DE19825801C2 - Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Hochlast-Widerstand - Google Patents
Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Hochlast-WiderstandInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines Gleichspannungs-
Zwischenkreises für einen Umrichter, mit einem eingangsseitig an ein
Versorgungsnetz anschließbaren Gleichrichter und einem mit dem Gleichrichter-
Ausgang verbundenen Zwischenkreiskondensator zum Anschluß an den
Wechselrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Patentschrift DE 37 35 621 C2 ist die Anwendung einer Ballastschaltung zur
Leistungsverteilung zwischen mehreren parallel geschalteten Servo-
Antriebsverstärkern bekannt. Mittels einer Schalteinrichtung läßt sich der
Ballastwiderstand parallel an eine Netzeinspeisung bzw. einen Gleichrichter
anschalten.
Die beim Abbremsen eines an den Wechselrichter angeschlossenen Motors in den
Zwischenkreis zurückfließende Energie, die dort zu einer Spannungserhöhung führt,
muß abgebaut werden. Als kostengünstige Möglichkeit ist es bekannt, die
überschüssige Energie bei Erreichen einer bestimmten Zwischenkreisspannung in
einem Hochlastwiderstand in Wärme umzuwandeln. Dieser zeichnet sich durch eine
außerordentlich hohe Belastbarkeit auf. Mithin ergibt sich ein beachtliches Bedürfnis
nach einem Gleichspannungs-Zwischenkreis, bei dem der kosten- und
volumenintensive Hochlast-Widerstand nicht nur als Ballastwiderstand bzw. Wärme
erzeugender Verbraucher einsetzbar ist, sondern noch weiteren Funktionen im
Rahmen des Betriebs eines Wechselrichters mit Spannungszwischenkreis zuführbar
ist.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Wechselrichter-Einspeiseeinheit, die mit einer
ungesteuerten Sechspuls-Diodenbrücke als Gleichrichter GL direkt ans
Versorgungsnetz N angeschlossen wird, ist die gezeichnete Schaltung bekannt, um
den Ladestrom in den Zwischenkreiskondensator C1 für den Zwischenkreis zu
begrenzen: Ein in Serie zum Gleichrichter GL und einer Drossel L1 liegender
Widerstand R1 begrenzt den Ladestrom in den Zwischenkreiskondensator C1. Ist
der Ladestromvorgang weitgehend abgeschlossen, d. h., die Zwischenkreisspannung
Uzk hat einen bestimmten Schwellwert erreicht, der nur noch niedrig unter der
Endspannung liegt, wird der Widerstand R1 durch Aktivierung des ihm parallel
geschalteten Thyristors X1 überbrückt. Dieser führt bei Betrieb des Wechselrichters
W den Zwischenkreisstrom. Die Aktivierung des Thyristors X1 erfolgt, indem seinem
Ansteuereingang S Impulse mit einer Wiederholfrequenz in Kilohertz-Bereich
zugeführt werden. Damit ist ein sicheres Wiederzünden des Thyristors auch bei
lückenhaftem Laststrom gewährleistet. Ein Nachteil dieser Schaltung liegt in der
Dimensionierung des Widerstandes R1. Aus Kosten- und Platzgründen wird meist
ein Widerstand mit beschränkter Belastbarkeit gewählt. Dies erfordert
Einschränkungen in der Einschalthäufigkeit und der anschließbaren
Zwischenkreiskapazität, selbst wenn dem entsprechenden
Zwischenkreiskondensator C1 zu seiner Strom-Entlastung die massiv ausgeführte
Drossel L1 vorgeschaltet ist.
Kommt eine Schaltung zur Rückspeisung von Bremsenergie in das speisende
Stromnetz N aus Rentabilitätsgründen nicht in Frage, wird meist eine
Ballastschaltung gemäß Fig. 2 eingesetzt. Dabei wird bei Erreichen einer
bestimmten Zwischenkreisspannung ein hochbelastbarer Widerstand R1 über einen
Halbleiterschalter Z2 an den Zwischenkreis, geprägt vom Zwischenkreiskondensator
C1, geschaltet. Der Widerstand R1 dient dabei als Verbraucher, in dem die von der
abgebremsten (nicht gezeichneten) elektrischen Maschine gelieferte Energie in
Wärme umgewandelt wird. Unterschreitet die Zwischenkreisspannung Uzk wieder
einen niedrigeren Wert, wird der Ballastschalter Z2 ausgeschaltet.
Gemäß Fig. 2 ist eine konkrete Ballastschaltung wie folgt bekannt: Der
Halbleiterschalter Z2, beispielsweise ein IGB-Transistor (IGB = Insulated-Gate-
Bipolar - vgl. Patentschrift DE 40 18 165 C1) wird von einer hysteresebehafteten
Komparatorschaltung angesteuert. Dadurch kann sich die überschüssige Energie im
Zwischenkreis in einen Strom durch den Widerstand R1 und damit in Wärme
umwandeln. Die Dimensionierung ist abhängig vom konkreten Lastfall und liegt
kurzzeitig oft in der Größenordnung der Zwischenkreisleistung. Ein weiterer
Halbleiterschalter Z1 ist für die Funktion der Ballastschaltung gemäß Fig. 2 nicht
erforderlich, jedoch wird aus Kosten- und Lagerhaltungsgründen oft ein
Zweigpaarmodul eingesetzt, indem der zusätzliche Halbleiterschalter Z1
vorhanden ist. Um ein unerwünschtes Einschalten mit der eventuellen Folge eines
Zwischenkreis-Kurzschlußes zu verhindern, werden Gate- und Emitteranschluß von
Z1 verbunden. Für die Funktion der Schaltung gemäß Fig. 2 erforderlich ist jedoch
die zum (funktionslosen) Halbleiterschalter Z1 antiparallel angeordnete Diode D1.
Sie bildet einen Freilaufzweig für den Strom, der beim Abschalten des erstgenannten
Halbleiterschalters Z2 durch die parasitäre Induktivität L11, die physikalisch im
Widerstand R1 vorhanden ist, hervorgerufen wird.
Aus der gattungsgemäßen DD-243 153 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Bremsstromregelung und
Ladestrombegrenzung von Wechselrichtern mit Spannungszwischenkreis
bekannt. Sie ist bei Umrichtern anwendbar, bei denen die Bremsung der
Drehstrommaschine über im Zwischenkreis angeordnete Bremschopper erfolgt.
Es wird eine für die Ladestrombegrenzung und Widerstandsbremsung
gemeinsam nutzbare Schaltungsanordnung angestrebt, durch die der
Zwischenkreiskondensator vor Stoßstrombelastungen geschützt ist.
Zum Erreichen dieses Zieles wird ein Widerstand R1 sowohl für den Lade- als
auch für den Entladevorgang als gemeinsames strombegrenzendes Element
eingesetzt. Weiter wird vorgeschlagen, daß in einer Reihenschaltung von dem
Begrenzungswiderstand und dem Zwischenkreiskondensator ein
Entkopplungselement E eingefügt ist. Das Entkopplungselement E begrenzt bzw.
verhindert den Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators sowohl beim
Brems- als auch bei Ladevorgängen. Zum Laden des Zwischenkreiskondensators
fließt ein Kondensatorladestrom über den Begrenzungswiderstand R1 und das
Entkopplungselement E zum Zwischenkreiskondensator. Geht der
umrichtergespeiste Motor in den generatorischen Betrieb über, erfolgt seine
Bremsung über das Kurzschließen des Zwischenkreises mittels des Schalters S.
Der genannte Widerstand R1 bildet dabei jetzt den Bremswiderstand, und der
Bremsstrom fließt über den Bremswiderstand R1 und den Schalter S.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Funktionalität der
Schaltung gegenüber dem Stand der Technik zu erweitern. Zur Lösung dieser
Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Schaltungsanordnung
vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
So ist es möglich, an ein Gerät, das die erfindungsgemäße Schaltung sowie einen
Einspeisegleichrichter GL enthält, mehrere Geräte, bestehend aus
Zwischenkreiskondensatoren und Wechselrichtern lediglich durch Parallelschalten
der Zwischenkreisanschlüsse anzuschließen und so die Funktionalität der
gemeinsamen Lade- und Bremsschaltung für energieaustauschende
Antriebssysteme, z. B. Mehrachsantriebe bei Werkzeugmaschinen, kostengünstig
zu nutzen. Ebenso ist es möglich, durch Anschluß von zusätzlichen
Kondensatoren an die Zwischenkreisanschlüsse die Zwischenkreiskapazität eines
Antriebs erheblich zu vergrößern.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist, daß die Verbindung von
Zwischenkreiskondensatoren und Wechselrichter sehr niederimpedant ausgeführt
werden kann, da zwischen Wechselrichter und Kondensatoren keinerlei
Bauelemente, wie Dioden und Widerstände eingefügt sind. So läßt sich die
Schaltung auch bei sehr großen Leistungen einsetzen, wo die Schaltung nach
dem Stand der Technik aufgrund der Verlustleistung der zum Kondensator in
Reihe liegenden Bauelemente nicht mehr einsetzbar ist. Besonders bei heute
üblichen, schnell schaltenden Wechselrichterbauelementen besteht ein
dringender Bedarf, den Wechselrichter so niederimpedant (= niederinduktiv) wie
möglich mit den Zwischenkreiskondensatoren zu verbinden.
Durch die Verbindung gleichzeitig mit dem Ballastschalter und dem
Ladeschalter kann der Hochlast-Widerstand nicht nur zum Abbau der Bremsenergie, sondern
auch zum Begrenzen des beim Einschalten der Netzspannung aufgrund der Ladung
der Zwischenkreiskapazität entstehenden Stromstoßes verwendet werden. Der
Ladeschalter erfüllt dabei die Funktion, die (gleichgerichtete) Netzspannung an den
Widerstand zu legen, der im Rahmen des Ladestromzweigs zweckmäßig in Serie
zum Zwischenkreiskondensator liegt. Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, bei
reduziertem Bauteileaufwand auch das Aufladen mehrerer parallel geschalteter
Zwischenkreiseinheiten aufgrund der üblicherweise hohen Belastbarkeit von
Ballastwiderständen praktisch ohne Einschränkung der Schalthäufigkeit zu
ermöglichen.
In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist der Widerstand sowohl mit dem
Ballastschalter als auch mit dem Ladeschalter verbunden und über diese an je einen der
beiden Ausgangspole des Gleichrichters anschließbar. Je nach Betätigung des
Ballast- oder Ladeschalters kann der Widerstand der Ballast- oder Ladefunktion
zugeführt werden.
Für die Ansteuerung des Ladeschalters, um den Ladevorgang mit dem Anlegen der
Netzspannung kontrolliert ablaufen zu lassen, bestehen mehrere Möglichkeiten: Läßt
sich der Ladeschalter über einen Steuereingang betätigen, wird dieser zweckmäßig
mit einem Zeitglied gekoppelt, das beispielsweise nach Art eines Monoflops
funktioniert. Mit Anlegen des Gleichrichters an das Versorgungsnetz läßt sich in an
sich bekannter Weise das Zeitglied zur Erzeugung eines Ansteuersignals begrenzter
Zeitdauer für den Ladeschalter anstoßen bzw. triggern. Die Zeitdauer ist
entsprechend der Ladezeit des Zwischenkreiskondensators eingestellt. Eine andere
Möglichkeit zur Ansteuerung des Ladeschalters besteht im Einsatz eines
Schwellwertkomparators, der die im Zwischenkreis aufzubauende Spannung
abtastet bzw. mißt und auf einen Schwellwert dimensioniert ist, der der gewünschten
Zwischenkreisspannung entspricht.
Es ist an sich bekannt, nach Abschluß des Aufladens des
Zwischenkreiskondensators den zum Betrieb des Wechselrichters notwendigen
Zwischenkreisstrom durch einen Thyristor führen zu lassen. Damit dies auch bei
lückenhaftem Laststrom sicher gewährleistet ist, ist eine periodische Ansteuerung
des Thyristors zum sicheren Wiederzünden zweckmäßig. Dabei wird im Rahmen der
Erfindung vorgeschlagen, diesen Thyristor oder ein sonstiges, über einen
Steuereingang einschaltbares Stromrichterventil der Serienschaltung aus dem
Ladeschalter und dem Widerstand parallel zu schalten bzw. letztere zu überbrücken.
Aus Gründen der Lagerhaltung und Kosten ist es wünschenswert, einen
einheitlichen, beispielsweise auf eine Schwelle von 450 Volt eingestellten
Schwellwertkomparator für an unterschiedliche Netzspannungen wie z. B. 380 Volt
bis 530 Volt angeschlossene Zwischenkreise verwenden zu können. Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung des Ladeschalters kann
dabei das Problem eines zu großen Stromstoßes auftreten. Wird nämlich der
Ladeschalter ausgeschaltet und gleichzeitig die periodische Ansteuerung für das den
Widerstand überbrückende Stromrichterventil gestartet, kann für den Gleichrichter
die Belastung mit einem Stromstoß entstehen. Dieser wird dann groß, wenn die im
Lade-Schwellwertkomparator eingestellte Schwellenspannung deutlich niedriger liegt
als die Amplitude der Netzspannung. Der Abhilfe dient eine vorteilhafte Ausbildung
der Erfindung, nach der dem Schwellwertkomparator ein Signal-Verzögerungsglied
unmittelbar nachgeschaltet ist, über das der Komparator den Ladeschalter und den
Signalgenerator für das Stromrichterventil komplementär ansteuert. Die
Wirkungsweise besteht darin, daß mit Erreichen einer Zwischenkreisspannung
bestimmter Schwelle, die im Komparator fest eingestellt ist, erst nach einer vom
Zeitglied erzeugten Verzögerung der Ladeschalter ausgeschaltet und gleichzeitig
das Stromrichterventil betätigt werden. Innerhalb der Verzögerung besteht
ausreichend Zeit, daß sich der Zwischenkreiskondensator noch weiter bis zur
Endspannung soweit aufladen kann, daß bei Auslösen der genannten
Schaltvorgänge höchstens nur noch ein vernachläßigbarer Stromstoß entsteht.
Um den Hochlast-Widerstand mit einer im Zwischenkreis aufgrund überschüssiger
Bremsenergie entstandenen Überspannung zu deren Abbau in Wirkung zu setzen,
ist nach der Erfindung ein Ballast-
Schwellwertkomparator zur Ansteuerung des Ballastschalters vorgesehen. Der
Komparator-Schwellwert ist anhand eines vorbestimmten Energieüberschusses bzw.
einer vorbestimmten Überspannung im Zwischenkreis spezifiziert, so daß der
Komparator rechtzeitig ansprechen und den Ballastschalter zum Einschalten des
Widerstandes betätigen kann.
Unvermeidlich enthält der Hochlast-Widerstand parasitäre Induktivitäten, die zum
Beispiel 200 µH betragen können. Stellt man für den Hochlastwiderstand eine
Ersatzschaltung auf, so liegt die parasitäre Induktivität in Serie zur ohmschen
Komponente des Widerstandes. Wird der Ballast-Strompfad für den Widerstand
durch Ausschalten des Ballastschalters plötzlich unterbrochen, entsteht bekanntlich
aufgrund der parasitären Induktivität ein kurzzeitiger hoher Spannungsabfall am
Widerstand. In dieser Hinsicht ist nach der Erfindung vorgesehen,
daß dem Widerstand ein Freilauf-Stromzweig zugeordnet ist, womit induktive
Spannungserhöhungen aufgrund schnellen Abschaltens aufgefangen werden
können.
Erfindungsgemäß ist in den Freilauf-Stromzweig das obige Stromrichterventil eingefügt, in
Serienschaltung mit einer Freilaufdiode. Damit kann der Freilauf-Stromzweig nur
funktionieren, wenn das Stromrichterventil leitend ist. Um dies zu gewährleisten, ist
nach der Erfindung eine Synchronisationseinrichtung
vorgesehen, die vom Ballast-Schwellwertkomparator bei Entstehen einer
Überspannung im Zwischenkreis aktivierbar ist. Die Synchronisationseinrichtung
schaltet den Ballastschalter um eine Zeitdauer verzögert aus, die sicherstellt, daß bis
dahin sich auch das Stromrichterventil in einer Ansteuerphase und damit im aktiven
Zustand befindet. Dies kann darauf beruhen, daß die für das Stromrichterventil
erzeugte Ansteuerphase für die Synchronisationseinrichtung als
Koordinationskriterium dient, um das Ansteuersignal vom Schwellwertkomparator
zum Ballastschalter weiterzuleiten. Aufgrund der parasitären Induktivitäten im
Widerstand entstehende gefährlich hohe Spannungsspitzen werden durch den
genannten Freilaufzweig sicher aufgefangen, wenn mittels der
Synchronisationseinrichung der Ausschaltvorgang in einen Zeitraum gelegt wird, der
sich mit einer Ansteuerphase des Signalgenerators für das Stromrichterventil deckt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung des Standes der
Technik, von dem die Erfindung ausgeht, sowie eines bevorzugten
Ausführungswegs der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in
Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Begrenzung
des Einschaltstromes,
Fig. 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Ballastschaltung für aus
dem Wechselrichter/Elektromotor-Verbund rückgespeiste
Bremsenergie
Fig. 3 die Grobstruktur der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowohl
als Ballastschaltung als auch als Strombegrenzungsschaltung,
Fig. 4 weitere schaltungstechnische Details zur Schaltungsanordnung nach
Fig. 3,
Fig. 5 Signal/Zeit-Diagramme zur Funktionsweise der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 3 und 4.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 stellt eine Kombination der beiden
Schaltungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 dar. Dem mittels der Drossel L1 gebildeten
Ausgang des Gleichrichters GL ist eine Serienschaltung mit den beiden
Halbleiterschaltern Z1, Z2 parallel geschaltet. Der unmittelbar an der Drossel L1
liegende Halbleiterschalter Z1 dient als Ladeschalter, der andere als Ballastschalter
Z2. Beide sind in IGBT-Technologie ausgeführt und jeweils mit einem
Ansteuereingang S versehen. Der Kollektoranschluß des unmittelbar mit der Drossel
L1 verbundenen Ladeschalters Z1 ist direkt mit der Anodenseite des Thyristors X1
verbunden, dessen Kathode direkt an einer ersten Klemme des
Zwischenkreiskondensators C1 liegt. Dessen andere Verbindungsklemme ist direkt
mit dem Emitter des Ballastschalters Z2 verbunden. In einem Knotenpunkt K
zwischen dem Emitter des Ladeschalters Z1 und dem Kollektor des Ballastschalters
Z2 ist die eine Verbindungsklemme des Ballast- und Strombegrenzungs-
Widerstandes R1 angelegt, dessen andere Klemme liegt direkt zusammen mit der
ersten Klemme des Zwischenkreiskondensators C1 an der Kathode des Thyristors
bzw. Stromrichterventils X1. Eine symbolisch in das Schaltbild eingezeichnete
parasitäre Induktivität L11 ist physikalisch im Widerstand R1 enthalten.
Beim Einschalten des Netzes, wobei der Zwischenkreiskondensator C1 aufgeladen
wird, kann der Widerstand R1, der an sich als Ballastwiderstand dient, auch als
Strombegrenzungswiderstand eingesetzt werden. Es ergibt sich der Vorteil, daß
Einschränkungen der Einschalthäufigkeit und der angeschlossenen
Zwischenkreiskapazitäten nicht mehr erforderlich sind. Der Grund hierfür ist die,
verglichen mit üblichen Widerständen in Strombegrenzungsschaltungen, sehr viel
höhere Belastbarkeit. Zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators C1 wird der
Ladeschalter Z1 über seinen Ansteuereingang eingeschaltet. Der Ladestrom fließt
unter Umgehung des Thyristors X1 über den Widerstand R1 in den
Zwischenkreiskondensator C1. Ist der Ladevorgang abgeschlossen, wird der
Ladeschalter Z1 über einen Lade-Schwellwertkomperator SWK1 (vgl. Fig. 4) wieder
ausgeschaltet und gleichzeitig wird die Ansteuerung des Ansteuereingangs S des
Thyristors X1 mit Ansteuerpulsen gestartet. Stellt der Ballast-Schwellwertkomperator SWK2
(vgl. Fig. 4) einen Energieüberschuß bzw. eine Überspannung von Uzk fest, wird die
durch den Ballastschalter Z2 in Verbindung mit demselben Widerstand R1 realisierte
Ballastfunktion aktiviert, indem über seinen Ansteuereingang S der Ballastschalter
Z2 durchgeschalten wird. Da aber hier kein direkter Freilaufzweig vorhanden ist, ist
es erforderlich, zumindest das Ausschalten des Ballastschalters Z2 mit der
Ansteuerphase des Thyristors X1 zu synchronisieren. Dabei dienen die zum
Ladeschalter Z1 antiparallele Diode D1 in Reihe mit dem zum Abschaltzeitpunkt
angesteuerten Thyristor X1 als Freilaufzweig für den vom Ballastschalter Z2
aufgrund seines Ausschaltens abkommutierenden Ballaststrom.
Weitere Schaltungsdetails zur Steuerung der Ballastfunktion gehen aus Fig. 4
hervor. Die gezeigten Komponenten lassen sich zweckmäßig mit der kompletten
Steuerlogik einer Endstufe in einem programmierbaren Logikbaustein integrieren.
Gemäß Fig. 4 wird die Zwischenkreisspannung Uzk von einem Lade-
Schwellwertkomperator SWK1 und einem Ballastschwellwertkomparator SWK2
abgetastet. Deren prinzipielle Struktur ist an sich bekannt und braucht deshalb hier
nicht detailliert erläutert zu werden. Dem Ausgang des Lade-
Schwellwertkomparators SWK1 ist ein Verzögerungsglied T1 nachgeschaltet. Von
diesem wird das Ausgangssignal des Lade-Schwellwertkomparators SWK1 mit einer
Totzeit weitergegeben, die der Zeitdauer vom Erreichen des im Komparator
eingestellten Schwellwertes bis zu einer spezifizierten Maximal-
Zwischenkreisspannung Uzk entspricht. Vom Ausgang des Verzögerungsgliedes T1
aus, wird ein Rechteckgenerator G dann gestartet, wenn der Ausgangs-Signalpegel
des Komparators ein Erreichen des Schwellwertes im Gleichspannungs-
Zwischenkreis anzeigt. Der Rechteckgenerator ist ausgangsseitig mit dem
Ansteuereingang S des Thyristors X1 verbunden und gibt darauf gemäß
gezeichneten Beispiel ein Rechtecksignal im Kilohertzbereich, wodurch der Thyristor
periodisch gezündet wird. Parallel zum Eingang des Signalgenerators G bzw. am
Ausgang des Verzögerungsgliedes T1 liegt der Eingang eines Negationsgliedes 1,
mit dem der Ausgangspegel des Verzögerungsgliedes T1 umgekehrt wird. Dadurch
ist sichergestellt, daß entweder der Ladeschalter Z1 oder der Signalgenerator G1
angesteuert ist. Die Ansteuerung des Ladeschalters Z1 erfolgt vom Negierglied 1
aus über eine potentialgetrennte Treiberschaltung P.
Gemäß Fig. 4 ist parallel zum Lade-Schwellwertkomparator SWK1 der Ballast-
Schwellwertkomparator SWK2 an den Zwischenkreis gelegt. Der
Komparatorausgang steuert eine Synchronisiationseinrichtung an, die sich im
wesentlichen aus einem in der Gesamtschaltung zweiten Verzögerungsglied T2 und
einem taktgesteuerten Speicherglied M, beispielsweise einem
taktflankengesteuertem D-Flipflop, zusammensetzt. Der Übernahmetakt für das
Speicherglied wird von der Zünd-Ansteuerung des Thyristors X1 bzw. dem Ausgang
des Signalgenerators G abgeleitet und einer Verzögerung durch das zweite
Verzögerungsglied T2 unterworfen, bevor er dem Takteingang CLK des
Speicherglieds M bzw. Daten-Flipflops zugeführt wird. Zeigt der Ballast-
Schwellwertkomperator an seinem Ausgang bzw. am Eingang D des Speicherglieds
M mit einem auf logisch "1" stehenden Signalpegel eine im Zwischenkreis
vorherrschende Überspannung an, dann wird dieser Signalpegel bzw. die
entsprechende Information mit der nächsten steigenden Taktflanke in das
Speicherglied M übernommen bzw. an dessen Ausgang Q dem Steuereingang S
des Ballastschalters Z2 angezeigt. Dieser wird dadurch leitend, und gemäß Fig. 3
wird der Widerstand R1, dessen eine Anschlußklemme bereits über die Drossel L1
und dem wiederholt gezündeten Thyristor X1 mit dem einen Ausgangspol des
Gleichrichters GL verbunden ist, mit seiner anderen Anschlußklemme zum anderen
Ausgangspol des Gleichrichters GL durchgeschaltet.
Weitere Funktionszusammenhänge sind anhand der Fig. 5 veranschaulicht:
Gemäß dem Uzk/Zeit-Diagramm findet im Zeitintervall von t1 bis t2 eine
Spannungserhöhung vom Wert U1 bis zum Wert U2 statt, was auf einen
Energieüberschuß im Zwischenkreis aufgrund zurückgespeister Bremsenergie
zurückgehen kann. Dies wird vom Ballast-Schwellwertkomparator SWK2 mit
Durchlaufen seines zwischen der Regelspannung U1 und der
Überhöhungsspannung U2 liegenden Schwellwerts Us detektiert und von seinem
Ausgang aus mit einem High-Pegel am Eingang D des Speicherglieds M angezeigt
(vgl. D/Zeit-Diagramm in Fig. 5). Die Dauer tD dieses Rechtecksignals entspricht der
Zeitdauer, die vom Überschreiten des Schwellwertes US bis zum Unterschreiten des
Schwellwerts US vergeht. Ein Vergleich des G/t-Diagramms mit dem CLK/t-
Diagramm zeigt die Wirkung des zweiten Verzögerungsgliedes T2, daß nämlich aus
dem Signalgenerator G das periodische Rechtecksignal dem Takteingang CLK des
Speichergliedes M mit einer Zeitverzögerung T2 zugeführt wird. Die Zeitverzögerung
beträgt zweckmäßig einige Mikrosekunden. Damit ist sichergestellt, daß die
Übernahme des Ausgangssignals des Ballast-Schwellwertkomparators SWK2 in das
Speicherglied M und damit das Einschalten des Ballastschalters Z2 nur dann
erfolgt, wenn der Thyristor X1 zuverlässig gezündet hat. Ferner ist mit Hilfe der
Synchronisation durch das Speicherglied M gewährleistet, daß das Ausschalten des
Ballastschalters Z2 zu einem Zeitpunkt erfolgt, an dem der Thyristor X1 bereits
gezündet hat. Er kann dann Durchlaßstrom aufnehmen, wobei der entsprechende
Freilaufzweig zur Verfügung steht bzw. aktiviert ist. Dies zeigt ein Vergleich des
G/Zeit-Diagramms mit dem Q/Zeit-Diagramm in Fig. 5, wobei letzteres auch den
Schaltzustand des Ballastschalters Z2 veranschaulicht. Der Vergleich des
Signalverlaufs von G mit dem von Q zeigt, daß das Ausschalten von dem
Ballastschalter Z2 stets auf eine Ansteuerphase tx des Thyristors X1 hin
synchronisiert bzw. koordiniert ist, wobei der Freilaufzweig durch die Diode D1 und
den Thyristor X1 zur Verfügung steht.
Die gemäß Fig. 3 dem Ballastschalter Z2 parallel geschaltete Diode D2 übt im
besprochenen Ausführungsbeispiel der Erfindung keine Funktion aus, sie ist aber in
einem zweckmäßig zu verwendenden, käuflichen Halbbrückenmodul vorhanden.
Claims (8)
1. Schaltungsanordnung zur Bildung eines Gleichspannungs-Zwischenkreises
für einen Umrichter mit einem eingangsseitig an ein Versor
gungsnetz (N) anschließbaren Gleichrichter (GL) und einem mit dem
Gleichrichter-Ausgang verbundenen Zwischenkreiskondensator (C1) zum
Anschluß an einen Wechselrichter (W), wobei ein Hochlast-Widerstand (R1) in Reihe
mit einem Ballastschalter (Z2) verbunden, mittels diesem mit dem Zwi
schenkreis koppelbar ist, um einen Energieüberschuß im Zwischenkreis
durch den Widerstand (R1) zu verbrauchen, der Widerstand (R1) zusätzlich
mit einem Ladeschalter (Z1) verbunden ist, mittels dem ein Lade
stromzweig (L1, Z1, R1, C1) dem Zwischenkreiskondensator (C1) zur Strom
begrenzung zuschaltbar ist, und dem Widerstand (R1) ein Freilauf-
Stromzweig (R1, D1, X1) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
einer Serienschaltung aus dem Ladeschalter (Z1) und dem Widerstand
(R1) einschließlich seiner parasitären Induktivität (L1) ein über einen Steuereingang (S) einschaltbares Stromrichterventil
(X1) parallelgeschaltet ist, dessen Steuereingang (S) mit einem Signalge
nerator (G) zur periodischen Ansteuerung verbunden ist, der Freilauf-
Stromzweig (R1, D1, X1) als Stromkreis mit einer Serienschaltung aus dem
Stromrichterventil (X1), dem Widerstand (R1) und einer Freilaufdiode (D1)
ausgeführt ist, der Ballastschalter (Z2) zu seiner Betätigung über einen
Steuereingang (S) von einem mit der Zwischenkreisspannung gekoppelten
Ballast-Schwellwertkomparator (SWK2) angesteuert ist, dessen Schwell
wert (Us) entsprechend einem vorbestimmten Energieüberschuß bezie
hungsweise einer vorbestimmten Überspannung (U2) im Zwischenkreis di
mensioniert ist, und der Ballast-Schwellwertkomparator (SWK2) eine Syn
chronisationseinrichtung (G, M, T2) ansteuert, die zum Ausschalten des
Ballastschalters (Z2) in Koordination mit einer vom Signalgenerator (G) für
das Stromrichterventil (X1) erzeugten Ansteuerphase (tx) angeordnet und
ausgebildet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ladestromzweig (L1, Z1, R1, C1) eine Serienschaltung aus Ladeschalter
(Z1), Widerstand (R1) und Zwischenkreiskondensator (C1) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Widerstand (R1) sowohl mit dem Ballastschalter (Z2) als auch mit
dem Ladeschalter (Z1) verbunden und über diese an je einen der beiden
Ausgangspole des Gleichrichters (CL) anschließbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ladeschalter (Z1) zu seiner Betätigung über einen
Steuereingang mit einem Zeitglied T1 gekoppelt ist, das mit dem Anschließen
des Gleichrichters (GL) an das Versorgungsnetz (N) anstoßbar und ent
sprechend der Ladezeit des Zwischenkreiskondensators (C1) dimensioniert
ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ladeschalter (Z1) zu seiner Betätigung über einen
Steuereingang (S) von einem mit der Zwischenkreisspannung (Uzk) gekop
pelten Lade-Schwellwertkomparator (SWK1) angesteuert ist, dessen
Schwellwert entsprechend einer vorbestimmten Zwischenkreisspannung
(Uzk, U1) dimensioniert ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ladeschalter (Z1) komplementär und der Signalgenerator (G) direkt vom Lade-
Schwellwertkomparator (SWK1) über ein Signal-Verzögerungsglied (T1)
angesteuert sind.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Freilaufdiode (D1) zur Überbrückung des Lade
schalters (Z1) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Synchronisationseinrichtung (G, M, T2) ein vom Si
gnalgenerator (G) und dessen Ansteuerphasen taktgesteuertes Speicher
glied (M) zur Aufnahme des Ausgangssignals des Überspannungs-
Schwellwertkomparators (SWK2) und ein Verzögerungsmodul (T2) auf
weist, das mit dem Speicherglied (M) zur Herbeiführung einer zeitverzö
gerten Übernahme und Ausgabe des Komparator-Ausgangssignals an den
Ballastschalter (Z2) in Verbindung steht.
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DE1998125801 DE19825801C2 (de) | 1998-06-10 | 1998-06-10 | Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Hochlast-Widerstand |
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ID=7870438
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DE1998125801 Expired - Lifetime DE19825801C2 (de) | 1998-06-10 | 1998-06-10 | Gleichspannungs-Zwischenkreis mit Hochlast-Widerstand |
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