DE2541701A1 - Umrichter - Google Patents

Description

AKl'IüirtGESi&LSUtiAFJL¹ Erlangen, 1 7. SEP. 1975

Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.

Unaere Zeichen:

VPA 75 P 3177 BiüJ Soe 21 Bsk

Umrichter

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit einem Wechselrichter mit Thyristoren in Brüekensehaltung, dessen Wechselstromausgänge mit einem Schwingkreis und dessen Gleichstromeingänge über einen Gleichetromzwischenkreis mit Glättungsdrossel und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, wobei ein Spannungsfühler zur Jürfassung der Schwingkreis spannung und ein Strotnfühler zur Erfassung dea Wechselrichterausgangsstromea angeordnet sind, denen eine Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, deren Ausgang mit dem Steuersatz für die i'hyriatoren des Wechselrichters verbunden ist und die mit einem i'riggerimpuls vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung einen Zündzeitpunkt für i'hyriatoren diagonaler Brückenzweige dea Wechselrichters bestimmt, dessen Lage von der iCommutierzeit des Wechselrichters und der Schonzeit der i'hyriatoren abhängt.

üin solcher Umrichter ist aus der DS-OS 2 008 239 bekannt. Dort ist ein Wechselrichter mit einem Parallelschwingkreis als Last, ein sogenannter Parallelachwingkreisumrichter beschrieben. Umrichter mit einem Schwingkreis als Last sind im eingeschwungenen Zustand lastgeführt und die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters wird von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt. Der Strom geht dabei in direkter Kommutierung von einem Brückenzweig des Wechselrichters auf den nachfolgend stromführenden über, wobei die .Kommutierungsblindleistung vom Kondensator des Parallelschwingkreises zur Verfügung gestellt wird. Beim bekannten Umrichter werden die Thyristoren diagonaler Brückenzweige stets um eine Zeit-

709813/0070

A 75 P 3>ί77

spanne vor dem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung gezündet, die von der Kommutierzeit des Wechselrichters und der Schonzeit der i'hyristoren bestimmt ist. i^;lan erreicht damit eine höhe Betriebssicherheit des Umrichters, ü'alls bei solchen Umrichtern jedoch die Schwingkreisspannung zur Kommutierung nicht ausreicht, oder i'hyristoren eines Brükkenzweiges ausfallen, kann es zu Komtriutierungskurzschlüssen kommen, die zu einer Zerstörung von Thyristoren und damit zu Betriebsausfällen führen können.

Jüs besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß Kommutierungskurzschlüsse verzögerungsfrei erfaßt werden.

-ürfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem Stromfühler der Strom in Brückenzweigen mit gemeinsamem Gleichstromanschluß zu erfassen und zu einem Wechselstrom zu addieren ist und daß dem Strom- und dem Spannungsfühler eine Überwachungsschaltung nachgeschaltet ist, an deren Ausgang ein Impuls ansteht, wenn zwischen einem Zündzeitpunkt und dem zugehörigen Hulldurchgang der Zwischenkreisspannung der V/echselrichterausgangsstrora und die Schwingkreisspannung gleichphasig bleiben oder nach dem Hulldurchgang gegenphasig sind.

Beim erfindungsgemäßen Umrichter wird ein Kommutierungskurzschluß noch in der Halbwelle erkannt und erfaßt, in der er auftritt. Damit kann der Umrichter abgeschaltet werden, bevor eine Gefährdung der 'i'hyristoren eintritt oder es kann der Versuch einer Selbstheilung eingeleitet werden. Zu betonen ist dabei, daß zur Erfassung von Kommutierungskurzschlüssen keine gesonderten Istwertgeber erforderlich sind, sondern daß die Überwachung und Erfassung mit Istwertgebern ausgeführt wird, die ohnehin zur Steuerung des Umrichters im liorraalbetrieb erforderlich sind.

709813/0070

M2A '-5 P 3177 Bi

Vorzugsweise ist ala Strorafühler ein Stromwandler eingeaetzt, zu desaen Wicklungen die Verbindungsleitungen von Brückenzweigen des Wechaelrichters mit gemeinaamem ü-leichstromanachluß ao geführt aind, daß die Wicklungen {jegenainnig vom Strom durchfloaaen aind. Damit erhält man einen einfachen Stromfühler, der den Wechaelrichterauagangaatrom mit Hilfe der Ströme in den Brückenzweigen erfaßt.

Vorteilhaft iat ea, in der Überwachungaachaltung die Phaaenlage von Schwingkreiaapannung und Wechaelrichterauagangaatrom erat nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitapanne bezogen auf den Zündzeitpunkt zu erfaaaen. i&eae Zeitapanne kann größer ala die Jiommutier- und Schonzeit aein.

Im folgenden wird der erfindungagemäße Umrichter beispielhaft anhand der Figuren 1 bia 3 näher erläutert, in den Figuren aind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

i'ig 1 zeigt ein Schaltbild einea erfindungagemäßen Umrichtera. J^in Wechaelrichter 1 iat mit Thyriatoren in Mnphaaenbrückenachaltung aufgebaut, wobei beim Auaführungabeiapiel in jedem Brückenzweig 2 bia 5 ein i'hyriator 2a bia 5a angeordnet iat. über die Wechaelatromauagänge 6 dea Wechselrichters 1 wird ein Parallelachwingkreia 7 ala Laat geapeiat, der aua der Parallelschaltung einer Droaael 7a und einea iiondenaators 7b beateht. jüs iat hier zu betonen, daß ala erfindungagemäßer Umrichter jeder laatgeführte Umrichter geeignet iat, inabeaondere kann der Schwingkreia auch ein Serienachwingkreia aein. Die G-leichatromanachlüase 8 des Wechaelrichtera 1 aind über einen G-leichstromzwiachenkreia 9 mit Grlättungadroaael 10 und einen Gleichrichter 11 mit einem Drehatromnetz verbunden, daa an den Klemmen 12 liegt. Der Gleichrichter 11 iat aua l'hyristoren 11a bia 11f in Drehstrombrückenachaltung aufgebaut.

709813/0070

VPA. 75 P 3177 BitD

Zur Erfassung der Schwingkreisspannung iat beim Ausführungsbeispiel als Spannungsfühler ein Übertrager 13 vorgesehen, dessen Primärwicklung mit den beiden Belägen des Kondensators 7b verbunden ist und dessen Sekundärwicklung über Leitungen 14 mit dem .eingang 15a einer Auswertescbaltung 15 und über Eingänge 16a mit einer Überwachungsschaltung 16 verbunden ist. .din Stromwandler 17 ist als Stromfühler mit einer Primärwicklung 17a in den Brückenzweigen 2 geschaltet. Die zweite Primärwicklung 17b liegt im Brückenzweig 4, wobei die Verbindungsleitungen über Kreuz an die V/icklung 17b geführt sind, so daß die beiden Wicklungen 17a und 17b gegensinnig vom Strom durchflossen werden. Damit wird der Wechaelrichterausgangsstrom L·. durch die beiden Brückenzweigströme I_w2 ^un<^ IL., erfaßt, die sich wegen des gegensinnigen Stromflusses in den Wicklungen 17a und 17b zu einem Wechselstrom addieren. Die Sekundärwicklung 17c des Stromwandlers. 17 ist über Leitungen 18 mit einem zweiten Eingang 15b der Auswerteschaltung 15 und mit einem zweiten Eingang 16b der Überwachungsschaltung 16 verbunden.

Als Auswerteschaltung 15 kann eine Schaltung eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der DT-OS 2 008 239 beschrieben ist. Mit dieser Schaltung wird durch einen Triggerirapuls ein Zündzeitpunkt für die Thyristoren diagonaler Brückenzweige 2 und 5 bzw. 3 und 4 vor jedem Nulldurchgang der Schwingkreisspannung U_a festgelegt, wobei die zeitliche Lage des Zündzeitpunktes von der Kommutier- und der Schonzeit bestimmt ist. Der Ausgang 15c, an dem die Triggerimpulse anstehen, ist mit einem Triggereingang 17a eines Steuersatzes 17 für die Thyristoren 2a bis 5a des Wechselrichters 1 verbunden. Die Steuerausgänge 17b bis 17e, die in der i'ig. 1 nur angedeutet sind, sind mit den Zündelektroden der Thyristoren 2a bis 5a verbunden. Als Steuersatz 17 kann beispielsweise ein Steuersatz eingesetzt werden, wie er in dem Buch von D. Jürnst und D. Ströle "Industrieelektronik¹¹ Springer-Verlag 1973,

709813/0070

VPA Tj I 3177 BKD

Seite 54 und 55 beschrieben iat. Auch für die i'hyristoren 11a bis 11f des Gleichrichters 11 ist ein Steuersatz vorzusehen, der in der i'ig. 1 nicht dargestellt iat, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Ein solcher Steuersatz für einen Gleichrichter ist beispielsweise aus dem Buch von G. MÖltgeir "Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren" Siemens AG 1967, Seite 275 oder 280 bekannt. Außer den Istwertgebern 13 und 17 sind außerdem für die Steuerung des Umrichters noch Stromwandler in der Speiseleitung des Gleichrichters 11 vorzusehen, die in Jb'ig. 1 ebenfalls nicht eingezeichnet sind.

Die Überwachungsschaltung 16 besitzt einen dritten iüingang 16c, der mit dem Ausgang 15c der Auswerteschaltung 15 verbunden ist. Außerdem besitzt die Überwachungseinrichtung einen Ausgang 16e, der an einen Sperreingang 17f des Steuersatzes 17 geführt ist. Über diesen Sperreingang 17f sind die Zündimpulse des Steuersatzes 17 für eine Halbwelle der Schwingkreisspannung U_ zu sperren. Außerdem ist der Ausgang 16e der Überwachungseinrichtung 16 mit einem eingang 18a einer Abschalteinrichtung 18 für den Umrichter verbunden, üin Ausgang 18b, der Abschalteinrichtung 18 der in der i'ig. 1 nur angedeutet ist, ist an die Zündelektrode eines !Thyristors 19 gelegt, mit dem die Gleichstroraanschlüsse 8 des Wechselrichters 1 überbrückt sind. Außerdem kann mit der Abschalteinrichtung 18 noch ein Schalter betätigt werden, mit dem die Stromzufuhr zum Umrichter zu unterbrechen ist. Dieser Schalter ist in der i'ig. 1 nicht eingezeichnet.

Die Wirkungsweise der Überwachungsschaltung 16 auf deren Aufbau noch näher eingegangen wird, wird im Zusammenhang mit Pig. 2a bis 2f näher erläutert. In tfig. 2 ist die Schwingkreisspannung U , der Wechselrichterausgangsstrom i^, die

g w

Brückenzweigströme ±_w2 und L^. der Strom 3^., der bei einem A-ommutierungskurzschluß auftritt und digitale Signale U₃^,

709813/0070

VPA 75 L· 3177 BKD

I., T^ und Ug über der Zeit t aufgetragen. Dabei sind die Brückenzweigströme I^ ^uri^ ^v/4 S^eB'fr^ci^onel"t' ^un<^ ^er Kommutierungskurzschlußstrom I^ ^m^ strichpunktierter Linie in Fig. 2b eingezeichnet, i'ür daa folgende sei angenommen, daß die Thyristoren 2a und 5a in den Brückenzweigen 2 und 5 stromführend sind. Die Schwingkreisspannung U_ und der Schwingkreiestrom I und die aus diesen Größen abgeleiteten Signale TJ ^ und I- sind nun in Phase bzw. positiv. Im Zeitpunkt t werden die Thyristoren 3a und 4a der nachfolgend stromführenden Brückenzweige 3 und 4 gezündet, wobei der Zündzeitpunkt t_z mit einem Triggerimpuls T der Auswerteschaltung 15 ausgelöst wird. Nun beginnt der Brückenzweigstrom I ρ ab- und der Brückenzweigstrom I . aufzukommutieren. Während der Kommutier- bzw. Überlappungszeit wechselt der Wechselrichterausgangsstrom I und damit auch das bignal I ■, im Zeitpunkt t^ das Vorzeichen. Im Zeitpunkt t liegt die Spannung des Kondensators 7b als negative Sperrspannung an den Thyristoren 2a und 5a, diese erlöschen und die Kommutierung ist abgeschlossen. Der Wechselrichterausgangsstrom I hat nun seinen negativen Spitzenwert erreicht. Im Zeitpunkt tp. geht die Schwingkreisspannung U durch Null und

U S

wechselt zusammen mit dem Signal U- das Vorzeichen. Nun liegt wieder positive Spannung an den gelöschten Thyristoren 2 und 5. Die Zeitspanne t bis t_s die der Kommutierzeit des Wechselrichters entspricht und die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t und t die der Schonzeit entspricht und mindestens gleich der i^reiwerdezeit der Thyristoren sein muß, wird durch die Auswerteschaltung 15 eingestellt. Keicht die Schwingkreisspannung U zur Kommutierung auf die nachfolgend strom-

führenden Brückenzweige 3 und 4 nicht aus oder sind Thyristoren in den Brückenzweigen 2 und 5 defekt, so findet keine Kommutierung statt und es fließt Strom durch die Brückenzweige 2 und 3 oder 4 und 5, d.h. es liegt ein Kommutierungskurzschluß vor. Der Strom I,, kehrt nun nicht um, sondern

709813/00 7 0

VIA Ib P 3177 Βία)

wächst bei gleicher KLußrichtung als Kurzschlußstrom I- an. Damit behält auch das Signal I_W(j sein Vorzeichen. Bis zum Zeitpunkt t_Q bleiben daher die Schwingkreisspannung U_a und der erfaßte Wechselrichterausgangsstrom I gleichphasig

und werden erst nach dem Zeitpunkt t_Q gegenphasig. nit der feststellung, ob die Schwingkreisspannung U und der Wechselrichterausgangsstrom I vor dem Mulldurchgang der üchwingkreisspannung U gegenphasig und nach dem Hulldurchgang gleichphasig sind oder nicht läßt sich daher ein Kommutierungskurzschluß erkennen.

In der Überwachungseinrichtung wird die Phasenlage des Wechselrichterausgangsstromes und der Schwingkreisspannung im Zeitraum zwischen t und t oder nach dem Zeitpunkt t_n abgefragt und ein Impuls abgegeben, wenn die beiden Signale vor dem Zeitpunkt t_Q gleichphasig bleiben oder nach dem Zeitpunkt ^O gegenphasig sind. Hierzu kann beispielsweise bei den Signalen U -, und I ·, die in den ü'iguren 2c und 2ä aufgezeichnet sind, die Phasenlage mit einem Abfrageimpuls T. abgefragt werden, der gegenüber dem l'riggerimpuls T um die Zeitspanne ±2 verschoben ist. Liegt ein Kotamutierungskurzschluß vor, so steht am Ausgang 16e ein Abschaltimpuls U an, der in Pig. 2f mit strichpunktierter Linie eingezeichnet ist. Dabei kann die Zeitspanne tp vor dem Zeitpunkt t_Q oder nach dem Zeitpunkt t_Q enden. Me Zeitspanne t₂ sollte jedoch nicht größer als ein Viertel der Betriebsfrequenz gewählt werden, iis ist hier zu betonen, daß selbstverständlich die Phasenlage auch während des gesamten Zeitraums zwischen t und t

ζ ο

oder während eines Zeitraums der über t hinausgeht laufend überprüft werden kann, um Koramutierungskurzschlüsse festzustellen.

Mit dem Abschaltimpuls J kann eineraeits über den Sperreingang 17f des Steuersatzes 17 eine Selbstheilung dea V/echsel-

70 98 13/0070

VPA. 75 P 3177 BkI;

richters eingeleitet werden. Dazu sind die Zündimpulse während einer Halbschwingung der Schwingkreisspannung U zu sperren. Nachfolgend werden die zuvor bereits gezündeten Thyristoren erneut gezündet, keicht nun die Schwingkreisspannung zur Kommutierung aus, so kann im liormalbetrieb weitergearbeitet werden. Häufig ist jedoch erforderlich, zum Schutz der Thyristoren des Wechselrichters 1 beim Kommutierungskurzschluß den Umrichter sofort abzuschalten. Hierfür ist die Abschalteinrichtung 18 geeignet, die mit Zündung des Thyristors 19 den Wechselrichter 1 kurzschließt. Die in der Glättungsdrossel 10 gespeicherte Knergie kann nun abfließen und anschließend kann der Umrichter ausgeschaltet werden. Diese Abschaltung ist insbesondere erforderlich, wenn mehrere Umrichter im Parallelbetrieb betrieben werden, da bei einem solchen Parallelbetrieb die Gefahr der Zerstörung von Thyristoren des Wechselrichters bei dem ein Kommutierungskurzschluß auftritt, besonders groß ist.

Mn Ausführungsbeispiel der Überwachungsschaltung 16 ist in Fig. 3 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht den Impulsdiagrammen der tfig. 2c bis 2f. Jüs ist hier nochmals zu betonen, daß in Abweichung zu diesem Ausführungsbeispiel eine laufende Überwachung der Phasenlage vor und nach dem .Nulldurchgang im Zeitpunkt t ebenfalls möglich ist. In Pig. 3 ist dem eingang 16a der Überwachungseinrichtung 16 eine erste bistabile Kippstufe 20 nachgeschaltet. Da der Eingang 16a mit dem Spannungsintekator 13 verbunden ist, steht am Ausgang der bistabilen Kippstufe 20 das Signal U_gd an. Dem Eingang 16b, der mit dem Stromfühler 17 verbunden ist, ist eine zweite bistabile Kippstufe 21 nachgeschaltet, an deren Ausgang demnach das Signal I^ ansteht. Der Ausgang 15c der Auswerteschaltung 15 ist mit dem eingang 16c verbunden, dem ein Verzögerungsglied 22 nachgeschaltet ist, das den Triggerimpuls T um die Verzögerungszeit tp verzögert. Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 22 ist daher der Impuls T.. Die Aus-

709813/0070

/PA 75 ί 3177

gänge der bistabilen Kippstufen 20 und 21 und des Verzögerungsgliedes 22 sind einem UND-Glied 23» zugeführt, dessen Ausgang mit dem Ausgang 1öe der Überwachungsschaltung 16 verbunden ist. Am Ausgang des UND-Gliedes erhält taan ein

Signal U_n wenn die Bedingung
a

erfüllt ist, die beinhaltet, daß die bchwingkreisspannung U_ und der Wechselrichterausgangsstrom I gleichphasig sind. Damit wird ein Kommutierungskurzschluß vor dem Nulldurchgang ia Zeitpunkt tQ angezeigt, Soll der Kommutierungskurzschluß erst nach dem Zeitpunkt tQ abgefragt werden, so ist das Signal U-, oder 1 , zu invertieren.

6 Patentansprüche
3 Mguren

70 9813/007

Claims (6)

VTA Tj P 3177 Bjkjj Patentansprüche

1. Umrichter mit einem Wechselrichter mit x'hyristoren in Briickenschaltung, dessen ¥echsel3tromausgän^e mit einem Schwingkreis und dessen G-leichstromeingänge über einen G-leichstromzwischenkreis mit Glättungsdrossel und einen steuerbaren Gleichrichter mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, wobei ein Spannungsfühler zur Erfassung der Schwingkreisspannung und ein Stromfiihler zur Erfassung des Wechselrichterausgangsstromes angeordnet sind, denen eine Auawerteschaltung nachgeschaltet ist, deren Ausgang mit dem Steuersatz für den !Thyristor des Wechselrichters verbunden ist und die mit einem !iriggerimpuls vor jedem wulldurchgang der Schwingkreisspannung einen Zündzeitpunkt für !thyristoren diagonaler Brückenzweige des Wechselrichters bestimmt, dessen Lage von der Kommutierzeit des Wechselrichters und der Schonzeit der l'hyristoren abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Stromfühler (17) der Strom (^₂* \a) ⁱⁿ Brückenzweigen (2, 4 bzw. 3, 5) mit gemeinsamem G-leichstromanschluß (8) zu erfassen und zu einem Wechselstrom (I_w) zu addieren ist und daß dem Strom- und dem Spannungsiühler (13) eine Überwachungsschaltung (16) nachgeschaltet ist, an deren Ausgang (16e) ein Impuls (U ) ansteht, wenn zwischen einem Zündzeitpunkt (t ) und dem zugehörigen Nulldurchgang (^q) der Scbwingkreiaspannung (U_gJ der Wechselrichterausgangsstrom (1^) und die Schwingkreisspannung gleichphasig bleiben oder nach dem liulldurchgang gegenphasig sind.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromfähler (17) ein Stromwandler angeordnet ist, zu dessen i/icklungen (17a, 17b) die Verbindungsleitungen von Brückenzweigen (2, A) des Wechselrichters (1) mit gemeinsamen G-leichstromanschluß (8) so geführt sind, daß die Wicklungen gegensinnig vom Strom durchflossen sind.

709813/0070

/E 75 P 3177 Bi

3. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (16e) der Überwachungsschaltung (16) mit einer Abschalteinrichtung (18) für den Wechselrichter (1) verbunden ist.

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (16e) der Überwachungsschaltung (16) mit einem Sperreingang (17f) des Steuersatzes (17) des Wechselrichters (1) verbunden ist.

5. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Überwachungsschaltung (16) die Phasenlage von Schwingkreisspannung (U ) und Wechselrichterausgangsstrom (XJ erst nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne (tp) bezogen auf den Zündzeitpunkt (t ) erfaßt wird.

6. Umrichter nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne (tp) größer als Kommutier- und Schonzeit iat.

709813/0070