DE2549736C2

DE2549736C2 - Sicherheitsschaltung für einen netzgeführten Stromrichter

Info

Publication number: DE2549736C2
Application number: DE19752549736
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 6802 Ladenburg Kramer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1975-11-06
Filing date: 1975-11-06
Publication date: 1982-07-08
Also published as: DE2549736A1; CH595001A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie kann Anwendung finden für Stromrichterantriebe mit Gleichstrommaschinen wie Vorschubantriebe von Werkzeugmaschinen, Umkehrantriebe von Prüfmaschinen usw.

Derartige Stromrichterantriebe sind bekannt aus der BBC-Druckschriften »Veritron-Stromrichtergeräte« (Druckschriften-Bestell-Nr. D. GHS 50278 D).

Neizgeführte Stromrichter in Brückenschaltung, die wie in den vorgenannten bekannten Fällen vornehmlich für die Steuerung von Gleichstrommaschinen eingesetzt werden, bestehen aus einer Vielzahl von Thyristoren, die im allgemeinen durch besonders flinke Schmelzsicherungen vor Zerstörung infolge von Kurzschlüssen geschützt werden. In einem bekannten Fall (DE-AS 13 815 und DE-AS 16 13 816) wird dabei z.B. ein ausgangsseitig eines Wechselrichters liegender Resonanzkreis derart bemessen, daß die in ihm gespeicherte Energie den die Sicherung auslösenden Stromstoß hervorruft _r

Kurzschlüsse können einmal durch Betriebsstörungen

innerhalb des Stromrichterantriebes entstehen, zum anderen bei Netzausfall während der Bremsphase des Antriebes. Bei diesem Betriebszustand arbeitet der Antriebsmotor als Generator und der Stromrichter liefert ihm als Wechselrichter die Gegenspannung. Bei netzausfall und damit Wegfall dieser Gegenspannung. Bei Netzausfall und damit Wegfall dieser Gegenspannung würde die nur sehr langsam verschwindende Maschinenspannung über die gerade leitenden Stromrichterventile und die Sekundärwicklungen des Stromrichtertransformators einen Kurzschlußstrom treiben, der von den Stromrichtersicherungen abgeschaltet wird. Es ist in vielen Fällen sinnvoll, bei dieser Betriebsstörung, die nicht vom Stromrichter verursacht wird, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit die Anlage derart schnell abzuschalten, daß Sicherungsauslösungen und dadurch längere Ausfallzeiten vermieden werden.

Es gibt mehrere bekannte Möglichkeiten, schnelle Gleichstromschalter mit Thyristoren zu bauen. So werden Gieichstromstellerschaltungen dafür benutzt, die in Reihe mit der abzuschaltenden Spannungsquelle liegen und daher sehr universell einsetzbar sind (W. Pätzke, »Ein neu entwickelter Thyristor-Schutzschalter für Gleichstrom«, Technische Mitteilungen AEG-TeIefunken, Bd. 61 [1971) 6, S. 331 bis 333 und H. Kahlen, »Thyristorschalter zum schnellen Abschalten von Gleichströmen«, ETZ-A Bd. 91 [1973], Heft 9, S. 539 bis 542). Für den eingangs genannten speziellen Anwendungsfall, d. h. für netzgeführte Stromrichter in Briikkenschaltung, sind diese bekannten schnellen Gleichstromschalter zu aufwendig.

Es sind auch Zwangskommutierungseinrichtungen bekannt, die mit einer Kondensator-Gegenspannung arbeiten (H. Rabl, »Eine Gleichstrom-Motorspeisung mit gesteuerten Siüzium-Gleichstrom-Motorspeisung mit gesteuerten Silizium-Gleichrichtern (Thyristoren)« ELIN-Zeitschrift, Jahrgang 17 [1965J S. 9 bis 13 und H. Rabl »Umkehrstromrichter mit Thyristoren in kreisstromfreier Antiparallelschaltu.i^ für Aufzugsregelantriebe«, ELIN-Zeitschrift, Jahrgang 19 [1967], S. 133 bis 144).

Diese bekannten Einrichtungen bestehen aus einer ersten Serienschaltung von Kondensator und Thyristor, die mit Hilfe einer Dioden-Gleichrichterbrücke zwisehen die Wechselspannungs-Eingangsklemmen des Gleich- bzw. Wechselrichters geschaltet ist, und einer zweiten Reihenschaltung eines voraufgeladenen Kondensators, einer Drossel und eines Thyristors, die direkt zwischen die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen des Gleich- bzw. Wechselrichters geschaltet ist Im Fall einer Störung werden die beiden Thyristoren gleichzeitig gezündet, wodurch Ein- und Ausgang des Gleichbzw. Wechselrichters kurzgeschlossen werden. Die elektrische Energie, die in der Streuinduktivität des Transformators gespeichert war, wird in den Kondensator der ersten Reihenschaltung, die elektrische Energie, die in der Ankerinduktivität sowie in der Drehbewegung des Motors gespeichert war, in den Kondensator der zweiten Reihenschaltung gespeichert Aufgrund der

U Anschaltung der zweiten Reihenschaltung darf die Polarität an den Gleichstrom-Ausgangsklemmen des Gleich- bzw. Wechselrichters nicht umgepolt werden; ein Vier-Quadranten-Betrieb ist durch die bekannte Zwangskommutierungseinrichtung unmöglich, obwohl

es der Gleich- bzw. Wechselrichter von seinem Aufbau her dazu geeignet wäre.

In der letztgenannten Zeitschrift ist außerdem eine Löscheiektrönik offenbart, die dazu dient, die beiden

Thyristoren der Zwangskornmutierungseinrichtung zu zünden und gleichzeitig die Weiterleitung der Zündimpulse an die Thyristoren des Gleich- bzw. Wechselrichters zu sperren. Zu diesem Zweck erfaßt die bekannte Schaltung die Netzspannung Ober eine Dioden-Gleichrichterbrücke sowie die im Cleichstrom-Zwischenkreis des Gleich- bzw. Wechselrichters fließenden Ströme.

Aus der DE-AS 21 00415 ist eine Oberstromschutzeinrichtung ZUHi schnellen Abschalten einer Gleichstromerzeugungsanlage bekannt Diese Anlage enthält einen Transformator und im Sekundärkreis des Transformators steuerbare Hauptgleichrichterelemente. Parallel zu diesen Hauptgleichrichterelementen liegt ein Löschkreis, der aus der Reihenschaltung wenigstens eines steuerbaren Schaltelementes und eines aus einer Hilfsspannungsquelle aufgeladenen Energiespeichers besteht In Serie mit dem steuerbaren Schaltelement und dem voraufgeladenen Energiespeicher ist ein niederohmiger Widerstand bzw. eine Diode angeordnet Die Reihenschaltung des steuerbaren Schaltelements, des voraufgeladenen Energiespeichers und des Widerstands bzw. der Diode ist über jeweils eine Diode mit je einer Anode der Hauptgleichrichterelemente verbunden. Der den Kathoden der steuerbaren Hauptgleichrichterelemente zugekehrte Anschluß des voraufgeladenen Energiespeichers ist über eine als Strombegrenzer wirkende Drossel mit dem Transformator verbunden. Der Löschkreis liegt parallel zum Gleichrichter, wobei die Stromflußrichtung durch den Löschkreis von den Wechselspannungs-Eingangsklemrnen des Gleichrichters zu den Gleichspannungs-Ausgangsklemmen gerichtet ist Aufgabe des Energiespeichers im Löschkreis ist es, nicht nur die Thyristoren des Gleichrichters zu sperren, sondern auch die im Transformator gespeicherte magnetische Energie von den Thyristoren abzuleiten und zu speichern. Für die Funktion des Löschkreises ist die als Strombegrenzer wirkende, mit dem Transformator verbundene Drossel nötig. Die elektrische Energie eines Energie speichernden Verbrauchers könnte diese bekannte Schaltung nicht aufnehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Sicherheitsschaltung für einen netzgeführten Stromrichter in kreisstromfreier, gegenparalleler Brückenschaltung anzugeben, die nur einen Energie speichernden Kondensator benötigt und bei beliebigen Polaritäten der Spannung an den Ausgangsklemmen des Stromrichters wirksam ist

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Beim Auslösen der ertindungsgemäßen Sicherheitsschaltung wird nur die eine Hälfte der gerade leitfähigen Stromrichterbrücke gesperrt, während die andere so lange leitend bleibt, bis der Strom durch einen Umschwingvorganp! in dem aus Kondensator und Verbraucherinduktivität gebildeten Schwingkreis gelöscht wird. Dieser Umschwingvorgang erfaßt auch die Sekundärwicklung des Transformators, so daß auch die im Transformator gespeispeicherte Energie in den Kondensator der Sicherheitsschaltung umgespeichert wird,

Die Schnelligkeit des Löschvorgangs ist von zwei Faktoren abhängig, einmal von der Größe des Löschkondensators und der Summe der im Umschwingkreis liegenden Induktivitäten sowie von der Geschwindigkeit, mit der e>ne Störung wie Phasen- oder Netzausfall erkannt werden kann. Da die Summe der Induktivitäten im Umschwingkreis im allgemeinen nicht beeinflußt werde*h kann, kann der Umschwingvorgang nur durch Verkleinern der Kapazität des L^schkondensators beschleunigt werden, wobei jedoch die Schonzeit der Thyristoren sowie die am Kondensator nach dem Umschwingvorgang anstehende Spannung dem eine s Grenze setzen.

Um die Spannung am Kondensator nicht auf unzulässig hohe Werte ansteigen zu lassen, werden vorteilhafterweise die Maßnahmen der Ansprüche 2 und 3 ergriffen. Zur schnellen Störungserfassung dient vorteilhafterweise eine Steuerschaltung gemäß Anspruch 4.

Da die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung parallel zum abzuschaltenden Stromrichter liegt, wird sie in vorteilhafter Weise im Normalbetrieb nicht vom Generatorstrom durchflossen, so daß es genügt die Thyristoren, Dioden, Sicherungen und die Drossel für den einmaligen Abschaltstromstoß zu dimensionieren. Kühlkörper und Lüfter können entfallen, was einen kompakten und preiswerten Aufbau ermöglicht Nach einer Netzspannungswiederkehir ist .'ie gesamte Anlage sofort wieder betriebsbereit Selbst wenn die Sichcrheitsschaltung funktionsuntüchtig werden sollte, geht die Verfügbarkeit der gesamten Anlage nicht verloren. Nach jedem Schaltvorgang wird sie ohne zusätzlichen

Steuerp.'ifwand selbsttätig wieder betriebsbereit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 eine Sicherheitsschaltung für einen Umkehrstromrichter,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung und des Kondensatorstromes des Kommutierungs- und Löschkondensators in der Schaltung nach F i g. 1 ohne und mit Überspannungsableiter und

Fig.3 ein Schaltbild der Steuerschaltung für die Sicherheitsschaltung nach Fig. 1.

Die Sicherheitsschaltung wird anhand der beispielhaften Anwendung für einen Umkehrstromrichte· erläutert

Das Prinzipschaltbild nach F i g. 1 zeigt oberhalb der strv.hlinierten Linie einen an sich bekannten (vgl. eingangs genannte BBC-Druckschrift Nr. D HS 50353 D, S. 7) Stromrichterantrieb für den Vierquadrantenbetrieb. Die Anordnung besteht aus einem Umkehr-

« stromrichter 1 in sogenannter kreisstromfreier gegenparalleler Drehstrombrückenschaltung. Kennzeichnend für den Umrichter ist, daß eine Steuerung dafür sorgt daß entsprechend der geforderten Stromrichtung immer nur eines der beiden Stromrichter-Systeme an

so der Stromführung beteiligt ist. Der Umkehrstromrichter ist eingangsseitig an den Netztransformator 4 und ausgangsseitig an eine Gleichstrommaschine 5 mit der

Induktivität L 2 angeschlossen. Parallel zum Umkehrstromrichter 1 sind an Aus-

gangsklemmen 6 und 7 der Thyristor TX bzw. T2, die Drossel L t, der Kondensator C und die Dioden D1, D2, D3 geschadet, die ihrerseits an den Stromrichtereingängen 8 bis 10 liegen.
Anodenseitig der Thyristoren Π und 7"2 befinden

H sich Sicherungen 11, kathodensejtig der Dioden Di, D 2, DZ Sicherungen IZ

Parallel zum Kondensator C kann ein Überspannungsbegrenzer DS, vorzugsweise ein Selen-Überspannungsbegrenzer, in Reihe mit einer Diode D 4 liegen.

Weiterhin ist der Kotidensator C zwecks Aufladung an eine Ladeeinrichtung 13 über einen Querwiderstand R 1 und einen Reihenwiderstand R 2 angeschlossen. Die Ladeeinrichtung 13 kann ihrerseits über einen Gleich-

richter 14 und einen Transformator 15 an das Netz angeschlossen sein.

Die Sicherheitsschaltung umfaßt eine Steuerschaltung 16 mit einem Eingang 17 für die Störungsmeldung, einem Eingang 18 für die Stromrichtungsmeldung, einem Ausgang 19 für die Impulssperre der Thyristoren des Umkehrstromrichters 1 und Ausgängen 20, 21 für die Zündbefehle für die Thyristoren 7t und 72.

Die Schaltung nach F i g. 1 hat folgende Wirkungsweise:

Der Kondensator C ist im Normalbetrieb auf die Spannung Uco aufgeladen. Bei Netz- oder Phasenausfall wird einer der beiden Thyristoren 71 oder T2, je nachdem welches Stromrichter-System — 2 oder 3 — an der Stromführung beteiligt war, gezündet. Der Kondensator Cübernimmt infolge der dabei einsetzenden Kummutierung den Strom I_g und der gestrichelt umrandete Brückenteil des stromführenden Stromrichter-Systems — in diesem Fall 2 — wird stromlos. Die Drossel L 1 begrenzt in beiden Fällen die Kommutierungsstromsteilheit auf die für die Thyristoren Π und T2 zulässigen Werte. Der Stromverlauf ic am Kondensator C wird während des sich anschließenden Löschvorganges im wesentlichen durch den Reihenschwingkreis, gebildet durch den Kondensator Cund die Ankerinduktivität L2. sowie durch die Generatorspannung Ug und die Ladespannung Uco bestimmt. (F i g. 2). Durch den Ankerstrom l_g wird der Kondensator C umgeladen und übernimmt die magnetische Energie der Ankerwicklung und einen kleinen Teil der kinetischen Energie der als Generator wirkenden Gleichstrommaschine 5, der jedoch in der Energiebilanz eine wesentliche Rolle spielt. Nach Unterschreiten des Haltestromes des Thyristors T (bzw. 72) oder des an diesem Vorgang beteiligten Thyristors im Umkehrstromrichter 1 ist der Abschaltvorgang beendet. Vom Widerstand R1 wird der Kondensator C wieder entladen und anschließend von der Ladeeinrichtung liiiber den Widerstand R 2 auf die Kommutierungsspannung Urn aufgeladen. Da die maximale Kondensatorspannung t/o-i. mit Rücksicht auf die Sperrspannung der Thyristoren einen oberen Wert nicht überschreiten darf, wild vorteilhaft der Selen-Überspannungsbegren- or D5 zum Kondensator C parallel geschaltet und ~eteiligt sich somit bei höheren Spannungen an der Energieaufnahme. Die in Reihe zu ihm liegende Diode D 4 übernimmt die Spannung Uco.

In Fig. 2 ist der Stromverlauf im Selen-Überspannungsbegrenzer C5 gestrichelt dargestellt. Die Beschaltung mit dem Selen-Überspannungsbegrenzer C5 und der Diode DA wirkt sich auf die zeitlichen Verläufe der Kondensatorspannung Uc und des Kondensatorstromes Ic wie strichliniert gekennzeichnet aus. Es ist deutlich erkennbar, daß die Kondensatorspannung Uc auf einen Wert unterhalb von Uoni* begrenzt bleibt

Für die Dimensionierung der Sicherheitsschaltung sei die Berechnung der wichtigsten Betriebsgrößen kurz erläutert Ausgangspunkt sind die Kenngrößen der Gleichstrommaschine 5. die Maximalwerte für den Generatorstrom f_f und die Generatorspannung U_t sowie die Kenntnis der Ankerinduktivität L 2. Zu berechnen ist die Größe des Kommutierungs- und Löschkondensators Csowie seine Anfangsspannung Uc-Einschränkende Bedingungen sind vor allem die Freiwerdezeit t_q der Stromrichter-Thyristoren und deren maximale Sperrspannungsbeansnruchung- Da es sich im Regelfall um Netzfrequenz-Thyristoren handelt ist mit einer Freiwerdezeit von t,<160us zu rechnen.

d. h. die Zeit 11 bis zum Nulldurchgang der Kondensatorspannung sollte größer als 200 μβ sein. Da die Kondensatorspannung während des Löschvorganges über einem Thyristor des Stromrichters 1 anliegt, ist Ucmix von der Sperrspannung des Thyristors abzüglich einer Sicherheitsreserve bestimmt.

Für den Schwingungsvorgang im Anschluß an die Kommutierung des Generatorstromes I₁ auf den Kondensator Cgilt bei Vernachlässigung der ohmschen Widerstände und unter der Voraussetzung, daß D> V ist und U bei der Berechnung des Löschvorganges vernachlässigt werden kann, die Differentialgleichung:

Ug + Uco = L¹ ^- + — Γ /df.
dt c J

Mit den beiden Anfangsbedingungen für ί = 0:

ic ■= fco und uc - Uw
erhilt man als Lösung für den Kondensatorstrom

mit

/c

C .

Ige cos, M₀' ⁺ (Uco + Uf) 77 sin W₀/ Der Koiidensatorstrom wird maximal bei

,2 - -1 arc<an

Die Kondensatonpannung errechnet sieb zu:

1 /77
I/ —

Ihr Maximalwert liegt bei

Die Zeit f I, bei der die Kondensatorspannung Null wird, läßt sich mit hinreichender Genauigkeit unter der vereinfachenden Annahme berechnen, daß der Spannungsverlauf bis zur Zeit 12 nahezu linear verläuft

/1 ~ ti

Um+ Ue

Die Schaltzeit der Sicherheitsschaltung wird folglich im wesentlichen durch den Reihenschwingkreis C, L2 bestimmt und läßt sich bei den üblichen Gleichstromantrieben unterhalb von 5 ms halten. Sie beträgt im allgemeinen zwischen 2 und 3 ms. Die Schaltzeit ist damit außerordentlich klein verglichen mit den handelsüblichen GleichstromschnellschaJtern. Die Verwendung von schnellen mechanischen Schaltern ist für Ströme unterhalb von 500 A ohnehin meist unwirtschaftlich.

Die Aufgabe der Steuerschaltung 16 nach Fig.3 ist es, den Netz- oder Phasenausfall möglichst schnell zu erfasen und daraufhin den Thyristor 71 oder 72 des zur Kommutierung dienenden Thyristor-Schnellschalters zu zünden.

'Die Steuerschaltung ist eingangsseitig über einen Transformator 23 und einen Gleichrichter 24 an das

Netz angeschlossen. An einem Ausgang 25 des Vollweggleichrichters 24 liegt ein Transistor 26, an dessen Emitter-Kollektor-Strecke über weitere Schaltelemente der Ausgang 19 für die Zündimpulssperre liegt und an dessen Kollektor zwei Transistorverstärker 27 und 28 angeschlossen sind, die mit ihren Steuereingängen iflweils mit den Eingängen 18 für die Stromrichtungssignale und mit ihren Kollektoren mit den Zündimpulsschaltungen 29 und 30 für die Thyristoren Ti und T2 des Thyristor-Schnellschalters verbunden sind. Ein weiterer Ausgang 25a des Gleichrichters 24 ist mit dem Bezugspunkt 31 der Schaltung verbunden.

Die Netzspannungs-Überwachung registriert einen Störungsfall mit einer Verzögerungszeit von ca. 2 ms, wenn die Netzspannung einen Wert von etwa 70% des Nennwertes unterschreitet. Von der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Polarität der beiden antivalenten Stromrichtungssignale hängt es ab, welcher der beiden Thyristoren, T1 oder T2, gezündet wird. Die Stromrichtungssignale werden von der aus den vorgenannten BBC-Druckschriften bekannten Kreisstromlogik des Stromrichters gesteuert und geben an, welches Stromrichter-System in Betrieb ist. Die Beschallung der Thyristoren der Steuerschaltung 16 ist derart vorgenommen, daß mit dem Zündbefehl für den Thyristor-Schnellschalter gleichzeitig die Stromrichterzündimpulse des entsprechenden Systems gesperrt werden; denn bei einer Zündung nach Kommutierung kann der Stromrichter 1 nicht mehr abgeschaltet werden, weil der Thyristor-Schnellschalter eine bestimmte Erholungszeit benötigt, bis er wieder betriebsbereit ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sicherheitsschaltung für einen netzgeführten Stromrichter in Brückenschaltung, mit induktiver Last, die bei Netzausfall oder anderen Störungen den Stromrichter stromlos macht, mit einer Reihenschaltung aus Thyristor, Drossel und Kondensator, der an eine besondere Ladeeinrichtung angeschlossen ist, zur Zwangskommutierung, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Gleichstrom-Klemmen (6, 7) des Stromrichters (1) je ein Thyristor (Ti, T2) an das eine Ende der Reihenschaltung von Drossel (L 1) und Kondensator (C) führt und daß vom anderen Ende der Reihenschaltung (Li, C) je eine Diode (Di, D2, D 3) an die Wechselstrom-Klemmen (8, 9, 10) des Stromrichters (1) führt

2. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (C) ein Oberspannungsbegrenzer (DS) liegt.

3. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum Überspannungsbegrenzer (DS) eine Diode (D 4) liegt

4. Steuerschaltung für eine Sicherheitsschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, zum Erkennen eines Phasen- oder Netzausfalls, zum Zünden der Thyristoren der Sicherheitsschaltung und zum Sperren der Zündimpulse für den Umrichter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vollweggleichrichter (24) vorgesehen ist, der üher einen Transformator (23) mit dem zu überwachenden Netz verbunden ist, daß dem Gleichrichter (24) ein Transistor (26) nachgeschaltet ist, an dessen Arbeitsstreck? ein Ausgang (19) für das Zündimpulssperrsignal liegt, und Jaß dem Transistor (26) zwei Transistorverstärker (27, 28) nachgeschaltet sind, deren Eingänge außerdem mit einem Eingang (18) für die Stromrichtungssignale von der Kreisstromlogik des Stromrichters und deren Ausgänge mit Zündimpulsschaltungen (29, 30) für die Thyristoren (Ti, TT) der Sicherheitsschaltung verbunden sind.