DE2924729A1 - Protection circuit for static inverter in converter - has protective thyristor bridging outputs of mains rectifier and turning on when volts on commutating capacitors exceed limit - Google Patents

Protection circuit for static inverter in converter - has protective thyristor bridging outputs of mains rectifier and turning on when volts on commutating capacitors exceed limit

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Abstract

The protection circuit has one or more thyristors (V3) bridging the outputs of the converter's mains rectifier (V1). The gate of the thyristor is connected to a device (E) that produces turn-on pulses when an inadmissibly high voltage appears at the commutating capacitors (C1-C5) between the ac connections of the static inverter. A current limiting resistor (R) is in series with the thyristor. The turn-on pulses for the controlled mains rectifier and for the static inverter (V2) are generated at the same time as the turn-on pulses for the protective thyristor. A fault is indicated when the protective thyristor is turned on and the composite converter is disabled.

Description

Schaltungsanordnung zum Schutz des Wechselrichters inCircuit arrangement for protecting the inverter in

eincm Zwischen'ereisumrichter Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemaß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.eincm Zwischen'ereisumrichter The invention relates to a Circuit arrangement according to the preamble of claim 1.

Ein Zwischenkreisumrichter dieser Art ist aus der Zeitschrift ETZ-A, Band 96 (1975) Heft ii, Seiten 520 bis 523, bekannt.A DC link converter of this type is from the magazine ETZ-A, Volume 96 (1975) No. ii, pages 520 to 523, known.

Dort ruft die Ausgangsspannung des Netzgleichrichters einen Gleichstrom hervor, der durch die Zwischenkreisinduktivität eingeprägt wird und der die Bezugsgröße für alle elektrischen Vorgänge im Umrichter bildet. Der Wechselrichter formt den Zwischenkreisstrom üblicherweise in 1200-Stromblöcke um und führt diese dem angeschlossenen Verbraucher, z.B. einer Asynchronmaschine zu. Durch die Wahl der Zündreihenfolge der Hauptthyristoren des Wechselrichters läßt sich in der Maschine ein rechts- bzw. linkslaufendes Drehfeld erzeugen. Die zum Betrieb des Wechselrichters erforderlichen Kommutierungsspannungen werden von den Kominutierungskondensatoren zur Phasenfolgelöschung zur Verfügung gestellt.There the output voltage of the mains rectifier calls a direct current which is impressed by the DC link inductance and which is the reference variable for all electrical processes in the converter. The inverter forms the Intermediate circuit current usually converts into 1200 current blocks and leads them to the connected Consumer, e.g. an asynchronous machine. By choosing the firing order the main thyristors of the inverter can be clocked or clocked in the machine. Generate counter-clockwise rotating field. The ones required to operate the inverter Commutation voltages are used by the commutation capacitors to cancel the phase sequence made available.

Die Spannungsverläufe im Wechselrichter sind abhängig von der Höhe des Zwischenkreisstromes, der Maschinenspannung, der Umrichterfrequenz und dem Leistungsfaktor der angeschlossenen Maschine. Die Sperrspannung der Wechselrichterthyristoren wird von der Spannung der Kommutierungskondensatoren bestimmt. An den Blockdioden addieren sich im Sperrzustand die Kondensatorspannung und die Klemmenspannung der Maschine. Ihre Sperrspannungsbelastung kann daher, abhängig vom LeistungsfaKtor, bis zum doppelten Wert der Kondensator- bzw. Thyristorspannung ansteigen. Im Nennbetrieb bewegt sich die Kondensatorspannung z.B. bei einer Notorspannung von 380 V in Bereich um -+800 V, so daß im Wechselrichter und besonders an den Blockdioden betriebsmäßig schon relativ hohe Sperrspannungen auftreten, die im generatorischen Betrieb am höchsten sind. Im Störungsfall bilden sich dynamische Spannungsspitzen aus, die sich der betriebsmäßigen Spannung überlagern und unter Umständen die Sperrfähigkeit der Halbleiterventile überschreiten. Als Störungen beim Betrieb des Umrichters, die eine Gefährdung der Blockdioden zur Folge haben können, treten im wesentlichen der Ausfall des speisenden Netzes (1-3phasige Unterbrechung) und das Auslösen der (netzseitigen) Umrichtersicherungen auf.The voltage curves in the inverter depend on the height the intermediate circuit current, the machine voltage, the Converter frequency and the power factor of the connected machine. The reverse voltage of the inverter thyristors is determined by the voltage of the commutation capacitors. On the block diodes In the blocking state, the capacitor voltage and the terminal voltage of the add up Machine. Your reverse voltage load can therefore, depending on the power factor, rise to twice the value of the capacitor or thyristor voltage. In nominal operation the capacitor voltage moves e.g. with a notor voltage of 380 V in the range by - + 800 V, so that operationally in the inverter and especially on the block diodes Relatively high blocking voltages already occur, which in generator operation on are highest. In the event of a fault, dynamic voltage peaks form, which superimpose the operational voltage and, under certain circumstances, the blocking capability of the semiconductor valves exceed. As malfunctions in the operation of the converter, which can endanger the block diodes essentially occur the failure of the feeding network (1-3-phase interruption) and the triggering of the (line-side) converter fuses on.

Fällt während des Betriebes die Speisespannung des Umrichters aus, so wird der Strom in dem Umrichter unterbrochen. An den Induktivitäten (Zwischenkreisinduktivität, Streuinduktivitäten bei einer angeschlossenen Asynchronmaschine) tritt als Folge der Stromänderung (-did/dt) eine Induktionsspannung auf. Diese Spannung fällt am Lichtbogen der Unterbrechungsstelle ab, der die gespeicherte Energie der Induktivitäten auf zehrt, d. h. es findet eine starke Beanspruchung der Schaltkontakte statt. Die in den Streuinduktivitäten induzierte Spannung tritt auch an den parallel dazu liegenden Bauelementen auf. Da die Halbleiter in Sperrichtung beansprucht werden, teilt sich die induzierte Spannung aufgrund der Kapazitätsverhältnisse im Stromkreis auf. Die Blockdioden nehmen wegen ihrer kleinen Beschaltungskapazität fast die gesamte Induktionsspannung auf, so daß die zulässige Sperrspannung überschritten werden kann.If the converter supply voltage fails during operation, so the current in the converter is interrupted. At the inductances (intermediate circuit inductance, Stray inductance in a connected asynchronous machine) occurs as a result the change in current (-did / dt) produces an induction voltage. This tension falls on Arc of the interruption point, which the stored energy consumes the inductances, d. H. the switching contacts are subjected to heavy loads instead of. The voltage induced in the leakage inductance also occurs at the parallel related components. Since the semiconductors are stressed in the reverse direction, the induced voltage is divided due to the capacitance ratios in the circuit on. The block diodes take up almost all of them because of their small wiring capacity Induction voltage on, so that the permissible reverse voltage is exceeded can.

Diese Gefahr besteht besonders im generatorischen Betrieb mit einer Asynchronmaschine, da hier die betriebsmäßige Blockdiodenspannung aufgrund der Phasenlage der Motorspannung ohnehin schon sehr hoch ist.This danger exists especially in generator operation with a Asynchronous machine, because here the operational block diode voltage due to the phase position the motor voltage is already very high.

Ein Störungsfall mit ähnlichen Voraussetzungen wie der Netzausfall ist die Auslösung der (netzseitigen) Umrichtersicherungen. Diese Störungsart ist für die Spannungsbelastung im Wechselrichter noch kritischer, da der Umrichter zum Zeitpunkt der Auslösung einen Strom führt, der ein Vielfaches des Nennstromes beträgt. Dies kann bei einer schlagartigen Belastung der Asynchronmaschine auftreten, bevor die Regler den Last sprung ausregeln.An incident with similar conditions as the power failure is the triggering of the (line-side) converter fuses. This type of malfunction is even more critical for the voltage load in the inverter, since the inverter is used for At the time of tripping, a current is carried that is a multiple of the nominal current. This can occur before a sudden load on the asynchronous machine the controller regulate the load jump.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Zerstörung der Ealbleiterelemente beim Zusammenbruch der Netzspannung zu vermeiden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.The invention is based on the object of a circuit arrangement of the type mentioned above, the destruction of the semiconductor elements in the event of a breakdown the mains voltage. This object is achieved according to the invention solved by the features characterized in claim 1.

Vorteilhafterweise wird die Zerstörung der Halbleiterelemente dadurch vermieden, daß der im Umrichter gespeicherten magnetischen Energie ein Ausgleichsstrompfad zur Verfügung gestellt wird. Aufgrund des Schutzstromkreises tritt bei Störungen an den Induktivitäten nur ein geringes did/dt auf, wodurch sich die Spannungsbelastung der Ealbleiterelereri-e wesent lich verringert und die Gefahr einer Zerstörung ausgeschlossen werden kann. Gleichzeitig wird auch bei einer Auslösung der Umrichtersicherungen der Sicherungslichtbogen abgeschwächt.This advantageously results in the destruction of the semiconductor elements avoided that the magnetic energy stored in the converter has a compensating current path is made available. Due to the protective circuit occurs in the event of malfunctions on the inductances only a low did / dt, which increases the voltage load The Ealbleiterelereri-e significantly reduced and the risk of destruction excluded can be. At the same time, if the converter fuses are triggered the fuse arc weakened.

Eine Möglichkeit, den Ausgleichsstrompfad zu bilden, bietet ein zusätzlicher Thyristor, der parallel zum Ausgang des Netzgleichrichters angeordnet ist. Dieser Thyristor wird im Störungsfall angesteuert und übernimmt den Ausgleichs strom der Umrichter-Induktivitäten.One possibility of creating the equalizing current path is offered by an additional one Thyristor, which is arranged in parallel to the output of the power rectifier. This The thyristor is activated in the event of a fault and takes over the compensating current of the Converter inductors.

Eine zweite Möglichkeit, den Ausgleichsstrompfad im Umrichter zu bilden, ist die gleichzeitige Ansteuerung von zwei Thyristoren des Netzgleichrichters.A second possibility to create the compensating current path in the converter, is the simultaneous control of two thyristors of the mains rectifier.

Es ist vorteilhaft, in dem Stromkreis, der über den parallel zum Netzgleichrichter angeordneten Thyristor zugeschaltet wird, einen Strombegrenzungswiderstand anzuordnen, der die Amplitude des Ausgleichsströms auf einen zulässigen Wert beschränkt und die gespeicherte Energie in Wärme umsetzt. Da der Widerstand nur im Störungsfall eingeschaltet wird, richtet sich seine Verlustleistung nur nach der im Ausgleichsstromkreis umgewandelten Energie, d.h. es kann ein Widerstand kleinerer Leistung eingesetzt werden.It is advantageous in the circuit that runs parallel to the mains rectifier arranged thyristor is switched on to arrange a current limiting resistor, which limits the amplitude of the equalizing current to a permissible value and converts the stored energy into heat. Since the resistance is only available in the event of a fault is turned on, is directed its power dissipation only after the energy converted in the compensation circuit, i.e. a resistance of smaller Performance can be used.

Die Bemessung des Widerstandes R erfolgt nach der Formel: R = Uo Idmax Die Ausgangsspannung Uo des Netzgleichrichters ist durch die Sperrfähigkeit der Thyristoren des Netzgleichrichters gestimmt.Resistance R is dimensioned according to the formula: R = Uo Idmax The output voltage Uo of the power rectifier is due to the blocking capability of the Thyristors of the power rectifier matched.

Idmax ist der maximale Zwischenkreisstrom, der noch kommutiert werden kann, ohne daß die höchstzulässige Sperrspannung der Wechselrichterthyristoren erreicht wird.Idmax is the maximum intermediate circuit current that can still be commutated can without reaching the maximum permissible reverse voltage of the inverter thyristors will.

Wird der Ausgleichsstrompfad über zwei Thyristoren des Netzgleichrichters hergestellt, wird man in der Regel keinen Strombegrenzungswiderstand vorsehen. Aufgrund des fehlenden Widerstandes tritt bei dieser Schaltungsvariante im Störungsfall eine hohe Ausgleichsstromamplitude auf, die ein Vielfaches des Nennstromes beträgt. Es ist daher sehr wichtig, gleichzeitig zur Zündung der beiden Thyristoren eine Sperrung der Wechselrichterzündimpulse einzuleiten, um eine tommutierung dieses hohen Stromes zu verhindern. Außerdem muß bei dieser Schaltung darauf geachtet werden, daß der StoßstrOm-Grenzwert der Thyristoren durch den Ausgleichs strom nicht überschritten wird. Diese Schutzmaßnahme ist daher bei kleineren Leistungen angebracht.The equalizing current path is via two thyristors of the mains rectifier manufactured, one will usually not provide a current limiting resistor. Because of of the missing resistance occurs in this circuit variant in the event of a fault high compensating current amplitude, which is a multiple of the nominal current. It It is therefore very important that the two thyristors are blocked at the same time initiate the inverter ignition pulses in order to mutate this high current to prevent. In addition, care must be taken with this circuit that the The surge current limit value of the thyristors is not exceeded by the compensating current will. This protective measure is therefore appropriate for smaller outputs.

Zur optimalen Funktion der Schutzschaltung ist es notwendig, den Ausgleichsstrompfad so schnell wie möglich nach dem Auftreten einer Störung zu zünden, damit die Spannungs- und Lichtbogenbeanspruchung der Bauelemente gering bleibt.For the protection circuit to function optimally, it is necessary to use the equalizing current path to ignite as soon as possible after the occurrence of a fault, so that the voltage and arcing stress on the components remains low.

Gleichzeitig zur Zündung des Thyristors bzw. der Thyristoren des Ausgleichsstrompfades erfolgt die Einleitung einer çürd impulssperre für die Gleich- und Wechselrichterthyristoren sowie eine Reglersperre und eine Störungsmeldung, die den Umrichter abschaltet. Die Sperrung der Zündimpulse des Wechselrichters unterbindet weitere Kommutierungen, so daß eine Kondensatorüberladung durch evtl. zu hohen Zwischenkreisstrom und damit eine Gefährdung der Weckselrichterthyristoren vermieden wird. Um beim Ausfall nur einer Phase oder beim Wiederkehren der Netzspannung einen Kurzschluß über den Wechselrichter zu verhindern, erfolgt auch eine Sperrung der Gleichrichterzündimpulse.Simultaneously with the ignition of the thyristor or the thyristors of the equalizing current path a çürd pulse block for the rectifier and inverter thyristors is initiated as well as a controller inhibit and a fault message that switches off the converter. The blocking of the ignition pulses of the inverter prevents further commutations, so that a capacitor overcharging by possibly too high intermediate circuit current and thus a risk to the converter thyristors is avoided. To only in case of failure one phase or when the mains voltage returns, a short circuit across the inverter To prevent this, the rectifier ignition pulses are also blocked.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die z.T. vorstehend auch schon erläutert wurden, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention, some of which are also described above have already been explained, are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is illustrated below with reference to one in the drawing Embodiment explained.

Die Zeichnungsfigur zeigt das Prinzipschaltbild eines Umrichters, der durch den Netzgleichrichter vi mit den steuerbaren Thyristoren vii bis V16 6 durch den Gleichstromzwischenkrels mit der den Strom Id einprägenden Zwischenkreisinduktivitätt und durch den Wechselrichter V2 gebildet ist. Der Wechselrichter V2 weist die Hauptthyristoren V21 bis V26 auf. Zur Kommutierung in Phasenfolgelöschung sind über Blockdioden V27 bis V32 Kommutierungskondensatoren C1 bis C6 zwischen die Wechselstromphasenausgänge des Wechselrichters V2 geschaltet. Von dem Wechselrichter V2 wird eine dreiphasige Asynchronmaschine M mit den Streuinduktivitäten Lg gespeist. Der Netzgleichrichter V1 ist über Umrichtersicherungen F1 bis F3 an das speisende Netz R, S, T angeschlossen. Am Ausgang des iber ein Netzschütz K abschaltbaren Netzgleichrichters V1 liegt die Zwischenkreisspannung Uo.The drawing shows the basic circuit diagram of a converter, that through the mains rectifier vi with the controllable thyristors vii to V16 6 through the DC link with the DC link inductance that impresses the current Id and is formed by the inverter V2. The inverter V2 has the main thyristors V21 to V26. For commutation in phase sequence cancellation, block diodes V27 to V32 commutation capacitors C1 to C6 between the AC phase outputs of the inverter V2 switched. The inverter V2 is a three-phase Asynchronous machine M fed with the leakage inductances Lg. The power rectifier V1 is connected to the supply network R, S, T via converter fuses F1 to F3. At the output of the mains rectifier V1, which can be switched off via a mains contactor K, is the DC link voltage Uo.

Der Ausgang des Netzgleichrichters V1 ist durch die Reihenschaltung eines Thyristors V3 mit einem Strombegrenzungswiderstand R überbrückt, so daß für die im Umrichter gespeicherte magnetische Energie über diese beiden Schaltelemente ein Ausgleichsstrompfad gebildet ist. Der Thyristor V3 wird von einer Einrichtung E mit Zündimpulsen beaufschlagt, sobald diese ,-inrichtung E unzulässig hohe Spannungen an den Kozmutierungszonaersatoren C1 bis C6 feststellt. Diese Feststellung kann z.3. orteilhafterweise dadurch geschehen, daß über die Einrichtung E der ein- oder mehrphasige Ausfall des Netzes R, S, T und/oder das Auslösen der Umrichtersicherungen F1 bis F3 erfaßt werden.The output of the power rectifier V1 is through the series connection a thyristor V3 bridged with a current limiting resistor R, so that for the magnetic energy stored in the converter via these two switching elements a compensating current path is formed. The thyristor V3 is from a device Ignition pulses are applied to E as soon as this device E is subjected to impermissibly high voltages detects on the commutation zone batteries C1 to C6. This finding can z.3. Advantageously done by the fact that via the device E the one or polyphase failure of the network R, S, T and / or the triggering of the converter fuses F1 to F3 can be detected.

Bei kleineren Umrichter-Leistungen empfiehlt es sich, anstelle des Thyristors V3 mit dem Strombegrenzungswiderstand R zwei Thyristoren des Netzgleichrichters V1, also z.B. die Thyristoren V11 und V12 zur Bildung des Ausgleichsstrompfades zu verwenden. Zu diese Zweck werden - wie gestrichelt dargestellt - die Steuerelektroden dleser beiden Thyristoren V11 und V12 zusätzlich zur Verbindung mit dem (nicht gezeigten) Zündsteuergerät des Netzgleichrichters mit der Einrichtung E verbunden. Die Thyristoren Vi'\ nd V12 werden dann von der Einrichtung E gezündet, wenn eine Zerstörung der Helbleiter durch überspannungen droht. Gleichzeitig erfolgt e---e Sperrung der betriebsüblichen Zündimpulse für den Wechselrichter und den Netzgleichrichter.For smaller inverter outputs, it is advisable to replace the Thyristor V3 with the current limiting resistor R two thyristors of the mains rectifier V1, e.g. the thyristors V11 and V12 to form the equalizing current path to use. For this purpose - as shown in dashed lines - the control electrodes the two thyristors V11 and V12 in addition to the connection with the (not shown) Mains rectifier ignition controller connected to device E. The thyristors Vi '\ nd V12 are then ignited by device E if the There is a threat of conductor from overvoltages. At the same time, the usual operational blocks are blocked Ignition pulses for the inverter and the line rectifier.

Claims (6)

P a t e n t a n s p r ü c h e Schaltungsanordnung zum Schutz eines steuerbaren Wechselrichters in einem Umrichter, der einen Netzgleichrichter, einen Zwischenkreis mit eingeprägtem Gleichstrom und den Wechselrichter auSweist und bei dem jeweils zwischen die Wechselstromanschlüsse des Wechselrichters über Blockdioden Kommutierungskondensatoren angeschlossen sind dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Netzgleichrichters (V1) mittels eines oder mehrerer Thyristoren (V3; Vii, V12) überbrückbar ist und die Steuerelektrode (n) des Thyristors (V3) bzw. der Thyristoren (v11, V12) mit einer Einrichtung (E) verbunden sind, die Zündimpulse beim Auftreten unzulässig hoher Spannungen an den Komxr1utierungskondensatoren (C1 bis C6) abgibt. P a t e n t a n s p r ü c h e Circuit arrangement for protecting a controllable inverter in a converter, which is a power rectifier, a DC link with impressed direct current and the inverter between the alternating current connections of the inverter via block diodes Commutation capacitors connected are characterized in that the output of the mains rectifier (V1) by means of one or more thyristors (V3; Vii, V12) Can be bridged and the control electrode (s) of the thyristor (V3) or the thyristors (V11, V12) are connected to a device (E), the ignition pulses when they occur emits inadmissibly high voltages on the compression capacitors (C1 to C6). 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Thyristor (V3) ein Strombegrenzungswiderstand (R) geschaltet ist. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a current limiting resistor (R) is connected in series with the thyristor (V3). 3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Zündung des Thyristors (V3) bzw. der Thyristoren (V11, V12) die weiteren Zündimpulse für den steuerb-aren Netzgleichrichter (V1) und den Wechselrichter (V2) gesperrt werden.3. Circuit arrangement according to one of claims i or 2, characterized characterized in that simultaneously with the ignition of the thyristor (V3) or the thyristors (V11, V12) the further ignition pulses for the controllable mains rectifier (V1) and the inverter (V2) are locked. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleich7%eitig mit der id des Thyristors (V3) bzw. der Thyristoren (V11, V12) eine Reglersperre und eine Störungsmeldung vorgesehen sind, durch die der Umrichter abgeschaltet wird.4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that equals 7% with the id of the thyristor (V3) or the thyristors (V11, V12) a controller inhibit and a fault message are provided through which the inverter is switched off. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten unzulässig hoher Spannungen an den Kommutierungskondensatoren (C1 bis C6) durch eine Überwachungseinrichtung auf ein- oder mÅehrphasigen Ausfall des Netzes (R, S, T) oder auf Auslösen von Netzsicherungen (F1 bis F3) des Umrichters erfaßt wird.5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the occurrence of impermissibly high voltages on the commutation capacitors (C1 to C6) by a monitoring device for single or multi-phase failure of the mains (R, S, T) or when mains fuses (F1 to F3) of the inverter have been triggered is detected. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten eines Stromes, der eine unzulässig hohe Spannung an den Kommutierungskondensatoren hervorrufen würde, die Zündimpulse des Wechselrichters (V2) gesperrt werden, der Gleichrichter (vi) in den \jechselricherbetrieb umgesteuert wird und der Thyristor (V3) gezündet wird.6. Circuit arrangement according to claim i, characterized in that when a current occurs that causes an impermissibly high voltage on the commutation capacitors would cause, the ignition pulses of the inverter (V2) are blocked, the Rectifier (vi) is switched over to the inverter operation and the thyristor (V3) is ignited.
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