Ladestromverfahren, Ladestromvorrichtung und elektrischer Um richter mit der Ladestromvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Ladestromverfahren zur Begrenzung eines Ladestroms in einem Gleichspannungskreis, wobei der La destrom über Dioden von einem elektrischen Versorgungsnetz in den Gleichspannungskreis geleitet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Ladestromvorrichtung und einen elektri schen Umrichter mit der Ladestromvorrichtung.

Bei elektrischen Umrichtern, wie beispielsweise Frequenzum richtern mit Gleichspannungszwischenkreis für Antriebs- oder Energieversorgungssysteme, ist es oftmals systemimmanent, dass nach einem kurzzeitigen Netzausfall des Versorgungsnet zes, also Spannungsausfall mit Reduzierung bzw. vollständigem Zusammenbruch der Versorgungsspannung des Versorgungsnetzes, und anschließender, meist unmittelbarer Netzwiederkehr, ver bunden mit der Wiederkehr der Versorgungsspannung des Versor gungsnetzes, ein hoher Strom, auch als Lade- oder Nachlade strom bezeichnet, durch die meist in Brückenschaltung betrie benen Dioden, hier Gleichrichterdioden, des mit dem Versor gungsnetz verbundenen Gleichrichters in den Gleichspannungs kreis des Frequenzumrichters mit seinen angeschlossenen elektrischen Verbrauchern fließt. Meist ist die Versorgungs spannung eine Wechselspannung und das entsprechende Versor gungsnetz ein Wechselstromnetz, ggf. ausgebildet als Dreh stromnetz.

Dieses Verhalten kann dem Grundsatz nach auch bei Gleichspan nungswandlern festgestellt werden, bei denen eine Gleichspan nung eines Gleichspannungsversorgungsnetzes über beispiels weise eine Spule oder einen Wandler-Trafo in bekannter Weise mittels entsprechender Dioden in ein höheres, niedrigeres oder invertiertes Spannungsniveau einer Gleichspannung für einen Gleichspannungskreis gewandelt wird. Der im beschriebenen Fall fließende Ladestrom kann dabei die Dioden thermisch überlasten, so dass deren Beschädigung oder dauerhafte Zerstörung droht. Eine hierfür aussagekräftige Größe für einen sicheren oder einen gefährdeten Betrieb der Dioden oder anderer elektrischer Bauelemente ist das Integral - auch als Grenzlastintegral bezeichnet - über das Quadrat des Stroms im Gleichspannungskreis oder des Stroms im Versor gungsnetz i ² t nach der Formel

Der Verlauf des Stroms i ist für die Frage, ob ein sicherer oder ein gefährdeter Betrieb ansteht, zunächst von unterge ordneter Bedeutung. Das Grenzlastintegral steht über einen ohmschen Widerstand R des zu betrachtenden elektrischen Bau elements, hier der Diode als Halbleiterbauelement, im Zusam menhang mit einer aufgenommenen Energie E gemäß folgender Formel

E= R _* f ¹¹ i ² dt.

Dazu ist der Widerstand R temperaturabhängig und die aufge nommene Energie E führt in Abhängigkeit von einer Masse m und einer spezifischen Wärmekapazität c einer elektrisch aktiven Zone am Wafer bzw. am Die des Halbleiterbauelementes zu einem Temperaturanstieg DT mittels der Formel

F

DT = — m*c.

Ausgehend von einer gegebenen Ausgangstemperatur ist bei Überschreitung des Grenzlastintegrals eine das Halbleiterbau element schädigende Temperatur erreichbar. Die Geschwindig keit, mit der eine entsprechende Grenztemperatur erreichbar ist, wird von der Höhe des Stroms im Halbleiterbauelement be stimmt. Ist der Stromfluss eher gering, kann zumindest ein Teil der entstehenden Verlustwärme an die Umgebung abgeführt werden. Dem Grenzlastintegral werden dazu Bedingungen aufer legt, wie beispielsweise die Integrationszeit. Der maximal zulässige Wert i ² t für eine in diesem Kontext eingesetzte Diode wird bestimmt von der Durchlasskennlinie und Fläche der Diode.

Im Detail kann die Höhe des Werts i ² t, der z.B. beim Nachla den mittels des Ladestroms über die Dioden einer Brücken schaltung eines Gleichrichters im Gleichspannungskreis auf- tritt, von verschiedenen elektrischen Größen abhängen.

So entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen dem z.B. Schei telwert einer wiederkehrenden Versorgungsspannung des Versor gungsnetzes bzw. einer wiederkehrenden Gleichspannung am Gleichspannungskreis und der während des Spanungsausfalls am Gleichspannungskreis abgesunkenen Gleichspannung. Dabei steigt die Spannungsdifferenz, je länger der Spannungsabfall andauert, wobei in Abhängigkeit der Spannungsdifferenz auch der i ² t-Wert des Ladestroms nach Spannungswiederkehr an steigt.

Ein kritischer Fall für die Höhe des Ladestroms beim Nachla den liegt z.B. dann vor, wenn die Gleichspannung am Gleich spannungskreis auf einen Wert unmittelbar oberhalb einer sta tisch festgelegten Unterspannungsschwelle abgesunken ist.

Wenn dann die Gleichspannung nach Spannungswiederkehr an steigt, kann aufgrund der hohen Spannungsdifferenz auch ein ggf. zu hoher Ladestrom fließen und der i ² t Wert des Grenz lastintegrals den zulässigen Grenzwert für die vom Ladestrom durchflossenen Dioden am Gleichspannungskreis überschreiten. Eine Zerstörung oder dauerhafte Beschädigung aufgrund thermi scher Überlastung der Dioden ist so möglich.

Die Unterspannungsschwelle ist hier ein beispielsweise auf die Gleichspannung am Gleichspannungskreis bezogener Wert, welcher unter Auslegung der am Gleichspannungskreis betriebe nen Bauelemente, wie der Dioden, statisch festgelegt wird. Dies bedeutet, dass die Unterspannungsschwelle für den Be trieb der elektrischen Bauelemente am Gleichspannungskreis nicht geändert, sondern im Rahmen der Festlegung der Rahmen bedingungen für die elektrischen Aktivitäten am Gleichspan nungskreis oft einmalig vor Inbetriebnahme der Dioden und der weiteren elektrischen Bauelemente am Gleichspannungskreis ausgelegt wird.

Sinkt die Gleichspannung am Gleichspannungskreis weiter unter die statisch festgelegte Unterspannungsschwelle ab, schaltet sich meist eine Vorladeschaltung mit einer entsprechenden Vorladefunktion für eine Begrenzung des Ladestroms bei Span nungswiederkehr zu.

Auch die Netzimpedanz insbesondere des Versorgungsnetzes hat einen Einfluss auf die Höhe des i ² t-Werts des Grenzlastinteg- rals für den Ladestrom bei Nachladen.

Oftmals wird am Gleichspannungskreis eine elektrische Kapazi tät betrieben oder sind z.B. Leitungskapazitäten vorhanden, welche nach Spannungswiederkehr bei Spannungsausfall des Ver sorgungsnetzes mittels des Ladestroms technisch gewollt oder auch unerwünscht nachgeladen werden. Diese Kapazitäten haben ebenfalls einen Einfluss auf die Höhe des i ² t Werts des Grenzlastintegrals für den Ladestrom. Dies gilt insbesondere auch für eine Zwischenkreiskapazität am Gleichspannungszwi- schenkreis eines Frequenzumrichters.

Bei Antrieben mit Multiachssystemen für beispielsweise Werk zeug- oder Produktionsmaschinen ist die Kapazität am Gleich- spannungszwischenkreis des Frequenzumrichters abhängig von der Antriebskonfiguration des Anwenders. So steigt der Lade strom für die Nachladung der Zwischenkreiskapazität am Gleichspannungszwischenkreis mit Erhöhung der Zwischenkreis kapazität und steigt auch der i ² t-Wert des Grenzlastinteg- rals. Die statische auszulegende Unterspannungsschwelle wird in diesem Zusammenhang so eingerichtet, dass sie unter einem mi nimalen Wert der Zwischenkreisspannung am Gleichspannungszwi- schenkreis liegt, so dass bei einer minimalen Versorgungs spannung des Versorgungsnetzes der bestimmungsgemäße, fehler freie Betrieb des Frequenzumrichters noch zulässig ist.

Nach einer bisher üblichen Vorgehensweise wird der i ² t-Wert des Grenzlastintegrals für die z.B. Dioden an einem Gleich spannungskreis nach dem ungünstigsten Betriebsfall ausgelegt, wobei folgende Parameter angenommen werden:

- Die maximal auftretende Versorgungsspannung des Versor gungsnetzes bzw. die maximal auftretende Gleichspannung des Gleichspannungskreises für einen noch bestimmungsgemäßen, fehlerfreien Betrieb des Gleichspannungskreises bestimmt eine maximal zulässige obere Toleranzschwelle für die ent sprechende Spannung.

- Die minimal auftretende Gleichspannung am Gleichspannungs kreis für einen noch bestimmungsgemäßen, fehlerfreien Be trieb des Gleichspannungskreises ist praktisch identisch zu der statischen ausgelegten Unterspannungsschwelle.

- Die Kapazität am Gleichspannungskreis muss mit einem maxi mal zulässigen Wert angenommen werden, unabhängig von einer aus Sicht des Anwenders im Betrieb tatsächlich benötigten niedrigeren Kapazität.

Aus dieser Vorgehensweise ergibt sich, dass zur Auslegung die i ² t-Festigkeit für elektrische Bauelemente, wie z.B. der Dio den für einen Gleichrichtbetrieb eines Frequenzumrichters, eine maximale und dazu statische Spannungsdifferenz aufgrund der statisch auszulegenden Unterspannungsschwelle bestimmt wird. Dies hat den Nachteil, dass großflächige, für die meis ten Anwendungen überdimensionierte und deshalb teuren Dioden zum Einsatz kommen müssen.

Auch kann zwar die maximal zulässige Kapazität begrenzt wer den, um den Einsatz teurer Dioden zu vermeiden, was jedoch Anwender beispielsweise in deren benötigter Antriebskonfigu ration von Multiachssystemen bei Werkzeug- oder Produktions maschinen einschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladestromver fahren, eine Ladestromvorrichtung und einen elektrischen Um richter mit der Ladestromvorrichtung vorzuschlagen, welche einen Ladestrom für einen Gleichspannungskreis im Falle einer Spannungswiederkehr nach einem Spannungsausfall gegenüber dem Stand der Technik verbessert begrenzt.

Die Aufgabe wird durch ein Ladestromverfahren mit den in An spruch 1 angegebenen Merkmalen, durch eine Ladestromvorrich tung mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen und mit ei nem elektrischen Umrichter mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.

Für die Lösung der Aufgabe wird ein Ladestromverfahren zur Begrenzung eines Ladestroms in einem Gleichspannungskreis vorgeschlagen, wobei der Ladestrom über Dioden von einem elektrischen Versorgungsnetz in den Gleichspannungskreis ge leitet wird, aufweisend die Schritte: Ermittlung einer von einer Versorgungsspannung des elektrischen Versorgungsnetzes abhängigen Gleichspannung am Gleichspannungskreis, Bestimmung einer variablen Unterspannungsschwelle am Gleichspannungs kreis und Aktivierung der Begrenzung des Ladestroms, wenn die Gleichspannung die variable Unterspannungsschwelle erreicht oder unterschreitet.

Das Ladestromverfahren ist besonders geeignet für einen Gleichrichtbetrieb der Dioden, wobei diese Dioden meist mit tels einer Anordnung in einer Brückenschaltung betrieben wer den.

In vorteilhafter Weise wird während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Gleichspannungskreises, so für den Gleichricht betrieb der Dioden am Gleichspannungskreis, eine variable Un terspannungsschwelle zum Schutz insbesondere der Dioden aber auch anderer elektrischer Bauteile, welche am oder mittels des Gleichspannungskreises betrieben werden, implementiert.

Mittels dieser variablen Unterspannungsschwelle kann nach ei nem Spannungsausfall oder Spannungsabfall mit anschließender Spannungswiederkehr der Versorgungsspannung des elektrischen Versorgungsnetzes, und damit der Gleichspannung am Gleich spannungskreis, der Ladestrom zum Nachladen des Gleichspan nungskreises und der damit verbundenen Energieverbraucher, wie z.B. einer über einen Wechselrichter am Gleichspannungs kreis betriebenen elektrischen Last, nunmehr effizient und anwendungsorientiert an die elektrischen Bedingungen am Gleichspannungskreis im Gegensatz zu bekannten Ladestromver fahren mit nur einer statische auszulegenden Unterspannungs schwelle angepasst werden.

Das bedeutet, dass der Ladestrom zur Nachladung des Gleich spannungskreises bei Spannungswiederkehr nach dem Spannungs ausfall deutlich gegenüber der bisherigen Lösung reduziert werden kann, bei der die statische Unterspannungsschwelle un flexibel, bestimmt für maximale elektrische Anforderungen des Gleichspannungskreises, ausgelegt werden muss. Die am Gleich spannungskreis einzusetzenden elektrischen Bauelemente, wie insbesondere die Dioden, können mit Blick auf deren elektri sche Betriebsdaten sowohl aus Kostensicht wie auch aus Sicht eines reduzierbaren Bauraumbedarfs für den Einsatz beispiels weise in elektrischen Umrichtern vorteilhaft ausgewählt wer den.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Ladestromverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltungsform des Ladestromver fahrens weist den Schritt einer Bildung einer Spannungsdiffe renz zwischen der Gleichspannung und der variablen Unterspan nungsschwelle auf, wobei die Spannungsdifferenz, unabhängig vom Wert der Gleichspannung, unverändert bleibt. Erfindungsgemäß soll die Spannungsdifferenz möglichst klein gehalten werden, damit zur Überwindung der Spannungsdifferenz der am Gleichspannungskreis fließende Ladestrom nach einem Spannungsausfall oder Spannungsabfall mit anschließender Spannungswiederkehr der Versorgungsspannung des elektrischen Versorgungsnetzes, und damit der Gleichspannung am Gleich spannungskreis, die i ² t-Festigkeit des Grenzwertintegrals für insbesondere die Dioden gegenüber der herkömmlichen Lösung in herstellt und dies auch nach Absinken der Gleichspannung auf einen Wert nahe der für einen bestimmungsgemäßen und fehler freien Betrieb des Gleichspannungskreises noch zulässigen mi nimalen Gleichspannung.

Damit die Spannungsdifferenz, unabhängig vom Wert der ermit telten Gleichspannung, in vorteilhafter Weise unverändert bleibt, kann die variable Unterspannungsschwelle mit einem absoluten, gleichbleibenden Spannungswert unter die ermittel te Gleichspannung des Gleichspannungskreises gelegt werden. Jedoch soll die variable Unterspannungsschwelle größer blei ben als die für einen bestimmungsgemäßen und fehlerfreien Be trieb des Gleichspannungskreises noch zulässige minimale Gleichspannung .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform des Ladestrom verfahrens weist den Schritt einer Bildung einer Spannungs differenz zwischen der Gleichspannung und der variablen Un terspannungsschwelle auf, wobei sich die Spannungsdifferenz abhängig vom Wert der Gleichspannung verändert.

Um die Spannungsdifferenz änderbar an den Wert der Gleich spannung in vorteilhafter Weise zu koppeln, kann die variable Unterspannungsschwelle als prozentualer Wert zur Höhe der er mittelten Gleichspannung des Gleichspannungskreises unter die Gleichspannung gelegt werden, wobei sich 20% der Gleichspan nung als besonders vorteilhaft erweisen. Somit ist die Span nungsdifferenz hinreichend klein zur Einhaltung der i ² t- Festigkeit des Grenzwertintegrals für den Schutz vor einem zu hohen Ladestrom insbesondere für die Dioden, jedoch wird bei einem sehr kurzen und eher geringen Spannungseinbruch die va riable Unterspannungsschwelle nicht vorschnell erreicht.

Jedoch soll die Unterspannungsschwelle größer bleiben als die für einen bestimmungsgemäßen und fehlerfreien Betrieb des Gleichspannungskreises noch zulässige minimale Gleichspan nung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Lade stromverfahrens wird zur Begrenzung des Ladestroms eine elektrische Vorladung des Gleichspannungskreises und/oder ei ne Energieentnahmereduktion am Gleichspannungskreis akti viert.

Die Begrenzung des Ladestroms wird am Gleichspannungskreis wirksam, wenn mit der Spannungswiederkehr, nach dem Span nungsabfall bzw. dem Spannungsausfall, das Nachladen des Gleichspannungskreises mittels des Ladestroms einsetzt.

Dazu kann die elektrische Vorladung mittels einer Vorla deschaltung am Gleichspannungskreis den Ladestrom begrenzen. Derartige Vorladeschaltungen weisen meist einen Vorladewider stand auf, der für die elektrische Vorladung in den Gleich spannungskreis geschaltet wird.

Die Energieentnahmereduktion zur Begrenzung des Ladestroms am Gleichspannungskreis kann vorteilhaft durchgeführt werden, indem elektrische Verbraucher vom Gleichspannungskreis ge trennt werden. Dazu gehört beispielsweise auch ein Wechsel richter welcher mit dem Gleichspannungskreis verbunden ist und eine elektrische Maschine betreibt. In diesem Fall wird der Wechselrichter eine Bestromung der elektrischen Maschine aussetzen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Lade stromverfahrens erfolgt die Bestimmung der variablen Unter spannungsschwelle in Abhängigkeit einer Kapazität am Gleich spannungskreis. Für beispielsweise elektrische Antriebe bei Multiachssystemen kann die sich je nach Aufgabenstellung ändernde Kapazität am Gleichspanungszwischenkreis von Frequenzumrichtern berück sichtigt werden und die Unterspannungsschwelle an die betref fende Antriebskonfiguration vorteilhaft angepasst werden, insbesondere kann im Gegensatz zu bekannten Lösungen eine zum Einsatz kommenden Gesamtkapazität am Gleichspannungskreis er höht werden, ohne dass der Ladestrom am Gleichspannungskreis nach Spannungsabfall oder Spannungsausfall mit Spannungswie derkehr Schäden an den eingesetzten elektrischen Bauelemen ten, wie insbesondere den Dioden verursacht.

Beim Einsatz einer größeren Kapazität am Gleichspannungskreis wird die variable Unterspannungsschwelle gegenüber der ermit telten Gleichspannung erhöht und somit näher an die ermittel te Gleichspannung gebracht, währenddessen beim Einsatz einer kleineren Kapazität am Gleichspannungskreis die variable Un terspannungsschwelle gegenüber der ermittelten Gleichspannung verringert und somit weiter von der ermittelten Gleichspan nung entfernt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Lade stromverfahrens erfolgt die Bestimmung der variablen Unter spannungsschwelle in Abhängigkeit einer Netzimpedanz am elektrischen Versorgungsnetz.

Eine Ermittlung der Netzimpedanz erfolgt nach bekannten Ver fahren zur Netzidentifikation beispielsweise bei einem akti ven Netzstromrichter mit Rückwärtsdioden. Bei einer kleinen Netzimpedanz des elektrischen Versorgungsnetzes wird die va riable Unterspannungsschwelle gegenüber der ermittelten Gleichspannung vorteilhaft erhöht und somit näher an die er mittelte Gleichspannung gebracht, währenddessen bei einer großen Netzimpedanz des elektrischen Versorgungsnetzes die variable Unterspannungsschwelle gegenüber der ermittelten Gleichspannung vorteilhaft verringert und somit weiter von der ermittelten Gleichspannung entfernt wird. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Lade stromverfahrens wird die Bestimmung der variablen Unterspan nungsschwelle durchgeführt, wenn die Gleichspannung über ei nen bestimmten Zeitbereich ansteigt.

Falls die variable Unterspannungsschwelle in dem Moment aktu alisiert wird, wenn die ermittelte Gleichspannung in Folge eines Spannungsausfalls absinkt, würde die variable Unter spannungsschwelle im gleichen Maße absinken, wie die ermit telte Gleichspannung absinkt. Ein in diesem Fall ggf. er wünschtes Erreichen und Unterschreiten der variablen Unter spannungsschwelle wäre so kaum möglich.

Ein Ansteigen der ermittelten Gleichspannung zur Bestimmung bzw. Aktualisierung der variablen Unterspannungsschwelle über den bestimmten Zeitbereich liegt dann vor, wenn eine Erhöhung der gemittelten Gleichspannung oder der Vergrößerung einer Hüllkurve der welligen Gleichspannung - basierend auf der Wechselspannung der Versorgungsspannung - über den bestimmten Zeitbereich eintritt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Lade stromverfahrens erfolgt die Bestimmung der variablen Unter spannungsschwelle mittels eines Modulationsindex einer Reg lung für schaltbare Halbleiter, wobei die Dioden jeweils als Rückwärtsdioden parallel mit den schaltbaren Halbleitern ei ner Brückenschaltung verschaltet sind und wobei der Modulati onsindex als Quotient aus der Versorgungsspannung des elektrischen Versorgungsnetzes und der Gleichspannung des Gleichspannungskreises ausgebildet ist.

Aktive Netzstromrichter regeln den Spannungswert für den Gleichspannungskreis bzw. den Gleichspannungszwischenkreis auf einen konstanten Sollwert. In diesem Fall kann die Ver sorgungspannung des Versorgungsnetzes, und damit auch ein Spannungsausfall oder Spannungseinbruch, nicht direkt mit Blick auf die Gleichspannung am Gleichspannungskreis in Ver- bindung gebracht werden. Auch wird die Versorgungspannung des Versorgungsnetzes in vielen Fällen nicht gemessen.

Bei einem aktiven Netzstromrichter ist neben dem Spannungs wert der Gleichspannung am Gleichspannungskreis auch der Mo dulationsindex für einen Steuersatz der Halbleiterschalter des aktiven Netzstromrichter bekannt. Dieser Modulationsindex beschreibt das Verhältnis insbesondere eines Scheitelwerts der Versorgungsspannung des Versorgungsnetzes und der Gleich spannung am Gleichspannungskreis bzw. Gleichspannungszwi- schenkreis. Er wird von einem Regler des aktiven Netzstrom richters so eingestellt, dass mit der vorhandenen Versor gungsspannung des Versorgungsnetzes die gewünschte Gleich spannung am Gleichspannungskreis erreicht wird.

Für die Lösung der Aufgabe wird weiterhin Ladestromvorrich tung zur Begrenzung eines Ladestroms vorgeschlagen, aufwei send einen Gleichspannungskreis, Dioden, welche mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbindbar und mit dem Gleich spannungskreis verbunden sind, wobei der Ladestrom über die Dioden von dem elektrischen Versorgungsnetz in den Gleich spannungskreis leitbar ist, und eine Prozessoreinheit, einge richtet zur Ermittlung einer von einer Versorgungsspannung des elektrischen Versorgungsnetzes abhängigen Gleichspannung am Gleichspannungskreis, eingerichtet zur Bestimmung einer variablen Unterspannungsschwelle am Gleichspannungskreis und eingerichtet zur Aktivierung der Begrenzung des Ladestroms, wenn die Gleichspannung die variable Unterspannungsschwelle erreicht oder unterschreitet.

Die Ladestromvorrichtung ist dazu ausgebildet, die Schritte des Ladestromverfahrens auszuführen.

Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform der Lade stromvorrichtung ist die Prozessoreinheit zur Bildung einer Spannungsdifferenz zwischen der Gleichspannung und der vari ablen Unterspannungsschwelle eingerichtet, wobei die Span nungsdifferenz, unabhängig vom Wert der Gleichspannung, un- veränderbar bleibt oder wobei die Spannungsdifferenz, abhän gig vom Wert der Gleichspannung, veränderbar bleibt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Lade stromvorrichtung ist zur Begrenzung des Ladestroms eine elektrische Vorladung des Gleichspannungskreises mittels ei ner Vorladeeinheit und/oder eine Energieentnahmereduktion am Gleichspannungskreis mittels einer Abschalteinheit aktivier bar.

Vorladeeinheiten finden z.B. bei Frequenzumrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis und Zwischenkreiskondensator am Gleichspannungszwischenkreis Verwendung. Sobald nach Span nungswiederkehr der Ladestrom im Gleichspannungskreis zu fließen beginnt, kann dieser mittels durch die elektrische Vorladung mittels der Vorladeeinheit vorteilhaft begrenzt werden.

Die Energieentnahmereduktion zur Begrenzung des Ladestroms am Gleichspannungskreis kann vorteilhaft durchgeführt werden, indem elektrische Verbraucher vom Gleichspannungskreis ge trennt werden. Dazu ist beispielsweise eine elektrische Ma schine über einen Wechselrichter mit dem Gleichspannungskreis verbunden. Der Wechselrichter betreibt einerseits die elekt rische Maschine, ist aber andererseits auch als Abschaltein heit zur Energieentnahmereduktion am Gleichspannungskreis vorgesehen. In diesem Fall wird der Wechselrichter eine Bestromung der elektrischen Maschine aussetzen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Lade stromvorrichtung ist die Prozessoreinheit eingerichtet, die Bestimmung der variablen Unterspannungsschwelle in Abhängig keit einer Kapazität am Gleichspannungskreis und/oder in Ab hängigkeit einer Netzimpedanz am elektrischen Versorgungsnetz durchzuführen .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Lade stromvorrichtung ist die Prozessoreinheit eingerichtet, die Bestimmung der variablen Unterspannungsschwelle durchzufüh ren, wenn mittels einer Anstiegskontrollfunktion ermittelbar ist, dass die Gleichspannung über einen bestimmten Zeitbe reich ansteigt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Lade stromvorrichtung ist die Prozessoreinheit eingerichtet, zur Bestimmung der variablen Unterspannungsschwelle einen Modula tionsindex einer Reglung für schaltbare Halbleiter einer Brü ckenschaltung vorzusehen, wobei die Dioden jeweils als Rück wärtsdioden parallel mit den schaltbaren Halbleitern ver schaltet sind und wobei der Modulationsindex als Quotient aus der Versorgungsspannung des elektrischen Versorgungsnetzes und der Gleichspannung des Gleichspannungskreises ausgebildet ist.

Für die Lösung der Aufgabe wird ebenfalls ein elektrischer Umrichter mit der erfindungsgemäßen Ladestromvorrichtung vor geschlagen, wobei eine elektrische Maschine mit dem Gleich spannungskreis elektrisch verbindbar und über die Dioden und den Gleichspannungskreis am elektrischen Versorgungsnetz be treibbar ist.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

FIG 1 eine schematische Darstellung eines Struktogramms des erfindungsgemäßen Ladestromverfahrens,

FIG 2 eine erste schematische Darstellung eines Diagramms mit einer variablen Unterspannungsschwelle für das erfindungsgemäße Ladestromverfahren gemäß FIG 1, FIG 3 eine zweite schematische Darstellung eines Dia gramms mit einem Ausführungsbeispiel der variablen Unterspannungsschwelle nach FIG 2 für das erfin dungsgemäße Ladestromverfahren gemäß FIG 1,

FIG 4 eine dritte schematische Darstellung eines Dia gramms mit der variablen Unterspannungsschwelle nach FIG 2 oder FIG 3 zum Zeitpunkt eines Span nungsausfalls einer Gleichspannung an einem Gleich spannungskreis in Abhängigkeit eines Spannungsaus falls einer Versorgungsspannung eines Versorgungs netzes für das erfindungsgemäße Ladestromverfahren gemäß FIG 1 und

FIG 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä ßen elektrischen Umrichters mit einer erfindungsge mäßen Ladevorrichtung für das erfindungsgemäße La destromverfahren gemäß FIG 1.

Die FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Strukto- gramms des erfindungsgemäßen Ladestromverfahrens 1.

Das Ladestromverfahren 1 begrenzt einen Ladestrom I _L in einem Gleichspannungskreis, wobei der Ladestrom I _L über Dioden von einem elektrischen Versorgungsnetz in den Gleichspannungs kreis geleitet wird.

In einem ersten Schritt des Ladestromverfahrens 1 wird einen Ermittlung 5 einer von einer Versorgungsspannung U _v des elektrischen Versorgungsnetzes abhängigen Gleichspannung U _Dc am Gleichspannungskreis durchgeführt. Sowohl die Versorgungs spannung U _v am elektrischen Versorgungsnetz wie auch die Gleichspannung U _Dc am Gleichspannungskreis können dazu je weils gemessen aber auch aus weiteren elektrischen Größen er mittelt bzw. berechnet werden.

In einem weiteren Schritt erfolgt die Bestimmung 6 einer va riablen Unterspannungsschwelle 7 am Gleichspannungskreis. Zur Bestimmung 6 der variablen Unterspannungsschwelle 7 er folgt eine Bildung 9 einer Spannungsdifferenz AU zwischen der Gleichspannung U _D c und der variablen Unterspannungsschwelle

7.

Dazu kann die Spannungsdifferenz AU gebildet werden, indem diese, unabhängig vom Wert der Gleichspannung U _D cv unverän dert bleibt.

Die Spannungsdifferenz AU kann ebenfalls gebildet werden, in dem sich die Spannungsdifferenz AU abhängig vom Wert der Gleichspannung U _D c verändert.

Die Bestimmung 6 der variablen Unterspannungsschwelle 7 im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 kann sowohl in Abhängigkeit einer Kapazität C _G K am Gleichspannungskreis wie auch in Ab hängigkeit einer Netzimpedanz Z _N am elektrischen Versorgungs netz durchgeführt werden.

Die Bestimmung 6 der variablen Unterspannungsschwelle 7 wird nur dann durchgeführt, wenn die Gleichspannung U _D c über einen bestimmten Zeitbereich t _B ansteigt.

Auch kann die Bestimmung 6 der variablen Unterspannungs schwelle 7 mittels eines Modulationsindex M einer Reglung für schaltbare Halbleiter erfolgen. In diesem Fall sind die Dio den jeweils als Rückwärtsdioden parallel mit den schaltbaren Halbleitern einer Brückenschaltung verschaltet, wobei die Brückenschaltung dann beispielsweise in einer aktiven Ein speisung zwischen dem Versorgungsnetz und dem Gleichspan nungskreis im Gleichrichterbetrieb zum Einsatz kommen kann. Der Modulationsindex M ist dabei als Quotient aus der Versor gungsspannung U _v des elektrischen Versorgungsnetzes und der Gleichspannung U _D c des Gleichspannungskreises ausgebildet.

Die Aktivierung einer Begrenzung 8 des Ladestroms I _L beginnt dann, wenn die Gleichspannung U _D c die variable Unterspan- nungsschwelle 7 erreicht oder unterschreitet. Die Begrenzung 8 wird wirksam, wenn nach dem Spannungsabfall und der Span nungswiederkehr der Ladestrom im Gleichspannungskreis zu fließt.

Zur Begrenzung 8 des Ladestroms I _L ist in FIG 1 eine elektri sche Vorladung 10 des Gleichspannungskreises und eine Ener gieentnahmereduktion 11 am Gleichspannungskreis aktiviert.

Mit der FIG 2 wird eine erste schematische Darstellung eines Diagramms mit einer variablen Unterspannungsschwelle 7 für das erfindungsgemäße Ladestromverfahren 1 gemäß FIG 1 aufge zeigt.

Das Diagramm weist zwei Achsen auf, wobei die eine Achse mit einer Zeit t und die andere Achse mit einer Spannung U be zeichnet ist.

Einer auf der Achse der Spannung U als wellige Gleichspannung 20 aufgetragenen Gleichspannung U _Dc folgt im Abstand einer Spannungsdifferenz AU die variable Unterspannungsschwelle 7, welche als eine an die wellige Gleichspannung 20 angepasste variable Unterspannungsschwelle 22 ausgebildet ist.

Auf der Achse der Spannung U folgt der als wellige Gleich spannung 23 aufgetragenen Gleichspannung U _Dc im Abstand einer weiteren Spannungsdifferenz AU' die statische Unterspannungs schwelle 19, welche als eine an die wellige Gleichspannung 20 angepasste statische Unterspannungsschwelle 23 ausgebildet ist. Hier zeigt sich, dass die variable Unterspannungsschwel le 7 der als wellige Gleichspannung 20 ausgebildeten Gleich spannung U _Dc in einem engeren Abstand flexibel folgen kann, wobei die statische Unterspannungsschwelle 19 unverändert bleibt.

Zwischen einem ersten Zeitpunkt t _Pi und einem zweiten Zeit punkt tp2 ist ein Zeitbereich t _B aufgespannt. Der Zeitraum t _B wird dabei so gewählt, dass er kürzer ist als eine zu erwar- tende Schwankung der Versorgungspannung des Versorgungsnet zes. Als typischer Wert wird 10ms vorgeschlagen.

In FIG 3 wird eine zweite schematische Darstellung eines Dia gramms mit einem Ausführungsbeispiel der variablen Unterspan nungsschwelle 7 nach FIG 2 für das erfindungsgemäße Lade stromverfahren 1 gemäß FIG 1 gezeigt.

Das Diagramm weist analog zum Diagramm der FIG 2 zwei Achsen auf, wobei die eine Achse ebenfalls mit der Zeit t und die andere Achse mit der Spannung U bezeichnet ist und wobei zwi schen dem ersten Zeitpunkt t _Pi und einem zweiten Zeitpunkt t _P 2 wie in FIG 2 ein Zeitbereich t _B aufgespannt ist.

Einer auf der Achse der Spannung U als gemittelte Gleichspan nung 21 aufgetragenen Gleichspannung U _Dc folgt im Abstand der Spannungsdifferenz AU die variable Unterspannungsschwelle 7, welche als eine an die gemittelte Gleichspannung 20 angepass te variable Unterspannungsschwelle 24 ausgebildet ist.

Auf der Achse der Spannung U folgt der als gemittelte Gleich spannung 25 aufgetragenen Gleichspannung U _Dc im Abstand der weiteren Spannungsdifferenz AU' die statische Unterspannungs schwelle 19, welche als eine an die gemittelte Gleichspannung 21 angepasste statische Unterspannungsschwelle 25 ausgebildet ist. Auch hier in FIG 3 zeigt sich, dass die variable Unter spannungsschwelle 7 der als gemittelte Gleichspannung 21 aus gebildeten Gleichspannung U _Dc in einem engeren Abstand flexi bel folgen kann, wobei die statische Unterspannungsschwelle 19 unverändert bleibt.

Sowohl FIG 2 wie auch FIG 3 zeigen, dass die variable Unter spannungsschwelle 7 gegenüber der herkömmlichen statische Un terspannungsschwelle 19 deutlich höher und näher an der er mittelten Gleichspannung U _Dc liegt. Die Spannungsdifferent AU zwischen variabler Unterspannungsschwelle 7 und Gleichspan nung U _Dc ist demnach ebenfalls deutlich reduziert gegenüber der weiteren Spannungsdifferent AU'. Dadurch wird auch der nach dem Spannungsabfall und der Spannungswiederkehr einset zende Stromfluss des Ladestroms und somit der i ² t-Wert deut lich gegenüber der bekannten Lösung mit der statischen Unter spannungsschwelle 19 reduziert.

Die FIG 4 zeigt eine dritte schematische Darstellung eines Diagramms mit der variablen Unterspannungsschwelle 7 nach FIG 3 zum zweiten Zeitpunkt t _P 2 eines Spannungsausfalls einer Gleichspannung U _D c an einem Gleichspannungskreis für das er findungsgemäße Ladestromverfahren gemäß FIG 1.

Das Diagramm der FIG 4 ist analog dem Diagramm von FIG 3 zu verstehen. Jedoch erfolgt zum zweiten Zeitpunkt t _P 2 ein Span nungsabfall der Gleichspannung U _D cv getrieben von dem Span nungsabfall der Versorgungsspannung des Versorgungsnetzes, wobei die Gleichspannung U _D c die variable Unterspannungs schwelle 7 erreicht und unterschreitet.

Es wird in FIG 4 deutlich, dass wenn die variable Unterspan nungsschwelle 7 ab dem zweiten Zeitpunkt t _P 2 weiter aktuali siert werden würde, diese in einem gleichen Maß absinken wür de, wie die ermittelte Gleichspannung U _D c tatsächlich ab sinkt. Ein im Falle eines anstehenden Spannungsabfalls er wünschtes Erreichen und Unterschreiten der variablen Unter spannungsschwelle 7 wäre so kaum möglich.

Demnach muss die Unterspannungsschwelle 7 dann aktualisiert werden, wenn die ermittelte Gleichspannung U _D c über den Zeit bereich t _B steigt. Ein Ansteigen der ermittelten Gleichspan nung U _D c zur Bestimmung bzw. Aktualisierung der variablen Un terspannungsschwelle 7 über den bestimmten Zeitbereich t _B liegt dann vor, wenn eine Erhöhung der hier als gemittelte Gleichspannung 21 ausgebildeten Gleichspannung U _D c über den bestimmten Zeitbereich t _B eintritt.

Mittels der FIG 5 wird eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Umrichters mit einer erfin- dungsgemäßen Ladevorrichtung für das erfindungsgemäße Lade stromverfahren gemäß FIG 1 gezeigt.

Der elektrische Umrichter 17, hier auch näher dargestellt als Frequenzumrichter mit einem Gleichspannungskreis 2 - auch Gleichspannungszwischenkreis genannt - weist neben der Lade vorrichtung 13 einen passiven Gleichrichter 26 mit Dioden 3 auf, welche mittels dreier Brückenzweige einer Brückenschal tung mit dem Gleichspannungskreis 2 elektrisch verbunden sind. Der Gleichrichter 26 mit seinen Dioden 3 ist mit einem Versorgungsnetz 4, hier dreiphasig aufgezeigt, verbunden. An dem dreiphasigen Versorgungsnetz 4 liegt die Versorgungsspan nung U _v an. Das Versorgungsnetz 4 wird auch durch seine Net zinduktivität Z _N bestimmt.

Über hier einen Wechselrichter 27 ist eine elektrische Ma schine 18 mit dem Gleichspannungskreis 2 elektrisch verbun den. Mit dem Gleichspannungskreis 2 ist ferner eine Kapazität C _G K als hier Gleichspannungszwischenkreiskapazität verbunden. Am Gleichspannungskreis 2 liegt die Gleichspannung 2 an. Im Falle der Spannungswiederkehr nach einem Spannungsausfall fließt im Gleichspannungskreis 2 der Ladestrom I _L . Er kann begrenzt werden durch eine elektrische Vorladung mittels ei ner Vorladeeinheit 15 oder durch eine Energieentnahmeredukti on mittels einer Abschalteinrichtung 16 - hier dem Wechsel richter 27 - welche die elektrische Maschine 18 elektrisch vom Gleichspannungskreis 2 trennt.

Ferner kann mittels einer Prozessoreinheit 14 das erfindungs gemäße Ladeverfahren durchgeführt werden, wobei die Prozesso reinheit 14 eine Anstiegskontrolle 12 zur Anstiegs- oder Re duzierungsermittlung der Gleichspannung U _Dc aufweist.