DE2924729C2 - Schaltungsanordnung zum Schutz des Wechselrichters in einem Zwischenkreisumrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Zwischenkreisumrichter dieser Art ist aus der Zeitschrift ETZ-A, Band 96 (1975) Heft 11, Seiten 520 bis 523, bekannt. Dort ruft die Ausgangsspannung des Netzgleichrichters einen Gleichstrom hervor, der durch die Zwischenkreisinduktivität eingeprägt wird und der die Bezugsgröße für alle elektrischen Vorgänge im Umrichter bildet. Der Wechselrichter formt den Zwischenkreisstrom üblicherweise in 120°-Stromblöcke um und führt diese dem angeschlossenen Verbraucher, z. B. einer Asynchronmaschine zu. Durch die Wahl der Zündreihenfolge der Hauptthyristoren des Wechselrichters läßt sich in der Maschine ein rechts- bzw. linkslaufendes Drehfeld erzeugen. Die zum Betrieb des Wechselrichters erforderlichen Kommutierungsspannungen werden von den Kommutierungskondensatoren zur Phasenfolgelösung zur Verfügung gestellt.

Die Spannungsverläufe im Wechselrichter sind abhängig von der Höhe des Zwischenkreisstromes, der Maschinenspannung, der Umrichterfrequenz und dem Leistungsfaktor der angeschlossenen Maschine. Die Sperrspannung der Wechselrichterthyristoren wird von der Spannung der Kommutierungskondensatoren bestimmt An den Blockdioden addieren sich im Sperrzustand die Kondensatorspannung und die Klemmenspannung der Maschine. Ihre Sperrspannungsbelastung kann daher, abhängig vom Leistungsfaktor, bis zum doppelten Wert der Kondensator- bzw. Thyristor spannung ansteigen. Im Nennbetrieb bewegt sich die Kondensatorspannung z. B. bei einer Motorspannung von 380 V im Bereich um ±800 V, so daß im Wechselrichter und besonders an den Blockdioden betriebsmäßig schon relativ hohe Sperrspannungen auftreten, die im generatorischen Betrieb am höchsten sind. Im Störungsfall bilden sich dynamische Spannungsspitzen aus, die sich der betriebsmäßigen Spannung überlagern und unter Umständen die Sperrfähigkeit der Halbleiterventil.; überschreiten. Als Störungen beim Betrieb des Umrichters, die eine Gefährdung der Blockdioden zur Folge haben können, treten im wesentlichen der Ausfall des speisenden Netzes (1— 3phasige Unterbrechung) und das Auslösen der (netzseitigen) Umrichtersicherungen auf.

Fällt während des Betriebes die Speisespannung des Umrichters aus, so wird der Strom in dem Umrichter unterbrochen. An den Induktivitäten (Zwischenkreisinduktivität, Streuinduktivitäten bei einer angeschlossenen Asynchronmaschine) tritt als Folge der Stromänderung (—did/dt) eine Induktionsspannung auf. Diese Spannung fällt am Lichtbogen der Unterbrechungsstel-Ie ab, der die gespeicherte Energie der Induktivitäten aufzehrt, d. h. es findet eine starke Beanspruchung der Schaltkontakte statt Die in den Streuinduktivitäten induzierte Spannung tritt auch an den parallel dazu liegenden Bauelementen auf. Da die Halbleiter in Sperrichtung beansprucht werden, teilt sich die induzierte Spannung aufgrund der Kapazitätsverhältnissc im Stromkreis auf. Die Blockdioden nehmen wegen ihrer kleinen Bcschaltungskapazitäc fast C'.t gesamte Induktionsspannung auf. so daß die zulässige Sperrspannung überschritten werden kann. Diese Gefahr besteht besonders im generatorischen Betrieb mit einer Asynchronmaschine, da hier die betriebsmäßige Blockdiodenspannung aufgrund der Phasenlage der Motorspannung ohnehin schon sehr hoch ist.

Ein Störungsfall mit ähnlichen Voraussetzungen wie der Netzausfall ist die Auslösung der (netzseitigen) Umrichtersicherungen. Diese Störungsart ist für die Spannungsbelastung im Wechselrichter noch kritischer, da der Umrichter zum Zeitpunkt der Auslösung einen

so Strom führt, der ein Vielfaches des Nennstromes betragt Dies kann bei einer schlagartigen Belastung der Asynchronmaschine auftreten, bevor die Regler den Lastsprung ausregeln.
In der Siemens-Zeitschrift 37 (1963), Seite 660 bis 663 ist ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung beschrieben, bei dem die Spannung an den Löschthyristoren der Kommutierungsschaltung durch Begrenzungsthyristoren, denen Kommutierungsdrosseln vorgeschaltet sind, begrenzt wird. Die Begren- zungsthyristoren müssen vorhanden sein, weil sich sonst während des ungestörten Betriebes die Spannung der Kommutierungskondensatoren auf unzulässig hohe Werte aufschaukelt Die den Begrenzungsthyristoren notwendigerweise vorgeschaltete Kommutierungsdrossei kann Energie nur zwischenspeichern, um sie dann in die Last oder in den Zwischenkreiskondensator zu entladen. Die betriebsmäßig notwendige Begrcnzungsschaltung ist mithin wenig geeignet, Schaden bei den

weiter oben geschilderten außergewöhnlichen Störungsfällen abzuwenden.

Durch die DE-AS 15 13 518 ist eine Schutzschaltung bei einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom bekannt, bei der zur Vermeidung gefährlicher, betriebsmäßig von den Kommutierungskondensatoren herrührender Überspannungen an den Thyristoren des Wechselrichters an dessen Gleichstrom-Eingangsklemmen eine in Sperrichtung des Gleichstromes gepolte Oberbrückungsdiode (nach Art einer Freilaufdiode) vorgesehen ist. Eine derartige Überbrückungsdiode ist jedoch nur bei motorischem Betrieb der an den Wechselrichter angeschlossenen -Maschine einsetzbar, während die Überbrückungsdiode bei generatorischem Betrieb einen Kurzschluß herbeiführt Darüber hinaus bleibt bei einer netzseitigen Unterbrechung der Spannungsversorgung die in den Zwischenkreisinduktivitäten gespeicherte Energie für den Schutz unberücksichtigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Zerstörung der Halbleiterelemente beim Zusammenbruch der Netzspannung zu vermeiden.

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

Vorteilhafterweise wird die Zerstörung der Halbleiterelemente dadurch vermieden, daß der im Umrichter gespeicherten magnetischen Energie ein Ausgleichsstrompfad zur Verfügung gestellt wird. Aufgrund des Schutzstromkreises tritt bei Störungen an den Induktivitäten nur ein geringes — d/ydf auf, wodurch sich die Spannungsbelastung der Halbleiterelemente wesentlich verringert und die Gefahr einer Zerstörung ausgeschlossen werden kann. Gleichzeitig wird auch bei einer Auslösung der Umrichtersicherungen der Sicherungslichtbogen abgeschwächt

Eine Möglichkeit den Ausgleichsstrompfad zu bilden, bietet ein zusätzlicher Thyristor, der parallel zum Ausgang des Netz jleichrichters angeordnet ist Dieser Thyristor wird im Störungsfall angesteuert und übernimmt den Ausgleichsstrom der Umrichter-Induktivitäten.

Eine zweite Möglichkeit, den Ausgleichsstrompfad im Umrichter zu bilden, ist die gleichzeitige Ansteuerung von zwei Thyristoren des Netzgleichrichters.

Es ist vorteilhaft, in dem Stromkr-iis, der über den parallel zum Netzgleichrichter angeordneten Thyristor zugeschaltet wird, einen Strombegrenzungswiderstand anzuordnen, der die Amplitude des Ausgleichsstroms auf einen zuverlässigen Wet beschränkt und die gespeicherte Energie in Wärme umsetzt. Da der Widerstand nur im Störu.igsfall eingeschaltet wird, richtet sich seine Verlustleistung nur nach der im Ausgleichsstromkreis umgewandelten Energie, d. h. es kann ein Widerstand kleinerer Leistung eingesetzt werden.

Die Bemessung des Widerstandes R erfolgt nach der Formel:

Die Ausgangsspannung Uo des Netzgleichrichters ist durch die Sperrfähigkeit der Thyristoren des Netzgleichrichters gestimmt. Idmdx ist der maximale Zwischenkreisstrom, d^r noch kommutiert werden kann, ohne daß die höchs'zulässigc Sperrspannung der Wechselrichterihyristorc'i erreicht wird.

Wird der Ausgle»chsstrompfati über zwei Thyristoren des Nctzgleichrich'crs hergestellt, wird man in der Regel keinen Strombegrenzungswiderstand vorsehen. Aufgrund des fehlenden Widerstandes tritt bei dieser Schaltungsvariante im Störungsfall eine hohe Ausgleichsstromamplitude auf, die ein Vielfaches des Nenns stromes beträgt Es ist daher sehr wichtig, gleichzeitig zur Zündung der beiden Thyristoren eine Sperrung der Wechselrichterzündimpulse einzuleiten, um eine Kommutierung dieses hohen Stromes zu verhindern. Außerdem muß bei dieser Schaltung darauf geachtet werden,

ίο daß der Stoßstrom-Grenzwert der Thyristoren durch den Ausgleichsstrom nicht überschritten wird. Diese Schutzmaßnahme ist daher bei kleineren Leistungen angebracht
Zur optimalen Funktion der Schutzschaltung ist es notwendig, den Ausgleichsstrompfad so schnell wie möglich nach dem Auftreten einer Störung zu zünden, damit die Spannungs- und Lichtbogenbeanspruchung der Bauelemente gering bleibt.

Gleichzeitig zur Zündung des Thyristors bzw. der Thyristoren des Ausgleichsstrompfadc. srfolgt die Einleitung einer Zündimpulssperre für die Gleich- und Wechselrichterthyristoren sowie eine Reglersperre und eine Störungsmeldung, die den Umrichter abschaltet Die Sperrung der Zündimpulse des Wechselrichters unterbindet weitere Kommutierungen, so daß eine Kondensatorüberladung durch evtL zu hohen Zwischenkreisstrom und damit eine Gefährdung der Wechselrichterthyristoren vermieden wird. Um beim Ausfall nur einer Phase oder beim Wiederkehren eier Netzspannung einen Kurzschluß über den Wechselrichter zu verhindern, erfolgt auch eine Sperrung der Gleichrichterzündimpulse.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die z. T. vorstehend auch schon erläutert wurden, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der

Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert Die Zeichnungsfigur zeigt das Prinzipschaltbild eines

Umrichters, der durch den Netzgleichrichter Vl mit den steuerbaren Thyristoren VtI bis V16 durch den Gleichstromzwischenkreis mit der den Strom Id einprägenden Zwischenkreisinduktivität L und durch den Wechselrichter V2 gebildet ist Der Wechselrichter V2 weist die Hauptthyristoren V21 bis V26 auf. Zur Kommutierung in Phasenfolgelöschung sind über Blockdioden V27 bis V32 Kommutierungskondensatoren Cl bis C 6 zwischen die Wechselstromphasenausgänge des Wechselrichters V2 geschaltet. Von dem Wechselrichter V2 wird eine dreiphasige Asynchronmaschine Mmit den Streuinduktivitä'en La gespeist. Der Netzgleichrichter Vl ist über Umrichtersicherungen Fi bis F3 an das speisende Netz R, S, Tangeschlossen. Am Ausgang de;, über ein Netzschütz K abschaltbaren Netzgleichrichters Vl liegt die Zwischenkreisspannung Uo.

Der Ausgang des Netzgleichrichters V1 ist durch die Reihenschaltung eines Thyristors V3 mit einem Strombegrenzungswiderstand R überbrückt, so daß für die im Umrichter gespeicherte magnetische Energie über diese beiden Schaltelemente ein Ausgleichsstrompfad gebildet ist. Der Thyristor Vl wird von einer Einrichtung E mit Zündimpulsen beaufschlagt, sobald diese Einrichtung £ unzulässig hohe Spannungen an den Kommutierungskondensatoren Cl bis C6 feststellt. Diese Feststellung kann z. B. v< rteilhafterweise dadurch geschehen, daß über die Einrichtung £der ein- oder mehrphasige Ausfall des Netzes R, S, T und/oder das Auslösen der Umrichtersicherungen Fl bis F3 erfaßt werden.
Bei kleineren Umrichter-Leistungen empfiehlt es sich,

ansteile des Thyristors V3 mit dem Strombegrenzungswiderstand R zwei Thyristoren des Netzgleichrichters Vi, also z. B. die Thyristoren VIl und V12 zur Bildung des Ausgleichsstrompfades zu verwenden. Zu diesem Zweck werden — wie gestrichelt dargestellt — die Steuerelektroden dieser beiden Thyristoren VU und V12 zusätzlich zur Verbindung mit dem (nicht gezeigten) Zündsteuergerät des Netzgleichrichters mit der Einrichtung E verbunden. Die Thyristoren VIl und V12 werden dann von der Einrichtung E gezündet, to wenn eine Zerstörung der Halbleiter durch Überspannungen droht. Gleichzeitig erfolgt eine Sperrung der betriebsüblichen Zündimpulse für den Wechselrichter und den Netzgleichrichter.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines steuerbaren Wechselrichters in einem Umrichter, der einen Netzgleichrichter, einen Zwischenkreis mit eingeprägtem Gleichstrom und den Wechselrichter aufweist und bei dem jeweils zwischen die Wechselstromanschlüsse des Wechselrichters über Blockdioden Kommutierungskondensatoren angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Netzgleichrichters CVl) mittels eines oder mehrerer Thyristoren (V3; VIl, V 12) überbrückbar ist und die Steuerelektrode (n) des Thyristors (V3) bzw. der Thyristoren (VU, V12) mit einer Einrichtung (E) verbunden sind, die Zündimpulse beim Auftreten unzulässig hoher Spannungen an den Kommutierungskondensatoren (CX bis C 6) abgibt

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Thyristor (VS) ein Strombegrenzungswiderstand (R) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Zündung des Thyristors (V3) bzw. der Thyristoren (VM, V 12) die weiteren Zündimpulse für den steuerbaren Netzgleichrichter (V 1) und den Wechselrichter (V 2) gesperrt werden.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Zündung des Thyristors (V 3) bzw. der Thyristoren ("Vll, V12) eine Reglern; :rre und eine Störungsmeldung vorgesehen sind, durch die der Umrichter abgeschaltet wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten unzulässig hoher Spannungen an den Kommutierungskondensatoren C^l bis C6) durch eine Überwachungseinrichtung auf ein- oder mehrphasigen Ausfall des Netzes (R, S, T) oder auf Auslösen von Netzsicherungen C^l bis F3) des Umrichters erfaßt wird.