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Title:
PROTECTIVE CIRCUIT FOR AN INTERMEDIATE CIRCUIT OF AN INVERTER, PARTICULARLY A SOLAR INVERTER, AGAINST OVERVOLTAGES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/040613
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an input-side protective circuit (5) for protecting an intermediate circuit (2) of an inverter (1) against overvoltages. The protective circuit (5) comprises an upstream element (RV) for limiting the voltage of the intermediate circuit (2) which is connected upstream of the intermediate circuit (2) and which can be bypassed by means of a mechanical switching means (7) which can be controlled. The mechanical switching means (7) can be controlled in such a way that said mechanical switching means opens in the feed-in operation of the inverter (1) in the event of an intermediate circuit voltage (uZK) greater than a specified voltage limit (UG). According to the invention, the protective circuit (5) comprises an electronic voltage limiter (6) connected downstream of the upstream element (RV) and connected in parallel to the intermediate circuit (2).

Inventors:
SCHAUB UWE (DE)
SCHMITT WOLFGANG (DE)
WEIDAUER JENS (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/061614
Publication Date:
April 15, 2010
Filing Date:
September 08, 2009
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
SCHAUB UWE (DE)
SCHMITT WOLFGANG (DE)
WEIDAUER JENS (DE)
International Classes:
H02H7/122; H02M1/32
Foreign References:
JPH11312022A1999-11-09
US20080094867A12008-04-24
US20040090807A12004-05-13
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Eingangsseitige Schutzschaltung für einen Zwischenkreis

(2) eines Wechselrichters (1) gegen Überspannungen, wobei die Schutzschaltung ein dem Zwischenkreis (2) vorgeschaltetes und mittels eines ansteuerbaren mechanischen Schaltmittels (7) überbrückbares Vorschaltelement (RV) zur Spannungsbegrenzung des Zwischenkreises (2) aufweist und wobei das mechanische Schaltmittel (7) derart ansteuerbar ist, dass es im Einspei- sebetrieb des Wechselrichters (1) bei einer Zwischenkreis- spannung (uZK) größer als einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert (UG) öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung einen dem Vorschaltelement (RV) nachgeschalteten und parallel zum Zwischenkreis (2) geschalteten elektroni- sehen Spannungsbegrenzer (6) aufweist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Spannungsbegrenzer (6) im Wesentlichen nur zur Aufnahme der bis zum Öffnen des mechanischen Schalt- mittels (7) am Spannungsbegrenzer (6) abfallenden elektrischen Eingangsleistung thermisch ausgelegt ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Spannungsbegrenzer (6) eine Spannungserfassungseinheit (61) zur Erfassung der Zwischen- kreisspannung (uZK) , einen Vergleicher (62) zum Vergleichen eines aktuell erfassten Spannungsmesswertes (UM) mit einem dem Spannungsgrenzwert (UG) entsprechenden Vergleichsspannungswert (UV), ein dem Vergleicher (62) nachgeschaltetes an- steuerbares elektronisches Schaltelement (64) sowie eine parallel an den Zwischenkreis (2) geschaltete Reihenschaltung aus dem lastseitigen Teil des elektronischen Schaltelementes (64) und einem Begrenzungswiderstand (RB) aufweist.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher als Chopper (65) zur geregelt getakteten Ansteuerung des elektronischen Schaltelementes (64) ausgebildet ist.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Chopper (65) einen Pulsweitenmodulator (PWM) zur geregelt getakteten Ansteuerung des elektronischen Schaltelementes (64) mit einer konstanten Schaltfrequenz (f) aufweist.

6. Schutzschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorschaltelement (RV) ein Widerstand ist und dass das elektronische Schaltelement (64) ein Schalttransistor ist.

7. Schutzschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Schaltmittel (7) derart ansteuerbar ist, dass es im ausgeschalteten Zustand des Wechselrichters (1) geöffnet ist.

8. Wechselrichter mit einem eingangsseitigen Zwischenkreis

(2) zum Anschließen an eine regenerative Gleichspannungsquelle (3) und mit einem ausgangsseitigen Leistungsteil (4) zur Einspeisung in ein elektrisches Netz (N) , wobei der Wechsel- richter eine eingangsseitige Schutzschaltung (5) für den Zwischenkreis (2) zum Schutz gegen Überspannungen aufweist, wobei die Schutzschaltung (5) ein dem Zwischenkreis (2) vorgeschaltetes und mittels eines ansteuerbaren mechanischen Schaltmittels (7) überbrückbares Vorschaltelement (RV) zur Spannungsbegrenzung des Zwischenkreises (2) aufweist und wobei das mechanische Schaltmittel (7) über den Wechselrichter derart ansteuerbar ist, dass es im Einspeisebetrieb des Wechselrichters bei einer Zwischenkreisspannung (uZK) größer als einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert (UG) öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine Schutzschaltschaltung (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.

9. Wechselrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter ein Solarwechselrichter zum eingangsseitigen Anschließen an ein Solarmodul (3), an ein Solarfeld

(3) oder an eine Brennstoffzelle ist.

Description:
Beschreibung

Schutzschaltung für einen Zwischenkreis eines Wechselrichters, insbesondere eines Solarwechselrichters, gegen Über- Spannungen

Die Erfindung betrifft eine eingangsseitige Schutzschaltung für einen Zwischenkreis eines Wechselrichters gegen Überspannungen, wobei die Schutzschaltung ein dem Zwischenkreis vorgeschaltetes und mittels eines ansteuerbaren mechanischen Schaltmittels überbrückbares Vorschaltelement zur Spannungsbegrenzung des Zwischenkreises aufweist. Das mechanische Schaltmittel ist derart ansteuerbar, dass es im Einspeisebetrieb des Wechselrichters bei einer Zwischen- kreisspannung größer als einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert öffnet.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen Wechselrichter mit einem eingangsseitigen Zwischenkreis zum Anschließen an ei- ne regenerative Gleichspannungsquelle, mit einem ausgangs- seitigen Leistungsteil zur Einspeisung in ein elektrisches Netz und mit einer derartigen ansteuerbaren eingangsseitigen Schutzschaltung.

Regenerative Gleichspannungsquellen können z.B. Solarmodule oder ein Solarfeld mit einer Vielzahl derartiger Solarmodule sein. Sie können Brennstoffzellen oder auch Generatoren von Windkraftanlagen oder Biogasanlagen sein.

Die Einspeisung kann beispielsweise in ein 1-phasiges

50Hz/230V-Stromversorgungsnetz oder in ein 60Hz/120V-Strom- versorgungsnetz eines Energieversorgungsunternehmens erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Einspeisung in ein 3-phasiges 50Hz/400V-Stromversorgungsnetz . Weiterhin kann ein z.B. auf photovoltaischem Weg erzeugter elektrischer Strom auch mehreren Wechselrichtern zugeführt werden, welche dann die zugeführte Gleichspannung in eine Netzspannung umwandeln. Die z.B. von einem Solarfeld erzeugte Gleichspannung ist abhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung sowie insbesondere von dessen elektrischer Belastung. Im Leerlauf erreicht diese Feld- oder Ausgangsspannung des Solarfeldes ihr Maximum. Diese Spannung wird auch als LeerlaufSpannung bezeichnet. Bei Belastung, das heißt bei Einspeisung in das elektrische Netz über den Wechselrichter, sinkt diese Spannung ab. Vorzugsweise weist der Wechselrichter eine Steuereinheit auf, welche elektronische Halbleiterbauelemente im Leistungsteil des Wechselrichters derart ansteuert, dass die in das elektrische Netz eingespeiste Leistung maximal ist. Typischerweise führt die Steuereinheit hierzu ein sogenanntes Trackingprogramm aus, um fortlaufend den gleichfalls schwankenden maximalen Leistungspunkt (MPP für Maxi- mal Power Point) zu „suchen".

Ein Solarmodul bzw. ein Solarfeld als Gleichspannungsquelle weist bei Belastung eine elektrische Charakteristik auf, die eher der einer Stromquelle nahe kommt. Das heißt, dass der erzeugte Strom bei einer angenommenen gleichen Sonneneinstrahlung im Wesentlichen unabhängig von der Feld- bzw. Ausgangsspannung des Solarmoduls bzw. Solarfeldes ist, wobei dann die am Solarmodul bzw. am Solarfeld anliegende LeerlaufSpannung bei vergleichsweise geringer Belastung rasch abnimmt (siehe dazu FIG 2) . Die LeerlaufSpannung kann jedoch bei starker Sonneneinstrahlung die zulässige Betriebsspannung des Solarwechselrichters überschreiten.

Zur Vermeidung von unzulässig hohen Spannungen am Eingang des Zwischenkreises ist aus dem Patent Abstract of Japan zur JP 11312022 A eine eingangsseitige Schutzschaltung bekannt. Sie umfasst eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen als Spannungsteiler und drei ansteuerbaren mechanischen Schaltmitteln. Ist eine eingangsseitig anliegende Feldspan- nung kleiner als ein vorgegebener Spannungsgrenzwert, so werden die mechanischen Schaltmittel derart angesteuert, dass die Feldspannung direkt am Zwischenkreis anliegt. Die mechanischen Schaltmittel können Relais oder Schütze sein. Übersteigt die Zwischenkreisspannung den vorgegebenen Spannungsgrenzwert, so werden die Schaltmittel derart angesteuert, dass die Feldspannung an der Reihenschaltung und der Mittelabgriff mit einem spannungsgeteilten, reduzierten Spannungswert am Zwischenkreis anliegt.

Tritt jedoch im Wechselrichter ein Fehler auf und sperrt dieser nun die Ansteuerimpulse zur Ansteuerung der Halbleiterschalter im Wechselrichter-Leistungsteil, so erfolgt keine Regelung der anliegenden Feldspannung mehr. Durch die fehlende Netzeinspeisung und der folglich fehlenden Belastung der regenerativen Gleichspannungsquelle steigt die Feldspannung nun sprunghaft auf die LeerlaufSpannung an, wobei es hierzu eine typische Schaltzeit im Bereich von 100 bis 200 ms bedarf, bis letztendlich das mechanische Schaltmittel den überbrückten Widerstand zur Spannungsbegrenzung freigibt. Steigt jedoch die Feldspannung während dieser Zeit auf unzulässig hohe Spannungswerte jenseits des Spannungsgrenzwertes an, so werden der Wechselrichter und ins- besondere dessen überspannungsempfindlichen Halbleiterschalter binnen kürzester Zeit zerstört. Dies ist insbesondere bei einem einspeisenden Solarfeld bei hoher Sonneneinstrahlung der Fall.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schutzschaltung für einen Wechselrichter anzugeben.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen geeigneten Wechselrichter mit einer derartigen Schutzschaltung anzugeben .

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Im Anspruch 8 ist ein geeigneter Wechselrichter genannt. Im Anspruch 9 eine vorteilhafte Ausführungsform des Wechselrichters angegeben. Erfindungsgemäß weist die Schutzschaltung einen dem Vor- schaltelement nachgeschalteten und parallel zum Zwischenkreis geschalteten elektronischen Spannungsbegrenzer auf.

Dadurch ist eine im Vergleich zu mechanischen Schaltelementen nahezu verzögerungsfreie Begrenzung der am Zwischenkreis anliegenden Spannung auf ein „halbleiterverträgliches" Spannungsniveau möglich. Die überspannungsempfindlichen Halbleiterschalter des Wechselrichters, wie z.B. IGBT oder MOSFET (IGBT für Insulated-Gate Bipolar Transistor, MOSFET für Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) , werden wirksam geschützt .

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist der elektronische Spannungsbegrenzer im

Wesentlichen nur zur Aufnahme der bis zum Öffnen des mechanischen Schaltmittels am Spannungsbegrenzer abfallenden elektrischen Eingangsleistung thermisch ausgelegt. Dadurch kann der elektronische Spannungsbegrenzer äußerst kompakt ausge- legt sein. Hierbei ist zu bedenken, dass die während der

Schaltzeit des mechanischen Schaltmittels am Spannungsbegrenzer abfallende elektrische Leistung um mehrere Größenordnungen über der an den Widerständen der Reihenschaltung abfallenden elektrischen Leistung liegt. Die zur Spannungsbegren- zung vorgesehenen Widerstände sind dabei typischerweise thermisch für den zeitlich unbegrenzten Fall ausgelegt.

Einer weiteren Ausführungsform zufolge weist der elektronische Spannungsbegrenzer eine Spannungserfassungseinheit zur Erfassung der Zwischenkreisspannung, einen Vergleicher zum Vergleichen eines aktuell erfassten Spannungsmesswertes mit einem dem Spannungsgrenzwert entsprechenden Vergleichsspannungswert, ein dem Vergleicher nachgeschaltetes ansteuerbares elektronisches Schaltelement sowie eine parallel an den Zwi- schenkreis geschaltete Reihenschaltung aus dem lastseitigen Teil des elektronischen Schaltelementes und einem Begrenzungswiderstand auf. Dadurch ist ein von der Steuerung des Wechselrichters unabhängiger Betrieb der erfindungsgemäßen Schutzschaltung möglich.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vergleicher als Chopper zur geregelt getakteten Ansteuerung des elektronischen Schaltelementes ausgebildet. Der besondere Vorteil ist, dass nur eine vergleichsweise geringe Verlustleistung am Schaltelement abfällt, während der mit Abstand größte Teil der elektrischen Leistung am Vorschaltelement zur Spannungs- begrenzung abfällt. Letzteres ist vorzugsweise ein Widerstand, wie z.B. ein Leistungswiderstand. Das elektronische Schaltelement ist üblicherweise ein Transistor.

Weiterhin kann der Chopper einen Pulsweitenmodulator zur ge- regelt getakteten Ansteuerung des elektronischen Schaltelementes mit einer konstanten Schaltfrequenz aufweisen. Dadurch weist der elektronische Spannungsbegrenzer einen in schaltungstechnischer Hinsicht besonders einfachen Aufbau auf.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist das mechanische

Schaltmittel derart ansteuerbar, dass es im ausgeschalteten Zustand des Wechselrichters geöffnet ist. Dadurch ist die eingangsseitige Spannungsbegrenzung auch bei ausgeschaltetem Wechselrichter aktiv.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch einen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung gelöst. Vorzugsweise sind sämtliche Bauelemente für die Schutzschaltung auf dem Schaltungsträger der Steuerung für den Wechsel- richter integriert.

Bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter handelt es sich vorzugsweise um einen Solarwechselrichter zum eingangsseitigen Anschließen an ein Solarmodul oder an ein Solarfeld. Der Wechselrichter kann alternativ auch an eine Brennstoffzelle angeschlossen sein. Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen

FIG 1 beispielhaft einen Wechselrichter mit einer eingangs- seitigen Schutzschaltung nach dem Stand der Technik zum Schutz des Zwischenkreises des Wechselrichters vor Überspannungen,

FIG 2 beispielhaft eine Strom-/Spannungskennlinie eines So- larmoduls als Beispiel für eine regenerative Gleichspannungsquelle,

FIG 3 beispielhaft einen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung nach einer ersten Ausführungsform und FIG 4 beispielhaft einen weiteren Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung nach einer zweiten Ausführungsform.

FIG 1 zeigt beispielhaft einen Wechselrichter 1 mit einer eingangsseitigen Schutzschaltung 5' nach dem Stand der Technik zum Schutz des Zwischenkreises 2 des Wechselrichters 1 vor Überspannungen. Im Beispiel der FIG 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein an sich bekannter Wechselrichter bezeichnet. Er weist eingangsseitig einen Spannungszwischenkreis 2 auf, be- stehend aus einem Zwischenkreiskondensator 8 und einem parallel dazu geschalteten Zwischenkreiswiderstand RS. Letzterer kann z.B. ein diskretes Bauelement sein. Der Zwischenkreiswiderstand RS kann auch ein Entladewiderstand für einen Berührungsschutz sein. Weiterhin ist der Zwischenkreis 2 zum An- schließen an eine regenerative Gleichspannungsquelle 3, wie z.B. an ein Solarfeld, vorgesehen. Dem Zwischenkreis 2 ist ausgangsseitig ein Leistungsteil 4 zur Einspeisung in ein elektrisches Netz N nachgeschaltet. Der Leistungsteil 4 wandelt eine anliegende Zwischenkreisgleichspannung uZK in eine ausgangsseitige Wechselspannung um. Im Beispiel der FIG 1 stellt der gezeigte Wechselrichter 1 eine dreiphasige Netzspannung an drei Ausgangsklemmen 11 zur Verfügung. Dem Zwischenkreis 2 ist eine eingangsseitige Schutzschaltung 5' zum Schutz gegen Überspannungen vorgeschaltet. Sie weist beispielhaft ein ansteuerbares mechanisches Schaltmittels 7 auf, welches einen Widerstand als Vorschaltelement RV zur Spannungsbegrenzung des Zwischenkreises 2 überbrücken kann. Das mechanische Schaltmittel 7 wird derart angesteuert, dass es im Einspeisebetrieb des Wechselrichters 1 bei einer Zwi- schenkreisspannung uZK größer als einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert öffnet. Vorzugsweise ist dieses mechanische Schaltmittel 7 ein elektrisch ansteuerbares Relais oder

Schütz. Die gestrichelte Linie 15 symbolisiert die Ansteuer- barkeit des Schaltmittels 7 wie z.B. über eine elektronische Steuereinheit des Wechselrichters 1 oder über ein Überspan- nungs- bzw. Unterspannungsrelais.

FIG 1 zeigt den Wechselrichter 1 im ausgeschalteten Zustand. Das mechanische Schaltmittel 7 bzw. der Schließerkontakt des gezeigten Relais ist in diesem energielosen Zustand geöffnet. Mit uF ist eine Feld- oder Ausgangsspannung des Solarfeldes 3 bezeichnet, die an Eingangsklemmen 10 des Wechselrichters 1 anliegt. Mit i ist ein Strom bezeichnet, der unter anderem durch den gezeigten Vorwiderstand RV fließt und an diesem einen Spannungsabfall uR bewirkt. Um diese Spannung uR ist die Zwischenkreisspannung uZK im Vergleich zur Feldspannung uF reduziert. Der Widerstandswert des Vorwiderstandes RV ist so bemessen, dass bei einer maximalen Ausgangsspannung der regenerativen Gleichspannungsquelle ein ausreichender Spannungsabfall erzielt wird. Das mechanische Schaltmittel 7 ist weiterhin derart ansteuerbar, dass es im Einspeise- oder Rück- speisebetrieb des Wechselrichters 1 bei einer Zwischenkreisspannung uZK kleiner als einem vorgebbaren Spannungsgrenzwert schließt. Dies ist dann der Fall, wenn die Zwischenkreisspannung uZK durch die Belastung des Zwischenkreises 2 soweit abgesunken ist, dass ein sicherer Betrieb des Leistungsteils 4 ohne eine Gefahr der Zerstörung der Halbleiterschalter möglich ist. Der vorgebbare Spannungsgrenzwert kann z.B. auf einen Spannungsgrenzwert von 500V festgelegt werden, wenn die maximal zu erwartende Ausgangsspannung der Gleichspannungs- quelle 3, wie z.B. die eines Solarfeldes 3, ca. 1000V beträgt .

FIG 2 zeigt beispielhaft eine Strom-/Spannungskennlinie 20 eines Solarmoduls als Beispiel für eine regenerative Gleichspannungsquelle. Wie die FIG 2 zeigt, ist der durch das Solarmodul erzeugte elektrische Strom i über weite Feldspannungen uF hinweg nahezu konstant. Je nach einstellbarem Belastungsgrad des Solarmoduls kann durch den Leistungsteil des Wechselrichters prinzipiell jeder Punkt auf der Kennlinie 20 durchfahren werden. Im Leerlauf des Solarmoduls liegt dann die maximale Feldspannung UL am Solarmodul an, während sich im Kurzschlussfall des Strommoduls ein Kurzschlussstrom IK einstellt. Mit MPP ist ein maximaler Leistungspunkt der Kenn- linie 20 bezeichnet, an dem eine maximale Netzrückspeisung möglicht ist. Mit UP ist die zugehörige Feldspannung bezeichnet. Wie die FIG 2 weiter zeigt, nimmt die Feldspannung uF bei einer Belastung des Solarmoduls relativ schnell ab. So genügt bereits eine vergleichsweise geringe Belastung, um die Feldspannung uF von der maximalen LeerlaufSpannung UL auf eine vorgebbare beispielhafte Grenzspannung UG absinken zulassen, unterhalb derer ein sicherer Betrieb von Halbleiterschaltern möglich ist.

FIG 3 zeigt beispielhaft einen Wechselrichter 1 mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 5 nach einer ersten Ausführungsform. Vorzugsweise ist diese Schutzschaltung 5, wie in FIG 3 gezeigt, bereits im Wechselrichter 1 integriert. Erfindungsgemäß weist die Schutzschaltung 5 einen dem als Wider- stand ausgeführten Vorschaltelement RV nachgeschalteten und parallel zum Zwischenkreis 2 geschalteten elektronischen Spannungsbegrenzer 6 auf. Letzterer ist vorzugsweise nur zur Aufnahme der bis zum Öffnen des mechanischen Schaltmittels 7 am Spannungsbegrenzer 6 abfallenden elektrischen Eingangs- leistung thermisch ausgelegt, das heißt für einen typischen Zeitraum von ca. 100 bis 200 ms. Je nach Ausführung des mechanischen Schaltmittels 7, wie z.B. als Trennschütz oder DC- Schütz, kann die thermisch zu überbrückende Zeit entsprechend der Schaltzeit zum Öffnen des mechanischen Schaltmittels 7 auch darunter liegen, wie z.B. bei ca. 50 ms, oder darüber liegen, wie z.B. bei 500 ms.

Im Beispiel der vorliegenden FIG 3 weist der elektronische Spannungsbegrenzer 6 eine Spannungserfassungseinheit 61 zur Erfassung der Zwischenkreisspannung uZK und einen Vergleicher 62 bzw. Komparator zum Vergleichen eines aktuell erfassten Spannungsmesswertes UM mit einem dem Spannungsgrenzwert UG entsprechenden Vergleichsspannungswert UV auf. Weiterhin weist der Spannungsbegrenzer 6 ein dem Vergleicher 62 nachgeschaltetes ansteuerbares elektronisches Schaltelement 64 sowie eine parallel an den Zwischenkreis 2 geschaltete Reihenschaltung aus dem lastseitigen Teil des elektronischen Schaltelementes 64 in Form eines Transistors und einem Begrenzungswiderstand RB auf. Mit dem Bezugszeichen 63 ist eine Referenzspannungsquelle bezeichnet, welche einen dem Vergleichsspannungswert UV korrespondierende Spannung bereitstellt.

Tritt nun z.B. im Leistungsteil 4 des Wechselrichters 1 ein Fehler auf, so sperrt dieser die Ansteuerimpulse zur Ansteuerung der nicht weiter gezeigten Halbleiterschalter. Als Folge davon steigt die Zwischenkreisspannung uZK innerhalb von we- nigen Millisekunden sprunghaft auf die LeerlaufSpannung UL an, da aufgrund der fehlenden Netzeinspeisung eine elektrische Belastung der regenerativen Gleichspannungsquelle 3 am Eingang des Wechselrichters 1 nicht mehr möglich ist. Erfindungsgemäß begrenzt nun der autark arbeitende elektrische Spannungsbegrenzer 6 den Spannungsanstieg im Vergleich zu einer Schutzschaltung nach dem Stand der Technik sofort auf den vorgegebenen, maximal zulässigen Spannungsgrenzwert UG. Nach Ablauf einer im Vergleich dazu viel längeren Schaltzeit öffnet dann letztendlich das mechanische Schaltmittel 7, um die Überbrückung des Vorschaltelementes bzw. Vorwiderstandes RV zur Spannungsbegrenzung des Zwischenkreises 2 aufzuheben. FIG 4 zeigt beispielhaft einen weiteren Wechselrichter 1 mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 5 nach einer zweiten Ausführungsform.

Der gezeigte Wechselrichter 1 unterscheidet sich von dem

Wechselrichter 1 gemäß FIG 3 dadurch, dass der Zwischenkreis 2 eine Reihenschaltung aus zwei Zwischenkreiskondensatoren 8 aufweist. Es ist jeweils ein Zwischenkreiswiderstand RS parallel zu den Zwischenkreiskondensatoren 8 geschaltet. Ein derartiger Aufbau eines Zwischenkreises 2 ist häufig bei Industrieumrichtern zu finden. Die beiden Widerstände RS weisen typischerweise einen gleichen Widerstandswert auf, wie z.B. einen Ohmwert im Bereich von 5 bis 10 kΩ. Vorzugsweise weisen die beiden beispielhaft eingangsseitig in Reihe geschal- teten Vorwiderstände RV einen in etwa gleichen Widerstandswert auf wie die beiden Zwischenkreiswiderstände RS.

Die gezeigte Schutzschaltung 5 weist beispielhaft einen DC- Schütz 71 sowie einen Trennschütz 72 als ansteuerbare, mecha- nische Schaltelemente 7 auf. Mit dem Bezugszeichen 73 ist jeweils eine Erregerspule bezeichnet. Weiterhin sind mit dem Bezugszeichen 74, 75 ein jeweils zum DC-Schütz 71 bzw. zum Trennschütz 72 gehörender Schaltkontakt bezeichnet. Die beiden Schütze 71, 72 werden vorzugsweise von einer nicht weiter gezeigten Steuereinheit des Wechselrichters 1 angesteuert.

Für den Fall, dass der Wechselrichter 1 von der regenerativen Spannungsquelle 3 freigeschaltet werden soll, das heißt getrennt werden soll, werden beide Schütze 71, 72 öffnend ange- steuert. Im Einspeisebetrieb werden dagegen der DC-Schütz 71 schließend und der Trennschütz 72 öffnend angesteuert. In diesem Fall liegt die Feldspannung uF direkt am Zwischenkreis 2 an. Für den Fall, dass die Zwischenkreisspannung uZK den vorgegebenen, maximal zulässigen Spannungsgrenzwert über- schreitet, werden der DC-Schütz 71 öffnend und der Trennschütz 72 schließend zur eingangsseitigen Spannungsbegrenzung angesteuert . Im vorliegenden Beispiel ist der Vergleicher bzw. der Kompa- rator als Chopper 65 zur geregelt getakteten Ansteuerung des elektronischen Schaltelementes 64 ausgebildet. Das elektronische Schaltelement 64 ist vorzugsweise ein für den Schaltbe- trieb ausgelegter Schalttransistor, wie z.B. ein IGBT. In diesem Fall fällt die kurzzeitig aufzunehmende elektrische Leistung nahezu ausschließlich an dem technisch dazu vorgesehenen Bauelement in Form eines Begrenzungswiderstandes RB ab. Dabei weist dieser Begrenzungswiderstand RB einen im Ver- gleich zu den Vorwiderständen RV und zu den Zwischenkreiswi- derständen RS um zwei bis vier Größenordnungen darunterliegenden Widerstandswert auf. Im vorliegenden Beispiel würde der Begrenzungswiderstand einen Widerstandswert im Bereich von 10 bis 100 Ω aufweisen. Dies bedeutet aber auch, dass an diesem im Vergleich zu den Vorwiderständen RV und zu den Zwi- schenkreiswiderständen RS eine um die zwei bis vier Größenordnungen darüberliegende elektrische Leistung abfällt. Da diese Leistung jedoch nur für einen Bruchteil einer Sekunde anliegt, kann der Begrenzungswiderstand RB eine Baugröße auf- weisen, die im Vergleich zu einem Begrenzungswiderstand für eine dauerhafte Aufnahme dieser elektrischen Leistung drastisch kleiner ist.

Weiterhin weist der Chopper 65 einen Pulsweitenmodulator PWM zur geregelt getakteten Ansteuerung des elektronischen

Schaltelementes 64 mit einer konstanten Schaltfrequenz f auf. Durch die pulsweitenmodulierte Ansteuerung ist ein besonders einfacher schaltungstechnischer Aufbau des elektronischen Spannungsbegrenzers 6 möglich. Die Schaltfrequenz f liegt ty- pischerweise im Bereich von 10 kHz. Diese ermöglicht einen besonders schnellen regelungstechnischen Eingriff zur Begrenzung der am Zwischenkreis 2 anliegenden Zwischenkreisspannung uZK auf halbleiterverträgliche Spannungswerte.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und ande- re Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Zusammenfassend wird eine eingangsseitige Schutzschaltung 5 zum Schutz eines Zwischenkreises 2 eines Wechselrichters 1 gegen Überspannungen vorgeschlagen. Die Schutzschaltung 5 weist ein dem Zwischenkreis 2 vorgeschaltetes und mittels eines ansteuerbaren mechanischen Schaltmittels 7 überbrückbares Vorschaltelement RV zur Spannungsbegrenzung des Zwischenkrei- ses 2 auf. Das mechanische Schaltmittel 7 ist derart ansteuerbar, dass es im Einspeisebetrieb des Wechselrichters 1 bei einer Zwischenkreisspannung uZK größer als einem vorgegebenen Spannungsgrenzwert UG öffnet. Erfindungsgemäß weist die Schutzschaltung 5 einen dem Vorschaltelement RV nachgeschal- teten und parallel zum Zwischenkreis 2 geschalteten elektronischen Spannungsbegrenzer 6 auf.