DE4310233C2 - Schutzschaltung für induktive Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für induktive Ver­ braucher.

Eine Schutzschaltung, die einen Überspannungsab­ leiter umfaßt, ist im Patent DE 33 17 758 beschrieben. Auch aus der US-Patentschrift 4,494,163 ist eine Schutzschaltung be­ kannt, die eine Kombination aus einem Kondensator, einem Wider­ stand und einem Überspannungsableiter umfaßt. Diese vorbekann­ ten Schutzschaltungen sind allerdings für dauerhaften Einsatz ungeeignet, da nur eine zeitlich begrenzte Beanspruchung der Überspannungsableiter möglich ist.

Eine weitere Schutzschaltung ist aus der Veröffentlichung JP1-85530 A (in: Patent Abstracts of Japan, sect. E, Vol. 13, 1989), Nr. 317 (E789)) bekannt. Diese Schutzschaltung ist für den Einsatz in einem Drehstromnetz vorgesehen und umfaßt eine Gleichrichterdiodenschaltung, an deren Gleichspannungsausgänge parallel zueinander ein Kondensator und ein Widerstand ange­ schlossen sind.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, durch die ein induktiver Verbraucher dauerhaft und zuverlässig gegen schädliche Überspannungen geschützt wird, die sich zwangsläufig aufgrund seiner Speisung aus einer geschalte­ ten Versorgungsspannungsquelle ergeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein Kondensator vorgesehen ist, der zwischen einem auf einem erhöhten Potential gehaltenen Schaltungspunkt und einem Schutzleiteranschluß angeordnet ist, wobei der Kondensator zusammen mit einer zusätzlichen Diode unmittelbar an dem zu schützenden Verbraucher angeordnet und der von dem Schutzleiter abgewandte Anschluß des Kondensators mit einer Entladeeinrichtung verbunden ist.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die transienten Überspannungen, die sich bei der Speisung eines induktiven Ver­ brauchers aus einer geschalteten Versorgungsspannungsquelle, wie z. B. einem Schaltnetzteil oder einem Frequenzumsetzer, er­ geben, wenn die steilen Schaltflanken bei entsprechender Lei­ tungslänge zum Verbraucher aufgrund der Induktivität des An­ schlußkabels und der Wicklungskapazität des Verbrauchers zu Resonanzschwingungen in diesen führen, nur dann wirksam verhin­ dert werden können, wenn unmittelbar am Verbraucher hinter der Ableitdiode eine entsprechende Ladungsspeicherkapazität angebo­ ten wird.

Aus der DE-OS 32 15 551 ist zwar bereits eine Schaltungsanord­ nung für den Schutz von Halbleiter-Schnittstellenschaltungen bekannt, bei der die von der Signalleitung abgewandten An­ schlüsse der Ableitdioden über eine Kapazität an Bezugspoten­ tial gelegt sind; bei der bekannten Schutzschaltung handelt es sich bei diesem Bezugspotential jedoch offenbar um das Bezugs­ potential für das Halbleitersubstrat und nicht um einen Schutz­ leiteranschluß. Außerdem ist die bekannte Schutzschaltung all­ gemein für gelegentlich auftretende Überspannungen ausgelegt, ohne eine Anregung bezüglich der räumlichen Anordnung der Schaltungselemente im Hinblick auf die Eigenschaften eines An­ schlußkabels und eines induktiven Verbrauchers oder dergleichen zu enthalten. Die in der DE-OS 32 15 551 vorgeschlagene Schutz­ schaltung entspricht damit zumindest hinsichtlich der Dioden und Kondensatoren einer üblichen Schutzschaltung für Halblei­ ter.

Auch aus der US-Patentschrift 3,293,505 ist eine Schaltungsan­ ordnung aus einem Kondensator, einer Diode und einem Widerstand bekannt, die zum Schutz eines Halbleiterschalters, nicht aber zum Schutz des angeschlossenen induktiven Verbrauchers dient. Auch diese Druckschrift gibt keine Anregung bezüglich der räum­ lichen Anordnung der Schaltungselemente im Hinblick auf die Ei­ genschaften eines Anschlußkabels oder des induktiven Verbrau­ chers.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es bei induktiven Verbrau­ chern mit elektrisch leitfähigem Gehäuse vorteilhaft, wenn auch das Gehäuse direkt mit dem Schutzleiter verbunden ist. In die­ sem Fall kann das Auftreten von Überspannungen zwischen dem leitfähigen Gehäuse und den Windungen des üblicherweise als Spule ausgebildeten induktiven Verbrauchers nämlich besonders wirksam unterdrückt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es fer­ ner günstig, wenn zum Ableiten einer Überspannung mit der zu der vorgegebenen Polarität entgegengesetzten Polarität eine weitere Diode mit zu der einen Diode entgegengesetzter Polung zwischen dem der Versorgungsspannungsquelle zugewandten An­ schluß des Verbrauchers und einem weiteren Schaltungspunkt an­ geordnet ist, der auf einem gegenüber der Versorgungsspannung zumindest um die Durchlaßspannung der Diode erhöhten Potential gehalten wird, und wenn zwischen diesem weiteren Schaltungs­ punkt und dem Schutzleiter ein weiterer Kondensator angeordnet ist.

Zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Merk­ male weiterer Unteransprüche gekennzeichnet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nächste­ hend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipienschaltbild einer Schutzschaltung zum Schutz eines induktiven Verbrauchers gegen Über­ spannungen einer vorgegebenen Polarität;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Schutzschaltung zum Schutz eines induktiven Verbrauchers gegen Über­ spannungen beliebiger Polarität;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Schutzschaltung zum Schutz eines mit beiden Enden an eine geschalte­ te Versorgungsspannungsquelle angeschlossenen induktiven Verbrauchers gegen Überspannungen be­ liebiger Polarität;

Fig. 4 eine der Schutzschaltung gemäß Fig. 3 entspre­ chende Schutzschaltung, wobei die geschaltete Versorgungsspannungsquelle detaillierter darge­ stellt ist und

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Schutzschaltung gemäß der Erfindung zum Schutz der Wicklungen eines Dreh­ strommotors gegen Überspannungen.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen induktiven Verbraucher 10, der über eine Anschlußleitung 12 aus einer geschalteten Versor­ gungsspannungsquelle 14 gespeist wird, die schematisch als Se­ rienschaltung einer Gleichspannungsquelle 16 und eines Schal­ ters 18 dargestellt ist. Bei einer derartigen Schaltung kann es aufgrund der gestrichelt eingezeichneten Induktivität 11 der Anschlußleitung 12 und der Wicklungskapazität 13 des Verbrau­ chers 10 in Abhängigkeit von den steilen Flanken der Spannungs­ impulse, die durch Betätigung des Schalters 18 erzeugt werden, bei dem es sich üblicherweise um einen schnell schaltenden Halbleiter-Schalter handelt, sowie in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz des Schalters 18 zu erheblichen Überspannungen kommen, die beispielsweise bei einem induktiven Verbraucher 10 in Form einer Spule, die in einem metallischen Gehäuse angeord­ net ist, zu erheblichen Spannungen zwischen der Spule und dem Gehäuse führen können, wobei das wiederholte Auftreten derarti­ ger Überspannungen letztlich zu einer Zerstörung der immer wie­ der überlasteten Isolation zwischen Spule und Gehäuse führt.

Zum Schutz des induktiven Verbrauchers 10 gegen derartige Über­ spannungen ist gemäß Fig. 1 der eine Anschluß des induktiven Verbrauchers 10, dessen anderer Anschluß geerdet ist, über eine Diode 20 und einen Kondensator 22 mit Erde beziehungsweise mit dem Schutzleiteranschluß verbunden, der üblicherweise auch an ein den induktiven Verbraucher 10 umgebendes elektrisch leiten­ des Gehäuse angeschlossen ist.

Der von dem Schutzleiter abgewandte Anschluß des Kondensators 22 wird mittels einer weiteren Spannungsquelle 24 über einen Widerstand 26 auf einem Potential gehalten, welches zumindest um die Durchlaßspannung der Diode 20 gegenüber der zulässigen Höchstspannung an dem induktiven Verbraucher 10 erhöht ist. So­ bald die Spannung an dem induktiven Verbraucher 10 ihren vorge­ gebenen zulässigen Höchstwert übersteigt, wird die Diode 20 leitend, wodurch ein weiterer Spannungsanstieg an dem Verbrau­ cher 10 verhindert wird. Dabei wird der Kapazitätswert des Kon­ densators 22 vorzugsweise deutlich größer gewählt als die in der Praxis stets vorhandenen Kapazitäten des induktiven Ver­ brauchers 10. Andererseits wird ein überhöhter Strom über die Anschlußleitung 12 und eine damit möglicherweise verbundene Überlastung der Halbleiter der Versorgungsspannungsquelle da­ durch vermieden, daß der Kondensator 22 bereits vor der ersten Betätigung des Schalters 18 über den Widerstand 26 auf die Spannung der weiteren Spannungsquelle 24 aufgeladen wird, so daß lediglich die abzubauende Überspannung zu einem Stromfluß auf den Kondensator 22 führt.

Sobald die Überspannungsbedingungen an dem induktiven Verbrau­ cher 10 enden, was üblicherweise innerhalb einer extrem kurzen Zeit von beispielsweise einigen Nanosekunden der Fall ist, sperrt die Diode 20. Der aufgeladene Kondensator 22 kann sich nunmehr mit Hilfe der Entladeeinrichtung (24, 26) über den Wi­ derstand 26 wieder auf die Spannung der weiteren Spannungsquel­ le 24 entladen.

Die Schutzschaltung gemäß Fig. 1 ist nur bei Überspannungen einer vorgebenen Polarität - beim Ausführungsbeispiel bei einer positiven Überspannung - am nicht geerdeten Anschluß des induk­ tiven Verbrauchers 10 wirksam. Wenn auch Überspannungen entge­ gengesetzter Polarität - negative Überspannungen - abgeleitet werden sollen, dann muß die Schutzschaltung S mit ihren Elemen­ ten 20, 22, 24,26 gewissermaßen verdoppelt werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, wo zusätzlich zu der Schutzschaltung S ei­ ne Schutzschaltung S' zum Ableiten negativer Überspannungen vom nicht geerdeten Anschluß des Verbrauchers 10 vorgesehen ist, wobei die Diode 20' entgegengesetzt zu der Diode 20 gepolt ist und wobei auch die weitere Spannungsquelle 24' umgepolt ist. Gemäß Fig. 2 ergänzen sich die Schutzschaltungskreise S und S' zu einer Schutzschaltung für Überspannungen beliebiger Polari­ tät. Der Schutzschaltungskreis S' arbeitet dabei im übrigen ebenso, wie dies weiter oben für den Schutzschaltungskreis S detailliert beschrieben wurde. Im übrigen ist die Versorgungs­ spannungsquelle 14 in der schematischen Darstellung gemäß Fig. 2 als Spannungsquelle mit zwei entgegengesetzt gepolten Gleich­ spannungsquellen 16, 16' dargestellt, die über einen als Um­ schalter ausgebildeten Schalter 18' wahlweise, insbesondere mit vorgegebener Frequenz alternierend, mit der Anschlußleitung 12 verbindbar sind.

Ausgehend von der Schaltung gemäß Fig. 2 der Zeichnung, ergibt sich für den Fall, daß beide Anschlüsse des induktiven Verbrau­ chers 10 mit jeweils einem Anschluß einer Versorgungsspannungs­ quelle 14 verbunden sind, die Schaltung gemäß Fig. 3 dadurch, daß jedem Anschluß des induktiven Verbrauchers 10 jeweils zwei Schutzschaltungskreise S, S' zugeordnet sind, wobei die einan­ der hinsichtlich der Polarität der abzubauenden Überspannungen entsprechenden Schutzschaltungskreise jeweils den Kondensator 22 beziehungsweise 22', die Spannungsquelle 24 beziehungswei­ se. 24' und den Widerstand 26 beziehungsweise 26' gemeinsam nutzen.

Die in Fig. 4 als Prinzipschaltbild gezeigte Schaltung ent­ spricht in ihrer Funktion der Schaltung gemäß Fig. 3, wobei die zusammengefaßten Schutzschaltungskreise mit den Schutz­ schaltungskreisen gemäß Fig. 3 identisch sind, während die Versorgungsspannungsquelle 14 als geschaltete Versorgungsspan­ nungsquelle mit einer einzigen Gleichspannungsquelle 16, einem der Spannungsstabilisierung dienenden Kondensator 17 und insge­ samt 4 Schalttransistoren 19 dargestellt ist, die gemeinsam der Realisierung der in Fig. 3 schematisch angedeuteten Umschalter 18 und 18' dienen. Dabei ist jedem der Transistoren 19 eine Freilaufdiode 21 parallel geschaltet.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines aus einer geschalteten Ver­ sorgungsspannungsquelle 14 gespeisten Drehstrommotors 30 mit drei in einer Sternschaltung miteinander verbundenen Wicklungen 31, 32, 33, von denen jede einem induktiven Verbraucher 10 ge­ mäß Fig. 1 bis 4 entspricht. In Fig. 5 umfaßt die Versor­ gungsspannungsquelle anstelle der Gleichspannungsquelle 16 in Fig. 4 einen Netzgleichrichter 34, der aus insgesamt 6 Dioden aufgebaut ist und dazu dient, die drei Phasen einer aus einem auf Schutzleiter bezogenen Drehstromnetz entnommenen Spannung gleichzurichten, wobei die gleichgerichtete Spannung wieder ei­ nem Kondensator 17 zugeführt wird, der als Energiespeicher und zum Glätten der Ausgangsspannung des Netzgleichrichters 34 dient.

Um jede der drei Wicklungen 31 bis 33 des Motors 30 sowohl mit positiven als auch mit negativen Impulsen speisen zu können, umfaßt die Versorgungsspannungsquelle 14 ferner statt der 4 Schalttransistoren 19 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4 ein weiteres Transistorpaar, so daß insgesamt sechs Transisto­ ren 19 vorgesehen sind, zu denen jeweils wieder eine Freilauf­ diode 21 parallel geschaltet ist.

Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist im Hin­ blick auf die drei Wicklungen des Motors 30 für die Schutz­ schaltung außerdem ein weiteres Diodenpaar vorgesehen, so daß die Schutzschaltung insgesamt je drei Dioden 20 beziehungsweise 20' umfaßt. Den Kondensatoren 22, 22' und den Widerständen 26, 26' sind entsprechend der Schutzschaltung in Fig. 4 im Falle der Schutzschaltung gemäß Fig. 5 jeweils drei Dioden mit glei­ cher Polung zugeordnet, außerdem kann bei der Schutzschaltung gemäß Fig. 5 auf die zusätzlichen Spannungsquellen 24 und 24' der Schaltung gemäß Fig. 4 verzichtet werden, da sich beim Be­ trieb der Schaltung gemäß Fig. 5 an den Kondensatoren 22 und 22' automatisch das in den obigen Ausführungen genannte Poten­ tial einstellt. Dadurch läßt sich die in Fig. 5 gezeigte Vari­ ante einer Schutzschaltung gemäß der Erfindung besonders ein­ fach und kostengünstig realisieren.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung mittels technisch einfacher und preiswerter Bauele­ mente eine äußerst wirksame Schutzschaltung für induktive Ver­ braucher realisiert werden kann, wobei mit Hilfe der erfin­ dungsgemäßen Schutzschaltung insbesondere bei in einem leitfä­ higen Gehäuse isoliert angeordneten Spulen, die bisher für na­ hezu unvermeidlich gehaltene allmähliche Verschlechterung der Isolation zwischen Spule und Gehäuse und der Isolation zwischen den einzelnen Wicklungsgruppen verhindert werden kann.

Claims (7)

1. Schutzschaltung zum Ableiten einer Überspannung vorge­ gebener Polarität an einem induktiven Verbraucher (10), der von einer geschalteten Versorgungsspannungsquelle (14) gespeist ist, wobei diese Versorgungsspannungsquelle (14) eingangsseitig von einer auf Schutzleiterpotential bezogenen Gleichspannungsquelle (16) gespeist wird, wobei ein Kondensator (22) vorgesehen ist, der zwischen einem auf einem erhöhten Potential gehaltenen Schaltungspunkt und einem Schutzleiteranschluß angeordnet ist, und wobei der Kondensator (22) zusammen mit einer zusätzlichen Diode (20) unmittelbar an dem zu schützenden Verbraucher (10) angeordnet und der von dem Schutzleiter abgewandte Anschluß des Kondensators (22) mit einer Entladeeinrich­ tung (24, 26) verbunden ist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Entlade­ einrichtung aus einem Widerstand (26) und einer zu­ sätzlichen Spannungsquelle (24) besteht, auf deren Spannung sich der Kondensator (22) entladen kann.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem von einem elektrisch leitenden Gehäuse umgebenen induktiven Verbraucher, wobei das Gehäuse ebenfalls mit dem Schutz­ leiteranschluß verbunden ist.

4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schaltungspunkt auf einem gegenüber der Versorgungs­ spannung zumindest um die Durchlaßspannung der Diode (20) erhöhten Potential gehalten wird.

5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zum Ableiten einer Überspannung mit zu der vorgegebenen Polarität entgegengesetzter Polarität eine weitere Diode (20') mit zu der Diode (20) entgegengesetzter Polung zwi­ schen dem der Versorgungsspannungsquelle (14) zugewandten Anschluß des induktiven Verbrauchers (10) und einem wei­ teren Schaltungspunkt angeordnet ist, der auf einem ge­ genüber der Versorgungsspannung zumindest um die Durch­ laßspannung der weiteren Diode (20') erhöhten Potential gehalten wird, wobei ein weiterer Kondensator (22') vor­ gesehen ist, der zwischen dem auf dem erhöhten Potential gehaltenen Schaltungspunkt und einem Schutzleiteranschluß angeordnet ist, wobei die weitere Diode (20') und der weitere Kondensator (22') unmittelbar an dem zu schützen­ den induktiven Verbraucher (10) angeordnet sind, und wobei der von dem Schutzleiter abgewandte Anschluß des weiteren Kondensators (22') mit einer weiteren Entlade­ einrichtung (24', 26') verbunden ist, deren weitere Gleichspannungsquelle (24') gegenüber der zusätzlichen Gleichspannungsquelle (24) entgegengesetzte Polarität besitzt und über die der weitere Kondensator (22') auf die Spannung der weiteren Gleichspannungsquelle (24') aufladbar ist.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5 für einen induktiven Verbraucher, der mit seinen beiden Anschlüssen derart mit einer geschalteten Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, daß an beide Anschlüsse Spannungen entgegengesetzter Polarität, insbesondere alternierend, anlegbar sind, wobei für jeden Anschluß des Verbrauchers (10) jeweils zwei entgegengesetzt gepolte Dioden (20, 20') vorgesehen sind und die Diodenpaare gleicher Polung jeweils gemein­ sam mit einem zugeordneten Kondensator (22, 22') einer­ seits und einer zugeordneten Entladeeinrichtung (24, 26, 24', 26') andererseits verbunden sind.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 1 für einen mindestens zwei Wicklungen aufweisenden induktiven Verbraucher, dessen Wicklungen einerseits mit einer einen Umrichter und einen Zwischenkreis aufweisenden Versorgungsspannungsquelle (14) und andererseits mit einem Sternpunkt verbunden sind, wobei jedem der mit der Versorgungsspannungsquelle (14) verbundenen Anschlüsse der Wicklungen (31, 32, 33) jeweils ein Paar von entgegengesetzt gepolten Dioden (20, 20') und den Dioden (20, 20') gleicher Polung jeweils ein gemeinsamer Kondensator (22, 22') zugeordnet ist, und wo­ bei die Entladeeinrichtung darin besteht, daß der jewei­ lige gemeinsame Anschlußpunkt der Dioden (20, 20') glei­ cher Polung über jeweils einen Widerstand (26, 26') an die Leitungen des Zwischenkreises geschaltet ist.