-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung
einer Ansteuerung eines grundfrequenz getakteten netzseitigen Stromrichters
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. 2.
-
Aus
der Veröffentlichung
"Fundamental Frequency
Front End Converter (F3E) – a DC-link drive converter without
eletrolytic capacitor" von Kurt Göpfrich, Dr.
Carsten Rebbereh und Dr. Lothar Sack, PCIM 2003, Nürnberg,
Mai 2003, ist ein Antriebs-Umrichter bekannt, der netzseitig
einen ungesteuerten Gleichrichter und lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter
aufweist. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig direkt elektrisch
parallel geschaltet. D. h., im sogenannten Gleichspannungszwischenkreis
ist weder ein Zwischenkreiskondensator noch eine Zwischenkreisdrossel
angeordnet. Jeder Diode des netzseitigen Gleichrichters ist ein
elektronisch steuerbarer Schalter, insbesondere ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
(IGBT), elektrisch parallel geschaltet. Zwischen den Netzanschlüssen
und den Eingangs-Anschlüssen des netzseitigen Stromrichters
ist ein Filterkreis, bestehend aus Filterdrosseln und Filterkondensatoren,
angeordnet. Für die Generierung von Steuersignalen für
diese elektronisch steuerbaren Schalter ist eine Komparatorschaltung
vorgesehen, die eingangsseitig mit den speisenden Netz verknüpft
ist. Beispielsweise ist eine Komparatorschaltung und deren Funktion
in der
DE 199 13 634
A1 ausführlich behandelt.
-
Ein
derartiger Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einem grundfrequenz
getakteten netzseitigen Stromrichter ist rückspeisefähig.
Für einen grundfrequenz getakteten netzseitigen Stromrichter besteht
grundsätzlich die Anforderung, alle Ansteuerpulse unabhängig
von einer aktuellen Netzspannung durch einen externen Befehl einer
Umrichtersteuerung abschalten zu können. Diese Abschaltung
ist in einigen Störfällen des Umrichters, beispielsweise
bei motorseitigem Erdschluss, erforderlich, um unzulässige
Kurzschlussströme aus dem speisenden Netz des Spannungszwischenkreis-Umrichters
zu verhindern.
-
Die
Ansteuerschaltung oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter
eines grundfrequenz getakteten Stromrichters werden beispielsweise
aus einem eigenen Schaltnetzteil versorgt. Dieses Schaltnetzteil
liefert ständig Energie. Die Primärseite dieses
Schaltnetzteils liegt auf dem gleichen Potential wie eine Fehlererkennung.
Bei einem Fehler werden die Ansteuerpulse dieses Schaltnetzteils
gesperrt. Auf der Sekundärseite dieses Schaltnetzteils
ist nur ein Pufferkondensator mit geringem Speicherwert notwendig,
da ständig Energie nachgeliefert wird. Wird die Energie
zuvor unterbrochen, sinkt die Spannung am Pufferkondensator rapide
ab. Diese Spannungsverringerung wird mittels einer Unterspannungsüberwachung,
die beispielsweise Bestandteil einer Ansteuerschaltung ist, ermittelt.
Sobald eine vorbestimmte Unterspannung erreicht worden ist, werden
die Pulse für die oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter
des grundfrequenz getakteten netzseitigen Stromrichters gesperrt.
Nachteil dieser Spannungsversorgung besteht darin, dass ein separates
Schaltnetzteil benötigt wird. Dieses zusätzliche
Schaltnetzteil verursacht Kosten und beansprucht im Stromrichter
bzw. Umrichter einen ausreichenden Platz.
-
Bei
einer weiteren Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung oberer
abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter eines grundfrequenz getakteten
netzseitigen Stromrichters wird eine sogenannte Bootstrap-Schaltung
als Spannungsquelle eingesetzt. Diese Bootstrap-Schaltung weist
einen Speicherkondensator auf, der regelmäßig
nachgeladen werden muss. Die Kapazität dieses Speicherkondensators
muss derart bemessen sein, dass für die Zeitspanne einer
Netzperiodendauer, insbesondere für eine Zeitspanne, die
2/3 der Netzperiodendauer entspricht, eine am Speicherkondensator
anstehende Spannung an nähernd konstant ist. Diese Bootstrap-Schaltung
ist besonders kostengünstig.
-
Nachteilig
wirkt sich aus, dass bei einem Fehler, beispielsweise einem motorseitigen
Kurzschluss, wegen der großen Kapazität des Speicherkondensators
erst nach einer Vielzahl von Netzperiodendauern dieser Speicherkondensator
soweit entladen ist, dass die am Speicherkondensator anstehende
Spannung eine in einer Unterspannungsüberwachung vorbestimmte
Unterspannung unterschritten wird, wodurch die oberen abschaltbaren
Leistungshalbleiterschalter des grundfrequenz getakteten netzseitigen
Stromrichters wegen Unterspannung abgeschaltet werden. Diese Zeitspanne
einer Vielzahl von Netzperiodendauern ist aber für den
Störfall ”motorseitiger Kurzschluss” zu
lang. In dieser Zeit steigt ein fließender Kurzschlussstrom
dermaßen an, dass die von diesem Kurzschlussstrom durchflossenen
Halbleiterschalter zerstört werden. Unter Umständen
kann es zu einem Umrichterbrand kommen.
-
Aus
der
DE 10 2006
035 861 A1 ist eine Ansteuervorrichtung bekannt, die aus
einer Bootstrap-Schaltung versorgt wird. Diese Ansteuervorrichtung,
insbesondere in der Ausführungsform gemäß
5, weist ein potentialtrennendes Bauelement,
beispielsweise einen Optokoppler, auf. Mittels dieses Optokopplers
können im Fehlerfall alle oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter
eines grundfrequenz getakteten netzseitigen Stromrichters abgeschaltet
werden. Voraussetzung ist aber eine Ansteuerschaltung in der Ausführungsform
gemäß
5 dieser Offenlegungsschrift.
Außerdem wird ein zusätzliches potentialtrennendes
Bauelement benötigt, dem ein Fehlersignal zugeführt
werden muss.
-
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung
einer Ansteuerschaltung oberer abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter
eines grundfrequenz getakteten netzseitigen Stromrichters anzugeben,
mit der die zuvor genannten Nachteile nicht mehr auftreten.
-
Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder
2 gelöst.
-
Dadurch,
dass elektrisch parallel zum Speicherkondensator ein Zeitglied geschaltet
ist, wird im Fehlerfall nach einer Zeitspanne, die unwesentlich länger
ist als eine Netzperiodendauer, in Folge von Unterspannung die oberen
abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter eines grundfrequenz getakteten netzseitigen
Stromrichters abgeschaltet. Damit zwischen den Nachladezyklen zwischen
dem Speicherkondensator und dem Kondensator des Zeitgliedes keine
Ausgleichsströme fließen können, sind
diese beiden Kondensatoren mittels einer Entkopplungsdiode voneinander
entkoppelt. Der Vorteil dieser Spannungsversorgung besteht darin,
dass eine Bootstrap-Schaltung, die mittels eines Zeitgliedes erweitert
worden ist, verwendet werden kann, wobei für eine Abschaltung
des netzseitigen Stromrichters keine potentialtrennenden Bauelemente
und kein separates Steuersignal mehr benötigt werden.
-
Die
Ausführungsform gemäß Anspruch 2 unterscheidet
sich von der Ausführungsform gemäß Anspruch
1 dadurch, dass anstelle der Entkopplungsdiode ein Transistor verwendet
wird. Dieser Transistor ist im Betriebszustand ”Nachladung” leitend,
damit der Kondensator des Zeitgliedes parallel zum Speicherkondensator
aufgeladen werden kann. Sobald kein Nachladestrom mehr fließt,
ist der Transistor gesperrt. D. h., die Parallelschaltung aus Zeitglied
und Speicherkondensator ist aufgetrennt. Gegenüber der
Ausführungsform gemäß Anspruch 1 ist die
verfügbare Spannung am Speicherkondensator um eine Dioden-Durchlassspannung
einer Entkopplungsdiode größer.
-
Durch
diese erfindungsgemäße Lösung kann die
kostengünstige Bootstrap-Schaltung als Spannungsversorgung
für die Ansteuerschaltungen der oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter
eines grundfrequenz getakteten netzseitigen Stromrichters verwendet
werden, ohne dass dabei wenigstens ein potentialtrennendes Bauelement
und ein separates Steuersignal verwendet werden müssen.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Zur
näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die
Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch
veranschaulicht sind.
-
1 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines bekannten Antriebsumrichters ohne Spannungszwischenkreiskondensator,
die
-
2 zeigt
eine bekannte Spannungsversorgung für eine Ansteuerung
eines oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters und in der
-
3 ist
eine erste Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung
schematisch veranschaulicht, wobei in der
-
4 eine
zweite Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung
dargestellt ist.
-
In
der 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Antriebsumrichters 2 dargestellt,
der aus der PCIM-Veröffentlichung bekannt ist. Dieser bekannte
Antriebsumrichter 2 weist netzseitig einen Gleichrichter 4 und
lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 auf.
Der Gleichrichter 4 und der lastseitige selbstgeführte
Pulsstromrichter 6 sind gleichspannungsseitig direkt miteinander
mittels einer positiven und einer negativen Stromschiene 8 und 10 elektrisch
leitend verbunden. Im Gleichspannungszwischenkreis sind somit keine
Zwischenkreisdrosseln und Zweischenkreiskondensatoren mehr vorhanden. Zwischen
den Anschlüssen U, V, W eines nicht näher dargestellten
Netzes und den wechselspannungsseitigen Eingangs-Anschlüssen 12, 14 und 16 des Gleichrichters 4 ist
ein Filterkreis 18 angeordnet. Dieser Filterkreis 18 weist
Filterdrosseln LF und Filterkondensatoren
CF auf, wobei diese Filterdrosseln LF jeweils
in einer Netzzuleitung und die Filterkondensatoren CF in Dreieck
geschaltet sind. Der netzseitige Stromrichter 4 weist für
jede Spannungsphase zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden
auf, die derart elektrisch verschaltet sind, dass eine dreiphasige Gleichrichterbrückenschaltung
(6-pulsig) entsteht. Elektrisch parallel zu jeder Diode dieses Gleichrichters 4 ist
jeweils ein elektronisch steuerbarer Schalter T1, ..., T6 geschaltet.
Als elektronisch steuerbarer Schalter T1, ..., T6 sind abschaltbare
Halbleiterschalter, insbesondere IGBTs, vorgesehen.
-
Diese
elektronisch steuerbaren Schalter sind mit ihren Steueranschlüssen
gemäß PCIM-Veröffentlichung mit einer
Steuereinrichtung verknüpft. Da diese Steuereinrichtung
vorwiegend aus Komparatoren aufgebaut ist, wird diese als Komparatorschaltung bezeichnet.
Eine Ausführungsform dieser Komparatorschaltung ist der
DE 199 13 634 A1 entnehmbar.
-
In
der 2 ist eine bekannte Spannungsversorgungs-Vorrichtung
für eine Ansteuerschaltung 20 eines oberen abschaltbaren
Leistungshalbleiterschalters T1 näher dargestellt. Diese
Ansteuerschaltung 20 ist ausgangsseitig mit seinen beiden
Ausgängen 22 und 24 mit Steueranschlüssen,
beispielsweise einem Gate-Anschluss G und einem Source-Anschluss
S, des abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters T1 verknüpft.
Eingangsseitig ist zu den beiden Eingangs-Anschlüssen 26 und 28 der
Ansteuerschaltung 20 ein Speicherkondensator C1 elektrisch parallel
geschaltet. Ein positiver Anschluss 30 dieses Speicherkondensators
C1 ist mittels eines Widerstandes R1 und einer Entkopplungsdiode
D1 mit einem positiven Ausgangs-Anschluss 32 einer Spannungsquelle
elektrisch leitend verbunden. Von dieser Spannungsquelle ist aus Übersichtlichkeitsgründen nur
der sekundärseitige Pufferkondensator C2 dargestellt. Der
negative Ausgangs-Anschluss 34 dieser Spannungsquelle ist
mit der negativen Stromschiene 10 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 verknüpft.
Elektrisch parallel zu diesen Pufferkondensator C2 ist eine Ansteuerschaltung 36 des
unteren abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters T2 geschaltet.
Der Aufbau der beiden anderen Phasen dieses netzseitigen Stromrichters 4 entspricht
dem in der 2 dargestellten Aufbau. Die
Entkopplungsdiode D1 verhindert, dass ein Strom aus dem Speicherkondensator
C1 zum Pufferkondensator C2 fließt, insbesondere dann,
wenn der zugehörige Leistungshalbleiterschalter T2 gesperrt
ist. Der Widerstand R1 begrenzt einen Strom durch die Entkopplungsdiode
D1. Dieser Speicherkondensator C1, der auch als Bootstrap-Kondensator
bezeichnet wird, wird über die Diode D1 und den Begrenzungswiderstand
R1 auf die am Pufferkondensator C2 anstehende Spannung immer dann
aufgeladen, wenn der untere abschaltbare Leistungshalbleiterschalter
T2 durchgeschaltet ist. Wenn der untere abschaltbare Leistungshalbleiterschalter
T2 wieder sperrt, und sich das Potential am Eingangs-Anschluss 12 erhöht,
liegt am positiven Anschluss 30 des Speicherkondensators C1
eine Spannung an, die um die am Speicherkondensator C1 abfallende
Spannung höher ist als die vom Potential des Eingangs-Anschlusses 12.
-
Die
Ansteuerschaltungen
20 und
36 können entsprechend
einer Ansteuerschaltung der
DE 10 2005 045 345 A1 ausgeführt
sein. Um im Fehlerfall, beispielsweise einem motorseitigen Erdschluss,
diesen netzseitigen Stromrichter abschalten zu können, um
einen unzulässigen Kurzschlussstrom aus dem speisenden
Netz zu verhindern, muss ein potentialtrennendes Bauelement, beispielsweise
ein Optokoppler, für jede Ansteuerschaltung
20 der
oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 vorgesehen
werden. Dadurch kann ein Abschaltbefehl übertragen werden.
-
Soll
nur noch ein potentialtrennendes Bauelement anstelle von drei potentialtrennende
Bauelementen verwendet werden, so müssen die Ansteuerschaltungen
der oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und
T5 gemäß der Ausführungsform der
5 der
DE 10 2006 035 861 A1 ausgebildet sein.
-
In
der 3 ist eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsversorgung
der Ansteuerschaltung 20 des oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters
T1 dargestellt. Gegenüber der bekannten Vorrichtung gemäß 2 ist
elektrisch parallel zum Speicherkondensator C1 ein Zeitglied 38 geschaltet.
Dieses Zeitglied 38 besteht aus einer Parallelschaltung
eines Kondensators C3 und eines Widerstandes R2. Dieses Zeitglied 38 ist
so bemessen, dass nach einer Zeitspanne einer Netzperiodendauer
eine vorbestimmte untere Spannungsschwelle noch nicht erreicht wird.
Erfolgt nach dieser Zeitspanne keine Nachladung des Kondensators
C3 des Zeitgliedes 38, sinkt die Spannung am Kondensator
C3 weiter ab. Diese anstehende Spannung am Kondensator C3 des Zeitgliedes 38 ist
einer Unterspannungsüberwachung 40 der Ansteuerschaltung 20 zugeführt. Dazu
ist ein positiver Anschluss 44 des Zeitgliedes 38 mit
einem Eingang der Unterspannungsüberwachung 40 elektrisch
leitend verbunden. Wird eine untere Spannungsschwelle erreicht bzw.
unterschritten, wird der abschaltbare Leistungshalbleiterschalter
T1 wegen Unterspannung abgeschaltet.
-
Damit
der Kondensator C3 und der Speicherkondensator C1 voneinander entkoppelt
sind, ist eine Entkopplungsdiode D2 vorgesehen. Damit sich die Spannung,
die am Kondensator C3 des Zeitgliedes 38 und am Speicherkondensator
C1, gleichen, ist ebenfalls zwischen Widerstand R1 und dem Kondensator
C3 des Zeitgliedes 38 eine Entkopplungsdiode D3 angeordnet.
Mittels jeweils des Zeitgliedes 38 können nun
im Fehlerfall die oberen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter
T1, T3 und T5 eines grundfrequenz getakteten netzseitigen Stromrichters 4 eines
Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 abgeschaltet werden,
ohne dass ein zusätzliches Abschaltsignal potentialgetrennt
jeweils zu einer Ansteuerschaltung 20 der oberen abschaltbaren
Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 geführt werden muss.
-
Es
muss aber in Kauf genommen werden, dass das Potential am Anschluss 30 gegenüber
dem Potential des Pufferkondensators C2 um die Summe zweier Dioden-Durchlassspannungen
niedriger ist. Bei der bekannten Ausführungsform der Spannungsversorgungs-Vorrichtung
gemäß 2 ist dieses Potential nur um
eine Dioden-Durchlassspannung niedriger.
-
Die 4 zeigt
eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Spannungsversorgung
einer Ansteuerschaltung 20 jeweils eines oberen abschaltbaren
Leistungshalbleiterschalters T1, T3 und T5 eines grundfrequenz getakteten
netzseitigen Stromrichters 4. Gegenüber der Ausführungsform
gemäß 3 unterscheidet sich diese Ausführungsform
dadurch, dass anstelle der beiden Entkopplungsdioden D2 und D3 ein
Transistor 42, insbesondere ein pnp-Transistor vorgesehen
ist. Der Emitter-Anschluss E dieses Transistors 42 ist
einerseits mittels der Entkopplungsdiode D1 mit dem positiven Ausgangs-Anschluss 32 der
Spannungsquelle und andererseits mittels des Widerstandes R1 mit
dem positiven Anschluss 30 des Speicherkondensators C1
elektrisch leitend verbunden. Der Basis-Anschluss B dieses Transistors 42 ist
mittels eines Widerstandes R3 mit diesem positiven Anschluss 30 des
Speicherkondensators C1 elektrisch leitend verbunden. Der Kollektor-Anschluss
C dieses Transistors 42 ist mit einem positiven Anschluss 44 des
Zeitgliedes 38 verknüpft. Dieser positive Anschluss 44 ist,
wie bei der Ausführungsform gemäß der 3 mit
einem Eingang einer Unterspannungsüberwachung 40 verbunden.
-
Fließt
nun ein Nachladestrom, so fällt am Widerstand R1 eine Spannung
ab, die den Transistor 42 leitend schaltet. Dadurch wird
der Kondensator C3 des Zeitgliedes 38 parallel zum Speicherkondensator C1
geladen. Der Widerstand R3 dient zur Begrenzung des Basisstromes
des Transistors 42. Sobald diese Kondensatoren C1 und C3
aufgeladen sind, fließt kein Strom mehr durch den Widerstand
R1, so dass der Transistor 42 sperrt.
-
Der
Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der Ausführungsform
gemäß 3 besteht darin, dass im Versorgungspfad
von der Entkopplungsdiode D1 über den Widerstand R1 zum
Speicherkondensator C1 keine weitere Diode D2 sich befindet, die
einen Spannungsabfall generiert und so die verfügbare Spannung
am Speicherkondensator C1 reduziert. Somit entspricht die verfügbare
Spannung am Speicherkondensator C1 der verfügbaren Spannung
der Vorrichtung gemäß der 2.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung
zur Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung oberer abschalt barer
Leistungshalbleiterschalter T1, T3 und T5 eines grundfrequenz getakteten
netzseitigen Stromrichters 4 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 kann
die kostengünstige Bootstrap-Schaltung verwendet werden, ohne
dass für Fehlerfälle, insbesondere dem Fehlerfall ”motorseitiger
Kurzschluss” wenigstens ein zusätzliches potentialtrennendes
Bauelement verwendet werden muss.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19913634
A1 [0002, 0020]
- - DE 102006035861 A1 [0007, 0023]
- - DE 102005045345 A1 [0022]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ”Fundamental
Frequency Front End Converter (F3E) – a DC-link drive converter
without eletrolytic capacitor” von Kurt Göpfrich,
Dr. Carsten Rebbereh und Dr. Lothar Sack, PCIM 2003, Nürnberg,
Mai 2003 [0002]