DE4305768A1 - Netzanschlußgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzanschlußgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2.

Ein solches Netzanschlußgerät wird zwischen ein Drehstromnetz und einen Verbraucher geschaltet. In dem Buch: Kloss, Albert: Stromrichter-Netzrückwirkungen in Theorie und Praxis: EMC der Leistungselektronik, Aarau/Stuttgart: AT-Verlag, 1981, Seite 57 ist ein derartiges Netzanschlußgerät (in Gestalt einer Drehstrombrücke) mit ohmscher Last beschrieben. Bei einem andersartigen Verbraucher können unerwünschte Rückwirkungen auf das speisende Drehstromnetz entstehen. Solche Rückwirkungen treten insbesondere dann auf, wenn eine kapazitive Last an das Netzanschlußgerät angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit einer Drehstrombrücke ausgestattetes Netzanschlußgerät zu schaffen, das unabhängig von seiner ausgangsseitigen Belastung Netzrückwirkungen möglichst stark reduziert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Netzanschlußgerät nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2.

Vorteilhaft ist bei einem solchen Netzanschlußgerät, daß durch geregeltes Öffnen und Schließen der Schalter der durch die Ausgangsanschlüsse der Drehstrombrücke fließende und aus den Phasen des Drehstromnetzes gespeiste Strom dem Spannungsverlauf an den Ausgangsanschlüssen und - wegen der Durchschaltung der Dioden in der Drehstrombrücke - damit auch den Spannungen der drei Phasen folgt; weil dabei praktisch keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in den drei Phasen auftritt, wirkt der Stromrichter mit beliebiger nachgeschalteter Belastung bezüglich jeder Phase wie ein ohmscher Verbraucher.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von sieben Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Netzanschlußgerätes;

Fig. 2 den Spannungsverlauf am positiven Ausgangsanschluß der Drehstrombrücke,

Fig. 3 den "geglätteten" Stromverlauf, wie er an jedem eingangsseitigen Anschluß der Drehstrombrücke auftritt,

Fig. 4 einen Schaltplan einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Netzanschlußgerätes,

Fig. 5 den Stromverlauf, wie er an jedem eingangsseitigen Anschluß der Drehstrombrücke in der Schaltung nach Fig. 4 auftritt,

Fig. 6 den durch eine Computersimulation ermittelten Stromverlauf für eine Halbwelle an einem (beliebigen) Eingangsanschluß der Drehstrombrücke;

Fig. 7 einen Schaltplan einer Ausführungsform nach Fig. 4 mit vorgeschalteten Saugkreisen, die jeweils aus einer Kapazität und einer Drossel bestehen.

In Fig. 1 ist ein Schaltplan eines Netzanschlußgerätes, welches eine Drehstrombrücke (1) mit einem positiven Ausgangsanschluß (2) und einem negativen Ausgangsanschluß (3) aufweist, dargestellt. Die Drehstrombrücke (1) ist in an sich bekannter Weise ausgeführt und mit drei eingangsseitigen Anschlüssen (4) an drei Phasen (u, v, w) eines Drehstromnetzes angeschlossen. Sie gibt über ihre beiden Ausgangsanschlüsse (2, 3) eine sechspulsige Gleichspannung ab; der positive Ausgangsanschluß (2) hat also in bezug auf den negativen Ausgangsanschluß (3) während des Betriebes stets ein höheres Potential.

Das Netzanschlußgerät benötigt eingangsseitig zusätzlich zu den drei für die Einspeisung der drei Phasen (u, v, w) des Drehstromnetzes bestimmten Anschlüssen (4) einen Nulleiter (N).

Jeder der für die drei Phasen (u, v, w) bestimmte Anschluß (4) ist in an sich bekannter Weise an jeweils zwei Dioden (5) der Drehstrombrücke (1) geführt, und zwar an einen Anodenkontakt bei der einen Diode (5) und an einen Kathodenkontakt bei der anderen Diode (5) (vgl. Kloss, Albert: Stromrichter-Netzrückwirkungen in Theorie und Praxis: EMC der Leistungselektronik, Aarau/Stuttgart: AT- Verlag, 1981, Seite 57, Bild 10c).

Kathodenkontakte und Anodenkontakte, die nicht mit den drei vorgenannten Anschlüssen verbunden sind, sind jeweils zusammengeschaltet und bilden die zwei Ausgangsanschlüsse (2, 3) der Drehstrombrücke (1). Die verschalteten Kathodenkontakte bilden den positiven Ausgangsanschluß (2), die verschalteten Anodenanschlüsse den negativen Ausgangsanschluß (3). An den drei Phasen (u, v, w) des Drehstromnetzes liegen jeweils Spannungen von 230 V, bezogen auf den Nulleiter (N). Bei positiven Spannungshalbwellen an mindestens einer der drei Phasen (u, v, w) des Drehstromnetzes liegt zwischen dem positiven Ausgangsanschluß (2) und dem Nulleiter (N) eine positive Spannung, bei negativen Halbwellen liegt eine negative Spannung zwischen negativem Ausgangsanschluß (3) und Nulleiter (N).

Zwischen den positiven Ausgangsanschluß (2) und den Nulleiter (N) ist ein Hochsetzsteller in der Weise geschaltet, daß die Drossel (5) des Hochsetzstellers mit dem positiven Ausgangsanschluß (2) verbunden ist. Ein derartiger Hochsetzsteller ist beispielsweise aus der "Technischen Mitteilung" von SIEMENS: "Schaltnetzteile", S3, 03/85, Seite 14 bekannt. Zwischen dem negativen Ausgangsanschluß (3) und dem Nulleiter (N) ist ein weiterer Hochsetzsteller angeschlossen, und zwar derart, daß dessen Drossel (6) an dem negativen Ausgangsanschluß (3) liegt. Ferner ist die Diode (7) dieses Hochsetzstellers umgekehrt gepolt wie die Diode (8) des anderen Hochsetzstellers, sie ist mit ihrem Kathodenanschluß mit der Drossel (6) verbunden. Bei Hochsetzstellern ist die Ausgangsspannung ihrem Betrage nach stets größer oder gleich der Eingangsspannung. Damit dies auch bei negativen Eingangsspannungen der Fall ist, muß die Polung der Diode (7) umgekehrt sein im Vergleich zu dem Falle von positiven Eingangsspannungen.

Die Drosseln (5, 6) der beiden Hochsetzsteller haben jeweils eine Induktivität von 400 bis 800 · 10^-6 H. Als Kondensatoren sind Elektrolytkondensatoren (9, 10) eingesetzt. Der eine, in Fig. 1 oben eingezeichnete Elektrolytkondensator (9) ist mit seinem positiven Anschluß an die Kathode der Diode (8) des einen Hochsetzstellers angeschlossen, der andere mit seinem negativen Anschluß an die Anode die Diode (7) des anderen Hochsetzstellers. Die Elektrolytkondensatoren (9, 10) sind also in der Weise gepolt, daß sie die Ausgangsspannungen der Hochsetzsteller glätten.
Wenn ein Schalter (11) eines Hochsetzstellers geschlossen ist, entsteht in diesem Hochsetzsteller ein Stromkreis, der, ausgehend von den Phasen (u, v, w), über die Drehstrombrücke (1) und die Drossel (5, 6) zurück zum Nulleiter (N) verläuft. Bei geschlossenem Schalter (11) wird also die in dem Stromkreis liegende Drossel (5, 6) aufmagnetisiert, d. h. sie nimmt magnetische Energie auf. Nach dem Öffnen des Schalters (11) gibt die Drossel (5, 6) die gespeicherte Energie wieder ab, indem sie einen bereits bei geschlossenem Schalter (11) auftretenden Stromfluß durch die Drossel (5, 6) kurze Zeit aufrechterhält. Mit dem Öffnen des Schalters (11) ist eine Spannungsumkehr der an der jeweiligen Drossel (5, 6) anliegenden Spannung verbunden.

Bei dem an dem positiven Ausgangsanschluß (2) angeschlossenen Hochsetzsteller fließt der Strom nach Öffnen des Schalters (11) durch die nachgeschaltete Diode (8) zu dem Elektrolytkondensator (9) und gegebenenfalls zu einem angeschlossenen Verbraucher. Da die Drosseln (5, 6) nur eine kleine Induktivität haben, tritt praktisch keine Phasenverschiebung zwischen der Spannung jeder Phase (u, v, w) und dem Strom auf. Wegen der kleinen Induktivität ist allerdings die Speicherwirkung der Drosseln (5, 6) für magnetische Energie nur sehr gering. Damit ein möglichst gleichmäßiger Stromfluß aufrechterhalten wird, müssen die Schalter (11) mit hoher Frequenz geschaltet werden. Das Öffnen und Schließen der Schalter (11) wird so gesteuert, daß der durch die Drosseln (5, 6) fließende Strom der Spannung an den Ausgangsanschlüssen (2, 3) der Drehstrombrücke (1) folgt. Dazu wird diese Spannung und eine dem Strom proportionale Spannung, für beide Hochsetzsteller getrennt, an den Eingang eines Komparators geführt; das Ausgangssignal des Komparators wird zur Ansteuerung der Schalter (11) genutzt. Wenn - bei offenem Schalter (11) - die am Eingang des Komparators anliegende Spannungsdifferenz einen bestimmten vorgebbaren Grenzwert unterschreitet, wird der Schalter (11) geschlossen, wodurch der Stromfluß durch die Drossel (5, 6) ansteigt. Wenn nun nach Ansteigen der Stromstärke die Spannungsdifferenz über dem vorgegebenen Grenzwert liegt, öffnet der Schalter (11), und die Drossel (5, 6) des jeweiligen Hochsetzstellers magnetisiert sich ab. Die Höhe des Grenzwertes für die Spannungsdifferenz hat also wesentlichen Einfluß auf die Schaltfrequenz; ferner sind dafür mitbestimmend der zeitliche Verlauf von Spannung und Strom; die Frequenz ist damit letztendlich auch vom Verbraucher abhängig. Zwischen den nicht mit dem Nulleiter (N) verbundenen Anschlüssen (12, 13) der Elektrolytkondensatoren (9, 10) ist als Ausgangsspannung des Netzschaltgerätes eine sechspulsige Gleichspannung abgreifbar; diese Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen (12, 13) ist die Summe der an den (hintereinandergeschalteten) Elektrolytkondensatoren (9, 10) anliegenden Spannungen; an diese Anschlüsse (10, 11) läßt sich ein Verbraucher anschließen, der mit Gleichspannung versorgt werden soll.
Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf (14) zwischen dem positiven Ausgangsanschluß (2) der Drehstrombrücke (1) und dem Nulleiter (N). Es sind drei positive Spannungshalbwellen der drei Phasen (u, v, w) angedeutet, eine durchgezogene Linie gibt den Spannungsverlauf (14) in Form einer mehrpulsigen Gleichspannung wieder. Es ist stets nur eine der drei anodenseitig mit den drei Phasen (u, v, w) verbundenen Dioden (5) der Drehstrombrücke (1) leitend; dies hängt mit der Phasenverschiebung der drei eingangsseitig anliegenden Spannungen zusammen. Während eine Diode (5) sich im leitenden Zustand befindet, liegt eine entsprechend hohe Spannung am Stromausgang der Drehstrombrücke (1); zu dieser Zeit sind die Spannungen der anderen beiden Phasen (u, v, w) niedriger, die anderen beiden Dioden (5) sperren also.
Entsprechende Überlegungen gelten für den negativen Ausgangsanschluß (3) der Drehstrombrücke (1), der in Fig. 1 unten zu sehen ist und an dem ebenfalls ein (wellenförmiger) Spannungsverlauf auftritt, allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen zu dem in Fig. 2 dargestellten Verlauf.

Fig. 3 zeigt vereinfachend den "geglätteten" Stromverlauf (15) an einem (beliebigen) eingangsseitigen Anschluß (4) der Drehstrombrücke (1). Bei einer exakten Darstellung des Stromverlaufes (15) müßte eine Zickzacklinie in Höhe des gezeichneten Stromverlaufes (15) dargestellt werden.

Wenn die beiden mit der jeweiligen Phase (u, v, w) verbundenen Dioden (5) der Drehstrombrücke (t) sperren, geht der Strom sprungartig auf null zurück; umgekehrt steigt er sprungartig (in seinem Betrag), wenn eine der beiden mit der jeweiligen Phase (u, v, w) verbundenen Dioden (5) stromführend ist. Diese Sprünge im Stromverlauf (15) verursachen eine Oberwelle mit einer Frequenz von 150 Hz. Während einer positiven Spannungshalbwelle sind diese Dioden (5), im Vergleich zur Periodendauer, jeweils nur sehr kurze Zeit gesperrt, nämlich in jeder Periode für 330° Omega · t 30° und für 150° Omega · t 210°, (mit Omega = 2πf und f: Frequenz des speisenden Drehstromnetzes). Der Strom jeder Phase (u, v, w) ist also einem sinusförmigen Verlauf angenähert, was einen besonders geringen Strom-Klirrfaktor garantiert.

Fig. 4 zeigt einen Schaltplan für ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Netzanschlußgerätes; der Schaltplan ist fast identisch mit dem der Fig. 17 es sind lediglich die Drosseln (5, 6) in den Hochsetzstellern nach Fig. 1 durch jeweils ein verbindendes Leitungsstück ersetzt worden und vor die drei eingangsseitigen Anschlüsse (4) der Drehstrombrücke (1) jeweils eine Drossel (18) mit einer Induktivität von 400 bis 800 · 10^-6 H eingefügt worden. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. Für die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels gilt im wesentlichen das zu Fig. 1 Gesagte. Je nach Stellung der Schalter (11) werden die Drosseln (18) entweder auf- oder abmagnetisiert.

In Fig. 5 ist vereinfacht der "geglättete" Stromverlauf (15) an einem (beliebigen) der drei eingangsseitigen Anschlüsse (4) der Drehstrombrücke (1) nach Fig. 4 zu sehen. In einer exakten Darstellung müßte dem Stromverlauf (15) entlang eine Zickzackkurve dargestellt werden.
Bei einem Vergleich mit dem Stromverlauf (15) in Fig. 3 ist deutlich zu sehen, daß keine Sprünge der Stromstärke auftreten, der Klirrfaktor ist folglich auch kleiner.

Fig. 6 zeigt als Ergebnis einer Computersimulation in einer Zickzacklinie den Stromverlauf (16) an einem eingangsseitigen Anschluß der Drehstrombrücke (1) in einem Schaltgerät nach Fig. 4, an das ein Verbraucher angeschlossen ist.
Der besseren Darstellbarkeit des Stromverlaufes (16) wegen ist eine recht niedrige Schaltfrequenz zugrundegelegt worden, d. h. die Drosseln (5, 6) werden ziemlich stark abmagnetisiert, ehe die Schalter (11) wieder schließen. In der Realität werden Schaltfrequenzen bis über 20 000 Hz angestrebt. Es ist deutlich zu sehen, daß die Schaltfrequenz - neben anderen Einflußgrößen - auch vom Stromverlauf abhängt, also davon, wie stark der Strom steigt oder fällt; bei flacher Stromkurve - in der Mitte der Spannungshalbwelle - ist die Schaltfrequenz geringer. Eine durchgezogene Linie gibt den Mittelwert (17) des Stromes an, um den die Zickzacklinie gelegt ist. Es ist - ähnlich wie in Fig. 5 - deutlich zu sehen, daß bei diesen (realen) Verhältnissen der Strom nicht sprunghaft auf null fällt, wie in Fig. 3 dargestellt ist, sondern daß ein relativ "weicher" Stromübergang auftritt.

Die Fig. 7 illustriert eine weitere Ausgestaltung des Netzanschlußgerätes nach Fig. 4. Der dargestellte Schaltplan entspricht im wesentlichen dem der Fig. 4, es ist lediglich zwischen den drei Phasen (u, v, w) des Drehstromnetzes (vor den Drosseln 18) und dem Nulleiter (N) jeweils ein Saugkreis geschaltet; jeder Saugkreis besteht aus einer Reihenschaltung einer Drossel (19) und eines Kondensators (20). Die Saugkreise haben jeweils eine Resonanzfrequenz von 150 Hz. Die Einfügung der Saugkreise trägt dazu bei, daß der Klirrfaktor der Stromes vermindert wird. Die Saugkreise unterdrücken für jede Phase (u, v, w) die Oberwelle des Stromes, die von den mehr oder weniger stark ausgeprägten "Sprüngen" des Stromes beim Sperren der jeweiligen Dioden (5) herrührt; diese "Sprünge" oder "Übergänge" zum nichtleitenden Zustand sind in den Fig. 3 und 5 bei 30°, 150°, 210° und 330° zu sehen.

Claims (7)

1. Netzanschlußgerät mit einer einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß aufweisenden Drehstrombrücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstrombrücke (1) zusätzlich einen durchgehenden Nulleiter (N) aufweist, daß ein erster Hochsetzsteller zwischen dem Nulleiter (N) und dem positiven Ausgangsanschluß (2) und ein zweiter Hochsetzsteller zwischen dem Nulleiter (N) und dem negativen Ausgangsanschluß (3) derart geschaltet ist, daß die beiden Ausgangsspannungen der Hochsetzsteller sich zu der Ausgangsspannung des Netzanschlußgerätes addieren, daß die Schalter (11) der Hochsetzsteller in Abhängigkeit von der Differenz einer dem durch die Drosseln (5, 6) fließenden Strom proportionalen Spannung und der am Ausgangsanschluß (2 oder 3) der Drehstrombrücke (1) anliegenden Spannung geschaltet werden und daß die Drosseln (5, 6) der Hochsetzsteller eine so kleine Induktivität aufweisen, daß eingangsseitig zwischen Strom und Spannung jeder Phase der Drehstrombrücke (1) praktisch keine Phasenverschiebung auftritt.

2. Netzanschlußgerät mit einer einen positiven und einen negativen Ausgangsanschluß aufweisenden Drehstrombrücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstrombrücke (1) zusätzlich einen durchgehenden Nulleiter (N) aufweist, daß zwischen dem positiven Ausgangsanschluß und dem Nulleiter (N) ein Schalter (11) angeordnet ist, daß parallel zu diesem Schalter (11) eine Reihenschaltung aus einer mit ihrer Anode mit dem positiven Ausgangsanschluß (2) verbundenen Diode (8) und einem Kondensator (9) geschaltet ist, daß zwischen dem negativen Ausgangsanschluß (3) und dem Nulleiter (N) ein weiterer Schalter (11) angeordnet ist, daß parallel zu diesem Schalter (11) eine weitere Reihenschaltung aus einer mit ihrer Kathode mit dem negativen Ausgangsanschluß (3) verbundenen Diode (7) und einem Kondensator (10) geschaltet ist, daß die Spannungen an den Kondensatoren (9, 10) sich zu der Ausgangsspannung des Netzanschlußgerätes addieren und daß der Drehstrombrücke (1) eingangsseitig an den Anschlüssen (4) für die drei Phasen (u, v, w) jeweils eine Drossel (18) vorgeschaltet ist.

3. Netzanschlußgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem der Drehstrombrücke (1) abgewandten Anschluß einer jeden Drossel (18) und dem Nulleiter (N) jeweils ein Saugkreis, bestehend aus einer Reihenschaltung einer weiteren Drossel (19) und eines Kondensators (20), geschaltet ist.

4. Netzanschlußgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Saugkreis auf 150 Hz abgestimmt ist.

5. Netzanschlußgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (5, 6, 18) eine Induktivität L von weniger als einem Milli-Henry (L 1 mVs/A) aufweisen.

6. Netzanschlußgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (9, 10) Elektrolytkondensatoren sind.

7. Verwendung eines Netzanschlußgerätes nach einem der vorangehenden Ansprüche als Vorschaltgerät für einen getakteten Umrichter.