DE2239797A1

DE2239797A1 - Schutzeinrichtung zur verhinderung von ueberspannungs- und unterspannungszustaenden in leistungsschaltungen

Info

Publication number: DE2239797A1
Application number: DE2239797A
Authority: DE
Inventors: Carlton Eugene Graf; Einar Aasen Skogsholm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1972-08-12
Publication date: 1973-02-22
Also published as: JPS549284B2; AU469034B2; AU4538572A; ES405757A1; JPS4831420A; GB1397777A; US3800198A

Description

Schutzeinrichtung zur Verhinderung von Überspannungsund Unterspannungszuständen in Leistungsschaltungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für Leistungswandlerschaltungen, wie z.B. invertersehaltungen für ein Wechselstrom-Antriebssystem einstellbarer Drehzahl, und insbesondere auf eine Steuereinrichtung, um die Abweichung der Spannung von einem vorher festgelegten Bereich sofort festzustellen und um automatisch auf die überspannungs- und Unterspannungszustände anzusprechen, damit der Betrieb der Leistungswandlerschaltung in richtiger Weise beendet wird.

Die Erfindung ist insbesondere* auf den Schutz von Inverterleistungsschaltungen in Antriebssystemen des allgemeinen Typs anwendbar, der in den deutschen OffenlegungsschrLften P 21 51.588 und P 21 51 589 näher beschrieben ist. Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Antriebssystem der in den vorstehend genannten deutschen Offenlegungsschriften beschriebenen Art insoweit beschrieben wird, wie es für ein volles und umfassendes Verständnis der Erfindung erforderlich ist, kann ein umfassenderes Verständnis derartiger Inverterschaltungen aus den vorgenannten deutschen Offenlegungsschrif-

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ten und dem US-Patent 3 207 9Jk erhalten werden.

In Inverterleistungsschaltungen der vorstehend genannten Art enthält die Einrichtung zur Umwandlung einer elektrischen Gleichstromleistung in eine elektrische Wechselstromleistung einstellbarer Frequenz und zur Umwandlung einer Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung während eines Generatorbetriebes eine Anzahl von Reihenschaltungen, die einer Gleichstromquelle parallel geschaltet sind. Jede dieser Reihenschaltungen enthält ein Paar Thyristoren oder torgesteuerte Gleichrichter, wie z, B, steuerbare Siliziumgleichrichter. Wie im Laufe dieser Beschreibung deutlich werden wird, werden diese Thyristoren durch eine geeignete Steuereinrichtung in einer vorgeschriebenen Folge "gezündet" oder "eingeschaltet" oder "aus-"kommutiert, um die gewünschte Leistungsumwandlung zu erzeugen. Es ist höchst erstrebenswert, daß die während des Betriebes der Leistungswandlereinrichtung entstehende Gleichspannung innerhalb eines vorher festgelegten Bereiches mit oberen und unteren Grenzen gehalten wird. Insbesondere sollte die Spannung unterhalb des Wertes gehalten werden, bei dem einzelne Inverterbauteile einschließlich der Thyristoren, Kommutierungskondensatoren und ähnlicher Schaltungsbauteile überhöhten und möglicherweise zerstörerischen Spannungen ausgesetzt werden, Ähnlich sollte die Gleichspannung auf einem genügend hohen Wert gehalten werden, um eine richtige Kommutierung der Thyristoren sicherzustellen« Falls die Spannung auf einen Wert abfallen würde, der zur Unterstützung der Kommutierung nicht ausreicht, würde das Ergebnis eine gleichzeitige Leitung beider Thyristoren in einer einzelnen Reihenschaltung sein. Dieser "Durchieümß" würde zu einem rasch ansteigenden Strom und zu einer möglichen Beschädigung der Inverterbauteile führen. Es ist deshalb höchst erstrebenswert, daß die Höhe der Gleichspannung in Inverterleistungsschaltungen überwacht wird und daß automatisch der entsprechende Eingriff vorgenommen wird, um sie gegenüber möglicherweise nachteiligen Auswirkungen des überspannungs- und Unterspannungsbetriebes zu schützen,

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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Mittel zum Schutz von Thyristoren und anderer Elemente der Leistungsschaltung gegen möglicherweise zerstörerische Zustände zu schaffen, die aus einem Betrieb bei Über- oder Unterspannung entstehen.

Weiterhin sollen Mittel zum automatischen Schutz von Thyristoren und anderen Schaltungselementen gegen überhöhte Spannungs- und Stromwerte geschaffen werden, die aus einem überspannungs- oder Unterspannungsbetrieb resultieren.

Ferner sollen Mittel geschaffen werden, um den überspannungs- oder Unterspannungsbetrieb festzustellen und um zu bewirken, daß der Betrieb eines Inverters in richtiger Weise beendet wird.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch eine Inverterschaltung, um einen gewählten Betriebsparameter zu überwachen und zu bewirken, daß der Betrieb eines Inverters immer dann beendet oder auf andere Weise geändert wird, wenn der gewählte Betriebsparameter von einem vorher festgelegten Bereich abweicht. Schließlich soll die Schutzeinrichtung der vorstehend genannten Art relativ einfach, betriebssicher und billig sein.

Diese Aufgaben w^den, kurz gesagt, bei einem Ausführungsbeispiel durch ein elektrisches System gelöst, das eine Leistungswandlereinrichtung zur Aufnahme elektrischer Leistung von einer Quelle und zur Einspeisung der elektrischen Leistung in veränderter Form in eine Last und eine Steuereinrichtung aufweist, um den Betrieb der Leistungswandlereinrichtung automatisch bei der Abweichung eines gewählten Betriebsparameters, vorzugsweise der Spannung, von einem vorher festgelegten Bereich mit oberen und unteren Grenzwerten zu beenden. Die Steuereinrichtung umfaßt eine erste, mit dem elektrischen System gekoppelte Anordnung zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das den gewählten Betriebsparameter darstellt, eine zweite Anordnung, die mit der ersten Anordnung

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gekoppelt ist und auf das durch die erste Anordnung erzeugte Signal anspricht, um ein "Außerbereichssignal" zu erzeugen, wenn der Betriebsparameter aus dem vorher festgelegten Bereich herausfällt, und eine dritte Anordnung, die mit der zweiten Anordnung und der Leistungswandlereinrichtung verbunden ist und auf ein "Außerbereichssignal" anspricht, um den Betrieb der Lelstungswandlereinrichtung zu stoppen.

GemSß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt die zweite Anordnung einen Grenzüberschreitungssignalgenerator, um nur dann ein Grenzüberschreitungssignal zu erzeugen, wenn der Betriebsparameter größer ist als die obere Grenze des vorher festgelegten Bereiches, einen Grenzunterschreitungssignalgenerator, um nur dann ein Grenzunterschreitungssignal zu erzeugen, wenn der Betriebsparameter kleiner ist als die untere Grenze des vorher festgelegten Bereiches, und eine Summiereinrichtung, die mit den Grenzüberschrei tungs- und Grenzunterschreitungsslgnalgeneratoren gekoppelt ist, um der dritten Anordnung dann und nur dann ein Außerbereichssignal zuzuführen, wenn ihr ein Grenzüberschreitungs- oder Grenzunterschreitungssignal zugeführt wird, Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält die dritte Anordnung einen Signalgenerator, um bei Fehlen eines ⁿAußerbereichss1anales" ein "Arbeits-"signal und bei VorhandenseJn eines "Außerbereiohssignales" ein "Stopp-" signal zu erzeugen und der Leistungswandlereinrichtung zuzuführen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist ein Blockbild von einem Wechselstrom-Antriebssystem einschließlich einer erfindungsgemäßen Spannungssteuerungseinrichtung.

Figur 2 ist in Schaltbild der in Fig. 1 gezeigten Spannungssteuerungseinrichtung.

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Das in Pig, 1 in Blockform dargestellte Wechselstrom-Antriebssystem umfaßt eine Gleichstromversorgung 11, eine Leistungswandlereinrichtung 12 und eine Last 13, die vorzugsweise ein mehrphasiger Wechselstrommotor ist, Die Gleichstromeinspeisung 11 wird "typischerweise von einer kommerziell zur Verfügung stehenden Quelle einer dreiphasigen Wechselspannung versorgt und liefert deshalb eine pulsierende Gleichspannung zwischen ihren Ausgangsklemmen 15 und 16, die durch eine geeignete Filterschaltung gefiltert oder geglättet wird, die eine Filterinduktivität 18 und einen parallel geschalteten Filterkondensator 20 enthält. Demzufolge wird den Eingangsklemmen 22, 2k der Leistungswandlereinrichtung eine relativ glatte Sieichspannung zugeführt, wenn von der Quelle 11 eine elektrische Leistung eingespeist wird. Es wird jedoch deutlich, daß die Quelle 11 auch eine Batterie oder eine andere Gleichspannungsquelle oder selbst eine Wechselspannungsquelle sein könnte. Der Zweck der Leistungswandlereinrichtung besteht darin, die ihr zugeführte elektrische Leistung in eine andere Form umzuwandeln, sei es nun eine Gleichspannungs/Wechselspannungstransformation, eine Wechselspannungs/Gleichspannungstransformation (Regeneration) oder eine Transformation einer Wechselspannung in eine Wechselspannung anderer Form,

Wie aus der Figur hervorgeht, ist die Last 13 vorzugsweise ein Dreiphasenmotor, der von der Leistungswandlereinrichtung 12 über Phasenleiter A, B und C mit einer elektrischen Leistung variabler Frequenz und variabler Spannung gespeist wird. Die Leistungswandlereinrichtung 12 enthält eine Inverterschaltung für jede Phase A, B und C, Diese Inverterschaltungen sind auf entsprechende Weise mit den Bezugszahlen 26, 28 und 30 bezeichnet. Die Inverterschaltung 26 für die Phase A enthält eine positive Sammelschiene 32ι die mit dem Knotenpunkt 22 zwischen der Spule 18 und dem Kondensator 20 verbunden ist, und eine negative Sammelschiene 34, die mit den negativen Klemmen 2H und 16 verbunden ist« Die Inverterschaltung 26 enthält ein Paar laststramfü&fcender torgesteuerter Gleichrichter 35 und 36, die zwischen der positiven

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Sammelschiene 32 und der negativen Sammelschiene 34 in Reihe geschaltet sind, wobei die Anode des Gleichrichters 35 mit der positiven Sammelschiene 32 in Verbindung steht. Weiterhin sind torgesteuerte Gleichrichter 38 und 40 mit der gleichen Polarität wie die torgesteuerten Gleichrichter 35 und 36 zwischen den Sammelschienen 32 und 34 in Reihe geschaltet, Die torgesteuerten Gleichrichter 35, 36, 38 und 40 sind vorzugsweise steuerbare Siliziumgleichrichter, selbstverständlich können aber auch funktionell äquivalente Vorrichtungen verwendet werden, wie z, B, Gasthyratrons, Diodengleichrichter 42 und 44 sind mit umgekehrter Polarität den steuerbaren Gleichrichtern 35 bzw. 36 parallel geschaltet, und weiterhin sind eine Induktivität 16 und eine Kapazität 48 zwischen dem Knotenpunkt 50 der torgesteuerten Gleichrichter 38 und 40 und dem Knotenpunkt 52 der torgesteuerten Gleichrichter 35 und 36 sowie der Diodengleichrichter 42 und 44 in Reihe geschaltet. Die Phase A des Motors 13 steht mit dem Knotenpunkt 52 in Verbindung, um von der Inverterschaltung 26 einen Wechselstrom aufzunehmen. Die Inverterschaltungen 28 und 30 zur Einspeisung von Wechselstrom in die:· Phasen B bzw. C sind hinsichtlich des physikalischen Aufbaues und der Art der Verbindung mit der Gleichstromquelle 11 mit der Inverterschaltung 26 identisch.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, 1st eine Hauptsteuerung 54 vorgesehen, um die torgesteuerten Gleichrichter 35, 36, 38 und 40 der Inverterschaltung der Phase A durch Zündsignalimpulse einzuschalten, die über Verbindungen 56 zugeführt werden. Ähnliche Signalimpulse werden über Verbindungen 58 und 60 auch den torgesteuerten Gleichrichtern der Schaltungen 28 und 30 zugeführt. Die Hauptsteuerung 54 spricht auf verschiedene Signale einschließlich "Arbeite-" und "Stopp-"signale an, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt und auf einem Leiter 57 zugeführt werden.

Mit fortschreitender Beschreibung wird deutlich_.werden, daß die erfindungsgemäße Einrichtung solange ein "Arbeits-^wsignal erzeugt, wie die Spannung oder ein anderer gewählter Betriebsparameter in-

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nerhalb eines zulässigen Bereiches liegt, Unter diesen Umständen werden die Gleichrichter der Inverterschaltungen 26, 28 und 30 gemäß der Steuereinrichtung betätigt, die in den eingangs genannten deutschen Offenlegungsschriften und dem US-Patent 3 207 974 beschrieben ist. Wenn jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung ein "Stopp-"signal erzeugt und auf dem Leiter 57 zugeführt wird, wird der normale Betrieb der Steuereinrichtung übersteuert bzw, übergangen und die Leistungswandlereinrichtung 12 beendet ihren Betrieb,

Bevor auf die erfindungsgemäße Spannungssteuereinrichtung eingegangen wird, sei die allgemeine Betriebsweise des Antriebssystems gemäß Fig. 1 beschrieben. Es muß berücksichtigt werden, daß die Grundfunktion der Inverterschaltungen 26, 28 und 30 darin besteht, die Gleichstromleistung von der Quelle 11 in eine Wechselstromleistung umzuwandeln, um sie dann über die Phasen A, B und C dem Motor 13 zuzuführen, 4Jm dies in der Phase A zu erreichen, leiten der torgesteuerte Gleichrichter 35 und der torgesteuerte Gleichrichter 36 der Schaltung 26 abwechselnd für Zeitperioden, die von der Hauptsteuereinrichtung 54 festgelegt werden. Die Grundfrequenz, bei der Änderungen in der Leitfähigkeit auftreten, wird durch die Hauptsteuereinrichtung 54 und Zündsignalimpulse gesteuert, deren Zuführung zu den torgesteuerten Gleichrichtern der Schaltung 26 sie veranlaßt hat, Die Art und Weise, in der eine Stromleitung begonnen und beendet wird, ist als Kommutierung bekannt und wird nun kurz anhand der Phase A und der Inverterschaltung 26 beschrieben.

Zunächst sei angenommen, daß der gesteuerte Hauptgleichrichter Strom zum Motor 13 leitet. Aufgrund eines vorangegangenen Be-. triebes ist der Kondensator 48 so geladen, daß ein Punkt 72 zwischen dem Kondensator 48 und der Spule 46 in Bezug auf den Knotenpunkt 50 ein positives Potential besitzt. Um den gesteuerten Gleichrichter 35 "aus-"zukommutieren, wird der steuerbare Komniutierungsgleichrichter 38 "ein—geschaltet, indem er über die Ver-

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bindung 56 einen Zündsignalimpuls von der Steuereinrichtung 54 erhält. Ein Reihenschwingkreis mit dem Kommutierungskondensator 48 und der Kommutierungsspule 46 ist nun dem laststromführenden Gleichrichter 35 parallel geschaltet. Fin Stromimpuls, der durch die Entladung des Reihenschwingkreises erzeugt wird, übernimmt die Funktion, dem Motor 13 Laststrom zuzuführen, und er bewirkt, daß die Diode 42 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Infolgedessen wird der Strom durch den steuerbaren Gleichrichter 35 auf Null herabgesetzt, Die Rückkopplungsdiode 42 leitet überschüssigen Kommutierungsstrom um den steuerbaren Gleichrichter herum und sorgt für eine begrenzte Vorspannung in Sperrichtung über dem steuerbaren Gleichrichter 35. Diese Sperrspannung dauert für eine längere Periode als die Ausschaltzeit des steuerbaren Gleichrichters 35, so daß dieser Gleichrichter "aus-"geschaltet wird, d. h, er gewinnt seinen sperrenden Betriebszustand zurück.

Nachdem der Komrrutierungskondensator 48 auf die entgegengesetzte Polarität aufgeladen worden ist, so daß der Knotenpunkt 50 ein positiveres Potential besitzt als die positive Sammelschiene 32, schaltet der Kommutierungsgleichrichter 38 ab, Da der steuerbare Gleichrichter 35 nun ausgeschaltet ist, fließt durch die gegenüberliegende Rückkopplungsdiode 44 ein Ellndstrom. Der steuerbare Hauptgleichrichter 36 kann zu dieser Zeit dadurch gezündet werden, daß seiner Steuerelektrode über die Verbindung 56 ein Zündsignal zugeführt wird. Der Kommutierungskondensator 48 besitzt danach die geeignete Polarität, um diesen steuerbaren Gleichrichter "aus-"zukommutleren, wenn der Kommutierungsgleichrichter 40 eingeschaltet 1st. Nachdem die steuerbaren Gleichrichter 36 und 40 "aus-"geschaltet sind, um somit einen vollen Zyklus von 36O Grad elektrisch zu vervollständigen, ist der Kondensator 48 auf die gleiche Polarität aufgeladen, wie er es zu Beginn des Kommutierungsintervalles war. Diese allgemeine Art der Steuerung und Kommutierung der Inverterschaltungen ist in dem eingangs genannten US-Patent 3 207 974 im einzelnen beschrieben. Wenn es gewünscht wird, den Betrieb der Inverterschaltungen 26 zu beenden,

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spricht die Steuereinrichtung 5'I auf ein geeignetes "Stopp-"signal an, das durch die erfindungsgemäße Einrichtung oder durch eine andere Steuereinrichtung zugeführt wird, indem nach der Kommutierung von einem der Lastgleichrichter 35 und.36 Zündimpulse zurückgehalten werden.

Für den Fachmann wird jedoch auf einfache Weise klar, daß die Leitung bzw. Leitfähigkeit der torgesteuerten Gleichrichter der Inverterschaltungen 28 und 30 in gleicher Weise gesteuert werden, indem diesen von der Zündschaltung 5k über Verbindungen 58 und 60 Zündsignalimpulse zugeführt werden. Der den Phasen B und C durch die Iriverterschaltungen 28 bzw. 30 somit zugeführte Wechselstrom hat die gleiche Frequenz wie die elektrische Wechselstromleistung, die der Phase A zugeführt ist. Jedoch sind die den drei Phasen zugeführten Wellenformen gegenüber einander um 120 Grad elektrisch verschoben, wie es in dreiphasigen Systemen üblich ist. Neben der Steuerung der Grundfrequenz, mit der dem Motor 13 die Wechselstromleistung zugeführt wird, enthält die Steuereinrichtung 5¹I vorzugsweise Mittel, wie sie durch die eingangs genannten deutschen Offenlegungsschriften beschrieben sind, um die Durchschnittsspannung mittels einer im Zeitverhältnis gesteuerten Umschaltung der torgesteuerten Gleichrichter der Schaltungen 26, 28 und 30 zu steuern.

Es wird nun anhand von Fig. 1 die erfindungsgemäße Steuereinrichtung beschrieben. Die Wechselstromeingangsklemmen 22 und 2k zur Leistungswandlereinrichtung 12 sind mit einem Spannungssignalgenerator 70 verbunden, der die Spannung über den Klemmen 22 und 24, und dem Kondensator 20 kontinuierlich überwacht und auf einem Ausgangsleiter 72 ein elektrisches Signal erzeugt, das der Spannung über den Klemmen 22 und 2k proportional ist. Wie vorstehend erläutert wurde, sollte diese Spannung über den Klemmen 22 und 2k nicht so weit ansteigen, daß die torgesteuerten Gleichrichter und andere Schaltungskomponenten möglicherweise zerstörerische! Spannungswerten ausgesetzt sind. Auf der anderen Seite sollte die

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Spannung nicht auf einen V.'ert abfallen, bei dem sich die Kömmutierungskondensatoren, wie z, B. der Kommutierungskondensator 48, nicht genügend aufladen können, um eine anschließende Kommutierung herbeizuführen. Demzufolge enthält die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ferner einen Überspannungssignalgenerator 74 mit einem mit dem Leiter 72 verbundenen Eingang 76, um von diesem das Spannungssignal zu empfangen und an einem Ausgang 78 ein Überspannungssignal zu erzeugen, wenn und nur wenn die Spannung über den Klemmen 22 und 24 einen vorher festgelegten Wert überschreitet, wie es durch die Größe des Spannungssignales auf dem Leiter 72 angegeben wird. In ähnlicher Welse enthält die Steuereinrichtung auch einen Unterspannungsslgna!generator mit einem mit dem Leiter 72 verbundenen Eingang 82, um an einem Ausgang 84 ein Unterspannungssignal zu erzeugen, wenn und nur wenn die Spannung über den Klemmen 22 und 24 kleiner 1st als ein vorher festgelegter Wert,

Anhand von Flg. 2 werden nun die erfindungsgemäßen Signalgeneratoren 74 und 80 im einzelnen beschrieben. Fs wird zunächst auf den Überspannungssignalgenerator 7'· eingegangen, dessen Funktion darin besteht, ein überspannungsslprnal zu erzeugen, wenn und nur wenn die Spannung über den Klemmen 22 und 24 den oberen Grenzwert eines zulässigen Bereiches überschreitet, der beispielsweise mit 130 % der Nennspannung angenommen sei, Wie in Fig· 2 gezeigt ist, enthält der Überspannungssignalgenerator 74 einen Invertierenden Verstärker 100 mit einem Eingang 102, der durch einen Widerstand mit dem Eingang 76 des Signalgenerators 74 verbunden ist. Der Eingang /steht ferner über einen Widerstand 106 mit einer Quelle 108 der Gleichspannung und über eine Diode 110 mit dem Ausgang 78 des Überspannungssignalgenerators 74 in Verbindung. Der Ausgang 112 des Verstärkers 100 ist durch einen Widerstand 114 ebenfalls mit dem Ausgang 78 verbunden.

Der Spannungssignalgenerator 70 (siehe Fig. 1) ist so gewählt, daß das auf dem Leiter 72 vorhandene Spannungssignal immer eine positive Größe hat, die die Spannung über den Klemmen 22 und 24 (siehe

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Pig. 1) darstellt und dieser proportional ist. Die Quelle 108 hat ein festes negatives Potential, Die Werte der Widerstände 104 und 106 sind so gewählt, daß das dem Eingang 102 des Verstärkers 100 zugeführte Signal solange eine negative Polarität hat, wie die Spannung zur Leistungswandlereinrichtung gleich oder kleiner ist als der obere Grenzwert des zulässigen Bereiches. Das negative Signal am Eingang 102 erzeugt eine positive Ausgangsgröße am Ausgang 112 und infolgedessen ein positives Signal am Ausgang 78 des Generators 74. Wenn Jedoch die Spannung zur Leistungswandlereinrichtung den oberen Grenzwert überschreitet, wird das dem 'Verstärkereingang 102 zugeführte Signal positiv und die Ausgangssignale bei 112 und 78 wechseln von positiv nach negativ. Somit wird deutlich, daß ein negatives Signal am Ausgang 78 ein Überspannungssignal ist, und daß ein negatives Überspannungssignal in die Summierstelle 86 eingespeist wird. Es wird auch deutlich, daß der Generator 7¹I eine eine Schnapp- bzw. Sprungwirkung ausübende Vorrichtung ist, da eine kleine Änderung im positiven Signal auf dem Leiter 72 zu einem Signalübergang von negativer zu positiver Polarität am Eingang 102 und, aufgrund der.Verstärkung des Verstärkers 100, eine Änderung am Ausgang 78 von einem im wesentlichen positiven Signalwert zu einer im wesentlichen negativen Ausgangsgröße führt.

Es wird nun der Unterspannungssignalgenerator 8"0 beschrieben. Die Punktion dieser Anordnung besteht darin, ein Unterspannungssignal zu erzeugen, wenn und nur wenn die Spannung über den Klemmen 22 und 24 kleiner ist als der untere Grenzwert eines zulässigen Bereiches, der beispielsweise bei 70 % der Nennspannung liegen mag. Wie .in Fig. 2 dargestellt ist, enthält der Unterspannungssignalgenerator 80 einen NPN-Transistor 120, dessen Kollektor über einen Widerstand 122 mit einer Quelle 124 positiven Potentials verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand 126 mit einer Quelle negativen Potentials 128 in Verbindung steht und dessen Basis über einen Widerstand I30 an den Eingang 82 des Signalgenerators 80 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 120 ist auch durch einen Widerstand 132 mit der Quelle 128 verbunden,

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Von einem weiteren NPN-Transistor 132 1st der Kollektor über einen Widerstand 134 mit der positiven Quelle 124 verbunden und dessen Emitter steht mit dem gemeinsamen Leiter 138 in Verbindung. Die Basis des Transistors 132 ist über einen Widerstand 140 mit dem Kollektor des Transistors 120 und über einen Widerstand 142 mit dem gemeinsamen Leiter 138 verbunden. Um die Temperaturdrift während des Betriebes zu steuern, ist eine Diode 144, deren Anode mit dem gemeinsamen Leiter I38 verbunden ist, zwischen den gemeinsamen Leiter I38 und den Emitter des Transistors 120 geschaltet.

Die Wirkungsweise des Unterspannungssignalgenerators 80 ist wie folgt. Die Werte der Widerstände 130 und 132 und die negative Spannung der Quelle 128 sind so gewählt, daß das der Basis des Transistors 120 zugeführte Signal eine genügend positive Größe hat, um den Transistor 120 nur so lange einzuschalten, wie die Spannung zur Leistungswardlereinrichtung gleich oder größer ist als der untere Grenzwert des zulässigen Spannungsbereiches, Die Schaltungselemente einschließlich der Widerstände 122 und 126 sind so ausgewählt, daß das der Basis des Transistors 132 zugeführte Signal nicht ausreicht, um den Transistor 132 einzuschalten, wenn der Transistor 120 leitend ist, das Jedoch dazu reicht, den Transistor 132 einzuschalten, wenn der Transistor 120 nicht leitend ist. Es sei nun angenommen, daß das dem Eingang 82 zugeführte Spannungssignal ausreicht, um den Transistor 120 leitend zu machen, wobei der Transistor 132 nicht leitet. Infolgedessen wird ein positives Signal am Ausgang 84 anliegen, da dieser dann über den Widerstand 134 mit der Quelle 124 verbunden ist. Dieses Ausgangssignal besitzt einen im wesentlichen festen Wert, solange der Transistor 120 leitend ist, Wenn die Eingangsspannung der Leistungswandlereinrichtung jedoch unter den unteren Grenzwert des zulässigen Bereiches abfällt, wird das der Basis des Transistors 120 zugeführte Signal unzureichend werden, um die Leitfähigkeit im Transistor 120 aufrechtzuerhalten. Infolgedessen wird der Transistor 132 leitend und der Ausgangsknotenpunkt 84

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wird über den Transistor 132 mit dem gemeinsamen Punkt I38 verbunden, und das Ausgangssignal am Punkt 84 fällt von einem nennenswerten positiven Wert im wesentlichen auf das Potential des gemeinsamen Punktes I38 ab. Dieses kleinere Signal wird dem Summierpunkt 86 als ein Unterspannungssignal zugeführt. Wie im Falle des Überspannungssignalgenerators 74 ist der Unterspannungssignalgenerator 80 eine eine Schnapp- bzw. Sprungfunktipn ausübende Vorrichtung, da eine kleine Änderung im positiven Signal auf dem Leiter 72 zu einer wesentlichen Signaländerung am Ausgang 84 führt.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Summierstelle 86 positive Signale sowohl von dem Überspannungssignalgenerator 74 als auch dem Unterspannungssignalgenerator 80 empfängt_s wenn die Eingangsspannung in die Leistungswandlereinrichtung 12 innerhalb des zulässigen Bereiches liegt. Dieses kombinierte Signal hat eine nennenswerte positive Größe und wird dem Eingang 88 des "Stopp-"signalgenerators 90 als ein "Grenzeinhaltungs-"signal zugeführt. Wenn sich das Spannungssignal auf dem Leiter 72 ändert, um eine Abweichung der Spannung von dem zulässigen Bereich·anzuzeigen, erzeugt der entsprechende Generator 74 oder 80 sein dem unteren Wert entsprechendes Signal. Das den kleineren Wert aufweisende Signal von einem der beiden Generatoren 74 und 80 erzeugt, wenn es an der Summierstelle 86 mit dem größeren Signal von dem anderen Generator zusammengefaßt wird_s ein Signal mit einer Größe, das wesentlich kleiner als diejenigen eines "Grenzeinhaltungs-"signales ist, Dieses kleinere.Signal wird dem Eingang 88 des "Stopp-"signalgenerators als ein "Außerbereichs-"signal zugeführt, Der Widerstand 114 am Ausgang des Verstärkers 100 verhindert, daß das positive Signal am Ausgang 78 des Generators 74 jemals groß genug wird, um am Eingang 88 ein "Grenzeinhaltungs-" signal zu erzeugen, wenn von dem Generator 80 ein kleineres Signal erzeugt wird. In ähnlicher Weise sind die Spannung der Quelle und der Widerstand 134 so ausgewählt, daß ein positives Signal am Ausgang 84 nicht ein negatives Signal am Punkt 78 übersteuern kann, um am Eingang 88 ein "Grenzeinhaltungs-"signal zu erzeugen.

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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Generatoren 74 und 80 eine Schnappwirkung besitzende Vorrichtungen sind, die ähnlich arbeiten, aber an entgegengesetzten Enden eines zulässigen Spannungsbereiches durch Änderungen in der Größe eines positiven Signales auf den Leiter 72, Die von den Generatoren 74 und 80 verwendeten Schaltungen stellen den breiten Bereich an Vorrichtungen dar, die die Funktionen der Generatoren auszuüben vermögen. Für den Fachmann ist selbstverständlich klar, daß eine Schaltung der im Generator 74 verwendeten Art auch im Generator 80 verwendet werden könnte und umgekehrt. Ferner wird deutlich, daß die Funktionen der zwei Generatoren 74 und 80 in einer einen doppelten Zweck ausübenden Schaltung zusammengefaßt sein könnten, in der gemeinsame Elemente zur Erzeugung sowohl von überspannungsals auch Unterspannungssignalen verwendet werden.

Im folgenden wird der Stoppsignalgenerator 90 beschrieben, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, Der Generator 90 enthält einen NPN-Transistor 150, dessen Basis über einen Widerstand 152 mit dem Eingang 88, dessen Emitter mit einem gemeinsamen Punkt 144 und dessen Kollektor über einen Widerstand 156 mit einer Quelle 158 positiver Gleichspannung verbunden sind, Ein Kondensator 160 ist zwischen den Emitter und den Kollektor des Transistors 150 geschaltet, und eine Diode 162 ist mit ihrer Anode an den Kollektor des Transistors 150 und mit ihrer Kathode an die Basis eines Transistors 164 angeschlossen. Die Basis des Transistors 164 ist auch über einen Widerstand 166 mit dem gemeinsamen Punkt 154 verbunden. Der Kollektor des Transistors 164 steht über einen Widerstand 168 mit der Quelle 158 und direkt mit dem Ausgang 92 in Verbindung. Der Emitter des Transistors 164 ist mit dem gemeinsamen Punkt 154 verbunden.

Es sei nun angenommen, daß dem Eingang 88 des Generators 90 ein positives "Grenzeinhaltungs-"signal zugeführt wird. Der Widerstand 152 ist so ausgewählt, daß ein "Grenzeinhaltungs-"signal am Eingang 88 ausreicht, um den Transistor 150 einzuschalten, Eine Leit-

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fähigkeit des Transistors I50 verbindet die Basis des Transistors 164 mit dem gemeinsamen Punkt 154. Infolgedessen leitet der Transistor 164 nicht. Wenn der Transistor 164 ausgeschaltet ist, ist der Ausgang 92 über den Widerstand I68 mit der positiven Quelle 158 verbunden, und deshalb liegt am Ausgang 92 ein positives Signal und wird über den Leiter 57 der Hauptsteuereinrichtung 54 (siehe Fig. 1) zugeführt. Dieses positive oder HIGH-Signal wird von der Hauptsteuereinrichtung 54 als ein "Betriebs-"signal erkannt. Wenn dem Eingang 88 jedoch ein einen kleineren Wert aufweisendes "Außerbereichs-"signal zugeführt wird, reicht das an der Basis des Transistors I50 anliegende Signal nicht aus, um die Leitfähigkeit durch den Transistor 150 aufrechtzuerhalten. Infolgedessen wird ein positives Signal, das zur Einschaltung des Transistors 164 ausreicht, von der Quelle 158 über den Widerstand 156'und die Diode. 162 zur Basis des Transistors 164 geleitet. Die Leitfähigkeit des Transistors 164 bewirkt, daß das Potential am Ausgang 92 praktisch auf da'sjenige des gemeinsamen Punktes 154 abfällt, Das kleinere Signal oder LOW-Signal, das dann über den Leiter 57 zur Hauptsteuereinrichtung 54 (siehe Pig. I) übertragen wird, wird als ein "Stopp-"signal erkannt und die Funktion der Leistungswandlereinrichtung kann in der Welse richtig beendet werden, wie es in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung P ,,. (Anmelder-Nr, 2145-21-SV-292/35O; US-

Serial Nos, 172,118; 172,117) vorgeschlagen wird,

Im Gegensatz zu gewissen Betriebsparametern kann sich die Spannung in Inverterschaltungen der hier beschriebenen Art langsam ändern und es besteht im allgemeinen keine Notwendigkeit für eine Betriebsunterbrechung nach Art eines Notstopps, wenn entweder ein überspannungs- oder Unterspannungszustand festgestellt wird. Unter Berücksichtigung dieser Eigenschaft ist der Konden- · sator I6O in dem "Stopp-"Signalgenerator 90 vorgesehen. Die Funktion des Kondensators 160 besteht darin, elektrische Energie zu speichern und dadurch die Änderung in der Leitfähigkeit des Transistors 164 (und die Änderung im Signalwert am Ausgang 92)

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ein wenig zu verzögern, die aus einer Änderung im Signalwert am Eingang 88 resultiert. Infolgedessen spiegelt sich ein momentaner überspannungs- und Unterspannungszustand in der Erzeugung eines "Außerbereichs-"si-gnales am Eingang 88 wieder, aber nicht durch ein "Stopp-"signal am Ausgang 92.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann auch dazu verwendet werden, andere Betriebsparameter als die Spannung zu überwachen und den Betrieb zu beenden oder den Betrieb des Leistungssystemes auf andere Weise zu ändern für den Fall, daß der gewählte Parameter von einem vorher festgelegten Bereich abweicht. In der Tat ist die vorliegende im weiteren Sinne auch auf andere elektrische Systeme anwendbar als das hier dargestellte und beschriebene Invertersystem. Wenn die erfindungsgemäße Steuereinrichtung jedoch zur überwachung von anderen Parametern als der Spannung verwendet wird, kann es erforderlich oder wünschenswert sein, entsprechende Änderungen vorzunehmen. Da sich beispielsweise die Spannung normalerweise relativ langsam ändert, kann das normale Abschaltverfahren für das elektrische System verwendet werden, wenn eine Außerbereichsspannung festgestellt wird. Wenn Jedoch ein sich schnell ändernder Parameter überwacht wird, wie z. B. der Strom, kann es wünschenswert sein, eine gewisse Art eines NotStoppverfahrens anzuwenden, wie es beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 22 33 152.8 vorgeschlagen wird.

Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung Mittel, um einen gewählten Betriebsparameter, vorzugsweise die Spannung, in einem elektrischen Leistungssystem zu überwachen und den Betrieb des Leistungssystems immer dann automatisch zu stoppen oder auf andere Weise zu ändern, wenn der gewählte Parameter von einem vorher festgelegten Bereich abweicht.

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Claims

Ansprüche

Iy Elektrisches System mit einer Leistungswandlereinrichtung zur konvertiblen Übertragung elektrischer Leistung zwischen einer Quelle und einer Last und mit einer Steuereinrichtung zur automatischen Beendigung der Punktion der Leistungswandlereinrichtung bei Abweichung eines gewählten Betriebsparameters von einem vorher festgelegten Bereich mit oberen und unteren Grenzwerten, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine mit dem elektrischen System gekoppelte erste Anordnung (70) zur Erzeugung eines den gewählten Betriebsparameter darstellenden elektrischen Signales, eine mit der ersten Anordnung (70) gekoppelte zweite Anordnung (lh _s 80), die von dieser das den gewählten Parameter darstellende Signal aufnimmt und auf dieses anspricht zur Erzeugung eines Außerbereichssignales, wenn der Betriebsparameter entweder größer als der obere Grenzwert des Bereiches oder kleiner als der untere Grenzwert des Bereiches ist, und eine dritte Anordnung (90) umfaßt, die mit der zweiten Anordnung (7^₃ 80) und der Leistungswandlereinrichtung (12) gekoppelt ist und, die von der zweiten Anordnung Signale empfängt und auf diese derart anspricht, daß der Betrieb der Leistungswandlereinrichtung (12) bei Empfang eines Außerbereichssignales gestoppt ist,

2. Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anordnung einen Grenz-Überschreitungssignalgenerator (7¹O₉ der einen mit der ersten Anordnung (70) gekoppelten Eingang (76) und einen Ausgang (78) - aufweist und der ein Grenzüberschreitungssignal erzeugt, wenn und nur wenn der Betriebsparameter größer ist als der obere Grenzwert des Bereiches, einen Grenzunterschreitungssignalgenerator (80),· der einen mit der ersten Anordnung (70) gekoppelten Eingang (82) und einen Ausgang (8^) aufweist und der ein Grenzunterschreitungssignal erzeugt, wenn und nur wenn der

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Betriebsparameter kleiner ist als der untere Grenzwert des Bereiches, und eine Summierstelle (86) umfaßt, die mit den Ausgängen (78, 84) der Grenzüberschreitungs- und Grenzunterschreitungssignalgeneratoren (74, 80) und der dritten Anordnung (90) gekoppelt ist zur Zuführung eines Außerbereichssignales zur dritten Anordnung, wenn und nur wenn der Summierstelle (86) ein Grenzüberschreitungssignal oder ein Grenzunterschreitungssignal zugeführt ist.

Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze i chne t, daß die dritte Anordnung (90) einen Signalgenerator mit einem mit der zweiten Anordnung gekoppelten Eingang (88) und einem Ausgang (92) aufweist, der am Ausgang (92) ein "Arbeits-"signal, wenn ein Außerbereichssignal am Eingang (88) nicht vorhanden ist, und ein "Stopp-" signal erzeugt, wenn am Eingang (88) ein Außerbereichssignal anliegt.

Elektrisches System nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator der dritten Anordnung (90) ferner eine einer Leistungsquelle (154 158) parallel geschaltete Schaltungsanordnung, die Schaltmittel (164) mit einem leitenden Zustand und einem nicht leitenden Zustand aufweist, wobei der Ausgang (92) mit einem vorbestimmten Punkt in der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, an dem eine wesentliche elektrische Änderung auftritt, wenn der Zustand der Schaltmittel (164) geändert ist, und wobei das "Arbeits-"signal erzeugt 1st, wenn sich die Schaltmittel (164) in einem ersten Zustand befinden, und das "Stopp-"signal erzeugt ist, wenn sich die Schaltmittel (164) in dem anderen Zustand befinden, und Schaltmittel (150) umfaßt, die mit dem Eingang (88) gekoppelt sind und bei Fehlen eines Außerbereichs· signales am Eingang den ersten Zustand und bei Vorhandensein eines Außerbereichssignales am Eingang den anderen Zustand annehmen .

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5. Elektrisches System nach Anspruch 4, dadurch g e kennzei'chnet, daß der Signalgenerator der dritten Anordnung (90) ein Verzögerungsglied (160) enthält, derart, daß eine Änderung im Signal am Ausgang (92) bei einer Signaländerung am Eingang (88) von weniger als einer vorbestimmten Dauer verhindert ist.

6. Elektrisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel ein Transistor sind und der Eingang (88) mit der Basis des Transistors verbunden ist, derart, daß der Transistor mittels der Basis zugeführten elektrischen Signale selektiv leitend und nicht leitend gemacht ist.

7. Elektrisches System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzei chnet, daß der Signalgenerator der dritten Anordnung ('9O) ferner eine erste, der Leistungsquelle (15^ - 158) parallel geschaltete Widerstandsschaltung, die erste Schaltmittel (164) mit einem leitenden und einem nicht leitenden Zustand aufweist, eine zweite der Leistungsquelle parallel geschaltete Widerstandsschaltung, die zweite Schaltmittel (150) mit einem leitenden und einem nicht 'leitenden Zustand aufweist, wobei die erstsi Schaltmittel (l64) mit einem vorbestimmten Punkt in der zweiten Schaltungsanordnung gekoppelt sind, an dem eine wesentliche elektrische Änderung auftritt, wenn der Zustand der zweiten Schaltmittel (150) verändert ist, und die ersten Schaltmittel (164) ihren ersten Zugtand, annehmen, wenn die zweiten Schaltmittel (150) in dem einen Zustand sind, und ihren zweiten Zustand annehmen, wenn die zweiten Sehaltmittel (150) in dem anderen Zustand sind, und mit dem Eingang (88) und den zweiten Schaltmitteln (150) ge- ■ koppelten Mittel umfaßt zur Verschiebung bzw. Umschaltung der zweiten Schaltmittel (164) zwischen ihren ersten und zweiten Zuständen in Abhängigkeit von Signalen von der zweiten Anordnung (74, 80), wobei die Verschiebeanordnung die zweiten

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Schaltmittel (150) bei Fehlen eines Außerbereichssignales am Eingang (88) in dem ersten Zustand und bei Vorhandensein eines Außerbereichssignales am Eingang (88) in dem anderen Zustand hält.

8. Elektrisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator ferner eine Verzögerungsanordnung (l60) aufweist, derart, daß eine Verschiebung der ersten Schaltmittel (16¹I) zwischen ihren Zuständen bei einer Signaländerung am Eingang (88) verhindert
ist, die eine kürzere als eine vorbestimmte Dauer hat.

9. Elektrisches System nach Anspruch 7, dadurch g e kennzelchnet, daß die ersten und zweiten Schaltmittel (150, 164) Transistoren sind, wobei die Basis des ersten Transistors (164) mit dem vorbestimmten Punkt in der zweiten Schaltungsanordnung und die Basis des zweiten Transistors (150) mit dem Eingang (88) verbunden sind, derart, daß die Transistoren mittels ihren Basen zugeführten elektrischen Signalen leitend und nicht leitend gemacht sind.

10. Elektrisches System nach Anspruch 7 oder 9» dadurch
gek-ennzei chnet, daß die Verzögerungsanordnung
(I6O) ein Kondensator ist, der dem zweiten Transistor (150)
parallel geschaltet ist, so daß eine Umschaltung des ersten
Transistors (164) zwischen seinen Zuständen bei einer Signaländerung am Eingang (88) verhindert ist, die kürzer als eine vorbestimmte Dauer ist.

11. Elektrisches System nach Anspruch 10, dadurch g e kennzei chnet, daß die Grenzüberschreitungs- und
Grenzunterschreitunpssignalgeneratoren (74, 80) elektrische, eine Schnapp- bzw. Sprungfunktion ausübende Vorrichtungen
sind.

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