DE3824259A1 - Schaltungsanordnung zu einer differenzspannungserfassung am gleichspannungszwischenkreis eines zwischenkreisumrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter der genannten Art ist in den AEG-Telefunken Mitteilungen, Jahrgang 69 (1979), Heft 5/6, Seiten 45 bis 49 beschrieben.

Es ist vielfach notwendig, die Spannung des belasteten Gleichspannungs­ zwischenkreises durch eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung innerhalb einer bestimmten Bandbreite konstant zu halten. Ein derartiges Problem tritt z. B. beim Abbremsen von als Last an den Zwischenkreisumrichter an­ geschlossenen Motoren auf, wenn die Bremsenergie über den ausgangs­ seitigen Wechselrichter in den Zwischenkreiskondensator zurückgespeist wird, der Netzstromrichter aber als ungesteuerter Gleichrichter aufgebaut ist, über ihn also keine Energierückspeisung ins Netz möglich ist. Dann muß mittels eines von der Steuer- bzw. Regelschaltung angesteuerten, vorzugsweise gepulsten (Halbleiter-) Schalters ein Bremswiderstand zur Umwandlung der überschüssigen Energie in Wärme an den Gleichspannungs­ zwischenkreis gelegt werden oder eine zusätzliche (Energierückspeise-) Verbindung zum Netz hergestellt werden.

Bei dem bekannten Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter erfolgt die Ansteuerung eines Transistorschalters, der einen Bremswiderstand in den Zwischenkreis schaltet durch einen Zweipunktregler, der in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung bezogen auf einen fest eingestellten Maximalspannungswert arbeitet.

Es kann aber notwendig sein, die Spannung des Zwischenkreises in Ab­ hängigkeit von der Spannung des speisenden Netzes (innerhalb einer Band­ breite) konstant zu halten. Das ist z. B. bei schwankender Netzspannugs­ amplitude der Fall. Hierauf bezieht sich die Erfindung.

Nachteilig ist es, die Netzspannung über einen Spannungswandler zu er­ fassen und gleichgerichtet als Führungsgröße zu verwenden, da die Differenzbildug mit der Zwischenkreisspannung zwei sehr genaue Span­ nungsmessungen erfordert, um eine ausreichende Genauigkeit der Differenz zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine feinstufige Erfassung der Spannungsabweichung des Zwischenkreises vom ideellen Wert bei schwankender Amplitude der Netzspannung erreicht wird. Die Spannungs­ erhöhung im Zwischenkreis bei dynamischen Vorgängen soll damit gering gehalten werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst.

Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, die Spannungsdifferenz direkt zu erfassen. Damit wird die Dif­ ferenz nur durch diese eine Spannungsmessung bestimmt, wodurch die Meßgenauigkeit ohne Dynamikverlust der Meßgröße verbessert ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden für ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung beschrieben werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der beiden miteinander verbundenen Gleichspannungskreise nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein aus sechs (nicht näher bezeichneten) Dioden bzw. steuerbaren Ventilen in dreiphasiger Brückenschaltung aufgebauter Netzstromrichter Gd an ein dreiphasiges Netz mit der Netzspannung U _N über Netzdrosseln L ange­ schlossen. Über den Netzstromrichter Gd wird ein durch einen Zwischen­ kreiskondensator Cd gebildeter Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Am Zwischenkreiskondensator Cd tritt eine Spannung Ud auf. Der Gleich­ spannungszwischenkreis ist durch einen Strom I _L belastet, der über einen (nicht gezeigten) Wechselrichter in einer (ebenfalls nicht dargestellten) Last (z. B. einem Drehstrom-Motor) fließt.

Der Netzstromrichter Gd, der Zwischenkreiskondensator Cd und der (nicht gezeigte) Wechselrichter bilden einen Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter, bei dem bei schwankender Amplitude der Netzspannung U _N die Zwischen­ kreisspannung Ud bezogen auf die Netzspannung U _N innerhalb einer vorge­ gebenen Bandbreite konstant gehalten werden soll. Zu diesem Zweck ist ein Widerstand R _B vorgesehen, der über einen pulsbaren Thyristorschalter T an den Zwischenkreis angeschlossen wird, wenn die Spannung Ud im Zwischenkreis die vorgegebene Spannungs-Bandbreite überschreitet. Das ist z. B. dann der Fall, wenn durch Richtungsänderung des Laststromes I _L (z. B. im Bremsbetrieb des die Last darstellenden Motors) Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist wird, was zu einer Erhöhung der Zwischen­ kreisspannung Ud am Zwischenkreiskondensator Cd führt.

Zur geeigneten Ansteuerung des Thyristors T ist es nötig, eine Steuer- bzw. Regelgröße Um zu bilden, die möglichst genau und ohne nennens­ werte Verzögerung die Differenz zwischen der Netzspannung U _N und der Zwischenkreisspannung Ud in jedem Zeitpunkt darstellt.

Zur Bildung dieser Steuer- bzw. Regelgröße Um ist ein ebenfalls in drei­ phasiger Brückenschaltung aus sechs nicht näher bezeichneten Dioden ge­ bildeter zweiter, an das speisende Netz mit der Netzspannung U _N ange­ schlossener Netzstromrichter Gn vorgesehen, der einen zweiten Gleichspan­ nungskreis mit einem zweiten Kondensator Cn speist. Dem zweiten Kon­ densator Cn ist ein Widerstand Rn parallelgeschaltet.

Die Spannung Un am nahezu unbelasteten Gleichspannungskreis mit dem zweiten Kondensator Cn bildet den Scheitelwert U der verketteten Netzspannung U _N ab, wenn Cn Rn » (f=Frequenz der Netzspannung U _N) ist.

Die beiden Gleichspannungskreise sind über zwei ohmsche Widerstände R 1, R 2 miteinander verbunden.

Die Differenz Δ U=Ud-Un, welche durch den Laststrom I _L verursacht wird, fällt jeweils zur Hälfte an den Widerständen R 1 und R 2 ab, wenn beide gleich groß sind (R 1=R 2).

Ist die Zwischenkreisspannung Ud größer als die Spannung Un, so verhindert der dem zweiten Kondensator Cn parallelgeschaltete Widerstand Rn die Aufladung des Kondensators Cn über den Scheitelwert U der Netzspannung U _N hinaus.

Sind die Spannungen Un, Ud kleiner als U, so ist mindestens eine Diode der Netzstromrichter Gn bzw. Gd leitend. Damit sind in diesem Fall die Potentiale der Gleichspannungskreise gegenüber dem Sternpunkt des Netzes bzw. dem Erdpotential eindeutig definiert.

Ist bei den Netzstromrichtern Gn und Gd nur je eine Diode in der oberen Brückenhälfte leitend, so ist die am ohmschen Widerstand R 2 abfallende Spannung U _{R 2}=0 und die am ohmschen Widerstand R 1 abfallende Span­ nung U _{R 1}=Δ U.

Ist in den Netzstromrichtern Gd und Gn nur je eine Diode in der unteren Brückenhälfte leitend, so ist die am ohmschen Widerstand R 2 abfallende Spannung U _{R 2}=Δ U und die Spannung U _{R 1} über dem Widerstand R 1 Null.

Aus diesem Grunde, wie auch durch die unterschiedliche Leitdauer der entsprechenden Dioden in den Netzstromrichtern Gn und Gd bildet sich zwischen den beiden Gleichspannungskreisen Cn und Cd eine Wechsel­ spannung U _P mit der dreifachen Netzfrequenz aus. Die Wechselspannung U _P läßt sich im Mittelpunkt der beiden Gleichspannungskreise angreifend denken. Dies ist im Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 gezeigt. Dort wurden auch die Kondensatoren Cn und Cd durch zwei Gleichspannungsquellen mit je einer Spannung bzw. zwei Gleichspannungsquellen mit einer Spannung ersetzt.

Um die Meßspannung Um zu erhalten, die unbeeinflußt von der Wechsel­ spannung U _P ein proportionales Abbild der gesuchten Differenzspannung Δ U=Ud-Un ist, müssen die Spannungen U _{R 1} und U _{R 2} addiert werden. Es ergibt sich nämlich gemäß Fig. 2 folgender Zusammenhang:

Da die Spannungen U _{R 1} und U _{R 2} mit unterschiedlichen Potentialen behaftet sind, muß mindestens eine Spannung potentialmäßig von den Gleichspan­ nungskreisen abgekoppelt werden. In Fig. 1 wird dieses für beide Spannungen U _{R 1} und U _{R 2} durch die Trennverstärker V 1, V 2 brücksichtigt. Die Aus­ gangsspannungen U 1, U 2 dieser Trennverstärker V 1, V 2 können nun auf gemeinsamem Bezugspotential in bekannter Weise in einem Addierglied A addiert werden. Die so gewonnene Meßspannung Um ist das proportionale Abbild der Spannungsdifferenz Ud-Un=Δ U.

Statt der Trennverstärker V 1, V 2 lassen sich auch Optokoppler, Hall­ wandler oder ähnliche Wandler anwenden.

Statt der Trennwandler V 1, V 2 lassen sich auch Optokoppler, Hallwandler oder ähnliche Wandler anwenden.

Wird der zweite Stromrichter Gn gemäß Fig. 3 über einen Trenntrans­ formator T mit einem Übersetzungsverhältnis von ü=1 an das spei­ sende Netz gelegt, so kann sich die Wechselspannung Up nicht ausbilden. Wenn die ohmschen Widerstände R 1, R 2 in den Verbindungsleitungen gleich groß sind (R 1=R 2), fällt - auch bei dynamischen Vorgängen - an beiden Widerständen R 1, R 2 stets eine Spannung Δ U/2, also die Hälfte der zu erfassenden Spannugsdifferenz Δ U an. Es genügt daher, die Spannung in diesem Fall an einem der Widerstände R 1 oder R 2 zu messen.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Erfassung der Differenz zwischen der Spannung eines den Netzstromrichter eines Gleichspannungszwischen­ kreis-Umrichters speisenden Netzes und der Spannung am Zwischen­ kreiskondensator des ausgangsseitig mit einer Last verbundenen Umrichters, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter, unbelasteter Gleichspannungskreis mit einem zweiten Kondensator (Cn) vorgesehen ist, der durch einen zweiten, ebenfalls an das Netz (U _N ) angeschlossenen Stromrichter (Gn) gespeist wird und
daß der Betrag der Gleichspannung (Un) an dem zweiten Kon­ densator (Cn) vom Betrag der Gleichspannung (Ud) am Zwischen­ kreiskondensator (Cd) abgezogen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit in Brückenschaltung aus­ gebildeten Netzstromrichtern, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zwischenkreiskondensator (Cd) mit dem zweiten Konden­ sator (Cn) über je einen ohmschen Widerstand (R 1, R 2) in den beiden Verbindungsleitungen verbunden ist und
daß ein Addierglied (A) vorgesehen ist, dem Größen (U 1, U 2) ent­ sprechend den beiden an den ohmschen Widerständen (R 1, R 2) abfallenden Spannungen (U _{R 1}, U _{R 2}) zugeführt sind, wobei zumindest eine dieser Größen (U 1, U 2) potentialmäßig von den verbundenen Gleichspannugskreisen abgekoppelt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialmäßige Abkopplung zumindest einer der den an den ohmschen Widerständen (R 1, R 2) abfallenden Spannungen (U _{R 1}, U _{R 2}) proportionalen Größen (U 1, U 2) durch einen Trennwandler (V 1, V 2) oder durch einen Optokoppler oder durch einen Hallwandler vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zwischenkreiskondensator (Cd) mit dem zweiten Kondensator (Cn) über je einen ohmschen Widerstand (R 1, R 2) in beiden Verbin­ dungsleitungen verbunden ist,
daß der zweite Netzstromrichter (Gn) über einen Trenntransformator (T) an das speisende Netz angeschlossen ist und
daß an einem der beiden ohmschen Widerstände (R 1, R 2) eine der Differenzspannung (Δ U) proportionale Größe (Δ U/2) abgenommen wird (Fig. 3).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Kondensator (Cn) ein Begrenzungswiderstand (Rn) parallelgeschaltet ist.