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Die Erfindung bezieht sich auf eine netzgeführte Thyristorbrücke zur Energierückspeisung in ein Drehstromnetz, bestehend aus je zwei gleichsinnig in Serie geschalteten, ein Thyristorpaar bildenden Thyristoren, wobei sämtliche Thyristorpaare an einer Gleichspannung eines Spannungszwischenkreises, welcher einen Zwischenkreiskondensator umfasst, liegen und wobei die Verbindungspunkte der Thyristoren eines Paares je über einer Kommutierungsdrossel an einer Netzphase liegen, und mit einer netzsynchronen Ansteuerschaltung zur Zuführung von Zündimpulsen an die Thyristoren.
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Eine Thyristorbrücke zur Energierückspeisung in ein 3-Phasen Wechselstromnetz liegt in vielen Fällen antiparallel zu einer Einspeisebrücke, welche die 3-Phasenspannung des Drehstromnetzes in eine Zwischenkreis-Gleichspannung für einen Wechselrichter umwandelt, der wiederum einen Drehstrommotor speist. Beispielsweise um den Motor abzubremsen wird Energie aus dem Zwischenkreis über die Rückspeisebrücke und von hier in das 3-Phasennetz zurückgespeist. Die Erfindung bezieht sich aber in gleicher Weise auf Thyristorbrücken zur Energieübertragung aus einem Gleichstromnetz, z. B. dem Gleichstromnetz einer Photovoltaikanlage, in ein Drehstromnetz.
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1 zeigt eine Thyristorbrücke der gegenständlichen Art, hier nur zur Rückspeisung in ein Drehstromnetz. Solche Brücken und ihre Theorie sind beispielsweise in dem Buch ”Leistungselektronik”, Franz Zach, Springer Verlag Wien-New York 1979, beschrieben. Die Brücke besteht aus je zwei gleichsinnig in Serie geschalteten Thyristoren V4, V1 bzw. V6, V3 bzw. V2, V5. Sämtliche Thyristorpaare liegen an einer Spannung Ug, die hier an einem Zwischenkreiskondensator CZK auftritt. Zwischen diesem Kondensator CZK und der Brücke liegt eine Zwischenkreissicherung FZK sowie eine Zwischenkreisdrossel LZK Die Verbindungspunkte der Thyristoren jedes Paares liegen je über eine Kommutierungsdrossel LKR, LKS, LKT und eine Netzsicherung FN an einer Phase R, S, T eines Drehstromnetzes.
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Die Thyristoren V1 ... V6 werden über eine hier nicht dargestellte Ansteuerschaltung netzsynchron gezündet, wobei die Numerierung der Thyristoren der Zündreihenfolge bei einem Rechtsdrehfeld an den Phasen R, S, T entspricht. Die Ansteuerschaltung ist im allgemeinen auch Teil eines Regelkreises, wobei eine Regelung z. B. auf die Gleichspannung Ug durch Verschieben der Thyristorzündzeitpunkte erfolgt.
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Bei zu geringer Spannung im Drehstromnetz oder hoher Zwischenkreisspannung Ud kann es bei Energierückspeisung in das Drehstromnetz zu dem sogenannten ”Wechselrichterkippen” kommen, das in der obengenannten Literaturstelle gleichfalls beschrieben ist (p. 236f). Hierbei tritt folgender Vorgang auf:
Es leiten je zwei Thyristoren der Brücke, z. B. Thyristor V1 und Thyristor V6 bei Stromfluß in der Netzphase RS (Netzspannung URS). Im folgenden Zyklus sollte der Zwischenkreisstrom id bei Abgabe eines Zündimpulses an Thyristor V2 von Thyristor V6 auf den Thyristor V2 kommutieren, wobei der Thyristor V1 auch weiterhin Strom führt. Als kommutierende Spannung wirkt der Momentanwert der verketteten Spannung UST.
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Wer ist zu bemerken, daß zugleich mit der Zündimpulsabgabe an den Thyristor V2 auch an den Thyristor V1 ein zweites Mal ein Zündimpuls abgegeben wird, denn jeder Thyristor muß im Stationärbetrieb während 2/6 der Netzperiode Strom führen. Dieser Zweitimpuls ist jedoch nur erforderlich, um auch bei lückendem Strom einen Stromfluß zu ermöglichen. Im Idealfall, bei nicht lückendem Strom wäre ein solcher zweiter Zündimpuls nicht erforderlich, da ein einmal gezündeter Thyristor solange leitend bleibt, bis der Strom Null geworden ist.
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Falls aus einem der oben genannten Gründen, z. B. wegen Unterspannung des Netzes, dieses Kommutieren versagt, bleibt der Stromfluß in den Thyristoren V1 und V6 aufrecht und steigt noch stark an, da die weiterhin wirksame Spannung URS immer positiver wird und der treibenden Spannung Ug des Zwischenkreiskondensators CZK immer weniger entgegenwirken kann. Der eben beschriebene Vorgang wird als ”Wechselrichterkppen” bezeichnet.
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Der Stromanstieg in dem Kreis ”Netzphase R – Thyristor V1 – Zwischenkreiskapazität CZK – Thyristor V6 – Netzphase S” wird durch die Größe der wirksamen Induktivität, bestehend aus Kommutierungsdrossel LKR + LKS + Netzimpedanz + Zwischenkreisdrossel LZK bestimmt. Nach einer gewissen Zeit, d. h. bei einem bestimmten Überstrom in dem Kreis, unterbricht eine der in der Netzzuleitung vorgesehenen Sicherungen FN oder die im Zwischenkreis liegende Sicherung FZK oder aber eine nicht gezeigte, mit einem Thyristor in Serie liegende Sicherung den Stromfluß und verhindert so ein Zerstören der Thyristoren V1 und V6.
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Falls jedoch das Auslösen der Sicherung so lange dauert, daß schon vor dem Unterbrechen des Stromes der gemäß der Zündreihenfolge nächste Thyristor gezündet wird – im betrachteten Beispiel der Thyristor V3 –, so tritt ein sogenanntes ”Querzünden” ein, bei dem die Zwischenkreisspannung Ug direkt über zwei Thyristoren – in dem hier betrachteten Fall die Thyristoren V3 und V6 – kurzgeschlossen wird. Befände sich in dem Stromkreis ”Thyristor V6 – Thyristor V3 – Zwischenkreiskapazität CZK” nicht die Drossel LZK, so wäre der Stromanstieg lediglich durch die Leitungsinduktivitäten des Zwischenkreises begrenzt. Da diese aber üblicherweise sehr gering sind, wäre der Stromanstieg so steil, daß ein Schutz der Thyristoren durch die Sicherung FZK im Zwischenkreis oder durch eine Sicherung in den Thyristorzweigen nicht möglich wäre. Bei genügend großer Energie im Gleichstromnetz, hier in der Zwischenkreiskapazität CZK, kommt es daher bei Auftreten eines ”Querzünders” zu einer Zerstörung der entsprechenden Thyristoren, im gewählten Beispiel der Thyristoren V3 und V6, ehe eine Sicherung den Stromfluß unterbrechen kann.
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Das Wechselrichterkippen als prinzipielle Eigenschaft netzgeführter Stromrichterschaltungen kann nicht vermieden werden, doch können richtig dimensionierte Netz-, Zwischenkreis- oder Thyristorzweigsicherungen die Thyristoren vor Zerstörung sichern.
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Das ”Querzünden”, das eine Folge des ”Wechselrichterkippens” ist, tritt dann auf wenn – wie oben beschrieben – nicht jene Thyristoren Strom führen, die gemäß der vorgegebenen Zündreihenfolge stromführend sein sollten. Ein Zerstören von Thyristoren im Falle eines ”Querzündens” kann nur durch eine entsprechend bemessene Drossel LZK im Zwischenkreis verhindert werden, welche den Stromanstieg begrenzt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Querzünden und damit den verhältnismäßig hohen Aufwand für eine solche Strombegrenzungsdrossel zu vermeiden. Bei Nennströmen von einigen 100 Ampere ist nämlich eine solche Drossel nicht nur teuer sondern sie stellt auch einen Gewichts- und Raumfaktor dar, den man beseitigen möchte.
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Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß aus der
US 5,115,378 A eine Schaltung zur Energieeinspeisung bzw. -rückspeisung mit zwei Thyristorbrücken bekannt geworden ist, bei welcher zur Vermeidung eines Netzkurzschlusses die Zündimpulse der einen der beiden Thyristorbrücken nur freigegeben werden dürfen, falls die andere Thyristorbrücke stromlos ist. Zu diesem Zweck werden die momentanen Spannungswerte an den Thyristoren in Binärsignale umgeformt, die in einer Logikschaltung weiterverarbeitet werden, welche wiederum der Ansteuerschaltung geeignete Informationen zukommen läßt. Es geht somit um das gegenseitige Sperren zweier Thyristorbrücken, nicht jedoch um zwei in Serie geschaltete Thyristoren einer Thyristorbrücke zur Energierückspeisung.
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Auch die
DE4009853C1 und die
DE4332899C1 zeigen Schaltungen der vorhin genannten Art mit zwei Thyristorbrücken. Um den Beginn der Umschaltzeit zwischen den beiden Brücken genau bestimmen zu können, wird gemäß der
DE4009853C1 an jeder Phase der Brücken die Spannung über eine Gleichrichterschaltung ermittelt und die sechs Spannungswerte werden über Optokoppler einer Logikschaltung zugeführt. Nach der
DE43328991 C soll durch eine solche Spannungsmessung und eine bestimmte Verarbeitung der gemessenen Signale ein kreisstromfreies Umschalten zwischen den beiden Brücken auch bei Vorhandensein von RC-Bedämpfungsgliedern ermöglicht werden. Beide Dokumente zeigen somit weder Aufgabe noch Lösung der vorliegenden Erfindung.
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Zudem beschreibt die
DE 2031367A eine Lösung zur gegenseitigen Freigabe zweier Thyristorenbrücken zur Vermeidung von Zirkulationsströmen, wobei an jedem Thyristor die Spannung abgetastet und einer Auswerteschaltung zugeführt wird. Eine Verriegelungsschaltung ist beispielsweise aus der
US3852656A bekannt.
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Aus der
US4197575A ist eine Thyristorschaltung bekannt, bei der festgestellt wird, ob durch einen Thyristor ein bestimmter Strom fließt, um daraus auf die Blockierfähigkeit des Thyristors zu schließen. Zum Löschen eines Thyristors wird ein temporäres Querzünden eingeleitet, wobei eine aufrechte Wechselspannung erforderlich ist und ein zu steiler Stromanstieg mittels einer Induktivität verhindert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird demgegenüber, ausgehend von einer Thyristorbrücke der eingangs erwähnten Art, dadurch gelöst, dass die Ansteuerschaltung eine Mess- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Blockierfähigkeit der einzelnen Thyristoren durch Ermittlung der an diesen anliegenden Spannungen und/oder Ströme aufweist und sie die Abgabe eines Zündimpulses an einen bestimmten Thyristor eines Paares nur dann ermöglicht, wenn unmittelbar vor dem vorgesehenen Zündzeitpunkt der andere Thyristor des Paares blockierfähig ist und dass die Mess- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, das Integral des Betrages der Spannung an den Thyristoren über eine vorbestimmte Zeitdauer und vor dem beabsichtigten Zündzeitpunkt des jeweils anderen Thyristors eines Paares zu bilden, mit einem vorgegebenen Mindestwert zu vergleichen und die Abgabe eines Zündimpulses zu sperren, falls das Integral kleiner als der Mindestwert ist.
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Dank der Erfindung wird ein ”Querzünden” von vornherein vermieden, sodass die teure Strombegrenzungsdrossel nach dem Stand der Technik eingespart werden kann. Der Aufwand für die Überwachung einiger Spannungen und/oder Ströme fallt dagegen vergleichsweise gering ins Gewicht.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung samt weiterer Vorteile im Folgenden anhand einer beispielsweisen Ausführungsform unter Zuhilfenahme der 2 der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 sind an die drei Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes eine Rückspeisebrücke B und eine Einspeisebrücke B' angeschaltet, wobei in jeder der Phasen R S, T eine Netzsicherung FN sowie eine Kommutierungsdrossel LKR, LKS, LKT geschaltet sind. Auf die Brücken B, B', die je aus sechs Thyristoren V1 . V6 und V1'_V6' bestehen, folgt über eine Zwischenkreissicherung FZK ein Kondensator CZK, an dem eine Zwischenkreis-Gleichspannung Ug liegt. Auf den Kondensator CZK folgt hier ein nicht näher beschriebener Wechselrichter WR'' der einen Drehstrommotor M speist.
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Für die Brücken B, B' ist eine Ansteuerschaltung A vorgesehen, die für ein netzsynchrones Zünden der Thyristoren sorgt. In bekannter Weise erfolgt dabei durch Verschieben der Zündzeitpunkte auch eine Regelung, z. B. auf konstante Zwischenkreisspannung Ug Um ein eingangs bereits ausführlich besprochenes ”Querzünden” in der Rückspeisebrücke B zu vermeiden, werden entsprechende Thyristorzündimpulse sofort gesperrt, falls ein Wechselrichter-Kippvorgang auftritt. Ob ein solcher Kippvorgang vorliegt oder nicht, kann durch die ständige Erfassung der Blockierfähigkeit der in Frage kommenden Thyristoren überprüft werden. Dabei kann man davon ausgehen, daß ein Thyristor blockierfähig ist‚ wenn an ihm eine gewisse Mindestzeitdauer eine bestimmte Mindestspannung – gleich welcher Polarität – anliegt bzw. wenn er eine bestimmte Mindestzeitdauer keinen Strom führt.
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Es wird vor jedem Zünden zweier Thyristoren der Brücke B (bei einer 3-Phasen-Brücke werden üblicherweise immer zwei Thyristoren gleichzeitig gezündet, z. B. V1, V6) überprüft, ob jene Thyristoren, welche zusammen mit den zu zündenden Thyristoren einen direkten Strompfad zwischen den Gleichspannungsanschlüssen der Brücke bilden, blockierfähig sind. So liegt z. B. in dem Paar V6, V3 der Thyristor V6 dem zu zündenden Thyristor V3 gegenüber. Nur wenn V6 blockierfähig ist, hat kein Wechselrichterkippen stattgefunden und das Zünden des Thyristors V3 wird zu keinem ”Querzünden” führen. Es muß ein Zündimpuls an den Thyristor V3 abgegeben werden, denn das Nichtzünden dieses Thyristors könnte, nichtlückenden Strom vorausgesetzt, seinerseits ein Wechselrichterkippen zur Folge haben.
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Im vorliegenden Fall wird die Blockierfähigkeit jedes Thyristors durch Überwachung seiner Spannung bzw. des Spannungsverlaufes erkannt. Die Ansteuerschaltung A besitzt zu diesem Zweck eine Meß- und Auswerteeinrichtung MA, die bei der schematischen Darstellung nach
2 fünf Eingänge 1 ... 5 für Spannungen aufweist. Im Prinzip werden der Meß- und Auswerteeinrichtung MA die Spannungen an den Phasen, die Gleichspannung U
g und die Spannung an einem Thyristor zugeführt, woraus sich die Spannungen an allen Thyristoren V1 ... V6 ableiten lassen. Beispielsweise liegt zwischen den
| Eingängen | 3 2 | die Spannung | URS |
| | 2 1 | die Spannung | UST |
| | 4 2 | die Spannung | UV6 |
| | 4 5 | die Spannung | Ug |
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Die Meß- und Auswerteeinrichtung MA ist über eine Datenleitung D mit einer Zündschaltung Z verbunden, welche an 6-fach-Ausgängen b, b' die Zündimpulse für die Thyristoren V1 ... V6 bzw. V1' ... V6' der Brücken B bzw. B' liefert Die Ansteuerschaltung A ist im allgemeinen auch zur Regelung der Thyristoransteuerung durch Verschieben der Zündzeitpunkte in Abhängigkeit von einer mit einem Sollwert verglichenen Istgröße, z. B. der Gleichspannung Ug eingerichtet.
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In der Meß- und Auswerteschaltung MA wird für jeden Thyristor die an ihm liegende Spannung gemessen bzw. aus anderen Spannungen berechnet, und es wird das Integral der Spannung, z. B. UV6 an einem Thyristor, z. B. V6 eines Paares V3, V6 über eine bestimmte Zeitdauer und vor dem beabsichtigten Zündzeitpunkt des jeweils anderen Thyristors, z. B. V3 des Paares gebildet. Es wird hierbei der Betrag der Spannung verwendet, da es – wie oben schon erwähnt – für die Blockierfähigkeit ohne Bedeutung ist, ob die Spannung in Durchlaß- oder Sperrichtung anliegt. Der erhaltene, ggf. abgespeicherte Wert des Integrals wird mit einem vorgegebenen Mindestwert verglichen, und es wird die Abgabe eines Zündimpulses (hier an Thyristor V3) gesperrt, falls das Integral unter diesem Mindestwert liegt.
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Zur Illustration sei angeführt, daß bei einem 50 Hz Drehstromnetz der Zündzyklus 3,3 ms beträgt und alle 250 μs Abtastungen der Meßwerte erfolgen. Da, wie gleichfalls bereits ausgeführt, bei einer Drehstrombrücke je zwei Thyristoren gleichzeitig gezündet werden, werden auch immer zwei Spannungen bzw. Spannungsintegrale überprüft. Die Integration der Thyristorspannungen erfolgt z. B. über etwa 2 ms.
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Die Blockierfähigkeit der jeweils interessierenden Thyristoren kann auch durch die Messung bzw. Überwachung des Stromes durch die Thyristoren festgestellt werden. Wenn der Strom durch einen Thyristor eines Paares über eine bestimmte Zeitdauer und vor dem beabsichtigten Zünden des anderen Thyristors des Paares Null war, darf dieser Thyristor gezündet werden, anderenfalls nicht. Konkrete Schaltungen für eine solche Überwachung stehen dem Fachmann aus seinem Grundwissen und aus der einschlägigen Literatur zur Verfügung. Zur Spannungsüberwachung kann z. B. auf die
AT399066B der Anmelderin verwiesen werden.
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Das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel betrifft die Stromversorgung eines Drehstrommotors mit Netz-Rückspeisung bei dessen Abbremsen. Die Erfindung bezieht sich jedoch ganz allgemein auf netzgeführte Thyristorbrücken zur Energieübertragung aus einem Gleichstromnetz, wie z. B. Akkumulatoren einer Photovoltaikanlage, in ein Drehstromnetz.
