DE2349161C3

DE2349161C3 - Anordnung zum Schutz eines von einem Gleichspannungszwischenkreis gespeisten selbstgeführten Wechselrichters

Info

Publication number: DE2349161C3
Application number: DE2349161A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Brenneisen
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1973-09-29
Filing date: 1973-09-29
Publication date: 1978-09-21
Also published as: FR2246099A1; SE7412076L; SE395206B; CH570059A5; GB1476743A; FR2246099B3; AT329659B; US4005350A; ATA704174A; DE2349161A1; DE2349161B2

Description

D =

2R

L_ C '

und für L und Cdie resultierenden Kapazitäts- bzw. Induktivitätswerte einzusetzen sind, die für die Schwingungen maßgeblich sind. 4ΐ

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz eines von einem Gleichspannungszwischenkreis gespeisten selbstgeführten Wechselrichters in dreiphasiger Brückenschaltung mit Lastthyristoren in den Brückenzweigen sowie den Lastthyristoren unmittelbar antiparallel geschalteten Dioden, wobei der Gleichspannungszwischenkreis wenigstens eine Glättungsdrossel und wenigstens einen Glättungskondensator aufweist und parallel zum Glättungskondensator ein Zusatzzweig mit einer Induktivität und einem Hilfsthyristor liegt und beim Auftreten einer Durchzündung in einem Brückenzweig des Wechselrichters alle Lastthyristoren und wahlweise der Hilfsthyristor gleichzeitig mit einem kurzen Zündimpuls beaufschlagt werden, wodurch der Glällupgskondensator und die Induktivitäten des Wechselrichters bei gleichzeitig gezündeten Lastthyristoren einen Schwingkreis bilden.

Eine solche Anordnung ist durch die DE-OS 14 88 859 bekanntgeworden. Bei dieser Anordnung können mehrere Zusalzzweige mit im Normalbelrieb gesperrten Hilfsthyristoren und Induktivitäten parallel geschaltet werden, so daß bei Störungen des Wechselrichters, — z. B. Durchzündungen, die zu einer an sich bekannten Durchzündung aller Lastthyristoren als Schutzmaßnahme führen können (DE-OS 20 02 943), die in jedem Fall aber einen Kurzschluß des Gleichspannungs- bzw. Gleichstromkreises darstellen, — der hohe Entladestrom des Glättungskondensators aufgeteilt bzw. die einzelnen Lastthyristoren entlastet werden.

Der Kurzschluß über die Lastthyristoren eines Zweiges kann infolge Energienachlieferung aus der Gleichspannungsquelle nicht ohne besondere Maßnahmen unterbrochen werden, weil die Ventile bzw. Thyristoren im leitenden Zustand verharren, solange ein Stromfluß in Durchlaßrichtung vorhanden ist. Daher muß gewöhnlich die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises abgeschaltet werden, bevor die gezündeten Thyristoren wieder sperren und normal weiterarbeiten können.

Bei der aus der DE-OS 20 02 943 bekannten Technik werden die Lastthyristoren mit einem kurzen, abschaltbaren Zündimpuls (Kurzimpuls-Verfahren) gezündet, wodurch die Thyristoren in der zweiten Stromhalbschwingung, — welche über diese und teilweise über die Dioden geht, die im weiteren auch den Differenzstrom zwischen Kommutierungs- und Löschstrom und Laststrom aufnehmen, — wieder ihre Lösch- bzw. Sperrfähigkeit erlangen können. Jedoch ist anzumerken, daß im vorliegenden Fall von einer mehrphasigen Brückenschaltung ausgegangen wird. Zum Beispiel ist bei einer Dreiphasenschaltung und einem Kurzschluß in einer Hauptphase die wirksame Gesamtinduktivität bei in Sperrichtung fließendem Strom nur gleich einem Drittel der wirksamen Gesamtinduktivität bei in Durchlaßrichtung fließendem Strom, so daß die beiden kurzgeschlossenen Thyristoren nicht gesperrt werden, sofern nicht besondere Maßnahmen vorgesehen sind.

Es ist schließlich allgemein bekannt, alle Thyristoren mit einem langen Zündimpuls (Dauerimpuls) zu zünden, wodurch sich die gesamte im Glättungskondensator gespeicherte Energie in den Leitern und den Ventilen der Schaltung in einer gedämpften Schwingung abbaut und diese Elemente erwärmt.

Die im Glättungskondensator gespeicherte Energie bleibt bei einer Durchzündung auch bei Stromaufteilung problematisch; denn der Glättungskondensator kann sich nur über die relativ kleinen Induktivitäten (niedriger Wellenwiderstand) entalden, was zu hohen Kurzschlußströmen führt. Da außerdem die Dämpfung dieser Schwingkreise relativ klein ist, stellen diese Ströme eine Gefährdung für die Leiter und die Ventile im Stromkreis dar.

All den genannten Maßnahmen ist gemeinsam, daß sie im Prinzip nur den Entladestrom des Glättungskondensators auf möglichst viele Zweige verteilen, ohne dabei auch wirkungsvoll die Energie in einem stärkeren Maße als durch die in den Kreisen sowieso vorhandene natürliche Dämpfung abzubauen. Insbesondere bei Anordnungen großer Leistung ist diese natürliche Dämpfung aber in der Regel sehr klein.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, dem Glättungskondensator schnell und wirksam Energie zu entziehen, wodurch die zweite Stromhalbschwingung, aber auch alle folgenden, gedämpft werden, d. h. eine geringere Amplitude haben.

Dies wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß ein weiterer dem

Glättungskondensator parallelgeschalteter Zweig vorgesehen ist, der aus einer in Serie mit einem ohmschen Widerstand geschalteten Diode besteht, die in Sperrichlung zur normalen Polung des Gleichspannungszwischenkreises geschaltet ist und die nach dcrr schwingungsbedingten Umpolung des Glättungskondensators im Störungsfall eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Polen des Glättungskondensators ab der zweiten Spannungshalbschwingung herstellt

Dadurch wird dem Schwingkreis aus Kondensator und den im Wechselrichter vorhandenen oder in denselben eingeschalteten Induktivitäten ab dem Maximum der ersten Entladehalbschwingung des Stromes (=Spannungsnulldurchgang) auf sehr wirksame und einfache Art Energie entzogen, so daß alle folgenden Stromhalbschwingungen wesentlich kleiner werden als ohne den weiteren Zweig.

Außerdem wird dadurch erreicht, daß der Glättungskondensator auf Spannungswerte zurückschwingt, die wesentlich kleiner sind als der Ausgangswe-t. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendung des vorgenannten Kurzimpulsverfahrens.

Zweckmäßig ist der Wert des Widerstandes in Reihe mit der Diode veränderlich, so daß vorgebbare Dämpfungswerte für die auftretenden Schwingungen eingestellt werden können.

Vorzugsweise wird der Widerstandswert des Widei Standes (7?,)so gewählt, daß sich ein Dämpfungsweu von D=0,5 ergibt, wobei Dwie folgt definiert ist:

D =

2R

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und für L und C die resultierenden Kapazitäts- bzw. Induktivitätswertc einzusetzen sind, die für die Schwingungen maßgeblich sind.

Die Erfindung wird anhand 'eines schematischen Ausführungsbeispieles anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 das Diagramm der auftretenden Spannungen und Ströme mit verschiedenen Dämpfungswerten (verschiedenen Widerstandswerten) als Parameter.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichters (hier eine sogenannte sperrspannungsfreie Anordnung) mit den verschiedenen genannten bekannten Überstromschutzeinrichtungen sowie der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Kommutierungseinrichtungen sind nicht eingezeichnet, da sie für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung nicht wesentlich sind. Dafür sind die Lastthyristoren als abschaltbare Thyristoren mit zwei Querstrichen versehen. Im Regelfall werden bei einer solchen Schaltungsanordnung nicht alle Schutzeinrichtungen gleichzeitig vorhanden sein. Für die Erläuterung sind sie jedoch hier alle angegeben. to

Eine Gleichspannungsquelle 2 (die z. B. aus einer ungesteuerten Gleichrichterbrücke gebildet sein kann) speist über eine Glättungsdrossel 3 den Glättungskondensator 7, dem die erfindungsgemäße Anordnung parallel geschaltet ist, die aus einem in Reihe mit einer t5 Diode D geschalteten ohmschen Widerstand R besteht, wobei die Diode in Sperrichtung geschaltet ist. Dem Kondensator ist ferner als bekannte Schutzeinrichtung ein aus der Induktivität 5 und dem Thyristor 17 bestehender Kurzschließer parallel geschaltet. Der nachgeschaltete dreiphasige selbstgeführte Wechselrichter besteht pro Phase aus den Induktivitäten 8a, Sh bzw. 9a, 9b bzw. 10a, 106, den Lastthyristoren 11,14 bzw. 12, 15 bzw. 13, 16 sowie den den Lastthyristoren unmittelbar antiparallel geschalteten Lastdioden 11a, 14;) bzw. 12,7, 15a bzw. 13a, 16a. Den Lastthyristoren ist als weitere bekannte Schutzmaßnahmen ein aus dem Thyristor 26 bzw. 27 bzw. 28 bestehender Entlastungszweig parallel geschaltet. Der Ausgang des Wechselrichters führt an die Phasen R, S, T.

Die Schaltung arbeitet nun wie folgt:

Die Thyristoren 11 bis 16 sowie 17, 26, 27 und 28 sind mit einem (nicht gezeigten) Steuergerät verbunden, das im Normalbetrieb des Wechselrichters die Thyristoren 11 bis 16 in bekannter Weise ansteuert. Die Thyristoren 17, 26, 27 und 28 bleiben in gesperrtem Zustand. Beim Auftreten einer Durchzündung werden gleichzeitig alle Thyristoren 11, 14 bzw. 12, 15 bzw. 13, 16 der Wechselrichterzweige gezündet.

Je nach gewählter Schutzmaßnahme können auch der Thyristor 17 im Kurzschließer und/oder die Thyristorer. 26, 27 und 28 der Entlastungszweige gezündet werden. Dabei entlädt sich der Glättungskondensator 7, und im Laufe der Ausgleichsschwingung zwischen Glättungskondensator 7 und den Induktivitäten 5, 8a bis 10a, Sb bis iOb polt sich der Glättungskondensator um und entlädt sich dann wiederum in umgekehrter Richtung über die den Thyristoren antiparallel geschalteten Dioden 11a bis 16a. Ohne die erfindungsgemäße Anordnung stellt sich für den Entladestrom i\ und die Spannung u_c des Glättungskondensators etwa ein Verlauf für D=O₁Ol aus Fi g. 2 ein. Der Strom /, teilt sich dabei im Verhältnis der Leitwerte auf die einzelnen parallelen Zweige auf. Die Dämpfung der Schwingung ist praktisch nur durch die natürliche, in der Schaltungsanordnung vorhandene Dämpfung gegeben. Zündet man die Thyristoren mit einem langen Impuls (Dauerimpuls), so ergibt sich eine schlecht gedämpfte Entladeschwingung des Kondensators. Wie aus Fig. 2 zu erkennen, haben dabei auch die auf die erste Halbschwingung folgenden Stromhalbschwingungen noch erhebliche Amplituden. Dabei belasten die positiven Halbschwingungen 1, 3 usw. die Thyristoren, die negativen Halbschwingungen 2, 4 usw. die Dioden. Dadurch werden sowohl die Thyristoren als auch die Dioden durch ein hohes Lastintegral beansprucht. Insbesondere die Dioden können hierbei gefährdet werden, da sie häufig für eine geringere Belastung als die Thyristoren ausgelegt sein können und dadurch auch eine geringere Überlastungsfähigkeit haben.

Zündet man die Thyristoren nur mit einem kurzen Impuls, der dann abgeschaltet wird, so er^reichen die Lastthyristoren während der über die Dioden fließenden Stromhalbschwingung 2 ihre Sperrfähigkeit wieder. Der während der Halbschwingung 2 über die Dioden fließende Strom ist, ohne die erfindungsgemäße Anordnung, in der Regel wesentlich größer, als es zum Löschen der Lastthyristoren eigentlich notwendig wäre. Zum Zeitpunkt /2, wenn der Diodenstrom zu null geworden ist, baut sich an den Lastthyristoren die positive Sperrspannung wieder auf, auf die sich der Glättungskondensator wieder aufgeladen hat. Infolge der geringen Dämpfung des Kreises erreicht die Spannung ohne die erfindungsgemäße Anordnung — Werte in der Höhe der Betriebsspannung, wie ebenfalls Fi g. 2 zu entnehmen ist.

Mit den erfindungsgemäßen Anordnungen lassen sich nun folgende Vorteile er/ielcn:

1. Hei Anwendung eines langen Ziindimpulscs werden alle Ventile strommäßig wesentlich entlastet. Dies gilt sowohl für die Dioden als auch für die Thyristoren.

2. Bei Anwendung eines sogenannten Kur/impulses werden einerseits die Dioden entlastet — wobei der Widerstand so eingestellt werden kann, daß noch eine sichere Löschung tier Hauptthyristoren erreicht wird — andererseits wird auch die wiederkehrende Spannung für die Lastthyristoren wesentlich verringert.

Wie ebenfalls aus F i g. 2 entnommen werden, werden diese Vorteile erkauft um den geringen Nachteil, daß die erste Stronihalbschwingung etrwas langer wird als es ohne die erfindungsgemäße Anordnung der Fall wäre. Doch ist die hierdurch bedingte Belastungserhöhung geringfügig und wird durch die genannten Vorteile weit überkompensiert.

Für die Dimensionierung des Widerstandes R sind iolgende Kriterien maßgeblich:

1. Die Dämpfung soll möglichst groß sein.

2. Für die Dimensionierung der F.ntlastungsdiode D will man mit einem möglichst kleinen Bauelement auskommen.

3. Bei Anwendung des Kurzimpulsverfahrens soll die Löschung der Lastthyristoren noch sicher gewährleistet sein, und die /um Zeitpunkt /; wiederkehrende Spannung soll möglichst gering sein.

4. Die Krhöhung der Belastung in den Thyristoren in der ersten Halbschwingung durch die Verlängerung der Sehwingungsdauer soll möglichst gering

Wie man anhand eier Parameter in I" ig. 2 erkennen kann, sind diese Forderungen zum Teil gegenläufig. Kin günstiger Kompromiß stellt jedoch die Diniensionierung des Widerstandes für eine Dämpfung von /) = 0.5 dar.

Die Dämpfung ist dabei w ic folgt definiert:

D =

2R

Dabei ist für Cder Wert des Glättungskondensators 7 einzusetzen, für L der Induktivitätswert der resultierenden Summe der Induktivitäten von 8a und 86 bzw. 9u und 9i> bzw. 10a und 10b und für R der verstellbare Widerstand.

Neben den beschriebenen Vorteilen zeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung dadurch aus, daß sie sehr einfach in der Anwendung ist und aus rein passiven liauelementen aufgebaut ist.

Daneben bietet sie — abgesehen von den Dioden im eigentlichen Wechselrichter — einen Schutz gegen Falschpolung des Glättungskondensators 7, was besonders wesentlich ist. wenn dies ein Elektrolytkondensator ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Schutz eines von einem Gleichspannungszwischenkreis gespeisten selbstgeführten Wechselrichters in dreiphasiger Brückenschaltung mit Lastthyristoren in den Brückenzweigen sowie den Lastthyristoren unmittelbar antiparallel geschalteten Dioden, wobei der Gleichspannungszwischenkreis wenigstens eine Glättungsdrossei und wenigstens einen Glättungskondensator aufweist und parallel zum Glättungskondensator ein Zusatzzweig mit einer Induktivität und einem Hilfsthyristor liegt und beim Auftreten einer Durchzündung in einem Brückenzweig des Wechselrichters alle Lastthyristoren und wahlweise der Hilfsthyristor gleichzeitig mit einem kurzen Zündimpuls beaufschlagt werden, wodurch der Glättungskondensator und die Induktivitäten des Wechselrichters bei gleichzeitig gezündeten Lastthyristoren einen Schwingkreis bilden, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer dem Glättungskondensator (7) parallelgeschalteter Zweig vorgesehen ist, der aus einer in Serie mit einem ohmschen Widerstand (R) geschalteten Diode (D) besteht, die in Sperrichtung zur normalen Polung des Gleichspannungszwischenkreises geschaltet ist und die nach der schwingungsbedingten Umpolung des Glättungskondensators (7) im Störungsfall eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Polen des Glättungskondensators (7) ab der zweiten Spannungshalbschwingung herstellt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Widerstandes (R)so gewählt wird, daß sich ein Dämpfungswert η von D=0,5 ergibt, wobei Dwie folgt definiert ist: