PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3712244A1 27.10.1988
Titel Wechselstromgespeiste Gleichrichterschaltung
Anmelder Danfoss A/S, Nordborg, DK
Erfinder Harvest, Nils-Ole;
Rasmussen, Joergen, Nordborg, DK
Vertreter Knoblauch, U., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 10.04.1987
DE-Aktenzeichen 3712244
Offenlegungstag 27.10.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.1988
IPC-Hauptklasse H02M 7/12
IPC-Nebenklasse H02P 7/63   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine wechselspannungsgespeiste Gleichrichterschaltung mit nachgeschaltetem Glättungskondensator, insbesondere zur Gleichspannungsversorgung eines über einen Wechselrichter betriebenen Asynchronmotors.

Eine solche Gleichrichterschaltung ist aus DE-OS 32 46 706 bekannt. Da die Impedanz des Wechselspannungs- Versorgungsnetzes überwiegend induktiv ist und gegebenenfalls noch Netzdrosselspulen vorhanden sind, ergibt sich beim Einschalten eine fast ungedämpfte Schwingung zwischen der netzseitigen Impedanz und dem Glättungskondensator. Die Spannung kann hierbei bis auf etwa die doppelte Größe des stationären Wertes ansteigen. Insbesondere bei höheren Spannungen, zum Beispiel 380 V Wechselspannung, was einer Gleichspannung von etwa 500 V entspricht, führt dies zu einem erheblichen Nachteil, weil der Glättungskondensator und die nachfolgenden Leistungshalbleiter für die doppelte Spannung ausgelegt sein müssen. Darüber hinaus werden die Dioden des Gleichrichters und etwaige Sicherungen einem kräftigen Stromstoß ausgesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gleichrichterschaltung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der zur Vermeidung der genannten Nachteile ein Überschwingen der Spannung weitgehend verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein Gleichrichter der Gleichrichterschaltung steuerbar ist und daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die den Gleichrichter während der Aufladeperiode des Glättungskondensators über eine solche gegenüber einer Halbwelle verkürzten Zeit in den leitenden Zustand steuert, daß die Ausgangs-Gleichspannung der Gleichrichterschaltung höchstens um einen vorgegebenen begrenzten Wert über der momentanen Kondensatorspannung liegt.

Auf diese Weise wird eine langsame Aufladung des Glättungskondensators erreicht. Denn da die durch die Ausgangs-Gleichspannung vorgegebene Ladespannung die momentane Kondensatorspannung nur geringfügig übersteigt, ist auch der Ladestrom begrenzt. Zu hohe Spannungen werden mit Sicherheit vermieden.

Wenn die Gleichrichterschaltung eine Gleichrichterbrücke aufweist, genügt es, daß nur jeweils ein Gleichrichter jedes Brückenzweigpaares gesteuert ist. Dies ergibt eine besonders einfache Schaltung.

Dies gilt insbesondere, wenn die steuerbaren Gleichrichter Thyristoren sind, weil dann ein einfacher Impuls zum Ansteuern ausreicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß ein Komparator die Summe aus einem festen Bezugswert und der momentanen Kondensatorspannung mit der Amplitude der Wechselspannung vergleicht und den steuerbaren Gleichrichter in den leitenden Zustand bringt, wenn die Amplitude die Summe unterschreitet. Der Komparator sorgt mit einfachen Ausgangssignalen dafür, daß die Ladespannung des Kondensators in jeder Halbperiode nur um den Bezugswert größer ist als die Kondensatorspannung. Dies erfolgt, bis die Amplitude der Halbwelle der Wechselspannung bzw. die Spannung über den steuerbaren Gleichrichter infolge steigender Kondensatorspannung nicht mehr die Summe aus Kondensatorspannung und Bezugswert erreicht. Hierdurch wird der Strom während des Ladeverlaufs annähernd konstant gehalten.

Hierbei kann insbesondere der eine Eingang des Komparators mit dem Bezugswert und der andere Eingang mit einem zur Spannung am steuerbaren Gleichrichter proportionalen Wert versorgt sein. Dies ergibt einen einfachen Aufbau.

Besonders empfehlenswert ist es, daß dem Komparator zur Feststellung des Unterschreitens der Summe durch die Amplitude ein Differenzierglied nachgeschaltet ist. Der abgegebene Steuerimpuls kann unmittelbar zur Ansteuerung eines Thyristors verwendet werden, sofern er die dem Unterschreiten entsprechende Polarität hat.

Sehr günstig ist es ferner, daß dem Komparator ein monostabiler Multivibrator zugeordnet ist, der anspricht, wenn die Amplitude die Summe überschreitet, auf eine Verzögerungszeit eingestellt ist, die mindestens der Phasenverschiebung zwischen zwei Halbwellen entspricht, und während dieser Verzögerungszeit die Ansteuerung des zugehörigen steuerbaren Gleichrichters sperrt. Insbesondere bei einer drei- oder mehrphasigen Gleichrichterschaltung können auf diese Weise Fehlansteuerungen der steuerbaren Gleichrichter vermieden werden, wie dies später noch genauer beschrieben wird.

Des weiteren empfiehlt sich eine zweite Steuerschaltung, die den steuerbaren Gleichrichter während der gesamten Durchlaßperiode im leitenden Zustand hält, wenn der Glättungskondensator auf die volle Gleichspannung aufgeladen ist. Wenn dieser Zustand erreicht ist, werden die steuerbaren Gleichrichter von der zweiten Steuerschaltung aus getriggert, so daß sie wie ein nichtgesteuerter Gleichrichter arbeiten.

Diese zweite Steuerschaltung kann insbesondere einen zweiten Komparator aufweisen, der einen zweiten Bezugswert mit der Differenz aus der momentanen Kondensatorspannung und einem proportionalen Wert zu einer aus Gleichrichtung der Wechselspannung gewonnenen Hilfs- Gleichspannung vergleicht und den steuerbaren Gleichrichter in den leitenden Zustand bringt, wenn die Differenz den zweiten Bezugswert überschreitet. Erster und zweiter Bezugswert können so aufeinander abgestimmt werden, daß der Ladebetrieb nahtlos in den Dauerbetrieb übergeht.

Eine sehr große Schaltungsvereinfachung ergibt sich, wenn die Plus-Leitung der Gleichrichterschaltung mit den Thyristoren verbunden ist und das Steuerschaltungs-Bezugspotiential bildet. Die Steuerschaltung braucht daher von der Gleichrichterschaltung nicht galvanisch getrennt zu sein.

Hierbei ist es im Rahmen der ersten Steuerschaltung von Vorteil, daß die Thyristoren durch einen Spannungsteiler überbrückt sind, an dessen Abgriff eine Leitung zum nicht-invertierenden Eingang des Komparators abgeht und daß eine Bezugswert-Spannungsquelle zwischen Plus-Leitung und invertierenden Eingang des Komparators geschaltet ist.

Für die zweite Steuerschaltung empfiehlt sich eine Ausbildung derart, daß zur Erzeugung der Hilfs-Gleichspannung jede Phase über einen Hilfs-Gleichrichter mit einem Hilfs-Kondensator verbunden ist, der mit seinem anderen Anschluß an der Plus-Leitung liegt, daß der Hilfs-Kondensator durch einen Hilfs-Spannungsteiler überbrückt ist, dessen Abgriff mit dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators verbunden ist, und daß eine Spannungsquelle für den zweiten Bezugswert zwischen Plus-Leitung und nicht-invertierenden Eingang des Komparators geschaltet ist.

In weiterer Ausbildung kann zwischen den Abgriff des Hilfs-Spannungsteilers und die Plus-Leitung ein Spannungsbegrenzer, wie eine Zenerdiode, geschaltet sein. Diese dient zum Schutz des zweiten Komparators.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Gleichrichterschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 das Schaltbild einer Ausführungsform einer einphasigen Gleichrichterschaltung mit zugehörigen Steuerschaltungen,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines Steuerblocks der Fig. 2,

Fig. 4 in einem Diagramm die Spannung an einem Thyristor über der Zeit und

Fig. 5 die an verschiedenen Stellen der Schaltung auftretenden Spannungen.

Fig. 1 zeigt eine dreiphasige Brücken-Gleichrichterschaltung 1, der dreiphasige Wechselspannung über die Phasenleitungen R, S und T von einem Netz her zugeführt wird. Jeder Brückenzweig besteht aus einem steuerbaren Gleichrichter T1, T2 und T3 in der Form eines Thyristors und einer ungesteuerten Diode D1, D2 und D3. Die Steueranschlüsse 2 der Thyristoren werden von einer Steuerschaltungsanordnung 3 mit Steuerimpulsen versorgt. Daher ergibt sich ausgangsseitig zwischen einer Plus-Leitung 4 und einer Minus-Leitung 5 eine Gleichspannung. Diese wird mit Hilfe eines Glättungskondensators C1 geglättet. Die Gleichspannung speist einen Verbraucher 6, der beispielsweise aus einem Asynchronmotor besteht, welcher über einen Regler in seiner Drehzahl geregelt werden kann.

Im Betriebszustand wird die Gleichspannung zwischen den Leitungen 4 und 5 vom Kondensator C1 konstant gehalten. Wenn der Gleichrichter 1 jedoch über den Netzschalter 7 eingeschaltet wird, kann durch das Zusammenwirken der Netzinduktivität und des Glättungskondensators C1 eine Überspannung an der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 1 auftreten, wenn dies nicht durch die steuerbaren Gleichrichter T1, T2, T3 und die zugehörige Steuerschaltungsanordnung 3 vermieden wird.

In Fig. 2 ist eine Vierweg-Gleichrichter-Brückenschaltung für einphasigen Betrieb veranschaulicht. Es sind lediglich zwei Brückenzweige T1-D1 und T2-D2 vorgesehen. Die Wechselspannung wird über zwei Netzzuleitungen 8 und 9 zugeführt. Die Plus-Leitung 4 ist an ein Bezugspotential 10, wie die Masse, gelegt. Die Steuerschaltungsanordnung besteht aus einer ersten Steuerschaltung 3a, die im Anlaufbetrieb wirksam ist, und einer zweiten Steuerschaltung 3b, die für den Dauerbetrieb verantwortlich ist. Beide Steuerschaltungen werden von einer gemeinsamen Spannungsquelle 11 mit Betriebsspannung versorgt. Die als Thyristoren ausgebildeten steuerbaren Gleichrichter T1 und T2 liegen, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1, auf der der Plus-Leitung 4 zugewandten Seite der Brücke.

Die erste Steuerschaltung 3a weist einen Spannungsteiler 12 auf, der aus den Widerständen R1 und R2 besteht und parallel zum steuerbaren Gleichrichter T1 geschaltet ist. Der Abgriff führt zu einem Steuerblock 13, der in Fig. 3 veranschaulicht ist. Er weist einen Komparator 14 auf, an dessen invertierendem Eingang 15 eine Bezugsspannungsquelle 16 liegt und dessen nicht-invertierender Eingang 17 mit dem Abgriff des Spannungsteilers 12 verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 14 ist mit einem Differenzierglied 18 verbunden, das einen Steuerimpuls s abgibt, wenn die Spannung am Eingang 17 des Komparators 14 den Bezugswert U1 am Eingang 15 unterschreitet. Dieser Steuerimpuls wird über den Ausgang 19 einem Oder- Glied 20 zugeführt, dessen Ausgang über einen Verstärker A1 an den Steueranschluß 2 des steuerbaren Gleichrichters T1 gelegt wird, um diesen Thyristor zu zünden. Für den zweiten steuerbaren Gleichrichter T2 ist eine gleiche Steuerschaltung vorgesehen, deren Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen aufweisen.

Für eine Dreiphasenschaltung weist der Steuerblock 13 noch einen monostabilen Multivibrator 21 auf, der anspricht, wenn die Spannung am Eingang 17 des Komparators 14 den Bezugswert U1 überschreitet. Während der Verzögerungszeit gibt der Multivibrator ein Sperrsignal g an ein Gatter 22 ab, das die Weitergabe des Steuerimpulses s während dieser Verzögerungszeit verhindert, wie dies in Verbindung mit Fig. 5 noch näher erläutert wird.

Die zweite Steuerschaltung 3b weist zwei Dioden D4 und D5 auf, die die beiden Netzleitungen 8 und 9 mit einer Bezugsleitung 23 verbinden, welche eine Hilfsspannung UH - nämlich den wahren Wert der gleichgerichteten Wechselspannung - führt. Diese Bezugsleitung 23 ist über einen Hilfs-Kondensator C2 mit der Plus-Leitung 4 am Ausgang der Gleichrichterschaltung verbunden. Seine Ladespannung ist daher gleich der Differenz der Spannungen an den Leitungen 4 und 23. Ein Spannungsteiler 25, bestehend aus den Widerständen R3 und R4, überbrückt den Hilfskondensator. Der Abgriff ist mittels einer Zenerdiode Z gegen Überspannung gesichert. Er ist mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Komparators 25 verbunden, dessen nicht-invertierender Eingang mit einer zweiten Bezugsspannung U2 aus einer Spannungsquelle 26 versorgt wird. Sobald die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers 24 kleiner wird als die Bezugsspannung U2, gibt der Komparator 25 ein Dauersignal d als Steuersignal über das Oder-Glied 20, 120 an die steuerbaren Gleichrichter T1 und T2, so daß diese dauernd im leitenden Zustand verbleiben. Der Komparator 25 stellt daher fest, daß der Aufladevorgang nahezu beendet ist und daher die normale Ansteuerung der Thyristoren erfolgen kann.

Fig. 4 zeigt die Spannung V, die am Abgriff des Spannungteilers 12 auftritt, in Abhängigkeit vom Ladevorgang. Da die Plus-Leitung 4 am Bezugspotential liegt, ist die Darstellung so gewählt, daß sich die Null-Linie O der am Thyristor anliegenden Wechselspannung mit zunehmender Kondensatorspannung Uc nach unten verschiebt, beispielsweise von O1 nach O2. Zu der Kondensatorspannung ist der Bezugswert U1 addiert. Wenn der Kondensator C1 wenig aufgeladen ist, ergibt sich am Abgriff des Spannungsteilers 12 beispielsweise die Kurve V1. Die kleine, nach unten verlaufende Spitze am Anfang rührt daher, daß die Spannung über den Thyristor T1 zu diesem Zeitpunkt nach unten gezogen wird, weil die mit der Minus-Leitung 5 verbundene Diode D1 kurzfristig leitend wird und der andere Thyristor T2 gleichzeitig leitend war. Der Komparator 14 im Steuerblock 13 stellt fest, wann die Spannungssumme Uc + U1 von der Kurve V1 überschritten und dann wieder unterschritten wird. Beim Unterschreiten, also im Zeitpunkt t1, wird vom Differenzierglied 18 ein Steuerimpuls s abgegeben, der den zugehörigen Thyristor in den leitenden Zustand bringt. Wenn der Kondensator C1 stärker aufgeladen ist, ergibt sich die Spannungskurve V2. Man erkennt, daß der Steuerimpuls s zu einem früheren Zeitpunkt t2 erzeugt wird und daher ein größerer Teil der Spannungsphase zur Gleichspannungsversorgung herangezogen wird. Auf diese Weise paßt sich die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung selbsttätig der Ladespannung Uc des Glättungskondensators C1 an.

Bei einem dreiphasigen Brückengleichrichter hat die am Spannungsteiler 12 abgreifbare Spannung V den in Fig. 5 in der ersten Zeile veranschaulichten Verlauf. Bei geringer Aufladung des Glättungskondensators C1 schneidet die Bezugslinie Uc + U1 die Spannungskurve zweimal. Der Komparator 14 gibt daher ein Ausgangssignal k ab, das aus zwei Impulsen mit zwei abfallenden Flanken besteht. Dies würde im Differenzierglied 18 zu zwei Steuerimpulsen s führen. Der erste Steuerimpuls muß aber unterdrückt werden, weil die Ausgangsgleichspannung zu groß sein würde. Daher wird beim Überschreiten der Spannungssumme der monostabile Multivibrator 21 angesteuert, der während der Verzögerungszeit tv ein Sperrsignal g abgibt. Die Verzögerungszeit sollte mindestens gleich dem Phasenabstand der Halbwellen sein, bei einem Dreiphasennetz also mindestens 60° betragen. Er kann aber auch noch etwas größer sein. Auf diese Weise ist ein einwandfreier Betrieb gewährleistet.

Weil die Thyristoren an die Plus-Leitung 4 angeschlossen sind, kann auch die Steuerschaltung 3 auf dem gleichen Potential liegen. Es wird daher eine galvanische Trennung der Steuerschaltung vermieden. In manchen Fällen ist es günstig, wenn die Bezugsspannung U1 einstellbar ist. Auch wenn mit einer maximalen Gleichspannung von 500 V gearbeitet wird, kann der Komparator 25 mit vergleichsweise kleinen Spannungen betrieben werden. So kann die am Spannungsteiler 24 abgegriffene Spannung zehn- oder zwanzigmal kleiner sein. Und auch der zweite Bezugswert U2 sollte unter 10 V liegen.


Anspruch[de]
  1. 1. Wechselspannungsgespeiste Gleichrichterschaltung mit nachgeschaltetem Glättungskondensator, insbesondere zur Gleichspannungsversorgung eines über einen Wechselrichter betriebenen Asynchronmotors, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Gleichrichter (T1, T2, T3) der Gleichrichterschaltung (1) steuerbar ist und daß eine Steuerschaltung (3a) vorgesehen ist, die den Gleichrichter während der Aufladeperiode des Glättungskondensators (C1) über eine solche gegenüber einer Halbwelle verkürzte Zeit in den leitenden Zustand steuert, daß die Ausgangs-Gleichspannung der Gleichrichterschaltung höchstens um einen vorgegegebenen begrenzten Wert über der momentanen Kondensatorspannung (Uc) liegt.
  2. 2. Gleichrichterschaltung mit einer Gleichrichterbrücke, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur jeweils ein Gleichrichter (Tl, T2, T3) jedes Brückenzweigpaares gesteuert ist.
  3. 3. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Gleichrichter (T1, T2, T3) Thyristoren sind.
  4. 4. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (14) die Summe aus einem festen Bezugswert (U1) und der momentanen Kondensatorspannung (Uc) mit der Amplitude der Wechselspannung (V) vergleicht und den steuerbaren Gleichrichter (T1, T2, T3) in den leitenden Zustand bringt, wenn die Amplitude die Summe unterschreitet.
  5. 5. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang (15) des Komparators (14) mit dem Bezugswert (U1) und der andere Eingang (17) mit einem zur Spannung am steuerbaren Gleichrichter (T1, T2, T3) proportionalen Wert (V) versorgt ist.
  6. 6. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (14) zur Feststellung des Unterschreitens der Summe durch die Amplitude ein Differenzierglied (18) nachgeschaltet ist.
  7. 7. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (14) ein monostabiler Multivibrator (21) zugeordnet ist, der anspricht, wenn die Amplitude (V) die Summe überschreitet, auf eine Verzögerungszeit (tv) eingestellt ist, die mindestens der Phasenverschiebung zwischen zwei Halbwellen entspricht, und während dieser Verzögerungszeit die Ansteuerung des zugehörigen steuerbaren Gleichrichters (T1, T2, T3) sperrt.
  8. 8. Gleichrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine zweite Steuerschaltung (3b), die den steuerbaren Gleichrichter (T1, T2, T3) während der gesamten Durchlaßperiode im leitenden Zustand hält, wenn der Glättungskondensator (C1) etwa auf die volle Gleichspannung aufgeladen ist.
  9. 9. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen zweiten Komparator (25), der einen zweiten Bezugswert (U2) mit der Differenz aus der momentanen Kondensatorspannung (Uc) und einem proportionalen Wert zu einer aus Gleichrichtung der Wechselspannung gewonnenen Hilfs-Gleichspannung (UH) vergleicht und den steuerbaren Gleichrichter (T1, T2, T3) in den leitenden Zustand bringt, wenn die Differenz den zweiten Bezugswert unterschreitet.
  10. 10. Gleichrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Plus-Leitung (4) der Gleichrichterschaltung (1) mit den Thyristoren (T1, T2, T3) verbunden ist und das Steuerschaltungs-Bezugspotential bildet.
  11. 11. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (T1, T2, T3) durch einen Spannungsteiler (12, 112) überbrückt sind, an dessen Abgriff eine Leitung zum nichtinvertierenden Eingang (15) des Komparators (14) abgeht und daß eine Bezugswert-Spannungsquelle (16) zwischen Plus-Leitung (4) und invertierenden Eingang (15) des Komparators geschaltet ist.
  12. 12. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Hilfs-Gleichspannung (UH) jede Phase über einen Hilfs-Gleichrichter (D4, D5) mit einem Hilfs-Kondensator (C2) verbunden ist, der mit seinem anderen Anschluß an der Plus-Leitung (4) liegt, daß der Hilfs-Kondensator durch einen Hilfs-Spannungsteiler (24) überbrückt ist, dessen Abgriff mit dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators (25) verbunden ist, und daß eine Spannungsquelle (26) für den zweiten Bezugswert (U2) zwischen Plus-Leitung und nichtinvertierenden Eingang des Komparators geschaltet ist.
  13. 13. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abgriff des Hilfs-Spannungsteilers und die Plus-Leitung (4) ein Spannungsbegrenzer (Z), wie eine Zenerdiode, geschaltet ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com