DE19600547A1

DE19600547A1 - Umrichterschutzgerät für elektrisches Netz

Info

Publication number: DE19600547A1
Application number: DE19600547A
Authority: DE
Inventors: Shotaro Murakami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1996-01-09
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2016-01-10
Also published as: FR2736219B1; CN1044536C; CN1139307A; CA2165101A1; JPH0919052A; JP3432640B2; FR2736219A1; CA2165101C; US5617012A; DE19600547B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umrichterschutzgerät für den Schutz von in Serie oder parallel geschalteten Umrichtern in einem elektrischen Netz für dessen Stabilisierung gegenüber einem Systemfehler und/oder einem Kurzschlußfehler.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung werden deren technischer Hintergrund kurz zusammengefaßt.

Die Fig. 14 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung eines gebräuchlichen Umrichters, der in Serie mit einem elektrischen Netz geschaltet ist, der beispielsweise in "Transactions in The National Convention of Industrial Applications Section of The Institute of Electric Engineers of Japan", (1993), Nr. 103, S. 444, offenbart ist. Unter Bezug auf die Figur ist ein SVC vom Selbsterregertyp (self excitation type SVC, hiernach als Umrichter bezeichnet) mit der Sekundärwicklung eines Reihentransformators verbunden, der eine Primärwicklung aufweist, die mit einer Phasenstarkstromleitung eines elektrischen Netzes 1 verbunden ist. Der Umrichter 3 ist in Form einer Dreiphasenbrückenschaltung realisiert, die aus GTO- Schaltelementen wie Thyristoren (im folgenden als GTO- Schaltelemente bezeichnet) gebildet sind, an die jeweils Dioden D antiparallel angeschlossen sind, wobei eine Gleichspannungskapazität 6 zum Bereitstellen einer Gleichspannung zwischen den Gleichspannungseingangsleitungen angeschlossen ist und Wechselspannungsausgangsleitungen mit der Sekundärwicklung des Reihentransformators 2 verbunden sind.

Üblicherweise ist der Umrichter 3 parallel an das elektrische Netz 1 zum Erzeugen einer Blindleistung und zum Verbrauchen einer derartigen Blindleistung im Hinblick auf die Sicherung der Stabilisierung des elektrischen Netzes verbunden. Zudem ist durch die Serienverbindung des Umrichters 3 mit dem elektrischen Netz eine Veränderung der Impedanz des elektrischen Netzes 1 möglich. Demnach dient der Umrichter als sehr wirksame Vorrichtung für die Stabilisierung des elektrischen Netzes.

Insbesondere dient der Umrichter zum fortlaufenden Erzeugen einer Wechselspannung, die orthogonal zu einem Systemstrom durch das elektrische Netz fließt. Demnach läßt sich die wirksam werdende Impedanz des elektrischen Netzes verändern, indem die Amplitude der Wechselspannung verändert wird, was funktionsmäßig gleichbedeutend zu einer fortlaufenden Steuerung einer Kapazität ist, die in Serie mit dem elektrischen Netz 1 verbunden ist, und was demnach zur Gewährleistung eines sehr hohen Wirkungsgrades bei der Realisierung der Stabilisierung des elektrischen Netzes führt. Da ansonsten der Umrichter 3 immer die Wechselspannung orthogonal zu dem Systemstrom erzeugt, entfällt die Anforderung, eine geeignete Stromversorgungsquelle auf der Gleichspannung des Umrichters 3 vorzusehen.

Bei dem bisher bekannten üblichen Umrichter mit der obigen Struktur sind die in Serie mit dem elektrischen Netzwerk verbundenen Umrichter für die Stabilisierung des elektrischen Netzes sehr wirksam. Jedoch kann aufgrund der Serienverbindung der Umrichter mit dem elektrischen Netz eine unerwünschte Überspannung in dem Netz bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz oder bei Auftreten eines Fehlers in dem Stromrichtergerät oder bei Abschalten der Stromrichter und demnach bei einer Unterbrechung des Systemstroms auftreten. Demnach treten große Schwierigkeiten bei dem Schutz und der Steuerung des bisher bekannten Stromrichtergeräts auf.

Im Lichte des Stands der Technik, wie er oben beschrieben ist, besteht eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Umrichterschutzgeräts, das in der Lage ist, die in Serie mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter zu schützen, indem ein Systemstrom fortlaufend fließen kann, auch bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz.

Im Hinblick auf die obige und weitere Aufgaben, die sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Stromrichterschutzgerät für ein elektrisches Netz geschaffen, enthaltend:
jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines elektrischen Netzsystems verbundene Transformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren verbundene Umrichter, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung fließen, eine zweite Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen der Umrichterströme, die zu den Umrichtern jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen fließen, eine Fehlerentscheidungsvorrichtung zum Ausgeben eines Fehlerentscheidungssignals bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des Systemstroms, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullbefehls bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals, und eine Steuersignal- Ausgabevorrichtung zum Zuführen eines Steuersignals zu den Umrichtern zum Einstellen der Ausgänge der Umrichter auf Null, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl, wenn in dem der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter absinkt.

Mit der oben beschriebenen Struktur des Umrichterschutzgeräts wird die Ausgangsspannung des Umrichters zum Ausgeben einer Wechselspannung orthogonal zu dem Systemstrom so gesteuert, daß sie im wesentlichen Null wird, wenn das Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz auf Grundlage des Systemstroms, der durch die Starkstromleitung fließt, erfaßt wird, indem der Umrichterstrom der Umrichter zu üblicherweise in dem Umrichter enthaltenen Schwungraddioden derart umgeschaltet wird, daß der Umrichterstrom durch die Schwungraddioden fließt, während er die Schaltelemente des Umrichters umgeht. Demnach kann der Umrichter vor einer Zerstörung oder einer Beschädigung aufgrund eines großen Stroms, der bei Auftreten des Systemfehlers erzeugt wird, geschützt werden. Ferner kann der Strom die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters umgehen, ohne daß eine Anforderung für das zusätzliche Vorsehen eines Geräts besteht, das speziell zu diesem Zweck entworfen ist. Weiterhin kann der Betrieb des Umrichters unmittelbar nach Entfernung des Systemfehlers erneut gestartet werden. Demnach kann gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ein Umrichterschutzgerät geschaffen werden, das sich mit hohem Zuverlässigkeit bei geringen Kosten realisieren läßt.

Bei einem bevorzugten Modus für die Ausführung der Erfindung kann das Umrichterschutzgerät ferner enthalten:
einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Transformatoren verbundenen Schalter, und eine Verzögerungsschaltung zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters mit einer Zeitverzögerung bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals von der Fehlerentscheidungsvorrichtung fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg.

Bei dem oben beschriebenen Umrichterschutzgerät wird die Ausgangsspannung des Umrichters so gesteuert, daß sie zu Null gesetzt wird, wenn der Systemfehler fortlaufend über eine Zeitdauer vorliegt, die eine zulässige Stromleitzeit der Schaltelemente zum Bilden des Umrichters übersteigt, während der parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossene Leistungsschalter geschlossen wird, damit hierdurch der Umrichterstrom durch den Leistungsschalter unter Umgehung des Umrichters fließt. Aufgrund einer derartigen Anordnung kann der Umrichter gegen einen großen Fehlerstrom selbst dann geschützt werden, wenn der Systemfehler fortlaufend über eine verlängerte Zeitdauer hinweg vorliegt. Demnach läßt sich die Zuverlässigkeit des Umrichterschutzgeräts weiter erhöhen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung enthält das Umrichterschutzgerät ferner:
jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines elektrischen Netzsystems verbundene Reihentransformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren verbundene Umrichter parallel mit den Sekundärwicklungen verbundene Halbleiterschaltelemente, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung fließen, und eine Systemfehler-Detektorvorrichtung zum Ausgeben eines Anschaltsignals an die Halbleiterschaltelemente und zum gleichzeitigen Ausgeben eines Abschaltsignals an die Umrichter nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des erfaßten Systemstroms.

Bei dieser Anordnung des oben beschriebenen Umrichtergeräts ist das Halbleiterschaltelement parallel zu der Sekundärwicklung des Reihentransformators angeschlossen und wird angeschaltet, wenn der Systemfehler erfaßt wird, und zur selben Zeit werden die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters abgeschaltet, damit ein großer Fehlerstrom durch die Halbleiterschalterelemente unter Umgehung der Umrichterschaltelemente fließen kann. Demnach läßt sich der Schutz des Umrichters mit einer einfachen und billigen Struktur gewährleisten.

Gemäß einem anderen bevorzugten Modus zum Ausführen der Erfindung kann das oben beschriebene Umrichterschutzgerät mit den Halbleiterschaltelementen ferner enthalten:
einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Reihentransformatoren verbundenen Schalter, und eine Verzögerungsschaltung zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters mit einer Zeitverzögerung bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals von der Systemfehler- Entscheidungsvorrichtung fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg.

Mit der oben beschriebenen Anordnung des Umrichters wird das parallel mit der Sekundärwicklung des Transformators verbundene Schaltelement bei Erfassung des Systemfehlers angeschaltet, und zur gleichen Zeit werden die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters abgeschaltet, damit ein großer Fehlerstrom durch das Halbleiterschaltelement unter Umgehung der Umrichterschaltelemente fließen kann. Anschließend wird dann, wenn der Systemfehler über eine Zeitdauer hinweg fließt, die eine zusätzliche Zeitdauer für die Halbleiterschaltelemente übersteigt, der parallel zu der Sekundärwicklung des Reihentransformators angeschlossene Leistungsschalter geschlossen, wodurch der Fehlerstrom über den Leistungsschalter unter Umgehung des Halbleiterschaltelements fließen kann. Mit Hilfe einer derartigen Anordnung kann das Halbleiterschaltelement mit einer geringen Stromkapazität und einer niedrigen thermischen Kapazität benützt werden, was vorteilhaft dahingehend ist, daß sich das Umrichterschutzgerät bildet und mit geringen Abmessungen realisieren läßt.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Modus zum Ausführen der Erfindung kann das Umrichterschutzgerät ferner einen Stopper enthalten, der im Zusammenhang mit der Sekundärwicklung jedes der Reihentransformatoren vorgesehen ist, damit das Anlegen einer Überspannung an den Umrichter vermieden wird.

Mit der oben beschriebenen Anordnung des Umrichterschutzgeräts kann die Überspannung, die auftreten kann, wenn die Sekundärseite des Transformators geöffnet wird, und zwar aufgrund eines Fehlers des Umrichters, mit Hilfe des Stoppers gehandhabt werden, der parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist. Demnach kann der Umrichter gegen das Anlegen einer Überspannung geschützt werden. Anders ausgedrückt, läßt sich ein Schutz des Umrichters mit höherer Zuverlässigkeit erreichen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Umrichterschutzgerät geschaffen, das enthält:
Reihentransformatoren mit jeweils in Serie zu Phasenstarkstromleitungen verbundenen Starkstromleitungen, wobei bei jedem Reihentransformator eine Sekundärwicklung in mehrere Wicklungsabschnitte unterteilt ist, Gruppen von Umrichtern, die jeweils für die Phasenstarkstromleitungen des elektrischen Netzsystems vorgesehen und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten der Transformatoren verbunden sind, wobei Gleichspannungseingangsleitungen der Umrichter jeweils mit den Sekundärabschnitten einer selben Stufe der Transformatoren für die Phasenstarkstromleitungen und untereinander verbunden sind und jeweils über Schutzsicherungen zu Gleichspannungskapazitäten geführt sind, eine Kurzschlußdetektorvorrichtung, die jeweils im Zusammenhang mit den Umrichtern vorgesehen ist, zum Erfassen des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in dem Umrichter, eine Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung zum Bestimmen desjenigen sekundären Wicklungsabschnitts, mit dem der Umrichter mit einem Kurzschlußfehler verbunden ist, auf der Grundlage eines von der Kurzschluß-Detektorvorrichtung aus gegebenen Kurzschlußdetektorsignals, und eine Zwangszündschaltung, die bei Festlegen des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in einen der Umrichter anspricht, um diejenige Schmelzsicherung aufzubrechen, die jeweils gemeinsam mit den Gleichspannungs- Eingangsleitungen der Umrichter für die Phasenstarkstromleitungen und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten verbunden ist, und zwar mit einer selben Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts, mit der auch der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler verbunden ist.

Mit Hilfe der oben beschriebenen Struktur des Umrichterschutzgeräts läßt sich ein redundantes System realisieren, da jede Sekundärwicklung des Reihentransformators einzeln in Serie zu der Starkstromleitung des elektrischen Netzes eingefügt ist und in mehrere Abschnitte unterteilt ist, mit einer entsprechenden Zahl von Umrichtern für jede der Starkstromleitungen, wodurch bei Auftreten eines Fehlers bei einem der Umrichter, der für eine Starkstromleitung vorgesehen ist, alle Schaltelemente derjenigen Umrichter, die für die anderen Starkstromleitungen vorgesehen sind und mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten wie der eine Umrichter verbunden sind, angeschaltet werden, um hierdurch die Schutzsicherung zu schmelzen und alle mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten verbundenen Umrichter abzukoppeln. Der Systembetrieb kann fortlaufend mit Hilfe anderer Umrichter fortgesetzt werden, die mit dem (den) anderen Sekundärwicklungsabschnitt (Sekundärwicklungsabschnitten) verbunden ist (sind). Demnach läßt sich ein ausfallsicheres Merkmal des Umrichterschutzgeräts mit geringen Kosten bei niedrigen Abmessungen realisieren.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Modus zum Ausführen der Erfindung, der auf das oben beschriebene Umrichterschutzgerät gerichtet ist, können ferner vorgesehen sein:
jeweils parallel mit den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren verbundene Schalter und Verzögerungsschaltungen, die jeweils zum Verzögern des Schließsignals vorgesehen sind, das dem zugeordneten Schalter mit einer festgelegten Verzögerung nach dem Bestimmen des Kurzschlußfehlers durch die Kurzschluß- Entscheidungsvorrichtung zugeführt wird.

Aufgrund der oben beschriebenen redundanten Ausbildung des Stromrichterschutzgeräts mit mehreren Umrichtern für jede der Starkstromleitungen werden bei einem Auftreten eines Fehlers in einem der Umrichter für eine vorgegebene Starkstromleitung all die Schaltelemente derjenigen Umrichter angeschaltet, die für die anderen Starkstromleitungen vorgesehen und mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten wie der eine Umrichter verbunden sind, um hierdurch die Schutzsicherung zu schmelzen und all die Umrichter abzukoppeln, die mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten verbunden sind. Anschließend werden die Leistungsschalter, die parallel mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten verbunden sind, zum Auslösen von Kurzschlußströmen unter Umgehung der relevanten Umrichter durch einen Stromfluß über die Leistungsschalter geschlossen. Demnach können selbst dann, wenn der Kurzschlußfehler über eine verlängerte Zeitdauer hinweg fortlaufend vorliegt, die fehlerfreien Umrichter (d. h., die Umrichter, bei denen kein Fehler vorliegt) vor einer Beschädigung oder einer Zerstörung geschützt werden.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Modus zum Ausführen der Erfindung, der auf das oben beschriebene Umrichterschutzgerät gerichtet ist, kann das Umrichterschutzgerät enthalten:
jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines elektrischen Netzsystems verbundene Reihentransformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren verbundene Umrichter, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung fließen, eine zweite Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen der Umrichterströme, die zu den Umrichtern jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren fließen, eine Fehlerentscheidungsvorrichtung zum Ausgeben eines Fehlerentscheidungssignals bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers in dem elektrischen Netzsystem auf der Grundlage des Systemstroms, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullbefehls bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals, und eine Steuersignal- Ausgabevorrichtung zum Zuführen eines Steuersignals zu den Umrichtern zum Einstellen der Ausgänge der Umrichter auf Null, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl in einem Zeitpunkt, in dem der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter absinkt, eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung zum Steuern eines Steuersignals, das den Umrichtern zugeführt wird, zum Festlegen der Ausgänge der Umrichter in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl zu Null in einem Zeitpunkt, wenn der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter absinkt, und eine Verzögerungsschaltung jeweils zum Ausgeben eines Schließsignals an die parallel an die Sekundärwicklungen der Transformatoren angeschlossenen Schalter mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen eines Kurzschlußfehlers in den Umrichtern, wie er von der Entscheidungsvorrichtung festgestellt wird, oder mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers durch die Fehlerentscheidungsvorrichtung.

Mit der oben beschriebenen Anordnung des Umrichterschutzgeräts mit redundanter Struktur können die Umrichter nicht nur gegenüber einem Systemfehler, sondern auch gegenüber einem Kurzschlußfehler geschützt werden. Demnach läßt sich die Zuverlässigkeit des Umrichterschutzgeräts erheblich verbessern.

Bei einem weiteren bevorzugten Modus zum Ausführen der Erfindung kann das Umrichterschutzgerät ferner Unterbrecherschalter enthalten, von denen jeder in Serie zu einer Gleichspannungseingangsleitung und einer Wechselspannungsausgangsleitung jedes einzelnen der Umrichter geschaltet ist.

Mit dieser oben beschriebenen Struktur des Umrichterschutzgeräts werden die Unterbrecherschalter, die jeweils mit einer Gleichspannungseingangsseite und einer Wechselspannungsausgangsseite verbunden sind, in dem Zustand geöffnet, bei dem ein Kurzschlußstrom durch die Leistungsschalter geshuntet wird. Demnach kann der unter dem Fehler leidende Umrichter entfernt werden, ohne daß der Betrieb des elektrischen Netzes unterbrochen werden muß. In anderen Worten, wird das Umrichterschutzgerät im Hinblick auf seine Eignung für seine Pflege verbessert.

Bei einem weiteren zusätzlichen bevorzugten Modus zum Ausführen der Erfindung kann das Umrichterschutzgerät so entworfen sein, daß die parallel mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter anstelle der seriell angeschlossenen Umrichter gegen einen Systemfehler und/oder einen Kurzschlußfehler geschützt sind.

Bei dem oben beschriebenen Umrichterschutzgerät lassen sich die parallel mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter gegen den Systemfehler und/oder den Kurzschlußfehler schützen.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und zugeordneten Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser nach dem Wesen der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hiervon, die lediglich beispielhaft erläutert werden, zusammen mit der beiliegenden Zeichnung verstanden werden.

Im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung erfolgt ein Bezug auf die Zeichnung; hierbei zeigen

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer allgemeinen Schaltungsanordnung eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zum Darstellen einer Beziehung zwischen Zündsignalen und einem Systemstrom in einem Umrichterschutzgerät gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zum Darstellen des Betriebs des Umrichters in einem Zustand, in dem das elektrische Netz normal betrieben wird;

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zum Darstellen einer Beziehung zwischen Zündsignalen und einem Systemstrom bei Auftreten eines Systemfehlers in einem Umrichterschutzgerät gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Zeitdiagramm zum Darstellen des Betriebs des Umrichterschutzgeräts gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ein Schaltdiagramm zum Darstellen einer Anordnung eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ein Schaltdiagramm zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 ein Schaltdiagramm zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen eines Umrichterschutzgeräts für Umrichter, die parallel mit einem elektrischen Netz verbunden sind;

Fig. 13 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 14 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Anordnung eines bekannten Umrichters, der in Serie mit einem elektrischen Netz verbunden ist.

Nun wird die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben, und zwar im Zusammenhang mit den momentan als bevorzugt oder typisch angesehenen Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnung. In der folgenden Beschreibung kennzeichnen gleiche Bezugsbuchstaben gleiche oder entsprechende Teile bei den einzelnen Ansichten.

Ausführungsform 1

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Die Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild zum allgemeinen Darstellen einer Schaltungsanordnung eines Umrichterschutzgeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Unter Bezug auf die Figur enthält das Umrichterschutzgerät Reihentransformatoren 2a bis 2c mit Primärwicklungen, die jeweils mit Phasenstarkstromleitungen 1a bis 1c des elektrischen Netzes 1 verbunden sind, wobei Umrichter 3A bis 3C mit den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren 2a bis 2c derart verbunden sind, daß jeweils die Sekundärströme (Umrichterströme) I der Reihentransformatoren 2a bis 2c zu den Umrichtern 3A bis 3C fließen. Die Eingabeleitungen der positiven Polarität oder Pluspolarität (anschließend als Plus-Eingabeleitungen bezeichnet) der Umrichter 3A bis 3C sind gemeinsam verbunden und werden über eine Schutzsicherung 5 mit einem Anschluß einer Gleichspannungskapazität 6 verbunden, während die Eingabeleitungen der negativen Polarität oder Minuspolarität (im folgenden als Minus- Eingabeleitungen bezeichnet) gemeinsam verbunden und zu dem anderen Ende der Gleichspannungskapazität 6 geleitet sind.

Eine Struktur der Schutzschaltung für den Umrichter 3C wird beispielhaft für diejenigen der Umrichter 3A bis 3C beschrieben, und es ist zu erkennen, daß sich die nachfolgende Beschreibung auch auf die Schutzschaltungen für die letzteren bezieht. Die nun betrachtete Schutzschaltung besteht aus einem Stromdetektor 7c, der als zweite Stromdetektorvorrichtung zum Detektieren des Umrichterstroms I des Reihentransformators 2c dient, eine Strombewertungsschaltung 8 zum Ausgeben eines Impulssignals, wenn der Momentanwert des Umrichterstroms I unterhalb eines zulässigen oder erlaubten Werts liegt, einen Stromdetektor 11, der als erste Stromdetektorvorrichtung zum Detektieren eines Systemstroms I₀ dient, eine Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung, die als Fehlerentscheidungsvorrichtung dient, mit der entschieden wird, ob ein Systemfehler vorliegt, auf der Grundlage des von dem Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms I₀, um hierdurch ein Entscheidungssignal S aus zugeben, wenn das Vorliegen eines Systemfehlers festgestellt wird, einen Schalter 12a, der auf die Eingabe des Entscheidungssignals S reagiert, um in eine Kontaktposition geschaltet zu werden, zum Validieren eines Ausgangsspannungs-Nullbefehls E₀ für den Umrichter 3C, während er ansonsten so positioniert ist, daß er einen Normalausgangsspannungs-Befehl E_V von einer Befehlsschaltung für eine normale Ausgangsspannung 14 enthält (die als Ausgangsspannungs-Befehlsvorrichtung dient), eine Impulsgeneratorschaltung 15, die auf den durch den Schalter 12a zugeführten Ausgangsspannungs-Nullbefehl E₀ anspricht, damit ein erstes Signal mit dreieckförmigem Signalverlauf zum Erzeugen eines Einfachgatterimpulses (Einfachimpulses) innerhalb eines Zyklus benützt wird, während es auf die Eingabe des Normalausgangsspannungs-Befehls E_V über den Schalter 12a anspricht, um hierdurch ein zweites Signal mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen mehrerer Gatterimpulse (Mehrfachimpulse) innerhalb eines Zyklus anspricht, zum Erzeugen eines (pulsbreitenmodulierten) PWM-Gatterimpulses P_G, durch Vergleichen des ausgewählten zweiten Signals mit dreieckförmigem Verlauf mit einer Kontrollspannung, die einen Ausgangsspannungsbefehl anzeigt, und eine UND-Schaltung 9, die auf die Eingabe des Impulssignals P der Stromentscheidungsschaltung 8 anspricht, damit hierdurch der Gatterimpuls P_G, der von der Impulsgeneratorschaltung 5 ausgegeben wird, jeweils als Zündsignal 3c1S bis 3c4S zum Anschalten der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 (beispielsweise GTO-Thyristoren) wirkt. An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß die Stromdetektorschaltung 8, die UND-Schaltung 9 und die Impulsgeneratorschaltung 15 so zusammenwirken, daß sie eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung bilden.

Im folgenden wird der Betrieb des Umrichterschutzgeräts gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wie vorab erläutert, sind die Reihentransformatoren 2a, 2b und 2c jeweils in Serie zu den Phasenstarkstromleitungen 1a, 1b und 1c des elektrischen Netzes 1 geschaltet. Demnach wird ein Umrichterstrom I, dessen Wert durch das Wicklungsverhältnis bestimmt ist, in der Sekundärseite jedes Reihentransformators 2a, 2b und 2c induziert. Demnach wird der Reihentransformator (beispielhaft durch ein Bezugszeichen 2 gekennzeichnet) in einer Art betrieben, die derjenigen eines Stromwandlers entspricht. Bei dem oben beschriebenen Umrichtersystem ist die Erzeugung und die Steuerung der zu dem Systemstrom I₀ orthogonalen Wechselspannung mit Hilfe der Umrichter 3A, 3B und 3C der Wirkung nach jeweils äquivalent zur Einfügung eines variablen Impedanzelements in die Starkstromleitung des elektrischen Netzes zum Zweck der Gewährleistung einer Stabilisierung des elektrischen Netzes.

Nun erfolgt unter Bezug auf die Fig. 2, die ein Zeitdiagramm zeigt, eine Ausrichtung der Beschreibung zu dem Betrieb des Umrichters 3C, der für die anderen Umrichter 3A und 3B in dem Fall repräsentativ ist, unter der Annahme, daß sich das elektrische Netz im Normalzustand befindet. Solange ein Auftreten eines Fehlers des elektrischen Netzes 1 nicht durch die Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 12 aufgrund des durch den Stromdetektor 11 erfaßten Umrichterstroms I erfaßt wird, ist der Schalter 12a in die Kontaktposition umgelegt, die der Befehlsschaltung für die normale Ausgangsspannung 14 verbunden ist, in Abhängigkeit von dem Entscheidungssignal S, wodurch eine Steuerspannung auf der Grundlage des Normalausgangsspannungs-Befehls E_V über den Schalter 12a bei der Impulsgeneratorschaltung 15 eingegeben wird.

Die Impulsgeneratorschaltung 15 vergleicht die Steuerspannung mit der voraus gewählten Spannung mit dreieckförmigem Signalverlauf, wodurch jeweils Zündsignale 3c1S, 3c2S, 3c3S und 3c4S ausgegeben werden, die jeweils einen Impuls enthalten, und zwar jeweils an die GTO-Schaltelemente 3c1, 3c2, 3c3 und 3c4 mit dem in Fig. 2 dargestellten Zeitablauf.

Von den vier Zündsignalen 3c1S bis 3c4S sind die Zündsignale (Gattersignale) 3c1S und 3c2S einerseits und die Zündsignale (Gattersignale) 3c3S bis 3c4S jeweils wechselseitig um 180° verschoben, und zwar im Hinblick auf die Phase der Einpegel- Periode (Tastperiode), und sie weisen eine wechselseitig ausschließende Beziehung zueinander auf. Die Zündsignale 3c1S bis 3c4S weisen dieselbe Impulsbreite auf.

Insbesondere sind die Breiten der Zündimpulse sowie deren Ausgabezeitvorgaben so festgelegt, daß vermieden wird, daß GTO-Schaltelemente 3c1 und 3c2 desselben Arms der Umrichterbrückenschaltung gleichzeitig angeschaltet werden, damit das Auftreten eines Kurzschlußfehlers in der Wechselspannungsleitung vermieden wird. Ferner werden zum Erzeugen der Ausgangsspannung V in Übereinstimmung mit dem Normalausgangsspannungs-Befehl E_V die Phasen der Zündimpulse 3c2S und 3c4S voneinander verschoben. Hierdurch wird erreicht, daß die Phasen der Zündsignale (Gattersignale) 3c2S und 3c4S einerseits und der Zündsignale (Gattersignale) 3c2S und 3c3S andererseits miteinander über eine festgelegte Zeitdauer während der Ausgabeperiode des Zündsignals überlappen.

Die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 werden jeweils in Abhängigkeit der Zünd- oder Gattersignale 3c1S bis 3c4S angeschaltet, wodurch jeweils Gleichspannungen positiver und negativer Polarität erzeugt werden. Demnach wird eine Umrichterausgangsspannung V erzeugt, die dem Normalausgangsspannungs-Befehl E_V entspricht. Die Steuerung der Umrichterausgangsspannung V kann dadurch erreicht werden, daß diejenigen Abschnitte der Ausgabeperioden erhöht oder verringert werden, während der die Zündsignale 3c1S und 3c4S einerseits und die Zündsignale 3c2S und 3c3S andererseits miteinander überlappen.

Die Zündsignale 3c1S bis 3c4S werden jeweils an die GTO- Schaltelemente 3c1 bis 3c4 mit dem in Fig. 2 dargestellten Zeitablauf ausgegeben, wodurch die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 wiederholt an- und abgeschaltet werden. Jedesmal dann, wenn das GTO-Schaltelement abgeschaltet wird, wird der hierdurch fließende Umrichterstrom I mit dem zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Momentanwert unterbrochen. In dem Fall, in dem das Zündsignal aus einem einzigen Gatterimpuls besteht, wird der Umrichterstrom I mit dem in Fig. 2 gezeigten Stromwert unterbrochen. Wenn jedoch das Zündsignal durch Mehrfachgatterimpulse aufgebaut wird, werden die GTO- Schaltelemente 3c1 bis 3c4 wiederholt an- und abgeschaltet, und zwar in den Zeitpunkten, die jeweils den Gatterimpulsen entsprechen.

Fließt bei auftreten eines Systemfehlers der Systemstrom I₀ mit einer Amplitude, die einem Vielfachen derjenigen des Nennstroms entspricht, so fließt ein entsprechend großer Umrichterstrom I zu jedem der Umrichter 3A, 3B und 3C (im folgenden werden die Umrichter auch gemeinsam durch das Bezugszeichen 3 gekennzeichnet), wobei der Strom durch das Wicklungsverhältnis der Reihentransformatoren 2a, 2b und 2c festgelegt ist (auch gemeinsam durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet). In dem Fall, in dem bei den GTO- Schaltelementen 3c1 bis 3c4 der Anschalt/Abschaltbetrieb mit den jeweils Mehrfachimpulse enthaltenden Zündsignalen zum Unterbrechen oder Zerhacken des Systemstroms I₀ unabhängig von der Amplitude von deren Momentanwerte durchgeführt wird, kann eine Situation auftreten, daß die Umrichter 3 den Betrieb stoppen oder den Systemstrom I₀ nicht unterbrechen können, wenn der Systemstrom I₀ den zulässigen Strom (d. h., den Grenzstrom oder die Stromkapazität) der GTO- Schaltelemente übersteigt und den Schutzpegel der Umrichter 3 erreicht, wodurch die Reihentransformatoren 2 in den lastfreien Zustand versetzt werden, was zu einer Überspannung an den Sekundärwicklungen der jeweiligen Reihentransformatoren führt.

Im folgenden wird der Betrieb zum Schützen der Umrichter beschrieben, der bei Auftreten eines Systemfehlers durchgeführt wird, unter Bezug auf ein in Fig. 3 gezeigtes Zeitdiagramm. Die Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 12 führt eine Entscheidung durch, ob ein Systemfehler vorgelegen hat oder nicht, auf der Grundlage des Werts des durch den Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms I₀. Wird das Auftreten eines Systemfehlers festgestellt, so wird der Schalter 12a durch das Entscheidungssignal S in die Kontaktposition umgeschaltet, bei der die Steuerspannung entsprechend dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl E₀ bei der Impulsgeneratorschaltung 5 eingegeben wird. In Übereinstimmung mit dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl E₀ wird in der Impulsgeneratorschaltung 15 von der zweiten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen des Mehrfachimpulssignals zu der ersten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen des Einfachimpuls- Zündsignals gewechselt.

Demnach erzeugt die Impulsgeneratorschaltung 15 ein PWM- Einfachimpulssignal durch Vergleich der Steuerspannung mit der ersten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf. In dem Zeitpunkt, in dem der Momentanwert des Umrichterstroms I sich dem Nullwert nähert und in den zulässigen Strombereich fällt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, gibt die Stromentscheidungsschaltung 8 ein Impulssignal P mit H-Pegel an die UND-Schaltung 9 ab.

Demnach gibt dann, wenn der Umrichterstrom I innerhalb des zulässigen Strombereichs liegt, die UND-Schaltung 9 den von der Impulsgeneratorschaltung 15 zugeführten Einfachimpuls an den Umrichter 3C als Zündsignale 3c1S bis 3c4S ab. In Fig. 3 sind jeweils die Zündsignale 3c1S bis 3c4S für die GTO- Schaltelemente 3c1 bis 3c4 gezeigt, zusammen mit dem Umrichterstrom I, und zwar bei Auftreten eines Systemfehlers. Wie sich anhand der Figur erkennen läßt, werden die GTO- Schaltelemenente 3c1 und 3c4 gleichzeitig an-/abgeschaltet, während die GTO-Schaltelemente 3c2 und 3c3 gleichzeitig zueinander an-/abgeschaltet werden. Demnach tritt kein Überlapp während der Anschaltzeitdauer (d. h., der Zeitdauer, während der die GTO-Schaltelemente leitend sind) zwischen den GTO-Schaltelementen 3c1 und 3c4 einerseits und zwischen den GTO-Schaltelementen 3c2 und 3c3 andererseits auf. Somit nimmt die Umrichterausgangsspannung V einen Wert von Null an. Im Ergebnis wird der Umrichter 3C lediglich im Schwungradmodus gültig/validiert, wodurch der Umrichterstrom I durch die Schwungraddioden fließt, die jeweils antiparallel mit den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 verbunden sind.

Obgleich der Umrichterstrom I einen großen Wert entsprechend dem Systemstrom I₀ im Zustand eines fehlerhaften Systems annehmen kann, wird jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 in einem Zeitpunkt an-/abgeschaltet, indem der Umrichterstrom ungefähr zu Null wird. Demnach kann die Unterbrechung des Überstroms vermieden werden. Zudem bestehen aufgrund der Tatsache, daß GTO-Schaltelemente mit einer solchen Spezifikation eingesetzt werden, die über eine kurze Zeitdauer (d. h., vier bis acht Perioden) dem Fehlerstrom standhalten, praktisch keine Probleme. Die oben beschriebene Situation ist äquivalent dem Auftreten eines Kurzschlusses in den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren, und zwar aus Sicht des elektrischen Netzes. Demnach lassen sich die Umrichter schützen, ohne daß es erforderlich ist, zusätzlich Hochgeschwindigkeits-Shunt-Schaltungen jeweils im Zusammenhang mit den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren 3 vorzusehen.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß durch die Ausbildung des Schutzgeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung die Umrichter gegen ein Außerbetriebsetzen und/oder eine Beschädigung aufgrund eines großen Stroms bei Auftreten des Systemfehlers geschützt werden können. Zudem läßt sich der Fehlerstrom (d. h., der bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz fließende Strom) mit Hilfe von Schwungraddioden shunten oder überbrücken, wodurch nicht nur das Vorsehen von Shunt-Schaltungen für die Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren 2 überflüssig wird, sondern sich auch der Betrieb unmittelbar nach Beheben des Fehlers wieder aufnehmen läßt. Somit kann ein Schutzgerät realisiert werden, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und billig verwirklicht werden kann.

Ausführungsform 2

Im Fall des Umrichterschutzgeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird davon ausgegangen, daß jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 die Fähigkeit aufweist, den Fehlerstrom über eine Zeitdauer im Bereich von vier bis acht Taktperioden zu widerstehen. Demnach kann dann, wenn der Fehler nicht innerhalb dieser Zeitdauer entfernt oder behoben wird, die Fähigkeit der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 dem Strom (d. h., dem zulässigen fließenden Strom) zu widerstehen, überschritten werden.

Unter diesen Umständen wird gemäß der Erfindung, wie sie in Form einer zweiten Ausführungsform realisiert ist, vorgeschlagen, daß zusätzlich zu den Funktionen des Schutzgeräts der ersten Ausführungsform eine Funktion vorgesehen ist, mit der die in den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 fließenden Ströme auf den Bereich des zulässigen fließenden Stroms beschränkbar sind.

Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Figur kennzeichnen Bezugssymbole, die mit den in Fig. 1 gezeigten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente Komponenten, die in Fig. 1 gezeigt sind. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird zwischen den Wechselstromausgangsleitungen jedes Umrichters 3 ein Schalter/Leistungsschalter (circuit breaker) 4 angeschlossen. Ferner ist zusätzlich eine Verzögerungsschaltung 16 vorgesehen, die für die Eingabe eines Schaltersteuersignals S_C dient, und zwar dann, wenn das Steuersignal S verschwindet, was das Vorliegen des Systemfehlers anzeigt.

Im folgenden wird der Betrieb des Umrichterschutzgeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung dadurch erläutert, daß beispielhaft der Umrichter 3C herausgegriffen wird, der für die anderen Umrichter repräsentativ ist, und zwar anhand des in Fig. 5 gezeigten Zeitdiagramms. Während des normalen Systembetriebs wird jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3 wiederholt an-/abgeschaltet, in Abhängigkeit von dem Mehrfachimpuls-Zündsignal, um die Umrichterausgangsspannung V in Übereinstimmung mit dem Normalausgangsspannungs-Befehl E_V zu erzeugen. In dem Fall, in dem die Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 12 das Vorliegen eines Systemfehlers feststellt, ersetzt das Einfachimpuls- Zündsignal das Mehrfachimpuls-Zündsignal und wird an die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 in Übereinstimmung mit dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl E₀ in den in Fig. 5 dargestellten Zeitpunkten ausgegeben, wodurch die Umrichterausgangsspannung zu Null gesetzt wird.

In diesem Zeitpunkt wird auch das Systemfehler-Anzeige Entscheidungssignal S, das durch die Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung 12 erzeugt wird, bei der Verzögerungsschaltung 16 eingegeben. Wird dieses Systemfehler-Anzeige-Entscheidungssignal S bei der Verzögerungsschaltung 16 fortlaufend über eine festgelegte Zeitdauer (vier bis acht Taktzyklen) eingegeben, so gibt die Verzögerungsschaltung 16 das Schaltersteuersignal S_C an den Schalter 4 ab, um den Schalter 4 hierdurch zu schließen. Hierdurch fließt der Umrichterstrom I über den Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters 3E, was dazu führt, daß der durch den Umrichter 3C fließende Strom I zu Null wird. Demnach läßt sich der durch das GTO-Schaltelement fließende Strom bei dessen Abschaltung auf den zulässigen Strombereich beschränken. Da der Umrichterstrom I Null wird, läßt sich jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 in den nichtleitenden Zustand abschalten, in dem die Gatterimpulse dieser Schaltelemente oder GTO-Thyristoren rückgestellt werden.

Anschließend werden nach der Behebung des Systemfehlers die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C wiederholt an-/abgeschaltet, während das Schaltersteuersignal S_C von der Verzögerungsschaltung 16 durch Steuerung mit dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl I₀ entsprechend rückgesetzt wird. Anschließend wird der Schalter 4 nicht mehr in den Betrieb mit einbezogen, damit der Umrichterstrom 4 durch die Umrichter fließen kann, woraufhin der Betrieb gemäß dem Normalausgangsspannungs-Befehl E_V wieder aufgenommen wird.

Wie sich aus dem Obigen erkennen läßt, wird die Funktion zum Unterstützen des Umrichter-Schutzbetriebs im Fall eines Systemfehlers, der über eine verlängerte Zeitdauer fortbesteht, zusätzlich in das Umrichterschutzgerät gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung mit einbezogen. Die Schutzbetrieb-Unterstützungsfunktion läßt sich billig realisieren, da kein Gerät eingebaut werden muß, über das ein großer Strom fließen kann, um das Auftreten eines Fehlers oder eines anormalen Ereignis in dem elektrischen Netz anzuhaben.

Ausführungsform 3

Im Fall des Umrichterschutzgeräts gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Strom über jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 fließen, indem der Betrieb zum Einstellen der Ausgangsspannung des Umrichters auf Null durchgeführt wird. Jedoch können die Sekundärwicklung der Reihentransformatoren geshunted werden, während die GTO-Schaltelemente bei Auftreten eines Systemfehlers abgeschaltet werden, was im wesentlichen zu demselben Effekt führt, wie er für die Umrichterschutzgeräte gemäß den nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben wird.

Die Fig. 6 zeigt ein Schaltungsbild zum Darstellen einer Anordnung eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur kennzeichnen Bezugszeichen, die mit den in der Fig. 1 benützten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente Komponenten, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist ein Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 vorgesehen, der durch ein Paar von Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschaltelementen verwirklicht ist, beispielsweise Thyristoren, die antiparallel miteinander verbunden sind, und eine Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 17, die als Fehlerentscheidungsvorrichtung für die Ausgabe eines Zünd- oder Gattersignals S_G an den Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschalter 10 dient, um hierdurch den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 anzuschalten, während sie bei Bestimmung des Auftretens eines Fehlers in dem elektrischen Netz 1 ein Abschaltsignal zum Abschalten jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C erzeugt.

Nun wird der Betrieb des Umrichterschutzgeräts gemäß der momentanen Ausführungsform dadurch erläutert, daß der Umrichter 3C als Beispiel für die anderen Umrichter herangezogen wird. Die Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung 17 trifft eine Entscheidung auf der Grundlage des Systemstroms I₀, der von dem Stromdetektor 11 erfaßt wird, und zwar dahingehend, ob ein Systemfehler auftritt. Wird das Auftreten eines Systemfehlers bestimmt, so führt die Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 17 das Zünd- oder Gattersignal S_G dem Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschalter 10 zu, um hierdurch diesen zu schließen, während sie gleichzeitig das Abschaltsignal jedem der GTO- Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C zuführt, um hierdurch die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 zu öffnen.

Als Ergebnis der oben beschriebenen Vorgehensweise wird der Systemfehlerstrom unter Umgehung des Umrichters 3C zu dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 umgeschaltet. Demnach wird der Umrichterstrom des Umrichters 3C zu Null. Zudem kann der durch die GTO-Schaltelemente fließende Strom bei Abschalten derselben auf einen zulässigen Strombereich beschränkt werden. Hierdurch können dann, wenn eine Zeitdauer, in der ein großer Systemstrom E₀ fließt, aus irgendeinem Grund verlängert wird, die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 ohne Fehler abgeschaltet werden, da der Umrichterstrom I Null ist. Nach Wiederherstellen des Normalzustands des elektrischen Netzes steuert die Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 17 das An-/ Abschalten jedes GTO-Schaltelements 3c1 bis 3c4 gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Zeitablauf, um hierdurch die Ausgangsspannung auf Null zu steuern, während der Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschalter 10 geöffnet wird. Der Betrieb der Umrichter wird anschließend wieder aufgenommen. Die Anordnung zum Bewirken des Umleitens des Systemfehlerstroms um den Umrichter, wie sie oben beschrieben ist, läßt sich bildlich mit einer kompakten und einfachen Struktur realisieren.

Ausführungsform 4

Im Fall des Umrichterschutzgeräts gemäß der oben beschriebenen dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 an der Sekundärseite des Reihentransformators 2 vorgesehen, damit der Systemfehlerstrom an der Sekundärwicklung des Reihentransformators 2 vorbeigeleitet wird. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund der Fehlerzustand des elektrischen Netzes länger andauert, kann eine solche Situation auftreten, daß der Fehlerstrom nicht mehr von dem Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschalter 10 aufgenommen werden kann, bedingt durch dessen Stromkapazität. Zum Handhaben einer derartigen Situation kann eine Anordnung vorgesehen werden, bei der der durch den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 fließende Strom zu einem Schalter mit einer großen Stromkapazität umgeschaltet wird, wenn der Fehlerstrom über eine verlängerte Zeitdauer hinweg fließt. Eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist auf diese Anordnung gerichtet.

Die Fig. 7 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur kennzeichnen Bezugsbuchstaben, die mit den in Fig. 6 benützten übereinstimmen, die gleichen oder äquivalenten Komponenten, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist ein Schalter 4 parallel mit dem Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschalter 10 verbunden. Eine Verzögerungsschaltung 16 ist für die Ausgabe eines Schaltersteuersignals S_C an den Schalter 4 vorgesehen, und zwar in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal der Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung 17, wenn der Systemfehlerstrom über eine längere Zeitdauer hinweg fließt, die eine festgelegte Zeitdauer übersteigt, während sie nach dem Beheben des Fehlers des elektrischen Netzes das Schaltersteuersignal S_C rücksetzt.

Nun wird die Beschreibung auf den Betrieb des Umrichterschutzgeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung gerichtet, indem der Umrichter 3C repräsentativ herausgegriffen wird. Die Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung 17 führt mit hoher Geschwindigkeit aufgrund des von dem Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms I₀ eine Entscheidung durch, ob ein Fehlerfall in dem elektrischen Netz vorliegt. Wird entschieden, daß ein Systemfehler vorliegt, so gibt die Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung 17 das Gattersignal S_G an den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 ab, um diesen zu schließen, und gleichzeitig gibt sie ein Abschaltsignal an jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C ab, um hierdurch diese Schaltelemente in den abgeschalteten Zustand (nicht leitender Zustand) umzuschalten.

Wenn der Systemfehler über eine Zeitdauer hinweg vorliegt, die länger als eine festgelegte Dauer ist, gibt die Verzögerungsschaltung 16 das Schaltersteuersignal S_C aus, um hierdurch den Schalter 4 zu schließen. Demnach wird der Umrichterstrom durch den Schalter 4 geshuntet. Nach Behebung des Fehlers führt die Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung 17 eine Anschalt/Abschaltsteuerung für jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 zum Steuern der Ausgangsspannung auf Null durch, während ein Rücksetzen des von der Verzögerungsschaltung 16 ausgegebenen Schaltersteuersignals S_C erfolgt, um hierdurch den Schalter zu öffnen, wonach der normale Betrieb wieder aufgenommen wird.

Mit der oben beschriebenen Schaltungsanordnung läßt sich der Systemfehlerstrom mit einer einfachen Struktur shunten, ohne daß der Einsatz eines Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschalters mit einer großen Stromkapazität erforderlich ist, die einen Kühlmechanismus mit großer Kapazität erforderlich macht.

Ausführungsform 5

Im Fall des Umrichterschutzgeräts gemäß der oben beschriebenen vierten Ausführungsform sind die Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 und die Schalter 4 jeweils parallel zu den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren 2 verbunden, wobei bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz der Umrichterstrom 4 zu dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 umgeschaltet wird, bevor der Umrichterstrom 4 übermäßig zunimmt, und anschließend wird ein Fließen des Umrichterstroms I über den Schalter 4 unter Umgehung des Hochgeschwindigkeits- Halbleiterschalters 10 bewirkt, wobei die GTO-Schaltelemente abgeschaltet sind.

Sind jedoch die GTO-Schaltelemente nicht nur bei Auftreten eines Systemfehlers sondern auch aufgrund eines Fehlers in dem Umrichter 3 selbst abgeschaltet, kann eine derartige Situation auftreten, daß die Sekundärseite der Reihentransformatoren 2 geöffnet sind, was das Auftreten einer Überspannung ermöglicht. Zudem sind bei Auftreten eines Fehlers in dem Schalter 4 die Sekundärseiten der Reihentransformatoren geöffnet, was eine Überspannung parallel zu der Sekundärwicklung nach sich zieht.

Die Fig. 8 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für die Handhabung des oben erläuterten Problems entworfen ist. In Fig. 8 kennzeichnen gleiche Bezugsbuchstaben die Komponenten, die mit den in den vorangegangenen Ausführungsformen übereinstimmen oder zu diesen äquivalent sind. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird eine Haltevorrichtung (anester) 13 vorgesehen, die zusammen mit dem Schalter 4 parallel an die Sekundärwicklung des Reihentransformators 2 angeschlossen ist. Nun erfolgt unter der Annahme, daß von der Hochgeschwindigkeits- Entscheidungsschaltung 18 auf Grundlage des Ausgangssignals des Meßwandlers 11 das Vorliegen eines Systemfehlers festgestellt wird, von der Entscheidungsschaltung 18 die Ausgabe des Schaltersteuersignals S_C, und der Schalter 4 wird in Übereinstimmung mit diesem geschlossen, damit der Umrichterstrom I durch den Schalter 4 fließen kann, während die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 abgeschaltet sind.

In dem Zeitpunkt, in dem die Sekundärschaltung des Reihentransformators 2 aufgrund eines Fehlers des Umrichters 3 geöffnet wird oder wenn sich der Schalter 4 aus irgendeinem Grund nicht schließen läßt, nachdem der Umrichter 3 abgeschaltet ist, wird eine Überspannung erzeugt. Jedoch kann aufgrund der Tatsache daß wie oben erwähnt eine Haltevorrichtung 13 vorgesehen ist, die Überspannung auf einem festgelegten Pegel geklemmt werden, wodurch der Umrichter 3 vor dem Anlegen der Überspannung geschützt ist.

Aus dem Obigen ist zu erkennen, daß durch Vorsehen der Haltevorrichtung 13, die parallel zu der Sekundärwicklung des Reihentransformators 2 angeschlossen ist, zusammen mit dem Schalter 4 der letztere während einer begrenzten Zeitdauer betrieben werden kann, die für den Betrieb der Haltevorrichtung 13 bei Auftreten des Systemfehlers erforderlich ist. In anderen Worten läßt sich aufgrund der Kombination der Haltevorrichtung 13 und des Schalters 4 in dem Schutzgerät für den Umrichter 3, wie oben beschrieben, das Anlegen einer Überspannung am Umrichter 3 wirksam vermeiden.

Ausführungsform 6

Bei den vorangegangenen Ausführungsformen 1 bis 5 war die Beschreibung auf Überbrückungsschaltungen für die Handhabung von Systemfehlern gerichtet. Jedoch kann an den Einsatz von Maßnahmen gedacht werden, mit denen sich das Ausüben eines ungünstigen Einflusses auf das elektrische Netz aufgrund eines Fehlers eines Umrichters vermeiden läßt. Etwas konkreter sei angenommen, daß die GTO-Schaltelemente, die in den oberen und unteren Armen der Brückenschaltung des Umrichters angeschlossen sind, im leitenden Zustand in den nichtbetriebsfähigen Zustand übergehen, was Anlaß für einen Kurzschlußfehler in den entsprechenden Gleichspannungseingangsleitungen gibt. In diesem Fall wird auf das elektrische Netz ein ungünstiger Einfluß ausgeübt. Im Hinblick auf die Handhabung dieses Problems wird bei der Erfindung gemäß der sechsten Ausführungsform vorgeschlagen, ein redundantes Schutzsystem vorzusehen, indem mehrere Umrichter für jede der Starkstromleitungen vorgesehen sind, wobei jeder Umrichter mit einem Fehler von dem System abgetrennt wird und der Betrieb dadurch fortgesetzt wird, daß ein anderer normaler Umrichter in Betrieb gesetzt wird.

Die Fig. 9 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur des Umrichterschutzgeräts gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Sekundärwicklung jedes Reihentransformators 2a bis 2c jeweils in Serie zu den Starkstromleitungen 1a bis 1c geschaltet, und wird in n Stufen oder n Wicklungsabschnitte unterteilt, wobei ein zusätzlicher Umrichter mit jedem der n Wicklungsabschnitte verbunden ist. In anderen Worten ausgedrückt, sind n Umrichter mit jeder der Phasenstarkstromleitungen 1a bis 1c verbunden.

Die Plus-Eingangsleitungen der Umrichter, die jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten (beispielsweise 2a1, 2b1, 2c1) einer gleichen Stufe der Reihentransformatoren 2a bis 2c verbunden sind, werden gemeinsam verbunden und anschließend an einen Anschlußpunkt einer Gleichspannungskapazität 6 über die Schutzsicherung 5a angeschlossen, während die entsprechenden Minus-Eingangsleitungen miteinander verbunden und anschließend an den anderen Anschlußpunkt der Gleichspannungskapazität 6 angeschlossen werden. Ferner werden in jedem der Umrichter Stromdetektorspulen C um die Anschlußleitungen jeweils für ein Paar oberer und unterer GTO-Schaltelemente (beispielsweise 3c1 und 3c2; 3c3 und 3c4) gewickelt.

Fließt ein Kurzschlußstrom durch die Stromdetektorspule C, so tritt parallel zu der Stromdetektorspule C eine Spannung auf. Wird diese Spannung von einem Kurzschlußdetektor 19 erfaßt, so wird ein Fehlerdetektorsignal S_S bei einer Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 in der Form eines Signals eingegeben, mit dem sich derjenige Sekundärwicklungsabschnitt identifizieren läßt, mit dem der fehlerhafte Umrichter 3 verbunden ist. Hierauf sendet die Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 das Kurzschluß-Detektorsignal S_S an eine Zwangszündschaltung 21, die dann auf das Signal S_S reagiert, um die Zündsignale an die GTO-Schaltelemente aller Umrichter weiterzuleiten, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, der auch der fehlerhafte Umrichter angeschlossen ist.

Am Rande sei angemerkt, daß die parallel zu den Gleichspannungseingangsleitungen des Umrichters angeschlossene Gleichspannungskapazität 6 üblicherweise eine große Kapazität aufweist, was bedeutet, daß die Impedanz der Gleichspannungsschaltung niedrig ist. Demnach wird dann, wenn ein Kurzschlußfehler in den kaskadenartig verbundenen GTO- Schaltelementen, die den Umrichter bilden, auftritt, ein großer Strom über die Serienschaltung fließen, wodurch es unmöglich ist, die GTO-Schaltelemente zu schützen.

Nun richtet sich die Beschreibung auf das Umrichterschutzgerät gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung. Unter der Annahme, daß ein Kurzschlußfehler kaskadenartig gleichzeitig in den GTO-Schaltelementen 3c1 und 3c2 des Umrichters 3C-1 auftritt, der mit dem Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der ersten Stufe des Reihentransformators 2c verbunden ist, die in Serie zu der Phasenstarkstromleitung 1c angeschlossen ist, wird ein entsprechender Kurzschlußstrom durch die Stromdetektorspule C fließen, wodurch eine Spannung in dieser Spule C induziert wird. Diese Spannung wird von dem Kurzschlußdetektor 19 erfaßt, wodurch das Kurzschluß-Detektorsignal S_C der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 in der Form eines Identifikationssignals zugeführt wird, das denjenigen Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der ersten Stufe des Reihentransformators 2c identifiziert, mit der der Umrichter 3C-1 verbunden ist, in dem ein Kurzschlußfehler auftritt.

Die Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 entscheidet anschließend auf der Grundlage des Kurzschluß-Detektorsignals S_C, um hierdurch die Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 zu identifizieren, mit der der Umrichter 3C-1 verbunden ist, in dem der Kaskadenkurzschlußfehler auftritt. Wird entschieden, daß der Kurzschlußfehler in dem Umrichter 3C-1 auftritt, der mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 verbunden ist, so wird die Zwangszündschaltung 21 aktiviert, um hierdurch die Zündsignale allen GTO-Schaltelementen der mit den Sekundärwicklungsabschnitten (2a1, 2b1, 2c1) verbundenen Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) der ersten Stufe der Reihentransformatoren (2a, 2b und 2c) zuzuführen, die jeweils in Serie zu den drei Phasenstarkstromleitungen geschaltet sind.

Hierdurch werden dann, wenn der Gleichspannungs- Kurzschlußfehler in einem Brückenarm in dem Zustand auftritt, in dem die zu diesem Arm gehörenden GTO-Schaltelemente beide leitend sind, alle GTO-Schaltelemente der Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, gezündet, wodurch der durch die Schutzsicherung 5a fließende Strom in Übereinstimmung mit einer Funktion, die durch I²t gegeben ist (wobei I den Strom und t eine verstrichene Zeit darstellt) zunimmt, um hierdurch die Schutzsicherung 5a mit dem Kurzschlußstrom zu unterbrechen, bevor dieser die zulässige Stromkapazität der GTO- Schaltelemente übersteigt. Beim Schmelzen der Schutzsicherung 5a werden jeweils die Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der ersten Stufe der Reihentransformatoren verbunden sind, die in den drei Phasenstarkstromleitungen eingefügt sind, von der Gleichspannungskapazität 6 abgetrennt. Durch das erzwungene Anschalten aller GTO-Schaltelemente gehen die Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren 2 in den Kurzschlußzustand über. Jedoch werden die Sekundärwicklungsströme, die über die Sekundärwicklungen fließen, auf einen Wert begrenzt, der durch das Übersetzungsverhältnis festgelegt ist. Hierdurch wird das Auftreten eines Überstroms vermieden.

Auf diese Weise läßt sich wie oben beschrieben durch Aufteilen der Sekundärwicklung jedes der Reihentransformatoren in n Abschnitte und eine Anpassung der Kombination der Schmelzsicherung 5a und der Zwangszündschaltung 21 bei jedem der Umrichter (3A, 3B, 3C) ein Schutz der GTO-Elemente der Umrichter gewährleisten. Ferner werden dann, wenn ein Kurzschlußfehler auftritt, diejenigen Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, wie der Umrichter, in dem der Kurzschlußfehler auftritt, von der Gleichspannungskapazität abgetrennt, und der Systembetrieb wird fortlaufend mit denjenigen Umrichtern aufrecht erhalten, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der anderen Stufen (n-1) verbunden sind. Demnach läßt sich das Umrichterschutzgerät mit einer redundanten Struktur zum Gewährleisten einer hohen Zuverlässigkeit mit kompaktem Aufbau bei niedrigen Kosten realisieren.

Die vorhergehende Beschreibung erfolgte im Zusammenhang mit den Umrichtern, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der ersten Stufe (2a1, 2b1, 2c1) verbunden sind. Jedoch versteht es sich von selbst, daß sich der Schutz für diejenigen Umrichter gewährleisten läßt, die mit irgendeiner Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts mit demselben redundanten Schaltungsaufbau verbunden sind.

Ausführungsform 7

Im Fall des Umrichterschutzgeräts gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung werden dann, wenn der Kaskaden- Kurzschlußfehler in einem Umrichter auftritt, der mit einer vorgegebenen Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts des Reihentransformators 2 verbunden ist, alle GTO-Schaltelemente der Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe, wie derjenigen des vorgegebenen, verbunden sind, gezündet, um hierdurch die Schutzsicherung 5a zu schmelzen, damit all diejenigen Umrichter 3 aus der Gleichspannungsschaltung abgekoppelt werden, die mit den oben erwähnten Sekundärwicklungsabschnitten verbunden sind, und zwar im Hinblick auf die Gewährleistung des Schutzes für die GTO-Schaltelemente.

In diesem Zusammenhang ist jedoch zu erwähnen, daß selbst dann, wenn der Umrichter mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler von der Gleichspannungsschaltung abgetrennt wird, ein übermäßig großer Kurzschlußstrom zu dem Umrichter mit dem Kurzschlußfehler, ausgehend von der zugeordneten Sekundärwicklung des Reihentransformators, fließen kann, wodurch normale GTO-Schaltelemente möglicherweise beschädigt werden. Demnach ist es wünschenswert, das Fließen des Kurzschlußstroms zu dem Umrichter zu vermeiden. Zudem sollte vorzugsweise der über das elektrische Netz fließende Strom unterbrochen werden, damit der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler von dem elektrischen Netzsystem entfernt werden kann.

Die Fig. 10 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zum Vereinfachen der Wartung der Umrichter entworfen ist. In der Fig. 10 kennzeichnen Bezugsbuchstaben, die mit den in Fig. 9 benutzten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente Komponenten. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, wird ein Trennschalter 23 in die Gleichspannungsleitung jedes Umrichters eingefügt. Ferner wird ein Trennschalter 24 zwischen der Wechselspannungsausgangsleitung des Umrichters 3 und der Sekundärwicklung eingefügt, während ein Schalter 4 parallel mit der Sekundärwicklung verbunden wird. Zusätzlich ist eine Verzögerungsschaltung 22 vorgesehen, damit das Schaltersteuersignal S_C dem Schalter 4 von der Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 nach dem Verstreichen einer festgelegten Zeitdauer nach der Eingabe des Kurzschluß- Detektorsignals bei der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 zugeführt wird. Die Trennschalter 23 und 24, der Schalter 4 und die Verzögerungsschaltung 22 sind bei jedem der mit dem jeweiligen Sekundärwicklungsabschnitten verbundenen Umrichter vorgesehen.

Nun folgt eine Beschreibung des Betriebs des Umrichterschutzgeräts gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung mit dem Umrichter 3C-1 als repräsentatives Beispiel. Es sei beispielhaft angenommen, daß ein Kaskaden- Kurzschlußfehler in dem Umrichter auftritt, der mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 des in die Phasenstarkstromleitung 1c eingefügten Reihentransformators 2c verbunden ist. Dann werden die mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts aller Reihentransformatoren (2a, 2b, 2c) verbundenen Umrichter 3 in den leitenden Zustand versetzt, und zwar durch Zusammenwirken der Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 und der Zwangszündschaltung 21, wie zuvor beschrieben, wodurch die zugeordnete Schutzsicherung 5a zum Abtrennen all der Umrichter 3 geschmolzen wird, die jeweils mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte (2a1, 2b1, 2c1) verbunden sind.

In dem Fall, in dem der Umrichter 3C-1 mit dem Kaskaden- Kurzschlußfehler in dem mit der Sekundärwicklung verbundenen Zustand verbleibt, kann ein großer Kurzschlußstrom zu diesem Umrichter fließen, wodurch die normalen GTO-Schaltelemente von diesem beschädigt werden. Demnach leitet die Verzögerungsschaltung 22 dann, wenn das Kurzschluß- Detektorsignal S_S fortlaufend von der Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 über eine Zeitdauer, die eine festgelegte Zeitspanne übersteigt, eingegeben wird, das Schaltersteuersignal S_C an den Schalter 4, der mit der Wechselspannungsausgangsseite desjenige Umrichters verbunden ist, in dem der Kaskaden-Kurzschlußfehler auftritt, um hierdurch die zugeordnete Sekundärwicklung (2c1) kurzzuschließen. Im Ergebnis kann der Kurzschlußstrom zu dem Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters mit dem Kurzschlußfehler umgeschaltet werden.

Ferner ist es möglich, den Umrichter zu reparieren, während gleichzeitig das elektrische Netzsystem weiterbetrieben wird, indem jeweils die Trennschalter 23 und 24 bei der Gleichspannungseingangsseite und der Wechselspannungsausgangsseite des Umrichters mit dem Kurzschlußfehler geöffnet werden, um hierdurch den fehlerhaften Umrichter von dem elektrischen Netzsystem abzutrennen.

Ausführungsform 8

Wie zuvor beschrieben, werden im Fall des Umrichterschutzgeräts gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung dann, wenn der Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem bestimmten der Umrichter auftritt, die mit einem Sekundärwicklungsabschnitt eines Reihentransformators verbunden sind, die GTO-Schaltelemente aller Umrichter angeschaltet, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, an der auch der fehlerhafte Umrichter angeschlossen ist, um hierdurch die Schutzsicherung 5 zum Abtrennen sämtlicher oben erwähnter Umrichter von den Gleichspannungsschaltungen zu schmelzen, damit die GTO- Schaltelemente geschützt werden. Ferner wird das Fließen des Kurzschlußstroms in den fehlerhaften Umrichter durch Schließen des Schalters vermieden.

Das Umrichterschutzgerät mit einem derartigen Aufbau wird vorzugsweise mit einem Gerät für den Schutz der Umrichter gegen einen Systemfehler ausgestattet, wie es vorangehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde. Die Fig. 11 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen einer Struktur eines Umrichterschutzgeräts, das eine Kurzschlußfehler-Schutzschaltung und eine Systemfehler-Schutzschaltung enthält, gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 11 kennzeichnen Bezugszeichen, die auch in Fig. 1 und 10 benützt sind, die gleichen oder äquivalente Komponenten. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, ist eine Befehlsschaltung zum Schließen des Schalters 25 vorgesehen, die auf ein Entscheidungssignal S anspricht, das von der Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 12 zugeführt wird, oder auf das Kurzschluß-Detektorsignal S_S, das von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 zugeführt wird, um ein Schaltersteuersignal S_C an den Schalter 4 mit einer Verzögerung gemäß einer festgelegten Zeitspanne abzugeben.

Bei Erfassung des Systemfehlers durch ,die Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 12 werden die Zündsignale 3c1S bis 3c4S an die GTO-Schaltelement 3c1 bis 3c4 abgegeben, und zwar in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl I₀ gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Zeitablauf, wodurch die Umrichterausgangsspannung zu Null festgelegt wird. In diesem Fall leitet die Hochgeschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 12 das Fehlerentscheidungssignal S auch der Befehlsschaltung zum Schließen des Schalters 25 zu. Liegt das Fehlerentscheidungssignal S fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne (beispielsweise in einem Bereich von vier bis acht Taktzyklen) hinweg vor, so wird das Schaltersteuersignal S_C an den Schalter 4 ausgegeben, um den Schalter 4 zu schließen. Hierdurch wird der Umrichterstrom I zu dem Schalter 4 umgeschaltet, wodurch der durch den Umrichter 3 fließende Strom Null wird. Durch diese Vorgehensweise können die durch die GTO-Schaltelemente fließenden Ströme bei deren Abschaltung auf die zulässige Stromkapazität des Schaltelements begrenzt werden.

Tritt andererseits ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem Umrichter 3 auf, der mit dem Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der ersten Stufe eines Reihentransformators 2 verbunden ist, der in der Phasenstarkstromleitung 1c eingefügt ist, so werden die Umrichter 3, die mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte aller Reihentransformatoren verbunden sind, durch das Zusammenwirken der Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 und der Zwangszündschaltung 21 angeschaltet, damit die Schutzsicherung 5a geschmolzen wird, wodurch alle Umrichter 3, die mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte der Reihentransformatoren 2 verbunden sind, von der Gleichspannungsschaltung abgetrennt werden.

Zudem wird dann, wenn das Kurzschlußentscheidungssignal S_S fortlaufend an der Befehlsschaltung zum Schließen des Schalters 25 ausgehend von der Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 über eine festgelegte Zeitdauer hinweg angelegt ist, das Schaltersteuersignal S_C dem Schalter 4 zugeführt, der mit der Wechselspannungsausgangsschaltung des Umrichters 3 mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler verbunden ist, um hierdurch den Schalter 4 zum Shunten des Sekundärwicklungsabschnitts zu schließen. Hierdurch läßt sich der Kurzschlußstrom zu dem Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters umschalten.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß sich durch Kombination der Struktur des Umrichterschutzgeräts gemäß der ersten Ausführungsform mit derjenigen der siebten Ausführungsform der Umrichter sowohl gegen die Sekundärwicklung als auch gegen den Kurzschlußfehler bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Betriebs des Systems schützen läßt.

Ausführungsform 9

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 8 der vorliegenden Erfindung dienen dem Schutz von Umrichtern, die in Serie zu dem elektrischen Netz angeschlossen sind. Jedoch kann das Umrichterschutzgerät gemäß der vorliegenden Erfindung auch zum Schutz von Umrichtern angewendet werden, die parallel an dem elektrischen Netzsystem angeschlossen sind.

Die Fig. 12 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Darstellen eines Umrichterschutzgeräts für die Umrichter, die parallel an dem elektrischen Netzsystem angeschlossen sind. Das Umrichterschutzgerät gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform dahingehend, daß die Sekundärwicklung in n Abschnitte unterteilt ist. Tritt ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem der Umrichter 3 auf, die parallel mit dem elektrischen Netzsystem verbunden sind, so wird dieses Fehlerereignis durch den Kurzschlußdetektor 19 erfaßt. Die Kurzschluß- Entscheidungsschaltung 20 reagiert auf das von dem Kurzschlußdetektor zugeführte Kurzschlußdetektorsignal S_S, damit die Stufe oder der Abschnitt der Sekundärwicklung bestimmt oder identifiziert wird, mit der der Umrichter mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler verbunden ist. Auf der Grundlage des Ergebnisses dieser Entscheidung erzeugt die Zwangszündschaltung 21 die Zündsignale 3c1S bis 3c4S für all diejenigen Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, mit der auch der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler verbunden ist. Durch diese Anordnung lassen sich dieselben Wirkungen erzielen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der sechsten Ausführungsform beschrieben wurden.

Ausführungsform 10

Die Fig. 13 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Darstellen eines Umrichterschutzgeräts für Umrichter, die parallel mit dem elektrischen Netzsystem verbunden sind. Das Umrichterschutzgerät gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der siebten Ausführungsform dahingehend, daß die Sekundärwicklung in n Abschnitte unterteilt ist. Während des Betriebs werden dann, wenn man beispielsweise annimmt, daß ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in dem Umrichter 3 auftritt, der mit einem Sekundärwicklungsabschnitt der ersten Stufe eines Reihentransformators verbunden ist, die GTO-Schaltelemente all derjenigen Umrichter angeschaltet, die mit den erststufigen Wicklungsabschnitten aller Transformatoren verbunden sind, wodurch die Schutzsicherung 5a aufgebrochen wird, was dazu führt, daß alle Umrichter 3, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der ersten Stufe verbunden sind, von den jeweiligen Gleichspannungsschaltungen abgetrennt werden.

In dem Fall, in dem der Umrichter 3 mit dem Kaskaden- Kurzschlußfehler in dem mit der Sekundärwicklung verbundenen Zustand verbleibt, wird der Kurzschlußstrom ausgehend von der Sekundärwicklung zu dem Umrichter 3 fließen, wodurch die normalen GTO-Schaltelemente des Umrichters 3 beschädigt werden können. Demnach gibt die Verzögerungsschaltung 22 dann, wenn das Kurzschlußdetektorsignal S_S länger als eine vorgegebene Zeitspanne erfaßt wird, das Schaltersteuersignal an den mit der Wechselspannungsseite des Umrichters 3 mit dem Kurzschlußfehler verbundenen Schalter 4 ab, wodurch die Sekundärwicklung von dem Schalter 4 geshuntet wird. Hierdurch fließt der Kurzschlußstrom unter Umgehung des fehlerhaften Umrichters 3 über den Schalter 4.

Zudem ist es möglich, durch Öffnen der jeweiligen Trennschalter 23 und 24, die in der Gleichspannungseingangsseite und der Wechselspannungseingangs/Ausgangsseite des Umrichters mit Kurzschlußfehler eingefügt sind, diesen in einem Zustand zu reparieren, bei dem das elektrische Netzsystem aktiv weiterbetrieben wird.

Im Fall des Umrichterschutzgeräts gemäß der neunten und zehnten Ausführungsform der Erfindung wird die Systemspannung parallel zu (n-1) Windungsabschnitten angelegt. Demnach kann dadurch, daß die Transformatoren und die Umrichter vorab unter Berücksichtigung der Tatsache entworfen werden, daß eine Spannung als das (n/n-1)-fache der Systemspannung am Umrichter und Transformator anliegt, zum Verwirklichen des redundanten Umrichterschutzgeräts, ein Umrichterschutzgerät hoher Zuverlässigkeit bei geringen Kosten realisiert werden.

Viele Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, und demnach wird mit den angefügten Patentansprüchen ein Abdecken all dieser Merkmale und Vorteile des Systems beabsichtigt, die innerhalb des eigentlichen Sinngehalts und Schutzbereichs der Erfindung liegen. Da zudem zahlreiche Modifikationen und Kombinationen für die mit dem Stand der Technik vertrauten Personen einfach ersichtlich sind, soll die Erfindung nicht durch den exakten Aufbau und Betrieb, wie er dargestellt und beschrieben ist, begrenzt werden.

Beispielsweise kann, obgleich davon ausgegangen wurde, daß das Umrichterschutzgerät gemäß der Erfindung bei einem dreiphasigen elektrischen Netzsystem angewendet wird, der Inverter ebenfalls bei einer anderen Art von Stromversorgungssystem oder -quelle eingesetzt werden. Zudem kann, obgleich für die Gleichspannungsschaltung davon ausgegangen wird, daß sie aus einer Gleichspannungskapazität besteht, diese durch ein BTB vom Selbsterregertyp (self excitation type BTB) ersetzt werden, wobei sich im wesentlichen dieselben vorteilhaften Effekte ergeben.

Demnach werden sämtliche Modifikationen und Äquivalente, die sich verwirklichen lassen, vom Sinngehalt und Schutzbereich der Erfindung umfaßt.

Claims

1. Umrichterschutzgerät für elektrisches Netzsystem, enthaltend:
jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) eines elektrischen Netzsystems verbundene Transformatoren (2a, 2b, 2c),
jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundene Umrichter (3A, 3B, 3C),
eine erste Stromdetektorvorrichtung (11) zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung (1a, 1b, 1c) fließen,
eine zweite Stromdetektorvorrichtung (7c) zum Erfassen der Umrichterströme, die zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C) jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen fließen,
eine Fehlerentscheidungsvorrichtung (12) zum Ausgeben eines Fehlerentscheidungssignals (S_S) bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des Systemstroms (I),
eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung (14) zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullbefehls (E₀) bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals (S_S), und
eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung (8, 9, 15) zum Zuführen eines Steuersignals (3c1S bis 3c4S) zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C) zum Einstellen der Ausgänge der Umrichter (3A, 3B, 3C) auf Null, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl (E₀), wenn in dem der Umrichterstrom (I), wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter (3A, 3B, 3C) absinkt.

2. Umrichterschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner enthält:
einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundenen Schalter (4), und
eine Verzögerungsschaltung (16) zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters (4) mit einer Zeitverzögerung bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals (S_S) von der Fehlerentscheidungsvorrichtung (12) fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg.

3. Umrichterschutzgerät für ein elektrisches Netzsystem, enthaltend:
jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) eines elektrischen Netzsystems verbundene Reihentransformatoren (2a, 2b, 2c),
jeweils mit Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren (2a, 2b, 2c) verbundene Umrichter (3A, 3B, 3C),
parallel mit den Sekundärwicklungen verbundene Halbleiterschaltelemente (10),
eine erste Stromdetektorvorrichtung (11) zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung (1a, 1b, 1c) fließen, und
eine Systemfehler-Detektorvorrichtung (17) zum Ausgeben eines Anschaltsignals an die Halbleiterschaltelemente (10) und zum gleichzeitigen Ausgeben eines Abschaltsignals an die Umrichter (3A, 3B, 3C) nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des erfaßten Systemstroms (I₀).

4. Umrichterschutzgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner enthält:
einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Reihentransformatoren (2a, 2b, 2c) verbundenen Schalter (4), und
eine Verzögerungsschaltung (16) zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters (4) mit einer Zeitverzögerung bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals (S_S) von der Systemfehler- Entscheidungsvorrichtung (12) fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg.

5. Umrichterschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner enthält:
eine Haltevorrichtung (13), die im Zusammenhang mit der Sekundärwicklung jedes Reihentransformators (2a, 2b, 2c) vorgesehen ist, damit das Anliegen einer Überspannung an dem Umrichter (3A, 3B, 3C) vermieden wird.

6. Umrichterschutzgerät für ein elektrisches Netzsystem, enthaltend:
Reihentransformatoren ( 2a, 2b, 2c) mit jeweils in Serie zu Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) verbundenen Starkstromleitungen, wobei bei jedem Reihentransformator ( 2a, 2b, 2c) eine Sekundärwicklung in mehrere Wicklungsabschnitte unterteilt ist,
Gruppen von Umrichtern (3A-1, 3B-1, 3C-1), die jeweils für die Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) des elektrischen Netzsystems vorgesehen und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten der Transformatoren ( 2a, 2b, 2c) verbunden sind, wobei
Gleichspannungseingangsleitungen der Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) jeweils mit den Sekundärabschnitten einer selben Stufe der Transformatoren ( 2a, 2b, 2c) für die Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) und untereinander verbunden sind und jeweils über Schutzsicherungen (5a) zu Gleichspannungskapazitäten (6) geführt sind,
eine Kurzschlußdetektorvorrichtung (C), die jeweils im Zusammenhang mit den Umrichtern (3A-1, 3B-1, 3C-1) vorgesehen ist, zum Erfassen des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in dem Umrichter,
eine Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung (20) zum Bestimmen desjenigen sekundären Wicklungsabschnitts, mit dem der Umrichter mit einem Kurzschlußfehler verbunden ist, auf der Grundlage eines von der Kurzschluß- Detektorvorrichtung (C) ausgegebenen Kurzschlußdetektorsignals (S_C), und
eine Zwangszündschaltung (21), die bei Festlegen des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in einen der Umrichter anspricht, um diejenige Schmelzsicherung (5a) aufzubrechen, die jeweils gemeinsam mit den Gleichspannungs-Eingangsleitungen der Umrichter für die Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten verbunden ist, und zwar mit einer selben Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts, mit der auch der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler verbunden ist.

7. Umrichterschutzgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner enthält:
jeweils parallel mit den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren ( 2a, 2b, 2c) verbundene Schalter (4) und
Verzögerungsschaltungen (22), die jeweils zum Verzögern des Schließsignals (S_S) vorgesehen sind, das dem zugeordneten Schalter (4) mit einer festgelegten Verzögerung nach dem Bestimmen des Kurzschlußfehlers durch die Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung (20) zugeführt wird.

8. Umrichterschutzgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner enthält:
jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) eines elektrischen Netzsystems verbundene Reihentransformatoren (2a, 2b, 2c),
jeweils mit Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren (2a, 2b, 2c) verbundene Umrichter (3A, 3B, 3C),
eine erste Stromdetektorvorrichtung (11) zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung (1a, 1b, 1c) fließen,
eine zweite Stromdetektorvorrichtung (7c) zum Erfassen der Umrichterströme, die zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C) jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen der Reihentransformatoren (2a, 2b, 2c) fließen,
eine Fehlerentscheidungsvorrichtung (12) zum Ausgeben eines Fehlerentscheidungssignals (S_S) bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers in dem elektrischen Netzsystem auf der Grundlage des Systemstroms (I),
eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung (14) zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullbefehls (E₀) bei Empfang des Fehlerentscheidungssignals (S_S), und
eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung (8, 9, 15) zum Zuführen eines Steuersignals (3c1S bis 3c4S) zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C) zum Einstellen der Ausgänge der Umrichter (3A, 3B, 3C) auf Null, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullbefehl (E₀) in einem Zeitpunkt, in dem der Umrichterstrom (I), wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter (3A, 3B, 3C) absinkt,
eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung (8, 9, 15) zum Steuern eines Steuersignals, das den Umrichtern (3A-1, 3B-1, 3C-1) zugeführt wird, zum Festlegen der Ausgänge der Umrichter in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs- Nullbefehl (I₀) zu Null in einem Zeitpunkt, wenn der Umrichterstrom (I), wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) absinkt, und
eine Verzögerungsschaltung (22) jeweils zum Ausgeben eines Schließsignals an die parallel an die Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) angeschlossenen Schalter (4) mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen eines Kurzschlußfehlers in den Umrichtern (3A-1, 3B-1, 3C-1), wie er von der Entscheidungsvorrichtung (20) festgestellt wird, oder mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers durch die Fehlerentscheidungsvorrichtung (12).

9. Umrichterschutzgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Trennschalter (23, 24) enthält, die jeweils in Serie zu einer Gleichspannungs- Eingangsleitung und einer Wechselspannungs- Ausgangsleitung jedes der Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) geschaltet sind.

10. Umrichterschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umrichterschutzgerät so entworfen ist, daß es die Umrichter schützt, die parallel zu dem elektrischen Netzsystem verbunden sind, anstelle der seriell angeschlossenen Umrichter, und zwar gegen einen Systemfehler und einen Kurzschlußfehler.