DE3204568A1

DE3204568A1 - Einrichtung zum stoerfestmachen eines wechselrichters gegen stoerungen der netzwechselspannung

Info

Publication number: DE3204568A1
Application number: DE19823204568
Authority: DE
Inventors: Edward Currier Siemon; Russel Paul Wueschinski
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1981-02-13
Filing date: 1982-02-10
Publication date: 1982-09-09
Also published as: DE3204568C2; GB2093282A; US4376968A; JPS57151276A; CA1184244A; GB2093282B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Störfestmachen einer einstellbaren Sammelschienengleichspannung, die für einen Wechselrichter durch Gleichrichten einer Netzwechselspannung in einer phasengesteuerten Halbleitergleichrichterbrücke erzeugt wird, gegen die Auswirkungen von unerwünschten Netzspannungsstörungen, die sich aus momentanen Spannungsausfällen oder größeren Spannungsverminderungen ergeben.

Die bekannte Anordnung zur Erzeugung einer Sammelschienengleichspannung mit veränderlicher Amplitude für einen Wechselrichter aus einer Wechselnetzspannung (einphasig oder dreiphasig) weist eine phasengesteuerte Halbleitergleichrichterbrücke mit mehreren gesteuerten Halbleitergleichrichtern (SCR) auf, deren Leitungswinkel gesteuert werden, um eine Gleichspannungssollgröße zu errichten und die über die Gleichspannungsschiene und den Wechselrichter für dessen Verbraucherkreis geleitete Spannung zu steuern, der häufig ein Wechselstrommotor ist. Der Stromfluß wird durch Regelung der Leitungswinkel der gesteuerten Halbleitergleichrichter während einer jeden Halbperiode der angelegten Netzwechselspannung gesteuert. Wenn die Anode eines einzelnen gesteuerten Halbleitergleichrichters gegenüber seiner Kathode positiv ist, so können-die einzelnen gesteuerten Halbleitergleichrichter während einer jeden positiven Halbperiode der von einer Wechselspannungsquelle her anliegenden Spannung durchsteuern. Diese Durchsteuerung tritt

jedoch nicht während einer positiven Halbperiode auf, wenn am Schalttor der gesteuerten Halbleitergleichrichter kein Schaltstrom anliegt. In diesem Augenblick steuert der gesteuerte Halbleitergleichrichter durch oder schaltet an, wodurch er vom Laststrom bis zum Ende der positiven HaIbperiode geschlossen wird. Je größer der Phasenwinkel oder die Zeitverzögerung zwischen dem Start einer positiven Halbperiode und dem Durchsteuern oder Zünden des gesteuerten

Halbleitergleichrichters ist, umso kleiner ist der Leitungswinkel und umso geringer die Größe des Wechselstroms, der gleichgerichtet wird und über den Wechselrichter an den Lastkreis gelangt, wodurch eine geringere Gleichspannung am Ausgang der phasengesteuerten Halbleitergleichrichterbrücke anliegt. Der Gleichrichterbrücke ist vorzugsweise ein Tiefpaß nachgeschaltet (meist eine in Reihe geschaltete Drossel und ein parallelgeschalteter Kondensator), der den Welligkeitsanteil verkleinert und die Gleichspannung glättet, ehe sie über die Gleichspannungssammelschiene am Wechselrichter anliegt, wo sie wieder in eine Wechselspannung für den Verbraucherkreis umgewandelt wird.

Das Schaltsignal muß durch einen Kreis erzeugt werden, der genau synchron mit den Zeitpunkten arbeitet, zu welchen die Wechselspannung ihre Achse durchläuft und damit eine momentane Amplitude Null aufweist. Wenn der Arbeitstakt des Schaltsignalgebers nicht genau mit diesen Nulldurchgängen der Wechselspannung synchronisiert ist, dann ist die Taktgäbe der Schaltimpulse falsch, wodurch die gesteuerten Halbleitergleichrichter, zu "falschen Zeitpunkten zünden, woraus • sich eine fehlerhafte Sammelschienengleichspannung ergibt. Der Netzwechselspannung überlagertes' Hochfrequenzrauschen beeinträchtigt meist nachteilig den Arbeitstakt des Schalt-Signalgebers und verursacht eine Fehlzündung der gesteuerten Halbleitergleichrichter, jedoch kann dieses Rauschon herausgefiltert und unwirksam gemacht werden. Andererseits stellen Netzleitungsstörungen oder -Schwankungen ein Problem dar, die sich aus momentanen Spannungsausfallen oder größe-

ren Spannungsverringerungen ergeben. Diese Spannungsausfälle oder -abfalle dauern meist kürzer als eine Vollperiode der Netzwechselspannung und können beispielsweise durch extrem starke Lasten verursacht werden, die dem Netz vom

Stromerzeuger durch Zuschalten von Leistungsgeneratoren 35

aufgebürdet werden oder durch Blitz, der in die Netzleitung einschlägt und einen Blitzschutz beaufschlagt. Die Störungen der Netzspannung bewirken Verschiebungen des Filtorpe-

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gels, welche die erforderliche Synchronisation zwischen den Schaltimpulsen und den Nulldurchgängen der Netzspannung zerstören. Daher werden die gesteuerten Halbleitergleichrichter falsch beaufschlagt, wobei die Gleichrichter beim Auftreten der Störung einen viel größeren Leitungswinkel aufweisen als gewünscht, wodurch die Sammelschienengleichspannung durchschlägt und sich so weit verstärken kann, daß nicht nur der Lastkreis des Wechselrichters erheblich verändert werden würde, sondern, und dies ist wichtiger, daß Schaltungsbauteile wie Schalter (die beispielsweise Transistoren sein können) im Wechselrichter beschädigt oder zerstört werden können.

Die Erfindung löst dieses Problem. Die bekanntgemachte Schutzeinrichtung gewährleistet, daß Störungen der Netzspannung eine vernachlässigbar kleine Wirkung auf die Arbeitsweise des Wechselrichters ausüben, während gleichzeitig die Schaltung vor Ausfall oder Zerstörung von Bauteilen geschützt wird. Damit bietet die Erfindung einen hochwirksamen und betriebssicheren Wechselrichter, der gegen Störungen der Netzwechselspannung infolge von momentanen Spannungsausfällen oder größeren Spannungsabfällen störfest ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung macht die für einen Wechselrichter durch Gleichrichten einer Netzwechselspannung in einer phasengesteuerten Gleichrichterbrücke erzeugte Sammelschienengleichspannung gegen die Wirkungen von Netz.-spannungsstörungen immun, die sich aus momentanen Spannungsausfällen oder größeren Spannungsabfällen ergeben. Dies wird ^ow dadurch erreicht, daß die Gleichrichterbrücke in Abhängigkeit vom Auftreten einer solchen Störung der Netzwechselspannung abgeschaltet wird, wodurch die Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters zu Null wird. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung umfaßt insbesondere einen Fühler zum Abgreifen einer unerwünschten Störung der Netzwechselspannung und eine durch den Fühler und in Abhängigkeit vom Abgreifen einer unerwünschten Störung gesteuerten Vorrichtung, die ein Ab-

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schaltsignal erzeugt, dessen Dauer langer ist als die der Störung. Eine in Abhängigkeit vom Abschaltsignal arbeitende ; Einrichtung schaltet den phasengesteuerten Halbleitergleichrichter ab.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die einzige Zeichnung zeigt einen schematischen Stromlaufplan eines Wechselrichters mit einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung.

Die Leitungen L₁ und L₂ sind von einer normalen Einphasen-WechselSpannungsquelle her geführt und liefern somit eine einphasige Netzwechselspannung von 60 Hz und z.B. normalerweise 240 V. Natürlich kann die Größe der Netzwechselspannung jeden entsprechenden Wert in Abhängigkeit von der zu steuernden oder anzutreibenden Last annehmen. Die über die Leitungen L₁ und Ly geführte Wechselspannung wird durch eine phasengesteuerte Halbleitergleichrichterbrücke 10 von bekanntem Aufbau in Gleichspannung umgesetzt. Die Brücke weist zwei gesteuerte Halbleitergleichrichter (SCR) 11 und 12 sowie zwei Dioden 14 und 15 auf, die beim Zünden der gesteuerten Halbleitergleichrichter durch den Schaltstrom des Steuertores 23 die anliegende Netzwechselspannung gleichrichten und am positiven und negativen Ausgang der Brücke 16 und 17 eine gleichgerichtete Spannung anlegen, deren Größe durch die Leitungswinkel der gesteuerten Halbleitergleichrichter während einer jeden Halbperiode der angelegten Netzwechselspannung bestimmt wird. Daher hängt

auch die Amplitude der Gleichspannung an den Ausgängen 16 und 17 vom Leitungswinkel der gesteuerten Halbleitergleichrichter während einer jeden Halbperiode ab, nämlich die Zeitdauer desjenigen Abschnitts einer jeden Halbperiode, in welcher die Halbleitergleichrichter durchsteuert, wobei

dieser Abschnitt wieder durch die Taktgabe der Schal timpul se bestimmt wird, die auf der Leitung 22 von der Gl eichriehterschalttorstufe 23 her anliegen.

Ein Filter mit einer in Reihe geschalteten Drossel 18 und einem parallelgeschalteten Kondensator 19 filtert die gleichgerichtete Spannung der Brücke 10 in eine gefilterte Gleichspannung, die über die Gleichspannungssammelschiene der Leitungen 20 und 21 an den Wechselrichter 26 angelegt wird. Daher liegt auf der Leitung 20 gegenüber der Leitung 21 eine positive Sammelschienengleichspannung an, wobei die Leitung 21 an Masse (Bezugsspannung) geführt ist, die im dargestellten Ausführungsbeispiel 0 V beträgt. Somit kann durch Steuerung der Leitungswinkel der Gleichrichter 11 und 12 die am Wechselsrichter 26 anliegende Sammelschienengleichspannung eingestellt werden.

Der Wechselrichter 26 ist von bekanntem Aufbau und weist ein Netzwerk aus Schalteinrichtungen wie Leistungstransistoren auf, die durch periodisch wiederkehrende Taktimpulse auf der Leitung 27 von einer Steuerschaltung 29 her anliegen, wobei die Leitung 27 praktisch eine Reihe von Leitungen für jeden einzelnen Leistungstransistor darstellt. Die Transistoren werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um die Sammelschienengleichspannung auf den Leitungen 20,21 in eine ' Wechselspannung umzusetzen, die dann an den Wicklungen' des Motors 32 anliegt, die dadurch einen Wechselstrom erhalten, damit sich der Wechselstrommotor mit einer Drehzahl drehe, ^S die durch die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters bestimmt wird und ihr direkt proportional ist. Die Abtriebswelle 33 des.Motors 32 treibt eine mechanische Last 34 an. Natürlich ist die Auslegung der Steuerschaltung 29, die den Grundsteuerstrom zum Ein- und Ausschalten der Lei-

stungstransistoren des Wechselrichters 26 in der richtigen Folge zu den richtigen Zeitpunkten und mit der richtigen Frequenz liefert, um die erforderliche Wechselspannung für den Motor 32 und zum Antrieb der Last 34 in der richtigen Weise zu erzeugen, allgemein bekannt. Die Steuerschaltung 29 arbeitet in Abhängigkeit von der Sammelschienengleichspannung, die auf einer Leitung 31 her anliegt, und liefert

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programmierte periodisch wiederkehrende Taktimpulse oder Grundsteuersignale an die Leistungstransistoren, um die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters und damit auch die Drehzahl des Motors zu erzeugen. Die Wiederholungsfreguenz der Taktimpulse ist eine Funktion der (insbesondere direkt proportional zur) Sammelschienengleichspannung. Daher verändert sich die Wechselrichterfrequenz, wenn sich die Sammelschienenspannung verändert. Auf diese Weise stehen Amplitude und Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung in einem festen Verhältnis zueinander. Ein festes Verhältnis ist wünschenswert, um ein.überhitzen des Motors 32 zu vermeiden und diesem unabhängig von seiner Drehzahl ein konstantes Abtriebsdrehmoment zu verleihen.

Um das Schalt- oder Steuersignal für die Halbleitergleichrichter 11 und 12 zu erzeugen, damit die Sammelschienengleichspannung eingestellt und der Stromfluß zum Wechselrichter 26 und Motor 32 geregelt werde, wodurch auch die Motordrehzahl eingestellt wird, wird die Netzleitungsspannung auf den Netzleitungen L- und L₂ getrennt und durch einen Transformator 26 heruntertransformiert wird, um ein Abbild mit verringerter Amplitude der Netzspannung zu bilden, das einem Bandfilter 37 eingespeist wird, das auf die Grundfrequenz der Netzspannung abgestimmt ist (60 Hz im dargestellten Ausführungsbeispiel). Unter Normalbedingungen bewirkt das Bandfilter.keine Phasenverschiebung der Grundfrequenz, jedoch dämpft sowohl die hohen als auch niederen Frequenzen. Die Ausgangsspannung des Filters 3 7 ist damit

ein Abbild mit verringerter Amplitude der Grundfrequenz der Netzspannung, die auf den Leitungen L₁ und L„ anliegt, wobei sie mit dieser genau phasengleich ist. Ein Tiefpaß zur Dämpfung des Hochfrequenzrauschens wird nicht eingesetzt, da es eine Phasenverschiebung der Grundfrequenz der Netzspannung bewirken würde, als deren Folge der Betrieb des Schaltsignalgebers nachteilig beeinflußt werden würde. Die am Ausgang des Filters 37 erzeugte Wechselspan-

nung mit einer Frequenz von 60 Hz ist somit als Wellenform A in der Zeichnung gezeigt/ deren Momentanamplitude sich sinusförmig verändert.

Ein Impulsformerkreis 39 setzt jede Halbperiode der Spannung der Wellenform A in eine Impulskomponente mit positiver Anstiegsflanke der Spannung der Wellenform B um. Die Ausgangsspannung des Kreises 39 ändert sich abrupt von einem Pegel niedriger in einen Pegel hoher Amplitude unmittelbar nach dem Nulldurchlauf der Netzwechselspannung und beginnt eine neue Halbperiode, worauf sie abrupt auf ihren niedrigen Pegel zurückfällt/ gerade ehe die Netzspannung diese Halbperiode vollendet. Daher erstreckt sich jede Impulskomponente mit positiver Anstiegsflanke der Rechteckwellenform B im

Ib wesentlichen über eine gesamte Halbperiode der Netzwechselspannung, mit der sie auch eine gleiche Impulsbreite aufweist. Die Anstiegsflanke der positiven Impulskomponente folgt unmittelbar dem Anfang einer Halbperiode, wobei die Abstiegsflanke unmittelbar vor dem Ende der Halbperiode auftritt. Die bevorzugte Auslegung des Impulsformerkreises 39 ist näher in der mi€anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 75 307 beschrieben. Wie in dieser Patentanmeldung dargestellt, besitzen die einzelnen Impulskomponenten mit posi-' tiver Anstiegsflanke der Wellenform B identische Impulsbreiten; selbst wenn sich die Netzspannung ändert. Eine konstante Impulsbreite ist unabhängig von der Größe der Netzspannung für einen genauen und zuverlässigen Betrieb des Wechselrichters erforderlich.

Ein Impulsformerkreis mit einem PNP-Transistor 51 und den zugeordneten Schaltbauteilen verwandelt die einzelnen positiven Anstiegsflanken der Wellenform B in einen Sägezahnimpuls (Wellenform C). Das Rechtecksignal der Wellenform B • liegt an der Basis des Transistors 51 an, wobei dieser abwechselnd zwischen Sättigung und Sperrstrom gesteuert wird, und die positiven Anstiegsflanken den Transistor sperren,

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während die negativen Abstiegsflanken den Transistor in den Sättigungszustand steuern, wobei er beaufschlagt wird, so daß eine sehr niedrige Impedanz zwischen Emitter und Kollektor vorhanden ist. Wird der Transistor 51 abgeschaltet, so wird der Kondensator 5 2 in der Zeichnung in Abwärtsrichtung über einen Widerstand 53 zur Spannungsquelle V- aufgeladen, die beispielsweise 15 V= betragen kann. Daher fällt bei jeder Anstiegsflanke der Wellenform B die Spannung am Schaltungsknotenpunkt 54 linear ab und bildet die durch die Wellenform C dargestellte Sägezahnspannung. Am Ende eines jeden positiven Impulses wird der Transistor durch eine negative Abstiegsflanke in den Sättigungszustand gesteuert, worauf sich der Kondensator 52 sofort über den Emitter-Kollektorpfad entlädt, wodurch die Sägezahnspannung abgeschaltet wird. Daher wechselt die Spannung am Schaltungsknotenpunkt 54 abrupt auf V+ oder +15 V=, wenn V- gleich -15 V= ist),da jetzt Emitter und Kollektor des Transistors zusammengekoppelt sind. Wie in Wellenform C gezeigt, bleibt die Spannung am Schaltungsknotenpunkt 54 auf V+ während eines jeden negativen Impulses der Wellenform B. Wenn man natürlich eine feste Impulsbreite für die positiven Impulse der Wellenform B beibehält, bleibt auch die Impulsbreite der einzelnen Sägezahnimpulse der Wellenform C konstant, selbst wenn Schwankungen in der Netzwechselspannung an den Leitungen L^ und L„ auftreten.

Die Sägezahnimpulse der Wellenform C dienen zur Steuerung der Halbleitergleichrichter 11 und 12, um die von der Gleichrichterbrücke 10 erzeugte Sammelschienengleichspan-

nung auf einen Amplitudensollpegel zu heben. D.h., daß die

Sammelschienenspannung über die Leitung 31 am negativen oder Inversionseingang eines Summierverstärkers 56 anliegt, während eine Bezugs- oder Sol]Wertgleichspannung am Knotenpunkt 59 zwischen einem Festwiderstand 57 und einem Po-35

tentiometer 58 am nichtinvertierenden oder positiven Eingang des Verstärkers anliegt. Vorzugsweise und in der Praxis ist die am negativen Eingang des Verstärkers 56 anliegende

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Spannung proportional, jedoch wesentlich schwächer als die Istgleichspannung an der Sammelschiene 20,21. Beispielsweise kann die negative Eingangsspannung um den Faktor 100 (100:'1) gegenüber der Sammelschienenistspannung verkleinert sein. Die Größe der Gleichspannung an der Sammelschiene und daher auch die Amplitude und Frequenz der'Ausgangsspannung des Wechselrichters werden durch die Einstellung des Potentiometers 58 bestimmt. Daher stellt dieses eine Drehzahleinstellung für den Motor 3 2 dar und ist auch so in der Zeichnung gekennzeichnet. Die Sollwertspannung am Knotenpunkt 59 bestimmt somit die Betriebsbedingungen und stellt eine Sollamplitude sowie eine Sollfrequenz für die vom Wechselrichter 26 erzeugte und am Motor 32 anliegende Wechselspannung dar. Der Sollwert wird meist so gewählt, daß er der von mechanischen Last 34 angeforderten Drehzahl genügt.

Die Sollwertspannung am positiven Eingang des Summierverstärkers 56 wird addiert, während die negative Spannung subtrahiert wird. Als Ergebnis liegt am Ausgang des Verstärkers 56 eine Fehlerspannung an, die eine Funktion der Differenz zwischen der 'Sollgröße der Sammelschienengleichspannung (dargestellt durch die positive Eingangsspannung) und der Istgröße der Sammelschienengleichspannung ist

(dargestellt durch die negative Eingangsspannung). 25

An einem Vergleichsglied 61 liegt die Fehlerspannung am nichtinvertierenden oder positiven Eingang und die Sägezahnspannung C am negativen oder Inversionseingang an. Der Amplitudenpegel der Fahlerspannung fällt unabhängig von

seinem Momentanwert stets in den von den Sägezahnimpulsen erfaßten Amplitudenbereich. Zu Beginn der Halbperiode der Netzspannung, wenn die Sägezahnspannung gerade beginnt abzunehmen, ist die Spannung am negativen Eingang des Vergleichsgliedes größer als oder positiv gegenüber der Spannung an seinem positiven Eingang, wodurch sich eine verhältnismäßig niederpegelige Ausgangsspannung der Wellenform D ergibt. An einem Punkt während einer jeden Halbperiode

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fällt jedoch die Sägezahnspannung unter die Fehlerspannung ab, wobei das Vergleichsglied 61 abrupt von einer niederpegeligen zu einer hochpegeligen Ausgangsspannung·umschaltet (auf der es bis zum Ende der Sägezahnspannung bleibt), worauf das Vergleichsglied auf seine niederpegelige Ausgangsspannung zurückfällt. Zu Erläuterungszwecken wurde die Wellenform D so gezeichnet, daß sie die Betriebsbedingungen anzeigt, wenn die Fehlerspannung entsprechend hoch ist, um den' Beginn einer positiven Anstiegsflanke eines Impulses um zirka 65° von den 180° einer Halbperiode der Netzspannung zu verzögern. Das Steuersignal (Wellenform D) steuert das Schalttor der Steuerstufe der Halbleitergleichrichter 23, das ein Steuersignal zum Zünden der Halbleitergleichrichter 11 und 12 erzeugt. Die Steuerimpulse auf der Leitung 22 werden in Abhängigkeit von den Anstiegsflanken der positiven Impulse der Wellenform D erzeugt. Daher weisen im dargestellten Beispiel die Halbleitergleichrichter einen Leitungswinkel von 180° - 65° =115° auf.

In Abhängigkeit von der Einstellung des Drehzahlstellpotentiometers 58 wird die Taktgabe für die Steuerimpulse auf der Leitung 22 automatisch eingestellt, um die Leitungswinkel zu steuern, so daß die Sammelschienengleichspannung auf der zum Antrieb des Motors 32 mit der Solldrehzahl erforderlichen Größe' bleibt. Wenn beispielsweise die Gleichspannung vom Sollpegel aus anzusteigen bestrebt ist (wodurch auch die Motordrehzahl erhöht wird)', fällt die Fehlerspannung ab und bewirkt, daß die positiven Impulse der Wellenform D zu einem späteren Zeitpunkt während der einzelnen

Halbperioden beginnen, wodurch die Halbleitergleichrichter 11 und 12 mit einem größeren Phasenwinkel (und damit einem kleineren Leitungswinkel) durchgesteuert werden, um die Sammelschienengleichspannung so lange zu verringern, bis der richtige Amplitudenpegel wiederhergestellt ist. Angenommen, es sei eine höhere Motordrehzahl gewünscht, dann wird das Drehzahlstellpotentiometer 58 so eingestellt, daß es die Sollwertspannung am Knotenpunkt 59 erhöht, so daß

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sich auch die Fehlerspannung erhöht und damit die Anstiegsflanken der positiven Impulse der Wellenform D voreilen läßt, um das Durchsteuerungs- oder Leitungsintervall der gesteuerten Halbleitergleichrichter genügend zu erhöhen, damit die Sammelsch'ienengleichspannung auf den zum Antrieb des Motors 32 mit der neueren höheren Solldrehzahl erforderlichen Pegel angehoben werden könne.

Obwohl natürlich die Motordrehzahl von Hand durch Einstellung des Drehzahlstellpotentiometers 58 vorgegebenen werden kann, kann die Sollwertspannung durch Abtasten eines Parameters oder einer charakteristischen Größe der Anlage abgeleitet werden, in der der erfindungsgemäße Wechselrichter eingebaut ist, um die Motordrehzahl automatisch in Abhängigkeit von den abgetasteten Daten zu steuern.

Die Auswirkungen von Netzspannungsstörungen, die sich aus momentanen Spannungsäusfällen oder größeren Spannungsverminderungen ergeben, auf den Schalt- oder Steuersignalgeber werden durch Abschalten der phasengesteuerten Halbleitergleichrichterbrücke 10*in Abhängigkeit von diesen Störungen neutralisiert, wodurch ein Fehlzünden der gesteuerten Halbleitergleichrichter und ein überschlagen der Sammelschieneng]eichspannung vermieden wird. Gleichzeitig kann der Wechselrichter weiterhin in Abhängigkeit von der im Filterkondensator 19 gespeicherten Spannung arbeiten, so daß die Störungen eine vernachlässigbare Wirkung auf den Betrieb des Motors 32 haben. D.h., unter Normalbedingungen sind die Eingangs- und Ausgangssignale des Bandfilters 37 gleich, ausgenommen, daß sie um 180° gegeneinander phasenversetzt sind. Diese gegenphasigen Signale werden von den Widerständen 65 und 66 addiert, wodurch ein Differenzsignal Null am negativen oder Inversionseingang eines Summierverstärkers 67 , an dessen Ausgang eine Nullspannung erscheint. Treten jedoch Netzleitungsstörungen auf, so wird ein Differenzsignal am Inversionseingang des Summierverstärkers 67 als positiver oder negativer Amplitudenhub erzeugt. Daher * anliegt

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schwankt das Ausgangssignal des Verstärkers 67 in positiver und negativer Richtung um Null. Das negative Eingangssignal einer Vergleichsschaltung 68 wird auf einem vorgegebenen

* minimalen negativen Schwellwert erzeugt, das positive Eingangssignal eines Vergleichsgliedes 69 auf einen vorgegebenen minimalen positiven Spannungsschwellwert gehalten wird. * während

Das Ausgangssignal des Verstärkers 67 liegt sowohl am positiven Eingang des Vergleichsgliedes 68 als auch am Inversionseingang des Vergleichsgliedes 69 an. Damit triggern negative Amplitudenhübe, die den negativen Schwellwert des Vergleichsgli'edes 68 übersteigen (d.h. gegenüber diesem negativ sind) das Vergleichsglied, so daß seine Ausgangsspannung auf einem verhältnismäßig niedrigen Pegel liegt, vorzugsweise V- oder -15 V= beim dargestellten Ausführungsbeispiel. Auch positive Amplitudenhübe, die größer sind als der positive Schwellwert des Vergleichsgliedes 69 (gegenüber diesem positiv sind) beaufschlagen dieses Vergleichsglied so, daß es seine niedrige Ausgangsspannung (V-) liefert. Somit steuert eine Störung eine oder beide Dioden 71 und 72 an, wobei Strom von der Spannungsquelle V+ über einen Widerstand 73 und die angesteuerte Diode (n) fließt, um am Schaltungsknotenpunkt 74 eine Spannung V- oder -15 V= zu erzeugen. Die Diode 76 steuert in Abhängigkeit von dieser Spannung durch, um den Knotenpunkt 77 bei Auftreten der Störung an 0 V zu koppeln.

Die NuTlspannung am Knotenpunkt 77 wird von der Inversionsstufe 79 auf eine verhältnismäßig hohe Spannung (V+ oder +15 V=) umgesetzt, die den aufgetasteten Oszillator ansteuert, um ein schwingendes Signal, am Schaltungsknotenpunkt 81 zu erzeugen. Der auf getastete» Oszillator weist ein NAND-Glied 82 (das als Schmitt-Trigger funktioniert), einen Rückführungswiderstand 84 und einen Kondensator 8 5 auf. Der Oszillator bleibt so lange getastet wie die Spannung V+ vom Ausgang der Inverionsstufe 79 her anliegt. Die

Μι schwingende Frequenz kann um 100 kHz liegen, obwohl sie nicht kritisch ist.

Daher schwingt während einer Netzspannungsstörung der Schaltungsknotenpunkt 81 zwischen V+ und 0 V, worauf in Abhängigkeit von der ersten Schwingungsperiode der wiederauslösbare monostabile Multivibrator 86 von seinem normalen stabilen Zustand in seinen anormalen Zustand versetzt wird, in dem er für ein bestimmtes Zeitintervall nach dem Ende der Störung verbleibt. Am Ende des Zeitintervalls und damit nach der Rückkehr der Netzwechselspannung zu ihrem Normalzustand, springt auch der monostabile Multivibrator 86 automatisch in seinen Normalzustand zurück. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung auf einer Leitung 87, die mit "Abschaltsignal" bezeichnet ist, auf 0 V erzeugt, bis eine Störung auftritt, worauf sie sofort auf V+ ansteigt und dort bleibt, bis die Störung beseitigt ist und die Netzspannung ihren normalen Sinusverlauf wiederaufgenommen hat, worauf die Ausgangsspannung oder das Abschaltsignal auf Null zurückfällt.

Die Anstiegsflanken oder positiven Impulsanteile des Abschaltsignals gelangen über Widerstände 88 und 89 an die Basen der NPN-Transistore'n 91 und 92, die dadurch angesteuert und gesättigt werden. Wenn der Transistor 91 durchsteuert, sperrt die Schalttorsteuerstufe der Halbleitergleichrichter 23, so daß kein Schalt- oder Steuersignal auf der Leitung 22 zur Gleichrichterbrücke 10 gelangen kann, wodurch die Brücke abgeschaltet wird, so daß keine Netzspannung gleichgerichtet

^O wird. Während dieser Abschaltzeit fällt die Sammelschienengleichspannung am Filterkondensator 19 langsam ab, wodurch die Steuerschaltung 29, der Wechselrichter 26 und der Motor 32 fast normal weiterarbeiten. Somit schaltet das Abschaltsignal die Brücke 10 während einer Netzspannungsstörung ab, doch hat dies eine nur vernachlässigbare Wirkung auf den Betrieb des Motors 32.

Während der Störung und solange die Brücke 10 abgeschaltet

ist, bewirkt die langsam zusammenfallende Sammelschienengleichspannung am negativen Eingang des Summierverstärkers 56 meist, daß sich die Fehlerspannung erhöht, die dann im Kondensator 93 gespeichert wird. Ohne den Transistor 92, nach dem Ende der Störung und nachdem die Steuerstufe der ■ Halbleiter 23 und die Gleichrichterbrücke ihren normalen Betrieb wiederaufgenommen haben, würde die verhältnsimäßig hohe Fehlerspannung am Kondensator 9-3 einen großen Leitungsoder Durchsteuerungswinkel für die gesteuerten Gleichrichter 10 und 11 verlangen, wobei die Sammelschienengleichspannung überschlagen würde. Eine solche unnormal hohe Sammelschienenspannung würde den Motor beschleunigen und könnte • die Leistungstransistoren im Wechselrichter 26 beschädigen oder zerstören. Durch .Anschalten des Transistors 92 während oder unmittelbar nach der Störung wird der Kondensator 93 entladen, wobei die Fehlerspannung zu Null wird, wenn der Normalbetrieb wiederaufgenommen wird. Dadurch wird nicht nur ein glatter übergang zum Normalbetrieb gewährleistet, sondern auch-der Ausfall von Schaltbausteinen verhindert.

Die Erfindung bietet daher eine neuartige Anordnung zum Störfestmachen einer Sammelschienengleichspannung gegen die Auswirkungen von unerwünschten Netzspammngsstörungen. Diese Störungen werden so neutralisiert, daß die vom Wechselrichtt;r gesteuerte Last während der Störuru) im wei.cnt 1 i cM'ien normal arbeitet. Ein herausragendes Merkmal der lirfjnduiu) besteht in der Art und Weise, in welcher die Schaltbausteine, besonders die Schaltvorrichtungen im Wechselrichter, durch Netzspannungsstörungen vor der Zerstörung bewahrt werden.

Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere mögich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Leerseite

Claims

32Ü4bU8

Schutzeinrichtung zum Störfestmachen der Sammelschienengleichspannung, die für einen Wechselrichter durch Gleichrichten der Netzwechselspannung in einer phasengesteuerten Halbleitergleichrichterbrücke erzeugt wird, gegen die Auswirkungen von Netzspannungsstörungen, die sich aus momentanen Spannungsausfällen oder größeren Spannungsverminderungen ergeben, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (37,65-92), die in Abhängigkeit von einer vorhandenen Störung der Netzwechselspannung die phasengesteuerte Halbleiter.gleichrichterbrücke (10) abschalten.

2. Schutzeinrichtung zum Störfestmachen des Wechselsrichters gegen die nachteiligen Auswirkungen unerwünschter Schwankungen der Netzwechselspannung, die sich aus momentanen Spannungsausfällen oder größeren Spannungsverminderunyen ergeben, und die in einer Wechselrichteranlage arbeitet, in der die Netzwechselspannung in einer phasengesteiu-rten Halbleitergleichricnterbrücke gleichgerichtet wird, worauf die gleichgerichtete Netzspannung gefiltert wird, um an einem parallelgeschalteten Filterkondensator eine einstellbare Sammelschienengleichspannung zu erzeugen, die dann durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannung zurückverwandelt wird, gekennzeichnet durch: Abtastvorrichtungen (37,65-79) zum Abtasten unerwünschter Schwankungen in der Netzwechselspannung, Vorrichtungen (82-86), die durch die Abtastvorrichtungen

^w (37,65-79) gesteuert werden und in Abhängigkeit vom Abgreifen einer unerwünschten Schwankung arbeiten, wobei sie ein Abschaltsignal erzeugen, dessen Dauer länger währt als das Ende der Schwankung, sowie Einrichtungen (87,88,91), die in Abhängigkeit vom

Abschaltsignal die phasengesteuerte Halbleitergleichrichterbrücke (10) abschalten.

3. Gesteuerte Gleichspannungsversorgung zum Gleichrichten einer anliegenden Netzwechselspannung, um daraus eine Sammelschienengleichspannung von einer Sollgröße für einen Wechselrichter zu entwickeln, wobei die Netzwechselspannung unerwünschten Störungen unterworfen ist, die durch momentane Spannungsausfälle oder größere Spannungsverminderungen bewirkt werden, gekennzeichnet durch: eine phasengesteuerte Halbleitergleichrichterbrücke (10) mit mindestens zwei gesteuerten Halbleitergleichrichtern (11,12) zum Gleichrichten einer Netzwechselspannung, wobei eine Sammelschienengleichspannung erzeugt wird, deren Größe durch den Durchsteuerungswinkel der gesteuerten Halbleitergleichrichter während einer jeden Halbperiode der Netzwechselspannung bestimmt wird, Nebensignalgeber (36-54), die in Abhängigkeit von einem Abbild mit verringerter Amplitude der Netzwechselspannung einen Sägezahnimpuls während einer jeden Halbperiode der Netzwechselspannung erzeugen, Steuereinrichtungen (56-61,23), welche mit den Sägezahnimpulsen die Halbleitergleichrichter in einem Sollphasenwinkel nach dem Öeginn einer jeden Halbperiode der Netzwechselspannung ansteuern, wodurch der Durchsteuerungswinkel geregelt wird, um eine Sammelschienengleichspannung mit einem Sollamplitudenpegel zu erzeugen, Abtastvorrichtungen (37-65-79), welche die unerwünschten Störungen der Netzwechselspannung abgreifen, und Abschaltvorrichtungen (82-92), die durch die Abtastvorrichtungen (37,65-79) gesteuert werden, und die Halbleitergleichrichter während des Auftretens der einzel-,

nen unerwünschten Störungen abschalten, wodurch die Gleichspannungsversorgung gegen diese Störungen unempfindlich gemacht wird.

4. Geregelte Gleichspannungsversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber ein Bandfilter (37) enthält, das im Abbild der Netzwechselspannung mit verringerter Amplitude die Frequenzen über und un-

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ter der Grundfrequenz der Spannung dämpft, und daß die Abtastvorrichtung (37,65-79) die Eingangs- und Ausgangssignale des Bandfilters (37) vergleicht, um unerwünschte Störungen abzugreifen.

5. Geregelte Gleichspannungsversörgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltvorrichtung (82-92, mit 93) die gesteuerten Halbleitergleichrichter

•für eine bestimmte zeitliche Verzögerung nach dem Ende der unerwünschten Störungen abgeschaltet hält.

6. Geregelte Gleichspannungsversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (56-61, 23.) die Sägezahnimpulse mit einer Fehlerspannung (in 61) vergleicht, die sich als eine Funktion der Differenz zwischen der Sollgröße und der Istgröße der Sammelschienengleichspannung verändert, um ein Schaltsignal zum Durchsteuern für die Halbleitergleichrichter zu erzeugen, und daß die Abschalteinrichtung (82-92) die Fehlerspannung (mit 92) während des Auftretens von unerwünschten Störungen auf Null zurückführt.

7. Schutzeinrichtung zum Störfestmachen einer einstellbaren Sammelschienengleichspannung, die an einem Wechselrichter anliegt, gegen unerwünschte Störungen der Netzwechselspannung, die sich aus momentanen Spannungsausfällen oder größeren Spannungsverminderungen ergeben, wobei die Sammelschienengleichspannung durch Gleichrichten der Netzwechselspannung in einer phasengesteuerten Halbleitergleichrichterbrücke erzeugt wird, gekennzeichnet durch Abtastvorrichtungen (37,65-79), welche die unerwünschten Netzspannungsstörungen abgreifen, und Abschaltvorrichtungon (82-92), die durch die Abtastvorrichtungen (37,65-79) gesteuert werden, um die phasensteuerte Halbleitergleichrichterbrücke (10) während der einzelnen Netzleitungsstörungen abzuschalten.

8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die phasengesteuerte Halbleitergleichrichterbrücke (10) normalerweise durch ein Schaltsignal gesteuert wird, das von einer Steuerstufe der Halbleitergleichrichter (23) her anliegt, und daß die Abschaltvorrichtung (82-92) die Steuerstufe der Halbleitergleich richter (23) während des Auftretens einer Netzspannungsstörung beaufschlagt, um das Schaltsignal zu annulieren.

9. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe der Halbleitergleichrichter (23) normalerweise durch ein anliegendes Steuersignal (Wellenform D) gesteuert wird, und daß die Abschaltvorrichtung (82-92) das Steuersignal während einer Netz-Spannungsstörung annuliert, damit kein falsches Steuersignal an der Steuerstufe der Halbleitergleichrichter (23) nach dem Auftreten der Störung und der Rückkehr der Netzwechselspannung zum Normalzustand anstehe.

10.Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung (37,65-79) ein Filter (37) umfaßt, an dessen Eingang ein Abbild der Netzwechselspannung anliegt, wobei die unerwünschten Netzwechselspannungen durch Vergleich des Ausgangssignals des Filters (37) mit seinem Eingangssignal erkannt werden.

11.Schutzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein Bandfilter (37) ist, welches die Frequenzen über und unter der Grundfrequenz

der Netzspannung dämpft.

^.Schutzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (37,65-79) einen Summierverstärker (67) umfaßt, der auf die Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal des Bandfilters (37) anspricht, und deren Vergleichseinrichtungen (68,69) an den Ausgang des Summierverstärkers

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(67) gekoppelt sind/ um positive öder negative Ampli-,tudenhübe im Ausgangssignal des Verstärkers (67) abzugreifen, welche vorgegebene minimale Schwellwertpegel überschreiten.

13.Schutzeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtungen (68,69) einen aufgetasteten Oszillator (82-85) steuern, der seinerseits einen wiederauslösbaren monostabilen Multivibrator (86) betreibt, um ein Abschaltsignal· für die phasengesteuerte Halbleitergleichrichterbrücke (10) in Abhängigkeit von Abgreifen der einzelnen unerwünschten Netzspannungsstörungen zu erzeugen, das die Gleichrichterbrücke (10) für ein bestimmtes eigenes Zeitintervall nach dem Ende der einzelnen Störungen abgeschaltet hält.

14.Schutzeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die phasengesteuerte Halbleitergleichrich-. terbrücke (10) normalerweise durch ein Schaltsignal gesteuert wird, das von der Steuerstufe der Halbleitergleichrichter (23) ner anliegt, die ihrerseits in Abhängigkeit von einem anliegenden Steuersignal (D) betätigt wird, um die Größe der Sammelschienengleichspannung auf einem Sollwert zu halten, und^ daß das Abschal.t-

signal (mit 92) das Steuersignal während des Auftretens einer Netzspannungsstörung annuliert.