-
Die
Erfindung betrifft einen Umrichter und ein Verfahren zum Betrieb.
-
Umrichter,
die
- – einen
Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung
aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
- – einen
Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen
ist, und
- – eine
Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor,
insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,
umfassen,
sind bekannt.
-
Dabei
werden als Zwischenkreiskondensatoren meist Elektrolytkondensatoren
verwendet, die zum Puffern der Energie des Zwischenkreises und der
Zwischenkreisspannung dienen. Nachteilig ist dabei, dass beim derzeitigen
Stand der Technik die Kapazität
des Zwischenkreiskondensators größer als funktional
notwendig ist. Funktional notwendig ist dabei insbesondere eine
ausreichende Glättung
bei Betrieb mit Nennlast. Die Kapazität kann also beim Stand der
Technik nicht nach funktionalen sondern muss nach bautechnischen
Anforderungen, wie Lebensdauer und Strombelastbarkeit gewählt werden. Somit
sind beim Stand der Technik Elektrolytkondensatoren gebräuchlich,
die ein großes
Bauvolumen beanspruchen, anfällig
und kostspielig sind. Derartige Umrichter werden oft auch als Umrichter
mit dickem Zwischenkreis bezeichnet.
-
Ein
wesentlicher Nachteil bei der Verwendung solcher Umrichter mit dickem
Zwischenkreis ist die hohe Netzrückwirkung
und insbesondere auch die eingeschränkte Lebensdauer. Da die Lebensdauer
abhängig
ist von der Temperatur und der Leistungsentnahme, müssen je
nach Anwendung entsprechend groß dimensionierte
Kondensatoren gewählt
werden. Dies führt
dann zu einem größeren Wert
von Nennkapazität,
Bauvolumen, Netzrückwirkungen
und zu hohen Kosten.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter möglichst
kompakt und geschützt,
insbesondere also mit verringerter Netzrückwirkung und höherer Lebensdauer,
auszuführen
und ihn in kostengünstiger
Herstellungsweise weiterzubilden.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem Umrichter nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren
nach den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
-
Wichtige
Merkmale bei dem Umrichter sind, dass er
- – einen
Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung
aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
- – einen
Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen
ist,
- – eine
Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor,
insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,
umfasst,
wobei
zum Schutz gegen Überspannungen
dem Zwischenkreiskondensator ein Schaltungsteil parallel zugeschaltet
ist, das aus einem Spannungsteiler, insbesondere aus einem ohmschen,
kapazitiven und/oder komplexen Spannungsteiler, besteht,
in
dessen unterem Zweig ein Varistor angeordnet ist und dessen oberem
Zweig ein Gasableiter parallel beschaltet angeordnet ist.
-
Vorteilig
ist dabei, dass nur ein einziger Gasableiter notwendig ist, Gasableiter
mit hoher Toleranz verwendbar sind und ein Löschen des Brennstromes des
Gasableiters mittels des Varistors bewirkbar ist.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Zündspannung des Gasableiters
weniger als die Hälfte
der Schutzpegelspannung des Überspannungsschutzes.
Vorteilig ist dabei, dass die hohen Toleranzabweichungen keinen
störenden
Ausfall auf die Abweichungen des Schutzpegels des Überspannungsschutzes
bewirken.
-
Insbesondere
sind sogar als Gasableiter Gasableiter verwendbar, die eine Herstellungstoleranz
von 10%, 20% oder mehr aufweisen.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Zwischenkreiskondensator
ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet, der zumindest aus einer
Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung und einem Hilfskondensator
besteht,
wobei die erste Vorrichtung derart gestaltet ist,
dass sie
- – einen
Widerstandswert aus einem ersten Widerstandswertebereich zum Minimieren
der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen
aufweist, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist
als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
- – einen
Widerstandswert aus einem zweiten Widerstandswertebereich, der hochohmiger
als der erste Widerstandswertebereich ist, aufweist, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ
wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht
und
einen Widerstandswert aus einem dritten Widerstandswertebereich,
der viel niederohmiger ist als der zweite Widerstandswertebereich,
annimmt, wenn die Differenz ΔU
unter den kritischen Wert fällt.
-
Von
Vorteil ist dabei, dass der Umrichter mit schlankem Zwischenkreis
ausführbar
ist. Dies bedeutet, dass der Zwischenkreiskondensator nur geringe
Kapazität
aufweisen muss und sogar als kostengünstiger und robuster Folienkondensator
vorsehbar ist. Außerdem
ist bei solchen Kondensatoren keine Polarität vorhanden, die Lebensdauer
hoch und das benötigte
Bauvolumen gering.
-
Ein
dicker Zwischenkreiskondensator hat eine direkt am Netz liegende
Kapazität,
die größer ist als
5 μF pro
Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, mindestens jedoch 8000 V μF pro Zwischenkreis-Nennspannung
Uz_Nenn in Volt, also mindestens
-
Bei
der Erfindung ist ein Hilfszwischenkreis vorhanden, der beim Einschalten
des Umrichters, also Verbinden mit dem Versorgungsnetz, auftretende Überspannungen
reduzierbar macht.
-
Denn,
solange am Hilfskondensator des Hilfszwischenkreises keine Spannung
anliegt, der Hilfskondensator also entladen ist, kann der Hilfskondensator
Energie aufnehmen. Es fließt
also beim Einschalten für
kurze Zeit Strom zum Hilfszwischenkreis, da die erste Vorrichtung
niedrige Widerstandswerte aufweist. Wird der Umrichter vom Versorgungsnetz abgetrennt,
sinkt die Zwischenkreisspannung ab, bleibt der Hilfskondensator
aber fürs
Erste aufgeladen. Sein selbsttätiges
Entladen würde
eigentlich sehr lange dauern, insbesondere im Minutenbereich. Eine
mit dem Hilfskondensator verbundene Verbraucherschaltung, wie ein
Schaltnetzteil oder dergleichen, ist nicht vorhanden. Mit der erfindungsgemäßen ersten
Vorrichtung jedoch ist ein Entladen dann ermöglicht, wenn die Zwischenkreisspannung
die Spannung am Hilfskondensator um mehr als einen kritischen Wert
unterschreitet, da dann die erste Vorrichtung von Widerstandswerten
aus einem zweiten hochohmigen Widerstandswertebereich zu Widerstandswerten
aus einem dritten niedrigohmigen Widerstandswertebereich übergeht.
-
Das
Entladen des Hilfskondensators ist dann vollständig ermöglicht, solange die Zwischenkreisspannung
unter dem Wert der Spannung am Hilfskondensator bleibt. Bleibt der
Umrichter also abgeschaltet, wird der Hilfskondensator vollständig entladen.
Wird der Umrichter jedoch während
des Entladevorgangs wieder mit dem Versorgungsnetz verbunden, wird
der Entladevorgang des Hilfskondensators gestoppt, sobald die Zwischenkreisspannung derart
angestiegen ist, dass sie die aktuelle Spannung am Hilfskondensator
erreicht und überschreitet.
-
Der
beschriebene Entladevorgang des Hilfskondensators hat bei einer
vorteiligen Ausführung eine
Zeitkonstante von mehr als einem Zehntel einer Netzperiode und weniger
als zweihundert Millisekunden. Besonders vorteilhaft ist diese Zeitkonstante größer als
eine Netzperiode. Somit ist ein Wiedereinschalten nach Abschalten
eines Umrichters sehr schnell möglich,
insbesondere z. B. schon nach einer halben Sekunde, ohne dass Überspannungsspitzen die
Bauteile des Umrichters gefährden
könnten.
-
Der
Hilfskondensator versorgt kein Schaltnetzteil und auch keinen entsprechenden
Verbraucher.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Zwischenkreiskondensator
eine direkt am Netz liegende Kapazität, die kleiner ist als
oder kleiner ist als 5 μF pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom,
wobei U
Z_Nenn die Zwischenkreis-Nennspannung
des Umrichters in Volt ist.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Zwischenkreiskondensator
keine polare Vorzugsrichtung, also kein Elektrolytkondensator ist
und also auch keine Polarität
aufweist. Der Zwischenkreiskondensator ist also vorteiligerweise
als robuster Folienkondensator ausführbar. Hingegen ist der Hilfskondensator
vorteiligerweise als Elektrolytkondensator ausführbar.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kapazitätswerte
und der erste Wertebereich vorzugsweise derart gewählt, dass
die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators bei
den zugehörigen
Spannungen zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden
liegt.
-
Bevorzugt
ist der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich
derart gewählt,
dass die Zeitkonstante des Entladens für den Hilfskondensators bei
den zugehörigen
Spannungen größer als
eine Minute ist.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kapazitätswerte
und der dritte Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante
des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen
kleiner als eine Sekunde ist. Somit ist vorteiligerweise ein schnelles
Wiedereinschalten ermöglicht.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Vorrichtung mindestens
aus einer Reihenschaltung, umfassend zumindest eine Diode D21 und
einen Widerstand R21 in Zusammenwirkung mit dem Serienwiderstand
des Hilfszwischenkreiskondensators am Zwischenkreiskondensator C1,
und einer zweiten Vorrichtung ausgeführt, die dieser Reihenschaltung
parallel geschaltet ist. Vorteilig ist dabei, dass Spannungsüberhöhungen minimierbar
sind.
-
Alternativ
besteht die erste Vorrichtung mindestens aus einer Diode D21 und
einer dazu parallel geschalteten zweiten Vorrichtung, wobei der
Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators zur Minimierung
der Spannungsüberhöhung am Zwischenkreiskondensator
C1 vorgesehen ist. Somit ist vorteiligerweise der vorgenannte Widerstand
R21 einsparbar.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die zweite Vorrichtung
einen Leistungsschalter und Steuermittel zum Ansteuern des Leistungsschalters,
wobei die Steuermittel aus der Differenz ΔU = (Uz – UzH) versorgbar sind und
abhängig
von dieser Differenz den Leistungsschalter beeinflussen, insbesondere
seine Steuerspannung erzeugen. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel
keine zusätzliche Spannungsversorgung
benötigen.
-
Vorzugsweise
besteht die zweite Vorrichtung aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen, wobei
in einer der beiden Reihenschaltungen der Leistungsschalter angeordnet
ist und in der anderen der beiden Reihenschaltungen die Steuermittel
vorgesehen sind. Somit ist eine einfache und kostengünstige Schaltungsart
ausführbar.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Steuermittel eine
spannungsabhängige
Impedanz zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Leistungsschalter. Von
Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel kostengünstig ausführbar sind und wenige Bauteile
notwendig sind.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die spannungsabhängige Impedanz
zumindest einen Varistor und/oder eine Zenerdiode. Von Vorteil ist
dabei, dass eine kostengünstige
Realisierung der Steuermittel vorsehbar ist.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungsschalter ein
Thyristor und/oder die Steuermittel bilden eine Zündvorrichtung.
Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Bauteil als Schalter verwendbar
ist.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung versorgt der Hilfszwischenkreis
kein Schaltnetzteil oder einen entsprechenden Verbraucher. Vorteiligerweise ist
also die Versorgung des Steuerungsteils mittels eines externen Netzteils
vorsehbar. Der Umrichter ist also aus einem solchen Netzteil versorgbar
und es sind Kosten und Bauvolumen einsparbar sowie weitere Vorteile
erreichbar.
-
Die
wesentlichen Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass
zum Betrieb des Umrichters, umfassend
- – einen
Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung
aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
- – einen
Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen
ist,
- – eine
Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor,
insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,
wobei
dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet
ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung
3 und einem Hilfskondensator besteht, - – zum Minimieren
der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen mittels
der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator beladen wird, solange
die Zwischenkreisspannung Uz größer ist
als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
- – mittels
der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator vom Zwischenkreis abgekoppelt
wird, wenn die Differenz ΔU
= (Uz – UzH)
negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert
erreicht und
- – mittels
der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator entladen wird, wenn
die Differenz ΔU
unter den kritischen Wert fällt.
-
Die
Vorteile entsprechen den vorgenannten. Insbesondere ist somit ein
schnelles Wiedereinschalten ermöglicht,
insbesondere bei einem schlanken Zwischenkreis.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
- 1
- Überspannungsschutz
- 2
- Gleichrichter
- 3
- Schaltungsteil
- 4
- Endstufe
- 5
- Steuerungsteil
- 6
- Versorgungsnetz
- 21
- Schaltungsteil
- C1
- Zwischenkreiskondensator
- C2
- Hilfskondensator
- R21,
- R31,
R33 Widerstände
- R32
- Varistor
- D21
- Diode
- T31
- Thyristor
- M
- Motor
- 41
- Schaltungsteil
- G
- Gasableiter
- V41
- Varistor
- R41
- Widerstand
- C41
- Kondensator
-
Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
-
In
der 1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter mit schlankem
Zwischenkreis gezeigt.
-
Dabei
ist das Versorgungsnetz 6 mit idealer Drehspannungs-Quelle
gezeigt, der die Netzwiderstände
und Netzinduktivitäten
nachgeordnet sind. Der Umrichter weist einen netzseitigen Überspannungsschutz 1 auf.
Der Gleichrichter 2 ist als dreiphasiger Brückengleichrichter
ausgeführt
und erzeugt die Zwischenkreisspannung (Uz+, Uz–).
-
Bei
einer Netzspannung von ca. 500 Volt beträgt die Spitzenspannung ungefähr 700 Volt.
Die Zwischenkreisspannung liegt am Zwischenkreiskondensator C1 an,
der als Folienkondensator ausgeführt
ist und im Vergleich zu Umrichtern mit dickem Zwischenkreis eine
geringere Kapazität
aufweist. Der Folienkondensator ist im Vergleich zu den Zwischenkreiskondensatoren
eines Umrichters mit dickem Zwischenkreis vorteiligerweise kostengünstiger,
benötigt
ein geringeres Bauvolumen und weist eine höhere Lebensdauer auf.
-
Jedoch
treten beim Einschalten des Umrichters infolge der Zusammenwirkung
der Netzinduktivitäten
und des Zwischenkreiskondensators kurzzeitig höhere Spannungen auf. Diese Überspannungen werden
bei dem erfindungsgemäßen Umrichter
aber vermindert, insbesondere mittels des Hilfskondensators und
dem mit diesem in Reihe angeordneten Schaltungsteil 3.
Somit sind alle Bauteile vor der Wirkung der Überspannungen geschützt Daher
sind alle weiteren Bauteile, wie insbesondere die Endstufe, derart
dimensionierbar, dass weniger Verluste auftreten und kostengünstigere
Ausführungsarten
wählbar sind.
-
Insbesondere
beim Auftreten von Netz-Überspannungspulsen
sind bei der Erfindung die bewirkten Stromspitzen kleiner als bei
Verwendung eines dicken Zwischenkreises gemäß Stand der Technik. Bei der
Erfindung, insbesondere also dem Umrichter mit schlankem Zwischenkreis,
ist auch der Gleichrichter für
geringeren Stoß-Strom
auslegbar und eine Zwischenkreisdrossel ist nicht nötig.
-
Die
Endstufe 4 umfasst Leistungsschalter zur Bildung eines
Wechselrichters, wobei der Wechselrichter vom Steuerungsteil 5 pulsweitenmoduliert angesteuert
wird. Der Wechselrichter ist im Wesentlichen aus drei Halbbrücken aufgebaut,
die jeweils mindestens einen unteren und einen oberen Leistungshalbleiterschalter
umfassen. Aus dieser Endstufe 4 ist der Drehstrommotor
M versorgbar. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Umrichter bei
Drehstrommotoren verwendbar.
-
Das
Schaltungsteil 3 ist in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in der 2 näher dargestellt.
Der Widerstand R21 dient zur Begrenzung des Ladestroms für den Hilfskondensator
C2, wobei der Kapazitätswert
C2 derart gewählt
wird und der Widerstand R21 aus einem ersten Widerstandswertebereich
derart gewählt
wird, dass eine möglichst
kleine Spannungsüberhöhung beim
Einschalten auftritt. Dabei liegt die Zeitkonstante des Aufladens
für den
Hilfskondensators typisch zwischen einer halben Millisekunde und
drei Millisekunden. Die Diode D21 entkoppelt den als Elektrolytkondensator ausgeführten Hilfskondensator
C2 vom Netz während
des Betriebs unter Last. Beim Einschalten hingegen ist R21 und C2
wirksam.
-
Das
Schaltungsteil 21 ist in der 3 für das erste
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
gezeigt. Sobald die Zwischenkreisspannung Uz des Umrichters sich
auf kleine Werte oder sogar Null Volt verringert, der Hilfskondensator
C2 aber noch geladen ist und die Spannung UzH aufweist, steigt die Spannung
am Varistor R32 an und erreicht unter Umständen derart hohe Werte, dass
der Widerstandswert des Varistors von hochohmigen zu niederohmigen
Werten übergeht.
Die hochohmigen Werte des Varistors liegen dabei in einem zweiten
Widerstandsbereich, insbesondere vorteiligerweise über ein
Megaohm. Die niederen Werte sind aus einem dritten Widerstandswertebereich,
der vorteiligerweise Werte zwischen 0 Ohm und 100 Kilo-Ohm umfasst.
Dadurch bekommt der Thyristor T31 eine genügend hohe Steuerspannung und
geht in den leitenden Zustand über.
Somit ist nun ein schnelles Entladen des Hilfskondensators C2 über den
Widerstand R31 ermöglicht,
der die Zeitkonstante des Entladevorgangs wesentlich mitbestimmt.
Der Widerstand R33 ist bei verschiedenen Ausführungsbeispielen verschieden dimensionierbar.
Er kann sogar weggelassen werden. Mittels der Dimensionierung der
Bauteile kann die für
das Zünden
des Thyristors benötigte
Spannung beeinflusst werden.
-
Der
Entladevorgang ist beendet, wenn die Spannungsdifferenz zwischen
der Zwischenkreisspannung Uz und der Spannung UzH am Hilfskondensator
Null erreicht.
-
Der
Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich
sind typischerweise derart, dass die Zeitkonstante des Entladens
für den
Hilfskondensators bei den zugehörigen
Spannungen, also Spannungswerten von Uz und UzH, die noch nicht
zum Zünden
des Thyristors führen,
größer als
eine Minute ist.
-
Die
Kapazitätswerte
und der dritte Wertebereich sind derart gewählt, dass die Zeitkonstante
des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen
deutlich kleiner als eine Sekunde ist.
-
Vorteilig
ist bei der Erfindung insbesondere auch, dass der Zwischenkreiskondensator
C1 funktional wählbar
ist, also seine Kapazität
entsprechend der elektrischen Strom- und Spannungsanforderungen
auswählbar
ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Lebensdauer diese Auswahl
nicht einschränkt,
da sie in jedem Fall genügend
groß ist.
-
Weiter
ist von Vorteil, dass die Netzrückwirkung
und die Netzoberwellen gering sind. Weiter ist auch der auftretende
Einschaltstrom gering. Die Lebensdauer ist im Wesentlichen unabhängig von
der Belastung. Insbesondere ist die Lebensdauer typisch mindestens
zehnmal größer als
bei einem Umrichter mit dickem Zwischenkreis mit derselben Nennleistung
bei gegebener Nennleistung und Temperatur.
-
Dem
Fachmann ist klar, dass er die beschriebenen Bauelemente und Schaltungsteile
auch durch andere Schaltungsteile und/oder Bauteile ersetzen kann,
die in entsprechend ähnlicher
Weise wirken.
-
Beispielsweise
ist der Zwischenkreiskondensator durch eine Reihenschaltung oder
Parallelschaltung oder durch eine komplexere Zusammenschaltungsart
aus zwei oder mehreren Kondensatoren ersetzbar.
-
Entsprechendes
gilt auch für
jedes passive Bauelement. Ebenso können Leistungsschalter durch
Reihen- oder Parallelschaltungen von mehreren solchen Schaltern
ersetzt werden.
-
In 1 ist
ein weiteres Schaltungsteil 41 gezeigt, das zwischen dem
oberen und unteren Zwischenkreispotential angeordnet ist, also von
der unipolaren Ausgangsspannung des Gleichrichters 2 versorgt
ist.
-
In 4 ist
eine erfindungsgemäße beispielhafte
Ausführung
dieses Schaltungsteils 41 gezeigt. Dabei ist ein Spannungsteiler
gebildet, dessen unterer Zweig aus dem Varistor V41 besteht und
dessen oberer Zweig einen Widerstand R41 umfasst. Da der Varistor
V41 auch eine Kapazität
aufweist, bildet diese mit dem Kondensator C41 einen kapazitiven Spannungsteiler.
Für Anwendungen,
bei denen dynamische Prozesse nicht wichtig sind, ist dieser Kondensator
C41 auch einsparbar und somit nur der aus Varistor V41 und Widerstand
R41 gebildete Spannungsteiler wirksam.
-
Somit
sind die Bauteile derart dimensionierbar, dass auch bei der höchsten zu
erwartenden Zwischenkreisspannung, also maximal zulässiger Wert der
unipolaren Spannung, der Varistor keine zu große Wärme entwickelt. Der Gasableiter
G ist dabei derart dimensioniert, dass er bis zu diesem Fall isolierend
ist.
-
Erst
nach Überschreiten
der Schaltschwelle zündet
der Gasableiter G. Dabei ist die Schaltschwelle durch die Dimensionierung
der Bauteile in hoher Genauigkeit vorgebbar, obwohl die Zündspannung des
Gasableiters G eine hohe Toleranz aufweist, beispielsweise von 10%,
20% oder mehr. Vorzugsweise wird die Schaltschwelle dabei derart
gewählt,
dass die erfindungsgemäße Schutzschaltung
spätestens bei
Erreichen des maximal zulässigen
Wertes der unipolaren Ausgangsspannung des Gleichrichters 2 anspricht.
-
Nach
dem Zünden
des Gasableiters G leitet der Varistor die von der Überspannung
verursachten Ströme
ab. Nach Abbauen der Überspannung
wird der Varistor hochohmiger und der Strom durch den Gasableiter
versiegt. Somit wird der Gasableiter G gelöscht.
-
Vorteil
bei der Ausführung
nach 4 ist, dass ein Überspannungsschutz auf der
DC Seite, also der Gleichspannungsseite oder Seite der unipolaren
Spannung, erreichbar ist mittels eines Gasableiters. Obwohl der
Gasableiter nur mit einer hohen Toleranz fertigbar ist, beispielsweise
10% oder 20%, ist ein genügend
genaues Festlegen der Schutzspannung erreichbar, da die Zündspannung
des Gasableiters mittels der Reihenschaltung mit dem Varistor V41
klein dimensionierbar ist. Somit ist der zu den Toleranzabweichungen
gehörende
Absolutwert klein.
-
Außerdem ist
im Gegensatz zu einer netzseitigen Anordnung des Überspannungsschutzes,
wo drei Gasableiter notwendig sind, nur ein einziger Gasableiter
notwendig.
-
Der
Kondensator C41 ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung derart
dimensioniert, dass vorteiligerweise der aus Varistor und Kondensator
gebildete Spannungsteiler derart dimensioniert ist, dass für dynamische
und für
statische Vorgänge
die Schaltschwelle dieselbe ist oder zumindest im Wesentlichen dieselbe.
-
Der
Kondensator C41 ist hierzu beispielsweise mit einem Wert zwischen
0,5 nF und 3 nF dimensionierbar, wenn der Gleichrichter aus einem
Drehstromversorgungsnetz gespeist ist und eingesetzt wird.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 gibt es Betriebszustände, in denen der Kondensator C2
im Wesentlichen leer oder voll geladen ist. Davon abhängig ist
der Schaltungsteil 41 nach 4 besonders
wirksam oder weniger wirksam als Überspannungsschutz.
-
Ein
weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ist dadurch erreicht, dass wiederum die Anordnung nach 1 vorgesehen
wird, wobei das Schaltungsteil 41 weggelassen wird oder
vorgesehen wird. Dabei wird allerdings in dem Schaltungsteil 3,
das in 2 näher
dargestellt wurde, das Schaltungsteil 21 als ohmscher Widerstand
ausgeführt oder
alternativ das Schaltungsteil 21 nach 3 ausgeführt, wobei
ein ohmscher Widerstand parallel zum Schaltungsteil 21 zugeschaltet
ist. Dabei wird der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes derart dimensioniert
und vorgesehen, dass der aus diesem ohmschen Widerstand und dem
Hilfskondensator C2 gebildete Tiefpass zur Bedämpfung von Schwingungen im
Bereich von etwa 500 Hz bis 5 kHz verwendbar ist. Somit ist vorteiligerweise
der Zwischenkreiskondensator C1 schlank ausführbar und die dadurch gegebenenfalls
verursachten Schwingungen sind in einfacher Weise bedämpfbar.
Bei schlankem Zwischenkreiskondensator sind mehr Oberschwingungen
im Spektrum der Zwischenkreisspannung bei höheren Frequenzen feststellbar
als bei Dimensionierung des Zwischenkreiskondensators als dick.
Dabei verursacht eine Schaltung mit dickem Zwischenkreiskondensator
jedoch insgesamt mehr Schwingungen, vor allem bei niedrigeren Frequenzen.
-
Weiterer
Vorteil ist, dass aus dem Hilfskondensator C1 ein Schaltnetzteil
zur Versorgung der Steuer- und/oder Signalelektronik speisbar ist.
Die zusätzliche
Verwendung in der Tiefpass-Bedämpfung
erspart also Bauteile und ermöglicht
eine kostengünstige
Ausführung.
-
Durch
die gleichspannungsseitige Bedämpfung
von Schwingungen, insbesondere im kHz Bereich, sind die Netzrückkopplungen
des Umrichters verringerbar. Die Realisierung des Tiefpasses durch ein
einfaches RC-Glied ermöglicht
eine einfache und kostengünstige
Ausführung.
-
Bei
der Dimensionierung ist auch wichtig, dass der ohmsche Widerstand
hochohmiger, insbesondere mehr als das Doppelte höher, als
der Widerstand R21 nach 3 ist.