DE2924729C2 - Circuit arrangement for protecting the inverter in a DC link converter - Google Patents
Circuit arrangement for protecting the inverter in a DC link converterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.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 11, Seiten 520 bis 523, bekannt. 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 120°-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 Kommutierungskondensatoren zur Phasenfolgelösung zur Verfügung gestellt.A DC link converter of this type is from the magazine ETZ-A, Volume 96 (1975) Issue 11, pages 520 to 523, known. There, the output voltage of the power rectifier causes a direct current to flow through the DC link inductance is impressed and the reference value for all electrical processes in the converter forms. The inverter usually converts the intermediate circuit current into 120 ° current blocks and leads this to the connected consumer, e.g. B. an asynchronous machine. By choosing the firing order of the main thyristors of the inverter can be turned right or left in the machine Generate rotating field. The commutation voltages required to operate the inverter are provided by the commutation capacitors for phase sequence solution.
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. Thyristor spannung ansteigen. Im Nennbetrieb bewegt sich die Kondensatorspannung z. B. bei einer Motorspannung von 380 V im 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 Halbleiterventil.; 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 level of the intermediate circuit current, the Machine voltage, the converter frequency and the power factor of the connected machine. the The reverse voltage of the inverter thyristors is determined by the voltage of the commutation capacitors In the blocking state, the capacitor voltage and the terminal voltage are added to the block diodes the machine. Your reverse voltage load can therefore, depending on the power factor, up to double the value of the capacitor or thyristor voltage. The capacitor voltage moves in nominal operation z. B. at a motor voltage of 380 V in the range of ± 800 V, so that in the inverter and relatively high reverse voltages occur during operation, especially at the block diodes, which are generated in the generator mode Operation are highest. In the event of a fault, dynamic voltage peaks form, which the superimpose operational voltage and, under certain circumstances, the blocking capability of the semiconductor valve .; exceed. As malfunctions in the operation of the converter, which endanger the block diodes can occur, essentially the failure of the feeding Mains (1 - 3-phase interruption) and the triggering of the (mains-side) converter fuses.
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 Unterbrechungsstel-Ie ab, der die gespeicherte Energie der Induktivitäten aufzehrt, 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 Kapazitätsverhältnissc im Stromkreis auf. Die Blockdioden nehmen wegen ihrer kleinen Bcschaltungskapazitäc fast C'.t gesamte Induktionsspannung auf. so daß die zulässige Sperrspannung überschritten werden kann. 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.If the converter supply voltage fails during operation, the current in the converter is interrupted. An induction voltage occurs at the inductances (intermediate circuit inductance, leakage inductances in a connected asynchronous machine) as a result of the change in current (—did / dt). This voltage drops at the arc at the point of interruption, which consumes the stored energy of the inductances, ie the switching contacts are subjected to high stress. The voltage induced in the leakage inductances also occurs on the parallel components. Since the semiconductors are stressed in the reverse direction, the induced voltage is divided due to the capacitance ratio in the circuit. Because of their small circuit capacitance, the block diodes absorb almost C'.t of the entire induction voltage. so that the permissible reverse voltage can be exceeded. This risk exists particularly in generator operation with an asynchronous machine, since the operational block diode voltage is already very high here due to the phase position of the motor voltage.
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 einenA fault with similar conditions as a 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 the inverter switches on at the time of tripping
so Strom führt, der ein Vielfaches des Nennstromes betragt Dies kann bei einer schlagartigen Belastung der
Asynchronmaschine auftreten, bevor die Regler den Lastsprung ausregeln.
In der Siemens-Zeitschrift 37 (1963), Seite 660 bis 663 ist ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung
beschrieben, bei dem die Spannung an den Löschthyristoren der Kommutierungsschaltung
durch Begrenzungsthyristoren, denen Kommutierungsdrosseln vorgeschaltet sind, begrenzt wird. Die Begren-
zungsthyristoren müssen vorhanden sein, weil sich sonst während des ungestörten Betriebes die Spannung der
Kommutierungskondensatoren auf unzulässig hohe Werte aufschaukelt Die den Begrenzungsthyristoren
notwendigerweise vorgeschaltete Kommutierungsdrossei kann Energie nur zwischenspeichern, um sie dann in
die Last oder in den Zwischenkreiskondensator zu entladen. Die betriebsmäßig notwendige Begrcnzungsschaltung
ist mithin wenig geeignet, Schaden bei denso conducts current that is a multiple of the nominal current. This can occur in the event of a sudden load on the asynchronous machine before the controller regulates the load jump.
In Siemens-Zeitschrift 37 (1963), pages 660 to 663, an intermediate circuit converter with an impressed intermediate circuit voltage is described in which the voltage at the quenching thyristors of the commutation circuit is limited by limiting thyristors which are preceded by commutating chokes. The limiting thyristors must be present because otherwise the voltage of the commutation capacitors will rise to impermissibly high values during normal operation. The operationally necessary limiting circuit is therefore not very suitable to damage the
weiter oben geschilderten außergewöhnlichen Störungsfällen abzuwenden.the extraordinary malfunctions described above avert.
Durch die DE-AS 15 13 518 ist eine Schutzschaltung bei einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom bekannt, bei der zur Vermeidung gefährlicher, betriebsmäßig von den Kommutierungskondensatoren herrührender Überspannungen an den Thyristoren des Wechselrichters an dessen Gleichstrom-Eingangsklemmen eine in Sperrichtung des Gleichstromes gepolte Oberbrückungsdiode (nach Art einer Freilaufdiode) vorgesehen ist. Eine derartige Überbrückungsdiode ist jedoch nur bei motorischem Betrieb der an den Wechselrichter angeschlossenen -Maschine einsetzbar, während die Überbrückungsdiode bei generatorischem Betrieb einen Kurzschluß herbeiführt Darüber hinaus bleibt bei einer netzseitigen Unterbrechung der Spannungsversorgung die in den Zwischenkreisinduktivitäten gespeicherte Energie für den Schutz unberücksichtigt By DE-AS 15 13 518 a protective circuit in a DC link converter is stamped with Known current, in order to avoid dangerous, operationally of the commutation capacitors resulting overvoltages on the thyristors of the inverter at its DC input terminals a bridging diode polarized in the reverse direction of the direct current (like a freewheeling diode) is provided. One such bypass diode is but can only be used when the machine connected to the inverter is powered by a motor, while In addition, the bypass diode causes a short circuit during generator operation In the event of a line-side interruption of the voltage supply, the inductance in the DC link remains stored energy not taken into account for protection
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Zerstörung der Halbleiterelemente beim Zusammenbruch der Netzspannung zu vermeiden.The invention is based on the object in a circuit arrangement of the type mentioned Avoid destroying the semiconductor elements when the mains voltage breaks down.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention 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 — d/ydf auf, wodurch sich die Spannungsbelastung der Halbleiterelemente wesentlich verringert und die Gefahr einer Zerstörung ausgeschlossen werden kann. Gleichzeitig wird auch bei einer Auslösung der Umrichtersicherungen der Sicherungslichtbogen abgeschwächt The destruction of the semiconductor elements is advantageously avoided in that the in the converter stored magnetic energy a compensating current path is made available. Because of the Protection circuit occurs only a small - d / ydf in the event of disturbances in the inductances, which means that the The voltage load on the semiconductor elements is significantly reduced and the risk of destruction is eliminated can be. At the same time, the safety arc is weakened if the converter fuses are triggered
Eine Möglichkeit den Ausgleichsstrompfad zu bilden, bietet ein zusätzlicher Thyristor, der parallel zum Ausgang des Netz jleichrichters angeordnet ist Dieser Thyristor wird im Störungsfall angesteuert und übernimmt den Ausgleichsstrom der Umrichter-Induktivitäten.An additional thyristor, which is parallel to the output, offers one possibility to create the equalizing current path The power rectifier is arranged. This thyristor is activated and takes over in the event of a fault the equalizing current of the converter inductances.
Eine zweite Möglichkeit, den Ausgleichsstrompfad im Umrichter zu bilden, ist die gleichzeitige Ansteuerung von zwei Thyristoren des Netzgleichrichters.A second possibility of creating the compensating current path in the converter is simultaneous control of two thyristors of the power rectifier.
Es ist vorteilhaft, in dem Stromkr-iis, der über den parallel zum Netzgleichrichter angeordneten Thyristor zugeschaltet wird, einen Strombegrenzungswiderstand anzuordnen, der die Amplitude des Ausgleichsstroms auf einen zuverlässigen Wet beschränkt und die gespeicherte Energie in Wärme umsetzt. Da der Widerstand nur im Störu.igsfall 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 to be in the current crisis that flows through the parallel to the power rectifier arranged thyristor is switched on, a current limiting resistor to arrange, which limits the amplitude of the equalizing current to a reliable Wet and the stored Converts energy into heat. Since the resistor is only switched on in the event of a fault, it is directed Power loss only according to the energy converted in the compensation circuit, d. H. it can be a drag lower power can be used.
Die Bemessung des Widerstandes R erfolgt nach der Formel:The resistance R is dimensioned according to the formula:
Die Ausgangsspannung Uo des Netzgleichrichters ist durch die Sperrfähigkeit der Thyristoren des Netzgleichrichters gestimmt. Idmdx ist der maximale Zwischenkreisstrom, d^r noch kommutiert werden kann, ohne daß die höchs'zulässigc Sperrspannung der Wechselrichterihyristorc'i erreicht wird.The output voltage Uo of the mains rectifier is tuned by the blocking capability of the thyristors of the mains rectifier. Idmdx is the maximum intermediate circuit current that can still be commutated without the highest permissible reverse voltage of the inverter thyristors being reached.
Wird der Ausgle»chsstrompfati über zwei Thyristoren des Nctzgleichrich'crs 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 Nenns stromes beträgt Es ist daher sehr wichtig, gleichzeitig zur Zündung der beiden Thyristoren eine Sperrung der Wechselrichterzündimpulse einzuleiten, um eine Kommutierung dieses hohen Stromes zu verhindern. Außerdem muß bei dieser Schaltung darauf geachtet werden,The compensation current is made via two thyristors of the equilibrium rectifier, one is as a rule do not provide a current limiting resistor. Due to the lack of resistance, this occurs Circuit variant in the event of a fault has a high equalizing current amplitude that is a multiple of the nominal value It is therefore very important to block the two thyristors at the same time Initiate inverter ignition pulses to prevent commutation of this high current. aside from that Care must be taken with this circuit that
ίο daß der Stoßstrom-Grenzwert der Thyristoren durch
den Ausgleichsstrom nicht überschritten wird. Diese Schutzmaßnahme ist daher bei kleineren Leistungen angebracht
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.ίο that the surge current limit value of the thyristors is not exceeded by the compensating current. This protective measure is therefore appropriate for smaller outputs
For the protective circuit to function optimally, it is necessary to ignite the equalizing current path as soon as possible after a fault occurs, so that the voltage and arc stress on the components remains low.
Gleichzeitig zur Zündung des Thyristors bzw. der Thyristoren des Ausgleichsstrompfadc. srfolgt die Einleitung einer Zündimpulssperre 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 Wechselrichterthyristoren vermieden wird. Um beim Ausfall nur einer Phase oder beim Wiederkehren eier 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 compensation current pathc. The introduction follows an ignition pulse lock for the rectifier and inverter thyristors as well as a controller lock and a fault message that switches off the inverter. The blocking of the inverter ignition pulses prevents further commutations, so that a capacitor overcharging due to a possible high intermediate circuit current and thus a risk to the inverter thyristors is avoided. To only in case of failure one phase or when the mains voltage returns to prevent a short circuit across the inverter, the rectifier ignition pulses are also blocked.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die z. T. vorstehend auch schon erläutert wurden, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnetAdvantageous developments of the invention, the z. T. have already been explained above, are in the Characterized subclaims
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in derThe invention is based on one in the
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert Die Zeichnungsfigur zeigt das Prinzipschaltbild einesThe drawing shows the basic circuit diagram of an exemplary embodiment shown in the drawing
Umrichters, der durch den Netzgleichrichter Vl mit den steuerbaren Thyristoren VtI bis V16 durch den Gleichstromzwischenkreis mit der den Strom Id einprägenden Zwischenkreisinduktivität L 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 Cl bis C 6 zwischen die Wechselstromphasenausgänge des Wechselrichters V2 geschaltet. Von dem Wechselrichter V2 wird eine dreiphasige Asynchronmaschine Mmit den Streuinduktivitä'en La gespeist. Der Netzgleichrichter Vl ist über Umrichtersicherungen Fi bis F3 an das speisende Netz R, S, Tangeschlossen. Am Ausgang de;, über ein Netzschütz K abschaltbaren Netzgleichrichters Vl liegt die Zwischenkreisspannung Uo. Converter, which is formed by the mains rectifier Vl with the controllable thyristors VTi to V 16 by the DC intermediate circuit with the current Id einprägenden intermediate-L and by the inverter V2 is the inverter V2, the main thyristors V21 to V26 on. For commutation in phase sequence deletion, commutation capacitors C1 to C6 are connected between the AC phase outputs of the inverter V2 via block diodes V27 to V32. A three-phase asynchronous machine M with the leakage inductances La is fed by the inverter V2. The line rectifier Vl is connected to the feeding network R, S, T via converter fuses Fi to F3. At the output de ;, a line contactor K disconnectable power rectifier Vl is the intermediate circuit 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 Vl wird von einer Einrichtung E
mit Zündimpulsen beaufschlagt, sobald diese Einrichtung £ unzulässig hohe Spannungen an den Kommutierungskondensatoren
Cl bis C6 feststellt. Diese Feststellung kann z. B. v< rteilhafterweise dadurch geschehen,
daß über die Einrichtung £der ein- oder mehrphasige Ausfall des Netzes R, S, T und/oder das Auslösen
der Umrichtersicherungen Fl bis F3 erfaßt werden.
Bei kleineren Umrichter-Leistungen empfiehlt es sich,The output of the mains rectifier V1 is bridged by the series connection of a thyristor V3 with a current limiting resistor R , so that a compensating current path is formed for the magnetic energy stored in the converter via these two switching elements. The thyristor Vl is acted upon by a device E with ignition pulses as soon as this device £ detects impermissibly high voltages on the commutation capacitors C1 to C6. This finding can e.g. B. <v rteilhafterweise characterized happen that are detected on the establishment of £ mono- or polyphasic failure of the network R, S, T and / or the triggering of the Umrichtersicherungen Fl to F3.
For smaller converter outputs, it is advisable to
ansteile des Thyristors V3 mit dem Strombegrenzungswiderstand R zwei Thyristoren des Netzgleichrichters Vi, also z. B. die Thyristoren VIl und V12 zur Bildung des Ausgleichsstrompfades zu verwenden. Zu diesem Zweck werden — wie gestrichelt dargestellt — die Steuerelektroden dieser beiden Thyristoren VU und V12 zusätzlich zur Verbindung mit dem (nicht gezeigten) Zündsteuergerät des Netzgleichrichters mit der Einrichtung E verbunden. Die Thyristoren VIl und V12 werden dann von der Einrichtung E gezündet, to wenn eine Zerstörung der Halbleiter durch Überspannungen droht. Gleichzeitig erfolgt eine Sperrung der betriebsüblichen Zündimpulse für den Wechselrichter und den Netzgleichrichter.share of the thyristor V3 with the current limiting resistor R two thyristors of the power rectifier Vi, so z. B. to use the thyristors VIl and V12 to form the equalizing current path. For this purpose - as shown in dashed lines - the control electrodes of these two thyristors VU and V12 are connected to the device E in addition to the connection to the ignition control device (not shown) of the mains rectifier. The thyristors VIl and V12 are then ignited by the device E when there is a risk of the semiconductors being destroyed by overvoltages. At the same time, the normal operating ignition pulses for the inverter and the mains rectifier are blocked.
1515th
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8125 | Change of the main classification |
Ipc: H02J 3/34 |
|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: CEGELEC AEG ANLAGEN UND ANTRIEBSSYSTEME GMBH, 1227 |