DE4344093C1 - Schaltungsanordnung zum Schutz der Halbleiterschalter beim Kippen einer Energie in ein Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke in einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs aufgeführten Merkmalen nach Patent P 43 22 379.

Die Schaltungsanordnung nach dem Hauptpatent ist im Prinzipschaltbild der Fig. 2 der Zeichnung dargestellt.

Dabei ist ein über ein Funkentstörfilter 3, Eingangssicherungen 14 und Kommutierungsdrosseln 4 an ein dreiphasiges Netz L1, L2, L3 angeschlossener Netzstromrichter und ein Zwischenkreis eines Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters, der im Vierquadrantenbetrieb arbeiten soll, gezeigt. Der netzgeführte Stromrichter besteht aus einer sechspulsigen, aus Thyristoren aufgebauten Netzstromrichterbrücke 1 zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators 9 mit einer Zwischenkreisspannung Ud und einer zweiten ihr antiparallelgeschalteten, ebenfalls aus Thyristoren bestehenden Netzstromrichterbrücke 2 zum Entladen des Zwischenkreiskondensators 9. Die Netzstromrichterbrücken 1, 2 werden im kreisstromfreien Betrieb angesteuert.

Der Funkentstörfilter 3 zwischen dem Netz L1, L2, L3 und den Klemmen des Netzstromrichters verhindert Rückwirkungen über die netzgeführten Stromrichterbrücken 1, 2, den Gleichspannungszwischenkreis und einen (nicht gezeigten) an den Zwischenkreiskondensator 9 mit seiner Spannung U_D angeschlossenen Pulswechselrichter (der mit einer ebenfalls nicht gezeigten Last, d. h. im allgemeinen einem Motor verbunden ist) auf das speisende Netz L1, L2, L3. Die im Funkentstörfilter 3 enthaltenen Kombinationen aus Drosselspulen und Kondensatoren wirken beim Ausfall der Netzspannung beim Betrieb der Energie aus dem Zwischenkreis in das Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke 2 als spannungsanhebender Energiespeicher.

Ein Gleichstromwandler 5 erfaßt einen je nach Richtung im Zwischenkreis mit I_dG bzw. I_dM bezeichneten Strom über die zwischenkreisseitigen Klemmen der Netzstromrichterbrücken 1, 2 und führt eine dementsprechende Größe I_dG′ einer (in Fig. 2 nicht gezeigten) Steuerungslogik eines Kippschutzes zur Auswertung zu.

Der Kippschutz selbst besteht in seinem Leistungsteil aus einem Kurzschlußthyristor 6 und einer Entlastungsdiode 8. Letztere soll verhindern, daß eine Abmagnetisierung von Zwischenkreisdrosseln 7 nur über (nicht dargestellte) Freilaufdioden eines angeschlossenen selbstgeführten Stromrichters (Pulswechselrichters) erfolgt.

Wenn nämlich lediglich dieser selbstgeführte Stromrichter aus IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)-Elementen gebildet ist, sind lediglich in den IGBTs integrierte Freilaufdioden vorhanden. Diese integrierten Freilaufdioden sind jedoch vom Abschaltintegral nicht für beim Kurzschluß auftretende Stoßströme dimensioniert.

Sind dagegen Freilaufdioden beim selbstgeführten Stromrichter (Pulswechselrichter) am Anschluß des Zwischenkreiskondensators vorhanden, die hohe Kurzschlußströme führen können, kann auf die Entlastungsdiode 8 eventuell verzichtet werden.

Der Kurzschlußthyristor 6 wird immer dann durch ein Zündsignal Z gezündet, wenn der durch den Gleichspannungswandler 5 erfaßte Strom eine bestimmte Stromamplitude überschreitet oder die Spannungsamplitude unzulässige Werte erreicht. Das Zündsignal Z wird dabei über einen Ansteuerverstärker 13 für den Kurzschlußthyristor 6 geführt. Für die Erfassung der Netzspannung bzw. von Überspannungen am Eingang des Netzstromrichters ist ein Netztransformator 10 mit nachgeschalteter Gleichrichterbrücke 11 vorgesehen. Am Ausgang der Gleichrichterbrücke 11 liegt ein Glättungskondensator 12, der eine der Netzspannung proportionale Größe U_GNetz Steuerungslogik des Kippschutzes bereitstellt.

Durch die Zündung des Kurzschlußthyristors 6 beim Überschreiten eines bestimmten Pegels der Spannungsamplitude am netzseitigen Eingang der Netzstromrichterbrücken oder der Stromamplitude des über die zwischenkreisseitigen Klemmen der Netzstromrichterbrücken fließenden Gleichstromes wird die durch den Zwischenkreiskondensator 9 vorgegebene Zwischenkreisspannung U_D über die Zwischenkreisdrosseln 7 kurzgeschlossen. Der Kurzschlußthyristor 6 ist dabei so dimensioniert, daß er die gespeicherte Zwischenkreisenergie kurzzeitig übernehmen kann. Der beim Zünden des Kurzschlußthyristors 6 entstehende Schwingkreis, gebildet aus dem Zwischenkreiskondensator 9 und den Zwischenkreisdrosseln 7, speichert die Energie nach einer Stromhalbwelle in den Zwischenkreisdrosseln 7. Die Zwischenkreisdrosseln 7 werden wie erwähnt anschließend über die Entlastungsdiode 8 (oder die Freilaufdioden beim nicht gezeigten, an den Zwischenkreiskondensator 9 angeschlossenen, selbstgeführten Stromrichter) abmagnetisiert.

Der gezündete Kurzschlußthyristor 6 soll beim Kippen der netzgeführten, die Energie aus dem Zwischenkreis in das Netz speisenden, Stromrichterbrücke 2 die Energie des Zwischenkreiskondensators 9 so gezielt ableiten, daß die Eingangssicherungen 14 nicht ansprechen. Außerdem wird verhindert, daß bei einer Abschaltung der Netzspannung durch den als Energiespeicher wirkenden Funkentstörfilter 3 und gleichzeitigem Betrieb der Netzstromrichterbrücke 2 durch Überspannungen Halbleiterbauelemente zerstört werden.

Beim Betrieb der Energie aus dem Netz ziehenden Netzstromrichterbrücke 1 können nun aber durch externe Schalthandlungen im speisenden Netz L1, L2, L3 ungewollte Spannungsspitzen auftreten, die über die Erkennung für die Netzspannungsamplitude der Steuerlogik des Kippschutzes den Kurzschlußthyristor 6 ansteuern und somit durch einen ausgangsseitigen Kurzschluß der netzgeführten Stromrichterbrücke 1 die Eingangssicherungen 14 ansprechen lassen.

Durch Holtz, J.: "Beanspruchungen in Frequenzumrichtern mit ungesteuerter Einspeiseschaltung im stationären Betrieb und beim Auftreten impulsförmiger Netzüberspannungen" In: "etz-Archiv" Band 11 (1989) Heft 6, Seiten 169 bis 178 ist eine Schutzvorrichtung für die Ventile eines Pulswechselrichters in einem Frequenzumrichter mit einer ungesteuerten Einspeiseschaltung in Form einer dreiphasigen Diodenbrücke bekannt. Die Schutzeinrichtung schließt die gleichspannungsseitigen Klemmen der Diodenbrücke durch einen Schutzthyristor kurz, wenn eine impulsförmige Netzüberspannung auftritt. Damit und durch zusätzliches Abschmelzen von der Diodenbrücke vorgeschalteten Netzsicherungen wird verhindert, daß weitere Energie aus dem Netz in einen der Diodenbrücke nachgeschalteten Stützkondensator gespeist wird. Insbesondere wird aber auch erreicht, daß die am Stützkondensator auftretende, für die Ventile des nachgeschalteten Pulswechselrichters gefährliche Überspannung schnell abgebaut wird. Eine dem Stützkondensator parallel und entgegengesetzt zur betriebsmäßigen Polarität gerichtete Diode verhindert im Lauf nachfolgender Schwingungsvorgänge in einem durch eine im Gleichstromkreis liegende Glättungsdrossel und den Stützkondensator gebildeten Schwingkreis die Ausbildung negativer Spannungen am Stützkondensator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs angegebenen Schaltungsanordnung zu verhindern, daß beim Betrieb der Energie aus dem Netz ziehenden Stromrichterbrücke und gleichzeitig auftretenden Überspannungsspitzen im Netz die Eingangssicherungen unnötig ansprechen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Betriebssicherheit des netzgeführten Stromrichters ist damit vorteilhafterweise erhöht, da der Kippschutz nur noch gezielt dann anspricht, wenn es nötig ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Fig. 1 der Zeichnung im Prinzip dargestellten Ausführungsbeispiels für die Steuerlogik des Kippschutzes erläutert werden:

Den Eingängen eines Spannungskomparators 15 wird zum einen über einen Eingangswiderstand 21 die der gleichgerichteten Netzspannung entsprechende Größe U_GNetz zugeführt und zum anderen über Spannungsteilerwiderstände 22, 23 eine der Netzüberspanungsgrenze entsprechende Referenzspannung eingegeben. Wird der durch die Referenzspannung bestimmte Spannungspegel durch die Größe U_GNetz überschritten, meldet der Ausgang A_U des Spannungskomparators 15 ein H-Signal, das über eine erste monostabile Kippstufe 17 mit definierter Impulslänge einem UND-Glied 19 zugeführt wird. Das UND-Glied 19 gibt dieses Eingangssignal zwecks Zündung des Kurzschlußthyristors 6 (Fig. 2) an ein ODER-Glied 20 nur dann weiter, wenn die generatorische, also Energie in das Netz L1, L2, L3 aus dem Zwischenkreis zurückspeisende Netzstromrichterbrücke 2 in Betrieb ist, was durch ein dem UND-Glied 19 ebenfalls zugeführtes Signal GEN angezeigt wird. Damit wird ein Zünden des Kurzschlußthyristors 6 durch ein Signal Z am Ausgang des ODER-Glieds 20 beim Betrieb der motorischen, also Energie aus dem Netz L1, L2, L3 ziehenden Netzstromrichterbrücke 1 verhindert, da das Signal GEN bei deren Betrieb nicht auftritt.

Parallel zum Spannungskomparator 15 arbeitet ein Stromkomparator 16, an dessen einen Eingang über eine Entkopplungsdiode 27 zur Erkennung des generatorischen Zwischenkreisstromes, also eines Stromes I_dG über die zwischenkreisseitigen Klemmen der Energie in das Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke 2 und einen Eingangswiderstand 24 das vom Stromwandler 5 gelieferte Signal I_dG′ gelegt wird. Über zwei weitere Teilerwiderstände 25, 26 wird dem anderen Eingang des Stromkomparators 16 ein die Überstromgrenze, bei der der Kippschutz ansprechen soll, entsprechendes Referenzsignal zugeführt. Das Ausgangssignal am Ausgang A_I des Stromkomparators 16, das abgegeben wird, wenn die dem generatorischen Zwischenkreisstrom entsprechende Größe I_dG′ das Referenzsignal überschreitet, ist Eingangsgröße einer zweiten monostabilen Kippstufe 18 mit ebenfalls definierter Impulslänge. Der Ausgang dieser zweiten monostabilen Kippstufe 18 ist ebenfalls an das ODER-Glied 20 zur Abgabe des Zündsignals Z für den Kurzschlußthyristor 6 angeschlossen.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz der Halbleiterschalter beim Kippen einer netzgeführten, Energie in das Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke, die kreisstromfrei mit einer zweiten, ihr antiparallel geschalteten, netzgeführten Energie aus dem Netz ziehenden Netzstromrichterbrücke in einem im Vierquadrantenbetrieb arbeitenden Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter betrieben wird, bei dem ein an den Klemmen eines lastseitigen, selbstgeführten Stromrichters liegender Zwischenkreiskondensator über zumindest eine Zwischenkreisdrossel an die zwei Netzstromrichterbrücken angeschlossen ist und der zwischenkreisseitige Ausgang der beiden Netzstromrichterbrücken durch einen bei einer Netzüberspannung und/oder bei einem über die zwischenkreisseitigen Klemmen der Netzstromrichterbrücken fließenden Überstrom durchschaltenden Kurzschlußthyristor überbrückt ist und parallel zu deren Zwischenkreiskondensator eine entgegengesetzt zur betriebsmäßigen Polarität des Zwischenkreiskondensators gerichtete Entlastungsdiode geschaltet ist nach Patent P 43 22 379, dadurch gekennzeichnet,

   • - daß bei durch netzseitige Eingangssicherungen (14) geschützten Netzstromrichterbrücken (1, 2) die gleichgerichtete Netzspannung (U_GNETZ) dem einen Eingang eines ausgangsseitig an eine erste monostabile Kippstufe (17) angeschlossenen Spannungskomparators (15) zugeführt ist, an dessen anderem Eingang eine der Netzüberspannungsgrenze entsprechende Referenzspannung liegt,
   • - daß die erste monostabile Kippstufe (17) ausgangsseitig mit einem Eingang eines UND-Gliedes (19) verbunden ist, dessen zweitem Eingang ein den Betrieb der Energie in das Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke (2) anzeigendes Signal (GEN) zugeführt ist,
   • - daß einem Eingang eines Stromkomparators (16) ein Signal (I_dG′) entsprechend dem Strom, der über die zwischenkreisseitigen Klemmen der Energie in das Netz zurückspeisenden Netzstromrichterbrücke (2) fließt, und dem anderen Eingang des Stromkomparators (16) ein die Überstromgrenze repräsentierendes Referenzsignal zugeführt sind und
   • - daß der Ausgang des Stromkomparators (16) an den Eingang einer zweiten monostabilen Kippstufe (18) geschaltet ist, deren Ausgang ebenso wie der Ausgang des UND-Gliedes (19) an ein den Kurzschlußthyristor (6) zündendes ODER-Glied (20) gelegt sind.