DE2806697C2

DE2806697C2 - Schutzeinrichtung gegen Überspannung in einem Umrichter

Info

Publication number: DE2806697C2
Application number: DE2806697A
Authority: DE
Inventors: Mitsuyuki Honbu; Yasuo Hitachi Ibaraki Matsuda; Tadashi Okawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-02-16
Filing date: 1978-02-16
Publication date: 1984-06-07
Also published as: DE2806697A1; US4188663A; JPS5917620B2; JPS53101626A

Description

dadurch "gekennzeichnet.

g) daß zur Erfassung einer Unterbrechung der Spannung der Wechsclstromquclie ein Rechteckwellengenerator (52) die Spannung von der Wechselstromquelle (10) erfaßt und in Rechteckwellen umformt, die in Polarität, Breite und Phase gleich den positiven oder negativen Halbwellcn des Wechselstromes sind,

h) daß eine Addicrschaltung (74) vorgesehen ist. die aufeinanderfolgend die Größe der Rechteckwellen vom Rechteckwcllengencrator (52) aufaddiert, und

i) daß die Entscheidlingsschaltung (78, 80, 84, 86) das Ausgangssigna! abgibt, wenn das Ausgangssignal der Addierschaliung (74) kleiner als der vorgegebene Wert geworden ist.

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichuing gegen Überspannungen an der Drossel im Zwischenkreis eines Umrichters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs. Eine solche Einrichtung ist aus der DE-OS 22 19 018 bekannt.

Ein Umrichter besteht aus einem Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umformt, einem Wechselrichter, der Ausgangsgleichstrom des Gleichrichters in Wechselstrom umformt und einer Drossel in einem Gleichstromkreis zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter. Die Drossel wirkt ;ils Stromquelle (vgl. z. B. US-PS 37 96 935).

Bei Umrichtern ist der Gleichstromkreis mit einer Drossel mit hohem Blindwiderstand versehen. Eine Störung, die z. B. durch plötzliches Abtrennen des Kreises, durch den der Gleichstrom fließt, auftritt, erzeugt infolge der von der Drossel gespeicherten Energie eine hohe Spannung. Diese kann einen Durchbruch des Gleichrichters zur Folge haben. Wenn die Wechselstromquelle des Gleichrichters ausgeschaltet oder abgetrennt worden ist, beendet der Gleichrichter seinen Betrieb und wirkt deshalb ähnlich einem plötzlichen Abtrennen des Kreises, durch den der Gleichstrom fließt-in diesem Fall tritt infolgedessen das gleiche Problem auf. Zur Lösung

ίο dieses Problems wird der Netzausfall oder die Starksiromstörung der Wechselstromquelle erfaßt und beide Klemmen der Drossel werden zum Zeitpunkt des Stromausfalls kurzgeschlossen, um zu verhindern, daß die Hochspannung in der Drossel erzeugt wird. Wenn jedoch eine zu lange Zeit bis zum Erfassen des Stromausfalls der Wechselstromquelle vergeht, kann die Erzeugung der Hochspannung mit den genannten Schutzvorkehrungen nicht befriedigend verhindert werden. Aus der DE-AS 14 88 859 ist eine Schutzeinrichtung bekannt, bei der die Erfassung von Spannungsschwankungen oft synchron zum wechseistromeingangssignai erfolgt, da mittels eines in einer Steuereinrichtung enthaltenen Verteilers die von einem Multivibrator zugeführten Zündimpulse verteilt werden.

Aus der DE-AS 22 19 018 ist eine Anordnung zur Speisung eines Stromrichlermotors über einen Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis bekannt, bei der eine Glättungsinduktivität mit einem parallel geschalteten steuerbaren Stromrichterventil angeordnet ist. welche derart gepolt ist, daß eine an der Glättungsinduktivität bei Stromabnahme auftretende Selbstinduktionsspannung in Durchlaßrichtung am Stromrichterventil liegt. Parallel zur Glättungsinduktivität liegt eine Reihenschaltung einer Diode mit einem Thyristor, die so gepolt

J5 sind, daß die bei Abnahme oder bei Abschalten des Gleichstroms im Gleichstromzwischenkreis an der Glättungsinduktivität auftretende Selbstinduktionsspannung in Durchlaßrichtung an den Ventilen liegt, und der über die Glättungsinduktivität fließende Strom über die Diode und den gezündeten Thyristor weiterfließen kann. Zur Erfassung einer Abnahme oder Abschaltung der den Gleichrichter speisenden Phasen des Wechselstroms dient ein Stromerfassungsglied, dessen Ausgangssignal einem Steuersatz 15 zugeführt wird.

Über die Art der Verarbeitung bzw. Entscheidung im Steuersatz 15 wird in der DE-AS 22 19 018 keine Aussage getroffen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schutzeinrichtung für einen Umrichter vorzusehen, der den

r>o Stromausfall einer den Gleichrichter speisenden Wechselsiromquelle schnell und synchron zur Wechselspannung erfassen kann und den Umrichter zum Zeitpunkt des Netzausfalls schützen kann.

Die Lösung der obigen Aufgabe geschieht nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs.

Durch die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann also ein Spannungsabfall oder -ausfall auf den den Gleichrichter speisenden Phasenleitungen der Wechselstromquelle schnell und in Phase mit den positiven oder

wi den negativen Halbwellcn jeder Phasenleitung erfaßt werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfühiungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. I ein Blockschaltbild einer Schutzeinrichtung eines Umrichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Funk-

tion des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 1,

F i g. 3 ein weiteres Signaldiagramm zur Erläuterung der Funktion des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1,

F i g. 4 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Funktion einer Schutzeinrichtung eines Umrichters gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein Äusführungsöeispiel der Erfindung. Gemäß Fig. 1 ist ein Gleichrichter 12 mit einer Dreiphasen-Wechselstrpmquelle 10 verbunden. Der Gleichrichter 12 besteht aus brückengeschalteten Thyristoren 14,16,18,20,22,24 und formt Wechselstrom in Gleichstrom um. Das Gleichstrom-Ausgangssignal des Gleichrichters 12 wird zu einem Wechselrichter 26 übertragen, der Gleichstrom in Wechselstrom umformt. In einem Gleichstrom-Zwtschenkreis zwischen dem Gleichrichter 12 und dem Wechselrichter 26 ist eine Drossel 28 eingesetzt. Die Drossel 28 besitzt eine hohe Induktivität, damit Gleichstrom fließen kann und wirkt als Stromquelle. Das Wechselstrom-Ausgangssignal des Wechselrichters 26 wird einem Wechselstrommotor 30 zugeführt, der eine Last darstellt. Als Wechselstrommotor 30 wird beispielsweise ein Induktions- oder Asynchronmo tor verwendet.

Eine Netzausfall-Erfassungsschaltung dient zum Er-.fassen des Netzausfalls der Wechselstromquelle 10 des Gleichrichters 12. Die Netzausfall-Erfassungseinrichtung besteht aus einer Addierschaltung 74, die Sechsphasen-Ausgangssignale eines Rechteckwellengenerators 52 addiert, der die Spannung der Wechselstromquelle 10 über einen Spannungswandler 50 erfaßt und in Rechteckwellen umformt, die in Polarität, Breite und Phase gleich den positiven oder negativen Halbwellen des Wechselstroms einem Addierer 76. dem ein Ausgangssignal der Addierschaltung 74 und ein vorgegebenes Ausgangssignal Fi zugeführt wird, einem Vergleicher 78, dem die Abweichung zwischen diesen beiden Ausgangssignalen vom Addierer 76 zugeführt wird und der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Ausgangssignal der Addierschaltung 74 kleiner geworden ist als die vorgegebene Spannung Ei, einem Sammler 80. der die Ausgangssignale des Vergleichers 78 sammelt, einem Addierer 82, dem ein Ausgangssignal des Speichers 80 und eine vorgegebene Spannung F? zugeführt wird, einem Vergleicher 84, der ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Speichers 80 größer geworden ist als die vorgegebene Spannung E;. und einem Impulsgenerator 86, der beim Anstieg des Ausgangssignals des Vergleichers 84 arbeitet und einen Impuls vorgegebener Breite abgibt. Das Ausgangssignal des Impulsgenerators 86 wird der.: vierten Addierer 62 zugeführt, und wenn das Ausgangssignal des Impulsgeneratorsee vorhanden ist, wird ein Zündsignal dem vorgegebenen Thyristor des Gleichrichters 12 zugeführt.

Die Funktion der so ausgebildeten Schutzeinrichtung wird anhand der F i g. 2 und 3 näher erläutert.

F i g. 2A zeigt Ausgangsspannungs-Signalverläufe Up, Un, Vp, Vn, Wpund W/v des Spannungswandlers 50. Auf diese Weise werden die drei Phasen in die sechs Phasen umgeformt. In der Darstellung tritt ein Netzausfall zum Zeitpunkt U auf. F i g. 2B zeigt Ausgangssignale der jeweiligen Generatorschaltungen 52/4 bis 52Fdes Rechteckwellengenerators 52. Diese geben Rechteckwellen vorgegebener Größe ab, wenn die Spannungen der jeweiligen in Fig. 2A gezeigten Phasen positiv sind. F i g. 2C zeigt Ausgangssignale der jeweiligen Generatorschaltungen 54/4 bis 54Fdes Dreieckweüengenerators 54 und ein Ausgangssignal des ACR 48. Der Dreieckwellengenerator 54 erzeugt die Dreieckwellen, in dem die in Fi g. 2B gezeigten Rechteckwellen während ihren Übertrngungszeiten integriert werden können, wobei die Integrationen jeweils beim Verschwinden der Rechteckwellen rückgestellt werden. Fig.2D zeigt Ausgangssignale des Vergleichcrs 56. Der Vergleicher 56 gibt Ausgangssignale ab, wenn die Dreieckwellen die Ausgangssignale eines automatischen Stromreglers erreicht haben, wie in F i g. 2C dargestellt. F i g. 2E zeigt Ausgangssignale eines Impulsgenerators 58. Der Impulsgenerator 58 wird durch die Anstiege der Ausgangssignale des Vergleichers 56 gemäß Fig.2D betrieben und erzeugt Impulse mit vorgegebener Impulsbreite. Die Impulsbreite kann ausreichen, die Thyristoren des Gleichrichters 12 zu zünden. Fi g. 2F zeigt Ausgangssignale eines Doppel-Impulsgenerators 60. Neben den Ausgangsimpulsen des Impulsgenerators 58 gemäß Fig.2E werden Impulse, die um 60° gegenüber diesen Impulsen nacheilen, erzeugt, wie sich das aus der Figur ergibt.

F i g. 3 zeigt die Funktion der Netzausfall-Erfassungseinrichtung. In Fig.3A ist der Ausgan^ispannungs-Signalverlauf des Spannungswandlers 50 und in Fig.3B das Ausgangssignal des Rechteckwellengenerators 52 dargestellt, die analog zu den Signalverläufen gemäß Fig.2A und Fig. 2B sind. Fig. 3C zeigt das Ausgangssignal der Addierschaltung 74. Die Addierschaltung 74 addiert die Ausgangssignale der jeweiligen Generatorschaltungen 52/\, 525, 52C, 52D, 52F und 52F, wie in Fig.3B dargestellt. Da sie stets die Ausgangssignale von drei Generatorschaltungen addiert, gibt sie in stetiger Form eine Ausgangsspannung F ab, die das Dreifache der Ausgangsspannung einer Rechteckwellengeneratorschaltung ist. Wenn jedoch der Netzausfall auftritt, sinkt die Ausgangsspannung der Addierschaltung 74 schrittweise auf (²Zi) F. (Vj) F und O ab mit dem Verschwinden der Spannungen der jeweiligen Phasen. Fig.3D zeigt ein Ausgangssignal des Vergleichers 78. Der Vergleicher 78 ist so aufgebaut, daß er arbeitet und das Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal der Addierschaltung 74 unter eine vorgegebene Spannung Γ; abgesunken ist. Vorzugsweise ist die vorgegebene Spannung Fi zu einem Wert gewählt, der größer als ²Ii der stetigen Spannung F ist, wobei dieser Wert (-Vi) Feinem Fall entspricht, bei dem eine Phase fehlt, und der kleiner ist als die stetige Spannung. Selbstverständlich kann die vorgegebene Spannung Fi auch kleiner als (²/i) Fsein, jedoch um den Net/.ausfall mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen, ist der vorgenannte Wert vorzuziehen. F i g. 3E zeigt den Ausgangs-Signalverlauf des Sammlers 80.

Dieser speichert die Ausgangssignale des Vergleichers 78 und wird rückgesetzt, wenn das Ausgangssigna! des Verp'eichers 78 zu Null geworden ist. F i g. 3F zeigt ein Ausgangssignal des Vergleichers 84. Der Vergleieher 84 vergleicht d?s Ausgangssignal des Sammlers oder Speichers 80 und eine vorgegebene Spannung F> und erzeugt ein Ausgangssignal. wenndie Spannung des Sammlers 80 größer geworden ist als die Spannung F₂. Infolge dieses Aufbau.», bei dem der Sammler 80 und der Vergleicher 84 angeordnet sind und bei dem der Vergleicher 84 ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Sammlers 80 eine vorgegebene Spannung Fj überschritten hat, selbst wenn irgendeine Störung bei der Wechselstrom-Leistungsquelle 10 auftritt und wenn das Ausgangssignal der Addierschaltung 74 !deiner wird als der vorgegebene Wert Ft für nur eine sehr kurze Zeit, wird der Sammler 80 zurückgesetzt, um zu verhindern, daß der Vereleicher 84 ein Auseanessi-

gnal abgibt, wenn das Ausgangssignal der Addierschallung 74 größer wird als die vorgegebene Spannung Fi, bevor das Ausgangssignal des Speiehers 80 die vorgegebene Spannung /7_> erreicht. Auf diese Weise wird das Absinken der Spannung infolge einer sehr kurzzeitigen Störung nicht als Net/ausfall erfaßt. F i g. JG zeigt ein Ausgangssignal des Impulsgenerator 86. Das Ausgangssignal des Impulsgenerators 86 übertragt Steuerimpulse an die paarweise angeordneten Thyristoren des Gleichrichters 12. /.. B. die Thyristoren 18 und 24 über den Addierer 62 und den Steuersignalverstärker 64. Obwohl hier die paarweise angeordneten Thyristoren 18 und 24 genannt sind, kann jedes andere den Gleichrichter 12 bildende Thyristorpaar verwendet werden. In bestimmten Fälleti können alle Thyristoren leitend gehal- η ten werden. F i g. 3H zeigt die gleichen Ausgangssignale wie F i g. 2F, d. h. die Ausgangssignale des Doppel-lmpüisgcncraiG" 60. F;g. 3j zeig! die Ausgangssignale des Steuersignalverstarkers 64. d. h. die Steuerimpulse der Thyristoren 14, 16. 18, 20, 22 und 24. Im Ruhe/u- >o stand werden die Steuerinipulse, die den Ausgangssignalen des Doppellnipulsgenerators 60 einsprechen, vom Steuerimpulsversiiirker 64 vorgesehen. Andererseits werden, wenn die Net/ausfall-Kiiassiingseinnchtung einen Net/ausfall erfaßt hat und die Impulse des :> Impulsgenerator 46 gemäß F i g. 3G erzeugt sind, die Steuerimpulse zum Zünden der paarweise angeordneten Thyristoren 18 und 24 vom Sieuersignalverstärkcr 64 vorgesehen. *iuf diese Weise läuft Energie der Drossel 28. die infolge des durch die Drossel fließenden jo Stroms gespeichert ist. durch den Wechselrichter 26, den Wechselstrommotor 30, den Wechselrichter 26 und die Thyristoren 18 und 24 des Gleichrichters 12 um. Auf diese Weise kann die in der Drossel 28 gespeicherte Energie selbst dann geleitet oder geführt werden, wenn der Gleichrichter !2 seinen Betrieb beendet und keine Hochspannung zwischen den Gleichstromklemmen des Gleichrichters 12 erzeugt wird. Obwohl bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel der Aufbau derart ist. daß das Signal zum Zünden der paarweise angeordneten Thyristoren 18 und 24 durch den Steuersignalverstärker 64 erzeugt wird, kann auch ein weiterer Steuersignalverstärkcr /usäizlich /um Steuersignalverstärker 64 vorgesehen werden zum Zünden der Thyristoren 18 und 24 durch von beiden Steuersignal verstärkern abgegebe- αί ne Signale.

Fig. 4 /cigi Betriebs-SignalverUiufe im Fall einer Schaltungsanordnung, die in F i g. 1 durch Sirichlinien dargestellt ist. die ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Das Ausfiihrungsbcispiel gemäß w den Strichlinien in F i g. 1 ist derart, daß das Ausgangssignal des dritten Vergleichers 84 dem Ausgangssignal des Vergleichen 56 hinzuaddiert wird und daß der Impulsgenerator 86 und Jer Addierer 62 nicht vorgesehen sind. In F i g. *t bedeuten die gleichen Symbole wie in Fig. 2 äquivalente Signalverläufe. Fig. 4E zeigt ein Ausgangssignal des Vergleichers 84 der Netzausfall-Erfassungseinrichtung bzw. -schaltung. Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 84 vorhanden ist, wird ein Zündsignal zum Zünden der paarweise aisgeordneten wi rhynsloren des Gleichrichters 12. beispielsweise der Ihynstoren 14, 20 und 16, 22. dem Ausgangssignal des Impulsgenerator* 58 hinzugefügt.

Bei einer derartigen Ausbildung bilden wie beim vorherigen Ausführungsbeispiei die Thyristoren des h^r> Gleichrichters 12 die Bypass-Paare beim Vorhandensein des Ausgangssignals vom Vergleicher 84. wodurch es möglich ist. die in der Drossel 28 gespeicherte F.nergie umzuwälzen und die Erzeugung einer Hochspannung zu verhindern.

Wegen des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es möglich, den Netzausfall der Wechsclstrom-Eingangsspannung des Gleichrichters mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen und den oder die Thyristoren des Umlaufkreises der Energie der Drossel zu zünden, wobei zuverlässig verhindert wird, daß eine Hochspannung in dem Stromquellen-Stromrichter erzeugt wird bei einem Netzausfall durch die in der Drossel gespeicherte oder gehaltene Energie.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schutzeinrichtung gegen Überspannungen an der Drossel im Zwischenkreis eines Umrichters, bestehend aus

a) einem von einer Wechselstromquelle gespeisten Gleichrichter mit Thyristoren, der Wechselstrom in Gleichstrom umformt.

b) einem Wechselrichter, der den Gleichstrom des Gleichrichters in einen einer Last zugeführtein Wechselstrom umformt,

c) einem Zwischenkreis mit einer Drossel zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter, .

d) mit einer Steuerschaltung zum Steuern der Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters und der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters miur-ii eines Befehlssignals.

e) mit einer weiteren Steuerschaltung, durch die mindestens einer der Thyristoren zur Bildung eines Umlaufkreises zum Freigeben der in der Drossel gespeicherten Energie durchschaltbar ist,

mit einer Entscheidungsschaltung. die ein Ausgangssignal zur Ansteuerung der weiteren Steuerschaltung abgibt, wenn ein von der Spannung der Wechselstromquelle abhängiges Signal kleiner geworden ist als ein vorgegebener Wen.