DE4330381A1 - Schutzschaltung für einen Stromkreis mit einer Kondensatorschaltung - Google Patents
Schutzschaltung für einen Stromkreis mit einer KondensatorschaltungInfo
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer
Schutzschaltung für einen Stromkreis mit einer
Kondensatorschaltung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die
Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der
DE 37 10 799 A1 bekannt ist. Dort ist bei einer
Wechselrichterschaltung in Reihenschaltung zu Kondensatoren
eine Schmelzsicherung vorgesehen, die durchschmilzt und den
Schaltkreis unterbricht, wenn ein Gleichstromkondensator
kurzgeschlossen wird. Es vergeht eine Zeitspanne von
einigen 100 ms ab dem Zeitpunkt des Kurzschlusses der
Leitungen der Wechselrichterschaltung, bevor ein Detektor
für das Durchschmelzen der Sicherung verzögert diesen
Kurzschluß wahrnimmt. Wahrgenommen wird nur ein interner
Kurzschluß eines Gleichstromkondensators. Bei einem
internen Kurzschluß eines Kondensators werden dadurch die
zugehörigen Geräte und Schaltungen geschützt. Anstelle der
Schmelzsicherung kann auch für Gruppen von in Reihe
geschalteten Gleichstromkondensatoren als Störungsdetektor
ein Differentialverstärker vorgesehen sein, der eine
Störung anhand einer Potentialdifferenz detektiert.
Für Traktionsstromrichter, die erhöhten Vibrations- und
Stoßbeanspruchungen ausgesetzt sind, ist der Einsatz
herkömmlicher Schmelzsicherungen auf Grund ihrer geringen
Zuverlässigkeit nicht möglich bzw. von den Bahnbetreibern
unerwünscht. Schmelzsicherungen sind große Bauelemente mit
viel Verkabelungsaufwand, die hohe Gegenspannungen
aufbauen, was für den Betrieb von Stromrichtern mit
abschaltbaren Halbleitern störend ist. Geforderte
Ansprechempfindlichkeiten von weniger als 100 µs sind
schwer, wenn überhaupt, ausführbar.
Durch Gerald Kainz, "Keramische Kaltleiter schützen
elektronische Schaltungen", Siemens Components 28 (1990)
Heft 1, S. 13-16, ist es für die
Niederspannungsinstallationstechnik und Hausgerätetechnik
bekannt, keramische Kaltleiter anstelle herkömmlicher
Schmelzsicherungen z. B. zum Überlastschutz in Reihe zum
Verbraucher, zur Schaltverzögerung, als Motorschutz, als
Heizelement mit Thermostateigenschaft und für die Meß- und
Regeltechnik zu verwenden. Nach Beseitigung der Störung ist
ein kurzzeitiges Trennen des Kaltleiters von der
Versorgungsspannung notwendig, um dem Kaltleiter
Gelegenheit zu geben, hinreichend abzukühlen. Die für diese
Schutzfunktionen ausreichenden Schaltverzögerungen bewegen
sich im Bereich von einigen Sekunden. Bei Anlagen der
Leistungselektronik wird diese Schutzfunktion von einem
Anlagenhauptschalter ausgeübt, der im Fall von Überlast
oder Kurzschlüssen die Anlage vom Netz trennt.
Aus der US-A-4,583,146 ist es bekannt, parallel zu einem
mechanischen Unterbrecherkontakt einen Kaltleiter und einen
Varistor zu schalten.
Aus der DE 41 42 523 A1 ist es bekannt, in einem klein
dimensionierten rohr- oder plattenförmigen
Widerstandskörper hoher Nennstromtragfähigkeit und hoher
Spannungsfestigkeit einen Kaltleiter und einen Varistor zu
vereinen.
Eine Vergrößerung einer di/dt-Begrenzungsdrossel im
Strompfad von Hauptventilen der Stromrichter könnte zwar
den Kurzschlußstrom begrenzen, sie hätte jedoch erhöhte
Verluste im Dauerbetrieb zur Folge.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist,
löst die Aufgabe, eine Schutzschaltung für einen Stromkreis
mit einer Kondensatorschaltung der eingangs genannten Art
derart weiterzuentwickeln, daß infolge von Störungen
auftretende Überströme sofort begrenzt werden.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die
Schutzeinrichtung reversibel arbeitet, lichtbogenfrei
anspricht sowie niederinduktiv und raumsparend einsetzbar
ist. Die Schutzschaltung ist verlustarm, rüttelfest und in
einen bestehenden Kühlkreislauf integrierbar; sie spricht
autonom an und ermöglicht eine flexible Applikation. Die
Zuverlässigkeit des Schutzsystems wird durch zusätzliche
elektronische Baugruppen und Komponenten nicht
beeinträchtigt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann
eine Nennstromtragfähigkeit von einigen 100 A bei einer
Ansprechzeit von ca. 100 µs und bei einem geringen
Bauvolumen des Aktivteils der Schutzschaltung erreicht
werden. Dabei ist eine Kühlung des Aktivteils unerläßlich.
Diese Kühlung kann bei Hochleistungsstromrichtern mit
vorhandener Flüssigkeitskühlung in den Kühlkreislauf
integriert werden. Die Gesamtverluste der Schutzschaltung
sind für die Verlustbilanz des Stromrichters unbedeutend.
Durch Anpassung der Aktivteilbemessung des Kaltleiters kann
das Kurzschlußverhalten der Schutzschaltung den
unterschiedlichen elektrischen Kennwerten verschiedener
Stromrichtertypen flexibel angepaßt werden. Die
konstruktive Gestaltung des Stromrichters wird hierbei nur
geringfügig beeinflußt.
Mit dem erfindungsgemäßen Schutz ist es möglich, die intern
in einem Stromrichter gespeicherte Energie einer
Kondensatorbank von einem Kurzschluß in den
Stromrichterschaltern bzw. Halbleitern zu entkoppeln.
Die räumliche Anordnung des Schutzes erfolgt entweder im
Gleichspannungszwischenkreis oder in den Phasenbausteinen.
Auf Grund der Modularität der Zwischenkreis-
Kondensatorbatterie, die ggf. bis zu 40 parallelgeschaltete
Kondensatoren aufweist, kann der Kurzschlußschutz wahlweise
an einem oder an mehreren parallelgeschalteten
Kondensatoren angeordnet werden. Insbesondere ist es
möglich, zur Begrenzung von Abschaltüberspannungen, einen
oder mehrere der Zwischenkreiskondensatoren ohne
Schutzelement auszuführen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei
spielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine 2Punkt-Stromrichterschaltung mit einem
Antriebsstromrichter, der über einen
Gleichspannungszwischenkreis mit einem
Netzstromrichter verbunden ist, wobei im
Kurzschlußpfad von Kondensatoren des
Gleichspannungszwischenkreises ein reversibler
Kurzschlußstrombegrenzer angeordnet ist,
Fig. 2 eine Stromrichterschaltung gemäß Fig. 1 mit
3Punkt-Stromrichtern,
Fig. 3 ein konstruktives Ausführungsbeispiel der
Anordnung eines reversiblen
Kurzschlußstrombegrenzers an einem Kondensator
und
Fig. 4 eine Schnittansicht zu Fig. 3.
Fig. 1 zeigt einen Netzstromrichter oder 1. Stromrichter
(1), der gleichspannungsseitig über einen
Gleichspannungszwischenkreis (2) mit einem
Antriebsstromrichter bzw. 2. Stromrichter (8) elektrisch
verbunden ist.
Der Gleichspannungszwischenkreis (2) weist zwischen einem
positiven Pol bzw. einer positiven Polplatte (P) und einem
negativen Pol bzw. einer negativen Polplatte (N) ein Filter
zur Dämpfung von Zwischenkreisoberschwingungen aus einer
Reihenschaltung einer Filterdrossel (LF) und eines
Filterkondensators (CF) auf; ferner
Zwischenkreiskondensatoren bzw. Kondensatoren (C1, C2, C3),
wobei die Kondensatoren (C2, C3) mit je einem reversiblen
Kurzschlußstrombegrenzer (3) in Reihe geschaltet sind. Der
reversible Kurzschlußstrombegrenzer (3) weist eine
Parallelschaltung einer in Sperrichtung eines
Kurzschlußpfades gepolten Diode (4), eines Kaltleiters (5),
eines Überspannungsableiters bzw. Varistors (6) und eines
ohmschen Widerstandes (7) auf. Der Kaltleiter (5) ist im
Kurzschlußstrombegrenzer (3) stets vorhanden; Varistor (6),
ohmscher Widerstand (7) und Diode (4) können einzeln oder
in Kombination zu dem Kaltleiter (5) parallelgeschaltet
sein.
Ein Kaltleiter (5) zeigt sog. PTC-Verhalten (PTC =
positiver Temperaturkoeffizient).
Vorzugsweise sind Kaltleiter (5) und Varistor (6) zu einem
Widerstandskörper vereinigt, wie es aus der eingangs
genannten DE 41 42 523 A1 bekannt ist.
Besonders geeignet ist auch ein Widerstandskörper, der
einen Kaltleiter (5) mit einem ohmschen Widerstand (7) in
einem Bauelement vereinigt. Zur Herstellung eines solchen
Widerstandskörpers werden Kaltleiter-Material mit
Kaltleiter-Füllstoff und ein 2. Widerstandsmaterial mit
Widerstands-Füllstoff in eine Polymermatrix aus Duro- oder
Thermoplast eingebettet. Die Füllstoffe haben die Form von
Pulver, Fasern und/oder Plättchen. Der Kaltleiter-Füllstoff
enthält elektrisch leitende Teilchen von Kohlenstoff
und/oder eines Metalles, wie z. B. Nickel, und/oder
mindestens eines Borids, Silizids, Oxids und/oder Karbids,
wie z. B. TiC₂, TiB₂, MoSi₂, V₂O₃. Der Widerstands-
Füllstoff enthält eine dotierte halbleitende Keramik, wie
z. B. auf der Basis von ZnO, SnO₂, SrTiO₃, TiO₂, SiC,
YBa₂Cu₃O7-x, ein Metallgranulat oder einen elektrisch
leitend gemachten Kunststoff. Die Größe des Widerstandes
aus dem 2. Widerstandsmaterial ist etwa 10mal bis 10⁴mal so
groß wie diejenige des Kaltwiderstandes des
Kaltleitermaterials.
Die beiden Stromrichter (1, 8) sind als 2Punkt-Stromrichter
ausgeführt, wobei für den Stromrichter (8) in Fig. 1 nur
zwei Hauptventilzweige mit 2 GTO-Thyristoren (T1, T2) als
Hauptventilen für eine Wechselstromphase, die an einer
Wechselspannungsklemme (10) abgreifbar ist, gezeigt sind.
Für 3phasigen Wechselstrom sind entsprechend 6 gleichartig
aufgebaute Hauptventilzweige erforderlich. Parallel zu
jedem Hauptventil (T1, T2) ist eine Thyristorbeschaltung
(9) vorgesehen, wobei der Übersichtlichkeit halber nur
diejenige zum GTO-Thyristor (T1) dargestellt ist. Es
versteht sich, daß die Thyristorbeschaltung (9) auch eine
andere Schaltung als die dargestellte aufweisen könnte. Im
Strompfad der beiden Hauptventile (T1, T2) ist eine Drossel
bzw. di/dt-Begrenzungsdrossel (L) über einen reversiblen
Kurzschlußstrombegrenzer (3) mit dem positiven Pol (P) des
Gleichspannungszwischenkreises (2) verbunden. In einem
Parallelzweig zur di/dt-Begrenzungsdrossel (L) ist eine
Diode mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschaltet.
Der reversible Kurzschlußstrombegrenzer (3) im 2.
Stromrichter (8) kann entfallen, wenn reversible
Kurzschlußstrombegrenzer (3) im
Gleichspannungszwischenkreis (2) vorgesehen sind.
Andererseits können die reversiblen
Kurzschlußstrombegrenzer (3) im
Gleichspannungszwischenkreis (2) entfallen, wenn ein
reversibler Kurzschlußstrombegrenzer (3) im 2. Stromrichter
(8) vorgesehen ist.
Fig. 2 zeigt als 2. Ausführungsbeispiel eine der Fig. 1
ähnliche Stromrichterschaltung, die anstelle von 1. und 2.
2Punkt-Stromrichtern (1, 8) 1. und 2. 3Punkt-Stromrichter
(11, 12) aufweist. Gleiche Bauelemente sind gleich
bezeichnet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die
Darstellung verzichtet wurde. In einem
Gleichspannungszwischenkreis (2′) ist für jede
Potentialhälfte ein reversibler Kurzschlußstrombegrenzer
(3) in Reihe zu einer Kondensatorbank geschaltet, die
mehrere parallelgeschaltete Kondensatoren aufweist. Der
Vorteil dieser Beschaltung besteht in einer Kostenreduktion
der Schutzbeschaltung, da weniger reversible
Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) benötigt werden, bzw. in
einer geringeren Systemdiversifizierung, da weniger Typen
von reversiblen Kurzschlußstrombegrenzern (3, 3′) für das
Stromrichtersortiment erforderlich sind.
Bei dem 3Punkt-Stromrichter (12) sind zu den Hauptventilen
jedes Hauptventilzweiges di/dt-Begrenzungsdrosseln (L1, L2)
in Reihe geschaltet, welche mit dem positiven Pol (P) bzw.
mit dem negativen Pol (N) des
Gleichspannungszwischenkreises (2′) elektrisch verbunden
sind. Anstelle dieser beiden reversiblen
Kurzschlußstrombegrenzer (3) kann im Nullpunkt- bzw.
Mittelpunktpfad des Stromrichters (12) ein gestrichelt
dargestellter reversibler Kurzschlußstrombegrenzer (3′)
vorgesehen sein, welcher einerseits mit einem
Mittelpunktleiter (13′) dieses Mittelpunktpfades und
andererseits mit einem Mittelpunktleiter (13) des
Gleichspannungszwischenkreises (2′) elektrisch verbunden
ist. Dadurch wird für viele Störfälle ein ausreichender
Schutz bewirkt. Es versteht sich, daß auch bei diesem
Ausführungsbeispiel die reversiblen
Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) im 2. Stromrichter (12)
entfallen können, wenn reversible Kurzschlußstrombegrenzer
(3) im Gleichspannungszwischenkreis (2′) den gewünschten
Schutz gewährleisten, und umgekehrt.
Wichtig ist, daß im Kurzschlußstrompfad mindestens eines
Zwischenkreiskondensators (C2, C3) ein reversibler
Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) vorgesehen ist. Dadurch
werden etwaige Kurzschlußentladeströme der Kondensatoren
(C2, C3) auf Werte begrenzt, die mindestens unterhalb der
Zerstörungsgrenze der passiven Komponenten und der
Stromschienen liegen, idealerweise unterhalb der
Zerstörungsgrenze der aktiven Bauelemente. Die hierfür
erforderlichen Reaktionszeiten der Schutzschaltung liegen
im Bereich von 100 µs.
Die Schutzschaltungen gemäß den Fig. l und 2 gewährleisten
sowohl bei einem Teilkurzschluß als auch bei einem
Vollkurzschluß eines Stromrichters (1, 8; 11, 12) einen
guten Schutz.
Durch die Parallelschaltung einer Diode (4) zu einem
Kaltleiter (5) kann die thermische Dauerstrombelastung der
reversiblen Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) reduziert
werden. Bei Betrieb unter Nennbedingungen leitet die Diode
(4) während einer Halbperiode der Zwischenkreis-
Pulsfrequenz und reduziert so den Effektivstrom. Im
Kurzschlußfall sperrt die Diode (4), und die Schutzfunktion
des reversiblen Kurzschlußstrombegrenzers (3, 3′) ist voll
wirksam.
Läßt man einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren (C1)
ohne reversiblen Kurzschlußstrombegrenzer (3), während die
übrigen Zwischenkreiskondensatoren (C2, C3) einen
aufweisen, so erreicht man einen Schutz gegen
Abschaltüberspannungen. Die Kurzschlußstromamplitude des
Gesamtstromes im Gleichspannungszwischenkreis erhöht sich
jedoch anteilmäßig.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in verschiedenen Ansichten ein
konstruktives Ausführungsbeispiel für eine
induktivitätsarme Anordnung des Kurzschlußschutzes bzw. des
reversiblen Kurzschlußstrombegrenzers (3) mit einem
Kaltleiter (5) an dem Zwischenkreiskondensator (C2).
Hierbei ist der Kurzschlußschutz integraler Bestandteil der
Zwischenkreisverschienung, indem er als elektrische
Verbindung zwischen einer positiven Kondensatorklemme (14)
und der positiven Polplatte (P) angeordnet ist. Der
schichtförmig ausgebildete Kaltleiter (5) ist zwischen
einem Kühlungs- und Kontaktierungselement (16) gelagert,
bezüglich der Zeichenebene nach hinten abgewinkelt und
mittels eines Kontaktierungselementes (17) an der positiven
Polplatte (P) befestigt. Die positive Polplatte (P) ist
durch eine Isolierschicht bzw. Isolierplatte (18) von der
negativen Polplatte (N) getrennt und weist dieser gegenüber
eine typische Gleichspannung von 2,8 kV auf.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht längs einer Schnittebene
A-A′ in Fig. 3 mit Blickrichtung nach rechts. Eine
negative Kondensatoranschlußklemme (15) des Kondensators
(C2) ist mittels einer Kontaktierungsklemme (19) durch eine
Öffnung bzw. ein Fenster (20) in der positiven Polplatte
(P) und in der Isolierplatte (18) an der negativen
Polplatte (N) kontaktiert, die in Fig. 4 nur durch das
Fenster (20) erkennbar ist.
Ein Vorteil dieser Anordnung besteht in einem besonders
platzsparenden und niederinduktiven Anschluß.
Bezugszeichenliste
1, 11 Netzstromrichter, 1. Stromrichter
2, 2′ Gleichspannungszwischenkreise
3, 3′ Kurzschlußstrombegrenzer
4 Diode
5 Kaltleiter
6 Varistor, Überspannungsableiter
7 ohmscher Widerstand
8, 12 Antriebsstromrichter, 2. Stromrichter
9 Thyristorbeschaltung von T1, T2
10 Wechselspannungsklemme von 8, 10
13, 13′ Mittelpunktleiter
14 positive Kondensatoranschlußklemme
15 negative Kondensatoranschlußklemme
16 Kühlungs- und Kontaktierungselement von 5
17, 19 Kontaktierungselemente
18 Isolierschicht, Isolierplatte
20 Öffnung oder Fenster
A-A′ Schnittebene in Fig. 4
C1, C2, C3 Zwischenkreiskondensatoren
CF Filterkondensator
L, L1, L2 Drosseln, di/dt-Begrenzungsdrosseln
LF Filterdrossel
N negativer Pol, negative Polplatte
P positiver Pol, positive Polplatte
T1, T2 GTO-Thyristoren
2, 2′ Gleichspannungszwischenkreise
3, 3′ Kurzschlußstrombegrenzer
4 Diode
5 Kaltleiter
6 Varistor, Überspannungsableiter
7 ohmscher Widerstand
8, 12 Antriebsstromrichter, 2. Stromrichter
9 Thyristorbeschaltung von T1, T2
10 Wechselspannungsklemme von 8, 10
13, 13′ Mittelpunktleiter
14 positive Kondensatoranschlußklemme
15 negative Kondensatoranschlußklemme
16 Kühlungs- und Kontaktierungselement von 5
17, 19 Kontaktierungselemente
18 Isolierschicht, Isolierplatte
20 Öffnung oder Fenster
A-A′ Schnittebene in Fig. 4
C1, C2, C3 Zwischenkreiskondensatoren
CF Filterkondensator
L, L1, L2 Drosseln, di/dt-Begrenzungsdrosseln
LF Filterdrossel
N negativer Pol, negative Polplatte
P positiver Pol, positive Polplatte
T1, T2 GTO-Thyristoren
Claims (10)
1. Schutzschaltung für einen Stromkreis mit einer
Kondensatorschaltung, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß ein reversibler Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) zu mindestens einem Kondensator (C2, C3) des Stromkreises in Reihe geschaltet ist und
- b) daß der reversible Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) einen Kaltleiter (5) aufweist.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der reversible
Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) zu mindestens einer
Kondensatorbank mit mehreren parallelgeschalteten
Kondensatoren in Reihe geschaltet ist.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet,
- a) daß der Stromkreis der Kondensatorschaltung mindestens einen Stromrichter (1, 8; 11, 12) mit mindestens einem Ventilsatz je Wechselstromphase aufweist und
- b) daß ein reversibler Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) zu mindestens einem Hauptventil (T1, T2) des Stromrichters (1, 8; 11, 12) in Reihe geschaltet ist.
4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein reversibler
Kurzschlußstrombegrenzer (3′) zu einem
Mittelpunktleiter (13′) eines Stromrichters (11, 12)
mit 3Punkt-Schaltung in Reihe geschaltet ist.
5. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem
Parallelzweig zu dem Kaltleiter (5) ein Varistor (6)
geschaltet ist.
6. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem
Parallelzweig zu dem Kaltleiter (5) ein ohmscher
Widerstand (7) geschaltet ist.
7. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem
Parallelzweig zu dem Kaltleiter (5) eine Diode (4) in
Sperrichtung eines Kurzschlußpfades geschaltet ist.
8. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der reversible
Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) einen
Widerstandskörper aufweist, welcher gleichzeitig das
physikalische Verhalten eines Kaltleiters (5) sowie das
physikalische Verhalten eines Varistors (6) aufweist.
9. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der reversible
Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) einen
Widerstandskörper aufweist, welcher gleichzeitig das
physikalische Verhalten eines Kaltleiters (5) sowie das
physikalische Verhalten eines ohmschen Widerstandes (7)
aufweist.
10. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der reversible
Kurzschlußstrombegrenzer (3, 3′) eine Kühleinrichtung
(16) aufweist.
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