-
Die
Erfindung offenbart ein Verfahren zur Aufladung eines Gleichstromzwischenkreises
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
-
Gleichstromzwischenkreise
von Antriebsreglern, Stromrichtern oder Frequenzumrichtern beinhalten
eine Glättungskapazität, welche
vor der Inbetriebnahme in der Regel keine Ladung oder nur eine Teilladung
enthält.
Daher muss vor der Zuschaltung einer Last gewährleistet sein, dass die Kapazität auf die
gewünschte
Zwischenkreisspannung vorgeladen wird, um zum Beispiel einem Kurzschluss
oder einem evtl. für
Bauteile schädlichen
und übermäßigen Stromanstieg
beim Zuschalten der Netzspannung vorzubeugen. Übliche Werte für die Zwischenkreisspannung
liegen bei 560 Volt (– 15%)
bis 800 Volt (+ 10 %), wobei eine Funktion sowohl bei 50 Herz (EUROPA)
als auch bei 60 Hz (USA) Netzfrequenz gewährleistet sein muss.
-
Die
DE 197 10 371 C1 zeigt
eine Ladeeinrichtung für
den Zwischenkreiskondensator eines mit einer halbgesteuerten Drehstrombrückenschaltung verbundenen
Zwischenkreises, welche mittels eines Ladewiderstandes (R
Lade) und mittels der Dioden (D1-D3) arbeitet,
die Thyristoren (Th1-Th3) werden nach Abschluss des Ladevorganges
gezündet.
Der hier verwendete Vorladewiderstand R
Lade hat
in der Regel relativ zu den restlichen Bauteilen gesehen sehr große Abmessungen
(10–30
cm), wird schnell sehr heiß,
erzeugt damit Verlustleistung und erhöht die Brandgefahr.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren für die schonende
Aufladung der Kapäzität eines
Gleichstromzwischenkreises anzugeben, dabei soll der Bauteileaufwand
möglichst
gering gehalten werden sowie ein weitestgehend abgesicherter Betrieb
gewährleistet
sein.
-
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass eine Ablaufsteuerung während
einer Vorladestufe ein Laden der Kapazität mittels eines Aktiv-Ventils
bewirkt und die Ablaufsteuerung die Zwischenkreisspannung überwacht
und nach Maßgabe
eines Vergleichs zwischen wenigstens einem Soll- und einem Istwert
Aktiv-Ventile frei gibt oder sperrt. Dies hat den Vorteil, dass
mittels des Vorladens die schonende Aufladung der Kapäzität erreicht
wird, wobei kein Vorladewiderstand erforderlich ist und damit der
Bauteileaufwand möglichst
gering gehalten wird. Der Forderung nach vermindertem Bauteileaufwand
wird die Erfindung in erster Linie durch das elektrisch gesteuerte
Vorladen ohne der Erfordernis von Zusatzbauteile gerecht, daraus
resultiert weiter eine verringerte Leiterplattenfläche.
-
Die Überwachung
der Zwischenkreisspannung bewirkt einen weitestgehend abgesicherten
Betrieb und ermöglicht
ein Abschalten der Vorrichtung im Fehlerfall, was den Zwischenkreis
praktisch kurzschlussfest macht, eine schonende Behandlung der Bauteile
bewirkt, und die Abbrandgefahr im Fehlerfalle minimiert. Alles in
Allem schützt
das Verfahren die Bauteile der Schaltung vor einer Zerstörung. Der
Vergleich von Soll- und Istwerten kann auch zeitliche Vorgänge mit
umfassen, so dass sich innerhalb eines bestimmten Zeitraumes ein
bestimmter Wert eingestellt haben muss. Dieser Zeitraum wird dann
bei der Überwachung
berücksichtigt.
-
Zweckmäßig wird
als Entscheidungskriterium für
das Zu- oder Abschalten von Ventilen ein Istwert aus der Zwischenkreisspannung
abgeleitetet und ein Sollwert aus der Netzspannung abgeleitetet. Für eine Freigabe
der Aktiv-Ventile könnte
beispielsweise die Übereinstimmung
der Gleichspannung im Zwischenkreis mit einem aus der Netzspannung
abgeleiteten Sollwert maßgebend
sein, wobei dieser Sollwert vorzugsweise dem Gleichrichtwert der
Netzspannung entspricht. Der Gleichrichtwert ist der Mittelwert
aller Funktionswerte, die bei einer gleichgerichteten, periodischen
Größe innerhalb
einer Periode auftreten. Bei Verwendung des Gleichrichtwertes der
Netzspannung erhält
man einen guten Orientierungswert zur Messung der geforderten Ladung,
die in die Kapazität
einzubringen ist. Zur Realisierung kann ein Komparator die Netzspannung
erfassen und mit der Zwischenkreisspannung, im Folgenden ZKS genannt,
während
des Ladevorganges vergleichen. Erst wenn die ZKS wenigstens 90 % der
Netzspannung erreicht hat, spricht der Komparator an und beendet
den Vorladevorgang. Solange der Schwellwert nicht erreicht ist wird
nachgeladen oder evtl. nach Ablauf einer bestimmbaren Zeit eine
andere vorgebbare Maßnahme
eingeleitet.
-
Vorteilhaft
ist auch ein Sperren der Aktiv-Ventile wegen des Ausfalls wenigstens
einer Netzphase und/oder einem aus dem Zwischenkreis abgeleiteten
und nicht erreichten Istwert und/oder einer Überwachung des Spannungsanstiegs
dU/dt an der Zwischenkreiskapazität auf z.B. positiven Änderung.
Hierdurch können
Fehlerquellen vorzeitig erfasst, ausgewertet und entsprechende Gegenmaßnahmen
eingeleitet werden.
-
Eine
Vorladung trotz eines eventuell vorhandenen Kurzschlusses könnte damit
verhindert werden. Während
des gesamten Vorladevorganges, der wie weiter unten beschrieben üblicherweise
zwischen 2–5
Sekunden liegen kann, sollte der Zwischenkreis auf einen vorhandenen
Kurzschluss überprüft werden,
indem man ihn auf eine positive Spannungsänderung du/dt analysiert.
-
Ein
Phasenausfall im Nennspannungsbereich von 340 Volt bis 550 Volt
wird folgendermaßen erkannt.
Zwei mittels Differenzverstärkern
gemessene Phasenspannungen (U/V und U/W) werden auf eine vorgebbare
Schwelle hin mittels eines Komparators überwacht. Bei Unterschreitung
der Schwelle, was durch einen Phasenausfall bedingt sein muss, wird
dies vom Komparator erkannt. Ein Phasenausfall während der Vorladung führt zu einem
Abbruch der Vorladung. Kann die Phase wieder regeneriert werden,
so wird automatisch von der Ablaufsteuerung ein neuer Vorladeversuch
initiiert. Dies ist insbesondere daher wichtig, da sonst der fortschreitende Zündwinkel
(siehe auch weiter unten) einen sehr großen Ladestromstoß zu Folge
hätte.
-
Vorteilhafterweise
werden während
der zweiten Stufe, also im Falle der Speisung einer angeschlossenen
Last, die Aktiv-Ventile unabhängig
von der Phasenlage der Netzspannung blockförmig gezündet, denn eine netzunabhängige Freigabe
der Aktiv-Ventile
mit hoher Frequenz und die Verwendung von z.B. Rechtecksignalen
minimiert den Schaltungsaufwand und die Verlustleistung.
-
Wenn
die Brückenschaltung
als Sechspuls-Brückenschaltung
(B6) mit drei Zweigen ausgebildet ist und jeder Zweig als Aktiv-Ventil
einen Thyristor und als Passiv-Ventil, d.h. als nicht steuerbares
Ventil, eine Diode umfasst, wobei die erste Stufe mittels einer
von der Ablaufsteuerung umfassten Phasenanschnittsteuerung durchgeführt wird,
welche den Steuerwinkel zur Ansteuerung der Gate-Elektrode eines
Thyristors kontinuierlich verändert,
dann lassen sich die Herstellkosten der dem Verfahren zugrundeliegenden
Anordnung drastisch reduzieren und die Zuverlässigkeit wegen der reduzierten
Bauteilmenge und dem Wegfall von Ladewiderständen erhöhen. Man erhält dadurch
eine gesteuerte Vorladung der Zwischenkreiskapazität über Thyristoren.
-
Zweckmäßig wird
der Steuerwinkel um eine bestimmte Gradzahl verändert und/oder die Ladezeit so
bemessen , dass die an der Zwischenkreiskapazität anliegende Spannung bei Erreichen
des Endwertes für
den Steuerwinkel im wesentlichen dem Sollwert entspricht. Dies bewirkt
ein „weiches" Aufladen der Zwischenkreiskapazität durch
eine Begrenzung des Ladestromes zur Vermeidung eines Kurzschlusses
innerhalb einer vorgebbaren Ladezeit.
-
Konkret
erreicht man eine Begrenzung des Ladestromes ohne Beeinflussung
des Stroms, indem der Steuerwinkel von 180° auf 90° kontinuierlich so verändert wird
und/oder die Ladezeit so bemessen ist, dass die Zwischenkreiskapazität bei Erreichen
eines Steuerwinkels von 90° die
gewünschte
Vorladung enthält.
Man nutzt die variable Zünd-
bzw. Steuerwinkelverstellung zur Zwischenkreisvorladung und spart
Bauteile (Diodenbrücke,
Vorladewiderstände) ein.
-
Der
Zündzeitpunkt
für einen
Thyristor in der vorgeschlagenen Anordnung leitet sich direkt aus
der aktuellen Netzspannung ab, wobei abhängig vom Drehrichtungssinn
dieser 3-phasigen Netzspannung (U/V/W) die Spannung zwischen zwei
Phasen (U/W oder U/V) als Triggerquelle verwendet wird. Hierzu werden
beide Spannungen mittels eines Differenzverstärkers erfasst. Eine nachfolgende
Schaltung ermittelt den Drehrichtungssinn und abhängig von
diesem wird dann entweder die Phasenspannung U/W oder U/V mit Hilfe
eines Komparators zur Generierung des Zündimpulses verwendet. Mit Beginn
der Vorladung der Zwischenkreiskapazität wird zum Zeitpunkt des Nulldurchganges
der Phasen der Netzspannung gezündet
. Zu diesem Zeitpunkt ist die effektive Spannung am Thyristor =
0 Volt und der Stromflusswinkel gleich Null. Die Vergleichsspannung
Uref für
den Komparator ist zu diesem Zeitpunkt gleich dem Mittelwert der
Phasenspannung U/W oder U/V des Netzes. Nun wird während des
Vorladevorgangs die Vergleichsspannung Uref am Komparator verkleinert.
Dadurch wird mit fortschreitender Vorladung der Zündzeitpunkt
kontinuierlich vorgezogen und damit der Stromflusswinkel größer. Es
wird also bezogen auf die Sinushalbwelle immer früher gezündet. Der
Zündwinkel
wandert demnach von 180° auf 90°. Die Vergleichsspannung
Uref für
den Komparator wird weiter verkleinert. Bei Erreichen eine Steuerwinkels
von 90° ist
die Vorladung beendet. Die Verstellung des Steuerwinkels erfolgt
mehr oder weniger stufenlos. Bei einer eingestellten Steilheit von
z.B. 280V/s und 560 Volt Zwischenkreisspannung (Netzspannung 400V,
50Hz) ergeben sich 100 Zündungen,
um eine Vorladung innerhalb von 2 Sekunden zu bewirken. Der Bereich
des Zündwinkels,
der während
des Vorladens durchfahren wird, beträgt 180°–90° = 90°. Das entspricht einer Schrittweite
von 0,9 ° pro
Zündung
bzw. pro 5,6 Volt-Stufe
(siehe auch weiter unten). Sofern die Spannungsänderungen in 5,6 Volt-Schritten
kontinuierlich positiv sind wird der Vorladevorgang aufrecht erhalten.
Steigt die Zwischenkreisspannung nicht in der erwarteten Schrittfolge
an, so wird ggf. wie bereits oben beschrieben ein Kurzschluss oder
sonstigen Fehler im Zwischenkreis angenommen und der Ladevorgang
abgebrochen. Die verbleibenden, noch nicht aktiven, Thyristoren
werden erst freigegeben, wenn die Zwischenkreisspannung einen bestimmten
Sollwert, zum Beispiel 85 % des Scheitelwertes (stationärere Wert
der Spannung im Zwischenkreis) der Netzspannung, erreicht hat.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn die Ablaufsteuerung automatisch den optimalen Zündzeitpunkt
für die Thyristoren
wählt.
Der optimale Zündzeitpunkt
ist erfindungsgemäß dann erreicht,
wenn die Spannung zwischen Anode und Kathode des Thyristors positiv ist
und einen gewünschten
Betrag ΔU
erreicht hat. ΔU
errechnet sich aus der Anzahl der Zündvorgänge an den Thyristoren pro
Sekunde und der Höhe
der Netzspannung. Beispiel: Bei 100 Zündvorgängen und 400 Volt Netzspannung
(560V Zwischenkreisspannung) ergibt sich ΔU zu 560 Volt/100 = 5,6 Volt. Die Zwischenkreisspannung
steigt demnach um 5,6V pro Zündvorgang
bis sie 560V erreicht hat treppenförmig in 5,6 Volt-Schritten
und annähernd
linear an.
-
Vorteilhaft
an der Erfindung ist, dass die Vorladezeit der Kapazität während der
ersten von der Ablaufsteuerung bewirkten Vorladestufe abhängig von
der Netzspannungshöhe
ist. Die Vorladezeit wird mittels der Steigung der Zwischenkreisspannung
und deren Endwert bestimmt. Diese Steigung beträgt bei zum Beispiel 560 Volt
Zwischenkreisspannung (bei 400V Netzspannung) und 2 Sekunden Vorladezeit 280
Volt/s. Mit dieser Steilheit wird die Zwischenkreiskapazität aufgeladen.
Der Vorteil dieser Abhängigkeit
ist, dass sich dieser Effekt auf den maximalen Netzstrom begrenzend
auswirkt. Und es können
theoretisch beliebige Vorladezeiten realisiert werden. Je kürzer allerdings
die Vorladezeit ist, desto höher
wird der Ladestrom und die Anforderung an das speisende Netzt. Übliche Zeiten
liegen zwischen 2 bis 5 Sekunden bei einer angenommenen Netzspannung
von 400 bis 600 V.
-
Eine
relativ hohe Kosteneinsparung pro Vorladeschaltung lässt sich
erreichen, wenn dieser Gleichspannungszwischenkreis als Zwischenkreis eines
Antriebsreglers für
Servomotoren, eines Stromrichters oder eines Frequenzumrichters
in großen
Stückzahlen
eingesetzt wird.
-
Figurenbeschreibung
-
1 zeigt
eine Realisierungsform der Erfindung schematisch. Es sind zu sehen
eine Ablaufsteuerung 10, Aktiv-Ventile 11, Passiv-Ventile 12,
Zwischenkreiskapazität
(ZKK) 13, Phasen der Netzspannung 14 und Leitungen 15 sowie
ein Phasenabgriff 16.
-
Die 1 zeigt
eine dreiphasig ausgelegte Anordnung zur Vorladung einer ZKK. Die
Ablaufsteuerung 10 ist als Thyristor – Treiber realisiert, die Aktiv-Ventile 11 sind
mittels Thyristoren (Th1 bis Th3) und die Passiv-Ventile 12 mittels
Dioden (D3 bis D6) realisiert. Die Dioden und Thyristoren sind als B6-Brücke (Sechspulsbrücke) verschaltet
und speisen die ZKK 13 je nach Betriebsmode (Vorladung oder
Lastfall) über
eine, zwei oder alle drei Phasen der Netzspannung 14. Der
Thyristor-Treiber greift alle Phasen der Netzspannung 14 mittels
des Phasenabgriffes 16 ab, um diese intern u.a. für eine Phasendetektion
verfügbar
zu haben.
-
Bei
Anlegen der Netzspannungen 14 erkennt die Schaltung des
Thyristor-Treibers 10 die Drehrichtung des Netzes, was
wichtig für
richtige Synchronisierung ist. Wenn alle drei Phasen im Nennspannungsbereich
von 340V bis 550 V als präsent
erkannt werden, wird der Drehsinn des Netzes zunächst als binäre Information
abgespeichert. Diese Speicherung kann beispielsweise mittels einer
Kippschaltung (Flipflop) erfolgen. Nach dem Speichervorgang wird ein
asynchrones Schaltwerk aktiviert, beispielsweise eine monostabile
Kippstufe (Monoflop), um für
eine vorgebbare Test-Zeitdauer von (hier um 500 ms) eine erste Vorladung
der ZKK zum Test des Zwischenkreises einzuleiten. Wird während dieser
Testphase erkannt, dass die Spannung an der ZKK ansteigt, wird der
Vorladeprozess fortgeführt,
andernfalls wird er abgebrochen und ggf. weitere Maßnahmen
werden eingeleitet. Bei Abbruch liegt entweder ein Fehler im Netz
oder im Zwischenkreis vor, beispielsweise ein Kurzschluss oder ein
Phasenfehler. Wird ein Zwischenkreiskurzschluss erkannt, wird die
Vorladung komplett und unverzüglich
abgebrochen. Ein erneuter Vorladeversuch wird erst dann gestartet,
wenn wieder alle Phasen des anliegenden Netzes 14 präsent sind.
-
Unter
der Annahme einer korrekt arbeitenden Schaltung wird während der
gesamten Vorladung der Zwischenkreis trotzdem weiterhin auf einen eventuell
vorhandenen Kurzschluss überprüft. Dabei analysiert
man die Veränderung
der Spannung an der ZKK relativ zur Zeit (Forderung: du/dt > 0). Ist kein Kurzschluss
vorhanden, also du/dt stets positiv, so wird die Vorladung bis zur
Erreichung eines Sollwertes für
die Spannung an der ZKK weitergeführt. Der Sollwert liegt bei
etwa 85% des Scheitelwertes der Netzspannung. Während der Vorladung erfolgt eine
Ansteuerung eines einzigen für
die Vorladung selektierten Thyristors derart, dass der Steuerwinkel nach
Maßgabe
einer Phasenanschnittsteuerung von 180° auf 90° kontinuierlich verändert wird,
so dass bei Erreichen eines Steuerwinkels von 90° die gewünschte Ladung in der ZKK enthalten
ist.
-
Liegen
Istwert und Sollwert nahe beieinander (vorzugsweise Identität), so veranlasst
der Thyristor-Treiber die Umschaltung von der Vorladestufe in die
Betriebsstufe, was ein Zuschalten alle weiterer Thyristoren 11 umfasst,
da die Vorladung nur über
einen der drei Thyristoren 11 durchgeführt wird.
-
Sobald
das Netz 14 eine Minimalspannung unterschreitet, wird dies
von dem Thyristor-Treiber erkannt
und die Ansteuerung abgeschaltet. Ein erneuter Vorladevorgang würde erst
dann wieder gestartet, wenn die Netzspannung bei dem zulässigen Mindestwert
für das
betrachtete Netz liegt (hier 340 Volt) oder und weiter ansteigt.
-
Ein
Phasenausfall nach Abschluss des Vorladeprozesses, also im Lastfalle,
dagegen führt
nicht zu einer Änderung
des Betriebszustandes, d.h. die Schaltung arbeitet in diesem Falle
unbeirrt weiter. Aufgrund des weiten Spannungsbereiches des Netzes 14 von
340 bis 550 V ist die Schaltung sowohl in USA als auch in Europa
einsetzbar, bzw. in allen weiteren Ländern in denen Netzspannungen
in diesen Bereichen vorherrschen. Das Einsatzfeld ist sehr breit.
Die Schaltung kommt vorzugsweise für die Ladung der Zwischenkreise
von Antriebsreglern, Servomotoren, Stromrichtern oder Umrichtern
in Frage.
-
- 10
- Ablaufsteuerung
- 11
- Aktiv-Ventil
- 12
- Passiv-Ventil
- 13
- Zwischenkreiskondensator
(ZKK)
- 14
- Netzspannungsphase
- 15
- Verbindungen
- 16
- Phasenabgriff