DE4034723C2 - Verfahren zum Schutz von netzgeführten Wechselrichtern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von netzgeführten Wechselrichtern im Fall des Wechselrichterkippens.

Netzgeführte Wechselrichter sind Stromrichter, die der Energieübertragung von einem Gleichstrom- in ein Wechselstromnetz dienen. In der Praxis werden sie vor­ zugsweise zur elektrischen Bremsung von Gleichstrommotoren (mit Energierück­ speisung) und als Bestandteil von Zwischenkreisumrichtern für untersynchrone Stromrichterkaskaden eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete sind z. B. der Strom­ richtermotor und asynchrone Netzkupplungen.

Netzgeführte Wechselrichter reagieren auf Störungen im Haupt- und Hilfsnetz und auf Ausfälle von Bauelementen bzw. Baugruppen des Leistungs- oder Informationsteiles des Wechselrichters sehr empfindlich. Infolge derartiger Störungen kann es zum Aussetzen der Kommutierung und zum echselrichterkippen kommen, wodurch ein Überstrom auftreten und überflinke Sicherungen der Halbleiterventile ansprechen können. Wenn Sicherungen abschmelzen, ist die Stromrichteranlage im allgemeinen ernsthaft gestört und muß vor der Wiedereinschaltung instandgesetzt werden.

Zum Schutz der Ventile und überflinken Sicherungen des netzgeführten Wechsel­ richters werden unterschiedliche Maßnahmen zur Begrenzung oder Unterbrechung des Überstromes angewendet. Zu den Schutzeinrichtungen zählen z. B. der einpolige Schnellschalter auf der Gleichstromseite des Wechselrichters oder der mit steuerbaren Ventilen ausgelegte Läufergleichrichter einer untersynchronen Strom­ richterkaskade oder die elektronische Löscheinrichtung zur Zwangslöschung der überstromführenden Ventile des Wechselrichters. Derartige elektronische Löschein­ richtungen bestehen, wie in der DD-Patentschrift 257 533 beschrieben, im wesent­ lichen aus einem Löschkondensator mit separater Ladeeinrichtung und parallel geschaltetem Widerstand, Halbleiterventilen zum Anschluß und zur Entkopplung der Wechselstromleiter des Wechselrichters an den Löschkondensator, einem Lösch­ ventil, das im Überstromfall gezündet wird, sowie elektronischen Baugruppen zur Stromerfassung, Steuerung und Überwachung der Löscheinrichtung. Mit dieser Löscheinrichtung wird der Strom entweder auf der Gleichstrom- oder auf der Dreh­ stromseite des Wechselrichters erfaßt und elektronisch überwacht, z. B. mittels Komparatoren. Als Kriterium für die Auslösung der Löscheinrichtung wird herkömm­ lich das Überschreiten eines Stromgrenzwertes verwendet. So kann z. B. der Auslöse­ wert einige Prozent über dem Wert der Strombegrenzungsregelung liegen. Durch die Störung und den anschließenden Löschvorgang steigt der Strom des Wechsel­ richters im ersten Moment weiter an und geht dann auf Null. Somit können durch den Strom und den Löschvorgang erhebliche Belastungen der Halbleiterventile des Wechselrichters auftreten.

Aus der US-Patentschrift 42 38 821 ist bekannt, bei einem selbstgeführten Wechselrichter, der als Bestandteil eines frequenz- und spannungsgesteuerten Um­ richter über einen vollgesteuerten Gleichrichter gespeist wird, eine aus dem ständigen Vergleich des Zwischenkreisstromes mit dem lastseitigen Wechselstrom ermittelte Differenz als Kriterium für eine Störung heranzuziehen und über eine Ein­ flußnahme auf den Eingangsgleichrichter eine Stromunterbrechung im Umrichter zu realisieren. Damit ist diese Lösung aber weder auf einen allein betriebenen netzge­ führten Wechselrichter anwendbar, noch kann damit die Stromabschaltung des Wechselrichters bis zu einem Zeitpunkt des Störgeschehens eingeleitet werden, zu dem sich im Verlauf des zu löschenden bzw. auszuschaltenden Gleichstromes noch keine hohen Stromwerte eingestellt haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch frühzeitiges Erkennen des Wechselrichterkippens eines netzgeführten Wechselrichters und unverzögertes Auslösen geeigneter Überstromschutzeinrichtungen den Stromkreis des Wechselrichters zu öffnen, bevor sich hohe Stromwerte einstellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 dargelegten Mittel gelöst.

Am Beispiel eines netzgeführten Wechselrichters mit elektronischer Löscheinrichtung, der Bestandteil des Zwischenkreisumrichters einer untersynchronen Stromrichterkaskade ist, soll die Erfindung näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Erfindung,

Fig. 2 den typischen zeitlichen Verlauf des Gleichstromes im Zwischenkreis während der Durchzündung und der Zwangslöschung des Wechselrichters bei Überstromtriggerung und

Fig. 3 den typischen Verlauf des Gleichstromes für den Fall der Differenzstromtriggerung.

Die untersynchrone Stromrichterkaskade ist in bekannter Weise aus einem Drehstrom-Asynchronmotor M mit Anlaßwiderstand R1, verschiedenen Leistungsschaltgeräten Q und dem Stromrichter, bestehend aus Läufergleichrichter LGR, netzgeführtem Wechselrichter WR, Gleichstromglättungsdrossel L_d und Stromrichtertransformator T, aufgebaut. Das Informationsteil IT1 liefert die Steuerimpulse für den Wechselrichter WR, deren Phasenlage von der Strom- und Drehzahlregelung der untersynchronen Stromrichterkaskade bestimmt wird, was in Fig. 1 durch die Regelsignale Stromistwert I_Ist1 des Wechselrichters WR sowie Drehzahlsollwert n_soll und Drehzahlistwert n_ist angedeutet ist.

Bei Störungen, die zu Wechselrichterkippen verbunden mit Überstrom führen können, wird der Wechselrichter WR mittels elektronischer Löscheinrichtung zwangsweise gelöscht, um das Abschmelzen überflinker Sicherungen der Halbleiterventile zu vermeiden. Die in Fig. 1 dargestellte Löscheinrichtung setzt sich im wesentlichen aus einer Ladeeinrichtung LE für den Löschkondensator LK, einem parallel zum Löschkondensator LK geschalteten spannungsabhängigen Widerstand R2, einem Löschthyristor LT und drei Entkopplungsdioden V zusammen.

Der Löschvorgang wird durch Zünden des Löschthyristors LT eingeleitet, wobei der Zündimpuls von der Ansteuerung St des Informationsteiles IT2 der Löscheinrichtung ausgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird die Löscheinrichtung unverzögert ausgelöst, wenn zwischen dem Stromistwert der Gleichstromseite I_Ist2, das ist der vom Gleichstrom i_d im Zwischenkreis abgeleitete Istwert, und dem Stromistwert der Drehstromseite I_Ist1 des Wechselrichters WR eine Differenz auftritt, oder wenn der Stromistwert der Gleichstromseite I_Ist2 einen zulässigen Maximalwert, z. B. den Strombegrenzungswert, überschreitet. Beim Auftreten einer Stromdifferenz, wie sie im Falle einer Durchzündung des Wechselrichters WR auftritt, spricht der Differenzstrom-Komparator DK an. Wird ein maximal zulässiger Stromwert überschritten, dann spricht der Überstromkomparator ÜK an. Durch die unverzögerte Auslösung der Löscheinrichtung beim Auftreten einer Stromdifferenz wird erreicht, daß der gestörte Wechselrichter WR genau in dem Zeitpunkt des Störungsverlaufs gelöscht wird, in welchem der kleinste Augenblickswert des zu löschenden Stromes auftritt. Der Strom ist dann in jedem Falle kleiner als der Nennstrom bzw. der maximal zulässige Strom des Wechselrichters WR. Das Ansprechen eines dieser beiden Komparatoren führt bereits zur Auslösung der Zwangslöscheinrichtung durch Zünden des Löschthyristors LT. Zum Verständnis der Erfindung werden folgende Erkenntnisse erläutert, die der Erfindung zugrunde liegen:
Verschiedene Störungen am netzgeführten Wechselrichter führen durch Aussetzen der Kommutierung, z. B. verursacht durch Zündversagen eines Ventils, zum Wechselrichterkippen, was zu einem Überstrom führen kann. Beim Wechselrichterkippen sind grundsätzlich zwei Fälle zu unterscheiden:

• 1. Wechselrichterkippen mit Beteiligung des Wechselstromnetzes:
  Durch Aussetzen aller Kommutierungsvorgänge, verursacht z. B. durch Ausfall aller Zündimpulse (möglicherweise durch Spannungsausfall des Hilfsnetzes des Informationsteiles), fließt der Strom weiterhin über den Gleichstromkreis und zwei Stränge der Netzseite. Unter dem Einfluß beider Spannungskomponenten auf der Gleichstrom- und Wechselstromseite des Wechselrichters verläuft der Strom nach einer e-Funktion mit überlagerter Wechselgröße. Bedingt durch den Verlauf der Netzwechselspannung nimmt der Strom unmittelbar nach dem Wechselrichterkippen erst ab und geht unter Umständen, d. h. bei kleinem Anfangsstrom (Laststrom) und/oder kleiner Gleichspannung, auf Null - die Ventile des Wechselrichters verlöschen. Bei großen Werten von Strom und/oder Gleichspannung verlischt der Wechselrichter nicht von allein, sondern es kommt zum Überstrom. Das Auftreten von Überstrom infolge Wechselrichterkippen mit Netzbeteiligung ist somit an bestimmte Bedingungen geknüpft; dieser Fall hat erfahrungsgemäß in der Praxis nur wenig Bedeutung.
• 2. Wechselrichterkippen ohne Beteiligung des Wechselstromnetzes (wird auch als Durchzündung des Wechselrichters bezeichnet):
  Eine Vielzahl in der Praxis vorkommender Fehler bzw. Störungen wie z. B. starke Netzspannungsabsenkung, Zündversagen durch Impulsausfall, Sperrversagen eines Ventils, Abschmelzen einer überflinken Ventilsicherung u.a.m. führen zum einmaligen Aussetzen der Kommutierung durch Zündversagen eines Brückenzweiges. Durch den Verlauf der Netzwechselspannung nimmt der Strom nach dem Aussetzen der Kommutierung zuerst ab und kann bei kleinem Laststrom (Anfangsstrom) und/oder kleiner Gleichspannung zum Verlöschen der Thyristoren des Wechselrichters führen. Andernfalls, wenn der Wechselrichter nicht erlischt, bewirkt der regulär folgende Zündimpuls die Durchzündung des Wechselrichters. Eine Durchzündung ist dann eingetreten, wenn zwei in Reihe liegende Brückenzweige Strom führen. Die auf der Gleichstromseite des Wechselrichters anliegende Gleichspannung ist vom durchgezündeten Wechselrichter kurzgeschlossen und treibt einen nach einer e- Funktion ansteigenden Kurzschlußstrom. Der Laststrom in den Netzsträngen des Wechselrichters geht im Augenblick der Durchzündung auf Null.

Mit der Erfindung werden diese Erkenntnisse genutzt, nämlich daß eine Vielzahl von Störungen und Fehlern zur Durchzündung des Wechselrichters führen, daß der Gleichstrom im Verlaufe des Wechselrichterkippens erst abnimmt, seinen kleinsten Augenblickswert im Moment der Durchzündung erreicht und erst danach der Kurzschlußstrom im Gleichstromkreis ansteigt, und daß der Netzstrom im Moment der Durchzündung auf Null geht. Eine positive Abweichung des Gleichstromes vom Wechselstrom wird als sicheres Zeichen für eine Durchzündung des Wechselrichters gewertet.

In Fig. 2 ist der typische Verlauf des Gleichstromes i_d vor und während einer Durchzündung und anschließenden Zwangslöschung mittels elektronischer Löscheinrichtung nach Fig. 1 für den Fall der Überstromtriggerung dargestellt.

Fig. 3 zeigt den typischen Stromverlauf für den Fall der Differenzstromtriggerung mit gleicher Löscheinrichtung.

In den Stromverläufen gemäß Fig. 2 und Fig. 3 ereignet sich zu den Zeitpunkten t folgendes:

t₁ - Aussetzen der Kommutierung in einem Brückenzweig des Wechselrichters WR;
t₂ - Durchzündung des Wechselrichters WR;
t₃ - Zündung des Löschthyristors LT der Löscheinrichtung durch Überstromtriggerung;
t₄ - Zündung des Löschthyristors LT der Löscheinrichtung durch Differenzstromtriggerung;

wobei die Maßeinheit der Zeit t in dem gezeigten Beispiel 4 ms/Raster und die des Gleichstromes i_d 167 A/Raster beträgt.

Ein Vergleich von Fig. 2 und Fig. 3 läßt deutlich erkennen, daß die Auslösung einer Löscheinrichtung mittels Differenzstrom-Komperator zu wesentlich kleineren Amplituden und Zeitflächen des Überstromes und Löschstromes führt.

Diese Methode der Früherkennung einer Störung an einem netzgeführten Wechselrichter gestattet eine optimal kleine Auslegung des Leistungsvermögens einer Überstromschutzeinrichtung (die Nenngrößen des Löschkondensators, der Ladeeinrichtung, der Halbleiterventile etc. können wesentlich geringer gewählt werden) und ermöglicht im Falle einer Durchzündung und anschließenden Löschung des Wechselrichters außerdem eine weitestgehende Schonung der Bauelemente des Wechselrichters, vor allem der Halbleiterventile. Die Stromdifferenz kann dabei auf einfache Weise elektronisch erfaßt werden. Zum Beispiel können dem Gleich- und Wechselstrom proportionale Istwertspannungen auf den nichtinvertierenden und auf den invertierenden Eingang eines Komparators gegeben werden. Das Überwiegen des Gleichstromistwertes muß dabei zum Ansprechen des Komparators und zur unverzögerten Auslösung einer Überstromschutzeinrichtung führen.

Claims (3)

1. Verfahren zum Schutz von netz­ geführten Wechselrichtern, wobei eine Augenblickswertabweichung des Gleichstromes vom Wechselstrom bei einer ständigen stromvergleichenden Messung auf der Gleichstrom- und Wechselstrom- bzw. Drehstromseite des Wechselrichters eine unverzögerte Auslösung einer Schutzeinrichtung bewirkt, die zur Auftrennung der Stromkreise durch elektronische Einrichtungen zur Zwangslöschung des Wechsel­ richters oder durch Schaltgeräte zur Trennung des Wechselrichters von der den Überstrom speisenden Energiequelle in dem Zeitpunkt des Störgeschehens am Wechselrichter führt, in welchem der zu löschende Gleichstrom einen minimalen Augenblickswert aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich zur ständigen stromvergleichenden Messung die Absolutwerte des Gleichstromes und/oder des Wechselstromes über­ wacht werden und bei Überschreitung eines zulässigen Maximalwertes eine Über­ stromschutzeinrichtung unverzüglich ausgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzein­ richtungen elektronische Schutzeinrichtungen sind.