DE3737327A1

DE3737327A1 - Schaltungsanordnung fuer den ueberstromschutz bei wechselrichtern

Info

Publication number: DE3737327A1
Application number: DE19873737327
Authority: DE
Inventors: Albert Ing Grad Becker; Manfred Dipl Ing Possienke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: AEG Stromversorgungs Systeme GmbH
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1989-05-11
Also published as: DE3737327C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den Überstromschutz der Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Überstromschutz dieser Art ist in der AEG-Telefunken "Projektierungsunterlage für die Krankenhaus- Stromversorgung (BEV)" E 31.22.120/0478 beschrieben.

Durch die Firmenschrift der Firma E.S.B. Europe B.V., Holland "Kurzschlußverhalten von statischen Exide-Stromrichtern" ist es bekannt, die Zündung der Thyristoren eines Wechselrichters zu verändern, um einen Kurzschlußstrom zu steuern. Dabei wird die momentane Stromstärke an den Thyristoren gemessen, und es werden die Zündzeiten der überlasteten Thyristoren so geändert, daß diese statt der normalen Ausgangsspannung einen maximalen Ausgangsstrom angeben. Die Stufenwellenspannung, die sich als Ausgangsspannung aufgrund der Blockbreitensteuerung ergibt, geht dabei blockweise auf Null.

Ein derartiger Kurzschlußschutz versagt bei Wechselrichtern, die mit einer Sinus-Folgeregelung arbeiten. Damit sich nämlich der gewünschte sinusförmige Verlauf am Wechselrichterausgang ergibt, erfolgt bei der Folgeregelung ein oftmaliges Wiedereinschalten. Ein ausreichender Schutz vor Überströmen für die Leistungshalbleiterschalter (also auch insbesondere wenig überlastbare Leistungstransistoren) eines Wechselrichters ist speziell notwendig, wenn sich beim Betrieb mit nichtlinearen Lasten (z. B. bei einer Wiedergleichrichtung mit anschließender Glättung) Deformierungen der Sinuskurve durch sehr schmale Stromflußwinkel (< 1 ms) ergeben. Andererseits sollen die Leistungshalbleiterschalter aber auch voll ausgenützt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der die bestmögliche Ausnutzung der Halbleiterleistungsschalter eines Wechselrichters in bezug auf alle vorkommenden Lastfälle einschließlich des Kurzschlusses ein optimaler Schutz vor Überströmen gewährleistet ist. Dabei soll ein hoher Kurzschlußstrom für eine bestimmte Zeit fließen, um Schutzeinrichtungen im Verbraucherkreis im Fehlerfall auslösen zu können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Damit ist eine Schaltungseinrichtung geschaffen, die völlig unabhängig von jeglicher Stromkurvenform einer Last (z. B. nichtlineare Last) den Wechselrichter einwandfrei schützt. Dabei darf der Scheitelwert des Laststromes bis an die (obere) Momentanwert-Stromgrenze reichen, sofern der Mittelwert dieses Stromes nicht die (untere) Überstromgrenze überschreitet. Bis dahin bleibt die Kurvenform der Spannung am Wechselrichterausgang unbeeinflußt. Durch die exakt ansprechende Momentanwertbegrenzung für ein Mehrfaches des Nennstromes und eine zeitlich nachfolgende, im Ansprechniveau niedriger liegende Überstrom- bzw. Überlastbegrenzung können auch die in den VDE-Vorschriften 0100 geforderten Nullungsbedingungen und damit ein hoher zu liefernder Strom für eine Zeit von 5 s eingehalten werden. Bei kontinuierlicher Strombegrenzung wird der Wechselrichter dann nach vorgegebener Zeit abgeschaltet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 die mit der Schaltungsanordnung erzielbare Stromhüllkurve des Wechselrichterausgangsstromes,

Fig. 3 Stromkurvenformen für eine Halbperiode eines durch die Schaltungsanordnung geschützten Wechselrichters mit einer Folgeregelung und

Fig. 4 die Zuordnung von Wechselrichterausgangsspannung und Wechselrichterausgangsstrom bei den in Fig. 3 gezeigten Stromkurvenformen.

Gemäß Fig. 1 wird der Schaltungsanordnung zum Schutz der (hier nicht gezeigten) Halbleiterleistungsschalter eines einphasigen Wechselrichters von einem (ebenfalls nicht gezeigten) Stromwandler ein Eingangssignal in Form einer dem Wechselrichterausgangsstrom I _WR proportionalen Spannung U bereitgestellt. In einem Präzisionsgleichrichter A erfolgt eine Gleichrichtung der stromproportionalen Spannung U mit einer Grundfrequenz von z. B. der zweifachen Wechselrichterfrequenz. In einem Doppel- T-Filter B, das auf die doppelte Wechselrichterfrequenz abgestimmt ist, wird dann zeitlich nahezu unverzögert eine Mittelwertbildung des Ausgangssignals u _E des Präzisionsgleichrichters A vorgenommen. Dieser Mittelwert ist die Eingangsgröße einer dem Doppel-T-Filter B nachgeschalteten Schwellwertschaltung C.

Die Schwellwertschaltung C besteht aus vier in Serie liegenden Operationsverstärkern V₁ . . . V₄ mit jeweils vorgeschaltetem ohmschen Widerstand R₁ . . . R₄. Der erste Operationsverstärker V₁, der über einen Kondensator C₁ mit parallelgeschalteter Z-Diode D₂ rückgekoppelt ist, ist ausgangsseitig zusätzlich an den Rücksetz-Eingang eines durch einen Oszillator und einen Zähler gebildeten Zeitgliedes E angeschlossen. Dem vorgeschalteten ohmschen Widerstand R₂ des über einen weiteren Kondensator C₂ rückgekoppelten zweiten Operationsverstärkers V₂ liegt die Reihenschaltung einer Diode D₁ mit einem weiteren ohmschen Widerstand R₅ parallel. Die positiven Eingänge des ersten und des zweiten Operationsverstärkers V₁ bzw. V₂ sind mit einer positiven Referenzspannung u _{ref 2} beaufschlagt, die in ihrer Höhe einem dynamischen Stromgrenzwert (Momentanwert-Stromgrenze) I _dyn vom Vielfachen des Wechselrichternennstromes entspricht.

Der dritte Operationsverstärker V₃ mit einer auf seinen Ausgang gepolten Diode D₃ und einem dieser parallelgeschalteten ohmschen Widerstand R₆ im Gegenkopplungszweig ist ausgangsseitig über eine gegengepolte Diode D₄ an den positiven Eingang des vierten Operationsverstärkers V₄ angeschlossen. Dieser positive Eingang des vierten Operationsverstärkers V₄ ist an eine positive Referenzspannung u _{ref 1} gelegt, die in ihrer Höhe einem statischen Stromgrenzwert (Überstromgrenze) I _stat entspricht, der niedriger als der dynamische Stromgrenzwert I _dyn ist. Der Ausgang des vierten Operationsverstärkers V₄ ist auf den negativen Eingang rückgeführt. Er gibt zwei zeitlich abgestufte Komparator-Schwellwerte u _K an einen Fensterkomparator D ab, der mit entsprechender Hysterese das Ausgangssignal u _E des Präzisionsgleichrichters A mit diesen Komparator- Schwellwerten u _K vergleicht und mit seinen Schaltzuständen über seine Ausgangssignale u _{A 1}, u _{A 2} die Leit- bzw. Sperrphasen der Leistungshalbleiterschalter bestimmt.

Überschreitet die Ausgangsspannung des Filters B (entsprechend dem Mittelwert des Wechselrichterausgangsstromes) die Referenzspannung u _{ref 2}, fährt der Operationsverstärker V₁ von seiner positiven Ausgangslage auf den Wert der Referenzspannung u _{ref 2}. Der nachfolgende, als Integrator arbeitende zweite Operationsverstärker V₂ mit seiner durch den ohmschen Widerstand R₂ und den Kondensator C₂ gebildeten Zeitkonstanten bestimmt eine Zeitdauer t₁ mit der der Fensterkomparator D Schaltpunkte in Abhängigkeit von der stromproportionalen Spannung und der Referenzspannung u _{ref 1} bildet. Der Wert der Referenzspannung u _{ref 1} wird üblicherweise so gewählt, daß sich am Wechselrichterausgang der maximal mögliche Ausgangsstrom ergibt. Das kann z. B. der dreifache Wert des Nennstromes I _Nenn sein.

Der Ausgang des invertierenden Verstärkers V₃ mit der Verstärkung 1 folgt der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers V₂ mit umgekehrten Vorzeichen, so daß bei Erreichen bzw. Unterschreiten der Referenzspannung u _{ref 1} eine Ablösung des Komparatorschwellwertes bis auf den Wert der Referenzspannung u _{ref 2} erfolgt. Dieser Wert kann z. B. so gewählt werden, daß der Wechselrichter an seinem Ausgang einem um 10% höheren Ausgangsstrom als den Nennstrom I _Nenn liefert. Damit ergibt sich z. B. im Falle eines Klemmenkurzschlusses am Wechselrichterausgang ein sicherer Schutz der Halbleiterleistungsschalter vor Überlastung.

Als weitere Sicherheit für diesen Fall (und für den Fall der Wechselrichterüberlastung) ist das rücksetzbare Zeitglied E am Ausgang des ersten Operationsverstärkers V₁ vorgesehen, das nach einem Zeitbereich t₂ ein Abschaltsignal AUS an die Steuerungseinheit des Wechselrichters abgibt.

Um die Zeitstufe der Schwellwertschaltung C, nämlich den zweiten Operationsverstärker V₂ nach einem nur kurzen Stromeingriff beim Wechselrichter wieder von vorne zu starten (Rückerholungsfunktion), lädt die Diode D₁ den Kondensator C₂ mit der positiven Polarität der Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers V₁ schnell auf. Damit ist sichergestellt, daß der Wechselrichter immer für die durch den Widerstand R₂ und den Kondensator C₂ bestimmte Zeit einen Strom an der dynamischen Stromgrenze I _dyn bei erneutem Kurzschluß oder starker Überlast liefert.

Die zuvor beschriebene Schaltungsanordnung für einen einphasigen Wechselrichter ist ebenso auf ein dreiphasiges System anwendbar. Hier entfällt dann jedoch das Doppel-T-Filter B. Als Ersatz dafür kann eine einfache R-C-Kombination je Phase mit einer anschließenden Extremwertauswahlschaltung die Mittelwertbildung für die Strombegrenzung übernehmen.

Fig. 2 zeigt die Stromhüllkurve des Wechselrichter-Ausgangsstromes beim Einsatz einer in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung. Vom Nennstrom I _Nenn des Wechselrichters springt der Strom bestimmt durch die erste Referenzspannung u _{ref 1} auf die Momentanwertgrenze I _dyn. Die entsprechende Kennlinie des Fensterkomparators ist dazu links angedeutet. Nach einem Zeitbereich t₁ entsprechend der durch den ohmschen Widerstand R₂ und den Kondensator C₂ beim Operationsverstärker V₂ bestimmten Zeitkonstante erfolgt eine Stromreduzierung auf die Überstromgrenze I _stat, die durch die Referenzspannung u _{ref 2} bestimmt ist. Dabei verschiebt sich die Kennlinie des Fensterkomparators entsprechend den gestrichelten Pfeilen.

Nach einem Zeitbereich t₂ erfolgt dann, sofern der Mittelwert des Wechselrichterausgangsstromes nicht unter die Überstromgrenze I _stat gefallen ist, durch das Zeitglied E eine Abschaltung des Wechselrichters.

In Fig. 3 sind verschiedene Ausgangsströme I _WR für eine Halbperiode aufgezeigt. Der Nennstrom ist dabei als sinusförmige Stromkurve f gezeigt. Sobald der Mittelwert des Ausgangsstromes den Nennstrom übersteigt (sinusförmige gestrichelte Kurve a), greift die Schaltungsanordnung nach der Erfindung an der statischen Stromgrenze, also z. B. bei dem 1,1-fachen des Nennstromes ein.

Mit c ist ein Ausgangsstrom bezeichnet, bei dem ein Eingriff an der Momentanwert-Stromgrenze erfolgt.

Die Stromkurve b zeigt einen Stromverlauf, wie er bei nichtlinearen Lasten mit entsprechend kleinem Stromflußwinkel auftreten kann. Hier liegt der mögliche Maximalwert des Wechselstroms vor, wenn der Mittelwert die statische Stromgrenze noch nicht erreicht hat.

Die Stromkurve d zeigt den Verlauf eines Wechselrichterkurzschlußstromes während der Zeitdauer t₁, wobei der Strom auf das Dreifache des Nennstromes I _Nenn begrenzt wird. Die zackenförmige Schaltfrequenz an der Stromgrenze I _dyn kann z. B. 5 kHz betragen. Nach dem Zeitbereich t₁ ergibt sich für den Zeitbereich t₂ ein Stromverlauf entsprechend der Kurve e am Überstromgrenzwert, hier beim 1,1-fachen des Nennstromes I _Nenn.

Übersteigt die Stromeingriffszeit z. B. 5 ms, wird der Wechselrichter durch das Zeitglied E nach einer Minute abgeschaltet.

Die Zuordnung der in Fig. 3 gezeigten Stromkurven zu der Wechselrichterausgangsspannung U _WR ist in Fig. 4 für den gestrichelt dargestellten Kurzschlußfall des Stromrichters und für den strichpunktiert dargestellten Fall einer Überlast gezeigt. Der Strom-Spannungsverlauf erfolgt dabei entlang der ausgezogenen Kurve.

Claims

1. Schaltungsanordnung für den Überstromschutz der Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters, bei der für einen ersten Zeitbereich eine dynamische Überstrombegrenzung bei einem auf ein Vielfaches des Nennstromes begrenzten Überstrom wirksam ist und in einem anschließenden zweiten Zeitbereich eine statische Strombegrenzung mit einem geringeren, aber oberhalb des Nennstromes liegenden, zulässigen Überstrom eingreift, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Ein Präzisionsgleichrichter (A) stellt eine Eingangsgröße (U _E ) entsprechend dem gleichgerichteten Wechselrichterausgangsstrom (I _WR ) bereit.
b) Ein Fensterkomparator (D) vergleicht diese Eingangsgröße (U _E ) mit einem zeitlich abgestuften Komparator-Schwellwert (U _K ) und bestimmt mit seinen Schaltzuständen die Leit- und Sperrphasen der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters.
c) Ein Filter (B) bildet den zeitlich unverzögerten Mittelwert der Eingangsgröße (U _E ).
d) Eine eingangsseitig mit dem Ausgang des Filters (B) und ausgangsseitig mit dem einen Eingang des Fensterkomparators (D) verbundene zweistufige Schwellwertschaltung (C) bildet für den ersten (t₁) und den zweiten Zeitbereich (t₂) die zwei Komparator-Schwellwerte (U _K ), die der dynamischen und der statischen Strombegrenzung am Wechselrichterausgang entsprechen.
e) Ein durch die Schwellwertschaltung (C) rücksetzbares Zeitglied (E) gibt nach Ablauf des zweiten Zeitbereichs (t₂) bei einem dann noch oberhalb des Grenzwerts für die statistische Strombegrenzung liegenden Wechselrichterausgangsstrom (I _WR ) ein Abschaltsignal für die Halbleiterleistungsschalter des Wechselrichters ab.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (B) ein Doppel-T-Filter ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dreiphasigen Wechselrichter das Filter (B) durch eine R-C-Schaltung je Phase mit einer nachgeschalteten, den Höchstwert aus den drei Phasen weiterleitenden Extremwertauswahlschaltung gebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (C) durch eine jeweils durch einen ohmschen Widerstand (R₂, R₃, R₄) verbundene Hintereinanderschaltung
eines ersten über einen Kondensator (C₁) rückgekoppelten, mit einer den dynamischen Stromgrenzwert (I _dyn ) bestimmenden Referenzspannung (U _{ref 2}) beaufschlagten Operationsverstärker (V₁),
eines zweiten, ebenfalls mit dieser Referenzspannung (U _{ref 2}) beaufschlagten, als Integrator ausgebildeten Operationsverstärkers (V₂), dessen Zeitkonstante (R₂, C₂) den ersten Zeitbereich (t₁) bestimmt,
eines dritten, invertierenden Operationsverstärkers (V₃) und
eines vierten, mit einer den statischen Stromgrenzwert (I _stat) bestimmenden Referenzspannung (U _{ref 1}) beaufschlagten Operationsverstärkers (V₄)
gebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weiterhin mit einer Z-Diode (D₂) überbrückte erste Operationsverstärker (V₁) ausgangsseitig sowohl an den Rücksetz-Eingang des Zeitgliedes (E) als auch über eine mit einem weiteren ohmschen Widerstand (R₅) in Reihe liegenden Diode (D₁) an den Kondensator (C₂) des als Integrator wirkenden zweiten Operationsverstärkers (V₂) angeschlossen ist.