DE3737327A1 - Schaltungsanordnung fuer den ueberstromschutz bei wechselrichtern - Google Patents
Schaltungsanordnung fuer den ueberstromschutz bei wechselrichternInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den Überstromschutz
der Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Überstromschutz dieser Art ist
in der AEG-Telefunken "Projektierungsunterlage für die Krankenhaus-
Stromversorgung (BEV)" E 31.22.120/0478 beschrieben.
Durch die Firmenschrift der Firma E.S.B. Europe B.V., Holland
"Kurzschlußverhalten von statischen Exide-Stromrichtern" ist es bekannt,
die Zündung der Thyristoren eines Wechselrichters zu verändern, um
einen Kurzschlußstrom zu steuern. Dabei wird die momentane Stromstärke
an den Thyristoren gemessen, und es werden die Zündzeiten
der überlasteten Thyristoren so geändert, daß diese statt der normalen
Ausgangsspannung einen maximalen Ausgangsstrom angeben. Die Stufenwellenspannung,
die sich als Ausgangsspannung aufgrund der Blockbreitensteuerung
ergibt, geht dabei blockweise auf Null.
Ein derartiger Kurzschlußschutz versagt bei Wechselrichtern, die mit einer
Sinus-Folgeregelung arbeiten. Damit sich nämlich der gewünschte sinusförmige
Verlauf am Wechselrichterausgang ergibt, erfolgt bei der Folgeregelung
ein oftmaliges Wiedereinschalten. Ein ausreichender Schutz vor
Überströmen für die Leistungshalbleiterschalter (also auch insbesondere
wenig überlastbare Leistungstransistoren) eines Wechselrichters ist
speziell notwendig, wenn sich beim Betrieb mit nichtlinearen Lasten
(z. B. bei einer Wiedergleichrichtung mit anschließender Glättung) Deformierungen
der Sinuskurve durch sehr schmale Stromflußwinkel (< 1 ms)
ergeben. Andererseits sollen die Leistungshalbleiterschalter aber auch voll
ausgenützt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der
gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der die bestmögliche Ausnutzung der
Halbleiterleistungsschalter eines Wechselrichters in bezug auf alle vorkommenden
Lastfälle einschließlich des Kurzschlusses ein optimaler Schutz
vor Überströmen gewährleistet ist. Dabei soll ein hoher Kurzschlußstrom
für eine bestimmte Zeit fließen, um Schutzeinrichtungen im Verbraucherkreis
im Fehlerfall auslösen zu können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
Damit ist eine Schaltungseinrichtung geschaffen, die völlig unabhängig
von jeglicher Stromkurvenform einer Last (z. B. nichtlineare Last) den
Wechselrichter einwandfrei schützt. Dabei darf der Scheitelwert des Laststromes
bis an die (obere) Momentanwert-Stromgrenze reichen, sofern
der Mittelwert dieses Stromes nicht die (untere) Überstromgrenze überschreitet.
Bis dahin bleibt die Kurvenform der Spannung am Wechselrichterausgang
unbeeinflußt. Durch die exakt ansprechende Momentanwertbegrenzung
für ein Mehrfaches des Nennstromes und eine zeitlich nachfolgende,
im Ansprechniveau niedriger liegende Überstrom- bzw. Überlastbegrenzung
können auch die in den VDE-Vorschriften 0100 geforderten
Nullungsbedingungen und damit ein hoher zu liefernder Strom
für eine Zeit von 5 s eingehalten werden. Bei kontinuierlicher Strombegrenzung
wird der Wechselrichter dann nach vorgegebener Zeit abgeschaltet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,
Fig. 2 die mit der Schaltungsanordnung erzielbare Stromhüllkurve des
Wechselrichterausgangsstromes,
Fig. 3 Stromkurvenformen für eine Halbperiode eines durch die
Schaltungsanordnung geschützten Wechselrichters mit einer
Folgeregelung und
Fig. 4 die Zuordnung von Wechselrichterausgangsspannung und
Wechselrichterausgangsstrom bei den in Fig. 3 gezeigten
Stromkurvenformen.
Gemäß Fig. 1 wird der Schaltungsanordnung zum Schutz der (hier nicht
gezeigten) Halbleiterleistungsschalter eines einphasigen Wechselrichters
von einem (ebenfalls nicht gezeigten) Stromwandler ein Eingangssignal
in Form einer dem Wechselrichterausgangsstrom I WR proportionalen Spannung U bereitgestellt. In einem Präzisionsgleichrichter A erfolgt eine
Gleichrichtung der stromproportionalen Spannung U mit einer Grundfrequenz
von z. B. der zweifachen Wechselrichterfrequenz. In einem Doppel-
T-Filter B, das auf die doppelte Wechselrichterfrequenz abgestimmt ist,
wird dann zeitlich nahezu unverzögert eine Mittelwertbildung des Ausgangssignals
u E des Präzisionsgleichrichters A vorgenommen. Dieser
Mittelwert ist die Eingangsgröße einer dem Doppel-T-Filter B nachgeschalteten
Schwellwertschaltung C.
Die Schwellwertschaltung C besteht aus vier in Serie liegenden Operationsverstärkern
V₁ . . . V₄ mit jeweils vorgeschaltetem ohmschen Widerstand
R₁ . . . R₄. Der erste Operationsverstärker V₁, der über einen Kondensator
C₁ mit parallelgeschalteter Z-Diode D₂ rückgekoppelt ist, ist ausgangsseitig
zusätzlich an den Rücksetz-Eingang eines durch einen Oszillator
und einen Zähler gebildeten Zeitgliedes E angeschlossen. Dem vorgeschalteten
ohmschen Widerstand R₂ des über einen weiteren Kondensator
C₂ rückgekoppelten zweiten Operationsverstärkers V₂ liegt die Reihenschaltung
einer Diode D₁ mit einem weiteren ohmschen Widerstand R₅
parallel. Die positiven Eingänge des ersten und des zweiten Operationsverstärkers
V₁ bzw. V₂ sind mit einer positiven Referenzspannung u ref 2
beaufschlagt, die in ihrer Höhe einem dynamischen Stromgrenzwert
(Momentanwert-Stromgrenze) I dyn vom Vielfachen des Wechselrichternennstromes
entspricht.
Der dritte Operationsverstärker V₃ mit einer auf seinen Ausgang gepolten
Diode D₃ und einem dieser parallelgeschalteten ohmschen Widerstand R₆
im Gegenkopplungszweig ist ausgangsseitig über eine gegengepolte Diode
D₄ an den positiven Eingang des vierten Operationsverstärkers V₄ angeschlossen.
Dieser positive Eingang des vierten Operationsverstärkers V₄
ist an eine positive Referenzspannung u ref 1 gelegt, die in ihrer Höhe
einem statischen Stromgrenzwert (Überstromgrenze) I stat entspricht, der
niedriger als der dynamische Stromgrenzwert I dyn ist. Der Ausgang des
vierten Operationsverstärkers V₄ ist auf den negativen Eingang rückgeführt.
Er gibt zwei zeitlich abgestufte Komparator-Schwellwerte u K an
einen Fensterkomparator D ab, der mit entsprechender Hysterese das
Ausgangssignal u E des Präzisionsgleichrichters A mit diesen Komparator-
Schwellwerten u K vergleicht und mit seinen Schaltzuständen über seine
Ausgangssignale u A 1, u A 2 die Leit- bzw. Sperrphasen der Leistungshalbleiterschalter
bestimmt.
Überschreitet die Ausgangsspannung des Filters B (entsprechend dem
Mittelwert des Wechselrichterausgangsstromes) die Referenzspannung
u ref 2, fährt der Operationsverstärker V₁ von seiner positiven Ausgangslage
auf den Wert der Referenzspannung u ref 2. Der nachfolgende, als
Integrator arbeitende zweite Operationsverstärker V₂ mit seiner durch den
ohmschen Widerstand R₂ und den Kondensator C₂ gebildeten Zeitkonstanten
bestimmt eine Zeitdauer t₁ mit der der Fensterkomparator D Schaltpunkte
in Abhängigkeit von der stromproportionalen Spannung und der
Referenzspannung u ref 1 bildet. Der Wert der Referenzspannung u ref 1
wird üblicherweise so gewählt, daß sich am Wechselrichterausgang der
maximal mögliche Ausgangsstrom ergibt. Das kann z. B. der dreifache
Wert des Nennstromes I Nenn sein.
Der Ausgang des invertierenden Verstärkers V₃ mit der Verstärkung 1
folgt der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers V₂ mit umgekehrten
Vorzeichen, so daß bei Erreichen bzw. Unterschreiten der Referenzspannung
u ref 1 eine Ablösung des Komparatorschwellwertes bis
auf den Wert der Referenzspannung u ref 2 erfolgt. Dieser Wert kann
z. B. so gewählt werden, daß der Wechselrichter an seinem Ausgang
einem um 10% höheren Ausgangsstrom als den Nennstrom I Nenn
liefert. Damit ergibt sich z. B. im Falle eines Klemmenkurzschlusses
am Wechselrichterausgang ein sicherer Schutz der Halbleiterleistungsschalter
vor Überlastung.
Als weitere Sicherheit für diesen Fall (und für den Fall der Wechselrichterüberlastung)
ist das rücksetzbare Zeitglied E am Ausgang des
ersten Operationsverstärkers V₁ vorgesehen, das nach einem Zeitbereich
t₂ ein Abschaltsignal AUS an die Steuerungseinheit des Wechselrichters
abgibt.
Um die Zeitstufe der Schwellwertschaltung C, nämlich den zweiten
Operationsverstärker V₂ nach einem nur kurzen Stromeingriff beim
Wechselrichter wieder von vorne zu starten (Rückerholungsfunktion),
lädt die Diode D₁ den Kondensator C₂ mit der positiven Polarität der
Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers V₁ schnell auf. Damit
ist sichergestellt, daß der Wechselrichter immer für die durch den Widerstand
R₂ und den Kondensator C₂ bestimmte Zeit einen Strom an der dynamischen
Stromgrenze I dyn bei erneutem Kurzschluß oder starker Überlast liefert.
Die zuvor beschriebene Schaltungsanordnung für einen einphasigen Wechselrichter
ist ebenso auf ein dreiphasiges System anwendbar. Hier entfällt
dann jedoch das Doppel-T-Filter B. Als Ersatz dafür kann eine
einfache R-C-Kombination je Phase mit einer anschließenden Extremwertauswahlschaltung
die Mittelwertbildung für die Strombegrenzung
übernehmen.
Fig. 2 zeigt die Stromhüllkurve des Wechselrichter-Ausgangsstromes
beim Einsatz einer in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung. Vom
Nennstrom I Nenn des Wechselrichters springt der Strom bestimmt
durch die erste Referenzspannung u ref 1 auf die Momentanwertgrenze
I dyn . Die entsprechende Kennlinie des Fensterkomparators ist dazu
links angedeutet. Nach einem Zeitbereich t₁ entsprechend der durch
den ohmschen Widerstand R₂ und den Kondensator C₂ beim Operationsverstärker
V₂ bestimmten Zeitkonstante erfolgt eine Stromreduzierung
auf die Überstromgrenze I stat , die durch die Referenzspannung u ref 2
bestimmt ist. Dabei verschiebt sich die Kennlinie des Fensterkomparators
entsprechend den gestrichelten Pfeilen.
Nach einem Zeitbereich t₂ erfolgt dann, sofern der Mittelwert des
Wechselrichterausgangsstromes nicht unter die Überstromgrenze I stat
gefallen ist, durch das Zeitglied E eine Abschaltung des Wechselrichters.
In Fig. 3 sind verschiedene Ausgangsströme I WR für eine Halbperiode
aufgezeigt. Der Nennstrom ist dabei als sinusförmige Stromkurve f
gezeigt. Sobald der Mittelwert des Ausgangsstromes den Nennstrom übersteigt
(sinusförmige gestrichelte Kurve a), greift die Schaltungsanordnung
nach der Erfindung an der statischen Stromgrenze, also z. B. bei dem
1,1-fachen des Nennstromes ein.
Mit c ist ein Ausgangsstrom bezeichnet, bei dem ein Eingriff an der
Momentanwert-Stromgrenze erfolgt.
Die Stromkurve b zeigt einen Stromverlauf, wie er bei nichtlinearen
Lasten mit entsprechend kleinem Stromflußwinkel auftreten kann. Hier
liegt der mögliche Maximalwert des Wechselstroms vor, wenn der Mittelwert
die statische Stromgrenze noch nicht erreicht hat.
Die Stromkurve d zeigt den Verlauf eines Wechselrichterkurzschlußstromes
während der Zeitdauer t₁, wobei der Strom auf das Dreifache des Nennstromes
I Nenn begrenzt wird. Die zackenförmige Schaltfrequenz an der
Stromgrenze I dyn kann z. B. 5 kHz betragen. Nach dem Zeitbereich t₁
ergibt sich für den Zeitbereich t₂ ein Stromverlauf entsprechend der
Kurve e am Überstromgrenzwert, hier beim 1,1-fachen des Nennstromes
I Nenn .
Übersteigt die Stromeingriffszeit z. B. 5 ms, wird der Wechselrichter
durch das Zeitglied E nach einer Minute abgeschaltet.
Die Zuordnung der in Fig. 3 gezeigten Stromkurven zu der Wechselrichterausgangsspannung
U WR ist in Fig. 4 für den gestrichelt dargestellten
Kurzschlußfall des Stromrichters und für den strichpunktiert
dargestellten Fall einer Überlast gezeigt. Der Strom-Spannungsverlauf
erfolgt dabei entlang der ausgezogenen Kurve.
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung für den Überstromschutz der Leistungshalbleiterschalter
eines Wechselrichters, bei der für einen ersten Zeitbereich
eine dynamische Überstrombegrenzung bei einem auf ein Vielfaches
des Nennstromes begrenzten Überstrom wirksam ist und in einem
anschließenden zweiten Zeitbereich eine statische Strombegrenzung
mit einem geringeren, aber oberhalb des Nennstromes liegenden,
zulässigen Überstrom eingreift,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) Ein Präzisionsgleichrichter (A) stellt eine Eingangsgröße (U E ) entsprechend dem gleichgerichteten Wechselrichterausgangsstrom (I WR ) bereit.
- b) Ein Fensterkomparator (D) vergleicht diese Eingangsgröße (U E ) mit einem zeitlich abgestuften Komparator-Schwellwert (U K ) und bestimmt mit seinen Schaltzuständen die Leit- und Sperrphasen der Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters.
- c) Ein Filter (B) bildet den zeitlich unverzögerten Mittelwert der Eingangsgröße (U E ).
- d) Eine eingangsseitig mit dem Ausgang des Filters (B) und ausgangsseitig mit dem einen Eingang des Fensterkomparators (D) verbundene zweistufige Schwellwertschaltung (C) bildet für den ersten (t₁) und den zweiten Zeitbereich (t₂) die zwei Komparator-Schwellwerte (U K ), die der dynamischen und der statischen Strombegrenzung am Wechselrichterausgang entsprechen.
- e) Ein durch die Schwellwertschaltung (C) rücksetzbares Zeitglied (E) gibt nach Ablauf des zweiten Zeitbereichs (t₂) bei einem dann noch oberhalb des Grenzwerts für die statistische Strombegrenzung liegenden Wechselrichterausgangsstrom (I WR ) ein Abschaltsignal für die Halbleiterleistungsschalter des Wechselrichters ab.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Filter (B) ein Doppel-T-Filter ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem dreiphasigen Wechselrichter das Filter (B) durch eine
R-C-Schaltung je Phase mit einer nachgeschalteten, den Höchstwert
aus den drei Phasen weiterleitenden Extremwertauswahlschaltung gebildet
ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwellwertschaltung (C) durch eine jeweils durch einen
ohmschen Widerstand (R₂, R₃, R₄) verbundene Hintereinanderschaltung
eines ersten über einen Kondensator (C₁) rückgekoppelten, mit einer den dynamischen Stromgrenzwert (I dyn ) bestimmenden Referenzspannung (U ref 2) beaufschlagten Operationsverstärker (V₁),
eines zweiten, ebenfalls mit dieser Referenzspannung (U ref 2) beaufschlagten, als Integrator ausgebildeten Operationsverstärkers (V₂), dessen Zeitkonstante (R₂, C₂) den ersten Zeitbereich (t₁) bestimmt,
eines dritten, invertierenden Operationsverstärkers (V₃) und
eines vierten, mit einer den statischen Stromgrenzwert (I stat ) bestimmenden Referenzspannung (U ref 1) beaufschlagten Operationsverstärkers (V₄)
gebildet ist.
eines ersten über einen Kondensator (C₁) rückgekoppelten, mit einer den dynamischen Stromgrenzwert (I dyn ) bestimmenden Referenzspannung (U ref 2) beaufschlagten Operationsverstärker (V₁),
eines zweiten, ebenfalls mit dieser Referenzspannung (U ref 2) beaufschlagten, als Integrator ausgebildeten Operationsverstärkers (V₂), dessen Zeitkonstante (R₂, C₂) den ersten Zeitbereich (t₁) bestimmt,
eines dritten, invertierenden Operationsverstärkers (V₃) und
eines vierten, mit einer den statischen Stromgrenzwert (I stat ) bestimmenden Referenzspannung (U ref 1) beaufschlagten Operationsverstärkers (V₄)
gebildet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der weiterhin mit einer Z-Diode (D₂) überbrückte erste Operationsverstärker
(V₁) ausgangsseitig sowohl an den Rücksetz-Eingang des
Zeitgliedes (E) als auch über eine mit einem weiteren ohmschen
Widerstand (R₅) in Reihe liegenden Diode (D₁) an den Kondensator (C₂) des
als Integrator wirkenden zweiten Operationsverstärkers (V₂) angeschlossen
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873737327 DE3737327A1 (de) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | Schaltungsanordnung fuer den ueberstromschutz bei wechselrichtern |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3737327A1 true DE3737327A1 (de) | 1989-05-11 |
DE3737327C2 DE3737327C2 (de) | 1989-10-19 |
Family
ID=6339704
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873737327 Granted DE3737327A1 (de) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | Schaltungsanordnung fuer den ueberstromschutz bei wechselrichtern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3737327A1 (de) |
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