DE3003049C2

DE3003049C2 - Protective circuit at the choke of the LC input filter of a power circuit

Info

Publication number: DE3003049C2
Application number: DE19803003049
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. 1000 Berlin Manchen
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1982-09-30
Also published as: DE3003049A1; ES8200196A1; ES498376A0

Description

Die Erfindung bezieht siclv auf 'ine Schutzbeschaltung an der Drossel des LC-Eingangsfilters eines Leistungskreises nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a protective circuit at the throttle of the LC input filter one Performance group according to the preamble of claim 1.

LC-Filter werden üblicherweise vor Umrichterschaltungen verwendet, um Stromwelligkeiten zu begrenzen, wie sie z. B. durch Rückwirkung bei Wechselrichter-Betrieb entstehen. Am Kondensator stellt sich dabei eine um eine zugelassene Überspannung Δυ schwankend? Kondensatorspannung Uc ein. Darüberhinaus sind sie bei geeigneter Auslegung geeignet, Spannungsspitzen zu bedampfen, d. h. die nachgeschaltete Anordnung, hier z. B. dem Umrichter, zu schützen. (BBC-Nachrichten 61 (1979) Seiten 204-208.) Spannungsspitzen treten z. B. im Bahnbetrieb am Fahrdraht auf. Bei Spannungsunterbrechungen und dann sprungartig wiederkehrender Spannung ergeben sich Probleme durch die a : querliegenden Filterkondensator (Pufferkondensator) je nach Ladezustand des Kondensators dann oftmals auftretenden hohen Spannungen. Diese können bei normalerweise kleiner Dämpfung des Leistungsschwingkreises das Doppelte der Eingangsspannung U_e betragen. Das macht Schutzmaßnahmen für den Umrichter erforderlich. Solche Spannungsunterbrechungen treten z. B. aperiodisch durch Stromabnehmertanzen, Bügelspringen und auch bei Stromschienenlükken vor Weichen oder Bahnhöfen auf. Die Spannungs- so Unterbrechungen liegen im Millisekundenbereich für Bügelspringen und reichen in den Sekundenbereich bei Stromschienenlücken. Man darf besonders im letzteren Teil davon ausgehen, daß dann der Filterkondensator durch weitere Belastung durch den Wechselrichter entladen und beim kritischen Wiedereinschaltfall an diesem die Spannung 0 vorliegt. Ein Ausgleichsvorgang mit stoßartig hohen Strömen und Spannungen ist die Folge, Besonders kritisch ist der Zustand, wenn der Wechselrichter unbelastet ist. Die Spannung am Pufferkondensator erreicht dann mit Sicherheit den zweifachen Wert der Eingangsspannung Ue- Hiergegen sind empfindliche Schaltelemente zu schützen.LC filters are usually used in front of converter circuits in order to limit current ripples, such as those caused by e.g. B. caused by feedback from inverter operation. At the capacitor there is a fluctuating overvoltage Δυ? Capacitor voltage Uc . In addition, with a suitable design they are suitable for steaming voltage peaks, ie the downstream arrangement, here z. B. the converter to protect. (BBC-Nachrichten 61 (1979) pages 204-208.) Voltage peaks occur e.g. B. in rail operations on the contact wire. In the event of voltage interruptions and then suddenly returning voltage, problems arise due to the a: transverse filter capacitor (buffer capacitor), which then often occurs depending on the state of charge of the capacitor. With normally low attenuation of the power resonant circuit, these can amount to twice the input voltage U _e. This makes protective measures necessary for the converter. Such voltage interruptions occur z. B. aperiodically by pantograph dancing, jumping stirrups and also with busbar gaps in front of switches or stations. The voltage interruptions are in the millisecond range for jumping stirrups and in the seconds range for busbar gaps. Particularly in the latter part, it can be assumed that the filter capacitor will then be discharged due to further loading by the inverter and that voltage 0 will be present at the inverter in the event of a critical restart. A balancing process with sudden high currents and voltages is the result. The condition is particularly critical when the inverter is unloaded. The voltage at the buffer capacitor then definitely reaches twice the value of the input voltage Ue. Sensitive switching elements must be protected against this.

Weiterhin ist bekannt, für Schutzzwecke der Drossel des LC-Filters eines Umrichters eine gegen die Betriebsstromrichtung gepolte Diode in Reihe mit einem Widerstand parallel zu schalten (US-PS 38 32 573). Auch die Bedämpfung einer Drossel mit einem Spannungsbegrenzer definierter Durchbruchsspannung ist bekannt (Elektrie, 1968, Seiten 236—238).It is also known to protect the choke of the LC filter of a converter against the To connect the polarized diode in series with a resistor in parallel (US-PS 38 32 573). Also the damping of a choke with a voltage limiter with a defined breakdown voltage is known (Elektrie, 1968, pages 236-238).

In der Praxis ist bereits eine Schaltung bekanntgeworden, die gegen Stoßströme und Oberspannungen am Pufferkondensator dadurch schützt, daß Lücken (Unterbrechungen) in der Eingangsspannung U_r erfaßt werden und dann mittels einer Logik umgehend das Hauptschütz ausgeschaltet wird. Sodann wird über einen Vorwiderstand der Schwingkreis aperiodisch auf- bzw. nachgeladen. Während dieser Zeit werden die Zündimpulse für den Wechselrichter gesperrt. Danach wird der Widerstand nach Ablauf einer fest vorgegebenen Zeit wieder durch ein Hilfsschütz überbrückt. Dieses Schutzsystem bedeutet jedoch stets einen zusätzlichen Zeitverzug von einigen Sekunden, während dem der Kondensator ohne zeitliche Überspannung aufzuladen ist. Bei mehrfachen Spannungsunterbrechungen, insbesondere im Millisekundenbereich, kann das einen Betrieb stark stören. Der Aufwand an Logik und Steuerschaltung ist bei diesem Schutzsystem nicht unerheblich.In practice, a circuit has already become known that protects against surge currents and high voltages at the buffer capacitor by detecting gaps (interruptions) in the input voltage U _r and then immediately switching off the main contactor by means of a logic. The resonant circuit is then charged or recharged aperiodically via a series resistor. During this time the ignition pulses for the inverter are blocked. Then the resistor is bridged again by an auxiliary contactor after a fixed time has elapsed. However, this protection system always means an additional time delay of a few seconds during which the capacitor can be charged without overvoltage. In the event of multiple voltage interruptions, especially in the millisecond range, this can severely disrupt operation. The complexity of the logic and control circuit is not insignificant with this protection system.

Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten zusätzlichen Zeitverzug zu eliminieren und die auftretende Spannungsunterbrechung echt auf die Zeit der Stromschienenlücke oder des Bügelspringens zu begrenzen. Das heißt die Unterbrechungszeit für den Umrichter soll möglichst klein gehalten und seine Betriebsbereitschaft damit erhöht werden.The object of the invention is to eliminate the mentioned additional time delay and the occurring Really limit the voltage interruption to the time of the gap in the busbar or the jumping of the bow. That means the interruption time for the converter should be kept as short as possible and its Operational readiness can thus be increased.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer Schutzbeschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die kennzeichnenden Merkmale gelöst. Dabei wird der nach dem Einschaltmoment einsetzende Ausgleichsvorgang in dem Zeitpunkt abgebrochen, in dem Uc = U_c + Up ist. Die in diesem Zeitpunkt in der Drossel gespeicherte Energie W= 'Z₂L-P muß dann in der Schutzbeschaltung in Wärme umgesetzt werden. Dazu ist eine ausreichende Dimensionierung vorzusehen. This object is achieved according to the invention in a protective circuit according to the preamble of claim 1 by the characterizing features. The compensation process that begins after the switch-on moment is interrupted at the point in time at which Uc = U _c + Up . The energy W = 'Z ₂ LP stored in the choke at this point in time must then be converted into heat in the protective circuit. Sufficient dimensioning must be provided for this.

Von Vorteil ist, wenn dem Spannungsbegrenzer ein Kondensator parallelgeschaltet ist. Der Ausgleichsvorgang verläuft damit sanft einlaufend. Zweckmäßig ist eine Verwendung von Z- oder U-Dioden als Spannungsbegrenzer. Gegebenenfalls können auch VDR-Widerstände Verwendung finden.It is advantageous if a capacitor is connected in parallel with the voltage limiter. The balancing process runs gently inwards. It is advisable to use Z or U diodes as voltage limiters. If necessary, VDR resistors can also be used Find use.

Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Die Figur zeigt stark vergrößert die Stromversorgung eines Wechselrichters. Mit 1 \tt darin eine speisende Spannungsquelle U_t dargestellt, die über eine Längsdrossel 2 und einen Pufferkondensator 3 eines LC-Eingangsfilters einen Wechselrichter 4 speist. Die Längsdrossel 2 ist mit einem Netzwerk beschaltet, dessen Kernstück aus einem Spannungsbegrenzer 5 mit in Serie liegendem Ventil 6 besteht. Dem Spannungsbegrenzer 5 ist ein Kondensator 7 und ein Widerstand 8 parallel geschaltet. Mit 9 ist ein Schütz bezeichnet. Der Pufferkondensator 3 kann auch aus mehreren seriengeschalteten F.inzelkondcnsatoren bestehen, was durchThe invention is explained in more detail below on the basis of a schematic exemplary embodiment. The figure shows the power supply of an inverter on a greatly enlarged scale. With 1 \ tt therein a feeding voltage source U _{t is} shown, which feeds an inverter 4 via a series choke 2 and a buffer capacitor 3 of an LC input filter. The line throttle 2 is connected to a network, the core of which consists of a voltage limiter 5 with a valve 6 in series. A capacitor 7 and a resistor 8 are connected in parallel with the voltage limiter 5. With a contactor 9 is designated. The buffer capacitor 3 can also consist of several series-connected individual capacitors, which is achieved by

einen gestrichelten Kondensator angedeutet ist.a dashed capacitor is indicated.

Die Funktion der Schaltung ist folgende:
Ist z, B. eine Stromschienenlücke durchfahren worden, was einer Spannungsunterbrechung im Sekundenbereich entspricht, dann kann davon ausgegangen werden daß der Pufferkondensator 3 durch die Belastung des Wechselrichters 4 bis auf eine Restspannung entladen ist. Bei Auflauf auf die Stromschiene ist schlagartig die Spannung U_c wieder da und es erfolgt ein Einschwingvorgang, bei dem die Drossel 2 strombegrenzend wirkt ι ο und zunächst die volle anliegende Spannung (Spannungszeitfläche) aufnimmt. Der fließende Strom lädt dann den Kondensator 3 auf und dessen Spannung steigt in gleichem Maße wie die Spannung an der Drossel 2 abklingt. Beim Erreichen der Spannung U_c {Stillstand des Ladevorganges) kehrt sich die Spannung an der Drossel 2 um und versucht über den aufgenommenen Energieinhalt durch Erhöhung der Spannung einen weiteren Strom zu treiben. In diesem Moment bietet sich der Drossel 2 ein zeitweiliger Freilaufweg über Kondensator 7 und Ventil 6 an. Der Kondensator 7 wird dabei bis auf eine Spannung aufgeladen, die der Durchbruchsspannung Ud des Spannungsbegrenzers 5 entsprichL Die Durchbruchsspannung Ud wird nach der am Pufferkondensator 3 (oder einer Reihenschaltung mehrerer Kondensatoren) betriebsmäßig vorkommenden Spannungsschwankung Au bestimmt und etwas größer als Au gehalten, damit im Normalbetrieb die glättende Wirkung der Drossel gewährleistet bleibt. Bei der Durchbruchsspannung Ud bricht die als Spannungsbegrenzer arbeitende Z-Diode 5 durch und der fließende Rückstrom wird in Wärme umgesetzt. Die Spannung am Pufferkondensator 3 kann somit nie wesentlich über U_e + Au steigen. Bei den großen Energieinhalten der im Bahnbetrieb verwendeten Drosseln mit z. B. 1000 W₁ können auch in Rückwärtsrichtungen belastete Se-GIeichrichter (U-Dioden) oder Siüzium-Karbidelemente eingesetzt werden.The function of the circuit is as follows:
If, for example, a gap in the busbar has been passed, which corresponds to a voltage interruption in the order of seconds, then it can be assumed that the buffer capacitor 3 has been discharged to a residual voltage due to the load on the inverter 4. When running onto the busbar, the voltage U _c is suddenly there again and a transient process takes place in which the throttle 2 has a current-limiting effect and initially absorbs the full voltage applied (voltage time area). The flowing current then charges the capacitor 3 and its voltage increases to the same extent as the voltage across the choke 2 decays. When the voltage U _c (standstill of the charging process) is reached, the voltage at the choke 2 is reversed and attempts to drive a further current by increasing the voltage using the absorbed energy content. At this moment, the throttle 2 offers a temporary freewheeling path via the condenser 7 and valve 6. The capacitor 7 is charged up to a voltage which corresponds to the breakdown voltage Ud of the voltage limiter 5 The breakdown voltage Ud is determined according to the voltage fluctuation Au which occurs during operation at the buffer capacitor 3 (or a series connection of several capacitors) and is kept slightly higher than Au , so in normal operation the smoothing effect of the throttle is guaranteed. At the breakdown voltage Ud, the Zener diode 5, which works as a voltage limiter, breaks down and the flowing reverse current is converted into heat. The voltage at the buffer capacitor 3 can therefore never rise significantly above U _e + Au. With the large energy content of the chokes used in rail operations with z. B. 1000 W ₁ can also be used in reverse directions loaded Se rectifiers (U diodes) or silicon carbide elements.

Die Schutzbeschaltung funktioniert im Prinzip zwa;' bereits ohne den Kondensator 7 und den Widerstand 8. Diese gewährleisten jedoch einen weichen Einschwingübergang auf die Spannung U_e+ Up. Ohne sie verläuft der Vorgang abrupter. In idealer Weise ergänzen sich der aufgezeigte Kondensator-Ladefreilauf, der normalerweise für sich einen riesigen und unbefriedigenden Kondensatoraufwand bedürfte, und der Spannungsbegrenzer 5.The protective circuit works in principle between two; ' even without the capacitor 7 and the resistor 8. However, these ensure a smooth transient transition to the voltage U _e + Up. Without it, the process is more abrupt. In an ideal way, the shown capacitor charging freewheel, which would normally require a huge and unsatisfactory capacitor expenditure, and the voltage limiter 5 complement each other.

Durch die Erfindung wird nicht nur eine sonst notwendige eingangs erwähnte umständliche Nachladeeinrichtung mit relativ großem Ladewiderstand, teurem mechanischen Überbrückungsschutz und diversen Ansteuerelementen eingespart, sondern die Schutzbeschaltung funktioniert auch automatisch sicher mit statischen Elementen und ist darüberhinaus schneller, d. h. praktisch sofort wieder einschaltbereit. Zusätzlich wird durch diese· Art der Drosselbeschaltung auch das davorliegende Hauptschütz durch Lichtbogenunterdrückung geschont. Das erhöht seine Lebensdauer oder kann zu Verkleinerungen führen. Bei einem Öffnen des Stromkreises tritt dabei in einer Art Freilauf die Schutzbeschaltung ebenfalls in Funktion und leitet die Überspg.'.nungen ab. Dieser Freilauf reduziert in Kurzschluß des Wechselrichters darüberhinaus das auftretende Grenzlastintegral erheblich, da die in der Drossel gespeicherte Energie nicht mehr von den Thyristoren des Wechselrichters aufgenommen werden muß. Auch hier kann ggf. auf kleinere Typen übergegangen werden. Die Drossel selbst kann auf einen Wert reduziert werden der allein durch die zulässige Welligkeit des Eingangsstromes bestimmt wird.The invention not only eliminates the cumbersome reloading device mentioned at the beginning, which is otherwise necessary with a relatively large charging resistor, expensive mechanical bridging protection and various control elements saved, but the protective circuit also works automatically safely with static Elements and is also faster, i. H. ready to be switched on again practically immediately. Additionally will This type of choke circuit also means that the main contactor in front of it is suppressed by arcing spared. This increases its lifespan or can lead to a reduction in size. When opening the In the circuit, the protective circuit also works in a kind of freewheeling mode and conducts the Overload '. This freewheeling also reduces this in the event of a short circuit in the inverter occurring limit load integral is considerable, since the energy stored in the throttle is no longer of the Thyristors of the inverter must be included. Here, too, you can use smaller types if necessary be passed over. The throttle itself can be reduced to a value that can only be achieved by the permissible ripple of the input current is determined.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Protective circuit on the choke of the LC input filter of a power circuit for operation on networks with abruptly recurring voltage, the choke having a resistor connected in series with a diode polarized against the operating current direction, in particular for supplying static railway converters, characterized in that that a voltage limiter (5) with a defined breakdown voltage (UD) is connected in parallel with the resistor (8), and that the voltage limiter (5) is preferably for a breakdown voltage (Ud) slightly greater than the permitted voltage fluctuation (Au) at the buffer capacitor (3) and is designed for the energy content that can be stored in the throttle (2) in the worst case.

2. Protective circuit according to claim 1, characterized in that the voltage limiter (5) a capacitor (7) is connected in parallel.

3. Protective circuit according to claims 1 and 2, characterized in that as a voltage limiter (5) Use a Zener diode or a U diode.

4. Protective circuit according to claims 1 and 2, characterized in that as a voltage limiter (5) a VDR resistor is used.

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