DE1613872B2 - Schutzanordnung gegen wechselrichterkippen einer stromrichteranlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzanordnung gegen Wechselrichterkippen einer auch im Wechselrichterbetrieb arbeitenden Stromrichteranlage, die zur Speisung des Ankerkreises eines fremderregten Gleichstromantriebs vorgesehen ist, mit einem aufgeladenen Kondensator, der bei Auftreten von Überströmen über eine Wicklung des Gleichstromantriebs entladen wird.

Eine Störungsursache in gesteuerten Stromrichteranlagen ist das Versagen der Löschwirkung am gerade stromführenden Ventil im Wechselrichterbetrieb, das sogenannte Wechselrichterkippen. Im Wechselrichterbetrieb einer Stromrichteranlage arbeitet der gespeiste Gleichstrommotor als Generator. Die Energierichtung ist derjenigen im Gleichrichterbetrieb entgegengesetzt. Wird beispielsweise durch Überlastung der Anlage die Trittgrenze des Wechselrichters überschritten, so wird der Strom vom gerade stromführenden Ventil nicht ordnungsgemäß an das folgende Ventil weitergegeben. Der Strom fließt noch weiter, wenn die zugehörige Spannung bereits positiv geworden ist. Dabei hat sich die Spannung des Wechselrichters umgekehrt und ist mit der Generatorspannung gleichsinnig in Reihe geschaltet. Die Folge ist ein kurzschlußartiger Anstieg der Ventilströme. Als Ursache für das Wechselrichterkippen kommt neben hohen Belastungen, insbesondere Laststößen oder Kurzschluß, Versagen der Steuereinrichtung der Stromrichteranlage, ein Spannungsstoß auf der Gleichstromseite oder ein plötzlicher Spannungsrückgang der speisenden Wechselspannung, beispielsweise beim Abheben des Stromabnehmers eines elektrischen Triebfahrzeuges, in Frage. Bei den in Anlagen mit Gasentladungsventilen häufig verwendeten Überstromschnellschaltern kann die Zeit bis zur Entlastung des gestörten Ventilzweiges z.B. 100 m/sec betragen. Dieser Schaltverzug kann unter Umständen nicht mehr zulässig sein, insbesondere bei Verwendung von Thyristoren als Stromrichterventile. Mit schnell schaltenden Sicherungen kann zwar eine Abschaltzeit von etwa 10 m/sec erreicht werden, das Ansprechen der Sicherung hat aber eine Unterbrechung des nachgeschalteten Ventilzweiges und somit im allgemeinen eine Betriebsunterbrechung der Anlage zur Folge. Die bekannten Gittersperren mit kontaktlosen elektronischen Schaltelementen sprechen im Störungsfall nahezu trägheitslos· an, sie bleiben jedoch bei Wechselrichterkippen ohne Wirkung, weil das gestörte Ventil nicht gelöscht wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1,087,254 ist eine Anordnung zum schnellen Entregen bzw. zur schnellen Erregungsumkehr von induktiven Gleichstromkreisen, insbesondere zum Umerregen des Feldes von Gleichstrommaschinen bekannt. Der an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Erregerwicklung der Gleichstrommaschine ist ein Kondensator mit parallel geschaltetem hochohmigem Widerstand über einen Schaltgleichrichter ständig parallel geschaltet. Der Kondensator ist von einer Spannungsquelle auf einer Ladespannung gehalten, welche gleich der zulässigen Überspannung ist, die beim Abschalten der Erregerwicklung auftreten darf. Der Schaltgleichrichter hält im Normalbetrieb die Ladespannung vom induktiven Erregerkreis fern. Beim Entregen wird die Erregerwicklung der Gleichstrommaschine mit einem Wendeschütz umgepolt. Im ersten Teil des dadurch bedingten Ausgleichvorganges, bei dem die an der Erregerwicklung auftretende Selbstinduktionsspannung die zulässige Überspannung und damit die festgelegte Ladespannung am Kondensator überschreitet, wird die Induktionsspannung über den Schaltgleichrichter und die mit ihm in Reihe liegende Parallelschaltung aus dem Kondensator und dem hochohmigen Widerstand abgeleitet. Hierbei wird also über den Schaltgleichrichter ein Teil des beim Umschaltvorgang frei werdenden Energieinhalts der Erregerwicklung oberhalb einer definierten Spannungsgrenze vom Kondensator aufgenommen. Im zweiten Teil des Ausgleichsvorganges, bei dem die Induktionsspannung auf den Wert der speisenden Gleichspannung abgesunken ist, sperrt der Schaltgleichrichter, und die weitere Umerregung erfolgt mit konstanter Gleichspannung.

Es ist weiterhin bekannt (Eün-Zeitschrift, Juni 1965, S. 9 bis 18, insbesondere Bild 9 und 16), eine Schutzanordnung der eingangs genannten Art im Ankerkreis eines Gleichstromantriebs anzuordnen. Dem generatorisch arbeitenden Gleichstromantrieb ist die Serienschaltung aus zwei Thyristoren, einem Ventil und einem auf das etwa 2,5fache der Ankernennspan-

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nung aufgeladenen Kondensator parallel geschaltet. Erregerwicklung 2 einer in der Figur nicht dargestell-Ein kurzschlußartiges Ansteigen des Ankerstromes, ten Gleichstrommaschine von beispielsweise 600 kW, also das Auftreten eines Überstromes, wird von an den Gleichstromausgang eines Stromrichters 8 in einem an eine Elektronik angeschlossenen Stromauf- Einphasen-Mittelpunktsschaltung mit Stromrichtervennehmer erfaßt; daraufhin werden die Thyristoren 5 tilen 3 und 4, insbesondere Thyristoren, Sicherungen durch die Elektronik gezündet. Der Kondensator ent- 5 und 6 und einer Transformatorsekundärwicklung 7 lädt sich unter Löschung der Ventile der Stromrichter- angeschlossen, deren in der Fig. nicht dargestellte anlage über die Ankerwicklung. Im Entladestromweg Primärwicklung von einem Einphasen-Wechselstromist ein Widerstand angeordnet. Der an diesem Wider- netz mit einer Frequenz von 16²/₃ Hz gespeist werstand beim Enüaden entstehende Spannungsabfall io den kann. Der Erregerkreis enthält einen Löschkonschaltet über ein Relais die Stromrichteranlage ab. densator 10, welcher mittels einer geeigneten Schalt-Ein Umschwingen der Kondensatorladung findet einrichtung, insbesondere eines Hilfsthyristors 11, der nicht statt. Als nachteilig wird bei dieser Schutzanord- Erregerwicklung 2 und dem Gleichstromausgang des nung angesehen, daß man bei Gleichstromantrieben Stromrichters 8 parallelschaltbar ist. Dem Thyristor hoher Leistung mit einem Thyristor im Kondensator- ii H ist eine Steuereinrichtung 12 zugeordnet. Die zweig nicht auskommt und daß sowohl der Kondensa- Steuereinrichtung 12 kann vorzugsweise in Abhängigtor als auch die Thyristoren für sehr hohe Spannun- keit von der Phasenlage des Ventilstromes im Ankergen und Ströme ausgelegt sein müssen. kreis, die mittels Stromwandler erfaßt werden kann,

Die Erfindung geht vom letztgenannten Stand der aus der speisenden Netzspannung ein Signal erhalten. Technik aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine 20 Verschiebt sich das Ende des Ventilstromes in bezug Schutzanordnung gegen Überströme im Wechsel- auf eine netzsynchrone Spannung, so wird beim Überrichterbetrieb einer Stromrichteranlage, welche zur schreiten des einstellbaren Zeitwertes dem Thyristor Speisung des Ankerkreises eines fremderregten Gleich- 11 ein Zündimpuls gegeben und der auf die in der Stromantriebs verwendet wird, zu schaffen, die bei Fig. angedeutete Polarität geladene Kondensator 10 Auftreten einer Störung im Ankerkreis selbsttätig 25 entladen. Das Signal auf die Steuereinrichtung 12 eine schnelle Entregung des Gleichstromantriebs ein- kann u.U. auch direkt von einer Absenkung oder leitet. einem Ausfall der Netzspannung abgeleitet werden.

Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von Zur Erhöhung dieser Kondensatorladung kann nach der Maßnahme, einen geladenen Kondensator zur der Erfindung vorteilhaft eine besondere Schaltung, Schnellentregung im Erregerkreis des Gleichstroman- 30 die sogenannte Greinacher-Schaltung vorgesehen sein, triebs heranzuziehen. Die Erfindung besteht bei der die aus einem Ladekondensator 15, zwei Dioden 16 eingangs genannten Schutzanordnung darin,-daß der und 17 und einem Ladewiderstand 18 bestehen kann, aufgeladene Kondensator in Abhängigkeit von dem Man kann die Ladespannung auch direkt von der Ankerkreisstrom oder von der Ankerkreisspannung speisenden Transformatorsekundärwicklung 7 abnehdes Gleichstromantriebs dessen Erregerwicklung 35 men und über die Diode 17 und den Widerstand 18 unter Abtrennung von ihrer Erregerspannungsquelle dem Kondensator 10 vorgeben. Dem Thyristor 11 ist parallel schaltbar ist, und daß bei der Parallelschal- noch eine Umschwingdiode 20 gegenparallel geschaltung die Kapazität des Kondensators mit der Indukti- tet. Der Erregerwicklung 2 kann in Verbindung mit vität der Erregerwicklung einen Schwingkreis bildet. der Erfindung vorzugsweise noch ein zusätzliches

Der Kondensator wird z.B. von der Erregerspan- 40 Hilfsventil (Thyristor) 22, dem eine Steuereinrichtung nungsquelle, also beispielsweise von der Ausgangs- 23 zugeordnet ist, in Reihe mit einer Diode 24 paralspannung eines netzgeführten Stromrichters, aufgela- lelgeschaltet sein.

den und im Störungsfall der Erregerwicklung parallel Zur Zeit t_x soll in der nicht dargestellten Stromrich-

geschaltet. Der Entladestrom des Kondensators dient teranlage des Ankerkreises, deren Ventilströme gezunächst als Löschstrom für die Ventile dieses Strom- 45 trennt erfaßt werden können, eine Störung auftreten, richters im Erregerkreis und anschließend als Um- Ein bestehender Ventilstrom soll im Zeitpunkt des schwingstrom für die Erregerwicklung. Mit der Um- Nulldurchganges der Ventilspannung ins Positive kehr des Erregerstromes wird auch die Ankerspan- noch nicht Null sein, d.h. die Abkommutierung dienung des Gleichstromantriebs umgepolt, und diese ses Ventils soll nicht mehr möglich sein. Dann soll in subtrahiert sich somit von der Augenblicksspannung 50 diesem Zeitpunkt eine Meldung »Wechselrichter-Kipder gestörten speisenden Stromrichteranlage. In einer pen« gegeben werden. Ein daraus gebildetes Signal leiderartigen Schutzanordnung werden die Ventilströme tet die Schnellentregung und Gegenerregung ein. Sie im Ankerkreis vor dem Ansprechen der Sicherungen gibt zum Zeitpunkt /_; nach Fig. 2 über die Steuereinbegrenzt und auf Null gebracht. Als besonders vorteil- richtung 12 dem Löschthyristor 11 einen Zündimhaft wird angesehen, daß bei der erfindungsgemäßen 55 P^uls· Damit beginnt die Entladung des Kondensators Schutzanordnung ein Umpolen der Erregerwicklung 10 und somit die Löschung der Thyristoren (Ventile durch Umschaltung nicht erforderlich ist, und daß 3 und 4) des Stromrichters 8 im Erregerkreis. Zugegenüber der bekannten Schutzanordnung ein Kon- gleich können zweckmäßig im Ankerkreis die Imdensator von kostengünstigerer Auslegung verwendet pulse der Stromrichterventile an die Wechselrichterwerden kann. 60 trittgrenze verschoben oder die Ventile gelöscht wer-

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer den.

Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug ge- Dieser Vorgang kann auch bei kurzzeitiger und

nommen. F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vorübergehender Absenkung oder Ausfall der speisen-Schutzanordnung gegen Wechselrichterkippen nach den Netzspannung sowie beim Ausfall wichtiger Hilfsder Erfindung. In Fig. 2 ist ein Entregungs- und ein 65 spannungen oder beim Auftreten anderer Störungen daran anschließender Gegenentregungsvorgang in eingeleitet werden. Der mittels der Ladeeinrichtung einem Zeit-Diagramm schematisch veranschaulicht. über den Hilfskondensator 15 auf eine Spannung

Nach F i g. 1 ist ein Verbraucher, beispielsweise die oberhalb des Scheitelwertes der speisenden Wechsel-

spannung der Sekundärwicklung 7 aufgeladene Kondensator 10 entlädt sich zunächst über die Thyristoren (Ventil 3 und 4), so daß diese praktisch noch im Zeitpunkt I₁ erlöschen. Die Restladung des Kondensators 10 fließt über die Erregerwicklung 2 und gibt dem Erregerstrom i_e von beispielsweise 250A eine geringe Erhöhung. Die Spannung u_e an der Erregerwicklung 2 von beispielsweise 70 V springt auf einen etwas höher liegenden Wert, da die Induktivität der Erregerwicklung 2 den gerade fließenden Strom aufrecht zu erhalten versucht. Der Erregerstrom i_e fließt auf den Kondensator 10 und lädt diesen um. Zur Zeit t₂ hat der Erregerstrom i_e seinen Maximalwert und die Erregerspannung u_e ihren Nulldurchgang erreicht. Zur Zeit t₃ schwingt der Strom i_e in der Erregerwicklung 2 durch Null. Die Gegenspannung u_g erreicht ihren Scheitelwert von etwa 700 V. Der Kondensator 10 ist umgeladen, und die Gegenerregung beginnt. Der Gegenstrom —i_e erreicht zur Zeit t₄ sein Maximum im Nulldurchgang der Kondensatorspannung.

Sobald.die Spannung u_e den Wert der Schwellspannung der Diode 24 erreicht hat, übernimmt das Hilfsventil 22, das vorher einen Zündimpuls erhalten hat, den Strom i_r Es verlängert somit die Zeit der Gegenerregung in der Erregerwicklung 2. Die Diode 24 dient lediglich zur Aufnahme der negativen Sperrspannung solange ein Zündimpuls am Hilfsventil 22 ansteht, dieses aber noch keinen Strom übernehmen kann.

ίο Das Hilfsventil 22 kann in Verbindung mit der Erfindung von seiner Steuereinrichtung 23 in einem vorgegebenen Abstand vom Zündzeitpunkt Z₁ des Hilfsthyristors 11 gezündet werden. Dieser Abstand ist abhängig von den Schwingkreisdaten der Induktivität

π der Erregerwicklung 2 und der Kapazität des Kondensators 10 und kann beispielsweise etwa 5 m/sec betragen. Vom Zündzeitpunkt t_t des Hilfsthyristors 11 bis zum Erreichen der vollen Gegenerregung zur Zeit i₄ werden etwa 10 m/sec nicht wesentlich überschritten. Die vom gestörten Ventilzweig aufzunehmende Strom-Zeitfläche ist somit sehr gering.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schutzanordnung gegen Wechselrichterkippen einer auch im Wechselrichterbetrieb arbeitenden Stromrichteranlage, die zur Speisung des An- j kerkreises eines fremderregten Gleichstromantriebs vorgesehen ist, mit einem aufgeladenen Kondensator, der bei Auftreten von Überströmen über eine Wicklung des Gleichstromantriebs entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeladene Kondensator (10) in Abhängigkeit von dem Ankerkreisstrom oder von der Ankerkreisspannung des Gleichstromantriebs dessen Erregerwicklung (2) unter Abtrennung von ihrer Erregerspannungsquelle parallel schaltbar ist, und daß bei der υ Parallelschaltung die Kapazität des Kondensators (10) mit der Induktivität der Erregerwicklung (2) einen Umschwingkreis bildet.

2. Schutzanordnung nach Anspruch 1 mit einem Stromrichter zur Steuerung des Erregerstromes, gekennzeichnet durch die an sich bekannte Schaltungsanordnung, daß der Kondensator (10) auf eine die Erregerspannung übersteigende Spannung aufgeladen und zugleich als Löschkondensator für das Ventil oder die Ventile (3, 4) des speisenden Stromrichters (8) ausgelegt ist.

3. Schutzanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die an sich bekannte Schaltungsanordnung, daß eine Reihenschaltung des Kondensators (10) mit einem Hilfsthyristor (11) vorgesehen ist.

4. Schutzanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hilfsthyristor (11) eine Umschwingdiode (20) antiparallel geschaltet ist.

5. Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerwicklung (2) ein steuerbares Hilfsventil (22) parallel geschaltet ist.

6. Schutzanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt des Hilfsventils (22) in einem festen Abstand vom Entladezeitpunkt (/,) des Kondensators (10) gewählt ist.