DE1927826B2 - Ueberlastungsschutz fuer einen stromrichter mit steuerbaren halbleiterventilen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Überlastungsschutz für einen Stromrichter mit steuerbaren Halbleiterventilen, mit einem RC-GY\ed, dem ein dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom proportionaler Strom und eine Korrekturgröße zugeführt wird, und mit einem Signalgeber, dem die Spannung an dem Kondensator des 7?C-Gliedes zugeführt wird und der anspricht, wenn die Kondensatorspannung einen bestimmten Grenzwert erreicht hat. ίο

Einem derartigen, z. B. aus der deutschen Patentschrift I 108 317 bekannter Überlastungsschutz liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich das thermische- Verhalten von Halbleiterventilen eines Stromrichters mit Hilfe von mindestens einem i?C-GIied, das mit einem dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom proportionalen Strom aufgeladen wird, angenähert nachbilden läßt. Korrekturgrößi.· ι erfassen Randbedingungen, z. B. unterschiedliche Umgebungstemperaturen. Die Spannun« 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, dia 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 /?C-Gliedes und der Ansprechgrenzc der Kippschaltung läßt sich erreichen, daß diese Kippschaltung gerade dann anspricht, wenn die Erwärmung der Halblci.erv entile einen bestimmten Sicherheitsabstand von der Zerstörungsgrenzc überschreitet.

Voraussetzung für die einwandfreie Funktion eines derartigen bekannten Überlastungsschutzes ist aber, daß eine bestimmte maximale Stromflußzeit innerhalb der einzelnen Zweige des Stromrichters mit Sicherheit nicht überschritten werden kann. Die.e Bedingung ist immer dann erfüllt, wenn der Stromrichter mit einer im wesentlichen konstanten Betriebsfrequenz arbeitet; denn nur dann ist der die Erwärmung der Halbleitcrventile in den Stromrichterzweigen bestimmende Wert des über diese einzelnen Stromriehterzweige fließenden Stromes in erster Linie nur von einer Veränderlichen, nämlich dem dem Stromrichter zugeführlen 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 beispielsweise in einem Grenzfall die Betriebsfrequenz Null ist, fließt der gesamte zum Stromrichter fließende Strom über einen einzigen Zweig dieses Stromrichlers, statt nacheinander von einem Strömtichterzweig auf den anderen zu kommutieren. Zur Verschärfung des Problems trägt noch der Umstand bei, daß der von einem solchen Stromrichter aufgenommene Strom mit sinkender Betriebsfrequenz steigt, da die 6a 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, tifngss

einen Überlastungsschutz der vorgenannten Art so weiterzubilden, daß mit ihm 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 einem Überlastungsschutz der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kondensator oder in Reihe zu ihm ein veränderbarer Widerstand liegt, der über eine Steuereinrichtung so in Steuerabhängigkeit von der die Korrekturgröße bildenden Betriebsfrequenz des Stromrichters steht, daß sein Widerstandswert 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 den Überlastungsschutz so bemißt, daß der Signalgeber anspricht, wenn der dem Stromrichter zugeführte Strom / einen bestimmten oberen Grenzwert /_G bei einer vorgegebenen Stromflußzeit t_a je Stromrichterzweig erreicht, dann sollte die Steuereinrichtung für den Widerstand zweckmäßig so ausgebildet werden, daß der Wert dieses Widerstandes mit der Wurzel aus /„ sinkt (bei Parallelschaltung) bzw. steigt (bei Reihenschaltung), wobei I₁, 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 zugrunde gelegten 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 sind.

Man kann den Widerstandswert 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. Beispielweise kann man als Widerstand wieder einen Transistor wählen, dessen fest vorgegebene Aussteuerung während der Rückkippzeit einer monostabilen Kippstufe einen anderen konstanten Wert erhält: den Hingang der Kippstufe kann man dann über ein ODER-Gatter mit sämtlichen Ausgängen der den Stromrichter steuernden Steuereinheit verbinden.

Die Erfindung wird an Hand zweier Ausfiihrungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Stromrichteranlage mit einem erflndungsgetnäßen Überlastungsschutz,

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für den Teil T in der Anlage nach F i g. 1 und

F i g. 3 ein anderes AusfUhrungsbeispiel für den Teil 7* innerhalb der Anlage nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 mit A gezeichnete Stromrichter hat stufe, ist über eine Zenerdiode η5 an den Konden-

beispielsweise vier parallelgesehallete Zweige, die sator AS und parallel dazu über eine Zcnerdiode η4

über einen Gleichrichter/?, einen Stromwandler in mit höherer Zenerspannung als die Zenerdiode »5

und einen Schalter si an die Klemmen U und 12 und eine Diode ;i2 an die Quelle Q angeschlossen,

eines Wechselspannungsnetzes angeschlossen sind. 5 Die bistabile Kippstufe K hat noch einen weiteren

Jeder Zweig besteht aus einer Wicklung/-! bis Ln Eingang, dem über einen von Hand zu betätigenden

in Reihenschaltung mit je einem Thyristor ρ I bisp/i. Schalters si eine Spannung zum Rückkippen in den

Die Verbindungspunkte zwischen Wicklung und Ruhezustand zugeführt werden kann.

Tlnristur jedes Zweiges sind über einen Kommu- Die Zeitkonstante des aus den Widerständen rl,

tierungskondensaior Al bis kn mit demselben Ver- io r2, dem Transistor ρ 4 und dem Kondensator A 5 be-

liindungspunkt des im Kommutierungszyklus folgen- stehenden /iC-Gliedes und die Zenerspannung der

den Stromrichterzweiges verbunden. Zenerdiode η 5 sind so aufeinander abgestimmt und

Die Wicklungen Ll bis Ln können die Wick- der Belastbarkeit der Halbleiterventile (Gleichrichter lungen eines Wechselrichtertransformators oder oder Thyristoren) so angepaßt, daß die Kippstufe K -— wie in vorliegendem Ausführungsbeispiel — die 15 erst dann anspricht, wenn die Spannung U\- an dem räumlich gegeneinander versetzten Wicklungen einer Kondensator A5 den bei Nennbetrieb (beliebig vorSynchronmaschine sein. gebbare Frequenz und durch die Belastbarkeit der

Die Steuerimpulse für die Thyristoren ρ 1 bis pn Halbleiterventile bestimmter Strom) auftretende werden von einer Steuereinheit St geliefert, die an Spannung um einen bestimmten Betrag überschritten lieh bekannten Aufbau haben kann. Insbesondere 20 wird. Das kann z. B. bt: unverändertem Gesamtkann die Folgefrequenz der Steueri npulse in an sich strom durch eine Erhöhung der Stromflußzeiten bekannter Weise durch die Stellung des Läufers der (niedrigere Betriebsfrequenz) hervorgerufen werden, Synchronmaschine, die magnetisch, kapazitiv oder weil in diesem Fall der Transistor ρ4 weniger durchcptisch abgetastet wird, bestimmt sein. Die Drehzahl gesteuert und damit sein Widerstand erhöht wird, so tier Maschine hängt in diesem Fall nicht von der 25 daß sich der Kondensator A 5 bei unveränderter Belastung ab. Spannung der Quelle Q auf eine höhere Spannung

Zur Gewinnung einer von der Stromflußdauer aufladen kann.

innerhalb der einzelnen Stromrichterzweice in der Eine derartige Erhöhung der Spannung am Konfewünschlen Art abhängigen Spannung dient ein densatorAS und ein Auslösen der Kippstufe K er-Cjeber G. der eingangsseitig mit wenigstens zwei 30 gibt sich aber auch dann, wenn der Strom / und dalolchen Ausgängen der Steuereinheit 5/ verbunden mit die Spannung der Quelle Q bei unveränderter ist, die die Steuerimpulse für zwei im Kommutie- Betriebsfrequenz entsprechend ansteigt. Dagegen rungszyklus aufeinanderfolgende Stromrichterzweige würde ein derartiges Ansteigen noch nicht zur Ausliefern (p3, pn). In vorliegendem Ausführungsbei- lösung der Kippstufe K führen, wenn dieser Anstieg jpiel kann statt dessen auch eine mit dem Rotor der 35 des Gesamtstromes / mit einer entsprechenden ZuSynchronmaschine gekuppelte Tachometermaschine nähme der Betriebsfrequenz verbunden wäre, was liienen. Die von dem Geber G gelieferte Spannung eine Erhöhung der Spannung U₁. und damit eine tvird "inem RC-Glied zugeführt, das einen weiteren, stärkere Durchsteuerung des Transistors ρ4 zur Folge mit einer Quelle Q verbundenen Eingang hat und hätte, was einer Erhöhung der Spannung am Konlin seinem Ausgang eine einer Kippstufe K züge- 40 densatorAS entgegenwirken würde. Die Grenze der führte Spannung liefert. Die Quelle Q ist eingangs- thermischen Belastung der Halbleiterventile in den Icitig an die Sekundärwicklung des Stromwandlers m Stromrichterzweigen wird bei dieser höheren Belingeschlossen und enthält im wesentlichen einen triebsfrequenz erst bei einem noch höheren Wert des IJiirdenwidcrstand r. einen Zwciwegcgleichrichter η 1 Gesamtstromes des Stromrichters erreicht,
lind einen Glättungskondensator A4 (vgl. Fig. 2 45 Die Überwachungseinrichtung nach Fig. 2 kann lind 3) und liefert am Ausgang eine dem dem Strom- die ihr zugedachte Funktion nicht mehr erfüllen, lichter zugeführtcn Strom 7 proportionale Spannung. wenn der Transistor ρ 4 durchlegiert; eine Ausfüh-KIit Hilfe des Ausgangssignals der Kippstufe K wird rungsform, die selbst in diesem Falle noch einsatz-•inerseits eine SchalteinrichtungS angesteuert, durch fähig bleibt, zeigt Fig. 3: Diese Ausführungsform •!lic der Schalter λ 1 ausgelöst werden kann: ferner 50 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 lediglich da-1'ird durch das Ausgangssignal der Kippstufe K Hie durch, daß die Aufladung des Kondensators A 5 mit AN-iabe der Steuerimpulse von der Steuereinheit St Hilfe eines zwischen der Diode/i3 und dem Widergcsi ^crr·· stand rl liegenden Transistors pS gesteuert wird. Der

Einzelheiten der Anordnung nach Fig. 1 zeigt Steuerstromkreis dieses Transistors verläuft über die Tig. 2: An den Ausgang der Quelle Q ist die Reihen- 55 Diode «3. einen Widerstand r3 und die Emitter-Kol-•chaltung einer Diode >;3, eines Widerstandes rl und lcktor-Sfcckc eines Transistors p6 und liegt zwischen tines Kondensators A 5 gelegt, dem ein Widerstand den Klemmen der Quelle Q. Die Basis-Emittcr-Strcckc ti und die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transi- des Transistors ρ6 liegt über einen Widerstand r4 an stors ρ 4 parallel geschaltet ist. Die Basis-Emitter- dem positiven PoIP einer nicht dargestellten Span-Strecke des Transistors ρ 4 ist an den Ausgang des 60 nungsquelle; dieser Transistor ρ 6 ist daher über dic-Gebcrs G angeschlossen, der die von der Betriebs- sen Stromkreis durchgesteuert, so daß auch der Tranfrequenz des Stromrichters A abhängige Spannung U_F sistor/;5 utirchgesteuert ist. Die von dem Geber G liefert, die mit abnehmender Betriebsfrequenz fällt. gelieferte, mit der Betriebsfrequenz des Stromrichters Der Geber G ki/inte auch e^;ncn Sperrstrom liefern, steigende Spannung V_r liegt über einen Widerder von Durchsteuerimpulsen konstanter Dauer mit 65 stand r S in sperrendem Sinne an der Steuerstrecke der Folgefrequenz der von der Steuereinheit geliefer- des Transistors ρ 6, so daß die effektiven Widerstände ten Steuerimpulse unterbrochen wird. Der Eingang der Emitter-Kollektor-Strccken der Transistoren ρ 5 der Kippstufe K₁ vorzugsweise eine bistabile Kipp- und ρ 6 mit zunehmender Betriebsfrequenz des

Stromrichters ansteigt; die Spannung am Kondensator k 5 kann daher den zum Ansprechen der Kippschaltung K erforderlichen Grenzwert nur bei entsprechend höherem Gesamtstrom des Stromrichters (entsprechend höhere Spannung der Quelle Q) erreichen.

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 3 ist der Eingang der Kippstufe K über eine Diode «2 und eine Zenerdiode/i4 direkt an die Klemmen der Quelle Q angeschlossen; die Zenerdiode «4 ist so bemessen, daß die Kippstufe K ohne Rücksicht auf die jeweilige Betriebsfrequenz des Stromrichters A bei einem durch die Bemessung der Zenerdiode H 4 bestimmten oberen Grenzwert verzögerungsfrei anspricht.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausfiihrungsbei- '° spiel wird beim Ansprechen der Kippstufe K der Schalter si in der Verbindungsleitung zwischen Stromrichter und Energiequelle 11,12 geöffnet; sofern die Kippstufe K bistabiles Verhalten hat, bleibt dieser Schalter geöffnet, bis die Kippstufe durch Be- as tätigen des Schalters 52 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 RC-Glied erfaßt werden, immer noch bestehen, spricht die Kippstufe erneut an und öffnet den Schalter si wiederum für die Dauer der Rückkippzeit dieser monostabilen Kippstufe.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Überlastungsschutz für einen Stromrichter mit steuerbaren Halbleiterventilen, mit einem ÄC-Glied. dem ein dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom proportionaler Strom und eine Korrekturgröße zugeführt wird, und mit einem Signalgeber, dem die Spannung an dem Kondensator des /?C-GIiedes zugeführt wird und der anspricht, wenn die Kondensatorspannung einen bestimmten Grenzwert erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Kondensator (λ-5) oder in Reihe zu ihm ein veränderbarer Widerstand (p4, ρ S) liegt, der über eine Steuereinrichtung so in Steuerabhängigkeit von der die Korrekturgröße bildenden Betriebsfrequenz des Stromrichters (A) steht, daß Widerstandswert mit abnehmender Betriebsfrequenz steigt, wenn der Widerstand (Fig. 2) parallel /u dem Kondensator liegt bzw. sinkt, wenn der Widerstand in Reihe (Fi g. 3) zu dem Kondensator liegt.

2. Überlastungsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand mit der Wurzel aus I_n sinkt bzw. steigt, wobei I_n die Stromflußzeit der einzelnen Zweige des Stromrichters ist.

3. Überlastungsschutz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Signalgebers (K) über eine erste Zenerdiode (/) 5) an den Kondensator (kS) des /?C-Gliedes und über eine zweite Zenerdiode (n 4) mit höherer Zenerspannung an eine Spannungsquelle (Q) angeschlossen ist, die eine dem dem Stromrichter zugeführten oder von ihm abgegebenen Strom prornrtionale Spannung liefert.

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

5. Überlastungsschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Signalgeber (K) eine bistabile Kippstufe dient, der ein Handschalter (s 2) zum Rückstellen zugeordnet ist.

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

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

8. Überlastungsschutz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (51) so ausgebildet ist, daß er nur während der Hauer des vom Signalgeber (K) gelieferten Ausgangssignals geöffnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunsen