DE2513227B2

DE2513227B2 - Schutzeinrichtung fuer einen umrichter

Info

Publication number: DE2513227B2
Application number: DE19752513227
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl-Ing 8520 Erlangen Muller Manfred 8500 Nürnberg Donig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-03-25
Filing date: 1975-03-25
Publication date: 1977-09-29
Also published as: DE2513227A1; JPS51121128A; SE7601191L; CH597717A5; ATA35076A; US4063302A; DE2513227C3; AT347528B; JPS5653264B2; SE424247B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für einen Umrichter mit einem Wechselrichter mit Blindstromdioden und mit Löschkreisen für die Ventile, dessen Gleichspannungseingängen Sicherungen vorgeschaltet sind, und mit einer elektronischen Spannungsüberwachungseinrichtung, die beim Ansprechen Ventile aufsteuert.

Bei Stromrichteranlage^ die einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen Wechselrichter umfassen, ist bereits ein Verfahren zum Schutz gegen Überspannungen bekannt (DT-PS 9 11 034). Wenn eine Überspannung im Zwischenkreis oder an den Ventilen auftritt, so wird diese Überspannung durch eine Funkenstrecke, durch Zündung von zusätzlichen Ventilen oder durch Zündung der an der normalen Stromführung teilnehmenden Ventile unschädlich gemacht.

Bei einem Wechselrichter mit Blindstromdioden und mit Löschkreisen für die Wechselrichterventile besteht das spezielle Problem, daß hei einem Einbruch oder einem Ausfall der Eingangsgleichspannung die Kommutierungsfähigkeit der zünd- und löschbaren Ventilzweige vermindert wird. Ein solcher Einbruch oder Ausfall der Eingangsgleichspannung erfolgt insbesondere beim Auslösen einer Sicherung in einem der Gleichspannungsemgänge des Wechselrichters. Ein weiteres Problem besteht darin, daß beim Ausfall von Sicherungen in den Gleichspannungseingängen des Wechselrichters von der Last her Ströme in den Wechselrichter getrieben werden können, die bereits in sehr kurzer Zeit zu unzulässig hohen und zur Zerstörung der Halbleiterelemente führenden Spannungen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung zu schaffen, welche die Wechselrichterventile bei einem Einbruch oder einem Ausfall der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters schützt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die elektronische Spannungsüberwachungseinrichtung bei Unterschreitung eines vorgegebenen Wertes der Eingangsgleichspannung des Wechselrich'.ers ein Schutzsignal abgibt, das in der Steuereinrichtung des Wechselrichters Zündimpulse für dessen Ventile auslöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß beim Auslösen einer Sicherung ein Einbruch in der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters erfolgt, der von der elektronischen Spannungsüberwachungseinrichtung unverzüglich erfaßt wird, die ihrerseits den Steuersatz des Wechselrichters so beeinflußt, daß dieser Zündimpulse für die Ventile des Wechselrichters ausgibt. Ein Schutz der Ventile ist durch Zündimpulse an die Löschventile oder aber durch Zündimpulse an alle Hauptventile möglich. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich keine unzulässigen Überspannungen an den Halbleiterelementen ausbilden und zu deren Zerstörung führen können.

Der Ansprechwert der Spannungsüberwachungseinrichtung wird in einem solchen Abstand unter die im ungestörten Betrieb auftretende Zwischenkreis-Gleichspannung gelegt, daß dieser Ansprechwert im ungestörten Betrieb nicht erreicht wird. Die Überwachung der Zwischenkreisspannung läßt sich dahingehend ausgestalten, daß bei einer defekten Sicherung das Anfahren des Wechselrichters verhindert wird. Hierzu ist vorgesehen, daß das Schutzsignal über ein Sperrgatter geführt ist, das beim Anfahren des Umrichters für eine vorgegebene Zeitdauer oder in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Spannungsmelders für die Zwischenkreis-Gleichspannung gesperrt gesteuert ist. Beim Anfahren des Umrichters baut sich die Zwischenkreis-Gleichspannung am Zwischenkreiskondensator mit einer Zeitkonstante auf. Die Zwischenkreis-Gleichspannung liegt daher zunächst unter dem Ansprechwert der Spannungsüberwachungseinrichtung und überschreitet diesen Wert nach einer bestimmten Zeitdauer. Erst wenn die Zwischenkreis-Gleichspannung einen vorgegebenen Wert aufweist, darf der Wechselrichter angefahren werden. Während der Zeitspanne, die die Zwischenkreis-Gleichspannung im ungestörten Betrieb benötigt, um über den Ansprechwert der Schutzeinrichtung anzusteigen, wird das Schutzsignal gesperrt. Wenn

sich nach Ablauf dieser Zeitspanne die Zwischenkreis-Gleichspannung noch immer unter dem Ansprechwert der Spannungsüberwachungseinrichtung befindet, liegt ein Defekt vor und es wird die Zuschaltung des V/echselrichters verhindert.

Die Überwachung der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters erfolgt vorteilhaft hinter den Sicherungen, d. h. zwischen den Sicherungen '^nd den Gleichspannungseimgängen des Wechselrichters. Hinter den Sicherungen ist ein Spannungseinbruch beim Auslösen einer Sicherung ausgeprägter und damit leichter erfaßbar als vor den Sicherungen. Diese Ausgestaltung ist auch vorteilhaft, wenn mehrere Wechselrichter an einen Gleichspannungs-Zwischenkreis angeschlossen sind. Beim Auslösen einer Sicherung eines Wechselrichters können die übrigen Wechselrichter ungestört weiter betrieben werden.

Eine für die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung geeignete Spannungsüberwachungseinrichtung kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Schwellwertglied enthalten, dessen Ausgangssign.J über eine potentialfreie übertragungseinrichtung in ein Schutzsignal umgesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist eine Zenerdiode als Schwellwertglied.

Eine besonders einfache und verzögerungsfreie potentialfreie Übertragung ist über einen opto-elektronischen Koppler möglich. Dieser ermöglicht eine vollkommene Potentialtrennung bei hoher Isolierfestigkeit. Die Isolierfestigkeit kann noch weiter gesteigert werden, wenn das lichtemittierende und das lichtempfindliche Halbleiterelement des opto-elektronischen Kopplers über Lichtleiter voneinander getrennt sind.

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung für Umrichter ist völlig verschleißfrei, unterliegt keiner Verschmutzung und bedarf keiner Wartung. Sie unterliegt keinem Kontaktabbrand und verursacht keine Störungen durch Lichtbogen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung,

F i g. 2 eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung für einen Umrichter in Phasenbauweise,

F i g. 3 ein Beispiel für eine elektronische Spannungsüberwachungseinrichtung.

Der in F i g. 1 dargestellte Umrichter bildet aus den Phasen RST eines Drehstromnetzes die Phasen UVW eines weiteren Drehstromsystems, an das beispielsweise eine Drehfeldmaschine angeschlossen sein kann. Der Umrichter enthält einen Gleichrichter 1, einen mit einem Kondensator 2 symbolisch dargestellten Gleichspannungs-Zwischenkreis und einen Wechselrichter 3 mit zünd- und löschbaren Ventilzweigen, der vorzugsweise als selbstgeführter Wechselrichter ausgeführt sein kann. Dem Wechselrichter 3 ist eine Steuereinrichtung 4 zugeordnet, welche Zündimpulse für die Haupt- und Löschventile in den Ventilzweigen des Wechselrichters 3 bildet. In den Gleichspannungseingängen des Wechselrichters 3 sind Sicherungen 5 bzw. 6 angeordnet. Wenn beispielsweise die Sicherung 5 während des Betriebes aus irgendwelchen Gründen auslöst, könnte über die noch intakte Sicherung 6 und die nicht dargestellte Last über die Ventilzweige des Wechselrichters ein Strom getrieben werden, der an den I Imschwingkondensatoren in den Ventilzweigen eine so hohe Spannung aufbaut, daß dadurch Ventile zerstört werden können, bevor die Sicherung 6 auslöst. Eine Zerstörung von Ventilen ist auch dann möglich, wenn die Umschwingkondensatoren in den Löschkreisen der Ventilzweige durch einen derartigen Strom entladen werden und die Ventilzweige nicht mehr gelöscht werden können.

Um derartige Schäden zu verhindern, ist erfindungsgemäß eine elektronische Spannungsüberwachungseinrichtung 8 vorgesehen, die die Zwischenkreis-Gleichspannung hinter den Sicherungen 5,6 am Wechselrichtereingang erfaßt. Wenn diese Spannung einen vorgegebenen Wert unterschreitet, gibt die Spannungsüberwachungseinrichtung 8 ein Schutzsignal an die Steuereinrichtung 4, die daraufhin Zündimpulse für die Ventilzweige des Wechselrichters aussendet.

Das Schutzsignal ist über ein Sperrgatter 14 geführt, das vom Ausgangssignal eines Verzögerungsgliedes 15 sperrbar ist, das eingangsseitig mit einer Klemme 16 für einen Startbefehl verbunden ist. Die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 15 entspricht derjenigen Zeit, die um ungestörten Betrieb vergeht, bis die Zwischenkreis-Gleichspannung über den Ansprechwert der elektronischen Spannungsüberwachungseinrichtung 8 angestiegen ist. Während dieser Zeit wird das Schutzsignal gesperrt. Wenn nach Ablauf dieser Zeitspanne das Schutzsignal noch immer ansteht, liegt ein Defekt vor, beispielsweise kann eine der Phasen RST ausgefallen oder eine Sicherung defekt sein. Das Anfahren des Wechselrichters wird dann verhindert.

F i g. 2 zeigt einen Umrichter in Phasenbauweise, bei dem die einzelnen Phasen getrennt überwacht werden. Der Umrichter besteht wiederum aus einem Gleichrichter 1, einem Gleichspannungs-Zwischenkreis mit einem Kondensator 2 und aus den Wechselrichtern 3u, 3v, 3w zur Erzeugung eines Dreiphasensystems mit den Phasen UVW. Die Gleichspannungseingänge der drei Wechselrichter 3u bzw. 3 ν bzw. 3w sind mit Sicherungen 5u, 6u bzw. 5v, 6v bzw. 5w, 6w abgesichert. Die Spannungen hinter den jeweiligen Sicherungen an den Eingängen der Wechselrichter werden von elektronischen Spannungsüberwachungseinrichtungen Su, Sv, 8wüberwacht. Die Ausgangssignale dieser drei Spannungsüberwachungseinrichtungen 8u, 8v, Sw werden in einem Verknüpfungsglied 10 zu einem Schutzsignal zusammengefaßt, welches in der Steuereinrichtung 9 Zündimpulse für die Ventilzweige der Wechselrichter auslöst.

Die Ausgangssignale der drei elektronischen Spannungsüberwachungseinrichtungen Su, 8v, 8^ sind außerdem einer Anzeigevorrichtung 11 zugeführt, die beispielsweise mit Leuchtanzeigen denjenigen Wechselrichter kenntlich macht, bei dem eine Sicherung ausgelöst hat.

Wenn es für einen speziellen Betriebsfall erwünscht ist, den Wechselrichter beim Ausfall einer Phase mit den restlichen Phasen weiter zu betreiben, so können die Ausgangssignale der Spannungsüberwachungseinrichtungen Su, Sv, Sw über Sperrgatter geführt werden, in denen die Schutzsignale blockiert werden können, beispielsweise durch ein von Hand gegebenes Sperrsignal.

Der dargestellte Umrichter kann ohne weiteres auch für eine größere oder kleinere Anzahl von Phasen ausgeführt werden. Es ist auch möglich, daß jeder der an den Gleichspannungs-Zwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter als dreiphasiger Wechselrichter ausgebildet ist.

F i g. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine elektronische Spannungsüberwachungseinrichtung 8, die in einem der Beispiele nach den F i g. 1 oder 2 eingesetzt werden kann.

Zwischen den Eingangsklemmen E\ und £2 liegt ein Spannungsteiler aus den Widerständen R\,R2 und R3. Die Widerstände R 1 und R 2 sind von der Reihenschaltung einer Zenerdiode Z mit einem weiteren Widerstand R 4 zur Strombegrenzung überbrückt. Wenn der Spannungsabfall an den Widerständen Ri, R 2 die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z überschreitet, steuert diese einen Transistor Tauf, der wiederum das lichtemittierende Halbleiterelement eines opto-elektronischen Kopplers OK als potentialfreie Übertragungseinrichtung ansteuert. Der Strom über das lichtemittierende Halbleiterelement des opto-elektronischen Kopplers OK wird von einem weiieren Widerstand R 6 begrenzt. Die emittierte Lichtstrahlung steuert das lichtempfindliche Halbleiterelement des opto-elektronisehen Kopplers OK an, das zwischen einem positiven Potential Pund Erde liegt. Am Ausgang A erscheint ein Schutzsignal.

Die Widerstände R 5 und R 6 bilden einen Spannungsteiler für den opto-elektronischen Koppler OK. Die Diode D dient zu seinem Schutz gegen Überspannungen. Auch zwischen Basis und Emitter des Transistors T kann eine weitere Schutzdiode angeordnet sein.

In den F i g. 1 und 2 ist der opto-elektronische Koppler OK ständig geflutet. Sobald die Spannung über den Widerständen Ri, R 2 die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z unterschreitet, erlischt die Leuchtdiode im opto-elektronischen Koppler OK und das Signal am Ausgang A ändert sich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung für einen Umrichter mit einem Gleichrichter, einem Gleichspannungszwischenkreis und einem Wechselrichter mit Blindstromdioden und mit Löschkreisen für die Ventile, dessen Gleichspannungseingängen Sicherungen vorgeschaltet sind, und mit einer elektronischen Spannungsüberwachungseinrichtung, die beim Ansprechen Ventile aufsteuert, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Spannungsüberwachungseinrichtung (8; 8u, 8v, &w) bei Unterschreitung eines vorgegebenen Wertes der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters (3; 3u, 3v, 3w) ein Schuizsignal abgibt, das in der Steuereinrichtung (4;9)des Wechselrichters(3;3u,3v,3w)Zündimpulse für dessen Ventile auslöst (F ig. I₁F ig. 2).

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzsignal über ein Sperrgatier (14) geführt ist, das beim Anfahren des Umrichters für eine vorgegebene Zeitdauer oder in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Spannungsmelders für die Zwischenkreis-Gleichspannung gesperrt gesteuert ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters (3; 3u, 3v, 3w) zwischen den Sicherungen (5, 6; 5u, 6u bzw. 5v, 6 ν bzw. 5w, 6w) und seinen Gleichspannungseingängen erfaßt ist.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsüberwachungseinrichtung ein Schwellwertglied enthält, dessen Ausgangssignal über eine potentialfreie Übertragungseinrichtung in das Schutzsignal umgesetzt wird.

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Zenerdiode (Z) als Schwellwertglied (F ig. 3).

6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen opto-elektronischen Koppler (OK)als potentialfreie Übertragungseinrichtung.

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende und das lichtempfindliche Halbleiterelement des opto-elektronischen Kopplers über Lichtleiter voneinander getrennt sind.