DE2233152A1

DE2233152A1 - Kurzschlusschutzschaltung fuer leistungsschaltungen

Info

Publication number: DE2233152A1
Application number: DE2233152A
Authority: DE
Inventors: Einar Aasen Skogsholm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-07-14
Filing date: 1972-07-06
Publication date: 1973-01-25
Also published as: ES404753A1; IT962634B; US3716775A; GB1372277A; JPS5218377B1; DE2233152C2; JPS4820020A

Description

Kurzschlußschutzschaltung für Leistungsschaltungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurzschlußschutzschaltung für Leistungsschaltungen, wie z.B. Inverterschaltungen für Wechselstromantriebsysteme mit einstellbarer Drehzahl, und insbesondere auf eine Einrichtung, die sofort einen zu hohen Strorafluß in die Leistungswandlervorrichtung feststellt und auf diesen überstrom anspricht, um die Systemkomponenten gegen die zerstörerischen Strom- und Spannungswerte zu schützen.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf den Schutz von Inverter-Leistungsschaltungen in Antriebssystemen der allgemeinen Art anwendbar, die in den deutschen Patentanmeldungen P 21 51 und P 21 51 589 vorgeschlagen worden sind. Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Antriebssystem der in den

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vorgenannten Patentanmeldungen vorgeschlagenen Art insoweit beschrieben wird, wie es für ein volles und umfassendes Verständnis der Erfindung erforderlich ist, kann ein noch vollständigeres Verständnis derartiger Inverterschaltungen aus den oben angegebenen deutschen Patentanmeldungen erlangt werden.

Bei den Inverter-Leistungsschaltungen der in den vorstehend genannten Patentanmeldungen genannten Art enthält die Einrichtung zur Umwandlung elektrischer Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung mit einstellbarer Frequenz eine Reihe von Serienschaltungen, die einer Gleichstromquelle parallel geschaltet sind. Jede Serienschaltung enthält ein Paar Thyristoren oder torgesteuerter Gleichrichter, wie z.B. steuerbare Siliciumgleichrichter, Wie im Laufe dieser Beschreibung deutlich werden wird, werden diese Thyristoren durch eine geeignete Steuereinrichtung in einer vorbeschriebenen Folge "gezündet" oder "eingeschaltet", um so die gewünschte Ausgangsleistung zu erzeugen. Es ist jedoch unbedingt erforderlich,daß beide Thyristoren in einer einzigen Serienschaltung nicht leitend, d.h. eingeschaltet sind. Falls dies auftreten würde, wäre die daraus resultierende Folge ein Kurzschluß über der Quelle und ein schneller Anstieg des Stromes durch die Serienschaltung, in der beide Thyristoren leitend sind. Wenn die Thyristoren nicht 3O ausgewählt sind, daß 3ie derartigen Strömen widerstehen, zerstört ein Kurzschluß oder "Durchschuß" die Thyristoren, da der Strom die Leistungsfähigkeit dieser Bauelemente übersteigt. Da es vom wirtschaftlichen Standpunkt her nicht praktisch ist, die Schaltungen so auszulegen, daß die Thyristoren von einem einzigen Serienkreis einen Kurzschlußstrom führen können, ist es wünschenswert, daß ein Kurzschluß direkt festgestellt wird und daß Mittel vorgesehen sind,daß die Schaltungselemente automatisch gegen die mit einem Kurzschluß verbundenen hohen Ströme geschützt werden. Kurzschlüsse können durch viele Zustände hervorgerufen werden. Hierzu gehört das zufällige Verhalten der Thyristor-Steuerschaltungen, so daß ein Thyristor angesteuert wird, bevor der andere abgeschaltet ist. Zufällige Signale können infolge von Fehlfunktionen des Systems

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oder aufgrund von "Rauschen" erzeugt werden, das fälschlicherweise als Steuersignal aufgefaßt wird. Verschiedene Lastbedingungen, wie z.B. ein TeilkurzSchluß der Windungen eines angetriebenen Motors, können dazu führen, daß ein überstrom gezogen wird, so daß der eine Thyristor nicht vollständig in seinen
Sperrzustand kommutiert wird, bevor der andere in seinen Leitfähigkeitszustand gesteuert wird. Das Ergebnis ist ein "Durchschuß" (shoot through).

Der Wunsch nach einem Durchschuß- bzw. Kurzschlußschutz in Leistungsschältungen ist bereits erkannt worden. In dieser Beziehung ist bisher vorgeschlagen worden, daß ein LC-Filter in einer oder mehreren Stufen zwischen einer Gleichstromquelle und einem Inverter vorgesehen und daß der Strom im Kondensator parallel
zu den Invertersehaltungen überwacht wird. Wenn der kapazitive Strom einen vorbestimmten Wert, überschreitet, werden alle Hauptthyristoren gezündet und nachfolgend aufgrund der Schwingung der Inverterinduktivität und dem Parallelkondensator in den Sperrzustand kommutiert. Diese Lösung ist zwar zufriedenstellend in Bezug auf reine Durchschüsse, sie ist jedoch dann nicht völlig zufriedenstellend, wenn der Durchschuß aufgrund eines vorher
bestehenden überstromzustandes auftritt.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Einrichtung zum Schutz von Thyristoren und anderen Leistungsschaltelementen gegen überhöhte Stromwerte.zu schaffen, die mit den Zuständen bei Kurzschluß bzw. Durchschuß verbunden sind.

Diese Aufgabe wird, kurz gesagt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Leistungsschaltung eine Leistungswandlereinrichtüng
mit zahlreichen Schaltkreisen aufweist, die jeweils ein Paar
ähnlich gepolter Thyristoren und in Reihe geschalteter induktiver Bauelemente aufweist. Diese Reihenschaltungen werden
.einem Kondensator parallel geschaltet, der sich in der letzten Stufe einer vielstufigen LC-Filtersehaltung befindet, von der

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die erste Stufe mit einer Leistungsquelle, wie z.B. einer Gleichstromquelle, verbindbar ist. Um den Stromfluß von der Quelle
zur Leistungswandlereinrichtung und infolgedessen den Thyristoren abzutasten, sind Detektormittel vorgesehen, um den Stromfluß durch die kapazitiven Bauelemente von wenigstens den letzten zwei LC-Stufen der Filtersehaltung abzutasten. Wenn der
abgetastste Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird
ein überstromsignal erzeugt, und die Steuereinrichtung zur Einschaltung der Thyristoren spricht auf das überstromsignal an,
indem sie gleichzeitig alle Thyristoren der letzten zwei Serienschaltungen einschaltet. Infolgedessen schwingt der Kondensator der letzten Stufe mit der gesamten effektiven Induktivität
der Serienschaltungen, die mit dem Kondensator parallel geschaltet sind, um so alle Thyristoren auszuschalten (commutate off).

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Induktivität der letzten LC-Stufe ein Gleichrichter parallel geschaltet,
um eine Welligkeitsspannung auf dem Kondensator während des Inverterbetriebes und SpannungsÜberschwingungen sowie eine ungedämpfte Schwingung in der Filterschaltung im wesentlichen zu
verhindern. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
wird vorgeschlagen, die Induktivität von jeder LC-Stufe kleiner als die Induktivität der nächst vorhergehenden Stufe und die
Kapazität von jeder LC-Stufe kleiner als die Kapazität der
nächst vorhergehenden Stufe zu machen. Gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung enthält die Stromdetektoreinrichtung einen derart gekoppelten Stromtransformator, daß er den Stromfluß durch die kapazitiven Bauelemente der letzten zwei LC-Stufen der Filterschaltung abtastet.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild von einer dreiphasigen Inverterschaltung, die dahingehend modifiziert ist, daß

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sie den erfindungsgemäßen Durchschuß- bzw. Kurzschlußschutz aufweist.

Fig. 2. ist ein schematisches Blockbild und zeigt genauer die Betätigung der Thyristorsteuerschaltungen, die aus der Feststellung eines überstromzustandes durch die Durchschußschutz schaltung resultiert.

Die Grundeinheiten des in Fig.l dargestellten einstellbaren Wechselstrom-Antriebsystemsumfassen eine Gleichstromeinspeisung

11. einen mehrphasigen Inverter 12 mit variabler Frequenz und

strom

spannung und einen mehrphasigen Wechsel'motor 13, der vorzugsweise ein Induktionsmotor ist. Die Gleichstromeinspeisung 11 wird zweckmäßigerweise von einer kommerziell zur Verfügung stehenden dreiphasigen Wechselstromquelle versorgt und enthält einen dreiphasigen Vollweg-Gleichrichter, wie z.B. die Dioden-Gleichrichterbrücke l4, die mit sechs in üblicher Weise angeordneten Dioden dargestellt ist. Der Vollweg-Diodengleichrichter 14 liefert ein pulsierendes Gleichstrompotential zwischen seinen Ausgangsklemmen 15' und 16, die durch eine Filterschaltung 100 gefiltert oder geglättet wird. Die Filterschaltung umfaßt ein Paar in Reihe geschaltete Filterinduktivitäten (Spulen) 102 und 104, ein Paar parallel geschalteter Filterkondensatoren 106 und 108 ,sowie eine Diode 110. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, daß die Filterschaltung 100 eine mehrstufige LC-Schaltung ist, die eine erste Stufe aus der Spule 102 und dem Kondensator 106 und eine zweite Stufe aus der Spule 104 und dem Kondensator 108 aufweist. Die erste Stufe kann als den Ausgangsklemmen 15' und 16 des Vollweg-Gleichrichters 14 (auch Eingangsklemmen 15* und 16 der Filterschaltung) benachbart angesehen werden, und die zweite Stufe kann als von den Ausgangsklemmen 15' und 16 (Filtereingangsklemmen) entfernt betrachtet werden. Selbstverständlich kann der Vollweg-Festkörpergleichrichter 14 durch andere äquivalente Gleichstromquellen ersetzt werden, wie z.B. einen einphasigen Gleichrichter oder eine Batterie. Weiterhin kann die Filterschaltung 100

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zusätzliche LC-Stufen aufweisen, minimal besitzt sie aber die zwei LC-Stufen, wie sie in Pig.l dargestellt sind.

Die Inverterschaltung 12 ist in der dreiphasigen Brückenschaltung geschaltet und verwendet die McMurray-Kommutierung, wie sie in den vorgenannten Patentanmeldungen und in der US PS 3 207 beschrieben ist. Gemäß der Kommutierungsmethode nach McMurray wird ein Hilfstransistor eingeschaltet, um einen Sperrimpuls eines Kommutierungsstromes zu erzeugen, der den Strom in einem laststromführenden Hauptthyristor auf unter seinen Haltewert

absenkt und ihn abschaltet. Demzufolge enthält eine erste Hauptphase des Inverters 12 eine Reihenschaltung mit einem laststromführenden Hauptthyristor 20 und einer in Reihe geschalteten Schutzinduktivität 21 und einer zweiten Schutzinduktivität 22, die mit einem zweiten laststromführenden Haupttransistor 23 in Reihe geschaltet ist. Diese Reihenschaltung ist dem Kondensator 108 der letzten LC-Stufe der Filterschaltung parallel geschaltet, um von diesem einen Eingangsgleichstrom aufzunehmen. Die Haupt thyristoren 20 und 23 sind injder gleichen Richtung gepolt und sind vorzugsweise in einer Richtung leitende steuerbare Siliciumgleichrichter. Es können aber auch andere äquivalente steuerbare Gleichrichter verwendet werden. Den Lastklemmen der Hauptthyristoren 20 und 23 sind auf entsprechende Weise Rückkopplungsdioden 2k und 25 direkt anti-parallel geschaltet. Diese Rückkopplungsgleichrichter führen einen überhöhten Kommutierungsstrom während des Kommutierungsintervalles und bilden einen Pfad für einen Blindlaststrom. Der Verbindungspunkt 50 der Schutzspulen 21 und 22 in der Hauptphase A ist mit einer der im Stern geschalteten Motorwicklungen des Wechselstrommotors 13 verbunden. Die Motorwicklungen könnten auch im Dreieck geschaltet sein. Die Hauptthyristoren 20 und 23 können als Schalter betrachtet werden, die abwechselnd die positive Gleichstromseite 15 des Kondensators 108 und die negative Gleichstrom-Einspeisungsklemme 16 mit der Motorwicklung verbinden. Die zweite Hauptphase (Phase B) des Inverters 12 enthält eine Reihenschaltung mit laststromführenden Hauptthyristoren 30 und 33 und ihren entsprechenden Schutzspulen 31 und 32 und die zugehörigen,

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invers parallel geschalteten RÜckkopplungsdioden 34 und 35» Der⁴ Verbindungspunkt 51 der zweiten Hauptphase ist mit einer zweiten Motorwicklung verbunden, während der Verbindungspunkt 52 der dritten Hauptphase (Phase C) die ähnlich bezeichneten Bauelemente 40 bis 45 umfaßt, die mit der dritten Motorwicklung in Verbindung stehen»

Der steuerbare Siliciumgleichrichter ist ein in einer Richtung leitender, torgesteuerter Thyristor und ist insbesondere ein Pestkörperbauelement, wobei eine Stromleitung durch das Bauelement durch das Anlegen eines Steuersignales an seine Steuerelektrode eingeleitet werden kann, wenn die Anodenelektrode positiv let relativ zur Kathodenelektrode. Danach aber verliert das Steuersignal die Steuerung über die Leitfähigkeit durch das Bauelement hindurch. Um das Bauelement nicht-leitend zu

machen oder auszuschalten, muß der Strom durch das Bauelement unter den Haltestrom gesenkt und das Bauelement in Sperrichtung vorgespannt werden, indem das Anodenpotential relativ zum Kathodenpotential negativ gemacht wird. Die Steuersignale, durch die die Hauptthyristoren in der geeigneten Reihenfolge leitend gemacht werden, um dem Wechselstrommotor 13 eine dreiphasige, stufenförmige Spannung zuzuführen, werden in einer Steuerschaltung 53 erzeugt, die hier nicht im Detail dargestellt ist, weil derartige Steuerschaltungen Üblich sind. Geeignete verwendbare Steuerschaltungen sind beispielsweise in dem Silicone Controlled Rectifier Manual, 4. Auflage, veröffentlicht von Semiconductor Products Department, General Electric Company, Syracuse, New,York, I967, beschrieben. Die Funktion und Steuerung der Kommutierungsschaltungen für die Hauptthyristoren sind im wesentlichen unabhängig von dem erfindungsgemäßen Schutzsystem.

Die Kommutierungsschaltung für die erste Hauptphase enthält eine Reihenschaltung, die direkt zwischen die positive Gleichstrom-Ejinspeisungsseite 15 des Kondensators 108 und die negative Gleichstromspeisungsklemme 16 geschaltet ist. Die Schaltung enthält einen kommutierenden Hilfsthyristor 2OA, der mit zwei

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Schutzinduktivitäten 26 und 27, sowie einem zweiten kommutierenden Hilfsthyristor 23A in Reihe geschaltet ist. Der Knotenpunkt 5h zwischen den zwei Schutzspulen 26 und 27 ist mit einer Kommutierungsspule 28 verbunden, die ihrerseits über einen Kommutierungskondensator 29 mit dem Knotenpunkt 50 in Reihe geschaltet ist.

Um die Wirkungsweise der Kommutierungsschaltung kurz zu erläutern, sei angenommen, daß der Hauptthyristor 20 Strom zur Last 13 leitet und daß der Kommutierungskondensator 29 aufgrund einer vorhergehenden Betriebshalbwelle so geladen ist, daß der Punkt 50 in Bezug auf den Punkt 5h positiv ist. Wenn es gewünscht wird, den Hauptthyristor 20 auszuschalten, wird der Kommutierungshilfsthyristor 2OA durch ein Steuersignal von der Steuerschaltung 55 angesteuert, wodurch der Reihenschwingkreis mit der Kommutierungsinduktivität 28 und der Kommutierungskapazität 29 über die Schutzinduktivitäten 21 und 26 den Lastklemmen des Hauptthyristors 20 parallel geschaltet wird. Von diesem Reihenschwingkreis wird ein Entladestromimpuls erzeugt, der den Strom im Hauptthyristor auf Null senkt. Die Rückkopplungsdiode 2h ist dann in Durchlaßrichtung vorgespannt und leitet überschüssigen Kommutierungsstrom ab, während sie gleichzeitig den Hauptthyristor 2h für eine längere Periode als die Ausschaltzeit in Sperrichtung vorspannt, so daß der Hauptthyristor 20 abgeschaltet wird. Wenn sich der Kommutierungskondensator 29 auf die umgekehrte Polarität|aufgeladen hat, dann ist der Knotenpunkt Sh positiver als die positive Gleichstrom-Einspeisungsklemme 15, so daß der Hilfsthyristor 20 A nicht-leitend gemacht wird. Wenn der Hauptthyristor 20 abschaltet, kann ein Blindlaststrom durch die entgegengesetzte Rückkopplungsdiode 25 fließen und dieser lädt wünschenswerterweise den Kommutierungskondensator 29 auf einen Wert auf, der teilweise von der Größe des Laststromes abhängt. Auf Wunsch kann ein Widerstand mit der Kommutierungsspule 28 und dem Kommutierungskondensator 29 in Reihe geschaltet werden, um die Spannung zu begrenzen, auf die der Kommutierungskondensator 29 aufgeladen wird. An einem gewähl-

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ten Punkt wird der Hauptthyristor 23 durch ein Steuersignal leitend gemacht, das an seine Steuerelektrode angelegt wird, und der Kommutierungskondensator 29 hat die entsprechende Polarität, um ihn in den Sperrzustand zu kommutieren, wenn der Kommutierungshilfsthyristor 23A angesteuert ist. In ähnlicher Weise enthalten die Kommutierungsschaltungen für die Thyristoren 30 und 33 der Hauptphase B die in Reihe geschalteten Hilfsthyristoren 30 A und 33 A und die Kommutierungskomponenten 36 39. Die Kommutierungsschaltungen für die Thyristoren ¹IO und 43 der Hauptphase C sind mit den in Reihe geschalteten Hilfsthyristoren 40 A und 43 A und den Kommutierungskomponenten 46 - 49 versehen. Weitere Einzelheiten in Bezug auf die Kommutierungsschaltungen können auf Wunsch aus dem vorstehend genannten US Patent 3 207 974 entnommen werden.

Ein Inverter dieserArt, bei dem die Frequenz der Kommutierungs schaltungen wesentlich höher sein kann als die Frequenz der Ausgangsspannung, ist besonders geeignet für eine Verwendung als Inverter mit variabler Frequenz und Spannung in einem Wechselstrom-Antriebssystem mit einstellbarer Drehzahl. Die an die Klemmen des Wechselstrom-Induktionsmotors angelegte Spannung muß als eine Funktion der Frequenz verändert werden, um einen konstanten Fluß in der Maschine beizubehalten. Die Spannung muß bei irgendeiner bestimmten Frequenz innerhalb eines relativ engen Bereiches gehalten werden, um für die richtige Erregung zu sorgen. Dies kann durch eine ZeitVerhältnisregelung oder Impulsbreitenmodulation innerhalb des Inverters erreicht werden, die zur Spannungsregelung die gleichen Thyristoren verwenden» die zur Frequenzregelung benutzt werden. Die Einzelheiten, wie dies erreicht werden kann, sind in der eingangs genannten deutschen Patentanmeldung P 21 51 588 beschreiben.

Während eines Betriebes des Antriebssystems kann ein Überstrom- oder Durchschußzustand inßeder der drei Hauptphasenschaltungen oder jeder der drei Kommutierungsphasenschaltungen auftreten, die jeweils vorzugsweise zwei Thyristoren enthalten, die mit induktiven Bauelementen in Reihe geschaltet sind. Diese können

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beispielsweise von einem Paar Schutzinduktivitäten gebildet werden, wie sie hier dargestellt sind. Es gibt drei Hauptkategorien von Gründen, die einen möglicherweise zerstörerischen Durchschußzustand in dem Inverter 12 erzeugen können, der dem Wechselstrom-Induktionsmotor 13 elektrische Leistung zuführen soll. Es kann ein Lastüberstrom aufgrund einer gewissen Fehlfunktion in der Last selbst, wie z.B. einer Sättigung des Motors, ein Kurzschluß der Motorleiter oder eine überlast bestehen. In diesem Fall kannjdie Höhe des Stromes durch die Hauptthyristoren so sein, daß die Kommutierungsschaltungen die Kommutierung von einem Thyristor nicht richtig herbeiführen, bevor der andere Thyristor in der gleichen Schaltung eingeschaltet wird. Rauschprobleme in den Steuerschaltungen für die Thyristoren können dazu führen, daß Steuersignale falsch oder zeitlich irregulär gesteuert erzeugt werden, oder sie können transiente Schwingungen hervorrufen, die zu irregulären Steuersignalen führen. In diesem Fall kann der in Reihe geschaltete zweite Thyristor angesteuert werden, bevor der erste Thyristor ausgeschaltet ist. Ferner kann die Leistungsschaltung selbst Spannungen oder Ströme erzeugen, die die Nennwerte der Thyristoren, beispielsweise während des Generatorbetriebes des Motors, überschreiten.

Bei der Schaltung gemäß Fig.l, in der die Filterinduktivität 10*1 als eine Trennimpedanz zwischen dem Filterkondensator 108 und der ersten Stufe des Filters 100 dient, ordnet eine gleichzeitige Leitfähigkeit der zwei Thyristoren in irgendeiner der Haupt- oder Kommutierungsphasen, die allgemein als ein "Durchschuß" bekannt ist, automatisch die Thyristoren und Schutzinduktivitätselemente dieser Schaltung in einem Reihenschwingkreis mit dem Filterkondensator 108 an. Während der ersten Halbwelle der Schwingung des so erzeugten Reihenschwingkreises wird die Polarität des Filterkondensators 108 umgekehrt, und für eine dreiphasige Inverterschaltung ist der Sperrstrom, der während der zweiten Halbwelle der Schwingung erzeugt wird, nicht wirksam, um die leitenden Reihenthyristoren auszuschalten, da die Rückkopplungsdioden in den drei Hauptphasen dann in Durchlaßrichtung vorgespannt sind und drei parallele Pfade für den

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Sperrstrom bilden. Es kann durch mathematische Berechnungen gezeigt werden, daß (unter der Annahme, daß die Schutzinduktivitäten in den parallelen Zweigen der Hauptphasen alle gleich sind) ein Sperrstrom mit ausreichender Amplitude und Periodendauer, um die zwei kurzgeschlossenen Thyristoren auszuschalten, erzeugt werden kann, wenn die effektive Gesamtinduktivität bei einem Stromfluß in Rückwärtsrichtung von der Speiseklemme 16 zur Speiseklemme 15 die Hälfte der effektiven Gesamtinduktivität ist, wenn der Strom in Vorwärtsrichtung von der Klemme 15 zur Klemme 16 fließt. In einer Zweiphasen- oder Brückenschaltung mit zwei parallel geschalteten Zweigen würde die Schaltung auf dem Schwellwert einer automatischen Ausschaltung der kurzgeschlossenen Reihenthyristoren sein, sie könnte aber nicht als betriebssicher betrachtet werden. In einer dreiphasigen Schaltung ist, für einen Durchschuß in einer Hauptphase, die effektive Gesamtinduktivitat bei einem Stromfluß in Rückwärtsrichtung nur ein Drittel der effektiven Gesamtinduktivität» wenn der Stromfluß in der Vorwärtsrichtung fließt, und die zwei kurzgeschlossenen Reihenthyristoren werden nicht ausgeschaltet. Die Situation ist nicht besser, wenn der Durchschuß in einer der Kommutierungsphasen der Schaltung gemäß Pig. I auftritt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung, kann eine erfolgreiche Kommutierung der Thyristoren nach einem Durchschuß dadurch erhalten werden, daß der Durchschußstrom abgetastet wird und dann alle laststromführenden Thyristoren der Hauptphasen angesteuert werden. Wenn somit ein Kurzschlußzustand in einer der Hauptphasen gemäß Pig.l auftritt, wie z.B. der Hauptphase A, werden die Thyristoren in den Hauptphasen B und C angesteuert. Wenn eine der Kommutierungsphasen kurzgeschlossen ist, dann werden alle sechs Thyristoren iriden Hauptphasen A, B und C angesteuert. Auf diese Weise ist die effektive Gesamtinduktivität des Serienschwingkreises mit dem Pilterkondensator während der ersten Schwingungshalbwelle die gleiche, wenn der Strom von der Klemme .15 zur Klemme 16 fließt, wie Während der zweiten Schwingungshalbwelle, wenn d_er Strom in umgekehrter Richtung fließt. Dies

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sorgt für eine normale Schwingungshalbwelle in den hinzugefügten Phasen, und die Schwierigkeiten mit parallelen Phasen, die nur an einem Teil der Halbwelle beteiligt sind, wie es vorstehend beschrieben wurde, sind vermieden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß der Durchschußstrom wenigstens auf die Serienschaltungen der drei Phasen verteilt wird und der Strom pro Serienschaltung oder Phase verkleinert ist. Der Serienschwingkreis, der durch den Pilterkondensator 108 und die effektive Gesamtinduktivität der parallel geschalteten Schutzinduktivitäten in den Hauptphasen gebildet ist, ist so ausgewählt, daß der Sperrstrom bei Abstimmfrequenz für eine ausreichend lange Zeitperiode zugefüttrt wird, um alle leitenden Thyristoren abzuschalten. Für den Fall, daß das Erfordernis für die Schutzinduktivitäten durch weitere Entwicklungen eliminiert werden, sollte die effektive Gesamtinduktivität der aus dem Durchschuß resultierenden Schaltung einen Wert haben, durch den ein Schaltkreis gebildet wird, der mit dem Filterkondensator bei einer Frequenz in Resonanz ist, die den erforderlichen Sperrstrom einspeist, um die Thyristoren abzuschalten.

Wenn ein Durchschuß auftritt, d.h., wenn beide Thyristoren von einender Reihenschaltungen gleichzeitig leitend sind, entsteht als Ergebnis ein Kurzschluß zwischen den Gleichstromklemmen 15 und 16 mit einem äußerst schnellen Stromanstieg, da die Induktivität der Spulen in den Reihenschaltungen relativ klein ist. Der in die gleichzeitig leitenden Thyristoren in der kurzgeschlossenen Reihenschaltung zu leitende Strom stammt hauptsächlich von einer schnellen Entladung des Filterkondensators 108, wobei die Spule 104 genügend Induktivität aufweist, um den Kondensator 108 von der Gleichstromquelle 11 und der ersten Stufe des LC-Filters 100 im wesentlichen zu trennen. Unter diesen Bedingungen besteht ein geeigneter Weg, um das Auftreten des Durchschusses abzutasten, darin, die große Änderung des zwischen den Klemmen 15 und 16 durch den Kondensator 108 fließenden Stromes festzustellen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Stromabtastung durch eine Detektorvorrichtung durchgeführt, die, einen Stromtransformator 60 aufweist, dessen Primärwicklung mit

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einer geeigneten Schaltung 61 in Verbindung steht, die feststellt, wann der abgetastete Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Selbstverständlich tastet der Stromtransformator 60 auch jeden Strom, der zwischen den Knotenpunkten 16 und 15»' durch den Kondensator 106 fließt. Wie jedoch vorstehend angegeben wurde, hat die Spule 104 unter Durchschußbedingungen eine ausreichende Induktivität, um den Kondensator 106 von der Wirkung des Durchschusses im wesentlichen abzutrennen. Demzufolge ist der Strom durch den Kondensator 106 vernachlässigbar, und es kann angenommen werden, daß der Stromtransformator 60 nur den kapazitiven Strom in der letzten LC-Stufe abtastet.

Der Strom für die Kommutierungsphasen des^ Inverters 12 während des Kommutierungsintervalles stammt teilweise aus der Entladung des Pilterkondensators 108. Der Stromwert jedoch, der zur Kommutierung erforderlich ist, ist nicht so hoch, wie er während eines Durchschusses auftritt. Die Höhe des durch die Detektorschaltung 61 festgestellten Stromes, die einen überstromzustand darstellt, ist genügend hoch eingestellt, so daß ein überstromsignal von der Detektorschaltung 61 während eines normalen Betriebes der Inverterschaltung 12 nicht erzeugt werden kann. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung speist die Ausgangsgröße der Detektorschaltung 61 eine Schaltung 62, die den Thyristor-Steuerschaltungen 53 den Befehl gibt, allen sechs Hauptthyristoren gleichzeitig Steuersignale zuzuführen und weitere Steuersignale zu verhindern. Nach einer Korrektur des überstromzustandes werden dann alle Hauptthyristoren 20, 23» 30, 33,40 und 43 abgeschaltet, um den Inverter vollständig außer Betrieb, zu setzen. Die Detektorschaltung 6l erregt auch eine Schaltung 63, die den Steuerschaltungen 55 für die Kommutierungsthyristoren den Befehl gibt, weitere Steuersignale zurückzuhalten.

Es sei nun angenommen, daß solche Lastbedingungen entstehen, daß von dem Inverter 12 ein Lastüberstrom gezogen wird. Ein derartiger Lastüberstrom kann beispielsweise durch einen Teilkurzschluß der Motorwicklungen erzeugt werden. Falls die Schutz-

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einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht wirksam wäre, würde eine typische Folge eines derartigen überstromzustandes eine graduelle Senkung der Spannung auf dem Kondensator 108 der Filtersehaltung 100 sein. Aufgrund der verkleinerten Spannung auf dem Kondensator 108 zusammen mit dem erhöhten Laststrom könnte eine normale Kommutierung der leitenden Thyristoren unmöglich sein. In einem solchen Falle wird ein zweiter Reihenthyristor angesteuert, während der erste Reihenthyristor noch leitend ist, so daß ein Durchschuß erzeugt wird. Da jedoch die Spannung auf dem Kondensator 108 aufgrund des Lastüberstromes abgefallen ist, kann eine Durchschußkommutierung durch Ansteuerung aller laststromführenden Thyristoren, wie es oben angegeben wurde, zu diesem Zeitpunkt ebenfalls unmöglich sein. Um den Inverter in dieser Situation außer Betrieb zu setzen, muß berücksichtigt werden, daß ein Durchschuß wahrscheinlich als Folge eines Lastüberstromes auftritt und die Thyristoren einschalten, bevor die Spannung auf dem Kondensator auf ein wesentliches Maß abgesenkt worden ist.

Es ist bisher vorgeschlagen worden, daß Detektormittel verwendet werden sollten, um den kapazitiven Strom in der letzten Stufe einer vielstufigen LC-Filterschaltung abzutasten und alle Hauptthyristoren eines Inverters einzuschalten, wenn der abgetastete Strom eine vorbestimmte Höhe überschreitet. Eine derartige Vorrichtung funktioniert in der oben beschriebenen Weise in Bezug auf eine reine Durchschußsituation. Es wurde jedoch gefunden, daß eine derartige Lösung nicht völlig zufriedenstellend ist, wenn der Fehler des Antriebssystems in der Laet auftritt, so daß der Durchschuß lediglich eine verzögerte Folge einer Lastüberstromsituation ist. Wo sich der Kondensator der letzten Stufe langsam entlädt, kann der kapazitive Stromfluß in der letzten Stufe unzureichend sein, um die Existenz eines fehlerhaften Zustandes anzuzeigen, wobei ein großer Teil des überhöhten Laststromes durch die Entladung des Kondensators der nächst vorhergehenden LC-Stufe zugeführt wird. Unter solchen Umständen würde die ideale Lösung darin bestehen, den gesamten Stromfluß zum Inverter abzutasten und alle Hauptlastthyristoren

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anzusteuern, wenn der gesamte Stromfluß einen verbestimmten Wert überschreitet.

Durch Verwendung wenigstens einer zweistufigen LC-Schaltung zwischen dem Diodengleichrichter IM und dem Inverter 12 und durch Abtastung des gesamten Stromflusses in den Kondensatoren von wenigstens den letzten zwei'Stufen kann eine enge Annäherung an den gesamten Stromfluß in den Inverter erhalten werden, und zwar sogar dort, wo nur eine graduelle Änderung oder sogar gar keine Änderung in'der Spannung des Kondensators in der letzten Stufe auftritt. Demzufolge tastet der Stromtransformator 60, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, den gesamten Stromfluß in beiden Kondensatoren der dargestellten zweistufigen Filterschaltung ab. Unter reinen Durchschußbedingungen spricht der Stromtransformator 60, wie es vorstehend bereits erläutert wurde, nur auf den schnellen Entladestrom durch den Kondensator 108 an. Unter überStrombedingungen, die erst zu einem Durchschuß führen, spricht der Transformator 60 jedoch auf den Strom in dem Kondensator 106 und ebenso den Strom des Kondensators 108 an. Wenn der gesamte abgetastete Strom die vorbestimmte Höhe erreicht, wird durch die Detektorschaltung 6l ein überstromsignal erzeugt, damit die Schaltung 62 alle sechs Hauptthyristoren gleichzeitig ansteuert. Die Schaltung 63 ist dann in dem Sinne wirksam, daß sie die Erzeugung weiterer Steuersignale zu den Haupt- und Kommutierungsthyristoren verhindert. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Mittel zur Abtastung wenigstens einer dichten Annäherung an den gesamten Stromfluß in den Inverter vorgesehen sind, so daß beginnende Durchschüsse vorausgesehen und korrigierende Maßnahmen in zeitlich gesteuerter Weise vorgenommen werden können. Es wurde gefunden, daß eine derartige-Ännäherung mit der bekannten Lösung nicht erhalten werden kann, wonach nur der Strom in einem einzigen Kondensator von ein- oder vielstufigen Filterschaltungen abgetastet wird.

Die Diode 110 des dargestellten und bevorzugten Ausführungs-

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beispieles der Erfindung hat verschiedene wichtige Funktionen. Neben ihrer Aufgabe in bezug auf einen Durchschußschutz hat sie die Neigung, die Welligkeitsspannung zu verringern, die anderenfalls während eines normalen Betriebs des Inverters vorhanden sein würde, indem sie die Spannung auf dem Kondensator 108 auf derjenigen des viel größeren Kondensators 106 hält. Die Diode 110 verhindert auch die Entwicklung einer ungedämpften Schwingung in dem geschlossenen Kreis aus der Spule 104 und den Kondensatoren 106 und 108, indem sie die Spule 10M kurzschließt. Während eines Durchsnhusses bildet die Diode 110 einen Spannungsschutz für den Kondensator 108 und die Inverterbauteile, indem sie die Spannung auf dem Kondensator 108 auf derjenigen des größeren Kondensators 106 hält.

Wie bereits angegeben wurde, hat der Kondensator 108 eine viel kleinere Kapazität als der Kondensator 106. Auch die Spule 104, die genügend groß ist, um den Kondensator 108 während einer Durchschußkommutierung vom Rest der Gleichstromquelle 11 abzutrennen, ist viel kleiner als die Induktivität 102 der ersten Stufe. Es wurde beispielsweise gefunden, daß die Kapazität des Kondensators 106 zehn-bis zwanzigmal größer als die Kapazität des Kondensators 108 sein sollte. In ähnlicher Weise sollte die Induktivität der Spule 102 fünf-bis fünfzehnmal so groß sein wiejdie jenige der Spule 10¹J. Beispielsweise wurde es in einem Antriebsystem, das einen Motor in dem Leistungsbereich von 35 - 50 PS verwendet, für wünschenswert befunden, daß die Filterbauteile etwa die folgenden Nenndaten aufweisen:

Kondensator	106	12 600	mF
Kondensator	108	775	mF
Spule	102	0,8	mH
Spule	104	0,1	mH

Es ist ferner in einigen Anwendungsfällen vorzuziehen, daß die Kondensatoren als eine Reihe paralleler Kondensatoren zusammengefaßt sind, die jeweils zu einer entsprechenden Phase

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des Inverters 12 gehören. Selbstverständlich ist klar, daß eine derartige Paketbildung keinen Einfluß auf den Gtesamtbetrieb der PiIterschaltung und die Durchschuß-Schutzeinrichtung hat. Da der Kondensator 108 mit der Gesamtinduktivität der Inverteirachaitungen schwingen muß, sollte dieser nicht polarisiert sein. Der viel größere Kondensator 106 jedoch kann von der relativ weniger teueren polarisierten Bauart sein.

In der vorstehenden Beschreibung wurde ausgeführt, daß die Schaltung 63 die Anlegung weiterer Steuersignale verhindert, nachdem der Inverter 12 durch gleichzeitige Steuerung aller Hauptthyristoren die Schaltung 62 außer Betrieb gesetzt worden ist. Der. Vorteil der vollständigen Außerbetriebsetzung des Inverters 12 nach dem Wirksamwerden des Schutzsystems besteht darin, daß der Operateur gewarnt ist, daß eine gewisse zugrundeliegende Ursache des falschen Betriebes oder der Fehlfunktion bestehen kann, die möglicherweise korrigiert werden muß. Wenn nach einer erneuten Inbetriebsetzung des Inverters 12 nachfolgende Durchschüsse einmal oder zweimal wöier auftreten, wird deutlich, daß korrigierende Maßnahmen erforderlich sind. Es ist zwar möglich, den Inverter 12 automatisch wieder in Betrieb zu setzen nach einer Kommutierung aller Hauptthyristoren, um einen Kurzschlußzustand zu heilen, es sei jedoch darauf hingewiesen·, daß die Durchschuß-Schutzschaltung nicht wieder arbeitet, bis der Pilterkondensator wieder auf seine normale Polarität aufgeladen worden ist. Auf jeden Fall ist zu erkennen, daß die wesentlichen Einzelheiten des hier beschriebenen Durchschuß-Systems die gleichen sind, unabhängig davon, ob nun-eine vollständige Ausschaltung nach ei-nem Durchschuß oder eine, automatische Wiederinbetriebsetzung erfolgt, außer daß es nicht erforderlich sein wird, weitere Steuersignale zu den Hauptthyristoren und Kommutierungsthyristoren zu verhindern (siehe Schaltungen 62 und 63).

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Vorzugsweise ist die Funktion der Schaltungen 62 und 63 in Logikschaltungen enthalten, die normalerweise die Zeitsteuerung und Sequenz der Erzeugung von Steuersignalen für die Kommutierungs- und Hauptthyristoren bestimmen. Dies ist in Fig.2 diagrammatisch dargestellt, insoweit es für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich gehalten wird. Die Steuerlogik für die Kommutierungsphasen ist durch die Blöcke 6¹I - 66 dargestellt, während die Steuerlogik für die Hauptphasen durch die Blöcke 67 - 69 angegeben ist. Der Betrieb dieser Logikschaltungen wird normalerweise durch die Zündverteilerlogik bestimmt, die allgemein durch den Block 70 dargestellt ist und die an ihren hier nicht dargestellten Eingängen die erforderliche Information erhält, um den dreiphasigen Motor bei der gewünschten Drehzahl zu betreiben. Der Durchschuß-Stromschutz durch die Logikschaltung 6l ist ebenfalls eine Eingangsgröße in diese steuernden Logikschaltungen 64 - 69, Insoweit die Funktion des Durchschuß-Schutzsystems es auch umfaßt, den Motor 13 zum Stillstand zu bringen, ist die Schaltung 6l auch mit der Start-Stop-Logikschaltung 71 verbunden, die zum Anlauf und Abbremsen des Motors im normalen Betrieb verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche

Leistungsschaltung mit einer Filtersehaltung, die ein Paar Eingangsklemmen zur Verbindung mit einer elektrischen Spannungsquelle und zahlreiche LC-Filterstufen aufweist, und mit einer Leistungswandlereinrichtung, die zahlreiche Reihenschaltungen umfaßt, die jeweils parallel geschaltet sind zum kapazitiven Teil der von dem Eingangsklemmenpaar entferntesten LC-Stufe, wobei jede der Reihenschaltungen induktive Bauelemente und ein Paar ähnlich geholter Thyristoren aufweist, gekennzeichnet durch Steuermittel, die die Thyristoren leitend machen, und Kommutierungsmittel, die die Thyristoren ausschalten, wobei die Steuer- und Kommutierungsmittel normalerweise in einer vorbestimmten Folge arbeiten, so daß die zwei Thyristoren in jeder der Reihenschaltung gleichzeitig nicht leitend sind und Detektormittel (6o), die auf wenigstens einen Teil des Stromflusses in die Leistungswandlereinrichtung (12)einschließlich des kapazitiven Stromflusses in wenigstens die zwei von dem Klemmenpaar am weitesten entfernte LC-Stufen ansprechen, zur Erzeugung eines überstromsignales, wenn der abgetastete Strom eine vorbestimmte Höhe überschreitet, wobei die Steuermittel mit den Detektormitteln verbunden sind und auf ein überstromsignal ansprechen und daraufhin alle Thyristoren von wenigstens zwei der Reihenschaltungen gleichzeitig leitend machen.
2. Leistungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Filterschaltung (100) einen Gleichrichter (110) aufweist, der dem induktiven Bauelement (104) der von dem Klemmenpaar (15,16) am weitesten entfernten LC-Stufe parallel geschaltet ist, derart, daß eine Überhöhte Spannung auf dem kapazitiven Bauelement (108) der entferntesten LC-Stufe verhinderbar ist.

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3. Leistungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektormittel einen Gleichrichter (110) umfassen, der dem induktiven Bauelement (104) der von dem Klemmenpaar (15,16) entferntesten LC-Stufe parallel geschaltet ist, derart, daß die Spannung auf dem kapazitiven Bauelement (108) der entferntesten LC-Stufe die Spannung auf dem kapazitiven Bauelement (106) der nächst entferntesten LC-Stufe nicht wesentlich überschreitet.
4. Leistungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zahlreiche Rückkopplungsgleichrichter (24,25,34,35,44,45) vorgesehen sind, die jeweils einem entsprechenden Thyristor (20,23, 30,33,40, 43) umgekehrt gepolt parallel geschaltet sind, wobei allen Thyristoren wenigstens der letzten zwei Reihenschaltungen umgekehrt gepolte Gleichrichter parallel geschaltet sind, und die Induktivität jeder LC-Stufe kleiner ist als die Induktivität der nächst weniger entfernten LC-Stufe und die Kapazität jeder LC-Stufe kleiner ist als die Kapazität der nächst weniger entfernten LC-Stufe *
5. Leistungsschaltung nabh Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (63) vorgesehen ist, durch die wenigstens zeitweise verhinderbar ist, daß die Steuermittel die Thyristoren in der normalen vorbestimmten Folge leitend machen, nachdem alle Thyristoren der wenigstens zwei Reihenschaltungen auf ein Überstromsignal hin leitend gemacht worden sind.
6. Leistungsschaltung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , daß die induktiven Bauelemente der Reihenschaltungen,deren Thyristoren auf ein überstromsignal hin gleichzeitig leitfähig gemacht wordenjsind, im wesentlichen die gleiche Induktivität besitzen.

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7. . Leistungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusammen mit einem Wechselstrom-Antriebssystem mit einstellbarer Drehzahl verwendet ist, das einen mehrphasigen Wechselstrommotor (13) aufweist.
8. Leistungsschaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Filtersehaltung (100) , zwei LC-Stufen aufweist und die Detektormittel einen Stromtransformator (60) zur Abtastung des 'Stromflusses umfassen.
9. Leistungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Filterschaltung (100) erste und zweite induktive Bauelemente (102, 104), die zwischen einer ersten Eingangsklemme (15*) und einer ersten Ausgangsklemme (15) in Reihe geschaltet sind, ein erstes kapazitives Bauelement (106), das zwischen den Knotenpunkt (15") der ersten und zweiten induktiven Bauelemente (104,106) und zweite Ein- und Ausgangsklemmen (16) geschaltet ist, und ein zweites kapazitives Bauelement (108) umfaßt, das zwischen die erste Ausgangsklemme (15) und die zweiten Ein- und Ausgangsklemmen (16) geschaltet ist, von denen d»as erste induktive Bauelement (102) und das erste kapazitive Bauelement (106) die erste LC-Stufe neben den Eingangsklemmen bilden und das zweite induktive Bauelement (104) und das zweite kapazitive Bauelement (108) die von den Eingangsklemmen entfernte LC-Stufe bilden.
10. Leistuhgssehaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten induktiven Bau-• element (104) ein Gleichrichter (110) parallel geschaltet ist.

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11. Leistungsschaltung nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet , daß die induktiven Bauelemente der Reihenschaltungen, deren Thyristoren auf ein überstromsignal hin gleichzeitig leitend gemacht sind, im wesentlichen die gleiche Induktivität besitz_en.
12. Leistungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Stromtransformator (60) mit der Filterschaltung gekoppelt ist, derart, daß eine dem Stromfluß durch die ersten und zweiten kapazitiven Baulelemente proportionale Ausgangsgröße erzeugbar ist.

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