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Die
Erfindung betrifft eine dreiphasige Leistungsendstufe zum Ansteuern
wenigstens einer Last, insbesondere eines Drehstrommotors gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Wendeschaltungsanordnung, die insbesondere
zum Einsatz in einer solchen dreiphasigen Leistungsendstufe vorgesehen
ist.
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Dreiphasige
Leistungsendstufen sind hinlänglich
bekannt und dienen dazu, den von einem Drehstromgenerator erzeugten
Drehstrom in gesteuerter Weise Lasten zur Verfügung zu stellen. Die Lasten
können
an eine Phase oder an alle drei Phasen der Leistungsendstufe angeschaltet
und somit mit Wechselstrom bzw. Drehstrom versorgt werden.
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Eine
bekannte dreiphasige Leistungsendstufe ist beispielsweise in 1 dargestellt.
Die mit allgemein mit 10 bezeichnete Leistungsendstufe
weist drei Leiter 20, 21 und 22, auch
Phasen genannt, auf. In herkömmlicher
Weise werden die zu einer nicht dargestellten Drehstromversorgungseinrichtung
weisenden Leiterenden mit L1, L2 und L3 bezeichnet. Die Einspeisung
eines Wechselstrom in die Leiter 30, 31 und 32 ist
symbolisch durch einen Übertrager 30, 31 beziehungsweise 32 dargestellt.
Um die elektronischen Bauelemente der Leitungsendstufe 10 und/oder
die daran angeschalteten Lasten vor Überspannungen zu schützen, befindet
sich zwischen den Leitern 20, 21 und 22 eine
allgemein mit 40 bezeichnete Überspannungsschutzschaltung.
Die Überspannungsschutzschaltung 40 kann
mehrere Reihen- und/oder
Parallelschaltungen aus Kondensatoren, Widerständen und/oder Varistoren aufweisen.
Derartige Überspannungsschutzschaltungen
sind bekannt und bedürfen
somit keiner näher
Erläuterung.
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Die
ausgangsseitigen Leiterenden werden in herkömmlicher Weise mit T1, T2 und
T3 bezeichnet. Wie 1 zeigt, ist in den Leiter 21 ein
Schaltkontakt 50 geschaltet, der Teil eines Relais ist.
Parallel zum Schaltkontakt 50 ist ein als Wechselstromschalter fungierendes
Halbleiterbauelement 60 geschaltet, welches durch einen
Triac oder durch eine entsprechende Thyristor-Schaltung verwirklicht
sein kann. Parallel zum Triac 60 ist eine Schutzschaltung
vorgesehen, die eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 70 und
einem Kondensator 71 und einen parallel dazu geschalteten
Varistor umfassen kann. Die Schutzschaltung dient dazu, den Triac 60 und/oder Optotriacs,
die die Zündspannung
für die
Triacs liefern, vor Spannungsspitzen zu schützen. Es sei darauf hingewiesen,
dass derartige Schutzschaltungen für Halbleiterschalter, wie zum
Beispiel den Triac 60, bekannt sind und somit nicht weiter
erläutert
werden müssen.
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In
den Leiter 22 ist ebenfalls ein Schaltkontakt 80 geschaltet,
der zu einem separaten Relais gehört. Parallel zum Schaltkontakt
ist wiederum ein Halbleiterschalter 90 in Form eines Triacs
sowie eine Schutzschaltung in Form einer Reihenschaltung aus einem
Widerstand 70 und einem Kondensator 71 sowie einem
parallel dazu geschalteten Varistor 72 vorgesehen. Weiterhin
ist zwischen den zweiten und dritten Leiter 21 und 22 eine
Wendeschalteinrichtung 100 vorgesehen, die ein dem Leiter 21 zugeordnetes Relais 110 und
ein dem Leiter 22 zugeordnetes Relais 120 aufweist.
Das dem Leiter 21 zugeordnete Relais 110 weist
zwei Schaltkontakte 111 und 112 auf, wohingegen
das dem Leiter 22 zugeordnete Relais 120 Schaltkontakte 121 und 122 aufweist.
Die Wendeschaltung 100 dient dazu, die Laufrichtung eines
angeschlossenen Drehstrommotors zu ändern. Im dargestellten Schaltzustand
verbinden die Schaltkontakte 111 und 112 des Relais 110 den
Eingang L2 mit dem Ausgang T2 des Leiters 21, während die Schaltkontakte 121 und 122 des
Relais 120 den Eingang L3 mit dem Ausgang T3 des Leiters 22 verbinden.
Im angeschalteten Zustand dreht sich ein angeschlossener Drehstrommotor
bei dieser Schaltkontaktstellung beispielsweise rechts herum. Werden
die Relais 110 und 120 angesteuert, dann sorgen
die jeweiligen Schaltkontakte 111 und 112 beziehungsweise 121 und 122 dafür, dass
ein Wechselstrom über den
Leiter 22 zum Ausgang des Leiters 21 und ein Wechselstrom
vom Leiter 21 zum Ausgang des Leiters 22 geführt wird.
Auf diese Weise wird die Laufrichtung eines angeschlossenen Drehstrommotors geändert.
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Die
bei der bekannten Leistungsendstufe eingesetzten Relais 110 und 120 der
Wendeschaltung 110 sorgen dafür, dass die Leiter 21 und 22 ununterbrochen
durchgeschaltet sind. Ein Abschalten der bekannten Leistungsendstufe 10 ist
nur hinsichtlich der Leiter 21 und 22 möglich, indem
die Schaltkontakte 50 und 80 geöffnet werden,
so dass die den beiden Leitern zugeordneten Triacs 60 beziehungsweise 90 gesperrt
betrieben werden. Da die Triacs allein einen Stromfluss durch die
Leiter 21 und 22 sperren müssen, werden spezielle Halbleiterbauteile
verwendet, die einer Sperrspannung von etwa 1200 V widerstehen können.
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Die
in 1 gezeigte bekannte Leistungsendstufe ist nicht
geeignet, die Anforderungen der Sicherheitskategorie 3 zu erfüllen, da
keine dreiphasige Abschaltung der Leistungsendstufe möglich ist. Denn
in dem Leiter 20 ist kein Schalter vorgesehen, der den
Leiter öffnen
könnte.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte
dreiphasige Leistungsendstufe derart weiter zu entwickeln, dass
diese die Anforderungen der Sicherheitskategorie 3 sowie der Stop-Kategorien
0 und 1 erfüllt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, eine neuartige
Wendeschalteinrichtung anzugeben, die die Verwendung von kostengünstigeren Halbleiterbauelementen
für die
bei der Leistungsendstufe eingesetzten Halbleiterschalter ermöglicht. Dank
der neuartigen Wendeschalteinrichtung werden die Halbleiterschalter
nämlich
im gesperrten Zustand niedrigeren Sperrspannungen, d.h. etwa 800
V ausgesetzt als bei der in 1 gezeigten
Leistungsendstufe, bei der die Sperrspannungen bei etwa 1200 V liegen.
Ferner können
die bei der bekannten dreiphasigen Leistungsendstufe nach 1 vorgesehenen
Schutzschaltungen für
die Halbleiterschalter bei der neuartigen Leistungsendstufe entfallen.
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Ein
Kerngedanke der Erfindung ist somit darin zu sehen, eine dreiphasige
Leistungsendstufe zu schaffen, die vollständig abschaltbar ist und somit den
Anforderungen der Sicherheitskategorie 3 genügt. Hierzu ist erforderlich,
dass jeder Leiter der dreiphasigen Leistungsendstufe abgeschaltet
werden kann.
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Ein
weiterer Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, die elektrische
Belastung der eingesetzten Halbleiterschalter im abgeschalteten
Betrieb der Leistungsendstufe zu verringern. Hierzu wird eine besondere
Wendeschalteinrichtung verwendet, bei der beispielsweise zwei jeweils
zwei Schaltkontakte aufweisende Relais parallel zwischen zwei Leiter
geschaltet sind, derart, dass bei einer vorbestimmten Schaltkontaktstellung
die beiden Leiter aufgetrennt sind. Ein Stromfluss durch diese beiden
Leiter wird demzufolge nicht, wie beim Stand der Technik, allein
durch die verwendeten Halbleiterschalter, sondern hauptsächlich durch
die elektromechanischen Schaltkontakte der Wendeschalteinrichtung blockiert.
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Das
oben genannte technische Problem wird zum einen durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
ist eine dreiphasige Leistungsendstufe zum Ansteuern wenigstens
einer Last, insbesondere eines Drehstrommotors vorgesehen, der einen
ersten, zweiten und dritten Leiter aufweist. Eingangsseitig kann
die dreiphasige Leistungsendstufe mit einer Drehstromversorgungseinrichtung
verbunden werden. Damit die dreiphasige Leistungsendstufe den Anforderungen
der Sicherheitskategorie 3 sowie der Kategorie 0-Stop oder 1-Stop
genügen
kann, ist jedem Leiter wenigstens ein Schaltkontakt zum Öffnen und
Schließendes
jeweiligen Leiters zugeordnet. Um das dreiphasige Abschalten der
Leistungsendstufe sicherer gewährleisten
zu können,
werden wenigstens zwei der Schaltkontakte, die verschiedenen Leitern
zugeordnet sind, unabhängig
voneinander angesteuert.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Wenigstens
ein Schaltkontakt in jedem Leiter ist einem elektromagnetischen
Schaltelement zugeordnet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass
auch bei Verwendung von Halbleiterschaltern, zum Beispiel in dem
zweiten und dritten Leiter, die Leiter mechanisch unterbrochen werden
können.
Da der Antrieb im abgeschalteten Zustand energiefrei ist, gibt es
gegenüber
der in 1 gezeigten Leistungsendstufe keine berührgefährlichen
Spannungen.
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Vorzugsweise
ist zwischen dem zweiten und dritten Leiter ein erstes Schaltelement
mit einem ersten und zweiten Schaltkontakten geschaltet, wobei der
erste Schaltkontakt parallel zu einem der Halbleiterschalter und
der zweite Schaltkontakt parallel zum anderen Halbleiterschalter
geschaltet sind. Bei dem ersten und zweiten Schaltkontakt kann es
sich jeweils um den erwähnten
ansteuerbaren Schaltkontakt gemäß Anspruch
1 handeln.
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Bei
den Halbleiterschaltern kann es sich um Triacs, das sind Wechselstromschalter
handeln, deren Zündenergie
von einer Einrichtung bereitgestellt wird, die an eine Netzspannung
angeschlossen ist. Die Einrichtung zum Bereitstellen der Zündenergie
ist derart ausgebildet, dass sie die Halbleiterschalter für eine vorbestimmte
Zeit im gezündeten
Zustand hält, auch
wenn zwischendurch der erste und zweite Schaltkontakt des ersten
Schaltelements angesteuert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass
das zwischen dem zweiten und dritten Leiter angeordnete erste Schaltelement
nahezu verschleißfrei
geschaltet wird.
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Um
die Sperrspannung, die im abgeschalteten Zustand der dreiphasigen
Leistungsendstufe an den Halbleiterschalter anliegt, reduzieren
zu können – üblicherweise
liegen 1000 V Sperrspannung an den Halbleiterschaltern an – ist zwischen
zwei Leitern eine Wendeschalteinrichtung geschaltet, die zwei unabhängig voneinander
ansteuerbare, jeweils einen ersten und zweiten Schaltkontakt aufweisende
zweite Schaltelemente enthält,
wobei die ersten Schaltkontakte der Schaltelemente an dem einen
Leiter und die zweiten Schaltkontakte der Schaltelemente an dem
anderen Leiter angeschaltet sind. In einer vorbestimmten Stellung
der ersten und zweiten Schaltkontakte wird der Stromfluss durch
die beiden Leiter gesperrt. Demzufolge lastet die Sperrfunktion
nicht mehr ausschließlich
bei den Halbleiterschaltern, sondern wird durch mechanische Schalter
unterstützt. Demzufolge
kann die Leistungsendstufe gegenüber der
bekannten Leistungsendstufe nach 1 stromlos
abgeschaltet werden.
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Gemäß einer
ersten Alternative sind die ersten Schaltkontakte der zweiten Schaltelemente
der Wendeschalteinrichtung an dem zweiten Leiter und die zweiten
Schaltkontakte der zweiten Schaltelemente an dem dritten Leiter
angeschaltet.
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Vorzugsweise
wird bei der ersten Alternative ein drittes Schaltelement mit wenigstens
zwei Schaltkontakten an den ersten Leiter angeschlossen. Auf diese
Weise ist sichergestellt, dass in jedem Leiter der dreiphasigen
Leistungsendstufe mindestens zwei Schaltkontakte vorgesehen sind.
Dadurch wird sichergestellt, dass die dreiphasige Leistungsendstufe die
Stop-Kategorie 0 und Stop-Kategorie 1-Bedingungen erfüllt. Denn
selbst bei Ausfall eines Schaltkontaktes ist ein sicheres dreiphasiges
Abschalten der Leistungsendstufe immer noch möglich.
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Eine
alternative Verschaltung der Wendeschalteinrichtung sieht vor, dass
die ersten Schaltkontakte der beiden zweiten Schaltelemente an dem ersten
Leiter und die zweiten Schaltkontakte der beiden zweiten Schaltelemente
an dem dritten Leiter angeschaltet sind.
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Der
Sicherheitsgrad kann beim Abschalten der Leistungsendstufe gemäß der zweiten
Alternative gegenüber
der ersten Alternative dadurch gesteigert werden, dass ein drittes
Schaltelement mit einem ersten und zweiten Schaltkontakt vorgesehen ist,
wobei der erste Schaltkontakt an den ersten Leiter und der zweite
Schaltkontakt an den zweiten Leiter angeschlossen ist. Dadurch wird
sichergestellt, dass in jedem Leiter jeweils zwei unabhängig voneinander
ansteuerbare Schaltkontakte und Halbleiterschalter vorgesehen sind.
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Dadurch,
dass in der Leistungsendstufe vorzugsweise nur Relais mit jeweils
zwei Schaltkontakten eingesetzt werden, bleibt die Anzahl verwendeter Relais
gegenüber
der in 1 gezeigten Leistungsendstufe bei deutlich verbesserter
Sicherheit gleich.
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Herkömmlicherweise
sind die Halbleiterschalter durch jeweils eine Schutzeinrichtung
vor Überspannungen
und anderen elektrischen Störungen
geschützt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die besondere Verschaltung
der Wendeschalteinrichtung und die Verwendung eines elektromechanischen
Schaltelements, dessen beide Schaltkontakte entweder in dem Leiter
1 oder jeweils in dem ersten und zweiten Leiter angeschlossen sind, einen
Einsatz von Halbleiterschaltern auch ohne Schutzschaltungen ermöglichen.
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In
an sich bekannter Weise kann zwischen den drei Leitern eine Schutzschaltung
gegen Überspannungen
geschaltet sein.
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Zum
ordnungsgemäßen An-
und Abschalten der dreiphasigen Leistungsendstufe ist eine Steuereinrichtung,
gegebenenfalls auch eine programmierbare Steuereinrichtung, zum
Ansteuern der Schaltelemente und Halbleiterschalter vorgesehen.
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Um
beim Auftreten eines Fehlers die dreiphasige Leistungsendstufe schnell
und zuverlässig abschalten
zu können,
ist eine Überwachungseinrichtung
vorgesehen, die den in den Leitern fließenden Strom, die zwischen
den Leitern anliegende Ausgangsspannungen und/oder die Laufrichtung
wenigstens eines angeschlossenen Drehstrommotors überwachen
kann, wobei die Steuereinrichtung unter Ansprechen auf die Überwachungseinrichtung
die jeweiligen Schaltelemente und Halbleiterschalter ansteuert.
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Das
eingangs genannte technische Problem wird ebenfalls durch eine Wendeschaltanordnung
gelöst,
die insbesondere für
eine dreiphasige Leistungsendstufe vorgesehen ist. Die Wendeschaltanordnung
weist zwei unabhängig
voneinander ansteuerbare, jeweils einen ersten und zweiten Schaltkontakt
aufweisende Schaltelemente auf. Die ersten Schaltkontakte der Schaltelemente
sind an einen ersten Leiter und die zweiten Schaltkontakte an einen zweiten
Leiter angeschaltet. Die Verschaltung und Anordnung der Schaltkontakte
ist derart gewählt, dass
in einer vorbestimmten Stellung der ersten und zweiten Schaltkontakte
der Stromfluss durch die angeschlossenen Leiter gesperrt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
dreiphasige Leistungsendstufe nach dem Stand der Technik,
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2 eine
dreiphasige Leistungsendstufe gemäß der Erfindung,
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3 eine
alternative dreiphasige Leistungsendstufe gemäß der Erfindung, und
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4 eine
schematische Darstellung einer dreiphasigen Leistungsendstufe gemäß der Erfindung
ohne Verwendung einer Wendeschalteinrichtung.
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2 zeigt
eine dreiphasige Leistungsendstufe mit drei Leitern 210, 211 und 212.
Die zu einer nicht dargestellten Drehstromversorgungseinrichtung
weisenden Leiterenden tragen in herkömmlicherweise die Bezeichnungen
L1, L2 und L3, während
die entfernten Leiterenden die üblichen
Bezeichnungen T1, T2 und T3 tragen. In der Nähe der Leiterenden L1, L2 und
L3 befindet sich zwischen den drei Leitern 210, 211 und 212 eine
an sich bekannte Überspannungsschutzschaltung 220,
die ähnlich
der in 1 gezeigten Schutzschaltung 40 aufgebaut
sein kann. Zwischen den Leitern 210 und 211 ist
ein elektromechanisches Schaltelement 230 geschaltet, welches
im vorliegenden Beispiel ein Relais mit zwei Schaltkontakten 231 und 232 ist.
Der Schaltkontakt 231 ist in den Leiter 210 geschaltet, während der
Schaltkontakt 232 in den Leiter 211 geschaltet
ist. Ein zweites elektromechanisches Schaltelement 240,
welches im vorliegenden Beispiel wiederum ein Relais ist, ist zwischen
dem Leiter 211 und dem Leiter 212 geschaltet.
Das Relais 240 weist wiederum zwei Schaltkontakte 241 und 242 auf.
Der Schaltkontakt 241 ist in den Leiter 211 geschaltet, während der
Schaltkontakt 242 in den Leiter 212 geschaltet
ist. Parallel zum Schaltkontakt 241 ist eine allgemein
mit 250 bezeichnete Schalteinrichtung geschaltet, die als
Halbleiterschaltelement einen Triac, also einen Wechselstromschalter,
und eine dazu parallel geschaltete Reihenschaltung aus einem Widerstand 252 und
einem Kondensator 253 aufweist, welche als Schutzschaltung
für den
Triac 251 fungiert. An dieser Stelle sei erwähnt, dass
die besondere Schaltungsanordnung der dreiphasigen Leistungsendstufe 200 dazu
führt,
dass die Schutzschaltung nicht erforderlich ist. Der Grund hierfür wird weiter
unten näher
ausgeführt.
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In ähnlicher
Weise ist parallel zum Schaltkontakt 242 eine Schalteinrichtung 260 geschaltet, die
ebenfalls einen Halbleiterschalter 261, welcher als Triac
ausgebildet ist, aufweist. Ferner ist eine optionale Schutzschaltung
parallel zu dem Halbleiterschalter 261 geschaltet. Die
Schutzschaltung enthält wiederum
beispielsweise einen Kondensator 263 und einen Widerstand 262.
Die Zündenergie
für die Triacs 251 und 261 wird
beispielsweise von einem Übertrager 270 geliefert,
der an einer Wechselspannung angeschlossen sein kann. In an sich
bekannter Weise kann Die Zündenergie
für die
Triacs 251 und 261 kann in an sich bekannter Weise
auch von einem Opto-Triac bereitgestellt werden. Als Halbleiterschalter 251 und 261 können anstelle
von Triacs auch antiparallele Thyristoren verwendet werden.
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Bereits
an dieser Stelle sei erwähnt,
dass ein Vorteil der in 2 gezeigten dreiphasigen Leistungsendstufe gegenüber der
in 1 gezeigten bekannten Leistungsendstufe darin
zu sehen ist, dass als Halbleiterbauelemente für die Halbleiterschalter 251 und 261 kostengünstigere
Bauteile verwendet werden können,
da die Halbleiterschalter 261 und 251 lediglich
einer Sperrspannung von etwa 800 V ausgesetzt werden, während die
Halbleiterschalter 60 und 90 Sperrspannungen von
etwa 1200 V standhalten müssen.
Ein Grund hierfür
ist darin zu sehen, dass die Wendeschutzschaltung 100 gemäß der in 1 gezeigten
Leistungsendstufe lediglich die Laufrichtung eines angeschlossenen,
nicht dargestellten, Drehstrommotors steuert. Im Unterschied dazu
wird in der Leistungsendstufe 200 nach 2 eine
Wendeschalteinrichtung 280 verwendet, die nicht nur die
Laufrichtung eines angeschlossenen Drehstrommotors wechseln kann,
sondern auch der Abschaltung der Leistungsendstufe dient. Hierzu weist
die Wendeschalteinrichtung 280 zwei elektromechanische
Schaltelemente 290 und 295 auf, die parallel zwischen
die Leiter 210 und 212 geschaltet sind. Beide
Schaltelemente sind beispielsweise jeweils als Relais ausgebildet.
Das Relais 290 weist zwei Schaltkontakte 291 und 292 auf,
wobei der Schaltkontakt 291 an den Leiter 210 und
der Schaltkontakt 292 an den Leiter 212 angeschaltet
ist. Das Relais 295 weist ebenfalls zwei Schaltkontakte 296 und 297 auf.
Der Schaltkontakt 296 ist mit dem Anschluss T1 des Leiters 210 verbunden,
während
der Schaltkontakt 297 mit dem Anschluss T3 des Leiters 212 verbunden
ist. Dadurch, dass die Schaltelemente 290 und 295 zwischen
den Leitern 210 und 212 angeordnet sind, können deren
Schaltkontakte gegensinnig angesteuert werden, derart, dass die
Wendeschaltung 280 in der dargestellten Stellung der Schaltkontakte 291, 292, 296 und 297 die
Leiter 210 und 212 auftrennt. Ein Stromfluss durch
die Leiter 210 und 212 wird somit mechanisch unterbrochen.
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Ein
Stromfluss vom Leiteranfang L1 zum Leiterausgang T3 beziehungsweise
vom Leiteranfang L3 zum Leiterausgang T1 wird dadurch erreicht,
dass die Schaltkontakte 296 und 297 des Relais 295 nach innen
geschaltet werden und dadurch mit gekreuzten Leiterabschnitten 302 bzw. 303 verbunden
werden.
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Werden
hingegen die Schaltkontakte 291 und 292 des relais 290 nach
außen
geschaltet, kontaktieren sie mit den Schaltkontakten 296 und 297 des
Relais 295 die Leiterabschnitte 300 bzw. 301. Diese
Stellung der Schaltkontakte sorgt für einen Stromfluss durch die
Leiter 210 und 212 ermöglicht, sofern der Schaltkontakte 231 sowie
der Schaltkontakt 242 geschlossen und/oder der Triac 261 gezündet ist.
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Dank
des Relais 230, der besonderen Verschaltung der Wendeschalteinrichtung 280 zwischen den
Leitern 210 und 212, des Relais 240,
welches in die Leiter 211 und 212 geschaltet ist,
sowie der Halbleiterschalter 251 und 261, sind
die Anforderungen der Sicherheitskategorie 3 für dreiphasige Leistungsendstufen
sichergestellt, da ein dreiphasiges Abschalten der Leistungsendstufe 200 möglich ist.
Ferner befinden sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in jedem Leiter
zumindest zwei mechanische Schaltkontakte, die sicheres Abschaltung
der Leistungsendstufe auch dann erreichen werden, wenn ein Schaltkontakt
oder ein Halbleiterschaltelement defekt ist. Da, wie bereits erwähnt, die
Wendeschalteinrichtung 280 im Unterschied zu der in 1 gezeigten
Wendeschalteinrichtung 100 eine Abschaltfunktionalität für die Leiter 210 und 212 besitzt,
und ferner in dem Leiter 211 ein separater Schaltkontakt 232 angeordnet
ist, liegen im abgeschalteten Zustand an den Halbleiterschaltelementen 251 und 261 niedrigere
Sperrspannungen an als an den Halbleiterschaltelementen 60 und 90 der
in 1 gezeigten Leistungsendstufe. Damit können kostengünstigere Bauelemente
zur Realisierung der Halbleiterschaltelemente verwendet und auf
eine Schutzbeschaltung verzichtet werden.
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform einer
dreiphasigen Leistungsendstufe dargestellt, die allgemein mit 400 bezeichnet
ist. Ähnlich
der in 2 gezeigten Leistungsendstufe 200 weist
die in 3 gezeigte Leistungsendstufe wiederum zumindest zwei
mechanische Schaltkontakte in jedem Leiter auf. Auch die Leistungsendstufe 400 weist
drei Leiter auf, die in 3 mit 410, 411 und 412 bezeichnet sind.
Die Einspeisung der Wechselströme
in die Leiter 410, 411 und 412 erfolgt
beispielsweise über Übertrager 420, 421 und 422.
Eingangsseitig ist ähnlich
zu der in 2 dargestellten Leistungsendstufe 200 eine Überspannungsschutzschaltung 430 zwischen
den Leitern 410, 411 und 412 angeschaltet. Ähnlich der
in 2 gezeigten Leistungsendstufe 200 ist
zwischen den Leiter 411 und 412 ein elektromechanisches
Schaltelement in Form eines Relais 430 geschaltet, welches
zwei Schaltkontakte 431 und 432 aufweist. Der
Schaltkontakt 431 befindet sich im Leiter 411,
während
der zweite Schaltkontakt 432 sich im Leiter 412 befindet.
Parallel zum Schaltkontakt 431 ist eine Schalteinrichtung 440 geschaltet, die ähnlich der
in 2 dargestellten Schalteinrichtung 250 ein
Halbleiterschaltelement, welches ein Triac sein kann, und optional
eine Schutzschaltung aufweisen kann. In ähnlicher Weise parallel zum Schaltkontakt 432 eine
Schalteinrichtung 445 geschaltet, die wiederum einen als
Triac ausgebildeten Halbleiterschalter und optional dazu eine Schutzeinrichtung
aufweisen kann. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten
Leistungsendstufe 200 ist in den Leiter 410 ein
Relais 450 mit beispielsweise zwei Schaltkontakten 451 und 452 geschaltet.
Im Unterschied zur Leistungsendstufe 200 nach 2 ist
eine Wendeschalteinirchtung 460 nicht zwischen den ersten
und dritten Leiter sondern zwischen den zweiten Leiter 411 und
den dritten Leiter 412 geschaltet. Die Wendeschalteinrichtung 460 weist ähnlich der
in 2 gezeigten Wendeschalteinrichtung 280 zwei elektromechanische
Schaltelemente 470 und 475 in Form von Relais
auf. Das Relais 470 weist wiederum zwei Schaltkontakte 471 und 472 auf,
wobei der Schaltkontakt 471 mit dem Leiter 411 verbunden
ist, während
der Schaltkontakt 472 mit dem Leiter 412 verbunden
ist. In ähnlicher
Weise weist das Relais 475 zwei Schaltkontakte 476 und 477 auf.
Der Schaltkontakt 476 ist mit dem Leiter 411 verbunden, während der
Schaltkontakt 477 mit dem Leiter 412 verbunden
ist. Die Wendeschalteinrichtung 460 weist weiterhin Leiterabschnitte 480, 481, 482 und 483 auf, an
die die Schaltkontakte der Relais 470 und 475 angelegt
werden können,
um einen Wechsel des Stromflusses vom Leiter 411 zum Leiter 412 und
umgekehrt, einen Durchfluss des Stroms durch die Leiter 411 und 412 sowie
eine Sperrung des Stromflusses durch die Leiter 411 und 412 zu
ermöglichen. Diese
Funktionsweise wurde bereits an Hand der Leistungsendstufe 200 ausführlich erläutert. Die Schaltkontakte 471 und 472 des
Relais 470 sowie die Schaltkontakte 476 und 477 des
Relais 475 können wiederum
gegensinnig angesteuert werden können, so
dass mit der in 3 gezeigten Stellung der Schaltkontakte
die Wendeschalteinrichtung 460 den Stromfluss durch die
Leiter 411 und 412 mechanisch unterbrechen kann.
Ausgangsseitig kann an die Leiter 410, 411 und 412 ein
Spannungsdetektor 490 angeschlossen sein, über den
die Ausgangsspannungen an den Leitern 410, 411 und 412 gemessen
werden können.
Hierzu bilden Widerstände 491 und 494 einen
Spannungsteiler, der an den Leiter 410 angeschlossen ist,
Widerstände 492 und 495 einen
Spannungsteiler, der an den Leiter 411 angeschlossen ist, und
Widerstände 493 und 496 einen
Spannungsteiler, der an den Leiter 412 angeschlossen ist.
In die Leiter 410, 411 und 412 kann jeweils
ein Stromdetektor (nicht dargestellt) geschaltet sein, der den Strom in
den jeweiligen Leitern messen kann. Die gemessenen Spannungs- und
Stromwerte können
einer Ablaufsteuerungs- und Überwachungseinrichtung 405 zugeführt werden.
Ferner ist die Ablaufsteuerungs- und/oder Überwachungseinrichtung 405 mit
den Schaltkontakten 431, 432, 451, 452, 471, 476, 472, 477 und
den Halbleiterschaltern 440 und 445 verbunden.
Die Schaltkontakte und Halbleiterschalter können gemäß einer programmierbaren Ablaufsteuerung
oder unter Ansprechen auf einen gemessenen Spannungs- und/oder Stromwert,
der einen Fehler der Leistungsendstufe 400 anzeigt, angesteuert
werden. Ebenfalls kann die Ablaufsteuerungs- und/oder Überwachungseinrichtung 405 die
Laufrichtung eines angeschlossenen Drehstrommotors überwachen.
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Für den Fall,
dass ein angeschlossener Drehstrommotor nur in einer Laufrichtung
betrieben werden soll, kann auf eine Wendeschalteinrichtung verzichtet
werden. Eine entsprechende Leistungsendstufe ist in 4 schematisch
dargestellt. Die dreiphasige Leistungsendstufe 500 weist
wiederum drei Leiter 510, 511 und 512 auf.
Damit auch die Leistungsendstufe 500 die Anforderungen
der Sicherheitskategorie 3 erfüllen
kann, ist in jeden Leiter wenigstens ein Schaltkontakt 520, 531 und 532 geschaltet.
Um ein gesichertes dreiphasiges Abschalten der Leistungsendstufe 500 ermöglichen
zu können,
können
wenigstens zwei Kontakte unabhängig
voneinander angesteuert werden. Im vorliegenden Beispiel sind die
Schaltkontakte 531 und 532 Teil eines elektromechanischen
Schaltelementes 530, welches an die Leiter 511 und 512 angeschlossen
ist. Der mit dem Leiter 510 verbundene Schaltkontakt 520 ist
Bestandteil eines separaten Schaltelementes. Demzufolge kann der
Schaltkontakt 520 gesondert und unabhängig von den Schaltkontakten 531 und 532 angesteuert
werden. Um ein sicheres dreiphasiges Abschalten der Leistungsendstufe 500 auch
bei Ausfall eines Schaltkontaktes gewährleisten zu können, sind in
jedem Leiter zwei Schaltstufen vorgesehen. Die erste Schaltstufe
enthält
die Schaltkontakte 520, 531 und 532.
Die zweite Schaltstufe weist einen Schaltkontakt 540 im
Leiter 512, einen Schaltkontakte 551 im Leiter 510 und
einen Schaltkontakt 552 im Leiter 511 auf. Parallel
zu den Schaltkontakten 551 und 552 können Halbleiterschalter 560 und 570 geschaltet sein,
die vorzugsweise wieder aus Triacs aufgebaut sind. Zweckmäßigerweise
gehören
die Schaltkontakte 551 und 552 zu einem Relais.
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Die
in den 2, 3 und 4 dargestellten
Leistungsendstufen zeichnen sich dank der Verwendung elektromechanischer
Schaltelemente durch eine große
Robustheit gegen Störungen
und durch geringe thermische und elektrische Verluste der Halbleiterschalter
aus.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der dreiphasigen Leistungsendstufe in Verbindung
mit der in 3 dargestellten Ausführungsvariante
näher erläutert.
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Zunächst wird
die Einschaltphase der Leistungsendstufe beschrieben. Im ersten
Schritt werden über
die Ablaufsteuerungs- und Überwachungseinrichtung 405 die
beiden Schaltkontakte 451 und 452 des Relais 450 geschlossen.
Demzufolge besteht ein geschlossener Strompfad über den Leiter 410.
Je nachdem, in welcher Laufrichtung ein angeschalteter Drehstrommotor
betrieben werden soll, werden entweder die Schaltkontakte 471 und 472 des
Relais 470 eingeschaltet, um einen Linkslauf zu erreichen, oder
die Schaltkontakte 476 und 477 des Relais 475 geschaltet,
um einen Rechtslauf des Drehstrommotors zu erreichen.
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Werden
die Schaltkontakt 471 und 472 nach innen geschaltet,
so wird der in den Leiter 411 eingespeiste Wechselstrom über den
Schaltkontakt 471 den Leiterabschnitt 481, den
Schaltkontakt 477 zum Leiteranschluss T3 des Leiters 412 geführt, während ein
in den Leiter 412 eingespeister Wechselstrom über den
Schaltkontakt 472, den Leiterabschnitt 482 über den
Schaltkontakt 476 zum Leiteranschluss T2 des Leiters 411 geführt wird.
Werden hingegen die Schaltkontakte 476 und 475 angesteuert,
so findet kein Stromwechsel zwischen den Leitern 411 und 412 statt.
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Nach
etwa 20 ms werden die Halbleiterschalter 440 und 445 über eine
nicht dargestellte Energieversorgungseinrichtung gezündet. Beispielsweise können die
Halbleiterschalter 440 und 445 über den in 2 dargestellten Übertrager 270 mit
Zündenergie
versorgt werden. Nach weiteren 20 ms werden die Schaltkontakte 431 und 432 des
Relais 430 geschlossen. Es sei darauf hingewiesen, dass
die angegebenen Zeitspannen lediglich beispielhaft zu verstehen
sind. Vorzugsweise sind die Zeitdauern sogar kürzer. Ebenfalls ist es denkbar,
die Schaltkontakte 431 und 432 gleichzeitig mit
der Zündung
der Triacs 440 und 445 zu schließen.
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Für den vorliegenden
Fall sei angenommen, dass die Schaltkontakte 476 und 477 des
Relais 475 nach außen
geschaltet worden sind, so dass nunmehr durchgeschaltete Leiter 411 und 412 vorliegen. Nachdem
die Schaltkontakt 431 und 432 geschlossen worden
sind, kann die Zündenergie
von den Halbleiterschaltelementen 440 und 445 wieder
abgeschaltet werden. Da die Halbleiterschalter 440 und 445 nur
noch für
eine kurze Zeitspanne, vorzugsweise weniger als 20 ms einen einfachen
Wechselstrom schalten müssen,
können
entsprechend kostengünstige
Halbleiter zur Realisierung der Triacs verwendet werden. Aus diesem
Grund kann auch eine Schutzbeschaltung der Triacs 440 und 445 entfallen.
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Nunmehr
wird das ordnungsgemäße Abschalten
der Leistungsendstufe 400 beschrieben. Zunächst werden
die Halbleiterschalter 440 und 445 wieder gezündet und
anschließend
die Schaltkontakte 431 und 432 des Relais 430 geöffnet. Der
Stromfluss erfolgt nunmehr kurzfristig, in der Regel für weniger
als 20 ms, über
die Halbleiterschaltelemente 440 und 445. Nach
etwa 20 ms wird die Zündenergie von
den Halbleiterschaltern 440 und 445 abgetrennt, wodurch
der Antrieb eines angeschlossenen Drehstrommotors abgeschaltet wird.
Nach weiteren beispielsweise 20 ms werden die Schaltkontakte 451 und 452 geöffnet und
die Schaltkontakte 476 und 477 der Wendeschaltung 460 wieder
nach innen geschaltet, so dass sie nunmehr wieder mit einem Ende
des Leiterabschnitts 482 beziehungsweise 481 verbunden
sind. Die Wendeschalteinrichtung 460 befindet sich demzufolge
wieder im Sperrzustand. Alle drei Leiter der dreiphasigen Leistungsendstufe 400 sind nunmehr
geöffnet
und ein sicherer Abschaltzustand ist erreicht.
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Während des
Betriebs werden die Ströme
in den Leitern 410, 411 und 412 sowie
die an den Leitern anliegenden Ausgangsspannungen von der Ablaufsteuerungs-
und Überwachungseinrichtung überwacht.
Sobald die Ablaufsteuerungs- und Überwachungseinrichtung 405 einen Störfall erkennt,
werden beispielsweise die Schaltkontakte 451 und 452 im
Leiter 410 sowie beispielsweise die Schaltkontakte 476 und 475 und
die Schaltkontakte 471 und 471 in den in 3 gezeigten
Schaltzustand versetzt, so dass eine dreiphasige mechanische Abschaltung
sicher erfolgen kann.
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Die
Funktionsweise und Ansteuerung der Schaltkontakte der in 2 gezeigten
dreiphasigen Leistungsendstufe 200 entspricht im Wesentlichen der
Funktionsweise und Schaltweise der in 3 dargestellten
und oben beschriebenen Leistungsendstufe 400. Die in 2 gezeigte
Leistungsendstufe zeichnet sich gegenüber der in 3 gezeigten Leistungsendstufe 400 dadurch
aus, dass auch bei Weglassen des Relais 230 eine dreiphasige
Abschaltung der Leistungsendstufe erfolgen kann, da in jedem Leiter
wenigstens ein Schalter in Form eines mechanischen Schaltkontaktes
oder eines Halbleiterschalters vorgesehen ist.