DE3347106A1

DE3347106A1 - Schaltungsanordnung zur polaritaetsgerechten erfassung der stroeme in einer halbleiter-umrichterbruecke

Info

Publication number: DE3347106A1
Application number: DE19833347106
Authority: DE
Inventors: Walter Janker
Original assignee: Garbe Lahmeyer and Co AG
Current assignee: Garbe Lahmeyer and Co AG
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1983-12-27
Publication date: 1985-07-04
Also published as: DE3347106C2

Description

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR POLARITÄTS-
GERECHTEN ERFASSUNG DER STRÖME IN EINER HALBLEITER-UMRICHTERBRUCKE Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur polaritätsgerechten Erfassung der Ströme in einer Halbleiter-Umrichterbrücke mit zwei Gleichstromanschlüssen, zwischen denen pro Wechselstromphase je ein aus zwei Ha 11>-leiterschaltern in Reihe bestehender Zweig liegt, wobei der Wechselstromanschluß jeweils zwischen den beiden zugeordneten Halbleiterschaltern angeordnet ist.
Halbleiter-Umrichterbrücken werden mit steuerbaren Halbleiterschaltern wie z.B. Transistoren, Thyristoren oder GTO-Schaltern ausgerüstet (gate turn off). Sie dienen der Erzeugung von Wechselspannungen, insbesondere für Fahrmotoren aus einem Gleichstromnetz und können auch Energie an das Gleichstromnetz zurückspeisen, wenn die Fahrmotoren im Bremsbetrieb zu Generatoren werden. Man kennt einphasige und mehrphasige, insbesondere dreiphasige Umrichterbrücken. Ein Wechselstromanschluß, der stets zwischen zwei Halbleiterschaltern der Brücke liegt, kann entweder, wenn einer der Schalter leitend ist, an dem ersten Pol der Gleichspannungsquelle liegen oder, wenn der andere Schalter leitend ist, am anderen Pol. Durch geeignete Ansteuerung der Schalter wird vermieden, daß gleichzeitig beide Schalter eines Zweiges leitend sind, da dann ein Kurzchiuß zwischen den beiden Polen der Cleichspannungsquelle vorlicqin würde.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb einer solchen Brücke ist es wichtig, daß die die Schalter durchfließenden Ströme vorbestimmte Grenzwerte einhalten und daß Schutzmaßnahmen schnell ergriffen werden, wenn der Strom an irgendeinem Punkt der Brücke einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Dies kann nicht nur der Fall sein, wenn zwei Schalter eines Brückenzweiges gleichzeitig leitend sind, sondern auch dann, wenn ein Wechselstromanschluß verschentlich an Erde gelangt oder wenn zwei Wechselstromanschlüsse Initeinander in Kontakt kommen (Lastwiderstand wird Null) Um all diese Fehlermöglichkeiten zu berücksichtigen, und um auch die für die normale Regelung der Frequenz oder der Spannung nötigen Informationen zu bekommen, müßte man in jedem Brückenzweig drei Wandler vorsehen, und zwar einen zur Uberwachung des Stroms in jedem der beiden Schalter und einen dritten zur überwachung des Laststroms, der vom Wechselstromanschluß zur Last bzw. dem Verbraucher fließt. Jedem dieser Wandler muß dann ein Signalauswerteschaltkreis mit einem Komparatorverstärker nachgeschaltet sein, der nur dann ein Signal liefert, wenn der zu überwachende Strom eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Die Erfindung löst die Aufgabe, die Anzahl der Wandler und der diesen nachgeordneten Auswerteschaltkreise deutlich zu verringern, ohne daß wichtige Informationen dabei verlorengingen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in jedem Zweig ein Meßwandler so eingefügt ist, daß sowohl der Strom, der vom ersten Gleichstromanschluß durch den ersten Schalter zum Wechselstromanschluß, als auch der Strom, der vom Wechselstromanschluß durch den zweiten Schalter zum zweiten Gleichstromanschluß fließt, im Wandler erfaßt wird, und zwar derart, daß, wenn beide Schalter gleichzeitig leitend sind, sich deren Ströme in der Wirkung im Wandler addieren.
Vorzugsweise ist der Wandler mit einer Primärschleife zwischen einem der Halbleiterschalter und dem Wechselstromanschluß und mit einer zweiten Primärschleife zwischen dem Wechselstromanschluß und dem anderen Halbleiterschalter angeschlossen. Es wäre jedoch auch möglich, eine oder gar beide Primärschleifen des Wandlers zwischen dem zugeordneten Halbleiterschalter und einem Gleichstromanschluß einzufügen.
Prinzipiell sind im Rahmen der Erfindung alle Arten von Wandlern cinsetzbar, die sekundärseitig ein Signal in Abhängigkeit von der Stromanlltude und der StrompolaritAt in der Primärschleife liefern. Vorzugsweise wird jedoch ein Hallwandler eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mithilfe der Zeichnung näher erläutert, die das Schaltbild einer Halbleiter-Umrichterbrücke mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt.
Hier wandelt es sich um eine dreiphasige Umrichtcrbrücke, die aus einer Gleicilspannungsque Ilc mit einem positiven Gleichspannungs>ol 1 und einem negativen Cleichspannunqspol 2 (3espeist wird und die drei Ausgangsklemnen R, S und T besitzt.
Die Last besteht aus drei Impedanzen 3, 4 und 5 in Dreieckschaltung wie dargestellt, oder in Sternschaltung. Hier handelt es sich beispielsweise um drei Statorwicklungen eines asynchronen Drehstrommotors.
Jede Drehstrombrücke besitzt bekanntlich drei Zweige mit je zwei Halbleiterschaltern 6 und 7 bzw. 8 und 9 bzw. 10 und 11.
Die Schalter sind als Transistoren, Thyristoren oder GTO-Schalter ausgebildet. Parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke jedes Schalters liegt eine Diode 12 bis 17, über die im Bremsbetrieb cin St tom fließt. Der Wechselstromanschluß R bzw. S bzw. T liet7t in jedem Zweig zwi.schell den beiden Halbleiterschaltern.
Im Normalbetrieb werden die Basiselektroden der Transistoren 6 bis 11 zykliscli so anqesteuert, daß der Wechselstromanschluß eines Zweiges entweder am positiven Pol 1 oder am negativen Pol der Gleichspannungsquelle hängt. Durch ein geeignetes Schaltprogramm ergibt sich zwischen den drei Wechselstromanschlüssen ein symmetrisches Drehstromsystem, dessen Zeigerdiagramm ein gleichseitiges Dreieck bildet Zur Erfassung der Ströme in den einzelnen Teilen der Umrichterbrücke sind insgesamt drei Wandler 18 bis 20 vorgesehen, und zwar ein Hallwandler für jeden Zweig. Durch das zentrale Loch des Wandlers führen zwei Leitungen hindurch, nämlich einerseits die Verbindungsleitung des mit dem positiven Pol 1 verbundenen Schalters zum Wechselstromanschluß und andererseits die Verbindungsleitung vom Wechselstromanschluß zum anderen Schalter desselben Zweiges. Die beiden Leitungen sind durch den Wandler so hindurchgeführt, daß, wenn beide Schalter des Zweiges gleichzeitig leitend sind, sich deren Ströme in der Wirkung im Wandler addieren. Der Innenaufbau des Wandlers, insbesondere dessen Sekundärseite, ist nicht im einzelnen dargestellt, da es sich hier um klassische Bauteile handelt. Ausgangsseitig besitzt jeder Wandler drei Anschlüsse 21, 22, 23, an denen Spannungen in Abhängigkeit von der Amplitude und der Polarität der aus den beiden Primärschleifen zusammengesetzten Ströme abgreifbar sind.
Da im Normalbetrieb die beiden Schalter eines Zweiges oder die beiden Dioden eines Zweiges nie gemeinsam zugleich stromführend sind, läßt sich an den Ausgangsklemmen eines Wandlers stets der richtige Spitzenwert des Primärstroms erfassen. Dieser Wert läßt sich also zur Spannungstrequenzregelung der Brücke und damit zur Strombegrenzungsregelung des Umrichters heranziehen.
Zu den möglichen Fehlern, die in einer solchen Brücke auftreten können, zählen die Erd- oder Hochspannungsschlüsse eines oder mehrerer der Wechselstromanschlüsse, die Lastschlüsse zwischen zwei Wechselstromanschlüssen und solche Schaltfehler, bei denen beide Halb]eiterschaltcr eines Zweiges gleichzeitig leitend sind. Alle diese Fälle führen zu einer deutlichen Erhöhung der Ausgangsspannung mindestens eines der Wandler 18 bis 20, so daß Schutzmaßnahmen schnell ergriffen werden können.
Durch die Erfindung wird also die Anzahl der Wandler und der ihnen nachgeschalteten Auswerteschaltkreise deutlich verringert, ohne daß ein Informationsverlust eintritt. Vielmehr werden nach wie vor alle möglichen Fehlerkriterien erfaßt.

Claims

PATENTANSPRUCHE 1 - Schaltungsanordnung zur polaritätsgerechten Erfassung der Ströme in einer Halbleiter-Umrichterbrücke mit zwei Gleichstromanschlüssen, zwischen denen pro Wechselstromphase je ein aus zwei Halbleiterschaltern in Reihe bestehender Zweig liegt, wobei der Wechselstromanschluß jeweils zwischen den beiden zugeordneten Halbleiterschaltern angeordnet ist, dadurch g-e k e n n: e i c h n e t, daß in jeden Zweig ein Meßwandler (18, 19, 20) so eingefügt ist, daß sowohl der Strom, der vom ersten Gleichstromanschluß (1) durch den ersten Schalter (6, 8, 10) zum Wechselstromanschluß (R, S, T), als auch der Strom, der vom Wechselstromanschluß durch den zweiten Schalter (7, 9, 11) zum zweiten Gleichstromanschluß (2) fließt, im Wandler erfaßt wird, und zwar derart, daß, wenn beide Schalter gleichzeitig leitend sind, sich deren Ströme in der Wirkung addieren.
2 - Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c il n e t, daß der Wandler (18, 19, 20) mit einer Primärschleife zwischen einem der Halbleiterschalter (6, 8, 10) und dem Wechselstromanschluß (R, S, T) und mit einer zweiten Primärschleife zwischen dem Wechselstromanschluß und dem anderen Halbleiterschalter (7, 9, 11) angeschlossen ist.
3 - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wandler ein Hallwandler (18, 19, 20) ist.