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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Energieeinspeisung bzw. Rückspeisung mit einem über einen gesteuerten Schalter an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichter und mit einem dem Gleichrichter nachgeschalteten Zwischenkreiskondensator, sowie mit einer gesteuert schaltbaren Einrichtung zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Schalters und der schaltbaren Einrichtung.
Schaltungen dieser Art sind meist als Umrichter bekannt, und sie dienen beispielsweise zum Versorgen von Antriebsmotoren. In einem solchen Fall folgt auf den Zwischenkreiskondensator ein Wechselrichter, der die Zwischenkreis-Gleichspannung z. B. in eine Dreiphasen-Wechselspannung wandelt, mit welcher ein Drehstrommotor versorgt wird.
In vielen Anwendungsfällen ist die Kapazität der üblicherweise als Elektrolytkondensatoren ausgebilde- ten Zwischenkreiskondensatoren beträchtlich. Sie liegt in der Grössenordnung von 100 uF bis 100 mF, wobei bei höheren Spannungen für Elektrolytkondensatoren Serienschaltungen erforderlich sind. Solche Serienschaltungen, ebenso wie Parallelschaltungen von Kondensatoren, sollen hier alle unter dem in Emzahl gehaltenen Begriff "Zwischenkreiskondensatot" verstanden werden.
Ohne besondere Massnahmen kann ein Umrichter mit einem Zwischenkreiskondensator hoher Kapazität nicht ans Netz geschaltet werden, da der Einschalt-Stromstoss zu hoch und in vielerlei Hinsicht nachteilig wäre. So gefährdet ein solcher Stromstoss den Einspeise-Gleichrichter und ebenso den Zwischenkreiskon- densator. Bei ungünstigen Kreisimpedanzen kann an dem Zwischenkreiskondensator auch eine zu hohe Spannung auftreten und ebenso sind die Rückwirkungen einen solchen Stromstosses auf das einspeisende Netz untragbar.
Um diesen Problemen zu begegnen, wird der Zwischenkreiskondensator vor dem endgültigen Anschal- ten des Umrichters an das Netz über Widerstände aufgeladen, bis er eine gewisse Minimalspannung erreicht hat. Erst bei dieser minimal geforderten Spannung wird der Hauptschalter, meistens ein Schütz, eingeschaltet, sodass der Umrichter nun direkt am Netz liegt und der Zwischenkreiskondensator unmittelbar von dem Gleichrichter versorgt wird.
Diese Lösung für eine schaltbare Einrichtung zum Vorladen des Zwischenkreises ist einfach und kostengünstig, doch sind verschiedene Teile des Umrichters bei bestimmten Fehlerzuständen gefährdet.
Beispielsweise sind Freilaufdioden eines Wechselrichters bei einem Erdschluss in einem Gruppenantrieb gefährdet und die Vorladewiderstände selbst können bei verschiedenen Betriebszuständen überlastet werden, sodass sie abbrennen. Falls die Vorladewiderstände nach dem Gleichrichter angeordnet sind, treten besonders unangenehme Gleichspannungslichtbögen auf.
Eine andere bekannte Lösung nach dem Stand der Technik verwendet anstelle der Gleichrichterbrücke eine Thyristorbrücke mit Phasenanschnittsteuerung über einen Hochlaufgeber. Bei dieser Lösung ist allerdings eine aufwendigere Ansteuerelektronik für die Thyristoren samt geeigneter Stromversorgung erforderlich und an der Thyristorbrücke tritt - verglichen mit einer Diodenbrücke - eine grössere Verlustlei- stung auf.
Aus der DE 2 005 623 C geht eine Schaltung hervor, welche - ein Mehrphasennetz voraussetzend - die Einschaltbelastung dadurch mindert, dass die einzelnen Phasen mit Hilfe von drei Schaltern zeitlich versetzt in zwei Stufen aufeinanderfolgend eingeschaltet werden. Es versteht sich, dass dadurch zwar eine Aufteilung der Ladestromstösse möglich ist, eine tatsächliche Dämpfüng erfolgt jedoch keineswegs.
Die aus der CH 621 443 bekannt gewordene Gleichrichteranlage setzt gleichfalls ein Mebrphasennetz, nämlich ein 3-Phasennetz voraus, wobei jedoch nur zwei Schalter vorgesehen sind. Auch hier erfolgen zwei Ladestromstösse, für welche das gleiche wie vorhin gilt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators anzugeben, die mit geringem Aufwand eine sichere Funktion gewährleistet und welche auch bei einem
Erdschluss des Verbrauchers keine zusätzliche Gefahrenquelle für Bauteile darstellt.
Diese Aufgabe wird mit einem Umrichter der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungs- gemäss zwischen das Netz und den Gleichrichter über einen Vorladeschalter ein Vorladetransformator schaltbar ist, welcher als die Schaltstrecke des Hauptschalter überbrückender Trenntransformator ausgebil- det ist.
Obwohl die Nennleistung der hier betrachteten Umrichter in einem Bereich von Kilowatt bis Megawatt liegen kann, somit also sehr gross sein kann, muss der Vorladetransformator nur auf einen Meinen Bruchteil dieser Leistung dimensioniert werden, da er nur kurzzeitig eingesetzt wird. Der Vorladetransformator bewirkt auf einfache Weise eine Potentialtrennung und ermöglicht somit ein erdfreies Vorladen, bei dem auch bei
Erdschluss des Verbrauchers keine Gefährdung von Bauteilen, beispielsweise der Freilaufdioden eines
Wechselrichters auftritt.
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Vorladetransformator pnmär und/oder sekundärseitig über den Vorladeschalter schaltbar ist. In den meisten Fällen wird es hierbei
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genügen, den Vorladetrausformator entweder primärseitig oder sekundärseitig zu schalten, da er nach dem Vorladen im Leerlauf arbeitet und keine weitere Belastung darstellt.
Im Falle einer Schaltung für ein Dreiphasen-Netz und mit einer Dreiphasen-Gleichrichterbrücke ist es weiters zweckmässig, wenn der Vorladetransformator ein Einphasen-Trenntransformator ist, der primär- und sekundäsrseitig je zwei Phasenleitern zugeordnet ist. Diese Lösung ist besonders kostengünstig, wobei davon ausgegangen werden kann, dass für das Vorladen des Zwischenkreiskondensators in den meisten Fällen kein Dreiphasen-Transformator erforderlich ist. Verständlicherweise ist der Aufwand für einen Einphasen-Transformator mit nur zwei Wicklungen wesentlich geringer als jener für einen Dreiphasen- Transformator mit insgesamt sechs Wicklungen.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 die Prinzipschaltung eines Umrichters für ein Dreiphasen-Netz nach dem Stand der Technik, Fig. 2 die Prinzipschaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung für ein Dreiphasen-Netz und Fig. 3 die Prinzipschaltung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung für ein Dreiphasen-Netz.
In Fig. 1 ist zunächst eine Schaltung eines Umrichters nach dem Stand der Technik beschrieben, bei weicher an den drei Phasen L1, L2, L3 eines Dreiphasen-Netzes über einen Hauptschütz HS mit drei, hier nicht naher bezeichneten Schaltkontakten eine aus sechs Dioden D1 ... D6 bestehende Gleichrichterbrücke gespeist wird, welcher ein ZwischenkreisElektrolytkondensator C folgt. Die Schaltstrecken des Hauptschütz HS sind durch drei Vorladewiderstände RV1, RV2, RV3 überbrückbar, die je mit den Kontakten eines gesteuerten Vorladeschalters VS in Serie liegen.
Der Hauptschütz HS und der Vorladeschalter VS werden von einer Steuereinrichtung St gesteuert, welcher als Eingangsgrösse neben der an dem Kondensator C liegenden Zwischenkreisspannung U im Bedarfsfall noch andere Grössen zur Erkennung von Fehlerzustän- den zuführbar sind Im vorliegenden Fall speist der Zwischenkreis mit seinem Kondensator C einen Wechselrichter, der hier aus sechs gesteuerten Schaltern Sa... Sf besteht, die über eine hier nicht gezeigte Ansteuerung geschaltet werden. Wie üblich liegen parallel zu den gesteuerten Schaltern Sa... Sf jeweils Freilaufdioden Da ... Df. Der Wechselrichter speist im vorliegenden Fall einen Dreiphasen-Motor M.
Wie bereits eingangs erwähnt, besitzt der Zwischenkreiskondensator C eine hohe Kapazität von beispielsweise 1 mF, und die Spannung beträgt beispielsweise 400 Volt. Ein Anschalten der Gleichrichter- brücke mit dem unmittelbar darauf folgendem Zwischenkreiskondensator C würde einen extrem hohen Stromstoss verursachen, den zu vermeiden es aus den eingangs genannten Gründen gilt. Bei dieser Schaltung nach dem Stand der Technik wird daher die Gleichrichterbrücke über die Vorladewiderstände bei zunächst offenem Hauptschütz an das Netz geschaltet. Dies führt dazu, dass sich der Kondensator C über die Vorladewiderstände RV1, RV2, RV3 und die Gleichrichterbrücke D1 ... D6 auflädt, bis nach Erreichen eines bestimmten Mindestwertes der Zwischenkreisspannung U, z.
B. 75 % der Nennspannung, über die Steuereinrichtung St der Vorladeschalter VS geöffnet und der Hauptschütz HS geschlossen werden. Nun liegt die Gleichrichterbrücke D1 ... D6 unmittelbar an dem Netz. In Fig. 1 ist strichliert eine Sensorleitung eingezeichnet, welche die Information über die Höhe der Spannung U an die Steuereinrichtung St bringt.
Die Nachteile der in Fig. 1 gezeigten Schaltung nach dem Stand der Technik wurden eingangs bereits im wesentlichen genannt. Es ist noch das Problem zu erwähnen, das bei Umrichtern dieser Art auftntt. falls bei Nennbelastung des Umrichters und nach Netzausfall eine rasche Spannungswiederkehr bei z B. nur halb entladenem Zwischenkreis eintritt. Ein solcher Fall wird von der Steuereinrichtung als Störfall erkannt, und es erfolgt ein völliges Abschalten des Umrichters, was bei einem kurzen Netzausfall naturgemäss unerwünscht ist.
Bei der Darstellung einer erfindungsgemässen Schaltung in Fig. 2 wurde der Einfachheit halber aufden Verbraucherteil, z. B. den Wechselrichter mit angeschlossenem Motor nach Fig. 1, verzichtet. An dieser Stelle sei erwähnt, dass im Rahmen der Erfindung aufden Zwischenkreiskondensator jeder beliebige Verbraucher folgen kann und nicht notwendigerweise eine Spannungsund/oder Frequenzumwandlung erfol- gen muss. Die Erfindung ist auch auf fremdgeführte Ein/Rückspeiseeinheiten anwendbar. In diesem Fall liegt zwischen dem Netz und dem Zwischenkreiskondensator ein Wechselrichter, der bei Netzrückspeisung seine Wechselrichterfünktion ausübt, bei Einspeisung aus dem Netz in den Zwischenkreis jedoch als Gleichrichter wirkt. Der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Begriff "Gleichrichter" ist somit in diesem allgemeinen Sinn zu sehen.
Im allgemeinen wird die Zwischenkreisspannung entweder in eine Wechselspannung umgerichtet oder mit Hilfe eines Stellers gegebenenfalls in eine andere Gleichspannung.
Erfindungsgemäss ist zum Vorladen des Zwischkreiskondensators C ein Vorladetransformator Tr vorge- sehen, der pnmärseitig über einen Vorladeschütz VS - ganz allgemein ein Vorladeschalter - an zwei Phasen eines Dreiphasen-Netzes L1, L2, L3 schaltbar ist und sekundärseitig, nach der Schaltstrecke des Haupt- schütz HS - allgemein ein Hauptschalter an die entsprechenden Phaseneingänge der Gleichrichterbrücke D1 ... D6. Sowohl der Hauptschütz als auch der Vorladeschütz sind von der Steuereinrichtung St gesteuert,
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der, gegebenenfalls nebst anderen Informationen, als Eingangsgrösse die Zwischenkreisspannung U zugeführt wird.
Bei diesem Beispiel ist die Primärwicklung des Vorladetransformators Tr über zwei Kontakte des Schützes VS an die Phasenleiter L1 und L2 schaltbar, wogegen die Sekundärseite über einen Kontakt des Vorladeschützes VS schaltbar ist. Prinzipiell ist überhaupt nur ein einziger Kontakt des Vorladeschützes VS entweder primär- oder sekundärseitig erforderlich. Wie ersichtlich, ist der Transformator Tr ein Trenntransformator, und man wählt üblicherweise ein Ubersetzungsverhältnis von 1 : 1.
Beim Einschalten des erfindungsgemässen Umrichters hält zunächst die Steueremnchtung St den Hauptschütz HS bzw dessen Kontakte in Offenstellung und aktiviert den Vorladeschütz VS, sodass dessen Kontakte schliessen. Die Primärwicklung des Vorladetransformators Tr liegt nun an der Phasenspannung zwischen L1 und L2 und demgemäss tritt die im wesentlichen gleiche Spannung an den zugeordneten Phasenleitern der Gleichrichterbrücke D1 ... D6 auf, sodass nun der Zwischenkreiskondensator C über die Dioden D1, D2 und D5, D6 geladen wird. Der hierbei auftretende Einschaltstromstoss wird im wesentlichen durch den Kupferwiderstand des Transformators Tr bestimmt, wobei der Vorladetransformator Tr bei Beginn der Vorladung im Kurzschlussbetneb arbeitet.
Während des Vorladens kann man den Transformator Tr als "Vorwiderstand" mit dem Widerstandsmaterial Kupfer seiner Wicklung betrachten, wobei im Hinblick auf die hohe Leitfähigkeit von Kupfer der solchermassen im Vorladetransformator integrierte Vorladewiderstand eine relativ hohe Masse besitzt, was der Wärmespeicherfähigkeit und damit der Impulsbelastbarkeit bzw der Überlastfähigkeit zugute kommt. Im Falle einer Fehlsteuerung kommt es daher nicht - wie bei einem Vorladewiderstand (siehe Fig. 1) - zu einem kurzfristigen Abbrennen, sondern entsprechende Schutzelemente, wie Leistungsschalter, Thermoschalter, etc. können wegen der relativ grossen Erwärmungszeitkonstante des Transformators Tr rechtzeitig, sicher und zuverlässig ansprechen.
Wegen der durch den hohen Wirkwiderstand des Vorladetransformators Tr hervorgerufenen Dämpfung wird ein Überschwingen der Zwischenkreisspannung beim Einschalten vermieden.
Wenn der Steuereinrichtung St eine genügend hohe Zwischenkreisspannung U gemeldet wird, erfolgt, im Prinzip gleichzeitig, ein Einschalten des Hauptschütz HS und ein Abschalten des nun nicht mehr erforderlichen Vorladetransformators Tr über den Vorladeschütz VS. Nun steigt die Spannung am Vorladekondensator C rasch bis aufden durch die Netzspannung vorgegebenen Wert.
Gegenüber der Verwendung von Vorladewiderständen bietet der Vorladetransformator auch den Vorteil, dass seine thermische Zeitkonstante, wie erwähnt, viel grösser als bei einem diskreten Vorladewiderstand ist.
Daher kann die gleiche Transformatortype für einen weiten Leistungsbereich von Umrichtern verwendet werden, wogegen nach dem Stand der Technik immer eine sehr genaue Dimensionierung der Vorladewiderstände im Hinblick auf die Vorladezeit, den maximal zulässigen Vorladestrom und die Spieldauer aufeinanderfolgender Auflade/Entlade-Vorgänge erforderlich ist.
Der in Fig. 3 gezeigte Umrichter entspricht im Prinzip jenem nach Fig. 2, doch ist hier die etwas aufwendigere Lösung unter Zuhilfenahme eines dreiphasigen Vorladetransformators Tr gewählt worden.
Diese Lösung empfiehlt sich vor allem dann, wenn ein geeigneter Transformatortyp kostengünstig zur Verfügung steht bzw. wenn ein besonders rasches Vorladen gefordert wird. Bei dem Beispiel nach Fig. 3 sieht man, dass der Vorladetransformator Tr lediglich sekundärseitig an- bzw. abgeschaltet wird, wogegen die Primärwicklung des Transformators Tr ständig mit der Gleichrichterbrücke verbunden ist.
Es sei noch erwähnt, dass bei Verwendung geeigneter gesteuerter Schalter auch Kondensatoren verschiedener Zwischenkreise durch einen einzigen Transformator aufgeladen werden können. Bei den Ausführungsbeispielen ist der gesteuerte Schalter als dreiphasiger Schütz gezeigt, doch sollte es klar sem, dass anstelle elektromagnetischer Schalter auch Halbleiterschalter einsetzbar sind.