DE2002943A1

DE2002943A1 - Kurzschlussschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE2002943A1
Application number: DE19702002943
Authority: DE
Inventors: Graf Carlton Eugene; Wolkmann Werner Karl
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-28
Filing date: 1970-01-23
Publication date: 1970-08-27
Also published as: JPS507735B1; GB1289632A; ES375902A1

Description

Paienianwälie

Dr.-lng. Wilhelm Ee-ichel ₆₀₉₆ ,

DipWng. Wci:„ iij Μώδΐ
6 Franko:! a, M. 1 .

Parksiraße13

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N-.Y., VStA

Kurzschlußschutzeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz gegen Kurzschlüsse über mindestens zwei zwischen den Stromversorgungsanschlüssen einer Stromversorgungss'chaltung gleichsinnig in Reihe geschaltete Pestkörper-Schaltvorrichtungen, Bei der Stromver-*- '. sorgungsschaltung kann es sich um einen Wechselrichter handeln, der Thyristoren als Schaltvorrichtungen enthält, von denen zwei in Reihe geschaltete Thyristoren durch die Kurzschlußschutzeinrichtung gesperrt werden, wenn sie beide gleichzeitig, abweichend von ihrer normalen Schaltfolge, leitend werden.

Stromversorgungsschaltungen, wie.Wechselrichter und solche mit '·- Tastverhältnissteuerung, enthalten in der Regel eine oder men- " rere Reihenschaltungen mit jeweils zwei in Reihe geschalteten . Thyristoren als Schaltvorrichtungen und einer Drosselspule, wobei alle Reihenschaltungen parallel an Gleichstromversorgungaanschlüssen liegen. Die Drosselspule kann zum Schutz gegen Übergangsschwingungen oder als ein Teil der Kommutierungsinduktivität der für»die Thyristoren vorgesehenen Kommutierungsschaltungen dienen, um den durch einen leitenden Thyristor flieseenden Strom unter den Haltewert zu verringern und den Thyristor zu sperren. Die beiden in Reihe geschalteten Thyristoren sind normalerweise abwechselnd leitend, um erst den positiven Stromvereorgungsanschluß und dann den negativen Stromversorgungsanschluß mit dem Verbrauoherkreis zu verbinden. Ein Fehler in der Stromvereorgungeechaltung oder im Verbraucherkreis kann jedoch dazu führen, daß beide Thyristoren gleichzeitig leitend werden.

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Wenn dies der Pail ist, sind die mit den Thyristoren in Reihe geschalteten induktiven Bauteile nicht in der Lage, den Stromanstieg zu verhindern oder den Strom zu begrenzen, so daß die beiden leitenden Thyristoren die Stromversorgungsanschlüsse praktisch kurzschließen. Wenn dieser Kurzschluß nicht sofort beseitigt wird, werden die von dem Kurzschlußstrom durchflossenen Bauelemente zerstört. Zu .den gewöhnlichen Ursachen für das Auftreten eines derartigen Kurzschlusses gehören ein fehlerhaftes Verhalten der Zündschaltungen der Thyristoren, das die Erzeugung ungewollter oder zeitlich irregulärer Zündsignale zur Folge hat, durch die ein Thyristor gezündet wird, bevor der andere gesperrt wird, eine derartige Veränderung des Belastungszustandes durch den Verbraucher, daß ein Überstrom gezogen wird, der bewirkt, daß ein Thyristor noch nicht vollständig gesperrt ist, bevor der andere gezündet wird, sowie ein derart ungewöhnlicher Zustand der Stromversorgungsschaltung, wie das Auftreten von Übergangsschwingungen oder Störimpulsen, die die Nennwerte der Thyristoren überschreiten und einen Fehler zur Folge, haben.

Ohne darauf beschränkt zu sein, handelt es sich bei dem hier beschriebenen Wechselrichter unr eine frequenz- und spannungsvariable Stromversorgungsschaltung für einen Wechselstrommotor, der als drehzahlvariabler Antrieb verwendet werden soll. In diesem Anwendungsfalle muß die Stromversorgungsschaltung zuverlässig sein, so daß unbedingt dafür gesorgt werden muß, daß der Wechselrichter eine Kurzschlußschutzeinrichtung aufweist, die für eine Beseitigung der erwähnten Kurzschlüsse sorgt, wenn diese auftreten. Da es sich bei der Kurzschlußschutzeinrichtung nur um eine Zusatzeinrichtung handelt, sollte dafür ein möglichst geringer Aufwand getrieben werden, um ihre Kosten gering zu halten.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wirksame, nichii Kostspielige Kürzschiußsehutzeinrichtung für Stromversorgüngsschalturigen zu schaffen, die mindestens zwei zwischen den"Strööivefsorgungsanschlüssen parallel geschaltete Reihen-' schaliüngen mit jeweils zwei Thyristoren- und einem oder mehreren induktiven Baut eilen enthält, von denen die Thyristoren ; unabhängige kommütieruhgsschaltungen aufweisen.

Nach''der Erfindung' ist die Kurzschlußschutzeinrichtung Teil einer festköfper-Ötromve'rsorgungsschaltung, bei der es sich um eineh'Wechselrichter handeln kann und die zwei oder mehrere zwischenzwei" Stromversorgungsanschlüssen parallel geschaltete Reihenschaltungen enthält, von*denen jede mindestens, zwei gleichsinnig gepolte Thyristoren enthält, von denen mindestens | einem Thyristor eine Rückführdiode gegensinnig parallel geschaltet ist. Bei der bevorzugten Ausführung enthält jede Reihenschaltung in Reihe mit den beiden Thyristoren eine Thyristor-Schutzdrosselspule, und die Induktivitäten der verschiedenen ' den" Verbraucherstrom führenden Reihenschaltungen sind alle etwa gleich. Die Stromversorgungsschaltung enthält ferner einen Verbraucher, z.B. einen Wechselstrommotor, der an einen Punkt aller den Verbraucherstrom führenden Reihenschaltungen ange- ' schlossen·ist, eine Zündvorrichtung zum abwechselnden Durch- ■ steuern der Thyristoren in {jeder Reihenschaltung, um dem Verbraucher Str'rm- zuzuführen, sowie eine Kommutierungsvorrichtung * zürn'■ "Sperren--der Thyristoren, nachdem sie eine vorbestimmte Zeit , lang -leitend waren. Ein Siebkondensator liegt ebenfalls an der Stromquelle parallel zu den Reihenschaltungen. Eine Kurzschluß-strömfühlvorrichtung, z.B*-eine den Siebkondensatorstrom erfassende Vorrichtung, ist vorgesehen, um festzustellen·/ ob die 'Strömstärke einen vorbestimmten. Grenzwert überschreitet,· wenn alle in Reihe geschalteten Thyristoren in einer Reihenschaltung gleichzeitig aufgrund eines Fehlers leitend werden, so daß die Stromversorgungsanschlüsse praktisch kurzgeschlossen werden. Eine an die Kurzschlußstromfühlvorrichtung angeschlossene Vor-

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richtung schaltet gleichzeitig alle den Verbraucherstrom führenden Thyristoren ein bzw. durch, so daß der Siebkondensator mit der Gesamtinduktivität der parallel geschalteten Reihenschaltungen einen Schwenkkreis bildet, dessen Resonanzschwingungen alle Thyristoren sperren«

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher beschrieben, ;

Pig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Dreiphasen-Wechselriohters mit einer Kurzschlußschutzeinrichtung.

Pig. 2 1st ein schematisches Schaltbild der Sohutabauteile für einen der den Verbraucherstrom führenden Thyristoren nach Pig.

I und

Pig. 3 1st ein schematisches Blockschaltbild, das ausführlicher die Betätigung der Thyristorzündsohaltungen durch den festgestellten Kurzschlußstrom darstellt.

Die Grundeinheiten der einstellbaren Wechselstromversorgung*- P einrichtung nach PIg. 1 umfassen eine Gleichstromversorgung»* einrichtung 11, einen frequenz- und spannungavariablen Iffehrphasen-Wechselrichter 12 und einen mehrphasigen Wechselstrommotor 13, bei dem es eich vorzugsweise um einen Weohselstromlnduktionsmotor handelt. Die Gleiohstromversorgungseinriohtung

II wird aus einer Dreiphasen-Wechselstromquelle gespeist und enthält einen Dreiphasen-Brüokengleichrichter 14 «it seche Blöden. Ber Gleiohriohter 14 gibt zwischen seinen Ausgangs an Schlüssen 15* und 16 eine pulsierende Gleichspannung ab, die durch eine Pilterechaltung,'die In Helhe mit einer Drosselspule, 18 einen Ablelt-Slebkondensator 17 enthält, gefiltert oder ge-

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glättet wird. Der Gleichrichter 14 kann durch eine äquivalente . Gleichstromquelle, z.B. einen Einphasen-Wechselrichter oder eine Batterie, ersetzt werden. Die Filterschaltung, auch Sieb- oder Glättungsschaltung genannt, kann zusätzliche LG-Kreise enthalten, enthält jedoch mindestens eine Impedanz, wie die Drosselspule 18, zwischen dem Gleichrichter H und dem Kondensator 17, die in der Kurzschlußschutzeinrichtung zur Entkopplung von Kondensator 17 und Stromquelle dient. .

Der Wechselrichter 12 ist als Dreiphasen-Brückenschaltung aufgebaut und arbeitet mit McMurray-Kommutierung bzw. -Löschung, bei der ein Hilfsthyristqr durchgeschaltet wird, um einen entgegengesetzt gerichteten löschetromimpuls zu erzeugen, der den über die Hauptanschlüsse des Thyristors fließenden Strom unter den Haltestrom verringert und den Thyristor auf diese Weise sperrt. Eine erste Hauptphase des Wechselrichters 12 enthält eine Reihenschaltung zwischen den Hauptanschlüssen 15 und 16, die einen Hauptthyristor 20 und eine in Reihe geschaltete Schutzinduktivität 21 enthält, sowie eine zweite Schützinduk-* tivität 22 in Reihe mit einem zweiten Hauptthyristor 23·. Die Thyristoren 20 und 23 sind gleichsinnig gepolt und vorzugsweise unidirektionale steuerbare S.iliziumgleichriehter,. obwohl auch andere äquivalente Thyristoren verwendet werden können. Den Hauptthyristoren. 20 und 23 sind ferner Rückfüh'rdi.oden 24 und 25 antiparallel geschaltet. Diese Rückführdioden werden ( bei zu hohem Jiösch- oder Sperrstrom (auch Kommutierungsstrom genannt) während des Komrautierungsintervalls leitend und bilden einen Stromweg für einen Blindstrom des Verbrauchers. Der Verbindungepunkt 50 der Schutzindu^tivitäten 21 und 22 in 4er Hauptphase A ist mit einer der.'in Stern geschalteten Motorwick« lungen des WechselstrominduktionsmötQrs 13 verbunden. Die '.Motor- Wicklungen können auch in Dreieck geschaltet sein. Die Haupt-. thyristoren 20 und 23 können als Schalter betrachtet werden, die den poeitirVen GleichatromversQigungsansQhluß 15 und,den negativen öleicheiromversorgungeanechluß 16 abwechselnd mit

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-βάβω Ende der Motorwicklung verbinden. Die zweite Hauptphase (Phase B) des Wechselrichters 12 enthält eine Reihenschaltung mit den Hauptthyristoren 30 und 33 und jeweils Schutzindukti-,vitäten 31 und 32 sowie den antiparallel geschalteten Rückführdioden 34 und 35. Der Verbindungspunkt 51 der zweiten Hauptphase ist mit einer zweiten Motorwicklung verbunden, während der Verbindungspunkt 52 der dritten Hauptphase (Phase C),. der die mit ähnlichen Bezugszahlen versehenen Bauteile 40 enthält, mit der dritten Motorwicklung verbunden ist.

Die Zündsignale, die die Hauptthyristoren in der richtigen Reihenfolge zünden, so daß sie in den leitenden Zustand durchgeeteuert werden und dem Motor 13 eine stufenförmige Dreiphasen-.Spannung zuführen, werden in einer Zündschaltung erzeugt, die nicht dargestellt ist, weil solche Zündsohaltungen an sich bekannt sind. Geeignete Zur 1schaltungen sind z.B. in dem "Silicon Controlled Rectifier Manual?¹, 4, Ausgabe, 1967, herausgegeben von dem Semiconductor Products Department der General-Electric Company, Syracuse, New York, beschrieben. Die Kommutierungs- oder Löschachaltungen für die Hauptthyristoren werden weitgehend unabhängig von der später noch beschriebenen Kurzschlußbeseitigungseinrichtung betrieben und gesteuert. Die Steuerung für die Kommutierungssohaltung kann daher optimal ausgelegt werden, ohne ihre Verwendung zur Lösung des Kurzschlußproblems zu berücksichtigen.

Die Kommutierungsschaltung für die erste Hauptphase enthält einen zwischen den Gleichstromversorgungsansohlüssen 15 und liegende Reihenschaltung, die einen Hilfskommutierungsthyristor 2OA in Reihe mit zwei Schutzinduktivitäten 26 und 27 und einen zweiten Hilfskommutierungsthyristor 22A enthält. Der Verbindungspunkt 54 zwisohen den beiden Schutzinduktivitäten 26 und 27 ist mit einer Kommutierungsinduktivität 28 verbunden, die wiederum mit einem Kommutierungekondensator 29 in Reihe an den Verbindungepunkt 50 angeschlossen ist·

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TJm die Wirkungsweise der Kommutierungsschaltung kurz zu erläutern, sei angenommen, daß der Hauptthyristor 20 den Verbraucherstrom führt und der Kommutierungskondensator 29 von der vorhergehenden Haibwelle aufgeladen ist, so daß das Potential des Punktes 50 positiv.gegenüber dem des Punktes 54 ist. Wenn der Hauptthyristor 20 auskommutiert, d.h. gelöscht oder gesperrt werden soll, wird der Hilfskommutierungsthyristor 2OA durch ein Zündsignal der Kommutierungszündschaltung 55 durchgesteuert, so daß der Reihenschwingkreis aus Kommutierungsinduktivität 28 und Kommutierungskondensator 29 über die Schutzinduktivitäten 21 und 26 an die Hauptanschlüsse des Hauptthyristors 20 gelegt wird. Dieser Reihenschwingkreis gibt einen' Entladestromimpuls ab, der.den über den Hauptthyristor fließenden - Strom zu null macht» Die Rückführdiode 24 wird dann leitend und läßt einen zu höhen Wsch- oder Kommutierurigsstrom durch, während sie gleichzeitig den Hauptthyristor 20 länger als die Preiwerdezeit an Sperrspannung legt, so daß er gesperrt wird. Wenn sic^; der Kommutierungskondezisator 29 umgeladen hat^, ist das 3?otei!itIaI des Punktes 54 positiver als das des Abschlusses 15* so daß d«r Hilfsthyristor 2OA gesperrt wird,"-^Λ$%ϊΐΐί: 4er_;Hauptthyrisiiör 20 gesperrt ist, kann ein Ver-. bräucläer-Blindstrom über (tie gegenüberliegende Rückführdiode 25 fließen und den Koramutierungskondensator 29 auf einen teilweise von der Stärke des yerbraucherstroms abhängenden Wert aufladen. Gewünschtenfalls kann ein ohmscher Widerstand mit äer Kommutierungsindufctivität 28 und dem Kommutierungskondeneatpy 29 in Reihe gesehaltet werden, um die Spannung zu be-■grönjseii>. auf die sich der Kommutierungskondensator 29 auflädt. Bot* Hauptthyristor 23 kann in einem vorgewählten Zeitpunkt durch ein seinem Steueranschluß zugeführtes Zündsignal durchgesteuert werden, und der Kommutierungskondensator 29 hat die richtige; Polar it äiv um ihn wieder zu sperren, wenn der Hilfskommutierungsthyristor 23A gezünaet ist. In ähnlicher V/eise l die Köxnmutierungsschaltungen für die Thyristoren 30'

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und 33 der Hauptphase B die in Reihe geschalteten Hilfsthyristoren JOA und 33A und die Kommutierungsbauteile 36 - 39. Die in Reihe geschalteten HiIfsthyristoren 4OA und 43A und die Kommutierungsbauteile 46 - 49 bilden die Kommutierungsschaltung für die Thyristoren 40 und 43 der Hauptphase C. Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Wirkungsweise der Kommutierungsschaltungen können der USA-Patentschrift 3 207 974 entnommen werden.

Ein Wechselrichter dieser Art, bei dem die Frequenz der Kommutierungsschaltungen wesentlich höher als die Frequenz der Ausgangsspannung sein kann, ist besonders als Wechselrichter W mit veränderbarer Frequenz und Spannung zur Stromversorgung eines Induktionsmotors geeignet, dessen Drehzahl gesteuert oder geregelt werden soll. Dabei ist es zweckmäßig, die den Klemmen des Motors zugeführte Spannung in Abhängigkeit von der Frequenz derart zu ändern, daß der Fluß in der Maschine konstant bleibt. Die Spannung muß dabei bei jeder Frequenz innerhalb eines verhältnismäßig engen Bereichs gehalten werden, um die erforderliche Erregung zu gewährleisten. Dies läßt sich durch eine Tastverhältnis-Steuerung oder ein Impulsdauermodulationsverfahren mit Hilfe derselben Thyristoren des Wechselrichters erreichen, die zur Steuerung der Frequenz verwendet werden.

^ Ein Kurzschluß zwischen den Gleichstromversorgungsanschlüssen 15 und 16 kann in Jedem der drei Hauptphasenkreise oder jeder der drei Kommutierungsschaltungen auftreten,· die jeweils zwei Thyristoren in Reihe mit zwei Schutzinduktivitäten enthalten. Es gibt drei Hauptursachen für das Auftreten eines derartigen Kurzschlusses im Wechselrichter 12. So kann ein Verbraucherüberstrom infolge eines Fehlers im Verbraucher selbst, z.B. eine Sättigung des Motors, eines Kurzschlusses der Motorleitungen oder einer Überlastung, auftreten.· In diesem Falle ist.die Stromstärke der über die .Hauptthyristoren fließenden Ströme bo groß, daß die Kommutierungsschaltungen nicht in der

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Lage sind, .die Thyristoren zu. löschen bzw. zu sperren. Störoder Rauschsignale,, die in den Zündschaltungen der Thyristoren auftreten, können zur Erzeugung ungewollter oder zeitlich irregulärer Zündsignale oder von Übergangsschwingungen oder Störimpulsen führen, die irreguläre Zündsignale zur Folge haben. In diesem Falle wird der in Reihe geschaltete zweite Thyristor gezündet," bevor der erste Thyristor gesperrt ist. Ferner kann die Stromversorgungsschaltung selbst Spannungen oder Ströme erzeugen, die die Nennwerte der Thyristoren überschreiten, z.B. im Generatorbetrieb des Motors· Wegen des Gleichrichters 14 ' kann die Energie nicht ins Fetz zurückgeführt werden, so daß an die Thyristoren eine zu hohe Durchlaßspannung gelegt wird,

Die in den Reihenschaltungen, in denen ein Kurzschluß auftreten kann, mit den Thyristoren in'Reihe geschalteten Schutzinduktivitäten sind normalerweise als Teil der Thyristor-Schutzeinrichtung zum Schutz gegen ein' zu hohes du/dt und di/dt vorgesehen. Es ist jedoch möglich, daß Thyristoren entwickelt werden, die den Spannungs- oder Strömsprüngen standhalten, die während '.des Betriebs dieses Wechselrichters auftreten. Zusätzlich zu der in Reihe" geschalteten Induktivität oder Drosselspule 21 (siehe Fig. 2) enthält die Schutzeinrichtung für den Hauptthyristor 20 und die antiparallel geschaltete Rückführdiode 24 die Reihenschaltung aus einem Kondensator 56 und einem Widerstand 57 zwischen den Hauptanschlüssen dieser beiden Halbleiterbauelemente 20.und 24 und einen !Parallelkondensator 58. Die Drosselspule 21 begrenzt zusammen mit dem RO-Glied die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt beim Zünden und die Anstiegsgeschwindigkeit du/dt der nach dem Sperren angelegten .Spannung. Der Kondensator 58 dient zum. Schutz gegen den Lochspeichereffekt der Diode 24, die auch durch äquivalente Gleichrichter, z.B. Steuerbare Halbleiter, die entsprechend dem "Xe itendwerden der Diode 24 in den leitenden Zustand gesteuert werden, ersetzt werden kann. Die mit den Thyristorsn in Reihe liegenden Schutzinduktivitäten sind gewöhnlich ale Teil der Halbleiter-Schutzeinrichtung vorgesehen und haben außer der Tatsache, daß sie ein Bauteil der

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Kurzschlußschutzeinrichtung sind, noch eine wesentliche Punktion. Um eine symmetrisch arbeitende Schaltung zu erhalten, haben die sechs Schutzdrosselspulen in den Hauptphasen des Wechselrichters 12 weitgehend gleiche Induktivität, und vorzugsweise sind die Induktivitäten der sechs Schutzdrosselspulen in den Phasen der Kommutierungsschaltungen des Wechselrichters ebenfalls alle gleich, und haben-im ungesättigten Zustand einen Induktivitätswert, der höher als der der Schutzdrosselspulen in den Hauptphasen ist, um die Anstiegsgeschwindigkeit des beim Zünden über die Hauptanschlüsse fließenden Stroms wirksamer zu begrenzen, falls ein Kurzschluß in den Kommutierungsphasen auftritt.

Bei der in Pig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung, bei der die Spule 18 als Trennimpedanz zwischen dem Kondensator 17 und der Gleichstromversorgungseinrichtung 11 angeordnet ist, werden die Schutzdrosselspulen durch einen Kurzschluß in irgendeiner der Haupt- oder Kommutierungsphasen selbsttätig mit dem Kondensator 17 in Reihe geschaltet. Während der ersten Schwingungshalbwelle des so gebildeten Reihenresonanzkreises wird die Spannung am Kondensator 17 umgepolt, und bei einem .Dreiphasen-Wechselrichter ist der in der zweiten Schwingungshalbwelle'erzeugte Gegen- oder Sperrstrom nicht in der Lage, die leitenden in Reihe geschalteten Thyristoren zu sperren, weil die Rückführdioden in den drei Hauptphasen dann in Durchlaßrichtung gepolt sind und drei parallele leitungen für den Gegenstrom bilden. Es läßt sich mathematisch zeigen, daß (wenn die Schutzinduktivitäten in den Parallelzweigen der Hauptphasen alle gleich sind) ein Gegenötrom mit zum Sperren der beiden kurzgeschlossenen Thyristoren hinreichender Stärke und Dauer erzeugt werden kann, wenn die wirksame Gesamtinduktivität bei einem Stromfluß in Sperr-Richtung vom Stromversorgungsanachluß 16 zum Stroraversorgungsanschluß 15 gleich der halben wirksamen Gesamtinduktivität bei Stromfluß in Durchlaßrichtung vom Anschluß 15

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- τι -

zum Anschluß 16 ist. Bei einer Zweiphasenschaltung oder Brükkenschaltung mit mindestens zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen wäre der Schwingkreis gerade in der lage, die kurzgeschlossenen in Reihe geschalteten Thyristoren zu sperren, doch könnte er nicht als zuverlässig angesehen werden. Bei einer Dreiphasenschaltung und einem Kurzschluß in einer Hauptphase ist die wirksame Gesamtinduktivität bei in Sperr-Richtung fließendem Strom nur gleich einem Drittel der wirksamen-Gesamtinduktivität bei in Durchlaßrichtung fließendem Strom, so daß die beiden kurzgeschlossenen Thyristoren nicht gesperrt werden. Die Lage ist nicht besser, wenn der Kurzschluß in einer der Kommutierungsphasen der Schaltungsanordnung nach Pig. 1 auftritt. '

Nach der Erfindung lassen sich die Thyristoren nach dem Auftreten eines Kurzschlusses bei optimaler Bemessung der Induktivität des Kondensators 17 und der mit den Thyristoren zwischen den Stromversorgungsahschlüssen in Reihe geschalteten Drosselspulen durch Erfassen des Kurzschlußstroms und Durchschalten aller den Verbraucherstrom führenden Thyristoren der Hauptphase sicher sperren. Wenn also in einer der Hauptphasen nach Pig. 1, z.B. der Hauptphase A, ein Kurzschluß auftritt, werden die Thyristoren in den Hauptphasen B und C gezündet, und wenn es sich um eine der Kommutierungsphasen handelt, die 'kurzgeschlossen ist, dann werden alle sechs Thyristoren in den Hauptphasen A, B und C gezündet. Auf diese Weise ist die wirksame Gesamtinduktivität des den Sieb- oder Glättungskondensator 17 enthaltenden Reihenresonanzkreises in der ersten Schwingungshalbwelle, in der der Strom vom Anschluß 15 zum Anschluß 16 fließt, die gleiche wie in der zweiten Schwingungshalbwelle, wenn der Strom in entgegengesetzter Richtung fließt·. Dadurch bilden die addierten Phasen eine normale Betriebshalbwelle, und die Schwierigkeitenj die sich dadurch ergeben, daß parallele Phasen nur zu einem Teil der Betriebshalbwelle beitragen, wie dies zuvor beschrieben wurde, sind vermieden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Kurzschlußstrom zumindest auf die

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Reihenschaltungen von drei Phasen verteilt wird, so daß sich der Strom pro Reihenschaltung oder Phase verringert. Der durch den Kondensator 17 und die wirksame G-esamtinduktivität der parallel geschalteten Schutzdrosselspulen in den Hauptphasen gebildete Reihenresonanzkreis ist so bemessen, daß der Sperrstrom bei der Resonanzfrequenz eine solche Zeit lang aufrechterhalten wird, die ausreicht, alle leitenden Thyristoren zu sperren. Wenn die Schutzdrosselspulen durch die Weiterentwicklung der Thyristoren entfallen können, dann sollte die wirksame Gesamtinduktivität des durch die Kurzschlußstrecke und den Kondensator 17 gebildeten Resonanzkreises eine Resonanzfrequenz aufweisen, die den zum Sperren der Thyristoren erforderlichen Gegenstrom liefert.

Vorzugsweise sollte die den Kurzschlußstrom messende oder erfassende Vorrichtung den durch den Kondensator 17 fließenden Strom erfassen. Wenn ein Kurzschluß auftritt, wird der über die gleichzeitig leitenden Thyristoren in dem kurzgeschlossenen Zweig fließende Strom hauptsächlich durch eine schnelle Entladung dieses Kondensators 17 geliefert. Der Strom für die Kommutierungs- oder Löschphasen des Wechselrichters 12 während des Kommutierungs- oder löschintervalls wird jedoch teilweise durch den Kondensator 17 geliefert, obwohl die zum Kommutieren oder Löschen erforderliche Stromstärke nicht so hoch wie bei einem Kurzschluß ist. Eine einfache Möglichkeit, den durch den Kondensator 17 fließenden Strom zu messen, besteht darin, einen Stromwandler 60 zu verwenden, dessen Primärwicklung mit dem Kondensator 17 zwischen den Stromversorgungsanschltissen 15 und 16 in Reihe geschaltet und dessen Sekundärwicklung mit einer Schaltung 61 verbunden ist, die den Kurzschlußstrom dadurch erfaßt, daß sie feststellt, wann der durch den Kondensator 17 fließende Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dieser Wert ist so hoch gewählt, daß die Schaltung 61 im Hormalbetrieb des Wechselrichters 12 kein Signal abgibt. Vorzugsweise speist das Ausgangssignal der Schaltung 61 eine Sohaltung 62, die die Hauptthyristor-Zündschaltungen 53 veranlaßt, allen

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sechs Hauptthyristoren gleichzeitig Zündsignale zuzuführen und weitere Zündsignale zu sperren.. Nach Beseitigung des Kurzschlusses sind alle Hauptthyristoren 20, .23," 30, 33,..40 und 43 gesperrt, so daß der Wechselrichter· vollständig ausgeschaltet ist. Die Kurzschlußstromerfassungsschaltung 61 speist auch eine Schaltung 63, die die-Kommutierungsthyristor-Zündschaltungen-SS veranlaßt, weitere Zündsignale zu sperren.

Der Vorteil, den Wechselrichter 12 durch das Ansprechen der . Kurzschlußschutzeinrichtung vollständig außer Betrieb zu setzen, besteht· darin, daß die Bedienungsperson darauf hingewiesen wird, daß in der"Einrichtung eine Störung aufgetreten sein kann, die gegebenenfalls'behoben, werden· muß. Wenn jedesmal nach.dem erneuten Einschalten des Wechselrichters 12 wiederein Kurzschluß auftritt, muß offensichtlich eine Korrektur vorgenommen werden. Es ist zwar möglich, den Wechselrichter 12 selbsttätig wieder in Betrieb zu setzen, nachdem alle Hauptthyristoren gesperrt wurden, um einen Kurzschluß zu beseitigen, doch sei darauf hingewiesenj daß die Kurzschlußschutzschaltung nicht eher wieder betriebsfähig ist, als bis sich der Kondensator 17 wieder auf die Spannung mit normaler Polarität aufgeladen hat. Außerdem müssen mehrere Größen des Motors 13 oder des Wechselrichters 12 gemessen werden, um festzustellen, ob die Schaltung wieder einschaltbereit ist. So muß beispielsweise die Polarität der Spannung an den Kondensatoren 29, 39 und 49 in den Kommutierungs- bzw. löschschaltungen gemessen werden, um festzustellen, daß die Kommutierung richtig erfolgt, wenn der Wechselrichter erneut eingeschaltet wird. Zweckmäßigerweise sollte auch die Anzahl der hintereinander auftretenden Kurzschlüsse gezählt werden_s/da die Schaltung weiterhin solange fehlerhaft arbeitet, wie der Fehler nicht behoben ist und man anhand dieser Anzahl unter Umständen feststellen kann, daß es sich nicht um einen kurzzeitig aufgetretenen Fehler handelt, wie er beispielsweise durch einen als Zündimpuls wirkenden Störimpuls hervorgerufen wird. In jedem Falle bleiben die wesentlichen Einzelheiten, oder Teile dieser Kurzschlußsohutzeinrich-

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tung unabhängig davon die gleichen, ob der Wechselrichter nach einem Kurzschluß vollständig abgeschaltet oder selbsttätig wieder eingeschaltet wird,'nur daß eg nicht erforderlich ist, weitere Zündsignale-der Hauptthyristoren und der Kommutierungsthyristoren zu sperren ,(siehe die Schaltungen 62 und 63).

Vorzugsweise wird die Punktion der Schaltungen 62 und 63 von logischen Schaltungen umfaßt, die normalerweise den Zeitpunkt und die Reihenfolge der Zündsignale für die Kommutierungsthyristoren und die Hauptthyristoren bestimmen. Dies ist in Pig.3 schematisch dargestellt, soweit dies zum Verständnis der Er-

■l findung notwendig erscheint. Die Lösch- oder Kommutierungsphasen-Zündlogik ist durch Blöcke 64 - 66 dargestellt, während die Hauptphasen-Zündlogik durch Blöcke 67 - 69 dargestellt ist. Der Betrieb dieser logischen Schaltungen wird normalerweise durch die Zeitaufteilungslogik gesteuert, die schematisch durch den Block 70 dargestellt ist und über nicht dargestellte Eingänge die Information erhält, die erforderlich ist, um den Dreiphasenmotor 13 mit der gewünschten Drehzahl zu betreiben. Die Kurzschlußerfassungsschaltung 61 führt den Zündschaltungen 64 - 69 ebenfalls Signale zu. Da es auch zur Aufgabe der Kurz-Qchlußschutzeinrichtung gehört, den Motor 13 anzuhalten, ist die Schaltung 61 auch mit einer logischen Start-Stop-Schaltung 71 verbunden, die zum Anlassen und Anhalten des Motors bei Nor-

W malbetrieb verwendet wird.

Diese Schutzeinrichtung stellt mithin nicht nur ein einfaches und somit billiges, sondern auch ein zuverlässiges Mittel dar, das auf Fehler anspricht, die in einer Stromversorgungsschaltung auftreten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fehler ein Kurzschluß in einem frequenz- und spannungsvariablen Wechselrichter für einen Drehstrommotor, dessen Drehzahl einstellbar sein soll. Diese Schutzeinrichtung läßt sich jedoch auch so abwandeln, daß sie auf andere Fehler anspricht

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und ebenfalls in derselben optimalen Welse dieselben Schaltungsbauteile ausnutzt, die normalerweise für andere Zwecke verwendet werden, so daß nur ein minimaler zusätzlicher Aufwand an ,Schaltungsbauteilen erforderlich ist, um die gewünschte Schutzwirkung zu erzielen. · -

Die Schutzeinrichtung läßt sich auch bei anderen Stromversorgungsschaltungen anwenden, bei denen Thyristorpaare in ähnlicher Weise zwischen Stromversorgungsleitungen liegen und Filter-, Sieb-.oder Glättungskondensatoren in ähnlicher Weise für Resonanzkreise verwendet werden können. Mit Hilfe dieser Schutzeinrichtung wird das Problem gelöst, die als Schaltvorrich- f tungen in Reihe geschalteten Halbleiterbauelemente, wie Thyristoren, vor einem glatten Kurzschluß zu'schützen, der diese Bauelemente andernfalls zerstören· würde. Parüberhinaus ist die Kurzschlußschutzeinrichtung in vorteilhafter Weise von den üblichen Kommutierungs- oder löschschaltungen für die Thyristoren getrennt.

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Claims

Patentansprüche

M,,/Kurzschlußschutzeinrichtung für einen Kurzschluß über Thyristoren einer Stromversorgungsschältung, die aus einer Stromquelle gespeist wird, an der eine Filtervorrichtung mit einem Sieb- oder Glättungskondensator liegt, und mehrere an der Stromquelle liegende, parallel geschaltete Reihenschaltungen, die jeweils mindestens zwei gleichsinnig in Reihe geschaltete Thyristoren mit - in mindestens einer Reihenschaltung - antiparallel geschalteten Rückführdioden enthalten, und eine Zündschaltung zum Durchsteuern der Thyristoren in den Reihenschaltungen und von Kommutierungs- oder Löschvorrichtungen zum normalen Sperren der Thyristoren aufweist, wobei der Verbraucher mit einem Punkt zwischen den Thyristoren mindestens einer Reihenschaltung verbunden ist und die Zündschaltung und die Kommutierungsvorrichtungen in einer die dem Verbraucher zuzuführende Leistung steuernden Reihenfolge betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, .daß die Schutzeinrichtung eine Vorrichtung (60, 61) zum Feststellen einer Stärke des Stroms, die nur dann in der Stromversorgungsschaltung auftritt, wenn die in Reihe geschalteten Thyristoren (20, 23; 30, 33; 40, 43) in einer der Reihenschaltungen (A; B; C) aufgrund eines Fehlers oder einer Störung gleichzeitig leitend werden, und eine an alle Thyristoren in mindestens zwei dieser Reihenschaltungen zur Steuerung angeschlossene und auf jene Vorrichtung (60, 61) dahingehend ansprechende Vorrichtung' (62) enthält, daß sie (die Vorrichtung 62) die zuletzt erwähnten Thyristoren beim Auftreten der vorbestimmten Stromstärke durchsteuert, und daß der Kondensator (17) mit der wirksamen Gesamtinduktivität des resultierenden Stromkreises einen Schwingkreis bildet, der mit einer solchen Frequenz schwingt, daß die Dauer der diesen Thyristoren durch die Resonanzschwingungen zugeführten Sperrströme ausreicht, diese Thyristoren zu sperren.

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2. Einrichtung nach Anspruch T, dadurch g e k e η η ζ eic h η et, daß die Stromquelle eine Gleichstromquelle ist und die Einrichtung eine zwischen der Gleichstromquelle (H) und einem der Stromversorgungsanschlüsse (15) der Stromversorgungsschaltung liegende Trennimpedanz (18) enthält.
3, Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kenn-zeic h η et, daß die alle Thyristoren in mindestens zwei der Reihenschaltungen gleichzeitig durchsteuernde Vorrichtung die Zündschaltungen veranlaßi;, den Thyristoren · Zündsignale zuzuführen, und daß die Stromversorgungsschaltung ferner eine Vorrichtung (62) enthält, die die Zündschaltungen zumindest kurzzeitig daran hindert, den Thyristoren nach dem Anlegen der zuletzt erwähnten Zündsignale weitere Zündsignale zuzuführen.
4« Einrichtung nach einem der'Vorhergehenden Ansprüche, da durch g e k e η η ζ e i c h η et, daß in mindestens= zwei Reihenschaltungen Schutzdrosselspulen (21, 22, 31, 32, 41, 42) mit weitgehend gleicher Induktivität liegen.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, d a d u r ch^ g e k e η η ζ e i c h η et, daß der Verbraucher eine dynamoelektrische Maschine umfaßt.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- i durch g e k e η η ζ θ ic h η et, daß die Stromversorgungsschaltung dem Verbrauehör Iireiphasen-Wechselstrom zuführt, daß jede Phase mindestens eine der Reihenschaltungen enthält, über die der Verbraucherstrom fließt, daß die Rückführdioden an die Hauptanschlüsse der Thyristoren in den den Verbraucherstromführenden Reihenschaltungen angeschlossen sind und die zuletzt erwähnten Thyristoren durchgesteuert werden, wenn die vorbestimmte Stromstärke auftritt.

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7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher einen Wechselstrommotor umfaßt.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die, Stromversorgungs-schaltung einen Dreiphasen-Wechselrichter (12), der Verbraucher einen Wechselstrommotor, die Stromquelle eine. Gleichstromquelle und die Filtervorrichtung eine Trennimpedanz (18) zwischen der Gleichstromquelle und den Reihenschaltungen enthält und daß die die vorbestimmte Stromstärke feststellende Vorrichtung auf die Entladung des Kondensators anspricht.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Strpmversorgungsschaltung einen durch Impulse kommutierten oder gelöschten Dreiphasen-Wechselrichter und der Verbraucher einen Wechselstrommotor umfaßt, daß die Thyristoren in den Reihenschaltungen den Verbraucherstrom führen, die Lösch- oder Kommutierungsvorrichtungen Hilfsthyristoren (2OA, 23A, 30A, 33A, 40A, 43A) enthalten, die derart betreibbar sind, daß sie die den Verbraucherstrom führenden Thyristoren normalerweise aperren, und daß die Stromquelle eine Gleichstromquelle (14) ist.

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