DE3800753A1 - Verfahren zum steuern von halbleiterschaltern einer gleichrichterbruecke und steuereinheit zum durchfuehren des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern von Halb­ leiterschaltern, die eine Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durchführen und mit den gleichrichtenden Bau­ elementen einer an eine Wechselstromnetzspannungsversorgung angeschlossenen Gleichrichterbrücke parallelgeschaltet sind, sowie eine Steuereinheit zum Durchführen des Verfahrens.

In vielen Anwendungsfällen muß die als Gleichstromquelle benutzte Gleichrichterbrücke sowohl das Aufnehmen als auch das Abgeben von Energie erlauben. Diese Notwendigkeit er­ gibt sich beispielsweise bei einem mit konstanter Spannung gespeisten Wechselrichter, der einen Wechselstrommotor steu­ ert, welcher einen zur Abgabe von Leistung geeigneten Ver­ braucher treibt. Ein typischer Verbraucher mit dieser Fähig­ keit ist der Fahrkorb eines Aufzugs. In einem Wechselstrom­ motorantrieb kann Energiefluß in zwei Richtungen beispiels­ weise mit Hilfe von Transistor- oder Thyristorinvertern ver­ wirklicht werden.

Häufig werden gegenwärtig bidirektionale Gleichstromquellen durch Thyristorbrücken verwirklicht, die zwischen die Wech­ selstromversorgung und die Gleichstromschaltung geschaltet sind. Die Thyristorbrücken, die entweder mit oder ohne um­ laufende Ströme arbeiten, liefern die vom Verbraucher ver­ mittelte Energie zurück ins Wechselstromnetz. Die Betriebs­ weise einer Gleichstromquelle in Form einer von zirkulieren­ den Strömen freien Thyristorbrücke beruht auf dem Prinzip, daß je nach der Richtung des Energieflusses die eine der beiden Brücken leitend ist. Die zum Wechseln der Brücken nötige Zeit ist dabei ziemlich lang. Eine Schaltung ohne zirkulierenden Strom kann auch mittels einer Diodenbrücke und einer Thyristorbrücke verwirklicht werden, wobei zum Vermeiden einer Energiezirkulation ein Autotransformator vorgesehen ist. In diesem Fall kann die Thyristorbrücke, die das Wechselrichten besorgt, ständig in leitendem Zustand ge­ halten werden.

In einer Thyristorbrückenschaltung mit umlaufendem Strom können auch beide Brücken kontinuierlich in leitendem Zu­ stand gehalten werden. In diesem Fall ist eine Überwachung der Richtung des Energieflusses nicht nötig. Thyristorschal­ tungen haben den Nachteil, daß die Thyristorsteuerschaltun­ gen komplex sind, und daß zum Zünden und Abschalten der Thyristoren eine verhältnismäßig lange Zeit notwendig ist.

Gleichstromquellen werden gegenwärtig auch unter Verwendung von Diodenbrücken zwischen einem Dreiphasen-Wechselstrom­ netz und der Gleichstromschaltung verwirklicht. Die drei­ phasige Spannung wird mittels der Diodenbrücke gleichge­ richtet, wenn die Richtung des Energieflusses vom Wechsel­ stromnetz zur Gleichstromschaltung geht. Um die Gleich­ spannung zurück in eine dreiphasige Wechselspannung umzu­ wandeln, wenn die Energie von der Gleichstromschaltung ins Wechselstromnetz fließt, sind Transistoren mit den Dioden der Diodenbrücke parallelgeschaltet. Die Transistorsteuer­ spannungen werden durch Dioden aus der dreiphasigen Span­ nung erzeugt, so daß jeder Transistor während derjenigen Zeiten durchgesteuert ist, während der die mit ihm pa­ rallelgeschaltete Diode leitend ist. Um die umlaufende Ener­ gie zu verringern, werden die Leitfähigkeitszeiten der Tran­ sistoren dadurch verkürzt, daß eine Zenerdiode mit der Steue­ rung jedes Transistors in Reihe geschaltet wird.

Beim Bremsen des Motors steigt die Spannung in der Gleich­ stromschaltung des Frequenzwandlers an, und die in die Gleichrichterbrücke geschalteten wechselrichtenden Tran­ sistoren werden eingeschaltet, so daß Strom von der Gleich­ stromschaltung ins Wechselstromnetz fließen kann. Da die Transistoren mittels Dioden unmittelbar vom Dreiphasen­ netz angesteuert werden, ist die Dauer des Steuerimpulses gleichbleibend. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß angesichts des gleichbleibenden Zündwinkels immer ein zirkulierender Strom entsteht, der durch einen Konden­ sator in der Gleichstromschaltung fließt. Ferner sind für Netzwerke mit unterschiedlichen Spannungen unterschied­ liche Steuerschaltungen nötig, da der Zündwinkel von Zener­ dioden gesteuert ist. Ferner ändert sich der Zündwinkel durch Schwankungen in der Netzspannung.

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

Das Verfahren zum Steuern von invertierenden Halbleiter­ schaltern, die mit den gleichrichtenden Bauelementen einer Gleichrichterbrücke parallelgeschaltet sind, zeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch aus, daß jeder der Halbleiter­ schalter durch den Vergleich einer zur Phasenspannung pro­ portionalen Spannung mit einer aus zwei Spannungen zusam­ mengesetzten Bezugsspannung gesteuert wird. Von diesen zwei Spannungen ist eine proportional zu derjenigen Phasenspan­ nung, die den höchsten absoluten Wert hat, während die ande­ re zu der gleichgerichteten Spannung proportional ist.

Bei diesem Verfahren wird der Zündwinkel automatisch auf den richtigen Wert eingestellt. Außerdem hat der Zündwinkel den benötigten Mindestwert, wodurch Netzstörungen reduziert werden.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Bezugs­ spannung dadurch erzeugt wird, daß die Differenz zwischen einer zur gleichgerichteten Spannung proportionalen span­ nung und einer Spannung, die zu der Phasenspannung propor­ tional ist, welche den höchsten absoluten wert hat, von der­ jenigen Spannung abgezogen wird, die zu der Phasenspannung mit dem höchsten abosluten Wert proportional ist.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Bezugsspannung dadurch erzeugt wird, daß die zur gleichge­ richteten Spannung proportionale Spannung vom doppelten Wert derjenigen Spannung abgezogenwird, die zu der Phasen­ spannung mit dem höchsten absoluten Wert proportional ist.

Die für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern invertierender, mit den Gleichrichterbauelemen­ ten einer Gleichrichterbrücke parallelgeschalteter Halblei­ terschalter ausgelegte Steuereinheit zeichnet sich dadurch aus, daß sie Vergleichsschaltungen zum Steuern jedes der Halbleiterschalter aufweist. Dies geschieht durch Verglei­ chen einer zum absoluten Wert der Phasenspannung proportio­ nalen Spannung mit der Bezugsspannung. Außerdem weist die Steuereinheit eine Schaltung auf, die die Bezugsspannung anhand von zwei Spannungen erzeugt, von denen eine zu der Phasenspannung mit dem höchsten absoluten Wert und die an­ dere zu der gleichgerichteten Spannung proportional ist.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschaffenen Steuerein­ heit zeichnet sich dadurch aus, daß die die Bezugsspannung erzeugende Schaltung eine Vergleichsschaltung aufweist, die durch Wahl der höchsten der Phasenspannungen eine Spannung proportional zu derjenigen Phasenspannung erzeugt, welche den höchsten absoluten Wert hat. Ferner weist die Steuerein­ heit eine Differenzierschaltung auf, die die Differenz zwi­ schen der zur höchsten Phasenspannung proportionalen Span­ nung und einer zur Spannung in der Gleichstromschaltung proportionalen Spannung erzeugt, sowie eine Additionsschal­ tung, die die Summe der von der Differenzierschaltung er­ haltenen Differenz und der zur Phasenspannung mit dem höchsten absoluten Wert proportionalen Spannung erzeugt.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Steuereinheit zum Anwenden des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, daß die Steuereinheit mit Dioden ausge­ stattet ist, welche die Leitfähigkeit eines der Halbleiter­ schalter jeder Phase dann verhindern, wenn der andere lei­ tend ist.

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

Fig. 1 ein Schaltbild eines Käfigankermotors, der Lei­ stungsstufe eines diesen speisenden Frequenzwandlers sowie einer invertierende Transistoren steuernden Einheit;

Fig. 2 ein Schaltbild von Vergleichsschaltungen, die die zur höchsten Phasenspannung proportionale Spannung mit einer Bezugsspannung vergleichen, sowie einer die Bezugsspannung erzeugenden Schaltung;

Fig. 3 eine detaillierte Ansicht der die Bezugsspannung erzeugenden Schaltung;

Fig. 4 eine detailliertere Ansicht der an die Phase R an­ geschlossenen Steuereinheit.

In Fig. 1 ist ein Käfigankermotor M gezeigt, den ein Fre­ quenzwandler speist. Aus dieser Figur geht auch die Lei­ stungsstufe des Frequenzwandlers hervor, in dem drei Phasen U _R , U _S und U _T des Wechelstromnetzes mittels Dioden D ₇ bis D ₁₂ gleichgerichtet werden und das Wechselrichten von Tran­ sistoren Q ₁ bis Q ₆ durchgeführt wird. Für das Wechselrich­ ten werden auch Nulldioden D ₁ bis D ₆ benötigt. Zwischen die Motoreingangsleiter sind Induktivitäten L ₁ bis L ₃ und Kon­ densatoren C ₁ bis C ₃ als Dämpfer für das Rauschen geschal­ tet. Die gleichgerichtete Spannung, die die Differenz zwi­ schen den Spannungen +V _DC und -V _DC darstellt, wird von ei­ nem Kondensator C ₄ gefiltert.

Die beim Bremsen des Motors erzeugte Energie wird sowohl in einen von einem Transistor Q ₁₃ gesteuerten Widerstand R ₁ als auch in das den Frequenzwandler speisende dreiphasige Netz geleitet. Hierzu wird der Gleichstrom mittels Transistoren Q ₇ bis Q ₁₂, die mit den Dioden D ₇ bis D ₁₂ parallelgeschal­ tet und von einer Steuereinheit 1 gesteuert sind, in Wech­ selstrom umgewandelt.

Fig. 2 zeigt die Steuereinheit, die jeden der Transistoren Q ₇ bis Q ₁₂ während einer Halbperiode einer der Phasenspan­ nungen U _R , U _S und U _T einschaltet, wenn der absolute Wert der Spannung U ₁ bis U ₆, die zur positiven oder negativen Phasen­ spannung proportional ist, die Bezugsspannung V _REF über­ steigt. Die Spannungen U ₁ bis U ₆ entsprechen den gedämpften absoluten Werten der positiven oder negativen Phasenspannun­ gen +U _R , -U _R , +U _S , -U _S beziehungsweise +U _T , -U _T . Die Bezugs­ spannung V _REF wird in einer Differenzierschaltung 2 erzeugt. Hierzu wird die Differenz zwischen einer Spannung V _D , die zur Spannung im Gleichstromschaltkreis proportional ist, und einer Spannung V _N , die zu derjenigen Phasenspannung proportional ist, die den höchsten absoluten Wert hat, von der zuletzt genannten Spannung V _N subtrahiert. Die genannte Differenz wird in einer weiteren Differenzierschaltung 3 er­ zeugt. Oder es wird die Spannung V _D vom doppelten Wert der Spannung V _N subtrahiert. Der Vergleich wird mit Hilfe von Vergleichsschaltungen 4 bis 9 durchgeführt, deren Ausgangs­ signale zum Treiben jedes der Transistoren Q ₇ bis Q ₁₂ ent­ sprechend dem Leistungsbedarf benutzt werden. Wenn die Spannung in der Gleichstromschaltung der Phasenspannung mit dem höchsten absoluten Wert gleicht, ist keiner der Transi­ storen Q ₇ bis Q ₁₂ leitend. Steigt die Gleichspannung, so sinkt die Bezugsspannung V _REF , und die Transistoren Q ₇ bis Q ₁₂ sind leitend. Je mehr die Gleichspannung steigt, umso länger bleiben die Transistoren durchgesteuert.

Fig. 3 zeigt den Schaltkreis, der die Bezugsspannung V _REF erzeugt. Eine Vergleichsschaltung 10 erzeugt die Spannung V _N , die zu derjenigen Phasenspannung proportional ist, die den höchsten absoluten Wert hat. Ein aus Dioden D ₁₃ bis D ₁₈ bestehender Wählerschalter wählt aus den Spannungen U ₁ bis U ₆ diejenige mit dem höchsten absoluten Wert aus. Die aus­ gewählte Spannung wird an einen Operationsverstärker 11 an­ gelegt, der als Spannungsfolgeglied geschaltet ist, wobei eine Diode D ₁₉ den vom Wählerschalter verursachten Dioden­ schwellenfehler korrigiert. Die Spannung V _N erscheint an ei­ nem Punkt A.

Von diesem Punkt A wird die Spannung V _N an eine Differen­ zierschaltung 12 weitergeleitet, welche die Spannung V _N - V _D erzeugt, d. h. die Differenz zwischen der genannten Span­ nung V _N und der Spannung V _D , wobei die zuletzt genannte Spannung zur Spannung im Gleichstromkreis proportional ist. Die Spannung V _N wird ebenso wie eine gedämpfte negative Gleichspannung -V _DC an den Eingang eines Operationsverstär­ kers 13 angelegt. Die erhaltene Differenz wird ebenso wie eine gedämpfte positive Gleichspannung +V _DC an einen wei­ teren Operationsverstärker 14 angelegt. Die Operationsver­ stärker 13 und 14 sind durch Dioden D ₂₀ bis D ₂₃ vor über­ mäßigen absoluten Spannungen geschützt.

Die von der Differenzierschaltung 12 erhaltene Differenz­ spannung V _N - V _D wird von einer Additionsschaltung 15 zu der Spannung V _N addiert. Am Ausgang des Operationsverstär­ kers der Additionsschaltung 15 steht eine negative Bezugs­ spannung -V _REF zur Verfügung. Um eine positive Bezugsspan­ nung +V _REF zu erhalten, muß diese negative Spannung in einen invertierenden Verstärker 16 eingegeben werden.

In Fig. 4 ist der an die Phase R angeschlossene Teil der Transistorsteuereinheit gezeigt, der die Transistoren Q ₇ und Q ₈ treibt. Die mit den anderen Phasen verbundenen Transistoren werden auf entsprechende Weise angesteuert. Die Phasenspannung U _R wird gedämpft und an den Eingang ei­ nes OP-Verstärkers 17 angelegt, an dessen Ausgang die in Fig. 3 gezeigte Spannung U ₂ erscheint, welche der nega­ tiven Halbperiode entspricht und zur Phasenspannung pro­ portional ist. Die der positiven Halbperiode entsprechen­ de Spannung U ₁ wird dadurch erhalten, daß die Phasenspan­ nung in einen invertierenden Verstärker 18 eingegeben wird. Im Verstärker 17 ist ein Kondensator C ₅ als Störschutzfil­ ter vorgesehen, und Dioden D ₂₄ und D ₂₅ schützen den Ver­ stärker vor übermäßigen absoluten Spannungen.

Die vom Verstärker 17 erhaltene Spannung U ₂ wird an einen Eingang jeder der beiden Vergleichsschaltungen 19 und 20 angelegt. Am anderen Eingang der ersten Vergleichsschaltung 19 steht die negative Bezugsspannung -V _REF an, während die positive Bezugsspannung +V _REF an den anderen Eingang der zweiten Vergleichsschaltung 20 angelegt wird. Der Transistor Q ₇ wird von der ersten Vergleichsschaltung 19 und der Tran­ sistor Q ₈ von der zweiten Vergleichsschaltung 20 gesteuert. Um für den Transistor Q ₇ ein Treibersignal zu erhalten, wird das von der Vergleichsschaltung 19 abgeleitete Signal über eine Diode D ₂₆ in einen Verstärker 21 geleitet, wo es verstärkt und dann an eine Leuchtdiode LED D ₃₀ eines Opto­ isolators der Transistorsteuerung angelegt wird. In ähnli­ cher Weise wird der Transistor Q ₈ mittels einer Diode D ₂₇, eines Verstärkers 22 und einer Leuchtdiode LED D ₃₁ gesteu­ ert. Die Diode D ₂₈ hat die Aufgabe, den Durchlaß des Si­ gnals durch die Diode D ₂₇ zu sperren und damit die Leitfähig­ keit des Transistors Q ₈ zu unterbinden, wenn der Transistor Q ₇ leitend ist. In ähnlicher Weise blockiert die Diode D ₂₉ den Durchgang des Signals durch die Diode D ₂₆ und verhin­ dert damit, daß der Transistor Q ₇ leitet, während der Tran­ sistor Q ₈ durchgesteuert ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Steuern invertierender Halbleiter­ schalter (Q ₇-Q ₁₂), die mit gleichrichtenden Bauelementen (D ₇-D ₁₂) einer an ein Wechselstromversorgungsnetz ange­ schlossenen Gleichrichterbrücke parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Halb­ leiterschalter (Q ₇-Q ₁₂) durch das Vergleichen einer Span­ nung (U ₁-U ₆), die zur Phasenspannung proportional ist, mit einer aus zwei Spannungen zusammengesetzten Bezugsspan­ nung (V _REF ) gesteuert wird, wobei eine dieser Spannungen (V _N ) zu derjenigen Phasenspannung proportional ist, die den höchsten absoluten Wert hat, und die andere (V _D ) zur gleichgerichteten Spannung proportional ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspan­ nung (V _REF ) durch Subtrahieren der Differenz zwischen ei­ ner zur gleichgerichteten Spannung proportionalen Span­ nung (V _D ) und einer zur Phasenspannung mit dem höchsten absoluten Wert proportionalen Spannung (V _N ) von derjenigen Spannung (V _N ) erzeugt wird, die zur Phasenspannung mit dem höchsten absoluten Wert proportional ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspan­ nung (V _REF ) durch Subtrahieren der zur gleichgerichteten Spannung proportionalen Spannung (V _D ) vom doppelten Wert derjenigen Spannung (V _N ) erzeugt wird, die zur Phasenspan­ nung mit dem höchsten absoluten Wert proportional ist.

4. Steuereinheit zum Durchführen des Verfahrens ge­ mäß Anspruch 1 zur Steuerung invertierender Halbleiter­ schalter (Q ₇-Q ₁₂), die mit den gleichrichtenden Bauelemen­ ten (D ₇-D ₁₂) einer an ein Wechselstromversorgungsnetz an­ geschlossenen Gleichrichterbrücke parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein­ heit (1) Vergleichsschaltungen (4-9; 19, 20), mit denen jeder der Halbleiterschalter (D ₇-D ₁₂) durch Vergleichen ei­ ner Spannung (U ₁-U ₆), die zum absoluten Wert der Phasen­ spannung proportional ist, mit der Bezugsspannung (V _REF ) steuerbar ist, sowie eine Schaltung aufweist, die die Bezugsspannung anhand von zwei Spannungen erzeugt, von denen eine (V _N ) zur Phasenspannung mit dem höchsten absolu­ ten Wert und die andere (V _D ) zur gleichgerich­ teten Spannung proportional ist.

5. Steuereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Bezugs­ spannung erzeugende Schaltung eine Vergleichsschaltung (10), welche eine Spannung (V _N ) proportional zu der den höch­ sten absoluten Wert aufweisenden Phasenspannung durch Aus­ wahl der höchsten der Phasenspannungen (U ₁-U ₆) und eine Diffe­ renzierschaltung (12), welche die Differenz zwischen der zur höchsten Phasenspannung proportionalen Spannung (V _N ) und einer zur Spannung in der Gleichstromschaltung propor­ tionalen Spannung (V _D ) erzeugt, sowie eine Additionsschaltung (15) aufweist, welche die Summe der von der Differenzier­ schaltung (12) erhaltenen Differenz (V _N - V _D ) und derjenigen Spannung (V _N ) bildet, die zur Phasenspannung mit dem höch­ sten absoluten Wert proportional ist.

6. Steuereinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Dioden (D ₂₆-D ₂₉) versehen ist, welche die Leitfähigkeit eines der Halbleiterschalter jeder Phase dann verhindert, wenn der andere leitend ist.