DE3034501C2

DE3034501C2 - Geregelte rückspeisende Gleichspannungsversorgung

Info

Publication number: DE3034501C2
Application number: DE3034501A
Authority: DE
Inventors: William Frederick Ithaca N.Y. Wirth
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1979-09-12
Filing date: 1980-09-12
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DK384080A; JPS5683272A; GB2059192B; BR8005749A; DE3034501A1; CA1154085A; GB2059192A; ES494958A0; FR2465361B1; ES8106641A1; FR2465361A1; KR830003965A

Description

Die Erfindung betrifft eine geregelte rückspeisende Cleichspannungsversorgung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I.

Eine derartige Gleichspannungsversorgung ist in der Siemens-Zeitschrift 50 (1976. Heft 7. S. 493-497, insbe- «ondere dortiges Bild 3 und zugehöriger Text) offenbart. ^M Dort besteht die Rückspeiseschaltung aus einem Thyristor und einem in Reihe geschalteten Widerstand, wobei diese Reihenschaltung direkt über die Ausgangsklemmen des Gleichstromstellers geschaltet ist. Die Ansteuerung des Rückspeisethyristors erfolgt unter Verwendung des den Halbleiterschaltern des Gleichstromstellers übermittelten Zündsignals und unter Berücksichtigung der auf den Gleichstromsteller gegebenen Eingangsspannung. Eine Glättungsdrossel ist zwischen die Rückspeiseschaltung und die eine Ausgangsklemme der Gleichspannungsversorgung eingefügt

In der DE-AS 25 13 519 ist ferner eine rückspeisende Gleichspannungsversorgung beschrieben, bei welcher über die Halbleiterschalter eines Gleichstromstellers Freilaufdioden geschaltet sind. Die Ansteuerung der Halbleitei"schalter des Gleichstromsteller^ erfolgt bei Energiezufuhr zur Last so, daß sich die >on den Halbleiterschaltern abgegebenen Impulse etwas überlappen. Bei Energieabgabe durch die Last erfolgt die Ansteuerung der Halbleiterschalter des Gleichstromstellers dagegen so, daß die von ihnen abgegebenen Impulse zeitlich getrennt sind. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Aufwand an Glättungsmitteln sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite des Gleichstromstellers klein gehalten werden kann.

Kommt es bei der eingangs beschriebenen Gleichspannungsversorgung aufgrund einer fehlerhaften Ansteuerung der Halbleiterschalter des Gleichstromstellers dazu, daß zwei über ein Netzleiterpaar geschaltete Halbleiterschalter gleichzeitig durchschalten, so ist auch der Halbleiterschalter der Rückspeiseschaltung mit hohem Strom beaufschlagt Den gleichen Nachteil hat man bei anderen bekannten Gleichspannungsversorgungen, bei welchen einem jeden der Halbleiterschalter des Gleichstromstt'iers ein paralleler Rückspeise-Halbleiterschalter zugeordnet ist. Diese Anordnung hat zudem den Nachteil, daß eine große Anzahl belastungsfähiger Halbleiterschalter benötigt wird.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine rückspeisende Gleichspannungsversorgung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß bei fehlerhafter Ansteuerung des Gleichstromstellers entstehende Kurzschlußströme kleiner sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Gleichspannungsversorgung gemäß Anspruch 1.

Bei der erfindungsgemäßen Gleichspannungsversorgung müssen auch im FehlerfalL* auftretende Kurzschlußströme durch die Glättungsdrossel hindurchfließen, so daß man wegen der scharfen Flanken derartiger Ströme eine gute Dämpfung der Kurzschlußströme erzielt. Infolgedessen kann man kleinere Halbleiterschalter verwenden, was die Kosten der Gleichspannungsversorgung zu senken gestattet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer geregelten ruckspeisenden Gleichspannungsversorgung in Verbindung mit einem durch sie betriebenen Wechselrichter und einem von diesem gespeisten Asynchronmotor.

Die Phasen L\, Li und L\ sind mit einem herkömmlichen Dreiphasennetz verbunden und liefern somit eine dreiphasige Wechselspannung von 60 Hz. deren Phasen gegeneinander um 120" versetzt sind. Auf jeder Phase liegt eine verkettete Spannung, die an einem der Leiter Lu L₂ und L₁ verkettet gegenüber den anderen Leitern anüegt. Die Amplituden der einzelnen Phasenspannungen kann jeden entsprechenden Wert in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu beaufschlagenden Last annehmen. Die Wechselspannung wird in einer bekannten Gleichrichterbrücke 10 mit gesteuerten Gleichrichtern gleichgerichtet. Die Brücke besitzt eine Gruppe von sechs Gleichrichtern 11 — 16, die bei

Durchsteuerung die Wechselspannung gleichrichten und an den positiven w* negativen Polen der Brücke 18 und 19 eine Gleichspannung erzeugen, deren Größe durch die Zündwinkel der Gleichrichter bestimmt ist. Natürlich ist die Gleichspannung am Pol 18 gegenüber dem Pol 19 positiv. Die Gleichrichter 11 — 16 liefern Strom zum Verbraucher, wenn dieser Leistung bedarf. Daher können sie »vorwärtsieitendc Gleichrichter« genannt werden.

Eine in Reihe geschaltete Filterdrossel 21, eine Diode

22 sowie eine positive Leitung 23 verbinden den positiven Pol 18 tint der Last (d. h. mit einem Eingang eines Wechselrichters 24), während eine in Reihe geschaltete Diode 25 und eine negative Leitung 27 den negativen Pol 19 mit der Last verbinden, d. h. mit dem anderen Eingang des Wechselrichters. Ein Filterkondensator 29 ist zwischen die Leitungen 23 und 27 geschaltet, liegt damit parallel zum Verbraucher. Die Leitungen 23 und 27 stellen somit Gleichspannungsschienen zur Übertragung der Gleichspannung von der Brücke 10 und vom Filterkreis 21, 29 an den Wechselrichter 24 dar. Die Dioden 22 und 25 sind so gepolt, daß sie einen normalen Stromfluß zulassen, wenn dem Wechselrichter 24 Spannung eingespeist wird Strom fließt auch vom Pol 18 über die Drossel 21, die Diode 22, den Kondensator 29 und die Diode 25 zum Pol 19, wodurch am Kondensator 19 eine gefilterte Gleichspannung (mit niedrigem Welligkeitsanteil) anliegt deren Größe direkt der Größe der Gleichspannung an den Polen 18 und 19 proportional ist. Daher hängt die auf der Gleichspannungsschiene (Leitungen

23 und 27) dem Wechselrichter 24 zugeführte Gleichspannung von den Zündwinkeln der vorwärtsleitenden Gleichrichter 11 — 16 ab.

Der Wechselrichter 24 arbeitet in Abhängigkeit von der Spannung der Gleichspannungsschiene und erzeugt daraus eine Wechselspannung, deren Größe direkt der Amplitude der Gleichspannung proportional ist. Die Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung wird durch die Impulswiederholungsfrequenz der Takt- oder Schaltimpulse bestimmt, die von einem spannungsgeregelten Oszillator 31 her anliegen, der seinerseits in Abhängigkeit von der Gleichspannung auf den Leitungen 23 und 27 arbeitet Die Oszillatorfrequenz wird durch die Gleichspannung bestimmt und ändert sich direkt in Abhängigkeit von dieser, wodurch das Verhältnis von Amplitude zur Frequenz der vom Wechselrichter 24 abgegebenen Wechselspannung im wesentlichen konstant bleibt.

Die Ausgangsspannung des Wechselrichters gelangt an einen Asynchronmotor 32, dessen Drehzahl von der Wechselrichterfrequenz bestimmt und dieser direkt proportional ist. Die Welle des Motors 32 treibt eine nicht gezeigte mechanische Last an. Wird ein festes Verhältnis zwischen der Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung gegenüber ihrer Frequenz beibehalten, so weist der Motor 32 ein konstantes Abtriebsmoment ungeachtet der Motordrehzahl auf Zur Regelung der Motordrehzahl können die vorwärtsleitenden Gleichrichter 11 —If) automatisch in bekannter Weise durch einen Regler 35 und eine Treiberschaltung 36 geregelt werden, um eine Sollamplitude der am Filterkondensator 29 anstehenden Gleichspannung zu erhalten. Die am Wechselrichter 24 anliegende Gleichspannung bestimmt die Motordrehzahl und liegt auch an dem Regler 35 an, welche diese Spannung mit einer Bezugsgleichspnnnung vergleicht, die über eine Leitung 34 vom KnotenDunki eines Festwiderstandes 37 und eines drehzahiregelnden Potentiometers 38 her anliegt Aus dem Vergleich wird ein Fehlersignal erzeugt (Leitungen 39), das sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Größe der Sollgleichspannung (dargestellt durch die Bezugsspannung des Spannungs-5cUers 37,38) und der Größe der Istgleichspannung auf der Sammelschiene, verändert Die Treiberschaltung 36 arbeitet in bekannter Weise in Abhängigkeit vom hehlersignal, um richtig taktgesteuerte Schaltsiromimpulse an die Steuerelektroden der Gleichrichter 11- J6 abzugeben, um deren Zündwinkel zu regeln, damit eine Gleichspannung erzeugt wird, die erforderlich ist um den Motor 32 mit der Drehzahl anratreiben, die am Drehzahlregler 38 eingestellt wurde. Wenn die Gleichspannung gegenüber dem erforderlichen Pegel abzufallen beginnt (wodurch die Motordrehzahl herabgesetzt wird), ändert sich das Fehlersignal und bewirkt daß die Treiberstufe 36 die Zündwinkel erhöht wodurch auch die Gleichspannung auf den Leitungen 23 und 27 ansteigt bis wieder die richtige Amplitude eingestellt ist. Angenommen, eine höhere Motordrehzahl sei erwünscht dann wird der Drehzahlregler 38 so eingestellt, daß das Fehlersignal die Treiberschaltr ι 36 veranlaßt, die Zündwinkel der Gleichrichter 1! — tO ρenügend zu vergrößern, um die am Wechselrichter anliegende Gleichspannung auf den zum Antrieb des Motors 32 mit der neuen Solldrehzahl erforderlichen Pegel anzuheben. Obwoh¹ die Motordrehzahl von Hand am Drehzahlregler 38 eingestellt werden kann, kann die an den Regler 35 über die Leitung 34 her anliegende Bezugsspannung durch Abtastung eines Parameters oder einer Kenngröße der Anlage abgeleitet werden, in welche die geregelte rückführende Gleichspannungsversorgung eingebaut ist, um die Drehzahl in Abhängig- keit von den abgetasteten Daten automatisch zu regeln. Es sei auch bemerkt, daß die Gleichspannungsversorgung in Abhängigkeit von einphasiger Wechselspannung anstatt von dreiphasigem Drehstrom arbeiten kann. Beim Einphasenbetrieb würden die Netzleitung L₁ sowie die vorwärtsleitenden Gleichrichter 13 und 16 entfallen. Eine gegenüber dem Pol 19 posoive gleichgerichtete Spannung würde weiterhin am Pol 18 erzeugt werden.

Ein- verhältnismäßig schnelle Laständerung (d. h. der Motordrehzahl in diesem Ausführungsbeispiel) erfordert, daß die Gleichspannungsversorgung einen Stromfluß in beiden Richtungen gestattet, wodurch im Verbraucher erzeugte Leistung einerseits zum Weciiselspannungsnetz zurückgeführt werden kann und andererseits der normale Stromfluß zur Last aufrecht erhalten bleibt. Die Rückspeisung wird besonders gebraucht, wenn die zur Regelschaltung 35 gelangende!. Daten eine schnelle Drehzahlverringerung anfordern. Unter diesen Bedingungen beginnt die von der Treiberschaltung 36 gesteuerte Brücke 10 die an ihren Polen 1» und 19 anstehende Gleichspannung abzubauen. Da jedoch jetzt der Motor als Generator arbeitet, verzögert dies eine Herabsetzung der Moto -drehzahl, wenn der im Verbraucher erzeugte Strom nicht /um Wechselspannungsnetz zurückfließen kann.

Der gewünschte Gegenstrom wird beim gezeigten Ausführungsbeispiel ..adurch erleichtert, daß ein Schaltnetzwerk (dir rückwärtsleitenden gesteuerten Halbleitergleichrichter 41 und 42 sowie die Dioden 22 und 25) in den Filterkreis zwischen die Filterdrossel 21 und den Filterkondensator 29 gelegt werden. Praktisch dient der gesteuerte Gleichrichter 41 als Halbleiterschalter für die Kreuzkopp'jng der positiven Leitung 23 nnti Jer

negativen Leitung 27. und der gcsteuerie Gleichrichter 42 dient als Halbleiterschalter für die Kreuzkopplung ilcr Leitung 27 mit der Leitung 23. Wenn die rückwärtsleitenden Gleichrichter 41 und 42 durchsteuern, dann werden die Verbindungen zwischen dem > Kondensator 29 und den Polen 18 und 19 der Brücke 10 umgekehrt, wobei die positive Leitung 23 an den negativen Pol 19 und die negative Leitung 27 an den positiven Pol 18 geführt ist. Das heißt, die Anschlüsse von der Gleichspannungsschiene zur Brücke 10 werden hi gegenläufig. Wenn die Gleichrichter 41 und 42 durchsteuern, um die Motordrehzahl zu verringern, dann ist die Gleichspannung an den Anschlüssen 18 und 19 kleiner als am Kondersator 29 (nämlich parallel zur Gleichspanntingsschiene). und Strom fließt vom Ver- r> braucher über die positive Leitung 23, den rückwärtsleitenden Gleichrichter 42, mindestens einen der vorwärtsleitenden Gleichrichter 14—16 zum Wechselspannungsnetz. Der Rückweg des Stromes umfaßt mindestens einen der vorwärtsleitenden Gleichrichter 11 — 13. die >o r>rn«p| 7I₁(IPn riirU wärtsleitenden Gleichrichter 41 und die negative Leitung 27. Wenn die Ausgangsspannung der Brücke 10 kleiner ist als die Schienengleichspannung ,!in Kondensator 29, und die Gleichrichter 41 und 42 steuern durch, dann fließt Strom von der Last zum r> Drehstromnetz, um die Schienengleichspannung und die Brückenspannung schnell auszugleichen. Wenn somit die Brückenausgangsspannung verringert wird, verkleinert sich auch die Schienengleichspannung.

Die Steuerung der rückwärtsleitenden Gleichrichter 41 und 42 und damit auch die Steuerung des .Schaltnetzwerkes erfolgt in bekannter Weise durch die Regelschaltung. Dieselbe Regeleinrichtung der vorstehend erwähnten rückspeisenden Gleichspannungsversorgung kann auch hier zur Steuerung der Gleichrichter r> 41 und 42 verwendet werden. Dies ist in der Zeichnung durch den Regler 35 und die Treiberstufe 44 dargestellt. Der Regler 35 vergleicht in bekannter Weise die Istgleichspannung der Sammelschiene mit der Sollgleichspannung (durch die Bezugsgleichspannung auf der Leitung 34 dargestellt) und bestimmt, ob Spannung vom Netz zur Last oder umgekehrt fließen soll. Unter Normalbedingungen, wenn Leistung von der Last angefordert wird, wird die Treiberstufe 44 abgeschaltet (wobei die Gleichrichter 41 und 42 gesperrt bleiben). -5 während die Treiberstufe 36 so gesteuert wird, daß Schaltstrom in der vorstehend beschriebenen Weise an die Gleichrichter 11 — 16 gelangt. Wenn andererseits der Regler 35 ermittelt, daß die Schienengleichspannung höher ist als sie sein darf, und daß Strom von der Last zurück zum Wechselstromnetz fließen sollte, um die Schienengleichspannung zu verringern, dann wird die Treiberstufe 44 über die Leitungen 43 so beaufschlagt, daß sie taktgesteuerte .Stromschaltimpulse an die Tore der rückwärtsleitenden Gleichrichter 41 und 42 abgibt, wodurch diese durchsteuern und damit eine geregelte Leistungsübertragung vom Verbraueher zur Stromversorgung ermöglichen. Die vom Regler 35 geregelte Treiberstufe 36 beaufschlagt die Gleichrichter 11 — 16 zu den richtigen Zeitpunkten, damit Strom über den Gleichrichter 10 in Gegenrichtung fließen kann.

Daraus ergibt sich, daß der Gegenstrom lediglich mit Hilfe von zwei Dioden (22 und 25) und zwei gesteuerten Gleichrichtern (41 und 42) sowie deren Steuerschaltung erreicht wird. Dies steht im scharfen Gegensalz zu der vorstehend erörterten früheren Anordnung, die bei Drehstrom insgesamt sechs rückwärtsleitende gesteuerte Gleichrichter mit ihren Steuerkreisen brauchen. Die erfindungsgemäße Anordnung ist offensichtlich erheblich einfacher und wirtschaftlicher als die des Standes der Technik.

Weitere Einsparungen ergeben sich, da die gesteuerten Gleichrichter nicht überdimensioniert sein müssen, um einen starken Kurzschlußstrom auszuhalten. Falls ein rückwärtsleitender Gleichrichter unbeabsichtigt getriggert wird (zum Beispiel durch Rauschen), wenn zwei vorwärtsleitende Gleichrichter gerade durchsteuem, dann wird kein phasenverketteter Kurzschluß erzeug¹ 'wie bei der früheren Einrichtung) und ein sich daraus ergebender Fehlerstrom ist erheblich schwächer. Dieser Vorteil ergibt sich durch Anordnung des Schaltnetzwerkes (Dioden 22 und 25 und rückwärtsleitender Gleichrichter 41 und 42) zwischen Filterdrossel 21 und Filterkondensator 29. wodurch alle Fehlerströme die Filterdrossel durchlaufen müssen. Beispielsweise sei angenommen, daß die Gleichrichter 11, 15 und 41 während der ersten Halbperiode durchsteuern, wenn die Momentspannung auf der Phase L\ gegenüber der Momentspannung auf der Phase Z.j positiv ist. Daher fließt ein Fehlerstrom zu diesem Zeitpunkt von der Phase Li über den Gleichrichter 11, die Filterdrossel 21. den Gleichrichter 41, die Diode 25 und den Gleichrichter 15 zur Phase £.2· Da jedoch der Fehlerstrom über die mit einer erheblichen Impedanz behafteten Drossel 21 fließt, wird seine Amplitude weitgehend verringert. Da alle Bauteile nur verhältnismäßig geringe Fehlerströme aushalten müssen, können sie entsprechend dimensioniert sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Geregelte rückspeisende Gleichspanfiür.gsversorgung, mit einem Gleichstromsteller und einem zugeordneten Stromstell-Steuerkreis, mit einer an einen ersten Ausgang des Gleichstromsteller angeschlossenen Glättungsdrossel, mit einer an den Ausgang des Gleichstromstellers angeschlossenen Rückspeiseschaltung, welche zumindest einen steuerbaren Halbleiterschalter enthält, mit einem der letzteren zugeordneten Rückspeise-Steuerkreis, und mit einem Regelkreis, welcher den StromsteU-Steuerkreis und den Rückspeise-Steuerkreis in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Versorgung und von einem einstellbaren Sollwertsignal für die Ausgangsspannung mit Befehlssignalen beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspeiseschaltung zwischen der Glättungsdrossel (21) und einem über die Ausgangsklemmen (23, 27) der Gleichspannungsversorgung geschaltete» Glättungskondensator (29) angeordnet ist und aufweist: eine die Glättungsdrossel (21) mit der einen Ausgangsklemme (23) verbindende erste Diode (22), eine die zweite Ausgangsklemme (27) mit der zweiten Ausgangsklemme des Gleichstromstellers (10) verbindende zweite Diode (25), einen den zwischen der Glättungsdrossel (21) und der ersten Diode (22) liegenden Netzwerksknoten mit der zweiten Ausgangsklemme (27) verbindenden ersten steuerbaren Halbleiterschalter (41) sowie einen die ^M erste Ausgangsklemme (23) der Versorgung mit der zweiten Au'.^&ngsklemme (19) des Gleichstromstellers (10) verbindenden zweiten steuerbaren Halbleiterschalter (42).

2. Gleichspaniiungsversargung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. da_> die Rückspeise-Steuerstufe (44) — ihrerseits gesteuert durch den Regler (35) — die Zündwinkel des ersten und zweiten steuerbaren Halbleiterschalters (41, 42) steuert.

J. Gleichspannungsversorgung nach Anspruch 1 oder 2. wobei der Gleichstromsteller (10) eingangsseitig mit einem Wechselstromnetz (Li. Ll, LZ) verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteil-Steuerstufe (36) unter Steuerung durch den Regler (35) die Zündzeitpunkte der steuerbaren Gleichrichter (11 — 16) des Gleichstromstellers (10) zusätzlich in Abhängigkeit vom Vorliegen eines vom Regler (35) abgegebenen Rückspeise-Befehlssignals steuert.

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