DE2239796A1

DE2239796A1 - Auf einen ueberspannungszustand ansprechende anordnung zur erzeugung eines frequenzerhoehungs-steuersignales

Info

Publication number: DE2239796A1
Application number: DE2239796A
Authority: DE
Inventors: Carlton Eugene Graf; Einar Aasen Skogsholm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1972-08-12
Publication date: 1973-02-22
Also published as: US3718851A; GB1399026A; AU4538672A; ES405756A1; JPS5340687B2; JPS4831421A

Description

Auf einen Überspannungszustand ansprechende Anordnung zur Erzeugung eines Frequenzerhöhungs-Steuersignales

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzanordnung für eine Leistungswandlereinrichtung für Wechselstrom-Antriebssysteme einstellbarer Drehzahl, bei denen die Drehzahl durch Einstellung der Betriebsfrequenz der Leistungswandlereinrichtung gesteuert wird, und insbesondere auf eine Anordnung, um immer dann ein Frequenzerhöhungs-Steuersignal zu erzeugen, wenn die Betriebsspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Die Erfindung ist insbesondere auf den Schutz von Inverter-Leistungswandlerschaltungen in Antriebssystemen des allgemeinen Typs anwendbar, der in den deutschen Offenlegungsschriften P 21 51 588 und P 21 51 589 beschrieben ist. Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Antriebssystem der in den vorgenannten deutschen Offenlegungsschriften beschriebenen Art insoweit beschrieben wird, wie es für ein volles und umfassendes Verständnis der Erfindung erforderlich ist, kann ein noch umfassenderes Verständnis derartiger Inverterschaltungen aus den vorgenannten deutschen Offenlegungsschriften und dem US-Patent 3 207 97¹I erhalten werden.

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In Inverter-Leistungswandlerschaltungen der vorgenannten Art enthält die Einrichtung zur Umwandlung einer elektrischen Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung einstellbarer Frequenz und zur Umwandlung einer Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung während eines Generatorbetriebes eine Anzahl von Reihenschaltungen, die einer Gleichstromquelle parallel geschaltet sind. Jede dieser Reihenschaltungen enthält ein Paar Thyristoren oder torgesteuerter Gleichrichter, wie z. B. steuerbare Siliziumgleichrichter. Wie im Laufe dieser Beschreibung deutlich werden wird, werden diese Thyristoren durch eine geeignete Steuereinrichtung in einer vorgeschriebenen Frequenz und mit einer gewählten Geschwindigkeit "gezündet" oder "ein-"geschaltet und "aus-"kommutiert, um so die gewünschte Leistungsumwandlung bei der gewünschten Frequenz zu erzeugen. Es ist höchst erstrebenswert, daß die während des Betriebes der Leistungswandlereinric^-htung existierende Gleichspannung innerhalb eines vorher festgelegten Bereiches mit oberen und unteren Grenzwerten gehalten wird. Insbesondere sollte die Spannung zu allen Zeiten unterhalb desjenigen Wertes gehalten werden, an dem einzelne Inverterkomponenten, wie z. B. die Thyristoren, Kommutierungsgleichrichter und ähnliche Elemente, überhöhten und möglicherweise zerstörerischen Spannungen ausgesetzt sind. In ähnlicher Weise sollte die Gleichspannung auf einem genügend hohen Wert gehalten werden, um eine richtige Kommutierung der Thyristoren sicherzustellen. Falls die Spannung auf einen Wert abfallen würde, der zur Untersützung der Kommutierung nicht ausreichen würde, wäre das Ergebnis eine gleichzeitige Leitung beider Thyristoren in einer einzigen Reihenschaltung. Dieser "Durchschuß" würde seinerseits zu einem schnell ansteigenden Strom und einer möglichen Beschädigung der Inverterkomponenten führen. Es ist deshalb höchst wünschenswert, daß die Höhe der Gleichspannung in Inverterleistungssystemen kontinuierlich überwacht und automatisch eine geeignete Maßnahme ergriffen wird, um sie gegen die möglicherweise nachteiligen Wirkungen des überspannungs- und Unterspannungsbetriebes zu schützen.

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In einer gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung

P (Anmelder Nr. 2162-21-SV-413; US-Serial No.

172,122) mit der Bezeichnung "Schutzeinrichtung zur Verhinderung von überspannungs- und Unterspannungszuständen in Leistungsschaltungen" ist eine verbesserte Einrichtung vorgeschlagen, um die Spannung in einem Leistungswandlersystem kontinuierlich zu überwachen und den Betrieb der Einrichtung im Falle eines überspannungs- oder Unterspannungszustandes automatisch zu stoppen. Es ist selbstverständlich unerwünscht, daß der Betrieb gestoppt wird, wenn es für den Schutz der Schaltungselemente nicht absolut erforderlich ist. Es ist deshalb wünschenswert, daß der zulässige Spannungsbereich so groß wie praktikabel gemacht wird, so daß der Betrieb nicht unnötigerweise unterbrochen wird. Die Erfahrung hat gezeigt, daß überspannungszustände mit größter Wahrscheinlichkeit während des Generatorbetriebes auftreten, in dem elektrische Leistung von einem Motor über die Leistungswandlereinrichtung zur Gleichstromquelle zurückgeleitet wird. Es ist bisher bekannt, daß die Spannung auf kritischen Schaltungskomponenten, zu denen die Thyristoren gehören, während des Generatorbetriebes wesentlich herabgesetzt werden kann, indem die Betriebsfrequenz des Inverters erhöht wird, damit der Motor die Leistung zur Gleichstromquelle mit einer langsameren Geschwindigkeit zurückleitet. Bei der Vornahme einer derartigen Einstellung der Betriebsfrequenz ist es häufig möglich zu verhindern, daß die Gleichspannung die Spannungsgrenze erreicht, an der der Betrieb gestoppt werden sollte. Es sind bisher verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, um die Inverterspannung während des Generatorbetriebes abzutasten und die Betriebsfrequenz bei einer vorbestimmten Spannungshöhe zu vergrößern. Beispielsweise wird in den vorgenannten deutsehen Patentanmeldungen vorgeschlagen^ daß die Gleichspannung des Inverters abgetastet und mit der Quellengleichspannung verglichen wird, und daß die Betriebsfrequenz eingestellt wird, wenn die Inverterspannung um einen vorgewählten Betrag größer ist als die Quellenspannung. Auch wenn eine derart!re Lösung für viele Applikationen vollständig zu-

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friedenstellend und wünschenswert sein mag, insbesondere wenn die Quellenspannung einer beträchtlichen Änderung unterworfen ist, erfordert sie doch eine relativ komplexe und teuere Vergleichsschaltungsanordnung.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zum Schutz von Thyristoren und anderen Leistungsschaltungselementen gegenüber möglicherweise zerstörerischen Zuständen zu schaffen, die aus einem Überspannungsbetrieb während des Generatorbetriebes resultieren.

Weiterhin sollen Mittel zum automatischen Schutz von Thyristoren und anderen Schaltungselementen gegenüber möglicherweise zerstörerischen Zuständen geschaffen werden, die aus einem Überspannungsbetrieb resultieren, ohne daß der Betrieb des Leistungssystems gestoppt bzw. unterbrochen wird.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch eine Anordnung, um die überspannung in einer Inverterschaltung festzustellen und die Betriebsfrequenz automatisch zu erhöhen, um somit die Spannungen der Bauteile herabzusetzen.

Die vorgenannten Aufgaben sollen ferner ohne die Verwendung einer Spannungsvergleichsschaltung gelöst werden.

Schließlich ist es eine Aufgabe der Vorliegenden Erfindung, eine Schutzeinrichtung entsprechend der vorgenannten Aufgaben zu schaffen, die relativ einfach, betriebssicher und billig· ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein elektrisches System, kurz gesagt, eine statische Gleichstrom/Wechselstrom-Leistungswandlereinrichtung zur reversiblen übertragung einer elektrischen Leistung zwischen einer Gleichstromquelle und einer Last, die für einen Wechselstrombetrieb ausgelegt ist. Das elektrische System umfaßt ferner eine Steueranordnung zur

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Steuerung der Betriebsfrequenz der Leistungswandlereinrichtung in Abhängigkeit von zugeführten Steuersignalen. Erfindungsgemäß wird ein Steuersignalgenerator geschaffen, der einen mit dem elektrischen System gekoppelten Spannungssignalgenerator zur Erzeugung eines kontinuierlichen elektrischen Signales umfaßt, das zu allen Zeiten der Gleichspannung an der Leistungswandlereinrichtung proportional ist. Ein Überspannungssignalgenerator ist mit dem Spannungssignalgenerator gekoppelt, um das Spannungssignal zu empfangen und ein Überspannungssignal zu erzeugen, wenn und nur wenn das Spannungssignal gleich oder größer ist als ein vorbestimmter Wert. Das Überspannungssignal wird der Steueranordnung als ein Steuersignal zugeführt und besitzt eine derartige Größe und Polarität, daß die Steueranordnung die Betriebsfrequenz erhöht.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält der Überspannungssignalgenerator auf das kontinuierliche Spannungssignal ansprechende Mittel zur Erzeugung eines ersten Signales mit einer festen Höhe, wenn das Spannungssignal kleiner als die vorbestimmte Höhe ist, und eines zweiten Signales mit einer unterschiedlichen festen Höhe, wenn das Spannungssignal gleich oder größer ist als die vorbestimmte Höhe. Der überspannungsSignalgenerator umfaßt ferner selektive übertragungsmittel, um die Übertragung des ersten Signales zur Steueranordnung zu sperren und die Übertragung des zweiten Signales zur Steueranordnung als das Überspannungssignal zu gestatten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 Ist ein Blockbild von einem Wechselstrom-Antriebssystem mit der erfindungsgemäßen auf Überspannung ansprechende Schutzeinrichtung.

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Figur 2 ist ein Schaltbild des Überspannungssignalgenerators gemäß Fig. 1.

Das in Fig. 1 in Blockform gezeigte Wechselstrom-Antriebssystem enthält eine Gleichstrom-Leistüngsversorgung 11, eine Leistungswandlereinrichtung 12 und eine Last 13, die vorzugsweise ein mehrphasiger Wechselstrommotor ist. Die Gleichstrom-Leistungsversorgung 11 wird typischerweise von einer kommerziell verfügbaren Quelle lH mit einer dreiphasigen Wechselspannung gespeist und liefert deshalb während des Motorbetriebes eine pulsierende Gleichspannung zwischen ihren Ausgangsklemmen 15 und 16, die durch eine geeignete Filterschaltung mit einer Filterinduktivität l8 und einem parallel geschalteten Filterkondensator 20 gefiltert oder geglättet wird. Demzufolge wird den Eingangsklemmen 22 und 2H der Leistungswandlereinrichtung eine relativ glatte Gleichspannung zugeführt, wenn dieser von der Quelle 11 eine elektrische Leistung eingespeist wird. Selbstverständlich könnte die Quelle 11 auch eine Batterie oder eine andere Gleichspannungsquelle sein. Die Aufgabe der Leistungswandlereinrichtung 12 besteht darin, ihr zugeführte elektrische Leistung in eine andere Form umzuwandeln, sei es nun eine Gleichspannungs/Wechselspannungstransformation während des Motorbetriebes oder eine Wechselspannungs/Gleichspannungstransformation während des Generatorbetriebes .

Wie vorstehend bereits dargelegt wurde, ist die Last 13 vorzugsweise ein dreiphasiger Motor, der von der Leistungswandlereinrichtung 12 über Phasenleiter A, B und C mit einer elektrischen Leistung variabler Frequenz und variabler Spannung gespeist wird. Die Leistungswandlereinrichtung 12 enthält eine Inverterschaltung für jede Phase A, B und C, wobei die Inverterschaltungen auf entsprechende Weise mit den Bezugszahlen 26, 28 und 30 bezeichnet sind. Die Inverterschaltung 26 für die Phase A umfaßt eine positive Sammelschiene 32, die mit dem Knotenpunkt 22 zwischen der Induktivität 18 und dem Kondensator 20 verbunden ist,

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und eine mit den negativen Klemmen 24 und 16 verbundene negative Sammelschiene 34. Die Inverterschaltung 26 enthält ein Paar laststromführender torgesteuerter Gleichrichter 35 und 36, die zwischen der positiven Sammelschiene 32 und der negativen Sammelschiene 34 in Reihe geschaltet sind, wobei die Anode des Gleichrichters 35 mit der positiven Sammelschiene 32 in Verbindung steht. Torgesteuerte Gleichrichter 38 und 40 sind ebenfalls zwischen den Sammelschienen 32 und 34 mit der gleichen Polarität wie die torgesteuerten Gleichrichter 35 und 36 in Reihe geschaltet. Die torgesteuerten Gleichrichter oder Thyristoren 35s 36, 38 und 40 sind vorzugsweise steuerbare' Siliziumgleichrichter, selbstverständlich können aber auch funktionell äquivalente Vorrichtungen wie z. B. Gasthyratrons verwendet werden. Diodengleichrichter 42 und 44 sind den steuerbaren Gleichrichtern 35 bzw. 36 mit umgekehrter Polarität parallel geschaltet, und eine Induktivität 46 und ein Kondensator 48 sind zwischen dem Knotenpunkt 50 der torgesteuerten Gleichrichter 38 und 40 und dem Knotenpunkt 52 der torgesteuerten Gleichrichter 35 und 36 sowie der Diodengleichrichter 42 und 44 in Reihe geschaltet. Die Phase A des Induktionsmotors 13 ist mit dem Knotenpunkt 52 verbunden, um von der Inverterschaltung 26 einen Wechselstrom aufzunehmen. Die Inverterschaltungen 28 und 30 zur Einspeisung von Wechselstrom in die Phasen B bzw. C sind hinsichtlich des physikalischen Aufbaues und der Art der Verbindung der Gleichstromquelle 11 mit der Last 13 niit der Inverterschaltung 26 identisch.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist eine Hauptsteuereinrichtung 54 vorgesehen,' um die torgesteuerten Gleichrichter 35» 36, 38 und 40 der Inverterschaltung der Phase A mittels Zündsignalimpulsen einzuschalten, die über Verbindungsleitungen 55 und 56 zugeführt werden. Ähnliche Signalimpulse werden auch über Verbindungsleitungen 58 und 60 zu den torgesteuerten Gleichrichtern der Schaltungen 2B und 30 geleitet. Die Hauptsteuereinrichtung 54 spricht auf verschiedene Eingangssignale einschließlich,eines primären Rezugssignales 62 und eines überspannunpssipjnales an, die er-

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findungsgemäß erzeugt und der Hauptsteuereinrichtung auf einem Leiter 6^i zugeführt werden. Der Hauptsteuereinrichtung 54 können auch andere Steuersignale zugeführt werden, wie es durch den Eingang 66 in der Hauptsteuereinrichtung 54 dargestellt ist. In der Hauptsteuereinrichtung 54 bestimmen andere Steuersignale zusammen mit dem erfindungsgemäßen Überspannungssignal und dem primären Bezugssignal 62 die Frequenz und Spannung der der Last 13 zugeführten elektrischen Leistung. Für eine detaillierte Beschreibung der Art und Weise, in der die Hauptsteuereinrichtung 54 den Betrieb der Leistungswandlereinrichtung 12 steuert, wird auf die eingangs genannten deutschen Offenlegungsschriften und das US-Patent 3 207 974 verwiesen.

Bevor auf die auf die Spannung ansprechende Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingegangen wird, sei die allgemeine Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Antriebssystemes kurz beschrieben. Es ist zu berücksichtigen, daß die Grundfunktion der Inverterschaltungen 26, 28 und 30 darin besteht, eine Gleichstromleistung von der Quelle 11 reversibel in eine Wechselstromleistung zu transformieren, um diese über Phasen A, B und C an den Motor 13 zu liefern. Um dies in der Phase A zu erreichen, leiten die torgesteuerten Gleichrichter 35 und 36 der Schaltung 26 alternativ für Zeitperioden, die von der Hauptsteuereinrichtung 54 festgelegt werden. Die Grundfrequenz, mit der Änderungen in der Leitung bzw. Leitfähigkeit auftreten, wird durch die Hauptsteuereinrichtung 54 und Zündsignalimpulse gesteuert, die diese den steuerbaren Gleichrichtern der Schaltung 26 zuführen läßt. Die Art und Weise, in der die Leitung bzw. Leitfähigkeit verändert wird, ist als Kommutierung bekannt und wird nun anhand der Phase A und der Inverterschaltung 26 kurz beschrieben .

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Zunächst sei angenommen, daß der steuerbare Hauptgleichrichter 35 Strom zum Motor 13 leitet. Aufgrund eines vorangegangenen Betriebes ist der Kondensator 48 so aufgeladen, daß ein Punkt 72 zwischen dem Kondensator 48 und der Spule 46 in Bezug auf den Knotenpunkt 50 ein positives Potential besitzt. Um den steuerbaren Gleichrichter 35 "aus-"zukommutieren, wird der steuerbare Kommutierungsgleichrichter 38 "ein-"geschaltet, indem er einen Zündimpuls von der Steuereinrichtung 54 über die Verbindungsleitung 56 empfängt. Ein Reihenschwingkreis mit dem Kommutierungskondensator 48 und der Kommutierungsspule 46 ist nun dem laststromführenden steuerbaren Gleichrichter 35 parallel geschaltet. Ein durch die Entladung des Reihenschwingkreises erzeugter Stromimpuls übernimmt nun die Punktion der Zuführung von Laststrom in den Motor 13 und bewirkt, daß die Diode 42 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Infolgedessen wird der Strom durch den steuerbaren Gleichrichter 35 auf Null herabgesetzt. Die Rückkopplungsdiode 42 leitet überschüssigen Kommutierungsstrom um den steuerbaren Gleichrichter 35 herum und liefert eine begrenzte Sperrspannung über dem steuerbaren Gleichrichter 35. Diese(Vorspannung in Sperrichtung dauert für eine längere Periode als die Ausschaltzeit des steuerbaren Gleichrichters 35, so daß dieser steuerbare Gleichrichter "aus-"geschaltet wird, d. h., er gewinnt seinen sperrenden Betriebszustand zurück.

Nachdem der Kommutierungskondensator 48 auf die entgegengesetzte Polarität aufgeladen worden ist, so daß der Knotenpunkt 50 ein positiveres Potential besitzt als die positive Sammelschiene 32, wird der Kommutierungsgleichrichter 38 ausgeschaltet. Da der Gleichrichter 35 nun ausgeschaltet ist, fließt ein Blindstrom durch die gegenüberliegende Rückkopplungsdiode 44. Zu dieser Zeit kann der steuerbare Hauptgleichrichter 36 gezündet werden, indem seiner Steuerelektrode über die Verbindungsleitung 56 ein Zündsignal zugeführt wird. Der Kommutierungskondensator 48 besitzt anschließend die gee-ignete Polarität, um diesen steuerbaren Gleichrichter "aus-"zukommutleren, wenn der Kommutie-

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rungsgleichrichter 40 eingeschaltet ist. Nachdem die Gleichrichter 36 und 40 "aus-"geschaltet sind, um einen vollen Zyklus von 360 Grad elektrisch zu vervollständigen, ist der Kondensator 48 auf die gleiche Polarität aufgeladen, wie er es zu Beginn des Kommutierungsintervalles war. Wie eingangs bereits dargelegt wurde, ist diese allgemeine Art der Steuerung und Kommu^ö 0 » & ^& im einzelnen

tierung der Inverterschaltungen in dem US-Patent 3 207 97^/beschrieben.

Für den Fachmann ist selbstverständlich klar, daß die Leitung bzw. Leitfähigkeit der torgesteuerten Gleichrichter der Inverterschaltungen 28 und 30 in der gleichen Weise gesteuert wird, indem diesen von der Zündschaltung 54 über Verbindungsleitungen 58 und 60 Zündsignalimpulse zugeführt werden. Der den Phasen B und C durch die Inverterschaltungen 28 bzw. 30 somit zugeführte Wechselstrom besitzt die gleiche Frequenz wie die der Phase A zugeführte Wechselstromleistung, aber die den drei Phasen zugeführten Wellen sind gegenüber einander um 120 Grad elektrisch verschoben, wie es in dreiphasigen Systemen üblich ist. Neben der Steuerung der Grundfrequenz, mit der dem Motor 13 Wechselstromleistung zugeführt wird, enthält die Steuereinrichtung 54 vorzugsweise Mittel, wie sie in den eingangs genannten deutschen Offenlegungsschriften beschrieben sind, um die Durchschnittsspannung mittels einer im Zeitverhältnis gesteuerten Umschaltung der torgesteuerten Gleichrichter der Schaltungen 26, 28 und 30 zu steuern.

Während des Generatorbetriebes des Motors 13, d. h. wenn der Motor 13 Wechselstromleistung in die Leistungswandlereinrichtung zurückleitet, von der die elektrische Leistung in Gleichstromform in die Leistungsquelle 11 zurückgeleitet wird, hat die zurückfließende Leistung die Neigung, den Filterkondensator 20 aufzuladen. Wenn die Leistungsquelle 11 nicht in der Lage ist, die Gleichstromleistung in die Wechselstromeinspeisung 14 zurückzuinvertieren, kann sich über dem Kondensator 20 eine Spannung mit einer solchen Höhe aufbauen, die zum Versagen einiger Schaltungs-

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komponenten, einschließlich der steuerbaren Gleichrichter der Inverterschaltungen, führen kann, wenn nicht geeignete Schritte unternommen sind, um die beanspruchten Schaltungselemente zu schützen. Gemäß der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung P .'. (Anmelder Nr. 2162-21-SV-413; US-Serial

No. 172,122) sind Mittel vorgesehen, um die Spannung über dem Kondensator 20 abzutasten und den Betrieb des Leistungssystems automatisch zu stoppen, wenn die Spannung einen kritischen Grenzwert erreicht. Es ist deshalb vorteilhaft, diese Spannungsgrenze so hoch wie möglich anzusetzen, so daß der Betrieb nicht unnötigerweise eingegrenzt wird. Es wurde gefunden, daß es häufig verhindert werden kann, daß die Spannung diesen hohen Wert erreicht, wenn an einem Spannungszwischenwert eine vorläufige Frequenzeinstellung vorgenommen wird. Insbesondere wurde gefunden, daß die Spannung über den steuerbaren Gleichrichtern und gewissen anderen Elementen der Inverterschaltungen durch eine Erhöhung der Betriebsfrequenz herabgesetzt werden kann-, d. h. der Frequenz der zwischen dem Motor 13 und der Leistungswandlereinrichtung 12 übertragenen Wechselstromleistung.

Weiterhin wird nun anhand von Fig. 1 die erfindungsgemäße Steuereinrichtung beschrieben. Die Gleichstrom-Eingangsklemmen 22 und 2k der Leistungswandlereinrichtung 12 sind mit einem Spannungssignalgenerator 70 verbunden, der die Spannung über den Klemmen 22 und 2k und dem Kondensator 20 kontinuierlich überwacht und auf einem Ausgangsleiter 72 ein kontinuierliches, positives elektrisches Signal erzeugt, das zu allen Zeiten der Spannung über den Klemmen 22 und 2k proportional ist. Es können verschiedene bekannte Vorrichtungen wie z. P. Spannungsteiler verwendet werden, um das dem Leiter 72 zugeführte proportionale Signal zu erzeugen. Ein Überspannungssignalgenerator 7 k besitzt einen Eingang 76, der mit dem Leiter 72 verbunden 1st, um von diesem das kontinuierliche Spannungssignal zu empfangen. Der iJberspannunpssignalgenerator Ik erzeugt an "einem ^usganp; 78 ein i"^;berspannungssignal,-wenn und nur wenn die Spannung über den Klemmen 22 und

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24 einen vorher festgelegten Wert Oberschreitet, wie er durch eine vorbestimmte Größe des Spannungssignales auf dem Leiter dargestellt ist. Die vorher festgelegte Höhe der Spannung, auf die der Überspannungssignalgenerator 74 anspricht, ist ein Spannungszwischenwert, bei dem eine Erhöhung der Betriebsfrequenz erwünscht ist, um so die Inverterbauteile zu schützen. Aus einem praktischen Grund, nämlich um unnötige Frequenzänderungen zu vermeiden, die aus kleinen SpannungsSchwankungen resultieren, die die Schaltungskomponenten nicht wesentlich gefährden, ist der Spannungswert üblicherweise mit wenigstens 110 Prozent der normalen Spannung der Gleichspannungsquelle 11 gewählt. Mit dem Ausgang 78 ist ein Leiter 64 verbunden, um das Überspannungssignal zur Hauptsteuereinrichtung als ein Steuersignal mit einer Größe und Polarität zu leiten, die die Steuereinrichtung zur Erhöhung der Betriebsfrequenz veranlassen.

Anhand von Fig. 2 wird nun der Überspannungssignalgenerator 74 in seinen Einzelheiten beschrieben. Der Generator 74 enthält einen Verstärker 90 mit einem invertierenden Eingang 92, der mit dem Generatoreingang 76 über eine für eine Voreilung sorgende Schaltung verbunden ist, die einen Widerstand Sk und einen parallel geschalteten Kondensator $6 umfaßt. Der invertierende Eingang 92 ist auch über einen Widerstand 102 mit einer Quelle negativer Gleichspannung verbunden. Ein nicht invertierender Eingang 91 steht mit einem gemeinsamen Punkt II6 in Verbindung. Der Ausgang 104 des Verstärkers 90 ist über einen Widerstand 106 mit der Basis eines NPN-Transistors 108 verbunden. Der Kollektor des Transistors 108 ist über einen Knotenpunkt 124 und einen Widerstand 110 mit einer Quelle 112 positiver Gleichspannung verbunden, und der Kollektor des Transistors IO6 ist über einen Spannungsteller 114 ebenfalls mit dem gemeinsamen Punkt II6 verbunden. Wenn der Transistor 108 in seinem nicht leitenden Zustand ist, kann mittels des Schleiferdrahtes 120 die Spannung an dem Punkt 122 zwischen praktisch der Spannung des Punktes und der Spannung an dem gemeinsamen Punkt II6 eingestellt wer-

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den. Der Punkt 122 steht über einem Widerstand 125 und eine Gleichrichterdiode 126 mit dem Ausgang 78 und dem Leiter 6¹J in Verbindung, wobei die Diode 126 so gepolt ist, daß bei einer Anlegung einer positiven Spannung, die größer ist als die minimale Vorwärtsspannung der Diode 126, die für Siliziumdioden typischerweise in der Größenordnung von 0,5 Volt liegt, zu einem positiven Signal am Knotenpunkt 78 führt. Das Anlegen einer positiven Spannung an die Diode 126, die kleiner als die minimale Vorwärtsspannung der Diode 126 ist, oder das Anlegen einer negativen Spannung führt zu keinem Signal am Ausgang 78, da die Diode 126 die übertragung des Signales blockieren bzw. sperren wird.

Es sei nun angenommen, daß das in Fig. 1 dargestellte elektrische System im Generatorbetrieb arbeitet, d. h, der Motor 13 speist Weehselstromleistung in die Leistungswandlereinrichtung 12 und diese leitet die Leistung in Gleichspannungsform in die Quelle 11 zurück. Ferner sei angenommen, daß der Spannungssignalgenerator 70 so aufgebaut ist₉ daß seine Ausgangsgröße immer positiv und immer proportional zur Gleichspannung über dem Filterkondensator ist. In Fig. 2 sind die Widerstände 9¹I und 102 und die Spannung der negativen Gleichspannungsquelle 100 derart ausgewählt, daß das dem invertierenden Eingang 92 des Verstärkers 90 zugeführte positive Signal eine negative Polarität besitzt, wenn die Spannung über dem Filterkondensator 20 kleiner ist als der vorher festgelegte Wert, und dann eine positive Polarität besitzt, wenn die Spannung gleich oder größer als der vorher festgelegte Wert ist. Wenn das Eingangssignal in den Eingang 92 negativ ist, wird der Basis des Transistors IO8 über den Widerstand 106 ein positives Signal mit ausreichender Größe zugeführt, um den Transistor 108 einzuschalten» Wenn der Transistor 108 eingeschaltet ist, haben die Spannungen an den Knotenpunkten 124 und 122 feste Werte, die im wesentlichen gleich demjenigen des gemeinsamen Punktes 116 ist, da der Transistor IO8 einen sehr kleinen Spannungsabfall im Verhältnis zu demjenigen des Widerstandes 110 besitzt. Die feste Spannung am Knotenpunkt 122

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kann als ein erstes Signal mit einem festen Wert betrachtet werden, der von der Größe des Spannungssignales auf dem Leiter 72 unabhängig ist, solange das Spannungssignal auf dem Leiter 72 kleiner 1st als dasjenige, das dem vorher festgelegten Spannungswert über dem Filterkondensator entspricht. Da, anders ausgedrückt, das Signal auf dem Leiter 72 proportional zur Spannung über dem Kondensator 20 ist, kann gesagt werden, daß das erste Signal solange erzeugt wird, wie das kontinuierliche Spannungssignal auf dem Leiter 72 kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.

Wenn jedoch das kontinuierliche Spannungssignal auf dem Leiter auf den vorbestimmten Wert ansteigt, wird das Signal am Eingang 92 des Verstärkers 90 positiv und das Ausgangssignal am Ausgang 10¹I negativ. Die Umschaltung am Ausgang 104 von einem nennenswerten positiven Signal zu einem nennenswerten negativen Signal schaltet den Transistor 108 aus. Wenn der Transistor 108 in seinem ausgeschalteten oder nicht leitenden Zustand ist, ist der Spannungsabfall von der positiven Klemme 112 zum gemeinsamen Punkt 116 über den Widerstand 110 und den Spannungsteiler 114 gelegt. Da der gesamte Spannungsabfall konstant und der Gesamtwiderstand des Widerstandes 106 und des Spannungsteilers 114 ebenfalls konstant ist, hat die Spannung am Knotenpunkt 122 einen festen Wert zwischen der Spannung am Knotenpunkt 124 und dem gemeinsamen Punkt 116. Durch eine selektive Verschiebung des Schleiferdrahtes 120 kann jedoch der feste Wert am Knotenpunkt 122 zwischen einem hohen Festwert, der im wesentlichen gleich der Spannung am Knotenpunkt 124 ist, und einem kleineren Festwert variiert werden. Wenn sich der Transistor 108 in seinem nicht leitenden Zustand befindet, kann die feste Spannung am Knotenpunkt 122 als ein zweites Signal betrachtet werden. Dieses zweite Signal wird dann und nur dann erzeugt, wenn das kontinuierliche Spannungssignal auf dem Leiter 72 gleich oder größer ist als der vorbestimmte Wert. Selbstverständlich ist auch die Größe des zweiten Signales unabhängig von der Größe des Spannungssignales auf dem Leiter 72.

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Anhand der Figuren 1 und 2 wird nun die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung beschrieben. Unter der Annahme eines Generatorbetriebes und einer Spannung über dem Filterkondensator 20 von weniger als etwa 110 Prozent der normalen Spannung der Quelle 11 wird die Größe des kontinuierlichen Spannungssignales auf dem Leiter 72 so sein, daß der Transistor in seinem leitenden Zustand ist. Am Knotenpunkt 122 wird dann das erste Signal erzeugt, und die positive Größe dieses durch den Widerstand 125 modifizierten Signales wird kleiner sein als die minimale Vorwärtsspannung der Diode 126, .und deshalb wird die Diode 126 die Übertragung irgendeines Signales über den Leiter 6¹J zur Haupt Steuereinrichtung blockieren. Wenn demzufolge die Spannung über den Klemmen 22 und 24 kleiner als ein vorbestimmter Wert von etwa 110 Prozent der normalen Quellenspannung ist, hat die erfindungsgemäße Steuereinrichtung keinen Einfluß auf den Betrieb der Haupt steuereinrichtung 5*1 und der Leistungswandlereinrichtung 12.

Wenn die Spannung über dem Kondensator 20 jedoch den vorher festgelegten Wert erreicht oder überschreitet, wird die Größe der kontinuierlichen Spannungssignale auf dem Leiter 72 so sein, daß der Transistor 108 in seinen leitenden Zustand umschaltet, um am Knotenpunkt 122 das zweite Signal zu erzeugen. Das zweite Signal besitzt eine ausreichende Größe, um eine Leitung durch die Diode 126 hindurch zur Haupt steuereinrichtung 5*1 zu bewirken, Dieses feste Signal bewirkt eine entsprechende Vergrößerung der Betriebsfreauenz der Inverterschaltungen 26, 28 und 30, um die darin enthaltenen Schaltuhgskomponenten zu schützen. Das Ausmaß der Einstellung kann durch Einstellung der Position des Schleiferdrahtes auf dem Spannungsteiler 114 variiert werden, um so die feste Größe des zweiten oder Überspannungssignales zu verändern. Wie bereits ausgeführt wurde, bewirkt ein positives Signal auf dem Leiter 64 eine Erhöhung der Frequenz. Es kann auch eine invertierende Vorrichtung enthalten sein, wenn die Hauptsteuereinrichtung 54 eine negative Eingangsgröße für eine

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Vergrößerung der Betriebsfrequenz benötigt.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Steuereinrichtung auch eine Frequenzerhöhung während des Motorbetriebes bewirkt, wenn die Spannung über dem Kondensator 20 gleich oder größer ist a]s der vorher festgelegte Wert. Aus praktischen Gründen ist eine derartige Abweichung von der normalen Spannung während des Motorbetriebes höchst unwahrscheinlich, wenn die Quelle 11 Ihre Leistung auf einer kommerziellen Klemme wie z. B. Verbraucherleitungen erhält. Wenn Änderungen der Quellenspannung jedoch in vernünftiger Weise zu erwarten sind, kann es wünschenswert sein, eine gewisse Art einer Vergleichsschaltung, wie sie in der eingangs genannten, gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung beschrieben ist, in Verbindung mit dem Überspannungssignalgenerator 7*· zu verwenden.

Dem Fachmann ist ebenfalls klar, daß die verschiedenen Elemente, die den Überspannungssignalgenerator 74 gemäß Fig. 2 bilden, richtig ausgewählt sein müssen, um für den vorstehend beschriebenen Betrieb zu sorgen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Leistungsquelle verwendet, die +20 Volt an der Klemme 112, 0 Volt am gemeinsamen Punkt 116 und -5 Volt an der Klemme 100 lieferte. Der Transistor 108 war von dem Typ JEDEC Nr. 2 N4424_v der Verstärker 90 war vom Typ uhjHl und die Diodengleichrichter 126 und 127 trugen die Typenbezeichnung INiJl¹Ie. Der Kondensator 96 hatte eine Kapazität von 10 mF und die Widerstände 9¹», 102, 106, 110 und 120 hatten Widerstandswerte von 15k-/v, 5,6 k -/"\-, 10 k-Λ-, 8,2 k_/\bzw. 470 kf\- . Der Spannungsteiler hatte 10 k-n_. Infolgedessen könnte der Festwert des zweiten Signales in Abhängigkeit von dem Umfang der gewünschten Frequenzeinstellung in dem Bereich von 0 Volt bis 8 Volt liegen. Selbstverständlich könneri innerhalb der hier gegebenen erfinderischen Lehren verschiedene andere Lösungen gefunden werden. Beispielsweise würden in der Schaltung gemäß Fig. 2 verschiedene Änderungen erforderlich sein, wenn das SIg-

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nal auf dem Leiter 72 Immer negativ anstatt positiv sein würde oder wenn das Signal die Polarität wechseln müßte, wenn die Spannung über dem Pilterkondensator 20 (siehe Pig. I) den vorher festgelegten Wert erreicht.

Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Peststellung einer überspannung in einer Inverterschaltung und zur automatischen Erhöhung der Betriebsfrequenz, um so die Spannungswerte über den Schaltungskomponenten herabzusetzen.

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Claims

Ansprüche

1.) Elektrisches System mit einer statischen Gleichspannungs/Wechselspannungs-Leistungswandlereinrichtung zur reversiblen übertragung elektrischer Leistung zwischen einer Gleichspannungsquelle und einer Last und mit einer Steuereinrichtung, die mit der Leistungswandlereinrichtung gekoppelt ist und diese derart steuert, daß die Frequenz der zwischen der Leistungswandlereinrichtung und der Last übertragenen Wechselleistung in Abhängigkeit von Steuersignalen einstellbar ist, die der Steuereinrichtung zuführbar sind, gekennzei chnet durch einen mit dem elektrischen System gekoppelten Spannungssignalgenerator (70), der die Gleichspannung an der Leistungswandlereinrichtung (12) abtastet und darauf anspricht, um ein kontinuierliches elektrisches Signal proportional zur Gleichspannung zu erzeugen, und einen Überspannungssignalgenerator (7¹O, der mit dem Spannungssignalgenerator (70) und der Steuereinrichtung (5¹O gekoppelt ist, zur Aufnahme des kontinuierlichen Spannungssignales von dem Spannungssignalgenerator (70) und zur Zuführung eines Überspannungssignales zur Steuereinrichtung (5¹O als ein Steuersignal, wobei der Überspannungssignalgenerator (7¹O auf das kontinuierliche Spannungssignal derart anspricht, daß ein Überspannungssignal erzeugbar ist, wenn und nur wenn das Spannungssignal gleich oder größer ist als ein vorbestimmter überspannungswert, und das Überspannungssignal eine Größe und Polarität besitzt, bei denen die Steuereinrichtung (5¹O die Frequenz der zwischen der Leistungswandlereinrichtung (12) und der Last (13) übertragenen Wechselstromleistung vergrößert.

2. Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Spannungswert wenigstens 110 Prozent der normalen Spannung der GlAichspannungsquelle beträgt und daß eine Filterschaltung(l8^2O) zwi-

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sehen der Gleichspannungsquelle (11) und der Leistungswandlereinrichtung (12) angeordnet ist.

3. Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß der überspannungssignalgeneratör (74) ferner Mittel aufweist, die auf das kontinuierliche Spannungssignal ansprechen, um ein erstes Signal mit einem Festwert zu erzeugen, wenn das Spannungssignal kleiner als der vorbestimmte überspannungswert ist, und um ein zweites Signal mit einem Festwert zu erzeugen, wenn das Spannungssignal gleich oder größer als der vorbestimmte Spannungswert ist, und daß Mittel (6*0 zur übertragung des zweiten Signales zur Steuereinrichtung (54) als überspannungssignal vorgesehen sind.

4. Elektrisches System nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (114) zur selektiven Einstellung des Festwertes des zweiten Signales vorgesehen sind.

5. Elektrisches System nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur übertragung des zweiten Signales zur Steuereinrichtung (54) eine Sperrvorrichtung (126) aufweist, durch die Übertragungen des ersten Signales zur Steuereinrichtung (54) blockierbar sind.

6. Elektrisches System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung (126) ein Gleichrichter ist.

7. Elektrisches System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der ersten und zweiten Signale eine Schnapp- bzw. Sprungfunktion ausübende Vorrichtung (108)'umfassen, so daß sich die Festwerte der\ersten und zweiten Signale wesentlich voneinander unterscheiden.

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Elektrisches System nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der
ersten und zweiten Signale eine Widerstandsschaltung umfassen, die einer Spannungsquelle parallel geschaltet ist und die eine Schaltvorrichtung (108) mit leitenden und nicht leitenden Zuständen enthält, wobei das erste Signal erzeugt ist, wenn
sich die Schaltvorrichtung (108) in einem ersten Betriebszustand befindet, und das zweite Signal erzeugt ist, wenn sich die Schaltvorrichtung (108) in einem zweiten Betriebszustand befindet.

Elektrisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der
ersten und zweiten Signale ferner einen Verstärker (90) umfassen, der auf das kontinuierliche Spannungssignal anspricht
und die Schaltvorrichtung (108) zwischen ihren leitenden und nicht leitenden Betriebszuständen umschaltet.

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