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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufrechterhaltung einer
Versorgungsspannung einer Stromversorgung einer Elektronik eines
Matrixumrichters bei Netzunterbrechung, wobei diese Stromversorgung
eine netz- und lastseitige Diodenbrücke, einen DC/DC-Wandler und
einen Stützkondensator
aufweist, der die beiden Diodenbrücken gleichspannungsseitig
miteinander verknüpft
und wobei der DC/DC-Wandler eingangsseitig elektrisch parallel mit
dem Stützkondensator
und ausgangsseitig mit der Elektronik verbunden ist, und auf eine
Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Aus
der Veröffentlichung ”Novel Solutions
for Protection of Matrix Converter to Three Phase Induction Machine”, abgedruckt
im Tagungsband ”IEEE
Industry Application Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana,
5.–9.
Oktober 1997, Seiten 1447 bis 1454, ist ein Matrixumrichter mit
einer Überspannungsschutzvorrichtung
bekannt. Ein Matrixumrichter 2 mit dieser bekannten Überspannungsschutzvorrichtung 4 ist
in der 1 näher
dargestellt. Diese Überspannungsschutzvorrichtung 4 weist
zwei 6-pulsige Diodenbrücken 6 und 8 auf,
die gleichspannungsseitig mittels eines Kondensators 10 miteinander
verknüpft
sind. Wechselspannungsseitig ist die 6-pulsige Diodenbrücke 6 mit
den Eingangsanschlüssen
R, S, T des Matrixumrichters 2 verbunden. An diesen Anschlüssen R,
S, T ist ebenfalls ein speisendes Netz 12 angeschlossen.
Die Diodenbrücke 8 ist
wechselspannungsseitig mit den Ausgangsanschlüssen U, V, W des Matrixumrichters 2 verbunden.
Außerdem
ist an diesen Anschlüssen
U, V, W eine Drehfeldmaschine 14, angeschlossen. Der Matrixumrichter 2 weist
neun bidirektionale Leistungshalbleiterschalter auf, die in einer
3×3-Schaltermatrix angeordnet
sind. Diese bidirektionalen Schalter und ein Eingangs filter des
Matrixumrichters 2 sind hier nicht im einzelnen dargestellt.
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Mittels
dieser Überspannungsschutzvorrichtung 4 werden
auftretende Überspannungen
begrenzt. Beim Auftreten von Überspannungen
werden diese durch die Diodenbrücken 6 und 8 gleichgerichtet
und auf den Kondensator 10 gegeben. Dieser Kondensator 10 nimmt
somit, insbesondere in der Drehfeldmaschine gespeicherte magnetische
Energie auf. Aus diesem Grund entspricht der Kondensator 10 in
etwa dem Kondensator eines leistungsgleichen Spannungszwischenkreis-Umrichters.
Da die Dioden der Diodenbrücke 8 den
maximalen Laststrom führen
können
muss, ist eine entsprechend große
Dimensionierung notwendig.
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Da
die Stromrichtertopologie Matrixumrichter, insbesondere eine beschriebene Überspannungsschutzvorrichtung,
im Gegensatz zu konventionellen Umrichtern mit Spannungszwischenkreis über keine
großen
Energiespeicher verfügt,
kann im Falle einer kurzen Unterbrechung des versorgenden Netzes
die Elektronik des Umrichters nicht aus einem derartigen Speicher
bis zur Wiederkehr der Netzspannung versorgt werden. Diese Funktion
ist jedoch wichtig, damit der Antrieb mit möglichst wenig Verzögerungszeit
nach einer auftretenden Störung
der Versorgung wieder normal betrieben werden kann, also kein Bootvorgang
sowie Initialisierungsabläufe
des Steuerungsprozesses oder gar ein Stillsetzen der Arbeitsmaschine
notwendig werden.
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In
der Veröffentlichung
mit dem Titel ”Short Term
Ride through Capabilities for Direct Frequency Converters” von Christian
Klumpner, Ion Boldea, Frede Blaabjerg, abgedruckt in Conference
Proceedings PESC 2000, Seiten 235 bis 241, ist eine Stromversorgung
für die
Umrichterelektronik elektrisch parallel zum Kondensator einer Überspannungsschutzvorrichtung
geschaltet. Da der Matrixumrichter dieser Veröffentlichung ebenfalls eine Überspannungsschutzvorrichtung 4 wie
der Matrixumrichter 2 der 1 hat, sind
diese genannten Teile zusätzlich
in dieser 1 noch zusätzlich aufgenommen werden. Dabei
ist die Stromversorgung mit 16 und die Umrichterelektronik
mit 18 bezeichnet worden. Diese Stromversorgung 16 ist
ein DC/DC-Wandler, der auch als Schaltnetzteil ausgeführt sein
kann. Die Eingangsspannung dieser Stromversorgung 16 ist die
gleichgerichtete Spannung des speisenden Netzes 12. Wie bereits
erwähnt,
kann dieser Kondensator 10 der Überspannungsschutzvorrichtung 4 als
groß bezeichnet
werden, beispielsweise 500 μF,
wodurch beim Sperren aller Schalter der Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 aus
dem Nennbetrieb heraus keine Aufladung des Kondensators 10 aus
den Induktivitäten
der Arbeitsmaschine 14 über
die zulässige Sperrspannung
der Leistungshalbleiterschalter der Schaltermatrix hinaus erfolgen
kann. Somit entspricht diese Überspannungsschutzvorrichtung 4 einem
konventionellen Zwischenkreiskondensator eines Spannungszwischenkreis-Umrichters.
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Da
der Kondensator 10 Bestandteil des Schutzkonzeptes des
Matrixumrichters ist und mittels eines parallelen Widerstandes,
der hier nicht näher dargestellt
ist, für
eine ausreichend schnelle Entladung gesorgt werden muss, um nach
einen Abschaltvorgang in kurzer Zeit wieder Einschalten zu dürfen, wird
in der genannten Veröffentlichung
von Klumpner et al. trotz der großen gespeicherten Energie ein
Verfahren zur Nachladung dieses Kondensators 10 aus der
Drehfeldmaschine 14, die auch als Arbeitsmaschine bezeichnet
wird, angegeben.
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Zu
diesem Zweck wird die Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 in
Verbindung mit der Diodenbrücke 8 und
der Induktivität
der Drehfeldmaschine 14 als Chopperschaltung zur Aufladung
des Kondensators 10 verwendet. Der in der Drehfeldmaschine 10 rotierende
Fluss wirkt als Spannungsquelle. Andere Möglichkeiten der Steuerung bestehen
nicht, da die Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 in
Fällen
einer Netzunterbrechung nur einen Kurzschluss oder einen offenen
Kreis unabhängig
von der Art der Netzstörung
bilden kann.
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Als
Steuerverfahren der Veröffentlichung
von Klumpner et al. wird ein zeitdiskretisierte Zweipunkt-Regelung
eingesetzt. Hierbei wird eine Strommessung benötigt, wobei das Ziel eines
konstanten Maschinenstroms verfolgt wird. Zur Bildung eines Kurzschlusses
werden die Leistungshalbleiterschalter der Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 derart angesteuert,
dass ein Nullzeiger umgesetzt wird. Während dieses Kurzschlusses
steigt der Maschinenstrom und damit die in der Streuinduktivität gespeicherte
Energie an. Zur Bildung eines offenen Kreises werden die Leistungshalbleiterschalter
der Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 gesperrt. Dadurch
werden die Dioden der Diodenbrücke 8 leitend, wodurch
die gespeicherte Energie in der Streuinduktivität der Drehfeldmaschine 14 in
den Kondensator 10 der Überspannungsschutzvorrichtung 4 umgeladen
wird. Durch abwechselnde Generierung dieser beiden Zustände der
Schaltermatrix wird der Maschinenstrom der Drehfeldmaschine 14 und
damit indirekt auch die übertragende
Leistung aus der Streuinduktivität
der Drehfeldmaschine 14 in den Kondensator 10 der Überspannungsschutzvorrichtung 4 gesteuert.
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Dieses
bekannte Verfahren hat einen entscheidenden Nachteil, da die in
den Kondensator 10 eingebrachte Leistung nicht direkt geregelt
wird, denn diese bestimmt sich aus dem Produkt aus Maschinenstrom
und induzierter Spannung, welche bei einer Asynchronmaschine in
diesem Betriebszustand mit der Zeit expotentionell abnimmt. Den
zeitlichen Verlauf dieser Leistung ist in der 6d der
Veröffentlichung
von Klumpner et al. dargestellt. Dabei muss die von der Stromversorgung 16,
insbesondere in der Anfangsphase nicht aufgenommene Leistung vom
Kondensator 10 der Überspannungsschutzvorrichtung 4 aufgenommen
werden und führt
zu dessen Aufladung. Daraus folgt, dass bei der Anwendung dieses
bekannten Verfahrens ein großer
Kondensator 10 vorgesehen sein muss, um die Sperrspannung der
Leistungshalbleiterschalter der Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 nicht
zu überschreiten.
Derartige Kondensatoren werden aus Elektrolytkondensatoren aufgebaut,
die temperaturanfällig
sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Strommessung
dieses bekannten Verfahrens auf die Zykluszeit eines Prozessors
einer Steuer- und Regeleinrichtung des Matrixumrichters 2 angewiesen
ist. Dies führt
zu ho hen Strömen
bei geringen Zykluszeiten, geringen Maschineninduktivitäten und
hoher Maschinenspannung.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Verfahren
derart zu verändern, dass
die genannten Nachteile sich nicht mehr einstellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass beim erfindungsgemäßen Verfahren
nicht mehr der Maschinenstrom, sondern die Spannung am Kondensator
als Regelgröße verwendet
wird, ist eine echte Leistungsregelung implementiert. Daraus resultiert
eine Verkleinerung des Kondensators, der somit nur noch ein Puffer
bzw. Stützkondensator
ist. Durch die Verkleinerung dieses Kondensators kann auf temperaturanfällige Elektrolytkondensatoren
verzichtet werden, wodurch erheblich am Bauvolumen gespart wird.
Da keine Strommessung für
die Spannungsstützung
der Elektronikversorgung mehr notwendig ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht mehr von der Zykluszeit eines Prozessors der Steuer- und Regeleinrichtung
des Matrixumrichters abhängig.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird zwischen Ansteuern und Sperren des Matrixumrichters
mit einem Verhältnis
von 1:1 gewechselt. In weiteren vorteilhaften Verfahren wird dieses
Verhältnis
variabel bzw. steigt von kleinen Werten beginnend mit der Zeit an.
Die Zeit für
das Ansteuern steigt demnach bis zu einem oberen Grenzwert an. Dadurch
wird eine Überladung
des Kondensators der Stromversorgung bei hoher Maschinenspannung
vermieden, trotzdem aber eine ausreichende Ladung des Kondensators
bei niedriger Maschinenspannung erreicht. Bei der Ladung des Kondensators
der Stromversorgung bei hoher Maschinenspannung ist eine kurze Einschaltzeit
und eine lange Ausschaltzeit notwendig, wogegen bei niedriger Maschinenspannung
eine ausreichende Nachladung des Kondensators nur mit einer langen Einschaltzeit
und einer kurzen Ausschaltzeit erreicht wird. Bei der vorteilhaften
Ausführungsform
des Verfahrens wird der Übergang
zwischen diesen beiden Zuständen
zeitabhängig
gesteuert.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
eine bekannte Vorrichtung, in der
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2 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
dargestellt und die
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3 zeigt
in einem Diagramm über
die Zeit t die relevanten Zeitverläufe des erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nach
2 unterscheidet sich von der bekannten Vorrichtung
nach
1 dadurch, dass die Überspannungsschutzvorrichtung
4 nicht
mehr benötigt
wird. Anstelle dieser Überspannungsschutzvorrichtung
4 weist der
Matrixumrichter
2 beispielsweise eine Überspannungsschutzvorrichtung
gemäß der
deutschen Offenlegungsschrift
100 05 449 auf. Außerdem
unterscheidet sich diese erfindungsgemäße Vorrichtung von der bekannten
Vorrichtung dadurch, dass eine Stromversorgung
20 vorgesehen
ist, die eine netz- und maschinenseitige Diodenbrücke
22 und
24 aufweist,
die gleichspannungsseitig mittels eines Puffer- bzw. Stützkondensators
26 miteinander
verkoppelt sind. Elektrisch parallel zu diesem Kondensator
26 ist ein
DC/DC-Wandler
16 geschaltet, der ausgangsseitig mit einem
Eingang einer Umrichterelektronik
18 verknüpft ist.
Die netzseitige mehrpulsige Diodenbrücke
22 ist wechselspannungsseitig
mit den Eingangsanschlüssen
R, S, T des Matrixumrichters
2 verbunden, wobei die maschinenseitige
mehrpulsige Diodenbrücke
24 wechselspannungsseitig
mit den Ausgangsanschlüssen
U, V, W des Matrixumrichters
2 verknüpft sind.
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Die
mehrpulsige Diodenbrücke 22,
der Stützkondensator 26 und
der DC/DC-Wandler 16 bilden eine bekannte Stromversorgung,
die bei handelsüblichen
Spannungszwischenkreis-Umrichter verwendet wird. Diese bekannte
Stromversorgung ist nur um die mehrpulsige Diodenbrücke 24 ergänzt worden,
damit bei einer Netzunterbrechung die kinetische Energie des Antriebs
zur Energieversorgung verwendet werden kann. Die Diodenbrücken 22 und 24 sowie
der Kondensator 26 können
im Vergleich zur Überspannungsschutzschaltung 4 deutlich
kleiner dimensioniert werden, da sie nun nur noch der Elektronikversorgung
dienen.
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Diese
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist im Unterschied zur Vorrichtung gemäß 1 noch eine
Spannungserfassung 28, einen Vergleicher 30 und
einen Regler 32, insbesondere einen Hystereseregler mit
der Hysterese H, auf. Der Ausgang dieses Reglers 32 ist
mit einem Steuereingang einer Umrichtersteuerung 34 verknüpft, die
die Ansteuersignale für
die bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter der Schaltermatrix
des Matrixumrichters 2 generiert. Die Spannungserfassung 28 ist
eingangsseitig elektrisch parallel zum Stützkondensator 26 der
Stromversorgung 20 und ausgangsseitig mit einem nicht invertierenden
Eingang des Vergleichers 30 verknüpft. An dessen invertierenden
Eingang steht ein vorbestimmter Spannungs-Sollwert U*C an. Ausgangsseitig ist
dieser Vergleicher 30 mit einem Eingang des Reglers 32 verbunden,
an dessen Ausgang eine Steuersignal SUV ansteht.
Die Signale UC, U*C und SUV sind
im einzelnen in dem Diagramm der 3 über der
Zeit t dargestellt.
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Anhand
dieses Diagramms soll nun in Zusammenhang mit der Ausführungsform
gemäß 2 im
folgenden das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert
werden:
Solange der Spannungs-Istwert UC,
der am Stützkondensator 26 anstehenden
Spannung größer als
die Summe eines vorbestimmten Spannungs-Sollwertes U*C und
der Hysterese H ist, weist das Steuersignal SUV am
Ausgang des Reglers 32 einen High-Pegel auf. Das bedeutet,
der Stützkondensator 26 weist eine
ausreichende Spannung auf, so dass die Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 bei
Netzunterbrechung vollständig
geöffnet
ist. Daraus resultiert, dass der Maschinenstrom iM im
stationären
Fall Null ist. Dieser Zustand der Schaltermatrix wird erreicht, wenn
alle bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter dieser Schaltermatrix
gesperrt sind. Dies wird dadurch erreicht, dass in der Umrichtersteuerung 34 eine
Impulssperre ausgelöst
wird. Diese Impulssperre wird mittels des Steuersignal SM ausgelöst,
das zu diesem Zeitpunkt einen Low-Pegel aufweist.
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Sinkt
der Spannungs-Istwert UC der am Stützkondensator 26 anstehenden
Versorgungsspannung derart ab, dass dieser kleiner oder gleich der
Differenz des vorbestimmten Spannungs-Sollwertes U*C und der
Hysterese ist, wechselt der Pegel des Steuersignals SUV am
Ausgang des Reglers 32 von high nach low. Damit wird angezeigt,
dass der Stützkondensator 26 Unterspannung
hat. Zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung der Umrichterelektronik 18 muss
nun der Stützkondensator 26 nachgeladen
werden. Dies wird dadurch erreicht, dass solange das Steuersignal
SUV low ist, die Schaltermatrix abwechselnd
in einen Zustand ”Kurzschluss” und in
einen Zustand ”Offener
Kreis” geschaltet
wird. Die Zeitspannen für
den Zustand ”Kurzschluss” und für den Zustand ”Offener
Kreis” sind
hier identisch, d. h., das Verhältnis
ist 1:1.
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Der
Zustand ”Kurzschluss” wird dadurch
erreicht, dass die bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter der
Schaltermatrix des Matrixumrichters 2 dermaßen angesteuert
werden, dass ein Nullzeiger aktiviert ist. Der Zustand ”Offener
Kreis” wird
durch Sperren aller Leistungshalbleiter erreicht. Wenn die Schaltermatrix
einen Nullzeiger aktiv schaltet, steigt der Maschinenstrom an, wodurch
ebenfalls in der Streuinduktivität
der Energieinhalt ansteigt. Nach Ablauf der Zeitspanne für die Aufschaltung
eines Pulszeigers wird die Schaltermatrix in den Zustand ”Offener
Kreis” mittels
einer Impulssperre ge bracht. Während
dieses Zustandes wird die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie in den
Stützkondensator 26 der
Stromversorgung 20 der Umrichterelektronik 18 transportiert.
Dazu fliesst der Maschinenstrom iM als Umladestrom,
der mit der Zeit abnimmt. Ist die gesamte in der Streuinduktivität gespeicherte
Energie in den Stützkondensator 26 transportiert,
ist der Maschinenstrom iM wieder Null.
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Dieser
Wechsel vom Zustand ”Kurzschluss” zum Zustand ”Offener
Kreis” wiederholt
sich mit ediner definierten zeitlichen Abfolge solange, bis der Spannungs-Istwert
UC der Versorgungsspannung wieder gleich
dem Spannungs-Sollwert U* C ist.
Diese Wechsel sind dem Steuersignal SM der 3 entnehmbar,
wobei die beiden Zeitspannen eines Wechsels gleich groß sind.
Das heißt,
die Zeitspannen eines Wechsels weist ein Verhältnis von 1:1 auf.
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Mittels
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
die Nachladung des Stützkondensators 26 einer Stromversorgung 20 einer
Elektronik 18 eines Matrixumrichters 2 bei Netzunterbrechung
getaktet nachgeladen, wobei der Ladezustand mittels eines Spannungsvergleiches
ermittelt wird. Somit kann anstelle des großen Kondensators 10 ein
kleiner Stützkondensator 26 verwendet
werden, der nicht mehr mit temperaturanfälligen Elektrolytkondensatoren
realisiert werden muss. Dadurch wird erheblich an Bauvolumen eingespart,
wodurch der Matrixumrichter 2 als Ganzes kompakter aufgebaut
werden kann.
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Um
eine Überladung
des Stützkondensators 26 bei
hoher Motorspannung zu vermeiden, muss das Verhältnis ”Kurzschluss”, gekennzeichnet
durch einen High-Pegel im Steuersignal SM,
zu ”Offener Kreis”, gekennzeichnet
durch einen Low-Pegel im Steuersignal SM,
klein gewählt
werden. Soll aber eine ausreichende Nachladung des Stützkondensators 26 bei
niedrigen Motorspannungen erreicht werden, so ist ein großer Wert
zu wählen.
Sollen beide Punkte berücksichtigt
werden, so erfolgt eine zeitgesteuerte Veränderung des Verhältnisses
von kleinen zu großen
Verhältnissen
zwischen den Zuständen ”Kurzschluss” und ”Offener
Kreis”.
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Mittels
diesem erfindungsgemäßen Verfahren
kann im Falle einer Kurzunterbrechung des versorgenden Netzes die
Elektronik 18 eines Matrixumrichters 2 bis zur
Wiederkehr der Netzspannung versorgt werden, wobei auf einen Kondensator 10 einer Überspannungsschutzvorrichtung 4 verzichtet
werden kann. Somit kann eine handelsübliche Stromversorgung eines
Spannungszwischenkreis-Umrichters verwendet werden. Dadurch verringert
sich das Bauvolumen eines Matrixumrichters erheblich.