DE3128638A1 - Circuit arrangement for protecting converter components against overvoltages - Google Patents

Circuit arrangement for protecting converter components against overvoltages

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DE3128638A1 DE19813128638 DE3128638A DE3128638A1 DE 3128638 A1 DE3128638 A1 DE 3128638A1 DE 19813128638 DE19813128638 DE 19813128638 DE 3128638 A DE3128638 A DE 3128638A DE 3128638 A1 DE3128638 A1 DE 3128638A1
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Jochen Dr.-Ing. 8399 Ruhstorf Schörner
Johann Dipl.-Ing. 8399 Griesbach Wimmer
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schutz der Bauelemente, insbesondere der Halbleiter eines Umrichters mit Stromzwischenkreis gegen Oberspannungen. In der Literatur werden Einrichtungen zum Schutz der Bauelemente gegen Überspannungen beschrieben, die durch netzseitige Störungen entstehen (Offen!egungsschrift 29 24 729 vom 16.06.1979). Die vorliegende Erfindung beschreibt Maßnahmen, die die Halbleiter auch gegen unzulässige. Oberspannungen schützen, die durch motorseitige Störungen entstehen. Es lassen sich im wesentlichen folgende Überspannungserzeugende Störursachen unterscheiden:The invention relates to a device for protecting the components, in particular the semiconductor of a converter with an intermediate circuit against high voltages. The literature describes devices for protecting the components against overvoltages caused by network-side disturbances arise (Offen! zungsschrift 29 24 729 from 06/16/1979). The present Invention describes measures that the semiconductors also against impermissible. Protect high voltages caused by malfunctions on the motor side. It The following causes of overvoltage can be distinguished:

1. Ereignisse, die zu einer Stromflußunterbrechung oder einer raschen Stromänderung führen und damit an den systembedingten Induktivitäten Oberspannungen hervorrufen. Hierzu zählen:1. Events that lead to an interruption in the flow of electricity or a rapid one Lead to a change in current and thus cause high voltages in the system-related inductances. Which includes:

. Leitungsunterbrechung zwischen Motor und Umrichter durch Schaltglieder . Line interruption between motor and converter due to switching elements

Bei den meisten Anwendern ist in der Nähe des Motors aus Sicherheitsgründen ein Schalter angebracht, der in Notfällen oder bei Wartungsarbeiten geöffnet wird. Da bei den bisher bekannten Ausführungen von Stromzwischenkreisumrichtern eine betriebsmäßige Unterbrechung der Motorzuleitung nicht zulässig ist, mußte dieser Schalter entweder in die Netzzuleitung des Umrichters eingefügt sein - dies bedeutet einen erheblichen Mehraufwand in der Verkabelung - oder es waren zusätzliche Verriegelungskreise erforderlich. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Motorzuleitung auch bei maximalem Betriebsstrom unterbrochen werden, ohne daß der Umrichter Schaden nimmt. Dadurch entfällt der beschriebene Zusatzaufwand.For most of the users, it is near the engine for safety reasons a switch is attached, which is opened in an emergency or during maintenance work. As in the previously known versions In the case of DC link converters, an operational interruption of the motor supply line is not permitted, this must be done Switches can either be inserted in the power supply line of the converter - this means a considerable amount of additional work in terms of cabling - or additional interlocking circuits were required. With the circuit arrangement according to the invention, the motor lead interrupted even at maximum operating current without damaging the converter. This eliminates the one described Additional effort.

, Leitungsunterbruch zwischen Motor und Umrichter, Line break between motor and converter

Infolge der häufigen Rüttelbeanspruchung der Motoren kann betriebsmäßig ein ungewolltes Lockern einer oder mehrerer Kabel verbindungen erfolgen, so daß ebenfalls eine Stromunterbrechung erfolgt.As a result of the frequent vibration of the engines, an unintentional loosening of one or more cable connections can occur during operation take place, so that there is also a power interruption.

. Schaltvorgänge am Umrichterausgang bei Mehrmotorenantrieben. Switching operations at the converter output with multi-motor drives

Bei Mehrmotorenantrieben sind die einzelnen Motoren durch diskrete Motorschutzschalter geschützt. Je nach momentaner Stromaufnahme können bei Ansprechen eines Schutzschalters Überspannungen erzeugt werden.In the case of multi-motor drives, the individual motors are discrete Motor protection switch protected. Depending on the current consumption, overvoltages can be generated when a circuit breaker is triggered.

2. Ereignisse, die zu übergroßen Spannungen an den Kommutierungskondensatoren und damit zu Überspannungen im Umrichterausgang führen:2. Events that lead to excessive voltages on the commutation capacitors and thus lead to overvoltages in the converter output:

. Kippen des Motors. Overturning the engine

Ein Kippen des Motors kann durch Fehleinstellungen bei der Inbetriebnahme, fehlerhafte Regler oder mechanisches Blockieren der Arbeitsmaschine auftreten.The motor can stall due to incorrect settings during commissioning, faulty controllers or mechanical blocking of the driven machine.

. Fehl abstimmung von Umrichter und Motor. Incorrect coordination of converter and motor

Da bei Stromzwischenkreisumrichtern der angeschlossene Motor Bestandteil des Kommutierungskreises ist, sind bei Motoren mit Sonderdaten Fehlabstimmungen und damit überhöhte Spannungen an den Kommutierungskondensatoren möglich.Since the connected motor is part of the commutation circuit in DC link converters, there are special data for motors Incorrect tuning and thus excessive voltages on the commutation capacitors are possible.

Mit der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung wird erreicht, daß bei den genannten Störfalllen die Umrichterbauelemente nicht zerstört werden. Dies geschieht dadurch, daß die erfindungsgemäße Anordnung bei Erreichen einer Grenzspannung den Umrichterausgang über einen Schutz-Thyristor und einen Schutzwiderstand kurzschließt. Die Bauelemente der Schutzeinrichtung sind hierbei so ausgelegt, daß sie kurzzeitig den maximalen Gerätestrom führen können, ohne thermisch zerstört zu werden. Bei Ansprechen der Schutzeinrichtung werden gleichzeitig stromabbauende Maßnahmen über die Umrichtersteuerung eingeleitet, wie dies in den Unteransprüchen näher erläutert ist.With the protective device according to the invention, it is achieved that the converter components are not destroyed in the aforementioned malfunctions. This is done in that the arrangement according to the invention when reaching a Limit voltage short-circuits the converter output via a protective thyristor and a protective resistor. The components of the protective device are designed in such a way that they can briefly carry the maximum device current without being thermally destroyed. When the protective device responds, current-reducing measures are taken via the converter control at the same time initiated, as explained in more detail in the subclaims.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind, daß sie teilweise die TSE-Beschaltung der Wechselrichterblockdioden ersetzt und daß sie unabhängig von der Stromversorgung des Umrichters arbeitet. Die Schützeinrichtung kann damit auch Störfälle beherrschen, bei denen die Oberspannung durch fehlerhafte Stromversorgung des Umrichters verursacht wurde.Further advantages of the arrangement according to the invention are that they are partially the TSE wiring of the inverter block diodes replaced and that they are independent from the drive's power supply is working. The contactor device can thus also control accidents in which the high voltage was caused by a faulty power supply to the converter.

Die weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist anhand einer Figur beschrieben.The further embodiment of the arrangement according to the invention is based on a Figure described.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 Blockschaltbild des Umrichters mit Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung.Fig. 1 Block diagram of the converter with a basic circuit diagram the protective device according to the invention.

Der Netzgleichrichter 1 bildet zusammen mit der Zwischenkreisdrossel 2, dem Wechselrichter 3 und der Steuerung 4 den Umrichter mit Stromzwischenkreis. Am Ausgang des Umrichters ist beispielsweise über ein mechanisches Schaltglied 5 eine Asynchronmaschine 6 als Last angeschlossen. Die Umrichterausgangsspannung wird in den Gleichrichterdioden 7 - 12 der Schutzeinrichtung gleichgerichtet und in der RC-Schaltung 13, 14 geglättet. Diese geglättete Gleichspannung U^ wird einem passiven elektronischen Grenzwertschalter 15, wie es z.B. eine Kippdiode darstellt, zugeführt. Im normalen Betrieb liegt Uj unter der Ansprechschwelle des Grenzwertschalters. Der Schutz-Thyristor ist gesperrt, in den Dioden 7-12 fließt nur der Strom, der zur Deckung der Verluste im Bedämpfungswiderstand 14 benötigt wird, öffnet man nun bei laufender Maschine den Schalter 5, so wird über die Drossel 2 der Kondensator in sehr kurzer Zeit aufgeladen, bis die Ansprechschwelle des Grenzwertschalters erreicht ist. Durch den Grenzwertschalter wird der Schutz-Thyristor gezündet, der nun über den Widerstand 17 den Umrichterausgang kurzschließt. Der Widerstand 17 ist so dimensioniert, daß er auch bei max. Umrichterstrom keine Spannungen erzeugt, die über der Grenzspannung liegen. Gleichzeitig mit der Zündung des Schutz-Thyristors wird über die Umrichtersteuerung der Umrichter abgeschaltet, wie dies in den Unteransprüchen näher erläutert ist. Mit der Abschaltung des Umrichters wird an die Peripherie eine Störmeldung weitergeleitet. Nach Beseitigung der Störursache und Quittierung der StOrmeldung ist der Umrichter wieder betriebsbereit.The mains rectifier 1, together with the DC link reactor 2, the inverter 3 and the controller 4 the converter with an intermediate circuit. At the output of the converter is, for example, a mechanical Switching element 5 connected to an asynchronous machine 6 as a load. The inverter output voltage is rectified in the rectifier diodes 7 - 12 of the protective device and smoothed in the RC circuit 13, 14. This smoothed DC voltage U ^ is a passive electronic limit switch 15, as e.g. a breakover diode is supplied. In normal operation lies Uj below the response threshold of the limit switch. The protection thyristor is blocked, only the current that is required to cover the losses in the damping resistor 14 flows in the diodes 7-12, you now open at If the machine is running, switch 5, then the capacitor 2 is switched on via the choke 2 charged in a very short time until the response threshold of the limit switch is reached. The protective thyristor is activated by the limit switch ignited, which now short-circuits the converter output via resistor 17. The resistor 17 is dimensioned in such a way that it can also operate at a maximum converter current no voltages generated that are above the limit voltage. Simultaneously with the ignition of the protective thyristor, the inverter control of the Inverter switched off, as is explained in more detail in the subclaims. When the converter is switched off, a fault message is sent to the periphery forwarded. After eliminating the cause of the fault and acknowledging the fault message the inverter is ready for operation again.

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Claims (1)

LOHER GMBH., 8399 KüHSTOKF/BOTTLOHER GMBH., 8399 KüHSTOKF / BOTT Schaltungsanordnung zum Schutz νότε Umrichterhauelementen gegen Überspannungen. Circuit arrangement for protecting νότε converter components against overvoltages. PatentansprücheClaims f 1. /Schaltungsanordnung zum Schutz der Bauelemente in Umrichter-—schaltungen mit Stromzwischenkreis gegen Überspannungen/ dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichterausgangsspannung in einer Diodenbrücke gleichgerich-» tet und in einem parallelgeschalteten RC-Glied bedämpft wird und daß bei Übersteigen einer Grenzspannung ein zum RC-Glied parallelgeschalteter Schutz-Thyristor gezündet wird,der den Urnrichterausgang über einen Schutzwiderstand kurzschließt, so daß die Umrichterausgangsspannung einen vorgebbaren Grenzwert nicht überschreiten kann und daß bei Durchzünden des Schutz-Thyristors eine Meldung an die Umrichtersteuerung erfolgt, von der weitere Maßnahmen zur Umrichterabschaltung abgeleitet werden. f 1. / Circuit arrangement for protecting the components in converter -— circuits with an intermediate circuit against overvoltages / characterized in that the converter output voltage is rectified in a diode bridge and attenuated in a parallel-connected RC element and that when a limit voltage is exceeded, a to the RC -Guide of a protective thyristor connected in parallel is ignited, which short-circuits the main converter output via a protective resistor so that the converter output voltage cannot exceed a predeterminable limit value and that if the protective thyristor blows, a message is sent to the converter control, from which further measures for converter shutdown are derived . 2· Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Bedämpfung der Umrichterausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die der Diodenbrücke parallelgeschaltete RC-Kombination so ausgelegt wird, daß sie zum einen eine summarische TSE-Beschaltung der Entkoppelungsdioden des Wechselrichters darstellt und zum anderen kurzzeitige vorübergehende Spannungsspitzen auffängt·2 circuit arrangement according to claim 1 for damping the converter output voltage, characterized, that the diode bridge connected in parallel RC combination is designed so that on the one hand a summary TSE wiring of the decoupling diodes of the inverter and on the other hand it absorbs short-term, temporary voltage peaks 3· Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 und 2 zur Dimensionierung von Gleichrichterdioden und Schutz-Thyristor, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichrichterdioden und Schuta-Thyristor kurzzeitig den technisch möglichen Umrichtergrenzstrom führen können, ohne thermisch zerstört zu werden. 3 · Circuit arrangement according to claims 1 and 2 for dimensioning rectifier diodes and protective thyristor, characterized in that rectifier diodes and Schuta thyristor can briefly carry the technically possible converter limit current without being thermally destroyed. 4. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 und 3 zur Dimensionierung des Ohm-Wertes des Schutzwiderstandes, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert so bemessen wird, daß auch beim technisch möglichen Umrichtergrenzstrom, der kurzzeitig durch diesen Widerstand fließen-kann, keine Spannungen auftreten, die über der Grenzspannung liegen.4. Circuit arrangement according to claims 1, 2 and 3 for dimensioning the ohm value of the protective resistor, characterized that the resistance value is dimensioned in such a way that even with the technically possible converter limit current, the this resistance can flow, no voltages occur over the limit voltage. 5. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 4 zur Dimensionierung der Leistung von Gleichrichterdioden, Schutz-Thyristor und Schutzwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß die angesprochenen Bauelemente den durch die Restspannung der angeschlossenen Maschine hervorgerufenen Strom führen können, ohne thermisch zerstört zu werden.5. Circuit arrangement according to claims 1 to 4 for dimensioning the Power of rectifier diodes, protective thyristor and protective resistor, characterized in that the addressed Components can carry the current caused by the residual voltage of the connected machine without being thermally destroyed. 6. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 5 zur Festlegung der Grenzspannung, bei der die Schutzeinrichtung anspricht, dad ure h gekennzeichnet, daß der Schutz-Thyristor bei einer Spannung gezündet wird, bei der auch unter ungünstigsten Voraussetzungen für den Störfall, d.h. bei maximalem Umrichterstrom, keine Zerstörungen durch Oberspannungen an den Umrichterhalbleitern auftreten.6. Circuit arrangement according to claims 1 to 5 for determining the limit voltage, at which the protective device responds, dad ure h characterized in that the protection thyristor at a Voltage is ignited at which, even under the most unfavorable conditions for the incident, i.e. at maximum converter current, no destruction due to high voltages on the converter semiconductors. 7. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 6 zur Erzeugung eines Zündbefehls für den Schutz-Thyristor, dadurch- gekennzeichnet, daß der Schutz-Thyristor von einem passiven Schaltglied angesteuert wird, welches bei der zulässigen Grenzspannung anspricht, so daß die Schutzmaßnahme unabhängig von der Umrichtersteuerung wirkt und daß gleichzeitig mit dem Zündbefehl eine Störmeldung an die" Umrichtersteuerung gegeben wird.7. Circuit arrangement according to claims 1 to 6 for generating an ignition command for the protective thyristor, characterized that the protective thyristor is controlled by a passive switching element, which responds at the permissible limit voltage, so that the protective measure is independent of the converter control takes effect and that at the same time as the ignition command, a fault message is sent to the "inverter control". 8. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 7 zur Weiterverarbeitung der Störmeldung in der Umrichtersteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß im Störungsfalle derjenige Wechselrichterthyristor gezündet wird, der zu dem gerade stromführenden in Serie liegt,' so daß die Wechselrichterbrücke kurzgeschlossen und damit die Maschine elektronisch vom Umrichter abgekoppelt wird, und daß gleichzeitig mit der Zündung des Wechselrichterthyristors die Zündimpulse des Netzstromrichters gesperrt werden, so daß der Umrichterstrom zu Null abnimmt.8. Circuit arrangement according to claims 1 to 7 for further processing of the Fault message in the converter control, characterized that in the event of a fault that inverter thyristor is ignited, which is in series with the current-carrying one, ' so that the inverter bridge is short-circuited and thus the machine is electronically decoupled from the converter, and that at the same time as the ignition of the inverter thyristor, the ignition pulses of the power converter are blocked, so that the converter current decreases to zero.
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