DE3925174C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE 34 02 222 A1 bekannt.

Bei dieser Schaltungsanordnung ist zum Schutz gegen Überspannungen ein steuerbarer Schalter, z. B. ein Transistor, in die eine der beiden Zulei­ tungen von der Spannungsquelle zum Speicherkondensator geschaltet. Der Steueranschluß des Schalters ist an den Ausgang eines Komparators an­ geschlossen, dessen einer Eingang an die andere der beiden Zuleitungen von der Spannungsquelle zum Speicherkondensator gelegt ist und dessen anderer Eingang über eine Konstantspannungsquelle an die Verbindung zwischen Schalter und Speicherkondensator angeschlossen ist.

Der Speicherkondensator kann beispielsweise der Zwischenkreiskondensator eines Gleichspannungszwischenkreisumrichters sein. Als Gleichspannungs­ quelle dient in solchen Fällen eine Batterie oder ein aus einem ein- oder dreiphasigen Wechselspannungsnetz gespeister Netzgleichrichter, während die Last als Wechselrichter mit nachgeschaltetem Ver­ braucher ausgebildet ist.

Treten an der Spannungsquelle kurzzeitig überhöhte Spannungen auf, wie sie im Kurzfall beim Schmelzen einer Sicherung in anderen an der Spannungsquelle angeschlossenen Verbrauchern vorkommen, wird der Speicherkondensator durch energiereiche Spannungsspitzen auf unzulässige Werte aufgeladen. Vor diesen kurzzeitigen Überspannungen (in der Dauer von weniger als 5 ms) soll der Speicherkondensator und die ihm parallel­ liegende Last durch den Überspannungsschutz geschützt werden. Sobald die Spannung am Speicherkondensator die Spannung der Konstantspannungs­ quelle überschreitet, gibt bei der zuvor beschriebenen Schaltung der Kompara­ tor ein den Schalter öffnendes Signal ab.

Allerdings haben die energiereichen Spannungsspitzen in Form einer an den Klemmen von Last und Speicherkondensator anstehenden eingeprägten Span­ nung unmittelbar einen entsprechend hohen Strom zur Folge. Dieser muß mit dem Schalter abgeschaltet werden, was Probleme bereitet. Der hohe Abschaltstrom ist nämlich mit den üblicherweise eingesetzten Halbleiter­ schaltern, insbesondere Transistoren, nicht beherrschbar.

Durch die DE 30 37 120 C2 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der parallel zum Speicherkondensator die Reihenschaltung einer im Überspan­ nungsfall leitenden Z-Diode mit einer Schutzdrossel zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Kurzschlußfall vorgesehen ist. Derartige Schutzeinrichtungen wirken zusammen mit einem Schutzschalter, d. h. im Falle eines Auftretens einer Überspannung an der Spannungsquelle wird die Last abgeschaltet. Eine solche Abschaltung ist unerwünscht und in vielen Fällen auch nicht vertretbar.

Durch das Buch von Heumann/Stumpe "Thyristoren" B. G. Teubner, Stuttgart 1969, Seite 139 ist ferner eine Kommutierungsschaltung bekannt, mit der ein stromführender Thyristor gelöscht wird. Dieses wird durch Zünden eines Löschthyristors, der in Serie mit einem vorgeladenen Kondensator parallel zum stromführenden Thyristor liegt, erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die einen sicheren Schutz des Speicher­ kondensators bei kurzzeitigen Überspannungen an der Spannungsquelle ge­ währleistet, ohne daß der Betrieb der Last unterbrochen wird oder bei einer kurzzeitigen Unterbrechung der den Speicherkondensator und die Last abtrennende Schalter strommäßig überlastet wird.

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

Die Drosselspule verlangsamt den Stromanstieg beim Auftreten von kurz­ zeitigen Überspannungsspitzen soweit, daß der abzuschaltende Strom vom den Speicherkondensator und die Last von der Spannungsquelle abtrennen­ den Schaltelement ohne Mühe noch beherrscht wird. Der Speicherkonden­ sator und die Last werden durch das Schaltelement im Überspannungsfall nur kurzzeitig von der speisenden Gleichspannungsquelle getrennt. Die Über­ spannungen können also den Speicherkondensator und die Last nicht gefährden. Da die Überspannungsspitzen aber in der Regel nur für wenige Millisekunden andauern, kann der Speicherkondensator für diese Zeit, in der er und die Last von der Gleichspannungsquelle abgetrennt sind, die Spannungsver­ sorgung der Last sichern. Eine dauerhafte, schädliche Unterbrechung der Gleichspannungsversorgung der Last wird mithin vermieden.

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

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannungen an in Fig. 1 gezeigten Bauelementen bei einer Überspannungsspitze,

Fig. 3 die Ausbildung einer Überwachungseinrichtung, die das in Fig. 1 gezeigte Schaltelement bei Überspannungen im Sinne der Erfindung betätigt und

Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer weiteren Schaltungsanordnung mit einem Überspannungsschutz nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird eine Last Z mit einem Laststrom i_L aus einer Gleich­ spannungsquelle Q, die üblicherweise eine Nennspannung U_eN bereitstellt und einen Strom i liefert, gespeist. Zur Erzielung einer hohen Spannungs­ konstanz ist zwischen die Eingangsklemmen der Last Z ein Speicherkon­ densator C geschaltet. Der Speicherkondensator C und die Last Z sind durch Zündung eines in der Verbindung zu der Gleichspannungsquelle Q angeordneten Thyristors V1 unmittelbar an die Gleichspannungsquelle Q legbar.

Zur Betriebnahme der Schaltungsanordnung wird jedoch, um Laststöße zu vermeiden, zunächst durch Schließen eines Schalters S, bei noch nicht ge­ zündetem Thyristor V1, der Speicherkondensator C über eine den Thyristor V1 überbrückende Reihenschaltung eines Widerstands R_V und einer in Richtung auf die Gleichspannungsquelle gepolten Diode V3 aufgeladen. Dabei wird der Strom i begrenzt.

Nach der Aufladung des Speicherkondensators C wird durch Abgabe eines Zündimpulses von einer Zünd- und Überwachungseinrichtung Ü der Thy­ ristor V1 gezündet, so daß damit der ordnungsgemäße Betrieb der Last Z beginnt.

Während des Betriebes können energiereiche Spannungsspitzen von der Gleichspannungsquelle Q auftreten, wie z. B. im Kurzschlußfall beim Schmelzen einer Sicherung in anderen an die Gleichspannungsquelle an­ geschlossenen Verbrauchern. Die Spannungsspitzen der Gleichspannung U_e an der Gleichspannungsquelle Q, die maximal 5 ms lang andauern und energiereich sein können, können die Nennspannung U_eN um den bis zu 2,5fachen Wert überschreiten und laden den Speicherkondensator C, der z. B. eine Kapazität von 3000 µF aufweist, auf ebenfalls diese unzu­ lässigen Werte auf.

Es soll verhindert werden, daß diese Spannungsspitzen zum Speicherkonden­ sator C gelangen, ohne daß (z. B. durch Öffnen des Schalter S) eine Un­ terbrechung der Spannungszufuhr zu der Last Z erfolgt, und damit die Schaltungsanordnung außer Funktion gesetzt wird.

Zum Zwecke des Überspannungsschutzes des Speicherkondensators C ist einerseits in die Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle Q und der einen Klemme der Parallelschaltung vom Speicherkondensator C mit der Last Z eine Drosselspule L geschaltet und ist andererseits dem Thyristor V1 ein Kommutierungskondensator C_k in Reihe mit einem Löschthyristor V2 parallelgeschaltet. Der Kommutierungskondensator C_k weist eine Kapazität von z. B. 10 µF auf und ist im Betriebsfall in der eingezeichneten Polarität über einen Ladewiderstand R aufgeladen.

Im Überspannungsfall wird der Thyristor V1 durch die Zünd- und Überwachungs­ einrichtung Ü nicht mehr mit Zündimpulsen versorgt. Vielmehr zündet die Zünd- und Überwachungseinrichtung Ü den Löschthyristor V2 als Schaltelement zum Abschalten des Thyristors V1. Die Kommutierungseinrichtung im Zusammen­ wirken des Löschthyristors V2, der den kommutierenden Strom am Anstieg begrenzenden Drosselspule L und des Kommutierungskondensators C_k läßt den Strom vom Thyristor V1 auf den Löschthyristor V2 kommutieren. Die Über­ spannung wird von der Drosselspule L und dem Kommutierungskondensator C_k aufgenommen. Infolge des durch die Drosselspule L verlangsamten Stroman­ stieg ist der Thyristor V1 sicher löschbar, bevor der Strom durch die einge­ prägte Überspannung auf zu hohe Werte angestiegen ist.

Der Thyristor V1 bleibt aber nur für kurze Zeit gelöscht, nämlich für die Zeitspanne, in der die die Abschaltung bewirkende Überspannungs­ spitze in der Spannung U_e mit Sicherheit wieder abgeklungen ist und während der der Speicherkondensator C die Spannung an der Last Z konstant halten kann (was im gewählten Beispiel etwa für 20 ms der Fall ist). Bei Wiederzündung des Thyristors V1 muß allerdings auch sicher­ gestellt sein, daß der Löschstrom durch den Löschthyristor V2 sicher ver­ löschen kann, d. h. daß die Polarität am Kommutierungskondensator C_k sich gegenüber dem Beginn des Löschvorgangs umgepolt hat. Die Überwachung dieser Bedingungen erfolgt durch die Zünd- und Überwachungseinrichtung Ü.

Die zuvor geschilderte Funktionsweise ist in Fig. 2 anhand der Zeitverläufe der Spannung U_e der Gleichspannungsquelle Q, der Zündimpulse Z_{V 1} für den Thyristor V1 und der Zündimpulse Z_{V 2} für den Löschthyristor V2 sowie der Spannung U_Ck am Kommutierungskondensator C_k aufgezeigt.

Zum Zeitpunkt T₀ hat die Spannung U_e, die bis zu einem Scheitelwert Û_e ansteigt, eine für den Speicherkondensator C noch ungefährliche Höhe erreicht; jetzt tritt der Überspannungsschutz in Aktion.

Während des durch die Drosselspule L verlangsamten Laststromanstiegs wird der Löschthyristor V2 mit dem Zündimpuls Z_{V 2} gezündet, und es wird der Zündimpuls Z_{V 1} für den Thyristor V1 gesperrt. Der Kommutierungskonden­ sator C_k ist zunächst in der in Fig. 1 gezeichneten Polarität auf +U_Ck aufgelagen und übernimmt den Laststrom. Infolge des Kommutierungsvor­ gangs wird der Kommutierungskondensator C_k umgeladen. Die Umladezeit kann verschieden lang sein; sie ist abhängig vom zeitlichen Verlauf der Über­ spannungsspitze und des Laststromes i_L. Bei einem hohen Laststrom erfolgt die Umladung schnell (Kurve β der Spannung U_Ck), bei einem Leerlauf der Schaltungsanordnung dagegen langsam (Kurve α der Spannung U_Ck). Damit der Löschthyristor V2 sicher ausgeht, muß gewährleistet sein, daß beim Wiederzünden des Thyristors V1 die Polarität der Kommutierungsspannung U_Ck mit Sicherheit negativ ist, also die Punkte A bzw. A′ im Spannungsverlauf erreicht hat. Weiterhin muß sichergestellt sein, daß beim Wiederzünden des Thyristors V1 die Überspannung bereits abgeklungen ist. Dazu wird eine Zeit t, die größer als die Mindestzeit t_min 5 ms ist (aber kleiner als die Zeit ausreichender selbständiger Spannungsversorgung der Last Z durch den Speicherkondensator C von z. B. 20 ms ist), abgewartet. Das heißt, zum Zeit­ punkt A′ ist zwar die Spannung U_Ck negativ, die Mindestzeit t_min jedoch noch nicht überschritten, so daß der Thyristor V1 noch nicht wieder zünden kann.

Fig. 3 zeigt die Ausbildung der in Fig. 1 lediglich als Block gezeigten Zünd- und Überwachungseinrichtung Ü mit ihren externen Anschlüssen.

An den Anschluß 1 ist zum Erfassen einer Überspannung an der Gleich­ spannungsquelle Q deren Spannung U_e gelegt. Ist die Spannungsquelle ein Netzgleichrichter kann auch, wie gestrichelt dargestellt ist, dessen Wechsel­ eingangsspannung an den Eingang 1′ gelegt, transformiert (Wandler W) und gleichgerichtet (Diodenbrücke V5) werden.

Ein erster Komparator a vergleicht die über Widerstände R1, R2 herabge­ setzte Spannung mit einem definierten Spannungs-Normalwert und schaltet beim Überschreiten dieses Normalwertes den Eingang S eines Flip-Flops d.

An den R-Eingang des Flip-Flops d ist ein zweiter Komparator b gelegt, der umschaltet, wenn die beim Eingang 4 in die Zünd- und Überwachungs­ einrichtung Ü durch die Widerstände R3, R4 und die Diode V4 herabgesetzte Spannung des Kommutierungskondensators U_Ck eine negative, definierte Norm­ spannungshöhe überschreitet; gegenüber dem Bezugspunkt der Zünd- und Überwachungseinrichtung Ü ist die Spannung des Kommutierungskondensators positiv.

Der Ausgang des Flip-Flops d liefert Eingangsimpulse u_i für eine Zeitstufe f, die sicherstellt, daß ihre Ausgangssignale u_a stets gleich oder größer einer Mindestzeit t_min (also z. B. 15 ms) sind. Sind die Eingangssignale u_i kleiner als die Zeit t_min, sind die Ausgangssignale u_a die Mindestzeit t_min lang. Bei Eingangssignalen, die die Mindestzeit t_min überschreiten, haben die Ausgangssignale u_a deren Dauer.

Die Ausgangssignale u_a der Zeitstufe f beaufschlagen zum einen einen ersten Zündimpulsverstärker und -übertrager g zur Zündung des Löschthyristors V2 im Überspannungsfall und zum anderen den negierenden Eingang eines UND-Gliedes e. Der zweite Eingang des UND-Gliedes e ist an einen dritten Komparator c angeschlossen, der schaltet, wenn die an den Eingang 5 der Zünd- und Überwachungsschaltung Ü gelegte Spannung des Speicherkon­ densators C dessen durch die Widerstände R5, R6 definierte Betriebsnenn­ spannung erreicht.

Der Ausgang des UND-Gliedes e ist mit einem zweiten Zündimpulsver­ stärker und -übertrager h verbunden, der sobald das UND-Glied e ein entsprechendes Signal abgibt, Zündimpulse für den Thyristor V1 liefert.

Die in Fig. 1 gezeigte (Gleich-)Spannungsquelle Q kann durch eine Wechsel­ spannungsquelle mit einem nachgeschalteten Gleichrichter ersetzt werden. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, die den Stromanstieg bei Überspan­ nungen begrenzende, im Kommutierungskreis für den Strom durch den Thy­ ristor V1 liegende Drosselspule L wechselspannungsseitig zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Gleichrichter anzuordnen, da dann die Drosselspule L kleiner ausgeführt werden kann.

Eine Schaltungsanordnung, bei der die Drosselspule L wie zuvor erwähnt, wechselspannungsseitig zwischen eine Wechselspannungsquelle WS und eine nachgeschaltete Gleichrichterbrücke GR gelegt ist, zeigt Fig. 4.

Dabei ist das Schaltelement, das den Speicherkondensator C und die Last Z von der Spannungsquelle trennt durch zwei, jeweils einer Halbperiode der Wechselspannungsquelle WS zugeordnete Thyristoren V1 und V1′ gebildet. Die Thyristoren V1, V1′ schließen dabei einen Pol des Speicherkon­ densators C und den entsprechenden einen Anschluß der Last Z jeweils im gezündeten Zustand an die Wechselspannungsanschlüsse der Gleichrichter­ brücke GR an. Im den Speicherkondensator C bedrohenden Überspannungs­ fall wird der jeweils stromführende Thyristor V1 bzw. V1′ durch Zünden des ihm in Reihe mit dem Kommutierungskondensator C_k und einer (nicht näher bezeichneten) Diode der Gleichrichterbrücke GR parallelgeschalteten Löschthyristors V2 gelöscht. Die Überspannung wird durch den (wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 über den Ladewiderstand R in der ein­ gezeichneten Polarität aufgeladenen) Kommutierungskondensator C_k und die wechselspannungsseitig angeordnete Drosselspule L aufgenommen und damit vom Speicherkondensator C ferngehalten.

Auch bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 wird beim Start der gezeig­ ten Anordnung vor dem Zünden der Thyristoren V1 bzw. V1′ - ebenfalls wie zu Fig. 1 beschrieben - der Speicherkondensator C aus der Spannungs­ quelle über den Ladewiderstand R_V und die Blockdiode V3 geladen.

Die Überwachung der Spannungen und die Zündung der Thyristoren V1, V1′ und V2 erfolgt ebenfalls durch eine (nicht gezeigte) Zünd- und Über­ wachungseinrichtung analog der in Fig. 1 gezeigten.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz eines aus einer Spannungsquelle gespeisten, einer Last parallel geschalteten Speicherkondensators durch Abtrennen des Speicherkondensators und der Last von der Spannungsquelle durch ein Schaltelement für eine Zeitspanne, die noch eine sichere Spannungsversorgung der Last durch den Speicherkondensator gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindung zwischen der Spannungsquelle (Q) und der Parallelschaltung von Last (Z) und Speicherkondensator (C) eine den Stromanstieg begrenzende Drosselspule (L) geschaltet ist, daß das Schaltelement ein in den Zuleitungen von der Spannungsquelle (Q) zu dem Speicherkondensator (C) und der Last (Z) angeordneter Thyristor (V1, V1′) ist, der über eine bei Überspannung an der Spannungsquelle (Q) ansprechende Kommutierungseinrichtung (V2, C_k, L) löschbar ist und daß die Kommutierungseinrichtung aus einem über einen Ladewiderstand (R) aus der Spannungsquelle (Q) aufladbaren Kommutierungskondensator (C_k), einem Löschthyristor (V2) und der im Kommutierungskreis liegenden Drosselspule gebildet ist, wobei zwischen die Anodenanschlüsse des Thyristors (V1, V1′) und des Löschthyristors (V2) der Kommutierungskondensator (C_k) geschaltet ist und die Kathodenanschlüsse des Thyristors (V1, V1′) und des Löschthyristors (V2) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Spannungsquelle, die als Wechselspannungsquelle (WS) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (GR) ausgeführt ist, die Drosselspule (L) zwi­ schen die Wechselspannungsquelle (WS) und den Gleichrichter (GR) ge­ legt ist (Fig. 4).

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgang der Spannungsquelle (Q) eine Überwachungs­ einrichtung (Ü) geschaltet ist, durch die bei einer Überspannung an der Spannungsquelle (Q) während des durch die Drosselspule (L) verlang­ samten Anstiegs des noch durch den Thyristor (V1, V1′) abschaltbaren Stromes die Abgabe von Zündimpulsen an den Thyristor (V1, V1′) während der Zeit der Überspannung gesperrt wird und die Abgabe eines Zündimpulses an den Löschthyristor (V2) veranlaßt wird und durch die die Wiederzündung des Thyristors (V1, V1′) nur bei gegenüber der Po­ larität beim Zünden des Löschthyristors (V2) gewechselter Polarität des Kommutierungskondensators (C_k) veranlaßt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (Ü) gebildet ist durch

• - einen ausgangsseitig mit dem S-Eingang eines Flip-Flops (D) verbundenen, die Spannung an der Spannungsquelle mit einem Spannungs-Normalwert vergleichenden ersten Komparator (a),
• - einen ausgangsseitig mit dem R-Eingang des Flip-Flops (d) verbundenen, die Polarität und Höhe der Spannung an dem Kommutierungskondensator (C_k) mit einer Normalpolarität und Normalspannungshöhe vergleichenden zweiten Komparator (b),
• - eine mit dem Ausgang des Flip-Flops (d) verbundene Zeitstufe (f), die ausgangsseitig zum einen an einen ersten Zündimpulsübertrager und -verstärker (g) für den Löschthyristor (V2) und zum anderen an einen negierenden Eingang eines UND-Gliedes (e) angeschlossen ist,
• - einen die Spannung an dem Speicherkondensator (C) mit einem weiteren Normalwert einer Spannung vergleichenden dritten Kom­ parator (c), dessen Ausgang ebenfalls mit dem ausgangsseitig an einen zweiten Zündimpulsübertrager und -verstärker (h) für den Thyristor (V1) angeschlossenen UND-Glied (e) verbunden ist (Fig. 3).