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Dokumentenidentifikation DE3246706C2 05.11.1987
Titel Stromversorgungsvorrichtung für einen Wechselstromverbraucher
Anmelder Danfoss A/S, Nordborg, DK
Erfinder Doktor, Hans, Soenderborg, DK;
Hellegaard, Kjeld, Nordborg, DK
Vertreter Knoblauch, U., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 17.12.1982
DE-Aktenzeichen 3246706
Offenlegungstag 20.06.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.11.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.11.1987
IPC-Hauptklasse H02M 7/48
IPC-Nebenklasse H02M 7/537   
Zusammenfassung Eine Stromversorgungsvorrichtung für einen Wechselstromverbraucher enthält einen Wechselrichter (3) mit Transistoren (T1-T6) und Freilaufdioden (D1-D6), einen netzgespeisten Gleichrichter (2), einen Transistor-Zerhacker (4) zwischen Gleich- und Wechselrichter, eine dem Zerhacker nachgeschaltete Glättungsschaltung (5), je eine Basissteuerschaltung für jeden Transistor (T1-T7), einen Zerhackerstrommeßwiderstand (6), einen Strommeßwiderstand (13) in der Wechselrichterstromrückleitung, einen Impulsgeber (26), einen dessen Impulse den Wechselrichter-Basissteuerschaltungen (29) zuführenden Impulsverteiler (27) und einen der Zerhacker-Basis-Steuerschaltung (24) abhängig von einer Wechselrichterbetriebsgröße Steuerimpulse zuführenden Regler (20). Allen Basissteuerschaltungen ist abhängig von einem am zugehörigen Strommeßwiderstand abgenommenen Überstrommeßsignal ein Sperrsignal zuführbar. Um den den Regler, Impulsgeber und Impulsverteiler aufweisenden Niederspannungsteil gegenüber einer Hochspannungseinkopplung vom Hochspannung führenden Teil, der den Gleichrichter, Zerhacker und Wechselrichter aufweist, zu trennen und den Hochspannungsteil gegen Überströme abzusichern, werden die Steuerimpulse für die Transistoren (T1-T7) der zugehörigen Basissteuerschaltung (24, 29) über je einen Optokoppler (22, 28) zugeführt und liegt zwischen den Optokopplern (22, 28) und den Basissteuerschaltungen (24, 29) für den Zerhacker (4) und die mit der ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsvorrichtung für einen Wechselstromverbraucher, mit einem Transistoren und Freilaufdioden in Brückenschaltung aufweisenden Wechselrichter, einem netzgespeisten Gleichrichter, einem Transistor-Zerhacker zwischen Gleichrichter und Wechselrichter, einer dem Zerhacker nachgeschalteten Glättungsschaltung mit Glättungsspule und Glättungskondensator, je einer Basissteuerschaltung für jeden Transistor von Zerhacker und Wechselrichter, einem Strommeßwiderstand für den Zerhackerstrom, einem Strommeßwiderstand in der Stromrückleitung des Wechselrichters, einem Impulsgebers, einem die Impulse des Impulsgebers den Wechselrichter-Basissteuerschaltungen zuführenden Impulsverteiler und einem der Zerhacker-Basissteuerschaltung in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße des Wechselrichters Steuerimpulse zuführenden Regler, wobei den Basissteuerschaltungen von Zerhacker und Wechselrichter in Abhängigkeit von einem am zugehörigen Strommeßwiderstand abgenommenen Überstrommeßsignal ein Sperrsignal zuführbar ist.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-PS 26 32 380) steht der den Regler, Impulsgeber und Impulsverteiler aufweisende Steuerteil in galvanischer Verbindung mit dem den Gleichrichter, Zerhacker und Wechselrichter aufweisenden Hochspannungsteil. Hierbei besteht die Gefahr, daß die bis zu 600 Volt betragende Hochspannung in den Steuerteil übertragen wird und dieser gegebenenfalls nicht berührungssicher ist. Die Zwischenschaltung von Trenntransformatoren zwischen Steuerteil und Hochspannungsteil ist aufwendig und erhöht die Ausschaltverzögerung von Zerhacker und Wechselrichter im Falle eines Überstroms, da die Sperrsignale über den Regler bzw. Impulsverteiler auf den Zerhacker bzw. Wechselrichter einwirken.

Es ist ferner bei einer ähnlichen Stromversorgungsvorrichtung ohne Zerhacker und zugehörige Glättungsschaltung bekannt, zum Schutz der Wechselrichtertransistoren den Verbraucherstrom in jeder Phase für sich zu messen und alle Wechselrichtertransistoren über den Steuerteil des Wechselrichters auszuschalten. Hierbei ist in jeder Ausgangsphase des Wechselrichters ein Strommeßwiderstand und in der Wechselrichterstrom-Rückleitung ein weiterer Meßwiderstand vorgesehen. Dies ergibt, insbesondere bei einem mehr als zweiphasigen Wechselrichter, einen erheblichen Aufwand an Meßwiderständen mit entsprechend hohen Verlusten. Eine galvanische Trennung zwischen Hochspannungs- und Steuerteil ist ebenfalls nicht vorgesehen.

Der Einsatz von Optokopplern zur galvanischen Trennung ist jedoch bekannt (DE-OS 26 24 963 oder DE-B: U. Tietze/CH. Schenk, 5. überarbeitete Auflage 1980, Kapitel 23.1, S. 618).

Sodann ist eine Versorgungsschaltung für Wechselstromverbraucher bekannt (US-PS 40 50 006, insbesondere Fig. 1 und 2), die einen Netzgleichrichter, Transistor-Zerhacker und einen Wechselrichter mit Thyristoren, Transistoren und hierzu antiparallel geschalteten Dioden aufweist. Die Steuerimpulse für den Zerhacker werden über einen Optokoppler einer Basissteuerschaltung des Zerhackertransistors zugeführt, wobei zwischen Optokoppler und Basissteuerschaltung eine Torschaltung liegt.

Die über den Optokoppler geleiteten Steuerimpulse werden in der Torschaltung mit dem Ausgangsimpuls eines Multivibrators und einer den Sättigungszustand des Zerhacker-Transistors überwachenden Schaltung in der Weise verknüpft, daß der Zerhacker-Transistor während der Dauer des Ausgangsimpulses des monostabilen Multivibrators eingeschaltet bleibt. Nur ein Steuerimpuls, dessen Dauer länger als die des Multivibrator-Ausgangsimpulses ist, wird dem Zerhacker-Transistor zugeführt, sofern der Zerhacker-Transistor während dieser Dauer hinreichend gesättigt ist. Auf diese Weise kann zwar eine thermische Überlastung des Zerhacker-Transistors bei nicht hinreichender Durchsteuerung aufgrund der Verlustleistung des Transistors, nicht jedoch ein Überstrom vermieden werden, der aufgrund eines Kurzschlusses oder dergleichen bei hinreichend durchgesteuertem Zerhacker-Transistor auftritt. Vielmehr würde ein Überstrom eher zu einer Übersättigung des Zerhacker-Transistors führen und damit den Einschaltzustand des Zerhacker-Transistors gerade aufrechterhalten. Eine Strombegrenzung im Kurzschlußfalle könnte daher auf diese Weise nicht erreicht werden. Wenn dort die Kurzschlußstrombegrenzung dadurch erreicht werden soll, daß dann, wenn der Zerhacker-Transistor während der Dauer des Multivibrator-Ausgangsimpulses außer Sättigung gerät, das Einschaltsignal des Zerhackers unterbrochen wird, so geschieht auch diese Unterbrechung erst am Ende des Multivibrator-Ausgangsimpulses, d. h. nach einer Verzögerungszeit. Diese bekannte Schaltung würde daher im Falle eines Überstroms nicht sofort eingreifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der eine galvanische Trennung zwischen Steuerteil und Hochspannungsteil vorgesehen und dennoch eine rasche Unterbrechung eines Überstroms, z. B. bei Überlastung, Durchzündung zweier in Reihe liegender Transistoren, Erdschluß oder Kurzschluß, sichergestellt ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerimpulse bzw. Impulse für die Zerhacker und Wechselrichtertransistoren den zugehörigen Basissteuerschaltungen über je einen Optokoppler zugeführt sind und daß zwischen den Optokopplern und den Basissteuerschaltungen für den Zerhacker und für die mit der Stromrückleitung verbundenen Transistoren des Wechselrichters je ein Tor liegt, dem bei Überstrom das entsprechende Sperrsignal zuführbar ist.

Durch die Optokoppler erreicht man auf einfache Weise eine sichere galvanische Trennung zwischen Steuerteil und Hochspannungsteil, so daß der Steuerteil berührungssicher ist. Handelsübliche Optokoppler sprechen allerdings verhältnismäßig langsam an, so daß sich Verzögerungszeiten von etwa sechs bis zehn Mikrosekunden ergeben können, innerhalb der die Transistoren durch einen Überstrom bereits zerstört sein können. Durch die erfindungsgemäße Zwischenschaltung der Tore zwischen denjenigen Optokopplern und Basissteuerschaltungen, die den mit der Wechselrichterstrom-Rückleitung verbundenen Wechselrichtertransistoren einerseits und dem Zerhacker-Transistor andererseits zugeordnet sind, kann das bei Überstrom erzeugte Sperrsignal für diese Transistoren den Steuerteil umgehen. Dies ergibt eine sehr geringe Ausschaltverzögerung. Da jeweils zwei Wechselrichtertransistoren in jedem Brückenzweig in Reihe liegen, ist es grundsätzlich ausreichend, wenn nur die mit der Wechselrichterstrom-Rückleitung verbundenen Wechselrichtertransistoren ausgeschaltet (gesperrt) werden. Dies verringert den Aufwand an zwischengeschalteten Toren.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß das Überstrommeßsignal einer Schwellwertstufe zugeführt ist, die das Sperrsignal bei Überstrom erzeugt und über ein erstes monostabiles Kippglied den Toren der mit der Stromrückleitung verbundenen Transistoren zuführt. Da das monostabile Kippglied erst nach einer vorbestimmten Laufzeit, die länger als die Abschaltverzögerung des Wechselrichters ist, zurückkippt und ein Einschaltsignal erzeugt, ist sichergestellt, daß der Wechselrichter nicht sofort, sondern erst nach dieser Laufzeit wieder eingeschaltet wird, um zu vermeiden, daß der Wechselrichter schon ein Einschaltsignal erhält, ehe er vollständig ausgeschaltet ist.

Sodann kann das Sperrsignal vom Ausgang des ersten monostabilen Kippglieds über einen Optokoppler einem zweiten monostabilen Kippglied zuführbar sein, durch das das Sperrsignal verlängert und einem Sperreingang des Impulsverteilers sowie einem die Steuerimpulse des Reglers übertragenden Tor zugeführt wird. Hierbei wird gleichzeitig mit der Abgabe eines Sperrsignals an die mit der Wechselrichterstrom-Rückleitung verbundenen Wechselrichtertransistoren ein Sperrsignal an die übrigen Wechselrichtertransistoren sowie den Zerhacker abgegeben. Hierbei können die Basissteuerschaltungen, wie üblich, eine Mindesteinschaltzeit und Mindestausschaltzeit der Wechselrichtertransistoren sicherstellen. Dennoch wird vermieden, daß sich eine zu hohe Ausschaltverzögerung ergibt, wie es bei einem Kurzschluß auf der Eingangsseite des Verbrauchers der Fall wäre, wenn dieser Kurzschluß unmittelbar nach Beginn einer Mindesteinschaltzeit auftritt. Wenn nur die mit der Wechselrichterstromrückleitung verbundenen Transistoren gesperrt würden, würde sich die Mindesteinschaltzeit zu der inhärenten Ausschaltverzögerung dieser Transistoren addieren. Wenn dagegen auch die übrigen Transistoren zusätzlich gesperrt werden, wird derjenige der übrigen Transistoren, der den Gesamtstrom der mit ihm in Reihe liegenden Transistoren führt, gerade nicht mit der Mindesteinschaltzeit betrieben, so daß auch in diesem Falle nur eine relativ kurze Ausschaltverzögerung sichergestellt ist, da die Verzögerung des Sperrsignals auf dem Weg über den Steuerteil geringer als die Mindesteinschaltzeit ist. Nach Ablauf der Laufzeit des zweiten monostabilen Multivibrators, die etwa 0,5 Sekunden betragen kann, wird der Wechselrichter wieder eingeschaltet, und wenn die Ursache für den Überstrom inzwischen verschwunden ist, wird der Betrieb ungehindert fortgesetzt.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Wiedereinschaltung des Zerhackers gegenüber der Wiedereinschaltung des Wechselrichters weiter verzögert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen dem zweiten monostabilen Kippglied und dem die Steuerimpulse des Reglers übertragenden Tor ein Einschaltverzögerungsglied liegt. Wenn die Ursache für den Überstrom bei der Wiedereinschaltung des Wechselrichters noch nicht beseitigt ist, erfolgt wieder eine Ausschaltung. Dies kann mehrmals wiederholt werden, wobei gegebenenfalls der Glättungskondensator allmählich entladen wird, bevor der Zerhacker wieder eingeschaltet wird.

Sodann kann in durch Überströme gefährdeten Stromkreisen eine Strombegrenzungsspule liegen, die für eine Begrenzung des Stromes und dessen Anstiegsgeschwindigkeit innerhalb der Ausschaltverzögerung sorgen.

So kann in jeder Ausgangsleitung des Wechselrichters eine Strombegrenzungsspule liegen. Diese begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes im Falle eines Erdschlusses oder Kurzschlusses auf Seiten des Verbrauchers.

Die Strombegrenzungsspulen zwischen Wechselrichter und Verbraucher können gegebenenfalls entfallen, wenn in den Zuleitungen des Gleichrichters entsprechend bemessene Funkentstörungs-Drosselspulen liegen und in Reihe mit dem Glättungskondensator eine Strombegrenzungsspule liegt. Die Funkentstörungs-Drosselspulen sind besonders im Falle eines verbraucherseitigen Erdschlusses von Vorteil. Die Strombegrenzungsspule in Reihe mit dem Glättungskondensator begrenzt ebenfalls den Anstieg des Entladestroms des Kondensators im Falle einer Durchzündung zweier in Reihe liegender Wechselrichtertransistoren aufgrund äußerer Störimpulse.

Im Falle eines Erdschlusses auf Seiten des Verbrauchers kann ein hoher Ladestrom durch den Glättungskondensator über eine Freilaufdiode des Wechselrichters fließen. Daher sollte in Reihe mit dem Glättungskondensator ein Strommeßwiderstand liegen, der mit der Stromrückleitung des Wechselrichters verbunden ist und dessen Spannungsabfall ebenfalls der Schwellwertstufe als weiteres Strommeßsignal zugeführt wird. Hierbei kann ein verbraucherseitiger Erdschluß, der zu einem zu hohen Ladestrom des Glättungskondensators führt, auch dann zu einer Abschaltung des Wechselrichters herangezogen werden, wenn dieser Erdschlußstrom nicht über den in der Stromrückleitung des Wechselrichters liegenden Strommeßwiderstand fließt. Aufgrund der Überwachung des Ladestroms des Glättungskondensators können auch die Strombegrenzungsspulen zwischen Wechselrichter und Verbraucher bzw. gegebenenfalls vorhandene Funkentstörungsspulen auf der Eingangsseite des Gleichrichters auf einen kleineren Sättigungsstrom ausgelegt werden, als ohne diese Ladestromüberwachung.

Sodann kann die in Reihe mit dem Glättungskondensator liegende Strombegrenzungsspule durch eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem ohmschen Widerstand überbrückt sein, wobei die Anode der Diode auf Seiten der Stromzuleitung des Wechselrichters liegt. Hierbei kann die bei einem Kurzschluß im Wechselrichter durch den Entladestrom des Glättungskondensators in der Strombegrenzungsspule gespeicherte Energie nach der Abschaltung des Wechselrichters über die zur Strombegrenzungsspule parallel liegende Reihenschaltung unter Vermeidung einer Überspannung entladen werden.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Zeichnung stellt eine Stromversorgungsvorrichtung und einen durch diesen gespeisten mehrphasigen induktiven Wechselstromverbraucher 1, hier einen dreiphasigen Asynchronmotor, dar.

Die Stromversorgungsvorrichtung enthält einen aus dem dreiphasigen Wechselstromnetz R, S, T mit geerdetem Nullpunkt 0 gespeisten dreiphasigen Gleichrichter 2 in Brückenschaltung, der eine geglättete Gleichspannung erzeugt. Ferner enthält sie einen Wechselrichter 3, einen zwischen Gleichrichter 2 und Wechselrichter 3 in der Stromzuleitung des Wechselrichters 3 liegenden Zerhacker 4 und eine dem Zerhacker 4 nachgeschaltete Glättungsschaltung 5.

Der Wechselrichter 3 enthält sechs vereinfacht als Schalter dargestellte Transistoren T1 bis T6 in Brückenschaltung mit je einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode D 1 bis D6.

Der Zerhacker 4 enthält ebenfalls einen vereinfacht als Schalter dargestellten Transistor T7 mit einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode D7 und einem in Reihe geschalteten Strommeßwiderstand 6.

Die Glättungsschaltung 5 enthält eine Glättungsspule 7, einen Glättungskondensator 8, in Reihe mit dem Glättungskondensator 8 eine Strombegrenzungsspule 9 und einen ohmschen Strommeßwiderstand 10, sowie für die Spule 7 eine Freilaufdiode D8, deren Anode mit der Stromrückleitung des Wechselrichters verbunden ist. Ferner enthält sie parallel zur Strombegrenzungsspule 9 eine Reihenschaltung aus einer Diode 11 und einem den Diodenstrom begrenzenden ohmschen Widerstand 12. Die Anode der Diode 11 liegt an der positives Potential führenden Stromzuleitung des Wechselrichters 3 und der Strommeßwiderstand 10 zwischen dem Glättungskondensator 8 und der negatives Potential führenden Stromrückleitung des Wechselrichters 3.

In der Stromrückleitung des Wechselrichters 3 liegt ein weiterer Strommeßwiderstand 13.

In den Zuleitungen des Gleichrichters 2 liegt je eine Funkentstörungs-Drosselspule 14, 15, 16 und in den Ausgangsleitungen des Wechselrichters 3 je eine Strombegrenzungsspule 17, 18, 19. Mit K1 und K2 sind Schalter bezeichnet, die mögliche Kurzschlußstrecken symbolisieren.

Die Stromversorgungsvorrichtung weist ferner einen Regler 20 auf, der den Istwert einer Betriebsgröße des Wechselrichters 3, dessen Betriebsspannung oder Betriebsstrom, mit einem Sollwert vergleicht und abhängig vom Vergleichsergebnis Steuerimpulse für den Zerhacker 4 erzeugt. Diese Steuerimpulse werden dem Transistor T7 über ein Tor 21, hier ein Verknüpfungsglied mit INHIBIT- Funktion, einen Optokoppler 22, ein Tor 23, hier ein Verknüpfungsglied mit UND-Funktion, und eine Basissteuerschaltung 24 zugeführt. Die Steuerimpulse steuern das Tastverhältnis des Zerhackers 4 so, daß der durch die Glättungsschaltung 5 gebildete Mittelwert der Ausgangsspannung des Zerhackers 4 einem dem Sollwert der Betriebsgröße des Wechselrichters 3 entsprechenden Wert angenähert wird.

Ein am Strommeßwiderstand 6 abgegriffenes Strommeßsignal wird einer Schwellwertstufe 25 zugeführt. Beim Auftreten eines Überstroms überschreitet das Strommeßsignal den Schwellwert der Schwellwertstufe 25. Diese erzeugt daraufhin ein Sperrsignal, das das Tor 23 und damit die Übertragung weiterer Steuerimpulse zum Zerhacker 4 sperrt. Der Zerhacker 4 nimmt hierbei den dargestellten Zustand ein, in dem er die Versorgungsspannung des Wechselrichters 3 abschaltet (unterbricht).

Die Frequenz des Wechselrichters 3 wird durch einen Impulsgeber 26 bestimmt, dessen Steuerimpulse über einen Impulsverteiler 27, sechs weitere Optokoppler 28 und sechs weitere Basissteuerschaltungen 29 den Basen der Transistoren T1 bis T6 des Wechselrichters 3 zugeführt werden und diese Transistoren so steuern, daß sie den Verbraucher 1 mit einer dreiphasigen, im Mittel angenähert sinusförmigen Wechselspannung speisen, wobei stets wenigstens drei Transistoren des Wechselrichters, die nicht in Reihe liegen, einander überlappend zyklisch durchgesteuert (eingeschaltet) werden.

Die von den Strommeßwiderständen 10 und 13abgenommenen Strommeßsignale werden einer weiteren Schwellwertstufe 30 zugeführt, die ein Sperrsignal erzeugt, wenn das eine oder andere der ihr zugeführten Strommeßsignale oder beide den einem Überstrom entsprechenden Schwellwert überschreitet bzw. überschreiten, wobei die Schwellwertstufe für ein positives und ein negatives am Widerstand 10 gemessenes Überstromsignal je einen Vergleicher aufweist. Das Sperrsignal wird über ein monostabiles Kippglied 31 dem einen Eingang von Toren 32 zugeführt, die jeweils zwischen denjenigen Optokopplern 28 und Basissteuerschaltungen 29 liegen, die den mit der Stromrückleitung des Wechselrichters 3 verbundenen Wechselrichter-Transistoren T2, T4 und T6 zugeordnet sind. Durch dieses Sperrsignal werden die Tore 32 gesperrt, so daß den Transistoren T2, T4 und T6 keine Steuerimpulse mehr zugeführt und diese Transistoren gesperrt werden, und zwar wenigstens solange, wie es der Dauer des durch das monostabile Kippglied 31 erzeugten Sperrsignals entspricht, die etwa fünfzehn Mikrosekunden beträgt und länger als die etwa 5 bis 10 Mikrosekunden betragende Abschaltverzögerung des Wechselrichters einschließlich der Basissteuerschaltungen 29 ist.

Das Sperrsignal des monostabilen Kippglieds 31 wird ferner über einen Optokoppler 33 und ein zweites monostabiles Kippglied 34 einem Sperreingang des Impulsverteilers 27 zugeführt, der daraufhin sämtliche den Transistoren T1 bis T6 des Wechselrichters 3 zugeführten Steuerimpulse sperrt, so daß der Wechselrichter 3 vollständig ausgeschaltet wird. Die Dauer des durch das monostabile Kippglied 34 erzeugten Sperrsignals ist länger als die des durch das monostabile Kippglied 31 erzeugten Sperrsignals und beträgt etwa 0,5 Sekunden. Das Ausgangssignal des monostabilen Kippglieds 34 wird ferner über ein eine Zeitkonstante von etwa 0,2 Sekunden aufweisendes Verzögerungsglied 35, das die Rückflanke des Sperrsignals verzögert, einem Sperreingang des Tores 21 zugeführt. Das Tor 21 sperrt daraufhin die Übertragung der Steuerimpulse des Reglers 20 an den Zerhacker 4 und damit diesen ebenfalls.

Die Basissteuerschaltungen 24 und 29 sorgen ferner dafür, daß eine Mindesteinschalt- und eine Mindestausschaltdauer der Transistoren T1 bis T7 nicht unterschritten wird.

Während des Betriebs kann ein Strom bei einem Erdschluß (Schalter K2 geschlossen) über verschiedene Stromkreise fließen:

  • a) wenn beispielsweise der Transistor T2 durchgesteuert (eingeschaltet) ist: von Erde über K2, Spule 17, Transistor T2, Strommeßwiderstand 13, Gleichrichter 2 und Funkentstörungs-Drosselspule 16 zur Phase T, die in diesem Augenblick negatives Potential gegenüber Erde hat. Die Anstiegsgeschwindigkeit dieses Kurzschlußstroms wird durch die Spulen 16 und 17 begrenzt. Das am Widerstand 13 abgegriffene Strommeßsignal bewirkt über die Schwellwertstufe 30, das monostabile Kippglied 31 und die Tore 32 auf kürzestem Wege (unter Umgehung der Glieder 33, 34, 27, 28) eine Ausschaltung der Transistoren T2, T4 und T6, so daß der Kurzschlußstrom unterbrochen wird;
  • b) wenn beispielsweise der Transistor T1 eingeschaltet und beispielsweise der Transistor T2 ausgeschaltet ist: vom positiven Pol des Gleichrichters 2, über die Stromzuleitung des Wechselrichters 3, den Transistor T1 und die Spule 17 zur Erde. Dieser Strom wird nicht durch die Widerstände 10 und 13 erfaßt, sondern nur durch den Widerstand 6. Er wächst wegen der Glättungsspule 7, die eine sehr große Induktivität im Vergleich zu denen der Spulen 14 bis 19 aufweist, nur langsam an. Erreicht er vor dem Verschwinden des Kurzschlusses den Schwellwert der Stufe 25, so sperrt diese über das Tor 23 und die Basissteuerschaltung 24 auf kürzestem Wege den Zerhacker 4, der daraufhin den Strom unterbricht;
  • c) wenn beispielsweise der Transistor T2 ausgeschaltet und die Zwischenkreisspannung niedriger als die Spannung zwischen Erde und Stromrückleitung des Wechselrichters ist: von Erde über die Strombegrenzungsspule 17, die Freilaufdiode D1, den Glättungskondensator 8 und den Gleichrichter 2 zur Phase T.


Der Fall c) ist der kritischste, da er nicht durch Abschaltung des Wechselrichters 3 oder des Zerhackers 4 behoben werden kann. Dieser Strom wird daher durch den Widerstand 10 erfaßt. Der Spannungsabfall am Widerstand 10 bewirkt über die Bauelemente 30 bis 35 und 21 eine Ausschaltung des Zerhackers 4 und aller Transistoren T1 bis T6, so daß nicht noch ein zusätzlicher Erdschlußstrom über einen Wechselrichter-Transistor, der nachfolgend eingeschaltet würde, fließen kann.

Wenn der Transistor T2 bei eingeschaltetem Transistor T1 durch von außen eingekoppelte Störimpulse in den leitenden Zustand gesteuert wird, kann sich der Kondensator 8 über die beiden Transistoren T1 und T2 entladen. Dieser Entladestrom wird durch die Spule 9 begrenzt und durch das am Widerstand 13 abgenommene Überstrommeßsignal, das über die Glieder 30, 31, 32, 29 unmittelbar die Transistoren T2, T4, T6 sperrt, unterbrochen. Nach der Unterbrechung entlädt sich die in der Spule 9 gespeicherte Energie über die Diode 11 und den Widerstand 12.

Das Sperrsignal der Schwellwertstufe 30 sperrt über die Glieder 31, 33, 34 und 27 auch die Transistoren T1, T3, T5 und über die Glieder 35 und 21 auch den Zerhacker 4. Bedingt durch die Verzögerung der Optokoppler 22, 28 und 33 werden die Transistoren T1, T3, T5 und der Zerhacker 4 durch das Sperrsignal der Schwellwertstufe 30 jedoch etwas später ausgeschaltet als die Transistoren T2, T4, T6. Wenn gleichzeitig auch ein Überstrom über den Strommeßwiderstand 6 fließt, wird jedoch auch der Zerhacker 4 kurzfristig über die Schwellwertstufe 25 abgeschaltet.

Andererseits werden die Transistoren T1, T3, T5 und der Zerhacker 4, bedingt durch die zusätzlichen Zeitkonstanten der Glieder 34 und 35, etwas später als die Transistoren T2, T4 und T6 wieder eingeschaltet, und zwar zuletzt der Zerhacker 4. Ist ein Überstrom bei der Wiedereinschaltung noch vorhanden, wird eine erneute Ausschaltung ausgelöst. Diese Vorgänge wiederholen sich so lange, bis der Überstrom beseitigt ist.

Die größte Ausschaltverzögerung ergibt sich, wenn unmittelbar nach dem Einschalten eines der Transistoren T2, T4 und T6 ein Erdschluß auftritt. Da die Basissteuerschaltungen 24 und 29 eine Mindestein- und Mindestausschaltzeit bewirken, ist die größte Ausschaltverzögerung gleich der Summe aus Speicher- und Abfallzeit der Transistoren T2, T4 und T6 und der Mindesteinschaltzeit. Trotz dieser Ausschaltverzögerung tritt kein Schaden auf, da bei einem Erdschlußstromverlauf von Erde über beispielsweise die Diode D2 und den Transistor T2 wenigstens zwei der Spulen 14 bis 19 währenddessen für eine Strombegrenzung sorgen. Möglich ist auch ein Erdschlußstromverlauf bei geöffnetem (ausgeschaltetem) Zerhacker 4 vom positiven Pol des Gleichrichters 2 über dessen Ladekondensator, die Stromrückleitung des Wechselrichters 3, den Widerstand 10, den Glättungskondensator 8, die Spule 9, den leitenden Transistor T1 und die Spule 17 zur Erde. Dieser Strom würde zusätzlich durch die Spule 9 begrenzt.

Beim Kurzschluß einer Verbraucherwicklung, also beispielsweise bei geschlossenem Schalter K1, entlädt sich der Kondensator 8 über die Spule 9 und zwei Wechselrichtertransistoren, also in diesem Beispiel über die Transistoren T1 und T4. Dieser Entladestrom wird wenigstens durch die Spule 9 in seiner Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt, durch die Widerstände 10 und 13 erfaßt und unterbrochen. Obwohl bei diesem Wechselrichter 3 während jeder Halbwelle der verketteten Wechselrichter-Ausgangsspannung immer wenigstens drei Transistoren gleichzeitig eingeschaltet sind, genügt es, nur jeweils einen, der den Gesamtstrom führt, auszuschalten. Fließt der Strom vor dem Kurzschluß (K1 geschlossen) beispielsweise a) über die Transistoren T1, T4 und T5 oder b) über die Transistoren T1, T4 und T6, dann genügt es im Falle a), den Transistor T4 und im Falle b) den Transistor T1 auszuschalten (zu sperren). Im Falle b) könnte der Transistor T6 jedoch unmittelbar vor dem Auftreten des Kurzschlusses gerade eingeschaltet worden sein. Wegen der vorgesehenen Mindesteinschaltzeit, die etwa fünfzehn Mikrosekunden beträgt, würde daher der Transistor T6 diesen Kurzschluß während dieser Zeit aufrechterhalten. Die längste Ausschaltverzögerung über den Weg, in dem die Glieder 30, 31, 33, 34, 27, 28 und 29 liegen, beträgt jedoch nur zehn Mikrosekunden. Gegebenenfalls würde der Transistor T1 schon vorher, dadurch, daß er über den genannten Weg gesperrt wird, den Kurzschluß unterbrechen. Daher ist es günstig, das Sperrsignal der Schwellwertstufe 30 nicht nur den unteren Transistoren T2, T4 und T6 der Wechselrichter-Brücke, sondern auch den oberen Transistoren T1, T3 und T5 zuzuführen.

Da die Spulen 17 bis 19 stets mit den Funkentstörungsspulen 14 bis 16 oder der Begrenzungsspule 9 zusammenwirken, können die Spulen 17 bis 19 entfallen, wenn die Spulen 9 und 14 bis 16 entsprechend größer bemessen sind. So würde die Induktivität der Spulen 9 und 14 bis 16 in der Größenordnung von 200 bis 300 µH liegen, wenn die Spulen 17 bis 19 entfallen.

Andererseits brauchen die Spulen aufgrund der selbsttätigen kurzfristigen Abschaltung nur auf einen geringeren Sättigungsstrom gegenüber dem Fall ausgelegt zu werden, daß Kurz- oder Erdschlußströme allein durch Spulen begrenzt würden. Die Spulen brauchen den Stromanstieg nur kurzfristig zu begrenzen, bis der Überstrompfad unterbrochen wird (etwa 10 Mikrosekunden). Das heißt bis eine Unterbrechung über irgendeine Stromüberwachung erfolgt ist, dürfen die Spulen nicht in die Sättigung gehen, da sie dann nicht mehr begrenzend wirken. Ohne Stromüberwachung müßten die Spulen sehr groß sein, um einen Stromanstieg auf einen sehr hohen Wert zu vermeiden. Im vorliegenden Falle brauchen sie jedoch jeden gefährlichen Stromanstieg nur so lange zu verzögern, bis eine Abschaltung erfolgt ist.

Die beiden Zeitglieder 34 und 35 dienen dazu, nach einer Fehlerausschaltung den Wechselrichter 3 und den Zerhacker 4 selbsttätig wieder einzuschalten. Nachdem die Wechselrichtertransistoren gesperrt sind, existiert kein Überstrom mehr, das monostabile Kippglied 31 gibt am Ende seiner Laufzeit (von etwa 15 µsec) ein Wiedereinschaltsignal ab, und nach etwa 0,5 Sekunden gibt das monostabile Kippglied 34 ebenfalls ein Einschaltsignal ab, so daß der Wechselrichter wieder eingeschaltet wird. Wenn weiterhin kein Überstrom auftritt (z. B. Kurzschluß), wird nach weiteren etwa 0,2 Sekunden über das Verzögerungsglied 35 der Zerhacker 4 wieder eingeschaltet. Sollte der Fehler andauern, ist nach dem Ausschalten des Zerhackers 4 die Restspannung des Glättungskondensators 8 ausreichend hoch, um einen Kurzschlußstrom zu bewirken, der so groß ist, daß der ganze Wechselrichter 3 wieder ausgeschaltet wird. Dies wiederholt sich, bis die Spannung am Glättungskondensator soweit abgefallen ist, daß der Strom, der beim Einschalten des Wechselrichters 3 auftritt, keine Ausschaltung mehr verursacht. Der Wechselrichter bleibt dann eingeschaltet, und nach etwa 0,2 Sekunden wird der Zerhacker 4 wieder in Betrieb gesetzt. Danach wird der Glättungskondensator 8 wieder über die Drosselspule 7 aufgeladen. Sobald die Spannung am Glättungskondensator 8 wieder ausreicht, einen Kurzschlußstrom zu erzeugen, werden der Wechselrichter 3 und der Zerhacker 4 wieder ausgeschaltet. Dieses Spiel kann sich mehrmals wiederholen.

Ohne die Wiedereinschaltverzögerung des Zerhackers 4, würde dieser die Drosselspule 7 bei jeder Ausschaltung des Wechselrichters wegen eines Kurzschlusses aufladen. Die Drosselspule 7 müßte dann jedesmal erneut entladen werden. Diese wiederholte Entladung der Drosselspule würde eine erhöhte Spannung am Glättungskondensator bewirken, weil die Energiezufuhr aus der Drosselspule 7 größer ist als der Energieverbrauch durch den Kurzschluß. Nach mehreren Ausschaltungen wären die Halbleiterelemente des Wechselrichters durch eine Überspannung gefährdet.


Anspruch[de]
  1. 1. Stromversorgungsvorrichtung für einen Wechselstromverbraucher, mit einem Transistoren und Freilaufdioden in Brückenschaltung aufweisenden Wechselrichter, einem netzgespeisten Gleichrichter, einem Transistor-Zerhacker zwischen Gleichrichter und Wechselrichter, einer dem Zerhacker nachgeschalteten Glättungsschaltung mit Glättungsspule und Glättungskondensator, je einer Basissteuerschaltung für jeden Transistor von Zerhacker und Wechselrichter, einem Strommeßwiderstand für den Zerhackerstrom, einem Strommeßwiderstand in der Stromrückleitung des Wechselrichters, einem Impulsgeber, einem die Impulse des Impulsgebers den Wechselrichter-Basissteuerschaltungen zuführenden Impulsverteiler und einem der Zerhacker-Basissteuerschaltung in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße des Wechselrichters Steuerimpulse zuführenden Regler, wobei den Basissteuerschaltungen von Zerhacker und Wechselrichter in Abhängigkeit von einem am zugehörigen Strommeßwiderstand abgenommenen Überstrommeßsignal ein Sperrsignal zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet,daß die Steuerimpulse bzw. Impulse für die Zerhacker- und Wechselrichtertransistoren (T1-T6, T7) den zugehörigen Basissteuerschaltungen (24, 29) über je einen Optokoppler (22, 28) zugeführt sind und daß zwischen den Optokopplern (22, 28) und den Basissteuerschaltungen (24, 29) für den Zerhacker und für die mit der Stromrückleitung verbundenen Transistoren (T2, T4, T6) des Wechselrichters (3) je ein Tor (23, 32) liegt, dem bei Überstrom das entsprechende Sperrsignal zuführbar ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überstrommeßsignal einer Schwellwertstufe (30) zugeführt ist, die das Sperrsignal bei Überstrom erzeugt und über ein erstes monostabiles Kippglied (31) den Toren (32) der mit der Stromrückleitung verbundenen Transistoren (T2, T4, T6) zuführt.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrsignal vom Ausgang des ersten monostabilen Kippglieds (31) über einen Optokoppler (33) einem zweiten monostabilen Kippglied (34) zuführbar ist, durch das das Sperrsignal verlängert und einem Sperreingang des Impulsverteilers (27) sowie einem die Steuerimpulse des Reglers (20) übertragenden Tor (21) zugeführt wird.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten monostabilen Kippglied (34) und dem die Steuerimpulse des Reglers (20) übertragenden Tor (21) ein Einschaltverzögerungsglied (35) liegt.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in durch Überströme gefährdeten Stromkreisen eine Strombegrenzungsspule (9, 14-19) liegt.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Ausgangsleitung des Wechselrichters (3) eine Strombegrenzungsspule (17-19) liegt.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuleitungen des Gleichrichters (2) Funkentstörungs- Drosselspulen (14-16 ) liegen und in Reihe mit dem Glättungskondensator (8) eine Strombegrenzungsspule (9) liegt.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Glättungskondensator (8) ein Strommeßwiderstand (10) liegt, der mit der Stromrückleitung des Wechselrichters (3) verbunden ist und dessen Spannungsabfall der Schwellwertstufe (30) als weiteres Strommeßsignal zugeführt wird.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe mit dem Glättungskondensator (8) liegende Strombegrenzungsspule (9) durch eine Reihenschaltung aus einer Diode (11) und einem ohmschen Widerstand (12) überbrückt ist, wobei die Anode der Diode (11) auf Seiten der Stromzuleitung des Wechselrichters (3) liegt.






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