DD142832A3

DD142832A3 - Ueberspannungsschutzeinrichtung fuer netzgeloeschte stromrichter

Info

Publication number: DD142832A3
Application number: DD20449678A
Authority: DD
Inventors: Gerd Uhlenhut
Original assignee: Gerd Uhlenhut
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1980-07-16
Also published as: SU1035719A1; BG35586A1; CS217408B1

Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Einrichtung zum Schutz gegen Überspannungen, die durch Schalthandlungen in netzgelöschten Stromrichtern entstehen, welche mit nichtlinearen Schutzelementen und einem Entregerkreis ausgestattet sind und Verbraucher mit großer Induktivität, wie z.B. Gleichstrommaschinen, speisen. Es sollen unerwünschte Beeinträchtigungen der Betriebssicherheit beim Überspannungsschutz vermieden und ein wirkungsvoller Überspannungsschutz unter den Bedingungen des realen .Stromrichterbetriebes geschaffen werden. Zur Vermeidung des Eintretens des nichtleitenden Zustandes des stromführenden Entregerventils durch einen von einem Schwingeffekt hervorgerufenen negativen Tniordenspannungsirapulses ist im Entregerkreis eine Dämpfungsdrossel eingefügt, Die· Überspannungsschutzeinrichtung ist mit einer Informationsverarbeitung ausgestattet, welche in Abhängigkeit von der Höhe, Art und Dauer der Überspannung den Entregerkreis anregt bzw. den Stromrichter vom Netz abschaltet« ~ Pig.3 -

Description

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Titel der Erfindung

Übe'rspannungsschutzeinrichtung für netzgelöschte Stromrichter

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz von Stromrichtern, die Verbraucher mit großer Induktivität speisen, gegen Überspannungen, die durch Schalthandlungen entstehen. In Verbrauchern hoher Induktivität (> 1H), z.B. den Feldern von Gleichstrommaschinen wird eine Energie von 1CrJ bis 1CrJ gespeichert. Bei Abschaltung, d.ho Unterbrechung des Stromkreises, wird diese hohe Energie als Wärmeenergie umgesetzt. Dieses geschieht in Form eines. Lichtbogens über der Schaltstelle, wobei weiterhin am Verbraucher eine so hohe Spannung entsteht, daß die elektronischen Bauelemente des Stromrichters zerstört werden.

Charakteristik, der bekannten technischen Lösungen

Zur Vermeidung dieser destruktiven Effekte ist es erforderlich, dem Verbraucherstrom im Augenblick der Abschaltung einen Weg über Schaltungselemente derart zu eröffnen, daß der Energieumsatz ohne Bildung einer gefährlichen Überspannung vollzogen wird. An einer

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-repräsentativen Schaltung (Fig.1) eines Stromrichters mit den Ventilen V in vollgesteuerter Drehstrombrückenschal tung sollen die derzeit bekannten Maßnahmen und ihre Mangel erläutert v/erden. Die Schaltstrecken S sinddie in bzw. vor einem Stromrichter angeordneten Schalter bzw ο Sicherungen, welche in beliebiger Kombination achalten können. Insbesondere repräsentieren die Schalter S1 Schaltgeräte wie z.B. Schütze in den Stromrich-' terzuleitungen R, S, T, während die Schalter S2 vorwiegend Zweigsicherungen darstellen. Der Verbraucher ist durch die .Reihenschaltung von R und L dargestellt.

Die Anordnung eines Nullventils V^ (Diode) parallel zum Verbraucher 1 führt zur Spannung nahe Null über den Verbraucher 1. Es wird aber das Betriebsverhalten des Stromrichters beeinflußt, indem kein Wechselrichterbetrieb (Abmagnetisierung von L mit negativer Spannung am Verbraucher) mehr möglich ist. Die antiparallele Anordnung eines zweiten Stromrichters (Umkehrbetrieb) ist nicht möglich, weil das Nullventil V^ für. diesen " einen Kurzschluß darstellt.

Die Anordnung eines Parallelwiderstandes Rp führt zu Überspannungen in zulässigen Grenzen, wenn der Wert des Parallelwiderstandes Rp auf etwa den 3 - bis 4-fachen Wert des Verbraucherwiderstandes R begrenzt wird. Durch die Verlustleistung- des Parallelwiderstandes Rp wird jedoch der Wirkungsgrad der gesamten Einrichtung um 25 % bis 30 % herabgesetzt. Weiterhin wird das dynamiache Verhalten (Strom i-r als Punktion der Zeit) erheblich negativ beeinflußt.

Die Anordnung eines nichtlinearen Elementes Rp führt entsprechend der U-I-Kennlinie der zur Verfugung stehenden Bauelemente (Varistoren, Selenbegrenzer) zur Überspannung in gerade noch zulässiger Höhe» Auch ist die Verlustleistung bei normalem Betrieb

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(Nennspannung am Element) sehr gering. Diese Elemente können Jedoch nur einen Bruchteil der im Verbraucher gespeicherten Energie umaetzen und müssen nach kurzer Stromführungszeit entlastet w;erden_e

Die Anordnung eines gesteuerten Nullventils Vj, (Thyristor) ist eine häufig angewandte Maßnahme zur Spannungsbegrenzung. Bei Überschreitung einer bestimmten Überspannung beim Abschalten wird der Thyristor Vjt gezündet und wirkt als Nullventil. Es werden-auch in Stromrichtern, die die Schalter S2 nicht enthalten (Stromrichter mit Strangsicherungen) mindestens die Thyristoren V3 (Pig.1) mittels einer Zündeinrichtung gemäß Zündung V^ als gesteuerte Nullventile betrieben (DT-AS 1 283 358). Die Anordnung gesteuerter Nullventile besitzt aber unter den Bedingungen des realen Stromrichterbetriebes einige Mängel, die die Betriebssicherheit in Präge stellen. Unter realem Betrieb ist in Ergänzung zur Anordnung gemäß Pig.1 zu verstehen, daß der Stromrichter Kondensatoren enthält, die der Bedämpfung des sogenannten Trägerstaueffektes und die der Punkentstörung dienen, und daß weiterhin an den Eingangsklemmen des Stromrichters die die Zündimpulse erzeugende Steuereinrichtung angeschlossen ist. An einem zweipulsigen Stromrichter (Pig.2) mit einem Kondensator C am Eingang als Ersatzgröße für die genannten Kondensatoren im Stromrichter sollen die auftretenden nachteiligen Erscheinungen erläutert werden. Am Eingang des Stromrichters ist ein nichtlineares Element R , welches den Stromrichter vorzugsweise gegen aus dem Netz kommende Überspannungen schützt, angeordnet. Zum Zeitpunkt der Abschaltung durch die S.chaltstrecke SI sollen die Ventile V1.1 und V2.2 des Stromrichters leitend sein. Der Strom i_T wird vom nichtlinearen Element R übernommen und der Kondensator C

wird auf die an R_n abfallende Überspannung aufgeladen (u_c in Pfeilrichtung). Das gesteuerte Nullventil V^ wird gezündet, und zwar mit Verzögerung, die' notwendig ist damit keine Zündung während des normalen Betriebes durch Überspannungen aus dem Netz erfolgt. Mit Zündung des gesteuerten Nullventils V^ werden die Stromrichterventile V1.1 und V2.2 nichtleitend, die Steuereinrichtung 2 wird aus dem Kondensator G versorgt und zündet die Stromrichterventile V2.1 und 1.2, wodurch das Nullventil Y„ durch einen negativen Anodenspan- ' ' nungsimpuls (ug in Pfeilrichtung) nichtleitend wird. Der Strom JL. fließt jetzt in umgekehrter Richtung durch das nichtlineare Element R und der Kondensator C wird umgeladen, und sofern die Überspannungserfassung 3 dynamisch in der Lage ist das Nullventil V^ zu zünden v/iederholt sich der Vorgang. Wird das Nullventil V« nicht gezündet, so fließt der Strom i_T dauernd, nur in

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wechselnder Richtung, durch das nichtlineare Element R Die netzgelöschte Schaltung des Stromrichters arbeitet also bei Abschaltung durch die Schaltstrecke S1 als selbstgelöschter Wechselrichter unter Energielieferung aus. der Induktivität L des Verbrauchers 1 weiter, wobei das nichtlineare Element R hinsichtlich des Energieumsatzes überfordert wird und die Steuereinrichtung 2 über eine unzulässig lange Zeit Überspannung erhält. Dieser Schwingeffekt führt bei einer Drehstrombrückenschaltung noch zu weiteren nachteiligen Erscheinungen. Bei Ausfall einer Netzzuleitung (Schaltung einer der Schalter S1 in Fig.1) kann der Stromrichter unter den Bedingungen des Schwingbetriebes über die restlichen Netzzuleitungen noch Belastungsstrom liefern und die Amplitude der Überspannung ist auf der Netzseite des Stromrichters höher als auf der Ausgan^sseite. Ein weiterer Nachteil ist, daß durch Zündung des gesteuerten Nullventils Vjj_ durch aus dem Netz kommende

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Überspannungen insbesondere bei antiparalleler Anordnung eines zweiten Stromrichters ein Kurzschlußkreis über das Nullventil V« entsteht. Es ist üblich, zur Begrenzung des Stromes in Reihe mit dem Nullventil V_n einen Widerstand zu schalten und die Bildung der Zündimpulse in der Steuereinrichtung zu unterdrücken. Die letztere Maßnahme bedeutet jedoch eine Betriebsstörung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die durch die bekannten Maßnahmen zum Überspannungsschutz hervorgerufenen unerwünschten Beeinträchtigungen der Betriebssicherheit des Stromrichters abzuwenden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

- Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter den Bedingungen des realen Stromrichterbetriebes eine wirkungsvolle, Betriebsstörungen vermeidende, Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz von hochinduktive Verbraucher speisende net.zgelöschte Stromrichter zu schaffen, die durch Schalthandlungen an den den Stromrichtern zugeordneten Schaltstrecken hervorgerufen werden.

- Merkmale der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch-gelöst, daß in einem an sich bekannten Entregerkreis, bestehend aus der Reihenanordnung eines Begrenzungswiderstandes

und einer Entregerventilanordnung.eine nichtlineare Entregerkreisdämpfungsdroasel mit hoher Anfangsindukiivität in Reihe geschaltet ist und die Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Informationsverarbeitung, bestehend aus einem Impulsgenerator, einem Steuerviinkelsteller und einer Wirkdauermeßeinrichtung, kombiniert ist· Der Impulsgenerator weist je einen Eingang zur netz- und gleichstromseitigen Spannungserfassung auf und Signalausgänge^welche gleichzeitig auf den Impulsverstärker zur Entregerventilansteuerung,. auf den Steuerwinkelsteller, der über einen Signalausgang mit der Zündimpulssteuereinrichtung verbunden ist, und auf die Wirkdauermeßeinrichtung, die über einen Signalausgang mit der netzseitigen Schaltstrecke verbunden ist, geführt sind·

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin,

- daß die am Impulsgenerator vorgesehenen Signaleingänge zur netz- und gleichstromseitigen Spannungserfassung ODER- verknüpft sind, auf einen Schwell-•wertbildner geführt werden und die mittels einer Impulsfolge erfolgende Anregung der Entregerventilansteuerung zeitverzögert ausgeführt ist;

- daß im Steuerwinkelsteller vom ersten Impuls des Impulsgenerators ein zeitlich begrenztes Signal abgeleitet wird, welches in der Zünd impuls st euer einrichtung eine Einstellung der Zündimpulse auf den Wert von etwa 90° elektrisch bewirkt j

.— daß die Wirkdauermeßeinrichtung eine Impulszählschaltung enthält, die nach Ablauf einer bestimmten Impülsanzahl einen Abschaltbefehl für den Stromrichter auslöst· Dabei ist die Anzahl der Impulse, die zur Abschaltung des Stromrichters führt, eine Punktion des mittleren Impulsabstandes und zwar der-

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art, daß bei Impulsen in großem Abstand kein Abschaltbefehl erfolgt.

Ausführungsbeispiel "

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Eine an sich bekannte Stromrichteranordnung in antiparalleler Schaltung,bestehend aus 12 Ventilen V und der üblichen Kondensatoranordnung (nicht dargestellt) zur Trägerstaueffektbedämpfung und zur Punkentstörung, den Schaltstrecken S1 und S2 und dem Netzschalter S3» den üblichen netzseitigen nichtlinearen Schutzelementen R-, der Zündimpulssteuereinrichtung 2 und dem hochinduktiven Verbraucher 1 mit dem ohmschen und induktiven Lastanteil R und L^ist mit einer Schutzeinrichtung, bestehend aus einer an sich bekannten Entregerventilanordnung mit den antiparallelen Thyristoren Vg - und Vg - ^¹¹ Reihenschaltung mit dem Begrenzungswider st and Rg und der erfindungsgemäßen Ent'-regerkreisdämpfungsdrossel Lg in Reihe geschaltet. Parallel zum Verbraucher 1 als auch zur beschriebenen Schutzeinrichtung liegt das nichtlineare Element R_n2· Der Schutzeinrichtung ist eine Informationsverarbeitung 4, bestehend aus einem Impulsgenerator 5» einem Steuerwinkelsteller 6 und einer Wirkdauermeßeinrichtung 7, zugeordnet, welche durch ein Netzteil 8 versorgt wird, welches vorteilhafterweise ao ausgestaltet ist, daß seine Ausgangsspannung bei Ausfall der Spannung einer Netzzuleitung oder Kurzschluß derselben gegen eine andere Zuleitung erhalten bleibt. Im Impulsgenerator 5 wird über die ODER-verknüpften Signaleingänge Si1 und Si2 die Spannung auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Stromrichters erfaßt. Bei Überschreitung einer einstellbaren Schwelle werden für

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die Dauer der Überschreitung Rechteckimpulse (mit einer Breite von ca. lOQyus und einem Abstand von ca. 250 /us) erzeugt, die über einen Impulsverstärker 9 an die Steuerelektrode des gerade zu zündenden ^ntregerventils Y„ geführt werden und eine Einschaltung des Entregerventilkreises bewirken. Zur Vermeidung einer Impulserzeugung durch Überspannung geringer Zeitdauer aus dem Hetz, die nicht auf eine Schalthandlung an den Schalt-» strecken S1 bis S3 zurückzuführen ist, ist die Anregung zeitverzögert ausgeführt, so daß für den Pail einer Schalthandlung die nichtlinearen Elemente R₁ und R ~ in der Zeit zwischen dem Auftreten der Überspannung und deren Unterbindung durch die Entregerventileinschaltuns: einen geringen Teil der in der Induktivität L des Verbrauchers 1 enthaltenen Energie umsetzen müssen. Durch die Erzeugung einer Impulsfolge wird bewirkt, daß ein Entregerkreis auch dann gebildet wird, wenn durch eine Überspannung längerer Dauer aus dem Netz, z.B. durch Abschaltung einer am gleichen Netz liegenden Stromrichteranordnung mit Verbraucher hoher Induktivität, eine Anregung erfolgt ist und dana'ch Schalthandlungen an den Schaltstrecken S1 bis S3 durchgeführt werden. Zur Vermeidung einer Betriebsstörung in der Form, daß speziell bei antiparalleler Schaltung der Stromrichter gemäß Pig.3 eine Anregung durch Überspannung aus dem Netz erfolgt, und durch Einschaltung des Entregerkreises eine zusätzliche Belastung durch den Begrenzungswider st and Rg entsteht, wird im Steuerwinkelsteller 6 durch den ersten Impuls aus dem Impulsgenerator ein kurzzeitiger (ca. 30 ms langer) Befehl gebildet, der in.der Zündimpulssteuereinrichtung 2 eine Einstellung der Zündimpulse für die Stromrichterventile V auf den Wert von etwa 90° elektrisch bewirkt. Dadurch liegt am Ausgang des Stromrichters nahezu nur V/echselspannung und das stromführende Entreger-

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Ventil V_E wird durch eine negative Anodenspannung nichtleitend, und nach Zurücknahme des Steuerbefehls ist der normale Betriebszustand wieder hergestellt. Durch die Wirkdauermeßeinrichtung 7 wird die Zeit des Auftretens einer Überspannung durch Zählung der Impulse aus dem Impulsgenerator 5 erfaßt und nach Ablauf einer bestimmten Impulsanzahl ein Befehl zur Abschaltung des Stromrichters auf die Schaltstrecke S3 für den Fall gegeben, daß insbesondere durch Ausfall einer Netzzuleitung fortlaufend der bereits beschriebene Schwingeffekt auftritt und zu einer unzulässig langen Überspannungsbelastung führt. .

Entsprechend der zeitabhängigen Überlastfähigkeit der nichtlinearen Elemente R- und Rp ist die Anzahl der Impulse, die zur Abschaltung führt, eine Punktion des mittleren Impulsabstande3 und zwar derart, daß bei Impulsen im großen Abstand kein Abschaltbefehl erfolgt»

Durch die erfindungsgemäße Einfügung der Entregerkreisdämpfungsdrossel L- wird das Eintreten des nichtleitenden Zustandes des gerade stromführenden Entregerventils Vg beim Schwingeffekt verhindert. Bei entsprechender Auslegung der Entregerkreisdämpfungsdrossel L™ wird erreicht, daß der beim'Schwingeffekt auftretende beschriebene negative Anodenspannungsimpuls keinen Stromnulldurchgang zur Folge hat. Zur Sicherung des Dämpfungseffektes muß die Entregerkreisdämpfungsdrossel L™ bei kleinem Strom i,. eine hohe Induktivität und kann bei großem Strom eine kleine Induktivität besitzen. Demzufolge ist die Entregerkreisdämpfungsdrossel als eine sogenannte nichtlineare Drossel mit vom Strom abhängiger Induktivität ausgeführt, wie es zur Sicherung der Punktion des Steuerwinkelstellers erforderlich ist, wo wiederum eine möglichst kleine Induktivität gefordert ist.

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Die erfind ungsgemäße übers pannungs schutzeinrichtung: ist nicht nur auf Stromrichterschaltungen gemäß Fig.1 und 3 beschränkt, sondern gleich vorteilhaft z.B. bei einer 2pula-Brückenschaltung oder 3puls-Mittelpunkt~ schaltung, sowie auch für Stromrichter im Einrichtungsbetrieb anwendbar·

Enthält ein Stromrichter die Schaltstrecken S2 nicht, so wird nur die Signalerfasaung Si1 an der Netzseite des Stromrichters eingesetzt und das gleichstromseitige nichtlineare Element Rp kann durch einen hochohmigen Widerstand zur Unterbindung von Überspannungen durch Restströ'me, welche durch den Haltestrom der Thyristoren V und Vg bedingt sind, ersetzt werden. Es ist auch möglich, an Stelle der Erfassung der Spannung indirekt den Strom durch die nichtlinearen Elemente als Wirkung einer Überspannungsbeanspruchung auf die Signaleingänge Si1 und Si2 zu führen. Die Überspannungsschutzeinrichtung wirkt auch in der beschriebenen Weise, wenn an Stelle der nicht-linearen Elemente Energiespeicher in Form von rückwirkungsfrei angeschlossenen Kondensatoren angeordnet sind, wobei unter rückwirkungsfrei z.B. der Anschluß über eine Gleichrichterbrückenschaltung zu verstehen ist.

Claims

Erfindungsanspruch:

Überspannungsschutzeinrichtung für hochinduktive Verbraucher speisende netzgelöschte Stromrichter, insbesondere Umkehrstromrichter mit steuerbaren Ventilen, wobei der Stromrichter Schaltstrecken in den Stromrichterzuleitungen und Stromrichterzweigen aufweist, während netzseitig Überspannungsschutzelemente sowie eine Zündimpulssteuereinrichtung für die Stromrichterventile angeschlossen sind und gleichstromseitig jeweils parallel zum Verbraucher ein nichtlineares Überspannungsschutzelement sowie ein Entregerkreis geschaltet ist, wobei der Entregerkreis eine Reihenschaltung eines Begrenzungswiderstandes mit einer Entregerventilanordnung, bestehend aus je einem über einen Impulsverstärker angesteuertes steuerbares Ventil für jede Stromrichtung, auf we ist, gekennzeichnet dadurch, daß im Entregerkreis in Reihe mit dem Begrenzungswiderstand (Rg) und der Entregerventilanordnung (Vg₁; Vg ρ) eine nichtlineare Entregerkreisdämpfungsdrossel (Lg) mit hoher Anfangsinduktivität eingefügt ist, und daß die Uberspannungsschutzeinrichtung mit einer Informationsverarbeitung (4), bestehend aus einem Impulsgenerator (5), einem Steuerwinkelsteller (6), und einer Wirkdauermeßeinrichtung (7), kombiniert ist, wobei der Impuls-

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generator (5) je einen Signaleingang zur netz- und gleichatromaeitigen Spannungserfaasung (Si1; Si2) aufweist und Signalausgange vom Impulsgenera-

. tor (5) gleichseitig auf den Impulsverstärker (9) zur Entregerventilansteuerung, auf den Steuer-

:. Winkelsteller (6), der über einen Signalausgang mit der Zündimpulssteuereinrichtung (2) verbunden ist, und auf die Wirkdauermeßeinrichtung (7), die über einen Signalausgang mit der netzseitigen Schaltstrecke (S3) verbunden ist, geführt sind.
2. Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zur netz- und gleiciistromseitigen Spannungserfassung vorgesehenen Signaleingänge (Si1; Si2) des Impulsgenerators (5) ODBR-verknüpft und auf einen Schwellwertbildner geführt sind, und daß die mittels einer Impulsfolge erfolgende Anregung der Entregerventilansteuerung zeitverzögert ausgeführt ist. -
3. Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Steuerwinkelsteller (6) vom ersten Impuls des Impulsgenerators(5) ein zeitlich begrenztes Signal abgeleitet wird, welches in der Zündimpulssteuereinrichtung (2) eine Einstellung der Zündimpulse auf den Wert von etwa 90° elektrisch bewirkt.
4· Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wirkdauermeßeinrichtung (7) eine Impulszählschaltung enthält, die nach Ablauf einer bestimmten Impulsanzahl einen Abschaltbefehl für den Stromrichter auslöst.

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Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Anzahl der Impulse, die zur Abschaltung des Stromrichters führt, eine Punktion des mittleren Impulsabstandes ist und zwar derart, daß bei Impulsen in großem Abstand kein Abschaltbefehl erfolgt.

- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen -