DE2212832C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und zum Schutz eines Parallelschwingkreiswechselrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und zum Schutz eines Parallelschwingkrciswechselrichters und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Wechselrichter mit steuerbaren Stromrichterventilen, deren Lastkreis einen Parallelschwingkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität aufweisen, werden als Parallelschwingkreiswechselrichter bezeichnet. Parallelschwingkreiswechselrichter sind beispielsweise aus dem »SCR-Manual« der General Electric Company, 1961, Seiten 161 und 162, bekannt Solche lastkommutierten Wechselrichter werden beispielsweise zur Speisung von Induktionsöfen oder von Schweißanlagen mit induktiver Erhitzung verwendet.

Der reguläre Betrieb von Parallelschwingkreisumrichtern ist nur bei vollständigem Lastkreis, der aus der Induktivität und der Kapazität besteht, gegeben. Im Falle eines nicht vollständigen Lastkreises können unzulässige Beanspruchungen der Umrichterelemente auftreten, die beispielsweise durch eine Selbstabschaltung des Umrichters vermieden werden müssen. Ein offener Umrichterausgang, ein kurzgeschlossener Umrichterausgang und eine fehlende Schwingkreiskapazität sind als verschiedene Möglichkeiten eines nicht regulären Lastkreises durch eine gezielte Wechselrichterauslegung beherrschbar. Fehlt die Induktivität, beispielsweise die Induktorspule des Parallelschwingkreises, so führt dies zu einer unzulässigen Spannungsbeanspruchung der Stromrichterventile.

Es besteht die Aufgabe, das Fehlen einer Induktivität im Parallelschwingkreis zu erkennen und einen Schutz für die Stromrichterventile des Wechselrichters vorzusehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Frequenz des den Kondensator des Parallelschwingkreises durchfließenden Stromes gemessen wird, daß die gemessene Frequenz mit einer Grenzfrequenz verglichen wird und daß alle Stromrichterventile eines Längszweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters gezündet werden, wenn die gemessene Frequenz kleiner als die Grenzfrequenz ist. Die Grenzfrequenz wird vorzugsweise klein gegen die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises des Wechselrichters gewählt.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist ein Impulsgeber angeordnet, der eine Impulsfolge abgibt, deren Pulsfolgefrequenz synchron zur Frequenz des den Kondensator durchfließenden Stromes ist und die einer Vergleichsschaltung zugeführt ist, weiterhin ist ein Zeitkipper vorgesehen, der Impulse abgibt, deren Frequenz gleich der Grenzfrequenz ist und die ebenfalls der Vergleichsschaltung zugeführt sind, wobei von der Vergleichsschaltung Zündimpulse den Stromrichterventilen eines Lüngizweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters zugeleitet sind, wenn die Pulsfolgefrequenz der Impulsfolge kleiner als die Frequenz der vom Zeitkipper abgegebenen Impulse ist. Als Vergleichsschaltung kann ein Integrator mit nachgeschaltetem Schwellwert und ein logisches Schaltelement vorgesehen sein, dessen einer Eingang mit dem Schwellwert verbunden ist, wobei die Impulsfolge des Impulsgebers dem Integrator und die Impulse des Zeitkippers einem zweiten Eingang des logischen Schaltelementes zugeführt sind und der Ausgang des logischen Schaltelementes mit den Zündvorrichtungen für die Stromrichterventile eines Querzweiges des Parallelschwingkreises verbunden ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung erreicht man eine völlige Unabhängigkeit von der Lastkreiskonstellation, wobei besonders hervorzuheben ist, daß dies ohne zusätzliche starkstromtechnische Maßnahmen erreicht wird. Beim Wegfall der Induktorspule bildet die Kompensationskapazität mit

der Glätlungsinduktivität des Parallelschwingkreiswechselrichters einen Serienschwingkreis, dessen Frequenz in der Regel stark von der erwarteten Betriebsfrequenz des Umrichters abweicht, die im allgemeinen mit der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises übereinstimmt Diese Abweichung der Frequenz, die in kürzester Zeit erkannt werden kann, wird als Indikator für den nicht vollständigen Parallelschwingkreis genommen. Zum Schutz der Thyristoren wird nun der Strom vom Diagonalzweig des Parallelschwingkreiswechselrichters, d. h. von der Schwingkreiskapazitül auf einen Längszweig oder Querzweig des Parallelschwingkreiswechselrichters abkommutiert

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt das Schaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechselrichteranordnung. Es sind steuerbare Stromrichterveniile oder Stromrichterventilgruppen 1 bis 4 in Brückenschaltung an die Klemmen 5 und 6 einer Gleichspannungsquelle über eine Glättungsdrossel 7 angeschlossen. Als Gleichspannungsquelle kann beispielsweise ein nicht dargestellter Gleichrichter dienen. Anstelle der Brückenschaltiing können die Stromrichterventile auch in Mittelpunktschaltung angeordnet sein und die steuerbaren Stromrichterventile 1 bis 4 können beispielsweise Thyristoren sein.

Zwischen dem Verbindungspunkt 8 der Stronir ihterventile I und 2 und dem Verbindungspunkt 9 der Stromrichterventile 3 und 4 ist ein Parallelschwingkreis IO angeschlossen. Her Paralleischwingkreis 10 ist aas einer Induktivität 11 und einer Kapazität 12 aufgebaut. Die Induktivität 11 kann beispielsweise eine Induktorspule sein. F.s ist in der Schaltung angedeutet, daß die Induktorspulc 11 vermittels der Steckverbindung 11a und lib ausgewechselt werden kann. Zusätzlich ist im Paralleischwingkreis in Reihe mit dem Kondensator 12 ein Stromwandler 13 vorgesehen, mit dem die Frequenz des den Kondensator 12 durchfließenden Stromes erfaßt werden kann.

Mit dem vom Stromwandler 1.1 erfaßten Strom im Paralleischwingkreis 10 werden zwei Impulsgeneratoren 14 und 15 getaktet, die jeweils eine Impulsfolge erzeugen, deren Pulsfolgefrequenz der Frequenz des den Kondensator ^durchfließenden Stromes synchron ist. Die Impulsfolge des Impulsgenerators 14 ist über eine Umkehrstufe 16 und Inipulsverstärkern 17 bzw. 18 den Stromrichterventilen 1 und 4 eines Diagonalzweiges und die Impulsfolge des Impulsgenerators 15 über die Umkehrstufe 19 und die Impulsverstärker 20 bzw. 21 den Stromrichterventilen 2 und 3 des anderen Diagonalzweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters zugeführt. Da die Impulsfolgen der Impulsgeber 14 und 15 gegeneinander phasenverschoben sind, ist sichergestellt, daß mit dieser Steuervorrichtung dem Schwingkreis 10 über die Stromrichterventile 1 und 4 bzw. 2 und 3 und die Glättungsdrossel 7 periodisch Energie analog der bekannten Betriebsweise zugeführt wird.

Zusätzlich ist die Impulsfolge des Impulsgebers 15 über eine weitere Umkehrstufe 22 einem Integrator 23 zugeführt, der beispielsweise ein kapazitiv rückgekoppelter Verstärker sein kann. Der Ausgang des Integrators 23 ist mit einem Schwellwertgeber bzw. Grenzwertmelder 24 verbunden, dessen Ausgangssignal über eine Umkehrstufe 25 einem Eingang eines NAND-Gatters 26 zugeführt ist. Der zweite Eingang

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des logischen Schaltelementes 26 ist mit einem Impulsgeber 27 verbunden, der, wie durch die Wirkungslinie 28 angedeutet ist, vom Betätigungsschalter 29 des Wechselrichters eingeschaltet werden kann. Am Ausgang des NAND-Gatters 26 liegt ein weiterer Impulsgenerator 30, der über eine Umkehrstufe 31 mit den Impulsverstärkern 17 und 20 verbunden ist, durch deren Impulse die Stromrichter 1 und 2 eines Quer- bzw. Längszweiges des Pulswechselrichters gezündet werden.

Zur Erklärung der Wirkungsweise der Überwachungs- und Schutzschaltung, die aus dem Integrator 23, dem Schwellwert 24, dem logischen Schaltelement 26 und dem Zeitkipper 27 gebildet ist, sei auf die F i g. 2 und die F i g. 3 verwiesen. In den F i g. 2 und 3 ist gegen die Zeit / der Signal verlauf Ul bis US aufgetragen, der an den entsprechend gekennzeichneten Punkten der Fig. I auftritt. Dabei betrifft Fig.2 den regulären Betriebsfall und F i g. 3 einen Störungsfall, bei dem die Induktorspule 11 des Parallelschwingkreises 10 fehlt oder zerstört ist.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten, normalen Betriebsfall wird die Zündimpulsfolge U\ des Impulsgebers 15 dem Integrator 23 zugeführt. Erreicht die Integration einen vorgegebenen Wert, so wird der Grenzwertgeber 24 gesetzt und der erste Eingang (U₂) des NAND-Gatters 26 nimmt den Wert Null an. Der zweite Eingang (Ui) des NAND-Gatters 26 ist mit dem Impulsgeber 27 verbunden. Der Schwellwert 24 ist so eingestellt, daß der erste Eingang des NAND-Gatters 26 im normalen Betriebsfall während einer Impulslücke der vom Impulsgeber 27 abgegebenen Impulse von I auf 0 gesctzi wird. Im regulären Betriebsfall werden daher die beiden Eingänge des NAND-Gatters 26 niemals gleichzeitig den Wert 1 annehmen und der Ausgang des NAND-Gatters 26 wird daher immer ein konstantes Signal Ui, abgeben und der nachgeschaltete Impulsgenerator 30 wird nicht betätigt.

Bei diesem Überwachungsvorgang repräsentiert die Länge der Impulslücke bzw. die Frequenz der vom Zeitkipper 27 abgegebenen Impulse die Grenzfrequenz, mit der die Frequenz des Schwingkreisstromes verglichen wird, die durch die Zündimpulsfolge (U\) repräsentiert ist.

Im Störungsfall (Fig. 3) entsteht keine Zündimpulsfolge (U\). Der Schwellwertgeber 24 wird daher nicht gesetzt, da die Integration den vorgegebenen Wert nicht erreicht. Der erste Eingang (LZ₂) des NAND-Gatters 26 bleibt damit auf dem Wert 1. Nimmt wegen des Impulses des Zeitkippers 27 der zweite Eingang (Uj) des Gatters 26 den Wert 1 an, so verschwindet das Signal am Ausgang des NAND-Gatters 26 (U*), der Impulsgeber 30 wird betätigt und es werden den Zündvorrichtungen 17 und 20 der Stromrichterventile 1 und 2 eines Längszweiges Zusatzimpulse zugeführt. Die Stromrichterventile 1 und 2 werden durch die Zusatzimpulse gezündet und der Strom wird vom Diagonalzweig der Wechselrichterbrücke auf den Längszweig abkommutiert.

Gleichzeitig kann durch die Zusatzimpulse eine in der Fig. 1 nicht gezeigte Schaltvorrichtung ausgelöst werden, die die Stromversorgung des Wechselrichters unterbricht.

Falls durch die Überwachungseinrichtung lediglich festgestellt werden soll, ob das Einsetzen einer Induktorspule vor Inbetriebnahme der Vorrichtung vergessen wurde, genügt es, wenn der Zeitkipper 27, betätigt vom Einschaltvorgang des Wechselrichters,

einen Impuls abgibt. Soll eine laufende Betriebsüberwachung erfolgen, mit der eine schadhafte Induktionsspule während des Betriebes festgestellt werden kann, so muß der Impulsgeber 27 eine Impulsfolge abgeben, deren Frequenz der Grenzfrequenz entspricht und der Integrator 23 und der mit dem Integrator verbundene Eingang des NAND-Gatters 26 ist periodisch zurückzustellen.

Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung ist in F i g. 4 ein Parallelschwingkreiswechselrichter entsprechend F i g. 1 im Störungsfall, d. h. ohne Schwingkreisinduktivität 11 dargestellt. Die Zünd- und Überwachungsvorrichtung wurde in Fig.4 weggelassen, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Beim Wegfall der !nduktionsspule It bildet die Kapazität 12 und die Glättungsdrossel 7 einen Serienschwingkreis, dessen Frequenz im allgemeinen erheblich kleiner als die Betriebsfrequenz des Parallelschwingkreiswechselrichters ist. Mit der beschriebenen crfindungsgcmäßet Vorrichtung kann im Störungsfall die Abweichung de Frequenz von der Betriebsfrequenz in kürzester Zei erkannt und zum Schutz der Thyristoren durch bewußt! Zusatzzündung der eingeprägte Strom über dii Glättungsinduktivität 7 vom Diagonalzweig, der aus dei Stromrichtervcntilen 1 und 4 bzw. 3 und 2 gebildet isl auf dem l.ängszweig der Brücke abkommuticrt werden der aus den Stromrichtcrventilen 1 und 2 besteht.

In der Fig. 4 sind die Ströme im Parallelschwing kreiswcchselrichter, insbesondere die Ströme durch dii Drossel 7 (/,/) und über den Kondensator 12 (;',) und dii an den Stromrichterventilen und am Kondensalo liegenden Spannungen Un und U₁ eingezeichnet. Dei Verlauf dieser Spannungen und Ströme mit der Zci zeigen die Fig.5a bis 5d, wobei in Fig. 5a de Zusatzimpuls eingezeichnet ist, der die Stromkommutie rung auf dem Längszweig einleitet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung und zum Schutz eines Parallelschwingkreiswechselrichters, d a durch gekennzeichnet, daß die Frequenz des den Kondensator (12) des Parallelschwingkreises (10) durchfließenden Stromes gemessen wird, daß die gemessene Frequenz mit einer Grenzfrequenz verglichen wird und daß alle Stromrichterventile (1, 2) eines Längszweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters gezündet werden, wenn die gemessene Frequenz kleiner als die Grenzfrequenz ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz klein gegen die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises (10) des Wechselrichters gewählt wird.

J. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgeber (15) angeordnet ist, der eine Impulsfolge abgibt, deren Puisfolgefrequenz synchron zur Frequenz des den Kondensator (12) durchfließenden Stromes ist und die einer Vergleichsschaltung (23, 24, 26) zugeführt ist, daß ein Zeitkipper (27) vorgesehen ist, der Impulse abgibt, deren Frequenz gleich der Grenzfrequenz ist und die ebenfalls der Vergleichsschaltung zugeführt sind, und daß von der Vergleichsschaltung Zündimpulse den Stromrichterventilen (1, 2) eines Längszweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters zugeleitet sind, wenn die Pulsfolgefrequenz der Impulsfolge kleiner als die Frequenz der vom Zeitkipper abgegebenen Impulse ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Parallelschwingkreis (10) in Serie mit dem Kondensator (12) ein Frequenzgeber (13) angeordnet ist, dessen Signale den Impulsgeber (15) synchronisieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitkipper (27) in Steuerabhängigkeit zum Betätigungsschalter (29) des Parallelschwingkreiswechselrichters gebracht ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsschaltung ein Integrator (23) mit nachgeschaltetem Schwellwert (24) und ein logisches Schaltelement (26) vorgesehen sind, dessen einer Eingang mit dem Schwellwert verbunden ist, daß die impulsfolge des Impulsgebers (15) dem Integrator und die Impulse des Zeitkippers (27) einem zweiten Eingang des logischen Schallelementes zugeführt sind und daß der Ausgang des logischen Schaltelementes (26) mit den Zündvorrichtungen (17,20) für die Stromrichterventile (I, 2) eines Längszweiges des Parallelschwingkreiswechselrichters verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Schaltelement (26) ein NAND-Gatter ist.

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