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"Sicherheitsschaltung für einen netzgeführten Stromrichter"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsschaltung für einen
netzgeführten Stromrichter in Drückenschaltung mit induktiver Last, insbesondere
für einen Umkehrstromrichter in kreisstromfreier gegenparalleler Drehstrom-Brückenschaltung,
die bei Netzausfall oder anderen Störungen den Stromrichter stromlos macht. Sie
kann Anwenduny finden für Stromrichterantriebe mit Gleichstroinmaschinen wie Vorschubantriebe
von Werkzeugmaschinen, Umkehrantriebe von Prüfmaschinen usw..
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Derartige Stromrichterantriebe sind bekannt aus den BBC-Druckschiften
"Veritron-Doppelstromrichter" (Druckschriften-Bestell-Nr. D EIS 50353 D, S. 1 bis
27) und "Veritron-Stromrichterqerate" (Druckschriften-Bestell-Nr. D GlIS 50278 D).
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Netzgeführte Stromrichter in Brückenschaltung, die wie in den vorgenannten
bekannten Fällen vornehmlich für die Steuerung von Gleichstrommaschinen eingesetzt
werden, bestehen aus einer Vielzahl von Thyristoren, die in, allgemeinen durch besonders
flinke
Schmelzsicherungen vor Zerstörung infolge von Kurzschlüssen
geschützt werden. In einem bekannten Fall (DT-AS 1 613 815 und DT-AS 1 613 816)
wird dabei z.B. ein ausgangsseitig eines Vechselrichters liegender Rcsonanzkreis
derart bemessen, daß die in ihn; gespeicherte Energie bei Kurzschluß eines Verbrauchers
den die Sicherung auslösenden Stromstoß hervorruft.
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Kurzschlüsse können einmal durch Betriebsstörungen innerhalb des Stromrichterantriebes
entstchen, zum anderen bei Netzausfall während der Bremsphase des Antriebes. Bei
diesem Betriebszustand arbeitet der Antrieb als Generator, und der SUromrichter
liefert ihm als Wechselrichter die Gegenspannung. Bei Netzausfall und damit Wegfall
dieser Gegenspannung würde die nur sehr langsam verschwindende Maschinenspannung
über die gerade leitenden Stromrichterventile und den Stromrichtertransforator einen
Kurzschlußstrom treiben, der von den Stromrichtersicherungen abgeschaltet wird.
Es ist in vielen Fällen sinnvoll, bei dieser Betriebsstörung, die nicht vom Stromrichter
verursacht wird, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit dafür zu sorgen, daß die Anlage
derart schnell abgeschaltet wird, daß im Gegensatz zum vorgenannten bekannten Fall
(DT-AS 1 613 816) Sicherungsausfälle und dadurch längere Ausfallzeiten vermieden
werden.
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Es gibt mehrere nekannte Möglichkeiten, schnelle Gleichstromschalter
mit Thyristoren zu bauen. Meist erden Gleichstromstellerschaltungen dafür benutzt,
die in Reihe mit der abzuschaltenden Spannungsquelle liegen und daher sehr universell
einsetzbar sind.(W.Pätzkc, "Ein neu entwickelter Thyristor-Schutzschalter für Gleichstrom",
Technische Mitteilungen hEG-Telefunken, Bd. 61 (1971) 6, S. 331 bis 333 und H. Kahlen,
"Thyristorschalter zum schnellen Abschalten von Gleichströmen", ETZ-A Bd. 91 (1973),
lieft 9, S. 539 bis 542). Für den eingangs genannten speziellen Anwendungsfall,
d.h. für netzgeführte
Stromrichter in Brückenschaltung sind diese
bekannten schnellen Gleichstromschalter zu aufwendig.
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Der Erfindung liegt ausgehend von der eingangs genannten Sicher heitsschaltung
für einen netzqeführten Stromrichter die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltung
zu schaffen, die bei Netz-oder Phasenausfall den Stromrichter innerhalb weniger
Millisekunden abschaltet, so daß keine Sicherung anspricht.
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Die Lösung dieser Aufgabe bestcht darin, daß erfindungsgemäße ein
Thyristor-Schnellschalter zur Zwangskommutierung parallel zum Stromrichter geschaltet
ist, daß der Thyristor-Schnellschalter an die Ausgangsklemmen des Stromrichters
angeschlossene Thyristoren aufweist, rtit denen eine Drossel ein an eine besondere
Ladeeinrichtung angeschlossener Kondensator und an die Stromrichtereingänge angeschlossene
Dioden in Reihe liegen.
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Es sind zwar Zwangskommutierungseinrichtungen bekannt, die mit einer
Kondensator-Gegenspannung arbeiten (1-1. Rabl, "Eine Gleichstrom-Notorspeisung mit
gesteuerten Silizium-Glcichrichtern (Thyristoren)" ELIN-Zeitschrift, Jahrgang 17
(1965), S. 9 bis 13 und II. Rabl "Umkehrstromrichter mit Thyristoren in kreisstronfreier
Antiparallelschaltung für Aufzugsregelantriebe", ELItl-Zeitschrift, Jahrgang 19,
(1967), S. 133 bis 144); die vorliegende Erfindung besteht jedoch in der Kombination
einer Zwangskommutierungseinrichtung mit einem Stromrichter in einphasiger oder
dreiphasiger Brückenschaltung und in der Anwendung dieser Anordnung auf Betriebsstörungen
im Wechselrichterbetrieb.
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Indem der Thyristor-Schnellschalter nicht - wie die eingangs genannten
bekannten Gleichstromschalter - in Reihe, sondern parallel zum abzuschaltenden Stromrichter
liegt, wird in vorteilhafterweise der Schaltcr im Normalbetrieb nicht vom Generatorstrom
durchflossen, so daß es genügt, die Thyristoren, Dioden und Sicherunccn für den
einmaligen abschaltstromstoß zu dimensionieren.
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Kühlkörper und Lüster können entfallen, was einen kompakten und preiswerten
Aufbau ermöglicht. Nach einer Netzspannungswiederkehr ist die überwachte Anlage
sofort wieder betriebsbereit, ohne daß durch einen Steuerbefehl die Abschalteinrichtung
wieder eingeschaltet werden muß.
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Selbst wenn der Scnalter funktionsuntüchtig werden sollte, geht die
Verfügbarkeit der gesamten Anlage nicht verloren. Der Thyristor-Schnellschalter
benötigt zu seinem Betrieb keine llilfsspannung. Nach einem Schaltvorgang wird er
ohne zusätzlichen
Steueraufwand selbsttätiy wieder betriebsbereit.
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Zweckmäßig wird parallel zum Kondensator ein Überspannungsbegrenzer
geschaltet, ur.l die Kondensatorspannung mit Rücksicht auf die Sperrspannung der
Thyristoren des Thyristor-Schnellschaltcrs auf einen oberen Wert zu begrenzen.
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Weiterhin wird vorteilhaft in die Reihenschaltung von Kondensator
und Thyristoren eine Kommutierung-Drossel geschaltet, deren Induktivität klein gegenüber
dem Wert der induktivität der Arbeitsmaschine ist.
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Die Sicherheitsheitsschaltung ist/mit einer Steuerschaltung versehen,
die einen Eingang für die Störungsmeldung, einen Eingang für die Stromrichtungsmeldung
von der Kreisstromlogik des Stromrichters, einen Ausgang zur Zündimpulssperre für
die Thyristoren des Stromrichters und einen Ausgang zu den Steuerelektroden der
Thyristoren des Thyristorschnellschalters besitzt.
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Die Steuerschaltung ist vorteilhaft über einen Vollweggleichrichter
an die Netzspannung angeschlossen, so daß - wie bereits erwähnt - die Sicherheitsschaltung
zu ihrem Betrieb keine Hilfsspannung benötigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Sicherheitsschaltung für einen Umkehrstromrichter,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung und des Kondensatorstromes
des Kornn.lutierungs- und Löschkondensators in der Schaltung nach Fig. 1 ohne und
mit Überspannungsableiter und
Fig. 3 ein Schaltbild der Steuerschaltung
für die Sicherheitsschaltung nach Fig. 1.
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Die Sicherheitsschaltung wird annand der beispielhaften Anwendung
für einen Umkehrstromrichter erläutert.
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Das Prinzipschaltbild nach Fig. 1 zeigt oberhalb der strichlinierten
Linie einen an sich bekannten (vgl. eingangs genannte DDC-Druckschrift Nr. D 115
50353 D, S. 7) Stror..richtcrantrieb für den Vicrquadrantenbetrieb. Die Anordnung
hesteht aus einem Umkehrstromrichter 1 in sogenannter kreisstromfreier gegenparalleler
Drehstrombrückenschaltung. Kennzeichnend für den Umrichter ist, daß eine Steuerung
dafür sorgt, daß entsprechend der geforderten Stromrichtung inner nur eines der
beiden Stromrichter-Systeme an der Stromführung beteiligt ist. Der Umkehrstromrichter
ist eingangsseitig an den Netztransformator 4 und ausgangsseitig an eine Gleichstrommaschine
5 mit der Induktivität L 2 angeschlossen.
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Parallel zum Umkehrstromrichter 1 sind an Ausgangsklemmen 6 und 7
der Thyristor T 1 bzw. T 2, die Drossel L 1, der Kondensator C und die Dioden D
1, D 2, D 3 geschaltet, die ihrerseits an den Stromrichtereingängen 8 bis lo liegen.
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Anodenseitig der Thyristoren T 1 und T 2 befinden sich Sicherungen
11, kathodenseitig der Dioden D 1, D 2, D 3 Sicherungen 12.
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Parallel zum Kondensator C kann ein Überspannungsbegrenzer D 5, vorzugsweise
ein Selen-Uberspannungsbegrenzer, in Reihe mit einer Diode D 4 liegen. Weiterhin
ist der Kondensator C zwecks Aufladung an eine Ladeeinrichtung 13 über einen Querwiderstand
R1 und einen Reihenwiderstand R 2 angeschlossen.Die Ladeeinrichtung 13
kann
ihrerseits über einen Gleichrichter 14 und einen Transformator 15 an das et angeschlossen
sein.
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Die Sicherheitsschaltung umfasst eine Steuerschaltung 16 mit einem
Eingang 17 für die Störungsmeldung, einem Eingang 18 für die Strorichtung-smeldung,
einem Ausgang 19 für die Impulssperre der Thyristoren des Umkehrstromrichters 1
und Ausgängen 20, 21 für die Zündbefehle für die Thyristoren T 1 und T 2.
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Die Schaltung nach Fig. 1 hat folgende Wirkungsweise: Der Kondensator
C ist im Normalbetrieb auf die Spannung Uco aufgeladen. Bei Netz- oder Phasenausfall
wird einer der beiden Thyristoren T 1 oder T.2, je nachdem welches Stromrichter-System.
- 2 oder 3 - an der Stromführung beteiligt war, gezündet.
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Der Kondensator C übernimmt infolge der dabei einsetzenden Kommutierung
den Strom 1 und der gestrichelt umrandete Brückeng teil des stromführenden Stromrichter-Systems-
in diesem Fall 2 -wird stromlos. Die Drossel L 1 begrenzt in beiden Fällen die Kommutierungsstromsteilheit
auf die für die Thyristoren T 1 und T 2 zulässigen Werte. Der Stromverlauf iC am
Kondensator C wird während des, sich anschließenden Löschvorganges im wesentlichen
durch den Reihenschwingkreis, gebildet durch den.Kondensator C und die Ankerinduktivität
L 2, sowie durch die Generatorspannung Ug und die Ladespannung UCo bestimmt. (Fig.
2>. Durch den Ankerstrom 1g wird der Kondensator C umgeladen und übernimmt die
magnetische Energie der Ankerwicklung und einen kleinen Teil der kinetischen Energie
der als Generator wirkenden Gleichstrommaschine 5, der jedoch in der Energiebilanz
eine wesentliche Rolle spielt. Nach Unterschreiten des Ilaltestromes des Thyristors
T 1 (bzw. T 2) oder des an diesem Vorgang beteiligten Thyristors im Umkehrstromrichter
1 ist der Abschaltvorgang beendet. Vom
Widerstand R 1 wird der
Kondensator C wieder entladen und anschließend von der Ladeeinrichtung 13 über den
Widerstand P 2 auf die Kommutierungsspannung UCo aufgeladen. Da die maximale Kondensatorspannung
Ucmax mit Rücksicht auf die Sperrspannung der Thyristoren einen obercn Wert nicht
überschreiten darf, wird vorteilhaft der Selen-Überspannungsbegrenzer D 5 zum Kondensator
C parallel geschaltet und beteiligt sich somit bei scheren Spannungen an der bneryieaufnahme.
Die in Reihe zu ihm liegende Diode D 4 übernimmt die Spannung UCo In Fig. 2 ist
der Stromverlauf im Selen-Uberspannungsbegrenzer C 5 gestrichelt dargestellt. Die
Beschaltung mit dem Selen-Uberspannungsbegrenzer C 5 und der Diode D 4 wirkt sich
auf die zeitlichen Verläufe der Kondensatorspannung uC und des Kondensatorsstromes
iC wie strichliniert gekennzeichnet aus.
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Es ist deutlich erkennbar, daß die Kondensatorspannung UC auf einen
Wert unterhalb von UCmax begrenzt bleibt.
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Für die Dimensionierung der Sicherheitsschaltung sei die Berechnung
der wichtigsten Betriebsgrößen kurz erläutert. Ausgang punkt sind die Kenngrößen
der Gleichstror:maschine 5, die Maximalwerte für den Generatorstrom 1 und die Generatorspannung
U sowie g g die Kenntnis der Ankerinduktivität L 2. Zu berechnen ist die Größe des
Kommutierungs- und Löschkondensators C sowie seine Anfanysspannung UCo Einschränkende
Bedingungen sind vor allem die Freiwerdezeit t der Stromrichter-Thyristoren und
deren q maximale Sperrspannungsbeanspruchung. Da es sich im Regelfall um Netzfrequenz-Thyristoren
handelt, ist mit einer Freiwerdezeit von tq < 160 µs zu rechnen, d.h. die Zeit
t 1 bis zum sein Nulldurchgang der Kondensatorspannung sollte größer als 200 µs
/.
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Da die Kondensatorspannung während des Löschvorganges über einem Thyristor
des Stromrichtersl anliegt, ist U von der Sperrcmax spannung des Thyristors abzüglich
einer Sicherheitsreserve bestimmt.
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Für den Schwingungsvorgang im Anschluß an die Kommutierung des Generatorstromes
Ig auf den Kondensator C gilt bei Vernachlässigung der ohmschen Widerstände und
unter der Voraussetzung, daß L2 » L1 ist und L1 bei der Berechnung des Löschvorganges
vernachlässigt werden kann, die Differentialgleichung.
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Mit den beiden Anfangsbedingungen für t = 0; ic = Igo und uc = Uco
erhält man als Lösung für den Kondensatorstrom C ic = Igo cos #ot + (Uco + Ug) sin
#ot 12 mit
Der Kondensatorstrom wird maximal bei.
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Die Kondensatorspannung errechnet sich zu:
Ihr Maximalwert liegt bei
Die Zeit tl, bei der die Kondensatorspannung Null wird, läßt sich
mit hinreichender Genauigkeit untcr der vereinfachenden Annahme berechnen, daß der
Spannungsverlauf bis zur Zeit t2 nahezu linear verläuft: tl < t2 Uco Uco + Ug
Die Schaltzeit der Sicherheitsschaltung wird folglich im wesentlichen durch den
Reihenschwingkreis C, L 2 bestimmt und läßt sich bei den üblichen Gleichstromantrieben
unterhalb von 5 ms halten. Sie beträgt im allgemeinen zwischen 2 und 3 mso Die Schaltzeit
ist damit außerordentlich klein verglichen mit den handeleüblichen Gleichstromschnellschaltern.
Die Verwendung von schnellen mechanischen Schaltern ist für Ströme unterhalb von
sob A ohnehin meist unwirtschaftlich.
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Die Aufgabe der Steuerschaltung 16 nach Fig. 3 ist es, den Netz- oder
Phasenausfall möglichst schnell zu erfassen und daraufhin den Thyristor T1 oder
T 2 des zur Kommutierung dienenden Thyristor-Schnellschalters zu zünden.
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Die Steuerschaltung ist eingangsseitig über einen Transformator 23
und einen Gleichrichter 24 an das Netz angeschlossen. An einem Ausgang 25 des Vollweggleichrichters
24 liegt ein Transistor 26, an dessen Emitter Kollektor-Strecke über weitere Schaltelemente
der Ausgang 19 für die Zündimpulssperre liegt und an dessen Kollektor zwei Transistorverstärker
27 und 28 angeschlossen sind, die mit ihren Steuereingängen jeweils mit den Eingängen
18 für die Stromrichtungssignale und mit ihren Kollektorcn mit den Zündimpulsschaltungen
29 und 30 für die Thyristoren Tl und T 2 des Thyristor-Schnellschalters verbunden
sind. Ein weiterer Ausgang 2a des Gleichrichters 24 ist mit dem Bezugspunkt 31 der
Schaltung verbunden.
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Die Netzspannungs-Überwachung registricrt einen Störungsfall r;!it
einer Verzögerungszeit von ca. 2 ms, wenn die Netzspannung einen Wert von etwa 70%
des Nennwertes unterschreitet. Von der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Polarität
der beiden antivalenten StromrichtuncJssignalc hängt es ab, welcher der beiden Thyristoren,
Tl oder T2, gezündet wird. Die Stromrichtungssignale werden von der aus den vorgenannten
Bf3C-Druckschriften bekannten Kreisstromlogik des Stromrichters gesteuert und geben
an, welches Stromrichter-System in Betrieb ist. Die Beschaltung der Thyristoren
der Steuerschaltung 16 ist derart vorgenommen, daß mit dem Zündbefehl für den Thyristor-Schnellschalter
gleichzeitig die Stromrichterzündimpulse des entsprechenden Systemes gesperrt werden;
denn bei einer Zündung nach Kommutierung kann der Stromrichter 1 nicht mehr abgeschaltet
werden, weil der Thyristor-Schnellschalter eine bestimmte Erholungszeit benötigt,
bis er wieder betriebsbereit ist.
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L e e r s e i t e