DE102008032317A1

DE102008032317A1 - Stromversorgung für die Steuerelektronik eines Umrichters

Info

Publication number: DE102008032317A1
Application number: DE102008032317A
Authority: DE
Inventors: Konrad BÖHM; Kurt GÖPFRICH
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2009-12-17

Abstract

gseinrichtung (1) für die Steuerelektronik eines Umrichters. Erfindungsgemäß umfasst diese Stromversorgungseinrichtung (1) einen Transformator (5), der eine erste Primärwicklung (11) eines ersten Primärstromkreises (2), eine zweite Primärwicklung (31) eines zweiten Primärstromkreises (3) sowie eine Sekundärwicklung (50) eines Sekundärstromkreises (4) umfasst, wobei der erste Primärstromkreis (2) aus einem Zwischenkreis (6) des Umrichters gespeist ist, wobei der zweite Primärstromkreis (3) aus einem mit dem Umrichter verbundenen Stromnetz (7) gespeist ist, sowie mit einem ersten Schaltelement (9), das reversibel nach Maßgabe einer in dem zweitzwischen den Primärstromkreisen (2, 3) schaltet, so dass jeweils einer der Primärstromkreise (2, 3) aktiviert ist. Somit erhält man eine Stromversorgungseinrichtung (1), die die Vorteile zweier bekannter Stromversorgungseinrichtungen miteinander kombiniert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinrichtung für die Steuerelektronik einer mit einem so genannten (Spannungs-)Zwischenkreis versehenen Umrichterschaltung (nachfolgend kurz als Umrichter bezeichnet).
Solche Umrichter werden üblicherweise einerseits zur Erzeugung eines Antriebsstroms für einen Elektromotor aus einem Netzstrom eingesetzt. Der Umrichter ist in diesem Fall einem (stromliefernden) Stromnetz und dem zu versorgenden Elektromotor zwischengeschaltet. Andererseits wird ein Umrichter auch zur Erzeugung eines Netzstroms aus einem Generatorstrom herangezogen. Der Umrichter ist in diesem Fall einer stromerzeugenden Einrichtung und einem (stromaufnehmenden) Stromnetz zwischengeschaltet. Bei der stromerzeugenden Einrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Wechselstromgenerator, wie beispielsweise eine Windkraftanlage, oder einem Gleichstromgenerator, wie beispielsweise eine Photovoltaikanlage.
Ein Umrichter der oben genannten Art umfasst üblicherweise einen Gleichrichter und einen Wechselrichter, zwischen denen der Zwischenkreis gebildet ist. Zumindest der Wechselrichter ist mit aktiven Schaltkomponenten, z. B. in Form von IGBTs oder MOSFETs, die von einer Steuerelektronik angesteuert werden. Die Steuerelektronik steuert die Schaltkomponenten des Wechselrichters derart an, dass aus der näherungsweise konstanten Zwischenkreisspannung eine (in der der Regel mehrphasige) Ausgangsspannung vorgegebener Frequenz und Amplitude erzeugt wird. Bei modernen Umrichtern ist häufig auch der Gleichrichter mit aktiven Schaltkomponenten bestückt, die ebenfalls von der Steuerelektronik anzusteuern sind. Die Steuerelektronik übernimmt darüber hinaus in der Regel auch diverse Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen, z. B. die Überwachung der Zwischenkreisspannung auf Über- oder Unter spannung, die Überwachung der elektronischen Leistungskomponenten des Gleich- und/oder Wechselrichters auf Überlast bzw. Überhitzung, etc.
Zur Stromversorgung der Steuerelektronik werden einerseits Stromversorgungseinrichtungen eingesetzt, die ihrerseits aus dem Zwischenkreis gespeist sind. Eine solche Stromversorgungseinrichtung umfasst in der Regel einen mit dem Zwischenkreis verbunden Primärstromkreis sowie einen die Ausgabespannung führenden Sekundärstromkreis, wobei diese Stromkreise durch einen Transformator galvanisch getrennt sind. In dem Primärstromkreis wird mittels eines PWM-Schalters mit steuerseitig vorgeschaltetem PWM-Controller ein pulsweitenmodulierter Pulsstrom erzeugt, der durch den Transformator in eine entsprechende Ausgabespannung im Sekundärkreis umgesetzt wird.
Zur Stromversorgung des PWM-Controllers ist einerseits der Transformator mit einer Tertiärwicklung versehen, die über eine Diode auf den Betriebsspannungseingang des PWM-Controllers gelegt ist. Andererseits wird der PWM-Controller über einen Kondensator spannungsversorgt, der über einen Ladewiderstand in den Spannungszwischenkreis geschaltet ist. Dieser Anlaufkondensator wird insbesondere beim Anlaufen des Umrichters, also in einer initialen Betriebsphase benötigt. Hierbei wird der Anlaufkondensator zunächst über den Ladewiderstand aus dem Zwischenkreis beladen, bis die am Kondensator abfallende Spannung eine Einschaltschwelle des PWM-Controllers übersteigt, und der PWM-Controller zu arbeiten beginnt. Nach einer gewissen Einschwingzeit der Stromversorgungseinrichtung wird der PWM-Controller dann über die Tertiärwicklung des Transformators versorgt.
Alternativ hierzu ist bekannt, die Steuerelektronik eines Umrichters aus dem mit dem Umrichter verbundenen Stromnetz zu versorgen. Eine entsprechende Stromversorgungseinrichtung weist ebenfalls üblicherweise einen Primärstromkreis sowie einen galvanisch durch einen Transformator von diesem getrennten Sekundärstromkreis auf, wobei der Primärstromkreis ebenfalls zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Pulsstromes einen PWM-Schalter mit steuerseitig vorgeschaltetem PWM-Controller umfasst.
Zur Erzeugung einer Gleichspannung für den Primärstromkreis, und insbesondere auch zur Spannungsversorgung des PWM-Controllers, ist dem Primärstromkreis und dem Stromnetz dabei eine Gleichrichterschaltung zwischengeschaltet. Eine solche Gleichrichterschaltung, die gleichzeitig als Netzfilter zur Kompensation von Netzrückwirkungen des Umrichters wirkt, ist aus DE 103 36 287 A1 bekannt. Stromversorgungseinrichtungen der letztgenannten Art werden insbesondere bei Umrichtern eingesetzt, die einer stromerzeugenden Anlage, insbesondere einer Photovoltaikanlage, zugeordnet sind. Aufgrund der netzfilternden Eigenschaften der Stromversorgungseinrichtung können so separate Filter, wie z. B. Netzdrosseln oder Zwischenkreiskondensatoren ganz oder teilweise eingespart werden.
Nachteiligerweise haben solche Stromversorgungseinrichtungen aber einen gegenüber Stromversorgungen der ersten Art erhöhten Strombedarf, was sich insbesondere dann störend auswirkt, wenn der dem Umrichter vorgeschaltete Generator vorübergehend keinen Strom erzeugt – im Falle einer Fotovoltaikanlage also z. B. während der Nacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vor dem vorstehend beschriebenen Hintergrund verbesserte Stromversorgungseinrichtung für die Steuerelektronik eines Umrichters anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, im Rahmen einer Stromversorgungseinrichtung zwei unabhängige Primärstromkreise vorzusehen, die jeweils über eine zugeordnete Primärwicklung eines gemeinsamen Transformators auf die Sekundärwick lung eines galvanisch von den Primärstromkreisen getrennten Sekundärstromkreises wirken. Der erste Primärstromkreis ist hierbei aus dem Zwischenkreis des Umrichters gespeist, während der zweite Primärstromkreis aus einem mit dem Umrichter verbundenen Stromnetz gespeist ist. Im Rahmen der Stromversorgungseinrichtung ist ein (erstes) Schaltelement vorgesehen, das reversibel nach Maßgabe einer in dem zweiten Primärstromkreis anliegenden Spannung zwischen den Primärstromkreisen schaltet, so dass jeweils einer der Primärstromkreise aktiviert ist.
Die solchermaßen geschaffene Stromversorgungseinrichtung umfasst somit in Kombination die beiden vorstehend beschriebenen Stromversorgungsvarianten, wodurch die jeweiligen Vorteile dieser beiden Varianten synergetisch genützt werden können. Dies wird auf einfache Weise durch das zusätzlich vorgesehene Schaltelement ermöglicht, das automatisch nach Maßgabe der im zweiten Primärstromkreis anliegenden Spannung zwischen dem Netzbetrieb und der Speisung aus dem Zwischenkreis hin und her schaltet.
Vorzugsweise priorisiert das Schaltelement den netzgespeisten zweiten Primärstromkreis. Das Schaltelement aktiviert dabei den zweiten Primärstromkreis (unter Abschaltung des ersten Primärstromkreises) immer dann, wenn im zweiten Primärstromkreis genügend Energie zur Verfügung steht, nämlich dann, wenn die hier anliegende Spannung einen ersten Grenzwert überschreitet. Dagegen aktiviert das Schaltelement den zwischenkreisgespeisten ersten Primärstromkreis immer dann, wenn die im zweiten Primärstromkreis anliegende Spannung einen zweiten Grenzwert unterschreitet. Durch die Priorisierung des zweiten Primärstromkreises wird sichergestellt, dass die netzstabilisierende Wirkung des zweiten Primärstromkreises dann (und nur dann) zur Wirkung kommt, wenn das Stromnetz aus dem Umrichter ausreichend versorgt wird. Am Anfahren und Abschalten des Umrichters – und infolge dessen zusammenbrechender Netzspannung – läuft die Stromversorgung der Steuerelekt ronik vorteilhaft über den zwischenkreisgespeisten ersten Primärstromkreis. Hierdurch wird insbesondere eine besonders hohe Ausfallsicherheit der Stromversorgungseinrichtung, und infolgedessen auch der Steuerelektronik erzielt. Zudem wird sichergestellt, dass der Zwischenkreis des Umrichters nach dem Abschalten schnell und effektiv über die Stromversorgungseinrichtung entladen wird, wodurch zusätzliche Entladungseinrichtungen eingespart werden können.
Der erste Grenzwert des Schaltelements ist hierbei insbesondere größer gewählt als der zweite Grenzwert. Das Schaltelement ist hierdurch mit einer Schalthysterese ausgestattet, die insbesondere auch eine effektive Entladung beider Primärstromkreise beim Abschalten des Umrichters bewirkt.
Jeder der Primärstromkreise ist bevorzugt pulsweitenmoduliert betrieben. In jedem Primärstromkreis ist entsprechend ein PWM-Schalter, insbesondere in Form eines MOSFETs oder dergleichen, angeordnet, dem steuereingangsseitig ein PWM-Controller vorgeschaltet ist. In besonders einfacher schaltungstechnischer Ausführung aktiviert bzw. deaktiviert hierbei das Schaltelement die Primärstromkreise, indem es den PWM-Controller des jeweiligen Primärstromkreises aktiviert bzw. deaktiviert. Das Schaltelement aktiviert bzw. deaktiviert die PWM-Controller der Primärstromkreise insbesondere dadurch, dass sie den so genannten „COMP”-Anschluss des jeweiligen PWM-Controllers von einem Bezugspotential („Masse”) trennt bzw. auf das Bezugspotential setzt.
In einfacher aber zweckmäßiger Ausführung ist das erste Schaltelement bevorzugt im Wesentlichen durch eine Komparatorschaltung mit einem nicht-invertierenden Ausgang und einem invertierenden Ausgang gebildet. Die Komparatorausgänge sind dabei optional von mindestens einem der Primärstromkreise, z. B. durch einen Opto-Koppler, galvanisch getrennt.
Um mit besonders einfachen Mitteln eine unerwünschte gegenseitige Kopplung der Primärstromkreise zu vermeiden, ist vorzugsweise in jedem der Primärstromkreise eine Diode angeordnet. Diese Diode ist in Durchlassrichtung in den jeweiligen Primärstromkreis geschaltet, also mit ihrer Anode mit einem Hochpotentialanschluss und mit ihrer Kathode einem Niederpotentialanschluss des jeweiligen Primärstromkreises verbunden.
Der PWM-Controller des ersten Primärstromkreises ist vorzugsweise einerseits über eine Tertiärwicklung des Transformators und andererseits über einen in den Zwischenkreis geschalteten Anlaufkondensator mit vorgeschaltetem Ladungswiderstand spannungsversorgt.
Diesem PWM-Controller ist in zweckmäßiger Ausführung bevorzugt ein zweites Schaltelement vorgeschaltet, das mit einer vorgegebenen Schalthysterese in Abhängigkeit der anliegenden Eingangsspannung schaltet. Durch die Vorschaltung der separaten Schalthysterese wird der erste Primärstromkreis weitgehend unabhängig von den Charakteristika des verwendeten PWM-Controllers, insbesondere von Fertigungstoleranzen und der Temperaturabhängigkeit des Controllers. Es lässt sich so zudem die Schalthysterese des ersten Primärstromkreises unabhängig von dem erreichbaren Aussteuergrad des PWM-Controllers festlegen. Bei herkömmlichen PWM-Controllern, bei denen es sich üblicherweise um standardisierte integrierte Schaltungen handelt, ist zwar an sich in der Regel bereits eine interne Schalthysterese integriert. Die Größe dieser internen Schalthysterese verhält sich bei den gängigen PWM-Controllern aber in der Regel invers mit dem erreichbaren Aussteuergrad, so dass PWM-Controller mit großem Aussteuergrad eine nur vergleichbar kleine Schalthysterese aufweisen, während Controller mit großer Schalthysterese nur einen vergleichbar kleinen Aussteuergrad erreichen. Um einerseits eine möglichst kurze Anlaufzeit der Stromversorgungseinrichtung beim Anfahren des Umrichters, andererseits eine möglichst weitgehende Entladung des Zwischenkreises beim Abschalten des Umrichters zu erzie len, werden aber sowohl eine große Schalthysteres als auch ein hoher Aussteuergrad des PWM-Controllers angestrebt. Durch die Vorschaltung des separaten (zweiten) Schaltelements können diese sich an sich widersprechenden Anforderungen einfach in Kombination erfüllt werden.
Durch die Vorschaltung des zweiten Schaltelements lässt sich zudem mit einfachen Mitteln der Ruhestrom des ersten Primärstromkreises signifikant reduzieren, wodurch wiederum eine erhebliche Verkürzung der Anlaufzeit des ersten Primärstromkreises erreicht wird.
Das zweite Schaltelement ist in einer einfachen und preisgünstigen, dennoch aber effektiven Ausgestaltung insbesondere durch eine Thyristorschaltung gebildet. Die Thyristorschaltung ist wahlweise als integrierter Schaltkreis aufgebaut oder aus diskreten Schaltungselementen zusammengesetzt.
Dem zweiten Primärstromkreis und dem Stromnetz ist vorzugsweise eine Gleichrichter- und Filtereinrichtung zwischengeschaltet, wie sie in DE 103 36 287 A1 beschrieben ist. Zu Ausführungsvarianten und Vorteilen dieser Einrichtung wird insoweit auf die genannte Druckschrift verwiesen.
Für mindestens einen der Primärstromkreise, insbesondere aber für beide Primärstromkreise wird bevorzugt ein PWM-Controller mit einem maximalen Aussteuergrad von mindestens 90%, insbesondere etwa 96%, herangezogen. Als maximaler Aussteuergrad (Maximum Duty Cycle) wird das maximale Verhältnis der Einschaltzeit (HIGH-Pegel) des von dem PWM-Controller ausgegebenen PWM-Signals zu der gesamten Taktdauer eines PWM-Pulses bezeichnet. Für den Einsatz als PWM-Controller im Rahmen des ersten und/oder zweiten Primärstromkreises hat sich insbesondere ein integrierter Schaltkreis des Typs UC3843 als besonders geeignet erwiesen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Stromversorgungseinrichtung für die Steuerelektronik eines Umrichters mit einem zwischenkreisgespeisten ersten Primärstromkreis, einem netzgespeisten zweiten Primärstromkreis mit vorgeschalteter Gleichrichter- und Filtereinrichtung sowie mit einem zwischen den Primärstromkreisen schaltenden ersten Schaltelement,
2 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform des ersten Schaltelements,
3 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines einem PWM-Controller des ersten Primärstromkreises vorgeschalteten zweiten Schaltelements, und
4 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform der Gleichrichter- und Filtereinrichtung.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 dargestellte (Stromversorgungs-)Einrichtung 1 umfasst einen ersten Primärstromkreis 2, einen zweiten Primärstromkreis 3 sowie einen Sekundärstromkreis 4. Die Primärstromkreise 2 und 3 sind untereinander sowie von dem Sekundärstromkreis 4 galvanisch getrennt. Die Primärstromkreise 2 und 3 sind dabei leistungsübertragungsmäßig mittels eines gemeinsamen Transformators 5 mit dem Sekundärstromkreis 4 gekoppelt.
Der erste Primärstromkreis 2 ist eingangsseitig in einen (Spannungs-)Zwischenkreis 6 eines (nicht näher dargestellten) Umrichters geschaltet, der eine Zwischenkreisspannung U_Z führt. Der zweite Primärstromkreis 3 wird von einem mit dem Umrichter verbundenen Stromnetz 7 gespeist. Dem Primärstrom kreis 3 und dem Stromnetz 7 ist hierbei eine Filter- und Gleichrichtereinheit 8 zwischengeschaltet. Die Einrichtung 1 umfasst weiterhin ein (erstes) Schaltelement 9, das nach Maßgabe einer im zweiten Primärstromkreis 3 anliegenden Spannung U_H reversibel und alternativ zueinander den ersten Primärstromkreis 2 oder den zweiten Primärstromkreis 3 aktiviert bzw. deaktiviert.
Der erste Primärstromkreis 2 umfasst in Serienschaltung einen PWM-Schalter 10 in Form eines (normal sperrenden) MOSFETs sowie eine erste Primärwicklung 11 des Transformators 5.
Steuereingangsseitig ist der PWM-Schalter 10 über einen Widerstand 12 mit einem PWM-Ausgang 13 eines PWM-Controllers 14 verbunden. Bei dem PWM-Controller 14 handelt es sich um einen handelsüblichen integrierten Schaltkreis (IC) des Typs UC3843 mit einem maximalen Aussteuergrad von 96%. Der PWM-Ausgang 13 wird hierbei durch den Anschlusspin Nr. 6 („OUTPUT”) dieses IC gebildet.
Ein Betriebsspannungseingang 15 (Anschlusspin Nr. 7, „VCC”) des PWM-Controllers 14 ist mit einem Spannungsausgang 16 eines zweiten Schaltelements 17 verbunden, das dem PWM-Controller 14 als separates Bauteil vorgeschaltet ist. Ein Masseanschluss 18 (Anschlusspin Nr. 5, „GND”) des PWM-Controllers 14 ist – direkt oder indirekt – mit einem Masseanschluss 19 des Schaltelements 17 sowie mit einer Niederpotentialschiene 20 des Zwischenkreises 6 verbunden.
Ein Spannungseingang 21 des Schaltelements 17 ist einerseits über einen Anlaufkondensator 22 mit der Niederpotentialschiene 20 des Zwischenkreises 6, und andererseits über einen Ladewiderstand 23 mit einer Hochpotentialschiene 24 des Zwischenkreises 6 verbunden. Der Spannungseingang 21 ist weiterhin über eine in Sperrrichtung geschaltete Diode 25 mit einer Tertiärwicklung 26 des Transformators 5 verschaltet, deren entgegengesetztes Ende mit der Niederpotentialschiene 20 kurzgeschlossen ist.
Das zweite Schaltelement 17 schaltet den zwischen dem Spannungseingang 21 und dem Spannungsausgang 16 gebildeten Strompfad leitend, wenn die über dem Anlaufkondensator 22 abfallende Spannung U_L eine vorgegebene Einschaltschwelle überschreitet. Das Schaltelement 17 schaltet den Strompfad wiederum sperrend, wenn die Spannung U_L eine vorgegebene Ausschaltschwelle unterschreitet. Das Schaltelement 17 weist hierbei eine ausgeprägte Schalthysterese auf. Die Einschaltschwelle übersteigt die Ausschaltschwelle also wesentlich. So beträgt die Einschaltschwelle zweckmäßigerweise zwischen 17 V und 21 V, vorzugsweise etwa 20 V, während die Ausschaltschwelle etwa 14 V beträgt. Zumindest die Einschaltschwelle des Schaltelements 17 ist dabei derart gewählt, dass sie eine Einschaltschwelle einer internen Schalthysterese des PWM-Controllers 14 deutlich übersteigt, so dass die Schalthysterese des Schaltelements 17 die interne Schalthysterese des PWm-Controllers 14 insoweit „überschreibt”. Das Schaltelement 17 weist weiterhin in sperrendem Zustand einen sehr geringen Ruhestrom auf, der bevorzugt 1 mA nicht überschreitet.
In vorteilhafter Dimensionierung haben der Ladewiderstand 23 einen Widerstandswert von R = 360 kΩ und der Anlaufkondensator 22 eine Kapazität von C = 47 μF.
Der zweite Primärstromkreis 3 ist eingangsseitig mit einem von der Filter- und Gleichrichtereinheit 8 gespeisten Speicherkondensator 27 verschaltet, über dem die Spannung U_H abfällt. Der Primärstromkreis 3 umfasst in Serienschaltung einen PWM-Schalter 30, der ebenfalls durch einen (normal sperrenden) MOSFET gebildet ist. In Serie zu dem PWM-Schalter 30 umfasst der zweite Primärstromkreis 3 eine zweite Primärwicklung 31 des Transformators 5.
Steuereingangsseitig ist der PWM-Schalter 30 über einen Widerstand 32 mit einem PWM-Ausgang 33 eines zweiten PWM-Controllers 34 verbunden, bei dem es sich ebenfalls um einen IC des Typs UC3843 handelt. Ein Betriebsspannungseingang 35 des PWM-Controllers 34 ist direkt mit einem Hochpotentialanschluss 36 des Speicherkondensators 27 verbunden.
Der Speicherkondensator 27 hat insbesondere eine Kapazität von C_H = 1–10 mF.
Dem Schaltelement 9 ist über einen Eingang 40 die über dem Speicherkondensator 27 abfallende, und somit in dem Primärstromkreis 2 anliegende Spannung U_H zugeführt. Über weitere Eingänge 41 und 42 ist das Schaltelement 9 mit einem Niederpotentialanschluss 43 des Speicherkondensators 27 bzw. mit der Niederpotentialschiene 20 des Zwischenkreises 6 verbunden. Dem Schaltelement 9 ist somit über die Eingänge 41 und 42 das Bezugspotential des Primärstromkreises 3 bzw. des Primärstromkreises 2 zugeführt.
Über einen Ausgang 44 ist das Schaltelement 9 mit einem „COMP”-Eingang 45 (Abschlusspin Nr. 1) des PWM-Controllers 14 verbunden. Über einen weiteren Ausgang 46 ist das Schaltelement 9 mit einem COMP-Eingang 47 des PWM-Controllers 34 verbunden. Über seine Ausgänge 44 und 46 stellt das Schaltelement 9 jeweils einen Schaltzustand, nämlich eine leitende (niederohmige) oder sperrende (hochohmige) Verbindung zwischen dem Eingang 42 und dem Ausgang 44 bzw. zwischen dem Eingang 41 und dem Ausgang 46 her. Der Ausgang 46 wird hierbei invertierend, der Ausgang 44 nicht-invertierend betrieben, so dass die über die Ausgänge 44 und 46 zur Verfügung gestellten Schaltzustände jeweils zueinander komplementär sind. Solange zwischen den Eingängen 40 und 41 keine Spannung anliegt (U_H = 0), gibt das Schaltelement 9 über den Ausgang 44 ein logisches „0”-Signal (hochohmig) aus. Das am COMP-Eingang 45 des PWM-Controllers 14 anliegende Potential ist somit undefiniert, wodurch der PWM-Controller 14 aktiviert ist.
Über den Ausgang 46 wird bei U_H = 0 ein logischer „1”-Zustand (niederohmig) ausgegeben. Der COMP-Anschluss 47 des PWM-Controllers 34 ist hierdurch über die zwischen dem Eingang 41 und dem Ausgang 46 gebildete Schaltstrecke auf das Bezugspotential des Primärstromkreises 3 (d. h. auf „Masse”) gelegt, wodurch der PWM-Controller 34 deaktiviert ist.
Bei ansteigender Spannung U_H schaltet das Schaltelement 9 den Ausgang 44 niederohmig, und den Ausgang 46 hochohmig, wenn die Spannung U_H einen ersten Grenzwert überschreitet. Der PWM-Controller 14 wird hierdurch deaktiviert, während der PWM-Controller 34 aktiviert wird. Bei sinkender Spannung schaltet das Schaltelement 9 den Ausgang 44 wiederum hochohmig, und den Ausgang 46 niederohmig, wenn die Spannung U_H einen zweiten Grenzwert unterschreitet. Hierdurch werden der PWM-Controller 14 wiederum aktiviert, und der PWM-Controller 34 deaktiviert.
Das Schaltelement 9 weist bevorzugt eine Schalthysterese auf, in Folge deren der erste Grenzwert höher angesetzt ist als der zweite Grenzwert. So liegt der erste Grenzwert beispielsweise bei 21 V, und der zweite Grenzwert beispielösweise bei 19 V.
Der Sekundärstromkreis 3 umfasst eine Sekundärwicklung 50 mit einer nachgeschalteten Diode 51 sowie einen der Sekundärwicklung und der Diode 51 parallel geschalteten Dämpfungskondensator 52. Der Sekundärstromkreis 3 führt eine Versorgungsspannung U_S für eine Steuerelektronik des Umrichters.
Im aktivierten Zustand eines der Primärstromkreise 2 oder 3 gibt der jeweils zugehörige PWM-Controller 14 oder 34 ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal auf den Steuereingang des zugehörigen PWM-Schalters 10 bzw. 30, der entsprechend in Primärkreis 2 bzw. 3 einen Pulsstrom erzeugt. Unter Wirkung dieses Pulsstromes wird im Sekundärstromkreis 4 eine Spannung generiert, die durch die Diode 51 gleichgerichtet, und durch den Dämpfungskondensator 52 gedämpft wird. Die Einrichtung 1 ist hierbei derart ausgelegt, dass der Sekundärstromkreis 4 ausgangsseitig die Versorgungsspannung U_S in Form einer Gleichspannung mit einem Nennspannungswert von ca. 24 V ausgibt.
Um ein Übersprechen zwischen den Primärstromkreisen 2 und 3, also eine Kopplung der Primärstromkreise 2 und 3 zu vermeiden, ist in jedem der Primärstromkreise 2 und 3 eine Diode 48 bzw. 49 angeordnet, wobei diese Dioden 53 und 54 bezüglich des in dem jeweiligen Primärstromkreis 2 bzw. 3 herrschenden Potentialgefälles in Durchlassrichtung gepolt sind.
Durch den im Primärstromkreis 2 bzw. 3 erzeugten Pulsstrom wird außerdem in der Tertiärwicklung 26 des Transformators 5 eine durch die Diode 25 gleichgerichtete Spannung erzeugt, durch die der PWM-Controller 14 im aktiven Zustand spannungsversorgt wird. Bei deaktivierten PWM-Controller 14 und aktiviertem Primärstromkreis 3 wird stattdessen der Anlaufkondensator 22 geladen.
Beim Anfahren des Umrichters sind zunächst – auf Grund der Schaltstellung der Schaltelements 9 und 17 – sowohl der PWM-Controller 14 als auch der PWM-Controller 34 deaktiviert. In diesem Fall wird mit ansteigender Zwischenkreisspannung U_Z zunächst der Anlaufkondensator 22 über den Ladewiderstand 23 geladen, bis die Spannung U_L die Einschaltschwelle des Schaltelements 17 überschreitet, und das Schaltelement 17 somit den PWM-Controller 14 aktiviert. Nach einer gewissen Einschwingzeit des PWM-Controllers 14 versorgt sich der PWM-Controller 14 dann selbst über die Tertiärwicklung 26. Sobald aufgrund des zugeschalteten Stromnetzes 7 die Spannung U_H den ersten Grenzwert des Schaltelements 9 überschritten hat, schaltet dieses die Einrichtung 1 (durch Aktivierung des PWM- Controllers 34 und Deaktivierung des PWM-Controllers 14) in den netzgespeisten Betrieb.
Bei Abschalten oder bei Ausfall des Umrichters sinkt zunächst durch Zusammenbruch der Netzspannung die im zweiten Primärstromkreis 3 anliegende Spannung U_H unter den zweiten Grenzwert des Schaltelements 9 ab, worauf das Schaltelement 9 die Einrichtung 1 (durch Aktivierung des PWM-Controllers 14 und Deaktivierung des PWM-Controllers 34) in den zwischenkreisgespeisten Betrieb zurückschaltet. Die Einrichtung 1 arbeitet in diesem Betrieb solange weiter, bis der Zwischenkreis 6 weitgehend entladen ist, und somit auf die Spannung U_L unter die Ausschaltschwelle des Schaltelements 17 abfällt, worauf das Schaltelement 17 auch den PWM-Controller 14 abschaltet. Infolgedessen wird durch den Zusammenbruch der Versorgungsspannung U_S auch die Steuerelektronik des Umrichters abgeschaltet.
Durch diese Abschaltreihenfolge wird erreicht, dass beim Zusammenbruch der Versorgungsspannung U_S sowohl der Zwischenkreis 6 als auch die spannungsführenden Komponenten der Einrichtung 1 auf ungefährliche Spannungswerte entladen sind. Der Umrichter oder die Einrichtung 1 können daher sofort nach Erlöschen der Leuchtanzeigen der Steuerelektronik ohne Gefahr geöffnet werden.
Eine zweckmäßige Ausführung des Schaltelements 9 ist in 2 in größerem Detail dargestellt. Das Schaltelement 9 besteht in dieser Ausführung im Wesentlichen aus einer Komperatorschaltung 60 mit Schalthysterese, deren Ausgang von einem logischen „0”-Pegel auf einen logischen „1”-Pegel schaltet, wenn die eingangsseitig anliegende Spannung U_H den ersten Schwellwert überschreitet, und die ausgangsseitig von „1” auf „0” schaltet, wenn die Spannung U_H den zweiten Schwellwert wieder unterschreitet. Der Ausgangswert der Komperatorschaltung 60 ist einerseits direkt auf einen Optokoppler 61 geführt, der den zwischen dem Eingang 42 und dem Ausgang 44 ge bildeten Schaltweg bei anliegendem „0”-Signal hochohmig, bei anliegenden „1”-Signal niederohmig schaltet. Der Ausgangswert der Komperatorschaltung 60 ist andererseits über einen Invertierer 62 auf einen Optokoppler 63 geschaltet, der in Folge des Invertierers 62 komplementär zu dem Optokoppler 61 schaltet.
3 zeigt eine einfache und zweckmäßige Ausführung des Schaltelements 17 im Detail. In dieser Ausführung ist das Schaltelement 17 in Form einer Thyristorschaltung mit diskreten Transistoren 64 und 65 ausgebildet. Ein Steueranschluss 66 (oder „gate”) der Thyristorschaltung ist mit dem Mittelabgriff einer aus Widerständen 67 und 68 gebildeten Spannungsteilerschaltung verbunden, die zwischen dem Spannungseingang 21 und dem Masseanschluss 19 geschaltet ist. Anstelle der Transistoren 64 und 65 kann auch ein handelsüblicher Thyristor zum Einsatz kommen.
Die in 4 vergrößert dargestellte Einrichtung 8 umfasst eine Anzahl von Wechselspannungs-Kondensatoren 70, 71 und 72, deren jeder einerseits mit einer Netzphase 73, 74 und 75 des Stromnetzes 7, und andererseits jeweils mittels einer Entkopplungsdiode 76, 77 und 78 mit dem Hochpotentialanschluss 36 des Speicherkondensators 27 verbunden ist. Der netzferne Anschluss jedes Wechselspannungskondensators 70 bis 72 ist weiterhin mit einem Anschluss 79, 80 und 81 eines Halbleiterschalters 82, 83 und 84 verbunden. Jeder der Halbleiterschalter 82 bis 84 ist hierbei durch einen (normal sperrenden) MOSFET gebildet. Der Niederpotentialanschluss 43 des Speicherkondensators 27 ist jeweils mit einem zweiten Anschluss 85, 86 und 87 der Halbleiterschalter 82 bis 84 verbunden. Der Niederpotentialanschluss 43 des Speicherkondensators 27 ist weiterhin über jeweils eine weitere Entkopplungsdiode 88, 89 und 90 mit dem netzabgewandten Anschluss der Wechselspannungskondensatoren 70 bis 72 verbunden.
Die Halbleiterschalter 82 bis 84 sind steuerseitig mit einer Steuereinheit 90 verbunden, die durch Ansteuerung der Halbleiterschalter 82 bis 84 die über dem Speicherkondensator 27 abfallende Spannung U_H zwischen einem vorgegebenen oberen Schwellwert und einem vorgegebenen unteren Schwellwert regelt. Zum Aufbau sowie der Funktions- und Wirkungsweise der Filter- und Gleichrichtereinrichtung 8 wird im Übrigen auf den Offenbarungsgehalt der DE 103 36 287 A1 verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10336287 A1 [0007, 0021, 0055]

Claims

Stromversorgungseinrichtung (1) für die Steuerelektronik eines Umrichters, mit einem Transformator (5), der eine erste Primärwicklung (11) eines ersten Primärstromkreises (2), eine zweite Primärwicklung (31) eines zweiten Primärstromkreises (3) sowie eine Sekundärwicklung (50) eines Sekundärstromkreises (4) umfasst, wobei der erste Primärstromkreis (2) aus einem Zwischenkreis (6) des Umrichters gespeist ist, wobei der zweite Primärstromkreis (3) aus einem mit dem Umrichter verbundenen Stromnetz (7) gespeist ist, sowie mit einem ersten Schaltelement (9), das reversibel nach Maßgabe einer in dem zweiten Primärstromkreis (3) anliegenden Spannung (U_H) zwischen den Primärstromkreisen (2, 3) schaltet, so dass jeweils einer der Primärstromkreise (2, 3) aktiviert ist.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Schaltelement (9) dazu eingerichtet ist, den zweiten Primärstromkreis (3) zu aktivieren, wenn die hier anliegende Spannung (U_H) einen ersten Grenzwert überschreitet, und den ersten Primärstromkreis (2) zu aktivieren, wenn die im zweiten Primärstromkreis (3) anliegende Spannung (U_H) einen zweiten Grenzwert unterschreitet.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der erste Grenzwert den zweiten Grenzwert übersteigt.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in jedem der Primärstromkreise (2, 3) ein PWM-Schalter (10, 30) mit einem steuereingangsseitig vorgeschaltetem PWM-Controller (14, 34) angeordnet ist, und wobei das erste Schaltelement (9) die Primärstromkreise (2, 3) aktiviert bzw. deaktiviert, indem es den PWM-Controller (14, 34) des jeweiligen Primärstromkreises (2, 3) aktiviert bzw. deaktiviert.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in jedem der Primärstromkreise (2, 3) eine in Durchlassrichtung gepolte Diode (53, 54) angeordnet ist.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Schaltelement (9) im Wesentlichen durch eine Komparatorschaltung (60) mit einem nicht-invertierenden Ausgang (44) und einem invertierenden Ausgang (46) gebildet ist.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der PWM-Controller (14) des ersten Primärstromkreises (2) einerseits über eine Tertiärwicklung (26) des Transformators (5), und andererseits über einen in den Zwischenkreis (6) geschalteten Anlaufkondensator (22) mit vorgeschaltetem Ladewiderstand (23) spannungsversorgt ist.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei dem PWM-Controller (14) des ersten Primärstromkreises (2) spannungsversorgungsseitig ein separates zweites Schaltelement (17) vorgeschaltet ist, das mit einer vorgegebenen Schalthysterese in Abhängigkeit der anliegenden Eingangsspannung (U_L) schaltet.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei das zweite Schaltelement (17) im Wesentlichen durch eine Thyristorschaltung gebildet ist.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei dem zweiten Primärstromkreis (3) und dem Stromnetz (7) eine Gleichrichter- und Filtereinrichtung (8) zwischengeschaltet ist, die eine Anzahl von Wechselspannungs-Kondensatoren (70–72) umfasst, deren jeder einerseits mit einer Netzphase (73–75) des Stromnetzes (7) und andererseits jeweils mittels einer Entkopplungsdiode (76–78) mit einem Anschluss (36) eines Speicherkondensators (27) und jeweils einem Anschluss (79–81) eines Halbleiterschalters (82–84) ver bunden ist, wobei ein zweiter Anschluss (43) des Speicherkondensators (27) und jeweils ein zweiter Anschluss (85–87) jedes Halbleiterschalters (82–84) mit einem Bezugspotential verknüpft sind, das jeweils mittels einer weiteren Entkopplungsdiode (88–90) mit dem netzabgewandten Anschluss der Wechselspannungskondensatoren (70–72) verknüpft ist, und wobei jeder der Halbleiterschalter (88–90) steuerseitig mit einer Steuereinrichtung (91) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, eine über dem Speicherkondensator (27) abfallende Spannung (U_H) durch Ansteuerung der Halbleiterschalter (88–90) zwischen einem vorgegebenen oberen Grenzwert und einem vorgegebenen unteren Grenzwert zu regeln.
Stromversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei als PWM-Controller (14, 34) für den ersten Primarstromkreis (2) und/oder den zweiten Primärstromkreis (3) ein integrierter Schaltkreis des Typs UC 3843 eingesetzt ist.