DE3936338A1 - Verfahren zum schutz eines gto-thyristor-pulswechselrichters im kurzschluss - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus GTO-Thyristoren aufgebaute Pulswechselrichter als ausgangsseitiger Teil eines Umrichters mit (Gleich-) Spannungszwischenkreis sind durch die Zeit­ schrift "Elektrische Bahnen eb", 86. Jahrgang, Heft 3/1988, Seiten 81 bis 93 bekannt.

Derartige GTO-Thyristor-Pulswechselrichter können ausgangsseitig auch eine Synchronmaschine speisen oder über Drosseln an ein (Wechselspannungs-) Netz angekoppelt werden. Zum Überstromschutz sind dann - wenn die Ausgangs­ leistung des Pulswechselrichters nicht stark reduziert werden soll und der Stromanstieg nicht unnötig begrenzt werden soll - in den Verbindungsleitungen Sicherungen vorzusehen. Ebenfalls ist in den Anschluß des Pulswechselrichters an den Spannungszwischenkreis eine Zwischenkreissicherung geschaltet.

Im Prinzipschaltbild zeigt Fig. 1 der Zeichnung einen solchen (hier nur sym­ bolisch angedeuteten) GTO-Thyristor-Pulswechselrichter PWR, der über eine Zwischenkreissicherung F_d an einen hier durch eine Gleichspannungsquelle U_d symbolisierten Spannungszwischenkreis angeschlossen ist und wechselspannungs­ seitig an ein dreiphasiges, durch drei Wechselspannungsquellen U_N dargestelltes Drehstromnetz über drei Drosseln L_N und drei Sicherungen F_N angekoppelt ist.

Gemäß Fig. 2 der Zeichnung speist der gleichspannungsseitig entsprechend Fig. 1 geschaltete Pulswechselrichter PWR über drei Sicherungen F_S eine dreiphasige Synchronmaschine SM, die das Drehstromnetz und die drei Dros­ seln ersetzt.

Bei einem inneren Kurzschluß des Pulswechselrichters PWR (d. h. der Quer­ zündung einer Wechselrichterphase zwischen dem positiven und dem negativen Anschluß an den Spannungszwischenkreis) muß der Wechselrichter PWR von den Spannungsquellen U_d, U_N bzw. von der Synchronmaschine SM getrennt werden. Dies geschieht durch Auftrennen der Sicherungen F_d und F_N bzw. F_S mittels des Kurzschlußstromes.

Bei einem Kurzschluß am Netz am Ausgang des Pulswechselrichters PWR können bei geeigneter Dimensionierung der Drosseln die Wirkungen des Kurz­ schlusses im Netz durch Abschalten der GTO-Thyristoren vom Pulswechsel­ richter PWR ferngehalten werden.

Der Pulswechselrichter PWR kann, wenn dieser die Synchronmaschine speist, bei einem Kurzschluß am Ausgang des Pulswechselrichters durch die Kurzschluß­ ströme zerstört werden, bevor die Sicherungen F_S den Stromkreis auftrennen. Daher muß die Zwischenkreisspannung über die Sicherung F_d abgetrennt werden, um die GTO-Thyristoren zu schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, durch das einerseits die GTO-Thyristoren beim Fließen des Kurzschlußstromes infolge von inneren Kurzschlüssen des Pulswechsel­ richters oder von ausgangsseitigen Kurzschlüssen des Pulswechselrichters bei der Netzankopplung oder bei der Speisung einer Synchronmaschine nicht zer­ stört werden, andererseits lediglich die Zwischenkreissicherung, nicht aber die ausgangsseitigen Sicherungen ansprechen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahrens­ schritte gelöst.

Durch die Zündung (Querzündung) sämtlicher GTO-Thyristoren werden vor­ teilhafterweise die GTO-Thyristoren in einem fehlerhaften Zweig des Puls­ wechselrichters soweit entlastet, daß sie nicht zerstört werden. Die Querzün­ dung sichert einen ausreichenden Kurzschlußstrom zum Auftrennen der Zwischen­ kreissicherung. Infolge der Abschaltung aller GTO-Thyristoren nach der ersten Halbschwingung des Kurzschlußstromes im Stromnulldurchgang wird ein Ab­ schaltvorgang bei hohem Anodenstrom durch die GTO-Thyristoren im Kurz­ schlußfall vermieden, so daß die ausgangsseitigen Sicherungen bei geeigneter Dimensionierung nicht ansprechen (d. h. sie werden nicht zerstört), und die Sicherungen müssen nach dem Kurzschlußfall nicht ersetzt werden. Da die Sicherungen nur die erste Halbschwingung des Kurzschlußstromes führen, müssen sie auch nur hierfür ausgelegt sein. Die Sicherungen dienen nur noch einem übergeordneten Schutz.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

In kritischen Fällen kann der Pulswechselrichter von den Kurzschlußströmen durch Kurzschließer Kd im Zwischenkreis bzw. Kurzschließer KA am Wechsel­ spannungsausgang entlastet werden, wie dies Fig. 3 zeigt. Diese Kurzschließer können ebenfalls Halbleiterschaltelemente sein. Die Kurzschließer Kd und K A müssen dann ebenfalls nach Auftrennen der Sicherung F_d abschaltbar sein. Für die Kurzschließer KA genügen in diesem Fall konventionelle Thyristoren, da sie ohnehin im Stromnulldurchgang ausschalten.

Eine vorteilhafte Methode, um die GTO-Thyristoren im Pulswechselrichter PWR im stromlosen Zustand auszuschalten, ist, jeden GTO-Thyristor in den be­ schriebenen Kurzschlußfällen mit einem Kurzimpuls zu zünden, ohne daß nach der Wegnahme des kurzen Zündimpulses eine negative Gate-Kathoden-Spannung an den GTO-Thyristor gelegt wird. In diesem Fall kommutiert der Kurzschluß­ strom im Nulldurchgang vom GTO-Thyristor auf eine ihm normalerweise anti­ parallelgeschaltete Diode bzw. er verschwindet im anderen Falle vollständig.

Dies setzt einen Zündverstärker bzw. eine Ansteuerung jedes GTO-Thyristors voraus, die drei Gate-Zustände ermöglicht:

• 1. Definierter Ein-Zustand (positiver Zündstrom)
• 2. Definierter Aus-Zustand (negative Gate-Kathoden-Spannung)
• 3. Leitend bzw. selbstsperrend je nach Strom- bzw. Spannungsrichtung (Gate-Kathoden-Strecke mit einem parallelen Widerstand verbunden).

Diese drei Gate-Zustände eines GTO-Thyristors GTO sind z. B. durch eine in Fig. 4 gezeigte Ansteuerschaltung über die durch einen Anschluß ST steuerbare Stellung eines Schalters S realisierbar.

Für den ersten oben angegebenen Gate-Zustand (Stellung (1) des Schalters S) liefert eine Spannungsquelle U₁ einen positiven Zündstrom zum Gate G des GTO-Thyristors GTO. Die Anoden-Kathoden-Strecke A-K des GTO-Thyristors wird damit in den leitenden Zustand gesteuert.

Für den zweiten Gate-Zustand, durch den der GTO-Thyristor GTO abge­ schaltet wird (Stellung (2) des Schalters S), wird durch eine Spannungsquelle U₂ eine negative Gate-Kathoden-Spannung an die Strecke D-K des GTO-Thy­ ristors gelegt.

Der dritte Gate-Zustand des GTO-Thyristors GTO, der diesem eine Thyristor­ funktion verleiht (Stellung (3) des Schalters S), wird durch eine parallele Ver­ bindung zur Strecke G-K über einen (verhältnismäßig kleinen) ohmschen Wider­ stand R hergestellt. Der Anodenstrom erlischt dann automatisch beim Null­ durchgang.

Eine weitere Möglichkeit den GTO-Thyristor definiert im Nulldurchgang der ersten Schwingung des Kurzschlußstromes zu sperren, bietet die Erfassung der Stromleitdauer jedes GTO-Thyristors im Pulswechselrichter. Dieses kann durch eine Überwachung der Anoden-Kathoden-Spannung oder der Gate- Kathoden-Spannung oder des Anodenstromes erfolgen. Ein Logikglied im Zündverstärker oder in der Steuerung schaltet zu demjenigen Zeitpunkt negative Spannung an die Gate-Kathoden-Strecke, wenn der betreffende GTO-Thyristor keinen Strom im Anodenkreis mehr führt.

In diesem Fall wird verhindert, daß im Schutzfall der GTO-Thyristor einen für ihn zu hohen Strom abschaltet.

Nach dem Beheben der beschriebenen Fehlerfälle ist jeweils nur ein Aus­ wechseln der Zwischenkreissicherung F_d notwendig.

Claims (4)

1. Verfahren zum Schutz eines aus einem durch eine Zwischenkreis- Sicherung geschützten Spannungszwischenkreis gespeisten GTO- Thyristor-Pulswechselrichters, der ausgangsseitig (über Sicherungen) an ein Netz oder an eine Synchronmaschine geschaltet ist, bei einem inneren oder einem ausgangsseitigen Kurzschluß, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten auftretenden Halbschwingung des Kurzschluß­ stromes sämtliche GTO-Thyristoren zwischen dem positiven und dem negativen Pol des Spannungszwischenkreises zum Auftrennen der Zwischenkreis-Sicherung in den leitenden Zustand gesteuert werden und dann beim Stromnulldurchgang gesperrt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die GTO-Thyristoren durch Kurzimpulse in den leitenden Zustand gesteuert werden und anschließend ihre Gate-Kathoden-Strecken über einen ohmschen Widerstand verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum definierten Sperren der GTO-Thyristoren im Nulldurchgang der ersten Halbschwingung des Kurzschlußstromes die Stromleitdauer der GTO-Thyristoren jeweils durch Überwachung der Anoden-Kathoden- Spannung, der Gate-Kathoden-Spannung oder des Anodenstromes erfaßt wird und sobald der jeweilige GTO-Thyristor keinen Strom im Anoden­ kreis mehr führt, eine negative Steuerspannung an seine Gate-Kathoden- Strecke gelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz von Kurzschließern, die den GTO-Thyristor-Pulswech­ selrichter im Kurzschlußfall entlastend gleich- und wechselspannungs­ seitig kurzschließen, diese ebenfalls lediglich für die erste auftretende Halbschwingung des Kurzschlußstromes durchgeschaltet werden.