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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters
mit neun in einer 3×3-Schaltermatrix
angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern vor Überspannungen
und auf eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung.
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Bei
einem Matrixumrichter handelt es sich um einen selbstgeführten Direktumrichter.
Dieser selbstgeführte
Direktumrichter ist ein Umrichter ohne Zwischenkreis. Durch die
Anordnung der leistungselektronischen Schalter in einer 3×3-Schaltermatrix werden
die drei Eingangsphasen mit den drei Ausgangsphasen verbunden. Dieser
selbstgeführte
Direktumrichter bildet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie
rückspeisefähig ist
und durch eine entsprechend ausgeprägte Steuerung sinusförmige Netzströme erreicht.
Als bidirektionaler Schalter der Schaltermatrix kann einerseits
ein in einer Diodenbrücke
integrierter Halbleiterschalter und andererseits zwei antiseriell
geschaltete Halbleiterschalter verwendet werden. Die beiden antiseriell
geschalteten Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters
der Schaltermatrix sind entweder in der Topologie "Common Emitter Mode" oder "Common Kollektor
Mode" ausgeführt. Die
Ausführungsform
des bidirektionalen Leistungsschalters, wobei ein Halbleiterschalter
in einer Diodenbrücke
eingebettet ist, wird als "Embedded
Switch" bezeichnet.
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Das
Schaltbild eines bidirektionalen Schalters 2 in der Topologie "Common Kollektor
Mode" ist in der 1 näher dargestellt. Die 2 zeigt zum Vergleich einen
bidirektionalen Leistungsschalter 2 in der Topologie "Common Emitter Mode". Diese beiden bidirektionalen
Leistungsschalter 2 weisen jeweils zwei Halbleiterschalter 4 und 6 auf,
die antiseriell geschaltet sind. In der 1 sind diese beiden Halbleiter schalter 4 und 6 derart
antiseriell geschaltet, dass die beiden Kollektor-Anschlüsse miteinander
elektrisch leitend verbunden sind. Deshalb wird diese antiserielle
Schaltung der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 auch
als "Common Kollektor
Mode" bezeichnet.
In der 2 sind die beiden
Halbleiterschalter 4 und 6 derart antiseriell
geschaltet, dass deren Emitteranschlüsse elektrisch leitend verbunden
sind. Gemäß der Verknüpfung der
Emitteranschlüsse
wird diese Verschaltung als "Common
Emitter Mode" bezeichnet.
Als Halbleiterschalter 4 und 6 werden abschaltbare
Halbleiterschalter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren
(IGBT), verwendet, die jeweils eine Reverse-Diode aufweisen. An
den zugänglichen
Anschlüssen
des bidirektionalen Leistungsschalters 2 kann man die interne
Topologie erkennen. Beim bidirektionalen Leistungsschalter 2 in der
Topologie "Common
Kollektor Mode" gemäß 1 sind am Leistungsschalter 2 die
Anschlüsse E1,E2,G1
und G2 zugänglich.
Im Gegensatz dazu sind beim bidirektionalen Leistungsschalter 2 in
der Topologie "Common
Emitter Mode" gemäß 2 die Anschlüsse C1,C2,G1
und G2 zugänglich.
Zusätzlich weisen
diese bidirektionalen Leistungsschalter 2 Hilfsanschlüsse EH1
und EH2 auf, die jeweils einen Steuer-Anschluss bilden.
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In
der 3 ist ein Schaltbild
eines bidirektionalen Leistungsschalters 2 in der Topologie "Embedded Switch" näher dargestellt.
Dieser bidirektionale Leistungsschalter 2 weist einen abschaltbaren Halbleiterschalter 5,
insbesondere einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), auf,
der in einer Diodenbrücke
angeordnet ist. Dieser Halbleiterschalter 5 ist kollektorseitig
mit Kathodenanschlüsse
zweier Dioden und emitterseitig mit Anodenanschlüssen zweier weiterer Dioden
der Diodenbrücke
elektrisch leitend verbunden. Die freien Anschlüsse dieser Dioden bilden je
einen Eingangs- und Ausgangs-Anschluss des bidirektionalen Leistungsschalters 2.
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Durch
die Ansteuerung der Halbleiterschalter 4 und 6 bzw.
des Halbleiterschalters 5 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 des
Matrixumrichters wird jeweils ein Strompfad in einer bestimmten
Richtung durchgeschaltet. Sind beide Halbleiterschalter 4 und 6 angesteuert,
dann wird ein Stromfluss in beide Richtungen ermöglicht, so dass eine sichere
elektrische Verbindung zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsphase
erfolgt. Ist bei einem bidirektionalen Leistungsschalters 2 in
der Topologie "Common
Kollektor Mode" bzw. "Common Emitter Mode" nur ein Halbleiterschalter 4 bzw. 6 des
bidirektionalen Leistungsschalters 2 des Matrixumrichters
angesteuert, dann entsteht diese Verbindung nur für eine bevorzugte
Stromrichtung. Eine Phase des Matrixumrichters ist eine Anordnung
von drei bidirektionalen Leistungsschalter, die eine Verbindung
von den drei Netzphasen zu jeweils einer der Ausgangsphasen herstellt.
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Da
der Matrixumrichter keine passiven Freilaufkreise besitzt, wie ein
Spannungszwischenkreisumrichter, treten insbesondere im Fall einer
aufgrund eines NOT-AUS generierten Impulssperre (Abschalten der
Ansteuerimpulse aller Halbleiterschalter) aufgrund der im Stromkreis
vorhandenen Induktivitäten hohe
Sperrspannung an den Halbleiterschaltern auf. Diese Überspannungen
können
auch durch Ausfall der Ansteuerung von bidirektionalen Leistungsschaltern
auftreten. In diesen genannten Fällen
wird jedes Mal der Ausgangsstrom unterbrochen. Die Unterbrechung
des Ausgangsstromkreises in Verbindung mit den im Stromkreis vorhandenen
Induktivitäten
verursacht die Überspannungen,
die die Zerstörung
der Halbleiterschalter zufolge haben können.
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Aus
der Veröffentlichung "Novel Solutions for Protection
of Matrix Converter to Three Phase Induction Machine", abgedruckt im Tagungsband "IEEE Industry Applications
Society" New Orleans,
Louisiana, October 5–9,
1997, Seiten 1447 bis 1454, ist eine Überspannungsschutzvorrichtung
bekannt. Diese Überspannungsschutzvorrichtung
weist zwei 6-pulsige Diodenbrücken
auf, die gleichspannungsseitig mittels eines Kondensators miteinander
verknüpft sind.
Wechselspannungsseitig ist die eine 6-pulsige Diodenbrücke mit
den Eingangs-Anschlüssen
des Matrixumrichters verbunden. Die andere Diodenbrücke ist
wechselspannungsseitig mit den Ausgangs-Anschlüssen des Matrixumrichters verbunden.
Elektrisch parallel zum Kondensator ist ein Widerstand geschaltet,
der den Kondensator entlädt. An
den Eingangs-Anschlüssen
des Matrixumrichters ist außerdem
ein LC-Filter angeschlossen, dass eingangsseitig mit einem Drehstromnetz
verbunden ist. Dieses LC-Filter, das auch als Eingangsfilter bezeichnet
wird, hält
pulsfrequente Oberschwingungen vom Netz fern. Die Größe dieses
Filters hängt
von der Pulsfrequenz des Matrixumrichters ab.
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Auftretende Überspannungen
werden durch die Diodenbrücken
gleichgerichtet und auf den Kondensator gegeben. Für diese Überspannungsschutzvorrichtung,
die auch Gegenstand des US-Patents 4,697,230
ist, wird eine Vorladeschaltung für den Kondensator benötigt. Diese
Vorladeschaltung wird benötigt,
damit beim Einschalten des Matrixumrichters keine Einschaltstromspitzen
oder Oberspannungen von doppelter Netzspannung auftreten. Derartige Überspannungen
verursachen hohe Spitzenströme,
die von den Dioden der Diodenbrücke
geführt werden
müssen.
Der Widerstand ist so dimensioniert, dass der Kondensator um eine
vorbestimmte Energiemenge entladen wird.
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Aus
der den nächstkommenden
Stand der Technik bildenden Veröffentlichung "Performance of a
two Steps Commutated Matrix Converter for AC-Variable-Speed Drives", abgedruckt im Tagungsband
EPE'99, Lausanne,
September 1999, Seiten 1 bis 9, ist ebenfalls eine Überspannungsschutzvorrichtung
bekannt, die zwei 6-pulsige Diodenbrücken aufweist, wobei aus allen
Eingangs- und Ausgangspotentialen ein höchstes Potential ermittelt
wird. Jeder dieser beiden Diodenbrücken weist gleichspannungsseitig
einen Kondensator auf. Diese beiden Kondensatoren sind elektrisch
parallelgeschaltet. Eine Zenerdiode und ein Pulswiderstand sind
elektrisch parallel zu diesen beiden Kondensatoren geschaltet, mit
denen die Spannung der Kondensatoren auf einen vorbestimmten Wert
begrenzt wird. Außerdem weist
jeder bidirektionale Leistungsschalter einen Varistor und zwei antiseriell
geschaltete Zenerdioden auf, mit denen die Über spannungen am bidirektionalen
Leistungsschalter begrenzt werden.
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In
der Veröffentlichung "A Matrix Converter without
Reactive Clamp Elements for an Induction Motor Drive System", von Herrn Axel
Schuster, abgedruckt in IEEE, 1998, Seiten 714 bis 720, sind als Überspannungsschutzvorrichtung
mehrere Varistoren vorgesehen. Jedem Halbleiterschalter jedes bidirektionalen
Leistungsschalters der 3×3-Schaltermatrix
ist ein Varistor elektrisch parallel geschaltet. Diese Varistoren
schützen
die 18 Halbleiterschalter der neun bidirektionalen Leistungsschalter
vor Überspannungen.
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Bei
der Verwendung dieser Überspannungsschutzeinrichtung
muss beim bidirektionalen Leistungsschalter in Common Kollektor
Mode der Verbindungspunkt der beiden Kollektor-Anschlüsse der
beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschalter herausgeführt sein.
Es ist auch möglich,
dass der bidirektionale Leistungsschalter aus einzelnen Halbleiterbauelementen
aufgebaut ist. Erst wenn die Kollektor-Anschlüsse bzw. deren Verbindungspunkt
zugänglich
sind, können
jedem Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalters
ein Varistor elektrisch parallel geschaltet werden.
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Aus
der Veröffentlichung "Beschaltung von SIPMOS-Transistoren", abgedruckt in der "Siemens-Components", Band 22, Heft 4,
1984, Seiten 157 bis 159, ist eine Spannungsklemmschaltung bekannt.
Diese Spannungsklemmschaltung ist in der 4 bei einem Halbleiterschalter 4 näher dargestellt
und ist mit 8 gekennzeichnet. Diese Spannungsklemmschaltung 8 besteht
aus einer Zenerdiode 10, insbesondere einer Hochspannungs-Zenerdiode,
die auch als Transildiode bezeichnet wird, und einer Entkopplungsdiode 12.
Diese Spannungsklemmschaltung 8 ist zwischen Kollektor-Anschluss C
und Gate-Anschluss G des Halbleiterschalters 4 geschaltet.
Als Halbleiterschalter 4 ist ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
(IGBT) mit einer Reverse-Diode vorgesehen. Die Entkopplungsdiode 12 trennt
die Spannungsklemmschaltung 8 vom Gate-Anschluss G des
Halbleiterschalters 4 beim eingeschalteten Halbleiterschalter 4 ab.
Sobald im gesperrten Zustand der Halbleiterschalter 4 seine Kollektor-Emitter-Spannung
die Summe aus Z-Spannung der Transildiode, der Schwellenspannung
der Entkopplungsdiode 12 und der Gate-Emitter-Schwellenspannung überschreitet,
wird der Halbleiterschalter 4 selbsttätig angesteuert. Somit wird
eine auftretende Überspannung
am Halbleiterschalter 4 aktiv von diesem begrenzt, wobei
jedoch im Halbleiterschalter 4 und in der Transildiode 10 Verluste
auftreten.
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Diese
aktive Überspannungsschutzvorrichtung
kann direkt bei einem bidirektionalen Leistungsschalter in der Topologie "Common Emitter Mode" (2) verwendet werden. Das heißt, jedem
der beiden Halbleiterschalter 4 und 6 des bidirektionalen Leistungsschalters 2 im
Common Emitter Mode wird eine Spannungsklemmschaltung 8 elektrisch
parallel zur Kollektor-Gate-Strecke
geschaltet. Dies kann auch ohne großen Aufwand realisiert werden,
da die benötigten
Anschlüsse – Kollektor-Anschluss C und Gate-Anschluss
G – zugänglich sind.
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Eine
Verwendung dieser bekannten Spannungsklemmschaltung 8 bei
einem bidirektionalen Leistungsschalters in Common Kollektor Mode
ist ohne weiteres nicht möglich.
Damit dies möglich
wird, muss der Common-Kollektor-Anschluss aus dem bidirektionalen
Leistungsschalter 2 herausgeführt sein.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Matrixumrichter
kostengünstig
und aufwandsarm gegen Überspannungen
zu schützen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
das Vorhandensein einer auftretenden Überspannung ermittelt, die
dann alle gefährdeten
bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters selbsttätig ansteuert.
Dadurch kann diese Überspannung
keinen bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters zerstören, da
durch diese selbsttätige
Ansteuerung der bidirektionale Leistungsschalter die Überspannung
auf einen vorbestimmten Wert aktiv begrenzt wird. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es unerheblich, an welchem Anschluss des Matrixumrichters eine Überspannung
auftritt, sondern es interessiert nur, dass eine Überspannung auftritt.
Sobald diese erfasst ist, werden alle bidirektionalen Leistungsschalter
derart angesteuert, dass diese ermittelte Überspannung aktiv begrenzt
wird.
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Bei
einem vorteilhaften Verfahren werden nicht die Potentiale an den
Eingangs- und/oder Ausgangs-Anschlüssen des Matrixumrichters ausgewertet,
sondern die Potentiale der Steueranschlüsse aller bidirektionalen Leistungsschalter
des Matrixumrichters. Somit unterscheidet sich das vorteilhafte Verfahren
nur durch den Ort der Erfassung einer Überspannung, nicht jedoch in
der aktiven Begrenzung einer ermittelten Überspannung.
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Eine
erfindungsgemäße aktive Überspannungsschutzvorrichtung
weist wenigstens eine Gleichrichterschaltung, wenigstens eine Hochspannungs-Zenerdiode
und wenigstens eine Diodenschaltung auf, die mehrere hochsperrende
Dioden aufweist, wobei jede Hochspannungs-Zenerdiode kathodenseitig
jeweils mit einem Ausgang der Gleichrichterschaltung und anodenseitig
mit einem Eingang des Diodennetzwerkes verbunden ist. Die Eingänge der
Gleichrichterschaltungen sind eingangsseitig mit den Eingangs- und/oder
Ausgangs-Anschlüssen
des Matrixumrichters oder jeweils mit den Eingangs-Anschlüssen und
einem der drei Ausgangs-Anschlüsse
des Matrixumrichters verknüpft.
Die hochsperrenden Dioden der Diodenschaltung sind kathodenseitig
jeweils mit einem Steuer-Anschluss der bidirektionalen Leistungsschalter des
Matrixumrichters verbunden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
ist diese umrichterorientiert. Das heißt, dass alle Eingangs- und
Ausgangs-Anschlüsse
des Matrixumrichters mit den Eingängen einer Gleichrichterschaltung
verbunden sind. Außerdem
wird nur eine Hochspannungs-Zenerdiode gebraucht, an deren Anode
der Eingang der Diodenschaltung angeschlossen ist. Durch diese umrichterorientierte
Ausgestaltung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
wird nur eine Hochspannungs-Zenerdiode benötigt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieser vorteilhaften
Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
sind jeweils drei hochsperrende Dioden der Diodenschaltung durch
ein Diodennetzwerk, bestehend aus drei niedersperrenden Zenerdioden
und einer hochsperrenden Diode, ersetzt. Die drei niedersperrenden
Zenerdioden sind anodenseitig mit der Kathode der hochsperrenden
Diode verbunden, die anodenseitig mit der Hochspannungs-Zenerdiode
verknüpft
ist. Durch diese Ausgestaltung wird die Anzahl der hochsperrenden
Dioden weiter verringert.
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Die
Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
kann auch phasenorientiert aufgebaut sein, wodurch dann drei Hochspannungs-Zenerdioden
und drei Gleichrichterschaltungen benötigt werden. Auch bei dieser
phasenorientierten Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
können
jeweils drei hochsperrende Dioden der Diodenschaltung durch ein
Diodennetzwerk, bestehend aus drei niedersperrenden Zenerdioden
und einer hochsperrenden Diode, ersetzt werden.
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Außerdem kann
die umrichter- bzw. phasenorientierte Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
abhängig
von der Richtung der Ströme
im Matrixumrichter aufgeteilt werden. Das heißt, die aktive Überspannungsschutzvorrichtung kann
phasen- oder umrichterorientiert und für Hin- und Rückrichtung
gemeinsam oder getrennt aufgebaut sein. Die meisten Hochspannungs-Zenerdioden,
nämlich
sechs Stück,
werden bei einer phasenorientierten und Hin- und Rückrichtung
getrennten Ausführungsform
gebraucht.
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Die
Wahl der Ausführung
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtungen
hängt von
dem Aufbau des Matrixumrichters ab. Die bidirektionalen Leistungsschalter
können
alle in einem Modul untergebracht sein. Diese können auch phasenmäßig jeweils
in einem Modul oder netz- und lastseitig jeweils in einem Modul
integriert sein. Dadurch, dass der Aufbau der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
abhängig
vom Aufbau des Matrixumrichters gestaltet wird, können Teile
der Überspannungsschutzvorrichtung
in unmittelbarer Nähe
der Module des Umrichters platziert werden. Dadurch erhält man eine
niederinduktive Anbindung der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
an dem Matrixumrichter.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungsschalters in Common
Kollektor Mode, die
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2 zeigt
ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungsschalters in Common
Emitter Mode, in dem
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3 ist
ein Schaltbild eines bidirektionalen Leistungsschalters als Embedded
Switch dargestellt, in der
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4 ist
eine Spannungsklemmschaltung für
einen Halbleiterschalter dargestellt, die
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5 zeigt
ein Schaltbild eines Matrixumrichters mit bidirektionalen Leistungsschaltern
gemäß 1,
die
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6 zeigt
ein Schaltbild eines Matrixumrichters mit bidirektionalen Leistungsschaltern
gemäß 3,
die
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7 zeigt
eine umrichterorientierte Ausführungsform
einer ersten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung,
wobei in der
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8 eine
vorteilhafte Ausführungsform
der aktiven Überspannungsvorrichtung
nach 7 dargestellt ist,
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9 zeigt
eine umrichterorientierte Ausführungsform
mit Hin- und Rückrichtung
getrennt der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung,
die
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10 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung nach 9,
wobei die
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11 eine
phasenorientierte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung
zeigt, wobei die
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12 eine
vorteilhafte Ausführungsform der
phasenorientierten Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
nach 11 zeigt, die
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13 zeigt
eine phasenorientierte Ausführungsform
mit Hin- und Rückrichtung
getrennt der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung,
in der
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14 ist
eine umrichterorientierte Ausführungsform
einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
näher dargestellt,
wobei die
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15 eine
umrichterorientierte Ausführungsform
einer zweiten Variante mit Hin- und Rückrichtung getrennt zeigt und
in
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16 ist
eine phasenorientierte Ausführungsform
der zweiten Variante nach 14 näher dargestellt.
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In
der 5 ist eine Schaltung eines Matrixumrichters 28 dargestellt,
der neun bidirektionale Leistungsschalter 2 in Common Kollektor
Mode aufweist. Diese bidirektionalen Leistungsschalter 2 sind in
einer 3×3-Schaltermatrix
angeordnet. Die Emitter-Anschlüsse
dieser bidirektionalen Leistungsschalter 2 bilden entweder
einen Eingangs-Anschluss U bzw. V bzw. W oder einen Ausgangs-Anschluss
X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 28. An den Eingangs-Anschlüssen U,V
und W ist ein Drehstromnetz 30 und an den Ausgangs-Anschlüssen X,Y
und Z eine Drehstromlast 32, insbesondere eine Drehfeldmaschine,
angeschlossen. Die Gate-Anschlüsse
G der netzseitigen Halb 1eiterschalter 6 der bidirektionalen
Leistungsschalter 2 sind mit einem Index N' versehen, wobei
die Gate-Anschlüsse
G der lastseitigen Halbleiter 4 dieser bidirektionalen
Leistungsschalter 2 mit einem Index P' versehen sind. Eine Phase des Matrixumrichters 28 ist
eine Anordnung von drei bidirektionalen Leistungsschaltern 2, die
eine Verbindung von den drei netzseitigen Anschlüssen, U,V und W zu jeweils
einem lastseitigen Anschluss X bzw. Y bzw. Z herstellt. Aus diesem Grund
sind diese Gate-Anschlüsse
G der bidirektionalen Leistungsschalter 2 mit zwei Indexzahlen
versehen. Bei diesem Ersatzschaltbild des Matrixumrichters 28 mit
bidirektionalen Leistungsschaltern 2 in Common Kollektor
Mode sind die antiparallelen Dioden der antiseriell geschalteten
Halbleiterschalter 4 und 6 der bidirektionalen
Leistungsschalter 2 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen.
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In
der 6 ist dieser Matrixumrichter 28 mit bidirektionalen
Leistungsschaltern 2 in Embedded Mode dargestellt. Dieser
Matrixumrichter 28 unterscheidet sich vom Matrixumrichter 28 gemäß 5 nur
durch die Topologie der bidirektionalen Leistungsschalter 2.
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Zum
Schutz des Matrixumrichters 28 gegenüber auftretenden Überspannungen
ist deshalb eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung
vorgesehen, die wenigstens eine Gleichrichterschaltung, wenigstens
eine Hochspannungs-Zenerdiode und wenigstens eine Diodenschaltung
aufweist.
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Eine
erste umrichterorientierte Ausführungsform
einer ersten Variante der aktiven Überspannungsvorrichtung nach
der Erfindung ist in der 7 näher dargestellt. Diese Überspannungsschutzvorrichtung
weist eine Gleichrichterschaltung 34, eine Hochspannungs-Zenerdiode 10,
auch als Transildiode bezeichnet, und eine Diodenschaltung 36 auf.
Die Gleichrichterschaltung 34 weist drei der Netzseite
zugewandte Dioden 18 und drei der Lastseite zugewandte
Dioden 16 auf. Die Dioden 18 sind anodenseitig
jeweils mit einem Eingangs-Anschluss U,V oder W und die Dioden 16 sind
jeweils mit einem Ausgangs-Anschluss X,Y oder Z des Matrixumrichters 28 verknüpft. Die
Diodenschaltung 36 weist neun Dioden 20 und neun
Dioden 22 auf. Die Dioden 20 bzw. 22 sind
kathodenseitig jeweils mit Gate-Anschlüssen G der bidirektionalen
Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 verbunden.
Die Dioden 20 und 22 sind anodenseitig mit den
Anoden-Anschluss der Transildiode 10 verknüpft, die
ihrerseits kathodenseitig mit den Kathoden-Anschlüssen der
Dioden 16 und 18 der Gleichrichterschaltung 34 elektrisch leitend
verbunden ist. Da die aktive Überspannungsschutzvorrichtung
nur eine Gleichrichterschaltung 34 und nur eine Hochspannungs-Zenerdiode 10 aufweist,
ist diese umrichterorientiert aufgebaut. Diese umrichterorientierte
aktive Überspannungsschutzvorrichtung
wird vorteilhafter Weise dann verwendet, wenn der Matrixumrichter 28 aus
einem Modul besteht.
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In
der 8 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der ersten Variante
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
dargestellt. Diese vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich
von der Ausführungsform
gemäß 7 dadurch,
dass anstelle von jeweils drei hochsperrenden Dioden 20 und 22 der
Diodenschaltung 36 jeweils ein Diodennetzwerk 38 und 40 vorgesehen
ist. Jedes Diodennetzwerk 38,40 besteht aus drei
niedersperrenden Zenerdioden 42,44 und einer hochsperrenden
Diode 46,48. Die drei niedersperrenden Zenerdioden 42 bzw. 44 sind
anodenseitig mit der Kathode der hochsperrenden Dioden 46 bzw. 48 verknüpft, die
anodenseitig mit der Anode der Hochspannungs-Zenerdiode 10 verknüpft ist.
Durch diese Ausgestaltung wird die Anzahl der hochsperrenden Dioden 20 bzw. 22 von neun
auf drei reduziert. Dadurch reduziert sich der Kostenaufwand für die aktive Überspannungsschutzvorrichtung.
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Die 9 zeigt
eine umrichterorientierte Ausführungsform
der ersten Variante der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung,
wobei die Hin- und Rückführung getrennt
sind. Gegenüber
der Ausführungsform
nach 7 sind die Gleichrichterschaltung 34 und
die Diodenschaltung 36 jeweils halbiert. Das heißt, die
Dioden 18 und 16 der Gleichrichterschaltung 34 bilden
jeweils eine Teilgleichrichterschaltung 50 und 52,
wogegen die Dioden 20 und 22 der Diodenschaltung 36 jeweils
eine Teildiodenschaltung 54 und 56 bilden. Kathodenseitig
sind die Dioden 18 und 16 jeweils mit einem Kathoden-Anschluss einer
Transitdiode 10 verbunden. Anodenseitig ist jede dieser
Transildioden 10 mit den Anoden der Dioden 20 bzw. 22 der
Teildiodenschaltung 54 und 56 verknüpft. Diese
Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
wird vorzugsweise dann verwendet, wenn der Matrixumrichter 28 von zwei
Modulen realisiert wird, wobei in einem Modul alle netzseitigen
Halbleiterschalter 6 und im anderen Modul alle lastseitigen
Halbleiterschalter 4 integriert sind.
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In
der 10 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Ausführungsform
nach 9 näher dargestellt.
Bei dieser Variante hat sich die Anzahl der hochsperrenden Dioden 20 und 22 wesentlich verringert.
Anstelle von jeweils neun hochsperrenden Dioden 20 und 22 der
Teildiodenschaltungen 54 und 56 werden nun nur
noch jeweils drei hochsperrende Dioden 46 und 48 benötigt, die
jeweils-mit drei, niedersperrenden Zenerdioden 42 bzw. 44 versehen sind.
Dabei ist jede hochsperrende Diode 46 bzw. 48 kathodenseitig
mit einem Anoden-Anschluss dreier Zenerdioden 42 bzw. 44 elektrisch
leitend verbunden, die ihrerseits kathodenseitig mit Steueranschlüssen der
bidirektionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 verknüpft sind.
Durch die Reduzierung der Anzahl hochsperrender Dioden 46 und 48 kann
die Diodenschaltung 36 noch platzsparender aufgebaut werden.
Außerdem
reduziert sich der Kostenaufwand für die aktive Überspannungsschutzvorrichtung
für den
Matrixumrichter 28.
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In
der 11 ist eine phasenorientierte Ausführungsform
einer aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
nach der Erfindung für
einen Matrixumrichter 28 dargestellt. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 7 dadurch,
dass die Gleichrichterschaltung 34 und die Diodenschaltung 36 jeweils
in drei Teilgleichrichterschaltungen 58,60 und 62 und
drei Teildiodenschaltungen 64,66 und 68 unterteilt
sind. Jede Teilgleichrichterschaltung 58,60 und 62 ist
einerseits mit den Eingangs-Anschlüssen U,V und W und einem Ausgangs-Anschluss
X bzw. Y bzw. Z des Matrixumrichters 28 verbunden. Die
Teildiodenschaltungen 64,66 und 68 sind
jeweils mit den Steueranschlüssen
der bidirektionalen Leistungsschalter 2 einer Matrixumrichterphase
verknüpft.
Bei dieser Ausführungsform sind
Hin- und Rückrichtung,
wie bei der Ausführungsform
gemäß 7,
nicht getrennt. Die Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß 11 ist
genau dann zu empfehlen, wenn der Matrixumrichter 28 pro Phase
ein Modul aufweist.
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In
der 12 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Ausführung nach 11 näher dargestellt.
Auch bei dieser vorteilhaften Ausführungsform sind jeweils drei
hochsperrende Dioden 20 und 22 der Teildiodenschaltungen 64,66 und 68 jeweils durch
ein Diodennetzwerk 38 bzw. 40 ersetzt, wobei hier
nur das Diodenetzwerk 40 jeweils näher dargestellt ist.
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In
der 13 ist eine phasenorientierte Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
nach der Erfindung dargestellt, wobei Hin- und Rückrichtung des Matrixumrichters 28 getrennt sind.
Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 11 dadurch,
dass jede Teilgleichrichterschaltung 58,60 und 62 und
jede Teildiodenschaltung 64,66 und 68 halbiert
sind. Dadurch verdoppeln sich nur die Anzahl der Hochspannungs-Zenerdioden 10.
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In
der 14 ist eine umrichterorientierte Ausführungsform
einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
näher dargestellt.
Der wesentliche Unterschied zur ersten Variante besteht darin, dass
die Gleichrichterschaltung 34 nun nicht mehr eingangsseitig
mit den Eingangs- und Ausgangs-Anschlüssen U,V,W und X,Y,Z des Matrixumrichters 28 verknüpft sind,
sondern mit den Steueranschlüssen
G der bidirektionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28.
Aus diesem Grund weist nun die Gleichrichterschaltung 34 achtzehn
hochsperrende Dioden 16 und 18 auf, die alle kathodenseitig
miteinander verbunden sind. Dieser Verknüpfungspunkt bildet den Ausgang
der Gleichrichterschaltung 34. Die Diodenschaltung 36 entspricht
vom Aufbau der Diodenschaltung 36 der Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
nach 7. Somit ist diese erste Ausführungsform der zweiten Variante der
aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
ebenfalls umrichterorientiert aufgebaut. Eine entsprechende phasenorientierte
Ausführungsform
der zweiten Variante ist in der 16 dargestellt,
wobei eine umrichterorientierte mit Hin- und Rückrichtung getrennt in der 15 näher dargestellt
ist. Diese in den 14 bis 16 dargestellten
Ausführungsformen der
zweiten Variante der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
kann nur bei einem Matrixumrichter 28 verwendet werden,
deren neun bidirektionale Leistungsschalter 2 in der Topologie "Common Kollektor
Mode" oder "Common Emitter Mode" ausgeführt sind.
Die Verwendung dieser zweiten Variante der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
ist bei einem Matrixumrichter mit bidirektionalen Leistungsschalter 2 in
der Topologie "Embedded
Mode" nicht möglich.
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Dadurch,
dass wenigstens eine Hochspannungs-Zenerdiode gemeinsam für alle Halbleiterschalter 4,6 bzw. 5 der
bidirektionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 verwendet
wird, ist der Aufwand für
einen Überspannungsschutz
eines Matrixumrichters 28 minimal. Die Spannungsbegrenzungen
für alle
Halbleiterschalter 4,6 bzw. 5 der bidirektionalen
Leistungsschalter 2 wird bei einer umrichterorientierten
Ausführungsform
der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
von einer einzigen Hochspannungs-Zenerdiode 10 vorgenommen. Durch
diese erfindungsgemäße aktive Überspannungsschutzvorrichtung
wird eine auftretende Spannung im Matrixumrichter 28 ermittelt,
wobei das Vorhandensein einer Überspannung
nur interes siert und nicht der Ort der Überspannung im Matrixumrichter 28.
Eine ermittelte Überspannung
führt dazu,
dass bei einer umrichterorientierten Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung
alle Halbleiterschalter 4,6 oder 5 der
bidirektionalen Leistungsschalter 2 des Matrixumrichters 28 derart
aufgesteuert werden, dass sie diese Überspannung aktiv begrenzen.
Somit wird der Überspannungsschutz nicht
mehr für
jeden einzelnen Halbleiterschalter 4,6 bzw. 5 der
bidirektionalen Leistungsschalter 2 oder jeden einzelnen
bidirektionalen Leistungsschalter 2 getrennt gelöst, sondern
für den
gesamten Matrixumrichter 28 gemeinsam.