DE2233152C2 - Kurzschlußschutzschaltung für einen einen Wechselstrommotor speisenden Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine KuiZschlußschutzschaltung für einen einen Wechselstrom speisen- den Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Kurzschlußschutzschaltung ist prinzipiell aus der FR-PS 15 36 642 bekannt Dort ist in Reihe mit dem Gläitungskondensator an Ausgang eines LC-Filters ein auf Erhöhung des Kondensator- Stroms ansprechender Überstromfühler vorgesehen, der beim Ansprechen die gleichzeitige Zündung von mehreren der parallelen Thyristorreihenschaltungen des Wechselrichters bewirkt. Die Thyristorreihenschaltungen enthalten mehrere in Reihe liegende, gleichge- polie steuerbare Thyristoren und sind über induktive Bauelemente dem Glättungskondensator parallelgeschaltet Die bekannte Kurzschlußschutzschaltung hat den Zweck, bei einem Kurzschluß des Gleichstromkreises bzw. einer Thyristorreihenschaltung des Wechsel- richters den Entladestrom des Glättungskondensators auf mehrere Zweije zu verteilen und dadurch jeden einzelnen Thyristor zu entlasten. Der Überstromfühler wirkt außerdem auf einen zwischen der Gleichspannungsquelle und dem LC-Filter vorgesehenen Schalter ein. der den entstandenen Kurzschluß abschaltet.

Will man den Kurzschluß nicht durch einen im Gleichstromkreis vorgesehenen Schalter abschalten, sondern dadurch beseitigen, daß die Thyristoren der aufgrund des erfaßten Uberstroms durchgezündeten Thyristorreihenschaltungen des Wechselrichters durch Kommutieren in den Sperrzustand gebracht werden, ist die Arbeitsweise der bekannten Kurzschlußschutzschaltung nicht ganz zufriedenstellend. Pnzn ist zu erläutern, daß Kurzschlüsse der Thyristorzweige des Wechselrich ters verschiedene Ursachen hnben können. Hierzu gehört das zufällige Verhalten der Thyristorzündschaltungen. So kann beispielsweise in einer Thyristorschaltung mit zwei Thyristoren der zweite Thyristor gezündet werden, bevor der erste Thyristor in den Sperrzustand kommutiert worden ist. Ferner können infolge von Fehlfunktionen des Systems zufällige Signale erzeugt werden, die die Zündung von Thyristoren auslösen, und es besteht auch die Gefahr, daß Rauschsignale fälschlicherweise als Zündsignalc aufge faßt werden. Andererseits können aber duch am Wechselstrommotor auftretende Störungen, beispielsweise ein Teilkurzschluß der Windungen, dazu führen, daß auf der Wechselstromseite ein Überstrom gezogen wird. Dies kann zur Folge haben, daß ein Thyristor, der den Überstrom führt, nicht vollständig in den Sperrzustand kommutiert wird, bevor der andere Thyristor im selben Thyristorzweig gezündet wird. Sollen nun im Falle eines Kurzschlusses die durchgezündeten Thyristoren mit der Energie im Glättungskondensator am

f>o Ausgang des LC-Filters in den Sperrzustand kommutiert werden, versagt die herkömmliche Kurzschlußschutzschaltung zumindest für den Fall, wenn dem Kurzschluß der Thyristorreihenschaltungen ein Überstromzustand auf der Wechselrichterseite vorausgeht.

*"> Durch den Überstromz.ustand kann nämlich der Glättungskondensator bereits so weit entladen werden, daß die zum Zeitpunkt des Kurzschlusses im Kondensator enthaltene Energie nicht mehr ausreicht, um die

Thyristoren durch Kommutierung zu löschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem Stand der Technik nach der FR-PS 15 36 642 eine Kurzschlußschutzschaltung zu schaffen, die nicht nur auf durch Kurzschluß einer der Thynstorreihcnschaltungen verursachte Oberströme, sondern bereits auf Überströme anspricht, die erst später zu einem solchen KurzschSß führen, und bei der die durchgezündeten Thyristoren der kurzgeschlossenen Thyristorreihenschaltungen des Wechselrichters unter Verwendung des Kondensators am Ausgang des LC-Filters in den Sperrzustand kommutiert werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des LC-Filters und die beanspruchte Art und Weise der Stromerfassung durch den Stromfühler ist es möglich, zwischen normalen überhöhten Strömen und solchen Überströmen zu differenzieren, die zu einem anschließenden Kurzschluß von wenigstens einer der Thyristorreihenschaltungen des Wechselrichters führer^ Durch diese Früherkennung eines bevorstehenden Kurzschlusses ist es möglich, die Durchzündung der Thyristorreihenschaltungen bereits zu einem Zeitpunkt vorzunehmen, daß die im Kondensator der letzten LC-Filterstufe gespeicherte Energie ausreicht, um im Anschluß an die Durchzündung die Thyristoren durch Stromkommutierung zu löschen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen beispielshalber erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer dreiphasigen Wechselrichterschaltung mit einer nach der Erfindung ausgebildeten Kurzschlußschutzschaltung und

F i g. 2 ein schematisches Blockschaltbild mit Einzelheiten bezügli .h der Ansteuerung der Thyristorzündschaltungen aufgrund der Feststellung eines Überstromzustandes durch den Stromfühler.

Die Grundeinheiten eines in F i g. 1 dargestellten einstellbaren Wechselstrom-Antriebssystems umfassen eine Gleichstromquelle 11, einen mehrphasigen Wechselrichter 12 .nit variabler Frequenz und Spannung und einen mehrphasigen Wechselstrommotor 13. der vorzugsweise ein Asynchron- oder Induktionsmotor ist. Oie Gleichstromquelle 11 wird zweckmäßigerweise von einer kommerziell zur Verfügung stehenden dreiphasigen Wechselstromquelle versorgt und enthält einen dreiphasigen Vollweg-Gleichiichter. beispielsweise eine Dioden-Gleichrichterbrücke 14 mit sechs in üblicher Weise angeordneten Dioden. Die Vollweg-Diodengleichrichterbrücke 14 liefert eine pulsierende Gleichspannung zwischen Ausgangsklemmen 15' und 16. die durch eine Filtersch,iltung 100 gefiltert und geglättet wird. Die Filterschaltung umfaßt ein Paar in Reihe geschalteter Filterspulen 102 und 104. ein Paar parallel geschalteter Filterkondensatoren 106 und 108 sowie eine Diode 110. Die Filterschaltung 1ÖÖ ist eine mehrstufige LC-Schaltung, die eine erste Stufe aus der Spule 102 und dem Kondensator 106 und eine zweite Stufe aus der Spule 104 und dem Kondensator 108 aufweist. Die erste S'ufe kann als den Ausgangsklemmen 15' und 16 der Vollweg-Gleichrichterbrücke 14 (auch Eingangsklemmen I¹V und 16 der Filterschaltung) benachbart angesehen werden, und die zweite Stufe kann als von den Ausgangsklemmen 15' und 16

(Filtereingangsklemmen) entfernt betrachtet werden. Selbstverständlich kann die Vollweg-Gleichrichterbrükke 14 durch andere äquivalente Gleichstromquellen ersetzt werden, z. B. einen einphasigen Gleichrichter oder eine Batterie. Weiterhin kann die Filterschaltung 100 zusätzliche LC-Stufen aufweisen. Sie besitzt jedoch mindestens die zwei LC-Stufen, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind.

Der Wechselrichter 12 ist als dreiphasige Brürkenschaltung ausgebildet und verwendet eine McMurray-Kommutierung, wie sie beispielsweise in der US-PS 32 07 974 beschrieben ist. Gemäß der Kommutierungsmethode nach McMurray wird ein Hilfsthyristor eingeschaltet, um einen Sperrimpuls eines Kommutierungsstromes zu erzeugen, der den Strom in einem laststromführenden Hauptthyristor auf unter seinen Haltewert absenkt und ihn abschaltet Demzufolge enthält eine erste Hauptphase des Wechselrichters 12 eine Reihenschaltung mit einem la^r* tromführenden Hauptthyristor 20 und einer in Res;"? geschalteten Schutzinduktivität 21 und einer zweiten Schutzinduktivität 2Z die mit einem zweiten laststromführenden Hauptthyristor 23 in Reihe geschaltet ist. kiese Reihenschaltung ist dem Kondensator 108 der letzten LC-Stufe der Filterschaltung parallel geschaltet, um von diesem einen Eingangsgleichstrom aufzunehmen. Die Hauptthyristoren 20 und 23 sind in der gleichen Richtung gepolt und sind vorzugsweise in einer Richtung leitende steuerbare Siliciumgleichrichter. Es können aber auch andere äquivalente steuerbare Gleichrichter verwendet werden. Den Lastklemmen der Hauptthyristoren 20 und 23 sind auf entsprechende Weise Rückkopplungsdioden 24 und 25 direkt anti-parallel geschaltet. Diese Rückkopplungsdioden führen einen überhöhten Kommutierungsstrom während des Kommutierungsintervalls und bilden einen Pfad für einen Blindlaststrom. Der Verbindungspunkt 50 der Schutzinduktivitäten 21 und 22 in der Hauptphase A ist mit einer der im Stern geschalteten Motorwicklungen des Vechselstrommotors 13 verbunden. Die Motorwicklungen könnten auch im Dreieck geschaltet sein. Die Hauptthyristoren 20 und 23 können als Schalter betrachtet werden, die abwechselnd die positive Gleichstromseite 15 des Kondensators 108 unO die negative Gleichstrom-Einspeisungsklemme 16 mit der Motorwicklung verbinden. Die zweite Hauptphase (Phase B) des Wechselrichters 12 enthält eine Reihenschaltung mit laststromführenden Hauptthyristoren 30 und 33 und ihren entsprechenden Schutzin duktivitäten 31 uno 32 sowie die zugehörigen, antiparallcl geschalteten Rückkopplungsdioden 34 und 35. Der Verbindungspunkt 51 der zweiten Hauptphase ist mit einer zweiten Motorwicklung verbunden, während der Verbindungspunkt 52 der dritten Haupt· phase (Phase C) die ähnlich bezeichneten Bauelemente 40 bis 45 umfaßt, die mit der dritten Motorwicklung in Verbindung stehen.

Die Zünd- odc Steuersignale, durch die die Hauptthyristcren in der geeigneten Reihenfolge leitend gemacht werden, um dem Wechselstrommotor 13 eine dreiphasige, stufenförmige Spannung zuzuführen, werden in einer Steuerschaltung 53 erzeugt, die üblich sind. Geeignete verwendbare Steuerschaltungen sind bekannt.

Die Kommutierungsschaltung für die erste Hauptphase enthält eine Reihenschaltung, die direkt zwischen die positive Gleichstrom-Einspcistingsseite 15 des Kondensators 108 und die negative Gleichstromspei-

sungsklemme 16 geschaltet M. Die Schaltung enthalt einen kommulicrenden Hilfsthyrisior 20 Λ der mit zwei Schutzinduktivitäten 26 und 27 sowie einem /weiten kommuticrcnden llilfsthyristor 23A in Reihe geschaltet ist. Der Knotenpunkt 54 /wischen den zwei Schutzinduktivitäten 26 und 27 ist mit einer Kommiilicriingsspu-Ie 28 verbunden, die ihrerseits über einen Kommutierungskondensator 29 mit dem Knotenpunkt 50 in Reihe geschaltet ist.

Die prinzipielle Wirkungsweise der Kommutierungsschaltung ist bekannt.

Kin Wechselrichter der betrachteten Art. bei dem tue Frequenz der Kommutier.ingsschaltungen wesentlich höher sein kann als dio Frequenz der Ausgangsspannung. ist besonders geeignet für eine Verwendung als Wechselrichter mit variabler Frequenz und Spannung in einem Wechselstrom-Antriebssystem mit einstellbarer Drehzahl. Die an die Klemmen des vVecnseisironi-induktionsmotors angelegte Spannung muß als eine Funktion der Frequenz verändert werden, um einen konstanten Fluß in der Maschine beizubehalten. Die Spannung muß bei irgendeiner bestimmten Frequenz innerhalb eines relativ engen Bereiches gehalten werden, um für die richtige Erregung zu so'gen. Dies kann durch eine Zeitvcrhältnisregelung oder Impulsbreitenmodulation innerhalb des Wechselrichters erreicht werden, die zur Spannungsregelung die gleichen Thyristoren verwenden, die zur Frequenzregelung benutzt werden. Die Einzelheiten, wie dies erreicht werden kann, sind in der DE-OS 21 51 588 beschrieben.

Während des Betriebes des Antriebssystems kann ein Überstrom- oder Kurzschlußzustand in jeder der drei Hauptphasenschaltungen oder jeder der drei Kommutierungsphascnschaltungen auftreten, die jeweils vorzugsweise zwei Thyristoren enthalten, die mit indukti ven Bauelementen in Reihe geschaltet sind. Diese können beispielsweise von einem Paar Schutzinduktivitäten gebildet werden, wie sie hier dargestellt sind. Es gibt drei Hauptkategorien von Gründen, die einen möglicherweise zerstörerischen Kurzschlußzustand in dem Wechselrichter 12 erzeugen können, der dem Wechselstrom-lnduktionsmotor 13 elektrische Leistung zuführen soll. Es kann ein Lastüberstrom aufgrund einer gewissen Fehlfunktion in der Last selbst, wie z. B. einer Sättigung des Motors, ein Kurzschluß der Motorleiter oder eine Überlast bestehen. In diesem Fall kann die Höhe des Stromes durch die Hauptthyristoren so sein, daß die Kommutierungsschaltungen die Kommutierung von einem Thyristor nicht richtig herbeiführen kann, bevor der andere Thyristor in der gleichen Schaltung eingeschaltet wird. Rauschprobleme in den Zünd- oder Steuerschaltungen für die Thyristoren können dazu führen, dab Steuersignale falsch oder zeitlich irregulär gesteuert erzeugt werden, oder es können transiente Schwingungen auftreten, die zu irregulären Steuersignalen führen. In diesem Fall kann der in Reihe geschaltete zweite Thyristor angesteuert werden, bevor der erste Thyristor ausgeschaltet ist Ferner kann die Wechselrichterschaltung selbst Spannungen oder Ströme erzeugen, die die Nennwerte der Thyristoren, beispielsweise während des Generatorbetriebes des Motors, überschreiten.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1, in der die Füteririduktivität 104 a!s eine Trennimpedanz zwischen dem Filterkondensator 108 und der ersten Stufe des Filters 100 dient, ordnet eine gleichzeitige Leitfähigkeit der zwei Thyristoren in irgendeiner der Haupt- oder Kommutierungsphasen automatisch die Thyristoren und Schutzindukiivitiiten dieser Schaltung in einem Reihenschwingkreis mit dem Filterkoncleiisator 108 an. Während der ersten llölbwellc der Schwingung des so erzeugten Rcihenschwingkreises wird die Polarität des l'illcrkondensators 108 umgekehrt, und für eine dreiphasige Wechselrichterschiiltung ist der Sperrstrom, der während der zweiten Halbwelle der Schwingung erzeugt wird, nicht wirksam, um die leitenden Reihenthyristoren auszuschalten, da die Rückkopplungsdiodcn in den drei Hauptphasen dann in Durchlaßrichtung vorgespannt sind und drei parallele Pfade für den .Sperrstrom bilden. F.s kann durch mathematische Berechnungen ge/eigt werden, daß (unter der Annahme, daß die Schut/indiiktivitätcn in den parallelen Zweigen der Hauptphasen alle gleich sind) ein Sperrstrom mit ausreichender Amplitude und Pcriodendaucr. um die zwei kurzgeschlossenen Thyristoren auszuscMciiicii. trirctigi wOi'uCTi ΚάΠΓι. WCmPi iiiC effektive Gesamtinduktivitä't bei einem Stromfluß in Riickwärtsrichtung von der .Speiseklemme 16 zur Speiseklemme 15 die Hiilfte der effektiven Ciesamtinduktivität ist. wenn der Strom in Vorwärtsrichtung von der Klemme 15 zur Klemme 16 fließt. In einer Zweiphasen- oder Brückenschalning mit zwei parallel geschalteten Zweigen würde die Schaltung auf dem Schwellwert einer automatischen Ausschaltung der kurzgt.whlossenen Reihenthyrisioren sein, mc könnte aber nicht als betriebssicher betrachtet werden. In einer dreiphasigen Schaltung ist. für einen Kurzschluß in einer ^; Hauptphase, die effektive Gesarniinduktivität bei einem Stromfluß in Rückwärtsrichuirtg nur ein Drittel der effektiven Gesamtinduküwtat. wenn der Stromfluß in der Vorwärtsrichtung fließt, und die zwei kurzgeschlossenen Reihenthyristoren werden nicht ausgeschaltet. Die Situation ist nicht besser, wenn der Kurzschluß in einer der Kommutierungsphasen der Schaltung gemäß Fig. I auftritt.

Eine erfolgreiche Kommutierung der Thyristoren nach einem Kurzschluß kann dadurch erhalten werden, daß der Kurzschlußstrom abgetastet wird und dann alle laststromführenden Thyristoren der Hauptphasen gezündet werden. Wenn somit ein Kurzschlußzustand in einer der Hauptphasen gemäß F i g. I auftritt, wie z. B. der Hauptphase A, werden die Thyristoren in den Hauptphasen B und C gezündet. Wenn eine der Kommutierungsphasen kurzgeschlossen ist, dann werden alle sechs Thyristoren in den Hauptphasen A. B und C gezündet. Auf diese Weise ist die effektive Gesamtinduktivität des Serienschwingkreises mit dem Filterkondensator während der ersten Schwiiig-ungshalbwelle die gleiche, wenn der Strom von der Klemme 15 zur Klemme 16 fließt, wie während der zweiten Schwingungshalbwelle, wenn der Strom in umgekehrter Richtung fließt. Dies sorgt für eine normale Schwingungshaibwelle in den hinzugefügten Phasen, und die Schwierigkeiten mit parallelen Phasen, die nur an einem Teil der Halbwelle beteiligt sind, wie es vorstehend beschrieben wurde, sind vermieden. Ferner wird in bekannter Weise der Kurzschlußstrom wenigstens auf die Serienschaltungen der drei Phasen verteilt und der Strom pro Serienschaltung oder Phase ist verkleinert. Der Serienschwingkreis, der durch den Filterkondensator 108 und die effektive Gesarr.tinduktivität der parallel geschalteten Schutzinduktivitäten in den Hauptphasen gebildet ist ist so ausgewählt daß der Sperrstrom bei Abstimm frequenz für eine ausreichend lange Zeitperiode zugeführt wird, um alle leitenden Thyristoren abzuschalten. Für den Fall, daß das Erfordernis für die

Schutzindiiklmlaten durch zukünftige Entwicklungen entfallt, sollte die effektive Gcsumtinduktivitüt der aus dem Kurzschluß i"esultiercnden Schiillung einen Wert haben, durch den ein Schaltkreis gebildet wird, der mit dem Filterkondensator bei einer Frequenz in Resonanz ist. die den erforderlichen Sperrstrom einspeist, um die Thyristoren abzuschalten.

Wenn ein Kurzschluß auftritt, d. h.. wenn beide Thyristoren von einer der Reihenschaltungen gleichzeitig leitend sind, entsteht als Ergebnis ein Kurzschluß zwischen den Gleiehstromklemmen 15 und 16 mit einem äußerst schnellen .Stromanstieg, da die Induktivität der Spulen in den Reihenschaltungen relativ klein ist. Der in den gleichzeitig leitenden Thyristoren in der kurzgeschlossenen Reihenschaltung fließende Strom stammt hauptsächlich von einer schnellen Entladung des Filterk"iulcnsators 108. wobei die Spule 104 genügend iffuiiKtiviiüt iiuiweisi, um ueii Koi.wciisaioi iOS von uet Gleichstromquelle Il und der ersten Stufe des !.('■Filters 100 im wesentlichen zti trennen. Unter diesen Bedingungen besteht ein geeigneter Weg, um das Auftreten des Kurzschlusses abzutasten, dann, die große Änderung des zwischen den Klemmen 15 und 16 durch den Kondensator 108 fließenden Stromes festzustellen. Diese Stromabtastung wird durch einen Stromfühler oHer eine Detc!-:;orvorrichtung durchgeführt, die einen Stromwandler 60 aufweist, dessen Primärwicklung mit einer geeigneten Schaltung 61 in Verbindung steht, die feststellt, wann der abgetastete Strom ..inen vorbestimmten Wert überschreitet. Selbstverständlich tastet der Stromwandler 60 auch jeden Strom ab, der zwischen den Knotenpunkten 16 und 15" durch den Kondensator 106 fließt. Wie jedoch vorstehend angegeben wurde, hat die Spule 104 unter Kurzschlußbedingungen eine ausreichende Induktivität, um den Kondensator 106 von der Wirkung des Kurzschlusses im wesentlichen abzutrennen. Demzufolge ist der Strom durch den Kondensator 106 vernachlässigbar, und es kann angenommen werden, daß der Stromwandler 60 nur den kapazitiven Strom in der letzten LC-Stufe abtastet.

Der Strom für die Kommutierungsphasen des Wechselrichters 12 während des Kommutierungsintervalls stammt teilweise aus dci Entladung des Filterkondensators 108. Der Stromwert jedoch, der zur Kommutierung erforderlich ist, ist nicht so hoch, wie er während eines Kurzschlusses auftritt. Die Höhe des durch die Detektorschaltung 61 festgestellten Stromes, die einen Überstromzustand darstellt, ist genügend hoch eingestellt, so daß ein Überstromsignal von der Detektorschaltung 61 während eires normalen Betriebes des Wechselrichters 12 nicht erzeugt werden kann. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung speist die Ausgangsgröße der Detektorschaltung 61 eine Schaltung 62, die den Thyristor-Steuerschaltungen den Befehl gibt, allen sechs Hauptthyristoren gleichzeitig Zündsignale zuzuführen und dann weitere Zündsignale zu verhindern. Nach einer Korrektur des Überstromzustandes werden dann alle Hauptthyristoren 20, 23, 30, 33, 40 und 43 abgeschaltet, um den Wechselrichter vollständig außer Betrieb zu setzen. Die Detektorschaltung 61 erregt auch eine Schaltung 63, die den Steuerschaltungen 55 für die Kommutierungsthyristoren den Befehl gibt, weitere Zündsignale zurückzuhalten.

Es sei nun angenommen, daß solche Lastbedingungen entstehen, daß von dem Wechselrichter 12 ein Lastüberstrom gezogen wird. Ein derartiger Lastüber-

strom kann beispielsweise durch einen Tcilkurzschltiß der Motorwicklungen erzeugl werden. Kalis die .Schulzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht wirksam wäre, würde eine typische Folge eines

■' derartigen Überslromzustandes eine graduelle Absenkung der Spannung am Kondensator 108 der Filterschaltung 100 sein. Aufgrund der abgesenkten Spannung am Kondensator 108 zusammen mit dem erhöhten Laststrom könnte eine normale Kommutierung der leitenden Thyristoren unmöglich sein. In einem solchen Falle würde dann der zweite Reihenthyristor gezündet, während der erste Reihenthyristor noch leitend ist. so daß ein Kurzschluß erzeugt wird. Da jedoch die Spannung am Kondensator 108 aufgrund des l.astüher-

• stromes abgefallen ist, kann eine Kurzschliißkomimitierung durch Zündung aller laststromführenden Thyristoren, wie es oben angegeben wurde, zu diesem Zeitpunkt eueiiians liiiiiiügiicn scm. Lint ucn vvcCnSOii'icntCr in dieser Situation außer Betrieb zu setzen, hätte erkannt werden müssen, daß als Folge des l.astüber..tromes wahrscheinlich ein Kurzschluß auftritt, und die Thyristoren hätten gezündet werden müssen, bevor ,lic Spannung am Kondensator auf ein wesentliches Maß abgesenkt wordei. ist.

Die bisherigen Stromfühler oder Detektormktel tasten lediglich den kapazitiven Strom des Kondensators am Ausgang einer LC-Filterschaltung ab. und alle Hauptthyristoren eines Wechselrichters werden gezündet, wenn der abgetastete Strom eine vorbestimmte Höhe überschreitet. Eine derartige Vorrichtung funktioniert in der oben beschriebenen Weise in bezug auf eine reine Kurzschlußsituation. F.ine derartige Lösung ist nicht völlig zufriedenstellend, wenn der Fehler des Antriebssystems in der Last bzw. dem Wechselstrommotor auftritt und der Kurzschluß lediglich eine verzögerte Folge einer Lastüberstromsituation ist. Entlädt sich nämlich der Kondensator am Ausgang der Filterschaltung langsam, kann der erfaßte kapazitive Stromfluß unzureichend sein, um die Existenz eines fehlerhaften Zustandes anzuzeigen, wobei ein großer Teil des überhöhten Laststromes dem Kondensator durch die Gleichstromquelle zugeführt wird. Unter solchen Umständen würde die ideale Lösung darin bestehen, den gesamten Stromfluß zum Wechselrichter abzutasten und alle Hauptlastthyristoren zu zünden, wenn der gesamte Stromfluß einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Durch Verwendung wenigstens einer zweistufigen LC-Schaltung zwischen dem Diodengleichrichter 14 und dem Wechselrichter 12 und durch Abtastung des gesamten Stromflusses in den Kondensatoren von wenigstens den letzten zwei Stufen kann eine enge Annäherung an den gesamten Stromfluß in den Wechselrichter erhalten werden, und zwar sogar dort, wo nur eine graduelle Änderung oder sogar gar keine Änderung in der Spannung des Kondensators der letzten Filterstufe auftritt. Demzufolge tastet der Stromwandler 60, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, den gesamten Stromfluß in beiden Kondensatoren 106 und 108 der dargestellten zweistufigen Filterschaltung ab. Unter reinen Kurzschlußbedingungen spricht der Stromwandler 60, wie es vorstehend bereits erläutert wurde, nur auf den schnellen Entladestrom durch den Kondensator 108 an. Unter Überstrombedingungen. die erst zu einem Kurzschluß führen, spricht der Stromwandler 60 jedoch auf den Strom in dem Kondensator 106 und ebenso den Strom des Kondensators 108 an. Wenn der gesamte abgetastete Strom die vorbestimmte

Höhe erreicht, wird durch die Detektorschaltung 61 ein ilbcrstromsignal erzeugt, damit die Schaltung 62 alle sechs HiUipttliyristoren gleichzeitig zündet. Die Schaltung 63 ist dann in dem Sinne wirksam, daß sie die {Erzeugung weiterer Zündsignale zu den Haupt- und Kommutierungsthyristoren verhindert. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Mittel zur Abtastung wenigstens einer dichten Annäherung an den gesamten Stromfliiß in den Wechselrichter vorgesehen sind, so daß beginnende Kurzschlüsse vorausgesehen und korrigierende Maßnahmen in zeitlich gesteuerter Weise vorgenommen werden können. Es wurde gefunden, daß eine derartige enge Annäherung mit dem bekannten Stand der Technik nicht erhalten werden kann, wonach nur der Strom in einem einzigen Kondensator der Filterschaltung abgelastet wird.

Pakclbildung keinen Einfluß auf den Gesamtbetrieb der Filtcrschaltung und die Kurzschluß-Schutzeinrichtung hat. Da der Kondensator 108 mit der Gesamtinduktivität der Thyristorrcihenschaltungcn schwingen muß. sollte dieser nicht polarisiert sein. Der viel größere Kondensator 106 jedoch kann von der relativ weniger teueren polarisierten Bauart sein.

In der vorstehenden Beschreibung wurde ausgeführt, daß die Schaltung 63 die Anlegung weiterer Zündsignale verhindert, nachdem der Wechselrichter 12 durch gleichzeitige Zündung aller Hauptthyristoren mittels der Schaltung 62 außer Betrieb gesetzt \s orden ist. Der Vorteil der vollständigen Außerbetriebsetzung des Wechselrichters 12 nach dem Wirksamwerden des Schutzsystems besteht darin, daß der Operateir gewarnt ist. daß eine gewisse zugrunde liegende Ursache des falschen Betriebes oder der Fehlfunktion

des chirgCStCÜiCn ¹Jrid bevorzugten bsSichcn kann, dl? mnolirhprwpko knrripiort wprdrn

Ausführungsbcispiels der Erfindung hat verschiedene wichtige Funktionen. Neben ihrer Aufgabe in bezug auf einen Kurzschlußschutz hat sie die Neigung, die Welligkeit der Gleichspannung zu verringern, die anderenfalls während eines normalen Betriebs des Wechselrichters vorhanden sein würde, indem sie die Spannung am Kondensator 108 auf derjenigen des viel größeren Kondensators 106 hält. Die Diode HO verhindert auch die Entwicklung einer ungedämpften Schwingung in dem geschlossenen Kreis aus der Spule 104 und den Kondensatoren 106 und 108. indem sie die Spule 104 kurzschließt. Während eines Kurzschlusses bildet die Diode 110 einen Spannungsschutz für den Kondensator 108 und die Wechselrichterbauteile, indem sie die Spannung auf dem Kondensator 108 auf derjenigen des größeren Kondensators 106 hält.

Wie bereits angegeben wurde, hat der Kondensator 108 vorzugsweise eine viel kleinere Kapazität als der Kondensator 106. Auch die Spule 104. die genügend groß ist. um den Kondensator 108 wähn-nd einer Kurzschlußkonimutierung vom Rest der Gleichstromquelle 11 abzutrennen, ist viel kleiner als die Induktivität 102 der ersten Filterst_:'c. Es wurde beispielsweise gefunden, daß die Kapazität des Kondensators 106 zehn- bis zwanzigmal größer als die Kapazität des Kondensators 108 sein sollte. In ähnlicher Weise sollte die Induktivität der Spule 102 fünf- bis fünfzehnmal so groß sein wie diejenige der Spule 104. Beispielsweise wurde es in einem Antriebssystem, das einen Motor in dem Leistungsbereich von 35 bis 50 PS verwendet, für wünschenswert befunden, daß die Filterbauteile etwa die folgenden Nenndaten aufweisen:

Kondensator 106	12 60OmF
Kondensator 108	775 mF
Spule 102	0,8 mH
Spule 104	0,1 mH

Es ist ferner in einigen Anwendungsfällen vorzuziehen, daß die Kondensatoren als eine Reihe paralleler Kondensatoren zusammengefaßt sind, die jeweils zu einer entsprechenden Phase des Wechselrichters 12 gehören. Selbstverständlich ist klar, daß eine derartige

muß. Wenn nach einer erneuten Inbetriebsetzung des Wechselrichters 12 nachfolgende Kurzschlüsse einmal oder zweimal wieder auftreten, wird deutlich, daß korrigierende Maßnahmen erforderlich sind. Es ist zwar möglich, den Wechselrichter 12 automatisch wieder in Betrieb zu setzen nach einer Kommutierung aller Hauptthyristoren, um einen Kurzschlußzustand zu heilen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Kurzschluß-Schutzschaltung nicht wieder arbeitet, bis der Filterkondensator wieder auf seine normale Polarität aufgeladen worden ist. Auf jeden Fall ist die wesentliche Wirkung der hier beschriebenen Kurzschlußschutzschaltung die gleiche, unabhängig davon, ob nun eine vollständige Ausschaltung nach einem Kurzschluß oder eine automatische Wiederinbetriebsetzung erfolgt, außer daß es nicht erforderlich sein wird, weitere Zündsignale zu den Hauptthyristoren und Kommutierungsthyristoren zu verhindern (siehe Schaltungen 62 und 63).

Vorzugsweise ist die Funktion der Schaltungen 62 und 63 in Logikschaltungen enthalten, die normalerweise die Zeitsteuerung und Sequenz der Erzeugung der Zündsignale für die Kommutierungs- und Hauptthyristoren bestimmen. Dies ist in Fig. 2 diagrammatisch dargestellt, insoweit es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich gehalten wird. Die Steuerlogik für die Kommutierungsphasen ist durch die Blöcke 64—66 dargestellt, während die Steuerlogik für die Hauptphasen durch die Blöcke 67—69 angegeben ist. Der Betrieb dieser Logikschaltungen wird normalerweise durch die Zündverteilerlogik bestimmt, die allgemein durch den Block 70 dargestellt ist und die an ihren hier nicht dargestellten Eingängen die erforderliche Information erhält, um den dreiphasigen Motor 13 bei der gewünschten Drehzahl zu betreiben. Der Kurzschluß-Stromschutz durch die Logikschaltung 61 ist ebenfalls eine Eingangsgröße in diese steuernden Logikschaltungen 64—69. Insoweit die Funktion der Kurzschluß-Schutzschaltung es auch umfaßt, den Motor 13 zum Stillstand zu bringen, ist die Schaltung 61 auch mit einer Stari-Stop-Logikschakuiig 7! verbunden, Hip zum Anlauf und Abbremsen des footer; ua normalen Betrieb verwendet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. KurzsehluBschutzschaltung für einen einen Wechselstrommotor speisenden Wechselrichter, der über ein LC-Filter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, mit einem Oberstromfühler, der beim Ansprechen auf einen durch den am Ausgang des LC-Filters vorgesehenen Kondensator fließenden Oberstrom die gleichzeitige Zündung von mehreren der dem Kondensator parallelgeschalteten Thyristorreihenschaltungen des Wechselrichters bewirkt, die jeweils induktive Bauelemente und mehrere gleichgepolte steuerbare Thyristoren aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das LC Filter (100) mehrere LC-Filterstufen (102, 106; 104,108) aufweist und der Oberstromfühler (60) auf den durch die Kondensatoren (106, 108) der ueiden letzten Lc-Filterstufen fließenden Strom anspricht und daß der am Ausgang des LC-Rhers (100) vorgesehene Kondensator (108) der letzten LC-FiI-terstufe (104, 108) in bezug auf die wirksame Induktivität des Wechselrichters (12) so bemessen Ist. daß im Anschluß an die durch den ansprechenden Überstromfühler (60) ausgeloste gleichzeitige Zündung der Thyristorreihenschaltungen die aus diesem Kondensator (108) und der wirksamen Induktivität des Wechselrichters (12) geoildete Reihenresonanzschaltung die Thyristoren aller durchgezündeten Thyristorre htnschaltungen des Wechselrichters in den gesperrten Zustand kommutiert.

2. Kurzschlußschutzschaltung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet daß ciie LC-Filterstufen (102,106; 104,108) in Richtung von der Gleichspannungsquelle auf den Wechselrichter stufenweise abnehmende Induktivitäten und Kapazitäten aufweisen.

3. Kurzschlußschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Induktivität (104) der letzten LC Filterstufe (104,108) eine Diode (110) mit einer der normalen Stromflußrichtung entgegengesetzten Polarität parallelgeschaltet ist.

4. Kurzschlußschutzschaltung nach einem der Vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (104) der letzten LC-Filterstufe (104, 108) so bemessen ist. daß sie bei einem Kurzschluß von einem der Thyristorreihenschaltungen des Wechselrichters (12) eine wirksame Trennung zwischen dem Kondensator (108) der letzten LC-Filterstufe und dem Kondensator (106) der vorletzten LC-Filterstufe vorsieht.

5. Kurzschlußschutzschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Stromfühler (60) Sperrschaltungen (62, 63) verbunden sind, die bei einem Überstrom im Anschluß an die gleichzeitige Zündung der Thyristorreihenschaltungen die Zufuhr von weiteren Zündsignalen zu den Thyristoren (20, 2OA 23, 23A 30, 30A 33,33A 40,40A 43,43A)verhindern.

6. Kurzschlußschutzschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Bauelemente der Thyristorrcihenschaltungen des Wechselrichters im wesentlichen die gleiche Induktivität besitzen.

7. Kurzschlußschutzschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstromfühler (60) ein Stromwandler ist, der in eine den Kondensatoren (106, 108) der beiden letzten LC-Filterstufen gemeinsame Leitung geschaltet ist