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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, die als Schutz
in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis, beispielsweise einem Frequenz-Umrichter
installiert ist, wo Schutzmaßnahmen
erforderlich sind aufgrund von großen Startströmen im Zwischenkreis.
Schutz ist insbesondere anwendbar auf den Zwischenkreiskondensator,
aber Störungs-Entkopplungs-Kondensatoren,
die in RFI(Radiofrequenz-Interferenz)-Filtern verwendet werden,
können
ebenfalls während
der Anfahr-Sequenz beschädigt
werden.
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In
Frequenz-Umrichtern für
die Geschwindigkeitsregelung von elektrischen Motoren werden vielfach
Pulsbreiten- und
Pulsamplituden-Modulation von Leistungshalbleitern verwendet. Ein
Nebeneffekt dieser Modulation ist die Erzeugung von Leitungs-übertragenen
Funkstörungen.
Die Norm EN 55011 beschreibt Grenzwerte für die Emission von Funkstörungen für Geräte, die
elektrische Störungen erzeugen.
Diese Störungen
treten typischerweise im Bereich von einigen kHz bis ungefähr 30 MHz
auf. Diese Grenzwerte können
erfüllt
werden durch Installieren oder Verbinden eines RFI-Filters. Beim
Entwerfen eines RFI-Filters für
einen Frequenz-Umrichter muß berücksichtigt
werden, ob der Gleichrichter geregelt oder ungeregelt ist, wie auch
die Schaltfrequenz des Umrichters berücksichtigt werden sollte. Die
Länge der
Motorkabel ist ebenfalls ein wichtiger Parameter beim Entwurf. RFI-Filter
können
mit dem Ausgang des Frequenz-Umrichters
verbunden werden, im Zwischenkreis installiert werden oder auf der Netzseite
installiert werden.
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Die
Verwendung von RFI-Filtern verursacht jedoch Probleme, wenn zur
gleichen Zeit ein Fehlerstromschutzschalter auf der Netzseite des
Frequenz-Umrichters installiert ist. Hoch beanspruchbare RFI-Filter,
die auf der Netzseite montiert sind, haben einen oder mehrere geerdete
(PE, Schutzerde) Kondensatoren, die so groß sind, dass der Fehlerstromschutzschalter
während
des Anfahrens ausgelöst
wird. RFI-Filter, die im Zwischenkreis installiert sind, können ebenfalls
die Aktivierung des Fehlerstromschutzschalters verursachen. Dieses
Problem kann dadurch gelöst
werden, dass man Fehlerstromschutzschalter mit einem höheren Auslösestrom
verwendet oder dadurch, dass man Fehlerstromschutzschalter mit Verzögerungsschaltungen
verwendet, so dass Impulse mit kurzer Dauer kein Auslösen bewirken.
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Alternativ
dazu kann das Problem des unerwünschten
Auslösens
des Fehlerstromschutzschalters dadurch gelöst werden, dass man den RFI-Filter so
ausgestaltet, dass man den Kriechstrom gegen Erde begrenzt. Beispielsweise
beschreibt
EP 0 930 695 einen
RFI-Filter, der mit der Netzseite verbunden ist, der die Verbindung
eines Frequenz-Umwandlers mit einem Fehlerstromschutzschalter ermöglicht.
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Der
Konstrukteur eines RFI-Filters sieht sich einem weiteren Problem
gegenüber,
nämlich
der Verwendung von symmetrisch und unsymmetrisch geerdeten Netzversorgungen.
In symmetrisch geerdeten Netzversorgungen ist der Sternpunkt der
drei Phasen mit Erde verbunden, was die vorherrschende Gepflogenheit
in Europa ist. Asymmetrische Netzversorgungen werden oft in den
USA verwendet, worin eine der drei Phasen geerdet ist, eine so genannte
Delta-geerdete Netzversorgung. Frequenz-Umrichter an asymmetrischen
Netzversorgungen können
beträchtliche
Kriechströme
zur Erde verursachen und werden einen Fehlerstromschutzschalter öfter auslösen als
Frequenz-Umrichter,
die mit symmetrischen Netzversorgungen verbunden sind. In unserer
Erfahrung ergibt sich eine Verbindung eines Frequenz-Umrichters
mit einer asymmetrischen Netzversorgung in ungefähr 10% der Fälle.
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Wie
oben erwähnt
verursachen Störungs-Entkopplungs-Kondensatoren in
den RFI-Filtern Einschaltstoßströme zur Erde.
Ein weiterer Einschaltstoßstrom
ist derjenige, der während
des Anlaufens durch den Zwischenkreiskondensator läuft. Schutz
des Zwischenkreiskondensators ist in
JP 02 155 477 A beschrieben, worin ein Widerstand
in Reihe mit dem Zwischenkreiskondensator eingefügt ist. Ein Relais ist parallel
zum Widerstand angeordnet und das Relais wird während des Anlaufens durch eine
Steuereinrichtung offen gehalten und während des Betriebs geschlossen.
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SU 1 658 344 beschreibt
einen Frequenz-Umrichter, der in seinem Zwischenkreis zwei Kondensatoren
aufweist, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Leiter
geschaltet sind. Von dem Mittelpunkt des Kondensators ist ein PTC-Widerstand
(Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizient) mit Erde verbunden.
Die Funktion dieses Widerstandes ist es, den großen Startstrom zu begrenzen,
der vom Kondensator gezogen wird. Weil der Widerstand während des
Anlaufens sehr niedrig ist, kann der Kondenstor, der mit dem negativen
Leiter verbunden ist, als kurzgeschlossen betrachtet werden, was
den Ladestrom begrenzt. Wenn die Temperatur steigt, dann wird der
Widerstand so groß,
dass seine Anwesenheit keinen Einfluß während des Betriebs hat.
SU 1 658 344 beschreibt
jedoch nicht die Probleme, die mit der Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters
in Kombination mit Frequenz-Umrichtern verbunden sind, und die PTC-Lösung, die in
SU 1 658 344 verwendet wird, wird
wahrscheinlich zu einem so großen
Stromfluß zur
Erde führen,
dass das unerwünschte
Auslösen
des Fehlerstromschutzschalters auftreten wird.
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Meistenteils
beschreiben bekannte Verfahren den Schutz des Zwischenkreiskondensators.
In der
dänischen Patentanmeldung PA
2000 01837 hat der Anmelder eine Schaltung beschrieben,
die einen Einschaltstoß-Widerstand
aufweist, der in Reihe mit einem Störungs-Entkopplungs-Kondensator im Zwischenkreis
eingefügt
ist, und ein Schalter ist parallel zum Widerstand geschaltet. Dieser
Widerstand dämpft
den Gleichtakt-Strom, d. h. den Strom, der sowohl durch den positiven
als auch durch den negativen Leiter und danach zur Erde fließt. Der
Gleichtakt-Strom kann bestehen aus Störungs-Strom vom Umrichter oder
so genannten Spannungsstoßimpulsen
von der Netzversorgung. Ein zweiter Schalter ist mit einem zweiten
Einschaltstoß-Widerstand
in Reihe mit zwei Zwischenkreiskondensatoren verbunden und ein Schalter
ist parallel zum Widerstand geschaltet. Der Zweck des Widerstandes
ist es, den Differential-Strom während
des Anlaufens zu dämpfen,
d. h. den Strom, der von dem positiven zum negativen Leiter fließt. Ein
Nachteil dieser Schaltung ist jedoch das Erfordernis von zwei Relais.
Die physikalischen Dimensionen dieser Relais sind groß, was unerwünscht ist,
weil die Tendenz bei Frequenz-Umrichtern zu immer kleineren Motorsteuereinrichtungen geht.
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Auf
der Grundlage des Obigen ist es die Aufgabe, eine Schutzschaltung
für den
Gleichspannungszwischenkreis zu entwickeln, der sowohl den Zwischenkreiskondensator
als auch den Störungs-Entkopplungs-Kondensator
schützt
und weniger physikalischen Raum als bisher erfordert.
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In
einer elektronischen Schaltung zum Schutz gegen Einschaltstoßströme, die
in einem Gleichspannungszwischenkreis angeordnet ist, wobei die
Schaltung mit einem Zwischenkreiskondensator in Reihe geschaltet
ist und einen Einschaltstoßwiderstand
und einen Schalter aufweist, der durch eine Steuereinrichtung gesteuert
ist, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schaltung zusätzlich einen Störungs-Entkopplungs-Kondensator
aufweist, der Störungsströme zur Erde
leitet, dass der Einschaltstoß-Widerstand
ausgebildet ist als ein Widerstandsnetzwerk, das mit dem Schalter
verbunden ist, und dass die Steuereinrichtung den Widerstand des
Widerstandsnetzwerks über
den Schalter so ändert, dass,
wenn der Schalter offen ist, der Widerstand gegenüber einem
Differential-Strom größer ist
als der Widerstand gegenüber
einem Gleichtakt-Strom, und dass der Widerstand beim Schließen des
Schalters größer ist
gegenüber
dem Gleichtakt-Strom als gegenüber
dem Differential-Strom.
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Durch
Gestalten einer passiven Schutzschaltung, wie beschrieben, ist es
möglich,
die Anzahl der elektronischen Komponente zu minimieren, die erforderlich
sind, um eine Schaltung zu bilden, die einen Störungsfilter und einen Einschaltstoßschutz kombiniert.
Die Schaltung schützt
sowohl den Zwischenkreiskondensator als auch den Störungs-Entkopplungs-Kondensator
gegen übermäßige Einschaltstoßströme und funktioniert
gleichzeitig als ein Störungsfilter
sowohl beim Anlaufen als auch während
normalem Betrieb. Wenn der Schalter offen ist, hat das Widerstandsnetzwerk
einen wirksamen Widerstand gegenüber
Einschaltstoß-
und Störungs-Strömen, während beim
Schließen
des Schalters das Netzwerk einen unterschiedlichen wirksamen Widerstand
hat. Das Netzwerk bildet einen unterschiedlichen Widerstand in Abhängigkeit
davon, ob der Strom Gleichtaktstrom oder Differential-Strom ist.
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Die
Erfindung hat einen weiteren Vorteil, nämlich dass die Schaltung robuster
gegen Spannungsstoß-Spannungen
ist. Vor der endgültigen
Auslieferung testet der Hersteller der Schaltung diese dadurch,
dass er eine hohe Gleichtaktspannung von 4 kV zwischen dem Netz
und Erde anlegt. Dies verursacht normalerweise eine hohe Spitzenspannung durch
den Störungs-Entkopplungs-Kondensator, aber
indem man sicherstellt, dass ein Widerstand immer in Reihe mit dem
Kondensator angeordnet ist, wird eine Verminderung in der Amplitude
der Spitzenspannung erzielt.
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Das
Widerstandsnetzwerk hat den Vorteil eines fortgesetzten Dämpfungseffekts
nach dem Schließen
des Schalters. Die Erfindung unterscheidet sich hierdurch vom Stand
der Technik, worin ein Einschaltstoß-Widerstand keine aktive elektronische Rolle
mehr hat, nach dem der Schalter geschlossen ist. Er ist in der Regel
vollständig
kurzgeschlossen. Der Dämpfungseffekt
des Widerstandsnetzwerks nachdem Schließen des Schalters wirkt sich
auf den Gleichtaktstrom aus, aber nicht auf den Differential-Strom,
und ist wichtig beim Dämpfen
von unerwünschtem Übersprechen
in der Motor-Steuereinrichtung. Wenn der Schalter offen ist, arbeitet
die Schaltung sowohl als Störungsfilter
als auch als Einschaltstoß-Schutz,
wobei sie nach dem Schließen des
Schalters nur als Störungsfilter
wirkt.
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Die
Schaltung kann mit einem einzelnen Schalter konstruiert werden,
der mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden ist. Auf diese Weise werden
Einsparungen sowohl bei Kosten als auch insbesondere beim Raum erzielt,
da der Schalter, wenn er in der Form eines Relais ist, aus Sicherheitsgründen doppelt
isoliert sein muß.
Weiterhin ist lediglich ein einzelnes Steuersignal erforderlich,
verglichen mit dem früheren
Erfordernis von mindestens zwei.
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Der
Zwischenkreiskondensator kann die Form von zwei Kondensatoren annehmen,
wo der Schalter in Reihe angeordnet ist mitten zwischen den beiden
Kondensatoren und wo das Widerstandsnetzwerk parallel zum Schalter
angeordnet ist. Dies erlaubt ein Trennen des Widerstandsnetzwerks,
wenn gewünscht.
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Durch
Verbinden des Störungs-Entkopplungs-Kondensators
mit dem Mittelpunkt zwischen den beiden in Reihe geschalteten Widerständen und wo
diese Widerstände
wiederum mit dem Mittelpunkt zwischen den beiden Kondensatoren verbunden sind,
die eine Brücke
bilden von der positiven zu der negativen Sammelschiene des Zwischenkreises, kann
der Störungs-Entkopplungs-Kondensator
gegen hohe Spannungen geschützt
werden. Das heißt, die
Option auf eine niedriger ausgelegte und somit billigere Komponente
existiert. Auf diese Weise kann das Widerstandsnetzwerk gestaltet
werden mit nur zwei Widerständen.
Die zwei Widerstände
sollten vorzugsweise den selben Wert (R) haben. Wenn dies der Fall
ist, wird das Widerstandsnetzwerk einen Widerstand zwei Mal R gegenüber dem
differentialen Einschaltstoßstrom
darstellen, und einen Widerstand von ½ R gegenüber dem Einschaltstoß-Gleichtakt-Strom
wenn der Schalter offen ist, während, wenn
der Schalter geschlossen ist, das Widerstandsnetzwerk null mal R
gegenüber
dem Differential-Strom
und ½ R
gegenüber
dem Störungsstrom während normalem
Betrieb darstellen wird. In Abhängigkeit
von der Schalterstellung stellt das Widerstandsnetzwerk somit einen
Bereich von unterschiedlichen wirksamen Widerständen gegenüber unterschiedlichen Strömen dar.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass das Widerstandsnetzwerk so konstruiert ist,
dass der Widerstand gegenüber
dem Gleichtaktstrom nach dem Schließen des Schalters niedriger
ist als davor. Der Widerstand ist z. B. halbiert, wodurch der Störungsdämpfungseffekt
des Störungs-Entkopplungs-Kondensators
verbessert wird.
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Dies
wird insbesondere deutlich, wenn die Widerstände als NTC-Widerstände ausgebildet
sind. Mit steigender Temperatur fällt der Widerstand des Widerstandsnetzwerks,
was insbesondere nach dem Schließen des Schalters vorteilhaft
ist, weil es die Wirksamkeit des Störungsfilters verbessert.
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Die
Steuereinrichtung, typischerweise der Microcontroller der Motor-Steuereinrichtung,
schließt den
Schalter vorzugsweise, wenn der Zwischenkreiskondensator geladen
ist. An diesem Punkt ist die Einschaltstoß-Sequenz beendet und die Phase
des normalen Betriebs beginnt.
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Es
ist vorteilhaft, einen zusätzlichen
Störungs-Entkopplungs-Kondensator
von der positiven Sammelschiene des Zwischenkreises mit Erde zu verbinden.
Auf diese Weise kann die Schutzschaltung sowohl mit gewöhnlich geerdeten
als auch mit unsymmetrisch geerdeten Netzversorgungen verwendet
werden. Für
Netzversorgungen mit unsymmetrischer Erdverbindung wird der Schalter
sowohl beim Starten als auch in Betrieb offen gehalten, während für normale
Netzversorgungen der Schalter vorzugsweise während des Betriebs geschlossen
gehalten wird. Es ist deswegen für
den Hersteller nicht nötig,
zwei Versionen der kombinierten Störungs- und Schutzschaltung
zu liefern. Statt dessen kann die Schaltung am Ort des End-Nutzers
an die Netzversorgung angepasst werden, beispielsweise unter Verwendung
einer Schaltbrücke
(jumper).
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Um
die bestmögliche
Dämpfung
von Leitungs-übertragenen
Funkstörungen
zu erzielen, sollten die Störungen
sowohl auf der Netzseite als auch im Zwischenkreis gefiltert werden.
Störungsfilterung auf
der Netzseite wird erzielt durch Verbinden von mindestens zwei Kondensatoren
in Reihe von dem Versorgungskabel mit Erde. Der erste Kondensator, der
mit Erde verbunden ist, ist parallel mit einem Schalter geschaltet,
der während
des Einschaltstoßes
offengehalten wird. Auf diese Weise funk tioniert der erste Kondensator
als Einschaltstoßschutz. Wenn
gewünscht,
kann ein Widerstand parallel zu dem Schalter und zu dem ersten Kondensator
geschaltet werden. Indem man einen Filter und einen Einschaltstoß-Schutz auf der Netzseite
und im Zwischenkreis hat, wird ein zweistufiger Störungsfilter erreicht.
Die selbe Steuereinrichtung kann in herkömmlicher Weise die Schalter
gleichzeitig aktivieren.
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Die
Schalter, die beschrieben worden sind, sind hauptsächlich Relais,
aber Transistoren können ebenfalls
verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiden Figuren beschrieben,
worin:
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1 zeigt
eine frühere
Schutz- und Filterschaltung, die vom Anmelder entworfen ist
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2 zeigt
ein Beispiel einer Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Schaltung zum Einschaltstoß-Schutz
und Störungsfilterung,
wie in der
dänischen
Patentanmeldung PA 2000 01837 des Anmelders beschrieben.
Bezugszeichen
1 bezeichnet den Netzabschnitt und den Eingangsabschnitt
eines Frequenz-Umrichters. Auf der Netzseite ist eine Spannungsquelle
(nicht dargestellt) mit den Schaltern K verbunden, die dann mit
einem Fehlerstromschutzschalter
2 verbunden sind, durch
den drei Phasen zum Eingang des Frequenz-Umrichters verlaufen. Die
Kondensatoren C1, C2 und C3 sind mit den Phasenleitern an einem
Pol verbunden und am anderen Pol sind sie mit ei nem gemeinsamen
Sternpunkt verbunden. Sie arbeiten in herkömmlicher Weise, um differenzielle
Störungen
zu dämpfen.
Kondensatoren C4, C5 und C6 haben die selbe Rolle. Auf jeder Phase
zwischen den beiden Sätzen
von Kondensatoren ist eine Spule L1, L2 und L3 angeordnet, die als Gleichtaktspulen
wirken. Diese drei Spulen sind auf einen gemeinsamen Ferritkern
gewunden. Die Kondensatoren C7, C8 und C9 zweigen ab von den Versorgungsleitern
und wirken als Störungs-Entkopplungs-Kondensatoren, die
in einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden sind. Jeder Satz von Spulen
L und Kondensatoren C bildet einen LC-Rausch-Dämpfungs-Filter. Ausgehend von
dem Sternpunkt der Kondensatoren ist eine parallele Schaltung von
Widerstand R1, dem Relais S1 und der Reihenschaltung C10 und C11.
C10 und C11 können
auch ersetzt werden durch einen einzelnen Kondensator, aber bei
asymmetrisch geerdeten Netzversorgungen, worin S1 offen gehalten
werden muß,
können
hohe Spannungen, die die Spannungsspezifikation für den einzelnen
Kondensator überschreiten,
im Sternpunkt auftreten. Diese Parallelschaltung – gemeinsam
mit
4 bezeichnet – ist
geerdet. Kasten
5 bezeichnet die Komponenten, die als ein
passiver RFI-Filter auf symmetrisch geerdeten Netzversorgungen während normalem
Betrieb funktionieren. In dieser Ausführungsform ist der Gleichrichter
3 nicht
geregelt, aber ein geregelter Gleichrichter kann ebenfalls verwendet
werden. Hinter dem Gleichrichter
3, der Wechselstrom in
einen pulsierenden Gleichstrom wandelt, der durch den Gleichstrom-Zwischenkreis
6,
folgt eine Spule L4. Ihr Hauptzweck ist es, die 5. 7. und 9. Harmonische
des Stromes im Betrieb zu dämpfen,
um eine Netzrückwirkung
zu vermeiden, aber sie ist auch nützlich, um Funkstörungen zu
vermindern. Diese Spule wird deswegen gespiegelt durch L5 in der
negativen Sammelschiene der Gleichstromleitung. Der Zwischenkreiskondensator
besteht aus zwei Kondensatoren C16 und C17, die in Reihe geschaltet
sind, und der Störungs-Entkopplungs-Kondensator
C13 ist mit ihrem gemeinsamen Mittelpunkt verbunden. Das Potential dieses
Mittelpunkts ist fast bei Erdniveau und der Vorteil dieser Konstruktion
ist, dass der Kondensator einer niedrigeren Spannungslast unterworfen
ist, als wenn er beispielsweise direkt mit der negativen Sammelschiene
verbunden wäre.
Dies bedeutet, dass ein niedriger belasteter Kondensator verwendet
werden kann. Ein Wechselrichter (nicht gezeigt) ist mit dem Ausgang
7 verbunden.
Eine Steuereinrichtung
8 bestimmt, ob die Schalter S1 und
S2 geschlossen werden können,
was nicht auftreten sollte im Fall von unsymmetrischer Netzversorgung. Über das
Bedienungsfeld des Frequenz-Umrichters kann der Bediener Informationen
in die Steuereinrichtung
8 eingeben über den Typ des Netzes, welche
Frequenz-Umrichter RFI-Filter und Fehlerstromschutzschalter verbunden
sind. Alternativ kann der Bediener eine Kurzschlußbrücke setzen,
die am Relais angeordnet ist, wobei die Kurzschlußbrücke bestimmt,
ob das Relais schließen
sollte oder nicht.
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Wenn
die Schalter K am Eingang des Fehlerstromschutzschalters geschlossen
sind, beginnt die Einschaltsequenz. Aufgrund ihrer Größe werden
die Kondensatoren, C7, C8 und C9 einen großen Strom aufnehmen. Wenn ihr
Sternpunkt direkt geerdet wäre,
würde dieser
Strom ausreichend sein, um den Fehlerstromschutzschalter auszulösen. Ein
normaler Fehlerstromschutzschalter wird bei ungefähr 0,5 A ausgelöst, wobei
ein Fehlerstromschutz schalter mit hoher Empfindlichkeit bei einem
Strom von nur 30 mA ausgelöst
wird. Der Sternpunkt ist jedoch mit der Parallelschaltung 4 verbunden
und die Kondensatoren C10 und C11 sind so klein im Vergleich zu
C7, C8 und C9 dimensioniert, dass sie einen stark begrenzenden Effekt
auf die Amplitude des Kriechstroms und der Dauer des Stromimpulses
haben. C10 und C11 haben beispielsweise eine Größe von 220 nF, während C7,
C8 und C9 1 μF
haben. Der Widerstand R1 (100 kOHM) hat auch die Funktion, das Potential
im Sternpunkt auszugleichen, bevor das Relais S1 schließt. Während des
Anlaufens wird die Spitzenspannung über S1 im Bereich von 200–500 V liegen, aber
C10 und C11 werden über
R1 entladen, so dass die endgültige
Spannung über
R1 in der Nähe
von 0 V ist und somit S1 nicht beschädigen wird. Unter gewissen
Umständen
ist gezeigt worden, dass R1 auch weggelassen werden kann. Während der
Anlaufphase ist der Schalter S1 offen, so dass die Parallelschaltung
von C10, C11 und R1 als Einschaltstoßschutz wirkt. Die Steuereinrichtung 8,
die fast gleichzeitig mit dem Schließen der Schalter K aktiviert
worden ist, hat die Zeit vom Anlaufen registriert und nach einer
vorbestimmten Zeit schließt
sie den Schalter auf dem Relais S1. Der Schalter bleibt dann geschlossen
für den
Rest der Betriebszeit des Frequenz-Umrichters, so dass die richtigen
RFI-Kondensatoren C7, C8 und C9 direkt geerdet sind und der volle
Filtereffekt erzielt wird. Um Halteenergie zu sparen, verwendet
man ein bistabiles Relais bei S1.
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Schutz
gegen Auslösen
des Fehlerstromschutzschalters aufgrund von Erdkriechströmen in dem
Zwischenkreis des Frequenz-Umrichters wird zur Verfügung gestellt
durch die Parallelschaltung 9. Wenn die Schalter K am Eingang des
Fehlerstromschutzschalters geschlossen sind, beginnt der Einschaltstoß des Zwischenkreises
in Bezug zu Masse. Aufgrund seiner Größe wird der Kondensator C13
einen großen
Strom ziehen. Wenn er direkt mit Erde verbunden wäre, würde dieser
Strom ausreichen, um den Fehlerstromschutzschalter auszulösen. C13
ist jedoch in Reihe geschaltet mit der Parallelschaltung von R2
und S2, worin R2 als ohmsche Drossel während des Anlaufens wirkt.
Der Widerstand R2 (100 kOHM) ist hier auch positioniert, um das
Potential vor dem Schließen
des Schalters 2 auszugleichen. Während der Anlaufphasen ist
der Schalter S2 offen, so dass R2 als ein Einschaltstoß-Begrenzer wirken kann.
Die Steuereinrichtung 8 hat die Zeit seit dem Anlaufen
registriert und nach einer Periode, die ungefähr der Ladezeit des Kondensators
C13 entspricht, wird der Schalter auf dem Relais S2 geschlossen. Die
Schalter bleiben dann geschlossen für den Rest der Betriebsperiode,
so dass der echte Störungs-Entkopplungs-Kondensator
C13 direkt mit Erde verbunden ist und der volle Filtereffekt erzielt
wird. Wenn gewünscht,
können
Widerstand R2 und Relais S2 natürlich
ihre Positionen mit dem Kondensator C13 tauschen. Um Halteenergie
zu sparen, kann der Schalter S2 im selben Relais wie der Schalter
S1 angeordnet sein.
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Die
Schutzschaltung im Zwischenkreis, die in 1 gezeigt
ist, wirkt wie gewünscht,
aber besitzt unglücklicherweise
ein relativ großes
Volumen wegen der beiden Relais und dem Erfordernis für zwei Steuersignale.
Zusätzlich,
wenn der Schalter geschlossen ist, wird der Störungs-Entkopplungs-Kondensator
C13 nur durch parasitäre
Widerstände
in den Leitungen gedämpft.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung mit der erfinderischen Schutzschaltung 10,
die im Zwischenkreis angeordnet ist.
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Die
Zwischenkreiskondensatoren C18 und C19 sind jeweils mit den positiven
und negativen Leitern des Zwischenkreises verbunden. Die beiden Kondensatoren
sind verbunden durch ein Widerstandsnetzwerk, das zwei Widerstände R3 und
R4 aufweist, die in Reihe mit den Kondensatoren geschaltet sind.
Von dem Mittelpunkt zwischen den beiden Widerständen ist ein Störungs-Entkopplungs-Kondensator C20 mit
Erde verbunden. Ein Pol auf dem Schalter S3 ist mit einem Pol des
Kondensator C18 verbunden, während
der andere Pol auf dem Schalter mit einem Pol am Kondensator C19
verbunden ist. Die Steuereinrichtung 8 steuert Öffnen und Schließen des
Schalters S3 und auch den Schalter S1, wie in 1 gezeigt.
Die Schutzschaltung weist Komponenten R3, R4 und S3 auf. R3 und
R4 werden mit gleichem Nennwert angenommen. Wenn die Schalter K
am Eingang geschlossen werden beginnt die Einschaltstoßsequenz
in Bezug zur Erde und zum negativen Leiter. Der Schalter S3 wird
offengehalten und der Einschaltstoßstrom, der durch die Kondensatoren
C18 und C19 fließt,
wird durch die Summe der Widerstände
R3 und R4 gedämpft.
Zur gleichen Zeit dämpft
die Parallelschaltung von R3 und R4 den Einschaltstoßstrom zur
Erde und schützt
den Störungs-Entkopplungs-Kondensator C20.
Die beiden Widerstände
wirken somit gleichzeitig als eine Einschaltstoßbegrenzung für die gewöhnlichen
Zwischenkreiskondensatoren und für
die Störungs-Entkopplungs-Kondensatoren.
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Wenn
die Zwischenkreiskondensatoren geladen sind, schließt die Steuereinrichtung 8 den Schalter
S3 und die Zwischenkreiskondensatoren werden direkt in Reihe geschaltet.
Im Gegensatz zum herkömmlichen
Einschaltstoß-Schutz
wird der Einschaltstoß-Widerstand
nicht deaktiviert, sondern bleibt ein aktiver Teil der Schaltung.
Das Schließen von
S3 führt
zu einem Gleichtaktwert von der Hälfte der Einschaltstoß-Widerstände R3 und
R4. Diese Widerstände
können
als NTC-Widerstände
ausgebildet werden, die eine Verminderung in dem effektiven Widerstandswert
des Widerstandsnetzwerks gegenüber
Erdkriechströmen
vom Anlaufen bis zum Betrieb bewirken. Dies ist auch erwünscht, weil
ein hoher Widerstandswert während
des Anlaufens und ein niedriger Widerstandswert während des
Betriebs genau das ist, was gewünscht
ist. Je niedriger der parallele Wert von R3 und R4 im Betrieb ist,
desto besser ist die Ableitung von leitunggestützten Störungsströmen. Auf der anderen Seite
ist eine gewisse ohmsche Dämpfung
von Störungsströmen wünschenswert,
da ansonsten induktive Störungen
auftreten und weiterhin werden die Störungs-Entkopplungs-Kondensatoren im Fall von
angelegten Spannungsspitzenimpulsen geschützt.
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Übersprechen
tritt auf als ein Ergebnis des Ziels, den Frequenz-Umrichter so
klein wie möglich zu
bauen, was zu der dichten Nähe
von Störungs-gedämpften Verkabelungen
(Verbindungen, gedruckten Kupferstreifen usw.) und Störungsquellenverkabelung
führt.
Dies führt
zur Übertragung
von Störungen, aber
Störungsdämpfung kann
erzielt werden, indem man einen Widerstand in Reihe mit dem Störungs-Entkopplungs-Kondensator
C20 anordnet, ge nau wie C20 bestehen kann aus zwei Kondensatoren,
die in Reihe geschaltet sind. Unter gewissen Umständen kann
ein zusätzlicher
Dämpfungswiderstand
in Reihe mit C20 geschaltet werden. Wie in 1 ermöglichen
die Kondensatoren C14 und C15 einen Betrieb an einer asymmetrischen
Netzversorgung, wobei der Schalter S3 offen gehalten werden muss
sowohl beim Anlaufen als auch im Betrieb.
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In 2 sind
typische Werte für
die Komponenten wie folgt: R3 und R4 werden auf 15 Ω gesetzt und
der Störungs-Entkopplungs-Kondensator
C20 auf 100 nF. Der Zwischenkreiskondensator liegt typischerweise
im Bereich 470–1000 μF. Die Widerstände R3 und
R4 haben vorzugsweise feste Wert, können aber, wie oben erwähnt, auch
die Form von NTC-Widerständen
annehmen, so dass ihr ohmscher Widerstandswert mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Dies gibt eine größere Dämpfung der
Funkstörungen.
Die Verwendung von NTC-Widerständen kann
jedoch problematisch werden, wenn längere Motorleitung verwendet
werden, was dazu führt, dass
die NTC-Widerstände
geheizt werden. Beheizen führt
zu einer Verminderung im Widerstandswert und wenn die Motorsteuereinrichtung
heruntergefahren wird und dann kurz darauf hochgefahren wird, wird
der Einschaltstoß-Widerstand
unerwünschterweise
niedriger als beabsichtigt sein. Die Lösung hier ist es, R3 und R4
als feste Widerstände
jeweils in Reihe mit einem NTC-Widerstand auszubilden.
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Während normalem
Betrieb wirken die Komponenten im Kasten 5 (1)
und Schaltung 10 (2) als RFI-Filter. Der resultierende
RFI-Filter im Frequenz- Umrichter
wird aus zwei Stufen gebildet, eine erste Stufe zweiter Ordnung
auf der Netzseite und eine zweite Stufe zweiter Ordnung im Zwischenkreis.
Der effektive Filter ist deswegen von der Ordnung 4. Die
RFI-Filter auf der Netzseite und im Zwischenkreis können so
beschrieben werden, dass sie zwei Arbeitskennlinien haben, wobei
die erste Arbeitskennlinie einen kleinen RFI-Dämpfungsmechanismus hat, während das
Relais offen ist, während beim
Schließen
des Relais der RFI-Filter der anderen, stärker dämpfenden Arbeitskennlinie folgt.
Die gesamte Störungsunterdrückung während des
Anlaufs ist ungefähr
40 dB, wobei sie ungefähr
60 dB während
normalem Betrieb ist. Somit werden die RFI-Filter die volle Wirksamkeit
erst bei der zweiten Arbeitskennlinie erreichen, aber es ist nicht
wichtig, da es im Wesentlichen keine Funkstörungen gibt, bevor der Umrichter
seinen Betrieb beginnt.
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Die
Erfindung ist mit einem Relais als Schalter beschrieben, aber ein
Transistorschalter könnte auch
verwendet werden. Ein Relais ist jedoch bevorzugt, weil der Transistor
im ON-Zustand einen Restwiderstand hat, der die RFI-Dämpfungsleistung
im Betrieb vermindert.