DE4237283C1 - Semiconductor power loss protecting method - waiting set time between disconnection of one of 2 anti-parallel bridge circuits in converter and switching in other bridge circuit. - Google Patents

Semiconductor power loss protecting method - waiting set time between disconnection of one of 2 anti-parallel bridge circuits in converter and switching in other bridge circuit.

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Abstract

The protection method for semiconductor switches (1--V1) in a DC/AC converter feeding energy back into the supply network (U,V,W), involves using a waiting time introduced between the disconnection of one of 2 anti-parallel bridge circuits (1,8) incorporated in the converter and switching in of the other bridge circuit. When the network voltage fails a common control pulse is provided for the semiconductor switches causing them to be conductive when no working time is present. Pref. the anti-parallel bridge circuits are coupled to an intermediate circuit with a capacitor (3) in parallel with a free-running diode (4), across which a constant DC voltage (Ud=const) is obtained, each bridge circuit using 3-phase AC network. ADVANTAGE - Allows immediate operation of DC-AC converter when normal voltage is restored.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine Schaltungsanordnung bei der ein solches Schutzverfahren Anwendung finden soll, ist durch die Zeitschrift "Technische Mitteilungen" AEG-Telefunken 60 (1970) Heft 6, Seiten 361 bis 365 bekannt.The invention relates to a protection method according to the preamble of Claim. A circuit arrangement in which such a protection method Is to be used is through the magazine "Technische Mitteilungen" AEG-Telefunken 60 (1970) Issue 6, pages 361 to 365.

Diese bekannte Schaltung stellt einen Stromrichterantrieb dar, bei dem der Gleichspannungskreis durch einen Gleichstrommotor gebildet ist, dessen Brems­ energie durch die eine Stromrichterbrücke des Umkehrstromrichters in das Netz zurückgespeist wird.This known circuit represents a converter drive, in which the DC circuit is formed by a DC motor, the brake energy through the one converter bridge of the reversing converter into the Grid is fed back.

Der Gleichspannungskreis kann jedoch auch der durch einen Kondensator gebildete Gleichspannungszwischenkreis eines im Vierquadrantenbetrieb ar­ beitenden mit einem Drehstromantrieb verbundenen Zwischenkreis-Umrichters sein (Technische Mitteilungen AEG-Telefunken 69 (1979) Heft 5/6 Seiten 186 bis 191).However, the DC voltage circuit can also be that of a capacitor DC intermediate circuit formed one in four quadrant operation ar DC link converter connected to a three-phase drive his (Technical Announcements AEG-Telefunken 69 (1979) issue 5/6 pages 186 to 191).

Bei einer kurzzeitigen Unterbrechung oder beim Ausfall der Netzspannung und gleichzeitigem Betrieb der Energie in das Netz speisenden Stromrichter­ brücke (Rückwärtsstromrichterbrücke) tritt eine Kippung auf, durch die der Gleichspannungskreis über zwei an der gleichen Wechselspannungsphase lie­ gende gegenpolige Halbleiterschalter kurzgeschlossen wird bzw. durch die bei einem Zwischenkreisumrichter der Kondensator durch einen Entladestrom über die beiden genannten Halbleiterschalter entladen wird. Diese Halbleiter­ schalter (insbesondere Thyristoren) können dann leicht durch den Kurzschluß­ strom zerstört werden.In the event of a brief interruption or if the mains voltage fails and simultaneous operation of the energy in the converter feeding the network bridge (reverse converter bridge) a tipping occurs, through which the DC circuit over two lie on the same AC phase opposite polarity semiconductor switch is short-circuited or by the an intermediate circuit converter the capacitor by a discharge current  is discharged via the two semiconductor switches mentioned. These semiconductors switches (especially thyristors) can then easily by the short circuit electricity will be destroyed.

Als Schutzmaßnahme bieten sich zwar zwei Sicherungen im Gleichspannungs­ kreis an, die bei einem zu hohen Strom ansprechen. Jedoch ist dieses auf­ wendig, da bei jeder durch eine Netzspannungsunterbrechung bzw. bei jedem Netzspannungsausfall hervorgerufenen Kippung die Sicherungen erneuert werden müssen, bevor der Betrieb wieder aufgenommen werden kann.As a protective measure, there are two fuses in DC voltage circuit that respond when the current is too high. However, this is on manoeuvrable, because with everyone due to a mains voltage interruption or with everyone Mains voltage failure caused tipping the fuses to be replaced before the operation can be started again.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schutzverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einen sicheren Schutz der Halbleiterschalter ermöglicht und einen weiteren Betrieb des Umkehrstromrichters, unmittelbar nachdem die Netzspannung wieder in ausreichender Höhe ansteht, zuläßt.The invention has for its object a protection method of the beginning Specify the type mentioned, the safe protection of the semiconductor switch enables and further operation of the reversing converter, immediately after the mains voltage is at a sufficient level again.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the ge in claim identified features solved.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird auf überraschend einfache Weise erreicht, daß die netzgeführte Stromrichterbrücke, die im Wechselrichterbe­ trieb arbeitet, bei Netzspannungsunterbrechungen oder -ausfällen nicht un­ definiert den Gleichspannungskreis so kurzschließt, daß Sicherungen ansprechen oder sogar Halbleiterelemente zerstört werden. Der (Kurzschluß-) Strom ver­ teilt sich auf sämtliche Zweige der die Energie ins Netz zurückspeisenden Brücke und kann somit erheblich besser beherrscht werden. Die Ausfallzeit des Umkehrstromrichters reduziert sich damit auf die Zeit des Fehlens einer ausreichenden Netzspannung.The method according to the invention is surprisingly simple achieved that the network-controlled converter bridge, which is in the inverter drive works, in the event of mains voltage interruptions or failures Defines the DC voltage circuit so that the fuses respond or even semiconductor elements are destroyed. The (short circuit) current ver divides into all branches of the energy that feeds back into the grid Bridge and can thus be mastered considerably better. The downtime of the reversing converter is reduced to the time of the absence of one sufficient mains voltage.

Aus den Technischen Mitteilungen AEG-Telefunken 62 (1972) Heft 6, Seiten 240/241 ist es zwar bereits bekannt, sämtliche Hauptthyristoren eines Wech­ selrichters in einem Zwischenkreisumrichter bei einem durch einen Komparator erfaßten Überstrom zu zünden, so daß die zulässigen Grenzlastintegrale der Thyristoren nicht überschritten werden, jedoch erfolgt dieses bei einem Kurz­ schluß der an den selbstgeführten Wechselrichter angeschlossenen Last zwecks gezielter Entladung des Zwischenkreiskondensators.From the technical announcements AEG-Telefunken 62 (1972) issue 6, pages 240/241 it is already known, all the main thyristors of a change in a DC link converter at a by a comparator ignite detected overcurrent, so that the permissible limit load integrals of Thyristors are not exceeded, but this is done with a short closure of the load connected to the self-commutated inverter for the purpose targeted discharge of the intermediate circuit capacitor.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausführungs­ beispiel beschrieben werden. Es zeigenThe invention is intended below with reference to the drawing for an embodiment example. Show it

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Umkehrstromrichters, der als Netzstrom­ richter eines Gleichspannungszwischenkreisumrichters dient, Fig. 1 is a schematic diagram of a reverse power converter, which serves as a power converter of a Gleichspannungszwischenkreisumrichters,

Fig. 2 eine prinzipielle Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines gemein­ samen Ansteuerimpulses (UNISONO-Impulses) für die Halbleiter­ schalter bei einem Ausfall der Netzspannung und Fig. 2 shows a basic circuit arrangement for generating a common drive pulse (UNISONO pulse) for the semiconductor switch in the event of a power failure and

Fig. 3 ein Impulsdiagramm mit dem zeitlichen Verlauf eines Sperrsignals während der Wartezeit beim Umschalten zwischen den beiden antiparallelgeschalteten Stromrichterbrücken im Verhältnis zu den Freigabesignalen für den Betrieb dieser Brücken. Fig. 3 is a timing diagram with the time course of a blocking signal during the waiting time when switching between the two antiparallel connected converter bridges in relation to the enable signals for the operation of these bridges.

In Fig. 1 ist ein eine Netzspannung UNetz aufweisendes Wechselspannungsnetz mit den drei Phasen U, V, W gezeigt, an das ein Umkehrstromrichter mit nachgeschaltetem Gleichspannungszwischenkreis eines im Vierquadrantenbe­ trieb arbeitenden Zwischenkreisumrichters angeschlossen ist. Der netzgeführte Umkehrstromrichter besteht aus zwei antiparallelgeschalteten Stromrichter­ brücken 1 und 8, die kreisstromfrei betrieben werden. Die Stromrichterbrücke 8 (Vorwärtsstromrichterbrücke) treibt den motorischen Strom in einen (Zwischen­ kreis-) Kondensator 3, dem eine Freilaufdiode 4 parallel liegt und an dem eine konstante Gleichspannung Ud=const. anliegen soll. Die (Vorwärts-) Stromrichterbrücke besteht aus sechs als Thyristoren ausgebildeten Halb­ leiterschaltern, die hier nicht näher bezeichnet sind.In Fig. 1, a line voltage U network AC network with the three phases U, V, W is shown, to which a reversing converter with a downstream DC link of a four-quadrant operating DC link converter is connected. The mains-operated reversing converter consists of two antiparallel connected converters bridges 1 and 8 , which are operated without circuit current. The converter bridge 8 (forward converter bridge) drives the motor current into a (intermediate circuit) capacitor 3 , to which a free-wheeling diode 4 is connected in parallel and to which a constant DC voltage U d = const. should concern. The (forward) converter bridge consists of six semiconductor switches designed as thyristors, which are not specified here.

Der Gleichspannungszwischenkreis weist neben dem Kondensator 3 der Glät­ tung des Gleichstroms Id dienende Zwischenkreisdrosseln 2 auf. Zwei Sicherungen 7 sind gestrichelt eingezeichnet.The DC voltage intermediate circuit has, in addition to the capacitor 3, the smoothing device of the direct current I d serving intermediate circuit chokes 2 . Two fuses 7 are shown in dashed lines.

Die Stromrichterbrücke 1 (Rückwärtsstromrichterbrücke) besteht ebenfalls aus sechs als Thyristoren ausgebildeten Halbleiterschaltern, die hier mit I bis VI in der Reihenfolge ihrer Ansteuerung bezeichnet sind. Die im Wech­ selrichterbetrieb arbeitende, netzgeführte Stromrichterbrücke 1 führt den generatorischen Strom aus dem Zwischenkreiskondensator 3 in das Netz U,V,W zurück.The converter bridge 1 (reverse converter bridge) also consists of six semiconductor switches designed as thyristors, which are designated I to VI here in the order in which they are activated. The grid-controlled converter bridge 1 , which operates in inverter operation, leads the regenerative current from the intermediate circuit capacitor 3 back into the grid U, V, W.

Üblicherweise ist an den Zwischenkreis ein (nicht gezeigter) Wechselrichter zur Speisung eines Wechselstromantriebs angeschlossen. Die zuvor erwähnte Arbeitsweise der (Vorwärts- und Rückwärts-) Stromrichterbrücken 1 und 8 gilt aber auch, wenn der Zwischenkreis bestehend aus Drosselspulen 2 und Kondensator 3 ohne angeschlossene Last betrieben wird. Es erfolgt dann ein stetiger Wechselbetrieb der beiden Stromrichterbrücken 1 und 8 mit etwa gleicher Einschalt- sowie Ausschaltdauer.An inverter (not shown) for supplying an AC drive is usually connected to the intermediate circuit. However, the aforementioned mode of operation of the (forward and reverse) converter bridges 1 and 8 also applies if the intermediate circuit consisting of choke coils 2 and capacitor 3 is operated without a connected load. There is then a constant alternating operation of the two converter bridges 1 and 8 with approximately the same switch-on and switch-off times.

Bei einem Ausbleiben der Netzspannung und gleichzeitigem Betrieb der Energie in das Netz speisenden Stromrichterbrücke 1 tritt eine Kippung auf, die den Kondensator 3 so entlädt, daß ein Entladestrom z. B. über die beiden Halb­ leiterschalter V und II fließt. Diese Halbleiterschalter können dann zerstört werden, wenn das ∫I dt zu klein bemessen ist.If there is no mains voltage and simultaneous operation of the energy in the mains-feeding converter bridge 1 , a tilting occurs which discharges the capacitor 3 so that a discharge current z. B. flows over the two semi-conductor switches V and II. These semiconductor switches can be destroyed if the ∫I dt is too small.

Zündet man zum Zeitpunkt eines Netzspannungsausfalles alle sechs Halb­ leiterschalter I bis VI, so erhöht sich das ∫I dt entsprechend auf den drei­ fachen Betrag und es brauchen bei richtiger Dimensionierung der Halbleiter­ schalter überhaupt keine Sicherungen 7 im Gleichspannungskreis vorgesehen werden. Man kann diese Sicherungen 7 jedoch zur Beherrschung von Kurz­ schlußströmen vorsehen, die andere Ursachen als Netzspannungsausfälle haben.If one ignites all six semiconductor switches I to VI at the time of a mains voltage failure, the tI dt increases accordingly to three times the amount and if the semiconductor switches are dimensioned correctly, no fuses 7 at all are to be provided in the DC voltage circuit. However, these fuses 7 can be provided to control short-circuit currents which have causes other than mains voltage failures.

Zur gemeinsamen Zündung aller sechs Halbleiterschalter I bis VI ist ein ge­ meinsamer Ansteuerimpuls (UNISONO-Impuls) vorgesehen, der über eine Ver­ knüpfungsstufe 5 (ODER-Glied) in die Einzelzündimpulsvorgabe (zu den Zeiten entsprechend 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300° der Netzspannungsperiode) eingekoppelt wird. Der Ausgang der Verknüpfungsstufe 5 ist auf eine Frei­ gabestufe 6 (UND-Glied) geschaltet, die zur Weitergabe der Einzelzündim­ pulse an die einzelnen Halbleiterschalter I bis VI bzw. des UNISONO-Impulses an sämtliche sechs Schalter I bis VI ein zusätzliches Freigabesignal SREIN erhält. Dieses Freigabesignal SREIN wird auf den Eingang der Freigabe­ stufe 6 gegeben, sobald ein gefahrloses Einschalten der Stromrichterbrücke 1 nach einer vorherigen Stromführung durch die Stromrichterbrücke 8 möglich ist. For the common ignition of all six semiconductor switches I to VI, a common control pulse (UNISONO pulse) is provided, which via a linkage 5 (OR gate) in the individual ignition pulse specification (at the times corresponding to 0 °, 60 °, 120 °, 180 °, 240 °, 300 ° of the mains voltage period). The output of the combination stage 5 is a free application level 6 (AND gate) is connected, which for forwarding the Einzelzündim pulse to the individual semiconductor switches I to VI or of the UNISONO pulse to all six switches I to VI an additional enable signal SR AN receives . This enable signal SR ON is given to the input of the enable level 6 as soon as a safe switching on of the converter bridge 1 is possible after a previous current supply through the converter bridge 8 .

Das ist dann der Fall, wenn nach der sogenannten Wartezeit die Halbleiter­ schalter der Stromrichterbrücke 8 mit Sicherheit gesperrt sind.This is the case if, after the so-called waiting time, the semiconductor switches of the converter bridge 8 are blocked with certainty.

Fig. 2 zeigt zusammen mit dem Impulsdiagramm in Fig. 3 die Erzeugung des UNISONO-Impulses. FIG. 2 together with the pulse diagram in FIG. 3 shows the generation of the UNISONO pulse.

Hierzu wird die Netzspannung UNetz überwacht. Der tatsächlich auftretende Wert (Istwert) xUNetz wird mit dem Sollwert wUNetz verglichen. Im Falle eines starken Netzspannungsabfalls oder eines Netzspannungsausfalls (xUNetz = 0) wird die Differenz zwischen den beiden Werten so groß, daß ein Netzspan­ nungskomparator 9 anspricht. Beim Ansprechen dieses Netzspannungskompara­ tors 9 bei Unterspannung wird mit einem ihm nachgeschalteten Monoflop 10 ein Impuls definierter Länge als gemeinsamer Ansteuerimpuls für die sechs Halbleiterschalter erzeugt.To this end, the line voltage is monitored underground network. The actual value (actual value) xU network is compared with the setpoint wU network . In the case of a strong power voltage drop or power failure (xU power = 0), the difference between the two values is so large that a net support responsive nungskomparator. 9 When this mains voltage comparator 9 responds in the event of undervoltage, a pulse of defined length is generated with a monoflop 10 connected downstream as a common control pulse for the six semiconductor switches.

Da zwischen den Umschaltungen von der Stromrichterbrücke 8 auf die Strom­ richterbrücke 1 wegen der gegenparallelen kreisstromfreien Schaltung eine Schutzzeit von TS 3 ms als die zuvor erwähnte Wartezeit eingehalten werden muß, darf in dieser Zeit der von dem Monoflop 10 bereitgestellte Impuls nicht auf die Steueranschlüsse der Halbleiterschalter I bis VI gegeben werden, um undefinierte kurze Impulse zu vermeiden.Since between the switches from the converter bridge 8 to the converter bridge 1 a protection time of T S 3 ms as the aforementioned waiting time must be observed due to the counter-parallel circuit-free circuit, the pulse provided by the monoflop 10 must not be applied to the control connections of the Semiconductor switches I to VI are given to avoid undefined short pulses.

Ein Signal SR verhindert diese Betriebsart, indem es während der Wartezeit das Ansprechen des Komparators 9 um die Schutzzeit TS verzögert.A signal SR prevents this operating mode by delaying the response of the comparator 9 by the protection time T S during the waiting time.

In Fig. 3 ist der abwechselnde (kreisstromfreie) Betrieb der beiden Strom­ richterbrücken 1 und 8 anhand des zeitlichen Verlaufs zweier Freigabesignale SR1 (entsprechend SREIN gemäß Fig. 1) und SR8 gezeigt. Nur während des An­ stehens des jeweiligen Signals SR1 oder SR8 ist grundsätzlich ein Betrieb der entsprechenden Stromrichterbrücke möglich. Dieses aber nur, wenn die nach dem Abschalten der zuvor stromführenden Brücke beginnende Wartezeit (Schutzzeit TS) abgelaufen ist. Während dieser Zeit tritt das Signal SR als Sperrsignal für beide Stromrichterbrücken 1 und 8 ebenso wie für die Weiter­ gabe des UNISONO-Impulses auf. FIG. 3 shows the alternating (circuit current-free) operation of the two converter bridges 1 and 8 on the basis of the time profile of two enable signals SR1 (corresponding to SR IN according to FIG. 1) and SR8. In principle, the corresponding converter bridge can only be operated while the respective SR1 or SR8 signal is pending. However, this only if the waiting time (protection time T S ) beginning after the previously energized bridge has been switched off. During this time, the signal SR occurs as a blocking signal for both converter bridges 1 and 8 as well as for the forwarding of the UNISONO pulse.

Claims (1)

Schutzverfahren für die Halbleiterschalter einer aus einem Gleichspannungs­ kreis Energie in ein mehrphasiges Netz zurückspeisenden, mehrphasigen Strom­ richterbrücke eines netzgeführten Umkehrstromrichters aus zwei Stromrichter­ brücken in kreisstromfreier Antiparallelschaltung, bei der zwischen dem Ab­ schalten der zunächst stromführenden Stromrichterbrücke und der Inbetrieb­ nahme der antiparallelgeschalteten Stromrichterbrücke eine Wartezeit ein­ gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ausfall der Netzspannung für sämtliche Halbleiterschalter der die Energie in das Netz zurückspeisenden Stromrichterbrücke ein gemeinsamer Ansteuerimpuls (UNISONO-Impuls) bereitgestellt wird und daß die Halbleiterschalter durch diesen Ansteuerimpuls dann in den leitenden Zustand gesteuert werden, sofern bzw. sobald keine Wartezeit abläuft.Protection methods for the semiconductor switch of a multi-phase converter bridge feeding energy back from a DC circuit into a multi-phase network of a line-guided reversing converter consisting of two converters bridge in a circuit-free antiparallel circuit, in which there is a waiting period between switching off the initially live converter bridge and starting up the antiparallel-connected converter bridge is held, characterized in that in the event of a failure of the mains voltage, a common control pulse (UNISONO pulse) is provided for all semiconductor switches of the converter bridge feeding the energy back into the network, and that the semiconductor switches are then controlled into the conductive state by this control pulse, if or as soon as no waiting period expires.
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