FR2509924A1

FR2509924A1 - ELECTRIC CIRCUIT SYSTEM FOR THE PROTECTION OF CONVERTER COMPONENT ELEMENTS AGAINST ELECTRIC OVERVOLTAGES

Info

Publication number: FR2509924A1
Application number: FR8207561A
Authority: FR
Inventors: Jochen Schorner; Johann Wimmer
Original assignee: Loher GmbH
Current assignee: Loher GmbH
Priority date: 1981-07-20
Filing date: 1982-04-30
Publication date: 1983-01-21
Also published as: NL8104558A; DK568481A; DE3128638A1; FR2509924B3

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for protecting components in current-controlled converter circuits against overvoltages. In order also to protect the semiconductors against unacceptable overvoltages which occur as a result of disturbances on the motor side, the converter output voltage is rectified in a diode bridge and is damped in a parallel-connected RC element, a protection thyristor which is connected in parallel with the RC element and short-circuits the converter output via a protection resistor is triggered in the event of a limit voltage being exceeded. In consequence, the converter output voltage cannot exceed a limit value which can be predetermined. The triggering of the protection thyristor results in a report to the converter controller, from which further measures are derived in order to switch off the converter.

Description

La présente invention concerne généralement et a essentiellement pour objet un dispositif ou agencement formant système de circuit électrique pour la protection d'éléments composants, tels qu'en particulier des semiconducteurs d'un convertisseur à circuit électrique intermédiaire contre des surtensions électriques. L'invention se rapporte aussi aux diverses applications et utilisations résultant de la mise en oeuvre d'un tel dispositif ainsi qu'aux ensembles, appareils, équipements et installations pourvus de tels dispositifs ou systèmes. The present invention generally relates and essentially relates to a device or arrangement forming an electrical circuit system for the protection of component elements, such as in particular the semiconductors of an intermediate electrical circuit converter against electrical overvoltages. The invention also relates to the various applications and uses resulting from the implementation of such a device as well as to assemblies, apparatus, equipment and installations provided with such devices or systems.

Dnas la littérature de l'état connu de la technique antérieure sont décrits des systèmes pour la protection d'éléments composants ou parties ou pièces constitutives ou accessoires contre des surtensions électriques qui se produisent en raison de perturbations existant du c8té du réseau de distribution ou secteur d'alimentation électrique (voir publication provisoire de demande de brevet fédéral allemand NO 2 924 729 du 16 juin 1979). Dnas the literature of the known state of the prior art are described systems for the protection of component elements or parts or component parts or accessories against electrical overvoltages which occur due to existing disturbances on the side of the distribution network or sector power supply (see provisional publication of German federal patent application NO 2 924 729 of June 16, 1979).

La présente invention propose ou crée des dispositions qui protegent les semiconducteurs également contre des surtensions électriques inadmissibles qui sont provoquées par des perturbations du c8té du moteur électrique. On peut distinguer essentiellement les causes de perturbation suivantes, génératrices ou productrices de surtensions électriques
10) Des événements, incidents ou phénomènes qui conduisent à une interruption du passage ou écoulement de courant électrique ou à une rapide variation de courant électrique et provoquent ainsi des surtensions électriques dans les inductances conditionnées par le système.A cela appartiennent
-IJinterruption de ligne de connexion entre moteur et convertisseur par des organes de commutation ou de commande
Chez la plupart des utilisateurs, un interrupteur ou commutateur est installé à proximité du moteur pour des raisons de sécurité, lequel est ouvert en cas d'urgence ou lors de travaux d'entretien.Comme, dans les modes de réalisation de convertisseurs à circuit électrique intermédiaire connus jusqu'à présent , une interruption, en cours de fonctionnement ou d'exploitation, de la ligne conductrice d'amenée de cuurant électrique au moteur n'est pas admissible, cet interrupteur devait soit être inséré dans la ligne d'alimentation du réseau ou secteur de distribution électrique amenant le courant électrique au convertisseur, ce qui signifie une dépense supplémentaire considérable dans le cabrage, ou bien des circuits supplémentaires de blocage étaient nécessaires.Avec le système de circuit électrique conforme à l'invention, le conducteur d'amenée électrique au moteur peut être interrompu aussi lors d'une intensité maximale, en charge, du courant électrique de service sans que le convprtisseur soit endommagé.The present invention proposes or creates arrangements which protect the semiconductors also against unacceptable electrical overvoltages which are caused by disturbances in the side of the electric motor. We can essentially distinguish the following causes of disturbance, generating or producing electrical overvoltages
10) Events, incidents or phenomena which lead to an interruption in the flow or flow of electric current or to a rapid variation in electric current and thus cause electric overvoltages in the inductances conditioned by the system.
-IJ interruption of connection line between motor and converter by switching or control devices
For most users, a switch is installed near the motor for safety reasons, which is opened in an emergency or during maintenance work. As in the embodiments of electrical circuit converters intermediary known up to now, an interruption, during operation or exploitation, of the conductive line supplying electric fuel to the motor is not admissible, this switch had to either be inserted in the supply line of the electric distribution network or sector bringing the electric current to the converter, which means a considerable additional expense in the rearing, or else additional blocking circuits were necessary. With the electric circuit system according to the invention, the conductor electric supply to the motor can also be interrupted during a maximum current, under load, of the electric service current without the convprtisse ur is damaged.

De ce fait, la dépense supplémentaire précitée est supprimée.As a result, the aforementioned additional expense is eliminated.

- L'interruption de ligne conductrice entre moteur et convertisseur
Par suite des solicitations fréquentes, par secousses ou vibrations, des moteurs, un desserrage ou relaches S t indésirable d'une ou de plusieurs connexions de cibles électriques peut se produire en cours de fonctionnament, de sorte qutil s'en suit également une interruption de courant électrique.- The interruption of the conductive line between motor and converter
As a result of frequent solicitations, by jolts or vibrations, of the motors, an undesirable loosening or loosening of one or more electrical target connections may occur during operation, so that an interruption of Electric power.

- Des phénomènes ou processus de commutation à la sortie du convertisseur dans le cas de commandes d'entrainement par plusieurs moteurs
Dans des systèmes de commande ou d'entrafnement à moteurs multiples, les divers moteurs sont protégés respectivement par des disjoncteurs de protection de moteur discrets ou individuels. Selon l'absorption momentanéede courant électrique, des surtensions électriques peuvent se produire lors de la réponse ou réaction d'un disjoncteur de protection.- Switching phenomena or processes at the output of the converter in the case of drive commands by several motors
In multiple motor control or drive systems, the various motors are protected by discrete or individual motor protection circuit breakers, respectively. Depending on the momentary absorption of electric current, electric overvoltages can occur during the response or reaction of a protective circuit breaker.

20) Des évènements, incidents ou phénomènes qui conduisent à des tensions électriques excessivement élevées sur des condensateurs de commutation et, par suite,à des surtensions électriques à la sortie du convertisseur
- Un décrodhage du moteur un décrochage du moteur peut se produire en raison de réglage erronéslors de la mise en service, de régulateurs défectueux ou du blocage mécanique de la machine de travail ou d'utilisation.20) Events, incidents or phenomena which lead to excessively high electrical voltages on switching capacitors and, consequently, to electrical overvoltages at the output of the converter
- An engine stall An engine stall may occur due to incorrect settings during commissioning, faulty regulators or mechanical blocking of the working or operating machine.

-Undésaccxd ou réglage d'accord défectueux entre convertisseur et moteur : comme, dans le cas de convertisseurs à circuit électrique intermédiaire, le moteur raccordé est une partie composante du circuit de commutation, des désaccords ou réglages defectueux d'accord ou de concordance et,par suite, des tensions excessivement élevées ont possibles dans des condensateurs de commutation avec des moteurs à données spéciales. -Undésaccxd or defective tuning between converter and motor: as in the case of converters with an intermediate electric circuit, the connected motor is a component part of the switching circuit, disagreements or defective tuning or tuning and, as a result, excessively high voltages are possible in switching capacitors with special data motors.

Avec le dispositif de protection conforme à l'invention, on obtient que, dans les cas de pertubation précités, les éléments composants de convertisseur ne soient pas détruits. With the protection device according to the invention, it is obtained that, in the above-mentioned disturbances, the component components of the converter are not destroyed.

Ceci est réalisé par le fait que l'agencement conforme à l'invention, lorsqu'une tension électrique limite est atteinte, court-circuite la sortie de convertisseur par l'intermédiaire d'un thyristor de protection et d'une résistance de protection. Les éléments composants du système de protection sont alors conçus de telle façon qu' ils peuvent conduire le courant électrique d'appareil dtutensité maximale sans être détruits thermiquement.This is achieved by the fact that the arrangement according to the invention, when a limit electrical voltage is reached, short-circuits the converter output by means of a protection thyristor and a protection resistor. The component parts of the protection system are then designed in such a way that they can conduct the electrical current of the device of maximum current without being thermally destroyed.

Lors de la réponse ou réaction du système de protection, des dispositions ou mesures de diminution de courant électrique sont simultanément mises en oeuvré par l'intermédiaire de la commande de convertisseur. C'est ainsi que, selon une autre caractéristique de l'invention pour l1amor- tissement de la tension électrique de sortie de convertisseur, la combinaison résistance -condensateur, montée en parallèle avec le pont de diodes, est conçue de telle façon que, d'une part, elle représente un circuit global à effet porteur-accumulateur associé aux diodes de découplage de l'onduleur et, d'autre part absorbent des pointes ou crêtes de tension électrique passagères ou transitoires de courte durée. During the response or reaction of the protection system, provisions or measures for reducing the electric current are simultaneously implemented by means of the converter control. Thus, according to another characteristic of the invention for the damping of the electrical output voltage of the converter, the resistance-capacitor combination, mounted in parallel with the diode bridge, is designed in such a way that, d on the one hand, it represents a global circuit with a carrier-accumulator effect associated with the decoupling diodes of the inverter and, on the other hand, absorb short-lived transient or transient electrical voltage peaks or peaks.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention pour le dimensionnement de diodes redresseuses et du thyristor de protection, des diodes redresseuses et le thyristor de protection peuvent conduire, pendant une courte période, le courant électrique à intensité critique ou limite, techniquement possible ,du convertisseur sans autre thermiquement détruits. According to yet another characteristic of the invention for the dimensioning of rectifying diodes and of the protective thyristor, rectifying diodes and the protective thyristor can conduct, for a short period, the electric current at critical or limit intensity, technically possible, of the converter without any other thermally destroyed.

Suivant encore une autre caractéristique de l'invention pour le dimensionnement de la valeur ohmique de la résistance de protection, la valeur de la résistance est déterminée de telle façon que, même dans le cas du courant électrique à intensité critique ou limite, techniquement possible,du convertisseur, qui peut traverser cette résistance pendant une courte période, aucune tension électrique ,qui soit située au-dessus de la tension électrique limite ou maximale admissible, ne peut apparaitre. According to yet another characteristic of the invention for the dimensioning of the ohmic value of the protective resistance, the value of the resistance is determined in such a way that, even in the case of electric current at critical or limit current, technically possible, of the converter, which can pass through this resistance for a short period, no electrical voltage, which is located above the limit or maximum admissible electrical voltage, can appear.

Conformément à encore une autre caractéristique de l'invention pour le dimensionnement de la puissance de diodes redresseuses,du thyristor de protection et de la résistance de protection, les éléments composants, sollicités en réponse, peuvent conduire le courant électrique provoqué par la tension résiduelle de la machine raccordée, sans être détruitsthermiquement. In accordance with yet another characteristic of the invention for the dimensioning of the power of rectifying diodes, of the protection thyristor and of the protection resistor, the component elements, solicited in response, can conduct the electric current caused by the residual voltage of the connected machine, without being thermally destroyed.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention pour la fixation de la tension électrique limite ou maximale admissible à laquelle répond ou réagit le système de protection, le thyristor deprotection est amorcé pour une tension électrique à laquelle,meme dans des conditions les plus défavorables pour le cas de pertubation, c'est-à- dire pour une intensité maximale de courant électrique de convertisseur, aucune destruction par des surtensions électriques ne peut se produire-sur l semiconducteurs de convertisseur. According to yet another characteristic of the invention for fixing the limit or maximum admissible electrical voltage to which the protection system responds or reacts, the protective thyristor is ignited for an electrical voltage at which, even under the most unfavorable conditions for in the case of disturbance, that is to say for a maximum intensity of converter electrical current, no destruction by electrical overvoltages can occur on the converter semiconductors.

Suivant encore une autre caractéristique de l'invention pour la production' d'un ordre d'amorçage pour le thyristor de protection, le thyristor de protection est commandé ou piloté par un organe commutateur passif qui répond ou réagit lors de l'apparition de la tension électrique limite ou maximale admissible, de sorte que le moyen de protection agit indépendamment de la commande de convertis
seur et qu'en même tempsqueltrdred'amorçageun maBage ou une information de perturbation est donné à la commande de convertisseur.According to yet another characteristic of the invention for the production of a priming order for the protection thyristor, the protection thyristor is controlled or piloted by a passive switch member which responds or reacts when the appearance of the permissible limit or maximum electrical voltage, so that the protection means acts independently of the conversion command
sor and at the same time that initiates a maBage or disturbance information is given to the converter control.

Enfin selon une autre caractéristique de l'invention, pourle traitement ultérieur de l'information de perturbation dans la commande de convertisseur, en cas de perturbation est amorcé le thyristoi/d'anduleur qui est placé en
série avec celui conduisant åustement le courant électrique,
de sorte que le pont onduleur est court-circuité et
ainsi la machine est désaccouplée électroniquement du convertisseur, et, en même temps que l'amorçage du thyris tord'oihffeur, les impulsions d'amorçage du convertisseur
de courant électrique du réseau ou secteur de distribution
sont bloquées, de sorte que l'intensité du courant élec
trique de convertisseur décroît jusqu'à zéro.Finally according to another characteristic of the invention, for the subsequent processing of the disturbance information in the converter control, in the event of a disturbance, the thyristoi / inuleur which is placed in
series with the one conducting the electric current in a rough fashion,
so that the inverter bridge is short-circuited and
thus the machine is uncoupled electronically from the converter, and, at the same time as the priming of the twisting thyris, the priming pulses of the converter
of electrical current from the network or distribution sector
are blocked, so that the intensity of the electric current
converter rating decreases to zero.

D'autres avantages de l'agencement conforme à l'inven
tion résident dans le fait qu'il remplace partiellement
le circuit à effet porteur-accumulateur associé aux diodes
de blocage d'onduleur et qu'il fonctionne indépendamment
de l'alimentation du convertisseur en courant électrique.Other advantages of the arrangement according to the invention
tion resides in the fact that it partially replaces
the carrier-accumulator effect circuit associated with the diodes
blocking and it works independently
power supply to the converter.

Le système de protection peut ainsi aussi maîtriser des
cas de perturbation dans lesquels la surtension électrique
est causée par une alimentation défectueuse du converti s-
seur en courant électrique.The protection system can thus also control
cases of disturbance in which the electrical overvoltage
is caused by a faulty power supply to the convert s-
electric current.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaitront plus clairement à la lecture de la description
explicative qui va suivre en se reportant au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif illustrant un mode de réalisation spécifique actuellement préféré de l'invention et dans lequel la figure unique représente un schéma synoptique fonctionnel du convertis
seur avec le schéma deirincipe du système de wotection con
forme à l'invention. The invention will be better understood and other aims, characteristics, details and advantages thereof
will appear more clearly on reading the description
Explanatory which will follow with reference to the appended schematic drawing given solely by way of nonlimiting example illustrating a specific currently preferred embodiment of the invention and in which the single figure represents a functional block diagram of the converted
sor with the principle diagram of the wotection system con
form to the invention.

Le redresseur I du réseau ou secteur de distribution électrique, ensemble avec la bobine dtinductance ou d'impédance 2 de circuit intermédiaire, l'onduleur 3 et le dispositif de commande 4, constituent le convertisseur à circuit de courant électrique intermédiaire.-A sortie du convertisseur est raccordée, par exemple par 1 'intermédiaire d'un organe commutateur 5, une machine asynchrone 6 formant la charge. La tension électrique de sortie du convertisseur est redressée dans les diodes redresseuses 7 à 12 du système de protection et lissée, filtrée ou uniformisée dans le circuit RC ou à résistance 14 et à condensateur 13.Cette tension électrique continue lissée Ud est amenée à un interrupteur électronique passif à valeur limite 15 tel que représenté par exemple par une diode bascule. En fonctionnement normal, la tension électrique continue Ud est en dessous du seuil de réponse ou de réaction de l'interrupteur à vibur limite. Le thyristor de protection 16 est bloqué et danses diodes 7 à 12 passe seulement le courant électrique qui est nécessaire à la compensation des pertes dans la résistance d'amortissement 14.Si l'on ouvre alors l'interrupteur 5 lorsque la machine est en marche, le condensateur 13 est chargé en un temps très court par l'intermédiaire de la bobine d'inductance ou d'impédance 2 jusqu'à ce que le seuil de réponse de l'interrupteur à valeur Emite soit atteint. Le thyristor de protection 16 est amorcé par l'interrupteur à valeur limite et court-circuite alors la sortie- du convertisseur par l'intermédiaire de la résistance 17. La résistance 17 est dimensionnée de telle façon que, même pour un courant électrique de convertisseur à intensité maximale, elle reproduit aucune tension électrique qui soit supérieure à la tension limite ou maximale admissible. En même temps que l'amorçage du thyristor de protection, le convertisseur est mis hors circuit par l'intermédiaire du dispositif de commande de convertisseur comme cela a déjà été mentionné précédemment. Avec la mise hors circuit du convertisseur, un message ou une information de perturbation est transmis à lapériphérie.
Après suppression de la cause de perturbation et réception confirmée du message de perturbation, le convertisseur est de nouveau prêt à fonctionner. The rectifier I of the electrical distribution network or sector, together with the inductance or impedance coil 2 of the intermediate circuit, the inverter 3 and the control device 4, constitute the converter with an intermediate electric current circuit. converter is connected, for example by means of a switching member 5, an asynchronous machine 6 forming the load. The converter output electrical voltage is rectified in the rectifier diodes 7 to 12 of the protection system and smoothed, filtered or standardized in the RC or resistance 14 and capacitor 13 circuit. This smoothed continuous electrical voltage Ud is brought to a switch passive electronic with limit value 15 as represented for example by a flip-flop diode. In normal operation, the continuous electrical voltage Ud is below the response or reaction threshold of the limit vibration switch. The protective thyristor 16 is blocked and the diodes 7 to 12 only pass the electric current which is necessary to compensate for losses in the damping resistor 14. If the switch 5 is then opened when the machine is running , the capacitor 13 is charged in a very short time via the inductance or impedance coil 2 until the response threshold of the Emite value switch is reached. The protective thyristor 16 is primed by the limit value switch and then short-circuits the output of the converter via the resistor 17. The resistor 17 is dimensioned in such a way that, even for an electrical current of the converter at maximum current, it reproduces no electric voltage which is higher than the limit or maximum admissible voltage. At the same time as the protection thyristor is primed, the converter is switched off by means of the converter control device as already mentioned above. When the converter is switched off, a disturbance message or information is transmitted to the periphery.
Once the cause of the fault has been removed and the fault message has been confirmed, the converter is ready for operation again.

Claims

1. Electrical circuit system for the protection of component elements in converter circuits with an intermediate electric current circuit, against electrical overvoltages, characterized in that the electrical output voltage of the converter is rectified in a diode bridge and damped in a capacitor resistor mounted in parallel and in that in the event of an acceptable limit or maximum voltage being exceeded, a protective thyristor, connected in parallel with the resistor-capacitor, is primed and short-circuits the output of the converter via a protection resistor, so that the electrical output voltage of the converter cannot exceed a limit value given in advance and that, when the protective thyristor is started, a message is transmitted on command of the converter, from which message are derived other provisions for switching off the converter

2. Circuit system according to claim 1, for the damping of the electrical output voltage of the converter, characterized in that the combination of resistor and capacitor, mounted in parallel with the diode bridge, is designed so that on the one hand, it represents a global circuit with accumulator-carrying effect associated with the decoupling diodes of the inverter and, on the other hand, absorbs short-lived transient electrical voltage spikes.

3. A circuit system according to claim 1 or 2, for the dimensioning of rectifying diodes and of the protective thyristor, characterized in that rectifying diodes and the protective thyristor can conduct, for a short period, the electric current at limit current. or maximum permissible, technically possible, of the converter, without being thermally destroyed.

4. Circuit system according to at least one of the preceding claims, for dimensioning the ohmic value of the protective resistor, characterized in that the value of the resistance is determined in such a way that, even in the event of electric current at the technically possible limit or maximum admissible current, of the converter, which can pass through this resistor for a short time, no electric voltage, located above the limit or maximum admissible electric voltage, can appear.

5. Circuit system according to at least one of the preceding claims, for dimensioning the power of rectifying diodes, the protective thyristor and the protective resistor, characterized in that the component elements, solicited in response, can lead the electric current, caused by the residual voltage of the connected machine, without being thermally destroyed.

6. Circuit system according to at least one of the preceding claims, for fixing the limit or maximum admissible electrical voltage for which

the protective arrangement reacts, characterized in that the protective thyristor is primed for an electrical voltage, at which, even under the most unfavorable conditions for the case of disturbance, i.e. for an electrical current of converter at maximum current, no destruction by electrical overvoltages can occur on semiconductors of the converter.

7. Circuit system according to at least one of the preceding claims, for the production of a priming order for the protection thyristor, characterized in that the protection thyristor is controlled or piloted by a passive switching member which responds or reacts, for the limit or maximum admissible electrical voltage, in such a way that the protective measure acts independently of the converter control and, at the same time as the boot order, a disturbance message is transmitted to the converter control .

8. Circuit system according to at least one of the preceding claims, for the subsequent processing of the disturbance message in the control of the converter, characterized in that in the event of disturbance is initiated the inverter thyristor which is connected in series with the one conducting electric current precisely, so that the inverter bridge is short-circuited so the machine is electronically uncoupled from the converter and in that, at the same time as the ignition of the inverter thyristor, the ignition pulses of the mains electrical converter are blocked, so that the converter electrical current decreases to zero.