DE3717148A1 - Verfahren und einrichtung zum richten der energie einer gleichspannungsquelle zwischen einem dreiphasennetz und einer gleichstromschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrich­ tung zum Richten der Energie einer Gleichspannungsquelle zwischen einem Dreiphasennetz und einer Gleichstrom­ schaltung. Bei dem Verfahren wird die Dreiphasenspannung mittels einer aus Dioden bestehenden Diodenbrücke zu einer Gleichspannung gleichgerichtet, wenn Strom vom Dreiphasennetz zur Gleichstromschaltung fließt, und zur Wechselumrichtung der Gleichspannung in eine Dreiphasen­ spannung bei einem Stromfluß von der Gleichstromschal­ tung zum Dreiphasennetz sind parallel zu den Dioden der Diodenbrücke Transistoren geschaltet, die mittels einer Steuereinrichtung gesteuert werden.

Es gibt zahlreiche Anwendungsfälle, bei denen eine Gleichspannungsquelle nötig ist, die sowohl Energie auf­ nehmen als auch abgeben kann. Das ist beispielsweise nötig im Fall eines Inverters, der einen mit konstanter Spannung versorgten Wechselstrommotor antreibt, wenn der Verbraucher, den der Motor betreibt, auch Energie liefern kann. Ein typischer Verbraucher, der Energie liefern kann, ist ein Aufzug. Ein denkbarer Anwendungs­ bereich für Stromfluß in zwei Richtungen findet sich beispielsweise bei einem Transistor und Thyristorinver­ tern in Wechselstrommotorantrieben.

Eine Art von Gleichspannungsquelle mit zwei Wirkungs­ richtungen ist beispielsweise ein Akkumulator. Dem Ge­ brauch von Akkumulatoren steht jedoch eine Reihe von Nachteilen entgegen. So haben Akkumulatoren eine kurze Lebensdauer. Ferner ist eine Vorrichtung zum Laden des Akkumulators nötig. Sollte mehr Energie zum Akkumulator zurückfließen als seiner Speicherkapazität entspricht, dann kann der Akkumulator den Rest der Energie nicht mehr aufnehmen. Weitere Nachteile bestehen in dem gros­ sen Gewicht von Akkumulatoren, den darin enthaltenen ge­ fährlichen Säuren und ihrem hohen Preis.

Als in zwei Richtungen wirksame Gleichspannungsquelle zwischen einem Wechselstromnetz und einer Gleichstrom­ schaltung werden heutzutage häufig Thyristorbrücken mit und ohne umlaufenden Strom benutzt, in welchen die vom Verbraucher gelieferte Energie in das Wechselstromnetz geleitet wird. Ein Schaltkreis ohne umlaufenden Strom, der mit einer Thyristorbrücke verwirklicht ist, beruht auf dem Prinzip, daß je nach der Richtung des Stroms eine der beiden Brücken leitfähig ist. Die Umschaltzeit zwischen den Brücken ist verhältnismäßig lang. Ein Schaltkreis ohne umlaufenden Strom kann mit Hilfe einer Diodenbrücke und einer Thyristorbrücke verwirklicht wer­ den, in welchem dann ein Autotransformator zur Weiter­ leitung des zirkulierenden Stroms benutzt ist. Damit ist es möglich, die Wechselstrom umwandelnde Thyristor­ brücke ständig leitfähig zu halten.

In der Gleichstromschaltung eines Frequenzumwandlers entstehen Verluste an umlaufender Energie aufgrund der Welligkeit der Gleichspannung, die durch Ganzwellen­ gleichrichtung aus dem dreiphasigen Netz gewonnen wird. Die umlaufende Energie kann bei Invertern in Aufzügen einen beträchtlichen Betrag erreichen und bis eine Größenordnung von mehreren zehn Kilowatt erreichen. Die umlaufende Energie führt unter anderem zu einer Viel­ zahl von Oberwellen im Netzstrom. Häufig wird die um­ laufende Energie mittels einer in die Gleichstromschal­ tung eingesetzten Induktivität begrenzt. Um die im Netz­ strom erzeugten Oberwellen zu beschränken, muß die größtmögliche Induktivität vorgesehen werden. Eine große Induktivität ist allerdings schädlich, wenn z. B. ein Inverter über einen Gleichrichter mit dem Dreipha­ sennetz verbunden ist. In diesem Fall wird durch die Wechselwirkung zwischen der Kapazität und der Induktivi­ tät in der Gleichstromschaltung ein Schwenken der Span­ nung hervorgerufen, was nicht passiert bei normalen Netz­ induktivitäten. Es ist als weiterer Nachteil der Indukti­ vität zu sehen, daß sie bei raschen Schwankungen der Energiebelastung einen Spannungsabfall verursacht.

In einer Thyristorbrückenschaltung mit umlaufendem Strom können gleichfalls beide Brücken ständig leitfähig ge­ halten werden. Dann besteht keine Notwendigkeit für eine eigene Überwachung der Richtung des Stromflusses. Der Nachteil von Thyristorbrückenschaltungen besteht in der komplizierten Natur von Thyristorsteuerschaltungen. Ferner ist die zum Zünden und Löschen von Thyristoren benötigte Zeit verhältnismäßig lang.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Richten der Ener­ gie einer Gleichspannungsquelle zwischen einem Dreipha­ sennetz und einer Gleichstromschaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß die Steuerspannungen der Steuereinrich­ tung mit Dioden aus dem Dreiphasennetz auf solche Weise gebildet werden, daß jeder Transistor während derjenigen Zeit leitend ist, während der die parallel zu diesem Transistor geschaltete Diode leitend ist, und daß die Durchlaßzeiten der Transistoren verkürzt werden, um die in der Gleichstromschaltung umlaufende Energie zu redu­ zieren, indem eine Zenerdiode mit jeder Transistorsteu­ ereinrichtung in Reihe geschaltet wird.

Der bemerkenswerte Vorteil der Erfindung gegenüber Thy­ ristortechniken besteht in der größeren Einfachheit und Geschwindigkeit der Steuerschaltkreise, weil die Zeit zum Zünden und Löschen von Transistoren kürzer ist als im Fall von Thyristoren. Wenn die Transistoren so ge­ steuert werden, daß sie nur während eines Teils der Durchlaßzeiten der Dioden leitend sind, kann die in der Gleichstromschaltung zirkulierende Energie reduziert werden, ohne daß große und teuere Drosseln benutzt wer­ den. Ferner kommt es bei raschen Änderungen der Bela­ stung nicht zu einem durch die Spule verursachten Span­ nungsabfall.

Die Einrichtung, mit der das Verfahren gemäß der Erfin­ dung angewandt wird, weist Diodenbrücken mit Dioden zum Gleichrichten der Dreiphasenspannung in eine Gleich­ spannung auf, wenn Strom vom Dreiphasennetz zur Gleich­ stromschaltung fließt, Transistoren, die mit jeder Diode der Diodenbrücke parallelgeschaltet sind, um die Gleich­ spannung in eine Dreiphasenspannung umzuwandeln, wenn Energie von der Gleichstromschaltung zum Dreiphasennetz fließt, sowie eine Steuereinrichtung zum Steuern der Transistoren. Diese Einrichtung zeichnet sich aus durch Dioden, mit denen aus dem Dreiphasennetz eine Steuer­ spannung für die Steuereinrichtung auf solche Weise ge­ bildet wird, daß jeder Transistor während der Durchlaß­ zeit der parallel zu ihm geschalteten Diode leitfähig ist. Ferner weist die Einrichtung Zenerdioden auf, die jeweils mit einer Steuereinrichtung in Reihe geschaltet werden können, um die Durchlaßzeiten der Transistoren abzukürzen und die in der Gleichstromschaltung zirkulie­ rende Energie zu verringern.

Die Transistorsteuerschaltung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß keine eigene Spannungsquelle für die Steuereinheit erforderlich ist, denn die benötigte Span­ nung wird unmittelbar aus der dreiphasigen Netzspannung gewonnen. Es sind auch keine getrennten Vergleichsschal­ tungen im Schaltkreis nötig, weil der Spannungsvergleich mit Hilfe der Dioden durchgeführt wird. Ferner ist der Schaltkreis einfach.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Gleichspannungsquelle gemäß der Erfindung mit einer Transistorsteuereinheit;

Fig. 2 eine Darstellung der Phasenspannungen des Drei­ phasennetzes, welches die Gleichspannungsquelle versorgt sowie die Durchlaßzeiten der Transistoren während einer Periode der Phasenspannung.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung soll zunächst unter Hinweis auf Fig. 1 näher erläutert werden. Gemäß Fig. 1 ist eine Diodenbrücke vorgesehen, in der gemäß der Erfin­ dung parallel zu jeder Diode D 1- D 6 der Brücke ein Tran­ sistor Q 1- Q 6 geschaltet ist. Ferner ist eine Transistor­ steuereinheit vorgesehen. Die Diodenbrücke dient als Gleichspannungsquelle, aus der eine Gleichspannung er­ halten wird, die beispielsweise dem einen Wechselstrom­ motor steuernden Inverter zugeführt werden kann. Wenn der Verbraucher, der vom Motor versorgt wird, z. B. ein Aufzug auch Energie liefern kann, wird der zurückflies­ sende Strom in das dreiphasige Netz eingeleitet. Um Energie in das die Gleichspannungsquelle versorgende Dreiphasennetz zu leiten, wenn Strom aus der Gleichspan­ nungsschaltung in das dreiphasige Netz fließt, lehrt die Erfindung, parallel zu jeder Diode D 1- D 6 einen Transi­ stor Q 1- Q 6 anzuschließen.

In Fig. 2 sind die Phasenspannungen UR, US und UT des Dreiphasennetzes dargestellt, welches die Gleichspan­ nungsquelle versorgt, sowie die Durchlaßzeiten t 1- t 6 der Dioden und die Durchlaßzeiten t 7- t 12 der Transistoren während einer Periode der Phasenspannung UR. Die Phasen­ spannungen UR, US und UT bestimmen die Durchlaßzeiten t 1- t 6 der Dioden D 1- D 6,so daß die während der positiven Halbperiode leitende Diode, die in jede Phase einge­ schaltet ist, dann leitfähig ist, wenn die Spannung in der entsprechenden Phase höher ist als jede andere Phasenspannung. Die Diode, die während der negativen Halbperiode leitfähig ist, leitet zu denjenigen Zeiten, zu denen die Spannung in der entsprechenden Phase gerin­ ger ist als die anderen Phasenspannungen. So ist z. B. die Diode D 1 leitend, wenn die Spannung UR positiv und größer ist als die anderen Phasenspannungen US und UT. Die Diode D 2 leitet, wenn die Spannung UR negativ und ge­ ringer ist als die anderen Phasenspannungen US und UT.

Die Transistoren Q 1- Q 6 werden von der Steuereinheit so gesteuert, daß jeder Transistor Q 1- Q 6 während der Durch­ laßzeit t 1- t 6 der parallel zu dem jeweiligen Transistor geschalteten Diode D 1- D 6 leitend ist. Wie Fig. 1 zeigt, weist die Steuereinheit Steuereinrichtungen H 1- H 6 zum Steuern der Transistoren Q 1- Q 6 auf. Die Steuereinrich­ tungen H 1- H 6 können z. B. mit Hilfe von Transistoren verwirklicht sein, in denen eine Doppelemitterfolge­ schaltung benutzt ist, und die Steuereinrichtungen kön­ nen mit Optoisolatoren versehen sein, um eine galvani­ sche Isolierung zu erzielen. Zum Filtern der Gleichspan­ nung ist ein Kondensator C 1 nötig.

Die Steuereinheit gemäß Fig. 1 weist Dioden D 7- D 24 zum Steuern jedes Transistors Q 1- Q 6 vom Dreiphasennetz mit­ tels der Steuereinrichtungen H 1- H 6 auf, so daß der je­ weilige Transistor Q 1- Q 6 während der Durchlaßzeit der parallel zu ihm geschalteten entsprechenden Diode D 1- D 6 leitend ist. Zum Vergleich der Spannungen in zwei Phasen dienen Dioden D 13- D 24. Im Fall der Transistoren, die während der positiven Halbperiode leitend sind, nämlich Q 1, Q 3 und Q 5 wird diejenige Spannung gewählt, die höher ist, während im Fall der Transistoren Q 2, Q 4 und Q 6,die während der negativen Halbperiode leitend sind, die nie­ drigere der beiden Spannungen gewählt wird. So verglei­ chen beispielsweise die Dioden D 13 und D 14 die Spannungen US und UT und wählen für jeden einzelnen Moment die hö­ here der beiden aus, während die Dioden D 19 und D 20 die Spannungen US und UT vergleichen und dabei die niedrigere der beiden in jedem Moment auswählen.

Die Dioden D 7- D 12 haben die Aufgabe, den Steuereinrich­ tungen H 1- H 6 Steuerspannungen zuzuführen, die in denje­ nigen Zeitpunkten aus den Phasenspannungen UR, US und UT gewonnen werden, in denen die Dioden D 1- D 6, die jeweils zum Transistor Q 1- Q 6 parallelgeschaltet sind, leitend sind, und zwar entsprechend den Durchlaßzeiten t 1- t 6 der Dioden, wie Fig. 2 zeigt. Um allerdings den in der Gleichstromschaltung umlaufenden Strom zu verringern, dürfen die Transistoren Q 1- Q 6 nicht während der ganzen Durchlaßzeit t 1- t 6 der entsprechenden, parallel zu ihnen geschalteten Diode D 1- D 6 leitend sein. Deshalbist in Serie zu jeder Steuereinrichtung H 1- H 6 eine Zenerdiode Z 1- Z 6 geschaltet, um die Durchlaßzeiten t 7- t 12 der Tran­ sistoren Q 1- Q 6 zu verkürzen. Der zirkulierende Strom, der sich aus der Welligkeit der Gleichspannung ergibt, die durch Ganzwellengleichrichtung erzeugt wird, kann re­ duziert werden, wenn man die Transistoren Q 1- Q 6 nicht immer dann leitfähig macht, wenn die pulsierende Gleich­ spannung in der Gleichspannungsschaltung ihren niedrig­ sten Wert hat, weil die fließende Energie das Produkt aus Spannung und Strom und der Strom in diesem Zeitpunkt groß ist. Die Zenerdioden Z 1- Z 6 können aus einer Viel­ zahl einzelner Zenerdiodeneinheiten zusammengesetzt sein.

Die Spannung der Zenerdioden Z 1- Z 6 führt zu einem zu­ sätzlichen Spannungsabfall zwischen jeder Phasenspannung UR, US und UT und der entsprechenden Steuereinrichtung H 1- H 6. Dieser zusätzliche Spannungsabfall hat zur Folge, daß die Durchlaßzeiten t 7- t 12 der Transistoren Q 1- Q 6 verkürzt werden, weil jede Diode D 7- D 12 später zu leiten beginnt und früher zu leiten aufhört als es bei Fehlen der Zenerdioden Z 1- Z 6 der Fall wäre. Bei gewissen Span­ nungen der Zenerdioden Z 1- Z 6 betragen die Durchlaßzeiten t 7- t 12 der Transistoren Q 1- Q 6 50% der Durchlaßzeiten t 1- t 6 der Dioden D 1- D 6, wie Fig. 2 zeigt. Zum Ein- und Ausschalten der Steuereinheit kann je nach Bedarf ein Schalter S 1 betätigt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zum Richten der Energie einer Gleichspannungsquelle zwischen einem Dreiphasennetz und einer Gleichstromschaltung, bei dem eine aus Dioden (D 1- D 6) zusammengesetzte Diodenbrücke zum Gleichrichten der Dreiphasenspannung in eine Gleichspannung benutzt wird, wenn Strom vom Dreiphasennetz zur Gleichstrom­ schaltung fließt und zur Wechselrichtung der Gleichspan­ nung in eine Dreiphasenspannung bei einem Stromfluß von der Gleichstromschaltung zum Dreiphasennetz Transistoren (Q 1- Q 6) parallel zu den Dioden (D 1- D 6) der Diodenbrücke geschaltet sind, welche mittels Steuereinrichtungen (H 1- H 6) gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ spannungen für die Steuereinrichtungen (H 1- H 6) mittels Dioden (D 7- D 24) aus dem Dreiphasennetz so abgeleitet wer­ den, daß jeder Transistor (Q 1- Q 6) während der Durchlaß­ zeit (t 1- t 7) der parallel zum jeweiligen Transistor (Q 1- Q 6) geschalteten Diode leitend ist, und daß die Durchlaßzeiten (t 7- t 12) der Transistoren durch das In­ reiheschalten einer Zenerdiode (Z 1- Z 6) mit jedem Tran­ sistor (Q 1- Q 6) verkürzt werden, um die in der Gleich­ stromschaltung umlaufende Energie zu verringern.

2. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens ge­ mäß Anspruch 1 mit Dioden (D 1- D 6) in einer Diodenbrücke zum Gleichrichten der Dreiphasenspannung in eine Gleich­ spannung, wenn Strom vom Dreiphasennetz zur Gleichstrom­ schaltung fließt, parallel zu jeder Diode (D 1- D 6) ge­ schalteten Transistoren (Q 1- Q) zur Wechselrichtung der Gleichspannung in eine Dreiphasenspannung, wenn Strom von der Gleichstromschaltung zum Dreiphasennetz fließt, und Steuereinrichtungen (H 1- H 6) zum Steuern der Transi­ storen (Q 1- Q 6), gekennzeichnet durch Dioden (D 7- D 24), die aus dem Dreiphasennetz Steuerspannungen für die Steuer­ einrichtungen (H 1- H 6) ableiten, so daß jeder Transistor (Q 1- Q 6) während der Durchlaßzeit der entsprechenden, parallel zu dem Transistor geschalteten Diode (D 1- D 6) leitend ist, und durch Zenerdioden (Z 1- Z 6), die jeweils in Reihe mit den einzelnen Steuereinrichtungen (H 1- H 6) verbindbar sind, um die Durchlaßzeiten (t 7- t 12) der Transistoren (Q 1- Q 6) abzukürzen und den in der Gleichstromschaltung zirkulierenden Strom zu reduzieren.