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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorgabe des
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Kurzschlußstromes eines Thyristor-Stromrichters und daran angepaßten
Einstellung des Kommutierungsstromes in Abhängigkeit von der Belastung durch elektronische
Veränderung der Stromflußzeiten bei den Stromrichterthyristoren. Ferner bezieht
sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Anwendungsgebiete der Erfindung sind Thyristor-Wechselrichter für
die unterbrechungsfreie Stromversorgung, die für bestimmte Verbraucherarten anzuwenden
sind (s. Technische Mitteilungen AEG-Telefunken 68, Heft 3/4, Seiten 94 bis 102).
Bei diesen Wechselrichtern ist der zulässige Verbraucher-Eurzschlußstrom bekanntlich
von der Höhe des Eommutierungsstromes, nämlich von dessen Scheitelwert abhängig,
weil der in den Hauptthyristoren der Wechselrichter fließende Verbraucher-Kurzschlußstrom
kleiner als der Kommutierungsstrom beim Ausschalten der Thyristoren durch Zwangslöschung
sein muß (s. Technische Mitteilung AEG-Telefunken 67, Heft 1, Seiten 61 bis 65).
Zum Beispiel ist bei einem Stromrichter nach McMurray (s. Bedford und Hoft, "Prinziples
of Inverter Circuits" erschienen bei John Wiley & Sons, New York, 1964) das
Verhältnis des Kommutierungsstrommaximums und des höchstzulässigen Kurzschlußstromes
im Hauptthyristor ungefähr 1,5. Ist der Stromrichter für einen Kurzschlußstrom,
der z.B. nur gleich dem 2-fachen Nennstrom ist, ausgelegt, dann wird im Falle eines
Kurzschlusses eine größer als für den 2-fachen Nennstrom bemessene Sicherung, etwa
eine Verbrauchersicherung, nur verzögert oder überhaupt nicht ausgelöst. Meistens
wird daher der Kommutierungsstrom und damit der Kurzschlußstrom abhängig von der
Verbrauchersicherung ausgelegt, soviel größer, daß ein Mehrfaches des Nennstromes
als Kurzschlußstrom kommutiert werden kann, was den Nachteil mit sich bringt, daß
ein im Normalbetrieb des Stromrichters dauernd fließender hoher Kommutierungsstrom
bedeutend mehr Verluste und
somit auch eine Verschlechterung des
irkungsgrades verursacht. Es muß dabei für einen verhältnismäßig selten vorkommenden
Verbraucherkurzschluß ständig ein hoher Kommutierungsstrom vorgehalten bzw. beibehalten
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Betriebsverfahren zur Vorgabe des
Kurzschlußstromes und daran angepaßten Einstellung des Kommutierungsstromes, wie
eingangs erläutert, anzugeben, das bei allen Stromrichteranwendungen und Verbrauchern,
die keine Schnellauslösung der Sicherungen erfordern und eine begrenzte Auslösungszeit
zulassen, mit geringen Verlusten in der Stromrichterschaltung durchzuführen ist.
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Ein solches Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß der Kommutierungsstrom
steuerbar oder regelbar ist und während des Normalbetriebes des Stromrichters ein
Kommutierungsstrom und ein niederer erster Kurzschlußstrom-Sollwert vorgegeben werden,
wobei die Löschkondensatoren des Stromrichters jeweils auf eine entsprechende, jedoch
hinreichend hohe Kommutierungsspannung geladen werden, und daß im Falle eines Kurzschlusses
der Kommutierungsstrom des Stromrichters auf einen vorgegebenen hohen Wert und danach
der Kurzschlußstrom auf einen hohen zweiten vorgegebenen Sollwert für die Auslösung
von Verbrauchersicherungen eingestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit Hilfe einer den zur Anwendung
in Betracht kommenden Stromrichtern zugeordneten elektronischen Einrichtung, die
einen Kurzschlußstromregler, einen Kommutierungsstromregler und einen den Thyristoren
des Stromrichters zugeordneten Steuerimpulsgeber, ferner ein Eurzschlußerfassungsglied
sowie ein mittels eines die Höhe der Gleichspannung des Stromrichters erfassenden
Wandlers WeinfluBten, den Zündzeitpunkt der Hauptthyristoren des Stromrichters während
der Kommutierung verändernden Zeitstellglied enthält, einer
Ausbildung
der Erfindung entsprechend in der reise durchführbar, daß mittels des Kurzschlußstromreglers
und des Kommutierungsstromreglers mit Hilfe eines elektronisch umschaltbaren Kurzschlußstrom-Sollwertgebers
während des Normalbetriebs des Stromrichters ein niederer erster Sollwert des Kurzschlußstromes
und ein entsprechend niederer Kommutierungsstrom vorgegeben werden, und daß vom
Zeitpunkt der Erfassung eines Kurzschlusses anlder der Kurzschlußstrom mittels des
Kurzschlußstromreglers auf dem Sollwert begrenzt wird und mittels des durch ein
Signal der Kurzschlußerfassung aktivierten Zeitstellgliedes die Zündzeitpunkte der
Stromrichter-Hauptthyristoren, die vor jeweils einer Kommutierung nicht stromleitend
sind, für eine gewünschte Aufladung jeweils eines der Kommutierungskondensatoren
soweit vorverlegt werden, bis der oder die Löschkondensatoren des Stromrichters
auf eine vorgegebene hohe Kommutierungsspannung nachgeladen sind und ein entsprechend
hoher Kommutierungsstrom eingestellt ist, alsdann der Kurzschlußstrom-Sollwertgeber
auf Vorgabe eines dieser Kommutierungsspannung entsprechenden hohen zweiten Sollwertes
umgeschaltet wird, dieser Sollwert wie auch der Zündzeitpunkt eine vorgegebene Zeit
lang odertis zur Aufhebung des Kurzschlusses festgelegt bleiben und dabei der Kurzschlußstrom
auf dem hohen Sollwert begrenzt wird.
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Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist für die
einem Stromrichter zugeordnete Einrichtung, die die erwähnten Bestandteile bereits
enthält, lediglich ein elektronisch umschaltbarer Kurzschlußstrom-Sollwertgeber
vorzusehen. Der Einbau des Sollwertgebers in die Einrichtung ist gerätetechnisch
ohne Schwierigkeiten möglich. Der Kurzschlußstrom-Sollwertgeber ist ausgangsseitig
mit dem Sollwert-Eingang des Kurzschlußstromreglers zu verbinden.
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Eingangsseitig ist der Sollwert geber - weiteren Ausgestaltungen
der
Erfindung entsprechend - entweder mit dem Ausgang des Kurzschlußstromerfassungsgliedes
gli ede s und zugleich mit dem Eingang des Zeitstellgliedes zu verbinden, so daß
der Kurzschlußstrom-Sollwertregler vom Beginn eines Signals der Kurzschlußerfassung
an mit einer einstellbaren Verzögerung auf Vorgabe eines hohen Sollwertes umschaltbar
ist, oder es ist der Kurzschlußstrom-Sollwertgeber eingangsseitig mit dem Ausgang
des Zeitstellgliedes zu verbinden, so daß er beim Beginn der Festlegung der erwähnten
Zündzeitpunkte auf Vorgabe eines hohen Sollwertes umschaltbar ist.
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Bei erfindungsgemäß betriebenen Umformern als Wechselrichter fallen
im Normalbetrieb infolge des verringerten Kommutierungsstromes nur geringe elektrische
Verluste an, und es wird auch der Betriebs lauf entsprechend geräuscharm; ferner
wird die elektrische Belastung der Bauelemente des statischen Umformers, insbesondere
Drosseln und Halbleiterbauelemente, entsprechend gering.
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Einr besonderen Ausbildung der Erfindung entspricht es, wenn während
der Normalstromversorgung der Verbraucher der statische Umformer im Wechselrichterbetrieb
nicht belastet wird, sich somit im Leerlaufbetrieb befindet, daß in Abhängigkeit
vom Leerlauf-Wechselstrom ein minimaler Kurzschlußstrom-Sollwert vorgegeben wird
und zugleich mit Hilfe des Zeitstellgliedes in Abhängigkeit von der Steuerung des
statischen Umformers der Kommutierungsstrom auf einen Minimalwert eingestellt wird.
Die bereits ohnedies geringen elektrischen Verluste werden somit vernachlässigbar
klein.
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Der Kommutierungsstrom des statischen Umformers ist, des weiteren
erfindungsgemäß, einmal durch Steuerung einstellbar, indem im Normalbetrieb des
statischen Umformers der Kommutierungsstrom mit Hilfe des Zeitstellgliedes durch
eine Störgrößenaufschaltung
der Gleichspannung des statischen Umformers
über den Wandler (unabhängig von der Vorgabe eines Kurzschlußstromun wertes auf
einen von der Gleichspannung abhängigen konstanten Wert eingestellt wird; oder es
ist der Kommutierungsstrom durch einen Regelvorgang mit Hilfe einer Einrichtung
einzustellen, die einen Regelkreis mit einem Kommutierungsstromregler, einem Zeitstellglied,
ferner den Steuerimpulsgeber enthält, bei welchem Regelkreis dem Kommutierungsstromregler
der Istwert des Kommutierungsstromes zugeführt ist und ein aufbereiteter Sollwert
intern vorgegeben wird.
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Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt Figur 1 das Blockschaltbild
einer Einrichtung zur Vorgabe und Begrenzung des Kurzschlußstromes und Einstellung
des Kommutierungsstromes eines Einphasenstromrichters mit Thyristoren nach Fig.
3, Figur 2 Betriebsdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Verfahrens gemäß
der Erfindung mit a) dem zeitlichen Verlauf des Betriebs- und des Kurzschlußstromes
c) den zeitlichen Verlauf der Kommutierungsspannung bei einem Löschkondensator eines
Thyristor-Stromrichters Figur 3 die Schaltung eines Einphasenwechselrichters mit
Thyristoren als Stromrichterschaltung nach McMurray.
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Ein Vergleich der Figuren 1 und 3 läßt die Zuordnung einer Einrichtung,
die in der Steuereinheit St eines Einphasen-Wechselrichters enthalten ist, zu diesem
Wechselrichter erkennen. Der Einphasenwechselrichter nach Figur 3 besteht aus zwei
sogenannten Stromwidersätzen WR und WR', die gleichstromseitig-parallelgeschaltet
und
wechselstromseitig über einen Transformator in Reihe geschaltet sind. Dem Transformator
kann eine Siebkette nachzeordnet sein. Die je zwei Hauptthyristoren V1, V2 und V1,
V2, der Stromrichtersätze sind durch Schwingkreislöschung mit einem Löschkondensator
C und C' mittels ,jeweils eines Löschthyristors V V4 und V3, V4 einzeln zwangsgelöscht.
Die Stromrichtersätze sind zu einem Wechselrichter TJRS in einer Baueinheit vereint,
sie könnten gegeneinander phasenverschoben gesteuert oder gepulst sein. Entsprechend
können auch Drehstromrichter sowie auch Stromrichter mit nur einem oder mehr als
zwei Sätzen ausgeführt sein.
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Die Steuereinheit St enthält nach Fig. 1 einen den insgesamt 5 Thyristoren
des Einphasenwechselrichters WR, WR' zugeordneten Steuerimpulsgeber 1 mit einem
Kurzschlußstromregler 2 und einem Kommutierungsstromregler 2'. Ferner enthält die
Steuereinheit Erfassungs glieder 4 und 5 und ein Zeitstellglied 3 für die bteuerimnulse
der vier Hauptthyristoren V1, V2, V;, V2, des Einphasenwechselrichters. Der Ausgang
des Zeitstellgliedes ist mit einem Eingang des Steuerimpulsgebers 1 verbunden. Die
Erfassungsglieder sind ein Kurzschlußerfassungsglied 4 und ein die Höhe der Gleichspannung
UD des Einphasenwechselrichters erfassender wandler 5, dessen Ausgang mit einem
Eingang des Zeitstellgliedes 3 verbunden ist. Die Einstellung der Phasenlae der
Steuerimpulse wird von der Höhe der Gleichspannung UD, die schwankend sein kann,
beeinflußt und kann im rücksteuerndon Sinne beeinflußt werden. Mit dem Kurzschlußerfassungsglied
4 wird der Wechselrichterstrom iWR hinter der Siebkette des Wechselrichters oder
direkt am 'Vechselrichterausgang erfaßt, außerdem wird iwR für den Kurzschlußstromregler
2 erfaßt und dem Istwert-Eingang des Reglers 2 zugeführt.
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In der Steuereinheit St bilden die insoweit beschriebenen Bestandteile
1 bis 5 eine Einrichtung zur Vorgabe und Begrenzung
des Kurzschlußstromes,
sowie zur Einstellung des Kommutierungsstromes Ie, im besonderen hier eines Einphasenwechselrichters
nach der Höhe der eingangs erwähnten Kommutierungsspannung, das ist die Spannung,
auf die die Löschkondensatoren C und C' bei jedem Kommutierungsvorgang geladen werden.
Die Kurzschlußstrombegrenzung und die Vorgabe geschehen elektronisch durch Veränderung
der Stromflußzeiten (Blockbreiten) der Hauptthyristoren des Wechselrichters mittels
des Kurzschlußstromreglers 2 und des Steuerimpulsgebers 1. Bisher wurde dem Regler
während des Betriebs eines Wechselrichters ein fester Sollwert des Kurzschlußstromes,
der Höhe der maximal erforderlichen Kommutierungsspannung UCO entsprechend ständig
vorgegeben. Dieser Wert kann abhängig von der Dimensionierung des Wechselrichters
hoch gewählt und vorgegeben werden, die elektrischen Verluste im Zechseirichter
sind dann aber entsprechend groß.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen während des Normalbetriebs
ein niederer erster Kurzschlußstrom-Sollwert iK1 vorgegeben, wobei die Kommutierungsspannung
UGo und der Kommutierungsstrom IC entsprechend niedrig mittels des Zeitstellgliedes
3 eingestellt sind. Nur im Falle eines Eurzschlusses wird UcO auf einen*hohen zweiten
Sollwert iK2 gebracht und bei diesem konstant gehalten, ferner wird ein entsprechend
höherer Kommutierungsstrom eingestellt, bis der Kurzschluß aufgehoben oder z.B.
die Verbrauchersicherung ausgelöst wird.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens ist für die oben beschriebene Einrichtung
lediglich ein dem Kurzschlußstromregler 2 zuzuordnender Rurzschlußstrom-Sollwertgeber
21, der zwischen einem niederen Sollwert iE1 und einem hohen Sollwert iK2 elektronisch
umschaltbar ist, erforderlich. Nach Fig. 1 wird der Ausgang von 21 mit dem Sollwert-Eingang
des Kurzschlußstromreglers 2 verbunden und der Eingang von 21 wird mit dem Ausgang
des Kurzschlußerfassungsgliedes 4 verbunden, der auch mit einem zweiten Eingang
des ZeitstellLedes 3 verbunden wird.
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* Wert UCO1 entsprechend dem
Wenn sich ein Kurzschluß
ausgebildet hat, entsteht am Ausgang des Erfassungsgliedes 4 ein konstantbleibendes
Spannungssignal S4, wodurch das Zeitstellglied 3 angesteuert und derart aktiviert
wird, daß der Zündzeitpunkt desjenigen Hauptthyristors, z.B. V2 des Wechselrichtersatzes
WR, der vor jeder Kommutierung des Hauptthyristors V1 nicht stromleitend ist, zeitlich
stetig vorverlegt wird, und damit der Löschkondensator C auf die vorgesehene höhere
Kommutierungsspannung UCO2 aufgeladen wird. Je früher der Zündzeitpunkt eingestellt
wird, desto höher wird der Löschkondensator geladen. Dauert das Signal S4 weiterhin
an, so bleibt der Zündzeitpunkt festgelegt und die erreichte Höhe U002 der Kommutierungsspannung
sowie auch der Kojnmutierungsstrom bleiben konstant. Wenn diese Höhe erstmals bei
einer Kommutierung erreicht ist, wird der Kurzschlußstrom-Sollwertgeber 21 auf die
Vorgabe des hohen zweiten Sollwertes iK2 umgeschaltet. Dann wird iK2 SO lange vorgegeben,
bis der Kurzschluß aufgehoben oder die Sicherung ausgelöst wird. Alsdann folgt,
vom Ende des Signals S4 gesteuert, die Rückumschaltung auf die Vorgabe des niederen
ersten Sollwertes iK1. Die erste Umschaltung kann einmal mittels eines dem Sollwertgeber
21 zugeordneten Zeitschalters z.B. einer monostabilen Kippstufe, bewirkt werden,
so daß beim Auftreten des Signals S4 der Zeitgang einer hinreichenden Zeitspanne
s.t in Lauf gesetzt und am Ende dieser Zeitspanne umgeschaltet wird. dt ist so hinreichend
lang zu bemessen, daß die Sollwertvorgabe nicht umgeschaltet wird, bevor die Nachladung
der Löschkondensatoren auf den hohen Spannungswert Uao2beendet ist. Die Umschaltung
kann auch durch die Verbindung des Eingangs des Sollwertgebers 21 mit dem Ausgang
des Zeitstellgliedes 3 (anstelle mit dem Ausgang des Kurzschlußerfassungsgliedes
4) bewirkt werden. Sie wird in diesem Falle in dem Zeitpunkt gesteuert, von welchem
an der Zündzeitpunkt festliegt.
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In Fig. 2 ist der Vorgang der Kurzschlußstrombegrenzung am
zeitlichen
Verlauf des Wechselrichterstromes iWR (Diagramm a), des Kurzschlußerfassungssignals
54 (Diagramm b), der Eommutierungsspannung Uc (Diagramm c) und des Kurzschlußstrom-Sollwertes
iK (Diagramm d) dargestellt. Der Verlauf des Kommutierungsstromes IC ist dem Verlauf
der Kommutierungsspannung ähnlich. Im Zeitpunkt t1 tritt ein Kurzschluß in einem
Verbrauchern des Einphasen-Wechselrichters nach Fig. 3 auf. Vor dem Kurzschluß fließt
im Normalbetrieb der Wechselrichterstrom iwRN, wobei ein Kurzschluß-Sollwert iK1
vor gegeben wird; die Kommutierungsspannung Uc hat eine konstante Amplitude UC01.
Im Zeitpunkt t2 wird der Kurzschluß erfaßt. Durch das Zeitstellglied wird nun der
Zündzeitpunkt der Bauptthyristoren des Wechselrichters zeitlich vorverlegt, wodurch
die Löschkondensatoren entsprechend höher nachgeladen und die Amplitude UCO der
Kommutierungsspannung mit jeder Halbschwingung größer wird. Im Zeitpunkt t3 wird
der Endwert UCO2 erreicht. Währenddessen wird der Wechselrichterstrom auf dem normal
vorgegebenen Kurzschluß-Sollwert iK1 begrenzt. Erstmals im Zeitpunkt t3 erreicht
die Kommutierungsspannung den hohen Amplitudenwert U002 und wird konstant, wodurch
der Sollwertgeber 21 auf Vorgabe eines hohen zweiten Sollwertes K2 des Kurzschlußstromes
umgeschaltet wird.
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Dann wird der Wechselrichterstrom auf dem hohen Wert iK2 beheizt,
bis im Zeitpunkt t4 der Kurzschluß aufgehoben und im Zeitpunkt t5 das Signal S4
beendet wird, wo die Rückumschaltung der Sollwertvorgabe auf iK1 gesteuert wird.
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Der Stromrichter bzw. Wechselrichter ist immer für den höheren (zweiten)
Kurzschlußstrom (ich2) auszulegen, insbesondere die Kommutierungsstromkreise auch
für die höchste Kommutierungsspannung Uco2 und den entsprechenden Kommutierungsstrom
während der Kurzschlußzeit.
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Es wurde oben bereits erwähnt, daß der Kommutierungsstrom IC unabhängig
vom Kurzschlußstrom steuerbar oder regelbar ist.
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Gesteuert werden kann IC durch eine Störgrößenaufschåltung des echselrichterstromes
iWRs entweder über das Erfassungsglied 4 und das Zeitstellglied 3 zum Regler 2',
oder der Gleichspannung UD des Strom- oder Wechselrichters über das Erfassungsglied
5 und 3 zum Regler 2'. Geregelt hingegen wird IC z.B.
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durch Aufbereitung eines Ic-Sollwertes durch die Aufschaltung des
Wechselrichterstromes iWRS und Zuführung dieses Sollwertes und des Istwertes des
Kommutierungsstromes zu einem zweiten Eingang des Reglers 2' (Fig. 1). Die Auf schaltung
von i.RS und sowie die Zuführung des Istwertes von IC kann nach Figur 3 über die
Steuereinheit St geschehen. Schließlich kann (wiederum Fig. 1) dem Sollwertgeber
21 und dem Zeitstellgied 3n je einem zweiten Eingang derselben ein dritter Sollwert
iKo des Kurzschlußstromes bzw. ein angepaßter Wert ICo des Kommutierungsstromes
zugleich vorgegeben werden, die in Relation zum Leerlaufstrom i;o des Wechselrichters
stehen, um wie oben erwähnt, im Leerlaufbetrieb elektrische Verluste zu vermeiden.