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Verfahren und Vorrichtung zur Uberwachung und zum Schutz eines Parallelschwingkreiswechselrichters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und zum Schutz eines Parallelschwingkreiswechselrichters
und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Wechselrichter mit steuerbaren Stromrichterventilen, deren Lastkreis
einen Parallelschwingkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität aufweisen,
werden als Parallelschwingkreiswechselrichter bezeichnet. Parallelschwingkreiswechselmichter
sind beispielsweise aus dem 'wSCR-Manual" der General Electric Company, 1961, Seiten
161 und 162 bekannt. Solche lastkommutierten Wechselrichter werden beispielsweise
zur Speisung von Induktionsöfen oder von Schweißanlagen mit induktiver Erhitzung
verwendet.
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Der reguläre Betrieb von Parallelschwingkreisunrichtern ist nur bei
vollständigem Lastkreis, der aus der Induktivität und der Kapazität besteht, gegeben.
Im Falle eines nicht vollständigen-Lastkreises können unzulässige Beanspruchungen
der Umrichterelemente auftreten, die beispielsweise durch eine Selbstabschaltung
des Umrichters vermieden werden müssen. Ein offener Umrichterausgang, ein kurzgeschlossener
Umrichterausgang und eine fehlende Schwingkreiskapazität sind als verschiedene Möglichkeiten
eines nicht regulären Lastkreises durch eine gezielte Wechselrichterauslegung beherrschbar.
Fehlt die Induktivität,
beispielsweise die Induktorspule des Parallelschwingkreises,
so führt dies zu einer unzulässigen Spannungsbeanspruchung der Stromrichterventile.
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Es besteht die Aufgabe, eine fehlende Induktivität im Parallelschwingkreis
zu erfassen und einen Schutz für die Stromrichterventile vorzusehen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Frequenz
des den Kondensator des Parallelschwingkreises durchfließer.den Stromes gemessen
wird, daß die gemessene Frequenz mit einer Grenzfrequenz verglichen wird und daß
alle Stromrichterventile eines Längszwelges des Parallelschwingkreiswechselrichters
gezündet werden, wenn die gemessene Frequenz kleiner als die Grenzfrequenz ist.
Die.Grenzfrequenz wird vorzugsweise klein gegen die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises
des Wechselrichters gewählt.
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Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
ist ein Impulsgeber angeordnet, der eine Impulsfolge abgibt, deren Pulsfolgefrequenz
synchron zur Frequenz des den Kondensator durchfließenden Stromes ist und die einer
Vergleichsschaltung zugeführt ist, weiterhin ist ein Zeitkipper vorgesehen, der
Impulse abgibt, deren Frequenz gleich der Grenzfrequenz ist und die ebenfalls der
Vergleichsschaltung zugeführt sind, wobei von der Vergleichsschaltung Zündimpulse
den Stromrichterventilen eines Längszweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters
zugeleitet sind, wenn die Pulsfolgefrequenz der Impulsfolge kleiner als die Frequenz
der vom Zeitkipper abgegebenen Impulse ist. Als Vergleichsschaltung kann ein Integrator
mit nachgeschaltetem Schwellwert und ein logisches Schaltelement vorgesehen sein,
dessen einer Eingang mit dem Schwellwert verbunden ist, wobei die Impulsfolge des
Impulsgebers dem Integrator und die Impulse des Zeitkippers einem zweiten Eingang
des logischen Schaltelementes zugeführt
sind und der Ausgang des
logischen Schaltelementes mit den Zündvorrichtungen für die Stromrichterventile
eines Querzweiges des Parallelschwingkreises verbunden ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung erreicht
man eine völlige Unabhängigkeit von der Sastkreiskonstellation, wobei besonders
hervorzuheben ist, daß dies ohne zusätzliche starkstromtechnische Maßnahmen erreicht
wird. Beim Wegfall der Induktorspule bildet die Kompensationskapazität mit der Glättungsinduktivität
des Parallelschwingkreiswechselrichters einen Serienschwingkreis, dessen Frequenz
in der Regel stark von der erwarteten Betriebsfrequenz des Umrichters abweicht,
die i.a. mit der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises übereinstimmt. Diese
Abweichung der Frequenz, die in kürzester Zeit erkannt werden kann, wird als Indikator
für den nicht vollständngen Parallelschwingkreis genommen. Zum Schutz der Thyristoren
wird nun der Strom vom Diagonalzweig des Parallelschwingkreiswechselrichters, d.h.
von der Schwingkreiskapazität auf einen Längszweig oder Querzweig des Parallelschwingkreiswechselrichters
abkommutiert.
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Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Fig.
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1 bis 5 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt das Schaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung.
Es sind steuerbare Stromrichterventile oder Stromrichterventilgruppen 1 bis t in
Brückenschaltung an die Klemmen 5 und 6 einer Gleichspannungsquelle über eine Glättungsdrossel
7 angeschlossen. Als Gleichspannungsquelle kann beispielsweise ein nicht dargestellter
Gleichrichter dienen. Anstelle der Brückenschaltung können die Stromrichterventile
auch in Mittelpunktsschaltung angeordnet sein und die steuerbaren Stromrichterventile
1 bis 4 können beispielsweise Thyristoren sein.
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Zwischen dem Verbindungspunkt 8 der Stromrichterventile 1 und 2 und
dem Verbindungspunkt 9 der Stromrichterventile 3 und 4 ist ein Parallelschwingkreis
10 angeschlossen. Der Parallelschwingkreis 10 ist aus einer Induktivität 11 und
einer Kapazität 12 aufgebaut-. Die Induktivität 11 kann beispielsweise eine Induktorspule
sein. Es ist in der Schaltung angedeutet, daß die Induktorspule 11 vermittels der
Steckverbindung 11a und 11b ausgewechselt werden kann. Zusätzlich ist im Parallelschwingkreis
in Reihe mit dem Kondensator 12 ein Stromwandler 13 vorgesehen, mit dem die Frequenz
des den Kondensator 12 durchfließenden Stromes bestimmt werden kann.
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Mit dem vom Stromwandler 13 erfaßten Strom im Parallelschwingkreis
10 werden zwei Impulsgeneratoren 14 und 15 getaktet, die jeweils eine Impulsfolge
erzeugen, deren Pulsfolgefrequenz der Frequenz des den Kondensator 12 durchfließenden
Stromes synchron ist. Die Impulsfolge des Impulsgenerators 14 ist über eine Umkehrstufe
16 und Impulsverstärkern 17 bzw. 18 den Stromrichterventilen 1 und 4 eines Diagonalzweiges
und die Impulsfolge des Impulsgenerators 15 über die Umkehrstufe 19 und die Impulsverstärker
20 bzw. 21 den Stromrichterventilen 2 und 3 des anderen Diagonalzweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters
zugeführt. Da die Impulsfolgen der Impulsgeber 14 und 15 gegeneinander phasenverschoben
sind, ist sichergestellt, daß mit dieser Steuervorrichtung dem Schwingkreis 10 über
die Stromrichterventile 1 und 4 bzw. 2 und 3 und die Glättungsdrossel 7 periodisch
Energie analog der bekannten BetrieDsweise zugeführt wird.
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Zusätzlich ist die Impulsfolge des Impulsgebers 15 über ee weitere
Umkehrstufe 22 einem Integrator 23 zugeführt, der beispielsweise ein kapazitiv rückgekoppelter
Verstärker sein kann. Der Ausgang des Integrators 23 ist mit einem Schwellwertgeber
bzw. Grenzwertmelder 24 verbunden, dessen Ausgangssignal über eine Umkehrstufe 25
einem Eingang eines NAND-Gatters 26 zugeführt ist. Der zweite Eingang des logischen
Schaltelementes
26 ist mit einem Impulsgeber 27 verbunden, der, wie durch die Wirkungslinie 28 angedeutet
ist, vom Betätigungsschalter 29 des Wechselrichters eingeschaltet werden kann. Am
Ausgang des NAND-Gatters 26 liegt ein weiterer Impulsgenerator 30, der über eine
Umkehrstufe 31 mit den Impulsverstärkern 17 und 20 verbunden ist, durch deren Impulse
die Stromrichter 1 und 2 eines Quer- bzw. Längszweiges des Pulswechselrichters gezündet
werden.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Überwachungs- und Schutzschaltung,
die aus dem-Integrator 23, dem Schwellwert 24, dem logischen Schaltelement 26 und
dem Zeitkipper 27 gebildet ist, sei auf die Fig. 2 und die Fig. 3 verwiesen. In
den Pig. 2 und 3 ist gegen die Zeit t der Signalverlauf U1 bis U5 aufgetragen, der
an den entsprechend gekennzeichneten Punkten der Fig. 1 auftritt. Dabei betrifft
Fig. 2 den regulären Betriebsfall und Fig. 3 einen Störungsfall, bei dem die Induktorspule
11 des Parallelschwingkreises 10 fehlt oder zerstört ist.
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Bei dem in Pig. 2 dargestellten, normalen Betriebsfall wird die Zündimpulafolge
U1 des Impulsgebers 15 dem Integrator 23 zugeführt. Erreicht die Integration einen
vorgegebenen Wert, so wird der Grenzwertgeber 24 gesetzt und der erste Eingang (U2)
des NAND-Gatters 26 nimmt den Wert Null an. Der zweite Eingang (U3) des NAND-Gatters
26 ist mit dem Impulsgeber 27 verbunden.
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Der Schwellwert 24 ist so eingestellt, daß der erste Eingang des NAND-Gatters
26 im normalen Betriebsfall während einer Impulslücke der vom Impulsgeber 27 abgegebenen
Impulse von 1 auf 0 gesetzt wird. Im regulären Betriebsfall werden daher die beiden
Eingänge des NAND-Gatters 26 niemals gleichzeitig den Wert 1 annehmen und der Ausgang
des NAND-Gatters 26 wird daher immer ein konstantes Signal U4 abgeben und der nachgeschaltete
Impulsgenerator 30 wird nicht betätigt.
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Bei diesem Überwachungsvorgang repräsentiert die Länge der Impulslücke
bzw. die Frequenz der vom Zeitkipper 27 abgegebenen Impulse die Grenzfrequenz, mit
der die Frequenz des Schwingkreisstromes verglichen wird, die durch die Zündimpulsfolge
(U1) repräsentiert ist.
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Im Störungsfall (Fig. 3) entsteht keine Zündimpulsfolge (U1).
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Der Schwellwertgeber 24 wird daher nicht gesetzt, da die Integration
den vorgegebenen Wert nicht erreicht. Der erste Eingang (U2) des NAND-Gatters 26
bleibt damit auf dem Wert 1. Nimmt wegen des Impulses des Zeitkippers 27 der zweite
Eingang (U3) des Gatters 26 den Wert 1 an, so verschwindet das Signal am Ausgang
des NAND-Gatters 26 (U4), der Impulsgeber 30 wird betätigt und es werden den Zündvorrichtungen
17 und 20 der Stromrichterventile 1 und 2 eines Längszweiges Zusatzimpulse zugeführt.
Die Stromrichterventile 1 und 2 werden durch die Zusatzimpulse gezündet und der
Strom wird vom Diagonalzweig der Wechselrichterbrücke auf den Längszweig abkommutiert.
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Gleichzeitig kann durch die Zusatzimpulse eine in der Fig. 1 nicht
gezeigte Schaltvorrichtung ausgelöst werden, die die Stromversorgung des Wechselrichters
unterbricht.
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Falls durch die Überwachungseinrichtung lediglich festgestellt werden
soll, ob das Einsetzen einer Induktorspule vor Inbetriebnahme der Vorrichtung vergessen
wurde, genügt es, wenn der Zeitkipper 27, betätigt vom Einschaltvorgang des Wechselrichters,
einen Impuls abgibt. Soll eine laufende Betriebsüberwachung erfolgen, mit der eine
schadhafte Induktionsspule während des Betriebes festgestellt werden kann, so muß
der Impulsgeber 27 eine Impulsfolge abgeben, deren Frequenz der Grenzfrequenz entspricht
und der Integrator 23 und der mit dem Integrator verbundene Eingang des NAND-Gatters
26 ist periodisch zurückzustellen.
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Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
bzw. der Vorrichtung ist in Pig. 4 ein Parallelschwingkreiswechselrichter entsprechend
Fig. 1 im Störungsfall, d.h. ohne Schwingkreisinduktivität 11 dargestellt. Die Zünd-
und Überwachungsvorrichtung wurde in Fig. 4 weggelassen, um die Übersichtlichkeit
zu wahren. Beim Wegfall der Induktionsspule 11 bildet die Kapazität 12 und die Glättungsdrossel
7 einen Serienschwingkreis, dessen Frequenz im allgemeinen erheblich kleiner als
die Betriebsfrequenz des Parallelschwingkreiswechselrichters ist. Mit der beschriebenen
erfindungsgemäßen Vorrichtung' kann im Störungsfall die Abweichung der Frequenz
von der Betriebsfrequenz in kürzester Zeit erkannt und zum Schutz der Thyristoren
durch bewußte Zusatzzündung der eingeprägte Strom über die Glättungsinduktivität
7 vom Diagonalzweig, der aus den Stromrichterventilen 1 und 4 bzw.
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3 und 2 gebildet ist, auf dem Längszweig der Brücke abkommutiert werden,
der aus den Stromrichterventilen 1 und 2 besteht.
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In der Fig. 4 sind die Ströme im Parallelschwingkreiswechselrichter,
insbesondere die Ströme durch die Drossel 7 (id) und über den Kondensator 12 (ic)
und die an den Stromrichterventilen und am Kondensator liegenden Spannungen UTh
und U c eingezeichnet. Den Verlauf dieser Spannungen und Ströme mit der Zeit zeigen
die Fig. 5a bis 5d, wobei in Pig, 5a der Zusatzimpuls eingezeichnet ist, der die
Stromkommutierung auf dem Längszweig einleitet.
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7 Patentansprüche 5 Figuren