DE3424041C2

DE3424041C2 -

Info

Publication number: DE3424041C2
Application number: DE19843424041
Authority: DE
Inventors: Harald 8000 Muenchen De Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1993-02-04
Also published as: DE3424041A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art.

Eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung in einem Gleichstromumrichter ist bereits aus der JP-OS 59-50 772 bekannt. Bei dem bekannten Gleichstromumrichter wird ein im Primärkreis eines Trenntransformators angeordneter Leistungsschalter durch einen Spannungsregler und einen Pulsweitenmodulator derart gesteuert, daß die Ausgangsspannung konstant gehalten wird. Der im eingangsseitigen Hauptstromkreis fließende Strom wird durch einen Siebkondensator geglättet. Vor dem Siebkondensator ist ein Meßwiderstand zur Messung des von der Speisequelle gelieferten Eingangsgleichstromes angeordnet. Zwischen dem Siebkondensator und dem Leistungsschalter liegt ein Meßwiderstand, mit dessen Hilfe der durch die Primärwicklung des Trenntransformators und den Leistungsschalter fließende Eingangspulsstrom gemessen wird. Die beiden Meßwiderstände sind in Serie zueinander angeordnet. Der Spitzenwert der an der Serienschaltung der beiden Meßwiderstände abfallenden Spannung wird einem Steuereingang des Pulsweitenmodulators zum Zwecke der Strombegrenzung zugeführt. Maßgeblich für die Strombegrenzung ist daher die Summe aus Eingangsgleichstrom und Eingangspulsstrom.

Bei einem Gleichstromumrichter müssen Vorkehrungen getroffen sein, durch die die übertragene Leistung auf einen Wert begrenzt wird, der eine Gefährdung der Bauelemente ausschließt. Zur Indikation der tatsächlich übertragenen Leistung wird eine Strommessung durchgeführt. Diese Strommessung dient in einem entsprechenden Regelkreis zur Begrenzung der übertragenen Leistung. Bei Umrichtern, die nach dem Durchflußprinzip arbeiten, sind der Eingangspulsstrom, d. h. der Strom, der in dem durch den Leistungsschalter periodisch unterbrochenen Stromkreis fließt, und der Ausgangsgleichstrom zueinander proportional. Da eine Strommessung im Eingangskreis des Umrichters schaltungstechnisch wesentlich einfacher ist als eine Messung des Ausgangsgleichstromes, wird zur Leistungsüberwachung und Strombegrenzung bei Durchflußumrichtern in aller Regel der erwähnte Eingangspulsstrom herangezogen.

Nach dem Sperrprinzip arbeitende Umrichter besitzen eine nichtlineare Übertragungscharakteristik, d. h., bei ihnen sind Ausgangsgleichstrom und Eingangspulsstrom nicht zueinander proportional. Legt man der Leistungsüberwachung eine Messung des Eingangspulsstromes zugrunde und läßt man die zugeordnete Regelschaltung bei einem konstanten Einsatzpunkt dieses Eingangspulsstromes wirksam werden, hängt das Einsetzen der Ausgangsstrombegrenzung von der Höhe der Eingangsspannung sowie von der Ausgangsspannung ab, was wiederum zur Folge hat, daß der Ausgangskurzschlußstrom sehr viel höher ist als der Wert, bei dem die Strombegrenzung einsetzt. Um diesen Nachteil zu vermeiden, muß der Strombegrenzung bei nach dem Sperrprinzip arbeitenden Umrichtern entweder eine Ausgangsgleichstrommessung zugrunde gelegt werden oder es muß bei Messung des Eingangspulsstromes ein Referenzwert Verwendung finden, der sowohl von der Eingangs- als auch von der Ausgangsspannung abhängig ist. Beide Lösungsmöglichkeiten sind mit einem vergleichsweise großen Aufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung eine Linearisierung der Strombegrenzung zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den gekennzeichneten Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines nach dem Sperrprinzip arbeitenden Gleichstromumrichters,

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Eingangspulsstromes in der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Umrichters mit einer Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 zeigt eine Variante des bei der Schaltung gemäß Fig. 3 vorgesehenen Strommeßkreises,

Fig. 5 und 6 zeigen die Ausgangsspannung eines Umrichters gemäß der Erfindung in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom,

Fig. 7 zeigt eine weitere Variante des Strommeßkreises.

Der in Fig. 1 dargestellte Umrichter besitzt einen Eingangskreis, der über die Primärwicklung eines Trenntransformators Tr, einen als Transistor ausgebildeten Leistungsschalter S und einen als Stromdetektor dienenden Meßwiderstand R verläuft. In einem Querzweig des Eingangskreises befindet sich ein Siebkondensator C_e. In den Eingangskreis sind zwei Strompfeile I_e und i_e eingezeichnet, die den Eingangsgleichstrom bzw. den Eingangspulsstrom kennzeichnen sollen.

Der dargestellte Umrichter besitzt ferner einen Ausgangskreis, der von der Sekundärwicklung des Trenntransformators Tr gespeist ist und einen Gleichrichter D sowie einen Ausgangssiebkondensator C_a enthält. Die an letzterem abgreifbare Ausgangsspannung ist mit U_a bezeichnet. Der Ausgangspulsstrom und der Ausgangsgleichstrom sind mit i_a bzw. I_a bezeichnet. Der Leistungsschalter S wird in bekannter Weise periodisch ein- und ausgeschaltet, wobei der Tastgrad, d. h. das Verhältnis zwischen periodischer Einschaltdauer und Periodendauer nach Maßgabe der Ausgangsspannung U_a derart regelbar ist, daß letztere einen vorgegebenen Sollwert beibehält.

Fig. 2 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der in der Schaltung gemäß Fig. 1 fließenden Ströme. Der Eingangspulsstrom i_e ist als durchgezogene Linie dargestellt, die während der mit t₁ bezeichneten Stromflußphase den dargestellten trapezförmigen Verlauf hat. Sein durch die Spitze des Trapezes gegebener Maximalwert ist mit i_emax bezeichnet. Der Mittelwert des während der Zeitspanne t₁ fließenden Stromes i_e ist mit i_em bezeichnet. Die Differenz zwischen dem Spitzenwert I_emax und dem Mittelwert i_em trägt die Bezeichnung di_e. Er ist eine Funktion der Eingangsgleichspannung U_e. Der Eingangsgleichstrom I_e ist in Fig. 2 als strichpunktierte Linie eingetragen. In Richtung der Zeitachse ist die Periodendauer T eingetragen, mit der zwei Einschaltphasen t₁ aufeinanderfolgen. Die Differenz zwischen der Periodendauer T und der Einschaltdauer t₁ ist mit t₂ bezeichnet.

Im folgenden sei anhand von Fig. 1 und 2 die Ableitung derjenigen Größen beschrieben, mit deren Hilfe sich die angestrebte linearisierte Strombegrenzung erfindungsgemäß durchführen läßt:

Der (durch C_e gesiebte) Eingangsgleichstrom ergibt sich aus der Leistungsbilanz (Eingangsleistung = Ausgangsleistung mal Wirkungsgrad) als.

worin n den Wirkungsgrad des Umrichtes bedeutet. Die Spannungsübersetzung U_a/U_e beträgt bei einem Sperrumrichter

worin n₂/n₁ das Windungsverhältnis des Trenntransformators Tr bedeutet. Das Verhältnis von Eingangsgleichstrom zu Ausgangsgleichstrom ist demnach

Der Mittelwert i_em des Eingangspulsstromes i_e verhält sich zum Eingangsgleichstrom I_e wie

Darin bedeutet

Aus den Gleichungen (3) und (4) erhält man zur Bestimmung von i_em die Gleichung

Aus den Gleichungen (3) und (6) folgt unmittelbar

Die Differenz zwischen dem Mittelwert i_em des Eingangspulsstromes i_e und dem Wert des Eingangsgleichstromes I_e ist also dem Ausgangsgleichstrom proportional. Somit ist es möglich, auf der Eingangsseite des Umrichters eine Meßgröße zu gewinnen, die sich unmittelbar als Kriterium für die angestrebte Strombegrenzung verwenden läßt. Da bei der Gewinnung der Meßgröße in der Regel der Spitzenwert des Eingangspulsstromes i_e gemessen wird, ergibt sich infolge des induktiven Stromanstieges während der Pulsdauer t₁ ein Proportionalitätsfehler. Die Trapezform der in Fig. 2 dargestellten Stromimpulse ist eine Folge der Eingangsinduktivität des Trenntransformators Tr. Die Differenz di_e zwischen dem Spitzenwert i_emax des Eingangspulsstromes i_e und dem Mittelwert i_em ist - wie erwähnt - eine Funktion der Eingangsgleichspannung U_e:

worin L_e die Eingangsinduktivität des Trenntransformators Tr bedeutet. Der erwähnte Proportionalitätsfehler ist am größten, wenn die Eingangsgleichspannung U_e den im praktischen Betrieb zu erwartenden Maximalwert U_emax und die Einschaltdauer t₁ den kleinsten zu erwartenden Wert t_1min haben. Es zeigt sich, daß der Proportionalitätsfehler die Linearität der Meßgröße bei den im praktischen Betrieb vorkommenden Extremwerten von Eingangsgleichspannung und Einschaltdauer so beeinflußt, daß die Auswirkung vernachlässigt werden kann.

Fig. 3 zeigt ein einfaches Realisierungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. In der dargestellten Schaltung sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Auch die Spannungen und Ströme sind in derselben Weise bezeichnet wie dort.

Die Schaltung stellt einen Sperrumrichter dar, dessen Ausgangsgleichspannung U_a mittels einer Regelschaltung RS auf einen vorgegebenen Sollwert regelbar ist. Der Regelschaltung RS wird eine der Ausgangsspannung U_a proportionale Steuerspannung U_a′ zugeführt. Diese wird einer weiteren Sekundärwicklung des Trenntransformators Tr entnommen. Die Regelschaltung RS beinhaltet einen Taktgeber und Modulator TM, in welchem die Einschaltimpulse für den Leistungsschalter S erzeugt und nach Maßgabe des Sollwertes der Ausgangsspannung U_a pulsbreitenmoduliert werden. Der in TM vorgesehene Modulator steht außerdem unter dem Einfluß einer Strombegrenzungsschaltung. Diese besteht aus zwei in dem Eingangskreis des Umrichters eingefügten Strommeßwiderständen R_Ie und R_ie, an denen Meßspannungen abgreifbar sind, die dem Eingangsgleichstrom I_e bzw. dem Eingangspulsstrom i_e proportional sind. Wegen der eingangs erwähnten nichtlinearen Übertragungscharakteristik eines Sperrumrichters sollte die Strombegrenzung unter dem Steuereinfluß des Ausgangsstromes stehen, damit der Ausgangskurzschlußstrom den Strombegrenzungseinsatzwert nicht wesentlich überschreiten kann. Da jedoch die direkte Messung des Ausgangsgleichstromes einen vergleichsweise großen Aufwand an Hilfsmitteln erfordert, wird die Steuergröße für die Strombegrenzung erfindungsgemäß im Eingangskreis ermittelt: Gemäß Gleichung (7) ist der Ausgangsgleichstrom der Differenz zwischen dem Mittelwert i_em des Eingangspulsstromes und dem Eingangsgleichstrom I_e proportional. Bis auf den oben beschriebenen Proportionalitätsfehler gilt dies auch für die Differenz zwischen Eingangpulsstrom i_e und Einganggleichstrom I_e. Eine Meßspannung, die dieser Differenz proportional ist, läßt sich an den voneinander abgewandten Anschlüssen der Meßwiderstände R_Ie und R_ie abgreifen. Eine entsprechende Differenzspannung ist an dem Mittelpunkt einer aus zwei Widerständen R₁ und R₂ gebildeten Reihenschaltung abgreifbar, die den erwähnten Meßwiderständen parallel geschaltet ist (Brückenschaltung). In der Regelschaltung RS wird diese Differenzspannung einem Komparator K zugeführt, an dessen anderem Eingang eine Referenzspannung U_Ref anliegt. Das Ausgangssignal des Komparators beeinflußt den in TM vorgesehenen Modulator und bewirkt die angestrebte Strombegrenzung. Die Referenzspannung U_Ref kann alternativ auch in den über die Widerstände R₁ und R₂ verlaufenden Strompfad eingeschleift sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt die Wirkung der Strombegrenzung. Dargestellt ist der Verlauf der Ausgangsgleichspannung U_a über dem Ausgangsgleichstrom I_a. Man erkennt, daß die Ausgangsspannung U_a bis zum Nennwert I_aNenn des Ausgangsstromes I_a ihren Nennwert U_aNenn beibehält und bei dem (durch U_Ref) vorgegebenen Strombegrenzungseinsatzwert sehr rasch gegen Null geht. Man erkennt ferner, daß der Wert, bei dem die Strombegrenzung tatsächlich einsetzt, von der Eingangsgleichspannung U_e abhängt, die der minimalen Eingangsspannung U_emin bzw. der maximalen Eingangsspannung U_emax entsprechenden Kurven sich jedoch nicht sehr voneinander unterscheiden. Die Ursache für die unterschiedlichen Einsatzwerte ist der oben beschriebene Proportionalitätsfehler.

Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Referenzspannung U_REF konstant, so daß sich ein konstanter Strombegrenzungswert ergibt. Sie kann jedoch auch von einer anderen Größe, z. B. von der Ausgangsspannung U_a abhängig sein. Damit ergibt sich ein Strombegrenzungswert, der mit sinkender Ausgangsspannung U_a ebenfalls kleiner wird, so daß die den Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung U_a und Ausgangsgleichstrom I_a wiedergegeebe Kennlinie den in Fig. 6 dargestellten "einziehenden" Verlauf hat.

Fig. 7 zeigt eine Variante des Strommeßkreises, bei der der Eingangsgleichstrom I_e nicht direkt, sondern durch Integration des Eingangspulsstromes i_e ermittelt wird. Infolgedessen entfallen die Widerstände R_Ie und R₁. Das Integrierglied besteht aus dem Widerstand R₃ und dem Kondensator C_i. Durch den Wegfall der genannten Widerstände ergibt sich der Vorteil, daß zum einen die Verluste im Eingangskreis verringert werden und andererseits das Bezugspotential der Strommeßanordnung einem Pol der Eingangsgleichspannung entspricht.

Es sei noch erwähnt, daß die Erfindung nicht nach dem Sperrprinzip arbeitende Umrichter beschränkt ist, sie läßt sich vielmehr vorteilhaft auch beim Umrichter einsetzen, die nach dem Durchflußprinzip arbeiten oder bei denen Kombinationen dieser Prinzipien Anwendung finden.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung in einem Gleichstromumrichter,

- mit einem Trenntransformator zur galvanischen Trennung von Eingangs- und Ausgangskreis des Umrichters,
- mit einem mit vorzugsweise konstanter Frequenz ein- und ausschaltbaren Leistungsschalter, der im Primärkreis des Trenntransformators angeordnet ist und dessen Tastgrad (periodische Einschaltdauer zu Periodendauer) von einer Regelschaltung nach Maßgabe eines Sollwertes der Ausgangsspannung sowie zum Zweck der Strombegrenzung nach Maßgabe einer dem Augangsstrom des Umrichters zumindest annähernd portionalen Größen veränderbar ist,
- sowie mit einem in einem Querzweig des Eingangskreises des Umrichters angeordneten Siebkondensator zur Unterdrückung oder Verringerung störender Rückwirkungen des von dem genannten Leistungsschalter periodisch unterbrochenen Stromkreises auf die Speisequelle,

dadurch gekennzeichnet,

- daß im Eingangskreis des Umrichters ein oder mehrere Stromdetektoren (R_Ie, R_ie) zur Erfassung der Differenz zwischen dem durch die Primärwicklung des Trenntransformators (Tr) und den genannten Leistungsschalter (S) fließenden Eingangspulsstrom (i_e) und dem vor der Speisequelle (U_e) gelieferten Eingangsgleichstrom (I_e) vorgesehen sind,
- und daß eine der genannten Differenz (i_e-I_e) proportionale Meßgröße der genannten Regelschaltung (RS) als die dem Ausgangsstrom (I_e) des Umrichters proportionale Größe zur Strombegrenzung zuführbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stromdetektoren von zwei Widerständen (R_Iie bzw. R_ie) gebildet sind, die derart im Eingangskreis des Umrichters angeordnet sind, daß sie mit jeweils einem ihrer Anschlüsse miteinander und mit einem Anschluß des genannten Siebkondensators (C_e) verbunden und von dem Eingangsgleichstrom (I_e) des Umrichters bzw. von dem Eingangspulsstrom (i_e) durchflossen sind, und daß die jeweils anderen Anschlüsse dieser Widerstände (R_Ie, R_ie) mit den beiden Endpunkten einer aus der Reihenschaltung zweier Widerstände (R₁, R₂) bestehenden Widerstandskombination verbunden sind, derart daß an dem Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände (R₁, R₂) eine der Differenz (i_e-I_e) und damit Ausgangsstrom (I_a) des Umrichters proportionale Spannung als die genannte Meßgröße abgreifbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis des Umrichters ein von einem Widerstand (R_ie) gebildeter Stromdetektor vorgesehen ist, daß die an diesem Widerstand (R_ie) auftretende Spannung über ein Integrationsglied (R₃, C_i) einem ersten und zusammen mit einer Referenzgröße (U_Ref) einem zweiten Eingang eines Komparators (K) zuführbar ist, der Bestandteil der Regelschaltung (RS) ist und mittels dessen der Tastgrad des Leistungsschalters (S) derart steuerbar ist, daß der Ausgangsgleichstrom (I_a) verringert wird, wenn die Differenz zwischen dem genannten Spannungsabfall (i_e, R_ie) selbst und seinem integrierten Wert die Referenzgröße überschreitet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Differenz (i_e-I_e) zwischen Eingangspulsstrom (i_e) und Ein gangsgleichstrom (I_e) proportionale Meßgröße zusammen mit einer Referenzgröße (U_Ref) einem Komparator (K) zuführbar ist, der Bestandteil der Regelschaltung (RS) ist und mittels dessen der Tastgrad des Leistungsschalters (S) derart steuerbar ist, daß der Ausgangsstrom (I_a) verringert wird, wenn die Meßgröße die Referenzgröße überschreitet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzgröße (U_Ref) konstant ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzgröße (U_Ref) von der Ausgangsspannung (U_a) des Umrichters abgeleitet und daher mit ihr veränderlich ist.