DE102004016464A1

DE102004016464A1 - Verfahren zur Berechnung und Beurteilung des Frequenzspektrums eines Matrix-Konverters

Info

Publication number: DE102004016464A1
Application number: DE102004016464A
Authority: DE
Inventors: Alain Dr. Lacaze; Massimiliano Visintin
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-11-03
Also published as: US20050222787A1; US7317998B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Berechnung des Ausgangsspektrums eines Matrix-Konverters (2), bei welchem m Phasen eines Generators (1) als Eingang über eine Vielzahl von kontrollierbaren bidirektionalen Schaltern, welche in einer (m x n) Matrix angeordnet sind, mit n (n < m) Phasen einer Last (5) als Ausgang abwechselnd verbunden sind. Eine einfache und zuverlässige Bestimmung des Spektrums zur Verwendung beispielsweise zur Kompensation von harmonischen Verzerrungen des Ausgangsspektrums kann erhalten werden, indem das Spektrum der elektromotorischen Kraft berechnet wird, und zwar auf Basis der Konnektivität der Phasen, auf Basis der Phasenbeziehung zwischen Eingang und Ausgang und auf Basis der Zeitpunkte, wann die Kommutierung von den Schaltern ausgelöst wird, und/oder auf Basis der Zeitpunkte, wann die Kommutierungen der Schalter vollendet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik und insbesondere auf die Energieerzeugung mit einem Synchrongenerator, welcher oberhalb der synchronen Netzfrequenz betrieben wird, sowie auf den Antrieb von Synchronmotoren für unterschiedliche Geschwindigkeit und von Induktionsmotoren.
Spezifisch bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Berechnung und Beurteilung des Frequenzspektrums eines Matrix-Konverters, in welchem m Phasen eines Wechselspannung erzeugenden Generators mit n (n<m) Phasen einer Last abwechselnd verbunden sind über eine Vielzahl von steuerbaren bidirektionalen Schaltern, welche in einer (m × n) Matrix angeordnet sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Bereich der Stromerzeugung ist für eine spezifizierte Ausgangsleistung eine Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine verbunden mit einer Reduktion sowohl der Grösse als auch der Kosten. Ausserdem kann die Effizienz verbessert werden. Bereits sind Stromerzeugungsturbinen mit Leistungen bis zu 70 MW mit Generatoren verbunden, unter Zuhilfenahme von Getriebeanordnungen, um einen Betrieb bei höherer Rotationsgeschwindigkeit zu erlauben. Nimmt die Ausgangsleistung zu, wird aber die Verwendung von Getriebeanordnungen aus Sicherheitsgründen zunehmend schwierig. In derartigen Fällen wird die Turbine bei synchroner Geschwindigkeit betrieben.
Die Verwendung einer Getriebeanordnung ist mit einer Anzahl von Nachteilen verbunden, so beispielsweise mit einem fixierten Übertragungsverhältnis, mit einem Lärmwert oberhalb von 100 dB für 40 MW und oberhalb von 115 dB für 70 MW, mit mechanischen Verlusten, unabhängig von der spezifischen Last, und mit strengen Anforderungen in Bezug auf Kühlung und Schmierung mit Öl.
Die Verwendung von statischen Frequenz-Konvertern (Leistungselektronik) stellt eine Alternative dar. Unter anderem können die folgenden Vorteile erwartet werden: Reduzierte Kosten des Generators in Übereinstimmung mit einem konstanten Produkt von Volumen und Rotationsgeschwindigkeit, ein standardisierter Generator für sowohl 50 als auch 60 Hz, eine einstellbare Geschwindigkeit, welche die Wiederherstellung der Teillasteffizienz der Turbine erlaubt, reduzierte Verluste im Vergleich mit einem Getriebe (wenigstens bei Teillast), keine obere Grenze für den möglichen Output und die Verwendung des Generators als Startermotor (im Falle von Verwendungen im Bereich von Gasturbinen).
Sowohl im Falle der Energieerzeugung als auch im Falle von Antrieben würde die Reduktion der Verluste von statischen Frequenzkonvertern wesentliche Kosteneinsparungen bringen. Eine Reduktion der Verluste würde vor allem einen Einfluss auf die Investitionskosten haben, da die Kühlung normalerweise für einen wesentlichen Teil der Gesamtkosten eines Konverters verantwortlich ist.
Statische Frequenzkonverter existieren sowohl mit indirekter AC/DC/AC-Wandlung und mit direkter AC/AC-Wandlung.
Die indirekte Konversion (AC/DC/AC) wird bewirkt durch die Erzeugung eines gerichteten Gleichstroms oder einer gerichteten Gleichspannung aus der Dreiphasenquelle (Netz im Fall von Motoren; Generator im Falle von Stromerzeugung).
Anschliessend wird der Gleichstrom oder die Gleichspannung in einen Wechselstrom zurückgewandelt unter Verwendung eines Inverters.
Eine Induktanz (Stromwandler) oder eine Kondensatorbank (Spannungswandler) werden in den dazwischen liegenden Kreis geschaltet, um die Welligkeitskomponenten (ripple) des Stroms oder die Spitzen (spikes) zu reduzieren.
Heutzutage verwenden Konverter Thyristoren. Wenn natürliche Kommutierung der Thyristoren möglich ist, werden die Verluste in den Konvertern reduziert. Dennoch nehmen Induktionsmotoren beispielsweise Blindleistung auf. Um diese Blindleistung respektive Blindleistung vom Netz verfügbar zu machen, sollte es möglich sein, den Strom in einem spezifischen Arm des Konverters zu jeder beliebigen gewünschten Zeit ausschalten zu können. In diesem Fall liegt erzwungene Kommutierung vor und entsprechend gibt es erhöhte Verluste.
Spannungskonverter verwenden GTOs mit deren inhärenten hohen Schaltverlusten sowie auch IGBTs oder IGCTs. Die Leistung der individuellen Komponenten ist niedriger als jene von Thyristoren, und entsprechend ist für eine spezifische Spannung oder einen spezifischen Strom eine grössere Anzahl von Komponenten erforderlich.
Direkte Wandlung (AC/AC) ist beispielsweise unter Verwendung von so genannten Zyklokonvertern möglich. Die direkte Wandlung zeigt wesentliche Vorteile aus der Sicht von elektrischen Maschinen, weil der Strom mehr oder weniger eine sinusförmige Welle ist und weniger ein zerstückelter Gleichstrom. Dies reduziert die Verluste, welche zusätzlich innerhalb der elektrischen Maschine auftreten und es verhindert auch pulsierende Torsionen.
Dennoch beschränkt die Verwendung von Zyklokonvertern den möglichen Frequenzbereich auf 0-1/3 der Eingangsfrequenz. Infolge von unausgeglichener Betriebsweise resultiert eine Überschreitung dieses 1/3-Grenzwertes in einer Überauslegung von bis zu einem Faktor 3.
Eine andere Möglichkeit der direkten Wandlung wird durch so genannte Matrix-Konverter zur Verfügung gestellt, in welchen jede Phase einer Mehrphasenquelle (Generator oder Netz) mit jeder Phase einer Mehrphasenlast (Netz, passive Last, Motor, etc.) über einen bidirektionalen Schalter (vgl. z.B. N. Mohan et al., Power Electronics, 2nd Edition, John Wiley & Sons, New York pp 11-12) verbunden ist oder verbindbar ist. Die Schalter bestehen aus einer entsprechenden Anzahl von Thyristoren, um den differenziellen Spannungen zwischen den Phasen und den Phasenströmen standzuhalten, und um eine Stromumkehr zu ermöglichen. Sie können als wahrhaft bidirektionale Komponenten betrachtet werden mit den Möglichkeiten, gleichzeitig zusätzliche Verkabelungen wie Beschaltungselemente (snubbers) vorzusehen oder die Stromversorgung für die Treiberpulse für die antiparallelen Komponenten.
Die Schalter sind einer (m × n) Matrix angeordnet bei m Phasen der Quelle und n Phasen der Last. Dies stellt die Option zur Verfügung, jede gewünschte Verbindung zwischen den Eingangsphasen und den Ausgangsphasen herzustellen; dennoch ergibt sich gleichzeitig der Nachteil, dass gewisse Schaltzustände der Matrix nicht erlaubt sein dürfen, da anderenfalls beispielsweise ein Kurzschluss resultieren würde. Weiterhin ist es wünschbar, die Kommutierung von einer Phase auf eine andere Phase derart durchzuführen, dass der niedrigst mögliche Schaltverlust resultiert.
Die US A 5,594,636 beschreibt einen Matrix-Konverter und ein Verfahren zu seinem Betrieb, in welchem die Kommutierung zwischen den Phasen teilweise als natürliche Kommutierung durchgeführt wird mit einer erzwungenen Kommutierung dort, wo die natürliche Kommutierung nicht möglich ist. Obwohl mit dieser Art der Auswahl Schaltverluste durch die natürliche Kommutierung reduziert werden, verbleiben dennoch die Schaltverluste, welche aufgrund der erzwungenen Kommutierung zustande kommen. Weiterhin macht die mögliche erzwungene Kommutierung bei allen Positionen der Matrix die Anwesenheit von Komponenten, welche ausgeschaltet werden können, erforderlich. Dies erhöht den Schaltaufwand wesentlich.
Die EP-A-1 199 794 beschreibt einen Matrix-Konverter sowie eine Betriebsweise für einen derartigen Matrix-Konverter, wobei das wesentliche Element der Offenbarung darin besteht, Kommutierung von einer Phase auf eine andere Phase nur dann zuzulassen, wenn eine derartige Kommutierung als natürliche Kommutierung durchgeführt werden kann und darin, dafür eine Bedingung aufzustellen, welche in einfacher Weise auf Basis von einfach messbaren Grössen des Matrix-Konverters ausgedrückt werden kann, und welche entsprechend einfach verifiziert werden kann. Entsprechend wird von einer sehr niedrigen Frequenz der Kommutierung profitiert, kombiniert mit natürlichen Kommutierungen, um die Verlustleistung der Kommutierung drastisch zu reduzieren. Der in diesem Dokument beschriebene Matrix-Konverter des Standes der Technik verbindet die Generatorphasen direkt auf das Netz. Während der meisten Zeit sind drei Generatorphasen mit den drei Netzphasen verbunden und nur drei Schalter sind eingeschaltet. Eine weitere wichtige Eigenschaft dieses Konverters ist es, mit einer Sternverbindung auf der Eingangsseite betrieben werden zu können. Dieser Sternpunkt (star point connection) auf der Generatorseite sollte vorzugsweise nicht über eine niedrige Impedanz geerdet sein. Der Zweck besteht eigentlich darin, die Gesamteffizienz zu erhöhen. Dennoch resultiert die niedrige Frequenz der Kommutierung normalerweise in starken harmonischen Verzerrungen, und dies gilt auch für den Matrix-Konverter, wie er in der EP-A-1 199 794 offenbart wird.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende objektive Problem besteht entsprechend darin, Mittel zur Verfügung zu stellen, welche die Kompensation von harmonischen Verzerrungen, wie sie bei statischen Frequenzkonvertern auftreten, zu ermöglichen, dies insbesondere bei Matrix-Konvertern. Insbesondere bezieht sie sich auf das Problem, eine numerische Basis zur Verfügung zu stellen, um eine Kompensation anzuwenden, oder um das Schaltschema des Konverters anzupassen. Das Ziel besteht entsprechend darin, ein Verfahren zur Berechnung des Ausgangsspektrums eines statischen Frequenzkonverters zur Verfügung zu stellen, bei welchem m Phasen eines Generators als Eingang abwechselnd über eine Vielzahl kontrollierbaren, bidirektionalen in einer (m × n) Matrix angeordnete Schalter mit n (n<m) Phasen einer Last als Ausgang verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung löst das genannte Problem, indem eine Berechnung des Ausgangsspektrums vorgeschlagen wird, welche auf der Konnektivität der Phasen, auf der Phasenbeziehung zwischen Eingang und Ausgang, auf den Instanzen (Zeitpunkten), wann die Kommutierungen der Schalter ausgelöst und/oder auch den Instanzen (Zeitpunkten), wann die Kommutierungen der Schalter vollendet sind, basiert. Um sämtliche entstehenden Frequenzkomponenten zu berücksichtigen, wird diese Berechnung für wenigstens eine tatsächliche Repetitionsperiode des Schaltzyklus durchgeführt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist entsprechend ein Verfahren zur Be rechnung des Ausgangsspektrums eines statischen Frequenzkonverters nach Anspruch 1, sowie Verwendungen eines derartigen Verfahrens nach den Ansprüchen 8 und 12 sowie ein Computerprogramm-Produkt nach Anspruch 14.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht entsprechend darin, dass offenbar das Spektrum der elektromotorischen Kraft eines statischen Frequenzkonverters, insbesondere eines Matrix-Konverters, berechnet werden kann, ohne dass irgendeine Spannung, ein Strom oder eine Impedanz im Absolutwert bekannt sein muss. Selbstverständlich könnte das Spektrum der Ausgangsspannung über eine Fourier-Analyse der Ausgangsspannung erhalten werden, dies ist aber mühsam, während die vorgeschlagene Methode eine schnelle und einfach anpassbare Methode für die Beurteilung des Ausgangsspektrums erlaubt, welche im Wesentlichen nur auf der Information der Kommutierungsinstanzen, d.h. der Zeitpunkte der Kommutierungen, beruht.
Überraschenderweise kann gezeigt werden, dass die Verwendung des Spektrums der elektromotorischen Kraft wie simuliert auf Basis der tatsächlichen Schaltzeiten und Schaltmomente (infolge der Verzögerung zwischen dem Auslösen der Kommutierung und dem tatsächlichen Ausschalten des entsprechenden Schalters nach seiner Auslösung) ein wesentlich effizienteres Mittel zur Verbesserung des Systems zur Verfügung stellt, so z.B. unter Zuhilfenahme von Kompensationsspannungen oder unter Zuhilfenahme von angepassten Kommutierungsschemata. Während bei Verwendung des tatsächlichen Ausgangsspektrums nur eine teilweise Kompensation oder ein Auslöschen von schädlichen harmonischen Komponenten möglich ist, erlaubt die Verwendung des berechneten Spektrums der elektromotorischen Kraft eine Beeinflussung des Systems an der Quelle dieser Verzerrungen.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Spektrum der elektromotorischen Kraft berechnet, wobei vorzugsweise dieses Spektrum dazu verwendet wird, das Spannungsspektrum und/oder das Stromspektrum und/oder das Leistungsspektrum vorherzusagen.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Zeitpunkte, wann die Kommutierungen der Schalter ausgelöst werden, und insbesondere wann die Kommutierungen effektiv vollendet sind, durch Überwachung und/oder Ausmessung der individuellen Schalter im Konverter bestimmt. Tatsächlich zeigt sich, dass u.a. diese Verzögerungen aufgrund von nicht idealem Verhalten des Schaltprozesses zu den harmonischen Verzerrungen Anlass geben. Vorzugsweise wird entsprechend das EMF Spektrum unter Berücksichtigung dieser wirklichen Werte des Timings der Schalter ausgerechnet.
Einer anderen bevorzugten Ausführungsform entsprechend handelt es sich beim statischen Frequenzkonverter um einen Matrix-Konverter, in welchem n Phasen des Generators jederzeit mit der Last verbunden sind, während (m-n) Phasen des Generators nicht mit der Last verbunden sind, wobei das Schalten von einer ausgewählten verbundenen Phase des Generators auf eine ausgewählte nicht verbundene Phase des Generators nur dann stattfindet, wenn die Bedingung Ik·(Vk – Vl)·Kijkl<0erfüllt ist, wobei I_k und V_k der Strom und die Spannung der ausgewählten verbundenen Phase sind, V_l die Spannung der ausgewählten nicht verbundenen Phase ist, und wobei in jedem Schaltmoment K_ijkl eine charakteristische Konstante für die wechselseitige Induktivität zwischen den Phasen des Generators und der Induktivität der Last ist. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass die Berechnung für ein System durchgeführt wird, wie es im oben genannten Dokument des Standes der Technik, der EP-A-1 199 794 beschrieben ist. Der Offenbarungsgehalt von diesem Dokument des Standes der Technik wird ausdrücklich in diese Beschreibung eingeschlossen, was die Betriebsweise eines derartigen Matrix-Konverters betrifft. Entsprechend werden der Schaltzustand der Schalter, der Verbindungszustand der Phasen des Generators, die Vorzeichen der Ströme in den Phasen des Generators und die differentiellen Spannungen zwischen den Phasen des Generators überwacht und gemessen. Das Kommutierungsschema wird dabei derart durchgeführt, dass an spezifischen, vorzugsweise periodischen Zeitpunkten in der Zeit ein Schaltvorgang stattfindet, und dass für den Schaltvorgang eine oder mehrere Phasen des Generators ausgewählt werden, wobei es sich bei diesen ausgewählten Phasen des Generators um nicht verbundene und die Bedingung erfüllende Phasen handelt, wie dies aus der Information über die Überwachung und das Messen erfahren werden kann. Vorzugsweise werden antiparallel geschaltete Thyristoren als bidirektionale Schalter verwendet.
Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf bevorzugte Verwendungen des oben erwähnten Verfahrens zur Verbesserung des Spektrums, wie es von einem statischen Frequenzkonverter erzeugt wird, vorzugsweise von einem Matrix-Konverter. Einer ersten Verwendung entsprechend werden Kompensationsspannungen auf Basis des berechneten Spektrums der elektromotorischen Kraft bestimmt. In diesem Fall werden vorzugsweise Kompensationsspannungen online zum Eingang und/oder zum Ausgang des Konverters hinzuaddiert, und/oder werden intern im Konverter zur Verfügung gestellt, wobei die hinzugefügten Spannungen auf Basis des berechneten Spektrums hinzugefügt werden. Die Kompensationsspannungen können auf unterschiedliche Arten generiert werden; vorzugsweise werden die Kompensationsspannungen von einem Hilfsfrequenzkonverter und einer Hilfsquelle zur Verfügung gestellt und/oder von der Haupteingangsquelle in Verbindung mit einem Hilfskonverter, und/oder vom Ausgang in Verbindung mit einem Hilfskonverter.
Interessanterweise zeigt es sich, dass, wenn eine derartige Kompensation auf Basis eines effektiven Messvorgangs des tatsächlichen Frequenzspektrums, wie es vom Konverter erzeugt wird, und durch Hinzufügung einer entsprechenden Kompensationsspannung auf Basis dieses gemessenen Frequenzspektrums durchgeführt wird, dies, insbesondere in Gegenwart von grossen Induktivitäten, nicht zu einer vollen Kompensation der harmonischen Verzerrungen führen kann. Generell verbleiben bei der Verwendung eines gemessenen Ausgangsspektrums ungefähr 1/3 der harmonischen Verzerrungen anwesend trotz der Kompensationsspannungen auf Basis dieses gemessenen Spektrums. Die vorgeschlagene Verwendung des Spektrums der elektromotorischen Kraft ist deshalb enorm vorteilhaft. Das simulierte Spektrum der elektromotorischen Kraft gibt nur einen normierten Wert der notwendigen Kompensation, aber eine anschliessende Skalierung zur Anpassung an die tatsächliche Ausgangssituation kann einfach bewirkt werden. Wenn die Be rechnung nur auf Basis der oben genannten Information durchgeführt wird (welche Phasen sind verbunden, Zeitpunkte, wann die Kommutierungen starten, Zeitpunkte, wann die Kommutierungen vollendet sind, Phasenbeziehung) kann nur ein normiertes Spektrum erhalten werden. Ein absolutes Spektrum kann aber erhalten werden, wenn zusätzlich die Eingangsspannung und/oder der Eingangsstrom vorgegeben werden.
Einer ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Verwendung entsprechend wird die Hinzufügung auf jeder der m Phasen des Generators durchgeführt, wenn die Spannungen online dem Konvertereingang hinzugefügt werden, und die Korrektur wird auf jeder der n Phasen des erzeugten Wechselstroms bewirkt, wenn die Spannungen online im Konverter-Output hinzugefügt werden.
Eine andere bevorzugte Verwendung der oben genannten Methode ist möglich für die Verbesserung des Spektrums, wie es von einem statischen Frequenzkonverter erzeugt wird, vorzugsweise von einem Matrix-Konverter. Dabei wird das Kommutierungsschema des Frequenzkonverters iterativ auf Basis des berechneten Spektrums der elektromotorischen Kraft angepasst.
Dabei muss bemerkt werden, dass auch eine kombinierte Verwendung möglich ist, d.h. es können gleichzeitig oder sequentiell das Kommutierungsschema angepasst werden und Kompensationsspannungen angelegt werden für eine hochgradig effiziente Unterdrückung von ungewollten Frequenzkomponenten.
Beide dieser vorteilhaften Verwendungen der Berechnungsmethode, entweder für die Verwendung für Kompensationsspannungen oder für die Anpassung des Kommutierungsschemas werden vorzugsweise in einem iterativen Verbesserungsvorgang durchgeführt, indem nacheinander immer wieder folgende Schritte durchgeführt werden: 1. Berechnung der Spektren der elektromotorischen Kraft auf Basis der momentan vorliegenden Bedingungen und 2. anschliessende Anpassung der Beeinflussung auf das Ausgangsspektrum.
Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Computerprogramm-Produkt zur Berechnung eines Spektrums nach einer Methode, wie sie oben be schrieben wurde, vorzugsweise zu einer Verwendung, wie sie oben beschrieben wurde.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
In den beiliegenden Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, wobei
1 das Spektrum eines Matrix-Konverters nach dem Stand der Technik darstellt, wobei die Intensität der Ausgangsspannung (normiert) als Funktion der Frequenz (schwarze Säulen) dargestellt ist, und wobei die elektromotorische Kraft (normiert) wie berechnet als Funktion der Frequenz (schraffierte Säulen) dargestellt ist;
2 eine schematische Zeichnung eines Aufbaus darstellt, welcher die Anwendung von Kompensationsspannungen auf Basis der Berechnungsmethode nach der Erfindung erlaubt;
3 a) das Spannungsspektrum (schwarze Säulen) sowie das Stromspektrum (schraffierte Säulen) ohne Kompensation zeigt; b) das Spannungsspektrum (schwarze Säulen) sowie das Stromspektrum (schraffierte Säulen) mit voller Kompensation bei 160 Hz und teilweiser Kompensation bei 40 Hz zeigt; und
4 a) das Leistungsspektrum mit Kompensation zeigt; b) das Leistungsspektrum ohne Kompensation zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ohne dadurch den Umfang der Erfindung einzuschränken, richtet sich die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele auf die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung für die Berechnung des Ausgangsspektrums eines statischen Frequenzkonverters, insbesondere soll die Anwendung auf einen Matrix-Konverter, wie er in der EP-A- 1 199 794 dargestellt ist, demonstriert werden.
Das Ziel besteht dabei darin, zu zeigen, dass die harmonische Verzerrung vorhergesagt werden kann in Bezug auf:

• das Frequenzspektrum, was generell möglich ist mit jedem statischen Frequenzkonverter
• Phase und Amplitude, was mit anderen statischen Frequenzkonvertern mühsam sein kann.

Das zweite Ziel besteht darin, zu erklären, wie die Vorhersage des Spektrums dazu verwendet werden kann, die harmonische Verzerrung zu kontrollieren.
Das Spannungsspektrum und das Stromspektrum sowie indirekt auch das Leistungsspektrum eines Matrix-Konverters hängen generell alle von der effektiven elektromotorischen Kraft (EMF electromotive force) und von der effektiven Impedanz auf jeder Harmonischen ab. Diese Impedanzen und die elektromotorische Kraft hängen stark von der Frequenz ab, vom gesamten Schaltkreis und von der spezifischen Kommutierungssequenz.
Generell kann man sagen, dass das Spannungsspektrum (V) und das Stromspektrum (I) mühsam und kompliziert vorherzusagen sind.
Ganz im Gegensatz dazu kann die effektive elektromotorische Kraft (EMF) auf Basis einer beschränkten Zahl von Informationen berechnet werden, wie dies weiter unten gezeigt werden soll.
Als Beispiel zeigt das Spektrum, wie in 1 dargestellt, einen Vergleich des tatsächlichen Spannungsspektrums (schwarze Säulen) und eine theoretische Beurteilung des Spektrums der elektromotorischen Kraft (schraffierte Säulen).
Dabei muss die Übereinstimmung in den Amplituden, vgl. 1, angesichts der Tatsache beurteilt werden, dass die Impedanz der Harmonischen weitgehend induktiv ist, und damit mit zunehmender Frequenz zunimmt. Ein Vergleich der Phase der Harmonischen gibt ebenfalls eine vernünftige Übereinstimmung mit den erwarteten Werten.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Spektren (tatsächliches Spannungsspektrum und theoretisches berechnetes Spektrum der elektromotorischen Kraft EMF) ist das Mittel, welches verwendet wird, um Amplituden und Phasen zu erhalten:

• Das Spannungsspektrum wird über eine Fourier-Analyse des Ausgangsspektrums erhalten.
• Das Spektrum der elektromotorischen Kraft (EMF) wird berechnet, ohne dass irgendeine Spannung, ein Strom oder eine Impedanz bekannt ist. Die einzige Information, welche verwendet wird, bezieht sich auf die Kommutierungszeitpunkte.

Entsprechend können die relativen Amplituden der elektromotorischen Kraft, welche auf jede Harmonische einwirken, auf Basis von einfacher und leicht erhältlicher Information erhalten werden, wobei diese Information die Folgende ist:

• Welche Phasen verbunden waren;
• Die Zeitpunkte, wann die Kommutierungen begannen;
• Die Zeitpunkte, wann die Kommutierungen vollendet waren;
• Der Ursprungswert der Phasenbeziehung zwischen Eingang und Ausgang.

Wenn keine Information über die Amplitude der Eingangsspannung bekannt ist, kann nur ein normiertes Spektrum bestimmt werden. Dies ist genügend, da nur die relativen Amplituden und Phasen, nicht aber die Absolutwerte benötigt werden.
Da für die harmonischen Verzerrungen u.a. die Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, an welchem ein bestimmter Schalter zum Ausschalten ausgelöst wird, und dem Zeitpunkt, an welchem der nächste Schalter effektiv übernimmt und einen anderen Zweig des Matrix-Konverters verbindet relevant ist, ist es wichtig, die effektiven Bedingungen dieses Schaltprozesses so realistisch wie möglich zu berücksichtigen. Entsprechend wird für die Berechnung folgendes Schema benutzt.

1. Bestimmung der vollständigen Repetitionsperiode des Schaltzyklus' (Kommutierungszyklus). Anschliessend muss jede Berechnung über die Zeitspanne wenigstens einer derartigen vollständigen Repetitionsperiode durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sämtliche Frequenzkomponenten effektiv berücksichtigt werden.
2. Identifikation der Zeitpunkte, wann die individuellen Schalter innerhalb des Kommutierungszyklus eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Diese Parameter (ein/aus von jedem Schalter) sollten nicht nur theoretisch bestimmt werden (unter Zuhilfenahme des Kommutierungsschemas wie es über eine Steuer-Software programmiert und kontrolliert ist), sondern wie sie tatsächlich stattfinden, d.h. die Zeitpunkte, wann die Schalter effektiv eingeschaltet und/oder ausgeschaltet werden, werden überwacht und gemessen, und diese gemessenen Zeitpunkte werden für die Berechnung des EMF Spektrums verwendet.
3. Berechnung des EMF Spektrums auf Basis der Konnektivität der Phasen, der Phasenbeziehung zwischen Eingang und Ausgang, und der Zeitpunkte, wann die Kommutierung von individuellen Schaltern ausgelöst wird (ein, gemessen/überwacht) und auf Basis der Zeitpunkte, wann die Kommutierungen der individuellen Schalter vollendet sind (aus, gemessen/überwacht), wobei eine derartige Berechnung für wenigstens eine vollständige Repetitionsperiode des Schaltzyklus durchgeführt wird.

Da es eine Verzögerung (eigentliche Dauer der Kommutierung) zwischen dem Moment t₁, wenn eine Phase a über einen Schalter g₁ getrennt wird (g₁ schaltet aus) und dem Moment t₂, wenn die nächste Phase b über einen anderen Schalter g₂ verbunden wird (g₂ schaltet ein), gibt, wird das Verhalten während dieser Verzögerung bei der Berechnung unter Verwendung eines durchschnittlichen linearen Wertes berücksichtigt. Dieser durchschnittliche Wert wird über die Amplitude der entsprechenden Phase, wenn sie ein/ausgeschaltet wird, bestimmt, und durch die. Amplitude bei der Kreuzung der beiden Phasen bestimmt. D.h., während der eigentlichen Dauer der Kommutierung wird ein lineares Verhalten der Amplitude verwendet, wobei diese Amplitude den Kreuzungspunkt von a und b beinhaltet und eine Steigung aufweist, welche durch die Differenz der Amplituden von a am Zeitpunkt t₁ und von b am Zeitpunkt t₂ gebildet wird.
Die oben beschriebene Methode zur Berechnung des EMF Spektrums eines statischen Frequenzkonverters kann dazu verwendet werden, eine Kompensation der harmonischen Verzerrungen des Ausgangs des Frequenzkonverters durchzuführen.
Im Prinzip kann die elektromotorische Kraft, wie sie aus dem Zustand der Kommutierungen abgeleitet werden kann, dazu verwendet werden, die harmonischen Verzerrungen auszulöschen.
Das berechnete Spektrum der elektromotorischen Kraft, obwohl eigentlich nur relative Amplituden erhalten werden können, kann dazu verwendet werden, die Kompensationsspannungen zu definieren. Die Kompensationsspannungen können den drei Ausgangsspannungen eines Matrix-Konverters 2 hinzuaddiert werden, wie dies in 2 dargestellt ist, wobei in einem derartigen Aufbau ein Generator 1, der Matrix-Konverter 2 und ein Ausgangstransformator 4 sowie eine Last 5 in Form eines Netzes vorhanden ist. Die Ausgangsphasen 3 sind ebenfalls dargestellt.
Alternativ können die Kompensationsspannungen dem Eingang des Konverters angelegt werden, aber dann müssen mehr Phasen zur Verfügung gestellt werden, und die Wellenform der Kompensationsspannung ist schwieriger zu definieren.
Die Strategie der Kompensation von harmonischen Verzerrungen ist wie folgt:

• Bestimmung der relativen Amplituden und Phasen aus dem Kommutierungszustand,
• Auswahl der zu reduzierenden Harmonischen, und das Ausmass der Reduktion,
• Definition der drei Kompensationsspannungen,
• Anwendung der Kompensationsspannungen,
• Iteration, wenn erforderlich, und vorzugsweise periodische Neuberechnung und Optimierung, da es immer Änderungen des Zustandes des Netzes, der Last und des Gesamtsystems etc. gibt.

Die Kompensation auf Basis des Spektrums der elektromotorischen Kraft wird den harmonischen Strom drastisch reduzieren. Entsprechend werden sowohl Spannung als auch Strom hinter dem Ausgangstransformator eine sehr niedrige Verzerrung aufweisen.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass eine Kompensation unter Verwendung einer Fouriertransformierten des effektiven Ausgangsspektrums, insbesondere im Fall von grossen Induktivitäten, nicht zu einer vollständigen Auslöschung der Verzerrungen führen wird, während dies bei der Verwendung des EMF Spektrums der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil der Auslöschung des harmonischen Stromes ist die Vermeidung von harmonischer Verzerrung in Richtung der Quelle (Eingang des Konverters).
Beispiel einer Kompensation von harmonischer Verzerrung:
Das Spektrum von 3 zeigt die Harmonischen in Spannung und Strom, wenn die Komponente bei 160 Hz vollständig ausgelöscht ist und die Komponente bei 40 Hz teilweise ausgelöscht ist. 3a) zeigt das Spektrum ohne jegliche Kompensation, 3b) zeigt das Spektrum mit Kompensation. Kompensationsspannungen wurden entsprechend der hier gezeigten Methode definiert.
Die Kompensation ist selektiv. Es ist möglich, die zu kompensierende harmonische Komponente und deren Kompensationsgrad zu spezifizieren. Die Berechnung der elektromotorischen Kraft ist grob, wenn der harmonische Strom gross ist. Die Evaluation wird immer genauer, wenn der harmonische Strom abnimmt. Gleichermassen wird die Wellenform des Stromes beeinflusst (verbessert), wenn die Kompensation effektiv wird. Die Veränderung in der Wellenform des Stromes resultiert in einer anderen Dauer der Kommutierung. Als Konsequenz wird die elektromotorische Kraft selber ebenfalls modifiziert. Entsprechend kann ein iterativer Prozess erforderlich sein.
Im in 4 dargestellten Leistungsspektrum kann man erkennen, dass die 90 Hz und 210 Hz harmonische Amplitude drastisch reduziert werden, wenn die Kompensationsspannungen angewendet werden. 4a) zeigt das kompensierte Spektrum, während 4b) ein Spektrum ohne Kompensation zeigt.
Das Leistungsspektrum gibt Information über das Torsionsmoment, d.h. auf die harmonische Verzerrung zum Eingang des Konverters.
Die Kompensationsspannungen können auf unterschiedlichen Wegen produziert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Kompensationsspannung von der Eingangsquelle (hohe Frequenz) zur Verfügung gestellt wird. Weitere Möglichkeiten sind die Zurverfügungsstellung über den Ausgang (niedrigere Frequenz) von einer Hilfsquelle (beliebige Frequenz) oder sogar intern im Konverter.
Mit Ausnahme der Situation, wenn sie intern im Konverter produziert werden, sind die Kompensationsspannungen über einen Hilfskonverter mit niedriger Leistung geformt. Konverter jeglicher Art können verwendet werden; ein Matrix-Konverter ähnlich zum Hauptkonverter wird aber bevorzugt.
Wiederum mit Ausnahme der Situation, wo sie intern im Konverter produziert werden, können die Kompensationsspannungen durch einen Transformator angewendet werden. Dieser Transformator kann als drei Einzelphasentransformatoren ausgebildet sein oder als ein Dreiphasentransformator. Es kann sich dabei um eine Hilfswicklung beim Ausgangstransformator handeln.
Ein ähnliches Verfahren erlaubt die Anwendung von Spannungen auf dem Eingang anstelle des Ausgangs des Konverters.
Zusammenfassend bestehen die spezifischen Eigenschaften des Konzepts zur Auslöschung der harmonischen Verzerrung wie folgt:

1. Grundsätzlich geht es zunächst darum, nur das Spannungsspektrum zu kontrollieren. Der Strom wird aber ebenfalls ein verbessertes Spektrum aufweisen, da die elektromotorischen Kräfte, welche die harmonischen Ströme erzeugen, ausgelöscht sind.
2. Sowohl Strom als auch Spannung hinter dem Ausgangstransformator werden beide ein qualitativ hochstehendes Spektrum aufweisen.
3. Das Spektrum der elektromotorischen Kraft wird aus den Zeitpunkten berechnet, wann die Schalter ein- und/oder ausgeschaltet werden, und diese Zeitpunkte werden über eine Messung oder Überwachung bestimmt.
4. Eine Kompensationsspannung wird aus diesem Spektrum der elektromotorischen Kraft definiert.
5. Die Kompensationsspannungen werden alternativ oder in Kombination wie folgt generiert. a. über einen Hilfsfrequenzkonverter und eine Hilfsquelle b. von der Haupteingangsquelle ebenfalls unter Verwendung eines Hilfskonverters c. vom Ausgang ebenfalls unter Verwendung eines Hilfskonverters d. intern im Konverter.
6. Die zur Kompensation erforderliche Leistung ist wesentlich niedriger als die hergestellte Gesamtleistung.

Die zu erwartenden Vorteile sind u.a. wie folgt:

1. Einfache und schnelle Methode zur Definition von Kompensationsspannungen.
2. Nur wenig Information muss bekannt sein, um die Kompensationsspan nungen zu definieren.
3. Sowohl Eingang wie auch Ausgang werden in Bezug auf die harmonische Verzerrung durch den gleichen Prozess verbessert.
4. Zusätzliche Hardware-Kosten sind limitiert. Auf jeden Fall sind Filtermittel nicht länger sinnvoll. Unterlastung der rotierenden Maschine wird ebenfalls vermieden.

Die vorgeschlagene Methode kann ausserdem für die Verbesserung des Kommutierungsschemas verwendet werden, ebenfalls um schädliche Harmonische zu verhindern. Dazu wird das EMF Spektrum für eine vorgegebene Kommutierungssequenz berechnet, und anschliessend wird diese Sequenz iterativ zur Elimination der ungewollten Harmonischen verbessert, d.h. über eine Überprüfung der Beeinflussung von einzelnen Schaltvorgängen oder Gruppen von Schaltvorgängen auf bestimmte ungewollte harmonische Komponenten.

1: Generator
2: Matrix-Konverter
3: Ausgangsphasen von 2
4: Ausgangstransformator
5: Last, Netz

Claims

Verfahren zur Berechnung des Ausgangsspektrums eines Matrix-Konverters (2), bei welchem m Phasen eines Generators (1) als Eingang abwechselnd über eine Vielzahl von kontrollierbaren, bidirektionalen Schaltern, welche in einer (m × n) Matrix angeordnet sind, mit n (n<m) Phasen einer Last (5) als Ausgang verbunden sind, dadurch gekennzeichnet dass die Berechnung auf Basis der Konnektivität der Phasen, der Phasenbeziehung zwischen Eingang und Ausgang, und auf Basis der Zeitpunkte, wann die Kommutierungen von den Schaltern ausgelöst werden, und der Zeitpunkte, wann die Kommutierungen der Schalter vollendet sind, durchgeführt wird, wobei eine derartige Berechnung für wenigstens eine vollständige Repetitionsperiode des Schaltzyklus durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung zusätzlich unter Verwendung der Eingangsspannung und/oder des Eingangsstroms durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum der elektromotorischen Kraft berechnet wird, wobei vorzugsweise dieses Spektrum dazu verwendet wird, das Spannungsspektrum und/oder das Stromspektrum und/oder das Leistungsspektrum vorherzusagen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte, wann die Kommutierungen der Schalter ausgelöst werden und insbesondere wann die Kommutierungen effektiv vollendet sind, bestimmt werden durch Überwachung und/oder Messung der individuellen Schalter im Matrix-Konverter (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass n Phasen des Generators (1) immer mit der Last (5) verbunden, während (m-n) Phasen des Generators (1) nicht mit der Last (5) verbunden sind, wobei das Schalten von einer ausgewählten verbundenen Phase des Generators (1) auf eine ausgewählte nicht verbundene Phase des Generators (1) nur dann stattfindet, wenn die Bedingung Ik·(Vk – Vl)·Kijkl<0erfüllt wird, wobei I_k und V_k der Strom und die Spannung der ausgewählten verbundenen Phase sind, V_l die Spannung der ausgewählten nicht verbundenen Phase ist, und für jeden Schaltvorgang K_ijkl eine charakteristische Konstante für die wechselseitige Induktivität zwischen den Phasen des Generators (1) und der Induktivität der Last ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzustand der Schalter, der Verbindungszustand der Phasen des Generators (1) und die Vorzeichen der Ströme in den Phasen des Generators (1) und die differenziellen Spannungen zwischen den Phasen des Generators (1) überwacht und/oder gemessen werden; dass an spezifizierten vorzugsweise periodischen Punkten in der Zeit Schaltvorgänge ablaufen, und dass für ein Schalten eine oder mehrere Phasen des Generators (1) ausgewählt werden, welche Phasen des Generators (1) entsprechend der Information, wie sie durch die Überwachung und/oder die Messung erhalten wird, nicht verbunden sind und die Bedingung erfüllen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass antiparallele Thyristoren als bidirektionale Schalter verwendet werden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verbesserung des Spektrums, wie es von einem statischen Frequenzkonverter erzeugt wird, vorzugsweise von einem Matrix-Konverter dadurch gekennzeichnet, dass Kompensationsspannungen auf Basis des berechneten Spektrums der elektromotorischen Kraft bestimmt werden.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspannungen online dem Konverterausgang und/oder dem Konvertereingang und/oder intern im Konverter hinzugefügt werden, wobei die hinzu gefügten Spannungen auf Basis des berechneten Spektrums der elektromotorischen Kraft bestimmt sind.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspannungen von einem Hilfsfrequenzkonverter und einer Hilfsquelle und/oder von der Haupteingangsquelle in Kombination mit einem Hilfskonverter, und/oder vom Ausgang in Kombination mit einem Hilfskonverter zur Verfügung gestellt werden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinzufügung auf jeder der m Phasen des Generators (1) stattfindet, wenn die Spannungen online dem Konvertereingang hinzugefügt werden, und dass die Korrektur auf jeder der n Phasen der erzeugten Wechselspannung bewirkt wird, wenn die Spannungen online dem Konverterausgang hinzugefügt werden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für die Verbesserung des Spektrums, wie es von einem statischen Frequenzkonverter, insbesondere von einem Matrix-Konverter, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsschema iterativ angepasst wird auf Basis des berechneten Spektrums der elektromotorischen Kraft.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbesserung auf Basis eines iterativen Verbesserungsschemas durchgeführt wird, indem wiederholt folgende Schritte durchgeführt werden: 1. Berechung des Spektrums der elektromotorischen Kraft entsprechend den momentanen Bedingungen und 2. anschliessende Anpassung der Beeinflussung des Ausgangsspektrums.
Computerprogramm-Produkt zur Berechnung eines Spektrums nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, vorzugsweise für eine Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 13.