DE1927826A1

DE1927826A1 - UEberwachungseinrichtung fuer einen Stromrichter mit Halbleiterventilen

Info

Publication number: DE1927826A1
Application number: DE19691927826
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl-Ing Huebner; Manfred Dipl-Ing Liska
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-05-31
Filing date: 1969-05-31
Publication date: 1971-04-22
Also published as: JPS5029133B1; FR2043862B1; FR2043862A1; DE1927826B2; SE359698B; US3643130A; GB1262828A

Description

Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter mit Halbleiterventilen.

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter mit Halbleiterventilen, mit einem mindestens ein RC-Glied enthaltenden thermischen Abbild, dem ein dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom proportionaler Strom zugeführt wird, und mit einem Signalgeber, dem die Spannung an dem Kondensator des RC-Gliedes zugeführt wird und der anspricht, wenn dieser einen bestimmten Grenzwert erreicht hat.

Derartigen, zum Beispiel aus der deutschen Patentschrift 1 108 bekannten Überwachungseinrichtungen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich das thermische Verhalten von Ilalbleiterventilen eines Stromrichters mit Hilfe von mindestens einem RC-Glied, das mit einem dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom proportionalen Strom aufgeladen wird, angenähert nachbilden läßt. Die Spannung an dem Kondensator ist dabei ein Maß für die Erwärmung des kritischsten Teiles, nämlich der Sperrschicht des eigentlichen Halbleiterelementes. Man kann daher mit der Spannung des Kondensators eine Kippschaltung ansteuern, die bei einem bestimmten Grenzwert der Spannung am Kondensator anspricht und ein Signal abgibt oder sogar die Abschaltung der Stromrichteranlage veranlaßt. Bei entsprechender, den verwendeten Halbleiterventilen angepaßter Bemessung des RC-Gliedes und der Ansprechgrenze der Kippschaltung laßt sich erreichen, daß diese Kippschaltung gerade dann anspricht,-wenn die Erwärmung der Halbleiterventile einen bestimmten Sicherheitsabstand von der Zerstörungsgrenze überschreitet.

Voraussetzung für die einwandfreie Funktion derartiger überwachungseinrichtungen ist aber, daß eine bestimmte maximale Strom-

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flaßzeit innerhalb der einzelnen Zweige des Stromrichters mit Sicherheit nicht überschritten werden kann. Diese Bedingung ist immer dann erfüllt, wenn der Stromrichter mit einer im wesentlichen konstanten Betriebsfrequenz arbeitet; denn nur dann ist der die Erwärmung der Halbleiterventile in den Stromrichterzweigen bestimmende Wert des über diese einzelnen Stromriehterzweige fließenden Stromes nur von einer Veränderlichen, nämlich dem dem P Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom abhängig. Diese Voraussetzung ist jedoch nicht mehr erfüllt, wenn die Betriebsfrequenz eines z.B. eine Antriebsmaschine speisenden Stromrichters in sehr weiten Grenzen verändert werden muß. Wenn beispielweise in einem Grenzfall die Betriebsfrequenz Null ist, fließt der gesamte zum Stromrichter fließende Strom über einen einzigen Zweig dieses Stromrichters, statt nacheinander von einem Stromrichterzweig auf den anderen zu kommutieren. Zur Verschärfung des Problemes trägt noch der Umstand bei, daß der von einem solchen Stromrichter aufgenommene Strom mit sinkender Betriebsfrequenz steigt, da die Gegen-EMK fällt.

Man könnte nun das angesprochene Problem dadurch lösen, daß man " die Halbleiterventile in den einzelnen Zweigen des Stromrichters für denjenigen Strom bemißt, der in dem genannten Grenzfall (Betriebsfrequenz = Null) fließt; das würde aber offensichtlich eine unwirtschaftliche Lösung darstellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, daß mit ihr die thermischen Verhältnisse auch von Halbleiterventilen in mit variabler Frequenz betriebenen Stromrichtern einigermaßen richtig erfaßt werden; es wird dann die Möglichkeit eröffnet, die Halbleiterventile eines solchen Stromrichters für den am häufigsten vorkommenden Nennbetriebsfall zu bemessen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekenn-

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zeichnet, daß parallel zu dem Kondensator oder in Reihe zu ihm ein veränderbarer Widerstand liegt, der so in Steuerabhängigkeit von der Betriebsfrequenz des Stromrichters steht, daß sein mittlerer Wert mit abnehmender Betriebsfrequenz steigt, wenn der Widerstand parallel zu dem Kondensator liegt bzw. sinkt, wenn, der Widerstand in Reihe zu dem kondensator liegt.

Wenn man die Überwachungseinrichtung so bemißt, daß der Signalgeber anspricht, wenn der dem Stromrichter zugeführte Strom I einen bestimmten oberen Grenzwert I- bei einer vorgegebenen Stromflußzeit t_ je Stromrichterzweig erreicht, dann sollte die Steue einrichtung für den Widerstand zweckmäßig so ausgebildet werden, daß der mittlere Wert dieses Widerstandes mit der Wurzel aus t sinkt (bei Parallelschaltung) bzw. steigt (bei Reihenschaltung), wobei t die Stromflußzeit der einzelnen Zweige des Stromrichters ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Signalgeber anspricht, wenn der die Erwärmung der Halbleiterventile bestimmende Wert des Stromes über die einzelnen Zweige des Stromrichters bei beliebiger Kombination von Scheitelwert und Stromflußdauer den der Bemessung zugrundegelegten Grenzwert überschreitet.

Wenn man als veränderbaren Widerstand einen Transistor verwendet und für dessen Steuerung eine der Stromflußzeit in den einzelnen Stromrichterzweigen proportionale Spannung zur Verfügung steht, so läßt sich die gewünschte Steuerabhängigkeit mit Hilfe bekannter Kombinationen von Dioden und Widerständen erreichen, die der Steuerstrecke des Transistors vorzuschalten wären»

Man kann den Widerstand aber auch unstetig zwischen zwei festen Grenzwerten durch Umschalten verändern, wobei der mittlere Wert von dem Verhältnis der Zeitintervalle abhängt, während denen der eine oder der andere Grenzwert wirksam ist. Beispielsweise kann man als Widerstand wieder einen Transistor wählen, dessen fest

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vorgegebene Aussteuerung während der Rückkippzeit einer monostabilen Kippstufe einen anderen konstanten Wert erhält; den Eingang der Kippstufe kann man dann über ein ODER-Gatter mit sämtlichen Ausgängen der den Stromrichter steuernden Steuereinheit verbinden.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig.l das Blockschaltbild einer Stromrichteranlage mit einer erfindungsgentäßen Überwachungseinrichtung,

Fii .2 ein erstes Ausführungsbeispiel für den Teil T in der Anlage nach Fig.l, und

Fig.3 ein anderes Ausführungsbeispiel für den Teil T innerhalb der Anlage nach Fig.Ju

Der in Fig.i mit A gezeichnete Stromrichter hat beispielsweise vier parallel geschaltete Zweige, die über einen Gleichrichter B, einen Stromwandler nt und einen Schalter si an die Klemmen 11 und 12 eines Wechselspannungsnetzes angeschlossen sind. Jeder Zweig W besteht aus einer Wicklung Ll bis Ln in Reihenschaltung mit je einem Thyristor pl bis pn. Die Verbindungspunkte zwischen Wicklung und Thyristor jedes Zweiges sind über einen Kommutierungskondensator kl bis kn mit demselben Verbindungspunkt des im Kommutierungszyklus folgenden Stromrichterzweiges verbunden.

Die Wicklungen Li bis Ln können die Wicklungen eines Wechselrichtertransformators oder - wie in vorliegendem Ausführungsbeispiel die räumlich gegeneinander versetzten Wicklungen einer Synchronmaschine sein.

Die Steuerimpulse für die Thyristoren pl bis pn werden von einer Steuereinheit St geliefert, die an sich bekannten Aufbau haben kann. Insbesondere kann die Folgefrequenz der Steuerimpulse in

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an sich bekannter. Weise durch die Stellung des Läufers der Synchronmaschine, die magnetisch, kapazitiv oder optisch abgetastet wird, bestimmt sein· Die Drehzahl der Maschine hängt in diesem Fall nicht von der Belastung ab.

Zur Gewinnung einer von der Stromflußdauer innerhalb der einzelnen Stromrichterzweige in der gewünschten Art abhängigen Spannung dient ein Geber G der eingangsseitig mit wenigstens zwei solchen Ausgängen der Steuereinheit St verbunden ist, die die Steuerimpulse für zwei im Kommutierungszyklus aufeinanderfolgende Stromrichterzweige liefern (p3, pn). In vorliegendem Ausführungsbeispiel cann hierzu eine mit dem Rotor der Synchronmaschine gekuppelte Tachometermaschine dienen. Die von dem Geber G gelieferte Spannung wird einem thermischen Abbild T zugeführt, das einen weiteren, mit einer Quelle C verbundenen Eingang hat und an seinem Ausgang eine einer Kippstufe K zugeführte Spannung liefert. Die Quelle C ist eingangsseitig an die Sekundärwicklung des Stromwandlers m angeschlossen und enthält im wesentlichen einen Bürdenwiderstand r, einen Zweiweggleichrichter nl und einen Glättungskondensator k4 (vgl. Fig.2 und 3) und liefert am Ausgang eine dem dem Stromrichter zugeführten Strom I proportionale Spannung. Mit Hilfe des Ausgangssignales der Kippstufe K wird einerseits eine Schalteinrichtung S angesteuert, durch die der Schalter si ausgelöst werden kann; ferner wird durch das Ausgangssignal der rippstufe K die Abgabe der Steuerimpulse von der Steuereinheit St gesperrt.

Einzelheiten des thermischen Abbildes T der Anordnung nach Fig.l zeigt Fig.2: An den Ausgang der Quelle C ist die Reihenschaltung einer Diode n3, eines Widerstandes rl und eines Kondensator k5 gelegt, dem ein Widerstand r2 und die Emitterkollektorstrecke eines Transistors p4 parallel geschaltet ist. Die Basisemitterstrecke des Transistors p4 ist an den Ausgang des Gebers G an-

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geschlossen, der die von der Betriebsfrequenz des Stromrichters A abhängige Spannung U liefert, die mit abnehmender Betriebsfrequenz fällt. Der Geber G könnte auch einen Sperrstrom liefern, der von Durchsteuerimpulsen konstanter Dauer mit der Folgefrequenz der von der Steuereinheit gelieferten Steuerimpulse unterbrochen wird. Der Eingang der Kippstufe K, vorzugsweise eine bistabile Kippstufe, ist über eine Zenerdiode n5 an den Kondensator k5 und parallel dazu über eine Zenerdiode n4 mit hpherer Zenerspannung als die Zenerdiode n5 und eine Diode n2 an die Quelle C angeschlossen. Die bistabile Kippstufe K hat noch einen weiteren Eingang, den über einen von Hand zu betätigenden Schalter s2 eine Spannung zum Rückkippen in den Ruhezustand zugeführt werden kann.

Die Zeitkonstante des aus den Widerständen rl, r2, dem Transistor p4 und dem Kondensator k5 bestehenden RC-Gliedes und die Zenerspannung der Zenerdiode n5 sind so aufeinander abgestimmt und der Belastbarkeit der Halbleiterventile (Gleichrichter oder Thyristoren) so angepaßt, daß die Kippstufe K erst dann anspricht, wenn die Spannung U^ an dem Kondensator k5 den bei Nennbetrieb (beliebig vorgebbare Frequenz und durch die Belastbarkeit der Ventile bestimmter Strom) auftretende Spannung um einen bestimmten Betrag überschritten wird. Das kann z.B. bei unverändertem Gesamtstrom durch eine Erhöhung der Stromflußzeiten (niedrigere Betriebsfrequenz) hervorgerufen werden, weil in diesem Fall der Transistor p4 weniger durchgesteuert und damit sein Widerstand erhöht wird, so daß sich der Kondensator k5 bei unveränderter Spannung der Quelle C auf eine höhere Spannung aufladen kann.

Eine derartige Erhöhung der Spannung am Kondensator k5 und ein Auslösen der Kippstufe ergibt sich aber auch dann, wenn der Strom I und damit die Spannung der Quelle C bei unveränderter Betriebsfrequenz entsprechend ansteigt. Dagegen würde ein derartiges Ansteigen noch nicht zur Auslösung der Kippstufe K führen, wenn

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dieser Anstieg des Gesamtstromes mit einer entsprechenden Zunahme der Betriebsfrequenz verbunden wäre, was eine Erhöhung der Spannung U- und damit eine stärkere Durchsteuerung des Transistors p4 zur Folge hätte, was einer Erhöhung der Spannung am Kondensator k5 entgegenwirken würde. Die Grenze der thermischen Belastung der Halbleiterventile in den Stromrichterzweigen wird bei dieser höheren Betriebsfrequenz erst bei einem noch höheren Wert des Gesamtstromes des Stromrichters erreicht. Die überwachungseinrichtung nach Fig.2 kann die ihr zugedachte Funktion nicht mehr erfüllen, wenn der Transistor-p4 durchlegiert: eine Ausführungsform, die selbst in diesem Falle noch einsa^zfähig bleibt, zeigt Fig.3: Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der nach Fig.2 lediglich dadurch, daß die Aufladung des Kondensators k5 mit Hilfe eines zwischen der Diode n3 und dem Widerstand rl liegenden Transistors p5 gesteuert wird. Der Steuerstromkreis dieses Transistors verläuft über die Diode n3,. einen Widerstand r3 und die Emitterkollektorstrecke eines Transistors p6 und liegt zwischen den Klemmen der Quelle C. Die Basis-Emitterstrecke des Transistors p6 liegt über einen Widerstand r4 an dem positiven Pol P einer nicht dargestellten Spannungsquelle; dieser Transistor p6 ist daher über diesen Stromkreis durchgesteuert, so daß auch der Transistor p5 durchgesteuert ist. Die von dem Geber G gelieferte, mit der Betriebsfrequenz des Stromrichters steigende Spannung U. liegt über einen Widerstand r5 in sperrendem Sinne an der Steuerstrecke des Transistors p6, so daß die effektiven Widerstände der Emitterkollektorstrecken der Transistoren p5 und p6 mit zunehmender Betriebsfrequenz des Stromrichters ansteigen; die Spannung am Kondensator k5 kann daher den zum Ansprechen der Kippschaltung K erforderlichen Grenzwert nur bei entsprechend höherem Gesamtstrom des Stromrichters (entsprechend höhere Spannung der Quelle C) erreichen.

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Der Geber G könnte auch Sperrimpulse konstanter Dauer mit einer Folgefrequenz liefern, die der Folgefrequenz der von der Steuereinheit an den Stromrichter abgegebenen Steuerimpulse entspricht.,

In den beiden Ausführungsbeispielen nach Fig.2 und Fig..3 ist der Eingang der Kippstufe K über eine Diode n2 und eine Zenerdiode ώΑ direkt an die Klemmen der Quelle G angeschlossen; die Zenerdiode n4 ist so bemessen, daß äie Kippstufe K ohne Rück— sieht auf die jeweilige Betriebsfrequenz des Stromrichters bei einem durch die Bemessung der Zenerdiode n4 bestimmten oberen Grenzwert verzögerungsfrei anspricht.

Bei dem in Fig.l dargestellten Ausfiihrungsbeispiel wird beim Ansprechen der Kippstufe K der Schalter si in der Verbindungsleitung zwischen Stromrichter und Energiequelle geöffnet; sofern die Kippstufe K bistabiles Verhalten hat, bleibt dieser Schalter geöffnet, bis die Kippstufe durch Betätigen des Schalters s2 wieder zurückgekippt wird.

Die Kippstufe K kann aber auch monostabiles Verhalten haben; das bedeutet, daß der Schalter si beim Ansprechen dieser Kippstufe geöffnet und nach Ablauf der Rückkippzeit der monostabilen Kippstufe wieder geschlossen wird. Sofern in diesem Zeitpunkt die kritischen Betriebsbedingungen, die durch das thermische Abbild T erfaßt werden, immer noch bestehen, spricht die Kippstufe erneut an und öffnet den Schalter si wiederum für die Dauer der Rückkippzeit dieser monostabilen Kippstufe.

8 Patentansprüche 3 Figuren

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Claims

PLA 69/0511 Patentansprüche

1.) Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter mit Halbleiterventilen, mit einem mindestens ein RC-Glied enthaltenden thermischen Abbild, dem ein dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom proportionaler Strom zugeführt wird, und mit einem Signalgeber, dem die Spannung an dem Kondensator des RC-Gliedes zugeführt wird und der anspricht, wenn dieser einen bestimmten Grenzwert erreicht hat, dadurch gekennzeichnet , daß parallel zu dem Kondensator (kr) oder in Reihe zu ihm ein veränderbarer Widerstand (p4, p5) liegt, der so in Steuerabhängigkeit von der Betriebsfrequenz des Stromrichters (a) steht, daß sein mittlerer Wert mit abnehmender Betriebsfrequenz steigt, wenn der Widerstand (Fig.2) parallel zu dem Kondensator liegt bzw. sinkt, wenn der Widerstand in Reihe (Fig.3) zu dem Kondensator liegt.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand mit der Wurzel aus t sinkt bzw. steigt, wobei t die Stromflußzeit der einzelnen Zweige des Stromrich-

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ters ist.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Signalgebers (K) über eine erste Zenerdiode (n5) an den Kondensator (k5) des RC-Gliedes und über eine zweite Zenerdiode (n4) mit höherer Zenerspannung an eine Spannungsquelle (C) angeschlossen ist, die eine dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom proportionale Spannung liefert.

4. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderbarer Widerstand ein Transistor (p4, p5) dient.

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5. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalgeber (K) eine bistabile Kippstufe dient, der ein Handschalter (s2) zum Rückstellen zugeordnet ist.

6. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalgeber (K) eine monostabile Kippstufe dient.

7. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Ausgangssignal des Signalgelers (K) ein zwischen einer den Stromrichter speisenden Energiequelle und dem Stromrichter liegender Schalter (si) geöffnet wird.

8. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (si) so ausgebildet ist, daß er nur während der Dauer des vom Signalgeber (K) gelieferten Ausgangssignales geöffnet ist.

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