DE2643896B2

DE2643896B2 - Schutzschaltung zum Schutz eines dreiphasigen Stromrichters gegen Überstrom

Info

Publication number: DE2643896B2
Application number: DE2643896A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Linden
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1976-09-29
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2643896A1; JPS5342323A; DE2643896C3

Description

Einschaltdauer sämtlicher steuerbarer Hauptventile des lastseitigen Stromrichters in Abhängigkeit von einem Steuersignal umgehend auf eine geringere Dauer reduziert und die nach Verschwinden des Oberstroms die Einschaltdauer der Hauptventile von dieser geringeren Dauer ab mittels des Steuersignals auf einen vorgegebenen Endwert einstellt

Eine Schutzschaltung dieser Art, die aus den Technischen Mitteilungen AEG-Telefunken 62 (1972), Heft6, Seiten 237—242, bekannt ist, beruht auf folgender Überlegung: Die Hauptventile des Wechselrichters eines Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters sind normalerweise für eine Dauer von 180" el (bezogen auf die Frequenz der Ausgangswechselspannung) eingeschaltet Sie geben während dieser Dauer die eingeprägte Zwischenkreisspannung auf die angeschlossene Drehfeldmaschine. Bei einer induktiven Last kommt man mit einer Einschaltdauer von 120° el aus; doch auch hier wird üblicherweise eine Einschaltdauer von 180°eI gewählt Die Ausgangswechselspannung wird üblicherweise durch eine Änderung der Zwischenkreässpannung eingestellt, insbesondere konstant gehalten. Bei einem dreiphasigen, sechspulsigen Svomricnter kann bei einer Einschaltdauer eines jeden Hauptventils von weniger als 60° el keine Ausgangswechselspannung entstehen, da in der Drehstrom-Brückenschaltung außer dem gerade betrachteten Ventil kein weiteres Hauptventil gezündet ist. Bei einer Einschaltdauer von 120° el werden dagegen Spannungsblöcke der Breite 120° el zyklisch auf die Ausgangsklemmen geschaltet; die Ausgangswechselspannung hat dann ihren Maximalwert angenommen. Bei einer Vergrößerung der Einschaltdauer von 60° el bis 120° el steigt die Ausgangsspannung vom Wert Null bis zum Maximalwert. Eine Verlängerung der Einschaltdauer auf 180°el bringt keine weitere Steigerung der Ausgangswechselspannung.

Die Löscheinrichtung eines Stromrichters kann nur einen bestimmten Hauptventilstrom, nämlich den maximal kommutierbaren Strom, abschalten. Übersteigt der Hauptvjntilstrom diesen bestimmten Wert, ergibt sich also ein Überstrom, so tritt im Stromrichter Kommutierungskurzschluß und damit ein Ausfall des gesamten Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters auf. Um dieses bei Kurzschlüssen am Ausgang zu verhindem, wird bei der bekannten Schutzschaltung so vorgegangen, daß beim Auftreten e>n'.'s Überstroms die Einschaltdauer jedes der Hauptventile umgehend von 120" auf 60° reduziert wird. Die Hauptventile werden dadurch schnell abgeschaltet, d. h. der Hauptventilstrom wird zu Null.

In der technischen Realisation wird bei der bekannten Schutzschaltung ein Grenzwertmelder in Form eines Zweipunktreglers verwendet, der feststellt, ob der Hauptventilstrom (oder der Ausgangswechselstrom) noch auf einem Wert unterhalb der Kommutierfähigkeit liegt. Übersteigt der Hauptventilstrom (oder der Ausgangswechselstrom) diesen Abfragewert (maximal zulässiger Strom), so wird über eine Signalverknüpfungsschaltung eine vorzeitige Zündimpulslöschung bewirkt. Durch die hieraus resultierende Abschaltung der Hauptventile verschwindet der Überstrom. Durch das vorzeitige Löschen wird auch dasjenige Hauptventil erfaßt, das den Überstrom führt, ohne daß die einzelnen Hauptventilströme gesondert gemessen und ausgewertet werden müssen. Es genügt also eine summarische Überwachung aller Hauptventilströme. Die vorzeitige Änderung der zeitlichen Lage der Löschbefehle bedeutet gegenüber dem ursprünglichen Zustand eine Phasenverschiebung und damit ein Vorlaufen des speisenden Drehfeldes (motorischer Betrieb).

Nach Verschwinden des Überstroms infolge der vorzeitigen Löschung und der dadurch bedingten Reduzierung der Stromführungsdauer wird bei der bekannten Schutzschaltung die Einschaltdauer sofort wieder durch einen Sprung von 60° el auf einen Wert über 120° el angehoben. Dieses bedeutet einen kurzzeitigen generatorischen Betrieb. Ein solcher Sprung führt aber — wie Untersuchungen gezeigt haben — gelegentlich zu einer Überbelastung und dadurch wieder zu einem Überstrom, so daß der Umrichterbetrieb unruhig wird.

Aus der DE-OS 21 00 460 ist eine Schutzschaltung zum Schutz von steuerbaren Halbleiterventilen innerhalb eines mit Wechselstrom gespeisten Gleichrichternetzgerätes bekannt bei dem der Strom am Wechselstromeingang auf Überstrom überwacht wird. Es ist eine Verzögerungseinrichtung mit Schnellwertgliedern und Verzögerungsgliedern in Form v-.n Kondensatoren vorgesehen. Sobald der Strom in den Hrilbleiterventilen auf einen unzulässigen Überstrom ansteigt, bewirken die Schnellwertglieder ein sofortiges Abschalten der Halbleiterventile durch völlige Zündimpulsiöschung. Die Verzögerungsglieder bewirken danach eine langsame Wiederherstellung des Stromdurchgangs durch die steuerbaren Halbleiterventile. Nach Abklingen des Überstroms ergibt sich also ein langsames Ansteigen der Ausgangswechselspannung ohne einen Drehfeldsprung. Tritt anschließend erneut ein Überstrom auf, so wird nach mehreren, wiederholten Eingriffen der Schutzschaltung die Anlage zuletzt bleibend abgeschaltet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einer besonders einfach aufgebauten Schutzschaltung der eingangs genannten Art durch die erwähnte schnelle Verkürzung der Einschaltdauer bei Überstrom und die nicht stoßartige, sondern verzögerte Freigebe der Ausgangswechselspannung einen Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter sicher gegen Überlast, beispielswe'se beim Einschalten der Drehfeldmaschine und sicher gegen Kurzschluß zu mache».

Diese Aufgabe wird erfindungsgerräß dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung von einem Verstärker mit einer Steuerspannung beaufschlagt ist, daß parallel zur Rückführung des Verstärkers ein Kondensator geschaltet ist, daß weiterhin parallel zur Rückführung ein Schalter liegt, der vom Ausgangssignal des Grenzwertmelders gesteuert ist, daß der Schalter bei Auftreten des Überstroms geschlossen wird, wodurch die Einschaltdauer jedes der Hauptventile auf den Wert einer festen, für alle Hauptventile gemeinsamen Mindesteinschaltdaue^r von 60° el reduziert wird, und daß nach dem Verschwinden des Überstroms, vorzugsweise noch vor Erreichen des S'rom-Null-Zustandes, cer Schalter geöffnet wird, wodurch die Einschaltdauer jedes der Hauptventile nur verzögert auf den vorgegebenen Endwert, der mindestens 120° beträgt, ansteigt.

Die Schutzschaltung gemäß der Erfindung ist insbesondere auch anwendbar als Schutzschaltung zum Schutz des Stromrichters gegen einen einen Überstrom hervorrufenden, unzulässig hohen Erdschlußstrom. Bei Vorliegen eines Erdschlusses wird also zunächst in der obengenannten Weise wie bei Vorliegen eines anderen Überstroms vorgegangen. Verschwindet der Erdschlußstrom hierdurch jedoch nicht, so wird nach einer weiteren Ausbildung mit Hilfe logischer Verknüpfungs-

glieder die Einschaltdauer der Hauptventile weiter verringert, und zwar auf eine vorgegebene Minimaleinschaltzeit verkürzt. Diese Minimaleinschaltzeit entspricht etwa dem Zweifachen der Freiwerdezeit eines Hauptventils. Bei Verwendung von Thyristoren in einem dreiphasigen Stromrichter beträgt diese Minimaleinschaltzeit etwa 400 u.sec. Nach Verschwinden des Erdschlußstroms kann dann die Einschaltdauer jedes der Hauptventile umgehend von der Minimaleinschalt-Hauer auf die Mindesteinschaltdauer angehoben und danach mittels des Steuersignals nur verzögert auf einen vorgegebenen Endwert eingestellt werden. Bei einem dreiphasigen Umrichter werden also hiernach bei Verschwinden des Erdschlußstroms die Hauptventile wieder sofort für eine Mindesteinschaltdauer von 60 el freigegeben; anschließend erfolgt die erwähnte verzögerte Vergrößerung der Ausgangswechselspannung. Durch die gegebenenfalls zweimal erforderliche Reduktion der Einschaiidauer und das daran anschließende verzögerte Einschalten wird der Umrichter erdschlußfest.

Kurzschlußfestigkeit und Erdschlußfestigkeit erlauben es. den Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter — zumindest kurzzeitig — an der äußersten Leistungsgrenze zu betreiben. Hierdurch besteht die für Mehrmaschinenantriebe, bei denen jeder Drehfeldmaschine eine Sicherung in Reihe geschaltet ist, wichtige Möglichkeit, eine gestörte Drehfeldmaschine über ihre vorgeschaltete Sicherung mittels des höchstmöglichen Ausgangsstroms selektiv, d. h. unter Aufrechterhaltung des Betriebs der anderen Drchfeldmaschinen. abzuschalten. Der höchstmögliche Ausgangsstrom wird also hierbei dazu verwendet, die betreffende Sicherung auszulösen und die gestörte Maschine stillzusetzen, während die anderen Drehfeldmaschinen weiterlaufen.

Eine Weiterbildung der Schutzschaltung ist für einen Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter mit n-pulsigem Stromrichter vorgesehen, dessen Steuereinrichtung einen Frequenzgenerator enthält, der mit einem Ringzähler mit η-Stufen verbunden ist. Diese Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus. daß der Ausgang jeder Stufe an den Setzeingang eines mit einem ersten und einem zweiten Rücksetzeingang ausgestattetem Speichergliedes geschaltet ist. das für ein zugeordnetes Hauptventil sowohl einen Zündimpuls als auch einen Löschimpuls liefert, daß der erste Rücksetzeingang dieses Speichergliedes an den Ausgang einer anderen Stufe und der zweite Rücksetzeingang an den Ausgang eines Vergleichers angeschlossen ist, und daß der Vergleicher einerseits vom Ausgang eines gegenüber dem Beginn des Zjndimpulses verzögert gestarteten Sägezahngenerators mit einer Sägezahnspannung und andererseits mit der für alle Vergleicher gleichen Steuerspannung beaufschlagt ist.

Weitere Ausgestaltungen der Schutzschaltung sind in den UnteranspriJchen hervorgehoben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von 6 Figuren näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter, der mit einer Schutzschaltung gegen Überströme am Ausgang ausgerüstet ist,

F i g. 2 Zeit-Diagramme, in denen die Stromführungsdauer der einzelnen Hauptventile des Iastseitigen Stromrichters dargestellt ist

Fig.3 zwei zugehörige Zeit-Diagramme, in denen eine Steuerspannung und zwei Sägezahnspannungen dargestellt sind.

Fig. 4 eine Prin>.ipdarstellung einer Steuereinrichtung, die zusammen mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung arbeitel,

Fig. 5 eine praktische Ausführungsform einer solchen Steuereinrichtung und

F i g. 6 eine Schaltungsanordnung, die ein Steuersignal für einen Schalter im Spannungsregelkreis bildet.

Nach Fig. I besteht ein Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter, der zur Speisung einer dreiphasigen Drehfeldmaschine 2 vorgesehen ist, aus einem Iastseitigen Stromrichter 4 und einem netzseitigen Stromrichter 6. die miteinander über einen Spannungszwischenkreis 8 mit Glättungskondcnsator 10 verbunden sind.

Der lastseitige Stromrichter 4, der im motorischen Betrieb als Wechselrichter betrieben wird, enthält sechs steuerbare Hauptventile 11 bis 16. die in Drehslrom-Briickcnschaltung angeordnet sind. Dabei liegen die Hauptventile 11, 13, 15 in der einen und die itauptveniiie 12, l4, Ib in der anderen Bnickenhailtc. ledern Hauptventil 11 bis 16 ist ein ungesteuertes Rückarbeitsventil gegenparallel geschaltet. Diese Rückarbeitsvenlile sind in einer Drehstrom-Brückenschaltung 18 zusammengefaßt. Zum Löschen der Hauptventile U bis 16 ist eine Löscheinrichtung 20 vorgesehen. Diese enthält sechs steuerbare Löschventile 21 bis 26 in Drehstrom-Brückenschaltung und drei Löschkondensa· loren 27, 28 und 29. Durch Zündung eines zugeordneter Löschveiwils 21 bis 26 kann jedes Hauptventil 11 bis 16 mil Hilfe eines der Löschkondensatoren 27 bis 29 zu jedem beliebigen Zeitpunkt zwangsgelöscht werden.

Der Stromrichter 6 ist an die Klemmen R, S, 7~eines Drehspannungsnetzes angeschlossen. Er enthält sechs steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung. Mittels eines Steuergeräts 30 ist er netzgeführt steuerbar. Mit Hilfe eines Spannungsreglers 32 wird der Stromrichter 6 so gesteuert, daß die Ausgangswechselspannung U₁ an der Drehfeldmaschine 2 konstant ist. Dazu ist dem Vergleicher 34 des Spannungsreglers 32 der Istwert U, der Ausgangswechselspannung und ein Sollwert U* vorgegeben. Der Sollwert U* ist vorliegend an einem Potentiometer 36 abgegriffen, das in Reihe mit einem Schutzwiderstand 38 an einer Gleichspannungsquelle liegt.

Zur Versorgung der Hauptventile 11 bis 16 des Stromrichters 4 mit Einschaltbefehlen oder Zündimpulsen ρ 11 bis ρ 16 alle 60°el in zyklischer Reihenfolge ist eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen. Diese Steuereinrichtung 50 liefert auch Ausschaltbefehle für die Hauptventile 11 bis 16. Diese Ausschaltbefehle werden als Zündimpulse ρ 21 bis ρ 26 den steuei baren Ventilen 21 bis 26 der Löscheinrichtung 20 zugeführt. Als steuerbare Ventile können im Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter insbesondere Thyristoren vorgesehen sein.

Das vorliegend angewandte Verfahren zur Steuerung der Hauptventile 11 bis 16 ergibt sich aus F i g. Z Es sind hier die Stromführungsdauern der einzelnen Hauptventile 11 bis 16 in ihrer zeitlichen Zuordnung aufgetragen.

Danach ist jedes Hauptventil 11 bis 16 eine Mindesteinschaltdauer ωί'=60° eingeschaltet. Diese Tatsache ist jeweils durch gestrichelte rechteckige Kästchen vermerkt Sind alle Hauptventile 11 bis 16 in zyklischer Reihenfolge nur für diese Mindesteinschaltdauer von 60° eingeschaltet so ergibt sich eine Ausgangswechselspannung Ui=O. Von dieser Mindesteinschaltdauer ω/'= 60" absind alle Hauptventile 11 bis 16 in einem Steuerbereich von 60° bis nahe 180° gleichsinnig steuerbar. Dabei kann nur im Steuerbereich

von 60" bis 120° die Ausgangswechselspannung U, verändert werden. Mit anderen Worten: Nur im Bereich von 60° bis 120° hat die zeitlich veränderte Abgabe eines Abschaltbefehls an die Hauptventile 11 bis 16 eine Veränderung der Ausgangswechselspannung U, zur Folge. Die Möglichkeit zur gemeinsamen gleichsinnigen Steuerung aller Hauptventile Il bis 16 ist durch die waagerechten, nach rechts weisenden Pfeile angedeutet. Beim Zeit-Diagramm des Hauptventils 11 ist die von 0° ab gemessene einstellbare Einschaltdauer iot_e vermerkt. Nach Ablauf dieser Einschaltdauer ω<,. wird das Hauptventil 11 abgeschaltet.

Die Abschaltbefchle werden mit Hilfe von zwei Sägczahnspannungcn u,\ und 11,2 gebildet. Das ist aus F i g. 3 ersichtlich. Danach wird so vorgegangen, daß für jedes Haiiptventil 11 bis 16 nach Ablauf der Mindcstcinschaltdauer von 60° eine linear ansteigende Spannung gestartet wird. Nach F i g. 3 ist auf diese Weise den drei Hauptventiien ii, i3, i5 und Ί2, i4, 16 jeweils einer Brückenhälfte eine gemeinsame Sägezahnspannung (//ι bzw. u,i zugeordnet. |ede der beiden Säge/ahnspannungen u,\, 11,2. die gegeneinander um 180 versetzt sind, wird mit einer Steuerspannung u, verglichen. Dabei ist jeweils dieselbe Steuerspannung u, vorgesehen. Jeweils bei Gleichheit von Sägezahnspannung iiyu u_/2und Steuerspannung u, wird ein Ausschaltbefehl für ein Hauptventil 11 bis 16 gebildet. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß beispielsweise im Punkt Pl die Steuerspannung u, und die erste Sägezahnspannung u, 1 gleich groß sind und daß demzufolge ein Ausschaltbefehl (ur das Hauptventil 11 ( = Zündsignal ρ 21 für das Löschventil 21) gebildet wird. Nach Fig. 2 legt der Punkt Pl die Einschaltdauer o)t_c dieses Hauptventils 11 fest.

Aus einer Betrachtung der F i g. 2 und 3 läßt sich erkennen, daß das Steuerverfahren mit Vorteil zum Schutz des Stromrichters 4 gegen Überströme angewendet werden kann. Im Normalbetrieb ist die Steuerspannung u, so groß, daß die Schnittpunkte von Sägezahnspannung u,\. u,2 und Steuerspannung u, jeweils an der Spitze des Sägezahns liegen, d. h. die Einschaltdauer ωί, ist jeweils 180°. Tritt nun ein Überstrom auf und wird infolgedessen die Steuerspannung u, sofort zu Null gemacht, so verschieben sich die Schnittpunkte umgehend nach links an den Beginn jedes Sägezahns. Das hat zur Folge, daß umgehend die Einschaltdauer oit_e jedes der Hauptventile 11 bis 16 auf den Wert der Mindesteinschaltdauer 60° reduziert wird. Dadurch wird die Ausgangswechselspannung U₁ ebenso wie der Hauptventilstrom zu Null. Der Überstrom wird dadurch sehr schnell abgebaut.

In Fi g. 1 ist eine Schutzschaltung für den Stromrichter 4 eingezeichnet, die von diesem Prinzip Gebrauch macht Diese Schutzschaltung umfaßt ein Strommeßglied 62, das — in Reihenschaltung — aus einem den Ausgangsstrom des Stromrichters 4 erfassenden Stromwandler 64, aus einem Gleichrichter 66 und aus einer Addierschaltung 68 besteht. Das Strommeßglied 62 mißt ein Summensignal, d. h. es gibt ein Meßsignal / ab, das anzeigt, wie groß der größte der drei Ausgangswechselströme des Stromrichters 4 gerade ist Dieses Meßsignal / wird einem Grenzwertmelder 70 zugeführt. Der Grenzwertmelder 70 wird auch von einem Grenzwertgeber 72 mit einem Signal /'für den maximal zulässigen Ausgangsstrom beaufschlagt. Der Grenzwertmelder 70 gibt an seinem Ausgang ein Ausgangssignal g ab, welches anzeigt, wenn das Meßsignal / gleich oder größer als das Signal /* ist Das Ausgangssignal g des Grenzwertmelder 70 zeigt somit an, ob ein Überstrom am Ausgang des Stromrichters 4 vorliegt oder nicht. Ein Überstrom würde zu einem Kommutierungskurzschluß führen. Das Ausgangssignal g wird dazu verwendet, die Steuerspannung u, zu Null zu machen und damit die Stromführungsdauer der einzelnen Hauptventile 11 bis 16 zu verkürzen.

Als Grenzwertgeber 72 kann ein Potentiometer vorgesehen sein. Das Signal /* kann auch in einer Rechenschaltung oder in einem Regelkreis gebildet sein.

Zur Lieferung der Steuerspannung 1/, ist ein Verstärker 76 vorgesehen. Dieser kann insbesondere als Operationsverstärker ausgebildet sein. In seiner Rückführung liegt ein Widerstand 78. Parallel zum Widerstand 78 ist ein Schalter 80 angeordnet, der durch das Ausgangssignal ^rdes Grenzwertmelders 70 geschlossen werden kann. Im ungestörten Fall ist der Schalter 80 geöffnet. Der Verstärker 76 liefert dann eine maximale

öicüci'SpüfiMÜllg ü%. uiC CiPiC ilinSCMaitdSüCr VGm rishcZU 180° bewirkt. Bei Überstrom wird der Schalter 80. der insbesondere als Transistor ausgebildet sein kann, geschlossen. Dadurch wird der Widerstand 78 in der Rückführung überbrückt, wodurch die Steuerspannung u, auf Null gesetzt wird. Die Abschaltbefehle (Zündimpulse ρ 21 bis ρ 26) für die Hauptventile 11 bis 16 werden dadurch zeitlich bis auf die Mindesteinschaltdauer ωί' verschoben. Die Hauptventile 11 bis 16 werden somit sofort zwangsgelöscht, und der Ausgangswechselstrom des Stromrichters 4 kann nicht weiter ansteigen.

Nachdem der Überstrom verschwunden ist, könnte die Einschaltdauer u>t_c praktisch sofort wieder auf den Endwert nahe 180° springen. Ein solcher Sprung würde jedoch gelegentlich wiederum zu Überströmen führen, so daß die Schutzschaltung wiederum ansprechen würde. Um ein solches Pendeln zu vermeiden, wird die Einschaltdauer o)t_c jedes der Hauptventile 11 bis 16 nach dem Verschwinden des Überstroms von der Mindesteinschaltdauer wf'ab mittels des Steuersignals u., nicht sprunghaft, sondern verzögert auf den vorgegebenen Kndwert nahe 180° eingestellt. Dazu ist nach Fig. 1 ein Kondensator 82 vorgesehen, der parallel zum Widerstand 78 in der Rückführung des Verstärkers 76 liegt. Beim öffnen des Schalters 80 wirkt der Verstärker 76 somit als Hochlauf-Integrator, der seine maximale Ausgangsspannung erst nach einer durch den Kondensator 82 bestimmten Zeitkonstanten erhält.

Im Falle eines Ansprechens der Schutzschaltung ist keine Ausgangswechselspannung U, mehr und damit kein Istwert für den Spannungsregler 32 mehr vorhanden. Der Spannungsregler 32 würde daher auf höchste Ausgangsspannung regeln, was bei Wiederkehr der Ausgangswechselspannung U, nach öffnen des Schalters 80 zu Unzuträglichkeiten führen könnte. Um diese zu vermeiden, wird bei Überstrom der Sollwert U* zu Null gemacht. Dazu dient ein weiterer Schalter 90, der dem Potentiometer 36 parallel geschaltet ist. Dieser Schalter 90 wird durch ein Steuersignal η im Falle von Überstrom geschlossen. Als Schalter 90 kann wiederum ein Transistor vorgesehen sein.

Durch die genannten Maßnahmen, nämlich die schnelle Verkürzung der Einschaltdauer ω U bei Überstrom und die verzögerte Freigabe der Ausgangswechselspannung Ui nach Verschwinden des Überstroms, ist der Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter sicher gegen jede Art von Überstrom. Ein solcher Überstrom kann beispielsweise infolge einer Überlast, z. B. beim Einschalten der Drehfeldmaschine 2 oder bei einem Kurzschluß, entstehen.

Der in F i g. I gezeigte Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter ist aber auch gegen einen speziellen Überstrom, nämlich auch gegen Erdschlußstrom, sicher, wenn in spezieller Weise verfahren wird.

Das Verfahren zum Schutz des Stromrichters 4 gegen Erdschlußstrom beruht auf folgender Überlegung: Im Bereich von einer Minimaldauer iot_m, die etwa der doppelten Freiwerdezeit eines Hauptventils 11 bis 16 und bei einem Thyristor etwa 400 μβεΰ entspricht, bis zur Mindesteinschaltdauer «^ = 60° kann die Einschaltdauer täte sprungartig geändert werden, ohne daß sich ein Sprung in der Ausgangswechselspannung U₁ ergibt. Bei Erdschluß (direkte Verbindung zwischen einem Alisgangsleiter des Stromrichters 4 und dem Sternpunkt des Wechselspannungsnetzes) kann schon eine Einschaltdauer von 60", zum Beispiel bei kleinen Γ-requenzen, zu einem unzulässigen Erdschlußstrom führen. Um den Stromrichter 4 gegen diesen Überstrom zu sichern, wird auch bei Erdschluß zunächst so verfahren, wie bereits oben beschrieben.

Nun kann es aber vorkommen, daß durch diese Maßnahmen der Erdschlußstrom nicht verschwindet. Das kann daran liegen, daß im Zeitpunkt unmittelbar nach Verkürzung der Einschaltdauer nach wie vor ein einziges der sechs Hauptventile 11 bis 16 Strom führt. Dieses ist aus Fig. 2 ersichtlich, wo im Zeitpunkt γ/ω alle Hauptventile bis auf das Hauptventil 11 gelöscht sind. Dieses Hauptventil 11 kann dabei gerade den Erdschlußstrom führen. Es soll daher ebenfalls abgeschaltet werden.

Um dieses zu erreichen, wird nach Reduktion der Einschaltdauer auf den Wert der Mindesteinschaltdauer ωί'eine weitere Reduktion vorgenommen. Dabei wird die Einschaltzeit l_e sämtlicher steuerbaren Hauptventile 11 bis 16 auf die Minimaleinschaltzeit t_m. bei Thyristoren also auf eine Zeit von etwa 400 μβεα verkürzt. Dieses ist allen Diagrammen von F i g. 2 durch doppelte Schraffierung angedeutet. Dabei wird von der Voraussetzung ausgegangen, daß im Bereich von 0 bis t,_n gegen den Erdschlußstrom nichts unternommen werden kann, weil die Löscheinrichtung 20 eine Mindestzeit zum Löschen des betreffenden Hauptventils benötigt. Während dieser Zeit t_m kann also das betreffende Hauptventil 11 nicht abgeschaltet werden. (Nicht gezeigte) netzseitige Drosselspulen des Umrichters sorgen jedoch dafür, daß der Erdschlußstrom während der Minimalzeit nicht zu hohe Werte annehmen kann.

Bei Verschwinden des Erdschlußstromes werden die Hauptventile 11 bis 16 wieder sofort für die Mindesteinschaltdauer ωί'= 60° freigegeben. Anschließend erfolgt die obenerwähnte verzögerte Verlängerung der Einschaltdauer ω/f. bis der Endwert nahe 180° erreicht ist. Durch diese zusätzlichen Maßnahmen wird also der Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter auch erdschlußfest

Aus Fig.4 ist eine Steuereinrichtung 50 ersichtlich, mit der das erwähnte Steuerverfahren mit Anschnittsteuerung der Hauptventile 11 bis 16 durchgeführt werden kann. Nach F i g. 4 steuert ein Frequenzgenerator G einen Ringzähler Z, der insgesamt η = 6 Stufen Zi bis Z 6 besitzt. Die Zahl η bezeichnet dabei die PulsigkeiL Die Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators G kann mittels einer Frequenzsteuerspannung ur eingestellt werden. Der Ringzähler Z erzeugt aus der Eingangsfrequenz an seinen sechs Ausgängen jeweils ein Ausgangssigna! der Dauer 60", die fortlaufend gegeneinander um 60° phasenverschoben sind.

Die Ausgangssignale der einzelnen Stufen Z1 bis Z6 werden jeweils dem Setzeingang £"1 bis £6 eines zugeordneten S^eichergliedes 51 bis 56 zugeführt, ledes Speicherglied 51 bis 56 besitzt einen ersten Rücksetzeingang /?11 bis /?61 und einen zweiten

ι Rücksetzeingang R 12 bis R 62. Mit den Ausgangssignalen der Stufen Zl bis Z6 werden die Speicherglieder 51 bis 56 gesetzt, wobei jeweils ein gesetztes Speicherglied den zugehörigen Zündimpuls ρ 11 bis ρ 16 des Hauptventils 11 bis 16 freigibt. Beim Zurücksetzen des Speichergliedes 51 bis 56 wird über eine (nicht gezeigte) Zeitstufe der Zündimpuls ρ 21 bis ρ 26 für das zugeordnete Löschventil 21 bis 26 gebildet. Das Rücksetzen eines Speichergliedes 5 1 bis 526 kann von einem Ausgang einer anderen Stufe Z 1 bis Z6 gewählt

ι") werden. Beispielsweise erfolgt das Rücksetzen des Speichergliedes 5 1 von der vierten Stufe Z4. Dazu ist deren Ausgang mit dem ersten Rücksetzeingang R Ί i verbunden. Somit beträgt die Einschaltdauer wt_e de· Speichergliedes 51 maximal 180°. Die Schaltverknüpfung für die anderen Speichergheder 52 bis 56 ist in gleicher (aber nicht gezeigter) Weise vorgenommen.

Solange vom Ausgang einer Stufe Zl bis Z6 am Setzeingang E1 bis E 6 ein Setzsignal ansteht, kann das betreffende Speicherglied 51 bis 56 nichi zurückge-

»■j setzt werden. Der Rücksetzbereich beginnt also erst nach Ende des Setzsignals, also erst nach einer Einschaltdauer von 60°.

Um eine variable Einschaltdauer w/_t. zu ermöglichen, ist jedem Speicherglied 51 bis 56 sowohl ein

in Sägezahngenerator G 1 bis G 6 als auch ein Vergleicher Kl bis K 6 zugeordnet. Die Schaltverknüpfung ist jeweils so getroffen, daß der zweite Rücksetzeingang des Speichergliedes 51 bis 56 an den Ausgang des zugeordneten Vergleichers K1 bis K 6 angeschlossen

Ji ist, wobei dieser Vergleicher Kl bis K 6 einerseits vom Ausgang des Sägezahngenerators C 1 bis G 6 mit einer Sägezahnspannung und andererseits mit einer für alle Vergleicher Kl bis K6 gleichen Steuerspannung u, beaufschlagt ist. Der Sägezahngenerator G 1 bis G 6 ist dabei mit seinem Starteingang an den Ausgang der betreffenden Stufe Z 1 bis Z6 augeschlossen.

Die Funktion soll am Beispiel der Baueltinente Zl. 51, Vi, Gi verdeutlicht werden. Beim Verschwinden des Setzsignals des Speichergliedes 51 wird der

4ι Sägezahngenerator G1 gestartet. Er beginnt, eine zeitlich linear ansteigende Ausgangsspannung abzugeben. Diese Ausgangsspannung wird in dem Vergieicher Kl mit der Steuerspannung u, verglichen. Bei Gleichheit beider Spannungen wird ein Ausgangsimpuls

>o gebildet, der als Rücksetzimpuls dem zweiten Rücksetzeingang R 12 des Speichergliedes 5 1 zugeführt wird. Eine Veränderung der Steuerspannung u_s hat eine zeitliche Verschiebung dieses Rücksetzimpulses zur Folge. Mit der Steuerspar.nung u_s kann somit die Setzdauer und damit auch die Einschaltdauer des Hauptventils 11 im Bereich von 60° bis nahe 180° verändert werden.

Die anderen Bauelemente sind in gleicher Weise miteinander verknüpft; sie haben auch dieselbe

ω Funktion.

In F i g. 5 ist eine Schutzschaltung für den Stromrichter 4 im einzelnen dargestellt, die sowohl gegen unzulässig hohen Erdstrom als auch gegen anderen Überstrom schützt. Der Schaltungsaufbau entspricht weitgehend dem Prinzipschaltbild von Fig.4. Gleiche Bauelemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Ein an einen steuerbaren Frequenzgenerator G

angeschlossener Ringzähler Z mit 6 Stufen Zl bis Z6 gibt sechs um 60°el gegeneinander versetzte Ausgangssignale jeweils von der Dauer 60°el ab. Die Weiterverarbeitung dieser Ausgangssignale wird im folgenden am Beispiel des Ausgangssignals der ersten Stufe Zl 5 verfolgt.

Das Ausgangssignai der ersten Stufe Zl wird über eine NAND-Stufe Λ/l auf den Setzeingang Ei eines Speichergliedes S1. gegeben. Dieses Speicherglied 51 enthält im wesentlichen zwei NAND-Stufen in Flip- in Flop-Schaltung; es kann auch in integrierter Schaltung aufgebaut sein. Das Speicherglied 51 besitzt zwei Rücksetzeingänge RH und R 12. Es gibt an seinem einen Ausgang die Zündimpulse pll für das Hauptventil 11 und a;i se'nem anderen Ausgang nach Umkehrung ιί mittels einer NAND-Stufe einen Zündimpuls p21 für das Löschventil 21 des Stromrichters 4 ab.

Um das Speicherglied 51 nach einer Einschaltdauer von etwa 180" el zurücksetzen zu können, ist dessen erster Rucksetzeingang R i i über ein weiteres NAND- 21) Glied M1 mit dem Ausgang der vierten Stufe 24 verbunden. Das von dem NAND-Glied M 1 abgegebene Rücksetzsignal rl ist gegenüber der Dauer des Ausgangssignals der Stufe Z1 verkürzt. Das wird durch eine Zeitstufe Q erreicht, die zwischen den Ausgang des 2"> Frequenzgenerators G und einen Eingang des NAND-Gliedes M 1 geschaltet ist. Das verkürzte Rücksetzsignal r 1 bewirkt ein Zurücksetzen des Speichergliedes Sl und damit <:in Abschalten des Hauptventils 11 alle 180° el. w

In entsprechender (und nicht näher gezeigter) Weise werden auch verkürzte Rücksetzsignale r3 und r5 für die Speicherglieder 53 und 55 gebildet.

Von den drei verkürzten Rücksetzsignalen r 1, r3, r5 wird entsprechend F i g. 3 alle 120°el ein Sägezahngene- s> rator G 135 gestartet und nach einer Dauer von 120° el jeweils wieder zurückgesetzt. Dieser Sägezahngenerator G 135 gibt also eine Sägezahnspannung u,, ab, deren Verlauf in F i g. 3 gezeigt ist. Der Sägezahngenerator G 135 ist dabei den drei Speichergliedern 51, 53, 55 gemeinsam zugeordnet. Entsprechend ist auch ein weiterer Sägezahngenerator G 246 vorgesehen, der den Speichergliedern 52, S4,56 gemeinsam zugeordnet ist. Dieser weitere Sägezahngenerator G 246 gibt an seinem Ausgang eine Sägezahnspannung u_zi entsprechend F i g. 3 ab.

Die Sägezahnspannung u₇\ wird einem Vergleichsglied V135 zugeführt, das ebenfalls allen drei Speiihergliedern 51, 53, 55 gemeinsam zugeordnet ist. Dort wird die Sägezahnspannung u,\ mit einer Steuerspannung u_s verglichen. Diese Steuerspannung u_s wird wiederum von einem Verstärker 76 mit Schalter 80 in der Rückführung entsprechend Fig. I geliefert. Der Ausgang des Vergleichsgliedes V135 ist an den zweiten Rücksetzeingang R 12 des Speichergliedes 51 angeschlossen. Gleichzeitig ist er auch mit dem zweiten Rücksetzeingang der beiden Speicherglieder 53 und 55 verbunden.

Bei Gleichheit der Spannungen o, und u,\ wird ein Rücksetzimpuls vl gebildet. Bei voller Steuerspannung u, liegt dieser Rücksetzimpuls vl bei 180"el; bei Steuerspannung U₁=O dagegen ist er vorgezogen und liegt bei 60°el. Über die zeitliche Lage des Rücksetzimpulses vi ist also die Einschaltdauer /_edes H->uptvcntils 11 zwischen 60° und nahe 180°el einste'lbar.

Bei einer von einem Überstrom abhängigen Steuerung wird entsprechend F i g. 1 abgefragt, ob der Ausgangsstrom /über dem vorgegebenen Grenzwert /* liegt. Übersteigt der Ausgangsstrom /diesen Grenzwert /*. wird die Alisgangsspannung u, des Verstärkers 76 sehr schnell durch Schließen des Schalters 80 auf den Wert Null zurückgezogen. Der hierdurch zeitlich vorgezogene Rücksetzimpuls ν 1 bewirkt über das Speicherglied 5 1 ein Abschalten des Hauptventils nach 60°el. Liegt der Ausgangsstrom /anschließend unteihalb des vorgegebenen Grenzwertes /*, dann integriert der Verstärker 76 wieder bis zu seinem Anschlag, so daß dann kein vorgezogener Rückseizimpuis ν i mehr gebildet wird.

Wird der Überstromschutz zur Erdschlußüberwachung angewendet, so wird der Erdstrom mit einem (nicht gezeigten) Erdstromwandler gemessen und im Verhältnis zu einem vorgegebenen Grenzwert mit einem (nicht gezeigten) Grenzwertmelder abgefragt. Übersteigt er diesen Grenzwert, so wird ein Steuersignal h geliefert, das ebenfalls zum Schließen des Schalters 80 führt. Dadurch wird ebenfalls ein vorgezogener Rücksetzimpuls vl gebildet. Hat diese Maßnahme keinen Erfolg, d. h. kann hierdurch der Erdstrom nicht reduziert werden, greift eine weitere Signalverkürzung ein. Das Steuersignal h wird nämlich einem Verzögerungsglied Wzugeführt, dessen Ausgang über das NAND-Glied N1 mit dem Setzeingang E 1 des Speichergliedes 51 verbunden ist. Das vom Verzögerungsglied Wverzögerte Steuersignal A'löscht das am Setzeingang El liegende Setzsigna!, so daß das Speicherglied 5 1 über den anliegenden Rücksetzimpuls v\ zurückgesetzt wird und damit das Hauptventil 11 erlischt.

In Fig. 6 ist gezeigt, auf welche Weise das Steuersignal η für den Schalter 90 in F i g. 1 gewonnen werden kann. Es handelt sich dabei um eine !'fische Schaltung 96, in der die Zündsignale ρ 11 bis ρ 16 für die Hauptventile 11 bis 16 addiert werden. Die Schaltung % enthält drei NAND-Gatter Χι, Λ'2, Λ'3. Dem NAND-Gatter X 1 werden die Zündimpulse ρ 11. ρ 13, ρ 15 für die eine Brückenhälfte und dem NAND-Gatter X2 werden die Zündimpulse ρ 12, ρ 14, ρ 16 für die andere Brückenhälfte zugeführt. Die Ausgänge der beiden NAND-Gatter Xi. X2 sind an die beiden Eingänge des dritten NAND-Gatters X 3 geführt, an dessen Ausgang das Steuersignal η abgegriffen ist. Mit dieser Schaltung 96 wird die Impulslänge der Hauptventile 11 bis 16 erfaßt. Das Fehlen eines ausreichend langen Steuerimpulses wird durch das Steuersignal π angezeigt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

K Schutzschaltung zum Schut^ eines dreiphasigen Stromrichters gegen Oberstroni wobei der Stromrichter der lastseitige Stromrichter eines Spannungs-Zwischenkreis-Umrichlers ist und eine Drehfeldmaschine speist, mit einer Zündeinrichtung, die die steuerbaren Hauptventile des lastseitigen Stromrichters mit vorgegebener Taktfrequenz und in zyklischer Reihenfolge jeweils durch Zündimpulse zündet und nach Ablauf einer Einschaltdauer jeweils wieder durch Löschimpulse löscht, mit einem an die Steuereinrichtung angeschlossenen Grenzwertmelder, der einerseits von einem Strommeßglied mit einem Meßsignal für den Ausgangsstrom des Stromrichters und andererseits von einem Grenzwertgeber mit einem Signal für einen maximal zulässigen Ausgangsstrom gespeist ist, und mit einer ebenfalls auf die Zündeinrichtung einwirkenden ZusatzscheJ'ung, die beim Auftreten des maximal zulässigen Überstroms die Einschaltdauer sämtlicher steuerbarer Hauptventile des lastseitigen Stromrichters in Abhängigkeit von einem Steuersignal umgehend auf eine geringere Dauer reduziert und die nach Verschwinden des Oberstroms die Einschaltdauer der Hauptventile von dieser geringeren Dauer ab mittels des Steuersignals auf einen vorgegebenen Endwert einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (50) von einem Verstärker (76) mit einer Steuerspannung (u_s) beaufschlagt ist, daß parallel zur Rückführung (78) des Verstärkers (76) ein Kondensator (82) geschaltet ist, daß weiterhin parallel zur Rückführung (78) ein Schalter (80) iiegt, der vom Ausgangssignal (g; h) des Grc.zwertmelders (70) gesteuert ist, daß der Schalter (80) bei Auftreten des Überstroms geschlossen wird, wodurch die Einschaltdauer (ωr_fj jedes der Hauptventile (il bis 16) auf den Wert einer festen, für alle Hauptventile (U bis 16) gemeinsamen Mindesteinschaltdauer (at') von 60°el reduziert wird, und daß nach dem Verschwinden des Überstroms, vorzugsweise noch vor Erreichen des Strom-Null-Zustandes, der Schalter (80) geöffnet wird, wodurch die Einschaltdauer fwf^jedes der Hauptventile (11 bis 16) nur verzögert auf den vorgegebenen End wert, der mindestens 120° beträgt, ansteigt (F ig. 1).
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Hauptventil (11 bis 16) nach Ablauf der Mindesteinschaltdauer (at') von einem Sägezahngenerator (G 135, G 246) eine Sägezahnspannung (w_zi, u_z2) gestartet wird, daß die Sägezahnspannung (u_z\, Uzi) in einem Vergleicher (V 135, V 246) mit der vom Verstärker (76) gelieferten Steuerspannung (u_s) verglichen wird, und daß bei Gleichheit (Pi) ein Ausschaltbefehl (p 21 bis ρ 26) für das betreffende Hauptventil (11 bis 16) gebildet wird (F i g. 4).
3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils drei Hauptventile (11, 13, 15; 12, 14, 16) ein gemeinsamer, die Sägezahnspannung (u_zi bzw. u_zi) liefernder Sägezahngenerator (G 135, G 246) vorgesehen ist (F ig. 4).
4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für einen n-pulsigen Stromrichter, dessen Steuereinrichtung einen Frequenzgeneratoi· enthält,

der mit einem Ringzähler mit η-Stufen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang einer jeden Stufe (Zi bis Z6) des Ringzählers (Z) in der Steuereinrichtung(50) an den Setzeingang(z. B. Ei) eines mit einem ersten und einem zweiten Rucksetzeingang (z.B. RU, Ri2) ausgestatteten Speichergliedes (S 1 bis 56) geschaltet ist, das für ein zugeordnetes Hauptventil (z.B. 11) sowohl einen Zündinipuls (pll) als auch einen Löschimpuls (p) liefert, daß der erste Rücksetzeingang (z.i3. All) dieses Speichergliedes (51) an den Ausgang einer anderen Stufe (z, B, ZA) des Ringzählers (Z) und der zweite Rücksetzeingang (z. B. R12) an den Ausgang eines Vergleichers (z.B. Vl) angeschlossen ist, und daß der Vergleicher (z. B. Vl) einerseits vom Ausgang eines gegenüber beim Beginn des Zündimpulses (pll) verzögert gestarteten Sägezahngenerators (z. B. G1) mit einer Sägezahnspannung und andererseits mit der für alle Vergleicher (Vi bis V6) gleichen Steuerspannung (u_s) beaufschlagt ist (F ig. 4).
5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche ! bis 4 zum Schutz des Stromrichters gegen einen Überstrom infolge eines unzulässig hohen Erdschlußstromes, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn trotz Reduktion der Einschaltdauer (ωte) auf den Wert der Mindesteinschaltdauer (at')durch das Ausgangssignal (Ji) des Grenzwertmelders noch'ein Überstrom angezeigt wird, die Einschaltzeit (Q sämtlicher steuerbarer Hauptventile (11 bis 16) mit Hilfe logischer Verknüpfungsglieder (W, NX) weiter auf eine Minimaleinschaltzeit (t_m) verringert wird, die etwa dem Zweifachen der Freiwerdezeit eines Hauptventils (11 bis 16) entspricht, und daß nach Verschwinden des Überstroms die Einschaltdauer (at_c) jedes der Hauptventile (11 bis 16) umgehend von der Minimaleinschaltdauer (at_m) auf die Mindesteinschaltdauer (at') angehoben und danach mittels des Steuersignals (uj nur verzögert auf den vorgegebenen Endwert (120° otf-.-r 180°) eingestellt wird.
6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (h) für den Schalter (80) gleichzeitig auch über ein Verzögerungsglied (W) und ein NAND-Glied (Ni) der Steuereinrichtung(50) zugeführt ist (F i g. 5).

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung zum Schutz eines dreiphasigen Stromrichters gegen Überstrom, wobei der Stromrichter der lastseitige Stromrichter eines Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters ist und eine Drehfeldmaschine speist, mit einer Zündeinrichtung, die die steuerbaren Hauptventile des lastseitigen Stromrichters mit vorgegebener Taktfrequenz und in zyklischer Reihenfolge jeweils durch Zündimpulse zündet und nach Ablauf einer Einschaltdauer jeweils wieder durch Löschimpulse löscht, mit einem an die Steuereinrichtung angeschlossenen Grenzwertmelder, der einerseits von einem Strommeßglied mit einem Meßsignal für den Ausgangsstrom des Stromrichters und andererseits von einem Grenzwertes geber mit einem Signal für einen maximal zulässigen Ausgangsstrom gespeist ist, und mit einer ebenfalls auf die Zündeinrichtung einwirkenden Zusatzschaltung, die beim Auftreten des maximal zulässigen Überstroms die