DE112008003666B4 - Magnetenergie-Wiederherstellschalter mit Schutzschaltung - Google Patents

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Abstract

Magnetenergie-Wiederherstellschalter, der eine Schutzschaltung aufweist und zwischen einer Wechselstromversorgung und einer Last eingefügt ist, um gegen Überspannung und Überstrom zu schützen, wobei der Magnetenergie-Wiederherstellschalter umfasst: – eine aus vier Halbleiterschaltern vom rückwärts leitenden Typ konstruierte Brückenschaltung; – einen zwischen Gleichstromanschlüssen der Brückenschaltung verbundenen Kondensator, der Magnetenergie beim Abschalten eines Stroms aufnimmt und speichert; und – Steuermittel; wobei die Schutzschaltung umfasst: – eine parallel zum Kondensator geschaltete Spannungsdetektionseinheit zum Detektieren einer Spannung des Kondensators; und – eine parallel zum Kondensator verbundene Entladeschaltung, die einen Entladewiderstand und einen in Reihe verbundenen Entladeschalter aufweist; und – eine zwischen der Wechselstromversorgung und der Last eingefügte Stromdetektionseinheit, die den Strom detektiert, der durch die Last fließt; wobei das Steuermittel – jeden der vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ synchron zur Spannung der Wechselstromversorgung und mit der Frequenz der Wechselstromversorgung so steuert, dass jeweils diagonal gegenüberliegende geschaltete...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter, der zwischen einer Wechselstromversorgung und einer Last einverbunden ist und der eine Schutzschaltung zum Schutz von Halbleiterschaltern vom rückwärts leitenden Typ, die den Magnetenergie-Wiederherstellschalter bilden, gegen Überspannung und zum Schutz von Halbleiterschaltern und einer Last gegen Überstrom aufweist.
  • Hintergrund
  • Heutzutage sind elektrische Stromenergiesysteme kritisch wichtige soziale Infrastrukturen, die nicht für auch nur einen Moment gestoppt werden können. Jedoch ist bei einer Abnormalität oder einer Störung einer Last, die einen Überstrom verursacht, eine dagegen ergriffene Maßnahme eine Hochgeschwindigkeitsunterbrechung der Last, wie durch eine Sicherung oder einen mechanischen Hochgeschwindigkeitsschalter ausgeübt. Nichts desto Trotz hat es einen Bedarf für einen hoch funktionalen Schalter gegeben, eine Steuerung oder einen Strombegrenzer genannt, der in der Lage ist, nur den Überstrom zu begrenzen und einen fortgesetzten Betrieb ohne vollständiges Anhalten der Last zu gestatten, wie auch eine Systemwiederherstellung für einen Vollbetrieb nach Rückkehr zur Normalität.
  • Elektrische Stromsysteme müssen dafür ausgelegt sein, einem kurzzeitigen Überstrom zu widerstehen, der aufgrund etwa eines Impulsstroms einer Glühlampe, die erleuchtet wird, einem Einschalt-Peak eines Induktionsmotors oder einer anfänglichen Erregungs-Einschaltspitze eines Transformators verursacht wird. Es ist wichtig, die Produktionskapazität jeder Maschine angemessen zu verteilen. Eine Gleichrichterstromversorgung vom Halbleitertyp der letzten Jahre, wie etwa beispielsweise ein Brennstoffzellenwechselrichter, kann in vielen Fällen einem Spitzenstrom nicht widerstehen, der fast das Zehnfache des Anregungs-Einschaltspitzen-Stroms eines Transformators beträgt. Daher weisen Wechselrichterstromversorgungen verschiedene Weichstartfunktionen auf, die funktionieren, wenn es eine Last für eine Gleichrichterstromversorgung gibt, aber nicht bei spät gestarteten aus der Mehrzahl von Lasten, die mit einer Wechselrichterstromversorgung verbunden sind, funktionieren mögen.
  • Elektrische Stromsysteme werden unter Erwägung von Schutzkoordination, Strom und Dauer derselben ausgelegt, um einen unabsichtlichen Kurzzeitstrom auszuhalten. Jedoch führen solche Systeme lediglich eine Schutzkoordination durch, die auf die Verhinderung des Einflusses über den Zustrom abzielt, durch selektives Unterbrechen des Fehlerstroms durch einen Schalter. Es ist eine jüngere soziale Anforderung, einen kontinuierlichen Betrieb soweit wie möglich ohne Stromunterbrechung zu erzielen, falls der Unfall stromab eines Systems stattgefunden hat.
  • Bezüglich eines Strombegrenzers, der einen Fehlerstrom mit Reihenelementen beschränkt, ist eine Anwendung entwickelt worden, die auf dem transienten Phänomen zwischen Superleitfähigkeitsmodus und normalem Leitfähigkeitsmodus basiert. Dies dient Größen- und Kostenreduktionen des Unterbrechers, dessen erforderliche Kapazität extrem groß ist, wenn der Unfallstrom übermäßig groß ist: solche eine Größen- und Kostenreduktion kann erzielt werden, wenn nur der Unfallstrom durch den Strombegrenzer auf die Hälfte oder so reduziert wird.
  • Im Falle eines 3-Phasen-Transformators wird aufgrund von Eisenkernsaturierung ein Anregungs-Einschaltspitzenstrom erwartet. Es ist daher notwendig, dass solche Transformatoren dafür konstruiert sind, eine Überstromswiderstandkapazität gegen die elektromagnetische Kraft des elektrischen Drahtes zu besitzen.
  • Narushima et al., Vortrag auf der IPEC-Niigata 2005, 4.–8. April 2005, in Niigata, Japan, beschreibt einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter (MERS) mit vier Transistor/Diodenschaltern, von denen jeweils zwei in Reihe geschaltet sind, und beide resultierende Reihenschaltungen parallel zueinander geschaltet sind. An den Verbindungen zwischen den jeweiligen in Reihe geschalteten Schaltern ist ein Kondensator zwischen den parallelen Schaltpaaren eingefügt. Wenn alle vier Schalter eingeschaltet sind, findet durch beide parallele Schaltungen eine Stromzufuhr zu einer Last statt. Wenn „diagonal” in Bezug auf den Kondensator angeordnete Schalter abgeschaltet werden, wird der Kondensator unter rapidem Stromabfall geladen, beim Wiedereinschalten des anderen Diagonalpaars fließt dann ein Strom, getrieben durch den Kondensator. Narushima et al. lehrt insbesondere eine Steuerung der vier Schaltelemente mittels einer Pulssteuerung (und Phasensteuerung), die durch die Stromstärke im System kontrolliert wird.
  • Isobe et al., Power-Conversion-Konferenz, Nagoya, Japan, 2007, IEEE-Veröffentlichung, Seite 919 ff., lehrt einen vom Aufbau identischen MERS, bei dem jedoch die Diagonalpaare von Schaltern basierend auf einer rückgekoppelten Spannung sowie Phasendetektion gesteuert werden.
  • Takaku et al., IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Band 14, Seite 1794 (2004) beschreibt einen weiteren MERS gleichen Aufbaus mit einer Pulsweiten-Modulationssteuerung vergleichbar mit Narushima et al.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Der Magnetenergie-Wiederherstellschalter ist ein Schalter, der elektrischen Strom zwischen einer Wechselstromversorgung und einer Last steuern kann. Der Magnetenergie-Wiederherstellschalter hat eine Struktur von Schaltern, die unabhängig durch vier Gattersignale EIN/AUS-geschaltet werden und kann in einem Kondensator Magnetenergie einer Last speichern und regenerieren. Es ist bereits patentiert und offenbart (siehe japanisches Patent Nr. 3634982 ), dass verschiedene elektrische Stromsteuerungen möglich sind, indem eine automatisch in einem Kondensator erzeugte Spannung dazu gebracht wird, eine Reaktanzspannung auszubilden. Es ist eine Charakteristik dieses Schalters, dass die Phasenvoreilung des Stromes durch Steuerung eines entgegengesetzten Paars von vier Halbleiterschaltern vom rückwärts leitenden Typ erzielt wird, die in einer Brückenstruktur so verbunden sind, dass diese entgegengesetzten Paare abwechselnd EIN und AUS schalten, indem an ihrem entsprechenden Gatter Signale zugeführt werden, die synchron mit der Versorgungsspannung EIN- und AUS-geschaltet werden. Es ist auch eine Charakteristik, dass die Spannung an der Last durch die Phasenvoreilung des Stroms in einer induktiven Last erhöht und gesenkt werden kann.
  • Wenn zu viel durch einen Überstrom einer Last verursachte Magnetenergie durch einen Normalbetrieb dieser Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ reguliert wird, kann dies dazu führen, dass ein unerwartet hoher Pegel magnetischer Energie wiedergewonnen wird und der Pegel kann die Spannungsfestigkeit des Kondensators und/oder die Kapazitätsfestigkeit für Strom und Spannung der Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ übersteigen. In diesem Moment, falls die Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ sofort geschützt werden können, wird ein solcher Schutz auch die Last und die Stromversorgung schützen. Dies macht die Signifikanz der Schalterschutzfunktionalität klar und impliziert gleichzeitig ihre andere Wichtigkeit beim Erzielen eines verkleinerten preisgünstigen Schalters, der erreicht wird, wenn der Schalter selbst frei von Überlastkapazitätsanforderungen ist, als ein Ergebnis der obigen Schutzfähigkeit.
  • 1 zeigt eine Wechselstromversorgungseinheit, die einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter verwendet, für den eine Patentanmeldung eingereicht und ebenfalls veröffentlicht worden ist (siehe ungeprüfte japanischen Patentanmeldung KOKAI Veröffentlichungsnummer 2004-260991 ). In dieser Struktur, wenn eine Widerstandskomponente der Last R für einen kurzen Zeitraum transient abnimmt, fließt ein großer Strom und die Magnetenergie wächst und der Kondensator 10 kann nicht mehr die Magnetenergie absorbieren und es findet eine Überspannung statt. Zu diesem Zeitpunkt wird an die Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ (S1–S4) dieselbe Spannung angelegt und sie können zerstört werden, wenn die angelegte Spannung die Spannungsfestigkeit derselben übersteigt.
  • 2 zeigt durch Computersimulation, dass, wenn eine Widerstandskomponente der Last R auf die Hälfte abnimmt und ein Überstrom fließt, als ein Ergebnis die Spannung des Kondensators rasch anwächst. Der Spitzenwert der Kondensatorspannung steigt, 0,5 Sekunden nachdem der Unfall stattgefunden hat, von 200 V auf 700 V. Dies zeigt, dass der Vorzug der Erschwinglichkeit eines kleiner bemaßten Kondensators Dank der begrenzten Anforderung, nur die Magnetenergie der Last zu speichern, im Falle eines Überstroms einen Nachteil der kleinerer Energieabsorptionskapazität darstellen kann.
  • Um diese Art von Halbleiterschaltern vom rückwärts leitenden Typ zu schützen, ist es einfach, den Betrieb derselben durch Überführen in einen Umgehungsmodus (Kurzschluss) zu stoppen. Dies wird zu einem Stopp des Betriebs aller Lasten führen und gleichzeitig zu einem Stopp des Betriebs der anderen Maschinerie führen, die verbunden ist und gerade betrieben wird. Dies ist zuvor als unvermeidlich angesehen worden. Der Magnetenergie-Wiederherstellschalter ist mit einem Energiespeicherkondensator versehen, der Magnetenergie mit vier Halbleiterschaltern vom rückwärts leitenden Typ wiedergewinnt und der Timings zum Unterbrechen und Herstellen des Schaltkreises frei setzen kann. Falls ein Betriebssteuerverfahren, das einen solchen Vorteil hinreichend einsetzt, angenommen wird, ist es möglich, ein Anhalten und/oder Begrenzen des Stroms mit der Maximalkapazität zu erzielen, ohne lediglich die Schaltung zum Zeitpunkt des Überstroms zu unterbrechen, und zu einem Normalzustand zurückzukehren, wenn die Ursache des Überstroms entfernt wird. Dies bedeutet, dass der Magnetenergie-Wiederherstellschalter als ein hoch funktionaler Wechselstromschalter dienen kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist unter Erwägung der obigen Bedingungen realisiert worden und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter bereitzustellen, der eine Schutzschaltung zum Schützen des Magnetenergie-Wiederherstellschalters gegenüber Spannung und/oder Überstrom aufweist, die durch eine Abnormalität und/oder Störungen der Last verursacht sind.
  • Mittel zum Lösen des Problems
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
  • Auch kann die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter mit einer Schutzschaltung gelöst werden, wobei die Schutzschaltung weiter eine zwischen der Wechselstromerzeugung und der Last eingefügte Stromdetektionseinheit umfasst, die den Strom detektiert, der durch die Last fließt; und das Steuermittel eine Steuerung zur Begrenzung eines Stroms durchführt, indem die relative Einschaltdauer an EIN/AUS des Impulses der Steuersignale kleiner als 0,5 gemacht wird, wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  • Darüber hinaus kann die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung effektiv gelöst werden, indem das Steuermittel dazu gebracht wird, die Gatter so zu steuern, dass alle vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ AUS-geschaltet werden, um den Strom zu unterbrechen, wenn eine Zeitdauer, während der die Ausgabe der Spannungsdetektionseinheit einen vorbestimmten Wert übersteigt, einen vorbestimmten Zeitraum übersteigt; oder indem das Steuermittel dazu gebracht wird, die Gatter so zu steuern, dass sie, wenn die Kondensatorspannung Null ist, alle vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ EIN-schalten, um einen bilateralen leitenden Zustand zu erreichen, wenn die Zeitdauer, während der die Ausgabe der Spannungseinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt, einen vorgegebenen Zeitraum übersteigt.
  • Weiterhin kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung effektiv gelöst werden, indem die Schutzschaltung dazu gebracht wird, weiter eine zwischen der Wechselstromversorgung und der Last eingefügte Stromdetektionseinheit zu umfassen, um den Strom zu detektieren, der zur Last fließt, wobei das Steuermittel die Gatter so steuert, dass alle vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ AUS-geschaltet werden, um den Strom zu unterbrechen, wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt; oder das Steuermittel die Gatter so steuert, dass nur ein Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ des entgegengesetzten Paars der Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ der Brücke AUS-geschaltet wird, die EIN sind, um den Strom zu unterbrechen, wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit einen vorbestimmten Wert übersteigt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Beispiel einer Wechselstromversorgungseinheit, die einen konventionellen Magnetenergie-Wiederherstellschalter einsetzt;
  • 2 zeigt Simulations-Ergebnisse der Überspannungs- und Überstromerzeugung;
  • 3 ist ein Schaltungsblockdiagramm, das eine Struktur eines Magnetenergie-Wiederherstellschalters zeigt, der eine Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
  • 4 zeigt eine Unterbrechung in der Stromwellenform aufgrund einer Stufenänderung bei einer Gattersteuerphase;
  • 5 zeigt eine Stromsteuerung durch Steuern der relativen Einschaltdauer eines Gatterimpulses;
  • 6 zeigt eine Stromsteuerung durch Schutz gegen eine Überspannung;
  • 7 zeigt ein Simulationsmodell und Ergebnisse desselben;
  • 8 ist ein Schaltungsblockdiagramm für eine Simulation;
  • 9 zeigt analytische Ergebnisse, die durch eine Simulation erhalten werden;
  • 10 zeigt Effekte des AUS-Schaltens aller Gatter mittels Simulation; und
  • 11 zeigt Simulationsergebnisse zu einer Steuerung über das Stoppen der Gatter von S1 und S4, wenn ein momentaner Wert des Stroms einen vorbestimmten Wert übersteigt.
  • Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter mit einer Schutzschaltung, um einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter gegen Überspannung und/oder Überstrom zu schützen. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Der Magnetenergie-Wiederherstellschalter (nachfolgend MERS), der mit einer Schutzschaltung der vorliegenden Erfindung versehen ist, umfasst eine aus vier Halbleiterschaltern vom rückwärts leitenden Typ (nachfolgend Halbleiterschalter) S1 bis S4 konstruierte Brückenschaltung, einen zwischen Gleichstromausgabeanschlüssen der Brückenschaltung verbundenen Kondensator 2 zum Wiederherstellen und Speichern der Magnetenergie (Überspannungsenergie) der Schaltung, wenn der Strom abgeschaltet wird, und Steuermittel 4 zum Steuern der Phase der Gattersteuersignale, um entgegengesetzte Paare (S1 und S3, S2 und S4) der Halbleiterschalter der Brücke simultan EIN/AUS zu schalten. Dieser MERS ist in Reihe zwischen einer Wechselstromversorgung 3 und Lasten (L, R) eingefügt.
  • Die Schutzschaltung zum Schützen des MERS gegen Überspannung oder Überstrom umfasst eine Spannungsdetektionseinheit 5, die parallel zum Kondensator 2 geschaltet ist, zum Detektieren der Spannung des Kondensators 2, und eine Entladeschaltung 6, die parallel zum Kondensator 2 verbunden ist und einen Entladewiderstand 61 und einen Entladeschalter 62 aufweist; und die EIN/AUS-Schaltung des Entladeschalters 62 wird durch die aus dem Steuermittel 4 gelieferten Gattersteuersignale gesteuert. Eine konkretere Erklärung ist, dass eine Ausgabe der Spannungsdetektionseinheit 5 in das Steuermittel 4 eingegeben wird und der Ausgabewert mit einem zuvor im Steuermittel 4 gespeicherten Schwellenwert verglichen wird. Wenn die Ausgabe der Spannungsdetektionseinheit 5 den Schwellenwert übersteigt, d. h. wenn der Kondensator eine Überspannung aufweist, sendet das Steuermittel 4 ein EIN-Signal an das Gatter des Entladeschalter 62, um den Entladeschalter 62 kurzzuschließen, zum Entladen der elektrischen Ladung des Kondensators 2 über den Entladewiderstand 61, um die Kondensatorspannung zu reduzieren; und das Steuermittel 4 sendet ein AUS-Signal an das Gatter des Entladeschalters 62 und der Entladeschalter wird abgeschaltet, wenn die Kondensatorspannung zu einem Wert innerhalb eines normalen Wertebereichs zurückkehrt. Es können Leistungs-MOSFETs und IGBTs und dergleichen als Halbleiterschalter verwendet werden.
  • In einem Fall, bei dem eine Entladeschaltung 6 zum Schützen des Kondensators 2 durch Entladen des Kondensators 2 hinzugefügt wird, wird der Entladeschalter 52, wenn die Kondensatorspannung 400 V übersteigt, wie in 4 gezeigt, EIN-geschaltet, um die Entladeschaltung 6 zu betreiben, den Strom an den Entladewiderstand 61 zu entladen, wodurch verhindert wird, dass die Kondensatorspannung 400 V übersteigt. Es ist wichtig, dass als ein Ergebnis der reduzierten Kondensatorspannung auch die Reaktanzspannung reduziert wird und daher das Steigen des Laststroms auch aufgrund der Beschränkung der Kondensatorspannung reduziert wird. Es ist für den Überstrom des Magnetenergie-Wiederherstellschalters charakteristisch, dass die Kondensatorspannung rasch steigt und falls die Kondensatorspannung reduziert wird, der Strom nicht steigt. Dies ist maßgeblich anders als der Schutz eines Kondensators gegen Überspannung durch die konventionelle Wechselrichtervorrichtung.
  • Als anderes Mittel kann es möglich sein, dass, wenn ein Magnetenergie-Wiederherstellschalter oder ein Kondensator eine Spannungsfestigkeit übersteigt, die Phase des Gattersteuersignals des Magnetenergie-Wiederherstellschalters weiter vorgerückt wird, um die geteilte Spannung der Last zu reduzieren. Jedoch ist der Steuerzyklus der Phase des Gatterimpulses ein halber Zyklus synchron zur Stromversorgung, daher macht die Änderung der EIN/AUS-Phase, die nahe an der Phasengeschwindigkeit ist, die EIN-Zeit des Gatters länger als einen halben Zyklus und erzeugt eine Gleichstromkomponente an einer Last, was nicht wünschenswert ist. Für eine Änderung bei der EIN/AUS-Phase ist es notwendig, eine Zeitkonsonante von mehr als 10 mS zu setzen. Dieses Ergebnis erscheint einen Zyklus später. Bezüglich der Steuerung der Änderung bei der Ausgabe der Last ist die normale Steuerung, wie oben beschrieben, hinreichend. Jedoch ist im Falle eines Überstroms aufgrund eines Unfalls oder dergleichen die Geschwindigkeit des steigenden Stroms schneller als ein Zyklus und die Reaktion erfolgt nicht rechtzeitig. 5 zeigt Simulationsergebnisse, welche illustrieren, dass aufgrund einer raschen Änderung bei der Phase der Gattersignale Impulse fehlen und es eine Unterbrechung bei der Ausgabestromwellenform gibt.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Schutzschaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Reduktion der Impulsbreite des EIN-Signals des Gatters ergriffen (d. h., die relative Einschaltdauer des Gatterimpulssignals kleiner als 0,5 zu machen).
  • Das heißt, die Detektion eines zur Last fließenden Stroms wird durch die zwischen der Wechselstromversorgung 3 und der Last eingefügte Stromdetektionseinheit 7 ausgeführt und wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit 7 einen vorbestimmten Wert übersteigt, steuert das Steuermittel 4 so, dass die relative EIN/AUS-Schaltdauer des Impulses der Gattersteuersignale des Halbleiterschalters 1 kleiner als 0,5 gemacht wird, wodurch eine Strombegrenzungssteuerung ausgeführt wird.
  • Durch Kombinieren der Entladung des Kondensators durch die Entladeschaltung 6 mit der Strombegrenzungssteuerung durch Bringen der relativen EIN/AUS-Schaltdauer des Impulses der Gattersteuersignale der Halbleiterschalter 1 auf kleiner als 0,5, wird die Schutzfunktion des MERS weiter verbessert.
  • 6 zeigt Ergebnisse einer Simulation, bei der die Impulsbreite vom EIN-Signal rasch von 180° nach 0,65 Sekunden reduziert wird und zur normalen Weite nach 0.85 Sekunden rückkehrend gemacht wird. Obwohl die Impulsbreite rasch reduziert wurde, ist die Stromwellenform nicht unterbrochen worden und der Strom wurde abgesenkt.
  • Danach kann die Kombination der Schutzfunktion gegen Überspannung durch einen Spannungsspitzenschnitt für den Kondensator und die Strombegrenzungsfunktion durch die Impulsbreitensteuerung des EIN-Signals der Gatter breit als Schutzverfahren für MERS einsetzbar sein und doch ist Schutz durch nur eine solche Kombination in diesem Falle möglich.
  • Die vorliegende Erfindung ist mit einer Entladeschaltung 6 zum Entladen elektrischer Ladung des Kondensators, der überladen ist, gegen eine momentane Überspannung versehen, und zu allererst wird der Schutz für die Überspannung des Kondensators 2 und des Halbleiterschalters 1 durch ein einfachstes und effektivstes Mittel ausgeführt. Anders als ein Spannungstypwandler führt der Kurzschluss des MERS nicht zu einem Problem, da die Wechselstromversorgung 3 und die Last nur in Reihe geschaltet sind. Der Entladewiderstand 61 kann durch die Stromkapazität der Entladeschaltung 6 und auch durch die Wärmekapazität des Entladeschalters 62 bestimmt werden; jedoch wird das 10-Fache oder 20-Fache des EIN-Widerstands des Entladeschalters 62 ein Standard sein. In der Ausführungsform wird 10 Ω verwendet.
  • Es ist möglich, einen Thyristor als diesen Entladeschalter 62 zu verwenden, der jedoch den Betrieb als MERS stoppen wird und die Führungsreaktanzspannung wird Null werden und daher wird die Recktanz insgesamt groß. Dies ist eine Funktion als Strombegrenzer und ist eine wichtige Funktion. Jedoch, während die Energie des Kondensators komplett entladen wird, muss die Kapazität des Entladungswiderstandes 61 vergrößert werden. Auch kann ein Spannungs-Nichtlinearelement, wie etwa ZNR oder CYDAC anstelle des Entladeschalters 62 verwendet werden.
  • Das Steuermittel 4 des MERS senkt die Impulsbreite der EIN-Signale der Gatter entweder durch ein Überspannungssignal, wenn eine Überspannung detektiert wird, oder durch ein Überstromsignal, wenn ein Überstrom detektiert wird, oder durch eine Kombination beider Signale. Indem beinhaltet wird, dem Signal zu gestatten, momentan von EIN zu AUS verändert zu werden, stoppt der Anstieg der Spannung und wird der Ladestrom unter das Überstromschutzniveau durch Stromrückkopplungssteuerung abgesenkt. Die Überspannung des Kondensators wird ebenfalls unter das Schutzniveau abgesenkt. Es ist neu, dass die Entladung durch den Entladeschalter 62 und die Stromrückkopplungssteuerung durch Steuern der relativen Einschaltdauer des Gatterimpulses kombiniert werden, wodurch der MERS dazu gebracht wird, als Strombegrenzer zu arbeiten, durch die Strombegrenzungssteuerung ist es möglich, ohne dass Halbleiterschalter desselben zerstört zu werden. Als Ergebnis, wenn die Startspitze der Last vorbei ist, kann der MERS automatisch zum Normalbetrieb zurückkehren, was einen wichtigen Startpunkt dafür darstellt, dass der MERS eine intelligentere Funktion zusätzlich zum EIN/AUS-Schalten des Schalters besitzt. Der Strombegrenzungsbetrieb zum Zeitpunkt eines Unfalls ist untersucht worden, wobei auf eine Vielzahl von Strombegrenzern abgestellt worden ist, und eine solche Untersuchung ist noch nicht durchgeführt worden. Der MERS der vorliegenden Erfindung ist ein idealer Wechselstromschalter und daher kann die vorliegende Erfindung einen statischen Strombegrenzer vom Halbleitertyp bereitstellen, der den Strom durch Reduzieren der Kondensatorspannung begrenzen kann, selbst wenn alle Gatter AUS-geschaltet sind. Ein solcher Betrieb wird möglich wegen Fortschritten beim Halbleiter und wenn ein speziell für den MERS entwickelter IGBT mit einem Leitungsverlust von 1,54 V (der gleiche beim Thyristor) als Wechselstrom-Falbleiterschalter verwendet wird, kann ein solcher intelligenter Wechselstrom-Halbleiterschalter vorgesehen sein, da ein normaler Leitungsverlust desselben klein ist, und es ist nicht notwendig, den Betrieb für den Schutz zu einem Unfallzeitpunkt oder nur für den anfänglichen Startspitzenstrom zu stoppen, und der Betrieb kann fortgesetzt werden und darauf warten, dass der transiente Zustand vorbeigeht, den Strom innerhalb der für die Schaltung bestimmten Überlastungskapazität begrenzend.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der Halbleiterschalter 1 in einer Brückenstruktur angeordnet sind und ein Kondensator 2 zum Speichern der Magnetenergie zwischen den Gleichstromanschlüssen verbunden ist. Anders als der Kondensator des Wechselrichters vom konventionellen Spannungstyp dient dieser Kondensator nur zum Speichern der Magnetenergie der Last und daher kann die Kapazität des Kondensators klein sein. Es ist für diesen Kondensator charakteristisch, dass in jeder Hälfte des Zyklus die Spannung eine Spitze erreicht und durch eine Entladung zur Nullspannung wird. Die Wellenform des Stroms zum Ändern und Entladen sollte an eine Winkelgeschwindigkeit ω0 angenähert werden. Als Ergebnis sinken höhere Oberschwingungen. Die Beziehung zwischen der Kapazität C und der Wechselstrominduktivität L ist wie folgt: LC = ω0 –2 (Gleichung 1).
  • Darüber hinaus, indem der Wert der Kapazität C etwas kleiner als der aus der obigen Gleichung erhaltene Wert gemacht wird, wird ein Zeitraum erzeugt, wenn es nach der Entladung eines Halbzyklus keine Spannung gibt, wodurch das Schalten der Halbleiterschalter leichter wird. Es ist eine Charakteristik, dass der Spannungszufuhrkondensator eines Einzelphasenwechselrichters, anders als beim konventionellen PWM-Wandler, eine drastisch kleine Kapazität aufweist.
  • Weil die Spannung des Kondensators 2 mit dem Gatterzyklus oszilliert, muss der Schutz gegen eine Überspannung bei hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden. Falls eine durch die Spannungsdetektionsschaltung 5 detektierte Kondensatorspannung wahrscheinlich den Schwellenwert übersteigen wird, wird die Spannung durch den Entladewiderstand 61 für die Strombegrenzung oder dergleichen entladen; als Ergebnis verbleibt die Spannung des Kondensators auf dem Wert, ohne den Schwellenwert zu übersteigen.
  • Auch getrennt das Detektionssignal aus der Stromdetektionsschaltung 7 empfangend, wird die Pulsbreite des EIN-Signals der Gatter (relative Einschaltdauer) kleiner als 0,5 gemacht, um den Schwellenwert des Überstroms zu halten.
  • Es wird eine Erläuterung unter Verwendung der Simulationsergebnisse in 7 gegeben. Wenn der detektierte Strom den Schwellenwert übersteigt, macht das Steuermittel die relative Einschaltdauer des Gattersteuerimpulses kleiner als 0,5, wodurch die EIN-Zeit des Gatters reduziert wird. Dies bringt nicht unmittelbar Effekte desselben mit sich und die Entladeschaltung 6 für den Kondensator ist ebenfalls notwendig. Wenn der Strom den Schwellenwert übersteigt, wird die AUS-Zeit der Gatter der Halbleiterschalter länger (die Impulsbreite von EIN wird schmal). Als Ergebnis dienen die Halbleiterschalter 1 als ein Strombegrenzer. Die maximale inverse Spannung, die erzeugt wird, ist eine Spannung des Schutzpegels für den Kondensator.
  • Da der Spannungswiderstand des Kondensators größer als das 1,4 fache der Versorgungsspannung ist, reduziert sich der Strom.
  • Das Steuermittel 4 hat eine Kapazität, um die Spannungsphase der Wechselstromversorgung 3 zu detektieren und sendet Gattersignale aus, die für die vier Halbleiterschalter 1 notwendig sind. Obwohl das Steuermittel Gattersignale simultan zu dem Paar von S1 und S3 und dem Paar von S2 und S4 entgegengesetzter Halbleiterschalter sendet, sendet das Steuermittel keine EIN-Signale an die zwei Paare simultan. Dies liegt daran, dass die Kondensatorschaltung kurzgeschlossen wird.
  • Die Beziehung zwischen der Wechselstromspannung und den Gatterimpulssignalen ist in der oberen Spur von 7 gezeigt. Hier wird die Breite des Gatter-Impulssignals auf demselben Zyklus der Basiswelle gehalten und die relative Einschaltdauer wird so gesteuert, dass nur die EIN-Zeit verkürzt wird.
  • In diesem Moment macht der Überstrom die magnetische (Dämpfungs-)Energie unerwartet groß und der Kondensator hat einmal eine Überspannung; ein solcher Zeitraum ist jedoch ein kurzer Zeitraum, bevor die Strombegrenzungsfunktion den Effekt nach ein paar Mikrosekunden bewirkt. Auf diese Weise ist es wichtig, einen begrenzten elektrischen Strom zu senden, ohne die Schalter zu stoppen, selbst zum Zeitpunkt eines Unfalls mittels einer Schutzschaltung, die eine momentane Spannungsbegrenzungsfunktion (Entladung) und eine Überstrom-Hemmfunktion kombiniert, um die Gründe für die Überspannung zu entfernen.
  • [Simulation einer Ausführungsform]
  • 8 zeigt ein Schaltungsblockdiagramm für eine Simulation und 9 zeigt analysierte Ergebnisse derselben. Die Schaltungskonsonanten sind wie folgt:
    • 1. Halbleiterschalter: S1, S2, S3, S4 (Leistungs-MOSFETs; Leitungsverlust wird ignoriert.)
    • 2. Wechselstromversorgung: 50 Hz, AC 100 V
    • 3. Lastinduktanz L: 31,85 mH
    • 4. Lastwiderstand R: 10 Ω
    • 5. Lastwiderstand nur normalen Zeit R': 2 Ω
    • 6. Dauer: 0,1 s
    • 7. Kondensator: 150 μmF, Überspannungsschutzpegel (Schwellenwert) 400 V
  • Es wird ein Fall simuliert, bei dem ein Lastwiderstandswert drastisch nach 0,5 Sekunden verändert wird, nachdem ein rascher Stromanstieg verursacht wird. Als Ergebnis des Ansteigens beim Strom hat der Kondensator nunmehr eine Überspannung und die Entladeschaltung gerät in Bewegung und die Spannung wird bei 400 V abgeschnitten. Wenn der Überstrom durch die Stromdetektionseinheit 7 detektiert wird, wird die Pulsbreite des Gatter-EIN-Signals reduziert und nach 0,1 Sekunden wird der Strom reduziert und als ein Ergebnis wurde die Überspannung aufgelöst.
  • Auch wird ein Betrachten eines momentanen Wertes des Stroms ausgeführt und wenn der Strom einen vorbestimmten Wert übersteigt, werden alle Gatter AUS-geschaltet und der Anstieg des Stroms kann zu einem Absenken gewendet werden. Die Auswirkungen des AUS-Schaltens aller Gatter sind in der Simulation von 10 gezeigt. Dies hat einen großen Effekt, wenn die Last resistiv ist. In der Schaltung von 8, wenn sich die Widerstandskomponente der Last (L = 10 mH, R = 10 Ω, R' = 10 Ω) nach 0,6 Sekunden von 10 Ω auf 5 Ω halbiert hat, steigt der Schaltstrom an. Ein Beobachtungspegel wird auf 20 A gestellt und es werden die Simulationsergebnisse eines Falls, bei dem die Gatter von S1, S3 und S2, S4 AUS-geschaltet werden, wenn der Strom als 20 A detektiert wird, gezeigt. Als ein Ergebnis stoppt der Anstieg des Stroms bei 20 A, wodurch der Schalter geschützt wird.
  • Darüber hinaus, wenn das Gattersignal für ein entgegengesetztes Paar von Schaltern gestoppt wird, wird der Kondensatorstrom gestoppt und die Kondensatorentladung wird gestoppt und der Spannungsabfall stoppt. Insbesondere wenn die Last induktiv ist, stoppt der Anstieg des Stroms auch und als Ergebnis wird so etwas wie eine Strombegrenzung möglich. Dies kann, wenn die Last induktiv ist, als eine Erzeugungsvorrichtung von voreilendem Strom (SVC: Statischer VAR Kompensator) zum Steuern des voreilenden Stroms verwendet werden. Computer-Simulationsergebnisse zur Steuerung durch Ausschalten der Gatter S1 und S4, wenn der momentane Wert des Stroms einen vorbestimmten Wert übersteigt, sind in 11 gezeigt. Die für diese Simulation verwendete Schaltung ist eine ähnliche Schaltung wie in 8 und wenn eine induktive Last (L = 30 mH, R = 10 Ώ, R' = 0,5 Ω) verbunden ist, ist die Strombegrenzung durch AUS-Schalten eines Gatters des Paars bei beispielsweise 15 A möglich. Dies ist eine Steuerung in einem Fall einer Last mit einem niedrigen Leistungsfaktor oder für einen Fall des Erfassens von voreilendem Strom durch Fließenlassen des Stroms durch eine Spule. Die Stromsteuerung wird durch AUS-Schalten der Gatter von S1 und S4 bei 15 A ausgeführt.
  • Der Entladewiderstand 61 muss der steigenden Temperatur widerstehen, wenn die Eingangsenergie übermäßig groß wird. Bei dieser Ausführungsform jedoch fließt Entladungsstrom nur während eines solchen Zeitraums, bei dem die Kondensatorspannung eine vorgegebene Spannung übersteigt. Wenn der Entladewiderstand 61 überladen wird, bleiben zwei Verfahren als der finale Schutz übrig.
  • Eines von ihnen ist, den gesamten Strom durch AUS-Schalten der Gatter aller Schalter des MERS wie oben beschrieben zu stoppen, und der andere ist, den MERS kurzzuschließen. In diesem Fall sinkt die Kondensatorspannung auf Null oder auf fast Null bei der zweifachen Frequenz der Gatterfrequenz. Auf dieses Timing abzielend, wenn die Spannung nahe an Null ist, schalten die Gattersignale nunmehr simultan unterschiedliche Paare von S1, S2 und S3, S4 EIN/AUS, während die Gattersignale bis dann üblicherweise simultan entgegengesetzten Paaren der Halbleiterschalter erteilt wurden. Auf diese Weise geht der Wechselstrom nun in einen Umgehungszustand und doch kann die Kondensatorladung ohne kurzgeschlossen zu werden verbleiben, wenn der Übergang ausgeführt wird.
  • Diese Ausführungsform wurde mit einer Einzelschaltung erläutert; durch Verwenden. von drei Sätzen von MERS kann jedoch natürlich eine Ausführungsform auf einen 3-Phasen-Wechselstrom angewendet werden. In diesem Fall gibt es einen Effekt, bei dem die Oberschwingungen eines Tertiärstroms durch die Sterndeltatransformation verschwinden. Weiterhin ist eine Reaktion zum Zeitpunkt eines Unsymmetrie(Diagonalschaltungs; unbalance)-Unfalls der 3-Phasen möglich.
  • Das Steuermittel dieser Schutzschaltung hat eine Fähigkeit, die Rationalität der Steuersignale nach außen zu bewerten. Das Allererste ist, dass es eine Identifikationsnummer für einen individuellen Schalter gibt und dies kann ein Schlüssel für die Kommunikation mit Außen sein. Diese Funktion kann es beispielsweise ermöglichen, dass, wenn Funksignale aus dem Schalter über ein Kommunikationssystem wie das Internet gesendet werden, der Schalter dann in die Lage versetzt wird, durch Funksteuerung gesteuert zu werden, und somit können Steuersignale ohne Drahtverbindung transportiert werden.
  • Das Steuermittel dieser Schutzschaltung erfasst nicht nur den Strom, die Spannung, die Phase, und den Leistungsfaktor, sondern hat auch eine Funktion zum Auffinden einer Abnormalität durch das Überprüfen der Impedanzklarheit, die aus Spannung uns Strom erfasst wird. Darüber hinaus ist es möglich, Halbleiterschalter entsprechend in Reaktion auf den Betriebszustand der aus der Berechnung erfassten Last zu steuern.
  • Das Steuermittel dieser Schutzschaltung speichert die Betriebsbedingungen dieser Halbleiterschalter in der Vergangenheit und es kann möglich sein, Informationen nach außen in Reaktion auf eine Anforderung daraus zu senden, durch Integrieren der Gesamtbetriebszeit, der elektrischen Leistung und des verbrauchten elektrischen Stroms oder dergleichen.
  • Diese Schutzschaltung hat die gemeinsame Funktion für alle MERS selbst bei Lasten mit verschiedenen Kapazitäten und Objekten. Diese Schutzschaltung wird erforderlich sein, und durch getrenntes Herstellen der Schaltung von der Hauptschaltung ist es möglich, durch Massenproduktion einen Kosten mindernden Effekt zu realisieren; es ist damit besser, die Schaltung zu standardisieren und ihre Struktur auch leicht anbringbar zu machen.
  • Da das Steuermittel dieser Schutzschaltung eine programmierte Berechnungsfunktion aufweist, ist es möglich, den Inhalt über eine Kommunikationsfunktion von außen herunterladbar und heraufladbar zu machen. Es ist auch möglich, die Charakteristika und den Betriebsplan der Last im Programm zu reflektieren.
  • Das Steuermittel dieser Schutzschaltung weist eine Steuerberechnungsfunktion und eine Speicherfunktion auf und daher ist es im Falle der Anwendung derselben auf einen Beleuchtungskörper möglich, den Körper durch Detektieren der Luminanz der Bodenoberfläche oder dadurch, die Leuchteffizienz zu einer Funktion in einem Fall einer Fluoreszenzlampe oder dergleichen zu machen, zu steuern, wenn sich die Leuchteffizienz aufgrund der Außentemperatur verändert.

Claims (6)

  1. Magnetenergie-Wiederherstellschalter, der eine Schutzschaltung aufweist und zwischen einer Wechselstromversorgung und einer Last eingefügt ist, um gegen Überspannung und Überstrom zu schützen, wobei der Magnetenergie-Wiederherstellschalter umfasst: – eine aus vier Halbleiterschaltern vom rückwärts leitenden Typ konstruierte Brückenschaltung; – einen zwischen Gleichstromanschlüssen der Brückenschaltung verbundenen Kondensator, der Magnetenergie beim Abschalten eines Stroms aufnimmt und speichert; und – Steuermittel; wobei die Schutzschaltung umfasst: – eine parallel zum Kondensator geschaltete Spannungsdetektionseinheit zum Detektieren einer Spannung des Kondensators; und – eine parallel zum Kondensator verbundene Entladeschaltung, die einen Entladewiderstand und einen in Reihe verbundenen Entladeschalter aufweist; und – eine zwischen der Wechselstromversorgung und der Last eingefügte Stromdetektionseinheit, die den Strom detektiert, der durch die Last fließt; wobei das Steuermittel – jeden der vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ synchron zur Spannung der Wechselstromversorgung und mit der Frequenz der Wechselstromversorgung so steuert, dass jeweils diagonal gegenüberliegende geschaltete Halbleiterschalter abwechselnd geschaltete Paare bilden, deren Halbleiterschalter simultan EIN/AUS geschaltet werden, wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt, – das Gatter des Entladeschalters steuert, um den Entladeschalter kurzzuschließen, um die elektrische Ladung des Kondensators durch den Entladewiderstand zu entladen, wenn eine Ausgabe der Spannungsdetektionseinheit einen vorbestimmten Wert übersteigt, – eine Steuerung zur Begrenzung eines Stroms durchführt, indem die relative Einschaltdauer der Gattersteuersignale kleiner als 0,5 gemacht wird, wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  2. Magnetenergie-Wiederherstellschalter mit einer Schutzschaltung gemäß Anspruch 1, wobei das Steuermittel die Gatter so steuert, dass alle vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ AUS-geschaltet werden, um den Strom zu unterbrechen, wenn eine Zeitdauer, während der die Ausgabe der Spannungsdetektionseinheit einen vorbestimmten Wert übersteigt, einen vorbestimmten Zeitraum übersteigt.
  3. Magnetenergie-Wiederherstellschalter mit einer Schutzschaltung gemäß Anspruch 1, wobei das Steuermittel die Gatter so steuert, dass sie, wenn die Kondensatorspannung Null ist, alle vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ EIN-schalten, um eine bilateralee Stromleitung zu erreichen, wenn die Zeitdauer, während der die Ausgabe der Spannungseinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt, einen vorgegebenen Zeitraum übersteigt.
  4. Magnetenergie-Wiederherstellschalter mit einer Schutzschaltung gemäß Anspruch 1, wobei das Steuermittel die Gatter so steuert, dass alle vier Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ AUS-geschaltet werden, um den Strom zu unterbrechen, wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt.
  5. Magnetenergie-Wiederherstellschalter mit einer Schutzschaltung gemäß Anspruch 1, wobei das Steuermittel die Gatter so steuert, dass nur ein Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ des entgegengesetzten Paars der Halbleiterschalter vom rückwärts leitenden Typ der Brücke AUS-geschaltet wird, die EIN sind, um den Strom zu unterbrechen, wenn die Ausgabe der Stromdetektionseinheit einen vorbestimmten Wert übersteigt.
  6. Wechselstrom-Stromversorgungseinheit zum Zuführen eines Wechselstroms an eine Last und wiedergewinnen einer Magnetenergie zu einem Zeitpunkt, wenn ein Strom abgeschnitten wird, und Einsetzen einer solchen wieder gewonnenen Energie als Zufuhrstrom zur Last, wobei die Wechselstromversorgungseinheit einen Magnetenergie-Wiederherstellschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, die in Reihe zwischen der Wechselstromversorgung zum Erzeugen des Wechselstroms und der Last verbunden ist.
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