DE4322379C1 - Schaltungsanordnung zum Schutz der Halbleiterschalter beim Kippen einer Energie in ein Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke in einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Schutz der Halbleiterschalter beim Kippen einer Energie in ein Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke in einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine netzgeführte, Energie in das Netz zu­ rückspeisende Netzstromrichterbrücke, die kreisstromfrei mit einer zwei­ ten, ihr antiparallel geschalteten, netzgeführten, Energie aus dem Netz ziehenden Netzstromrichterbrücke in einem im Vierquadrantenbetrieb ar­ beitenden Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter betrieben wird, bei dem ein an den Klemmen eines lastseitigen, selbstgeführten Strom­ richters liegender Zwischenkreiskondensator über zumindest eine Zwischen­ kreisdrossel an die zwei Netzstromrichterbrücken angeschlossen ist, ist aus "Technische Mitteilungen AEG-TELEFUNKEN" 69 (1979) Heft 5/6, Seiten 186 bis 191 bekannt.
Beim Rückspeisebetrieb der Zwischenkreisenergie des Umrichters über die netzgeführte Netzstromrichterbrücke können bei Netzspannungs- bzw. Zündimpulsausfall Überspannungen und Überströme auftreten.
In der Praxis müssen zwischen Umrichter und Netz netzentkoppelnde Fil­ ter vorgesehen werden, um die Funkentstörung der Umrichters sicherzu­ stellen (vgl. DIN VDE 0875, Teil 3). Diese Funkentstörfilter wirken als Energiespeicher, die bei einem Netzspannungsausfall dem Energietransport aus dem Zwischenkreis entgegenwirken, so daß an der rückspeisenden Netzstromrichterbrücke dann stets Überspannungen auftreten.
Gegen diese Überspannungen müssen die Halbleiterschalter der Netzstromrichterbrücke ebenso geschützt werden wie bei einer Kippung, bei der bei einer kurzzeitigen Unterbrechung oder beim Ausfall der Netzspannung und gleichzeitigem Betrieb der Energie in das Netz speisenden Stromrichterbrücke der Gleichspannungszwischenkreis über zwei an der gleichen Wechselspannungsphase liegende gegenpolige Halbleiterschalter kurzgeschlossen wird, so daß der Zwischenkreiskondensator durch einen Entladestrom über die beiden genannten Halbleiterschalter entladen wird. Diese Halbleiterschalter (insbesondere Thyristoren) können dann leicht durch den Kurzschlußstrom zerstört werden.
Gemäß der DE-Patentanmeldung P 42 37 283.6-32 ist ein Schutzverfahren für die Halbleiterschalter einer aus einem Gleichspannungskreis Energie in ein mehrphasiges Netz zurückspeisenden, mehrphasigen Stromrichterbrücke eines netzgeführten Umkehrstromrichters vorgeschlagen worden, das bei einem Ausfall der Netzspannung für sämtliche Halbleiterschalter der die Energie in das Netz zurückspeisenden Stromrichterbrücke einen gemeinsamen Ansteuerimpuls (UNISONO-Impuls) bereitstellt, wobei die Halbleiterschalter durch diesen Ansteuerimpuls dann in den leitenden Zustand gesteuert werden, sofern bzw. sobald keine Wartezeit zwischen dem Abschalten der zunächst stromführenden Stromrichterbrücke und der Inbetriebnahme der antiparallel geschalteten Stromrichterbrücke abläuft.
Durch die DE-Z.: Holtz, J.: "Beanspruchungen in Frequenzumrichtern mit ungesteuerter Einspeiseschaltung im stationären Betrieb und beim Auftreten impulsförmiger Netzüberspannungen" in: "etz-Archiv" Band 11 (1989) Heft 6, Seiten 169 bis 178 ist eine Schutzvorrichtung für die Ventile eines Pulswechselrichters in einem Frequenzumrichter mit einer ungesteuerten Einspeiseschaltung in Form einer dreiphasigen Diodenbrücke bekannt. Die Schutzeinrichtung schließt die gleichspannungsseitigen Klemmen der Diodenbrücke durch einen Schutzthyristor kurz, wenn eine impulsförmige Netzüberspannung auftritt. Damit und durch zusätzliches Abschmelzen von der Diodenbrücke vorgeschalteten Netzsicherungen wird verhindert, daß weitere Energie aus dem Netz in einen der Diodenbrücke nachgeschalteten Stützkondensator gespeist wird. Insbesondere wird aber auch erreicht, daß die am Stützkondensator auftretende, für die Ventile des nachgeschalteten Pulswechselrichters gefährliche Überspannung schnell abgebaut wird. Eine dem Stützkondensator parallel und entgegengesetzt zur betriebsmäßigen Polarität gerichtete Diode verhindert im Lauf nachfolgender Schwingungsvorgänge in einem durch eine im Gleichstromkreis liegende Glättungsdrossel und den Stützkondensator gebildeten Schwingkreis die Ausbildung negativer Spannungen am Stützkondensator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, durch die bei geringem Aufwand die Halbleiterschalter der Netzstromrichterbrücke betriebssicher sowohl gegen Überströme als auch gegen Überspannungen effektiv geschützt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Beim Überschreiten eines bestimmten Pegels der Spannungsamplitude am netzseitigen Eingang der Netzstromrichterbrücken oder der Stromamplitude des über die zwischenkreisseitigen Klemmen der Netzstromrichterbrücken fließenden Gleichstromes wird der Kurzschlußthyristor gezündet, der die durch den Zwischenkreiskondensator vorgegebene Zwischenkreisspannung über die Zwischenkreisdrossel(n) kurzschließt und so dimensioniert ist, daß er die gespeicherte Zwischenkreisenergie kurzzeitig übernehmen kann. Der beim Zünden des Kurzschlußthyristors entstehende Schwingkreis, gebildet aus Zwischenkreiskondensator und -drossel(n) speichert die Energie nach einer Stromhalbwelle in der Zwischenkreisdrossel (bzw. den Zwi­ schenkreisdrosseln). Die Zwischenkreisdrossel(n) wird (werden) anschlie­ ßend über die Entlastungsdiode abmagnetisiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind ebenso wie eine vorteilhafte Anwendung dieser Schaltungsanordnungen in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 das Prinzipschaltbild des für die Erfindung relevanten Teils eines Umrichters mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung und
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Ströme im Zwischenkreis des Umrichters beim Ansprechen der Schaltungs­ anordnung nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein über ein Funkentstörfilter 8 an ein dreiphasiges Netz L1, L2, L3 angeschlossener Netzstromrichter 1 und ein Zwischenkreis des Gleich­ spannungszwischenkreis-Umrichters, der im Vierquadrantenbetrieb arbei­ ten soll, zusammen mit einem Kippschutz 2 nach der Erfindung gezeigt. Dabei wird der Kippschutz 2 durch die strichpunktiert umrandeten Bau­ elemente zwischen dem netzgeführten Netzstromrichter 1, zwei Zwischen­ kreisdrosseln 5.1 und 5.2 und einem Zwischenkreiskondensator 3 im Zwi­ schenkreis des Umrichters gebildet. Der netzgeführte Stromrichter 1 be­ steht aus einer sechspulsigen Netzstromrichterbrücke 1.1 zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 3 und einer zweiten ihr antiparallel ge­ schalteten Netzstromrichterbrücke 1.2 zum Entladen des Zwischenkreis­ kondensators 3. Die üblicherweise mit Thyristoren bestückten beiden Netzstromrichterbrücken 1.1 und 1.2 sind in Fig. 1 lediglich durch Thyri­ storsymbole angedeutet. Die Netzstromrichterbrücken 1.1, 1.2 werden mit­ tels einer angedeuteten Steuerspannung UST im kreisstromfreien Betrieb angesteuert, wobei beim Umschalten des Betriebes von einer Netzstrom­ richterbrücke zur anderen eine Wartezeit durch ein Reglersperrsignal RSP gewährleistet ist.
Der Funkentstörfilter 8 zwischen dem Netz L1, L2, L3 und den Klemmen des Netzstromrichters 1 verhindert Rückwirkungen über die netzgeführten Netzstromrichterbrücken 1.1, 1.2, den Gleichspannungszwischenkreis und einen (nicht gezeigten) an den Zwischenkreiskondensator 3 mit seiner Span­ nung UD angeschlossenen Pulswechselrichter (der mit einer ebenfalls nicht gezeigten Last, d. h. im allgemeinen einem Motor verbunden ist) auf das speisende Netz L1, L2, L3. Die im Funkentstörfilter 8 enthaltenen Kombi­ nationen aus Drosselspulen und Kondensatoren wirken beim Ausfall der Netzspannung beim Betrieb der Energie aus dem Zwischenkreis in das Netz speisenden Netzstromrichterbrücke 1.2 als spannungsanhebender Ener­ giespeicher.
Ein (Motor-)Schutzschalter 7 für die an den (nicht gezeigten) Pulswechselrichter angeschlossene Last (Motor) versorgt einen Meßtransformator 2.4.1 inner­ halb des Kippschutzes 2 mit der Netzspannung.
Ein Gleichstromwandler 4 erfaßt einen Strom ID über die zwischenkreis­ seitigen Klemmen der Netzstromrichterbrücken 1.1, 1.2 und führt eine dementsprechende Größe dem Kippschutz 2 zur Auswertung zu.
Der Kippschutz 2 selbst besteht aus einem Kurzschlußthyristor 2.1 und einer Entlastungsdiode 2.2. Letztere soll verhindern, daß eine noch im nachfolgenden näher zu beschreibende Abmagnetisierung der Zwischenkreis­ drosseln 5.1 und 5.2 nur über (nicht dargestellte) Freilaufdioden eines angeschlossenen selbstgeführten Stromrichters (Pulswechselrichters) erfolgt.
Wenn nämlich lediglich dieser selbstgeführte Stromrichter aus IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor)-Elementen gebildet ist, sind lediglich in den IGBTs integrierte Freilaufdioden vorhanden. Diese integrierten Freilaufdioden sind jedoch vom Abschaltintegral ∫i²dt nicht für beim Kurzschluß auftretende Stoßströme dimensioniert.
Sind dagegen Freilaufdioden beim selbstgeführten Stromrichter (Pulswech­ selrichter) am Anschluß des Zwischenkreiskondensators vorhanden, die hohe Kurzschlußströme führen können, kann auf die Entlastungsdiode 2.2 even­ tuell gänzlich verzichtet werden.
Der Kurzschlußthyristor 2.1 wird immer dann gezündet, wenn der durch den Gleichspannungswandler 4 erfaßte Strom eine bestimmte Strom­ amplitude überschreitet oder die Netzspannungsamplitude unzulässige Werte erreicht. D.h. beim Überschreiten der Eingangsspannung UEIN an einer Zündeinrichtung 2.3 wird durch diese der Kurzschlußthyristor 2.1 gezündet und der netzgeführte Stromrichter 1 mit der Ausgangsspannung UAUS gesperrt.
Die Einspeisung des Stromsignales (proportional zu dem Strom ID) in die Zündeinrichtung 2.3 erfolgt über einen die zulässige Stromamplitude vor­ gebenden Bürdenwiderstand 2.7 und eine erste Entkoppeldiode 2.6. Die Einspeisung des Spannungssignals in die Zündeinrichtung 2.3 erfolgt ent­ sprechend über eine Entkoppeldiode 2.8.
Für die Erfassung der Netzspannung bzw. von Überspannungen am Eingang des Netzstromrichters 1 sind zwei alternative Möglichkeiten entsprechend ei­ ner direkten Bereitstellung einer der Netzspannung proportionalen Größe mit einer Netzspannungserfassungseinrichtung 2.4 und einer indirekten (gestrichelt dargestellten) Netzspannungseinrichtung 2.5 aufgezeigt.
Die direkte Netzspannungserfassungseinrichtung 2.4 mißt über den Meß­ transformator 2.4.1 die Phasenspannung zwischen den Netzphasen L2 und L3, bildet eine Halbwelle dieser Spannung hinter einer Diode 2.4.2 ab und erzeugt eine Meßspannung an einem Spannungsteiler mit den Widerstän­ den 2.4.3 und 2.4.4.
Die indirekte Netzspannungserfassungseinrichtung 2.5 wertet die ungere­ gelte (üblicherweise +24 V-)Versorgungsspannung UV zur Ansteuerung der Netzstromrichterbrücken 1.1, 1.2 über einen Spannungsteiler mit Widerständen 2.5.1 und 2.5.2 aus. Dieser Weg ist der einfachere, setzt aber voraus, daß die gleichgerichtete Versorgungsspannung UV die Netz­ spannung zeitlich entsprechend abbildet.
Fig. 2 verdeutlicht die Stromaufteilung I über der Zeit t mit den Strom ITHY durch den Kurzschlußthyristor 2.1, den Strom IDIO durch die Ent­ lastungsdiode 2.2 und den über die Freilaufdioden im (nicht gezeigten) an den Zwischenkreiskondensator 3 angeschlossenen Pulswechselrichter fließenden Strom ID1 beim Zünden des Kurzschlußthyristors 2.1. Die Höhe der Stromamplituden ist bei gleicher Zwischenkreisspannung UD immer gleich, unabhängig, ob die Auslösung über die Zwischenkreis­ stromamplitude oder über die Netzspannungsamplitude erfolgt. Die Strom­ amplituden sind also lediglich von der Größe der Zwischenkreisspannung UD abhängig.
Gemäß Fig. 2 steigt der Strom ITHY im Kurzschlußthyristor 2.1 nach dem Zünden desselben definiert mit kleiner Steigung (Zeitpunkt t₁) an. Die Steigung (Zeitpunkt t₂) wird dann größer, wenn die Zwischenkreis­ drosseln 5.1, 5.2 in die Sättigung gehen und nur noch als Luftdrosseln wirken. Zum Zeitpunkt t₃ ist der Zwischenkreiskondensator 3 entladen und eine Abmagnetisierungsphase der Zwischenkreisdrosseln 5.1, 5.2 über den Kurzschlußthyristor 2.1 und die Entlastungsdiode 2.2 beginnt.
Der Differenzstrom ID1 = ITHY - IDIO fließt über die nicht dargestell­ ten Freilaufdioden des angeschlossenen Pulswechselrichters. Wäre ein Pulswechselrichter ohne Freilaufdioden angeschlossen, gilt ITHY = IDIO.
Ist kein Funkentstörfilter 8 vorgesehen, läuft bei einer Kippung der netz­ geführten Netzstromrichterbrücke 1.2 beim Verschwinden der Netzspan­ nung die Stromamplitude des Stromes ID bis zur auslösenden, durch die Bürde 2.7 bestimmten Amplitude hoch, worauf dann der Kippschutz 2 über die Eingangsspannung UEIN auslöst.
Bei kurzen Netzspannungsausfällen (kleiner als eine Halbwelle der Netz­ spannung) arbeitet der Kippschutz 2 ebenfalls einwandfrei, d. h. entweder er spricht noch nicht an oder wenn er auslöst, erfolgt immer eine ge­ zielte Abschaltung und damit keine undefinierte Stromaufteilung über die Halbleiterschalter innerhalb der netzgeführten Stromrichterbrücken 1.1, 1.2.
Auch Zündimpulsausfälle für die Halbleiterschalter beim Betrieb der Netz­ stromrichterbrücke 1.2 führen zur gezielten Abschaltung über einen auf­ tretenden Überstrom ID. Der Überstrom entsteht durch das Fließen des Stromes über einen gezündeten Halbleiterschalter, weil der zeitlich nach­ folgende, dann zu zündende Halbleiterschalter wegen des fehlenden Zünd­ impulses den Strom nicht übernehmen kann.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz der Halbleiterschalter beim Kippen einer netzgeführten, Energie in das Netz zurückspeisenden Netzstrom­ richterbrücke, die kreisstromfrei mit einer zweiten, ihr antiparallel geschalteten, netzgeführten, Energie aus dem Netz ziehenden Netz­ stromrichterbrücke in einem im Vierquadrantenbetrieb arbeitenden Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter betrieben wird, bei dem ein an den Klemmen eines lastseitigen, selbstgeführten Stromrich­ ters liegender Zwischenkreiskondensator über zumindest eine Zwi­ schenkreisdrossel an die zwei Netzstromrichterbrücken angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischenkreisseitige Ausgang der beiden Netzstromrichter­ brücken (1.1, 1.2) durch einen bei einer Netzüberspannung und/oder bei einem über die zwischenkreisseitigen Klemmen der Netzstromrich­ terbrücken (1.1, 1.2) fließenden Überstrom durchschaltenden Kurz­ schlußthyristor (2.1) überbrückt ist und parallel zu dem Zwischen­ kreiskondensator (3) eine entgegengesetzt zur betriebsmäßigen Pola­ rität des Zwischenkreiskondensators (3) gerichtete Entlastungs­ diode (2.2) geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsdiode (2.2) entfällt, sofern beim lastseitigen Stromrichter die Halbleiterschalter durch Freilaufdioden überbrückt sind.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzüberspannung durch Überwachung der ungeregelten, die Netzspannung direkt abbildenden Versorgungsspannung für die Ansteue­ rung der Netzstromrichterbrücken (1.1, 1.2) erfaßt wird.
4. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei Zwischenkreisumrichtern, bei denen netzentkoppelnde Funkentstörfilter (8) zwischen dem Netz (L1, L2, L3) und den Netz­ stromrichterbrücken (1.1, 1.2) angeordnet sind.
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