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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines in eine Last
hineinfließenden
Zwischenkreisstromes, wobei die Last von einem gepufferten Spannungszwischenkreis
mit einem Kondensator gespeist wird. Der Spannungszwischenkreis wird
von einem an eine einphasige Netzspannung angeschlossenen Gleichrichter
gespeist. Es wird fortlaufend eine Zwischenkreisspannung erfasst.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung einer in
eine Last hineinfließenden
Zwischenkreisleistung, wobei die Last von einem gepufferten Spannungszwischenkreis
mit einem Kondensator gespeist wird. Der Spannungszwischenkreis wird
von einem an eine einphasige Netzspannung angeschlossenen Gleichrichter
gespeist. Es wird fortlaufend eine Zwischenkreisspannung erfasst.
Synonym zu dem Begriff „hineinfließend" wird der Begriff „eingespeist" verstanden.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines
Phasenstromes eines ein- oder mehrphasigen von einem Wechselrichter gespeisten
Verbrauchers, wobei der Wechselrichter aus einem gepufferten Spannungszwischenkreis
mit einem Kondensator gespeist wird. Der Spannungszwischenkreis
wird von einem an eine einphasige Netzspannung angeschlossenen Gleichrichter
gespeist. Es wird fortlaufend eine Zwischenkreisspannung erfasst.
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Schließlich betrifft
die Erfindung eine zu den Verfahren korrespondierende Stromversorgungseinrichtung
mit einem eingangsseitigen Gleichrichter, mit einem nachgeschalteten
gepufferten Spannungszwischenkreis mit einem Kondensator und mit
einer dem Spannungszwischenkreis nachgeschalteten Last. Die Stromversorgungseinrichtung
weist ferner eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung einer Zwischenkreisspannung
sowie eine elektronische Steuereinheit zumindest zur rechnerischen
Verarbeitung von korrespondierenden Zwischenkreisspannungsmesswerten
auf.
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Bei
den heute bekannten Verfahren wird eine einphasige Netzspannung
mittels eines Gleichrichters in eine gleichgerichtete gepulste Spannung
umgewandelt. Der Gleichrichter ist vorzugsweise ein Brückengleichrichter.
Die einphasige Netzspannung ist typischerweise eine 230 V/50 Hz-Netzspannung bzw.
eine 110 V/60 Hz-Netzspannung. Die gepulste und somit stark wellige
gleichgerichtete Netzspannung wird mittels eines Kondensators gefiltert
und gepuffert. Diese Spannung dient der Speisung einer an dieser
angeschlossenen elektrischen Last. Wegen der Anordnung des Pufferkondensators
zwischen der eingangsseitigen Netzspannung und der elektrischen
Last spricht man auch von einem Spannungszwischenkreis. An diesem
liegt eine sogenannte Zwischenkreisspannung an. Auch wird der Begriff Spannungszwischenkreis
verwendet, wenn diesem ein Wechselrichter folgt, welcher aus der
gepufferten Zwischenkreisspannung eine dreiphasige Ausgangsspannung
zur Speisung eines insbesondere dreiphasigen Verbrauchers erzeugt,
wie z. B. zur Speisung eines Elektromotors.
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Bei
den bisher bekannten Verfahren wird zur Regelung und/oder zur Überwachung
eines in die Last hineinfließenden
Zwischenkreisstromes eine Strommesseinheit verwendet, welche einen
zum Zwischenkreisstrom korrespondierenden Stromwert zumeist an eine
elektronische Steuereinheit ausgibt. Übersteigt der erfasste Zwischenkreisstrom
einen vorgegebenen Grenzwert, so erfolgt eine Abschaltung des Zwischenkreisstromes,
wie z. B. mittels eines Trennschalters, oder eine Begrenzung des
Zwischenkreisstromes auf zulässige
Stromwerte. Meistens wird zusätzlich
die Zwischenkreisspannung mittels einer Spannungsmesseinheit parallel
zum Pufferkondensator erfasst. Dadurch ist eine netzseitige Spannungsüberwachung
möglich,
das heißt
es kann eine netzseitige Überspannung
und/oder Unterspannung erfasst werden.
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Bekannt
ist auch, eine aktuell in die elektrische Last hineinfließende Zwischenkreisleistung
zu ermitteln, indem vorzugsweise mittels der elektronischen Steuereinheit
das Produkt aus einer aktuell erfassten Zwischenkreisspannung und
einem aktuell erfassten Zwischenkreisstrom rechnerisch ermittelt wird. Überschreitet
die Zwischenkreisleistung einen vorgegebenen Leistungswert, so ist
gleichfalls eine Abschaltung des Verbrauchers oder eine Begrenzung
der elektrischen Zwischenkreisleistung möglich.
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Die Überwachung
der Zwischenkreisleistung im Sinne einer Schutzeinrichtung ist insbesondere
für Umrichter
zweckmäßig. Mit
Umrichter ist eine Kombination aus einem eingangsseitigen Gleichrichter
und einem ausgangsseitigen Wechselrichter bezeichnet, welche über einen
Zwischenkreis miteinander verbunden sind. Der Wechselrichter speist
vorzugsweise einen dreiphasigen Verbraucher, wie z. B. einen Elektromotor.
Aus Sicht des Zwischenkreises sind der Wechselrichter sowie der
angeschlossene Verbraucher die elektrische Last, in welche ein Zwischenkreisstrom
bzw. eine Zwischenkreisleistung hineinfließt. Mittels der Steuereinheit
können
dann aus der Zwischenkreisspannung und dem Zwischenkreisstrom die
korrespondierenden Phasenströme des
dreiphasigen Verbrauchers rechnerisch ermittelt werden. Überschreitet
zumindest einer der Phasenströme
einen vorgegebenen Wert, so kann der Wechselrichter in einen sogenannten
Taktsperrbetrieb geschaltet werden. Das heißt, dass der dreiphasige Ausgang
des Wechselrichters auf elektronischem Wege abgeschaltet wird.
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Ist
der Umrichter ein Frequenzumrichter, so erfolgt die Ansteuerung
des Wechselrichters mit einem bestimmten Aussteuergrad, der in einem
Bereich von 0% bis 100% liegen kann. Bei einem Frequenzumrichter
nimmt die Höhe
der Ausgangsspannung mit steigender Ausgangsfrequenz zu. Insbesondere
nimmt die dreiphasige Ausgangsspannung linear mit der Frequenz zu.
Frequenzumrichter werden vorzugsweise zur Speisung drehzahlveränderlicher
Elektromotoren verwendet. Aufgrund des induktiven Verhaltens eines
Elektromotors führt
dies zu einem über
weite Bereiche konstanten Drehmoment, ohne den Motor zu überlasten.
Bei sehr geringen Drehzahlen führt
diese Betriebsart aufgrund des ohmschen Widerstandes der Wicklung
jedoch zu einem geringeren Drehmoment. Um dies zu beheben, kann
oft eine Spannungsanhebung im unteren Frequenzbereich eingestellt
werden.
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In
Falle eines Frequenzumrichters erfolgt die rechnerische Ermittlung
der jeweiligen Phasenströme
aus der ermittelten Zwischenkreisleistung in Verbindung mit dem
zur aktuellen Frequenz eingestellten Aussteuergrad.
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Alternativ
zur Zwischenkreisstrommessung ist auch eine direkte Messung der
Phasenströme
mit zwei Strommesseinheiten möglich.
Der verbleibende zu messende Phasenstrom kann aus der Summe der beiden
anderen erfassten Phasenströme
ermittelt werden, da die Summe aller Phasenströme zu jedem Zeitpunkt den Wert
Null aufweisen muss. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass eine weitere
Strommesseinheit notwendig ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung eines
in eine Last hineinfließenden
Zwischenkreisstromes anzugeben, welches mit weniger Komponenten
auskommt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine zum Verfahren korrespondierende
Stromversorgungseinrichtung anzugeben, welche weniger Komponenten
benötigt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird jeweils mit einem Verfahren entsprechend
den Merkmalen des Anspruchs 1, 2 oder 3 gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten
sind in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 14 genannt. Im Anspruch 15 ist eine zu den Verfahren korrespondierende
Stromversorgungseinrichtung angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Einrichtung sind in den abhängigen
Ansprüchen
16 bis 23 genannt.
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Erfindungsgemäß wird für das erste
Verfahren eine periodische Sperrphase des Gleichrichters ermittelt.
Es wird während
dieser Sperrphase ein zum Zwischenkreisstrom korrespondierender Stromwert aus
der sich durch die Entladung des Spannungszwischenkreises ändernden
Zwischenkreisspannung ermittelt.
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Damit
ist der große
Vorteil verbunden, dass auf eine Strommesseinheit zur Erfassung
des Zwischenkreisstromes verzichtet werden kann. Die Ermittlung
des Stromwertes erfolgt in einem Zeitraum, bei dem der Zwischenkreiskondensator
netzseitig nicht nachgeladen wird. In diesem Fall hängt die Änderung
der Zwischenkreisspannung ausschließlich von dem aus dem Kondensator
entnommenen Zwischenkreisstrom gemäß der bekannten mathematischen
Beziehung I = C·dU/dt
ab, wobei der Term dU/dt die zeitliche Änderung der Zwischenkreisspannung
beschreibt. Wird der Zwischenkreiskondensator mit einem konstanten
Strom entladen, so fällt
die zugehörige
Zwischenkreisspannung linear ab. Die Bestimmung eines zum Zwischenkreisstrom
korrespondierenden Stromwertes kann folglich ausschließlich mit
rechnerischen Mitteln erfolgen. Die Mittel können sowohl analoge Rechenmittel
sein, wie z. B. Differenzierer und Addierer, als auch digitale Rechenmittel
sein, wie z. B. ein Mikrocomputer oder Mikrocontroller, auf dem
ein entsprechendes Rechenprogramm ablauffähig ist.
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Für das zweite
Verfahren wird eine periodische Sperrphase des Gleichrichters ermittelt.
Es wird während
dieser Sperrphase ein zum Zwischenkreisstrom korrespondierender
Stromwert aus der sich durch die Entladung des Spannungszwischenkreises ändernden
Zwischenkreisspannung ermittelt. Es wird ein zur Zwischenkreisleistung
korrespondierender Leistungswert aus dem Produkt des ermittelten Stromwertes
und der erfassten Zwischenkreisspannung ermittelt.
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Damit
kann, wie bereits beim vorherigen Verfahren beschrieben, auf eine
Strommesseinheit zur Erfassung des Zwischenkreisstromes verzichtet
werden kann. Mittels analoger oder vorzugsweise digitaler Rechenmittel
kann dann unter anderem aus einem aktuellen Spannungsmesswert der
Zwischenkreisspannung eine aktuelle Zwischenkreisleistung ermittelt
werden.
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Für das dritte
Verfahren wird eine periodische Sperrphase des Gleichrichters ermittelt.
Es wird während
dieser Sperrphase ein zum Zwischenkreisstrom korrespondierender
Stromwert aus der sich durch die Entladung des Spannungszwischenkreises ändernden
Zwischenkreisspannung ermittelt. Es wird ein zum jeweiligen Phasenstrom
korrespondierender Phasenstromwert aus dem Produkt des ermittelten Stromwertes
und eines Aussteuergrades des Wechselrichters ermittelt.
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Damit
kann insbesondere auf die zwei Strommesseinheiten zur Erfassung
der Phasenströme
verzichtet werden. Mittels analoger oder vorzugsweise digitaler
Rechenmittel kann dann aus einem aktuellen Spannungsmesswert der
Zwischenkreisspannung ein zum jeweiligen Phasenstrom korrespondierender
Phasenstromwert ermittelt werden. In die Berechnung geht unter anderem
ein aktueller Aussteuergrad des Wechselrichters mit ein.
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Nach
einer Ausführungsform
wird der Stromwert aus dem Produkt der ersten zeitlichen Ableitung der
Zwischenkreisspannung und der Kapazität des Kondensators ermittelt.
Rechnerische Verfahren zur Nachbildung der zeitlichen Ableitung
sind allgemein bekannt. Die Ausführung
dieser mathematischen Funktion auf einer Steuereinheit, insbesondere
auf einem Mikrocontroller, ist mit bereits verfügbaren Entwicklungswerkzeugen
auf einfache Weise möglich.
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Im
Besonderen kann der Stromwert aus dem Produkt des Minimums der ersten
zeitlichen Ableitung und der Kapazität des Kondensators ermittelt werden.
Dadurch kann die rechnerische Ermittlung des Stromwertes mit vergleichsweise
geringem programmtechnischen Aufwand realisiert werden. Die technischen
Anforderungen an die Leistungsfähigkeit eines
Mikrocontrollers reduzieren sich.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge wird der Stromwert fortlaufend während der Sperrphase ermittelt,
das heißt
in zeitlichen Phasen der Netzspannung, in denen keine netzseitige
Einspeisung in den Pufferkondensator erfolgt.
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Vorzugsweise
wird zur Festlegung des Beginns der Sperrphase ein Abfallen der
Zwischenkreisspannung ermittelt. Ein Abfallen liegt insbesondere
dann vor, wenn mit Absinken der Netzspannung unter einen gewissen
Netzspannungswert die Gleichrichterdioden in den Sperrbetrieb gehen. Durch
die hierauf fehlende Nachladung fällt die Zwischenkreisspannung
wieder ab.
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Weiterhin
wird vorzugsweise zur Festlegung des Endes der Sperrphase ein Anstieg
der Zwischenkreisspannung ermittelt. Ein Ansteigen liegt insbesondere
dann vor, wenn mit Ansteigen der einphasigen Netzspannung über einen
gewissen Netzspannungswert die Gleichrichterdioden leitend werden. Durch
die hierauf einsetzende Nachladung steigt die Zwischenkreisspannung
wieder an.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
kann alternativ oder zusätzlich
eine erste und/oder zweite zeitliche Ableitung der Zwischenkreisspannung
zur Festlegung des Starts und des Endes der Sperrphase ermittelt
werden. Die Verwendung der ersten und/oder zweiten Ableitung ermöglicht ein
exakteres „Auffinden" der Start- und Sperrphase
des Gleichrichters.
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Einer
Ausführungsform
zufolge wird ein Überstromwert
als Vergleichsgrenzwert vorgegeben. Es wird eine Warnmeldung ausgegeben,
wenn der aktuell ermittelte Stromwert den Vergleichsgrenzwert überschreitet.
Dadurch kann eine übergeordnete Überwachungseinrichtung
entsprechende Maßnahmen
zum Schutz der Komponenten der korrespondierenden Stromversorgungseinrichtung
und/oder des angeschlossenen Verbrauchers veranlassen. Dies kann
z. B. die Ansteuerung eines (externen) Trennschalters sein.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge wird ein maximaler Leistungswert als Vergleichsgrenzwert vorgegeben.
Es wird ei ne Warnmeldung ausgegeben, wenn der aktuell ermittelte
Leistungswert den Vergleichsgrenzwert überschreitet. Dadurch kann gleichfalls
eine übergeordnete Überwachungseinrichtung
Schutzmaßnahmen
ergreifen. Die Erzeugung einer solchen Warnmeldung ist insbesondere bei
Umrichtern als Stromversorgungseinrichtungen vorteilhaft.
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Einer
weiteren Ausführungsform
zufolge wird ein Phasenüberstromwert
als Vergleichsgrenzwert vorgegeben. Es wird eine Warnmeldung ausgegeben,
wenn der jeweilige aktuell ermittelte Phasenstromwert den Vergleichsgrenzwert überschreitet. Dadurch
kann gleichfalls eine übergeordnete Überwachungseinrichtung
Schutzmaßnahmen
ergreifen. Die Erzeugung einer solchen Warnmeldung ist insbesondere
bei Frequenzumrichtern vorteilhaft, welche eine Vielzahl von überwachungsbedürftigen
und überstromsensiblen
elektronischen Schaltelementen, wie z. B. MOSFET-Transistoren, aufweisen.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein Phasenüberstromwert
als Vergleichsgrenzwert vorgegeben. Der Wechselrichter wird in einen
Sperrbetrieb geschaltet, wenn der jeweilige aktuell ermittelte Phasenstromwert
den Vergleichsgrenzwert überschreitet.
Dadurch ist eine besonders schnelle Reaktion auf einen Überstrom
oder auf einen einsetzenden Kurzschlussstrom möglich.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann zumindest ein Trennschalter angesteuert werden, wenn der jeweilige
Vergleichsgrenzwert überschritten
wird. Dadurch kann der Verbraucher spannungsfrei geschaltet werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine zu den Verfahren korrespondierende
Stromversorgungseinrichtung gelöst.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung
weist die elektronische Steuereinheit mit Mitteln zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur fortlaufenden rechnerischen Ermittlung eines zum Zwischenkreisstrom korrespondierenden
Stromwertes und/oder eines zur Zwischenkreisleistung korres pondierenden
Leistungswertes und/oder eines zum jeweiligen Phasenstrom korrespondierenden
Phasenstromwertes auf.
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Nach
einer Ausführungsform
der Stromversorgungseinrichtung weist die elektronische Steuereinheit
zumindest einen Signalausgang zur Ausgabe des Stromwertes und/oder
des Leistungswertes und/oder des jeweiligen Phasenstromwertes auf.
Die jeweiligen Messwerte können
dann von einer übergeordneten
Stelle, wie z. B. von einer zentralen Überwachungseinrichtung, eingelesen
und ausgewertet werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die elektronische Steuereinheit zumindest einen weiteren Signalausgang
zur Ausgabe einer Warnmeldung bei Überschreitung des Vergleichsgrenzwertes
für den
Stromwert, für
den Leistungswert oder für
den jeweiligen Phasenstromwert aufweisen. Die Warnmeldung ist insbesondere
ein digitales Signal, welches direkt oder indirekt auf ein Schaltelement,
wie z. B. einen Trennschalter, einwirken kann.
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Weiterhin
kann die elektronische Steuereinheit Mittel zur Ansteuerung zumindest
eines Trennschalters bei Überschreitung
des Vergleichsgrenzwertes für
den Stromwert, für
den Leistungswert oder für
den jeweiligen Phasenstromwert aufweisen.
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Im
Besonderen ist die Stromversorgungseinrichtung ein Umrichter, insbesondere
ein Frequenzumrichter. Der Umrichter weist einen Wechselrichter zur
Speisung eines anschließbaren
ein- oder mehrphasigen
Verbrauchers auf, wobei der Wechselrichter dem Spannungszwischenkreis
nachgeschaltet ist. Die elektronische Steuereinheit weist Mittel
zur Ansteuerung von elektronischen Schaltern des Wechselrichters
auf. Der Wechselrichter kann beispielsweise ein Pulswechselrichter
sein, dessen elektronische Schaltelemente mittels von der Steuereinheit oder
von einer entsprechend dazu ausgebildeten Elektronikeinheit in Form
von Pulsen angesteuert werden.
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Die
elektronische Steuereinheit kann weiterhin einen Steuereingang für einen
Sollwert zum Einstellen einer Frequenz und einer Ausgangsspannung des
Wechselrichters mittels der elektronischen Schalter aufweisen. Die
entsprechende Berechnung des Timings der jeweiligen Schaltsignale
für die
elektronischen Schaltelemente erfolgt dann in Abhängigkeit
dieser Eingangsgröße.
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Nach
einer Ausführungsform
steuert die elektronische Steuereinheit die elektronischen Schalter
des Wechselrichters bei Überschreitung
des Vergleichsgrenzwertes für
den Stromwert, für
den Leistungswert oder für
den jeweiligen Phasenstromwert sperrend an. Dadurch ist eine sofortige
Abschaltung des Verbrauchers, insbesondere eines Elektromotors,
möglich.
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Insbesondere
weist die Stromversorgungseinrichtung einen dreiphasigen Wechselrichter
zur Speisung insbesondere eines dreiphasigen Verbrauchers auf. An
dem dreiphasigen Wechselrichter kann auch ein ein- oder zweiphasiger
Verbraucher angeschlossen sein.
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Alternativ
zum Umrichter kann die Stromversorgungseinrichtung ein getakteter
Gleichrichter sein. Dem Spannungszwischenkreis kann ein Gleichstromsteller,
ein DC/DC-Wandler, ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller oder
ein Sperrsteller zur Speisung eines daran anschließbaren Verbrauchers nachgeschaltet
sein. In entsprechender Weise weist die elektronische Steuereinheit
Mittel zur Ansteuerung von elektronischen Schaltern des Gleichstromstellers,
des DC/DC-Wandlers, des Hochsetzstellers, des Tiefsetzstellers oder
des Sperrstellers auf. Die elektronischen Schalter bzw. Schaltelemente
sind insbesondere Leistungstransistoren, IGBTs, MOSFET-Transistoren,
GTOs oder Thyristoren.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden
im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein
Prinzipschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung nach dem Stand
der Technik,
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2 ein
Schaltbild eines Umrichters als Stromversorgungseinrichtung nach
dem Stand der Technik im Detail,
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3 beispielhaft
ein Zeitdiagramm mit eingetragenen periodischen Verläufen einer
Netzspannung, einer Zwischenkreisspannung sowie eines Netzstromes
nach dem Stand der Technik,
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4 beispielhaft
ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte,
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5 beispielhaft
ein Zeitdiagramm mit eingetragenen periodischen Verläufen einer
Netzspannung, einer Zwischenkreisspannung, eines Gleichrichterstromes,
eines Laststromes, einer zeitlich abgeleiteten Zwischenkreisspannung
sowie eines Kondensatorstromes gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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6 ein
Prinzipschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung gemäß der Erfindung,
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7 ein
Prinzipschaltbild eines beispielhaften Umrichters als Stromversorgungseinrichtung
gemäß der Erfindung
und
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8 ein
Schaltbild eines beispielhaften Umrichters als Stromversorgungseinrichtung
gemäß der Erfindung
im Detail.
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1 zeigt
ein Prinzipschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung 1 nach
dem Stand der Technik.
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Die
gezeigte Stromversorgungseinrichtung 1 weist eingangsseitig
einen Gleichrichter 3, symbolisiert durch eine Diode, auf.
Am Eingang des Gleichrichters 3 sind zwei Anschlussklemmen 5, 6 zum
Anschließen
einer einphasigen Netzspannung UN vorhanden. Die Netzspannung UN
ist typischerweise eine 230 V/50 Hz-Netzspannung oder eine 110 V/60 Hz-Netzspannung.
Mit IN ist der zugehörige
Netzstrom bezeichnet. Der Gleichrichter 3 ist einem gepufferten
Spannungszwischenkreis ZK vorgeschaltet, der einen Kondensator C
zur Pufferung aufweist. Parallel ist zum Kondensator C eine Spannungsmesseinheit
VM zur Erfassung einer dort anliegenden Zwischenkreisspannung UZK
geschaltet. Mit IG ist ein Gleichrichterstrom, mit IC ein durch
den Kondensator C fließender
Strom bezeichnet.
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Weiterhin
ist dem Spannungszwischenkreis ZK eine Last 4 nachgeschaltet,
symbolisiert durch eine Impedanz. Die Last 4 kann ein einphasiger
Verbraucher sein. Sie kann auch eine Kombination aus einem Wechselrichter
mit nachgeschalteten ein- oder mehrphasigen Verbrauchern sein. Sie
kann weiterhin eine Kombination aus einem Gleichstromsteller, einem
DC/DC-Wandler, einem Hochsetzsteller, einem Tiefsetzsteller oder
einem Sperrsteller mit jeweils einem nachgeschalteten insbesondere
einphasigen Verbraucher sein. In die Last 4 fließt ein mit
dem Bezugszeichen IZ bezeichneter Zwischenkreisstrom bzw. eine mit
dem Bezugszeichen P bezeichnete Zwischenkreisleistung hinein. Zur
Erfassung des Zwischenkreisstromes IZ ist eine Strommesseinheit AM,
wie z. B. ein Stromwandler, bezeichnet. Über einen nachgeschalteten
ansteuerbaren Trennschalter TR kann die Last 4 vom speisenden
Zwischenkreis ZK getrennt werden.
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Im
oberen der Teil der 1 ist eine Steuereinheit 2,
insbesondere eine elektronische Steuereinheit, wie z. B. ein Mikrocontroller,
dargestellt. Eingangseitig ist die Steuereinheit 2 mit
der Spannungsmesseinheit VM sowie der Strommesseinheit AM zur Erfassung
eines zur Zwischenkreisspannung UZK korrespondierenden Spannungswertes
UMW und eines zum Zwischenkreisstrom IZ korrespondierenden Stromwertes
IMW verbunden. Aus diesen beiden Messwerten UMW, IMW kann die Steuereinheit 2 eine
an einem Signalausgang 10 anliegende Warnmeldung MLD ausgeben,
wenn der erfasste Stromwert IMW, eine aus dem Spannungswert UMW
und dem Stromwert IMW ermittelte Zwischenkreisleistung P oder ein
Phasenstrom einen vorgegebenen Ver gleichsgrenzwert überschreitet.
Die Steuereinheit 2 kann alternativ oder zusätzlich bei Überschreitung eines
Vergleichsgrenzwertes einen Stoppbefehl bzw. ein Abschaltsignal
STOPP an den Trennschalter TR ausgeben.
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2 zeigt
ein Schaltbild eines Umrichters als Stromversorgungseinrichtung 1 nach
dem Stand der Technik im Detail.
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Der
gezeigte Umrichter 1 weist im linken Teil der 2 einen
als Brückengleichrichter 3 ausgebildeten
Gleichrichter mit vier Dioden D1–D4 auf. Im rechten Teil der 2 ist
der schaltungstechnische Aufbau eines Wechselrichters 7 zu
sehen. Er setzt sich aus sechs elektronischen Schaltelementen T1–T6 zusammen.
Im Beispiel der 2 sind diese IGBTs (für Insulated
Gate Bipolar Transistor). Bei den mit den Bezugszeichen D11–D16 bezeichneten
Dioden handelt es sich um Freilaufdioden. Der Wechselrichter 7 ist
beispielhaft dreiphasig ausgeführt.
Er speist ausgangsseitig einen dreiphasigen Verbraucher L. Bei dem
gezeigten Verbraucher L handelt es sich um einen Elektromotor.
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Zur
Stromerfassung kann der Umrichter 1 nach dem Stand der
Technik eine Strommesseinheit AM zur Erfassung des Zwischenkreisstromes
IZ aufweisen. Er kann alternativ oder zusätzlich einen oder insbesondere
zwei Strommesseinheiten AM1, AM2 zur Messung der jeweiligen Phasenströme IPR,
IPS, IPT des angeschlossenen Verbrauchers L aufweisen.
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3 zeigt
beispielhaft ein Zeitdiagramm mit eingetragenen periodischen Verläufen einer
Netzspannung UN, einer Zwischenkreisspannung UZK sowie eines Netzstromes
IN nach dem Stand der Technik.
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Im
oberen Teil der 3 ist die gleichgerichtete Zwischenkreisspannung
UZK zu sehen. Sie weist aufgrund der periodisch einsetzenden netzseitigen
Einspeisung eine gewisse Welligkeit auf, welche durch den Kondensator
C im Zwischenkreis ZK bereits stark reduziert ist. Mit T ist die
Netzperiode, mit TS die periodische Sperrphase des Gleichrichters 3 und
mit TL die Ladephase des Gleichrichters 3 bezeichnet. Die
Netzperiode T entspricht in zeitlicher Hinsicht der Summe aus der
Sperrphase TS und der Ladephase TL des Gleichrichters 3.
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Darunter
liegend dargestellt ist die eingangsseitige Netzspannung UN zu sehen,
welche den bekannten sinusförmigen
Verlauf aufweist. Die dazugehörige
Netzperiode T weist für
ein 230 V/50 Hz-Stromversorgungsspannung UN einen Wert von 20 ms
auf. Bei einer 110 V/60 Hz-Stromversorgungsspannung UN beträgt dieser
Wert 16, 67 ... ms.
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Weiter
darunter liegend ist der Verlauf des pulsförmigen Netzstromes IN dargestellt,
welcher je nach Vorzeichen der zugehörigen Netzspannung einen positiven
oder negativen Stromstärkewert
aufweist. Während
dieser kurzeitigen Phasen erfolgt die Nachladung des Kondensators
C im Zwischenkreis ZK.
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4 zeigt
beispielhaft ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
S1–S5. Das
gezeigte Ablaufdiagramm zeigt den Ablauf der erfindungsgemäßen Verfahren
in einer gemeinsamen Darstellung.
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Mit
dem Bezugszeichen SO ist der Start der Verfahren bezeichnet. In
diesem Schritt SO wird der Rahmen des jeweiligen Verfahrens entsprechend dem
jeweiligen Oberbegriff festgelegt.
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Schritt
SO umfasst gemäß dem Verfahren nach
Anspruch 1 zur Ermittlung eines in eine Last 4 hineinfließenden Zwischenkreisstromes
IZ eine fortlaufende Erfassung der Zwischenkreisspannung UZK. Die
Last 4 wird von einem gepufferten Spannungszwischenkreis
ZK mit einem Kondensator C gespeist, wobei der Spannungszwischenkreis
ZK von einem an eine einphasige Netzspannung UN angeschlossenen
Gleichrichter 3 gespeist wird.
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Schritt
SO umfasst gemäß dem zweiten
Verfahren nach Anspruch 2 zur Ermittlung einer in eine Last 4 hineinfließenden Zwischenkreisleistung
P gleichfalls eine fortlaufende Erfassung der Zwischenkreisspannung
UZK.
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In
entsprechender Weise umfasst Schritt SO gemäß dem dritten Verfahren nach
Anspruch 3 zur Ermittlung zumindest eines Phasenstromes IPR, IPS,
IPT eines ein- oder mehrphasigen von einem Wechselrichter 7 gespeisten
Verbrauchers L gleichfalls eine fortlaufende Erfassung der Zwischenkreisspannung
UZK.
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In
Schritt S1 erfolgt für
alle drei Verfahren eine Ermittlung einer periodischen Sperrphase
TS des Gleichrichters 3.
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In
Schritt S2 erfolgt für
das erste Verfahren eine Ermittlung eines zum Zwischenkreisstrom
IZ korrespondierenden Stromwertes IZE während dieser Sperrphase TS
aus der sich durch die Entladung des Spannungszwischenkreises ZK ändernden
Zwischenkreisspannung UZK.
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Für das zweite
Verfahren wird zusätzlich noch
ein zur Zwischenkreisleistung P korrespondierender Leistungswert
PE aus dem Produkt des ermittelten Stromwertes IZE und der erfassten
Zwischenkreisspannung UZK ermittelt.
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Für das dritte
Verfahren wird im Vergleich zum ersten Verfahren zusätzlich noch
ein zum jeweiligen Phasenstrom IPR, IPS, IPT korrespondierender Phasenstromwert
IPRE, IPSE, IPTE aus dem Produkt des ermittelten Stromwertes IZE
und eines Aussteuergrades A des Wechselrichters 7 ermittelt.
Der Aussteuergrad kann auch ein konstanter Wert sein.
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Im
Schritt S3 erfolgt die Ausgabe des Stromwertes IZE, des Leistungswertes
PE sowie der jeweiligen Phasenstromwerte IPRE, IPSE, IPTE.
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Mit
dem Bezugszeichen S4 ist das Ende des Ablaufs der erfindungsgemäßen Verfahren
bezeichnet.
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In
Bezug auf Schritt S1 wird der Stromwert IZE vorzugsweise fortlaufend
während
der Sperrphase TS ermittelt, so dass eine Vielzahl von Messgrößen zur Überwachung
der zuvor genannten Werte IZE, PE, IPRE, IPSE, IPTE erfasst werden
kann. Dadurch ist eine schnelle Reaktion auf eine Veränderung
einer dieser Werte IZE, PE, IPRE, IPSE, IPTE möglich.
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Zur
Festlegung des Beginns tS der Sperrphase TS kann ein Abfallen der
Zwischenkreisspannung UKZ ermittelt werden. Zur Festlegung des Endes
tL der Sperrphase TS kann ein Anstieg der Zwischenkreisspannung
UZK ermittelt werden. Es kann alternativ oder zusätzlich eine
erste und/oder zweite zeitliche Ableitung UZK', UZK'' der
Zwischenkreisspannung UZK zur Festlegung des Starts tS und des Endes
tL der Sperrphase TS ermittelt werden.
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In
Bezug auf Schritt S2 kann der Stromwert IZE aus dem Produkt der
ersten zeitlichen Ableitung UZK' der
Zwischenkreisspannung UZK und der Kapazität CAP des Kondensators C ermittelt
werden. Es kann alternativ dazu der Stromwert IZE aus dem Produkt
des Minimums MIN der ersten zeitlichen Ableitung UZK' und der Kapazität CAP des
Kondensators C ermittelt werden.
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Nach
einer Verfahrensvariante kann für
das erste Verfahren ein Überstromwert
IMAX als Vergleichsgrenzwert vorgegeben werden. Wenn der aktuell
ermittelte Stromwert IZE den Vergleichsgrenzwert IMAX überschreitet,
kann eine Warnmeldung MLD ausgegeben werden.
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Nach
einer Verfahrensvariante kann für
das zweite Verfahren ein maximaler Leistungswert PMAX als Vergleichsgrenzwert
vorgegeben werden. Wenn der aktuell ermittelte Leistungswert PE
den Vergleichsgrenzwert PMAX überschreitet,
kann eine Warnmeldung MLD ausgegeben werden.
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Nach
einer Verfahrensvariante kann für
das dritte Verfahren ein Phasenüberstromwert
IPX als Vergleichsgrenzwert vorgege ben werden. Wenn der jeweilige
aktuell ermittelte Phasenstromwert IPRE, IPSE, IPTE den Vergleichsgrenzwert
IPX überschreitet,
kann eine Warnmeldung MLD ausgegeben werden.
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Alternativ
zur vorherigen Verfahrensvariante kann der Wechselrichter 7 auch
in einen Sperrbetrieb geschaltet werden, wenn der jeweilige aktuell
ermittelte Phasenstromwert IPRE, IPSE, IPTE den Vergleichsgrenzwert
IPX überschreitet.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann als weitere Verfahrensvariante für alle drei Verfahren zumindest ein
Trennschalter TR angesteuert werden, wenn der jeweilige Vergleichsgrenzwert
IMAX, PMAX, IPX überschritten
wird.
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5 zeigt
beispielhaft ein Zeitdiagramm mit eingetragenen periodischen Verläufen einer
Netzspannung UN, einer Zwischenkreisspannung UZK, eines Gleichrichterstromes
IG, eines Laststromes IL, einer zeitlich abgeleiteten Zwischenkreisspannung UZK' sowie eines Kondensatorstromes
IC gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im
oberen Teil der 5 ist wiederum die aus der gleichgerichteten
Netzspannung UN erzeugte und mittels des Kondensators C im Zwischenkreis ZK
gefilterte und gepufferte Zwischenkreisspannung UZK zu sehen. Sie
weist trotz Filterung noch eine gewisse Restwelligkeit auf. Mit
dem Bezugszeichen TP ist eine positive Halbwelle der Netzspannung
UN, mit dem Bezugszeichen TN die negative Halbwelle der Netzspannung
UN bezeichnet. Mit tS ist ein Sperrzeitpunkt bezeichnet, ab dem
der Gleichrichter 3 in den Sperrbetrieb geht. Durch die
fehlende Nachladung des Zwischenkreises ZK fällt die Zwischenkreisspannung
UZK von da an ab. Mit tL ist ein Ladezeitpunkt bezeichnet, ab dem
der Gleichrichter 3 wieder in den Ladebetrieb übergeht.
Von da an ab steigt die Zwischenkreisspannung UZK wieder an.
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Im
Zeitdiagramm gemäß 5 ist
weiterhin der Verlauf des Gleichrichterstromes IG eingezeichnet.
Er verläuft
pulsför mig,
insbesondere in der Nachladeladephase TL. Mit IL ist weiterhin ein
beispielhaft angenommener und nahezu konstanter Laststrom bezeichnet.
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Gleichfalls
pulsförmig
verläuft
die zeitliche Ableitung UZK',
aus welcher gemäß der Erfindung ein
zumindest nahezu gleich verlaufender Kondensatorstrom IC ermittelt
werden kann. Beide Größen UZK', IC weisen zur vereinfachten
Darstellung einen gemeinsamen Verlauf auf, da sie über die
mathematische Beziehung IC = CAP·UZK' zueinander proportional sind. Mit CAP
ist die Kapazität
des Kondensators C bezeichnet. Dieser Kondensatorstrom IC entspricht
in Hinblick auf die Erfindung dem gesuchten Zwischenkreisstrom IZ,
wenn der Gleichrichter 3 im Sperrbetrieb ist.
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Wie 5 weiter
zeigt, ist der Kondensatorstrom IC während der Sperrphase TS des
Gleichrichters 3 negativ. Dies bedeutet, dass der Pufferkondensator
C entladen wird. Aufgrund der Entladung des Kondensators C mit einem
lastseitigen konstanten Strom IL ist auch die Änderung UZK' der Zwischenkreisspannung UZK konstant
und folglich auch der dazu proportionale Kondensatorstrom IC.
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Vorzugsweise
kann bei Annahme eines konstanten Laststromes IL auch das Minimum
MIN der zeitlichen Ableitung UZK' der
Zwischenkreisspannung UZK für
die rechnerische Ermittlung des Zwischenkreisstrom IZ herangezogen
werden.
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Für stark
schwankende Belastungen des Zwischenkreises ZK ist eine fortlaufend
aktualisierte rechnerische Ermittlung der zeitlichen Ableitung UZK' der Zwischenkreisspannung
UZK und des daraus abgeleiteten Zwischenkreisstromes IZ vorteilhaft.
Allerdings liegen nur während
der Sperrphase TS des Gleichrichters 3 verwertbare Stromwerte
IZE vor.
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6 zeigt
ein Prinzipschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung 1 gemäß der Erfindung.
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Wie
der Vergleich zu der Stromversorgungseinrichtung 1 nach
dem Stand der Technik gemäß 1 zeigt,
fehlt nun vorteilhaft die Strommesseinheit AM zur Erfassung des
Zwischenkreisstromes IZ bzw. der dazu korrespondierenden Strommesswerte IZE.
Denn erfindungsgemäß werden
die Strommesswerte IZE mit Mitteln der Steuereinheit 2 rechnerisch aus
der Änderung
UZK' der Zwischenkreisspannung UZK
bzw. aus den dazu korrespondierenden Spannungsmesswerten UMW ermittelt.
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Dabei
ist hinsichtlich der Fertigungskosten für eine derartige Stromversorgungseinrichtung 1 noch
zu bedenken, dass eine Strommesseinheit AM, wie z. B. ein Stromwandler,
ein Vielfaches der Kosten einer Spannungsmesseinheit VM beträgt. In Letztere können im
einfachsten Fall direkt oder über
einen Spannungsteiler über
einen Spannungseingang einer Steuereinheit oder I/O-Einheit Spannungswerte eingelesen
werden. Dadurch ist eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung 1 günstiger
und durch den Wegfall des sonst erforderlichen Einbaus der Strommesseinheit
AM bzw. der Strommesseinheiten AM1, AM2 schneller herstellbar.
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Die
Steuereinheit 2 ist vorzugsweise ein Mikrocontroller. Mit
dem Bezugszeichen CAP und K, welche in den Kasten für die Steuereinheit 2 eingezeichnet
sind, sind digitale Werte im Sinne von Konstanten bezeichnet. CAP
entspricht dabei dem Kapazitätswert
des in der Stromversorgungseinrichtung 1 verwendeten Kondensators
C. Mit K ist ein Proportionalitätsfaktor
für die
rechnerische Ermittlung des Zwischenkreisstromes IZ aus der zeitlichen Änderung
UZK' der Zwischenkreisspannung
UZK bezeichnet. Ausgangsseitig stehen an einem Signalausgang 9 die
zu dem zu ermittelnden Zwischenkreisstrom IZ, die zu der zu ermittelnden
Zwischenkreisleistung P und die zu den jeweils zu ermittelnden Phasenströmen IPR,
IPS und IPT korrespondierenden Stromwerte IZE, Leistungswerte PE
und Phasenstromwerte IPRE, IPSE, IPTE an.
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Die
elektronische Steuereinheit 2 weist einen weiteren Signalausgang 10 zur
Ausgabe einer Warnmeldung MLD bei Über schreitung des Vergleichsgrenzwertes
IMAX, PMAX, IPX für
den Stromwert IZ, für
den Leistungswert PE oder für
den jeweiligen Phasenstromwert IPRE, IPSE, IPTE auf.
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An
den Signalausgängen 9 und 10 können die
zuvor genannten Messwerte IZE, IPE IPRE, IPSE, IPTE und Meldungen
MLD auch in Form eines Bussignals oder seriellen Signals ausgegeben
werden. Es kann auch für
jeden Messwert IZE, IPE IPRE, IPSE, IPTE oder für jede Meldung MLD ein separater
Signalausgang vorhanden sein.
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Die
Steuereinheit 2 kann weiterhin Mittel zur Ansteuerung des
gezeigten Trennschalters TR bei Überschreitung
des Vergleichsgrenzwertes IMAX, PMAX, IPX für den Stromwert IZ, für den Leistungswert
PE oder für
den jeweiligen Phasenstromwert IPRE, IPSE, IPTE aufweisen.
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7 zeigt
ein Prinzipschaltbild eines beispielhaften Umrichters 1 als
Stromversorgungseinrichtung gemäß der Erfindung.
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Der
Last 4 in 6 entspricht die Kombination
aus einem Wechselrichter 7 und einem an diesen angeschlossenen
Verbraucher L. Der Verbraucher L ist beispielhaft ein Elektromotor.
Der Wechselrichter 7 weist einen Steuereingang für Steuerbefehle
bzw. Schaltimpulse CTR für
die in der vorliegenden 7 nicht weiter gezeigten Schaltelemente
des Wechselrichters 7 auf. Ein weiterer Steuereingang dient
zur Erfassung eines Stopp-Befehls bzw. eines Taktsperrbefehls STOP.
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Die
Steuereinheit 2 weist weiterhin einen Signaleingang 8 zur
Erfassung eines Sollwertes SW auf. Der Sollwert SW kann beispielsweise
in Drehmomentsollwert für
den angeschlossenen Elektromotors L sein. Er kann weiterhin eine
Ausgangsfrequenz und/oder ein Ausgangspannungswert des Wechselrichters 7 sein.
Die Steuereinheit 2 weist hierzu nicht weiter bezeichnete
Mittel auf, um aus dem Sollwert SW entsprechende Steuerbefehle bzw.
Schaltimpulse CTR für
die Schaltelemente des Wechsel richters 7 zu erzeugen. Zur
Berechung kann weiterhin ein in der Steuereinheit 2 hinterlegter
Aussteuergrad A des Wechselrichters 7 hinterlegt sein.
Im Falle eines konstanten Aussteuergrades A, wie z. B. von 100%, kann
dieser Wert im Proportionalitätsfaktor
K berücksichtigt
sein.
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8 zeigt
ein Schaltbild eines beispielhaften Umrichters 1 als Stromversorgungseinrichtung gemäß der Erfindung
im Detail.
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Im
Beispiel der 8 ist der Umrichter 1 insbesondere
ein dreiphasiger Frequenzumrichter zur Speisung einer dreiphasigen
Last L. Im Vergleich zur 2 weist der Umrichter 1 vorteilhaft
keine Strommessmittel AM zur Erfassung des Zwischenkreisstromes
IZ bzw. Phasenstrommessmittel AM1, AM2 zur Erfassung der Phasenströme IPR,
IPS, IPT auf. Zur Ansteuerung der elektronischen Schalter T1–T6 weist
die Steuereinheit 2 entsprechende Signalausgänge auf.
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Weiterhin
weist die elektronische Steuereinheit 2 einen Steuereingang 8 für einen
Sollwert MW zum Einstellen einer Frequenz und/oder einer Ausgangsspannung
des Wechselrichters 7 mittels der elektronischen Schalter
T1–T6
auf. Insbesondere kann die elektronische Steuereinheit 2 die
elektronischen Schalter T1–T6
des Wechselrichters 7 bei Überschreitung des Vergleichsgrenzwertes
IMAX, PMAX, IPX für
den Stromwert IZ, für
den Leistungswert PE oder für
den jeweiligen Phasenstromwert IPRE, IPSE, IPTE sperrend ansteuern.
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Die
Stromversorgungseinrichtung 1 kann alternativ zum Wechselrichter 7,
der aus einer Gleichspannung UZK eine dreiphasige Ausgangswechselspannung
erzeugt, ein getakteter Gleichrichter 1 sein. In diesem
Fall kann dem Spannungszwischenkreis ZK ein Gleichstromsteller,
ein DC/DC-Wandler, ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller oder
ein Sperrsteller zur Speisung einer daran anschließbaren elektrischen
Last L nachgeschaltet sein. In entsprechender Weise weist dann die
elektronische Steuereinheit 2 Mittel zur Ansteuerung von elektronischen Schaltern
des Gleichstromstellers, des DC/DC-Wandlers, des Hochsetzstellers, des
Tiefsetzstellers oder des Sperrstellers auf.
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Die
zuvor genannten Stelleinheiten, die dem Zwischenkreis ZK nachgeschaltet
sind, weisen vorzugsweise eine oder mehrere Ladespulen, elektronische
Schaltmittel, wie Schalttransistoren, sowie Freilaufdioden und gegebenenfalls
Filterkreise auf.
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Ein
Hochsetzsteller setzt dabei die eingangsseitig an ihm anliegende
Zwischenkreisspannung UZK in eine betragsmäßige höhere Ausgangsgleichspannung
um. Ein Tiefsetzsteller setzt die Zwischenkreisspannung UZK in eine
betragsmäßige niedrigere
Ausgangsgleichspannung um. Ein Sperrsteller setzt die Zwischenkreisspannung
UZK in eine betragsmäßig niedrigere
oder höhere
im Bezug auf das Spannungspotential des Zwischenkreises ZK negative
Ausgangsgleichspannung um. Ein DC/DC-Wandler stellt eine im Vergleich
zu den vorangegangenen Varianten der Stromversorgungseinrichtung 1 potentialfreie
Ausgangsgleichspannung zur Verfügung.