DE3601160A1 - Verfahren und einrichtung zum schutz eines stromrichters - Google Patents

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren und einer Einrichtung zum Schutz eines Stromrichters nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9.

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Verfahren und Einrichtungen zum Schutz eines Stromrichters Bezug, wie er in der deutschen Firmenzeitschrift Siemens-Energietechnik 3 (1981) Heft 1, S. 13-16 beschrieben ist. Dort ist zum Schutz des maschinenseitigen Stromrichters eine Notzündeinrichtung vorgesehen, die bei Auftreten unzulässig hoher Spannungen durch gezielten Kommutierungskurzschluss die Wechselrichterventile schützt. Bei Störungen wird der Maschinenantrieb abgeschaltet und die Störung mit Leuchtdioden an einer Ueberwachungsbaugruppe angezeigt. Einzelheiten der Schutzschaltung sind nicht angegeben.

Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 9 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schutz eines Stromrichters anzugeben, die mit verhältnismässig kleinem Aufwand zu realisieren sind und eine verbesserte Fehlerüberwachung ermöglichen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Ausführung der einzelnen Zündbefehle durch den Einbau einer sehr einfachen Einrichtung in die Steuerschaltung des Stromrichters laufend überwacht werden kann. Vom gleichstromseitigen Eingang des zu überwachenden Stromrichters wird laufend Information beschafft, die den Zustand des Stromrichters, der Steuerschaltung, der Signalübertragung und der Signalverarbeitung eindeutig beschreibt. Dabei wird der zeitliche Verlauf der gleichstromseitigen Klemmspannung ausgewertet, der bei annähernd konstantem Klemmstrom in Abhängigkeit von Thyristor-Zündimpulsen charakteristische Spannungssprünge aufweist. Der Verlauf dieser Sprünge enthält die Information über den Ablauf der Kommutierung. Bei korrektem Kommutierungsablauf sind die Spannungssprünge entsprechend gut ausgebildet. Durch die einfache Hilfselektronik wird der Kommutierungsablauf erfasst, ausgewertet und der Steuereinheit des Stromrichters zugeführt. Der Ausfall eines Spannungssprunges nach einem Zündsignal kennzeichnet einen Fehler. Besonders einfach erfolgt die Auswertung mittels eines Rechners oder Mikroprozessors. Thyristor- Leitdauerüberwachungen können zusätzlich ausgeführt werden.

Die Erfindung ist für alle Typen von I-Wechselrichtern, für alle Netzstromrichter mit Zwischenkreis - auch Gleichstromsteller, Gleichspannungssteller - anwendbar.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit einer Diagnose des Stromrichters auf Kurzschlüsse und Unterbrechungen im abgeschalteten Zustand des Stromrichters. Die Ueberwachung kann erforderlichenfalls nur während des Einschaltvorganges aktiviert werden.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf IEEE Transactions on Industry Apllications, Vol. IA-16, No. 3, Mai/Juni 1980, S. 332-340 verwiesen, aus der der zeitliche Verlauf der Wechselrichter-Eingangsspannung bekannt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Uebersichtsschaltschema eines Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis, Gleichstrom- und Gleichspannungsdetektoren sowie Signalerfassungs-, Steuer- und Auswertschaltung,

Fig. 2 eine Signalerfassungsschaltung gemäss Fig. 1,

Fig. 3 Schaltblöcke der Auswertschaltung gemäss Fig. 1 zur Erfassung charakteristischer Spannungssprünge in Abhängigkeit von Thyristor-Zündimpulsen,

Fig. 4 eine Diagnoseschaltung der Auswertschaltung gemäss Fig. 1,

Fig. 5 eine Leitdauerüberwachungsschaltung der Auswertschaltung gemäss Fig. 1,

Fig. 6 und 7 Schaltblöcke der Auswertschaltung gemäss Fig. 1 zur Auswertung der Leitdauerüberwachung,

Fig. 8 den Signalverlauf einer ungestörten Zwischenkreisspannung (idealisiert),

Fig. 9a) . . . f) die zeitliche Folge der Zündimpulssignale für die Thyristoren des Wechselrichters des Umrichters gemäss Fig. 1 mit Bezug auf den Signalverlauf gemäss Fig. 8,

Fig. 9g) die Leitdauer der Thyristoren des Wechselrichters mit Bezug auf den Signalverlauf von Fig. 8,

Fig. 10 den zeitlichen Zusammenhang von Thyristor-Zündimpuls und der Reaktion des Gleichstromzwischenkreises darauf und

Fig. 11a)-g) Signalfolgen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Signalerfassungs- und Auswertschaltung gemäss den Fig. 2-5.

Gemäss dem Uebersichtsschaltschema von Fig. 1 ist ein Umrichter, bestehend aus einem netzseitigen ersten Eingangsstromrichter bzw. Gleichrichter 1, der über einen eine Zwischenkreisdrossel 3 aufweisenden Gleichstromzwischenkreis ZK mit einem maschinenseitigen zweiten Stromrichter bzw. Wechselrichter 5 elektrisch verbunden ist, an eine dreiphasige Asynchronmaschine 6 angeschlossen. Durch die Zwischenkreisdrossel 3 werden die durch den Wechselspannungsanteil der Gleichspannung hervorgerufenen Stromoberschwingungen gedämpft und klein gehalten, so dass der Zwischenkreisstrom relativ konstant ist und eine gute Einkopplung zwischen Gleich- und Wechselrichter 1 bzw. 5 erreicht wird. Der selbstgeführte Wechselrichter 5 ist in bekannter Brückenschaltung mit Phasenfolgelöschung ausgeführt, mit Thyristoren T 1 . . . T 6 in den Brückenzweigen. Eingangsstromrichter 1 und Wechselrichter 5 können so aufgebaut sein, dass bei einem Bremsen der Asynchronmaschine 6 in bekannter Weise elektrische Energie ins speisende Netz zurückgespeist werden kann, wobei der Wechselrichter 5 als Gleichrichter und der Eingangsstromrichter 1 als Wechselrichter betrieben werden. Dabei können der Eingangsstromrichter 1 und der Wechselrichter 5 gleichen Aufbau aufweisen.

Mittels eines Stromwandlers bzw. Gleichstromdetektors 3 zwischen der Zwischenkreisdrossel 2 und den Eingangsklemmen des Wechselrichters 5 wird ein Zwischenkreisstrom i _ZK im Bereich von 100 A-1 kA detektiert bzw. gemessen. Der Gleichstromdetektor 3 liefert ausgangsseitig ein Zwischenkreisstromsignal S 3, vgl. Fig. 11b), an eine Signalerfassungsschaltung 10.

Mittels eines Spannungswandlers bzw. Gleichspannungsdetektors 4 zwischen den gleichstromseitigen Eingangsklemmen des Wechselrichters 5 wird eine Zwischenkreisspannung U _ZK von z. B. 2,5 kV detektiert bzw. gemessen. Der Gleichspannungsdetektor 4 liefert ausgangsseitig ein Zwischenkreisspannungssignal S 4, vgl. Fig. 8 und Fig. 11a), an die Signalerfassungsschaltung 10.

Die näher in Verbindung mit Fig. 2 erläuterte Signalerfassungsschaltung 10 liefert ausgangsseitig ein Fehlererkennungssignal S 18 und ein Auswertungsfreigabesignal S 20 an eine näher in Verbindung mit den Fig. 2-7 erläuterte Auswertschaltung 11, die ausgangsseitig Zündimpulssignale T 1″ . . . T 6″ für die Thyristoren T 1 . . . T 6 liefert, wobei aus Gründen der besseren Uebersichtlichkeit nur die Verbindung zum Thyristor T 1 ausgezogen dargestellt ist. Diese Auswertschaltung 11 erhält eingangsseitig von einer Steuerschaltung 12 ein Zündimpulsfreigabesignal FG, ein Taktsignal Cl, ein Laufrichtungssignal LR sowie Grund-Zündimpulssignale T 10 . . . T 60. Ausgangsseitig liefert die Auswertschaltung 11 ferner Fehlersignale F 1 . . . F 6, die einem nicht dargestellten Diagnose- Rechner oder einer nicht dargestellten Auswerteinrichtung zur weiteren Auswertung zugeführt sind.

Die Steuerschaltung 12 erhält eingangsseitig von einem Drehzahldetektor 7 ein der Drehzahl des Rotors der Asynchronmaschine 6 proportionales Drehzahlsignal S 7 sowie ein z. B. von einer Bedienungsperson (Fahrer eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs) der Asynchronmaschine 6 vorgegebenes Start-Stopp-Signal 13.

Die Signalerfassungsschaltung 10 gemäss Fig. 2 weist einen ersten Analog-Digital-Schalter bzw. Komparator 15 auf, der eingangsseitig einerseits über ein Differenzierglied mit dem Signalausgang des Gleichspannungsdetektors 4 und andererseits mit dem Abgriff eines Potentiometers 14 verbunden ist. Das Differenzierglied besteht aus einem zum Eingang des Komparators 15 in Reihe geschalteten Kondensator 8 und einem mit demselben Eingang verbundenen und gegen Masse geschalteten Widerstand 9; es liefert ausgangsseitig ein dU _ZK /dt-Signal. Am Potentiometer 14 liegt einerseits ein einstellbares Potential "+" und andererseits Massepotential an. Am Abgriff des Potentiometers 14 liegt ein vorgebbares Grenzwertsignal (dU _ZK /dt) _G an, entsprechend der Ansprechschwelle des Komparators 15, der ausgangsseitig ein digitales dU _ZK /dt- Vergleichssignal S 15 liefert. Für dU _ZK /dt ≦ωτ - (dU _ZK /-dt) _G ist S 15 = "0", andernfalls = "1".

Der Ausgang des Komparators 15 ist über ein NICHT-Glied 16 und ein anschliessendes UND-Glied 17 mit dem Eingang eines Verzögerungsgliedes 18 verbunden. Der Uebergang vom Wert "0" zum Wert "1" der Variablen am Ausgang des Verzögerungsgliedes 18, mit der Bedeutung eines Fehlererkennungssignals S 18, ist nicht verzögert in Bezug auf denselben Uebergang am Eingang, während der Uebergang vom Wert "1" zum Wert "0" der Variablen am Ausgang des Verzögerungsgliedes 18 10 µs nach dem "0 zu 1" Uebergang am Eingang erfolgt.

Ein zweiter Analog-Digital-Schalter bzw. Komparator 20 mit Hysterese ist eingangsseitig einerseits mit dem Ausgang des Gleichstromdetektors 3 und andererseits mit dem Abgriff eines Potentiometers 19 verbunden, an dem einerseits ein einstellbares negatives Potential und andererseits Massepotential anliegt. Der Abgriff des Potentiometers 19 ist auf einen vorgebbaren Zwischenkreisstrom- Grenzwert i _ZKG , entsprechend einem Strom-Ansprechschwellwert, eingestellt. Für Zwischenkreisströme i _Zk ≦ωτ i _ZKG soll keine Spannungssprungauswertung erfolgen, da diese unsicher sein würde. i _ZKG wird vorzugsweise auf 30% des Sollwertes von i _ZK eingestellt. Ein Auswertungsfreigabesignal S 20 am Ausgang des Komparators 20 ist = "0" für i _ZK ≦ωτ i _ZKG und andernfalls = "1". Dieses Auswertungsfreigabesignal S 20 ist einem 2. Eingang des UND-Gliedes 17 zugeführt.

Die Funktion der Signalerfassungsschaltung 10 soll in Verbindung mit den in den Fig. 8-11 dargestellten Signalen erläutert werden.

Fig. 8 zeigt den zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung U _ZK für den Fahr- bzw. Bremsbetrieb eines Fahrzeuges, z. B. einer Strassenbahn, die über den o.g. Umrichter durch die Asynchronmaschine 6 angetrieben bzw. gebremst wird. Der eingetragene O-V-Ordinatenwert gilt für Fahrbetrieb. Bei Bremsbetrieb liegt die O-V-Spannung beim Ordinatenwert Br.

In den Fig. 9a) bis 9f) sind die zeitlichen Abfolgen der Zündimpulse T 1" . . . T 6" für die Thyristoren T 1 . . . T 6 gemäss Fig. 1 dargestellt. Nach jedem Zündimpuls T 1" . . . T 6" reagiert der Gleichstromzwischenkreis ZK mit einem steilen Thyristor-Einschaltspannungssprung 72 der Zwischenkreisspannung U _ZK , vgl. Fig. 10, nach dem Zündimpuls T 3″ von 40 µs Dauer, der während des Kurvenabschnittes 71 mit flachem Spannungsverlauf von U _ZK am Thyristor T 3 eintrifft. Nach diesem steilen Thyristor-Einschaltspannungssprung 72 steigt U _ZK im Kurvenabschnitt 73 etwa linear und im anschliessenden Kurvenabschnitt 74 etwa sinusförmig an, bis zu einem steilen Spannungssprung 75, der von der Diodenkommutierung herrührt und betragsmässig etwa 1/3 des Thyristor-Einschaltspannungssprunges 72 beträgt. Die Zeitdauer zwischen dem Diodenkommutierungs-Spannungssprung 75 und dem nachfolgenden Thyristor-Einschaltspannungssprung 72 ist lastabhängig und grösser als 250 µs. Bei einwandfreier Zündung des Thyristors T 3 muss der Thyristor-Einschaltspannungssprung 72 innerhalb eines Thyristoreinschaltverzögerungsgrenzwertes t _r von 60 µs seit Eintreffen des Zündimpulses T 3″ auftreten, was mit dem dU _ZK /dt-Vergleichssignal S 15 überwacht wird. Jeder der Thyristoren T 1 . . . T 6 zündet normalerweise nach einer Reaktionszeit im Bereich von 10 µs . . . 30 µs nach Eintreffen des Zündimpulses T 1″ . . . T 6″. Die Durchführung des Abschaltvorganges bedarf weitere 20 µs-30 µs Zeit. Die Ueberwachung der Freihaltezeit kann durch die Auswertung des Diodenkommutierungsspannungssprunges der Flanke 75 erreicht werden.

Jeder zweite Thyristor-Einschaltspannungssprung 72 grenzt eine Thyristorleitdauer dT 1 . . . dT 6 eines Thyristors T 1 . . . T 6 ab, vgl. Fig. 9g).

Fig. 11b) zeigt den zeitlichen Verlauf des Zwischenkreisstromes i _ZK , der ab dem Zeitpunkt t _x kleiner ist als der vorgebbare Zwischenkreisstromgrenzwert i _ZKG . Der der Fig. 11b) zugeordnete zeitliche Verlauf der Zwischenkreisspannung U _ZK ist in Fig. 11a) dargestellt, wobei U _ZKG einen Zwischenkreisspannungsgrenzwert bezeichnet, der anstelle des (dU _ZK /dt) _G -Grenzwertes zur Bildung des Ausgangssignals S 15 des ersten Komparators 15 herangezogen werden kann, wobei das Differenzierglied mit dem Kondensator 8 und dem Widerstand 9 am Eingang des Komparators 15 entfällt, vgl. in Fig. 2 die gestrichelte Linie, die das Differenzierglied überbrückt. Dabei wird dann U _ZK mit U _ZKG verglichen. Hierbei ist S 15 = "0" für U _ZK ≦ωτ -U _ZKG , andernfalls = "1". Der ohne Differenzierglied gewonnene und den Fig. 11a) und 11b) zugeordnete zeitliche Verlauf des Gleichspannungs-Fehlererkennungssignals S 18 ist in Fig. 11g) dargestellt.

Vorzugsweise wird eine Signalerfassungsschaltung 10 mit Differenzierglied gemäss Fig. 2 verwendet. Der zeitliche Verlauf der differenzierten Zwischenkreisspannung dU _ZK /dt am Ausgang des Differenziergliedes ist in Fig. 11c) dargestellt, wobei der mit (dU _ZK /dt) _G gekennzeichnete Ordinatenwert den Ansprechschwellwert des Komparators 11 darstellt. Das diesem Kurvenverlauf entsprechende digitale dU _ZK /dt-Vergleichssignal S 15 ist in Fig. 11d) dargestellt. S 15 nimmt nur dann den Wert "0" an, wenn dU _ZK /dt ≦ωτ (dU _ZK /dt) _G ist, d. h., wenn eine Grenzwertunterschreitung stattgefunden hat. Der Komparator 15 hat eine Hysterese von etwa 0,1 V. Sein Ausgangsimpuls S 15 wird nach Negation im NICHT-Glied 16 mit dem Ausgangssignal S 20 des zweiten Komparators 20 in dem UND-Glied 17 verknüpft. S 20 ist nur dann = "1", wenn i _ZK ≦λτ i _ZKG ist. Für S 20 = "1" und für ein "1"-Signal am Ausgang des NICHT- Gliedes 16 wird am Ausgang des UND-Gliedes 17 ein logisches "1"-Signal ausgegeben, das in dem anschliessenden Verzögerungsglied 18 auf eine konstante Länge von 10 µs normiert wird. S 18 = "1" bedeutet: i _ZK ≦λτ i _ZKG und Thyristorzündung ist erfolgt. S 18 = "0" bedeutet: es ist weder eine erkennbare Thyristorzündung noch eine Diodenkommutierung erfolgt. S 20 = "0" bedeutet: i _ZK ≦ωτ i _ZKG , es darf keine Signalauswertung erfolgen. S 20 = "1" bedeutet: Signalauswertung ist freigegeben.

Fig. 3 zeigt einen Schaltblock der Auswertschaltung 11 gemäss Fig. 1. Von der Steuerschaltung 12 ankommende Zündimpulssignale T 1′ . . . T 6′ werden in einer Zündfolgeüberwachungseinrichtung 32 darauf überwacht, dass die ausgangsseitig abgegebenen Zündimpulssignale T 1″ . . . T 6″ für jeden der Thyristoren T 1 . . . T 6 höchstens alle 150 µs aufeinanderfolgen.

Nach jedem Zündimpuls T 1″ . . . T 6″ wird die Reaktion des Gleichstromzwischenkreises ZK (Thyristoreinschalt-Spannungsabfall 72, siehe Fig. 10) innerhalb von 60 µs erwartet. Erfolgt diese Reaktion nicht, so wird ein Fehlersignal F 1 . . . F 6 ausgegeben, das zur Diagnose und für Schutzmassnahmen ausgewertet werden kann.

Für jedes Zündimpulssignal T 1″ . . . T 6″ ist ein separater, gleich aufgebauter Auswertblock 29, 30, 31 vorgesehen, wobei nur der Auswertblock 29 im Detail dargestellt ist und nachfolgend beschrieben wird. Das Zündimpulssignal T 1″ wird gleichzeitig Verzögerungsgliedern 21 und 25 zugeführt. Das Verzögerungsglied 21 erzeugt in Abhängigkeit vom Eintreffen des Zündimpulssignals T 1″ ein Ausgangssignal "1" von 10 µs Dauer und das Verzögerungsglied 25 ein Ausgangssignal "1" von 60 µs Dauer. Das Verzögerungsglied 21 ist ausgangsseitig über ein NICHT-Glied 22 mit einem negierten S-Eingang (Setzeingang) eines RS-Kippgliedes 23 elektrisch verbunden, dessen Q-Ausgang mit einem Eingang eines UND-Gliedes 24 verbunden ist. Das Verzögerungsglied 25 ist über ein NAND-Glied 26 mit einem Eingang eines UND-Gliedes 27 verbunden. Dem NAND-Glied 26 ist eingangsseitig ferner das Fehlererkennungssignal S 18 zugeführt und einem zweiten Eingang des UND-Gliedes 27 zusätzlich das Auswertungsfreigabesignal S 20. Der Ausgang des UND-Gliedes 27, an dem ein Zählsignal R 1 abgreifbar ist, ist mit einem negierten R-Eingang (Rücksetzeingang) des RS-Kippgliedes 23 verbunden. Der Ausgang des Verzögerungsgliedes 25 ist ferner über ein NICHT-Glied 28 mit einem zweiten Eingang des UND-Gliedes 24 verbunden, an dessen Ausgang das Fehlersignal F 1 abgreifbar ist. Die anderen, in Fig. 3 gestrichelt angedeuteten Auswertblöcke 30 . . . 31 liefern ausgangsseitig Zählsignale R 2 . . . R 6 und Fehlersignale F 2 . . . F 6.

Durch ein Zündimpulssignal T 1″ wird über das Verzögerungsglied 21 und das NICHT-Glied 22 der Q-Ausgang des RS-Kippgliedes 23 auf "1" gesetzt und somit das UND-Glied 24 für die Ausgabe eines Fehlersignals F 1 = "1" vorbereitet. Innerhalb von 60 µs seit Eintreffen des Zündimpulssingals T 1″ bleibt der Ausgang des Verzögerungsgliedes 25 auf "1" und über das NICHT-Signal 28 der zweite Eingang des UND-Gliedes 24 auf "0", so dass kein Fehlersignal F 1 = "1" erzeugt werden kann. Trifft während dieser 60 µs ein Fehlererkennungssignal S 18 = "1" am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 26 ein, so ist dessen Ausgangssignal = "0". Ebenso ist R 1 = "0", so dass das RS-Kippglied 23 zurückgesetzt wird und Q = "0" am Eingang des UND-Gliedes 24 ein Fehlersignal F 1 = "1" an dessen Ausgang verhindert. Die Reaktion des Gleichstromzwischenkreises ZK ist rechtzeitig erfolgt. Kein Fehler.

Trifft jedoch innerhalb der 60 µs kein Fehlererkennungssignal S 18 = "1" am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 26 ein, so bleibt dessen Ausgangssignal auf "1". Ist gleichzeitig das Auswertungsfreigabesignal S 20 = "1", so ist auch R 1 = "1" und das RS-Kippglied 23 wird nicht zurückgesetzt, d. h., es bleibt Q = "1" gespeichert. Nach Ablauf der 60 µs wird das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 25 = "0", das Ausgangssignal des NICHT-Gliedes 28 = "1" und somit das Ausgangssignal des UND-Gliedes 24 F 1 = "1". Dies bedeutet, dass die erwartete Reaktion des Gleichstromzwischenkreises ZK auf das Zündimpulssignal T 1″ ausgeblieben ist und der Thyristor T 1 nicht gezündet hat.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist jedem Fehlersignal F 1 . . . F 6 eine Diagnoseschaltung 46 . . . 48 zur optischen Fehleranzeige zugeordnet, wobei der Uebersichtlichkeit halber nur die Diagnoseschaltung 46 im Detail dargestellt und beschrieben ist. Das Fehlersignal F 1 steuert über ein synchron anlaufendes und anhaltendes astabiles Kippglied 41 mit einer repetierenden Einschaltdauer von 1 s und über einen Widerstand 42 einen Transistor 43 in seinen leitenden Zustand. Im Kollektor-Emitter-Stromkreis des Transistors 43 ist ein Widerstand 45 mit einer Leuchtdiode 44 in Reihe geschaltet. Das Aufleuchten der Leuchtdiode 44 zeigt an, dass der Thyristor T 1 nicht gezündet hat.

Fig. 5 zeigt eine Leitdauerüberwachungsschaltung mit zwei gleich aufgebauten Leitdauerauswertblöcken 33 und 34, wobei nur der Leitdauerauswertblock 33 im Detail dargestellt und nachfolgend beschrieben ist. Jeder Leitdauerauswertblock bildet einen Ringzähler. Drei UND-Glieder 35, 37, 39 sind ausgangsseitig mit je einem negierten R-Eingang eines RS-Kippgliedes 36, 38, 40 verbunden, deren Q-Ausgänge jeweils mit einem Zähleingang (+) eines getakteten, rückstellbaren Zählers Z 1, Z 3, Z 5 verbunden sind. Die -Ausgänge der RS-Kippglieder 36, 38, 40 sind mit den Rückstelleingängen R der Zähler Z 1, Z 3, Z 5verbunden. Den Taktsignaleingängen Cl dieser Zähler ist ein allen gemeinsames, von der Steuerschaltung 12 geliefertes Taktsignal Cl mit einer Frequenz von z. B. 1 MHz zugeführt. Ausgangsseitig sind an den Zählern Z 1, Z 3, Z 5 binäre Zählerausgangssignale bzw. Zählerüberlaufsignale SZ 1, SZ 3, SZ 5 abgreifbar, die nur bei einem Zählerüberlauf, entsprechend einer ersten Grenzwertüberschreitung der Leitdauer, den Wert "1" und sonst den Wert "0" annehmen. Der erste Leitdauergrenzwert wird vorzugsweise im Bereich von 10%-20% über dem zulässigen Leitverlustabhängigen Leitdauersollwert gewählt.

Den negierten S-Eingängen der RS-Kippglieder 36, 38, 40 sind die Zählsignale R 1 bzw. R 5 zugeführt. Dem UND-Glied 35 sind eingangsseitig die Zählsignale R 3 und R 5 zugeführt, dem UND-Glied 37 die Zählsignale R 1 und R 5, dem UND-Glied 39 die Zählsignale R 1 und R 3. Allen drei UND-Gliedern 35, 37, 39 ist eingangsseitig zusätzlich das Auswertungsfreigabesignal S 20 zugeführt.

Die RS-Kippglieder 36, 38, 40 bilden die Leitdauer der Thyristoren T 1, T 3, T 5 nach. Die Leitdauer wird für jeden Thyristor T 1 . . . T 6 neu gezählt.

R 1 ist für S 20 = "1" nur dann = "0", wenn S 18 = "1" ist, mit der Bedeutung: der Gleichstromzwischenkreis ZK hat auf einen Thyristor-Zündimpuls mit einem Thyristor-Einschaltspannungsabfall 72 reagiert. Durch R 1 = "0" wird das RS-Kippglied gesetzt, mit Q = "1", wodurch der Zähler Z 1 die Taktimpulse Cl zu zählen beginnt und ausgangsseitig das Zählerüberlaufsignal SZ 1 = "1" führt, wenn der erste Grenzwert für die Leitdauer überschritten ist. Die Frequenz des Taktsignals und die Grösse des Zählers sind so aufeinander abgestimmt, dass der Zähler dann überläuft, wenn der Leitdauergrenzwert überschritten ist.

Tritt nun nachfolgend, wenn der Thyristor T 3 gezündet hat, das Zählsignal R 3 = "0" auf, so nimmt das Ausgangssignal des UND-Gliedes 35 den Wert "0" an und das RS-Kippglied 36 wird zurückgesetzt und damit auch der Zählerinhalt des Zählers Z 1. Falls R 3 = "0" ausfällt, würde eine Zurücksetzung des RS-Kippgliedes 36 erst durch R 5 = "0" möglich, der Zähler Z 1 kann inzwischen aber überlaufen und SZ 1 = "1" ausgeben. Entsprechendes gilt für die anderen RS-Kippglieder und Zählerausgangssignale.

Fig. 6 zeigt eine Leitdauerauswertschaltung, die zu einer Sperrung des Zündimpuls-Freigabesignals FG verwendet wird, wenn ein oder mehrere Thyristoren länger als eine vorgebbare zweite Grenzleitdauer im Bereich von 10 s . . . 1000 s, vorzugsweise von 10 s mit zu langen Leitzeiten belastet werden. Die Zählerüberlaufsignale SZ 1 . . . SZ 6 sind eingangsseitig einem ODER-Glied 49 zugeführt, das ausgangsseitig mit einem NICHT-Glied 50 und mit einem variablen Verzögerungsglied 56 mit der vorgebbaren zweiten Grenzleitdauer verbunden ist. Der Ausgang des NICHT-Gliedes 50 steht über ein weiteres NICHT-Glied 51 mit einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 52 und der Ausgang des Verzögerungsgliedes 56 über ein NICHT-Glied 57 mit einem zweiten Eingang dieses UND-Gliedes 52 in Verbindung. Der Ausgang des UND-Gliedes 52 ist über ein NICHT-Glied 53 mit einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 54 verbunden, dessen 2. Eingang das Zündimpuls-Freigabesignal FG zugeführt ist und an dessen Ausgang ein Zündimpuls- Blockiersignal S 54 abgreifbar ist.

Ist einer der Thyristoren T 1 . . . T 6 zu lange eingeschaltet, so führt eines der Fehlerüberlaufsignale SZ 1 . . . SZ 6 den Wert "1", so dass über die beiden NICHT-Glieder 50 und 51, die eine kleine Signalverzögerung (Laufzeitabgleich) bewirken, das UND-Glied 52 an seinem ersten Eingang ein "1"-Signal erhält. Der zweite Eingang des UND- Gliedes 52 bleibt über das variable Zeitglied 56 und das NICHT-Glied 57 für mindestens 10 s (eingestellte 2. Grenzleitdauer) auf "0", so dass der Ausgang von 52 auf "0" und der Ausgang des NICHT-Gliedes 53 auf "1" ist. Dadurch kann das Zündimpuls-Freigabesignal FG das UND-Glied 54 passieren, und die Zündimpulse T 1″ . . . T 6″ werden den Thyristoren T 1 . . . T 6 zugeführt. Ist dagegen die Summe der Zählerüberlaufsignale SZ 1 . . . SZ 6 länger als die zweite Grenzleitdauer, so ist das Ausgangssignal des Zeitgliedes 56 auf "0", der Ausgang des NICHT-Gliedes 57 und damit auch der Ausgang des UND-Gliedes 52 auf "1", so dass über das NICHT-Glied 53 das Zündimpuls- Freigabesignal FG im UND-Glied 54 gesperrt wird und S 54 = "0" wird. Das gestrichelt gezeichnete UND-Glied 54 kann in der Auswertschaltung 11 oder in der Steuerschaltung 12 angeordnet sein. S 54 = "0" bewirkt, dass z. B. Fahrbefehle eines Fahrzeugführers nicht ausgeführt werden und die Thyristoren keine Zündimpulse erhalten.

Die in Fig. 7 dargestellte Leitdauer-Auswertschaltung zeigt einen von zwei gleich aufgebauten Ersatzzündimpulsbildnern 58, wobei die in Klammern angegebenen Bezugszeichen für den 2., nicht dargestellten Ersatzzündimpulsbildner gelten. Die beiden Ersatzzündimpulsbildner dienen der Erzeugung von Entlastungszündimpulsen für in der Zündreihenfolge nachfolgenden Thyristoren, wenn bei einem Thyristor der erste Grenzwert für die Leitdauer überschritten und eines der Zählerüberlaufsignale SZ 1 . . . SZ 6 = "1" ist.

Einem Verzögerungsglied 59 bzw. 63 bzw. 67 mit einer einstellbaren Einschaltdauer von vorzugsweise 40 µs ist eingangsseitig ein Zählerüberlaufsignal SZ 1 bzw. SZ 3 bzw. SZ 5 zugeführt. Ausgangsseitig steht dieses Verzögerungsglied mit einem ersten Eingang eines ersten UND- Gliedes 60 bzw. 68 und mit einem 1. Eingang eines 2. UND-Gliedes 61 bzw. 65 bzw. 69 in elektrischer Verbindung.

Dem zweiten Eingang des 1. UND-Gliedes 60 bzw. 64 bzw. 68 ist ein Laufrichtungssignal LR zugeführt. Es ist LR = "1" für die Thyristor-Zündfolge T 1, T 2, T 3, T 4, T 5, T 6 und LR = "0" für die Thyristor-Zündfolge T 1, T 6, T 5, T 4, T 3, T 2. Das Laufrichtungssignal LR ist in an sich bekannter Weise vom Drehzahlsignal S 7 abgeleitet und wird von der Steuerschaltung 12 geliefert. Das Laufrichtungssignal LR ist über ein NICHT-Glied 71 dem zweiten Eingang eines 2. UND-Gliedes 61 bzw. 65 bzw. 69 zugeführt, entsprechend der umgekehrten Laufrichtung.

Einem 1. ODER-Glied 62 ist eingangsseitig das von der Stuerschaltung 12 gelieferte Grund-Zündimpulssignal T 10, das Ausgangssignal des UND-Gliedes 65 und das Ausgangssignal des UND-Gliedes 68 zugeführt. Ausgangsseitig ist am ODER-Glied 62 das Zündimpulssignal T 1′ abgreifbar. Einem 2. ODER-Glied 66 ist eingangsseitig das von der Steuerschaltung 12 gelieferte Grund-Zündimpussignal T 30, das Ausgangssignal des UND-Gliedes 69 und das Ausgangssignal des UND-Gliedes 60 zugeführt. Ausgangsseitig ist am ODER-Glied 66 das Zündimpulssignal T 3′ abgreifbar. Einem 3. ODER-Glied 70 ist eingangsseitig das von der Steuerschaltung 12 gelieferte Grund-Zündimpulssignal T 50, das Ausgangssignal des UND-Gliedes 61 und das Ausgangssignal des UND-Gliedes 64 zugeführt. Ausgangsseitig ist am ODER-Glied 70 das Zündimpulssignal T 5′ abgreifbar.

Ist z. B. die zulässige Leitdauer des Thyristors T 1 überschritten, so muss der Thyristor T 3 sofort gezündet werden und somit den Thyristor T 1 abgeschalten. Mit SZ 1 = = "1" und z. B. LR = "1" ist das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 59 und folglich auch das Ausgangssignal des UND-Gliedes 60 für 40 µs auf "1". Während dieser 40 µs erhält dann das ODER-Glied 66 vom UND-Glied 60 ein "1"-Signal, so dass der Thyristor T 3 gezündet wird und der Thyristor T 1 dann abschaltet. Eine Strategie zum Ueberspringen eines nicht zündenden Thyristors auf Grund der Signalauswertung ist möglich.

Anstelle der beschriebenen Hardware-Schaltung kann selbstverständlich eine Software-Lösung verwendet und die Ueberwachung und Auswertung mittels eines Mikroprozessors durchgeführt werden. Die Ueberwachungs- bzw. Verzögerungszeiten können der Belastbarkeit der Thyristoren und der gewünschten Drehzahl der Asynchronmaschine 6 angepasst werden. Massgebend ist, dass überwacht wird, ob innerhalb einer vorgebbaren Grenzzeitdauer t _r von einem Thyristor-Zündimpuls T 1″ . . . T 6″ ein Spannungsabfall 72 und eventuell 75 (Fig. 10) der Zwischenkreisspannung U _ZK erfolgt.

Die Fehlersignale F 1 . . . F 6 können sowohl während des normalen Betriebs als auch bei Wartungsarbeiten zur Meldung von Unkorrektheiten verwendet werden. Diese Fehlersignale und ggf. der Speicherinhalt der Zähler Z 1 . . . Z 6 können mittels eines nicht dargestellten Aufzeichnungsgerätes dokumentiert werden. Die Diagnoseschaltung gemäss Fig. 4 eignet sich vorzugsweise zur Ueberwachung des Einschaltvorganges des Stromrichters, insbesondere zur Erkennung von Kurzschlüssen und Unterbrechungen in den Ventilen. Durch Vorgabe von Zündimpulsen können Kurzschlüsse von Ventilen auch ohne Betrieb des Stromrichters erkannt werden. Das beschriebene Verfahren ist für unterschiedliche Stromrichtertypen, wie selbstkommutierte, fremd- oder netz- oder lastgeführte Wechselrichter oder für Gleichrichter anwendbar, insbesondere auch zum Schutz von Stromrichtern in Hochspannungs-Gleichstrom-Uebertragungsanlagen.

• Bezeichnungsliste 1,6Gleichrichter, Eingangsstromrichter2,6Zwischenkreisdrossel3,6Gleichstromdetektor4,6Gleichspannungsdetektor5,6Wechselrichter6,6Asynchronmaschine7,6Drehzahldetektor8,6Kondensator9,6Widerstand10,6Signalerfassungsschaltung11,6Auswertschaltung12,6Steuerschaltung13,6Start-Stopp-Signal14,6Potentiometer, Grenzwertgeber für dU/dt 15,61. Analog-Digital-Schalter, Komparator20,62. Analog-Digital-Schalter, Komparator16, 22, 25, 50,,651, 53, 57, 71,6 NICHT-Glieder17, 24, 27, 35,,637, 39, 52, 54,,6 UND-Glieder60, 61, 64, 65,,668, 69,618, 21, 25, 59,,663, 67,6Verzögerungsglieder19,6Potentiometer, Grenzwertgeber für i _ZK 23, 36, 38, 40,6RS-Kippglieder, Signalspeicherglieder26,6NAND-Glied29, 30, 31,6Auswertblöcke32,6Zündfolgeüberwachungseinrichtung33, 34,6Leitdauerauswertblöcke41,6synchron anlaufendes und anhaltendes astabiles Kippglied42, 45,6Widerstände43,6Transistor44,6Leuchtdiode46, 47, 48,6Diagnoseschaltungen49, 62, 66, 70,6ODER-Glieder56,6variables Zeitglied58,6Ersatzzündimpulsbildner71,6flacher Spannungsabfall von U _ZK 72,6steiler Thyristor-Einschaltspannungsabfall bzw. -sprung von U _ZK 73,6lineare Anstiegsflanke von U _ZK 74,6sinusförmiger Spannungsanstieg von U _ZK 75,6steiler Diodenkommutierungsspannungsabfall bzw. -sprung von U _ZK Cl,6Taktsignal, TaktsignaleingangdT 1 . . . dT 6,6Leitdauern von T 1 . . . T 6 F 1 . . . F 6,6Fehlersignale FG,6Zündimpuls-Freigabesignal i _ZK ,6Zwischenkreisstrom i _ZKG ,6Zwischenkreisstrom-Grenzwert, Ansprechschwellwert LR,6Laufrichtungssignal R 1 . . . R 6,6Zählsignale S 3,6Zwischenkreissignal S 5,6Zwischenkreisspannungssignal S 7,6Drehzahlsignal von 7 S 15,6dU _ZK /dt-Vergleichssignal, Ausgangssignal
  von 15 S 18,6Fehlererkennungssignal S 20,6Auswertungsfreigabesignal S 54,6Zündimpuls-Blockiersignal SZ 1 . . SZ 6,6Zählerüberlaufsignale t _r ,6Grenzwert für die Thyristoreinschaltverzögerung t _x ,6Zeitpunkt T 1 . . . T 6,6Thyristoren, Ventile T 10 . . . T 60,6Grund-Zündimpulssignale T 1′ . . . T 6′,6Zündimpulssignale am Eingang von 32 T 1″ . . T 6″,6Zündimpulssignale für T 1 . . . T 6, Einschaltsignale U _ZK ,6Zwischenkreisspannung U _ZKG ,6Zwischenkreisspannungsgrenzwert (dU _ZK /dt) _G ,6Grenzwert des dU _ZK /dt-Signals, Ansprechschwellwert Z 1 . . . Z 6,6Zähler ZK,6Gleichstromzwischenkreis

Claims (12)

1. Verfahren zum Schutz eines Stromrichters (5) mit steuerbaren Ventilen (T 1 . . . T 6) und mit eingeprägtem Strom (i _ZK ),

• a) wobei die Ausführung der einzelnen Einschaltbefehle (T 1″ . . . T 6″) für die steuerbaren Ventile (T 1 . . . T 6) laufend überwacht wird,

dadurch gekennzeichnet,

• b) dass die Ueberwachung der Ausführung der Zündbefehle in Abhängigkeit von mindestens einem Spannungssprung (72, 75) der gleichstromseitigen Klemmenspannung (U _ZK ) des Stromrichters (5) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass als 1. Spannungssprung der Spannungsabfall (72) der gleichstromseitigen Stromrichter-Klemmenspannung (U _ZK ) nach einem Ventil-Einschaltimpuls (T 1″ . . . T 6″) ausgewertet wird,
• b) dass ein Fehlersignal (F 1 . . . F 6) erzeugt wird, wenn der 1. Spannungssprung der gleichstromseitigen Stromrichter-Klemmenspannung U _ZK ) nicht innerhalb einer vorgebbaren Grenzzeitdauer (t _r ) für die Ventileinschaltverzögerung erfolgt,
• d) dass nachfolgend als 2. Spannungssprung ein Diodenkommutierungsspannungsabfall (75) der gleichstromseitigen Stromrichter-Klemmenspannung (U _ZK ) ausgewertet wird und
• d) dass ein Fehlersignal (F 1 . . . F 6) erzeugt wird, wenn der 2. Spannungssprung länger als eine vorgebbare Zeitdauer ausbleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass die Grenzzeitdauer (t _r ) für die Ventileinschaltverzögerung im Bereich 20 µs . . . 80 µs gewählt wird,
• b) insbesondere, dass die Grenzzeitdauer im Bereich von 50 µs-60 µs gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung der Ausführung der Einschaltbefehle in Abhängigkeit von einem d| _ZK |/ dt-Signal der zeitlichen Ableitung des Absolutwertes der gleichstromseitigen Stromrichter-Klemmenspannung (U _ZK ) erfolgt, wenn dieses d|U _ZK |/dt-Signal einen vorgebbaren Grenzwert ((dU _ZK /dt _G ) überschreitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass kein Fehlersignal (F 1 . . . F 6) erzeugt wird, wenn der Zwischenkreisgleichstrom (i _ZK ) kleiner als ein vorgebbarer Gleichstrom-Grenzwert (i _ZKG ) ist,
• b) insbesondere, dass der Gleichstrom-Grenzwert im Bereich von 100 A-300 A gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass die Leitdauer (dT 1 . . . dT 6) jedes Ventils (T 1 . . . T 6) auf Überschreiten eines vorgebbaren ersten Leitdauergrenzwertes überwacht wird,
• b) insbesondere, dass der erste Leitdauergrenzwert im Bereich von 10%-20% über einem vorgebbaren Leitdauerwert liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass für jeden Fall, wenn die Leitdauer (dT 1 . . . dT 6) eines Ventils (T 1 . . . T 6) grösser als der erste Leitdauergrenzwert ist (SZ 1 = "1", . . . SZ 6 = = "1"), ein in der Einschaltfolge nachfolgendes Ventil einen Einschaltbefehl erhält (Fig. 7),
• b) insbesondere, dass das in der Einschaltfolge übernächste Ventil einen Einschaltbefehl erhält, wenn das nachfolgende nicht gezündet hat.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass die Leitdauer (dT 1 . . . dT 6) aller Ventile (T 1 . . . T 6) auf Überschreiten eines vorgebbaren zweiten Leitdauergrenzwertes, der grösser als der erste Leitdauergrenzwert ist, überwacht wird und
• b) dass in Abhängigkeit von einer Ueberschreitung des zweiten Leitdauergrenzwertes die Einschaltimpulse (T 1″ . . . T 6″) für die Ventile (T 1 . . . T 6) gesperrt werden.

9. Einrichtung zum Schutz eines an einen Gleichstromzwischenkreis (ZK) angeschlossenen Stromrichters,

• a) insbesondere eines selbstkommutierenden Wechselrichters (5),
• b) welcher steuerbare Ventile (T 1 . . . T 6) in seinen Brückenzweigen aufweist,
• c) mit einer Steuerschaltung (12) zur Erzeugung von Einschaltsignalen (T 1″ . . . T 6″) für die steuerbaren Ventile,

dadurch gekennzeichnet,

• d) dass ein Gleichspannungsdetektor (4) zur Detektion der Zwischenkreisspannung (U _ZK ) vorgesehen ist,
• e) der ausgangsseitig mit einem 1. Komparator (15) mit einstellbarem Grenzwert (U _ZKG , (dU _ZK /dt) _G ) in Wirkverbindung steht,
• f) dass dem 1. Komparator mindestens ein Zeitdauerüberwachungsglied (21 . . . 28) mit vorgebbarer Ueberwachungsdauer (t _r ) für das Zeitintervall zwischen einem Einschaltsignal (T 1″ . . . T 6″) und der Reaktion (72, 75) der Zwischenkreisspannung (U _ZK ) auf dieses Einschaltsignal nachgeordnet ist und
• g) dass dieses Zeitdauerüberwachungsglied ausgangsseitig mit einem Signal-Speicherglied (23) in Wirkverbindung steht, das eine Fehlerinformation speichert, wenn ein Grenzwertüberschreitungssignal (S 15 = "1") des 1. Komparators (15) länger als diese Ueberwachungsdauer (t _r ) andauert.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

• a) dass der 1. Komparator (15) über ein Differenzierglied (8, 9) mit dem Ausgang des Gleichspannungsdetektors (4) in Wirkverbindung steht,
• b) dass ein Gleichstromdetektor (3) zur Detektion des Zwischenkreisstromes (i _ZK ) vorgesehen ist,
• c) der ausgangsseitig mit einem 2.Komparator (20) mit einstellbarem Zwischenkreisstrom-Grenzwert (i _ZKG ) in Wirkverbindung steht und
• d) dass der 2. Komparator (20) ausgangsseitig über mindestens ein Blockierglied (17, 20) mit dem Signal- Speicherglied (23) in Wirkverbindung steht, welches Blockierglied für Zwischenkreisströme (i _ZK ), die kleiner als der Zwischenkreisstromgrenzwert (i _ZKG ) sind, die Speicherung einer Fehlerinformation in dem Signal-Speicherglied verhindert.