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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Anschluss an eine elektrische Schaltung sowie eine elektrische Schaltung.
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Beispielsweise aus der
DE 101 46 868 Al ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die zum Aufladen eines an einen Stromrichter angeschlossenen Kondensators vorgesehen ist. Die bekannte Schaltungsanordnung sieht pro Stromrichterphase einen Halbleiterschalter
20 vor, der in Reihe zu einem der phasenbezogenen Stromrichterventile geschaltet ist.
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Beispielsweise aus der
DE 10 2007 042 246 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die an einen Umrichter angeschlossen ist, und die zum Schutz des Umrichters vor überlastungen vorgesehen ist. Die bekannte Schaltungsanordnung weist eine mit Hilfe eines Thyristors ein- und ausschaltbare sogenannte Crowbar
28 auf, mit der die Spannung am Stromrichter beeinflusst werden kann.
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Die gattungsbildende
DE 10 2009 033 515 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Anschluss an eine elektrische Schaltung, die einen Transformator aufweist, an dessen Primärwicklung ein elektrisches Energieversorgungsnetz und an dessen Sekundärwicklung ein Stromrichter mit einem Kondensator angeschlossen sind, wobei die Schaltungsanordnung die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist. Die Schaltungsanordnung weist einen Drehstomsteller bzw. Wechselstromsteller auf, der einserseits mit einem Hilfsspannungsnetz, bspw. einem Niederspannungs-Eigenbedarfsnetz, verbunden ist. In einer Ausführungsform ist der Dreh- bzw. Wechselstromsteller andererseits mit einer mit der Primärwicklung gekoppelten Hilfswicklung verbunden. In einer Ausführungsform weist der Dreh- bzw. Wechselstromsteller jeweils zwei antiparallel geschaltete Thyristoren oder Triacs auf, die mit Phasenanschnitt zur Erzeugung eines konstanten Vorladestroms für den Kondensator angesteuert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Schaltungsanordnungen zu verbessern.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung nach dem Anspruch 1 und durch eine elektrische Schaltung nach dem Anspruch 2.
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Bei der Erfindung weist die elektrische Schaltung einen Transformator auf, an dessen Primärwicklung ein elektrisches Energieversorgungsnetz und an dessen Sekundärwicklung ein Stromrichter mit einem Kondensator angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung, die an die elektrische Schaltung angeschlossen ist, weist eine mit der Primärwicklung gekoppelte Hilfswicklung auf, an die eine Schalteinrichtung angeschlossen ist. Die Schalteinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie wahlweise die Phasen der Hilfswicklung kurzschließen oder den Kondensator aufladen kann. Die Schalteinrichtung weist mindestens zwei antiparallel geschaltete Thyristoren auf und ist mit einer Hilfsspannung verbunden. Die Schaltungsanordnung weist ferner mindestens einen Schalter auf, der derart mit der Schalteinrichtung verschaltet ist, dass er in seinem geschlossenen Zustand eine der Phasen mit einer anderen der Phasen der Hilfswicklung kurzschließt, wobei im geöffneten Zustand des Schalters die Hilfswicklung mit der Hilfsspannung verbunden ist
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Efindungsgemäß ist eine mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelte Hilfswicklung vorhanden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist also über die Hilfswicklung mit der elektrischen Schaltung verbunden. Der bei den eingangs genannten Druckschriften vorhandene Halbleiterschalter bzw. Thyristor ist erfindungsgemäß dann an diese Hilfswicklung angeschlossen.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht in deren hoher Flexibilität im Hinblick auf die Ausführung von erwünschten Funktionen. Dies ergibt sich aus dem Anschluss der Schalteinrichtung über die Hilfswicklung. Durch diese Anbindung an die elektrische Schaltung kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einfacher Weise für eine einzige bestimmte Funktion oder für mehrere unterschiedliche Funktionen hergerichtet werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den weiteren Vorteil, dass der Betrieb der Schalteinrichtung aufgrund der Hilfswicklung auf einem niedrigeren Spannungsniveau erfolgen kann als ohne die Hilfswicklung. Die elektrischen Bauelemente der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung benötigen damit eine geringere Spannungsfestigkeit und können somit einfacher und kostengünstiger ausgelegt werden.
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Gemäß der Erfindung ist die Schalteinrichtung derart ausgebildet, dass sie wahlweise die Phasen der Hilfswicklung kurzschließen kann oder dass sie den Kondensator aufladen kann. In diesem Fall kann somit von der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung wahlweise eine sogenannte Kurzschließer-Funktion für den Stromrichter oder eine sogenannte Auflade- bzw. Vorlade-Funktion für den Kondensator realisiert werden. Mit ein- und derselben Schalteinrichtung können somit vorteilhafter Weise zwei Funktionen ausgeführt werden. Dies stellt eine wesentliche Einsparung an elektrischen Bauelementen dar.
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Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung weist mindestens zwei antiparallel geschaltete Thyristoren auf. Damit kann die erfindungsgemäße Schalteinrichtung kostengünstig realisiert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Schaltungsanordnung mindestens einen Schalter aufweist, der derart mit der Schalteinrichtung verschaltet ist, dass er in seinem geschlossenen Zustand zwei Phasen der Hilfswicklung kurzschließt. Damit kann in besonders einfacher Weise die Kurzschließer-Funktion realisiert werden.
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Im geöffneten Zustand dieses Schalters ist die Hilfswicklung dann mit einer Hilfsspannung verbunden. Auf diese Weise kann die Vorlade-Funktion vorteilhaft realisiert werden.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den zugehörigen Figuren dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren.
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Die 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, und die 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Teils der Schaltung der 1.
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In der 1 ist eine elektrische Schaltung 10 dargestellt, die einen Transformator 12 mit mindestens einer Primärwicklung 13 und mindestens einer magnetisch gekoppelten Sekundärwicklung 14 aufweist. Die Primärwicklung 13 ist über einen Schalter 16 mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz 17 verbunden. Jede der Sekundärwicklungen 14 ist über mindestens einen zugehörigen Stromrichter 19 mit mindestens einem Kondensator 20 eines Gleichspannungszwischenkreises verbunden. Die den Stromrichtern 19 zugeordneten Kondensatoren 20 sind in Serie geschaltet und bilden den Plus- und Minuspol des Gleichspannungszwischenkreises.
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Jeder der Stromrichter 19 ist zur Umwandlung einer an dem zugehörigen Kondensator 20 anliegenden Gleichspannung in eine an der zugehörigen Sekundärwicklung 14 anliegenden Wechselspannung und umgekehrt vorgesehen. Jeder der Stromrichter 19 mit dem zugehörigen Kondensator 20 kann beispielsweise ein Bestandteil eines elektrischen Umrichters sein, der beispielsweise im Rahmen der Einspeisung von elektrischer Energie in das elektrische Energieversorgungsnetz vorhanden ist. Insbesondere kann der Transformator 12 mit dem/den Stromrichter/n 19 und dem/den Kondensator/en 20 als ein Bestandteil einer Gleichstromanlage zur Kopplung von Wechselspannungsnetzen zum Einsatz kommen. Bei dem Umrichter kann es sich beispielsweise um einen mehrstufigen, sogenannten NPC-Umrichter (NPC = neutral point clamped) handeln.
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Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Umrichter und damit auch der/die Stromrichter 19 und/oder der/die Kondensator/en 20 auch andersartig ausgebildet und verschaltet sein können. Insbesondere kann der Gleichspannungszwischenkreis auch in die Stromrichter 19 integriert sein und somit nicht, wie in der 1 dargestellt, als dem Stromrichter 19 nachgeschalteter Kondensator 20 vorhanden sein.
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Zur Vereinfachung wird nachfolgend immer nur noch auf einen einzigen Stromrichter 19 und einen einzigen Kondensator 20 Bezug genommen.
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An die vorstehend beschriebene elektrische Schaltung 10 ist eine Schaltungsanordnung 25 angeschlossen.
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Die Schaltungsanordnung 25 weist mindestens eine Hilfswicklung 27 auf, die magnetisch mit der Primärwicklung 13 des Transformators 12 gekoppelt ist. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 25 mindestens eine Schalteinrichtung 28 auf, die mit der Hilfswicklung 27 verbunden ist. Die Schalteinrichtung 28 kann aus einem oder aus mehreren elektrischen Schaltern aufgebaut sein. Es versteht sich, dass die Schaltungsanordnung 25 nicht nur die Hilfswicklung 27 und die Schalteinrichtung 28, sondern auch noch weitere elektrische Bauelemente aufweisen kann, jedoch nicht aufweisen muss.
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In einem ersten Fall ist die Schalteinrichtung 28 der Schaltungsanordnung 25 nur mit der Hilfswicklung 27 verbunden. Weiterhin ist die Schalteinrichtung 28 derart ausgebildet, dass sie nur die Phasen der Hilfswicklung 27 untereinander kurzschließen kann. Der Begriff „nur“ soll dabei nur zum Ausdruck bringen, dass die im nachstehend erläuterten zweiten Fall vorgesehene Funktion im vorliegenden ersten Fall nicht vorhanden ist. Es versteht sich aber, dass andere Funktionen zusätzlich zu der im vorliegenden ersten Fall vorgesehenen Funktion vorhanden sein können, dass also der Begriff „nur“ insoweit nicht einschränkend ist.
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Das vorgenannte Kurzschließen kann beispielsweise mit Hilfe von zwischen die Phasen der Hilfswicklung 27 antiparallel geschalteten Thyristorenpaaren realisiert sein. Mit der Schalteinrichtung 28 wird auf diese Weise eine sogenannte Kurzschließer-Funktion für den Stromrichter 19 realisiert. Werden die Thyristoren gezündet, so hat dies einen Kurzschluss zwischen den Phasen der Hilfswicklung 27 zur Folge. Damit kann ein Schutz des Stromrichters 19 bei Fehlfunktionen erreicht werden.
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In einem zweiten Fall ist die Schalteinrichtung 28 der Schaltungsanordnung 25 mit der Hilfswicklung 27 und mit einer Hilfsspannung 29 verbunden. Weiterhin ist die Schalteinrichtung 28 derart ausgebildet, dass sie nur die Phasen der Hilfswicklung 27 mit den zugehörigen Phasen der Hilfsspannung 29 verbinden kann. Der Begriff „nur“ soll dabei nur zum Ausdruck bringen, dass die im vorstehend erläuterten ersten Fall vorgesehene Funktion im vorliegenden zweiten Fall nicht vorhanden ist. Es versteht sich aber, dass andere Funktionen zusätzlich zu der im vorliegenden zweiten Fall vorgesehenen Funktion vorhanden sein können, dass also der Begriff „nur“ insoweit nicht einschränkend ist.
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Das vorgenannte Verbinden der Phasen kann beispielsweise mit Hilfe von antiparallel geschalteten Thyristorenpaaren realisiert sein, die zueinander parallelgeschaltet sind. Mit der Schalteinrichtung 28 wird auf diese Weise eine sogenannte Vorlade- bzw. Auflade-Funktion für den Kondensator 20 realisiert. Werden die Thyristoren gezündet, so wird der Kondensator 20 über den Transformator 12 und den Stromrichter 19 aufgeladen. Damit kann eine Vorladung des Kondensators 20 insbesondere bei einer Inbetriebnahme des Stromrichters 19 erreicht werden.
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In einem dritten Fall ist die Schalteinrichtung 28 der Schaltungsanordnung 25 mit der Hilfswicklung 27 und mit der Hilfsspannung 29 verbunden. Im Unterschied zum zweiten Fall ist die Schalteinrichtung 28 im dritten Fall jedoch derart ausgebildet, dass sie nicht nur die Vorlade-Funktion, sondern zusätzlich auch die Kurzschließer-Funktion des ersten Falls ausführen kann. Dies kann mit Hilfe von Thyristorenpaaren und zusätzlichen elektrischen Schaltern realisiert sein.
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Der vorstehend genannte dritte Fall wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert. Die 2 zeigt dabei die Schaltungsanordnung 25 für diesen dritten Fall. Im Unterschied zu dem ersten und dem zweiten Fall weist die Schaltungsanordnung 25 des dritten Falls nicht nur die Hilfswicklung 27 und die Schalteinrichtung 28 auf, sondern auch noch weitere elektrische Bauelemente. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die 2 nur eine beispielhafte Möglichkeit darstellt, wie die Schaltungsanordnung 25 für diesen dritten Fall realisiert werden kann.
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Bei der Schaltungsanordnung 25 der 2 ist die Hilfswicklung 27 dreiphasig dargestellt und kann als Stern-, Dreieck- oder Zickzackwicklung ausgeführt sein. Die drei Phasen der Hilfswicklung 27 sind mit der Schalteinrichtung 28 verbunden, und zwar dort jeweils mit zwei antiparallel geschalteten Thyristoren 35. Die in der Schalteinrichtung 28 vorhandenen drei Paare von antiparallel geschalteten Thyristoren 35 sind jeweils über einen steuerbaren Schalter 36 entweder direkt mit der Hilfsspannung 29 oder gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Transformator 37 verbunden.
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Ist der Transformator 37 vorhanden, wie dies in der 2 beispielhaft gezeigt ist, so kann der Transformator 37 auf seiner den Schaltern 36 abgewandten Seite insbesondere mit dem Energieversorgungsnetz 17 verbunden sein, so dass die Hilfsspannung 29 in diesem Fall auf der den Schaltern 36 zugewandten Seite des Transformators 37 vorhanden ist und mit Hilfe des Transformators 37 auf einen erwünschten Wert eingestellt werden kann. Der Transformator 37 kann dabei als Stern-, Dreieck- oder Zickzackwicklung ausgeführt sein.
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Gegebenenfalls können die Schalter 36 entfallen. In diesem Fall ist es allerdings erforderlich, dass die nachgeordneten elektrischen Bauelemente, also insbesondere der Transformator 37, einen Kurzschluss der Phasen ohne einen Schaden hinnehmen kann.
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Weiterhin sind drei steuerbare Schalter 39 vorhanden. Der erste Schalter 39 ist einerseits an den Verbindungspunkt des Thyristorenpaars und des Schalters 36 der obersten Phase der 2 und andererseits an den Verbindungspunkt des Thyristorenpaars und der Hilfswicklung 27 der mittleren Phase der 2 angeschlossen. Der zweite Schalter 39 ist in entsprechender Weise zwischen die mittlere und die untere Phase der 2 und der dritte Schalter 39 zwischen die untere und die obere Phase der 2 geschaltet. Jeder der Schalter 39 ist also derart verschaltet, dass er in seinem geschlossenen, also leitenden Zustand eine der Phasen über ein Thyristorpaar mit einer anderen der Phasen verbindet. Ergänzend wird auf die in der 2 dargestellte Verschaltung hingewiesen.
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Zur Ausführung einer Kurzschließer-Funktion werden die Schalter 36 geöffnet, also nicht-leitend geschaltet und die Schalter 39 geschlossen, also leitend geschaltet. Der Schalter 16 ist geschlossen, also leitend. Die Thyristoren 35 sind nicht gezündet.
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Der Transformator 37 bzw. die Hilfsspannung 29 sind damit aufgrund der geöffneten Schalter 36 von dem Transformator 12 abgetrennt. Aufgrund der geschlossenen Schalter 39 ist jedes der drei Paare von Thyristoren 35 zwischen zwei unterschiedliche Phasen der Hilfswicklung 17 geschaltet. Die Thyristoren 35 der Schalteinrichtung 28 sind, wie gesagt, nicht gezündet.
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In diesem Zustand kann die elektrische Schaltung 10 ihren vorgesehenen Normalbetrieb ausführen. Insbesondere kann der Stromrichter 19 die über die Primär- und Sekundärwicklungen 13, 14 des Transformators 12 umgesetzte Wechselspannung in eine an dem Kondensator 20 anliegende Gleichspannung umwandeln oder umgekehrt.
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Tritt nunmehr ein Fehler auf, also wenn beispielsweise aus irgendwelchen Gründen ein Kurzschluss zwischen dem Plus- und dem Minuspol des Gleichspannungszwischenkreises auftritt, so werden, beispielsweise nach einem Überschreiten eines festgelegten Stromgrenzwertes, die Thyristoren 35 der Schalteinrichtung 28 gezündet, um die Belastung der in den Stromrichtern 19 enthaltenen Leistungshalbleiterbauelemente zu verringern. Das Zünden der Thyristoren 35 hat zur Folge, dass die Phasen der Hilfswicklung 27 des Transformators 12 miteinander kurzgeschlossen werden. Dies hat weiterhin zur Folge, dass über die Primärwicklung 13 des Transformators 12 auch die Phasen des Energieversorgungsnetzes 17 kurzgeschlossen werden. Damit kann ein weiteres Aufladen des Kondensators 20 aus dem Energieversorgungsnetz 17 und damit die Belastung der Leistungshalbleiterbauelemente des Stromrichters vermieden und/oder vermindert werden. Dies stellt eine Schutzfunktion für den Stromrichter 19 und/oder den Kondensator 20 dar.
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Zur Ausführung einer Vorlade-Funktion werden die Schalter 36 geschlossen, also leitend geschaltet und die Schalter 39 geöffnet, also nicht-leitend geschaltet. Der Schalter 16 ist geöffnet, also nicht-leitend. Die Thyristoren 35 sind gezündet.
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In diesem Zustand kann die elektrische Schaltung 10 eine Vorlade- bzw. Auflade-Funktion ausführen. Insbesondere kann der Kondensator 20 aus der Hilfsspannung 29 über die Hilfs-, Primär- und Sekundärwicklungen 27, 13, 14 des Transformators 12 sowie über den Stromrichter 19 aufgeladen werden.
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Ist eine erwünschte Spannung an dem Kondensator 20 erreicht, so kann die Vorlade-Funktion beendet werden und die Schaltungsanordnung 25 kann in den bereits erläuterten Zustand für den Normalbetrieb überführt werden.
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Es versteht sich, dass die Kurzschließer-Funktion und die Vorlade-Funktion nicht gleichzeitig ausgeführt werden können, sondern nur alternativ.
