DE4136730A1 - Spannungsbegrenzerschaltung fuer eine elektronische loescheinrichtung zur havarieabschaltung von stromrichtern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Betrieb von vorzugsweise netzgeführten Stromrichtern, die während eines Teils ihrer Betriebszeit als Wechselrichter arbeiten und bei Ausfall der Netzspannung oder anderen Havariesituationen durch Kippen des Wechselrichters ge­ fährdet sind. Netzgeführte Stromrichter sind z. B. als Zwischen­ kreisumrichter in untersynchronen Stromrichterkaskaden einge­ setzt.

Zur schnellen Unterbrechung des beim Wechselrichterkippen ent­ stehenden Überstromes ist aus der DD-PS 2 57 533 der Einsatz einer Löscheinrichtung bekannt, die den Strom des havarierten Thy­ ristors auf einen Kondensatorzweig kommutiert und ihn dann durch die Kondensatorspannung auf den Wert Null zurückführt.

Entscheidend für die Funktion der Thyristor-Löscheinrichtung ist die Begrenzerschaltung für die Löschkondensatorspannung. Sie muß über einige ms den vollen Gleichstrom führen und dabei den Groß­ teil der Energie des Kurzschlußkreises aufnehmen. Die Kondensa­ torspannung darf dabei trotzdem die zulässige Sperr-/Blockier­ spannung der Wechselrichterhauptventile nicht überschreiten.

Als Begrenzerschaltung für die Kondensatorspannung wurde in der DD-PS 2 57 533 ein Varistor (Metalloxid-Varistor) vorgeschlagen. Üblich ist auch die Verwendung einer Anzahl parallelgeschalteter Zweige, die jeweils aus einem Metalloxid-Varistor und einem in Reihe geschalteten linearen (Scherungs-)Widerstand aufgebaut sind. Der Metalloxid-Varistor realisiert dabei sowohl eine Span­ nungsbegrenzerfunktion bei großen Strömen als auch beim Verlö­ schen des Löschthyrisors infolge Unterschreiten des Thyristor- Haltestromes bei kleiner Kondensatorspannung.

Damit ist zwar die Schaltungsstruktur sehr einfach, die Strom-, Spannungs- und Energieanforderungen an den Metalloxid-Varistor sind aber hinsichtlich seiner Lebensdauer nur durch eine große Anzahl parallelgeschalteter Varistoren zu erfüllen. Die Parallel­ schaltung erfordert aber Bauelementetoleranzen von weniger als 1% und ist somit wirtschaftlich nicht zu realisieren. Scherungs­ widerstände schränken die Spannungsbegrenzerfunktion wiederum erheblich ein. Die Schaltung ist mit vertretbarem Aufwand deshalb nur bei kleinen Löschleistungen der Thyristor-Löscheinrichtung anwendbar.

In Form von Siliziumkarbid-Varistoren stehen auch leistungsfähige Begrenzerwiderstände zur Verfügung. Siliziumkarbid-Varistoren sind parallelschaltbar und können große Energiemengen zerstö­ rungsfrei aufnehmen. Sie benötigen jedoch wegen ihrer nur schwach gekrümmten Spannungs-Strom-Kennlinie zusätzliche Ein- und Aus­ schalteinrichtungen, die wegen der erforderlichen Ansprechzeit nur elektronisch realisierbar sind.

In Fig. 1 ist die dazu übliche Schaltung mit einem Löschkondensa­ tor, einem Einschaltventil und einem Hilfslöschkreis, bestehend aus einem Löschkondensator und einem Löschventil, dargestellt. Der durch die Freiwerdezeit des Einschaltventils bestimmte Kon­ densator des Hilfslöschkreises beeinflußt jedoch den Spannungs­ verlauf am Löschkondensator, so daß die Schaltung hinsichtlich Dimensionierung und Betrieb für diesen Anwendungsfall sehr kri­ tisch ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Begrenzerschaltung für die Kondensatorspannung in Thyristor-Löscheinrichtungen für netzge­ führte Stromrichter anzugeben, die in der Lage ist, bei vertret­ barem Aufwand größere Löschleistungen sicher zu beherrschen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen dargelegten Mittel gelöst.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine bekannte Anordnung mit Siliziumkarbid-Varistoren und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Lösung.

Die Thyristor-Löscheinrichtung besteht aus dem Löschthyristor V10, der zusammen mit dem Löschkondensator C10 über die Ankoppel­ dioden V11 . . . V15 an den Stromrichter angekoppelt ist.

Es sei angenommen, daß der Wechselrichter, der die Energie aus dem Zwischenkreis ins Netz zurückliefert, infolge einer Netzspan­ nungsabsenkung, eines Überstromes oder eines Zündfehlers kippt. Der sich darauf im Zwischenkreis ausbildende Überstrom veranlaßt die Zündung des Löschthyristors V10 der Löscheinrichtung zum Zeitpunkt t₀. Der Löschkondensator wurde vorher durch eine exter­ ne Ladequelle auf die Spannung U₁ aufgeladen. Der Löschkondensa­ tor C10 entlädt sich über den Löschthyristor V10 in den Zwischen­ kreis, wobei das betroffene Hauptventil gelöscht wird. Die Span­ nung des Löschkondensators C10 liegt während der Freihaltezeit als Sperrspannung an diesem Hauptventil an.

Der Gleichstrom i_d steigt unter dem Einfluß der Kondensatorspan­ nung U_c zunächst noch an, wird aber bei Polaritätsumkehr am Löschkondensator C10 abgebaut. Der Löschkondensator C10 lädt sich in umgekehrter Richtung auf, bis der zulässige Spannungsgrenzwert erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt (t₁) zündet die Steuerung das Begrenzerventil Vb10, einen GTO-Thyristor, das den Silizium- Karbid-Varistor R10 als nichtlinearen Widerstand zum Löschkon­ densator C10 parallelschaltet, so daß die Kondensatorspannung U_c nur noch geringfügig weiter ansteigt. Sie fällt anschließend mit dem Gleichstrom i_d entsprechend der Kennlinie des Siliziumkarbid- Varistors R10. Wenn i_d=0 wird, wird der Löschthyristor V10 strom­ los und damit nach seiner Freiwerdezeit wieder sperr-/blockier­ fähig.

Je nach Anfangsbedingungen und Anlagenkennwerten ist es möglich, daß der Gleichstrom i_d nicht sofort gegen Null geht, sondern wieder ansteigt. Der Anstieg wird von der Steuerung erfaßt, und bei di_d/dt 0 wird das Begrenzerventil Vb10 abgeschaltet (Zeit­ punkt t₂). Der Reststrom fließt über den Siliziumkarbid-Varistor R10, den Kondensator C11 und den parallel liegenden Löschkonden­ sator C10. Die Spannung U_c am Löschkondensator C10 steigt darauf wieder an.

Damit der Siliziumkarbid-Varistor nicht bereits im Scheitelwert des Gleichstromes i_d (bei di_d/dt = 0) abgeschaltet wird, wird der Abschaltvorgang durch eine Zeitstufe solange verzögert, bis der Gleichstrom i_d wesentlich kleiner als der Scheitelwert geworden ist.

Zur Sicherheit wird das Begrenzerventil Vb10 in jedem Fall nach einer einstellbaren Zeit (t₃) über eine zweite Zeitstufe ge­ löscht.

Unter ungünstigen Bedingungen steigt die Kondensatorspannung U_c während des oben beschriebenen nochmaligen Stromanstieges über den zulässigen Grenzwert an. Um dies zu verhindern, wird zusätz­ lich ein Metalloxid-Varistor R11 zum Löschkondensator C10 paral­ lelgeschaltet, der die Restenergie, die wesentlich kleiner als die im Siliziumkarbid-Varistor R10 umgesetzte ist, aufnimmt. Notfalls kann auch eine Reihenschaltung von Metalloxid-Varistor und linearem Widerstand bzw. eine Parallelschaltung mehrerer derartiger Zweige parallelgeschaltet werden, wenn die Restenergie für einen Metalloxid-Varistor zu groß wird.

Ggf. kann zum Metalloxid-Varistor R11 eine Sperrdiode in Reihe geschaltet werden, um dessen Belastung bei einer hohen Anfangsspannung des Löschkondensators C10 bzw. Rückströme zu vermeiden.

Claims (5)

1. Spannungsbegrenzerschaltung für elektronische Löscheinrichtungen zur Havarieabschaltung von Stromrichtern, vorzugsweise netzge­ führten Stromrichtern, bestehend aus einem Löschthyristor und einem Löschkondensator, dadurch gekennzeichnet, daß zum Löschkon­ densator (C10) ein nichtlinearer Widerstand (R10), vorzugsweise ein Siliziumkarbid-Varistor, in Reihe mit einem über das Gate abschaltbaren Thyristor (Vb10), dem ein Kondensator (C11) paral­ lelgeschaltet ist, und ein oder mehrere weitere nichtlineare Widerstände, vorzugsweise ein Metalloxid-Varistor (R11), ggf. in Reihe mit einer Sperrdiode und/oder einem linearen Widerstand, parallelgeschaltet sind.

2. Spannungsbegrenzerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste nichtlineare Widerstand (R10) in Abhän­ gigkeit von der Kondensatorspannung (U_c) zuschaltbar ist.

3. Spannungsbegrenzerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste nichtlineare Widerstand (R10) in Abhän­ gigkeit von der Stromänderung (di_d/dt) im Löschkreis zuschaltbar ist.

4. Spannungsbegrenzerschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der über das Gate abschaltbare Thyristor (Vb10) erst nach einer einstellbaren Sicherheitszeit nach seiner Zündung (t₁) löschbar ist.

5. Spannungsbegrenzerschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der über das Gate abschaltbare Thyristor (Vb10) nur für eine bestimmte maximale Zeit (t₃) ein­ schaltbar ist.