DE4018748A1 - Frequenzumrichter mit gleichspannungs-zwischenkreis - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Frequenzumrichter mit Gleich­ spannungs-Zwischenkreis, bestehend aus einem Leistungskreis, einer Steuerschaltung, die Elemente des Leistungskreises steuert und Signale aus dem Leistungskreis empfängt, und einer oder mehreren Benutzerschnittstellen, über die die Steuer­ schaltung Befehle und Daten erhält und Meldungen und Daten abgibt.

Die Steuerschaltung erzeugt alle zum Betrieb des Frequenz­ umrichters erforderlichen Signale. Hierzu gehören insbesondere die die Leitfähigkeit der Leistungshalbleiter, z. B.Transistoren oder Mosfets, steuernden Zündsignale. Über eine oder mehrere Benutzerschnittstellen bezieht die Steuerschaltung Sollwerte und Befehle und gibt Meldungen ab. Zwischen der Steuerschaltung und den Leistungshalbleitern oder anderen im Leistungskreis liegenden Punkten müssen Signale, wie Zündsignale, Fehler­ meldungen, Meßwerte, und in manchen Fällen auch Energie übertragen werden. Für diese Signal- und Energieübertragung muß eine zuverlässige Isolation sichergestellt sein. Die Isolation wiederum muß entsprechend den auftretenden Spannungen bemessen sein.

Bisher war es üblich, die Steuerschaltung mit dem Bezugs­ potential ihrer Versorgungsspannung entweder auf Erde oder auf das Bezugspotential Masse der Benutzerschnittstelle zu legen. Ein Festlegen auf Erde führt jedoch zu der Gefahr, des Einschleppens von Störspannungen. Dies geschieht beispielsweise dann, wenn über die Benutzerschnittstelle ein Gerät mit ebenfalls geerdeter Versorgungsspannung angeschlossen ist. Aus diesem Grund wird die Versorgungsspannung der Steuerschaltung vorzugsweise "freischwebend" ausgeführt und allenfalls über Masse-Verbindungen der Benutzerschnittstelle potentialmäßig festgelegt.

Für die Isolation zwischen Steuerschaltung und Leistungskreis sind nach den gültigen Richtlinien (VDE 0160) folgende Bemessungsspannungen zugrundezulegen:

Bei "freischwebender Versorgung" ist dies die höchste der in einem der beiden Kreise auftretenden Spannungen (AC oder DC), in der Regel also die Zwischenkreisspannung, d. h. 550 V bei einem 400 V-Netz.

Bei geerdeter Versorgung der Steuerschaltung und starr geerdeter Leistungseinspeisung ist dies die höchste Spannung eines der beiden Kreise gegen Erde (AC oder DC). Bei Drehstromnetzen mit geerdetem Sternpunkt ergibt sich die halbe Zwischenkreisspannung, d. h. 275 V bei einem 400 V-Netz, da die Zwischenkreisspannung symmetrisch zum Sternpunkt der Netzspannung liegt. Ist hingegen die Leistungseinspeisung mit einem der Außenleiter geerdet, so steigt die Bemessungsspannung etwa um den Faktor , also um etwa 1,22 an. Voraussetzung hierbei ist immer eine zuverlässige Erdverbindung über den Schutzleiter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf die Isolation ausgeübte Belastung, also die zugrundezulegende Bemessungs­ spannung entscheidend zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzumrichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Bezugspotential der Steuerschaltung auf den Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung gelegt ist, daß die Steuerschaltung mit einem Mikrorechner mit Benutzerschnittstelle in Form von digitalen isolierenden Datenverbindungen ausgeführt ist und daß die Benutzerschnittstelle mit einer Bemessungsspannung von mindestens der Zwischenkreisspannung isoliert ist.

Als eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Isolation der Benutzerschnittstelle nach dem Prinzip der sicheren Trennung durchgeführt wird. Damit wird es möglich, daß auch Geräte der Schutzklasse II nach VDE 0106, Teil 1, bzw. Geräte mit Schutzisolation oder Schutzklein­ spannung angeschlossen werden können.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Frequenzumrichter vorbekannter Art, dessen Steuerschaltung auf das Bezugspotential Masse der Benutzerschnittstelle gelegt ist, in

Fig. 2 eine ebenfalls vorbekannte Ausführung, bei der die Steuerschaltung mit dem Bezugspotential ihrer Versorgungsspannung auf Schutzerde gelegt ist, und in

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Frequenzumrichter, bei dem das Bezugspotential der Steuerschaltung auf den Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung gelegt ist.

In allen drei Figuren ist jeweils die Steuerschaltung mit der Ziffer 1, das Bezugspotential der Steuerschaltung mit der Ziffer 2 und die Zwischenkreisspannung mit der Ziffer 3 gekennzeichnet. Die Ziffern 4 und 5 bezeichnen Schaltungen im Leistungskreis, während Signal- und Leistungsübertragungen zwischen der Steuerschaltung und dem Leistungskreis mit den Ziffern 6 bis 8 belegt sind. Signalübertragungen über die Benutzerschnittstelle sind mit den Ziffern 9 und 10 versehen. Mit 11 ist eine Leistungseinspeisung, die mit oder ohne Schutzleiter erfolgen kann, gekennzeichnet. Weitere Elemente, die allen Ausführungen gemeinsam sind, sind ein Gleichrichter 12, ein Leistungsausgang 13 und eine Benutzerschnittstelle 14 mit angeschlossenen Geräten. Schließlich besitzen alle drei Ausführungen einen Schutz 15 gegen direktes Berühren.

Wie aus dem Vergleich der drei Ausführungen deutlich wird, sind für die Isolation unterschiedliche Maßnahmen zu treffen. Bei der "freischwebenden Versorgung" der Fig. 1 sind zwischen den Signal- und Leistungsübertragungen 6 bis 8 Isolationen 16 zwischen zwei Stromkreisen notwendig. Der Frequenzumrichter der Fig. 2 besitzt an diesen Stellen Isolationen 17 zwischen zwei geerdeten Stromkreisen.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung wird durch eine Verbindung 18 des Bezugspotentials 2 der Steuerschaltung 1 mit einem Punkt 19 des Leistungskreises erreicht, daß es sich bei den Isolationen 20 nicht mehr um Isolationen zwischen zwei Stromkreisen, sondern um solche innerhalb eines Stromkreises handelt. Als die für die Stärke der Isolation gültige Bemessungsspannung ist jetzt der Effektivwert der jeweils vorhandenen Spannung einzusetzen. Wählt man als Bezugspunkt die Mitte der Zwischenkreisspannung, so wird die maximale Bemessungsspannung gleich der halben Zwischenkreisspannung, unabhängig von einer eventuellen Erdung der Leistungseinspeisung.

Die Steuerschaltung 1 ist mit einem Mikrorechner mit Benutzerschnittstelle in Form von digitalen isolierenden Datenverbindungen ausgeführt. Daher ist auch die Benutzer­ schnittstelle 14 mit einer Bemessungsspannung von mindestens der Zwischenkreisspannung isoliert.

Im Gegensatz zur Signalübertragung zwischen Steuerschaltung und Leistungskreis, wo über 200 kBit/s benötigt werden, ist für die beim Erfindungsgegenstand verwendete Datenverbindung eine relativ niedrige Übertragungsgeschwindigkeit von etwa 9,6 kBit/s und weniger ausreichend. Es lassen sich also problemlos auch langsamere Signalübertrager mit besonders hoher Isolationsspannung einsetzen, wie z. B. Lichtwellenleiter- Übertrager oder Optokoppler, die der für "sichere Trennung" aufgestellten Richtlinie des VDE entsprechen. Die strich­ punktierte Linie 21 der Fig. 3 symbolisiert hier die "sichere Trennung".

Claims (2)

1. Frequenzumrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis, bestehend aus einem Leistungskreis, einer Steuerschaltung, die Elemente des Leistungskreises steuert und Signale aus dem Leistungskreis empfängt, und einer oder mehreren Benutzerschnittstellen, über die die Steuerschaltung Befehle und Daten erhält und Meldungen und Daten abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bezugspotential (2) der Steuerschaltung (1) auf den Mittelpunkt der Zwischenkreis­ spannung (3) gelegt ist, daß die Steuerschaltung (1) mit einem Mikrorechner mit Benutzerschnittstelle (14) in Form von digitalen isolierenden Datenverbindungen ausgeführt ist und daß die Benutzerschnittstelle (14) mit einer Bemessungsspannung von mindestens der Zwischenkreisspannung (3) isoliert ist.

2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation der Benutzerschnittstelle (14) nach dem Prinzip der "sicheren Trennung" durchgeführt ist.