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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen
Schalter eines Gleichrichters mit einer ersten Phasenspannungsmesseinrichtung, mit
der eine erste Messspannung einer ersten Phase erzeugbar ist, einer
zweiten Phasenspannungsmesseinrichtung, mit der eine zweite Messspannung
einer zweiten Phase erzeugbar ist, und einer Vergleichseinrichtung,
mit der die beiden Messspannungen zur Erzeugung eines entsprechenden
Ansteuersignals für
den Schalter vergleichbar sind. Insbesondere dient die vorliegende
Erfindung zur Vorzeichenerkennung von Netzspannungen in einer netzseitigen
leistungselektronischen Brückenschaltung.
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Aus
der Druckschrift
JP
59 153 478AA ist eine Vorrichtung zur Steuerspannungserzeugung
für einen
F3E-(fundamental frequency front end) Stromrichter bekannt. Zur
Ermittlung der natürlichen
Kommutierungszeitpunkte liegt an der Vorrichtung die verkettete, über einen
dreiphasigen Transformator galvanisch getrennte Spannung des Netzes.
Nach der nicht-linearen Aufteilung der sekundärseitig anstehenden Spannung
auf jeweils den Widerstand und die Diode einer auf Masse bezogenen
Reihenschaltung wird die Spannung am gemeinsamen Verbindungspunkt
dieser Elemente auf jeweils einen Komparator gegeben. Durch den
Vergleich mit einem Gleichspannungssignal liefern die Komparatoren Ausgangsspannungen,
die untereinander UND-verknüpft die
Steuersignale für
den Netzstromrichter bilden.
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Weiterhin
ist in der Druckschrift
DE
199 13 634 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
abschaltbarer Halbleiterschalter eines netzseitigen Stromrichters
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters bekannt. Dabei wird insbesondere die
Begrenzung des Spannungsabfalls an den Widerständen der Phasenmesseinrichtung
dargestellt.
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In
einigen Frequenzumrichtern werden netzseitig als Gleichrichter aktive
Brückenschaltungen eingesetzt.
Eine derartige Brückenschaltung
ist in 1 wiedergegeben. Die Brückenschaltung besteht aus drei
Zweigen mit je zwei Schaltern T1 und T2, T3 und T4 sowie T5 und
T6. An den Eingang jedes Zweigs zwischen den jeweiligen Schaltern
ist je eine Phase u, v und w angeschlossen. Der Brückenausgang
ist durch die Gleichspannungsanschlüsse DC– und DC+ definiert. Von den
in der Darstellung von 1 unteren Schaltern T2, T4 und
T6 wird jeweils derjenige eingeschaltet, dessen zugehörige Netzphase
das niedrigste Potential gegenüber
DC– besitzt.
Hierzu muss das niedrigste Potential ermittelt und für den zugehörigen Leistungshalbleiter
des entsprechenden Schalters T1 bis T6 ein Ansteuersignal durch
Vergleich des Potentials der einzelnen Netzspannungen generiert
werden.
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Bislang
wird der Vergleich der Netzspannungen gemäß den
2 und
3 durchgeführt. Demnach
wird entsprechend
2 in einem Dreiphasensystem
für jede
Netzspannung u, v, w eine Messspannung u
mess,
v
mess und w
mess gewonnen.
Dies geschieht durch jeweils einen Spannungsteiler R
u1,
R
u2 bzw. R
v1, R
v2 bzw. R
w1, R
w2 Jeder dieser Spannungsteiler wird zwischen
Masse M und die jeweilige Netzspannung u, v, w geschaltet. Am Mittenabgriff
zwischen den beiden Widerständen
jedes Spannungsteilers erhält
man die jeweilige Messspannung u
mess, v
mess und w
mess. Die
Potentiale der Netzspannungen u, v und w lassen sich so auf Signalniveau
herunterteilen. Eine entsprechende Steuerschaltung ist aus der Druckschrift
JP 60 059979 AA bekannt.
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Die
Messspannungen umess, vmess und
wmess werden gemäß 3 zwei Komparatoren
K1 und K2 zugeführt.
In dem Beispiel von 3 wird die Messspannung umess im Komparator K1 mit der Messspannung
vmess und im Komparator K2 mit der Messspannung
wmess verglichen. Die Komparatorausgänge werden
in einem NOR-Gatter verknüpft
und das Resultat dient zur Ansteuerung des Schalters T2 von 1.
Es wird also hier ermittelt, ob das Potential der Phase u das niedrigste
Potential ist. Ist dies der Fall, so wird der Transistor T2 eingeschaltet.
Mit den gleichen Schaltungen werden die Schalter T4 und T6 angesteuert.
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Diese
Steuerung des Gleichrichters besitzt folgende drei Probleme:
- a) Aus Verlustgründen muss der Widerstandsteiler
sehr hochohmig ausführt
werden, da die Netzspannung hohe Werte annehmen kann. Dadurch fließen nur
sehr geringe Messströme
und die Signale sind sehr störanfällig.
- b) Der Widerstandsteiler muss so dimensioniert sein, dass bei
maximaler Netzspannung die Versorgungsspannung der Komparatoren
nicht überschritten
wird. Da im relevanten Messzeitraum die Netzspannung jedoch nahe
Null ist, ist das Messsignal zu diesem wichtigen Zeitpunkt sehr
gering und deshalb ebenfalls störanfällig.
- c) Werden an den Frequenzumrichter keine Netzspannungen angeschlossen,
so sind alle drei Messspannungen identisch. In diesem Fall ist das Vergleichsergebnis
der Komparatoren undefiniert und sie können mit sehr hoher Frequenz
ihren Zustand ändern.
Dadurch kann die nachfolgende Treiberschaltung des jeweiligen Transistors
T2, T4, T6 beschädigt
werden, da dieser Treiber im Normalbetrieb nur für 50 Hz ausgelegt sein muss.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Steuerschaltung
bereitzustellen, deren Genauigkeit verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Steuerschaltung für
einen Schalter eines Gleichrichters mit einer ersten Phasenspannungsmesseinrichtung,
mit der eine erste Messspannung einer ersten Phase erzeugbar ist,
einer zweiten Phasenspannungsmesseinrichtung, mit der eine zweite Messspannung
einer zweiten Phase erzeugbar ist, und einer Vergleichseinrichtung,
mit der die beiden Messspannungen zur Erzeugung eines entsprechenden
Ansteuersignals für
den Schalter vergleichbar sind, wobei die erste Phasenspannungsmesseinrichtung
eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand und einer ersten
Diode aufweist und die erste Messspannung zwischen diesen beiden
Bauelementen abgegriffen wird, wobei der freie Kontakt der ersten
Diode an die erste Phase und der freie Kontakt des ersten Widerstands
an eine Versorgungsspannungsklemme anzuschließen ist, und ferner die zweite
Phasenspannungsmesseinrichtung eine Reihenschaltung aus einem zweiten
Widerstand und einer zweiten Diode aufweist und die zweite Messspannung
zwischen diesen beiden Bauelementen abgegriffen wird, wobei der
freie Kontakt der zweiten Diode an die zweite Phase und der freie
Kontakt des zweiten Widerstands an die Versorgungsspannungsklemme
anzuschließen
ist.
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Vorzugsweise
ist die Anode der ersten Diode mit dem ersten Widerstand und die
Anode der zweiten Diode mit dem zweiten Widerstand verbunden. Mit
diesem nicht-linearen Teiler kann erreicht werden, dass die Messspannung
nicht größer als
die Versorgungsspannung, z. B. 15 V, wird.
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An
den Mittenabgriff zwischen der ersten Diode und dem ersten Widerstand
kann ein dritter Widerstand und an den Mittenab griff zwischen der
zweiten Diode und dem zweiten Widerstand ein vierter Widerstand
angeschlossen sein, wobei der dritte und der vierte Widerstand andererseits
an Masse anzuschließen
ist. Durch die Maßnahme
ist die erste Messspannung auch dann genau definiert, wenn die erste
Diode sperrt.
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Das
Verhältnis
der Widerstandswerte von dem ersten und dritten Widerstand kann
sich von dem Verhältnis
der Widerstandswerte von dem zweiten und vierten Widerstand unterscheiden.
Der Unterschied sollte jedoch nur gering sein. Damit können die
beiden Messspannungen auch dann voneinander unterschieden werden,
wenn keine Netzspannungen angelegt sind.
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Anstelle
der Lösung
mit dem dritten und vierten Widerstand kann auch die Anode einer
dritten Diode mit der Anode der ersten Diode und die Kathode der
dritten Diode mit der Versorgungsspannungsklemme sowie die Anode
einer vierten Diode mit der Anode der zweiten Diode und die Kathode
der vierten Diode mit der Versorgungsspannungsklemme verbunden sein.
Auch damit lassen sich definierte Messspannungen erzielen, wenn
keine Netzspannungen angeschlossen sind.
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Entsprechend
einer Weiterbildung kann in der Vergleichseinrichtung die erste
Messspannung zusätzlich
mit einer vorgebbaren Referenzspannung verglichen werden, wobei
das Ansteuersignal auch für
den Schalter auch von diesem Vergleich abhängig ist. Auf diese Weise lässt sich
erreichen, dass alle Halbleiterschalter ausgeschaltet sind, wenn
ihre zugehörigen
Messdioden sperren.
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Eine
alternative Schaltung hierzu besteht darin, dass bei der zweiten
Phasenspannungsmesseinrichtung zwischen der zweiten Diode und dem
zweiten Widerstand eine fünfte
Diode geschaltet ist, sowie ein fünfter Widerstand einerseits
an eine sechste Diode, welche mit ihrem anderen Kontakt an die zweite
und fünfte
Diode angeschlossen ist, angeschlossen und andererseits an die Versorgungsklemme
anzuschließen
ist. Somit ist die zweite Messspannung zwischen dem fünften Widerstand
und der sechsten Diode abgreifbar. Auch hierdurch können alle
Halbleiterschalter ausgeschaltet werden, wenn ihre zugehörigen Messdioden
sperren.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 einen
aktiven Netzgleichrichter gemäß dem Stand
der Technik;
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2 lineare
Spannungsteiler zum Erzeugen von Messspannungen gemäß dem Stand
der Technik;
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3 eine
Komparatorschaltung zum Ansteuern eines Schalters gemäß dem Stand
der Technik;
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4 erfindungsgemäße nicht-lineare Spannungsteiler
zum Erzeugen von Messspannungen;
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5 eine
erfindungsgemäße Komparatorschaltung
zum Ansteuern eines Schalters;
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6 erfindungsgemäße Spannungsteiler gemäß einer
weiteren Ausführungsform
und
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7 eine
Komparatorschaltung zu den Spannungsteilern von 6.
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Die
nachfolgend näher
geschilderten Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar. Sie betreffen hier Dreiphasensysteme.
Die vorliegende Erfindung lässt
sich jedoch auch auf Zwei- und Mehrphasensysteme anwenden.
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4 zeigt
erfindungsgemäße nicht-lineare Spannungsteiler
für die
Dreiphasen- bzw. Netzspannungen u, v und w. Der Spannungsteiler
für die
Netzspannung u besitzt wie derjenige gemäß dem Stand der Technik von 2 zwischen
Masse M und dem Messabgriff umess einen
Widerstand Ru2. Der Messabgriff ist darüber hinaus über einen
Widerstand Ru3 mit einer Versorgungsspannungsklemme
P15 verbunden, an die eine Versorgungsspannung von 15 V angelegt
ist. Darüber
hinaus ist der Messabgriff mit der Anode einer Diode D1 verbunden.
Die Kathode der Diode D1 ist an die Netzspannung u angeklemmt. Der
nicht- lineare Spannungsteiler
für die
Netzspannung v zur Gewinnung der Messspannung vmess ist mit
den Elementen D2, Rv2 und Rv3 analog
aufgebaut. Ebenso analog ist der nicht-lineare Spannungsteiler für die Netzspannung
w zur Erzeugung der Messspannung wmess mit
den Elementen D3, Rw2 und Rw3 aufgebaut.
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Die
Funktionsweise dieser nicht-linearen Spannungsteiler wird nun anhand
der Schaltung für die
Netzspannung u näher
erläutert.
Demnach wird in dieser linken Schaltung von 4 die Diode
D1 sperren, wenn das Potential der Phase u größer umess ist. Insbesondere
sperrt die Diode D1, wenn das Potential dieser Phase u größer als
die Versorgungsspannung, in diesem Fall 15 v, ist. Dies bedeutet,
dass die Messspannung umess maximal 15 V
betragen kann. Der Widerstand Ru2 wird hierbei
relativ groß und
der Widerstand Ru3 relativ klein gewählt.
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Die
Messspannung umess ist in diesem Fall unabhängig von
dem Potential u und wird nur durch den ohmschen Teiler aus Ru3 und Ru2 bestimmt.
Sinkt das Potential von u unter Wert der Versorgungsspannung, so
folgt die Messspannung umess dem Potential u
mit einem konstanten Unterschied von 0,7 V unmittelbar nach. Der
Spannungsbereich unter der Versorgungsspannung P15 kann daher mit
einer sehr hohen Auflösung
erfasst werden. Die Genauigkeit der Widerstände Ru3 und
Ru2 gehen nicht in das Messergebnis ein.
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Die
Widerstandsteiler in den einzelnen Phasen können leicht unterschiedlich
dimensioniert sein. Werden keine Netzspannungen u, v und w angeschlossen,
sind die Potentiale umess, vmess und
wmess somit leicht unterschiedlich und die
Komparatoren nehmen alle einen definierten und stabilen Zustand ein.
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In
dem linken Spannungsteiler für
die Netzspannung u in 4 kann anstelle des an Masse
angeschlossenen Widerstands Ru2 eine Diode Du3 mit ihrer
Anode an die Messspannungsklemme und mit ihrer Kathode an die Versorgungsklemme
P15 angeschlossen werden (gestrichelte Verbindung). Auch dadurch
erhält
die Messspannung umess ein definiertes Potential,
wenn die Netzspannung u nicht angeschlossen ist.
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Mit
einem Schaltungszusatz kann die erfindungsgemäße Lösung noch weiter verbessert
werden. Bei dem genannten ersten Ausführungsbeispiel kann nämlich ein
Problem auftreten, wenn alle drei Eingangsspannungen u, v und w
um mehr als die positive Versorgungsspannung (z. B. 15 V) über dem negativen
Gleichspannungsanschluss M liegen. Dieser Betriebszustand tritt
zwar im bestimmungsgemäßen Betrieb
einer aktiven Gleichrichterschaltung nicht auf, kann jedoch nicht
für alle
Betriebszustände ausgeschlossen
werden. In diesem Fall würde
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
die Phase mit dem kleinsten Teilerverhältnis Rx3/Rx2 den unteren Halbleiterschalter einschalten,
unabhängig
vom tatsächlichen
Wert der Phasenspannung. Dies könnte
zu einem Kurzschluss der Netzleitungen führen.
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Um
dies zu vermeiden, sollten alle Halbleiterschalter ausgeschaltet
sein, wenn ihre zugehörigen Messdioden
D1, D2 und D3 sperren. Sofern dies erreicht ist, können die
Spannungsteiler Ru3/Ru2, Rv3/Rv2, Rw3/Rw2 wieder identisch
ausgeführt
werden, da eine fehlende Eingangsspannung wie eine hohe Eingangsspannung
bewertet wird und die Komparatoren in diesem Fall erfindungsgemäß konstant
ausgeschaltet sind.
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Eine
erste Lösung
hierzu ist mit einer Schaltung gemäß 5 und eine
zweite Lösung
mit Schaltungen gemäß den 6 und 7 erreichbar.
Entsprechend der ersten Lösung
gemäß 5 soll
neben der Bedingung, dass ein Halbleiterschalter nur dann eingeschaltet
wird, wenn seine Messspannung (umess, vmess oder wmess)
niedriger ist als die Messspannung der anderen Phasen, noch die
zweite Bedingungen eingeführt
werden, dass seine Messspannung unter einem vorbestimmten Referenzwert
liegt. Sinnvollerweise liegt dieser Referenzwert knapp unterhalb
der Messspannung umess, vmess,
wmess in dem Betriebszustand sperrender
Messdioden D1, D2, D3. Dadurch ist der Halbleiterschalter bei sperrender Messdiode
sicher ausgeschaltet, ohne dass der Messbereich zusätzlich eingeschränkt wird.
Als schaltungstechnische Lösung
kann dies beispielsweise durch einen zusätzlichen Komparator K3 realisiert
werden, wie dies in 5 dargestellt ist. Demnach wird
die Messspannung umess nicht nur in den Komparatoren
K1 und K2 mit den Messspannungen vmess und
wmess, sondern auch an dem Komparator K3 mit
der Referenzspannung vref verglichen. Ein Und-Gatter
verknüpft
die drei Ausgänge
der Komparatoren K1, K2, K3 und liefert ein entsprechendes Ansteuersignal
für den
Schalter T2. Nur wenn die Messspannung umess unter
sämtlichen
Bezugsspannungen liegt, wird der Schalter T2 eingeschaltet. Die übrigen Schalter
T4 und T6 werden analog angesteuert.
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Eine
alternative Lösungsmöglichkeit
für das sichere
Ausschalten der Halbleiterschalter, wenn ihre zugehörigen Messdioden
sperren, besteht darin, statt des zusätzlichen Komparators K3 mit
einem zweiten Teiler eine zusätzliche
Messspannung umess2, vmess2,
wmess2 zu erzeugen (vgl. 6 und 7).
Diese zweite Messspannung ist sinnvollerweise etwas kleiner als
die erste Messspannung umess, vmess,
wmess.
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In 6 sind
schaltungstechnische Realisierungen wiedergegeben, um für jede Phase
zwei derartige Messspannungen zu erzeugen. Der Teiler für die Netzspannung
u ist in 6 links wiedergegeben. Der Teiler
von 4 ist hierzu spiegelsymmetrisch durch den linearen
Teiler Ru4, Ru5 ergänzt. Die beiden
linearen Teiler Ru2, Ru3 und
Ru4, Ru5 sind über zwei
Dioden Du1 und Du2 an
die Diode D1 gekoppelt. Dabei sind die Kathoden der Dioden Du1 und Du2 an die
Anode der Diode D1 und die Anoden der Dioden Du1 und
Du2 an die gemeinsamen Kontakte, d. h. die Messabgriffe
umess und umess2,
angeschlossen. Für
die Phasen v und w ergeben sich wiederum analoge Aufbauten, wobei
der Teiler für
die Phase v mit den Widerständen
Rv2, Rv3, Rv4 und Rv5 sowie
den Dioden Dv1 und Dv2 und
der Teiler für
die Phase w mit den Widerständen
Rw2, Rw3, Rw4 und Rw5 sowie
den Dioden Dw1 und Dw2 aufgebaut
ist.
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Zum
Ansteuern des Schalters T2 werden dann gemäß 7 die Messspannungen
umess und vmess2 an
den Komparator K1 und die Messspannungen umess und
wmess2 an den Komparator K2 geführt. Die
Vergleichsergebnisse werden wiederum mit einem Und-Gatter verknüpft und
das resultierende Signal zur Ansteuerung des Schalters T2 verwendet.
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Sind
die Phasenspannungen u, v und w höher als die Versorgungsspannung
P15, so sind die Komparatoren K1 und K2 ausgeschaltet, da umess aufgrund der Dimensionierung der Spannungsteiler
ein höheres
Potential besitzt als vmess2 und wmess2 Sinkt hingegen eine Phasenspannung
unter den Wert der Versorgungsspannung, so folgt die zugehörige Messspannung
der Phasenspannung. In diesem Fall sind die ohmschen Spannungsteiler
irrelevant, so dass keine Fälschung
des Messsignals erfolgt.
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Die
Dioden D1, D2 und D3 können
bei Bedarf als Reihenschaltung mehrer Dioden ausgeführt sein.