DE2838009C2

DE2838009C2 - Strombegrenzungsschaltung für einen Gleichstromumrichter

Info

Publication number: DE2838009C2
Application number: DE19782838009
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Ganzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-08-31
Filing date: 1978-08-31
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2838009B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrenzungsschaltung für einen Gieichstromumrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltung ist durch die DE-PS 22 42 278 bekannt

Gleichstromumrichter mit einem Wechselstrom-Zwischenkreis für größere Leistung werden vorteilhaft mit v> konstanter Arbeitsfrequenz oberhalb des Hörbereiches betrieben. Zur Regelung der Ausgangsspannung wird der Tastgrad (Quotient der Einschaltzeit 11 des

Leistungsschalttransistors zur Periodendauer T=-=)

j w

verändert, und zwar in der Weise, daß bei steigender Eingangsspannung und für fallende Ausgangsspannung der Tastgrad und damit die Einschaltzeit verkürzt wird.

Bei Überlast am Ausgang des Gleichstromumrichters muß der Strom im Leistungskreis zum Schutz der γ, Bauteile begrenzt werden, was durch Absenken der Ausgangsspannung bei zulässigem Ausgangsstrom (1,1 ... l,3facher Nennstrom) mittels weiterer Verkürzung der Einschaltzeit ereicht werden kann.

Der Bereich der Einschaltzeit des Leistungsschau- bo transistors ist begrenzt, und zwar einerseits durch die Summe der Meßzeit der Strommeß- und Steuerschaltung und der Speicherzeit des Leistungsschalttransistors und andererseits durch die Arbeitsfrequenz oberhalb des Hörbereiches und durch die Abmagnetisierungsbe- b^r> dingungen für den Transformator im Gleichstromumrichter.

Bei kleinem Eingangsspannungsbereich und/oder mäßigem Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters ist der genannte Einschaltzeitbereich ausreichend. Bei großem Eingangsspannungsbereich und/oder gutem Wirkungsgrad kann die Einschaltzeit nicht genügend verkürzt werden, um den Strom im Leistungskreis bei Überlast auf das zulässige Maß zu begrenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungsschaltung für einen Gleichstromumrichter der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß bei großem Eingangsspannungsbereich und/oder gutem Wirkungsgrad eine Strombegrenzung im Gleichstromumrichter gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Figur ist ein Durchflußumrichter dargestellt, der für größere Leistungen häufiger eingesetzt wird. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind jedoch nicht auf einen solchen begrenzt, sondern sind auch bei Sperrumrichtern anwendbar.

Eingang und Ausgang des Umrichters sind mittels eines Transformators Tr galvanisch getrennt. Die Eingangsspannung Ue wird mittels eines Schalttransistors 7s 1 periodisch an den Transformator Tr und

übersetzt über einen Gleichrichter Gr 1 im Längszweig an die Reihenschaltung einer Speicherdrossel Dr und einen Lastwiderstand Rb gelegt An den Verbindungspunkt des Gleichrichters Gr 1 und der Speicherdrossel Dr ist ein im Querzweig liegender Gleichrichter Gr 2 angeschlossen, über den während der Sperrzeit des Schalttransistors Ts 1 der Drosselstrom weiter über den Lastwiderstand Rb fließt Ferner ist im Querzweig ein Kondensator Ca vorgesehen.
Bei Vernachlässigung der Verluste ist der Tastgrad

ti Ua-Ni

T Ue-Nl

Der maximale Tastgrad ist durch Ab- oder Ummagnetisierungszeit des Transformators auf etwa 0,75 begrenzt Wird eine Arbeitsfrequenz von 20 kHz und der bisher übliche Bereich der Eingangsspannung von 36 ... 72 V angenommen, dann liegt die Einschaltzeit des Schalttransistors im Normalbetrieb, d.h. bei geregelter Ausgangsspannung und Vollast zwischen 37,5 und 19 μβ. Bei Gleichstromumrichtern mit Wirkungsgraden um oder über 80% hegt der innere Spannungsabfall bei Vollast unter 10% der Ausgangsspannung. Werden für die weitere Betrachtung 10% angenommen, und wird bei Kurzschluß der i,2fache Vollaststrom zugelassen, dann darf der Schalttransistor bei der Eingangsspannung von 72 V nur während 2 \is Strom führen, eine Zeit, die die schnelle Strommeß- und Steuerschaltung und eine mittlere Speicherzeit des Schalttransistors gerade noch gestatten.

Die Strommessung erfolgt dabei in einer Meßschaltung 1, bestehend aus einem primärseitig vom Emitterstrom durchflossenen Stromwandler W, der sekundärseitig an eine Gleichriehterdiode D1, vorzugsweise eine Zenerdiode, einen Bürdenwiderstand R 1, der parallel zu der Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung und der Gleichrichterdiode D1 geschaltet ist sowie einen weiteren Widerstand R 2 und einen in Serie liegenden Kondensator Cl angeschlossen ist. Am Verbindungspunkt des Widerstandes R2 und des Kondensators Cl, die ein Dämpfungsglied bilden, ist die Basis eines Meßtransistors Ts 2 angeschlossen, der mit seiner Emitter-Kollektorstrecke am Eingang einer Steuer- und Regelschaltung 2 liegt, die einen den Schalttransistor Ts 1 ansteuernden, nicht näher dargestellten Taktgeber enthält. Zwei weitere Eingänge der Steuerschaltung 2 sind bei Regelung der Ausgangsspannung mit den Ausgangsklemmen des Umrichters verbunden. Über den Meßtransistor Ts 2 wird die Spannung am Bürdenwiderstand R 1 mit einer konstanten negativen Hilfsspannung Uhi verglichen. Das Dämpfungsglied R 2, C1 unterdrückt am Meßtransistor Ts 2 die Anfangsspitze des Stromes im Schalttransistor Ts 1, die während der Sperrverzugszeit von etwa 0,1 μ$ des Gleichrichters Gr2 fließt. Überschreitet die Bürdenspannung die Summe der Hilfsspannung Uh 2 und der Basis-Emitterspannung des Meßtransistors Ts 2, dann führt dieser Strom und sperrt über die Steuerschaltung 2 den Schalttransistor Ts 1 für den Rest der jeweiligen durch den Taktgeber bestimmten Periode.

Bei Auslegung des Um>ie-.;rs für einen größeren Eingangsspannungsbereich, beispielsweise von 18 bis 72 V, ist im Normalbetrieb wie im Kurzschluß eine entsprechende Verringerung des Tastgrades notwendig. Eine derartige Verringerung der Einschaltzeit bei Kurzschluß und oberster Eingangsspannung kann weeen der SDeicherzeit des Schalttransistors nicht erreicht werden. Die Mindesteinschaltzeit von etwa 2 us läßt im Kurzschluß den Strom im Leisturigskreis bis auf den 2,4fachen Vollastwert ansteigen, was eine wirtschaftlich nicht vertretbare Überbemessung der Leistungskreis-Bauteile erfordert

Zu diesem Zweck wird die vorstehend beschriebene Scnaltung zur schnellen Strommessung durch eine zweite mit einer zusätzlichen Meßschwelle erweitert die nur dann eingreift wenn die Meß- und Speicherzeit

to eine weitere Verkürzung der Einschaltzeit unmöglich macht und dadurch der Strom im Leistungskreis sonst weiter ansteigt Die zweite Strommeßschaltung 3 ist an die Bürdenspannung und parallel zum Meßtransistor Ts 2 an die Steuerschaltung 2 und an eine positive

Hilfsspannung Uh \ angeschlossen. Ihr Aufbau wird nachfolgend beschrieben:

Am Verbindungspunkt A des Bürdenwiderstandes R 1 und des Widerstandes R 2 des Dämpfungsgliedes R 2, Ci ist über eine Diode D 2, die eine zusätzliche Meßschwelle gibt ein Dämpfungsglied aus einem mit der Diode D 2 in Reihe liegenden Widerstand R 3 und einer mit diesem in Reihe liegenden Parallelschaltung aus einem Widerstand A4 und einem Kondensator C2 angeschaltet. Das Dämpfungsglied R 3, R 4, C2 unterdrückt, wie das Dämpfungsglied R 2, Cl, die Anfangsstromspitze. Parallel zur Ä4-C2-Schaltung liegt die Emitter-Basisstrecke eines weiteren Transistors Ts 3, dessen Emitter auf Bezugspotential der Hilfsspannungen und dessen Kollektor über einen

Ju Spannungsteiler an der positiven Hilfsspannung U_H\ liegt. Über den Widerstand R 5 des Spannungsteilers ist der Kollektor des Transistors Ts 3 mit der Basis eines weiteren Transistors Ts 4 verbunden, dessen Emitter an der positiven Hilfsspannung Uh ι liegt und in dessen

J3 Kollektorkreis ein Widerstand Λ 6 in Reihe mit der Parallelschaltung eines hochohmigen Entladewiderstandes R 7 und eines Kondensators C3 liegt Der Kollektor des Transistors Ts 4 ist über den Widerstand R 6 und einen weiteren Widerstand RS mit der Basis eines fünften Transistors Ts 5 verbunden, der mit seiner Emitter-Kollektorstrecke parallel zur Emitter-Kollektorstrecke des Meßtransistors Ts 2 liegt. Die Kollektoren beider Transistoren sind am Punkt B miteinander verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung wird nachfolgend erläutert:

Steigt bei kleinstem Tastgrad die Bürdenspannung um die zusätzliche Meßschwelle der Diode Dl an, dann führt der Transistor Ts 3 Strom und schaltet über den Transistor Ts 4 die positive Hilfsspannung Un \ über den Widerstand R% im Kollektorkreis des Transistors Ts4 an den Kondensator C3. Dieser ist in 1 ... 2 \is so weit aufgeladen, daß seine Entladung über die Widerstände R 7, RS den Transistor Ts 5 einige Perioden Strom führen läßt und damit den Schalttransistor Ts 1 sperrt. Wird die Steuerschaltung 2 durch den Transistor Ts5 freigegeben, so ist der Kurzschlußstrom im Sekundärkreis des Gleichstromumrichters mit der Drossel Dr, dem Gleichrichter Gr2 und dem Lastwiderstand Rb

bo genügend weit abgesunken, daß einige normale Arbeitsperioden mit kleinem Tastgrad folgen können.

Wird die Größe der Hilfsspannung Uh2 bei Überlast gegenüber normalem Betrieb abgesenkt, z. B. um 20%, dann wird auch der Kurzschlußstrom ähnlich vermin-

b5 dtrt. Dazu werden die Hilfsspannung Um oder auch beide Hilfsspannungen Uh \ und U/n im Normalbetrieb, d. h. bei geregelter Ausgangsspannung, dem Transformator Tr über einen oder zwei zusätzliche Sekundär-

kreise entnommen. Bei Strombegrenzung (bei Anlauf oder Oberlast) werden die Hilfsspannungen von der Eingangsspannung über Umrichter und/oder stetige Regelschaltungen mit vermindertem Spannungssollwert abgeleitet.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sind ei ι zusätzlicher Sekundärkreis für die Hilfsspannung Uh \ und eine an die Eingangsspannung U_e angeschlossene stetige Regelschaltung vorgesehen. Der zusätzliche Sekundärkreis besteht aus einer mit ι ο einer zusätzlichen Wicklung des Transformators Tr in Reihe liegenden Diode Gr 3 und einer dazu parallelgeschalteten Diode Gr 4, einer im Längszweig liegenden Speicherdrossel Dr2 sowie einem Siebkondensator C 4 im Querzweig. Die stetige Regelschaltung besteht aus einem Stclltransistor 7s 6 und einer Zenerdiode D 3 und einem Vorwiderstand R9 in dessen Basiskreis und ist über eine Diode D 4 im Emitterkreis des Stelltransistors Ts 6 vom zusätzlichen Sekundärkreis entkoppelt. Die Hilfsspannung Uh 2 wird durch einen Gleichstromumrichter 5, dessen Eingangsklemmen mit dem zusätzlichen Sekundärkreis verbunden sind, stets an der Hilfsspannung Uh1 erzeugt. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn das Bezugspotential der Hilfsspannungen, wie es beim Ausführungsbeispiel der Fall ist, am negativen Pol der Eingangsspannung U_e liegt. Durch die Wahl der Zenerspannung der Zenerdiode D 3 der stetigen Regelschaltung wird das Maß der Spannungsabsenkung der Hilfsspannungen beim Übergang von Normalbetrieb auf Überlast bestimmt.

Die zweite Meßschaltung greift nur ein, wenn die Mindesteinschaltzeit des Schalttransistors unterschritten werden müßte, d. h. nur bei höherer Eingangsspannung und stärkerer Überlast bis Kurzschluß, und sie setzt bei ansteigender Ausgangsspannung nach Wegfall des Kurzschlusses sofort wieder aus. Sie legt wiederholt Schaltpausen von der Dauer mehrerer Perioden ein, so daß der Strom im Leistungskreis nicht über die vorgeschriebene Grenze steigt Zudem kann die Ausprechgrenze der Strommeßschaltungen bei Überlast zurückgesetzt werden, so daß die Strombeiastung bei Kurzschluß kaum größer als bei Nennlast ist. Die Nutzung der für die Steuerschaltung sowieso notwendigen positiven Hilfsspannung Uh \ ermöglicht eine günstige Bemessung der Zeitglieder R%, Ci und R 7 R 8, C3 mit den sehr unterschiedlichen Zeitkonstanten Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt außerdem, die Arbeitsfrequenz des Umrichters optimal der Bemessung des Leistungskreises anzupassen, also eine Frequenz auch über 20 kHz zu wählen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strombegrenzungsschaltung für einen Gleichstromumrichter mit einem aus einem Taktgeber gesteuerten Schalttransistor unter Verwendung einer Strommeßschaltung, bestehend aus einem primärseitig vom Emitterstrom des Schalttransistors durchflossenen Stromwandler, der sekundärseitig an einen Bürdenwiderstand, eine Gleichrichterdiode sowie einen weiteren Widerstand und einen Kondensator angeschlossen ist und die über eine Auswerteschaltung den Tastgrad des Taktgebers in einer Steuerschaltung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Strommeßschaltung (3) vorgesehen ist, die an den Bürdenwiderstand (RX) und parallel zu einem mit seiner Emitter-Kollektorstrecke am Eingang der Steuerschaltung (2) liegenden, die Spannung am Bürden widerstand (R 1) mit einer negativen Hilfsspannung (Uh 2) vergleichenden Meßtransistor (Ts 2) an die an einer positiven Hilfsspannung (Uh \) anliegende Steuerschaltung (2) angeschlossen ist, und die aus einem über eine Diode (D 2) definierten Schwellwerts an den Bürdenwiderstand (R 1) angeschlossenen Dämpfungsglied aus einem Widerstand (R 3) und einer zu diesem in Reihe liegenden ÄC-Parallelschaltung (R 4, C2) besteht, aus einem mit seiner Emitter-Basisstrecke parallel zur ÄC-Parallelschaltung (R 4, C2) liegenden dritten Transistor (Ts 3), jo dessen Kollektor über einen weiteren Transistor (Ts4) ein Zeitglied (R6, C3; R7, RS, C 3) kurzer Lade- und langer Entladezeit an die positive Hilfsspannung ^LAh 1) anschließt, und aus einem an das Zeitglied (R 6, C3; RT, RS; C3) angeschlosse- r, nen Auswertetransistor (Transistor 7X5), dessen Emitter-Kollektorstrecke zur Emitter-Kollektorstrecke des Meßtransistors (Ts 2) parallel liegt

2. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Hilfsspannungen (Uhu Uh2) bei Überlastung im Ausgang absenkende Schaltung (4) vorgesehen ist

3. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hüfsspannungen (Uhu Uh2) absenkende Schaltung (4) aus einer parallel zu einer weiteren Wicklung des Transformators (Tr) im Eingangskreis des Gleichstromumrichters liegenden Diode (GrZ) mit einer nachgeschalteten Speicherdrossel (Dr 2) im Längszweig und einem parallelgeschalteicn Siebkondensator (C4) besteht aus einer parallel zu einem eingangsseitigen Speicherkondensator (Ce) liegenden Reihenschaltung eines Vorwiderstandes (R 9) und einer Zenerdiode (D 3), an deren Verbindungspunkt die Basis eines in seinem Emitterkreis eine Diode (D 4) aufweisenden Stelltransistors (Ts 6) angeschlossen ist und ferner aus einem Gleichstromumrichter (5), an dessen zwei mit der zweiten Strommeßschaltung (3) und mit den Anschlüssen des Siebkondensators (C4) verbundenen Eingangsklemmen die positive Hilfsspannung (Uh i) anliegt und dessen Ausgangskiemme den Anschluß für die negative Hilfsspannung (Uh 2) bildet

4. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Sekundärwicklung des Stromwandlers (H^ der Bürdenwiderstand (R 1) über eine Zenerdiode parallel geschaltet ist.