Verfahren und Einrichtung zum Schutz eines Ventil-Frequenzumformers
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz eines Ventil-Frequenzumformers und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bekanntlich entstehen bei Frequenzumformern im Falle einer Unterbrechung bzw. eines Kurzschlusses in der Belastung je nach Schaltungsart der Kommutierungskondensatoren Überspannungen, die einen elektrischen Durchschlag der einzelnen Elemente der Schaltung bzw. einen Ausfall der Ventile (insbesondere der Thyristoren) verursachen können.
Es ist eine Frequenzumformerschutzart bekannt, bei welcher die Schaltung des Wechselrichters durch Überspannungsableiter, die man parallel zu den Ventilen bzw. den Wicklungen des Ausgangstransformators legt, geschützt wird.
Jedoch ist diese Schutzart nur für Hochspannungsfrequenzumformer anwendbar und kann nicht für Niederspannungen, die für Thyristorumformer kennzeichnend sind, benutzt werden, da es zurzeit keine ausreichend zuverlässige und leistungsstarke Ableiter gibt.
In einigen Fällen benutzt man zum Schutz der Frequenzumformer zusätzliche steuerbare Ventile, die man in die verschiedenen Baugruppen der Schaltung einfügt. Diese Schutzart ist ausreichend zuverlässig, jedoch wird hierbei die Gesamtzahl der verwendeten Ventile erhöht, wodurch der Umformer kompliziert wird.
Bekannt ist auch eine Oberspannungsschutzart, bei welcher die Zuführung der Steuerimpulse zu den Ventilen unterbrochen und die Speisung der Ventile abgeschaltet wird (siehe, z. B., UdSSR-Patent Nr. 143 117, Klasse 21d2, 12/03).
Die erwähnte Methode sichert keinen zuverlässigen Schutz der Ventile bei schnell ansteigender Oberspan- nung, da während der zum Abschalten der Speisespannung, beispielsweise durch Sperrung des Speisegleichrichters, erforderlichen Zeitspanne die Ventile des Wechselrichters beschädigt werden können.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten Mängel zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsschutz für Ventilfrequenzumformer zu schaffen, der eine ausreichende Wirkungsgeschwindigkeit aufweist und zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass beim Auftreten einer Überspannung an den Umformerventilen auf die sich zu diesem Zeitpunkt in nichtleitendem Zustand befindlichen Ventilgruppen Steuerimpulse gegeben werden, wodurch die erwähnten Ventilgruppen geöffnet werden und die resultierende Spannung am Ausgang des Umformers absinkt.
Die Einrichtung zur Durchführung des erwähnten Verfahrens mit einem Messtransformator, dessen Primärwicklung mittelbar oder unmittelbar an die Ventile des Frequenzumformers geführt ist, und mit mit der Sekundärwicklung verbundenen Elementen, die beim Auftreten einer Überspannung am Umformer ansprechen und Signale zum Abschalten seiner Speisespannung liefern, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente über Schaltelemente mit der Steuervorrichtung des Umformers verbunden sind und dieser Steuerimpulse zum Öffnen der sich beim Auftreten der Überspannung in nichtleitendem Zustand befindlichen Ventilgruppen zuführen.
Als Schaltelemente werden vorzugsweise Trenndioden benutzt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist nachstehend das vorgeschlagene Verfahren beispielsweise und ein Ausführungsbeispiel der Schutzeinrichtung mit Bezug auf das Prinzipschaltbild eingehend beschrieben.
Der Überspannungsschutz des Frequenzumformers besteht in folgendem:
Erscheint am Ausgang des Umformers eine Spannung, die den zulässigen Wert übersteigt, so werden auf die Ventile, die zu diesem Zeitpunkt sich in nichtleitendem Zustand befinden, Steuerimpulse gegeben.
Gleichzeitig wird ein Abschaltsignal für die Umformerspeisespannung gegeben. Das Speisespannungsabschaltsignal kann auch nach der Aufhebung der Überspannung am Umformer gegeben werden. Die auf die nichtleitenden Ventile gegebenen Steuerimpulse tragen dazu bei, dass die Spannung am Ausgang des Umformers unabhängig davon, wie schnell die Speisespannung abgeschaltet wird, sofort zu sinken und nach dem Nulldurchgang wieder mit umgekehrtem Vorzeichen anzusteigen beginnt.
Nimmt die Spannung wieder einen gefährlichen Wert an, so gibt man ein Signal zum Öffnen der anderen nichtleitenden Ventilgruppe und so fort, bis die über spannung aufgehoben bzw. die Speisespannung abgeschaltet ist.
In einigen Fällen kann die erwähnte Frequenzumformerschutzart ein Umkippen des Wechselrichters hervorrufen, jedoch ist dies nicht gefährlich, da der Kurzschlusszustand für die Ventile weniger gefährlich als eine Überspannung ist und sich ausreichend schnell durch Abschalten der Speisespannung beseitigen lässt.
Die beschriebene Frequenzumformerschutzart kann mit Hilfe der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Einrichtung realisiert werden.
Die Einrichtung enthält einen autonomen Wechselrichter mit Steuerventilgruppen 1 und 2, einen Aus gangstransformator 3, einen Kommutierungskondensa- tor 4, eine Belastung 5 und eine Drossel 6. Die Steue rung des Wechselrichters erfolgt durch ein System, bestehend aus Impulstransformatoren 7 und 8, Ausgangsverstärkern 9 und 10 und einem Steuergenerator 11.
An den Ausgangstransformator 3 ist der Messtransformator 12 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung über Dioden 13 und 14 mit empfindlichen Elementen 15 und 16 verbunden ist. Die Ausgänge der Elemente 15 und 16 sind mit einem logischen ODER-Element 17 und über Trenndioden 18, 19, 20 und 21 mit dem Steuersystem des Wechselrichters, d. h. mit den Eingängen der Verstärker 9 und 10, verbunden.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt.
In normalem Betriebszustand werden die Ventilgruppen 1 und 2 abwechselnd durch die von den Verstärkern 9 und 10 und den Transformatoren 7 und 8 erzeugen Impulse geöffnet. Am Ausgang des Transformators 3 entsteht eine Wechselspannung, deren Frequenz durch die Frequenz des Steuergenerators 11 bestimmt wird.
Übersteigt der Momentanwert der Wechselspannung (hunter Berücksichtigung des Transformationsverhältnisses des Messtransformators 12) die Ansprechschwelle der empfindlichen Elemente 15 und 16 nicht, so erscheint an deren Ausgang kein Signal. Falls jedoch bei plötzlicher änderung der Belastung in einer der Halbperioden der Momentanwert der Ausgangsspannung den zulässigen Wert überstiegen hat, so spricht eins der beiden empfindlichen Elemente 15 und 16 an, worauf dieses über die Diode 18 bzw. 20 ein Steuersignal auf den Eingang des Verstärkers 9 bzw. 10 gibt.
Infolgedessen wird auf die dem ansprechenden der empfindlichen Elemente 15 oder 16 zugeordnete Ventilgruppe 1 oder 2, die sich zu diesem Zeitpunkt in nichtleitendem Zustand befindet, ein Öffnungsimpuls gegeben, und zwar vor dem Eintreffen des entsprechenden Signals vom Steuergenerator. Gleichzeitig wird über das ODER Element 17 ein Signal zum Abschalten der Wechselrichterspeisung, beispielsweise zum Sperren des steuerbaren Gleichrichters (nicht gezeigt) des Frequenzumformers gegeben.
PATENTANSPRÜCHE
I. Verfahren zum Schutz eines Ventil-Frequenzumformers, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten einer Überspannung an den Umformerventilen auf die sich zu diesem Zeitpunkt in nichtleitendem Zustand befindlichen Ventilgruppen Steuerimpulse gegeben werden, wodurch die erwähnten Ventilgruppen geöffnet werden und die resultierende Spannung am Ausgang des Umformers absinkt.
II. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I, mit einem Messtransformator (12), dessen Primärwicklung mittelbar oder unmittelbar an die Ventile des Frequenzumformers geführt ist, und mit miL der Sekundärwicklung verbundenen Elementen (15, 16), die beim Auftreten einer Uberspan- nung am Umformer ansprechen und Signale zum Abschalten seiner Speisespannung liefern, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (15, 16) über Schaltelemente (18, 20), mit der Steuervorrichtung (9, 10) des Umformers verbunden sind und dieser Steuerimpulse zum öffnen der sich beim Auftreten der Überspannung in nichtleitendem Zustand befindlichen Ventilgruppen zuführen.
Method and device for protecting a valve frequency converter
The present invention relates to a method for protecting a valve frequency converter and a device for carrying out the method.
It is well known that in the event of an interruption or a short circuit in the load, depending on the circuit type of the commutation capacitors, overvoltages occur in frequency converters, which can cause electrical breakdown of the individual elements of the circuit or failure of the valves (especially the thyristors).
A type of frequency converter protection is known in which the circuit of the inverter is protected by surge arresters which are placed in parallel with the valves or the windings of the output transformer.
However, this type of protection can only be used for high-voltage frequency converters and cannot be used for low voltages, which are characteristic of thyristor converters, as there are currently no sufficiently reliable and powerful arresters.
In some cases, to protect the frequency converter, additional controllable valves are used, which are inserted into the various components of the circuit. This degree of protection is sufficiently reliable, but it increases the total number of valves used, which complicates the converter.
A type of high voltage protection is also known in which the supply of control pulses to the valves is interrupted and the supply to the valves is switched off (see, e.g., USSR Patent No. 143 117, Class 21d2, 12/03).
The method mentioned does not ensure reliable protection of the valves in the event of rapidly rising high voltage, since the inverter valves can be damaged during the time required to switch off the supply voltage, for example by blocking the supply rectifier.
The purpose of the present invention is to overcome the shortcomings mentioned.
The invention is based on the object of creating overvoltage protection for valve frequency converters which has a sufficient speed of action and operates reliably.
This object is achieved according to the invention in that when an overvoltage occurs at the converter valves, control pulses are given to the valve groups that are in the non-conductive state at that time, whereby the valve groups mentioned are opened and the resulting voltage at the output of the converter drops.
The device for carrying out the above-mentioned method with a measuring transformer, the primary winding of which is led directly or indirectly to the valves of the frequency converter, and with elements connected to the secondary winding, which respond when an overvoltage occurs on the converter and deliver signals to switch off its supply voltage, is according to the invention characterized in that the elements are connected to the control device of the converter via switching elements and supply control pulses to the converter to open the valve groups which are in a non-conductive state when the overvoltage occurs.
Isolating diodes are preferably used as switching elements.
For a better understanding of the invention, the proposed method and an exemplary embodiment of the protective device are described in detail below with reference to the basic circuit diagram.
The overvoltage protection of the frequency converter consists of the following:
If a voltage appears at the output of the converter that exceeds the permissible value, control pulses are sent to the valves that are in a non-conductive state at this point in time.
At the same time, a switch-off signal for the converter supply voltage is given. The supply voltage switch-off signal can also be given after the overvoltage has been removed from the converter. The control impulses given to the non-conductive valves contribute to the fact that the voltage at the output of the converter, regardless of how quickly the supply voltage is switched off, drops immediately and starts to rise again with the opposite sign after the zero crossing.
If the voltage assumes a dangerous value again, a signal is given to open the other non-conductive valve group and so on until the overvoltage is removed or the supply voltage is switched off.
In some cases, the type of frequency converter protection mentioned can cause the inverter to tip over, but this is not dangerous because the short-circuit condition is less dangerous for the valves than an overvoltage and can be eliminated quickly by switching off the supply voltage.
The type of frequency converter protection described can be implemented with the aid of the device shown in the accompanying drawing.
The device contains an autonomous inverter with control valve groups 1 and 2, an output transformer 3, a commutation capacitor 4, a load 5 and a choke 6. The inverter is controlled by a system consisting of pulse transformers 7 and 8 and output amplifiers 9 and 10 and a control generator 11.
The measurement transformer 12 is connected to the output transformer 3, the secondary winding of which is connected to sensitive elements 15 and 16 via diodes 13 and 14. The outputs of the elements 15 and 16 are connected to a logical OR element 17 and via isolating diodes 18, 19, 20 and 21 to the control system of the inverter, i.e. H. connected to the inputs of amplifiers 9 and 10.
The setup works as follows.
In the normal operating state, the valve groups 1 and 2 are opened alternately by the pulses generated by the amplifiers 9 and 10 and the transformers 7 and 8. An alternating voltage is produced at the output of the transformer 3, the frequency of which is determined by the frequency of the control generator 11.
If the instantaneous value of the alternating voltage (h taking into account the transformation ratio of the measuring transformer 12) does not exceed the response threshold of the sensitive elements 15 and 16, no signal appears at their output. If, however, with a sudden change in the load in one of the half-periods the instantaneous value of the output voltage has exceeded the permissible value, one of the two sensitive elements 15 and 16 responds, whereupon it sends a control signal to the input of the amplifier 9 via the diode 18 or 20 or 10 there.
As a result, the valve group 1 or 2 assigned to the responsive of the sensitive elements 15 or 16, which is in the non-conductive state at this point in time, is given an opening pulse before the corresponding signal from the control generator arrives. At the same time, a signal is given via the OR element 17 to switch off the inverter supply, for example to block the controllable rectifier (not shown) of the frequency converter.
PATENT CLAIMS
I. A method for protecting a valve frequency converter, characterized in that when an overvoltage occurs at the converter valves, control pulses are given to the valve groups that are in the non-conductive state at this point in time, whereby the valve groups mentioned are opened and the resulting voltage at the output of the converter sinks.
II. Device for carrying out the method according to claim I, with a measuring transformer (12), the primary winding of which is led directly or indirectly to the valves of the frequency converter, and with elements (15, 16) connected to the secondary winding, which when an overvoltage occurs response to the converter and deliver signals to switch off its supply voltage, characterized in that the elements (15, 16) via switching elements (18, 20) are connected to the control device (9, 10) of the converter and this control pulses to open the if the overvoltage occurs, feed valve groups that are in a non-conductive state.