DE3622293A1 - Festkoerper-nebenschlussschaltkreis fuer leckstromleistungssteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Steuerschaltkreise und insbesondere Schaltkreise, die benutzt werden in Verbindung mit Festkörperschalteinrichtungen.

Festkörperschalteinrichtungen, die unterschiedlich als Festkörperleistungssteuerungseinrichtungen, Festkörperschaltkreistrenner oder Festkörperschalter bezeichnet werden, bieten viele Arbeitsmerkmale, die sie bei zahlreichen Anwendungen gegenüber mechanischen Schalteinrichtungen günstiger erscheinen lassen. Jedoch enthält jede dieser Schalteinrichtungen einen Festkörperschalter, der in seinem offenen Zustand keinen vollständig offenen Schaltkreis liefert. Ein Leckstrom, der durch die Schalteinrichtung hindurchläuft, während er sich im offenen Zustand befindet, kann zu einer Stromgefährdung für das Wartungspersonal führen und begrenzt daher die Akzeptanz von Festkörperleistungssteuereinrichtungen für den Benutzer. Von besonderen Bedenken ist ein Schaltkreiszustand, der auftritt, wenn eine Last als Teil einer Wartungsarbeit abgeschaltet wird und die Ausgangsspannung der Festkörperleistungssteuereinrichtung auf das Leistungspotential ansteigt. Die Verwendung von Dämpfungsschaltkreisen über dem Festkörperleistungsschalter zur Erfüllung von dv/dt-Anforderungen erhöht den Leckstrom des offenen Leistungsschalters.

Eine grundsätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Festkörperleistungssteuerung zum Klemmen der Abschaltzustandslastspannung auf einen niedrigen Pegel zu liefern, um eine potentielle Stromgefährdung zu verhindern und die Möglichkeit der ungewollten Abgabe von hoher Spannung an die Lastanschlüsse einer Steuereinrichtung zu beseitigen

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Steuerschaltkreis für eine Festkörperleistungssteuerung geschaffen, die aus Schaltereinrichtungen besteht, welche eine erste Impedanz in einem EIN-Zustand und eine zweite Impedanz in einem AUS-Zustand aufweist, wobei die zweite Impedanz höher ist als die erste Impedanz; eine Steuereinrichtung zum Ein- oder Abschalten der Schaltereinrichtungen; und eine Einrichtung, um die Schaltereinrichtungen elektrisch in Serie zwischen einem Leistungseingangsanschluß und einem ersten Lastausgangsanschluß anzuschließen. Die Erfindung ist charakterisiert durch einen Nebenschlußschaltkreis, der zwischen dem ersten Lastausgangsanschluß und einem zweiten Lastanschluß angeschlossen ist, um Leckstrom von den Schaltereinrichtungen nebenzuschließen, wenn die Schaltereinrichtungen sich in ihrem AUS-Zustand befinden. Des weiteren sind Betriebseinrichtungen mit den Steuereinrichtungen verknüpft, um den Nebenschlußschaltkreis aufgrund eines Steuersignals in Betrieb zu setzen, welches dem Übergang der Schaltereinrichtungen von einem EIN-Zustand zu einem AUS-Zustand folgt, und um den Nebenschlußschaltkreis abzuschalten aufgrund des Steuersignals, bevor ein Übergang von einem AUS- Zustand zu einem EIN-Zustand stattfindet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des Steuerschaltkreises, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer alternativen Nebenschlußtransistorkonfiguration zur Verwendung in den Schaltkreis der Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Verbindungen, die benutzt werden, wenn der Schaltkreis der Fig. 1 bei einem mehrphasigen System angewendet wird;

Fig. 4 und 5 schematische Diagramme von alternativen Nebenschlußbetriebsschaltkreisen;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm eines Schaltkreises, das erfindungsgemäß aufgebaut ist, um bei Gleichstromanwendungen benutzt zu werden;

Fig. 7 und 8 Kurven zur Erläuterung der Betriebseigenschaften des Schaltkreises der Fig. 1; und

Fig. 9 ein schematisches Diagramm einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Steuerschaltkreises, einschließlich einer Festkörperleistungssteuerung und eines Nebenschlußleckstromschaltkreises, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Eine Festkörperleistungssteuerung (SSPC) 10 umfaßt eine interne Leistungsversorgung 12, einen logischen Schaltkreis 14, einen Treiberschaltkreis 16, und eine Leistungsschalteinrichtung 18. Im allgemeinen wird die Leistungsschalteinrichtung oder -schalter 18 eine Festkörpereinrichtung sein, wie beispielsweise ein gesteuerter Siliciumgleichrichter (Thyristor) oder ein Feldeffekttransistor mit einer ersten Impedanz in einem EIN-Zustand und einer zweiten, höheren Impedanz in einem AUS-Zustand. Die Festkörperleistungssteuerung 10 ist zwischen einem Leistungseingangsanschluß LN und einem ersten Lastanschluß LD über eine Sicherung 20 angeschlossen. Eine typische Leistungssteuerung ist in der US-Patentschrift 44 04 473, ausgegeben am 13. Sept. 1983, erläutert.

Ein Schalter S 1 wird verwendet, um Ein/Aus-Betrieb der Leistungssteuerung 10 zu schaffen und um Leistung an eine Einrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals zu liefern, das den Leckstromnebenschaltkreis der Fig. 1 mit Energie versorgt. Durch Schalten von S 1 in die "Aus"-Position wird Netzspannung dem Spannungsabfallwiderstand R 1 und dem Transformator TR 1 geliefert. Die Sekundärspannung des Transformators wird durch die Brücke BR 2 gleichgerichtet, gefiltert und einem Wellenformschaltkreis 22 zugeführt, bestehend aus den Widerständen R 2 und R 3, Kondensatoren C 1 und C 2 und Diode CR 1. Eine Gleichrichterbrücke BR 1 umfaßt vier Anschlüsse, von denen zwei zwischen den Lastanschlüssen LD und LN angeschlossen sind. Ein Feldeffekttransistor Q 1 ist zwischen den zwei anderen Anschlüssen der Brücke BR 1 angeschlossen. Ein formender Schaltkreis 22 liefert ein verzögertes Torsignal an den Transistor Q 1, um sicherzustellen, daß der Leistungsschalter 18 in der Festkörperleistungssteuerung 10 abgeschaltet hat, bevor der Leckstromnebenschlußschaltkreis eingeschaltet wird. Wenn Schalter S 1 in die "Ein"-Position geschoben wird, stellt ein schnelles Auslösen des Leckstromnebenschlußschaltkreises sicher, daß der Leistungsschalter 18 sich nicht in einen leitenden Nebenschlußschaltkreis hinein einschaltet. Die Steuerung des zeitlichen Ablaufs der Nebenschlußschaltkreisbetriebsweise bezüglich des Betriebs des Leistungsschalters 18 ist wichtig, um zu verhindern, daß zwischen den Eingangsleistungsanschlüssen ein Kurzschluß entsteht. Die Gleichrichter in der Brücke BR 1 richten die Wechselspannung gleich, die an den Ausgangsanschlüssen der Festkörperleistungssteuerung erscheinen, so daß der Transistor Q 1 während sowohl der negativen wie auch der positiven Halbwellen wirksam sein kann. Fig. 2 zeigt eine alternative Konfiguration, bei der ein bipolarer Schalttransistor Q 2 in Serie mit einer Diode CR 2 verwendet wird, welcher anstelle des Transistors Q 1 in Fig. 1 verwendet werden kann.

Der Schaltkreis der Fig. 1 wird sowohl für einpolige wie auch für zweipolige Festkörperleistungssteuerungen arbeiten, die Einzellastelemente besitzen. Für dreipolige Festkörperleistungssteuerungen würde die Brücke BR 1 in Fig. 1 ersetzt werden durch Dioden CR 3, CR 4, CR 5, CR 6, CR 7 und CR 8 in einer dreiphasigen Vollwellengleichrichterkonfiguration, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. In dieser Figur repräsentieren die Anschlüsse LD 1, LD 2 und LD 3 Lastanschlüsse, während die Anschlüsse PSW 1, PSW 2 und PSW 3 an drei Leistungsschalter einer dreiphasigen Festkörperleistungssteuerung angeschlossen sind. Anschlüsse 24 und 26 entsprechen den Ausgangsanschlüssen des formenden Schaltkreises 22 in Fig. 1.

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des Leckstromnebenschlußschaltkreises der Fig. 1, angepaßt, um einen Weg für Leckstrom zu liefern, wenn sich die Festkörperleistungssteuerung 10 im ausgelösten Zustand befindet. Dies wird erreicht durch ein "O-Ring"- Signal, ein Signal, das mittels eines Transformators TR 2 von dem logischen Schaltkreis 14 in der Festkörperleistungssteuerung 10 mit dem Signal erhalten wird, das vorher vom Transformator TR 1 in Fig. 1 geliefert wurde. Ein Schalterzustandssignal, das einen ausgelösten Zustand erläutert, würde durch den Steuerungslogikschaltkreis 14 gemäß bekannter Technologie geliefert werden, wie in der vorstehend genannten US-Patentschrift 44 04 473 erläutert wird. Es sollte deutlich geworden sein, daß der Schaltkreis der Fig. 4 den Transistor Q 1 veranlassen wird, einzuschalten, sobald ein Signal zu einem der Transformatoren TR 1 oder TR 2 geliefert wird.

Für Festkörperleistungssteuerungen, die durch elektrische Steuerungssignale betätigt werden, werden die Einrichtungen zum Betätigen des Leckstromnebenschlußschaltkreises von logischen Signalen herrühren, statt einem Steuerschalter, wie in Fig. 1 erläutert. Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm eines Schaltkreises, das einen optischen Koppler OC 1 benutzt, um eine elektrische Schnittstelle zwischen einer vollständig elektronischen Festkörperleistungssteuerung 32 und einem Leckstromnebenschlußschaltkreis zu liefern, der Brücke BR 1 und Schalttransistor Q 3 umfaßt. Da die meisten Festkörpersteuerungen interne Steuerleistung von der Eingangsnetzspannung erlangen, ist die Erregung des Leckstromnebenschlußschaltkreises mit dem Vorhandensein einer Festkörperleistungssteuerungsnetzspannung kompatibel.

Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Leckstromnebenschlußschaltkreis bei einer Gleichstromfestkörperleistungssteuerung 34 angewendet wird. Der Leckstromnebenschaltkreis der Fig. 4 umfaßt Transistor Q 4 und Widerstand R 6. Eine Torsteuerung für den Transistor Q 4 wird in Form eines AUS-Signals oder Auslösesignals von der Festkörperleistungssteuerung 34 zugeführt. Eine Kommutierungsdiode CR 10 ist parallel zum Transistor Q 4 angeschlossen. Der Schaltkreis der Fig. 6 wird für Gleichstromfestkörperleistungssteuerungen benutzt, die eine interne Steuerleistungsversorgungserde besitzen, die an Leistungserde angeschlossen ist. Für Gleichstromfestkörperleistungssteuerungen, bei denen die interne Steuerleistungserdverbindung nicht mit Leistungserde verbunden ist, wäre die Schaltkreisimplementierung die gleiche, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, jedoch ohne die Brücke BR 3, die bei einer Gleichstromanwendung nicht notwendig ist.

Die Diskussion bis zu diesem Punkt hat nicht den Einfluß eines kurzgeschlossenen Leistungsschalters in einer Festkörperleistungssteuerung berücksichtigt. In solch einem Fall muß entweder der Leckstromnebenschlußschaltkreis oder der Leistungsschalter sich öffnen, da sie direkt über der Leistungsquelle angeschlossen sind. Am Schaltkreis der Fig. 1 wurde eine Sicherung 20 in Serie mit dem Leistungsschalter 18 angeordnet, um die Schaltkreisverdrahtung zu schützen. Diese Sicherung wird auch dabei helfen, ein Versagen der Nebenschlußschaltkreiskomponenten in dem Fall zu verhindern, daß ein Kurzschluß im Leistungsschalter 18 auftritt.

Zahlreiche Schaltkreise wurden gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und untersucht. Fig. 7 zeigt die Ausgangsspannungscharakteristik als Funktion der Lastimpedanz für einen der getesteten Schaltkreise. Kurve 36 repräsentiert die Ausgangsspannung bei abgeschaltetem Leckstromnebenschlußschaltkreis. Kurve 38 repräsentiert die Ausgangsspannung mit eingeschaltetem Leckstromnebenschlußschaltkreis.

Fig. 8 zeigt die Festkörperleistungssteuerungsausgangsspannungswellenform von einem der getesteten Schaltkreise in abgeschaltetem Zustand und in eingeschaltetem Zustand, um die verschiedenen Betriebsweisen zu erläutern. Im Zeitintervall T 1 schaltet der SSPC ab. Im Zeitintervall T 2 hat der SSPC abgeschaltet und der Leckstromnebenschlußschaltkreis ist nicht leitend. Im Zeitintervall T 3 ist der SSPC abgeschaltet und der Leckstromnebenschlußschaltkreis ist in Betrieb. Während des Zeitintervalls T 4 schaltet sich der SSPC ein und der Leckstromnebenschlußschaltkreis ist immer noch leitend. Im Zeitintervall T 5 schaltet sich der SSPC immer noch ein und der Leckstromnebenschlußschaltkreis ist nicht leitend. Im Zeitintervall T 6 ist der SSPC eingeschaltet und der Leckstromnebenschlußschaltkreis verbleibt abgeschaltet.

Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Leckstromnebenschlußschaltkreis die Serienanordnung eines Strombegrenzungsschaltkreises 40 und eines Unterdrückungsschaltkreises 42. Der Strombegrenzungsschaltkreis umfaßt die Widerstände R 6 und R 7, die Diode CR 11 und den Transistor Q 5. Der Unterdrückungsschaltkreis umfaßt den optischen Koppler OC 2, Widerstand R 8 und Transistor Q 6. Mit der Bauteilverbindung, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist, ist der Leckstromnebenschlußschaltkreis durch die Anwesenheit einer Lastspannung zwischen den Anschlüssen LD 1 und N selbstversorgend und wird abgeschaltet, wenn der optische Koppler OC 2 ein EIN-Zustandssignal von dem Treiberschaltkreis 16 der Festkörperleistungssteuerung 10 erhält. Der Strombegrenzungsschaltkreis 40 liefert ein Selbstschutzmerkmal, was dem Leckstromnebenschlußschaltkreis ermöglicht, der vollen Lastspannung zu widerstehen, wenn er sich im leitenden Zustand befindet. Diese Konfiguration deckt Zustände ab, bei denen der Leistungsschalter 18 ungewollt von einem Schaltkreisübergangsspannungsimpuls eingeschaltet wird oder wenn eine zweite Festkörperleistungssteuerung, wie durch die Serienverbindung von Schalter S 2 und Widerstand R 10 symbolisch erläutert wird, parallel zu SSPC 10 elektrisch angeschlossen wird, um eine Übergangstrennerfunktion zu liefern. Diese Situation kann auftreten, wenn zwei Leistungsquellen eine Last über zwei SSPC's versorgen, wobei ein SSPC stets eingeschaltet und der andere SSPC stets abgeschaltet ist. Diese Betriebsweise führt für den SSPC, der ausgeschaltet ist, dazu, daß er eine Lastspannung in seinem ausgeschalteten Zustand sieht.

Beim Schaltkreis der Fig. 9 leiten Q 5 und Q 6 und begrenzen die Lastspannung auf einen niedrigen Wert von beispielsweise 5 V, wenn S 1 und S 2 offen sind, wobei die Last 21 einen offenen Schaltkreis darstellt. Dies entspricht einem Leckstrom von beispielsweise 3 mA. Wenn ein zweiter SSPC, der parallel zu SSPC 10 geschaltet ist, einschaltet, wie durch das Schließen des Schalters S 2 in Fig. 9 erläutert wird, würde der Strom in dem Leckstromschaltkreis ansteigen auf einen Wert von etwas mehr als beispielsweise 11 mA. Wenn SSPC 10 durch Wenden des Schalters S 1 in seine offene Position geschaltet wird, erregt Strom für den Treiberschaltkreis 16 den optischen Koppler OC 2, wodurch der Basisantrieb für Q 6 beseitigt und der Nebenschlußschaltkreis abgeschaltet wird. Der Schaltkreis der Fig. 9 besitzt den weiteren Vorteil, daß er ohne Veränderung weiter in der Weise arbeitet, daß er Leckstrom ableitet, wenn der SSPC ausgelöst wurde.

Die Schaltkreise der vorliegenden Erfindung liefern eine Spannungsbegrenzung, wenn der SSPC aufgrund eines offenen Steuerschalters, Abwesenheit eines Steuereingangssignals oder des Auftretens eines ausgelösten Zustandes abgeschaltet ist. Der Nebenschlußschaltkreis der Fig. 9 umfaßt einen eingegebenen Schutz, wenn der SSPC in seinem AUS-Zustand oder ausgelösten Zustand einen Leckstrom aufweist; wenn der Schalter ungewollt eingeschaltet wird aufgrund eines Netzspannungsübergangsimpulses; und wenn Netzspannung an die Lastanschlüsse angeschlossen wird, wie es beispielsweise während des Testens auftreten kann, oder wenn SSPC's parallelgeschaltet werden.

Um ein vollständigere Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu liefern, umfaßt Tabelle 1 eine Liste von Bauteilen, die zur Konstruktion der in den Figuren dargestellten Schaltkreise benutzt werden können.

Tabelle 1

Für den Schaltkreis der Fig. 1 ist der dargestellte Bauteilewert derartig, daß eine Einschaltzeitkonstante von 20 ms und eine Abschaltzeitkonstante von 2 ms für das Torsignal zum Transistor Q 1 geliefert wird. Die Art der Diode, die für das Bauteil Nr. CR 10 in Fig. 6 benutzt wird, wird für jede Anwendung gemäß bekannter Ingenieurpraxis ausgewählt.

Identifikation von Bezugszahlen in den Zeichnungen

Claims (6)

1. Steuerschaltkreis für eine Festkörperleistungssteuerung, mit Schaltereinrichtungen, die eine erste Impedanz in einem EIN-Zustand und eine zweite Impedanz in einem AUS-Zustand besitzen, wobei die zweite Impedanz höher ist als die erste Impedanz; mit einer Steuereinrichtung zum Ein- und Ausschalten der Schaltereinrichtungen; und mit einer Einrichtung zum elektrischen Verbinden der Schalteinrichtung in Serie zwischen einem Leistungseingangsanschluß (LN) und einem ersten Lastausgangsanschluß (LD), gekennzeichnet durch einen Nebenschlußschaltkreis, der zwischen dem ersten Lastausgangsanschluß (LD) und einem zweiten Lastanschluß (N) elektrisch angeschlossen ist, um Leckstrom von den Schaltereinrichtungen (18) nebenzuschließen, wenn die Schaltereinrichtungen sich im AUS-Zustand befinden, und durch eine Betätigungseinrichtung, die mit der Steuereinrichtung 012, 14, 16) verbunden ist, um den Nebenschlußschaltkreis aufgrund eines Steuersignals in Betrieb zu setzen, welches einem Übergang der Schaltereinrichtungen (18) von einem EIN-Zustand zu einem AUS-Zustand folgt, und um den Nebenschlußschaltkreis aufgrund des Steuersignals außer Betrieb zu setzen, bevor ein Übergang der Schaltereinrichtung (18) von einem AUS-Zustand zu einem EIN-Zustand auftritt.

2. Steuerschaltkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Betriebseinrichtungen, die ein Aktivierungssignal an den Nebenschlußschaltkreis aufgrund eines Auslösesignals von den Steuereinrichtungen (12, 14, 16) liefern.

3. Steuerschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebseinrichtungen eine Leistungsversorgung umfassen, die so anschließbar ist, daß sie von dem Leistungseingangsanschluß Leistung erhält; und einen Verzögerungsschaltkreis zum Verzögern des Anlegens von Spannung an den Nebenschlußschaltkreis von der Leistungsversorgung.

4. Steuerschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußschaltkreis eine Vollweggleichrichterbrücke (BR 1, Fig. 1) umfaßt, die vier Anschlüsse besitzt, wobei die ersten zwei Anschlüsse dieser Brückenanschlüsse an den ersten und zweiten Lastanschlüssen (LD, N) angeschlossen sind; und durch einen Transistorschalter (Q 1), der zwischen zwei weiteren Anschlüssen (28, 30) der Brückenanschlüsse angeschlossen ist.

5. Steuerschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen eine Sicherung (20) umfassen.

6. Steuerschaltkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine umgekehrt vorgespannte Diode, die elektrisch parallel zu dem Nebenschlußschaltkreis angeschlossen ist; und gekennzeichnet dadurch, daß der Nebenschlußschaltkreis einen Transistorschalter aufweist.