DE69326936T2

DE69326936T2 - Wandlervorrichtung

Info

Publication number: DE69326936T2
Application number: DE69326936T
Authority: DE
Inventors: Nagataka Seki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-16
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: JP3160414B2; JPH06276756A; EP0616416A1; CA2106504C; CA2106504A1; EP0616416B1; US5355298A; DE69326936D1

Description

BEZEICHNUNG DER ERFINDUNG

WANDLERVORRICHTUNG

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlervorrichtung, welche Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen (unten als HSDs abgekürzt) verwendet, welche zwei Funktionen, Einrast-Betrieb und Nicht- Einrastbetrieb, besitzt.

Beschreibung des Standes der Technik

Energievorrichtungen, die herkömmlicherweise in Wandlervorrichtungen verwendet werden, um Gleichstromleistung in Wechselstromleistung in Gleichstromleistung, Wechselstromleistung in Wechselstromleistung mit einer unterschiedlichen Frequenz, oder Gleichstromleistung in Gleichstromleistung mit einer unterschiedlichen Spannung zu wandeln, weisen Gate- Abschalt(GTO)-Thyristoren (unten GTOs genannt) und Transistoren auf. Ein GTO ist eine Einrast-Vorrichtung, was bedeutet, daß, wenn einmal der GTO in einen EIN-Zustand durch Anwenden eines Signales auf sein Gate gebracht worden ist, ein Anodenstrom weiterfließt, selbst wenn das Gatesignal auf "0" geschaltet wird.
Auf der anderen Seite leitet ein Transistor, wenn ein Basissignal zugeführt wird, doch der Kollektorstrom wird "0", wenn das Basissignal entfernt wird. Eine Vorrichtung wie diese wird hier als Nicht- Einrast-Vorrichtung bezeichnet werden.
GTOs werden allgemein als Hochspannungs-, Hoch- Strom-Halbleitervorrichtungen verwendet, deren Einschaltspannung vergleichsweise gering ist. Da jedoch eine Aufheizung aufgrund von Strom bzw. eine Stromfilamentation auftritt, wenn sie AUS-geschaltet sind, ist ihre Widerstandsfähigkeit gegen Betriebsstörung gering und große Bedämpfungsschaltungen sind notwendig. Auch ist ihre Schaltgeschwindigkeit nicht schnell.
Im Gegensatz hierzu unterliegt ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (unten IGBT genannt) keiner Betriebsstörung, da keine Stromfilamentation auftritt, und seine Schaltgeschwindigkeit ist schnell, doch ist er für Hochspannungs-Anwendungen nicht geeignet. Bei der Entwicklung von Vorrichtungen mit schnellen Schaltgeschwindigkeiten bei hoher Spannung sind Fortschritte erzielt worden, und ein Kandidat ist eine Vorrichtung, für die die Vorstellung besteht, daß, wenn die Vorrichtung sich in dem EIN-Zustand befindet, ihre Struktur auf Einrasten gestellt wird, um so Leitungsverluste zu verringern, und daß unmittelbar vor einem Abschalten die Vorrichtungsstruktur in ein Nicht-Einrasten überführt wird, um so eine Stromfilamentation zu verhindern. Ein spezielles Beispiel ist die in der japanischen Offenlegungs schrift Nr. 64-758 gezeigte Vorrichtung.
Ein Beispiel einer herkömmlichen Wandlervorrichtung, die GTO-Einrastvorrichtungen verwendet, ist in der EP-B 0 105 510 offenbart. Eine typische Vorrichtung ist in Fig. 8 gezeigt. In der Figur ist 1 eine Gleichstrom-Leistungsquelle, 2P und 2 N sind Gleichstrom-Schutzschalter, 3 ist eine Gleichstromreaktanz, 4 ist eine Gleichstromkapazität, 5 ist eine Reaktanz, 6 ist eine Diode, 7 und 8 sind Gleichstrom-Busse, 11, 12, 13, 14, 15 und 16 sind GTOs, 17, 18, 19, 20, 21 und 22 sind Rückkopplungsdioden und 25U, 25 V und 25 W sind Wechselstrom-Schutzschalter. Diese Schaltung wird allgemein verwendet und ist als ah-Wechselrichter bekannt und es sind, obwohl nicht gezeigt, Bedämpfungsschaltungen und Gate-Schaltungen etc. erforderlich, doch wird eine Beschreibung des Betriebes dieser Schaltung hier unterlassen werden.
Falls durch einen nicht korrekten Betrieb die GTOs 11 und 12 gleichzeitig EIN sind, werden die Gleichstrom-Busse 7 und 8 kurzgeschlossen, und so geht die Ladung der Gleichstromkapazität 4 zuerst durch die Reaktanz 5 in die GTOs 11 und 12, und anschließend geht der Strom aus der Gleichstrom-Leistungsquelle 1 über die Gleichstromreaktanz 3 und Gleichstromreaktanz 5 in die GTOs 11 und 12.
Ein Überstromschutz der Vorrichtungen in einer Schaltung wie dieser ist vorgesehen, indem Elemente, für gewöhnlich Reaktanzen oder Sicherungen, eingeschlossen werden, die den absoluten Wert des Stromes unterhalb der Stoßstrom-Widerstandsfähigkeit begrenzen, der von den Vorrichtungen selbst widerstanden werden kann. Bei dem Fall eines GTO zum Beispiel, bei dem der Abschaltstrom 1000 A beträgt, beträgt die Stoßstrom-Widerstandsfähigkeit 7000 A bei dem Fall einer sinusförmigen Halbwelle mit einer Breite von 10 ms. In Fig. 8 hält die Reaktanz 5 den Kurzschlußstrom auf einem Wert, der unterhalb der Stoßstrom- Widerstandsfähigkeit der GTOs 11 und 12 etc. liegt, und die Gleichstromreaktanz 3 unterdrückt ein Einströmen von Strom aus der Gleichstrom-Leistungsquelle 1 zu dem Zeitpunkt, bis zu dem die Gleichstrom- Schutzschalter 2 geöffnet werden. Die Reaktanz 5 muß ebenso derart ausgelegt sein, daß sie durch überschüssigen Strom nicht gesättigt wird, der in diesem Zeitraum einströmt. Die Gleichstromreaktanz 3 muß ein Element sein, das nicht von dem Spannungs-Zeit-Produkt gesättigt wird, dem es während der Kurzschluß- Zeitdauer unterliegt. Infolgedessen werden sie beide als große Reaktanzen ausgeführt. Die Wechselstrom- Schutzschalter 25U, 25 V und 25 W sollen unmittelbar geöffnet werden, wenn ein Einströmen von Strom aus nicht gezeigten Lasten vorhanden ist oder wenn fehlerhafte Schaltungen und Lasten isoliert werden sollen.
Auf der anderen Seite kann, wenn Nicht-Einrast- Vorrichtungen, d. h. Transistoren, in der Schaltung der Fig. 8 verwendet werden, da die Vorrichtungen selbst wirksam sein können, um einen Überstrom durch die Vorrichtung zu unterdrücken, der Überstrom unmittelbar durch Anwenden einer Sperrspannung an ihre Basen gestoppt werden, falls ein Kurzschluß auftritt. Eine Reaktanz 5 ist nicht unbedingt notwendig, doch da sie wirksam ist, um einen Strom, falls dieser vorhanden ist, zu unterdrücken, erlaubt sie eine Zeitverzögerung bis zu dem Zeitpunkt einer Schutzwirkung, die einem Kurzschluß folgt. Da der Strom zu dem Zeitpunkt eines Kurzschlusses höchstens etwa doppelt so groß ist wie bei einem normalen Betrieb, wird nur eine kleine Reaktanz benötigt, selbst wenn die Reaktanz 5 eingeschlossen ist.
Bei einer Wandlervorrichtung, bei der HSDs verwendet werden, die entwickelt worden sind, um eine Wandlervorrichtung zu schaffen, die sowohl die Vorteile einer Wandlervorrichtung, bei der Einrast-Vorrichtungen verwendet werden, als auch einer Wandlervorrichtung aufweist, bei der Nicht-Einrast-Vorrichtungen verwendet werden, werden die jeweiligen Vorteile der Vorrichtungen bei normalen Betriebszuständen gezeigt. Bei einem normalen Betrieb wird eine Abschaltfunktion nach einem Übergang auf eine Nicht- Einrastung unmittelbar vor einem Abschalten durchgeführt. Da sich die Vorrichtungen jedoch bei einem stetigen EIN-Zustand in einem Einrastzustand befinden, ist es nicht möglich, falls, wegen eines Kommutierungsfehlers etc., ein Gleichstrom-Kurzschluß auftritt und ein Überstrom fließt, den Vorrichtungszustand in eine Nicht-Einrastung zu ändern. Infolgedessen ist es nicht möglich, ein Abschalten bei Basen oder Gates wie bei Transistoren zu bewirken, und die vorliegende Situation ist derart, daß ein Ansteigen von Strom durch Verwendung großer Reaktanzen wie in dem Fall, wenn Thyristoren oder GTOs verwendet werden, unterdrückt wird.
Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Wandlervorrichtung zu schaffen, die durch die HSDs von nicht-einrastender Art und Einrast-Funktionen aufgebaut ist, welche die HSDs richtig gegen Überstrom bei Einrast-Zuständen ohne Verwendung großer Reaktanzen schützen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt dieser Erfindung ist eine Wandlervorrichtung vorgesehen, die aufweist:
Eine Anzahl von Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen, von denen jede betreibbar ist durch Steuerung von deren Gate in einem Einrast-Betrieb und einem Nicht-Einrast-Betrieb;
Energiequellenmittel zum Zuführen von Strom zu den genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen, wodurch ein Strompfad der genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen gebildet ist;
wobei die genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen abgeschaltet werden nach einem Übergang von dem genannten Einrast-Betrieb zu dem genannten Nicht-Einrast-Betrieb, wenn der genannte Strom geringer ist als ein Grenzwert, gekennzeichnet durch:
eine nichtlineare Impedanzschaltung, die eine Induktivität und steuerbare Elemente aufweist, die in dem genannten Strompfad vorgesehen sind zum Begrenzen des genannten Stromes aus den genannten Energiequellenmitteln von einem Zeitpunkt, zu dem der genannte Strom einen vorgeschriebenen Wert erreicht, der kleiner ist als der genannte Grenzwert, und die derart eingerichtet sind, daß im Falle einer Überstrom-Fehlfunktion die genannte Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtung von dem genannten Einrast-Betrieb zu dem genannten Nicht-Einrast-Betrieb wechselt und dann abgeschaltet wird, während das genannte Stromregelmittel den genannten Strom regelt,
wodurch die genannte Hochgeschwindigkeits- Schaltvorrichtung im Falle einer Überstrom-Fehlfunktion geschützt ist.
Entsprechend einem weiteren Aspekt dieser Erfindung ist eine Wandlervorrichtung vorgesehen, die aufweist:
eine Anzahl von parallelen Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen, von denen jede in einem Einrast-Betrieb und einem Nicht-Einrast-Betrieb betreibbar ist;
Energiequellenmittel zum Zuführen des genannten Stromes zu den genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen, wodurch ein Strompfad der genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen gebildet ist;
wobei die Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen abgeschaltet werden nach einem Übergang von einem genannten Einrast-Betrieb zu dem genannten Nicht-Einrast-Betrieb, wenn der genannte Strom geringer ist als ein Grenzwert, gekennzeichnet durch:
Steuermittel zum Stoppen, um die genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen abzuschalten, wenn ein zweiter Strom, der durch die genannte Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtung fließt, einen vorgeschriebenen Wert erreicht, bei dem die genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen nicht zu dem genannten Nicht-Einrast-Betrieb wechseln können, zum Einschalten aller genannten Hochgeschwindigkeits- Schaltvorrichtungen, um dadurch einen Schalter zu triggern;
wodurch die genannte Hochgeschwindigkeits- Schaltvorrichtung im Falle einer Überstrom-Fehlfunktion geschützt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung und viele der damit verbundenen Vorteile wird leicht erhalten werden, da dieselbe unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, bei denen:
Fig. 1 ein Stromlaufplan ist, der eine Wandlervorrichtung entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Stromlaufplan ist, der eine Ausführungsform einer nichtlinearen Impedanzschaltung zeigt;
Fig. 3 ein Stromlaufplan ist, der eine weitere Ausführungsform der nichtlinearen Impedanzschaltung zeigt;
Fig. 4 ein Stromlaufplan ist, der eine noch weitere Ausführungsform einer nichtlinearen Impedanzschaltung zeigt;
Fig. 5 ein Stromlaufplan ist, der eine Wandlervorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 6 ein Stromlaufplan ist, der eine weitere Ausführungsform einer nichtlinearen Impedanzschaltung zeigt;
Fig. 7 ein Stromlaufplan ist, der eine noch weitere Ausführungsform der nichtlinearen Impedanzschaltung zeigt; und
Fig. 8 ein Stromlaufplan ist, der ein Beispiel einer herkömmlichen Wandlervorrichtung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nunmehr bezugnehmend auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, werden die Ausführungsformen dieser Erfindung unten beschrieben werden.
Fig. 1 ist ein Stromlaufplan, der eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. In Fig. 1 ist 30 eine nichtlineare Impedanzschaltung, die später beschrieben wird, und 31 und 32 bezeichnen die Hauptanschlußabschnitte dieser Schaltung 30. 51 bis 56 sind HSDs, die zwischen Einrast- und Nicht-Einrast-Funktionen übergehen können, und aus praktischen Gründen wird das Symbol, das hierfür verwendet wird, als gemeinsames Symbol für einen GTO und einen Transistor ausgeführt. Die Art, wie eine solche HSD verwendet wird, ist die, daß in dem EIN-Zustand eine Gate-Auswahl getroffen wird, um diese zu einer Einrast-Vorrichtung zu machen, und mehrere us vor Ausführen eines Abschaltbetriebes wird eine Gate-Auswahl getroffen, um sie zu einer Nicht-Einrast-Vorrichtung zu machen. Die Art, wie die Gates ausgewählt werden, hängt von der Struktur der HSD ab, doch sind mögliche Arten, zum Beispiel, ein Einschalten durch Liefern von Gate-Signalen gleichzeitig an ein Gate G1 für eine Nicht- Einrast-Vorrichtung und an ein Gate G2 für eine Einrast-Vorrichtung zu bewirken, und ein Abschalten durch Schalten des Gate-Signales von Gate G1 auf AUS nach Schalten des Gate-Signales von Gate G2 auf AUS zu bewirken, oder Schnitte zu machen mittels der Höhe der Spannungen, die an die Gates G1 und G2 angelegt werden. Eine Schaltung zum Erzeugen der oben beschriebenen Gate-Signale ist den Fachmännern offensichtlich, so daß eine detaillierte Beschreibung der Schaltungsanordnung weggelassen werden kann.
Es existiert ein Grenzwert bei dem Anodenstrom, bei dem eine HSD von einer Einrast- in eine Nicht- Einrast-Vorrichtung wechselt. Der Wert dieses Grenzwertes wird als 11 bezeichnet werden.
Obgleich es einen Unterschied bei dem Verfahren gibt, daß, wegen der Charakteristiken dieser HSDs, bei der Schaltung der Fig. 1 ein Ausschalten nach einem Übergang von der Einrast- zu der Nicht-Einrast- Vorrichtung bewirkt wird, so ist doch der normale Schaltungsbetrieb derselbe wie bei einem herkömmlichen gewöhnlichen Wechselrichter. So kann die detaillierte Beschreibung des Betriebes der Wandlervorrichtung der Fig. 1 weggelassen werden.
Als nächstes wird der Schutzbetrieb beschrieben werden, wenn ein Überstrom wegen eines Kurzschlusses etc. auftritt.
Die nichtlineare Impedanzschaltung 30 zeigt eine Impedanz von nahezu Null auf, wenn der Strom, der durch sie fließt, kleiner als ein Wert. 12 ist, und sie zeigt eine größere Induktivität L auf, wenn dieser Strom gleich ist oder größer als der Wert 12, aber kleiner als ein Wert 13 (I2 < I3 < I1.). Bei dem Wert 13 oder größer kehrt sie auf eine Impedanz von nahe Null zurück. Der Wert 12 wird auf etwa 1/2 des Grenzwertes 11 gesetzt.
Falls nun HSD 52 irrtümlicherweise auf EIN gesetzt wird, während HSD 51 EIN ist, werden die Gleichstrom-Busse 7 und 8 kurzgeschlossen und so versucht die Ladung der Gleichstromkapazität 4, durch die nichtlineare Impedanzschaltung 30 und HSDs 51 und 52 zu entladen. Da die Impedanz der nichtlinearen Impedanzschaltung 30 nahe Null ist, wenn der Entladungsstrom Ic kleiner ist als der Wert 12, steigt der Entladungsstrom Ic schnell an. Wenn aber der Wert Ic den Wert 12 erreicht, ändert sich die Induktivität der nichtlinearen Impedanzschaltung 30 auf L, und so ändert sich das Stromanstiegsverhältnis auf E/L, wobei E die Ladespannung der Gleichstromkapazität 30 ist. Da, selbst bei seinem Maximum, der Wert des Stromes, der in den HSDs 51 und 52 fließt, I2 + (E/L)t beträgt, werden die HSDs 51 und 52 und die anderen HSDs von Einrast- in Nicht-Einrast-Vorrichtungen geändert und auf AUS geschaltet, bevor der Wert dieses Stromes den Grenzwert 11 erreicht. Hier ist t eine Zeit, die zu dem Zeitpunkt gemessen wird, wenn Ic = 12.
Als nächstes wird eine Ausführungsform der nichtlinearen Impedanzschaltung 30 in Fig. 2 gezeigt. In dieser Figur ist 33 eine Hochgeschwindigkeitsdiode, 34 ist eine Reaktanz, 35 ist ein Gleichrichter und 36 ist ein Transformator. Die Primärseite des Transformators 36 ist mit einer Energiequelle bzw. Leistungsquelle, die nicht gezeigt ist, verbunden. Die Diode 33 stoppt einen Strom, der von dem Hauptanschluß 31 zu dem Hauptanschluß 32 fließt, doch sie ist nicht in der Lage, jeden Strom zu blockieren, der kleiner ist als der Wert 12, falls, wegen des Gleichrichters 35, ein Gleichstrom mit dem Wert 12 in die Reihenschaltung fließt, die aus der Diode 33 und der Induktivität 34 besteht. Dies bedeutet, von außen gesehen, daß ihre Impedanz Null ist. Jedoch wird, mit einem Strom, der größer ist als der Wert 12, die Diode 33 in Sperr-Richtung betrieben, und so geht ein Strom, der von dem Hauptanschlußabschnitt 31 einfließt, über die Reaktanz 34 und den Gleichrichter 35, um aus dem Hauptanschlußabschnitt 32 auszufließen. Während dieser Zeitdauer ist die Induktivität L der Reaktanz 34 in Reihe in diesem Strompfad enthalten. Um die Reaktanz 34 klein zu machen, ist die Reaktanz 34 gesättigt und ihre Induktivität fällt steil ab, und eine Impedanz, die nahezu Null ist, wird aufgezeigt, wenn ein Strom den bestimmten Wert 13 überschreitet. Von dem Blickwinkel eines Schaltungsschutzes aus betrachtet ist es zufriedenstellend, daß die Impedanz Null ist für Strom, der von dem Haupt anschluß 32 zu dem Hauptanschluß 31 geht.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer nichtlinearen Impedanzschaltung 30. Eine sättigbare Reaktanz 37 und eine Diode 38 werden anstelle der Diode 33 verwendet. Die sättigbare Reaktanz 37 ist mit einer Primärwicklung 371 und einer Sekundärwicklung 372 versehen. Das Wicklungsverhältnis der Primärwicklung 371 zu der Sekundärwicklung 372 ist 1 zu n. Da der Gleichstrom mit dem Wert I2' in der Sekundärwicklung 372 der sättigbaren Induktivität 37 fließt, ist die sättigbare Reaktanz 37 gesättigt und die Impedanz zwischen den Hauptanschlüssen 31 und 32 ist praktisch Null. Wenn der Strom, der von dem Hauptanschluß 31 zu dem Hauptanschluß 32 fließt, den Wert 12 ( = n · I2') erreicht, geht die sättigbare Reaktanz 37 in einen ungesättigten Zustand über und zeigt die Charakteristik einer Reaktanz mit einer Induktivität L auf. Eine Reaktanz 34a ist in der Schaltung auf solche Art eingesetzt, daß der Wert ihres Stromes sich wegen einer Spannung nicht sehr verändert, die erzeugt wird, wenn die sättigbare Reaktanz 37 ungesättigt ist. Eine Diode 38 ist nicht absolut notwendig, doch bewirkt sie, daß die Spannung aufgenommen wird, die durch die extrem kleine Induktivität erzeugt wird, welche aufgezeigt wird, wenn die sättigbare Reaktanz 37 gesättigt wird, und um die Schalt-Stoßspannung zu verringern, die den HSDs 51 - 56 und Rückkopplungsdioden 17-22 eingeprägt wird.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer nichtlinearen Impedanzschaltung 30. Eine Reaktanz 39 ist eine spezielle Reaktanz, in die ein Permanentmagnet eingebettet ist. Wegen des Permanentmagneten ist die Induktivität der Reaktanz praktisch Null, wenn der Strom, der in ihrer Spule fließt, kleiner ist als der Wert 12, doch sie wird L, wenn der Strom den Wert 12 erreicht. Es ist zufriedenstellend, daß die Reaktanz 39 klein genug ist, um in der Zeitdauer von mehreren Zehnteln von us gesättigt zu werden, während derer ein Kurzschluß detektiert wird und die HSDs von Einrast- in Nicht-Einrast-Vorrichtungen wechseln sowie ein Ausschaltbetrieb durchgeführt wird. Die Rolle der Diode 38 ist dieselbe wie in Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Schaltung einer Wandlervorrichtung, bei der nichtlineare Impedanzschaltungen 301 - 306 einzeln für jeweilige HSDs 51-56 enthalten sind. In der in Fig. 1 gezeigten 3-Phasenschaltung muß der Wert 12 kleiner gemacht werden als der Grenzwertstrom 11 der HSDs. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei den HSDs eine Überlagerung des Stromes, der aus der nichtlinearen Impedanzschaltung 30 fließt, auf den Strom vorhanden ist, der durch die Last, die HSDs und Rückkopplungsdioden zurückfließt. Im Gegensatz hierzu ist, wenn nichtlineare Impedanzschaltungen 301-306 einzeln für jeweilige HSDs 51-56 wie in Fig. 5 vorgesehen sind, der Strom, der in jeder der HSDs 51-56 und der Strom, der in jeder der nichtlinearen Impedanzschaltungen 301-306 fließt, derselbe, so daß das Verwerten des Grenzstromes 11 jeder der HSDs 51-56 möglich ist.
Die Beschreibung oben wurde gegeben, wobei das Beispiel einer nichtlinearen Impedanzschaltung 30 als ein Element oder eine Schaltung genommen wurde, die eine strombegrenzende Funktion besitzt, um die Rate eines Stromanstiegs von dem Zeitpunkt an zu unterdrücken, wenn der Strom, der durch die HSDs 51-56 fließt, einen festgesetzten Wert überschreitet. Es ist aber auch möglich, ein Element oder eine Schal tung zu verwenden, die eine Funktion einer Vergrößerung der Impedanz und eines Zurückhaltens eines Stromes von einer Überschreitung eines gesetzten Wertes, oder eine Reduzierung des Stromes auf unterhalb eines gesetzten Wertes von dem Zeitpunkt an besitzt, wenn der Strom, der durch die HSDs fließt, den gesetzten Wert überschreitet.
Solch eine Ausführungsform einer nichtlinearen Impedanzschaltung 30 ist in Fig. 6 und 7 gezeigt. Teilen, welche dieselben wie in Fig. 2 sind, sind dieselben Zahlen gegeben, und eine Beschreibung derselben wird weggelassen.
In Fig. 6 ist 41 ein Thyristor, 42 ist ein IGBT und 43 ist ein nichtlinearer Widerstand. Gewöhnlich wird diese Schaltung mit einem ausgeschalteten Thyristor 41 und einem eingeschalteten IGBT 42 verwendet, so daß sie auf dieselbe Art wie in Fig. 2 funktioniert. Wenn ein Strom, der von dem Anschluß 31 fließt, größer ist als der Wert 12, wird die Diode 33 in Sperr-Richtung betrieben. Zu diesem Zeitpunkt ist IGBT 42 ausgeschaltet und der Thyristor 41 ist eingeschaltet. In dem Fall, daß ein Thyristor-Gleichrichter als Gleichrichter 35 verwendet wird, ist es besser, die Phase der triggernden Thyristoren zu verzögern. Falls der Thyristor 41 den Aus-Zustand hält, heizt die in der Reaktanz 34 gespeicherte Energie den nichtlinearen Widerstand 43 vergebens. Ein Thyristor 41 ist nicht notwendigerweise vorgesehen, falls der nichtlineare Widerstand 43 einen großen Wärmespielraum aufweist. Der nichtlineare Widerstand 43 wird für einen Überspannungsschutz des IGBT 42 verwendet. Anstelle eines nichtlinearen Widerstandes 43 kann ein Widerstand, eine Reihenschaltung eines Widerstandes 44 und einer Kapazität 45, in Fig. 7 gezeigt, oder eine andere Schaltung verwendet werden, soweit sie den IGBT 42 schützen kann.
In dem Fall, daß der IGBT 42 abgeschaltet ist, ist ein Pfad von dem Anschluß 31 zu dem Anschluß 32 durch die Reaktanz 34, den Gleichrichter 35 und IGBT 42 geöffnet. Infolgedessen ist die Impedanz zwischen den Anschlüssen 31 und 32 ein Widerstand eines nichtlinearen Widerstandes 43 oder des Widerstandes, der anstelle des anderen vorgesehen ist, mit dem Resultat, daß der Kurzschlußstrom unterdrückt wird.
Speziell weist die in Fig. 6 gezeigte nichtlineare Impedanzschaltung 30 eine Funktion für ein Ansteigen der Impedanz und Abhalten des Stromes von einem Überschreiten eines gesetzten Wertes von dem Zeitpunkt auf, wenn ein durch die HSDs strömender Strom den gesetzten Wert überschreitet. In dem Fall, bei dem ein Widerstand anstelle eines nichtlinearen Widerstandes 43 verwendet wird, weist die nichtlineare Impedanzschaltung 30 fast dieselbe Funktion wie oben beschrieben auf.
Die in Fig. 7 gezeigte nichtlineare Impedanzschaltung 30 weist eine Funktion zum Ansteigen der Impedanz und zum Verringern des Stromes auf unterhalb eines gesetzten Wertes von dem Zeitpunkt auf, wenn der durch die HSDs fließende Strom den gesetzten Wert überschreitet.
Weiter ist es klar, obwohl ein selbstgeführter 3-Phasen-Wechselrichter als Wandlervorrichtung verwendet worden ist, daß bei dieser Erfindung die Anzahl der Phasen der Wandlervorrichtung und der Wandlervorrichtungstyp nicht auf diese beschränkt sind. Obwohl in der Wandlervorrichtung der Fig. 1 und Fig. 5 der Überstrom von Kurzschlüssen etc. durch das Verfahren zum Detektieren von Strom in gewöhnlichen Stromtransformatoren detektiert wird, kann er auch detektiert werden durch Detektieren der Spannung, die in den nichtlinearen Impedanzschaltungen erzeugt werden.
Damit die nichtlinearen Impedanzschaltungen klein gemacht werden können, weisen sie eine hohe Impedanz bei einem bestimmten Stromwert auf. So ist es aus dem Blickwinkel des HSD-Schutzes betrachtet vorzuziehen, ein Abschaltsignal an eine HSD in einem Zustand zu liefern, bei dem der Strom einen Wert erreicht hat, der das Niveau dieses bestimmten Wertes überschreitet.
Darüber hinaus wird es, falls ein Zustand wie der oben beschriebene auftritt, wenn sich eine HSD in einem Einrast-Zustand befindet, unmöglich, den Vorrichtungszustand in eine Nicht-Einrastung zu ändern, und es besteht die Gefahr einer Beschädigung der HSD.
Für diesen Fall ist eine Schaltung vorgesehen, um einen Gleichstrom-Kurzschluß zu detektieren. Und es ist in einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) der Wandlervorrichtung eine Schaltung vorgesehen, um Signale zum gleichzeitigen EIN-Schalten der jeweiligen HSD basierend auf der Detektierung des Gleichstromkurzschlusses zu erzeugen. Durch diese Schaltung werden alle HSDs in der Wandlervorrichtung eingeschaltet, die Gefahr einer Beschädigung kann reduziert werden, da der Fluß eines Überstromes sich nicht auf eine bestimmte HSD konzentriert, sondern geteilt wird. Darüber hinaus wird ein sicherer Schutz möglich gemacht, falls eine Teilung des Überstromes durch Unterbrechung der Gleichstromschalter 2P und 2 N auf der Eingangsseite der Wandlervorrichtung begleitet wird und, falls erforderlich, durch Wechselstromschutzschalter 25U, 25 V und 25 W.
Wie oben beschrieben kann entsprechend der Erfindung die Zuverlässigkeit der Wandlervorrichtung verbessert werden, da ein sicherer Kurzschlußschutz der Vorrichtungen durch Versehen der Wandlervorrichtung mit Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen möglich gemacht wird, die Einschaltoperationen nach einem Übergang von einem Einrasten zu einem Nicht- Einrasten durchführen. Auch können die Reaktanzen, die für eine Unterdrückung des Kurzschlußstromes verwendet werden, kleiner gemacht werden als in dem Fall, wenn Einrast-Vorrichtungen verwendet werden. Darüber hinaus können die Leistungsverluste, die in der Wandlervorrichtung generiert werden, kleiner gemacht werden als in dem Fall, bei dem Nicht-Einrast- Vorrichtungen verwendet werden.
Entsprechend der Erfindung besteht ein weiterer außerordentlicher Vorteil darin, daß ein Schutz selbst in den Fällen möglich ist, bei denen es nicht möglich ist, einen Zustand einer Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtung in eine Nicht-Einrastung zu ändern. Falls ein Strom, der durch eine Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtung fließt, einen Stromwert überschreitet, bei dem es nicht möglich ist, den Zustand der Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtung in eine Nicht-Einrastung zu ändern, ist Schutz vorgesehen durch Stoppen des Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungs-Abschaltbetriebes, Einschalten all der Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen, die die Wandlervorrichtung bilden, um so zu veranlassen, daß der Überstrom durch all die Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen geteilt wird, und Unterbrechen mindestens der eingangsseitigen Schutzschalter der Wandlervorrichtung.

Claims

1. Eine Wandlervorrichtung mit:

einer Mehrzahl von Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen (51, 52, 53, 54, 55, 56), von denen jede betreibbar ist durch Steuerung von deren Gate in einem Einrast-Betrieb und einem Nichteinrast-Betrieb;

Energiequellenmitteln (1) zum Zuführen von Strom zu den genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen, wodurch ein Strompfad der genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen gebildet ist;

wobei die genannten Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen abgeschaltet werden nach einem Übergang von dem genannten Einrast-Betrieb zu dem genannten Nichteinrast-Betrieb, wenn der genannte Strom geringer als ein Grenzwert (11) ist, gekennzeichnet durch:

eine nichtlineare Impedanzschaltung (30), die eine Induktivität und steuerbare Elemente aufweist, die in dem genannten Strompfad vorgesehen sind zum Begrenzen des genannten Stromes aus den genannten Energiequellenmitteln von einem Zeitpunkt, zu dem der genannte Strom einen vorgeschriebenen Wert (12) erreicht, der kleiner ist als der genannte Grenzwert (In), und die derart eingerichtet sind, daß im Falle einer Überstrom-Fehlfunktion die genannte Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung von dem genannten Einrast-Betrieb zu dem genannten Nichteinrast-Betrieb wechselt und dann abgeschaltet wird, während das ge nannte Stromregelmittel den genannten Strom regelt,

wodurch die genannte Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung im Falle einer Überstromfehlfunktion geschützt ist.

2. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das genannte Stromregelmittel (30) den genannten Strom derart regelt, daß die Rate des Anstiegs des genannten Stromes unterdrückt wird, wenn der genannte Strom den genannten vorgeschriebenen Wert erreicht.

3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei: die genannte nichtlineare Impedanz (30) im wesentlichen eine Impedanz von Null hat, wenn der genannte Strom, der durch das genannte Stromregelmittel fließt, geringer ist als der vorgeschriebene Wert und wenigstens eine Induktivitätskomponente hat, wenn der genannte Strom gleich dem genannten vorgeschriebenen Wert oder größer als dieser ist.

4. Wandlervorrichtung nach Anspruch 3, wobei:

die genannte nichtlineare Impedanz (30) eine Schaltung aufweist, die umfaßt

eine Hochgeschwindigkeitsdiode (33) und

eine Reihenschaltung einer Reaktanz (34) und eines Gleichrichters (35),

wobei die genannte Reihenschaltung parallel zu der genannten Hochgeschwindigkeitsdiode (33) geschaltet ist,

wobei der genannte Gleichrichter einen Gleichstrom mit dem genannten vorbestimmten Wert an die genannte Hochgeschwindigkeitsdiode (33) über die genannte Reaktanz anlegt; und

wobei die genannte nichtlineare Impedanz derart in dem genannten Strompfad vorgesehen ist, daß die genannte Hochgeschwindigkeitsdiode (33) sich in der Sperrichtung zu dem geregelten Strom in dem genannten Strompfad befindet.

5. Wandlervorrichtung nach Anspruch 3,

wobei die genannte nichtlineare Impedanz (30) eine Schaltung aufweist, die umfaßt eine sättigbare Reaktanz (37) mit einer Primärwicklung (371) und einer Sekundärwicklung (372), eine Reihenschaltung einer Reaktanz (34a) und

eines Gleichrichters (35),

wobei die genannte Reihenschaltung parallel zu der genannten Sekundärwicklung (372) der genannten sättigbaren Reaktanz geschaltet ist,

wobei der genannte Gleichrichter einen Gleichstrom mit einem vorbestimmten Wert an die genannte Sekundärwicklung durch die genannte Reaktanz anlegt, um die genannte sättigbare Reaktanz zu sättigen, und

wobei die genannte nichtlineare Impedanz derart in dem genannten Strompfad vorgesehen ist, daß die genannte Primärwicklung (371) in dem genannten Strompfad so verbunden ist, daß die genannte sättigbare Reaktanz (37) in einen ungesättigten Zustand geht, wenn der Strom in dem genannten Pfad den vorgeschriebenen Wert erreicht.

6. Wandlervorrichtung nach Anspruch 3,

wobei die genannte nichtlineare Impedanz (30) eine Schaltung aufweist, die umfaßt

eine Parallelschaltung einer Diode (38) und einer Reaktanz (39),

wobei die genannte Reaktanz (39) einen Permanentmagneten und eine Wicklung aufweist, wobei die genannte nichtlineare Impedanzschaltung derart in dem genannten Strompfad vorgesehen ist, daß die genannte Reaktanz im wesentlichen eine Impedanz von Null hat, wenn der genannte Stromfluß durch das genannte Stromregelmittel geringer als der genannte vorgeschriebene Wert ist, und wenigstens eine Induktivitätskomponente hat, wenn der genannte Strom gleich dem genannten vorgeschriebenen Wert oder größer als dieser ist, und

sich die genannte Diode (38) in Sperrichtung zu dem genannten geregelten Strom befindet.

7. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte nichtlineare Impedanz (30) den genannten Strom derart regelt, daß der genannte Strom den genannten vorgeschriebenen Wert nicht überschreitet von dem Zeitpunkt, zu dem der genannte zweite Strom den genannten vorgeschriebenen Wert erreicht.

8. Wandlervorrichtung nach Anspruch 7, wobei: die genannte nichtlineare Impedanz im wesentlichen eine Impedanz von Null hat, wenn der genannte Strom, der durch das genannte Stromregelmittel fließt, geringer ist als der genannte vorgeschriebene Wert und wenigstens eine Widerstandskomponente hat, wenn der genannte Strom gleich dem genannten vorgeschriebenen Wert oder größer als dieser ist.

9. Wandlervorrichtung nach Anspruch 8:

wobei die genannte nichtlineare Impedanz umfaßt

eine Hochgeschwindigkeitsdiode (33) und

eine Reihenschaltung einer Reaktanz (34), eines Gleichrichters (35) und einer Parallelschaltung einer Schaltvorrichtung (42) und eines Widerstandes (43, 44),

wobei die genannte Reihenschaltung parallel zu der genannten Hochgeschwindigkeitsdiode (33) geschaltet ist und

wobei die genannte Schaltvorrichtung sich in einem EIN-Zustand befindet, wenn der genannte Strom, der durch das genannte Stromregelmittel fließt, geringer ist als der genannte vorgeschriebene Wert und ausgeschaltet wird, wenn der genannte zweite Strom den genannten vorgeschriebenen Wert erreicht,

wobei der genannte Gleichrichter (35) einen Gleichstrom mit dem genannten vorbestimmten Wert an die genannte Hochgeschwindigkeitsdiode (33) durch die genannte Reaktanz (34) und die genannte Parallelschaltung anlegt und

wobei die genannte nichtlineare Impedanzschaltung derart in dem genannten Strompfad vorgesehen ist, daß sich die genannte Hochgeschwindigkeitsdiode (33) in Sperrichtung zu dem genannten geregelten Strom befindet.

10. Wandlervorrichtung nach Anspruch 9, wobei: die genannte Schaltvorrichtung (42) einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate umfaßt; und der genannte Widerstand einen nichtlinearen Widerstand umfaßt.

11. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die genannte nichtlineare Impedanz (30) den genannten Strom derart regelt, daß der genannte Strom unter den genannten vorgeschriebenen Wert reduziert ist von dem genannten Zeitpunkt, zu dem der genannte Strom den genannten vorgeschriebenen Wert erreicht.

12. Wandlervorrichtung nach Anspruch 11, wobei: die genannte nichtlineare Impedanz (30) eine nichtlineare Impedanzschaltung umfaßt, die im wesentlichen eine Impedanz von Null hat, wenn der genannte zweite Strom, der durch das genannte Stromregelmittel fließt, geringer ist als der genannte vorgeschriebene Wert und wenigstens eine Widerstandskomponente hat, wenn der genannte Strom gleich dem genannten vorgeschriebenen Wert oder größer als dieser ist.

13. Wandlervorrichtung nach Anspruch 12:

wobei die genannte nichtlineare Impedanzschaltung umfaßt

eine Hochgeschwindigkeitsdiode (33) und eine erste Reihenschaltung einer Reaktanz (34), eines Gleichrichters (35) und einer Parallelschaltung einer Schaltvorrichtung (42) und einer zweiten Reihenschaltung eines Widerstandes (44) und einer Kapazität (45)

wobei die genannte erste Reihenschaltung parallel zu der genannten Hochgeschwindigkeitsdiode (33) geschaltet ist und

die genannte Schaltvorrichtung (42) sich in einem EIN-Zustand befindet, wenn der genannte Strom, der durch die genannten Stromregelmittel fließt, geringer ist als der genannte vorgeschriebene Wert und ausgeschaltet wird, wenn der genannte zweite Strom den genannten vorgeschriebenen Wert erreicht,

wobei der genannte Gleichrichter (35) einen Gleichstrom mit dem genannten vorbestimmten Wert an die genannte Hochgeschwindigkeitsdiode (35) durch die genannte Reaktanz (34) und die genannte Parallelschaltung (42, 44, 45) anlegt und

wobei die genannte nichtlineare Impedanzschaltung derart in dem genannten Strompfad vorgesehen ist, daß die genannte Hochgeschwindigkeitsschaltdiode (33) sich in Sperrichtung zu dem geregelten Strom befindet.

14. Wandlervorrichtung nach Anspruch 13, wobei: die genannte Schaltvorrichtung (42) einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate umfaßt.

15. Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei:

die genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen (51, 52, 53, 54, 55, 56) verbunden sind, um eine dreiphasige Brücke zu bilden; und

wobei das genannte Stromregelmittel (30) in dem genannten Strompfad zwischen dem genannten Energiequellenmittel (1) und der genannten dreiphasigen Brücke vorgesehen ist.

16. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei:

eine Mehrzahl der genannten Stromregelmittel (30i, 30&sub2;, 30&sub3;, 30&sub4;, 30&sub5;, 30&sub6;) vorgesehen ist, wobei jedes der genannten Stromregelmittel in Reihe mit einer jeweiligen der genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen verbunden ist.

17. Eine Wandlervorrichtung, mit:

einer Mehrzahl von parallelen Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen (51, 52, 53, 54, 55, 56), von denen jede durch Steuerung von deren Gate in einem Einrast-Betrieb und einem Nichteinrast-Betrieb betreibbar ist,

Energiequellenmitteln (1) zum Zuführen des genannten Stromes zu den genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen, wodurch ein Strompfad der genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen gebildet ist;

wobei die genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen ausgeschaltet werden nach einem Übergang von einem genannten Einrast-Betrieb zu dem genannten Nichteinrast-Betrieb, wenn der genannte Strom geringer ist als ein Grenzwert (11), gekennzeichnet durch:

Steuermittel zum Stoppen, um die genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen abzuschalten, wenn ein zweiter Strom, der durch die genannte Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung fließt, einen vorgeschriebenen Wert erreicht, bei dem die genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen nicht zu dem genannten Nichteinrast-Betrieb wechseln können, und zum Anschalten aller der genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen, um dadurch einen Schalter zu triggern, in Reihe in dem Strompfad der genannten Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen verbunden;

wobei die genannte Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtung im Falle einer Überstromfehlfunktion geschützt ist.