WO2001073932A1 - Verfahren zum schutz eines matrixumrichters vor überspannungen und eine aktive überspannungsvorrichtung - Google Patents
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Definitions
- a phase of the matrix converter is an arrangement of three bidirectional circuit breakers, which establishes a connection from the three network phases to one of the output phases.
- overvoltage protection device is known from the publication "Novel Solutions for Protection of Matrix Converter to Three Phase Induction Machine", printed in the conference proceedings "IEEE Industry Applications Society” New La, Louisiana, October 5-9, 1997, pages 1447 to 1454.
- This overvoltage protection device has two 6-pulse diode bridges which are linked to one another on the DC voltage side by means of a capacitor.
- AC side is U> t- t to P 1 t ⁇ ⁇ (Jt o l- ⁇ o ⁇
- FIG. 12 shows an advantageous embodiment of the phase-oriented embodiment of the active surge protection device according to FIG. 11, which
- FIG. 9 An advantageous embodiment of the embodiment according to FIG. 9 is shown in more detail in FIG. In this variant, the number of high blocking diodes 20 and 22 has decreased significantly. Instead of nine high-blocking diodes 20 and 22 of the partial diode circuits 54 and 56, only three high-blocking diodes 46 and 48 are now required, which are each provided with three low-blocking Zener diodes 42 and 44, respectively. Each high-blocking diode 46 or 48 on the cathode side is electrically conductively connected to an anode connection of three zener diodes 42 or 44, which in turn are connected on the cathode side to control connections of the bidirectional power switches 2 of the matrix converter 28. By reducing the number of high-blocking diodes 46 and 48, the diode circuit 36 can be constructed in an even more space-saving manner. In addition, the cost of the active surge protection device for the matrix converter 28 is reduced.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters (28) mit neun in einer 3x3-Schaltermatrix angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern (2) und auf eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung. Erfindungsgemäss wird aus allen Eingangs- und/oder Ausgangs-Potentialen oder aus allen Eingangs-Potentialen und wenigstens eines Ausgangspotentials ein höchstes Potential ermittelt, wobei bei Überschreitung eines vorbestimmten Grenzwertes bidirektionale Leistungsschalter (2) des Matrixumrichters (28) angesteuert werden. Somit erhält man einen Überspannungsschutz für einen gesamten Matrixumrichter (28), dessen Aufwand minimal und kostengünstig ist.
Description
Beschreibung
Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters vor Überspannungen und eine aktive Überspannungsvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz eines Matrixumrichters mit neun in einer 3x3 -Schaltermatrix angeordneten bidirektionalen Leistungsschaltern vor Überspannungen und auf eine aktive Überspannungsschutzvorrichtung.
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 3x3 -Schalter- matrix werden die drei Eingangsphasen mit den drei Ausgangsphasen verbunden. Dieser selbstgeführte Direktumrichter bildet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rück- speisefähig 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 Halbleiterschal- ter eines bidirektionalen Leistungsschalters der Schalter- matrix sind entweder in der Topologie "Common Emitter Mode" oder "Common Kollektor Mode" ausgeführt. Die Ausführungsform des bidirektionalen Leistungsschalters, wobei ein Halbleiter- schalter in einer Diodenbrücke eingebettet ist, wird als "Embedded Switch" bezeichnet.
Das Schaltbild eines bidirektionalen Schalters 2 in der Topologie "Common Kollektor Mode" ist in der FIG 1 näher dargestellt. Die FIG 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 FIG 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 FIG 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 Leis- tungsschalter 2 in der Topologie "Common Kollektor Mode" gemäß FIG 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 FIG 2 die Anschlüsse C1,C2,G1 und G2 zugänglich. Zusätzlich weisen diese bidirektionalen Leistungsschalter 2
Hilfsanschlüsse EHl und EH2 auf, die jeweils einen Steuer-An- schluss bilden.
In der FIG 3 ist ein Schaltbild eines bidirektionalen Leis- tungsschalters 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 Aus- gangs-Anschluss des bidirektionalen Leistungsschalters 2.
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.
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 Un- terbrechung des Ausgangsstromkreises in Verbindung mit den im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten verursacht die Überspannungen, die die Zerstörung der Halbleiterschalter zufolge haben können .
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
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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 Tran- sildiode, 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.
Diese aktive Überspannungsschutzvorrichtung kann direkt bei einem bidirektionalen Leistungsschalter in der Topologie "Common Emitter Mode" (FIG 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.
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.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Matrixumrichter kostengünstig und aufwandsarm gegen Überspannungen zu schützen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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 Überspan- nung 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 bidirektiona- len Leistungsschalter derart angesteuert, dass diese ermittelte Überspannung aktiv begrenzt wird.
Bei einem vorteilhaften Verfahren werden nicht die Potentiale an den Eingangs- und/oder Ausgangs-Anschlüssen des Matrixum- richters 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 Überspan- nung .
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 einer Gleichrichterschaltung und anodenseitig jeweils mit einem Eingang des Diodennetzwerkes verbunden ist. Die Eingänge der Gleichrichterschaltungen sind mit Eingangs- und/ oder Ausgangs-Anschlüssen des Matrixumrichters oder mit Ein- gangs-Anschlüssen und wenigstens einem Ausgangs-Anschluss des Matrixumrichters verknüpft. Die hochsperrenden Dioden der Diodenschaltung sind kathodenseitig jeweils mit einem Steuer- Anschluss der bidirektionalen Leistungsschalter des Matrixum- richters verbunden.
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FIG 8 eine vorteilhafte Ausführungsform der aktiven Überspannungsvorrichtung nach FIG 7 dargestellt ist,
FIG 9 zeigt eine umrichterorientierte Ausführungsform mit Hin- und Rückrichtung getrennt der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung, die
FIG 10 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der aktiven Überspannungsschutzvorrichtung nach FIG 9, wobei die
FIG 11 eine phasenorientierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung zeigt, wobei die
FIG 12 eine vorteilhafte Ausführungsform der phasenorientierten Ausführungsform der aktiven Überspannungs- schutzvorrichtung nach FIG 11 zeigt, die
FIG 13 zeigt eine phasenorientierte Ausführungsform mit Hin- und Rückrichtung getrennt der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung, in der
FIG 14 ist eine umrichterorientierte Ausführungsform einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Überspannungsschutzvorrichtung näher dargestellt, wobei die
FIG 15 eine umrichterorientierte Ausführungsform einer zweiten Variante mit Hin- und Rückrichtung getrennt zeigt und in
FIG 16 ist eine phasenorientierte Ausführungsform der zwei- ten Variante nach FIG 14 näher dargestellt.
In der FIG 5 ist eine Schaltung eines Matrixumrichters 28 dargestellt, der neun bidirektionale Leistungsschalter 2 in Common Kollektor Mode aufweist. Diese bidirektionalen Leis- tungsschalter 2 sind in einer 3x3 -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-
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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 Teildioden- Schaltung 54 und 56 bilden. Kathodenseitig sind die Dioden 18 und 16 jeweils mit einem Kathoden-Anschluss einer Transildio- de 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.
In der FIG 10 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Ausführungsform nach FIG 9 näher dargestellt. Bei dieser Variante hat sich die Anzahl der hochsperrenden Dioden 20 und 22 wesentlich verringert. Anstelle von jeweils neun hochsperren- den 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.
In der FIG 11 ist eine phasenorientierte Ausführungsform ei- ner aktiven Überspannungsschutzvorrichtung nach der Erfindung für einen Matrixumrichter 28 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß FIG 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 FIG 7, nicht getrennt. Die Über- spannungsschutzvorrichtung gemäß FIG 11 ist genau dann zu empfehlen, wenn der Matrixumrichter 28 pro Phase ein Modul aufweist .
In der FIG 12 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Ausführung nach FIG 11 näher dargestellt. Auch bei dieser vorteilhaften Ausführungsform sind jeweils drei hochsperrende Dioden 20 und 22 der Teildiodenschaltungen 64,66 und 68 je- weils durch ein Diodennetzwerk 38 bzw. 40 ersetzt, wobei hier nur das Diodenetzwerk 40 jeweils näher dargestellt ist.
In der FIG 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 FIG 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.
In der FIG 14 ist eine umrichterorientierte Ausführungsform einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen aktiven Über- spannungsschutzvorrichtung 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
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4. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Diodenschaltung (36,54,56,64,66,68) mehrere hochsperrende Dioden (20,22) aufweist.
5. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeweils anstelle von drei hochsperrenden Dioden (20,22) der Diodenschaltung (36,54,56,64,66,68) drei niedersperrende Zenerdioden (42,44) und eine hochsperrende Diode (46,48) vorgesehen sind, wobei die niedersperrenden Zenerdioden (42,44) anodenseitig mit einem Kathoden-Anschluss der hochsperrenden Diode (46,48) verknüpft sind.
6. Aktive Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei jede Gleichrichterschaltung (34,50,52,58,60,62) mehrere hochsperrende Dioden (16,18) aufweist, deren Kathodenanschlüsse miteinander zu einem Ausgang einer Gleichrichterschaltung (34,50,52,58,60,62) verbunden sind.
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