DE4427805C1 - Schutz für den Netzstromrichter in einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter bei dynamischen Frequenzabsenkungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.

Ein netzgeführter, über eine Regelung gesteuerter Netzstromrichter, der kreisstromfrei mit einer Energie in das Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke und einer zweiten, ihr antiparall geschalteten, Energie aus dem Netz ziehenden Netzstromrichterbrücke in einem im Vierquadrantenbetrieb arbeitenden Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter betrieben wird, wobei ein an den Klemmen eines lastseitigen, selbstgeführten Stromrichters liegender Zwischenkreiskondensator über zumindest eine Zwischenkreisdrossel an die zwei, über Sicherungen und ein Netzschütz mit dem Netz verbundenen Netzstromrichterbrücken angeschlossen ist, ist aus DE-Z: BEINHOLD, G. u. a. " Semiverter - Ein neues Geräteprogramm" in: "Technische Mitteilungen AEG- TELEFUNKEN" 69 (1979), Heft 5/6, Seiten 186 bis 191 bekannt.

In der Praxis müssen zwischen Umrichter und Netz netzentkoppelnde Filter vorgesehen werden, um die Funkentstörung des Umrichters sicherzustellen (vgl. DIN VDE 0875, Teil 3).

Infolge von Netzspannungseinbrüchen oder -verzerrungen entstehen durch die im Filter vorgesehenen Resonanzkreise nicht voraussehbare Spannungskurvenformen. Diese können die Regeleinrichtung des netzgeführten Stromrichters und insbesondere die zeitliche Steuerung der Zündimpulse unter Umständen so beeinflussen, daß hohe Ströme durch den Netzstromrichter fließen und die Netzsicherungen ansprechen. Die angegebenen Netzstörungen bewirken außerdem stets eine Frequenzabsenkung.

Solange die Absenkungen der Netzfrequenz langsam vonstatten gehen, wie es zum Beispiel bei Drehzahländerungen von Turbinen im das Netz speisenden Kraftwerk der Fall ist, können die Absenkungen mit einer durch die DE 28 50 453 C2 bekannten Schaltungsanordnung ausgeregelt werden. Die Schaltungsanordnung dient der selbsttätigen Anpassung von Zündgeneratoren an eine variable Netzfrequenz für einen nach dem Vertikal-Steuerungs-Prinzip arbeitenden Steuersatz eines mehrphasigen, netzgeführten Stromrichters mit mindestens einem mit einem Integrator ausgebildeten Sägezahngenerator. Eingangsseitig wird dem oder den Sägezahngeneratoren ein Abbild der am Eingang des Stromrichters auftretenden Netz-Phasenspannungen zur Verfügung gestellt, und ausgangsseitig liegt dann eine durch Integration gewonnene Sägezahnspannung zur Steuerung der Stromrichterventile vor. Diese bekannte Anordnung versagt jedoch bei schnellen Netzfrequenzänderungen, die zum Beispiel durch Zu- und Abschaltungen von anderen (größeren) Verbrauchern auftreten.

Durch DE-Z: PLETZ, D.: "SPS und PC zum Antriebsregler!" in: Industrie-Elektrik + Elektronik, 35, Jg. 1990, Nr. 10, Seiten 81 und 82 ist es bekannt, mittels eines digitalen Antriebsreglers bei abweichender Netzfrequenz gegebenenfalls über eine Impulssperre eine Stillsetzung eines Stromrichters zu bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu beschreiben, mit dem beim Vorhandensein von Funkentstörfiltern zwischen dem Netz und dem Netzstromrichter bei dynamischen Netzfrequenzabsenkungen die Stromrichterventile des Netzstromrichters geschützt werden, ohne daß die Netzsicherungen ansprechen und ohne daß infolge davon bis zum Sicherungsaustausch eine Betriebsunterbrechung des Umrichters hingenommen werden muß. Außerdem sollen Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für das Verfahren durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale und für die Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens durch die in den restlichen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei netzseitigen Frequenzstörungen wird mithin frühzeitig mit Hilfe der beschriebenen einfachen Methode innerhalb der üblicherweise ohnehin vorhandenen Steuerung für den Netzstromrichter so eingegriffen, daß Frequenzabsenkungen am Ausgang der Sägezahngeneratoren erfaßt werden und sofort eine Abschaltung über das Netzschütz bei gleichzeitiger Reglersperre veranlaßt wird. Die Netzsicherungen sprechen erst gar nicht an. Der Umrichter ist durch Schließen des Netzschützes nach der Störung sofort wieder betriebsbereit.

Mit der Verwendung des aus der DE 28 50 453 C2 bekannten adaptiven Steuersatzes können somit vorteilhafterweise langsame Frequenzänderungen ohnehin so ausgeregelt werden, daß die synchrone Steuerspannung an die vorhandene Netzfrequenz angepaßt wird, während bei einer schnellen Frequenzabsenkung die Ausgänge der Sägezahngeneratoren ein entsprechendes Analogsignal liefern, welches dann gemäß der Erfindung zur Überwachung herangezogen werden kann.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Gleichspannungs­ zwischenkreis-Umrichters mit einer Anordnung zum Schutz des Netzstromrichters nach der Erfindung,

Fig. 2.1 den zeitlichen Verlauf von Sägezahnspannungen im normalen und im gestörten Betrieb,

Fig. 2.2 den zeitlichen Verlauf von Signalen in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung beim Auftreten einer Frequenzabsenkung,

Fig. 3 und Fig. 4 weitere Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

In Fig. 1 sind ein über ein Funkentstörfilter 2, Netzsicherungen 3.1, 3.2, 3.3 und ein Netzschütz 4 an ein dreiphasiges Netz L1, L2, L3 angeschlossener Stromrichter 5 und ein Zwischenkreis mit zwei Drosseln 6.1 und 6.2 sowie einem Zwischenkreiskondensator 7 eines Gleichspannungszwischenkreisumrichters, der im Vierquadrantenbetrieb arbeiten soll, gezeigt. Der netzgeführte Stromrichter 5 besteht aus einer Netzstromrichterbrücke 5.1 zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 7 und einer zweiten, ihr antiparallelgeschalteten Netzstromrichterbrücke 5.2 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 7 ins Netz L1 bis L3. Die üblicherweise mit Thyristoren bestückten beiden Netzstromrichterbrücken 5.1 und 5.2 sind in Fig. 1 lediglich durch Thyristorsymbole angedeutet. Die Netzstromrichterbrücken 5.1, 5.2 werden mittels einer angedeuteten, über eine (nicht gezeigte) Regelung beeinflußten Steuerspannung U_Syn im kreisstromfreien Betrieb angesteuert.

Der Funkentstörfilter 2 zwischen dem Netz L1, L2, L3 und den Klemmen des Netzstromrichters 5 verhindert Rückwirkungen über die netzgeführten Netzstromrichterbrücken 5.1, 5.2, den Gleichspannungszwischenkreis und einen (nicht gezeigten) an den Zwischenkreiskondensator 7 mit seiner Spannung U_D angeschlossenen Pulswechselrichter (der mit einer ebenfalls nicht gezeigten Last, das heißt im allgemeinen einem Motor verbunden ist) auf das speisende Netz L1, L2, L3.

Netzseitig vor dem Funkentstörfilter 2 ist die Netz­ impedanz 1.1 bis 1.3 angedeutet. Diese Netzimpedanz trägt dazu bei, daß bei Netzunterbrechungen zwischen der Impedanz und dem Filter 2 undefinierte Absenkungen der Netzfrequenz auftreten.

Diese Frequenzabsenkungen werden über eine Spannungserfassungseinrichtung 8 als Signale S1, S2, S3 auf ohnehin wie auch die Spannungserfassungseinrichtung 8 zur Steuerung des netzgeführten Netzstromrichters 5 vorhandene Sägezahngeneratoren 9 gegeben und von nachgeschalteten, mit einem (Vergleichs-)Spannungswert UF beaufschlagten Komparatoren 10 innerhalb einer Frequenzerfassungseinrichtung 13 in den Sägezahnspannungen SZ1, SZ2, SZ3 am Ausgang der Sägezahngeneratoren 9 erkannt.

Der (Vergleichs-)Spannungswert UF entspricht einem Frequenzwert (<f_NETZ), der bei einer Absenkung der betriebsmäßigen (Nenn-)frequenz des Netzes f_NETZ gerade noch nicht schädlich für die Stromrichterventile durch hohe, dann durch den Netzstromrichter fließende Ströme ist und auch gerade noch keine Auslösung der Netzsicherungen veranlaßt.

Gibt zumindest einer der Komparatorausgänge, dadurch, daß die Sägezahnspannung höher ist als der Spannungswert UF ein Signal A1 bis A3 als L-Signal aus, so erfolgt über ein erstes UND-Glied 11 die Abgabe eines L-Signals RFG_F. Dieses L-Signal RFG_F, das also die Gefahr einer schädlichen Frequenzabsenkung andeutet, wird zusammen mit einem betriebsmäßig die Freigabe der Regelung für den Netzstromrichter 5 signalisierenden H-Signal RFG_St auf ein zweites UND-Glied 12 gegeben, so daß damit am Ausgang des zweiten UND-Gliedes 12 ebenfalls ein L-Signal auftritt. Dieses bewirkt eine Sperre eines Regler-Freigabesignals RFG für den Netzstromrichter 5. Gleichzeitig wird über einen Schalter 14 als Auslöseglied der Umrichter durch das Netzschütz 4 vom Netz L1 bis L3 getrennt.

In Fig. 2.1 sind die Sägezahnspannungen SZ1 bis SZ3 an den Ausgängen der Sägezahngeneratoren 9 dargestellt. Die Sägezahnspannungen SZ1 bis SZ3 verlaufen im Zeitabstand von jeweils Δt = 120° der Netzperiode. Zum eingezeichneten Zeitpunkt T tritt eine plötzliche (dynamische) Frequenzabsenkung auf, die an der Sägezahnspannung SZ1 dadurch erkennbar ist, daß diese infolge der Netzfrequenzabsenkung über die der Nennfrequenz f_NETZ des Netzes entsprechende Spannungshöhe aufintegriert wird. Die Sägezahnspannung SZ1 wird aber wieder zurückgesetzt, bevor ein Ansprechen des nachgeschalteten Komparators 10 erfolgt. Erst über die Sägezahnspannung SZ2 werden nach dem Überschreiten einer Spannungsbandtoleranz ΔU, die einer noch nicht störenden Frequenzabsenkungsbandbreite entspricht, die zuvor zu Fig. 1 erläuterte Abschaltung des Netzstromrichters über das Netzschütz und die Reglersperre eingeleitet. Der Frequenzabstand entsprechend dem Wert ΔU von dem Spannungswert entsprechend der Standard­ netzfrequenz f_NETZ kann an den Komparatoreingängen durch die Wahl des Spannungswertes UF frei eingestellt werden.

In Fig. 2.2 ist zur Verdeutlichung gezeigt, wie der Komparatorausgang mit dem Signal A2 beim Überschreiten der kritischen Spannungshöhe entsprechend einer Frequenz f<f_NETZ auf 0 V springt, während die anderen Ausgänge auch weiterhin (zunächst) auf H-Pegel bleiben.

Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung als Nachrüstsatz für eine bestehende Steuereinrichtung, die vom Netz gesteuerte Sägezahngeneratoren 9 aufweist. Die Komparatoren 10 sind hier ersatzweise als gemeinsam an den Steueranschluß eines Feldeffekttransistors 18 angeschlossene Zenerdioden 21 bis 23 ausgebildet, deren Durchlaßspannung in Sperrichtung ein Maß für die Ansprechspannung und damit die minimale Frequenz (<f_NETZ) bei einer gerade nicht mehr erlaubten Frequenzabsenkung ist.

Die zuerst leitend werdende Zenerdiode 21 bis 23 steuert den Feldeffekttransistor 18 in den leitenden Zustand. Indem der mit d bezeichnete Punkt dadurch an 0 V gelegt ist, wird eine Reglersperre dadurch eingeleitet, daß der Punkt d gezielt in einer vorhandenen Schaltung mit einem Nullpotential wirkt.

In Fig. 4 ist in Abwandlung der in Fig. 3 dargestellten Schaltung als Komparator 10 eine Zenerdiode 20 vorgesehen, die durch Dioden 15 bis 17 entkoppelt ist. Diese Schaltungsanordnung ist wenig kostenintensiv.

Claims (4)

1. Verfahren zum Schutz eines netzgeführten, über eine Regelung gesteuerten Netzstromrichters, der kreis­ stromfrei mit einer Energie in das Netz zurückspei­ speisenden Netzstromrichterbrücke und einer zweiten, ihr antiparallel geschalteten, Energie aus dem Netz ziehenden Netzstromrichterbrücke in einem im Vierqua­ drantenbetrieb arbeitenden Gleichspannungszwischen­ zwischenkreis-Umrichter betrieben wird, bei dem ein an den Klemmen eines lastseitigen, selbstgeführten Strom­ richters liegender Zwischenkreiskondensator über zu­ mindest eine Zwischenkreisdrossel an die zwei über Sicherungen und ein Netzschütz mit dem Netz verbundenen Netzstromrichterbrücken angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgrund eines Abbilds der am Eingang des Um­ richters auftretenden Netz-Phasenspannungen durch eine Integration letzterer gewonnenen Sägezahnspannungen von bei der Steuerung der Netzstromrichterbrücken einge­ setzten Sägezahngeneratoren mit einem einer Frequenz­ absenkung des Netzes entsprechenden, vorgebbaren Span­ nungswert verglichen werden und, sofern zumindest eine der Sägezahnspannungen diesen Spannungswert über­ schreitet, die Regelung des Netzstromrichters gesperrt und das Netzschütz geöffnet werden.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sägezahnspannungen (SZ1 bis SZ3) an den Eingang von mit dem zu vergleichenden Spannungswert (UF) beaufschlagte Komparatoren (10) gelegt sind,
daß die Ausgänge aller Komparatoren (10) mit dem Ein­ gang eines gemeinsamen ersten UND-Gliedes (11) verbunden sind, das ausgangsseitig an den einen Eingang eines an seinem zweiten Eingang mit einem Signal (RFG_St) zur betriebsmäßigen Freigabe der Regelung des Netzstromrichters (5) beaufschlagten zweiten UND-Gliedes (12) angeschlossen ist und
daß der Ausgang des zweiten UND-Gliedes (12) zum einen mit einer Einrichtung zur Freigabe der Regelung des Netzstromrichters (5) und zum anderen mit einer Auslösevorrichtung (14) zur Betätigung des Netz­ schützes (4) verbunden ist (Fig. 1).

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Z-Dioden (21, 22, 23) vorgesehen sind, die katho­ denseitig jeweils mit einer der Sägezahnspannungen (SZ1 bis SZ3) von den Sägezahngeneratoren (9) beauf­ schlagt sind und anodenseitig gemeinsam an den Steuer­ anschluß eines die Öffnung des Netzschützes (4) und die Sperrung der Regelung des Netzstromrichters (5) bewir­ kenden Halbleiterschalters (18) geschaltet sind (Fig. 3).

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anodenseitig jeweils mit einer der Sägezahn­ spannungen (SZ1 bis SZ3) der Sägezahngeneratoren (9) beaufschlagte Dioden (15, 16, 17) kathodenseitig gemein­ sam an die Kathode einer Z-Diode (20) geschaltet sind, die anodenseitig mit dem Steueranschluß eines die Öffnung des Netzschützes (4) und die Sperrung der Rege­ lung des Netzstromrichters (5) bewirkenden Halbleiter­ schalters (18) verbunden ist (Fig. 4).