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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen
an einem Wechselspannungsnetz liegenden Gleichrichter gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
der Antriebstechnik besteht vielfach die Forderung nach einem sehr
einfach aufgebauten, netzgeführten,
ungesteuerten Gleichrichter zur Speisung eines Gleichspannungszwischenkreises
eines Antriebsumrichters aus einem Dreiphasennetz, wobei die Forderung,
dem Netz einen möglichst
sinusförmigen
Strom zu entnehmen bzw. zuzuführen,
nicht von Bedeutung ist. Da der Umrichter den mit variabler Dreiphasenspannung
und variabler Frequenz versorgten Drehstrommotor nicht nur treiben,
sondern auch bremsen soll, muss jedoch ein Stromfluss in beiden
Richtungen möglich
sein.
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Beim
Bremsbetrieb fließt
Energie vom Motor über
den lastseitigen Wechselrichter in den Gleichstromzwischenkreis
und von dort ins Netz. Dies ist bei ungesteuerten Gleichrichtern,
die nur Dioden enthalten, nicht möglich. Deshalb müssen in
Antriebsumrichtern mit Diodenbrücken
im Netzeingang elektronisch schaltbare Bremswiderstände angeordnet
sein, die die anfallende Bremsenergie in Wärme umsetzen.
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Soll
die Bremsenergie jedoch in das speisende Netz zurückgespeist
werden, kann anstelle des Gleichrichters ein selbstgeführter Pulsstromrichter mit
abschaltbaren Halbleiterschaltern, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-gransistoren
(IGBT), vorgesehen sein. Dieser selbstgeführte Pulsstromrichter kann
als Gleichrichter oder als Wechselrichter betrieben werden. Deshalb
wird dieser selbstgeführte Pulsstromrichter
auch als selbstgeführte,
gepulste Einspeise-Rückspeise-Einheit
bzw. als Aktive-Front-End (AFE) bezeichnet. Der Netzstrom ist durch
die Verwendung eines Aktive-Front-End nahezu sinusförmig, d.h.,
die Netzrückwirkungen
sind minimal.
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Gegenüber der
ungeregelten Einspeiseeinheit ist die Zwischenkreisspannung mittels
der selbstgeführten,
gepulsten Einspeise-Rückspeise-Einheit regelbar.
Der Nachteil sind die hohen Kosten und der hohe Aufwand. Wenn hohe
Anforderungen bezüglich Netzrückwirkungen
gestellt werden oder wenn eine hohe Bremsleistung anfällt, bleibt
einem nichts anders übrig,
eine derartige Einspeise-Rückspeise-Einheit
zu verwenden, auch wenn keine geregelte Zwischenkreisspannung benötigt wird.
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Aus
der
DE 35 39 027 A1 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Antriebsumrichters bekannt, der netzseitig einen ungesteuerten
Gleichrichter aufweist, der für
jede Spannungsphase zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden
mit hierzu parallel geschalteten elektronisch steuerbaren Schalter
aufweist. Außerdem
weist dieser Antriebsumrichter einen Hilfsgleichrichter auf, der
gleichspannungsseitig mit einem hochohmigen Bürdenwiderstand abgeschlossen
ist und in Reihe zu jeder seiner Hilfsdioden einen zur Ansteuerung
eines elektronisch steuerbaren Schalters dienenden Stromsensor,
insbesondere ein Optokoppler mit nachgeschaltetem Verstärker, aufweist.
Der ohmsche Widerstandswert des Bürdenwiderstandes ist so bemessen,
dass der sich im Leitzustand der Hilfsdioden einstellende Bürdenstrom
einen für
die Leuchtdioden der Optokoppler geeigneten kleinen Wert erreicht,
jedoch nicht lückt.
Mittels diesem Hilfsgleichrichter werden derart Steuersignale generiert,
dass jeder elektronisch steuerbare Schalter synchron zu den Leitphasen
der zugeordneten netzgeführten
Dioden eingeschaltet wird. Dadurch wird der Gleichrichter des Antriebsumrichters
bidirektional für
beide Stromrichtungen leitend und ist trotzdem vom netzgeführten, ungesteuerten
Typ. Der Vorteil dieses Antriebsumrichters liegt darin, dass der
Gleichrichter keine aufwendige Steuer- und Regelelektronik benötigt. Obwohl
der Gleichrichter mit abschaltbaren Ventilen arbeitet, ist die Gleichspannung
so hoch wie bei einem ungesteuerten Gleichrichter. Die abschaltbaren
Ventile schalten nur mit Netzfrequenz und nach dem Abschalten steigt
an ihnen die Spannung nur langsam an, so dass auch abschaltbare
Thyristoren als elektronisch steuerbare Schalter geeignet sind.
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Aus
der Veröffentlichung "Fundamental Frequency
Front End Converter (F
3E) – a DC-link
drive converter without electrolytic capacitor" von Kurt Göpfrich, Dr. Carsten Rebbereh
und Dr. Lothar Sack, PCIM 2003, Nürnberg, Mai 2003, ist ein Antriebsumrichter
bekannt, der netzseitig einen ungesteuerten Gleichrichter und lastseitig
einen selbstgeführten Pulsstromrichter
aufweist. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig direkt elektrisch
parallel geschaltet. D.h., im so genannten Gleichspannungszwischenkreis
ist weder ein Zwischenkreiskondensator noch eine Zwischenkreisdrossel
angeordnet. Jeder Diode des netzseitigen Gleichrichters ist ein
elektronisch steuerbarer Schalter, insbesondere ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
(IGBT), elektrisch parallel geschaltet. Zwischen den Netzanschlüssen und den
Eingangs-Anschlüssen
des netzseitigen Stromrichters ist ein Filterkreis, bestehend aus
Filterdrosseln und Filterkondensatoren, angeordnet. Für die Generierung
von Steuersignalen für
diese elektronisch steuerbaren Schalter ist eine Komparatorschaltung
vorgesehen, die eingangsseitig mit dem speisenden Netz verknüpft ist.
Diese Komparatorschaltung und deren Funktion sind in der
DE 199 13 634 A1 ausführlich behandelt,
so dass an dieser Stelle auf eine nähere Erläuterung verzichtet wird.
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Bei
der Steuerung des netzgeführten
Stromrichters des Antriebsumrichters nach der PCIM-Veröffentlichung
werden die netzseitigen Umschaltungen der elektronisch steuerbaren
Schalter des ungesteuerten Gleichrichters nach dem allgemeinen Kriterium
der Netzspannungen des speisenden Netzes durchgeführt. Der
zwischen dem netzseitigen Stromrichter und dem lastseitigen Stromrichter
fließende Gleichstrom
bleibt dabei außer
Betracht. Dieser Strom wird lastseitig eingeprägt und kann je nach Betriebszustand
und Zeitpunkt positiv, negativ oder Null sein. Außerdem ist
nicht sichergestellt, dass bei der Kommutierung des Stromes von
einer Phase auf eine nachfolgende Phase der stromführende Schalter
und der stromübernehmende
Schalter zeitgleich schalten. Ursache dafür ist die Ermittlung des Nulldurchgangs
der zugehörigen
verketteten Spannung, die beispielsweise jeweils an einem Filterkondensator des
eingangsseitigen Filterkreises ansteht, bzw. die Bestimmung des
Zeitpunkts der natürlichen
Kommutierung. Somit existieren mehrere Zustände, die bei der Kommutierung
betriebsbedingt vorhanden sind. Beispielsweise verursacht ein verzögertes Einschalten
eines stromübernehmenden
Schalters bei der Kommutierung bei einem negativen Gleichstrom im Antriebsumrichter
bei einer verketteten Spannung größer, gleich oder kleiner Null
eine Störanregung des
Gesamtsystems und führt
zu Spannungsspitzen an den Filterkondensatoren und den elektronisch steuerbaren
Schaltern. Diese auftretenden überspannungen
müssen
bei der Dimensionierung des Antriebsumrichters berücksichtigt
werden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Hilfsgleichrichter
derart weiterzubilden, dass keine zusätzlichen spannungsbegrenzenden
Maßnahmen
an deren Optokoppler mehr erforderlich sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass bei der Schaltungsanordnung für einen an einem Wechselspannungsnetz
liegenden Gleichrichter die als Stromsensoren verwendeten Optokoppler
des Hilfsgleichrichters nicht mehr in deren Brückenzweigen, sondern in seinen
Netzzuleitungen derart angeordnet, dass deren Sendedioden antiparallel
zueinander geschaltet sind, schützen sich
diese Sendedioden gegenseitig vor hohen Sperrspannungen. Somit sind
keine zusätzlichen spannungsbegrenzenden
Maßnahmen
an den Optokopplern mehr erforderlich.
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Zur
näheren
Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines bekannten Antriebsumrichters ohne einen
Spannungszwischenkreis, die
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer bekannten Steuereinrichtung zur Generierung
von Steuersignalen für
die elektronisch steuerbaren Schalter des Gleichrichters eines bekannten
Antriebsumrichters, in der
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3 sind
in einem Diagramm über
der Zeit t die Netzspannungen des speisenden Netzes und eine erzeugte
gleichgerichtete Gleichrichterspannung dargestellt, in der
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4 sind
jeweils in einem Diagram über
der Zeit t die Steuersignale der elektronisch steuerbaren Schalter
des Gleichrichters eines bekannten Antriebsumrichters dargestellt,
und die
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5 zeigt
das Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung zur Generierung von
Steuersignalen für
die elektronisch steuerbaren Schalter des Gleichrichters des Antriebsumrichters nach 1.
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In
der 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Antriebsumrichters 2 dargestellt,
der aus der PCIM-Veröffentlichung
bekannt ist. Dieser bekannte Antriebsumrichter 2 weist
netzseitig einen Gleichrichter 4 und lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter
auf. Der Gleichrichter 4 und der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 6 sind
gleichspannungsseitig direkt miteinander mittels einer positiven
und einer negativen Stromschiene 8 und 10 elektrisch
leitend verbunden. Im Gleichspannungs-Zwischenkreis sind somit keine
Zwischenkreisdrossel und Zwischenkreiskondensator mehr vorhanden.
Zwischen den Anschlüssen
U, V, W eines nicht näher
dargestellten Netzes und den wechselspannungsseitigen Eingangs-Anschlüssen 12, 14 und 16 des
Gleichrichters 4 ist ein Filterkreis 18 angeordnet.
Dieser Filterkreis 18 weist Filterdrosseln LF und
Filterkondensatoren CF auf, wobei diese
Filterdrosseln LF je weils in einer Netzzuleitung
und die Filterkondensatoren CF in Dreieck
geschaltet sind. Der netzseitige Stromrichter 4 weist für jede Spannungsphase
zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden D1, D2; D3, D4 und D5,
D6 auf, die derart elektrisch verschaltet sind, dass eine dreiphasige
Gleichrichterbrückenschaltung
entsteht. Elektrisch parallel zu jeder Diode D1, ..., D6 dieses Gleichrichters 4 ist
jeweils ein elektronisch steuerbarer Schalter T1, ..., T6 geschaltet.
Als elektronisch steuerbarer Schalter T1, ..., T6 sind abschaltbare Halbleiterschalter,
insbesondere IGBTs, vorgesehen.
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Diese
elektronisch steuerbaren Schalter sind mit ihren Steueranschlüssen gemäß der PCIM-Veröffentlichung
mit einer Steuereinrichtung verknüpft. Da diese Steuereinrichtung
vorwiegend aus Komparatoren aufgebaut ist, wird diese als Komparatorschaltung
bezeichnet. Der genaue Aufbau dieser Komparatorschaltung ist der
DE 199 13 634 A1 entnehmbar.
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Die
2 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer weiteren Steuerschaltung
20,
die aus der
DE 35 39 027
A1 bereits bekannt ist. Diese Steuerschaltung
20 weist
einen Hilfsgleichrichter
22 auf, der gleichspannungsseitig
mit einem hochohmigen Bürdenwiderstand
R
B abgeschlossen ist. Die Eingänge
24,
26 und
28 des
Hilfsgleichrichters
22 sind mit den Anschlüssen U,
V und W eines nicht näher
dargestellten speisenden Netzes elektrisch leitend verbunden. Dieser Hilfsgleichrichter
22 besteht
aus sechs Hilfsdioden D7, D8, D9, D10, D11 und D12 die in allgemein
bekannter Drehstrombrückenschaltung
verschaltet sind. Zwischen jeder Hilfsdiode D7, ..., D12 und einem
zugeordneten gleichspannungsseitigen Anschluss
30 bzw.
32 des Hilfsgleichrichters
22 ist als Stromsensor ein Optokoppler
34,
36,
38,
40,
42 und
44 mit
einer Sendediode geschaltet. Der jedem Optokoppler
34,
...,
44 eigene, von der zugehörigen Sendediode angesteuerter
Fototransistor ist mit einem jeweils nachgeschalteten Verstärker
46,
48,
50,
52,
54 und
56 verknüpft. Die
Verstärker
46,
...,
56 generieren dabei in Abhängigkeit der lichtemittierenden Sendediode
jeweils ein Einschaltsignal S
T1, S
T2, S
T3, S
T4, S
T5 und S
T6 für
die elektronisch steuerbaren Schalter T1 bis T6 des Gleichrichters
4 des
Antriebsumrichters
2 nach der
1. Diese
Steuersignale S
T1, ..., S
T6 stehen
jeweils an korrespondierenden Steueranschlüssen G
T1,
G
T2, G
T3, G
T4, G
T5 und G
T6 an. Diese Steuersignale S
T1 bis
S
T6 sind jeweils in einem Diagramm der
4 über der
Zeit t dargestellt.
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Der
ohmsche Widerstandswert des Bürdenwiderstandes
R
B ist gemäß der
DE 35 39 027 A1 so bemessen,
dass der sich im Leitzustand der Hilfsdioden D7 bis D12 einstellende
Bürdenstrom
I
aux einen für die Sendedioden der Optokoppler
34,
...,
44 geeigneten kleinen Wert erreicht (z.B. 10mA).
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Die
Phasenspannungen UU, UV und
UW des speisenden Netzes sind in der 3 in
einem Diagramm über
der Zeit t dargestellt. Dieser Darstellung kann entnommen werden,
dass zu den Zeitpunkten t1 bis t6 jeweils ein Schnittpunkt K1, ...,
K6 zweier Phasenspannungen auftreten. Diese Schnittpunkte K1, ...,
K6 sind die natürlichen
Kommutierungszeitpunkte eines ungesteuerten Gleichrichters. Eine
vom Gleichrichter 4 erzeugte Gleichspannung uZK ist ebenfalls
im Diagramm der 3 über der Zeit t dargestellt.
Zu diesen Zeitpunkten t1, ..., t6 geht jeweils eine zu den zwei
beteiligten Phasenspannungen UW, UU; UV, UW;
UU, UV; UW, UU; UV,
UW und UU, UV korrespondierende verkettete Spannungen
durch Null. D.h., diese verkettete Spannung wechselt das Vorzeichen.
Diese verketteten Spannungen sind an den Filterkondensatoren CF des Filterkreises 18 des Antriebsumrichters 2 nach 1 abnehmbar.
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In
der 5 ist ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 58 näher dargestellt.
Diese Steuereinrichtung 58 unterscheidet sich von der Steuereinrichtung 20 gemäß 2 dadurch, dass
die als Stromsensoren verwendeten Optokoppler 34, ..., 44 mit
nachgeschalteten Verstärkern 46,
..., 56 nicht mehr in den Brückenzweigen des Hilfsgleichrichters 22,
sondern in den Netzzuleitungen derart angeordnet sind, dass Sendedioden
paarweise antiparallel geschaltet sind. Dadurch schützen sich
die Sendedioden zweier Optokoppler 34, 36; 38, 40 und 42, 44 gegenseitig
vor hohen Sperrspannungen, wodurch keine spannungsbegrenzenden Maßnahmen an
den Optokopplerdioden mehr erforderlich sind.