DE10057784A1 - Verfahren zur Steuerung eines Matrixumrichters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Matrixumrichters (2) mit neun in einer 3x3-Schaltermatrix (6) angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern (4), wobei mittels eines Raumzeiger-Modulationsverfahrens pro Modulationsintervall vier aktive Schaltzustände und ein Null-Schaltzustand mit zugehörigen Zeitspannen (a, b, d, e, c) berechnet werden. Erfindungsgemäß wird die berechnete Zeitspanne (c) des Null-Schaltzustandes auf wenigstens zwei der drei zur Verfügung stehenden Null-Schaltzustände aufgeteilt. Somit erhält man einen Matrixumrichter (2), bei dem keine Ausgangsspannungsfehler mehr entstehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Matrixumrichters mit neun in einer 3 × 3-Schaltermatrix angeordneten bidirektionalen Leistungsschalter, wobei mittels eines Raumzeigermodulationsverfahren pro Modulationsintervall vier aktive Schaltzustände und ein Null-Schaltzustand mit zu­ gehörigen Zeitspannen berechnet werden.

Bei einem Matrixumrichter handelt es sich um einen selbstge­ führten Direktumrichter. Er ermöglicht die Umformung eines starren Drehstromnetzes in ein System mit variabler Spannung und Frequenz. Durch die Anordnung der bidirektionalen Leis­ tungsschalter in einer 3 × 3-Schaltermatrix kann jeweils eine der drei Ausgangsphasen des Matrixumrichters elektrisch mit einer Eingangsphase verbunden werden. Eine Phase des Matrix­ umrichters besteht aus einer Anordnung aus drei bidirektio­ nalen Leistungsschaltern, die einerseits jeweils mit einer Eingangsphase und andererseits mit einer Ausgangsphase ver­ bunden sind. Eine derartige Anordnung wird auch als 3 × 1- Schaltermatrix bezeichnet. Der Matrixumrichter benötigt kei­ nen Zwischenkreis. Der selbstgeführte Direktumrichter bietet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rückspeise­ fähig ist und durch eine entsprechend ausgeprägte Steuerung sinusförmige Netzströme erreicht.

Die bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixumrichters weisen jeweils zwei antiseriell geschaltete Halbleiterschal­ ter auf. Als Halbleiterschalter werden vorzugsweise Insula­ ted-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet, die jeweils eine antiparallele Diode aufweisen. Derartig ausgebildete bi­ direktionale Leistungsschalter werden vorzugsweise bei Um­ richtern für kleine und mittlere Leistungen verwendet. Durch die Ansteuerung dieser Halbleiterschalter der bidirektionalen Leistungsschalter wird jeweils ein Strompfad in einer durch die Anordnung der Halbleiterschalter bestimmten Richtung durchgeschaltet. Sind beide Halbleiterschalter eines bidirek­ tionalen Leistungsschalters angesteuert, so ist dieser bidi­ rektional eingeschaltet und es wird ein Stromfluss in beide Richtungen ermöglicht. Dadurch entsteht eine sichere elektri­ sche Verbindung zwischen einer Eingangs- und Ausgangsphase des Matrixumrichters. Wird nur ein Halbleiterschalter eines bidirektionalen Leistungsschalter angesteuert, so ist dieser unidirektional eingeschaltet und es entsteht eine elektrische Verbindung zwischen einer Eingang- und Ausgangsphase des Ma­ trixumrichters nur für eine bevorzugte Stromrichtung.

Durch eine gezielte zeitliche Abfolge von Schalterstellungs­ kombinationen innerhalb einer Modulationsperiode kann im zeitlichen Mittel eine in Grenzen beliebige Ausgangsspannung erzeugt werden. Aufgabe einer Steuerung eines Matrixumrich­ ters ist es, aus Kenntnis des Eingangsspannungs-Raumzeigers und einem Sollwert für den Ausgangsspannungs-Raumzeiger die geeignete Schaltkombination zu errechnen.

Bisher bekannte Steuerverfahren arbeiten entweder nach dem phasenorientierten oder dem raumzeigerorientierten Verfahren.

Das phasenorientierte Steuerverfahren ist in der Veröffentli­ chung "Analysis and Design of Optimum-Amplitude Nine-Switch Direct AC-AC Converters", von Alberto Alesina und Marco G. B. Venturini, abgedruckt in IEEE Transactions on Power Electro­ nics, Band 4, Nr. 1, Januar 1989, Seiten 101 bis 112, näher beschrieben, wogegen in der Veröffentlichung "Space Vector Modulated Three-Phase to Three-Phase Matrix Converter with Input Power Factor Correction", von László Huber und Dusan Borejevic, abgedruckt in IEEE Transaction on Industry Appli­ cations, Band 31, Nr. 6, Nov./Dez. 1995, Seiten 1234 bis 1245, ein raumzeigerorientiertes Steuerverfahren näher be­ schrieben ist.

Aus der Veröffentlichung "Space Vector Modulated Matrix Con­ verter with Minimized Number of Switchings and a Feedforward Compensation of Input Voltage Unbalance", von P. Nielsen, F. Blaabjerg, J. K. Pedersen, abgedruckt in Proceedings of the 1996 International Conference an Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, Seiten 833 bis 839, ist ein Verfahren zur Reduzierung von Kommutierungen bekannt. Bei diesem Verfahren werden mittels eines Raumzeiger-Modula­ tionsverfahrens vier aktive Schaltzustände und ein Schaltzu­ stand, der am Ausgang des Matrixumrichters einen Spannungs- Raumzeiger mit der Amplitude Null erzeugt, berechnet. In die­ ser Veröffentlichung werden diese Schaltzustände als aktive Vektoren oder als Nullvektor bezeichnet. Bei der Raumzeiger­ modulation eines Matrixumrichter kommt es vor, dass der Ein­ gangs-Stromvektor und Ausgangs-Spannungsvektor einerseits im selben Sektor andererseits in benachbarten Sektoren liegen. Neben diesen beschriebenen Kombinationen sind beliebige Kom­ binationen möglich. In allen Fällen wird die Pulsfrequenz, d. h. die Spannungs-Raumzeiger-Sequenz, in der Regel spiegel­ symmetrisch aufgebaut, wobei der Nullvektor mittig zu den vier aktiven Vektoren angeordnet ist. Wenn der Eingangs- Stromvektor und der Ausgangs-Spannungsvektor des Matrixum­ richters jeweils im selben Sektor liegen, so ergibt die Puls­ folge acht Kommutierungen. Liegen diese Vektoren jedoch in benachbarten Sektoren, so ergibt die Pulsfolge ohne Optimie­ rung zehn Kommutierungen. Mit der in dieser Veröffentlichung vorgestellten Optimierung, wird in diesem Fall eine Pulsfolge erzeugt, die auch nur acht Kommutierungen aufweist. Die opti­ mierte Pulsfolge wird aus den berechneten vier aktiven Vekto­ ren und einem Nullvektor zusammengesetzt. Die optimierte Pulsfolge unterscheidet sich von der nicht optimierten Puls­ folge dadurch, dass die aktiven Vektoren zeitlich in der Pulsfolge vertauscht werden und ein geeigneter Nullvektor ausgewählt wird. Dabei wird von den drei möglichen Nullvekto­ ren derjenige ausgewählt, der nur eine Kommutierung verur­ sacht. Durch dieses optimierte Raumzeiger-Modulationsverfah­ ren wird erreicht, dass pro Modulationsperiode immer nur acht Kommutierungen auftreten. Durch die Reduzierung der Anzahl der Kommutierungen pro Modulationsperiode werden Schaltver­ luste des Matrixumrichters reduziert.

Bei der Umsetzung der mittels eines Raumzeiger-Modulations­ verfahren berechneten Schaltzustände pro Modulationsinter­ vall, das auch als Modulationsperiode bzw. halbe Modulations­ periode bezeichnet wird, werden nach der zuletzt genannten Veröffentlichung immer acht Kommutierungen benötigt. Eine Kommutierung erfolgt in mehreren Schritten, die durch eine Verriegelungszeit voneinander getrennt werden müssen. Somit unterliegt die Kommutierung einer zeitlichen Limitierung, die zu einer Mindesteinschaltzeit führt. Die Steuerung dieser Kommutierung findet in einem Modulator statt, der einer Steu­ ereinrichtung nachgeschaltet ist. Werden Einschaltzeiten be­ rechnet, die von der Kommutierungssteuerung nicht realisiert werden können, so führt dies zu Ausgangsspannungsfehlern.

Da eine Differenz zwischen einer vom Steuersatz errechneten Einschaltzeit und einer tatsächlichen Einschaltzeit zu einem Steuerungsfehler führt, ist es vorteilhaft diesen Fehler zu vermeiden, und bei der Berechnung der Einschaltzeiten durch den Steuersatz dafür zu sorgen, dass keine Einschaltzeiten kleiner als eine vorbestimmte Mindesteinschaltzeit entstehen.

Bisherige auf Raumzeigermodulation basierende Steuerungen ak­ zeptierten den entstehenden Fehler. Eine Optimierung findet lediglich dahingehend statt, dass versucht wird, die Mindest­ einschaltzeit möglichst kurz zu halten. Dies wird mit einem Steuerverfahren für einen Matrixumrichter erreicht, das in der Veröffentlichung "Semi natural two steps Commutation strategy for Matrix Converters", von M. Ziegler, W. Hofmann, abgedruckt in PESC, 1998, Seiten 727 bis 731, näher darge­ stellt ist. Grundlage dieses Steuerverfahrens ist eine neue Festlegung der 60°el.-Sektoren. Die Sektorgrenzen bilden nicht mehr die Nulldurchgänge der Phasenspannungen des spei­ senden Netzes, sondern die Nulldurchgänge der verketteten Phasenspannungen. Dadurch treten in jedem 60°el.-Sektor drei Spannungspotentiale V_P, V_M und V_N auf, die eindeutig ohne gro­ ßen Aufwand bestimmbar sind. Um von einem Hauptzustand zu ei­ nen anderem zu gelangen, benötigt dieses Verfahren anstelle von vier Schritten nur noch zwei Schritte. Mittels dieses Verfahrens wird eine möglichst kurze Mindesteinschaltzeit er­ reicht. Dieses Kommutierungsverfahren kann aber nicht verhin­ dern, dass Schaltzustände mit Einschaltzeiten kleiner als ei­ ner vorbestimmten Mindesteinschaltzeit mittels eines Raumzei­ ger-Modulationsverfahrens berechnet werden, da das Raumzei­ ger-Modulationsverfahren und die Kommutierungssteuerung in zwei verschiedenen Ebenen durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte Steuerverfahren derart weiter zu optimieren, dass am Matrix­ umrichter keine Ausgangsspannungsfehler mehr entstehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruch 1 gelöst.

Dadurch, dass die berechnete Zeitspanne des Null-Schaltzu­ standes einer Modulationsperiode auf wenigstens zwei der drei zur Verfügung stehenden Null-Schaltzustände aufgeteilt wird, werden die Einschaltzeiten jeweils einer Ausgangsphase zu den Eingangsphasen verlängert. Dadurch wird die Berechnung von Schaltzuständen mit Einschaltzeit kleiner als eine vorbe­ stimmte Mindesteinschaltzeit nicht unterbunden, diese führen jedoch nicht mehr zu Ausgangsspannungsfehlern des Matrixum­ richters, da die auszuführenden Schaltzustände der Ausgangs­ phasen zu einer Eingangsphase mit Hilfe von vor- oder nachge­ schalteten Null-Schaltzuständen verlängert werden. Besonders einfach ist es, wenn alle drei Null-Schaltzustände des Matri­ xumrichters pro Modulationsperiode verwendet werden. Wie die­ se Null-Schaltzustände mit den vier aktiven Schaltzuständen zu einer Pulsfolge zusammengesetzt werden, hängt von den be­ rechneten aktiven Schaltzuständen ab. Somit wird das Problem dort behoben, wo dieses entsteht und nicht auf andere Funkti­ onsblöcke übertragen.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird als Null-Schaltzustand derjenige Null-Schaltzustand ausgewählt, der eine berechnete Zeitspanne, die für eine Ausgangsphase kleiner oder gleich einer Mindesteinschaltzeit ist, für diese Ausgangsphase ver­ längert. Somit besteht die Möglichkeit, aus dem Angebot von drei Null-Schaltzuständen des Matrixumrichters immer wenigs­ tens zwei passende Null-Schaltzustände für die vier aktiven Schaltzustände pro Modulationsperiode zu finden, damit kein Ausgangsspannungsfehler mehr entsteht. Da eine Überprüfung der Mindesteinschaltzeit indirekt bei der Auswahl der Null- Schaltzustände durchgeführt wird, entfällt dies bei einer nachgeschalteten Kommutierungssteuerung.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die berechne­ te Zeitspannung des Null-Schaltzustandes einer Modulations­ periode gleichmäßig auf die verwendeten Null-Schaltzustände verteilt. Dadurch wird eine quasi symmetrische Zuordnung er­ reicht. Diese quasi symmetrische Zuordnung garantiert bei der Verwendung von drei Null-Schaltzuständen eine Mindestein­ schaltzeit von einem Drittel der berechneten Zeitspanne des Null-Schaltzustandes einer Modulationsperiode. Dadurch ver­ größert sich der Bereich kleiner Ausgangsspannungen, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann.

Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die berechne­ te Zeitspanne des Null-Schaltzustandes einer Modulationspe­ riode den verwendeten Null-Schaltzuständen symmetrische zuge­ ordnet. Dadurch kann der Bereich kleiner Ausgangsspannungen und damit das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter vergrößert werden, jedoch kann die Mindesteinschalt­ zeit beim Übergang von Schaltgrenzen im Raumzeigermodulati­ onsverfahren nicht garantiert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren schema­ tisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Matrixumrich­ ters, die

Fig. 2 zeigt eine Tabelle von berechneten Schaltzu­ ständen mit zugehörigen Zeitspannen, die

Fig. 3 und 4 zeigen jeweils eine Tabelle von berechneten Schaltzuständen die wenigstens zwei Null- Schaltzustände aufweisen, in der

Fig. 5 sind eine verkettete Ausgangsspannung und eine Phasenspannung bei bekannter Raumzeigermodula­ tion jeweils in einem Diagramm über die Zeit t dargestellt und die

Fig. 6 zeigt eine verkettete Ausgangsspannung und eine Phasenspannung bei erfindungsgemäßer Raumzei­ germodulation mit quasi symmetrisch verteilten Null-Schaltzustände jeweils in einem Diagramm über der Zeit t.

In der Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild eines dreiphasigen Matrixumrichters 2 näher dargestellt. Dieser dreiphasige Matrixumrichter 2 weist neun bidirektionale Leistungsschalter 4 auf, die in einer 3 × 3-Schaltermatrix 6 angeordnet sind. Durch die Anordnung der neun bidirektionalen Leistungsschal­ ter 4 in einer 3 × 3-Schaltermatrix 6 kann jede Ausgangsphase X, Y, Z an eine beliebige Eingangsphase U, V, W geschaltet wer­ den. An den Ausgangsphasen X, Y, Z des Matrixumrichters 2 ist eine induktivitätsbelastete Last 8 angeschlossen. Die Ein­ gangsphasen U, V und W sind mit einem LC-Filter 10 verknüpft, das eingangsseitig mit einem speisenden Netz 12 verbunden ist. Dieses LC-Filter 10 weist Induktivitäten 14 und Konden­ satoren 16 auf. Diese Kondensatoren 16 sind hier in Stern ge­ schaltet, wobei eine Dreiecksschaltung auch möglich ist. Die Induktivitäten 14 sind in den Zuleitungen zu den Kondensato­ ren 16 angeordnet, sodass deren Ladeströme geglättet werden.

Eine Phase dieses Matrixumrichters 2 weist drei bidirektiona­ le Leistungsschalter 4 auf, die eine Ausgangsphase X bzw. y bzw. Z mit den Eingangsphasen U, V, W verbinden können. Diese Marixumrichterphase weist eine 3 × 1-Schaltermatrix auf.

Außerdem zeigt dieses Ersatzschaltbild eines dreiphasigen Matrixumrichters 2 eine Steuer- und Regeleinrichtung 18, eine Modulationseinrichtung 20 und neun Ansteuereinrichtungen 22 auf. Die Steuer- und Regeleinrichtung 18 weist eine Lastrege­ lung 24 und einen Steuersatz 26 auf. Der Lastregelung 24 wird eingangsseitig ein ermittelter Laststrom-Raumzeiger i ₀ zuge­ führt und generiert einen Ausgangsspannungs-Raumzeiger u ₀. Die Lastregelung 24 kann beispielsweise eine feldorientierte Regelung sein. Der nachgeschaltete Steuersatz 26 berechnet in Abhängigkeit dieses generierten Ausgangsspannungs-Raumzeigers u ₀ und eines ermittelten Eingangsspannungs-Raumzeigers u _I mittels des Raumzeiger-Modulationsverfahrens Aussteuerungs­ grade m. Diese Steuer- und Regeleinrichtung 18 wird vorzugs­ weise durch einen digitalen Signalprozessor realisiert.

Die nachgeschaltete Modulationseinrichtung 20 weist eingangs­ seitig einen Modulator 28 und ausgangsseitig für jede Matrix­ umrichterpahse eine Kommutierungssteuerung 30, 32 und 34 auf. Der Modulator 28 generiert in Abhängigkeit des anstehenden Ansteuerungsgrades m pulsweitenmodulierte Signale, die je­ weils in den Kommutierungssteuerungen 30, 32 und 34 hinsicht­ lich Verriegelungszeit, Mindesteinschaltzeit und Freilauf ge­ prüft und entsprechend bearbeitet werden. Dazu benötigen die­ se Kommutierungssteuerungen 30, 32 und 34 jeweils das Vorzei­ chen der verketteten Eingangsspannungen des Matrixumrichters 2, die durch den Eingangsspannungs-Raumzeiger u _I beschrieben werden. An den Ausgängen der Kommutierungssteuerung 30 bzw. 32 bzw. 34 stehen dann Steuersignale (Ein-/Aus-Signale) an, die mittels einer Ansteuereinrichtung 22 in ein von der Aus­ führungsform des bidirektionalen Leistungsschalters 4 abhän­ giges Gate-Signal umgewandelt werden. Diese Modulationsein­ richtung 20 wird vorzugsweise durch ein Programable Logik Device, insbesondere ein Field Programmable Gate Array, rea­ lisiert.

Die Fig. 2 zeigt eine Tabelle mit zwei Spalten, nämlich eine Spalte "Zeitspanne" und eine Spalte "Schaltzustand". In die­ ser letztgenannten Spalte sind für eine Modulationsperiode bzw. für eine halbe Modulationsperiode bei spiegelsymmetri­ scher Modulation vier aktive Schaltzustände 121, 122,133 und 131 und ein Null-Schaltzustand 111 eingetragen. Die aktiven Schaltzustände 121, 122, 133 und 131 generieren einen Augangs­ spannungs-Raumzeiger u ₀ der verschieden von Null ist. Der Null-Schaltzustand 111 generiert einen Ausgangsspannungs- Raumzeiger u ₀ mit der Amplitude Null. Deshalb wird in der eingangs genannten Literatur in Verbindung mit der Raumzei­ germodulation auch von aktiven Raumzeigern und Nullzeigern gesprochen.

Der Schaltzustand eines Matrixumrichters 2 wird gemäß dieser Tabelle durch einen Zahlentripple, beispielsweise 122, be­ schrieben. Dazu gibt die erste Ziffer an, mit welcher Ein­ gangsphase die erste Ausgangsphase X des Matrixumrichters 2 verbunden werden soll bzw. ist. Die zweite Ziffer gibt an, mit welcher Eingangsphase die zweite Ausgangsphase Y des Matrixumrichters 2 verbunden werden soll bzw. ist. Die dritte Ziffer gibt die Verbindung der dritten Ausgangsphase Z des Matrixumrichters 2 mit einer Eingangsphase an. D. h., das ge­ mäß dem Schaltzustand 122 die erste Ausgangsphase X mit der Eingangsphase U, die zweite Ausgangsphase Y mit der Eingangs­ phase V und die dritte Ausgangsphase Z des Matrixumrichters 2 mit der Eingangsphase V verbunden werden sollen. Wie lange dieser Schaltzustand anstehen soll, gibt die zum Schaltzu­ stand zugehörige Zeitspanne Tβµ = a an. Wenn der Schaltzu­ stand 122 ausgeführt wird, so werden die entsprechenden bidi­ rektionalen Leistungsschalter 4 geschlossen.

Die in der Fig. 2 gezeigte Tabelle zeigt ein Rechenbeispiel aus der Veröffentlichung von Huber, Borojevic, insbesondere die Tabelle III und die Abb. 9, welche unter der Annahme eines Eingangs-Leistungsfaktors cosϕ von Eins im Eingangs­ spannungssektor I zustande kommt.

Neben den Null-Schaltzustand 111 existieren noch zwei weitere Null-Schaltzustände 222 und 333. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Tabelle werden von den drei Null-Schaltzuständen 111, 222, 333 nur der Null-Schaltzustand 111 verwendet. Gemäß dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren soll die berechnete Zeitspannung c für einen Null-Schaltzustand auf wenigstens zwei Null-Schaltzu­ stände verteilt werden.

Die Fig. 3 zeigt eine Tabelle, bei der die vier aktiven Schaltzustände 121, 122, 131 und 133 beispielhaft durch die zwei Null-Schaltzustände 222 und 333 ergänzt werden. Die zu­ gehörige Zeitspanne c für beide Null-Schaltzustände ist gleichmäßig auf beide Null-Schaltzustände 222 und 333 aufge­ teilt. Diese beiden Null-Schaltzustände 222 und 333 bilden jeweils den Anfang und das Ende einer Pulsfolge, die sich aus den vier aktiven Schaltzuständen 121, 122, 131 und 133 und den beiden Null-Schaltzuständen 222 und 333 zusammensetzt. Diese Schaltzustände sind derart aneinandergereiht, dass jeweils nur eine Kommutierung stattfindet und das sehr kurze Ein­ schaltzeiten einzelner bidirektionaler Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2 verhindert werden. Es wird angenommen, dass die berechneten Zeitspannen a und e jeweils kleiner ei­ ner Mindesteinschaltzeit t_min sind. Unter dieser Voraussetzung würde die dritte Ausgangsphase Z des Matrixumrichters 2 kür­ zer als die Mindesteinschaltzeit t_min mit der Eingangsphase V bzw. mit der Eingangsphase W des Matrixumrichters 2 verbunden sein. Diese geringen Einschaltzeiten a und e würden zu einem Steuerungsfehler führen. Dieser Steuerungsfehler würde sich durch einen Ausgangsspannungsfehler beim Matrixumrichter 2 bemerkbar machen.

Damit dies nicht eintrifft, werden die Schaltzustände mit den Zeitspannen a und e, die kleiner einer Mindesteinschaltzeit t_min sind, durch die Null-Schaltzuständen 222 und 333 flan­ kiert. Durch den Null-Schaltzustand 222 wechselt die dritte Ausgangsphase Z des Matrixumrichters 2 nicht schon nach der Zeitspanne a von der Eingangsphase V zur Eingangsphase U, sondern erst nach den Zeitspannen a und c/2. Ebenso ist die Einschaltzeit der Ausgangsphase Z mit der Eingangsphase W um die Zeitspanne c/2 verlängert.

In der Fig. 4 ist eine Tabelle dargestellt, bei der die vier aktiven Schaltzustände 121, 122, 131 und 133 um die drei Null- Schaltzustände 111, 222, 333 ergänzt sind. Diese Tabelle veran­ schaulicht die Pulsfolge einer Modulationsperiode bzw. einer halben Modulationsperiode. Durch die Verwendung dieser drei Null-Schaltzustände 111, 222 und 333 existieren keine kurzen Einschaltzeiten einzelner bidirektionaler Leistungsschalter 4 des Matrixumrichters 2.

Welche Null-Schaltzustände 111, 222 oder 333 verwendet werden müssen, hängt von den berechneten Zeitspannen a, b, d und e der aktiven Schaltzustände ab. D. h. das auf den Null-Schaltzu­ stand 111 in der Tabelle nach Fig. 4 verzichtet werden kann, wenn die Zeitspanne b und d größer der Mindesteinschaltzeit t_min ist. Dann ergibt sich das Ergebnis aus der Fig. 3. Ist hingegen die Zeitspanne e größer der Mindesteinschaltzeit t_min, so wird der Null-Schaltzustand 333 nicht benötigt. Auf den Null-Schaltzustand 222 kann verzichtet werden, sobald die Zeitspanne a größer der Mindesteinschaltzeit t_min ist.

Die berechnete Zeitspanne c für einen Null-Schaltzustand ist in den Tabellen nach Fig. 3 und Fig. 4 jeweils gleichmäßig auf die verwendeten Null-Schaltzustände 222, 333 und 111, 222, 333 aufgeteilt worden. Dadurch erhält man eine Schaltfolge mit quasi symmetrisch verteilten Null-Schaltzuständen. Diese qua­ si symmetrische Zuordnung garantiert eine Mindesteinschalt­ zeit von c/3.

Die berechnete Zeitspanne c für einen Null-Schaltzustand kann auf die Null-Schaltzustände 111, 222 und 333 auch symmetrisch verteilt werden. Die symmetrische Zuordnung sieht wie folgt aussehen:
Null-Schaltzustand 222 mit einer Zeitspanne c/4
Null-Schaltzustand 111 mit einer Zeitspanne c/2
Null-Schaltzustand 333 mit einer Zeitspanne c/4.

Diese symmetrische Zuordnung garantiert eine Mindestein­ schaltzeit für einen Null-Schaltzustand von c/4, bietet je­ doch in aller Regel, d. h., solange kein Wechsel der aktiven Schaltzustände erfolgt, eine Mindesteinschaltzeit von c/2. Je größer diese garantierbare Mindesteinschaltzeit für einen Null-Schaltzustand ist, um so größer ist der Spannungs-Be­ reich, in dem dieses Verfahren eingesetzt werden kann. Die Voraussetzung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist, das eine ausreichende Zeitspanne c für einen Null- Schaltzustand berechnet wird, die dann auf wenigstens zwei Null-Schaltzuständen in irgendeiner Form verteilt werden kann, wobei die Zeitspanne c wächst, je kleiner die zu stel­ lende Ausgangsspannungsamplitude wird.

In der Fig. 5 wird jeweils in einem Diagramm das Schaltverhal­ ten einer verketteten Ausgangsspannung u_XY und einer Phasen­ ausgangsspannung u_X bezogen auf den Sternpunkt des Eingangs­ spannungssystems des Matrixumrichters 2 gezeigt, aber die je nach Schaltzustand aus Ausschnitten der Eingangsspannungen U_U, U_V und U_W zusammengesetzt ist, wobei das bekannte Raumzei­ ger-Modulationsverfahren mit einem einzigen Null-Schaltzu­ stand verwendet worden ist. Die für eine kleine mittlere Aus­ gangsspannung notwendigen kurzen Pulse in der verketteten Ausgangsspannung u_XY führen auch zu sehr kurzen Pulsen in der Phasenspannung u_X, deren Dauer direkt einer Einschaltzeit entspricht.

In der Fig. 6 wird jeweils in einem Diagramm das Schaltverhal­ ten einer verketteten Ausgangsspannung u_XY und einer Phasen­ ausgangsspannung u_X bezogen auf einen Eingangssternpunkt des Matrixumrichters gezeigt, wobei das erfindungsgemäße Raum­ zeiger-Modulationsverfahren verwendet worden ist. Das erfin­ dungsgemäße Raumzeiger-Modulationsverfahren weist quasi sym­ metrisch verteilte Null-Schaltzustände auf. Trotz langer Pul­ se in der Phasenspannung u_X, die langen Einschaltzeiten ent­ sprechen, können kurze Pulse in der verketteten Ausgangsspan­ nung u_XY zur Bildung kleiner mittlerer Ausgangsspannungen U_XY erzeugt werden. Die Modulationsfrequenz bei beiden Darstel­ lungen beträgt 10 kHz.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Raumzeiger-Modulationsverfah­ ren für einen Matrixumrichter 2 wird erreicht, dass sehr kur­ ze Einschaltzeiten einzelner bidirektionaler Leistungsschal­ ter 4 eines Matrixumrichters 2 verhindert werden. Dadurch werden im Bereich kleiner Ausgangsspannungen keine kurzen Einschaltzeiten mehr berechnet, sodass keine Ausgangsspan­ nungsfehler mehr entstehen. Somit werden keine Schaltzustände mehr an eine nachgeschaltete Kommutierungssteuerung weiterge­ leitet, die diese nicht realisieren kann.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung eines Matrixumrichters (2) mit neun in einer 3 × 3-Schaltermatrix (6) angeordneten bidirektio­ nalen Leistungsschalter (4), wobei mittels eines Raumzeiger- Modulationsverfahren pro Modulationsintervall vier aktive Schaltzustände und ein Null-Schaltzustand mit zugehörigen Zeitspannen (a, b, d, e, c) berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Zeitspanne (c) des Null-Schaltzustandes auf wenigstens zwei der drei zur Verfügung stehenden Null-Schaltzustände aufgeteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass alle drei Null-Schaltzustände verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Null-Schaltzustand diejenige Schaltzustände ausgewählt werden, die eine Ein­ schaltzeit einer Ausgangsphase zu einer Eingangsphase verlän­ gert, welche aufgrund der berechneten Zeitspannen (a, b, d, e) andernfalls zu einer Unterschreitung einer Mindestein­ schaltzeit (T_min) führen würde.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Zeitspanne (c) des Null-Schaltzustandes gleichmäßig auf die verwendeten Null-Schaltzustände verteilt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die berechnete Zeitspanne (c) des Null-Schaltzustandes den verwendeten Null-Schaltzuständen symmetrisch zugeordnet wird.