link capacitance with devices for voltage limitation, e.g. Brake actuators or capacitors in parallel with the switches and the additional losses that occur as a result.
Dagegen sind einige Verfahren bekannt, die keine zusätzlichen betriebsmäßig laststromführenden Bauteile erfordern und getrennte Steuersignale für beide Stromrichtungen nutzen (bidirektionaler Schalter, auch als Vierquadrantenschalter bekannt, beispielsweise bestehend aus einer Antiparal- lelschaltung zweier Zweiquadrantenschalter, auch als unidirektionale Schalter bezeichnet); Vier- Schrittverfahren mit Messung der Kommutierungsspannung bzw. der Laststromrichtung vor jedem Schaltschritt [2], und Zwei-Schrittverfahren [8], [1], [4], [9].In contrast, some methods are known that do not require any additional operationally load-carrying components and use separate control signals for both current directions (bidirectional switch, also known as a four-quadrant switch, for example consisting of an antiparallel circuit of two two-quadrant switches, also called unidirectional switch); Four-step process with measurement of the commutation voltage or the load current direction before each switching step [2], and two-step process [8], [1], [4], [9].
Charakteristisch für die letztgenannten Verfahren ist ein Schaltalgorithmus in zwei oder vier Schritten. Ausgangspunkt für die Schaltabfolge ist entweder die Ermittlung des Vorzeichens von mindestens einer Kommutierungsspannung zwischen den am Schaltvorgang beteiligten Phasen oder die Ermittlung des Vorzeichens des Stromes im aktuell leitenden bidirektionalen Schalter. Zwischen den Schritten müssen Sicherheitszeiten, die im wesentlichen durch die Schaltzeiten der Leistungshalbleiter sowie deren Ansteuereinrichtungen bestimmt sind, eingehalten werden. Der wesentliche gemeinsame Nachteil der letztgenannten Verfahren liegt in der Vielzahl der erforderlichen Schritte zur Kommutierung, was diese Verfahren für bei Matrixumrichtern wünschenswerte schnelle Umschaltvorgänge weniger geeignet macht. Matrixumrichter sind insbesondere zur aktiven Dämpfung der Netzfilterschwingungen und aufgrund fehlender Energiespeicher auf schnelle Umschaltvorgänge angewiesen. Des weiteren hängt der Zeitpunkt des tatsächlichen Kommutierungsvorgangs von der Stromrichtung ab. So kann beispielsweise beim Verfahren nach [4] der Strom nach dem ersten, aber auch nach dem zweiten Schaltschritt kommutieren. Ähnlich wie bei Zwischenkreisumrichtern müssen entsprechende Maßnahmen zur sogenannten Totzeitkompensation getroffen werden [10]. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, reale bidirektionale Schalter beispielsweise mit getrennten Steuersignalen für beide Stromrichtungen vorzugsweise in 3x3 Matrixumrichtern so anzusteuern, daß:A switching algorithm in two or four steps is characteristic of the latter methods. The starting point for the switching sequence is either the determination of the sign of at least one commutation voltage between the phases involved in the switching process or the determination of the sign of the current in the currently conducting bidirectional switch. Between the steps, safety times, which are essentially determined by the switching times of the power semiconductors and their control devices, must be observed. The main common disadvantage of the latter methods lies in the large number of steps required for commutation, which makes these methods less suitable for fast switching processes which are desirable in matrix converters. Matrix inverters are particularly dependent on fast switching processes for the active damping of the line filter oscillations and due to the lack of energy storage. Furthermore, the time of the actual commutation process depends on the current direction. In the method according to [4], for example, the current can commutate after the first but also after the second switching step. Similar to DC link converters, appropriate measures for so-called dead time compensation must be taken [10]. The object of the invention is therefore to control real bidirectional switches, for example with separate control signals for both current directions, preferably in 3x3 matrix converters, in such a way that:
1. keine Unterbrechung der Last-/ Ausgangsströme entstehen können,1. there can be no interruption of the load / output currents,
2. kein Kurzschluß entstehen kann,2. no short circuit can occur,
3. ohne zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile eine Kommutierung in möglichst wenigen Schalt-Schritten möglich ist,3. commutation is possible in as few switching steps as possible without additional operational load-carrying components,
4. eine möglichst freizügige Festlegung der Umschaltzeitpunkte vorgenommen werden kann,4. the switching times can be determined as freely as possible,
5. der Laststrom zu allen Eingangsphasen kommutiert werden kann.5. The load current can be commutated at all input phases.
Die Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bis 13 gelöst. Durch das erfindungsgemäße Steuerverfahren ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:The object is achieved in accordance with the characterizing features of claims 1 to 13. The control method according to the invention has the following advantages over the prior art:
1. Ein Umschalten zwischen einem Basishauptzustand und einem anderen Basishauptzu- stand oder einem Abschlußhauptzustand erfolgt in nur einem Schritt.1. Switching between a basic main state and another basic main state or a final main state takes place in only one step.
2. Keine Verriegelungszeit während dem Kommutierungsablauf in nur einem Schritt notwendig.2. No locking time during the commutation process in one step is necessary.
3. Totzeit entsteht nur in der Größenordnung der Schaltzeit und nicht aufgrund von Verriegelungszeiten3. Dead time occurs only in the order of the switching time and not due to locking times
4. Zusätzliche betriebsmäßig laststromführende Bauteile sind nicht notwendig.4. Additional operational components that carry current are not necessary.
5. Schaltvorgänge können bei bekannter Stromrichtung und bekannter/bekannten Kommu- tierungsspanung/en zu beliebigen Zeitpunkten auch mit sehr hohen Folgefrequenzen erfolgen.5. With a known current direction and known / known commutation voltage (s), switching operations can also take place at any time with very high repetition frequencies.
6. Das vorgeschlagene Steuerverfahren ist bei praktisch beliebigen Frequenzen des speisenden Netzes anwendbar; Einschränkungen bei höheren Frequenzen ergeben sich lediglich aus Schaltzeiten der elektronischen Bauteile.6. The proposed control method is applicable to practically any frequencies of the supply network; Limitations at higher frequencies only result from switching times of the electronic components.
7. Kein Kurzschluß möglich, da nur unidirektionale Schalter in der Laststromrichtung eingeschaltet sind Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen, die sich im wesentlichen auf einen Teilstromrichter (siehe Fig. 1) eines 3x3 Matrixumrichters beziehen, wird die Erfindung nachstehend näher beschrieben, wobei auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigen7. No short circuit possible, since only unidirectional switches in the load current direction are switched on The invention is described in more detail below with reference to schematic exemplary embodiments, which essentially relate to a partial converter (see FIG. 1) of a 3 × 3 matrix converter, reference being made to the figures in the drawing. Show it
Fig. 1 : einen idealen 3x3 Matrixumrichter, basierend auf 3 Teilstromrichtern (Converter sec- tion) mit den drei Eingangsstrangspannungen UE1, UE2 und UE3,1: an ideal 3x3 matrix converter based on 3 partial converters (converter section) with the three input string voltages U E1 , U E2 and U E3 ,
Fig. 2: beispielhafte diskrete Ausführungen e.), f.) und vier idealisierte Zustände eines bidirektionalen Schalters mit getrennten Steuersignalen G für die beiden Stromrichtungen (index v: vorwärts; index r: rückwärts; 0: ausgeschaltet, 1: eingeschaltet) a.) Unterbrechung (bidirektionaler Schalter ausgeschaltet), b.) Stromfluß nur in Vorwärtsrichtung möglich - rückwärts sperrend (unididirektionaler Schalter in Vorwärtsrichtung eingeschaltet), c.) Stromfluß nur in Rückwärtsrichtung möglich - vorwärts sperrend (unidirektionaler Schalter in Rückwärtsrichtung eingeschaltet), d.) bidirektionale Verbindung (bidirektionaler Schalter eingeschaltet),2: exemplary discrete versions e.), F.) And four idealized states of a bidirectional switch with separate control signals G for the two current directions (index v: forward; index r: reverse; 0: switched off, 1: switched on) a. ) Interruption (bidirectional switch switched off), b.) Current flow only possible in the forward direction - reverse blocking (unidirectional switch switched on in the forward direction), c.) Current flow only possible in reverse direction - forward blocking (unidirectional switch switched on in the reverse direction), d.) Bidirectional Connection (bidirectional switch switched on),
Fig. 3: verallgemeinerte Basishauptzustände eines Teilstromrichters für bekannte Stromrichtung IA und bekannte Größenverhältnisse der Eingangsstrangspannungen UEp>UEm>UEn,3: Generalized basic main states of a partial converter for known current direction I A and known size relationships of the input phase voltages U Ep > U Em > U En ,
Fig. 4: beispielhafte Nutzung des Verfahrens bei der Einteilung in Intervalle unveränderter Vorzeichen der Kommutierungsspannungen (Intervalle 1..6) und der Laststromrichtung (Index +: IA>0; Index -: IA<0),4: Exemplary use of the method in the division into intervals of unchanged signs of the commutation voltages (intervals 1..6) and the load current direction (index +: I A >0; index -: I A <0),
Fig. 5: Kommutierungsbeispiele mit den Zuständen aus Fig. 3 zwischen den Eingangsphasen 1 und 2 für Intervall 2+ (UE1>UE2>UE3, IA>0) und Intervall 2- (UE1>UE2>UE3, IA<0) aus Fig. 4,5: Commutation examples with the states from FIG. 3 between the input phases 1 and 2 for interval 2+ (U E1 > U E2 > U E3 , I A > 0) and interval 2- (U E1 > U E2 > U E3 , I A <0) from FIG. 4,
Fig. 6: Definition der 6 verschiedenen Kategorien (I..VI; Spalte 2) entsprechend den Größenverhältnissen/Bedingungen der Eingangsstrangspannungen (Spalte 1) und Zuordnung der Eingangsstrangspannungen zur relativen Höhe der Strangspannungen (größte UEp, kleinste UEn, mittlere UEm ) in Abhängigkeit vom Intervall nach Fig. 4,Fig. 6: Definition of the 6 different categories (I..VI; column 2) according to the size / conditions of the input string voltages (column 1) and assignment of the input string voltages to the relative magnitude of the string voltages (largest U Ep , smallest U En , medium U Em ) as a function of the interval according to FIG. 4,
Fig. 7: eine Tabelle aller konkreten Schaltzustände in Abhängigkeit der Kategorie (Größenverhältnisse der Eingangsstrangspannungen) für Teilstromrichter 1 bei negativem Strom (IA<0) und bei positivem Strom (IA>0), wobei eine „1" einen eingeschalteten unidirektionalen Schalter kennzeichnet, und wobei sich die Intervallangaben in Klammern (Spalte „Kategorie") auf Fig. 4 beziehen,Fig. 7: a table of all concrete switching states depending on the category (size ratios of the input string voltages) for partial converter 1 with a negative Current (I A <0) and with positive current (I A > 0), where a "1" denotes a switched on unidirectional switch, and the interval information in brackets (column "Category") refers to FIG. 4,
Fig. 8: Definition der 6 verschiedenen Kategorien (VII..XII; Spalte 2) entsprechend den Größenverhältnissen/Bedingungen der Eingangsstrangspannungen (Spalte 1) und Zuordnung der Eingangsstrangspannungen zur relativen Höhe der Strangspannungen (größte UEp, kleinste UEn, verbleibenden UEx UEy) in Abhängigkeit vom Intervall nach Fig.Fig. 8: Definition of the 6 different categories (VII..XII; column 2) according to the size / conditions of the input string voltages (column 1) and assignment of the input string voltages to the relative magnitude of the string voltages (largest U Ep , smallest U En , remaining U Ex U Ey ) depending on the interval according to Fig.
1 1 ,1 1,
Fig. 9: verallgemeinerte Zustände eines Teil Stromrichters bei Identifikation der größten Eingangsstrangspannung UEp ( Bedingungen der Kategorie VII, LX,XI ) für bekannte Stromrichtung IA und unbekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung zwischen UEx und UEy,9: Generalized states of a part of the converter when identifying the largest input phase voltage U Ep (conditions of category VII, LX, XI) for known current direction I A and unknown sign of the commutation voltage between U Ex and U Ey ,
Fig. 10:Kommutierungsbeispiele mit Hilfe der Zustände aus Fig. 9 zwischen den Eingangsphasen 1 und 2 für Intervall 7+ (UE2<UE1≥UE3, IA>0) und Intervall 7- (UE2≤UE1>UE3, IA<0),Fig. 10: Examples of commutation using the states of Fig. 9 between the input phases 1 and 2 for interval 7+ (U E2 <U E1 ≥U E3 , I A > 0) and interval 7- (U E2 ≤U E1 > U E3 , I A <0),
Fig. 11 beispielhafte Nutzung des Verfahrens bei der Einteilung in Intervalle unveränderter Vorzeichen der Phasenspannung (Intervalle 7..12) und der Laststromrichtung (Index +: IA>0; Index -: IA<0),11 exemplary use of the method in the division into intervals of unchanged signs of the phase voltage (intervals 7..12) and the load current direction (index +: I A >0; index -: I A <0),
Fig. 12: eine Tabelle aller konkreten Schaltzustände für Teilstromrichter 1 bei unbekanntem Vorzeichen einer Kommutierungsspannung für Teilstromrichter 1 bei negativem Strom (IA<0) und bei positivem Strom (IA>0), wobei eine „1" einen eingeschalteten unidirektionalen Schalter kennzeichnet, und wobei sich die Kategorien auf Fig. 8 beziehen,12: a table of all concrete switching states for partial converter 1 with an unknown sign of a commutation voltage for partial converter 1 with negative current (I A <0) and with positive current (I A > 0), a "1" identifying a switched on unidirectional switch , and the categories refer to Fig. 8,
Fig. 13: eine Tabelle aller konkreten Schaltzustände für Teilstromrichter 1 bei negativem Strom (IA<0) und bei positivem Strom (IA≥0), wobei eine „1" einen eingeschalteten unidirektionalen Schalter kennzeichnet, und wobei sich die Kategorien auf Fig. 8 beziehen, und wobei in Abhängigkeit der bei einer Kommutierung beteiligten beiden Eingangsphasen teilweise unterschiedliche Basishauptzustände gewählt werden, da die unidirektionalen Schalter der unbeteiligten Phase ausgeschaltet bleiben,13: a table of all concrete switching states for partial converter 1 with negative current (I A <0) and with positive current (I A ≥0), a "1" identifying a switched-on unidirectional switch, and the categories being shown in FIG 8 and, depending on the two input phases involved in a commutation, different basic basic states are selected, since the unidirectional switches of the uninvolved phase remain switched off,
Fig. 14:verallgemeinerte Zustände eines Teilstromrichters bei Identifikation der größten Eingangsstrangspannung UEp nach der Tabelle aus Fig. 13 für bekannte Stromrichtung IA, unbekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung zwischen UEx und UEy, und bekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung der beteiligten Phasen14: generalized states of a partial converter when the largest input phase voltage U Ep is identified according to the table from FIG. 13 for known current direction I A , unknown sign of the commutation voltage between U Ex and U Ey , and known sign of the commutation voltage of the phases involved
(UEx≤UEp>UEy),(U Ex ≤U Ep > U Ey ),
Fig. 15:Kommutierungsbeispiele zwischen den Eingangsphasen 1 und 2 für Intervall 7+ (UE2≤UE1>UE3, IA≥0) und Intervall 7- (UE2≤UE1>UE3, IA<0),Fig. 15: Examples of commutation between input phases 1 and 2 for interval 7+ (U E2 ≤U E1 > U E3 , I A ≥0) and interval 7- (U E2 ≤U E1 > U E3 , I A <0),
Die Basis des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens bilden neben den grundlegenden Zuständen eines bidirektionalen Schalters nach Fig. 2b,c die Kenntnisse über die Vorzeichen des Laststroms IA sowie der Kommutierungsspannung(en).In addition to the basic states of a bidirectional switch according to FIGS. 2b, c, the knowledge of the signs of the load current I A and the commutation voltage (s) form the basis of the control method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Steuerverfahren wird beispielhaft an einem Teilstromrichter eines idealen 3x3 Matrixumrichters aus Fig. 1 erläutert. Ein Teilstromrichter (Converter section) besteht aus 3 bidirektionalen Schaltern, die jede der drei Eingangsphasen (1, 2, 3) entsprechend den Eingangsstrangspannungen (UE1, UE2, UE3) mit einer Ausgangsphase (1, 2, 3) verbinden können. Damit sind die drei Teilstromrichter identisch. Die Bezeichnung der Einzel seh alter sowie der im folgenden verwendeten Schaltzustände eines Teilstromrichters erfolgt nach der Konvention:The control method according to the invention is exemplarily explained on a partial converter of an ideal 3x3 matrix converter from FIG. 1. A converter section consists of 3 bidirectional switches that can connect each of the three input phases (1, 2, 3) to an output phase (1, 2, 3) according to the input string voltages (U E1 , U E2 , U E3 ). The three partial converters are therefore identical. The designation of the individual eyes and the switching states of a partial converter used in the following follows the convention:
S SchalterS switch
1. Index Ziffer der Eingangsphase1. Index number of the entry phase
2. Index Ziffer der Ausgangsphase2. Index number of the initial phase
3. Index mögliche Stromrichtung im unidirektionalen Schalter; v: vorwärts, r: rückwärts3. Index of possible current direction in the unidirectional switch; v: forward, r: backward
B / A Basishauptzustand / AbschlußhauptzustandB / A basic main state / final main state
1. Index mögliche Stromrichtung; v: vorwärts, r: rückwärts1. Index of possible current direction; v: forward, r: backward
2. Index Soll-Eingangsphase, die den Laststrom führen soll2. Index target input phase that is to carry the load current
3. Index die an einer Kommutierung zu beteiligende Eingangsphase3. Index the input phase to be involved in a commutation
H HilfszustandH auxiliary state
1. Index mögliche Stromrichtung; v: vorwärts, r: rückwärts1. Index of possible current direction; v: forward, r: backward
2., 3. Index die an der Kommutierung beteiligten Eingangsphasen2nd, 3rd index the input phases involved in commutation
Heutzutage wird ein bidirektionaler Schalter praktisch aus diskreten Bauelementen aufgebaut und kann prinzipiell die idealisierten vier in Fig. 2a-d dargestellten Schalt-Zustände (states) durch entsprechende Ansteuerung der Gates (Gv, Gr) beispielhafter Topologien aus Fig. 2e,f annehmen. Neuere Vorschläge zur Realisierung von bidirektionalen Schaltern wie beispielsweise in [1 1] dargestellt ermöglichen durch unterschiedliche Spannungspegel an den beiden Gates einer monolithischen Schalterstruktur eine noch größere Vielfalt an Zuständen. Bei einer Realisierung nach [1 1] sind die für das vorgeschlagene Kommutierungsverfahren grundlegenden Zustände nach Fig. 2 b, c möglich.Nowadays, a bidirectional switch is practically made up of discrete components and can in principle assume the idealized four switching states (states) shown in FIGS. 2a-d by correspondingly controlling the gates (G v , G r ) of exemplary topologies from FIGS. 2e, f , Recent proposals for the implementation of bidirectional switches, such as shown in [1 1], allow an even greater variety of states due to different voltage levels at the two gates of a monolithic switch structure. In an implementation according to [1 1], the basic states according to FIGS. 2 b, c for the proposed commutation method are possible.
Fett hervorgehobene Gates in Fig. 5, Fig. 10 und Fig. 15 kennzeichnen einen eingeschalteten IGBT; nicht fett hervorgehobene einen ausgeschalteten. Der eingeschaltete stromführende unidi- rektionale Schalter sei der aktive Schalter, die nicht stromführenden eingeschalteten unidirektionalen Schalter seien die passsiven Schalter. Stromwege sind im folgenden ebenfalls fett hervorgehoben.Gates highlighted in bold in FIG. 5, FIG. 10 and FIG. 15 indicate an activated IGBT; not highlighted in bold one off. The switched on current-carrying unidirectional switch is the active switch, the non-current carrying switched on unidirectional switches are the passive switches. Current paths are also highlighted in bold below.
Ist die Stromrichtung bekannt, so kann der Stromfluß durch die minimale unidirektionale Soll-Verbindung in Richtung des Stromes ( IA≥0: Schaltzustand Fig. 2b; IA≤0: Schaltzustand Fig. 2c ) zwischen der Soll-Eingangsphase und der Lastphase ermöglicht werden. Jede zusätzliche unidirektionale Verbindung zwischen den verbleibenden Eingangsphasen und der Lastphase in Richtung des Stromes kann zu keinem Kurzschluß führen. Sind alle unidirektionalen Schalter in Richtung des Stromes eingeschaltet, so liegt praktisch eine Mittelpunktschaltung M3 vor. Bei positiver Stromrichtung führt derjenige unidirektionale Schalter den Strom, dessen Eingangsphase die höchste Spannung UEp hat. Bei negativem Strom führt derjenige Schalter den Strom, dessen Eingangsphase die kleinste Spannung UEn hat. Soll der Strom immer zwischen der Soll-Eingangsphase und der Lastphase fließen, so dürfen folglich nur unidirektionale Schalter in Richtung des Stromes zusätzlich redundant eingeschaltet werden, deren Eingangsphase bei negativem Strom eine höhere Spannung und bei positivem Strom eine niedrigere Spannung als die Soll-Eingangsphase besitzt. Andernfalls erfolgt eine Kommutierung auf eine der zusätzlichen unidirektionalen Verbindungen.If the direction of the current is known, the current flow through the minimal unidirectional target connection in the direction of the current (I A ≥0: switching state Fig. 2b; I A ≤0: switching state Fig. 2c) between the target input phase and the load phase become. Any additional unidirectional connection between the remaining input phases and the load phase in the direction of the current cannot lead to a short circuit. If all unidirectional switches are turned on in the direction of the current, there is practically a midpoint circuit M3. In the case of a positive current direction, the unidirectional switch carries the current whose input phase has the highest voltage U Ep . In the case of a negative current, the switch whose current has the lowest voltage U En carries the current. If the current is always to flow between the target input phase and the load phase, then only unidirectional switches in the direction of the current may additionally be switched on redundantly, the input phase of which has a higher voltage with negative current and a lower voltage with positive current than the target input phase , Otherwise commutation takes place on one of the additional unidirectional connections.
Sind die Vorzeichen der drei Kommutierungsspannungen bekannt dann lassen sich die Eingangsstrangspannungen nach Ihrer Größe sortieren. Eine Eingangsstrangspannung ist immer größer als die beiden anderen Eingangsstrangspannungen und wird deshalb mit UEp bezeichnet, eine ist immer kleiner als die beiden anderen und wird deshalb mit UEn bezeichnet, und eine Eingangsstrangspannung liegt mit ihren Augenblickswerten zwischen den beiden Spannungen U p und UEn und wird mit UEm bezeichnet. Die entsprechenden Eingangsphasen werden mit p, n und m bezeichnet: UEp= MAX( UE l, UE2, U, ) (1 ) UEn= MIN( UE UE2, UE3) (2)If the signs of the three commutation voltages are known, then the input string voltages can be sorted according to their size. An input string voltage is always greater than the other two input string voltages and is therefore designated U Ep , one is always smaller than the other two and is therefore designated U En , and an instantaneous input string voltage lies between the two voltages U p and U En with its instantaneous values and is called U Em . The corresponding input phases are designated p, n and m: U Ep = MAX (U E l , U E2 , U,) (1) U En = MIN (U E U E2 , U E3 ) (2)
UEm= MID( UE UE2, UE3) (3)U Em = MID (U E U E2 , U E3 ) (3)
Unter der Vorraussetzung bekannter Vorzeichen der drei Kommutierungsspannungen (Gleichungen 1 -3 sind lösbar) sowie der Laststromrichtung und mit dem Ziel, ein Maximum an unidirektionalen Verbindungen in Richtung des Stromes zusätzlich einzuschalten, ohne daß der Strom von der Soll-Eingangsphase abkommutiert, ergeben sich die verallgemeinerten Schaltzustände aus Fig. 3 für die beiden Stromrichtungen. Jeder sogenannte Basishauptzustand B stellt neben möglichen zusätzlichen (redundanten) passiven Verbindungen eine unidirektionale aktive Soll-Verbindung zwischen einer Ausgangsphase (z.B. AI ) und der Soll-Eingangsphase und folglich den entsprechenden aktiven Strompfad her; Zustand Byp/B™ mit der Eingangsphase p (Eingangsstrangspannung UEp), Zustand Bvm Brm mit der Eingangsphase m (Eingangsstrangspannung UEm) und Bvn/Bm mit der Eingangsphase n (entsprechend Eingangsstrangspannung UEn).Assuming known signs of the three commutation voltages (equations 1 -3 can be solved) and the load current direction and with the aim of additionally switching on a maximum of unidirectional connections in the direction of the current without the current commutating from the target input phase, the result generalized switching states from FIG. 3 for the two current directions. In addition to possible additional (redundant) passive connections, each so-called basic main state B establishes a unidirectional active target connection between an output phase (eg AI) and the target input phase and consequently the corresponding active current path; State B yp / B ™ with the input phase p (input phase voltage U Ep ), state B vm B rm with the input phase m (input phase voltage U Em ) and B vn / B m with the input phase n (corresponding to input phase voltage U En ).
Die Kommutierung zwischen zwei Basishauptzuständen, d.h. die Kommutierung des Ausgangsstromes zwischen einer Start-Eingangsphase und einer Ziel-Eingangsphase, ist stets in nur einem Schritt möglich:The commutation between two basic main states, i.e. the commutation of the output current between a start input phase and a target input phase is always possible in only one step:
1. Abschalten der (des) unidirektionalen Schalter(s), die (der) für den Ziel-Basishauptzustand nicht notwendig sind (ist), bzw. Einschalten der (des) unidirektionalen Schalter(s), die (der) für den Ziel- Basishauptzustand notwendig sind (ist).1.Switch off the unidirectional switch (s) that are (are) not necessary for the target basic main state, or switch on the unidirectional switch (s) which are (are) required for the target Basic main state are (is).
Für die Kommutierung zwischen den Basishauptzuständen müssen höchstens zwei unidirektionale Schalter ab- oder eingeschaltet werden (siehe beispielhaft in Fig. 3 und Fig. 5). Die Kommutierung des Laststroms zur Ziel-Eingangsphase folgt direkt auf den Abschluß der Schalthandlung. Werden unidirektionale Verbindungen abgeschaltet, so findet unmittelbar eine erzwungene Kommutierung auf bereits bestehende zuvor passive Strompfade statt. Werden unidirektionale Schalter beim aktuellen Schaltschritt geschlossen, so findet eine natürliche Kommutierung auf einen der im aktuellen Schaltschritt geschlossenen Schalter statt. Eine Totzeitkompensation aufgrund von Verriegelungszeiten ist nicht erforderlich. Selbst ein sofortiges Zurückschalten auf den Vorgängerzustand führt zu keinem Kurzschluß. Die Kommutierungszeit wird nur von der Schaltzeit des Schalters beeinflußt. Für die Größenverhältnisse (Bedingung) der 3 Eingangsstrangspannungen ergeben sich 3 !=6 Möglichkeiten, die in Fig. 6 / Spalte 1 dargestellt sind und in Spalte 2 als Kategorien definiert sind. Abhängig von der Kategorie und der Stromrichtung sind in Fig. 7 die resultierenden konkreten Schaltzustände eines Teilstromrichters dargestellt.For commutation between the basic main states, at most two unidirectional switches have to be switched on or off (see for example in FIGS. 3 and 5). The commutation of the load current to the target input phase directly follows the completion of the switching operation. If unidirectional connections are switched off, a forced commutation takes place immediately on existing passive current paths. If unidirectional switches are closed in the current switching step, natural commutation takes place on one of the switches closed in the current switching step. Dead time compensation due to locking times is not necessary. Even an immediate switch back to the previous state does not lead to a short circuit. The commutation time is only influenced by the switching time of the switch. For the size relationships (condition) of the 3 input string voltages, there are 3! = 6 possibilities, which are shown in FIG. 6 / column 1 and are defined as categories in column 2. Depending on the category and the current direction, the resulting concrete switching states of a partial converter are shown in FIG. 7.
Eine beispielhafte Anwendung des Verfahrens ergibt sich aus der Erfassung der aktuellen 60°-In- tervalle 1...6, wie sie in Fig. 4 beispielhaft für ein dreisträngiges Mehφhasensystem dargestellt sind. Ein Intervall beginnt mit dem Schnittpunkt zweier Eingangsstrangspannungen und endet mit dem folgenden Schnittpunkt von zwei Eingangsstrangspannungen. Innerhalb eines Intervalls ändert folglich keine der verketteten Spannungen das Vorzeichen. Die Zuordnung der Eingangsstrangspannungen zur relativen Höhe der Strangspannungen in Abhängigkeit vom Intervall zeigt Fig. 6. So ist z.B. zu erkennen, daß im Intervall 4 die Netzphase UE2 immer die größte Spannung besitzt, die Netzphase UE1 immer die kleinste Spannung besitzt und die Spannung der Netzphase UE3 immer zwischen UE] und UE2 liegt. Die Auswahl des entsprechenden Schaltzustandes ergibt sich dann letztendlich aus der Laststromrichtung.An exemplary application of the method results from the detection of the current 60 ° intervals 1 ... 6, as shown in FIG. 4 for a three-strand multi-phase system. An interval begins with the intersection of two input string voltages and ends with the following intersection of two input string voltages. Consequently, none of the linked voltages changes the sign within an interval. The assignment of the input string voltages to the relative magnitude of the string voltages as a function of the interval is shown in FIG. 6. For example, it can be seen that in interval 4 the grid phase U E2 always has the greatest voltage, the grid phase U E1 always has the lowest voltage and the voltage the network phase U E3 is always between U E] and U E2 . The selection of the corresponding switching state ultimately results from the load current direction.
In Fig. 5 sind zwei Beispiele für eine Kommutierung dargestellt. Schaltet man z.B. im Intervall 2- den Laststrom zwischen den Eingangsphasen 1 und 2, entsprechend den Zuständen B und Brm (siehe auch Fig. 7), so bleibt der unidirektionale Schalter S 1 lr durchgehend eingeschaltet und stellt somit zu jedem Zeitpunkt einen Strompfad für die negative Stromrichtung zur Verfügung, während S21r abhängig von der gewünschten Soll-Eingangsphase ein- oder abgeschaltet wird.5 shows two examples of commutation. If, for example, the load current is switched between input phases 1 and 2 in accordance with states B and B rm in interval 2 (see also FIG. 7), the unidirectional switch S 1 lr remains switched on continuously and thus provides a current path at all times the negative current direction is available while S21r is switched on or off depending on the desired input phase.
In praktischen Anwendungen kann das Vorzeichen einer Kommutierungsspannung zwischen den Spannungen der zwei sogenannten Abschluß-Eingangsphasen (x, y) unbekannt sein, beispielsweise in der Nähe des Schnittpunktes zweier Eingangsstrangspannungen. Die Schaltzustände aus Fig. 7 verursachen dann keinen Kurzschluß, allerdings ist eine unerwünschte Kommutierung zu einer Eingangsphase möglich, die nicht Soll-Eingangsphase ist.In practical applications, the sign of a commutation voltage between the voltages of the two so-called termination input phases (x, y) may be unknown, for example in the vicinity of the intersection of two input phase voltages. The switching states from FIG. 7 then do not cause a short circuit, however undesired commutation to an input phase is possible which is not the desired input phase.
Aus den bekannten Vorzeichen der beiden anderen Kommutierungsspannungen ergibt sich die Definition einer sogenannten Basis-Eingangsphase, deren Phasenspannung (UE1, UE2, UE3) immer größer (UEp: Fig. 8, Kategorie VII, IX, XI) oder kleiner (UEn: Fig. 8, Kategorie VIII, X, XII) als die beiden anderen ist (siehe auch Gleichung (2), bzw. (1)). Das Vorzeichen der verketteten Spannung zwischen den beiden Abschluß-Eingangsphasen mit den entsprechenden Eingangsstrangspannungen (UEx, UEy) kann beliebig sein, d.h. es kann sich auch während einer Kommutierung ändern. Es ergibt sich beispielsweise für ein dreisträngiges Mehφhasensystem eine Einteilung in 60°- Intervalle 7...12 wie sie in Fig. 11 dargestellt sind. Ein Intervall beginnt mit dem Nulldurchgang einer Eingangsstrangspannung und endet mit dem folgenden Nulldurchgang einer anderen Eingangsstrangspannung. Innerhalb eines Intervalls muß die Zuordnung von Eingangsphase zu Basis- und Abschluß-Eingangsphase gleich bleiben. Die entsprechende Zuordnung der Eingangsphasen in Abhängigkeit vom Intervall zeigt Fig. 8. So ist z.B. zu erkennen, daß im Intervall 9 die Eingangsphase 2 mit der Spannung UE2 immer die größte Spannung (UEp) besitzt und damit Basis- Eingangsphase ist, und daß die Eingangsphasen 1 und 3 Abschluß-Eingangsphasen sind, da das Vorzeichen der verketteten Spannung UE3-UE1 im Intervall nicht eindeutig ist, bzw. sich das Vorzeichen ändert.The known signs of the two other commutation voltages result in the definition of a so-called basic input phase, the phase voltage (U E1 , U E2 , U E3 ) of which is always greater (U Ep : Fig. 8, category VII, IX, XI) or less ( U En : Fig. 8, category VIII, X, XII) than the other two (see also equation (2), or (1)). The sign of the chained voltage between the two terminating input phases with the corresponding input string voltages (U Ex , U Ey ) can be any, ie it can also change during commutation. For example, for a three-strand multi-phase system, there is a division into 60 ° intervals 7 ... 12 as shown in Fig. 11. An interval begins with the zero crossing of an input string voltage and ends with the following zero crossing of another input string voltage. The assignment of the input phase to the basic and final input phase must remain the same within an interval. The corresponding assignment of the input phases as a function of the interval is shown in FIG. 8. For example, it can be seen that in interval 9 the input phase 2 with the voltage U E2 always has the greatest voltage (U Ep ) and is therefore the basic input phase, and that the input phases 1 and 3 are final input phases because the sign of the chained voltage U E3 -U E1 is not unique in the interval, or the sign changes.
Unter den Vorraussetzungen bekannter Laststromrichtung, ein Maximum an zusätzlichen unidirektionalen Verbindungen in Richtung des Stromes, ohne daß der Strom von der Soll-Eingangsphase abkommutiert, und einer bekannten Basis-Eingangsphase mit den entsprechenden gleichen Vorzeichen der Kommutierungspannungen zu den Abschluß-Eingangsphasen, ergeben sich in Abhängigkeit des Soll-Strompfades die Basishauptzustände B und Abschlußhauptzustände A aus Fig.Under the conditions of known load current direction, a maximum of additional unidirectional connections in the direction of the current without the current commutating from the target input phase, and a known basic input phase with the corresponding same sign of the commutation voltages to the terminating input phases result in Dependence of the target current path, the basic main states B and the final main states A from FIG.
12. Für den Fall einer Basis-Eingangsphase p mit der Strangspannung UEp sind in Fig. 9 die Zustände in verallgemeinerter Form dargestellt. Zustand Bvp/B stellt den Strompfad zur Eingangsphase p, Avx/Arx zur Eingangsphase x und Avy/Ary stellt den Strompfad zur Eingangsphase y her. Im Vergleich zu den Schaltzuständen aus Fig. 3 sind aufgrund der fehlenden Information über das Vorzeichen einer Kommutierungsspannung entsprechend weniger zusätzliche unidirektionale Schalter eingeschaltet.12. In the case of a basic input phase p with the phase voltage U Ep , the states are shown in a generalized form in FIG. 9. State B vp / B establishes the current path to the input phase p, A vx / A rx to the input phase x and A vy / A ry establishes the current path to the input phase y. In comparison to the switching states from FIG. 3, fewer additional unidirectional switches are switched on due to the lack of information about the sign of a commutation voltage.
Die Kommutierung zwischen einem Basishauptzustand und einem Abschlußhauptzustand erfolgt wiederum in nur einem Schritt. In Fig. 10 ist beispielhaft eine Kommutierung von der Basis-Eingangsphase 1 zur Eingangsphase 2 dargestellt.The commutation between a basic main state and a final main state again takes place in only one step. 10 shows an example of commutation from the basic input phase 1 to the input phase 2.
Soll eine Kommutierung von dem einen Abschlußhauptzustand zu dem anderen Abschlußhauptzustand durchgeführt werden, muß in zwei Schritten kommutiert werden. Der erforderliche Hilfs- zustand H ist in Fig. 12 ergänzend angegeben und ergibt sich aus der Summe aller eingeschalteten unidirektionalen Schalter der beiden Abschlußhauptzustände.If a commutation is to be carried out from one final main state to the other final main state, commutation must be carried out in two steps. The required auxiliary state H is also shown in FIG. 12 and results from the sum of all the unidirectional switches of the two final main states which are switched on.
Für den Fall einer Kommutierung zwischen nur zwei beteiligten Eingangsphasen mit bekanntem Vorzeichen der Kommutierungsspannung, wie es beispielsweise zwischen der Basis-Eingangsstrangspannung und einer Abschlußstrangspannung ist, ergeben sich die Schaltzustände aus Fig.In the case of commutation between only two input phases involved with a known sign of the commutation voltage, as is the case, for example, between the base input line voltage and a terminating line voltage, the switching states result from FIG.
13, die in Fig. 14 in verallgemeinerter Form für eine Basis-Eingangsphase p dargestellt sind. In Ab- hängigkeit der beiden an der Kommutierung beteiligten Eingangsphasen sind die Basishauptzu- stände modifiziert. Der unidirektionale Schalter der nicht beteiligten Phase in Richtung des Stromes ist im Gegensatz zu Fig. 9 offen (Schaltzustand Fig. 2 a). Eine Kommutierung findet zwischen der Basis- und der Abschluß-Eingangsphase in einem Schritt statt, wobei entweder ein uni- direktionaler Schalter in Richtung des Stromes zugeschaltet (Ziel-Netzphase) oder einer abgeschaltet wird (Start-Netzphase). In Fig. 15 ist beispielsweise für Intervall 7 die Kommutierung von der größeren Eingangsstrangspannung UE1 zur kleineren Eingangsstrangspannung UE2 dargestellt.13, which are shown in FIG. 14 in a generalized form for a basic input phase p. In from- The basic main states have been modified depending on the two input phases involved in commutation. In contrast to FIG. 9, the unidirectional switch of the phase not involved in the direction of the current is open (switching state FIG. 2a). Commutation takes place between the basic and the final input phase in one step, with either a unidirectional switch being switched on in the direction of the current (target mains phase) or one being switched off (start mains phase). 15 shows, for example, for interval 7 the commutation from the larger input string voltage U E1 to the smaller input string voltage U E2 .
Die Hilfszustände H zur Kommutierung in zwei Schritten von einem Abschlußhauptzustand zum anderen Abschlußhauptzustand entsprechen denen aus Fig. 12.The auxiliary states H for commutation in two steps from one main termination state to another main termination state correspond to those from FIG. 12.
Kennnzeichnendes Merkmal der Basishauptzustände ist, daß eine Kommutierung des Laststromes zu/von einer anderen Eingangsphase in nur einem Schritt durchgeführt werden kann. Der Begriff Hauptzustand bezeichnet die Obermenge von Basis- und Abschlußhauptzustand. Für den Fall fehlender Parameter, beispielsweise aller Kommutierungsspannungen, kann das Verfahren mit bereits bekannten Verfahren kombiniert werden. A characteristic feature of the basic main states is that the load current can be commutated to / from another input phase in only one step. The term main state describes the superset of basic and final main state. In the event of missing parameters, for example all commutation voltages, the method can be combined with already known methods.
Literatur [1] R.R. Beasant, W.C. Beattie, A. Refsum: An approach to the realization of a high power Venturini Converter. IEEE PESC, Seiten 291-297, 1990.Literature [1] R.R. Beasant, W.C. Beattie, A. Refsum: An approach to the realization of a high power Venturini Converter. IEEE PESC, pages 291-297, 1990.
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Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern durch Steuerung bidirektionaler Schalter mit mindestens den beiden möglichen Schalterzuständen rückwärts sperrend - Strom vorwärts möglich (Fig. 2b) und vorwärts sperrend - Strom rückwärts möglich (Fig. 2c), vorzugsweise 3x3 Matrixumrichter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltvorgang von einem Basishauptzustand B in einen anderen Basishauptzustand B oder Abschlußhauptzustand A und umgekehrt auf der Grundlage der Informationen von Stromrichtung und Vorzeichen der Kommutierungsspannung(en) in nur einem Schritt ohne die Verwendung zusätzlicher betriebsmäßig laststromführender Bauteile erfolgt.1.Method for commutation in matrix converters by controlling bidirectional switches with at least the two possible switch states reverse blocking - current forward possible (Fig. 2b) and forward blocking - current reverse possible (Fig. 2c), preferably 3x3 matrix converters, characterized in that a Switching process from a basic main state B into another basic main state B or final main state A and vice versa on the basis of the information of the current direction and the sign of the commutation voltage (s) in one step without the use of additional operationally load-carrying components.
2. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in den Basishauptzuständen Bvp, Bvm, Bvn, B™, Brm, Bm aus Fig. 3, bzw. Fig. 7 für bekannte Größenverhältnisse der Eingangsstrangspannungen und in den aus der Identifikation einer Basiseingangsphase resultierenden Basishauptzuständen Bv l, Bv2, Bv3, Brl, Br2, Br3 aus Fig. 9, bzw. Fig. 12, neben der unidirektionalen Verbindung in Richtung des Stromes IA zwischen einer Soll- Eingangsphase und einer entsprechenden Ausgangsphase diejenigen Eingangsphasen, deren Strangspannung höher als die Soll-Eingangsstrangspannung ist, bei negativem Strom unidirektio- nal in Rückwärtsrichtung, und diejenigen Eingangsphasen, deren Strangspannung niedriger als die Soll-Eingangsstrangspannung ist, bei positivem Strom unidirektional in Vorwärtsrichtung mit der jeweiligen Ausgangsphase zusätzlich verbunden sind.2. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, characterized in that in the basic main states B vp , B vm , B vn , B ™ , B rm , B m from Fig. 3, or Fig. 7 for known size relationships of the input string voltages and in the basic main states B vl , B v2 , B v3 , B rl , B r2 , B r3 from FIG. 9 and FIG. 12 resulting from the identification of a basic input phase, in addition to the unidirectional connection in the direction of the current I A between one Target input phase and a corresponding output phase are those input phases whose phase voltage is higher than the target input phase voltage, unidirectionally in the reverse direction in the case of negative current, and those input phases in which the phase voltage is lower than the target input phase voltage, unidirectionally in the forward direction with positive current the respective initial phase are also connected.
3. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abschlußhauptzuständen Avx, Avy, Arx, Ary aus Fig. 12 und Fig. 13 neben der unidirektionalen Verbindung in Richtung des Stromes IA zwischen einer Soll-Eingangsphase und einer entsprechenden Ausgangsphase diejenige Eingangsphase, deren Strangspannung höher als die Soll- Eingangsstrangspannung ist (beispielsweise Basis-Eingangsphase p), bei negativem Strom unidirektional in Rückwärtsrichtung, und diejenige Eingangsphase, deren Strangspannung niedriger als die Soll-Eingangsstrangspannung ist (beispielsweise Basis-Eingangsphase n), bei positivem Strom unidirektional in Vorwärtsrichtung mit der jeweiligen Ausgangsphase zusätzlich verbunden ist. 3. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, characterized in that in the final main states A vx , A vy , A rx , A ry from Fig. 12 and Fig. 13 in addition to the unidirectional connection in the direction of the current I A between a target -Input phase and a corresponding output phase, the input phase whose phase voltage is higher than the target input phase voltage (for example basic input phase p), in the reverse direction unidirectionally in the case of negative current, and the input phase whose phase voltage is lower than the desired input phase voltage (for example basic Input phase n), in the case of positive current, is also connected unidirectionally in the forward direction to the respective output phase.
4. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in den Basishauptzuständen Bv] 2, Bv23, Bv 2, Br3], Brl 2 und Br21 aus Fig. 13, bzw. Fig. 14 für bekanntes Vorzeichen der Kommutierungsspannung zwischen den beiden an der Kommutierung beteiligten Phasen, neben der unidirektionalen Verbindung in Richtung des Stromes IA zwischen einer Soll-Eingangsphase und einer entsprechenden Ausgangsphase diejenige Eingangsphase, deren Strangspannung höher als die Soll-Eingangsstrangspannung ist, bei negativem Strom unidirektional in Rückwärtsrichtung, und diejenige Eingangsstrangspannung, die niedriger als die Soll- Eingangsstrangspannung ist, bei positivem Strom unidirektional in Vorwärtsrichtung mit der jeweiligen Ausgangsphase zusätzlich verbunden ist, wenn diese unidirektionale Verbindung nach der nächsten Kommutierung (nächster Schaltschritt) Strom führen wird (aktive Verbindung wird).4. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, characterized in that in the basic main states B v] 2 , B v23 , B v 2 , B r3] , B rl 2 and B r21 from Fig. 13, and Fig. 14 for Known sign of the commutation voltage between the two phases involved in the commutation, in addition to the unidirectional connection in the direction of the current I A between a nominal input phase and a corresponding output phase, the input phase whose phase voltage is higher than the nominal input phase voltage, unidirectionally in with negative current Reverse direction, and that input string voltage, which is lower than the target input string voltage, is additionally unidirectionally connected to the respective output phase in the forward direction when the current is positive, if this unidirectional connection will carry current after the next commutation (next switching step) (current connection becomes active).
5. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Synchronisiersignalen realisiert wird, die Intervallen unveränderten Vorzeichen der verketteten Spannnungen zugeordnet sind.5. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, claim 2 and 4, characterized in that the method is implemented by means of synchronization signals, the intervals are assigned unchanged signs of the chained voltages.
6. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von einem Intervall mit verketteten Spannungen unveränderten Vorzeichens zum folgenden bei positivem Strom und steigender Soll-Eingangsstrangspannung der Wechsel des Basiszustandes nach dem Übergang, bei positivem Strom und fallender Soll-Eingangsstrangspannung mindestens eine Schaltzeit der Ventile vor dem Übergang erfolgt, und bei negativem Strom und fallender Soll-Eingangsstrangspannung der Wechsel des Basiszustandes nach dem Übergang, bei negativem Strom und steigender Soll-Eingangsstrangspannung mindestens eine Schaltzeit der Ventile vor dem Übergang erfolgt.6. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, claim 2 and 5, characterized in that when changing from an interval with chained voltages unchanged sign to the following with positive current and increasing desired input string voltage, the change of the basic state after the transition, with positive Current and falling set input line voltage at least one switching time of the valves takes place before the transition, and in the case of negative current and falling set input line voltage the change of the basic state takes place after the transition, with negative current and rising set input line voltage at least one switching time of the valves takes place before the transition ,
7. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1 , Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Wechsels der Stromrichtung die Summe aller unidirektionalen Verbindungen vom Basiszustand für positive Stromrichtung und vom Basiszustand für negative Stromrichtung eingeschaltet wird, wobei der bidirektionale Schalter den Zustand aus Fig. 2d realisieren können muß.7. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, claim 2, claim 3 and claim 4, characterized in that during the change of the current direction the sum of all unidirectional connections from the basic state for positive current direction and from the basic state for negative current direction is switched on, the bidirectional switch must be able to implement the state from FIG. 2d.
8. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade stromführende Schalter während des Wechsels der Stromrichtung in den Zustand8. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, claim 2, claim 3 and claim 4, characterized in that the current-carrying switch is in the state during the change of the current direction
Fig. 2d für bidirektionalen Stromfluß zu überführen ist.Fig. 2d is to be transferred for bidirectional current flow.
9. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Synchronisiersignalen realisiert wird, die Intervallen unveränderten Vorzeichen der Phasenspannnungen zugeordnet sind.9. A method for commutation in matrix converters according to claim 1 and claim 3, characterized in that the method is implemented by means of synchronization signals, the intervals are assigned unchanged signs of the phase voltages.
10. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltvorgang zwischen zwei Abschlußhauptzuständen A in zwei Schritten erfolgen muß, und daß in dem ersten Schritt die Summe aller unidirektionalen Schalter der beteiligten Abschlußhauptzustände und im zweiten Schritt der Ziel-Abschlußhauptzustand eingeschaltet wird.10. A method for commutation in matrix converters according to claim 3, characterized in that a switchover process between two final main states A must take place in two steps, and that in the first step the sum of all unidirectional switches of the main final states involved and in the second step the target final main state switched on becomes.
11. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von einem Intervall mit Phasenspannungen unveränderten Vorzeichens zum folgenden Intervall ein Wechsel zu demjenigen Basiszustand erfolgt, der den neuen geänderten Bedingungen (Größenverhältnissen) der Kommutierungsspannung(en) entspricht.11. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, claim 2, claim 3 and claim 4, characterized in that when changing from an interval with phase voltages unchanged sign to the following interval there is a change to the basic state which corresponds to the new changed conditions (size ratios ) corresponds to the commutation voltage (s).
12. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1 , Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Synchronisiersignalen realisiert wird, die Intervallen im Bereich der Änderung der verketteten Spannungen zugeordnet sind. 12. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, claim 2, claim 3 and claim 4, characterized in that the method is implemented by means of synchronization signals which are associated with intervals in the range of changing the linked voltages.
13. Verfahren zur Kommutierung in Matrixumrichtern nach Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Laststromumkehr die im aktuellen Zustand eines Teilstromrichters offene(n) Verbindungen) (Fig. 2a.) bei positiver Stromrichtung in rückwärtsrichtung (Fig. 2 c.) und bei negativer Stromrichtung in Vorwärtsrichtung (Fig. 2b.) geschlossen wird (werden). 13. A method for commutation in matrix converters according to claim 1, claim 2, claim 3 and claim 4, characterized in that in the case of a load current reversal, the open (n) connections in the current state of a partial converter (Fig. 2a.) With positive current direction in the reverse direction (Fig. 2 c.) And with negative current direction in the forward direction (Fig. 2b.) Is (will).
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