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Verfahren zur Steurung eines Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters
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sowie Steuereinrichtung und Schutzschaltung zur DurchfAhrung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters,
an den eine Drehfeldmaschine angeschlossen ist, wobei die steuerbaren Hauptventile
des lastseitigen Stromrichters mit vorgegebener Taktfrequenz und in Zyk lischer
Reihenfolge Jeweils gezündet und nach Ablauf einer Einschaltzeit Jeweils wieder
gelöscht werden, sowie auf eine Steuereinrichtung und eine Sohutzachaltung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Ein Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter und das eingangs genannte Verfahren
sind beispielsweise aus dei Pachbuch von D. Ernst und D. Ströle "Industriselektronik",
1973, Springer-Verlag, Berlin-Heidolberg-Bew Kork, Seiten 178 bis 180, bekannt.
Danach kann ein solcher Umrichter einen an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen
netsgeiUhrten Stromrichter und einen mit diese. Uber einen Gleichspannungszwischenkreis
verbundenen selbstgeführten Stromrichter umfassen, der eine Drchfeldmaschine speist.
Der selbstgeführte Stromrichter enthält üblicherweise steuerbare Hauptventile in
Drehstrom-Brückensc@altung, eine Brückenschaltung von ungesteuerten Rücklaufventilen
und eine Löscheinrichtung, mit der die einzelnen Hauptventile zwangsgelöscht werden
können. In der Löscheinrichtung ist Jeden Hauptventil Ublicherweise ein steuerbares
Löschventil zugeordnet, das in Reihe zu einem Löschkondensator geschaltet ist. Im
lastseitigen Stromrichter können als steuerbare
Rauptventile auch
abschaltbare Ventile, beispielsweise Transistoren, verwendet werden. Dann erUbrigt
sich die erwähnte Ldscheinrichtung.
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Im folgenden wird Bezug genommen auf einen dreiphasigen Stromrichter
in Drehstrom-Brückenschaltung und auf eine Drehstrommaschine.
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Entsprechende Überlegungen kennen Jedoch auch fUr einen Stromrichter
und eine Irehfeldmaschine lit einer anderen Phasen zahl angestellt werden.
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Die Hauptventile des Wechselrichters eine. Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter.
sind normalerweise fUr eine bauer von 1800 el (bezogen auf die Frequenz der Absgangswechselspannung)
eingeschaltet. Sie geben während dieser Dauer die eingeprägte Zwischenkreisspannung
auf die angeschlossene Drehreldoasohine. Bei einer induktiven Last kommt man mit
einer Einschaltdauer von 1200 el aus; doch auch hier wird Ublicherweise eine Einschaltdauer
von 1800 el gewählt. Die Ausgangswechselspannung wird üblicherweise durch eine Änderung
der Zwischenkreisapannung eingestellt, insbesondere konstant gehalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vom üblichen Steuerveriahren
abweichendes Verfahren zur Steuerung eines Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters anzugeben,
nach dem sich Ausgangswechselspannung und Ausgangswechselstrom und damit auch Uber
einen begrensten Bereich die Drehzahl der angeschlossenen Drehfeldmsschine steuern
lassen. Es soll eine schnelle Steuerung ermöglichen. Weiterhin sollen eine Steuereinrichtung
zur DurchiUhrung des Verfahrens und eine auf dem Verfahren beruhende, schnell ansprechende
Schutsschaltung gegen Überströme angegeben werden.
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Die Erfindung heruht auf folgender Überlegung : Bei einem dreiphasigen,
sechspulsigen Stromrichter kann bei einer Einschaltdauer eines Jeden Hauptventils
von weniger als 600 el keine Ausgang wechselspannung entstehen, da in der Drehstrom-BrU¢kenschaltung
außer dem gerade betrachteten Ventil kein weiteres Hauptventil gezUndet ist. Bei
einer Einschaltdauer von 1200 el werden dagegen Spannungsblöcke der Breite 1200
el zyklisch auf die Ausgangaklemmen geschaltet; die Ausgangswechselspannung hat
dann ihren Maximalwert
angenommen. Bei einer Vergrößerung der Einschaltdauer
von 600 el bis 1200 el steigt die Ausgangaspannung vom Wert Null bis zum Naximalwert.
Eine Verlängerung der Einschaltdauer auf 1800 el bringt keine weitere Steigerung
der Ausgangswechselspannung. Somit läßt sich aller die Einschaltdauer der steuerbaren
Hauptventile die Ausgangswechselspannung steuern (Anschnittsteuerung).
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Die genannte Aufgabe wird demzufolge erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Einschaltzeit sämtlicher steuerbarer Hauptventile des lastseitigen Stromrichters
in Abhängigkeit von einem Steuersignal in gleichem Sinne gesteuert wird. Prinzipiell
kann hier ein digitales oder ein analoges Steuersignal verwendet werden.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die
Einschaltdauer Jedes der Hauptventile erst von einer Nindesteinschaltdauer ab gesteuert
wird. Dies ist deshalb möglich, weil Änderungen der Einschaltdauer unterhalb der
Nindesteinschaltdauer ohnehin keine Veränderung der Ausgangswechselspannung, die
hier gleich Null ist, bewirken. Gemäß den oben angefUhrteo Überlegungen wird man
bei einem dreiphasigen Stromrichter also insbesondere 80 vorgehen, daß die Mindesteinschaltdauer
für jedes der Hauptventile 60° el beträgt, und daß die Einschaltdauer zumindest
im Bereich von 60° el bis 120° el gesteuert wird.
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Wie bereits erwähnt, kann im Bereich von 1200 el bis 1800 el keine
Änderung der Ausgangswechselspannung mehr erzielt werden. Dennoch kann so vorgegangen
werden, daß die Einschaltdauer Jedes der Hauptventile ii gesamten Bereich von 600
el bis nahe i800 el gesteuert wird. Das hat den Vorzug, daß ein lUckender Stromrichterbetrieb
veriieden werden kann.
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Eine weitere Ausbildung des Verfahrens, nach der sich eine besonders
einfache technische Ausführungsform gestalten läßt, zeichnet sich dadurch aus, daß
iUr Jedes Hauptveotil nach Ablauf der Nindesteinschaltdauer eine Sägezahnspannung
gestartet wird, daß die Sägezahnspannung mit einer das Steuersignal repräsentierenden
Steuerspannung verglichen wird, und daß bei Gleichheit ein Ausschaltbefehl
fUr
das betreffende Hauptventil gebildet wird.
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Da die Abfrage mittels der Sägezahnspannung und damit der wirksame
Steuerbereich nur Uber einen Bereich von 1200 el (600 bis 1800 l) geht, kann iUr
Jeweils drei Hauptventile einer Brückenhälfte eine gemeinsame Sägezahnipannung vorgesehen
sein. In der praktischen Ausführung kann somit Jeweils drei Hauptventilen ein gemeinsamer
Sägezahngenerator zugeordnet werden, wodurch sich der Aufwand beträchtlich reduzieren
läßt.
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Es wurde in praktischen Erprobungen festgestellt, daß sich die Anschnittsteuerung
des Wechselrichters mit besonderem Vorteil zur Strombegrenzung einsetzen läßt. Das
erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher insbesondere durch seine Anwendung
als Verfahren zum Schutz des Stromrichters gegen Überströme aus.
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Die Löscheinrichtung des Stromrichters kann nur einen bestimmten Hauptventilstrom,
nämlich den kommutierfähigen Strom, abschalten.
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Übersteigt der Hauptventilstrom diesen bestimmten Wert, ergibt sich
also ein Überstrom, so tritt im Stromrichter Kommutierungskurzschluß und damit ein
Ausfall des gesamten Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter auf. Um dieses zu verhindern,
wird nach einer Weiterbildung so vorgegangen, daß beim Auftreten eines Überstroms
die Einschaltdauer Jedes der Hauptventile umgehend auf den Wert der Mindesteinschaltdauer
reduziert wird. Die Hauptventile werden dadurch sch@ell abgeschaltet, d.h. -der
Hauptventilstrom wird zu Null.
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Bei der erwähnten Verwendung einer Sägezahnspannung läßt sich das
dadurch erreichen, -daß die Steuerspannung bei Überstrom umgehend zu Null gemacht
wird.
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In der technischen Realisation kann hierbei ein Grenzwertmelder verwendet
werden, der feststellt, ob der Hauptventilstrom (oder der Ausgangswechselstrom)
noch auf einem Wert unterhalb der Kommutierfähigkeit liegt. Übersteigt der Hauptventilstrom
(oder der Ausgang wechselstrom) diesen Abfragewert (maximal zu lässiger Strom),
so wird die Steuerspannung sehr schnell zurUckgezogen, z.B. durch Kurzschluß der
Steuerspannungsquelle. Durch die hieraus resultierende
Abschaltung
der Hauptventile verschwindet der Überstrom.
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Durch das Zurückziehen der Steuerspannung wird auch dasjenige Hauptventil
erfaßt, das den Überstrom fUhrt, ohne daß die einzelnen Hauptventilströme gesondert
gemessen und ausgewertet werden mUssen. Es genügt also eine summarische Überwachung
aller Hauptventilströme. Das Zurückziehen der Steuerspannung, also die Änderung
der zeitlichen Lage der Löschbefehle, bedeutet gegenüber dem ursprünglichen Zustand
eine Phasenverschiebung und damit ein Vorlaufen des speisenden Drehfeldes (motorischer
Betrieb).
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Bei Verschwinden des Überatroms infolge der Zurücknahme der Steuerspannung
und der dadurch bedingten Reduzierung der Stromführungsdauer könnte die Einschaltdauer
sofort wieder einen Sprung von 600 el auf einen Wert Uber 1200 el machen. Dieses
würde einen kurzzeitigen generatorischen Betrieb bedeuten. Ein soloher Sprung führt
aber - wie Untersuchungen gezeigt haben - gelegentlich zu einer Überbelastung und
dadurch wieder zu einem Überstrom, so daß der Umrichterbetrieb unruhig wird. Deshalb
wird die Steuerspannung nach Abklingen des überstromes bevorzugt nur langsam wieder
angehoben, woraus sich ein langsames Ansteigen der Ausgangswechselspannung ohne
einen Drehfeldsprung ergibt. Demgemäß zeichnet sich eine Weiterbildung des Verfahrens
dadurch aus, daß nach Verschwinden des Überstroms, vorzugsweise noch vor Erreichen
des Strom-Null-Zustandes, die Einschaltdauer Jedes der Hauptventile von der Mindesteinschaltdauer
ab mittels des Steuersignals nur verzögert auf einen vorgegebenen Endwert eingestellt
wird. Der Endwert kann hierbei 1200 betragen, sollte aber bevorzugt nahe 1800 el
liegen.
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Durch die erwähnte schnelle Verkürzung der Einschaltdauer bei Überstrom
und die nicht stoßartige, sondern verzögerte Preigabe der Ausgangswechselspannung
ist der Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter sicher gegen Überlast, beispielsweise
beim Einschalten der Drehfeldmaschine, und sicher gegen Kurzschluß.
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Im häufigsten Anwendungsfall ist dem Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter
ein Spannungsregler zugeordnet, der nach Maßgabe eines Schwertes die Zwischenkreisapannung
und damit die Ausgangswechselspannung
beeinflußt. Bei Vorhandensein
eines solchen Spannungsreglers ist es sinnvoll, bei Auftreten eines überstromes
den Spannungssollwort des Spannungsreglers zu sperren, d.h. zu Null zu machen. Da
nämlich keine Ausgangswechselspannung und damit kein Iatwert vorhanden ist, hätte
der Spannungaregler anderenfalls das Bestreben, auf volle Aussteuerung zu gehen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere auch gekennzeichnet
dadurch seine Anwendung als Verfahren zum Schutz des Stromtrichters gegen Erdschluß.
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Bei Vorliegen eines Erdachlusses kann also zunächst in der oben genannten
Weise wie bei Vorliegen eines anderen Überstroms vorgegangen werden. Verschwindet
der Erdschlußstrom hierdurch jedoch nicht, so wird nach einer weiteren Ausbildung
die Einschaltdauer der Hauptventile weiter verringert, und zwar auf eine vorgegebene
Minimaleinschaltzeit verkürzt. Diese Minimaleinschaltzeit entspricht etwa dem Zweifachen
der Freiwerdezeit eines Hauptventeils. Bei Verwendung von Thyristoren in einem dreiphasigen
Stromrichter beträgt diese Minimaleinschaltzeit etwa 400 /usec.
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Nach Verschwinden des Erdschlußstroms kann dann insbesondere so vorgegangen
werden, daß die Einschaltdauer Jedes der Hauptventile umgehend von der Minimaleinschaltdauer
auf die Mindesteinschaltdauer angehoben und danach mittels des Steuersignals nur
verzögert auf einen vorgegebenen Endwert eingestellt wird. Bei einem dreiphasigen
Umrichter werden also hiernach bei Verschwinden des Erdschlußstroms die Hauptventile
wieder sofort fUr eine Mindesteinschaltdauer von 600 el freigegeben; anschließend
erfolgt die erwähnte verzögerte Vergrößerung der Ausgangswechselspannung. Durch
die gegebenenfalls zweimal erforderliche Reduktion der Einschaltdauer und das daran
anschließende verzögerte Einschalten wird der Umrichter erdschlußfest.
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Kurzschlußfestigkeit und Erdschlußfestigkeit erlauben es, den Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter
- zumindest kurzzeitig - an der Eußersten Leistungsgrenze zu betreiben. Hierdurch
besteht die für Mehrmaschinenantriebe,
bei denen jeder Drehfeldmaschine
eine Sicherung in Reihe geschaltet ist, wichtige Möglichkeit, eine gestörte Drehfeldmaschine
Uber ihre vorgeschaltete Sicherung mittels des höchst möglichen Ausgangsstroms selektiv,
d.h. unter Aufrechterhaltung des Betriebs der anderen Drehfelkmaschinen, abzuschalten.
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Der höchst mögliche Ausgangsstrom wird also hierbei dazu verwendet,
die betreffende Sicherung auszulösen und die gestörte Naschine stillzusetzen, während
die anderen Drehfeldmaschinen weiterlaufen.TÜblicherweise ist auch der Ausgang des
Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters durch eine Sicherung in jeder Leitung gesichert.
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Eine Störung durch Fall einer solchen Sicherung im Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter
kann - auch bei falscher Absicherung der einzelnen Drehfeldmaschine, z.B. durch
Wahl von Maschinen-Sicherungen mit zu hohem Ansprechwert - vermieden werden, wenn
der Selektivschutz der einzelnen Drehfeldmaschinen zeitlich begrenzt wird. Läßt
sich die gestörte Drehfeldmaschine innerhalb von beispielsweise drsi Perioden der
Frequenz der Ausgangswechselspannung nicht durch Fall ihrer Sicherung abschalten,
so wird der Umrichter abgeschaltet. Eine Abschaltung ist weniger unangenehm als
ein Fall der Sicherungen am Ausgang des Umrichters. Demgemäß zeichnet sich eine
Weiterbildung des Verfahrens dadurch aus, daß die Wiederholungen von Reduktion der
Einschaltdauer und anschließender verzögerter Einstellung auf den vorgegebenen Endwert
bei nicht behobener Ursache £Er den Überstrom bei einer vorgegebenen Anzahl (z.B.
drei) abgebrochen werden und der Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter zu seine Schutz
abgeschaltet wird.
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Eine Steuereinrichtung zur DurchfUhrung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist für einen Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter mit n-pulsilos Stromrichter erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzgenerator mit einem Ringzähler mit n Stufen
verbunden ist, daß der Ausgang Jeder Stufe an den Setzeingang eines mit einem ersten
und einem zweiten Rücksetzeingang ausgestattetem Speichergliedes geschaltet ist,
das fUr ein zugeordnetes Hauptventil sowohl einen Einschaltbefeil als auch einen
Ausschaltbefehl liefert, daß der erste Rücksetzeingang dieses Speichergliedes an
den Ausgang
einer anderen Stufe und der zweite RUcksetzeingang
an den Ausgang eines Vergleichers angeschlossen ist, und daß der Vergleicher einerseits
vom Ausgang eines gegenüber dem Beginn des Einschaltbefehls verzögert gestarteten
Sägezahngenerators mit einer Sägezahnspannung und andererseits mit einer für alle
Vergleicher gleichen Steuerspannung beaufschlagt ist.
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Eine Schutzschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß ftir den lastseitigen Stromrichter
eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die von einem Verstärker mit einer Steuerspannung
beaufschlagt ist, daß parallel zur Rückführung des Verstärkers ein Schalter liegt,
der vom Ausgangsaignal eines Grenzwertmelders gesteuert ist, und daß der Grenzwertmelder
einerseits von einem Strommeßglied mit einem Meßeignal für den Ausgangsstrom des
Stromrichters und andererseits von einem Grenzwertgaber mit einem Signal fUr den
maximal zulässigen Ausgangsstrom gespeist ist.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Steuereinrichtung und der Schmtzschaltung
sind in den UnteranprUchen hervorgehoben.
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AusfUhrungabeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
6 Figuren näher beschreiben. Es zeigen: Figur 1 einen Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter,
der mit einer Schutzschaltung gegen Überströme am Ausgang ausgerüstet ist, Figur
2 Zeit-Diagramme, in denen die Stromführungsdauer der einselnen Hauptventile des
lastseitigen Stromrichters dargestellt ist, Figur 3 zwei zugehörige Zeit-Diagranme,
in denen eine Steuerspannung und swei Sägezahnspannungen dargestellt sind, Figur
4 eine Prinzipdarstellung einer Steuereinrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitet, Figur 5 eine praktische Ausführungsform einer solchen Steuerein-@@ichtung,
und Figur 6 eine Schaltungsanordnung, die ein Steuersignal ftlr einen
Schalter
im Spannungsregelkreis bildet.
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Nach Figur 1 besteht ein Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter, der zur
Speisung einer dreiphasigen Drehfeldmsschine 2 vorgesehen ist, aus einem last@@itigen
Stromrichter 4 und einem netzseitigen Stromrichter 6, die miteinander Uber einen
Spannungszwischenkreis 8 mit Glättungskondensator 10 verbunden sind.
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Der lastseitige Stromrichter 4, der im motorischen Betrieb als Wechseirichter
betrieben wird, enthält sechs steuerbare Hauptventile 11 bis 16, die in Drehstrom-Brückenschaltung
angeordnet sind. Dabei liegen die Hauptventile 11, 13, 15 in der einen und die Hauptventile
12, 14, 16 in der anderen BrUckenhälfte. Jedem Hauptventil 11 bis 16 ist ein angesteuertes
RUckarbeitsventil gegenparallel geschaltet. Diese RUckarbeltsventlle sind in einer
Drehstrom-Brückenschaltung 18 zusammengefaßt. Zum Löschen der Hauptventile 11 bis
16 ist eine Löscheinriohtung 20 vorgesehen. Diese enthält sechs steuerbare Lösohventile
21 bis 26 in Drehstrom-Brückenschaltung und drei Löschkondensatoren 27, 28 und 29.
Durch Zündung eines zugeordneten Löschventils 21 bis 26 kann Jedes Hauptventil 11
bis 16 mit Hilfe eines der Löschkondensatoren 27 bis 29 zu Jedem beliebigen Zeitpankt
zwangsgelöscht werden.
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Der Stromrichter 6 ist an die Klemmen R, S, 1 eines Drehspannungsnetzes
angeschlossen. Er enthält sechs steuerbare Ventile in Drehstrom-BrUckenschaltung.
Mittels eines Steuergeräts 30 ist er netzgeführt steuerbar. Mit Hilfe eines Spannungsreglers
32 wird der Stromrichter 6 so gesteuert, daß die Ausgangswechselspannung Ui an der
Drchfaldmaschine 2 konstant iet. Dasu ist dem Vergleicher 34 des Spannungsreglers
32 der Istwert U1 der Ausgangswechselspannung und ein Sollwert U* @orgegeben. Der
Sollwert U* ist vorliegend an einem Potentiometer 36 abgegriffen, das in Reihe mit
einem Schutzwiderstand 38 an einer Gleichspa@nungsquelle liegt.
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Zur Versorgung der Hauptventile 11 bis 16 des Stromrichters 4 mit
Einschaltbefehlen oder ZUndimpulsen p11 bis p16 alle 60° el in zytlischer Reihenfolge
ist eine Ste@ereinrichtung 50 vorgesehen. Diese Steuereinrichtung 50 liefert auch
Ausschaltbefehle fEr die
Hauptventile 11 bis 16. Diese Ausschaltbefehle
werden als ZUndimpulse p21 bis p26 den steuerbaren Ventilen 21 bis 26 der Löscheinrichtung
20 zugefUhrt.-Als steuerbare Ventile können im Spannungs-Zwischenkreis-Umriohter
insbesondere Thyristoren vorgesehen sein.
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Das vorliegend angewandte Verfahren zur Steuerung der Hauptventile
11 bis 16 ergibt sich aus Figur 2. Es sind hier die StromfUhrungsdauern der einzelnen
Hauptventile 11 bis 16 in ihrer zeitlichen Zuordnung aufgetragen.
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Danach ist jedes Hauptventil 11 bis 16 eine Mindesteinschaltdauer
# t' = 600 eingeschaltet. Diese Tatsache ist jeweils durch gestriehelte rechteckige
Kästchen vermerkt. Sind alle Hauptventile 11 bis 16 in zyklischer Reihenfolge nur
für diese Mindesteinschaltdauer von 60° eingeschaltet, so ergibt sich eine Ausgangswechselspannung
Ui = 0. Von dieser Mindesteinschaltdauer X t = 600 ab sind alle Hauptventile 11
bis 16 in einem Steuerbereich von 600 bis nahe 1800 gleichsinnig steuerbar. Dabei
kann nur im Steuerbereich von 600 bis 1200 die Ausgangswechselspannung Ui verändert
werden. Mit anderen Worten: Nur im Bereich von 600 bis 1200 hat die zwitlich veränderte
Abgabe eines Abschaltbefehls an die Hauptventile 11 bis 16 eine Veränderung der
Ausgangswechselspannung Ui zur Folge. Die Möglichkeit zur gemeinsamen gleichsinnigen
Steuerung aller Hauptventile 11 bis 16 ist durch die waagerechten, nach rechts weisenden
Pfeile angedeutet. Beim Zeit-Diagramm des Hauptventils 11 ist die von 0° ab gemessene
einstellbare Einschaltdauer #t. vermerkt. Nach Ablauf dieser Einschaltdauer ote
wird das Hauptventil 11 abgeschaltet.
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Die Abschaltbefehle werden mit Hilfe von ewei Sägezahnepannungen uz1
und uz2 gebildet. Das ist aus Figur 3 ersichtlich. Danach wird so vorgegangen, daß
fUr jedes Hauptventil 11 bis 16 nach Ablauf der Mindesteinschaltdauer von 600 eine
linear ansteigende Spannung gestartet wird. Nach Figur 3 ist auf diese Weise den
drei Hauptventilen 11, 13, 15 und 12, 14, 16 jeweils einer Brückenhälfte eine gemeinsame
Sägezahnspannung uz1 bzw. uz2 zugeordnet. Jede der beiden Sägezahnspannungen uz1,
uz2' die gegeneinander um 1800 versetzt
sind, wird mit einer Steuerspannung
u5 verglichen. Dabei ist jeweils dieselbe Steuerspannung u5 vorgesehen. Jeweils
bei Gleichheit von Sägezshnspannung uz1, uz2 und Steuerspannung u5 wird ein Ausschaltbefehl
fEr ein Hauptventil 11 bis 16 gebildet. Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß beispielsweise
im Punkt P1 die Steuerspannung u5 und die erste Sägezahnspannung uz1 gleich groß
sind und daß demzufolge ein Ausschaltbefehl fUr das Hauptventil 11 (= ZUndsignal
p21 fEr das Löschventil 21) gebildet wird. Nach Figur 2 legt der Punkt P1 die Einschaltdauer
# #te dieses Hauptventils 11 fest.
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Aus einer Betrachtung der Figuren 2 und 3 läßt sich erkennen, daß
das Steuerverfahren mit Vorteil zum Schutz des Stromrichters 4 gegen Überströme
angewendet werden kann. Im Normalbetrieb ist die Steuerspannung us 50 groß, daß
die Schnittpunkte von Sägezahnspannung uz1, uz2 und Steuerspannung u5 jeweils an
der Spitze des Sägezahus liegen, d.h. die Einschaltdauer (3te ist jeweils 1800.
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Tritt nun ein Überstrom auf und wird infolgedessen die Steuerspannung
u5 sofort zu Null gemacht, so verschieben sich die Schnittpunkte umgehend nach links
an den Beginn jedes Sägezahns. Das hat zur Folge, daß umgehend die Einschaltdauer
#te jedes der Hauptventile 11 bir: 16 auf den Wert der Mindesteinschaltdauer 600
reduziert wird. Dadurch wird die Ausgangawechselspannung Ui ebenso wie der Hauptventilstrom
zu Null. Der überstrom wird dadurch sehr schnell abgebaut.
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In Figur 1 ist eine Schutzschaltung fUr den Stromrichter 4 eingezeichnet,
die vom diesem Prinzip Gebrauch macht. Diese Schutsschaltung umfaßt ein Strommeßglied
62, das - in Reihenschaltung - aus einem den Ausgangs strom des Stromrichters 4
erfassenden Stromwandler 64, aus einem Gleichrichter 66 und aus einer Addierschaltung
68 besteht. Das Strommeßglied 62 mißt ein Summensignal, d.h. es gibt ein Meßsignal
I ab, das anzeigt, wie groß der größte der drei Ausgangswechselströme des Stromrichters
4 gerade ist. Dieses Meßsignal I wird einem Grenzwertmelder 70 zugefUhrt. Der Grenzwertmelder
70 wird auch von einem Grenzwertgeber 72 mit einem Signal 1 fUr den maximal zulässigen
Ausgangsstrom beaufschlagt. Der Grenzwertmelder 70 gibt an seinem Ausgang ein Ausgangssignal
g
ab, welches anzeigt, wenn das Meßsignal I gleich oder grdßer
als das Signal I ist. Das Ausgangssignal g des Grenzwertmelders 70 zeigt somit an,
ob ein Überstrom am Ausgang des Stromrichters 4 vorliegt oder nicht. Ein Überstrom
würde zu einem Kommutierungskurzschluß fUhren. bas Ausgangssignal g wird dazu verwendet,
die Steuerspannung us zu Null zu machen und damit die Stromführungsdauer der einzelnen
Hauptventile 11 bis 16 zu verkürzen.
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Als Grenzwertgeber 72 kann ein Potentiometer vorgesehen sein. Das
Signal 1 kann auch in einer Rechenschaltung oder in einem Regelkreis gebildet sein.
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Zur Lieferung der Steuerspannung US ist ein Verstärker 76 vorgesehen.
Dieser kann insbesondere als Operationsverstärker ausgebildet sein. In seiner REckfUhrung
liegt ein Widerstand 78. Parallel zul Widerstand 78 ist ein Schalter 80 angeordnet,
der durch das Ausgangssignal g des Grenzwertmelders 70 geschlossen werden kann.
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Im ungestörten Fall ist der Schalter 80 geöffnet. Der Verstärker 76
liefert dann eine maximale Steuerspannung us' die eine Einschaltdauer von nahezu
1800 bewirkt. Bei Überstrom wird der Schalter 80, der insbesondere als Transistor
ausgebildet sein kann, geschlossen. Dadurch wird der Widerstand 78 in der RUckfUhrung
UberbrUckt, wodurch die Steuerspannung u5 auf Null gesetzt wird.
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Die Abschaltbefehle (ZUndimpulse p21 bis p26) fAr die Hauptventile
11 bis 16 werden dadurch seitlich bis auf die Mindesteinschaltdauer # t' verschoben.
Die Hauptventile ii bis 16 werden somit sofort zwangsgelöscht, und der Ausgangswechselstrom
des Stromrichters 4 kann nicht weiter ansteigen.
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Nachdem der Überstrom verschwunden ist, konnte die Einschaltdauer
#te praktisch sofort wieder auf den Endwert nahe 1800 springen.
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Ein solcher Sprung wUrde jedoch gelegentlich wiederum zu Überströmen
führen, so daß die Schutzschaltung wiederum ansprechen wUrde.
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Um ein solches Pendeln zu vermeiden, wird die Einschaltdauer tote
jedes der Hauptventile 11 bis 16 nach dem Verschwinden des Überstroms von der Mindesteinschaltdauer
# t' ab mittels des Steuersignals us nicht sprunghaft, sondern verzögert auf den
vorgegebenen
Endwert nahe 1800 eingestellt. Dazu ist nach Figur
1 ein Kondensator 82 vorgesehen, der parallel zum Widerstand 78 in der RUckfUhrung
des Verstärkers 76 liegt. Beim Öffnen des Schalters 80 wirkt der Verstärker 76 somit
als Hochlauf-Integrator, der seine maximale Ausgangsspannung eret nach einer durch
den Kondensator 82 bestimmten Zeitkonstanten erhält.
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Im Falle eines Ansprechens der Schutzschaltung ist keine Ausgang wechselspannung
Ui mehr und damit kein Istwert fUr den Spannungsregler 32 mehr vorhanden. Der Spannungaregler
32 würde daher auf höchste Ausgangsspannung regeln, was bei Wiederkehr der Ausgangswechsel
spannung Ui nach öffnen des Schalters 80 zu Unzuträglich keiten führen könnte. Um
diese zu vermeiden, wird bei Überstrom der Sollwert U zu Null gemacht. Dazu dient
ein weiterer Schalter 90, der dem Potentioieter 36 parallel geschaltet ist. Dieser
Schalter 90 wird durch ein Steuersignal n im Falle von Überstrom geschlossen. Als
Schalter 90 kann wiederum ein Transistor vorgesehen sein.
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Durch die genannten Maßnahmen, nämlich die schnelle Verktirzung der
Einschaltdauer Qte e bei Überstrom und die verzögerte Freigabe der Ausgangswechselspannung
Ui nach Verschwinden des Überstroms, ist der Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter sicher
gegen jede Art von Überstrom. Ein solcher Überstrom kann beispielsweise infolge
einer Überlast, z.B. beim Einschalten der Drehfeldmaschine 2 oder bei einem Kurzschluß,
entstehen.
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Der in Figur 1 gezeigte Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter ist aber
auch gegen einen speziellen Überstrom, nämlich auch gegen Erdschlußstrom, sicher,
wenn in spezieller Weise verfahren wird.
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Das Verfahren zu. Schutz des Stromrichters 4 gegen Erdschlußstrom
beruht auf folgender Überlegung: Im Bereich von einer Minimaldauer die etwa der
doppelten Freiwerdezeit eines Hauptventils 11 bis 16 und bei einem Thyristor etwa
400 /usec entspricht, bis zur Mindesteinschaltdauer #t' = 600 kann die Binßchaltdauer
#te sprungartig geändert werden, ohne daß sich ein Sprung in der Ausgangswechselspannung
Ui
ergibt. Bei Erdachluß (direkte Verbindung zwischen eines Ausgangsleiter des Stromrichter.
4 und dem Sternpunkt des Wechselspannungsnetzes) kann schon eine Einschaltdauer
von 600, zur Beispiel bei kleinen Frequenzen, zu einem unzulässigen Erdschlußstrom
führen. Um den Stromrichter 4 gegen diesen Überstrom zu sichern, wird auch bei Erdschluß
zunächst so verfahren, wie bereits oben beschrieben.
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Nun kann es aber vorkommen, daß durch diese Maßnahmen der Erdschlußstrom
nicht verschwindet. Das kann daran liegen, daß im Zeitpunkt unmittelbar nach Verkürzung
der Einschaltdauer nach wie vor ein einzig.. der sechs Hauptventile 11 bis 16 Strom
fUhrt. Dieses ist aus Figur 2 ersichtlich, wo im Zeitpunkt #/# alle Hauptventile
bis auf das Hauptventil 11 gelöscht sind. Dieses Hauptventil 11 kann dabei gerade
den Erdschlußstrom fUhren. Es soll daher ebenfalls abgeschaltet werden.
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Um dieses zu erreichen, wird nach Reduktion der Einschaltdauer auf
den Wert der Mindesteinschaltdauer a t eine weitere Reduktion vorgenommen. Dabei
wird die Einschaltzeit te sämtlicher steuerbaren Hauptventile 11 bis 16 auf die
Minimaleinschaltzeit tu, bei Thyristoren also auf eine Zeit von etwa 400 /usec,
verkürzt. Dieses ist allen Diagrammen von Figur 2 durch doppelte Schraffierung angedestet.
Dabei wird von der Voraussetzung ausgegangen, daß im Bereich von 0 bis t1 gegen
den Erdschlußstrom nichts unternommen werden kann, weil die Löscheinrichtung 20
eine Nindestzeit zu.
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Löschen des betreffenden Hauptventil. benötigt. Während dieser Zeit
t@ kann also das betreffende Hauptventil 11 nicht abgeschaltet werden. (Nicht gezeigte)
netzseitige Drosselspulen des Umrichters sorgen jedoch dafür, daß der Erdschlußstrom
während der Minimalzeit nicht zu hohe Werte annehmen kann.
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Bei Verschwinden des Erdschlußstromes werden die Hauptventile 11 bis
16 wieder sefort fUr die Mindesteinschaltdauer wt' = 600 freigegeben. Anschließend
erfolgt die oben erwähnte verzögerte Verlingerung der Einschaltdauer # te, bis der
Endwert nahe 1800 erreicht ist. Durch diese zusätzlichen Maßnahmen wird also der
Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter auch erdschlußfest.
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Aus Figur 4 ist eine Steuereinrichtung 50 ersichtlich, mit der das
erwähnte Steuerverfabren mit Anschnittsteuerung der Hauptventile 11 bis 16 durchgeführt
werden kann. Nach Figur 4 steuert ein Frequenzgenerator G einen Ringzähler Z, der
insgesamt n = 6 Stufen Z1 bis Z6 besitzt. Die Zahl n bezeichnet dabei die Pulsigkeit.
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Die Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators G kann mittels einer Frequenzsteuerspannung
Uf eingestellt werden. Der Ringzähler Z erzeugt aus der Eingangsfrequenz an seinen
sechs Ausgängen jeweils ein Ausgangssignal der Dauer 60°, die fortlaufend gegeneinander
um 60° phasenverschoben sind.
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Die Ausgangssignale der einzelnen Stufen Z1 bis Z6 werden jeweils
dem Setzeingang E1 bis E6 eines zugeordneten Speichergliedes S1 bis S6 zugeführt.
Jedes Speicherglied S1 bis S6 besitzt einen ersten Rücksetzeingang R11 bis R61 und
einen zweiten ßUcksetzeingang R12 bis R62. Mit den Ausgangssignalen der Stufen Z1
bis Z6 werden die Speicherglieder S1 bis S6 gesetzt, wobei Jeweils ein gesetztes
Speicherglied den zugehörigen ZUndimpuls p11 bis p16 des Hauptventils 11 bis 16
freigibt. Bei. ZurUcksetzen des Speichergliedes S1 bis S6 wird Uber eine (nicht
gezeigte) Zeitstute der Zündimpuls p21 bis p26 für das zugeordnete Löschventil 21
bis 26 gebildet. Das Rücksetzen eines Speichergliedes S1 bis S26 kann von einem
Ausgang einer anderen Stufe Z1 bis Z6 gewählt werden. Beispielsweise erfolgt das
Rücksetzen des Speichergliedes S1 von der vierten Stufe Z4. Dazu ist deren Ausgang
mit dem ersten Rücksetzeingang R11 verbunden. Somit beträgt die Einschaltdauer #
te des Speichergliedes S1 maximal 180°. Die Schaltverknüpfung für die anderen Speicherglieder
S2 bis S6 ist in gleicher (aber nicht gezeigter) Weiae vorgenommen.
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Solange vom Ausgang einer Stufe Z1 bis Z6 am Setzeingang El bis E6
ein Setzsignal ansteht, kann das betreffende Speicherglied S1 bis S6 nicht zurückgesetzt
werden. Der Rücksetzbereich beginnt also eret nach Ende des Setzsignals, also erst
nach einer Einschaltdauer von 600.
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Um eine variable Einschaltdauer #te zu ermöglichen, ist jedem Speicherglied
51 bis S6 sowohl ein Sägezahngenerator Gl bis G6 als auch
ein Vergleicher
V1 bis V6 zugeordnet. Die Schaltverkntlpfung ist Jeweils so getroffen, daß der zweite
Rücksetzeingang des Speichergliedes S1 bis S6 an den Ausgang des zugeordneten Vergleichers
V1 bis V6 angeschlossen ist, wobei dieser Vergleicher V1 bis V6 einer seits vom
Ausgang des Sägezahngenerators G1 bis G6 mit einer Sägezahnapannung unu andererseits
mit einer für alle Vergleicher V1 bis V6 gleichen Steuerspannung as beaufschlagt
ist. Der Sägezahngenerator G1 bis G6 ist dabei mit seinem Startaingang an den Ausgang
der betreffenden Stufe Z1 bis Z6 angeschlossen.
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Die Funktion soll am Beispiel der Bauelemente Z1, S1, V1, G1 verdeutlicht
werden. Beim Verschwinden des Setzsignals des Speichergliedes Sl wird der Sägezahngenerator
G1 gestartet. Er beginnt, eine zeitlich linear ansteigende Ausgangsspannung abzugeben.
Diese Ausgangsspannung wird in dem Vergleicher V1 mit der Steuerspannung u5 verglichen.
Bei Gleichheit beider Spannungen wird ein Ausgang impuls gebildet, der als Rücksetzimpuls
dem zweiten RUcksetzeingang R12 des Speichergliedes S1 zugeführt wird. Eine Veränderung
der Steuerspannung as hat eine zeitliche Verschiebung dieses RUcksetzimpulses zur
Folge. Mit der Steuerspannung us kann somit die Setzdauer und damit auch die Einschaltdauer
des Hauptventils 11 im Bereich von 600 bis nahe 1800 vorändert werden.
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Die anderen Bauelemente sind in gleicher Weise miteinander verknUpft';'
sie haben auch dieselbe Funktion.
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In Figur 5 ist eine Schutzschaltung fEr den Stromrichter 4 im einzelnen
dargestellt, die sowohl gegen unzulässig hohen Erdatrom als auch gegen anderen Überstrom
schützt. Der Schaltungsaufbau entspricht weitgehend dem Prinzipschaltbild von Figur
4. Gleiche Bauelemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ein an einen steuerbaren Frequenzgen @@ator G angeschlossener Ringzähler
Z mit 6 Stufen Z1 bis Z6 gibt sechs um 600 el gegeneinander versetzte Ausgangasignale
jeweils von der Dauer 600 el ab. Die Weiterverarbeitung dieser Ausgangasignale wird
ii folgenden am Beispiel des Ausgangssignals der ersten Stufe Z1 verfolgt.
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Das Ausgangseignal der ersten Stuf@ Z1 wird über eine NAND-Stufe N1
auf den Setzeingang E1 eines Speichongliedes S1 gegeben. Diesee Speicherglied S1
enthalt ita wesentlichen zwei NAND-Stufen in Plip-Flop-Sehaltung; es kann auch in
integrierter Schaltung aufgebaut sein. @@@ Speicherglied S1 besitzt zwei Rücksetzeingänge
R11 und R12. E@ gibt an seinem einen Ausgang die Zündimpulse p11 fUr das Hauptventil
11 und an seinem anderen Ausgang nach Umkehrung mittels einer NAND-Stufe einen Zündimpuls
p21 fEr das Löschventil 21 des Stromrichters 4 ab.
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Um das Speicherglied S1 nach einer Einschaltdauer von etwa 180° el
zurücksetzen zu können, ist dessen erster Rücksetzeingang R11 über ein weiteres
NAND-Glied M1 mit dem Ausgang der vierten Stufe 24 verbunden. Das von dem NAND-Glied
M1 abgegebene Rücksetzsignal r1 ist gegenUber der Dauer des Ausgangssignals der
Stufe Z1 verkürzt.
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Das wird durch eine Zeitstufe Q erreicht, die zwischen den Ausgang
des Frequenzgenerators G and einen Eingang des NAND-Gliedes M1 geschaltet ist. Das
verkürzte Rücksetzsignal r1 bewirkt ein Zurücksetzen des Speichergliedes S1 und
damit ein Abschalten des Hauptventils 11 alle 1800 ei.
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In entsprechender (und nicht näher @@@@@gter) Waise werden auch verkürzte
Rücksetzsignale r3 und r5 f@@ die Speicherglieder S3 und S5 gebildet, Von die drei
verkürzten Rücksetzsignalen r1, r3, r5 wird entsprechend Figur 7 ali@ 12() el ein
Sägszahngenerator G135 gestartet und nach einer Dauer von 120° el jeweils wieder
zurückgesetzt. Dieser Sägezahngenerator G135 gibt also eine Sägezahnspannung uz1
ab, deren Verlauf Ln Figur 3 gezeigt ist. Der Sägezah@generator G135 ist dabei den
drei Speicherglieder@ S1, S3, S5 gemeinsam zugeordnet. Entsprechend ist auch ein
weiterer Sägezahngenerator G246 vorgesehen, der den Speichergli@dern S2, S4, S6
gemeinsam zugeordnet ist. Dieser weitere Sägezahngenerator G246 gibt an seinem Ausgang
eine Sägezahnspannung uz2 entsprechend Figur 3 ab.
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Die Sägezahnspannung uz1 wird einem Vergleichsglied V135 zugeführt,
das ebenfalls allen drei Speicherglindern S1, S3, S5 gemeinsam
zugeordnet
ist. Dort wird die Sägezahnspannung uz1 mit einer Steuerspannung u5 verglichen.
Diese Steuerspannung u5 wird wiederum von einem Verstärker 76 mit Schalter 80 in
der RUckfUhrung entsprechend Figur 1 geliefert. Der Ausgang des Vergleichsgliedes
V135 -t t an den zweiten RUcksetzeingang R12 des Speichergliedes 51 angeschlossen.
Gleichzeitig ist er auch mit dem zweiten RUoksetzeingang der beiden Speicherglieder
S3 und S5 verbunden.
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Bei Gleichheit der Spannungen us und uz1 wird ein Rücksetzimpuls vl
gebildet. Bei voller Steuerspannung us liegt dieser RUcksetzimpuls vl bei 1800 el;
bei Steuerspannung us = 0 dagegen ist er vorgezogen und liegt bei 600 el. Über die
zeitliche Lage des RUcksetzimpulses v1 ist also die Einschaltdauer te des Hauptventils
11 zwischen 60° und nahe 180° el einstellbar.
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Bei einer von einem Überstrom abhängigen Steuerung wird entsprechend
Figur 1 abgefragt, ob der Ausgangs strom I Uber dem vorgegebenen Grenzwert I liegt.
Übersteigt der Ausgangsstrom I diesen Grenzwert I , wird die Ausgangsspannung u5
des Verstärkers 76 sehr schnell durch Schließen des Schalters 80 auf den Wert Null
zurUckgezogen. Der hierdurch zeitlich vorgezogene Rücksetzimpuls v1 bewirkt Uber
das Speicherglied 51 ein Abschalten des Hauptventils nach 600 el. Liegt der Ausgangsstrom
I anschließend unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes I , dann integriert der Verstärker
76 wieder bis zu seinem Anschlag, so daß dann kein vorgezogener RUcksetzimpuls v1
mehr gebildet wird.
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Bei Erdschlußüberwachung wird der Erdstrom mit einem (nicht gezeigten)
Erdstromwandler gemessen und im Verhältnis zu einem vorgegebenen Gren9wert mit eine
(nicht gezeigten) Grenzwertmelder abgefragt. Übersteigt er diesen Grenzwert, so
wird ein Steuersignal h geliefert, das ebenfalls zum Schließem des Schalters 80
fUhrt. Dadurch wird ebenfalls ein vorgezogener RUcksetzimpuls v1 gebildet.
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Hat diese Maßnahme keinen Erfolg d.h. kann hierdurch der Erdstrom
nicht reduziert werden, greift eine weitere SignalverkUrzung ein.
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Das Steuersignal h wird nämlich eine. Verzögerungsglied W zugefUhrt,
dessen Ausgang Uber das NAND-Glied NI mit dem Setzeingang El des Speichergliedes
Sl verbunden ist. Das vom Verzögerungsglied
W verzögerte Steuersignal
h' löscht das au Setzeingang El liegende Setzsignal, so daß das Speicherglied S1
Uber den anliegenden Rücksetzimpuls v1 zurUckgesetzt wird und damit das Hauptventil
11 erlischt.
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In Figur 6 ist gezeigt, auf welche Weise das Steuersignal n iUr den
Schalter 90 in Figur 1 gewonnen werden kann. Es handelt sich dabei um eine logische
Schaltung 96, in der die ZEndsignale p11 bis p16 fUr die Hauptventile 11 bis 16
addiert werden. Die Schaltung 96 enthält drei NAND-Gatter X1, X2, X3. Dem NAND-Gatter
X1 werden die Zündimpulse p11, p13, p15 für die eine Brückenhälfte und dem NAND-Gatter
X2 werden die Zündimpulse p12, p14, p16 für die andere Brückenhälfte zugeführt.
Die Ausgänge der beiden NAND-Gatter II, X2 sind ao die beiden Eingänge des dritten
NAND-Gatters X3 gefUhrt, an dessen Ausgang das Steuersignal n abgegriffen ist.
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Mit dieser Schaltung 96 wird die Iipulslänge der Hauptventile 11 bis
16 erfaßt. Das Fehlen eines ausreichend langen Steuerimpulses wird durch das Steuersignal
n angezeigt.
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24 PatentansprUche 6 Piguren
L e e r s e i t e