-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für den Schutz
von in Serie oder parallel geschalteten Umrichtern in einem elektrischen Netz
für dessen
Stabilisierung gegenüber
einem Systemfehler und/oder einem Kurzschlußfehler.
-
Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung werden deren technischer Hintergrund kurz zusammengefaßt. Die 14 zeigt
ein schematisches Schaltbild einer Anordnung eines gebräuchlichen Umrichters,
der in Serie mit einem elektrischen Netz geschaltet ist, der beispielsweise
in "Transactions
in The National Convention of Industrial Applications Section of
The Institute of Electric Engineers of Japan", (1993), Nr. 103, S. 444, offenbart
ist. Unter Bezug auf die Figur ist ein SVC vom Selbsterregertyp (selfexcitation
type SVC, hiernach als Umrichter bezeichnet) mit der Sekundärwicklung
eines Reihentransformators verbunden, der eine Primärwicklung aufweist,
die mit einer Phasenstarkstromleitung eines elektrischen Netzes 1 verbunden
ist. Der Umrichter 3 ist in Form einer Dreiphasenbrückenschaltung realisiert,
die aus GTO-Schaltelementen
wie Thyristoren (im folgenden als GTO-Schaltelemente bezeichnet) gebildet
sind, an die jeweils Dioden D antiparallel angeschlossen sind, wobei
eine Gleichspannungskapazität 6 zum
Bereitstellen einer Gleichspannung zwischen den Gleichspannungseingangsleitungen angeschlossen
ist und Wechselspannungsausgangsleitungen mit der Sekundärwicklung des
Reihentransformators 2 verbunden sind.
-
Üblicherweise
ist der Umrichter 3 parallel an das elektrische Netz 1 zum
Erzeugen einer Blindleistung und zum Verbrauchen einer derartigen
Blindleistung im Hinblick auf die Sicherung der Stabilisierung des
elektrischen Netzes verbunden. Zudem ist durch die Serienverbindung
des Umrichters 3 mit dem elektrischen Netz eine Veränderung
der Impedanz des elektrischen Netzes 1 möglich. Demnach
dient der Umrichter als sehr wirksame Vorrichtung für die Stabilisierung
des elektrischen Netzes.
-
Insbesondere
dient der Umrichter zum fortlaufenden Erzeugen einer Wechselspannung,
die orthogonal zu einem Systemstrom durch das elektrische Netz fließt. Demnach
läßt sich
die wirksam werdende Impedanz des elektrischen Netzes verändern, indem
die Amplitude der Wechselspannung verändert wird, was funktionsmäßig gleichbedeutend
zu einer fortlaufenden Steuerung einer Kapazität ist, die in Serie mit dem
elektrischen Netz 1 verbunden ist, und was demnach zur
Gewährleistung
eines sehr hohen Wirkungsgrades bei der Realisierung der Stabilisierung
des elektrischen Netzes führt.
Da ansonsten der Umrichter 3 immer die Wechselspannung
orthogonal zu dem Systemstrom erzeugt, entfällt die Anforderung, eine geeignete
Stromversorgungsquelle auf der Gleichspannung des Umrichters 3 vorzusehen.
-
Bei
dem bisher bekannten üblichen
Umrichter mit der obigen Struktur sind die in Serie mit dem elektrischen
Netzwerk verbundenen Umrichter für
die Stabilisierung des elektrischen Netzes sehr wirksam. Jedoch
kann aufgrund der Serienverbindung der Umrichter mit dem elektrischen
Netz eine unerwünschte Überspannung
in dem Netz bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz
oder bei Auftreten eines Fehlers in dem Stromrichtergerät oder bei
Abschalten der Stromrichter und demnach bei einer Unterbrechung
des Systemstroms auftreten. Demnach treten große Schwierigkeiten bei dem
Schutz und der Steuerung des bisher bekannten Stromrichtergeräts auf.
-
Die
DE 33 08 411 C2 beschreibt
eine Spannungsversorgung für
einen Elektroabscheider; bei der bei einem Abscheiderkurzschluß ein primärseitiger
Thyristorsteller sperrbar ist. Darüber hinaus ist parallel zur
Primärwirkung
des Hochspannungstransformators ein mit Thyristoren aufgebauter
Schnellschalter vorgesehen, der gleichzeitig zum Abschalten des
stromführenden
Thyristors im Thyristorsteller auslösbar ist, um die Spannungsversorgungsschaltung
zu schützen.
-
Die
DE 35 17 556 A1 beschreibt
einen statischen Wechselrichter, bei dem eine Sicherung ausgelöst werden
kann; falls ein Laststrom einen bestimmten Wert übersteigt. Dazu ist eine Anzapfstelle in
der Sekundärwicklung
eines Transformators sowie eine Steuerschaltung vorgesehen, mit
Hilfe derer im Falle eines überhöhten Laststromes
der Strom durch die Sicherung weiter erhöht werden kann, um diese auszulösen.
-
Die
US 5 309 346 A zeigt
eine Schutzschaltung für
einen Umrichter für
ein elektrisches Netzsystem. Wenn ein Überstrom im Netzsystem auftritt
und dessen Amplitude einen Referenzwert überschreitet wird ein Signal
generiert und ein Kondensator durch die Umrichtersteuerung in einem
Normalmodus entladen. Sobald der Kondensator entladen ist, werden alle
GTO-Thyristoren des Umrichters angeschaltet, um dadurch den Umrichter
zu schützen.
Erst wenn der fehlerhafte Zustand beendet ist, geht der Umrichter
wieder in den Normalmodus über.
-
Im
Lichte des Stands der Technik, wie er oben beschrieben ist, besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Schutzschaltung
für einen
Umrichter, die in der Lage ist, die in Serie mit dem elektrischen
Netz verbundenen Umrichter bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen
Netz mit verbesserter Reaktionsgeschwindigkeit zu schützen.
-
Diese
Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1, 3
und 5 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Ein
Stromrichterschutzgerät
für ein
elektrisches Netz enthält:
jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines elektrischen
Netzsystems verbundene Transformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen
der Transformatoren verbundene Umrichter, eine erste Stromdetektorvorrichtung
zum Erfassen von Systemströmen,
die über
die Phasenstarkstromleitung fließen, eine zweite Stromdetektorvorrichtung zum
Erfassen der Umrichterströme,
die zu den Umrichtern jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen
fließen,
eine Fehlerentscheidungsvorrichtung zum Ausgeben eines Fehlersignals
bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage
des Systemstroms, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung zum Abgeben
eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls bei Empfang des Fehlersignals,
und eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung zum Zuführen eines Steuersignals zu
den Umrichtern um die Ausgänge
der Umrichter auf Null zu setzen, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl,
wenn in dem der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers
erfaßt
wird, unter einen zulässigen
Schaltstrom der Umrichter absinkt.
-
Mit
der oben beschriebenen Struktur der Umrichterschutzschaltung wird
die Ausgangsspannung des Umrichters zum Ausgeben einer Wechselspannung
orthogonal zu dem Systemstrom so gesteuert, daß sie im wesentlichen Null
wird, wenn das Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz
auf Grundlage des Systemstroms, der durch die Starkstromleitung
fließt,
erfaßt
wird, indem der Umrichterstrom der Umrichter zu üblicherweise in dem Umrichter
enthaltenen Schwungraddioden derart umgeschaltet wird, daß der Umrichterstrom
durch die Schwungraddioden fließt,
während
er die Schaltelemente des Umrichters umgeht. Demnach kann der Umrichter
vor einer Zerstörung
oder einer Beschädigung
aufgrund eines großen
Stroms, der bei Auftreten des Systemfehlers erzeugt wird, geschützt werden.
Ferner kann der Strom die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters
umgehen, ohne daß eine
Anforderung für
das zusätzliche
Vorsehen eines Geräts besteht,
das speziell zu diesem Zweck entworfen ist. Weiterhin kann der Betrieb
des Umrichters unmittelbar nach Entfernung des Systemfehlers erneut
gestartet werden. Demnach kann eine Umrichterschutzschaltung geschaffen
werden, die sich mit hoher Zuverlässigkeit bei geringen Kosten
realisieren läßt.
-
Die
Umrichterschutzschaltung kann ferner enthalten: einen parallel mit
jeder Sekundärwicklung der
Transformatoren verbundenen Schalter, und eine Verzögerungsschaltung
zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters mit einer
Zeitverzögerung
bei Empfang des Fehlersignals von der Fehlerentscheidungsvorrichtung
fortlaufend über
eine festgelegte Zeitspanne hinweg.
-
Bei
der oben beschriebenen Umrichterschutzschaltung wird die Ausgangsspannung
des Umrichters so gesteuert, daß sie
zu Null gesetzt wird, wenn der Systemfehler fortlaufend über eine
Zeitdauer vorliegt, die eine zulässige
Stromleitzeit der Schaltelemente zum Bilden des Umrichters übersteigt, während der
parallel zu der Sekundärwicklung
des Transformators angeschlossene Leistungsschalter geschlossen
wird, damit hierdurch der Umrichterstrom durch den Leistungsschalter
unter Umgehung des Umrichters fließt. Aufgrund einer derartigen
Anordnung kann der Umrichter gegen einen großen Fehlerstrom selbst dann
geschützt
werden, wenn der Systemfehler fortlaufend über eine verlängerte Zeitdauer
hinweg vorliegt. Demnach läßt sich
die Zuverlässigkeit
der Umrichterschutzschaltung weiter erhöhen.
-
Die
Umrichterschutzschaltung kann ferner enthalten: jeweils in Serie
mit Phasenstarkstromleitungen eines elektrischen Netzsystems verbundene in
Reihe geschaltete Transformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen
der Transformatoren verbundene Umrichter parallel mit den Sekundärwicklungen verbundene
Halbleiterschaltelemente, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum
Erfassen von Systemströmen,
die über
die Phasenstarkstromleitung fließen, und eine Systemfehler-Detektorvorrichtung
zum Ausgeben eines Anschaltsignals an die Halbleiterschaltelemente
und zum gleichzeitigen Ausgeben eines Abschaltsignals an die Umrichter
nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage
des erfaßten
Systemstroms.
-
Bei
dieser Anordnung des oben beschriebenen Umrichtergeräts ist das
Halbleiterschaltelement parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen
und wird angeschaltet, wenn der Systemfehler erfaßt wird,
und zur selben Zeit werden die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters
abgeschaltet, damit ein großer
Fehlerstrom durch die Halbleiterschalterelemente unter Umgehung
der Umrichterschaltelemente fließen kann. Demnach läßt sich
der Schutz des Umrichters mit einer einfachen und billigen Struktur
gewährleisten.
-
Die
oben beschriebene Umrichterschutzschaltung mit den Halbleiterschaltelementen
kann ferner enthalten: einen parallel mit jeder Sekundärwicklung
der Transformatoren verbundenen Schalter, und eine Verzögerungsschaltung
zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters mit einer Zeitverzögerung bei
Empfang des Fehlersignals von der Systemfehler-Entscheidungsvorrichtung
fortlaufend über
eine festgelegte Zeitspanne hinweg.
-
Mit
der oben beschriebenen Anordnung des Umrichters wird das parallel
mit der Sekundärwicklung
des Transformators verbundene Schaltelement bei Erfassung des Systemfehlers
angeschaltet, und zur gleichen Zeit werden die Schaltelemente zum
Bilden des Umrichters abgeschaltet, damit ein großer Fehlerstrom
durch das Halbleiterschaltelement unter Umgehung der Umrichterschaltelemente
fließen kann.
Anschließend
wird dann, wenn der Systemfehler über eine Zeitdauer hinweg fließt, die
eine zusätzliche
Zeitdauer für
die Halbleiterschaltelemente übersteigt,
der parallel zu der Sekundärwicklung
des Transformators angeschlossene Leistungsschalter geschlossen,
wodurch der Fehlerstrom über
den Leistungsschalter unter Umgehung des Halbleiterschaltelements
fließen
kann. Mit Hilfe einer derartigen Anordnung kann das Halbleiterschaltelement
mit einer geringen Stromkapazität
und einer niedrigen thermischen Kapazität benützt werden, was vorteilhaft
dahingehend ist, daß sich
die Umrichterschutzschaltung mit geringen Abmessungen realisieren läßt.
-
Die
Umrichterschutzschaltung kann ferner einen Chopper enthalten, der
im Zusammenhang mit der Sekundärwicklung
jedes der Transformatoren vorgesehen ist, damit das Anlegen einer Überspannung
an den Umrichter vermieden wird.
-
Mit
der oben beschriebenen Anordnung der Umrichterschutzschaltung kann
die Überspannung, die
auftreten kann, wenn die Sekundärseite
des Transformators geöffnet
wird und zwar aufgrund eines Fehlers des Umrichters mit Hilfe des
Choppers gehandhabt werden, der parallel zu der Sekundärwicklung
des Transformators angeschlossen ist. Demnach kann der Umrichter
gegen das Anlegen einer Überspannung
geschützt
werden. Anders ausgedrückt,
läßt sich
ein Schutz des Umrichters mit höherer
Zuverlässigkeit
erreichen.
-
Eine
weitere Umrichterschutzschaltung kann enthalten: Transformatoren
mit jeweils in Serie zu Phasenstarkstromleitungen verbundenen Starkstromleitungen,
wobei bei jedem Transformator eine Sekundärwicklung in mehrere Wicklungsabschnitte unterteilt
ist, Gruppen von Umrichtern, die jeweils für die Phasenstarkstromleitungen
des elektrischen Netzsystems vorgesehen und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten
der Transformatoren verbunden sind, wobei Gleichspannungseingangsleitungen
der Umrichter jeweils mit den Sekundärabschnitten einer selben Stufe
der Transformatoren für
die Phasenstarkstromleitungen und untereinander verbunden sind und
jeweils über
Schutzsicherungen zu Gleichspannungskapazitäten geführt sind, eine Kurzschlußdetektorvorrichtung,
die jeweils im Zusammenhang mit den Umrichtern vorgesehen ist, zum
Erfassen. des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in dem Umrichter,
eine Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung
zum Bestimmen desjenigen sekundären Wicklungsabschnitts,
mit dem der Umrichter mit einem Kurzschlußfehler verbunden ist, auf
der Grundlage eines von der Kurzschluß-Detektorvorrichtung ausgegebenen
Kurzschlußdetektorsignals,
und eine Zwangszündschaltung,
die bei Festlegen des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in einen der Umrichter anspricht,
um diejenige Schmelzsicherung aufzubrechen, die jeweils gemeinsam
mit den Gleichspannungs-Eingangsleitungen
der Umrichter für
die Phasenstarkstromleitungen und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten
verbunden ist, und zwar mit einer selben Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts,
mit der auch der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler verbunden ist.
-
Mit
Hilfe der oben beschriebenen Struktur der Umrichterschutzschaltung
läßt sich
ein redundantes System realisieren, da jede Sekundärwicklung
des Transformators einzeln in Serie zu der Starkstromleitung des
elektrischen Netzes eingefügt ist
und in mehrere Abschnitte unterteilt ist, mit einer entsprechenden
Zahl von Umrichtern für
jede der Starkstromleitungen, wodurch bei Auftreten eines Fehlers
bei einem der Umrichter, der für
eine Starkstromleitung vorgesehen ist, alle Schaltelemente derjenigen
Umrichter, die für
die anderen Starkstromleitungen vorgesehen sind und mit denselben
Sekundärwicklungsabschnitten
wie der eine Umrichter verbunden sind, angeschaltet werden, um hierdurch
die Schutzsicherung zu schmelzen und alle mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten
verbundenen Umrichter abzukoppeln. Der Systembetrieb kann fortlaufend
mit Hilfe anderer Umrichter fortgesetzt werden, die mit dem (den)
anderen Sekundärwicklungsabschnitt
(Sekundärwicklungsabschnitten)
verbunden ist (sind). Demnach läßt sich
ein Merkmal hinsichtlich Ausfallsicherheit der Umrichterschutzschaltung
mit geringen Kosten bei niedrigen Abmessungen realisieren.
-
In
der oben beschriebenen Umrichterschutzschaltung können ferner
vorgesehen sein:
jeweils parallel mit den Sekundärwicklungen
der Transformatoren verbundene Schalter und Verzögerungsschaltungen, die jeweils
zum Verzögern
des Schließsignals
vorgesehen sind, das dem zugeordneten Schalter mit einer festgelegten
Verzögerung nach
dem Bestimmen des Kurzschlußfehlers
durch die Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung
zugeführt wird.
-
Aufgrund
der oben beschriebenen redundanten Ausbildung des Stromrichterschutzgeräts mit mehreren
Umrichtern für
jede der Starkstromleitungen werden bei einem Auftreten eines Fehlers
in einem der Umrichter für
eine vorgegebene Starkstromleitung all die Schaltelemente derjenigen
Umrichter angeschaltet, die für
die anderen Starkstromleitungen vorgesehen und mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten
wie der eine Umrichter verbunden sind, um hierdurch die Schutzsicherung
zu schmelzen und all die Umrichter abzukoppeln, die mit denselben
Sekundärwicklungsabschnitten
verbunden sind. Anschließend
werden die Leistungsschalter, die parallel mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten
verbunden sind, zum Auslösen
von Kurzschlußströmen unter
Umgehung der relevanten Umrichter durch einen Stromfluß über die
Leistungsschalter geschlossen. Demnach können selbst dann, wenn der Kurzschlußfehler über eine
verlängerte
Zeitdauer hinweg fortlaufend vorliegt, die fehlerfreien Umrichter (d.h.,
die Umrichter, bei denen kein Fehler vorliegt) vor einer Beschädigung oder
einer Zerstörung,
geschützt
werden.
-
Die
oben beschriebene Umrichterschutzschaltung kann weiter enthalten:
jeweils
in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines eletrischen Netzsystems
verbundene Transformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren
verbundene Umrichter, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen
von Systemströmen,
die über
die Phasenstarkstromleitung fließen, eine zweite Stromdetektorvorrichtung
zum Erfassen der Umrichterströme,
die
zu den Umrichtern jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen
der Transformatoren fließen, eine
Fehlerentscheidungsvorrichtung zum Ausgeben eines Fehlersignals
bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers in dem elektrischen
Netzsystem auf der Grundlage des Systemstroms, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung
zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls bei Empfang
des Fehlersignals, und eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung zum
Zuführen
eines Steuersignals zu den Umrichtern um die Ausgänge der
Umrichter zu Null zu setzen, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl
in einem Zeitpunkt, in dem der Umrichterstrom, wie er während des
Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom
der Umrichter absinkt, eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung zum
Steuern eines Steuersignals, das den Umrichtern zugeführt wird,
um die Ausgänge
der Umrichter in Abhängigkeit von
dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl zu einem Zeitpunkt zu Null
zu setzen, wenn der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers
erfaßt
wird, unter einen zulässigen
Schaltstrom der Umrichter absinkt, und eine Verzögerungsschaltung jeweils zum
Ausgeben eines Schließsignals
an die parallel an die Sekundärwicklungen
der Transformatoren angeschlossenen Schalter mit einer Verzögerung einer
festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen eines Kurzschlußfehlers
in den Umrichtern, wie er von der Entscheidungsvorrichtung festgestellt
wird, oder mit einer Verzögerung
einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen des Auftretens
eines Systemfehlers durch die Fehlerentscheidungsvorrichtung.
-
Mit
der oben beschriebenen Anordnung der Umrichterschutzschaltung mit
redundanter Struktur können
die Umrichter nicht nur gegenüber
einem Systemfehler, sondern auch gegenüber einem Kurzschlußfehler
geschützt
werden. Demnach läßt sich die
Zuverlässigkeit
der Umrichterschutzschaltung erheblich verbessern.
-
Ferner
kann ein Unterbrecherschalter enthalten sein, von denen jeder in
Serie zu einer Gleichspannungseingangsleitung und einer Wechselspannungsausgangsleitung
jedes einzelnen der Umrichter geschaltet ist.
-
Mit
dieser oben beschriebenen Struktur der Umrichterschutzschaltung
werden die Unterbrecherschalter, die jeweils mit einer Gleichspannungseingangsseite
und einer Wechselspannungsausgangsseite verbunden sind, in dem Zustand
geöffnet,
bei dem ein Kurzschlußstrom
durch die Leistungsschalter geshuntet wird. Demnach kann der unter
dem Fehler leidende Umrichter entfernt werden, ohne daß der Betrieb
des elektrischen Netzes unterbrochen werden muß. In anderen Worten wird die
Umrichterschutzschaltung im Hinblick auf seine Eignung für eine Pflege
verbessert.
-
Die
Umrichterschutzschaltung kann weiter so entworfen sein, daß die parallel
mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter anstelle der seriell
angeschlossenen Umrichter gegen einen Systemfehler und/oder einen
Kurzschlußfehler
geschützt sind.
-
Bei
der oben beschriebenen Umrichterschutzschaltung lassen sich die
parallel mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter gegen den Systemfehler
und/oder den Kurzschlußfehler
schützen.
-
Die
obige Aufgabe, die Merkmale und zugeordneten Vorteile der vorliegenden
Erfindung können besser
nach dem Wesen der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hiervon,
die lediglich beispielhaft erläutert
werden, zusammen mit der beiliegenden Zeichnung verstanden werden.
-
Im
Verlauf der nachfolgenden Beschreibung erfolgt ein Bezug auf die
Zeichnung; hierbei zeigen:
-
1 ein
schematisches Schaltbild zum Darstellen einer allgemeinen Schaltungsanordnung einer
Umrichterschutzschaltung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 ein
Zeitdiagramm zum Darstellen einer Beziehung zwischen Zündsignalen
und einem Systemstrom in einer Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung zum Darstellen des Betriebs des Umrichters in einem
Zustand, in dem das elektrische Netz normal betrieben wird;
-
3 ein
Zeitdiagramm zum Darstellen einer Beziehung zwischen Zündsignalen
und einem Systemstrom bei Auftreten eines Systemfehlers in einer
Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung;
-
4 ein
schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
5 ein
Zeitdiagramm zum Darstellen des Betriebs der Umrichterschutzschaltung
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung;
-
6 ein
Schaltdiagramm zum Darstellen einer Anordnung einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
7 ein
Schaltdiagramm zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
8 ein
Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
9 ein
Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung;
-
10 ein
Schaltdiagramm zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
siebten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
11 ein
Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
12 ein
schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Umrichterschutzschaltung
für Umrichter,
die parallel mit einem elektrischen Netz verbunden sind;
-
13 ein
Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
zehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
-
14 ein
schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Anordnung eines bekannten
Umrichters, der in Serie mit einem elektrischen Netz verbunden ist.
-
Nun
wird die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben, und zwar
im Zusammenhang mit den momentan als bevorzugt oder typisch angesehenen Ausführungsformen
unter Bezug auf die Zeichnung. In der folgenden Beschreibung kennzeichnen
gleiche Bezugsbuchstaben gleiche oder entsprechende Teile bei den
einzelnen Ansichten.
-
Ausführungsform 1
-
Eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung
beschrieben. Die 1 zeigt ein schematisches Schaltbild
zum allgemeinen Darstellen einer Schaltungsanordnung einer Umrichterschutzschaltung
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung. Unter Bezug auf die Figur enthält die Umrichterschutzschaltung
Transformatoren 2a bis 2c mit Primärwicklungen,
die jeweils mit Phasenstarkstromleitungen 1a bis 1c des
elektrischen Netzes 1 verbunden sind, wobei Umrichter 3A bis 3C mit
den Sekundärwicklungen
der Transformatoren 2a bis 2c derart verbunden
sind, daß jeweils
die Sekundärströme (Umrichterströme) I der
Transformatoren 2a bis 2c zu den Umrichtern 3A bis 3C fließen. Die
Eingabeleitungen der positiven Polarität oder Pluspolarität (anschließend als
Plus-Eingabeleitungen bezeichnet) der Umrichter 3A bis 3C sind
gemeinsam verbunden und werden über
eine Schutzsicherung 5 mit einem Anschluß einer
Gleichspannungskapazität 6 verbunden,
während
die Eingabeleitungen der negativen Polarität oder Minuspolarität (im folgenden
als Minus-Eingabeleitungen
bezeichnet) gemeinsam verbunden und zu dem anderen Ende der Gleichspannungskapazität 6 geleitet
sind.
-
Eine
Struktur der Schutzschaltung für
den Umrichter 3C wird beispielhaft für diejenigen der Umrichter 3A bis 3C beschrieben,
und es ist zu erkennen, daß sich
die nachfolgende Beschreibung auch auf die Schutzschaltungen für die letzteren
bezieht. Die nun betrachtete Schutzschaltung besteht aus einem Stromdetektor 7c,
der als zweite Stromdetektorvorrichtung zum Detektieren des Umrichterstroms
I des in Reihe geschalteten Transformators 2c dient, eine
Strombewertungsschaltung 8 zum Ausgeben eines Impulssignals,
wenn der Momentanwert des Umrichterstroms I unterhalb eines zulässigen oder
erlaubten Werts liegt, einen Stromdetektor 11, der als erste
Stromdetektorvorrichtung zum Detektieren eines Systemstroms I0 dient,
eine Systemfehlerdetektorvorrichtung, die als Fehlerentscheidungsvorrichtung
dient, mit der entschieden wird, ob ein Systemfehler vorliegt, auf
der Grundlage des von dem Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms
I0, um hierdurch ein Entscheidungssignal S auszugeben, wenn das
Vorliegen eines Systemfehlers festgestellt wird, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung
z.B. in Form eines Schalters 12a, der auf die Eingabe des Entscheidungssignals
S reagiert, um in eine Kontaktposition geschaltet zu werden, zum
Validieren eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls E0 für den Umrichter 3C,
während
er ansonsten so positioniert ist, daß er einen Normalausgangsspannungs-Befehl
EV von einer Befehlsschaltung für
eine normale Ausgangsspannung 14 enthält (die als Ausgangsspannungs-Befehlsvorrichtung
dient), eine Impulsgeneratorschaltung 15, die auf den durch
den Schalter 12a zugeführten
Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl E0 anspricht, damit ein erstes
Signal mit dreieckförmigem
Signalverlauf zum Erzeugen eines Einfachgatterimpulses (Einfachimpulses)
innerhalb eines Zyklus benützt
wird, während
es auf die Eingabe des Normalausgangsspannungs-Befehls EV über den Schalter 12a anspricht,
um hierdurch ein zweites Signal mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen
mehrerer Gatterimpulse (Mehrfachimpulse) innerhalb eines Zyklus
anspricht, zum Erzeugen eines (pulsbreitenmodulierten) PWM-Gatterimpulses
PG, durch Vergleichen des ausgewählten
zweiten Signals mit dreieckförmigem
Verlauf mit einer Kontrollspannung, die einen Ausgangsspannungsbefehl
anzeigt, und eine UND-Schaltung 9, die auf die Eingabe
des Impulssignals P der Stromentscheidungsschaltung 8 anspricht,
damit hierdurch der Gatterimpuls PG, der von der Impulsgeneratorschaltung 5 ausgegeben
wird, jeweils als Zündsingnal 3c1S bis 3c4S zum
Anschalten der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 (beispielsweise
GTO-Thyristoren) wirkt. An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß die Stromdetektorschaltung 8,
die UND-Schaltung 9 und die Impulsgeneratorschaltung 15 so
zusammenwirken, daß sie
eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung bilden.
-
Im
folgenden wird der Betrieb der Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Wie vorab erläutert, sind die in Reihen geschalteten
Transformatoren 2a, 2b und 2c jeweils
in Serie zu den Phasenstarkstromleitungen 1a, 1b und 1c des elektrischen Netzes 1 geschaltet.
Demnach wird ein Umrichterstrom I, dessen Wert durch das Wicklungsverhältnis bestimmt
ist, in der Sekundärseite
jedes Transformators 2a, 2b und 2c induziert.
Demnach wird der Transformator (beispielhaft durch ein Bezugszeichen 2 gekennzeichnet)
in einer Art betrieben, die derjenigen eines Stromwandlers entspricht.
Bei dem oben beschriebenen Umrichtersystem ist die Erzeugung und
die Steuerung der zu dem Systemstrom I0 orthogonalen Wechselspannung
mit Hilfe der Umrichter 3A, 3B und 3C der
Wirkung nach jeweils äquivalent zur
Einfügung
eines variablen Impedanzelements in die Starkstromleitung des elektrischen
Netzes zum Zweck der Gewährleistung
einer Stabilisierung des elektrischen Netzes.
-
Nun
erfolgt unter Bezug auf die 2, die ein
Zeitdiagramm zeigt, eine Ausrichtung der Beschreibung zu dem Betrieb
des Umrichters 3C, der für die anderen Umrichter 3A und 3B in
dem Fall repräsentativ
ist, unter der Annahme, daß sich
das elektrische Netz im Normalzustand befindet. Solange ein Auftreten
eines Fehlers des elektrischen Netzes 1 nicht durch die
Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 aufgrund des durch den
Stromdetektor 11 erfaßten Umrichterstroms
I erfaßt
wird, ist der Schalter 12a in die Kontaktposition umgelegt,
die der Befehlsschaltung für
die normale Ausgangsspannung 14 verbunden ist, in Abhängigkeit
von dem Entscheidungssignal S, wodurch eine Steuerspannung auf der
Grundlage des Normalausgangsspannungs-Befehls EV über den
Schalter 12a bei der Impulsgeneratorschaltung 15 eingegeben
wird.
-
Die
Impulsgeneratorschaltung 15 vergleicht die Steuerspannung
mit der vorausgewählten
Spannung mit dreieckförmigem
Signalverlauf, wodurch jeweils Zündsignale 3c1S, 3c2S, 3c3S und 3c4S ausgegeben
werden, die jeweils einen Impuls enthalten, und zwar jeweils an
die GTO-Schaltelemente 3c1, 3c2, 3c3 und 3c4 mit
dem in 2 dargestellten Zeitablauf. Von den vier Zündsignalen 3c1S bis 3c4S sind
die Zündsignale
(Gattersignale) 3c1S und 3c2S einerseits und die
Zündsignale
(Gattersignale) 3c3S bis 3c4S jeweils wechselseitig
um 180° verschoben, und
zwar im Hinblick auf die Phase der Einpegel-Periode (Tastperiode), und sie weisen
eine wechselseitig ausschließende
Beziehung zueinander auf. Die Zündsignale 3c1S bis 3c4S weisen
dieselbe Impulsbreite auf.
-
Insbesondere
sind die Breiten der Zündimpulse
sowie deren Ausgabezeitvorgaben so festgelegt, daß vermieden
wird, daß GTO-Schaltelemente 3c1 und 3c2 desselben
Arms der Umrichterbrückenschaltung
gleichzeitig angeschaltet werden, damit das Auftreten eines Kurzschlußfehlers
in der Wechselspannungsleitung vermieden wird. Ferner werden zum
Erzeugen der Ausgangsspannung V in Übereinstimmung mit dem Normalausgangsspannungs-Befehl
EV die Phasen der Zündimpulse 3c2S und 3c4S voneinander
verschoben. Hierdurch wird erreicht, daß die Phasen der Zündsignale
(Gattersignale) 3c2S und 3c4S einerseits und der
Zündsignale
(Gattersignale) 3c2S und 3c3S andererseits miteinander über eine
festgelegte Zeitdauer während
der Ausgabeperiode des Zündsignals überlappen.
-
Die
GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 werden jeweils
in Abhängigkeit
der Zünd-
oder Gattersignale 3c1S bis 3c4S angeschaltet,
wodurch jeweils Gleichspannungen positiver und negativer Polarität erzeugt
werden. Demnach wird eine Umrichterausgangsspannung V erzeugt, die
dem Normalausgangsspannungs-Befehl EV entspricht. Die Steuerung
der Umrichterausgangsspannung V kann dadurch erreicht werden, daß diejenigen
Abschnitte der Ausgabeperioden erhöht oder verringert werden, während der
die Zündsignale 3c1S und 3c4S einerseits
und die Zündsignale 3c2S und 3c3S andererseits
miteinander überlappen.
-
Die
Zündsignale 3c1S bis 3c4S werden
jeweils an die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 mit dem
in 2 dargestellten Zeitablauf ausgegeben, wodurch
die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 wiederholt
an- und abgeschaltet werden. Jedesmal dann, wenn das GTO-Schaltelement
abgeschaltet wird, wird der hierdurch fließende Umrichterstrom I mit
dem zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Momentanwert unterbrochen.
In dem Fall, in dem das Zündsignal
aus einem einzigen Gatterimpuls besteht, wird der Umrichterstrom
I mit dem in 2 gezeigten Stromwert unterbrochen.
Wenn jedoch das Zündsignal
durch Mehrfachgatterimpulse aufgebaut wird, werden die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 wiederholt
an- und abgeschaltet, und zwar in den Zeitpunkten, die jeweils den
Gatterimpulsen entsprechen.
-
Fließt bei auftreten
eines Systemfehlers der Systemstrom I0 mit einer Amplitude, die
einem Vielfachen derjenigen des Nennstroms entspricht, so fließt ein entsprechend
großer
Umrichterstrom I zu jedem der Umrichter 3A, 3B und 3C (im
folgenden werden die Umrichter auch gemeinsam durch das Bezugszeichen 3 gekennzeichnet),
wobei der Strom durch das Wicklungsverhältnis der Transformatoren 2a, 2b und 2c festgelegt
ist (auch gemeinsam durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet).
In dem Fall, in dem bei den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 der
Anschalt/Abschaltbetrieb mit den jeweils Mehrfachimpulse enthaltenden
Zündsignalen
zum Unterbrechen oder Zerhacken des Systemstroms I0 unabhängig von
der Amplitude von deren Momentanwerte durchgeführt wird, kann eine Situation
auftreten, daß die
Umrichter 3 den Betrieb stoppen oder den Systemstrom I0
nicht unterbrechen können,
wenn der Systemstrom I0 den -zulässigen
Strom (d.h., den Grenzstrom oder die Stromkapazität) der GTO-Schaltelemente übersteigt
und den Schutzpegel der Umrichter 3 erreicht, wodurch die
Transformatoren 2 in den lastfreien Zustand versetzt werden, was
zu einer Überspannung
an den Sekundärwicklungen
der jeweiligen Transformatoren führt.
-
Im
folgenden wird der Betrieb zum Schützen der Umrichter beschrieben,
der bei Auftreten eines Systemfehlers durchgeführt wird, unter Bezug auf ein in 3 gezeigtes
Zeitdiagramm. Die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 führt eine
Entscheidung durch, ob ein Systemfehler vorgelegen hat oder nicht, auf
der Grundlage des Werts des durch den Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms
I0. Wird das Auftreten eines Systemfehlers festgestellt, so wird
der Schalter 12a durch das Entscheidungssignal S in die Kontaktposition
umgeschaltet, bei der die Steuerspannung entsprechend dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl
E0 bei der Impulsgeneratorschaltung 5 eingegeben wird.
In Übereinstimmung mit
dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl E0 wird in der Impulsgeneratorschaltung 15 von
der zweiten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen
des Mehrfachimpulssignals zu der ersten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf
zum Erzeugen des Einfachimpuls-Zündsignals
gewechselt.
-
Demnach
erzeugt die Impulsgeneratorschaltung 15 ein PWM-Einfachimpulssignal
durch Vergleich der Steuerspannung mit der ersten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf.
In dem Zeitpunkt, in dem der Momentanwert des Umrichterstroms I
sich dem Nullwert nähert
und in den zulässigen
Strombereich fällt,
wie in 3 gezeigt ist, gibt die Stromentscheidungsschaltung 8 ein
Impulssignal P mit H-Pegel an die UND-Schaltung 9 ab.
-
Demnach
gibt dann, wenn der Umrichterstrom I innerhalb des zulässigen Strombereichs
liegt, die UND-Schaltung 9 den von der Impulsgeneratorschaltung 15 zugegührten Einfachimpuls
an den Umrichter 3C als Zündsignale 3c1S bis 3c4S ab.
In 3 sind jeweils die Zündsignale 3c1S bis 3c4S für die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 gezeigt,
zusammen mit dem Umrichterstrom I, und zwar bei Auftreten eines
Systemfehlers. Wie sich anhand der Figur erkennen läßt, werden
die GTO-Schaltelemenente 3c1 und 3c4 gleichzeitig
an-/abgeschaltet, während
die GTO-Schaltelemente 3c2 und 3c3 gleichzeitig
zueinander an-/abgeschaltet werden. Demnach tritt kein Überlapp
während
der Anschaltzeitdauer (d.h., der Zeitdauer, während der die GTO-Schaltelemente
leitend sind) zwischen den GTO-Schaltelementen 3c1 und 3c4 einerseits
und zwischen den GTO-Schaltelementen 3c2 und 3c3 andererseits
auf. Somit nimmt die Umrichterausgangsspannung V einen Wert von
Null an. Im Ergebnis wird der Umrichter 3C lediglich im
Schwungradmodus gültig/validiert, wodurch
der Umrichterstrom I durch die Schwungraddioden fließt, die
jeweils antiparallel mit den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 verbunden
sind.
-
Obgleich
der Umrichterstrom I einen großen Wert
entsprechend dem Systemstrom I0 im Zustand eines fehlerhaften Systems
annehmen kann, wird jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 in
einem Zeitpunkt an-/abgeschaltet, indem der Umrichterstrom ungefähr zu Null
wird. Demnach kann die Unterbrechung des Überstroms vermieden werden.
Zudem bestehen aufgrund der Tatsache, daß GTO-Schaltelemente mit einer
solchen Spezifikation eingesetzt werden, die über eine kurze Zeitdauer (d.h.,
vier bis acht Perioden) dem Fehlerstrom standhalten, praktisch keine
Probleme. Die oben beschriebene Situation ist äquivalent dem Auftreten eines Kurzschlusses
in den Sekundärwicklungen
der Transformatoren, und zwar aus Sicht des elektrischen Netzes.
Demnach lassen sich die Umrichter schützen, ohne daß es erforderlich
ist, zusätzlich Hochgeschwindigkeits-Shunt-Schaltungen
jeweils im Zusammenhang mit den Sekundärwicklungen der Transformatoren 3 vorzusehen.
-
Aus
den obigen Ausführungen
ist ersichtlich, daß durch
die Ausbildung des Schutzgeräts
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung die Umrichter gegen ein Außerbetriebsetzen und/oder eine Beschädigung aufgrund
eines großen
Stroms bei Auftreten des Systemfehlers geschützt werden können. Zudem
läßt sich
der Fehlerstrom (d.h., der bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen
Netz fließende
Strom) mit Hilfe von Schwungraddioden shunten oder überbrücken, wodurch
nicht nur das Vorsehen von Shunt-Schaltungen für die Sekundärwicklungen
der Transformatoren 2 überflüssig wird,
sondern sich auch der Betrieb unmittelbar nach Beheben des Fehlers
wieder aufnehmen läßt. Somit
kann ein Schutzgerät
realisiert werden, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und billig
verwirklicht werden kann.
-
Ausführungsform 2
-
Im
Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung wird davon ausgegangen, daß jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 die
Fähigkeit
aufweist, den Fehlerstrom über
eine Zeitdauer im Bereich von vier bis acht Taktperioden zu widerstehen.
Demnach kann dann, wenn der Fehler nicht innerhalb dieser Zeitdauer
entfernt oder behoben wird, die Fähigkeit der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 dem
Strom (d.h., dem zulässigen
fließenden
Strom) zu widerstehen, überschritten
werden.
-
Unter
diesen Umständen
wird gemäß der Erfindung,
wie sie in Form einer zweiten Ausführungsform realisiert ist,
vorgeschlagen, daß zusätzlich zu den
Funktionen des Schutzgeräts
der ersten Ausführungsform
eine Funktion vorgesehen ist, mit der die in den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 fließenden Ströme auf den
Bereich des zulässigen
fließenden Stroms
beschränkbar
sind.
-
Die 4 zeigt
ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer
Umrichterschutzschaltung gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der Figur kennzeichnen Bezugssymbole,
die mit den in 1 gezeigten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente
Komponenten, die in 1 gezeigt sind. Wie in 4 gezeigt
ist, wird zwischen den Wechselstromausgangsleitungen jedes Umrichters 3 ein
Schalter/Leistungsschalter (circuit breaker) 4 angeschlossen.
Ferner ist zusätzlich
eine Verzögerungsschaltung 16 vorgesehen,
die für
die Eingabe eines Schaltersteuersignals SC dient, und zwar dann,
wenn das Steuersignal S verschwindet, was das Vorliegen des Systemfehlers
anzeigt.
-
Im
folgenden wird der Betrieb der Umrichterschutzschaltung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
der Erfindung dadurch erläutert,
daß beispielhaft
der Umrichter 3C herausgegriffen wird, der für die anderen
Umrichter repräsentativ
ist, und zwar anhand des in 5 gezeigten
Zeitdiagramms. Während
des normalen Systembetriebs wird jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des
Umrichters 3 wiederholt an-/abgeschaltet, in Abhängigkeit
von dem Mehrfachimpuls-Zündsignal,
um die Umrichterausgangsspannung V in Übereinstimmung mit dem Normalausgangsspannungs-Befehl
EV zu erzeugen. In dem Fall, in dem die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 das
Vorliegen eines Systemfehlers feststellt, ersetzt das Einfachimpuls- Zündsignal das Mehrfachimpuls-Zündsignal
und wird an die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 in Übereinstimmung
mit dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl E0 in den in 5 dargestellten
Zeitpunkten ausgegeben, wodurch die Umrichterausgangsspannung zu
Null gesetzt wird.
-
In
diesem Zeitpunkt wird auch das Systemfehler-Anzeige-Entscheidungssignal
S, das durch die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 erzeugt
wird, bei der Verzögerungsschaltung 16 eingegeben.
Wird dieses Systemfehler-Anzeige-Entscheidungssignal S bei der Verzögerungsschaltung 16 fortlaufend über eine
festgelegte Zeitdauer (vier bis acht Taktzyklen) eingegeben, so
gibt die Verzögerungsschaltung 16 das
Schaltersteuersignal SC an den Schalter 4 ab, um den Schalter 4 hierdurch
zu schließen.
Hierdurch fließt
der Umrichterstrom I über
den Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters 3E,
was dazu führt,
daß der
durch den Umrichter 3C fließende Strom I zu Null wird.
Demnach läßt sich
der durch das GTO-Schaltelement fließende Strom bei dessen Abschaltung
auf den zulässigen
Strombereich beschränken.
Da der Umrichterstrom I Null wird, läßt sich jedes der GTO-Schaltelemente 3cl bis 3c4 in
den nichtleitenden Zustand abschalten, in dem die Gatterimpulse dieser
Schaltelemente oder GTO-Thyristoren rückgestellt werden.
-
Anschließend werden
nach der Behebung des Systemfehlers die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des
Umrichters 3C wiederholt an-/abgeschaltet, während das
Schaltersteuersignal SC von der Verzögerungsschaltung 16 durch
Steuerung mit dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl I0 entsprechend rückgesetzt
wird. Anschließend
wird der Schalter 4 nicht mehr in den Betrieb mit einbezogen,
damit der Umrichterstrom 4 durch die Umrichter fließen kann, woraufhin
der Betrieb gemäß dem Normalausgangsspannungs-Befehl
EV wieder aufgenommen wird.
-
Wie
sich aus dem Obigen erkennen läßt, wird
die Funktion zum Unterstützen
des Umrichter-Schutzbetriebs im Fall eines Systemfehlers, der über eine
verlängerte
Zeitdauer fortbesteht, zusätzlich
in die Umrichterschutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung mit einbezogen. Die Schutzbetrieb-Unterstützungsfunktion läßt sich
billig realisieren, da kein Gerät
eingebaut werden muß, über das
ein großer
Strom fließen
kann, um das Auftreten eines Fehlers oder eines anormalen Ereignis
in dem elektrischen Netz anzuhaben.
-
Ausführungsform 3
-
Im
Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform
der Erfindung kann der Strom über
jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 fließen, indem
der Betrieb zum Einstellen der Ausgangsspannung des Umrichters auf
Null durchgeführt
wird. Jedoch können
die Sekundärwicklung
der Transformatoren geshunted werden, während die GTO-Schaltelemente
bei Auftreten eines Systemfehlers abgeschaltet werden, was im wesentlichen
zu demselben Effekt führt,
wie er für
die Umrichterschutzschaltungen gemäß den nachfolgenden Ausführungsformen
beschrieben wird.
-
Die 6 zeigt
ein Schaltungsbild zum Darstellen einer Anordnung einer Umrichterschutzschaltung
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur kennzeichnen Bezugszeichen,
die mit den in der 1 benützten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente
Komponenten, wie sie in 1 gezeigt sind. Wie in 6 gezeigt
ist, ist ein Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 vorgesehen,
der durch ein Paar von Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschaltelementen verwirklicht
ist, beispielsweise Thyristoren, die antiparallel miteinander verbunden
sind, und eine Systemfehlerdetektorvorrichtung 17, die
als Fehlerentscheidungsvorrichtung für die Ausgabe eines Zündoder Gattersignals
SG an den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 dient,
um hierdurch den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 anzuschalten,
während
sie bei Bestimmung des Auftretens eines Fehlers in dem elektrischen
Netz 1 ein Abschaltsignal zum Abschalten jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des
Umrichters 3C erzeugt.
-
Nun
wird der Betrieb des Umricherschutzgeräts gemäß der momentanen Ausführungsform
dadurch erläutert,
daß der
Umrichter 3C als Beispiel für die anderen Umrichter herangezogen
wird. Die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 trifft eine
Entscheidung auf der Grundlage des Systemstroms I0, der von dem
Stromdetektor 11 erfaßt
wird, und zwar dahingehend, ob ein Systemfehler auftritt. Wird das
Auftreten eines Systemfehlers bestimmt, so führt die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 das
Zünd- oder Gattersignal
SG dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 zu, um
hierdurch diesen zu schließen, während sie
gleichzeitig das Abschaltsignal jedem der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des
Umrichters 3C zuführt,
um hierdurch die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 zu öffnen.
-
Als
Ergebnis der oben beschriebenen Vorgehensweise wird der Systemfehlerstrom
unter Umgehung des Umrichters 3C zu dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 umgeschaltet.
Demnach wird der Umrichterstrom des Umrichters 3C zu Null. Zudem
kann der durch die GTO-Schaltelemente fließende Strom bei Abschalten
derselben auf einen zulässigen
Strombereich beschränkt
werden. Hierdurch können
dann, wenn eine Zeitdauer, in der ein großer Systemstrom E0 fließt, aus
irgendeinem Grund verlängert
wird, die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 ohne
Fehler abgeschaltet werden, da der Umrichterstrom I Null ist. Nach
Wiederherstellen des Normalzustands des elektrischen Netzes steuert
die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 das An-/Abschalten jedes
GTO-Schaltelements 3c1 bis 3c4 gemäß dem in 3 gezeigten
Zeitablauf, um hierdurch die Ausgangspannung auf Null zu steuern,
während
der Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 geöffnet wird.
Der Betrieb der Umrichter wird anschließend wieder aufgenommen. Die
Anordnung zum Bewirken des Umleitens des Systemfehlerstroms um den
Umrichter, wie sie oben beschrieben ist, läßt sich bildlich mit einer
kompakten und einfachen Struktur realisieren.
-
Ausführungsform 4
-
Im
Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der oben beschriebenen dritten
Ausführungsform
der Erfindung ist der Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 an
der Sekundärseite
des Transformators 2 vorgesehen, damit der Systemfehlerstrom
an der Sekundärwicklung
des Transformators 2 vorbeigeleitet wird. Wenn jedoch aus
irgendeinem Grund der Fehlerzustand des elektrischen Netzes länger andauert,
kann eine solche Situation auftreten, daß der Fehlerstrom nicht mehr
von dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 aufgenommen
werden kann, bedingt durch dessen Stromkapazität. Zum Handhaben einer derartigen
Situation kann eine Anordnung vorgesehen werden, bei der der durch
den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 fließende Strom
zu einem Schalter mit einer großen
Stromkapazität
umgeschaltet wird, wenn der Fehlerstrom über eine verlängerte Zeitdauer hinweg
fließt.
Eine vierte Ausführungsform
der Erfindung ist auf diese Anordnung gerichtet.
-
Die 7 zeigt
ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß der vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur kennzeichnen Bezugsbuchstaben,
die mit den in 6 benützten übereinstimmen, die gleichen
oder äquivalenten
Komponenten, wie sie in 6 gezeigt sind. Wie in 7 gezeigt
ist, ist ein Schalter 4 parallel mit dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 verbunden.
Eine Verzögerungsschaltung 16 ist
für die
Ausgabe eines Schaltersteuersignals SC an den Schalter 4 vorgesehen,
und zwar in Übereinstimmung
mit dem Ausgangssignal der Systemfehlerdetektorvorrichtung 17, wenn
der Systemfehlerstrom über
eine längere
Zeitdauer hinweg fließt,
die eine festgelegte Zeitdauer übersteigt,
während
sie nach dem Beheben des Fehlers des elektrischen Netzes das Schaltersteuersignal
SC rücksetzt.
-
Nun
wird die Beschreibung auf den Betrieb der Umrichterschutzschaltung
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
der Erfindung gerichtet, indem der Umrichter 3C repräsentativ
herausgegriffen wird. Die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 führt mit
hoher Geschwindigkeit aufgrund des von dem Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms
I0 eine Entscheidung durch, ob ein Fehlerfall in dem elektrischen Netz
vorliegt. Wird entschieden, daß ein
Systemfehler vorliegt, so gibt die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 das
Gattersignal SG an den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 ab,
um diesen zu schließen,
und gleichzeitig gibt sie ein Abschaltsignal an jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C ab,
um hierdurch diese Schaltelemente in den abgeschalteten Zustand
(nicht leitender Zustand) umzuschalten.
-
Wenn
der Systemfehler über
eine Zeitdauer hinweg vorliegt, die länger als eine festgelegte Dauer ist,
gibt die Verzögerungsschaltung 16 das
Schaltersteuersignal SC aus, um hierdurch den Schalter 4 zu schließen. Demnach
wird der Umrichterstrom durch den Schalter 4 geshuntet.
Nach Behebung des Fehlers führt
die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 eine Anschalt/Abschaltsteuerung
für jedes
der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 zum Steuern
der Ausgangsspannung auf Null durch, während ein Rücksetzen des von der Verzögerungsschaltung 16 ausgegebenen
Schaltersteuersignals SC erfolgt, um hierdurch den Schalter zu öffnen, wonach
der normale Betrieb wieder aufgenommen wird.
-
Mit
der oben beschriebenen Schaltungsanordnung läßt sich der Systemfehlerstrom
mit einer einfachen Struktur shunten, ohne daß der Einsatz eines Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalters
mit einer großen
Stromkapazität
erforderlich ist, die einen Kühlmechanismus
mit großer
Kapazität
erforderlich macht.
-
Ausführungsform 5
-
Im
Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der oben beschriebenen vierten
Ausführungsform sind
die Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 und die
Schalter 4 jeweils parallel zu den Sekundärwicklungen
der Transformatoren 2 verbunden, wobei bei Auftreten eines
Fehlers in dem elektrischen Netz der Umrichterstrom 4 zu
dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 umgeschaltet
wird, bevor der Umrichterstrom 4 übermäßig zunimmt, und anschließend wird
ein Fließen
des Umrichterstroms I über
den Schalter 4 unter Umgehung des Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalters 10 bewirkt,
wobei die GTO-Schaltelemente abgeschaltet sind.
-
Sind
jedoch die GTO-Schaltelemente nicht nur bei Auftreten eines Systemfehlers
sondern auch aufgrund eines Fehlers in dem Umrichter 3 selbst
abgeschaltet, kann eine derartige Situation auftreten, daß die Sekundärseite der
Transformatoren 2 geöffnet
sind, was das Auftreten einer Überspannung
ermöglicht.
Zudem sind bei Auftreten eines Fehlers in dem Schalter 4 die
Sekundärseiten
der Transformatoren geöffnet,
was eine Überspannung
parallel zu der Sekundärwicklung
nach sich zieht.
-
Die 8 zeigt
ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung
gemäß der fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die für die Handhabung des oben erläuterten
Problems entworfen ist. In 8 kennzeichnen gleiche
Bezugsbuchstaben die Komponenten, die mit den in den vorangegangenen
Ausführungsformen übereinstimmen
oder zu diesen äquivalent
sind. Wie in 8 gezeigt ist, wird eine Ableitvorrichtung
(arrester) 13 vorgesehen, die zusammen mit dem Schalter 4 parallel
an die Sekundärwicklung
des Transformators 2 angeschlossen ist. Nun erfolgt unter
der Annahme, daß von
der Systemfehlerdetektorvorrichtung 18 auf Grundlage des
Ausgangssignals des Meßwandlers 11 das
Vorliegen eines Systemfehlers festgestellt wird, von der Entscheidungsschaltung 18 die
Ausgabe des Schaltersteuersignals SC, und der Schalter 4 wird
in Übereinstimmung
mit diesem geschlossen, damit der Umrichterstrom I durch den Schalter 4 fließen kann,
während
die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 abgeschaltet
sind.
-
In
dem Zeitpunkt, in dem die Sekundärschaltung
des Transformators 2 aufgrund eines Fehlers des Umrichters 3 geöffnet wird
oder wenn sich der Schalter 4 aus irgendeinem Grund nicht
schließen läßt, nachdem
der Umrichter 3 abgeschaltet ist, wird eine Überspannung
erzeugt. Jedoch kann aufgrund der Tatsache daß wie oben erwähnt eine
Ableitvorrichtung 13 vorgesehen ist, die Überspannung
auf einem festgelegten Pegel geklemmt werden, wodurch der Umrichter 3 vor
dem Anlegen der Überspannung geschützt ist.
-
Aus
dem Obigen ist zu erkennen, daß durch Vorsehen
der Ableitvorrichtung 13, die parallel zu der Sekundärwicklung
des Transformators 2 angeschlossen ist, zusammen mit dem
Schalter 4 der letztere während einer begrenzten Zeitdauer
betrieben werden kann, die für
den Betrieb der Ableitvorrichtung 13 bei Auftreten des
Systemfehlers erforderlich ist. In anderen Worten läßt sich
aufgrund der Kombination der Ableitvorrichtung 13 und des
Schalters 4 in dem Schutzgerät für den Umrichter 3,
wie oben beschrieben, das Anlegen einer Überspannung am Umrichter 3 wirksam
vermeiden.
-
Ausführungsform 6
-
Bei
den vorangegangenen Ausführungsformen
1 bis 5 war die Beschreibung auf Überbrückungsschaltungen für die Handhabung
von Systemfehlern gerichtet. Jedoch kann an den Einsatz von Maßnahmen
gedacht werden, mit denen sich das Ausüben eines ungünstigen
Einflusses auf das elektrische Netz aufgrund eines Fehlers eines
Umrichters vermeiden läßt. Etwas
konkreter sei angenommen, daß die
GTO-Schaltelemente, die in den oberen und unteren Armen der Brückenschaltung
des Umrichters angeschlossen sind, im leitenden Zustand in den nichtbetriebsfähigen Zustand übergehen,
was Anlaß für einen
Kurzschlußfehler
in den entsprechenden Gleichspannungseingangsleitungen gibt. In
diesem Fall wird auf das elektrische Netz ein ungünstiger Einfluß ausgeübt. Im Hinblick
auf die Handhabung dieses Problems wird bei der Erfindung gemäß der sechsten
Ausführungsform
vorgeschlagen, ein redundantes Schutzsystem vorzusehen, indem mehrere Umrichter
für jede
der Starkstromleitungen vorgesehen sind, wobei jeder Umrichter mit
einem Fehler von dem System abgetrennt wird und der Betrieb dadurch fortgesetzt
wird, daß ein
anderer normaler Umrichter in Betrieb gesetzt wird.
-
Die 9 zeigt
ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur der Umrichterschutzschaltung
gemäß der sechsten
Ausführungsform
der Erfindung. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Sekundärwicklung
jedes Transformators 2a bis 2c jeweils in Serie
zu den Starkstromleitungen 1a bis 1c geschaltet,
und wird in n Stufen oder n Wicklungsabschnitte unterteilt, wobei ein
zusätzlicher
Umrichter mit jedem der n Wicklungsabschnitte verbunden ist. In
anderen Worten ausgedrückt,
sind n Umrichter mit jeder der Phasenstarkstromleitungen 1a bis 1c verbunden.
-
Die
Plus-Eingangsleitungen der Umrichter, die jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten (beispielsweise 2a1, 2b1, 2c1)
einer gleichen Stufe der Transformatoren 2a bis 2c verbunden
sind, werden gemeinsam verbunden und anschließend an einen Anschlußpunkt einer
Gleichspannungskapazität 6 über die
Schutzsicherung 5a angeschlossen, während die entsprechenden Minus-Eingangsleitungen miteinander
verbunden und anschließend
an den anderen Anschlußpunkt
der Gleichspannungskapazität 6 angeschlossen
werden. Ferner werden in jedem der Umrichter Stromdetektorspulen
C um die Anschlußleitungen
jeweils für
ein Paar oberer und unterer GTO-Schaltelemente (beispielsweise 3c1 und 3c2; 3c3 und 3c4)
gewickelt.
-
Fließt ein Kurzschlußstrom durch
die Stromdetektorspule C, so tritt parallel zu der Stromdetektorspule
C eine Spannung auf. Wird diese Spannung von einem Kurzschlußdetektor 19 erfaßt, so wird
ein Fehlerdetektorsignal SS bei einer Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 in
der Form eines Signals eingegeben, mit dem sich derjenige Sekundärwicklungsabschnitt
identifizieren läßt, mit
dem der fehlerhafte Umrichter 3 verbunden ist. Hierauf
sendet die Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 das
Kurzschluß-Detektorsignal
SS an eine Zwangszündschaltung 21,
die dann auf das Signal SS reagiert, um die Zündsignale an die GTO-Schaltelemente
aller Umrichter weiterzuleiten, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten
derselben Stufe verbunden sind, der auch der fehlerhafte Umrichter
angeschlossen ist.
-
Am
Rande sei angemerkt, daß die
parallel zu den Gleichspannungseingangsleitungen des Umrichters
angeschlossene Gleichspannungskapazität 6 üblicherweise
eine große
Kapazität
aufweist, was bedeutet, daß die
Impedanz der Gleichspannungsschaltung niedrig ist. Demnach wird
dann, wenn ein Kurzschlußfehler
in den kaskadenartig verbundenen GTO-Schaltelementen, die den Umrichter bilden,
auftritt, ein großer
Strom über
die Serienschaltung fließen,
wodurch es unmöglich
ist, die GTO-Schaltelemente zu schützen.
-
Nun
richtet sich die Beschreibung auf die Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen Ausführungsform
der Erfindung. Unter der Annahme, daß ein Kurzschlußfehler
kaskadenartig gleichzeitig in den GTO-Schaltelementen 3cl und 3c2 des
Umrichters 3C-1 auftritt, der mit dem Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der
ersten Stufe des Transformators 2c verbunden ist, die in
Serie zu der Phasenstarkstromleitung 1c angeschlossen ist,
wird ein entsprechender Kurzschlußstrom durch die Stromdetektorspule
C fließen,
wodurch eine Spannung in dieser Spule C induziert wird. Diese Spannung
wird von dem Kurzschlußdetektor 19 erfaßt, wodurch
das Kurzschluß-Detektorsignal
SS der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 in
der Form eines Identifikationssignals zugeführt wird, das denjenigen Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der
ersten Stufe des Transformators 2c identifiziert, mit der
der Umrichter 3C-1 verbunden ist, in dem ein Kurzschlußfehler
auftritt.
-
Die
Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 entscheidet
anschließend
auf der Grundlage des Kurzschluß-Detektorsignals
SS, um hierdurch die Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 zu
identifizieren, mit der der Umrichter 3C-1 verbunden ist,
in dem der Kaskadenkurzschlußfehler
auftritt. Wird entschieden, daß der
Kurzschlußfehler
in dem Umrichter 3C-1 auftritt, der mit der ersten Stufe
des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 verbunden
ist, so wird die Zwangszündschaltung 21 aktiviert,
um hierdurch die Zündsignale
allen GTO-Schaltelementen der mit den Sekundärwicklungsabschnitten (2a1, 2b1, 2c1) verbundenen
Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) der ersten
Stufe der Transformatoren (2a, 2b und 2c)
zuzuführen,
die jeweils in Serie zu den drei Phasenstarkstromleitungen geschaltet
sind.
-
Hierdurch
werden dann, wenn der Gleichspannungs-Kurzschlußfehler in einem Brückenarm
in dem Zustand auftritt, in dem die zu diesem Arm gehörenden GTO-Schaltelemente
beide leitend sind, alle GTO-Schaltelemente der Umrichter, die mit
den Sekundärwicklungsabschnitten
derselben Stufe verbunden sind, gezündet, wodurch der durch die Schutzsicherung 5a fließende Strom
in Übereinstimmung
mit einer Funktion, die durch I2t gegeben ist (wobei I den Strom
und t eine verstrichene Zeit darstellt) zunimmt, um hierdurch die
Schutzsicherung 5a mit dem Kurzschlußstrom zu unterbrechen, bevor dieser
die zulässige
Stromkapazität
der GTO-Schaltelemente übersteigt.
Beim Schmelzen der Schutzsicherung 5a werden jeweils die
Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten
der ersten Stufe der Transformatoren verbunden sind, die in den
drei Phasenstarkstromleitungen eingefügt sind,. von der Gleichspannungskapazität 6 abgetrennt.
Durch das erzwungene Anschalten aller GTO-Schaltelemente gehen die
Sekundärwicklungen
der Transformatoren 2 in den Kurzschlußzustand über. Jedoch werden die Sekundärwicklungsströme, die über die
Sekundärwicklungen
fließen,
auf einen Wert begrenzt, der durch das Übersetzungsverhältnis festgelegt
ist. Hierdurch wird das Auftreten eines Überstroms vermieden.
-
Auf
diese Weise läßt sich
wie oben beschrieben durch Aufteilen der Sekundärwicklung jedes der Transformatoren
in n Abschnitte und eine Anpassung der Kombination der Schmelzsicherung 5a und
der Zwangszündschaltung 21 bei
jedem der Umrichter (3A, 3B, 3C) ein
Schutz der GTO-Elemente der Umrichter gewährleisten. Ferner werden dann,
wenn ein Kurzschlußfehler
auftritt, diejenigen Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten
derselben Stufe verbunden sind, wie der Umrichter, in dem der Kurzschlußfehler
auftritt, von der Gleichspannungskapazität abgetrennt, und der Systembetrieb
wird fortlaufend mit denjenigen Umrichtern aufrecht erhalten, die
mit den Sekundärwicklungsabschnitten
der anderen Stufen (n-1) verbunden sind. Demnach läßt sich
die Umrichterschutzschaltung mit einer redundanten Struktur zum
Gewährleisten
einer hohen Zuverlässigkeit
mit kompaktem Aufbau bei niedrigen Kosten realisieren.
-
Die
vorhergehende Beschreibung erfolgte im Zusammenhang mit den Umrichtern,
die mit den Sekundärwicklungsabschnitten
der ersten Stufe (2a1, 2b1, 2c1) verbunden
sind. Jedoch versteht es sich von selbst, daß sich der Schutz für diejenigen
Umrichter gewährleisten
läßt; die
mit irgendeiner Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts
mit demselben redundanten Schaltungsaufbau verbunden sind.
-
Ausführungsform 7
-
Im
Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der sechsten Ausführungsform
der Erfindung werden dann, wenn der Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem Umrichter
auftritt, der mit einer vorgegebenen Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts
des Transformators 2 verbunden ist, alle GTO-Schaltelemente
der Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben
Stufe, wie derjenigen des vorgegebenen, verbunden sind, gezündet, um
hierdurch die Schutzsicherung 5a zu schmelzen, damit all
diejenigen Umrichter 3 aus der Gleichspannungsschaltung abgekoppelt
werden, die mit den oben erwähnten
Sekundärwicklungsabschnitten
verbunden sind, und zwar im Hinblick auf die Gewährleistung des Schutzes für die GTO-Schaltelemente.
-
In
diesem Zusammenhang ist jedoch zu erwähnen, daß selbst dann, wenn der Umrichter
mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler
von der Gleichspannungsschaltung abgetrennt wird, ein übermäßig großer Kurzschlußstrom zu
dem Umrichter mit dem Kurzschlußfehler,
ausgehend von der zugeordneten Sekundärwicklung des Transformators,
fließen
kann, wodurch normale GTO-Schaltelemente möglicherweise beschädigt werden.
-
Demnach
ist es wünschenswert,
das Fließen des
Kurzschlußstroms
zu dem Umrichter zu vermeiden. Zudem sollte vorzugsweise der über das
elektrische Netz fließende
Strom unterbrochen werden, damit der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler
von dem elektrischen Netzsystem entfernt werden kann.
-
Die 10 zeigt
ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer
siebten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die zum Vereinfachen der Wartung der
Umrichter entworfen ist. In der 10 kennzeichnen
Bezugsbuchstaben, die mit den in 9 benutzten übereinstimmen,
gleiche oder äquivalente
Komponenten. Wie in 10 gezeigt ist, wird ein Trennschalter 23 in
die Gleichspannungsleitung jedes Umrichters eingefügt. Ferner
wird ein Trennschalter 24 zwischen der Wechselspannungsausgangsleitung des
Umrichters 3 und der Sekundärwicklung eingefügt, während ein
Schalter 4 parallel mit der Sekundärwicklung verbunden wird. Zusätzlich ist
eine Verzögerungsschaltung 22 vorgesehen,
damit das Schaltersteuersignal SC dem Schalter 4 von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 nach
dem Verstreichen einer festgelegten Zeitdauer nach der Eingabe des
Kurzschluß-Detektorsignals bei
der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 zugeführt wird.
Die Trennschalter 23 und 24, der Schalter 4 und die
Verzögerungsschaltung 22 sind
bei jedem der mit dem jeweiligen Sekundärwicklungsabschnitten verbundenen
Umrichter vorgesehen.
-
Nun
folgt eine Beschreibung des Betriebs der Umrichterschutzschaltung
gemäß der momentanen
Ausführungsform
der Erfindung mit dem Umrichter 3C-1 als repräsentatives
Beispiel. Es sei beispielhaft angenommen, daß ein Kaskaden-Kurzschlußfehler
in dem Umrichter auftritt, der mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 des
in die Phasenstarkstromleitung 1c eingefügten Transformators 2c verbunden
ist. Dann werden die mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts
aller Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundenen
Umrichter 3 in den leitenden Zustand versetzt, und zwar
durch Zusammenwirken der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 und
der Zwangszündschaltung 21,
wie zuvor beschrieben, wodurch die zugeordnete Schutzsicherung 5a zum
Abtrennen all der Umrichter 3 geschmolzen wird, die jeweils
mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte
(2a1, 2b1, 2c1) verbunden sind.
-
In
dem Fall, in dem der Umrichter 3C-1 mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler
in dem mit der Sekundärwicklung
verbundenen Zustand verbleibt, kann ein großer Kurzschlußstrom zu
diesem Umrichter fließen,
wodurch die normalen GTO-Schaltelemente von diesem beschädigt werden.
Demnach leitet die Verzögerungsschaltung 22 dann,
wenn das Kurzschluß-Detektorsignal SS
fortlaufend von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 über eine Zeitdauer,
die eine festgelegte Zeitspanne übersteigt, eingegeben
wird, das Schaltersteuersignal SC an den Schalter 4, der
mit der Wechselspannungsausgangsseite desjenige Umrichters verbunden
ist, in dem der Kaskaden-Kurzschlußfehler auftritt, um hierdurch
die zugeordnete Sekundärwicklung
(2c1) kurzzuschließen.
Im Ergebnis kann der Kurzschlußstrom zu
dem Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters mit dem Kurzschlußfehler
umgeschaltet werden.
-
Ferner
ist es möglich,
den Umrichter zu reparieren, während
gleichzeitig das elektrische Netzsystem weiterbetrieben wird, indem
jeweils die Trennschalter 23 und 24 bei der Gleichspannungseingangsseite
und der Wechselspannungsausgangsseite des Umrichters mit dem Kurzschlußfehler
geöffnet werden,
um hierdurch den fehlerhaften Umrichter von dem elektrischen Netzsystem
abzutrennen.
-
Ausführungsform 8
-
Wie
zuvor beschrieben, werden im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der siebten
Ausführungsform
der Erfindung dann, wenn der Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem bestimmten
der Umrichter auftritt, die mit einem Sekundärwicklungsabschnitt eines Transformators
verbunden sind, die GTO-Schaltelemente aller Umrichter angeschaltet, die
mit den Sekundärwicklungsabschnitten
derselben Stufe verbunden sind, an der auch der fehlerhafte Umrichter
angeschlossen ist, um hierdurch die Schutzsicherung 5 zum
Abtrennen sämtlicher
oben erwähnter
Umrichter von den Gleichspannungsschaltungen zu schmelzen, damit
die GTO-Schaltelemente
geschützt
werden. Ferner wird das Fließen des
Kurzschlußstroms
in den fehlerhaften Umrichter durch Schließen des Schalters vermieden.
-
Die
Umrichterschutzschaltung mit einem derartigen Aufbau wird vorzugsweise
mit einem Gerät
für den
Schutz der Umrichter gegen einen Systemfehler ausgestattet, wie
es vorangehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben wurde. Die 11 zeigt
ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung,
das eine Kurzschlußfehler-Schutzschaltung
und eine Systemfehler-Schutzschaltung enthält, gemäß der achten Ausführungsform
der Erfindung. In 11 kennzeichnen Bezugszeichen,
die auch in 1 und 10 benützt sind,
die gleichen oder äquivalente
Komponenten. Wie in 11 gezeigt ist, ist eine Befehlsschaltung
zum Schließen
des Schalters 25 vorgesehen, die auf ein Entscheidungssignal
S anspricht, das von der Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 zugeführt wird,
oder auf das Kurzschluß-Detektorsignal
SS, das von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 zugeführt wird,
um ein Schaltersteuersignal SC an den Schalter 4 mit einer
Verzögerung
gemäß einer festgelegten
Zeitspanne abzugeben.
-
Bei
Erfassung des Systemfehlers durch die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 werden
die Zündsignale 3c1S bis 3c4S an
die GTO-Schaltelement 3c1 bis 3c4 abgegeben, und
zwar in Abhängigkeit
von dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl
I0 gemäß dem in 3 dargestellten
Zeitablauf, wodurch die Umrichterausgangsspannung zu Null festgelegt
wird. In diesem Fall leitet die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 das
Fehlersignal S auch der Befehlsschaltung zum Schließen des
Schalters 25 zu. Liegt das Fehlersignal S fortlaufend über eine
festgelegte Zeitspanne (beispielsweise in einem Bereich von vier
bis acht Taktzyklen) hinweg vor, so wird das Schaltersteuersignal
SC an den Schalter 4 ausgegeben, um den Schalter 4 zu
schließen.
Hierdurch wird der Umrichterstrom I zu dem Schalter 4 umgeschaltet,
wodurch der durch den Umrichter 3 fließende Strom Null wird. Durch
diese Vorgehensweise können
die durch die GTO-Schaltelemente fließenden Ströme bei deren Abschaltung auf
die zulässige Stromkapazität des Schaltelements
begrenzt werden.
-
Tritt
andererseits ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem Umrichter 3 auf,
der mit dem Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der
ersten Stufe eines Transformators 2 verbunden ist, der
in der Phasenstarkstromleitung 1c eingefügt ist,
so werden die Umrichter 3, die mit der ersten Stufe der
Sekundärwicklungsabschnitte
aller Transformatoren verbunden sind, durch das Zusammenwirken der
Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 und
der Zwangszündschaltung 21 angeschaltet,
damit die Schutzsicherung 5a geschmolzen wird, wodurch
alle Umrichter 3, die mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte
der Transformatoren 2 verbunden sind, von der Gleichspannungsschaltung
abgetrennt werden.
-
Zudem
wird dann, wenn das Kurzschlußentscheidungssignal
SS fortlaufend an der Befehlsschaltung zum Schließen des
Schalters 25 ausgehend von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 über eine
festgelegte Zeitdauer hinweg angelegt ist, das Schaltersteuersignal
SC dem Schalter 4 zugeführt,
der mit der Wechselspannungsausgangsschaltung des Umrichters 3 mit
dem Kaskaden-Kurzschlußfehler
verbunden ist, um hierdurch den Schalter 4 zum Shunten
des Sekundärwicklungsabschnitts zu
schließen.
Hierdurch läßt sich
der Kurzschlußstrom
zu dem Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters umschalten.
-
Aus
dem Obigen ist ersichtlich, daß sich durch
Kombination der Struktur der Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten
Ausführungsform
mit derjenigen der siebten Ausführungsform
der Umrichter sowohl gegen die Sekundärwicklung als auch gegen den
Kurzschlußfehler
bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Betriebs des Systems schützen läßt.
-
Ausführungsform 9
-
Die
bisher beschriebenen Ausführungsformen
1 bis 8 der vorliegenden Erfindung dienen dem Schutz von Umrichtern,
die in Serie zu dem elektrischen Netz angeschlossen sind. Jedoch
kann die Umrichterschutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
auch zum Schutz von Umrichtern angewendet werden, die parallel an
dem elektrischen Netzsystem angeschlossen sind.
-
Die 12 zeigt
ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Umrichterschutzschaltung für die Umrichter,
die parallel an dem elektrischen Netzsystem angeschlossen sind.
Die Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen
Ausführungsform
der Erfindung unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform
dahingehend, daß die Sekundärwicklung
in n Abschnitte unterteilt ist. Tritt ein Kaskaden-Kurzschlußfehler
in einem der Umrichter 3 auf, die parallel mit dem elektrischen
Netzsystem verbunden sind, so wird dieses Fehlerereignis durch den
Kurzschlußdetektor 19 erfaßt. Die
Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 reagiert
auf das von dem Kurzschlußdetektor
zugeführte
Kurzschlußdetektorsignal
SS, damit die Stufe oder der Abschnitt der Sekundärwicklung
bestimmt oder identifiziert wird, mit der der Umrichter mit dem
Kaskaden-Kurzschlußfehler
verbunden ist. Auf der Grundlage des Ergebnisses dieser Entscheidung
erzeugt die Zwangszündschaltung 21 die
Zündsignale 3c1S bis 3c4S für all diejenigen
Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten
derselben Stufe verbunden sind, mit der auch der Umrichter mit dem
Kurzschlußfehler
verbunden ist. Durch diese Anordnung lassen sich dieselben Wirkungen
erzielen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der sechsten Ausführungsform beschrieben
wurden.
-
Ausführungsform 10
-
Die 13 zeigt
ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Umrichterschutzschaltung für Umrichter,
die parallel mit dem elektrischen Netzsystem verbunden sind. Die
Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen
Ausführungsform
der Erfindung unterscheidet sich von der siebten Ausführungsform
dahingehend, daß die
Sekundärwicklung in
n Abschnitte unterteilt ist. Während
des Betriebs werden dann, wenn man beispielsweise annimmt, daß ein Kaskaden-Kurzschlußfehler
in dem Umrichter 3 auftritt, der mit einem Sekundärwicklungsabschnitt
der ersten Stufe eines Transformators verbunden ist, die GTO-Schaltelemente
all derjenigen Umrichter angeschaltet, die mit den erststufigen
Wicklungsabschnitten aller Transformatoren verbunden sind, wodurch
die Schutzsicherung 5a aufgebrochen wird, was dazu führt, daß alle Umrichter 3,
die mit den Sekundärwicklungsabschnitten
der ersten Stufe verbunden sind, von den jeweiligen Gleichspannungsschaltungen
abgetrennt werden.
-
In
dem Fall, in dem der Umrichter 3 mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler
in dem mit der Sekundärwicklung
verbundenen Zustand verbleibt, wird der Kurzschlußstrom ausgehend
von der Sekundärwicklung
zu dem Umrichter 3 fließen, wodurch die normalen GTO-Schaltelemente
des Umrichters 3 beschädigt
werden können.
Demnach gibt die Verzögerungsschaltung 22 dann,
wenn das Kurzschlußdetektorsignal
SS länger
als eine vorgegebene Zeitspanne erfaßt wird, das Schaltersteuersignal
an den mit der Wechselspannungsseite des Umrichters 3 mit
dem Kurzschlußfehler
verbundenen Schalter 4 ab, wodurch die Sekundärwicklung
von dem Schalter 4 geshuntet wird. Hierdurch fließt der Kurzschlußstrom unter
Umgehung des fehlerhaften Umrichters 3 über den Schalter 4.
-
Zudem
ist es möglich,
durch Öffnen
der jeweiligen Trennschalter 23 und 24, die in
der Gleichspannungseingangsseite und der Wechselspannungseingangs/Ausgangsseite
des Umrichters mit Kurzschlußfehler
eingefügt
sind, diesen in einem Zustand zu reparieren, bei dem das elektrische
Netzsystem aktiv weiterbetrieben wird.
-
Im
Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der neunten und zehnten Ausfhrungsform
der Erfindung wird die Systemspannung parallel zu (n-1) Windungsabschnitten
angelegt. Demnach kann dadurch, daß die Transformatoren und die
Umrichter vorab unter Berücksichtigung
der Tatsache entworfen werden, daß eine Spannung als das (n/n-1)-fache
der Systemspannung am Umrichter und Transformator anliegt, zum Verwirklichen
der redundanten Umrichterschutzschaltung, eine Umrichterschutzschaltung
hoher Zuverlässigkeit
bei geringen Kosten realisiert werden.
-
Beispielsweise
kann, obgleich davon ausgegangen wurde, daß die Umrichterschutzschaltung gemäß der Erfindung
bei einem dreiphasigen elektrischen Netzsystem angewendet wird,
der Inverter ebenfalls bei einer anderen Art von Stromversorgungssystem
oder -quelle eingesetzt werden. Zudem kann, obgleich für die Gleichspannungsschaltung
davon ausgegangen wird, daß sie
aus einer Gleichspannungskapazität
besteht, diese durch ein BTB vom Selbsterregertyp (selfexcitation
type BTB) ersetzt werden, wobei sich im wesentlichen dieselben vorteilhaften
Effekte ergeben.