DE2002325C - Überstrom-Schutzschaltung für eine im Normalbetrieb einen kapazitiven Reihenschwingkreis speisende Wechselrichter- - Google Patents

Description

wechselnd durchgeschaltet Dadurch entsteht am Lastwiderstand 1 eine Rechteckspannung, deren Grundfrequenz gleich der Folgefrequenz der Zündung des Stromrichters 5 ist Die Zündung der Stromrichter 5 und 6 erfolgt durch von einem Zündimpulsgeber 7 gelieferte Zündimpulse, deren Löschung selbsttätig durch aus dem Lastwidersland 1 rückfließenden Blindstrom. Dieser fließt über eine dem Stromrichter 5 bzw. 6 antiparallel geschaltete Diode 8 bzw. 9, erzeugt am betreffenden Stromrichter eine Gegenspannung und erzwingt damit dessen Löschung.

Der Stromrichter 5 und die Diode 8 sowie der Stromrichter 6 und die Diode 9 bilden jeweils eine Ventilgruppe. Es können auch insgesamt vier Strom- is richter und ihre antiparallel geschalteten Dioden vorgesehen sein, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Die sich diagonal gegenüberliegenden

nei »Hu. Die sich diagonal gegenüberliegenden Stromrichter und Dioden gehören dann einer Ventilgriii'P<-* an. Die Last sowie die Gleichstromquelle wer- ao den in jeweils zwei gegenüberliege' de Brückenpunkic angeschlossen.

/ir Vermeidung eines Kurzschlusses der Gleichstromquelle 3 muß jeweils der eine Stromrichter bereite iicloscht sein, bevor der andere Stromrichter ge- as zürntet wird. Der die Löschung des Stromrichters im ein^n Ventil-Stromzweig bewirkende BlindstromrikktluU muß also jeweils oereits vor der Zündung des Stromrichters im anderen Ventil-Stromzweigf erfolgen. Da die Flanken der durch abwechselnde Durchschaltung der Stromrichters und6 am Ausgang des Wechselrichters erzeugten Rechteckspannung und dementsprechend auch die Nulldurchgänge der Crundwelle dieser Rechteckspannüng zeitlich mit den ZündzeUpunkten der Stromrichter zusammenfallen, muß dementsprechend die den Blindstromiückfiuß einleitende Stromrichiungsänderung des Ausgangsst'omes vor dem Nulldurchgang der Grundwel!e der Ausgangsspannung erfolgen. Da sich ein der Spannung voreilendcr Strom nur bei komplexen Widerständen mit kapazitiver Komponente ergibt, muß die Last 1 eine kapazitive Komponente aufweisen. Dieser Bedingung wird bei lastgeführten Wechjelrichtern in der Regel durch geeignete Bemessung eines zwischen den Wechselrichter und die eigentliehe Last geschalteten Ankopplungsfilters entsprochen.

Auch bei richtiger Bemessung des Ankopplungsfilters können anomale Lastfälle mit induktiver Komponente des Filter-Eingangswiderstandes auftreten. In einem solchen Fall würde der die Löschung des Stromrichters 5 bewirkende Blindstromrückfluß erst nach der Zündung des Stromrichters 6 einsetzen, und dementsprechend würde sich mit ^er Zündung des Stromrichters 6 ein Kurzschluß der Gleichstrom- SS quelle 3 über die Stromrichter 5 und 6 ergeben. Um solche Kurzschlüsse der Gleichstromquelle 3 zu verhindern, ist — wie z. B. aus der schweizerischen Patentschrift 432 (534 bekannt — in eine, ZUndleitung _v. to'des- Stromrichters 6 eine UND-SchaltungIi ein·: geschaltet, die erst mit der Löschung des Stromrichters 5 durchgeschaltet wird und die dementsprechend in allen Fällen, in denen der Blindstromrückfluß aus dem Lastwiderstind 1 erst nach dem Zündzeitpunkt des Stromrichters 6 einsetzt, die Zündimpulszufuhr zum Stromrichter 6 sperrt und damit die Zündung desselben verhind .rt.

Als Kriterium für die Durchschaltung der UND-

Schaltung Il dient der die Löschung des Stromrichters 5 bewirkende Blindstroinrückfluß selbst, indem ein Abbild desselben über einen in einen Hilfsstrompfad 12 eingeschalteten Stromwandler 13 einem Eingang 14 der UND-Schal ung 11 zugeführt ist.

Die Gefahr von Kurzschlüssen läßt sich weiter vermindern, wenn auch die Zündung des Stromfichteis 5 vom jeweiligen Schaltzustand des anderen Stromrichters abhängig gemacht wird. Hierbei dient als Kriterium für die Durchschaltung einer in eine Zündleitung 15 des Stromrichters 5 geschalteten UND-Schaltung 16 der im Stromrichter 6 fließende Strom. Dazu ist ein Stromwandler 17, dessen Sekundärwicklung über eine Inverterschaltung 18 an einen Eingang 19 der UND-Schaltung 16 geführt ist, in den zweiten Ventil-Stromzweig 4 geschaltet

Die UND-Schaltung 11 bzw. 16 spricht bei einem am Eingang 14 bzw. 19 erscheinenden Durchschaltsignal um eine Ansprechzeit, die größer ist als die Löschzeit der Stromtore, verziert an.

Die Sekundärwicklung des St.omwandlers 17 ist außerdem mit einer Schwellwertschaltung 20, die mit einem Zeitglied versehen ist, verbunden. Oie Schwellwertschaltung 20 spricht an, sobald ein bestimmter zulässiger Wert des durch den Stromrichter 6 fließenden Stroms überschritten wird. Das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung wird über eine Inverterschaltung 21 auf einen Eingang 22 der UND-Schaltung 16 gegeben, wodurch diese gesperrt wird. Die Sperrung wird durch das in der Schwellwertschaltung 20 enthaltene Zeitglied für eine gewünschte Zeit aufrechterhalten. Bei einer Rundsteuersendeanlage ist diese Sperrzeit so groß, daß mindestens ein voller Rundsteuer-Kommandoimpuls ausfällt, wodurch das Ausschalten der Sendeanlagc bewirkt wird.

Für den Fall der Parallelschaltung von zwei oder mehr Wechselrichtern zwecks Leiitungserhöhung ergibt sich die Notwendigkeit einer gegenseitigen Verkopphing der Überwachungsschaltungen. Bei Ausfall einer Wechselrichter-Einheit ist es erforderlich, daß auch bei den noch intakten Einheiten ohne Verzug die Zündimpulse gesperrt werden. Die UND-Schaltungen 11 und 16 der einzelnen Einheiten werden daher¹, gegenseitig verbunden. Eine gesperrte UND-Schaltung in einer Wechselrichter-Einheit erzwingt dadurch auch die Sperrung der entsprechenden UND-Schaltungen in den parallelen Einheiten, so daß bei auftretenden Störungen immer sämtliche Wechselrichter gleichzeitig unterbrochen werden.

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Zu Beginn wird der Zündimpulsgeber eingeschaltet. Weil der Hilfsstrompfad 12 vorerst stromlos ist, wird ein in der ZUndleitung Ό auftretender Zündimpuls von der UND-Sv.haltung 11 nicht durchgelassen. Die UND-Schaltung 16 hingegen ist infolge der Inverterschaltung 18 für Zündimpulse durchlässig, wenn der zweite Ventil-Stromzweig stromlos ist. Beim ersten in der ZUndleitung 15 auftretenden Zündimpuls wird somit der Stromrichter gezündet, und ein positiver Strom I₁ ladt den Kondensator des Lastwiderstandes i auf. Beim Erreichen des maximalen Spannungswertes im Kondensator kehrt der Strom I₁ seine Richtung um und fließt über Hilfsstrompfad 12 zur Gleichstromquelle 3 zurück, wodurch am Stromrichter 5 eine negative Spannung entsteht und dessen Löschung erzwungen wird. Der im Hilfsstrompfad !2 fließende Strom erzeugt ein Durchschaltsignal, das an den Eingang 14 der LiND-

Schaltung 11 gelangt, so daß der anschließend Vom Zündimpulsgeber 7 gelieferte Zündimpuls die UND-Schaltung 11 passieren und den Stromrichter 6 zünden, kann. Der Rückflußstrom fließt nunmehr über den zweiten Venlil-Stromzwcig 4, während die Diode 8 gesperrt ist. Sobald die Spannung am Kondensator des luftwiderstandes 1 ein Minimum durchläuft, findet wiederum Stromumkehr statt, Der Strom im zweiten Ventil-Stromzweig4 geht daher vom Stromrichter 6 auf die Diode 9 über. Dadurch spricht die UND-Schaltung 16, die beim Stromnulldurchgang im zweiten Ventil-Stromzweig 4 über den Stromwandler 17 und die Inverterschaltung 18 ein Durchschallsignal erhält, an. Kurz darauf erfolgt wieder die Zündung des Stromrichters S.

Der aus der Schwellwertschaltung 20 und der Inverterschaltung 21 bestehende Teil der Überstrom-Schutzschaltung greift in den normalen Funktionsablauf nicht ein. Die Sperrung der UND-Schaltung 16 erfolgt in diesem Fall nur über die Inverterschaltung 18.

Wenn die Betriebsbedingungen es erfordern, dann ist es ohne weiteres möglich, auch im ersten Ventil-Stromzweig des Wechselrichters eine der beschriebenen Schaltung entsprechende Überstrom-Schutzschaltung anzuordnen.

An Hand der F i g. 2 wird im folgenden eine Detailbeschreibung der Schutzschaltung gegeben.

Zu Beginn eines Rundsteuersendeimpulses ist immer zuerst der erste Ventil-Stromzweig 2 stromführend. Demgemäß fließt der Laststrom vom positiven Pol der Gleichstromquelle 3 über den Stromrichter S zur Last 1 und zurück zum negativen Pol der Gleichstromquelle. Nach einer durch die Last bestimmten Zeit fällt der Strom auf Null ab, was zur Löschung des Stromrichters 5 führt. Der nun aus dem Lastkreis in umgekehrter Richtung zurückfließende Blindstrom gelangt vorerst über die Diode 8 zur Gleichstromquelle 3 zurück, wobei auch der Stromwandler 13 durchflossen wird. Auf dessen Sekundärseite entsteht somit eine Spannung, die infolge scharfer Begrenzung durch in Durchlaßrichtung liegende Dioden 23 und 24 in einen Rechteck impuls umgeformt wird. Dieser Spannungsimpuls gelangt an die Basis-Emitter-Strccke eines Transistorschaltcrs 25 und steuert diesen in den leitenden Zustand. Als Folge davon sperrt ein Transistorschalter 26, wodurch ein mit diesem verbundener Transistorschalter 27 leitend wird. Über Widerstände 28 und 29 setzt ein Stromfluß ein, so daß auch ein Transistorschalter 30, dessen Basis an die Verbindung zwischen den beiden Widerständen angeschlossen ist, in den leitenden Zustand übergrhCwflerdtngs mit einer kleinen, von einer KapazMt 31 abhängigen Verzögerung. Diese Verzögerung entspricht der bereits erwähnten Ansprechzeit der UND-Schaltungen 11 und 16, die größer als die Löschzeit der Stromrichter ist

Sobald der Transistorschalter 3d leitend geworden ist, unterbricht ent von diesem hierdurch in den Sperrzustand gesteuerter Transistorschalter 32 den Strom, der vnm Pluspol fiber Widerstände 33 und 34, den Transistorschalter 32 and eine Zenerdiode 35 zum Minuspol der Stromversorgung fließt.

Die Versorgungsspannung wird mit einem aus einem Widerstand 36 und Zenerdioden 37 und 38 bestehenden, parallel zur Gleichstromquelle 3 liegenden Spannungsteiler erzeugt. Sie wird von 4er Reihenschaltung der beiden Zcncrdindcn abgegriffen. F.ine zu dieser Reihenschaltung parallelgeschaltcte Kapazität 39 dient zur Glättung der Versorgungsspannüng bei eventuellem Auftreten von Welligkeitcn.
Der durch den Transistoischalter 32 unterbro-

S chene Strom fließt nun über einen Widerstand 40 in die Basis eines Transistorschalters 41, der das eigentliche Zündimpulstor darstellt. Dieser wird leitend und schließt über einen Übertrager 42 den Zündimpulskrcis für den Stromrichter 6.

Iu Die Zündimpulse für den ersten sowie für den zweiten Ventil-Stromzweig werden über Klemmen 43, 44 und 45 eingegeben und über Übertrager 46 bzw. 47 in die entsprechenden Zündimpulskreise eingekoppelt.

is Die Zündimpulse für den zweiten Ventil-Stromzweig 4 gelangen bei leitendem Transistorschalter 41 über den Übertrager 42 und einen Begrenzungswiderstand 48 an die Steuerelektrode des Stromrichters 6, wodurch der Strom jetzt durch die Last und diesen

ao Stromrichter fließt.

Ein parallel zum Widerstand 33 liegender Transistor 49 wirkt als Stromregler und ermöglicht kurzzeitig eine erhöhte Stromentnahme aus der Versorgungsspannungsquelle, um den Transistorschalter 41 völlig in die Sättigung zu steuern.

Der im nun stromführenden zweiten Ventil-Stromzweig Hegende Stromwandler 17 liefert auf ähnliche Weise wie der Stromwandler 13, ein durch Dioden 50 und 51 begrenztes Rechtecksignal an den Eingang einer Verricgelungsschaltung 52 für den ersten Ventil-Stromzweig!. Diese arbeitet in der gleichen Weise wie die beschriebene Verriegelungsschallung 53 für den zweiten Ventil-Stromzweig 4. Es besteht lediglich der durch die Inverterschaltung 18 in F i g. 1 bedingte

Unterschied, daß beim Auftreten eines Rechtecksignals am Ausgang des Stromwandlers 17 ein dem Transistorschalter 41 entsprechender Transistorschalter 54 nicht leitend ist und somit während der Leitperiode des zweiten Ventil-Stromzweigs 4 die Zündimpulse für den ersten Ventil-Stromzweig gesperrt sind.

Die Kontrolle des Laststroms wird ebenfalls auf Grund der Sekundärspannung des Stromwandlers 17 vorgenommen. Da die Stromampliluden beim Einschwingen des Lastkreises den zulässigen Maximalwert übersteigen können, wird die Überstromschuizschaltung so ausgeführt, daß sie für die kurze Einschwingzeit unwirksam ist und nur im stationären Betriebszustand anspricht. Die aus dem Strom im zweiten Venlil-Stromzweig 4 abgeleiteten Spani.jngsimpulse werden über einer vorwiegend ohmschen Bürde

55 abgenommen und einer Oberstromschutzschaltung

56 zugeführt.

Die Impulse gelangen Ober eine Diode 57 auf ein SS aus Widerständen SS und 59 und einer Kapazität 60 gebildetes Integrierglied. Ein darauf folgender, aus Transistoren 61 und 62 mit entsprechender Beschattung bestehender Schmitt-Trigger kann nur ansprechen, wenn die Kapazität 66 auf eine bestimmte Schwellwertspanntmg aufgeladen ist. Dieser Spannungswert wird unter normalen Bedingungen nicht erreicht, da Ober einen Widerstand 63 die Ladung wieder abfließen kann. Gs stellt sich also ein Spannungsmittelwert ein, der nur dann Ober den Schwell- «s wert ansteigen kann, wenn der Strom im zweiten Ventil-Stromzweig 4 während der Dauer einiger Perioden den zulässigen Wert überschritten hat.

Ist dies der Fall, dann kippt der Schmitt-Trigger

schlagartig und sendet über ein aus einer Kapazität 64 und einem Widerstand 65 gebildetes Differenzierglied einen kurzen Auslöseimpuls an ein aus Transistoren 66 und 67 bestehendes Zeitglied. Dieses spricht an, indem der Transistor 67 sperrt und Transistor <£ in. den leitenden Zustand gezwungen wird. Eine zwischen Kollektor des Transistors 66 und Basis des Transistors 67 geschaltete Kapazität 68 bewirkt eine Selbsthaltung in diesem nichtstabilen Zustand des Zeitgliedes für eine bestimmte Dauer. Während dieser Zeitspanne sind vom Zeitglied gesteuerte Transistorschalter 69, 70 und 71 geschlossen. Der Transistorschalter 69 bewirkt Über die Basis eines in der Verriegelungsschaltußg 52 enthaltenen Transistorschalters 72 das unmittelbare öffnen des Transistor-

Schalters 54 und damit die Sperrung der Zündsignale fUr den ersten Ventil-Stromzweig 2. Der Transistorschalter 71 läßt ein Relais 73 ansprechen und meldet über einen Kontakt 74 die Störung.

s Bei einer Überwachung von zwei oder mehreren parallelen Wechselrichtern sind Über Anschlüsse 75, 76 und 77 die Kollektoren der Transistorschalter 32 und entsprechender Transistorschalter 78 der einzelnen Wechselrichter miteinander verbunden. Wenn

to beispielsweise der Transistorschalter 78 geschlossen ist, was einer Sperrung des Zündimpulses durch den Transistorschalter 54 entspricht, dann werden auch die Transistorschalter 54 in den anderen Wechselrichtern gesperrt sein. Entsprechendes gilt auch fUr

is die Transistorschalter 32 und 41.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209682/358

Claims (5)

ι 2 schaltet Hierbei ist nachteilig, daß der Wechselnch- Patentansprüche· tor in Störungsfällen für eine gewisse Zeit ausfallt, und zwar so lange, bis die Störung und deren Ursache

1. Übereu-om-Schutzschaltung für eine im ffor- erkannt sind und die Sicherung ausgewechselt ist. Das malbetrieb einen kapazitiven Reihenschwingkreis S Erkennen der Störung kann insbesondere dann sehr speisende Wechselrichteranlage mit mindestens lange dauern, wenn mehrere Wechselrichter zusameinem lastgeführten Wechselrichter, der zwei min- mengeschaltet sind. Wenn diese beispielsweise in destens je einen steuerbaren Stromrichter und Rundsteuersendeanlagen verwendet werden, dann eine antiparallel geschaltete Diode umfassende, ia können derartige Ausfalle nicht in Kauf genommen Serie geschaltete Ventflgruppen enthält, die durch u» werden. Das Ansprechen der Schmebsicnerungen bei Zündimpulse derart gesteuert werden, daß sie ab- anomalen Betriebszuständen muß daher verhindert wechselnd leitend sind, und bei weicher bei mm- werden, ohne daß dabei jedoch die Schutzfunktion destens einer der Ventflgruppeo ein steuerbarer der Schmelzsicherung aufgehoben wird.
Stromrichter mit einer ein Verzögerungsglied ent- Aus der schweizerischen Patentschrift 432 634 haltenden Einrichtung zur Erfassung des durch 15 bzw. aus den deutschen Offenlegungsschriften diesen Stromrichter fließenden Stroms in Reihe 1438522 und 1488971 ist es bereits bekannt, die geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, Ventilstromzweige mit Überwachungsschalümgen daß an die Einrichtung (17) zusätzlich eine auszurüsten, die die Zündimpulse immer dann freige-Schwellwerts· haltung (20) mit einem Zeitglied ben. wenn keiner der Stromrichter leitend ist. Damit angeschlossen ist, die mit einer Sperreinrichtung 20 werden Kurzschlüsse und ein dadurch bedingtes Anfür die Zündimpulse der anderen Ventilgruppe sprechen der Sicherungen verhindert; die Schaltung verbunden ist. erzwingt eine eindeutige gegenseitige Verriegelung

2. Überstrom-Schutzschaltung nach An- der beiden Ventilgruppen. Andererseits können die sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperr- Schmelzsicherungen aber auch infolge einer Übereinrichtung aus einer Inverter-Schaltung (21) und aj schreitung des maximal zulässigen Stromes anspreeiner nachgeschalteten UND-Schaltung (16) be- chen, ohne daß ei', direkter Kurzschluß vorliegt, steht. Diese Stromüberschreitung kann z. B. durch eine un-

3. Überstrom-Schutzschaitung nach An- erwünschte Spannungserhöhung auf der Gleichspanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei nungsseite oder auf der Lastseite bedingt sein. In diemehreren par '!elen Wechselrichtern die Sperr- 30 sem Fall werden die Überwachungsschaltungen der einrichtungen miteinander gekaupelt sind. bekannten Anordnungen nicht wirksam.

4. Überstrom-Schutzschaltung nach An- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sprach 3, dadurch gekennzeichr-*, daß die Ein-' Schutzschaltung zu schaffen, mit der eine Überschreigänge der UND-Schaltungen der Sperreinrichtun- tung des maximal zulässigen Stromes und ein dagen mehrerer paralleler Wechselrichter miteinan- 35 durch bedingtes Ansprechen der Sicherangen verhinder verbunden sind. dert wird.

5. Überstrom-Schutzschaltung nach An- Zur Lösung der Aufgabe wird bei der eingangs gesprach 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, da- nannten Überstrom-Schutzcchalti..is erfindungsgedurch gekennzeichnet, daß vor die Schwellwert- maß vorgeschlagen, daß an die Einrichtung zusätzlich schaltung (20) ein Integrierglied (58, 59, 60) ge- 40 eine Schwellwertschaltung mit einem Zeitglied angeschaltet ist. schlossen ist, die mit einer Sperreinrichtung für die

Zündimpulse der anderen Ventilgrappe verbunden ist.

. Die Schwellwertschaltung spricht an, sobald ein

♦5 bestimmter zulässiger Wert des durch den Stromrichter fließenden Stroms überschritten wird. Die Sperrung wird durch das in der Schwellwertschaltung ent-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überstrom- haltene Zeitglied für eine gewünschte Zeit aufrechter-Schutzschaltung für eine im Normalbetrieb einen ka- halten. Bei einer Rundsteuersendeanlage ist die pazitiven Reihenschwingkreis speisende Wechselrich- 50 Sperrzeit so groß, daß mindestens ein voller Rundteranlage mit mindestens einem lastgefuhrten Wech- steuer-Kommandoimpuls ausfällt, wodurch das Ausseirichter, der zwei mindestens je einen steuerbaren schalten der Sendeanlage bewirkt wird.
Stromrichter und eine antiparallel geschaltete Diode Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in umfassende, in Serie geschaltete Ventügruppen ent- den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles nähält, die durch Zündimpulse derart gesteuert werden, 55 her erläutert, wobei weitere Einzelheiten beschrieben daß sie abwechselnd leitend sind, und bei welcher bei werden. Es zeigt
mindestens einer der Ventügruppen ein steuerbarer F i g. 1 ein Funktionsschaltbilcl und
Strumrichter mit einer ein Verzögerungsglied enthal- F i g. 2 Schaltungsdetails einer Schutzschaltung,
tenden Einrichtung zur Erfassung des durch diesen Bei dem in Fig. I dargestellten Funktionsschalt-Stromrichter fließenden Stroms in Reihe geschaltet 60 bild eines lastgeführten Wechselrichters mit einer ist. Überstrom- und Kurzschlußschutzschaltung wird ein Beim Betrieb von lastgefuhrten Wechselrichtern als Reihenresonanzkreis ausgeführter Lastwidergibt es bekanntlich Fälle, wo die Bedingungen für stand 1 in abwechselnder Folge über einen ersten eine störungsfreie Kommutierung nicht mehr erfüllt Ventil-Stromzweig 2 an eine Gleichstromquelle 3 gesind, was in der Regel zu Kurzschlüssen der Gleich- 65 legt und über einen zweiten Ventil-Stromzweig 4 .Stromquelle über die gesteuerten Ventile führt. Zum kurzgeschlossen. Zu diesem Zweck werden ein Schulz werden allgemein sehr schnell ansprechende Stromrichters im ersten Ventil-Stromzweig und ein Schmelzsicherungen in die Ventilstromkreise cinge- Stromrichter 6 im zweiten Ventil-Stromzweig ab-