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Dokumentenidentifikation DE19600547B4 15.11.2007
Titel Schutzschaltung für einen Umrichter für ein elektrisches Netzsytem
Anmelder Mitsubishi Denki K.K., Tokyo, JP
Erfinder Murakami, Shotaro, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Anmeldedatum 09.01.1996
DE-Aktenzeichen 19600547
Offenlegungstag 09.01.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H02H 7/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02J 3/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für den Schutz von in Serie oder parallel geschalteten Umrichtern in einem elektrischen Netz für dessen Stabilisierung gegenüber einem Systemfehler und/oder einem Kurzschlußfehler.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung werden deren technischer Hintergrund kurz zusammengefaßt. Die 14 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung eines gebräuchlichen Umrichters, der in Serie mit einem elektrischen Netz geschaltet ist, der beispielsweise in "Transactions in The National Convention of Industrial Applications Section of The Institute of Electric Engineers of Japan", (1993), Nr. 103, S. 444, offenbart ist. Unter Bezug auf die Figur ist ein SVC vom Selbsterregertyp (selfexcitation type SVC, hiernach als Umrichter bezeichnet) mit der Sekundärwicklung eines Reihentransformators verbunden, der eine Primärwicklung aufweist, die mit einer Phasenstarkstromleitung eines elektrischen Netzes 1 verbunden ist. Der Umrichter 3 ist in Form einer Dreiphasenbrückenschaltung realisiert, die aus GTO-Schaltelementen wie Thyristoren (im folgenden als GTO-Schaltelemente bezeichnet) gebildet sind, an die jeweils Dioden D antiparallel angeschlossen sind, wobei eine Gleichspannungskapazität 6 zum Bereitstellen einer Gleichspannung zwischen den Gleichspannungseingangsleitungen angeschlossen ist und Wechselspannungsausgangsleitungen mit der Sekundärwicklung des Reihentransformators 2 verbunden sind.

Üblicherweise ist der Umrichter 3 parallel an das elektrische Netz 1 zum Erzeugen einer Blindleistung und zum Verbrauchen einer derartigen Blindleistung im Hinblick auf die Sicherung der Stabilisierung des elektrischen Netzes verbunden. Zudem ist durch die Serienverbindung des Umrichters 3 mit dem elektrischen Netz eine Veränderung der Impedanz des elektrischen Netzes 1 möglich. Demnach dient der Umrichter als sehr wirksame Vorrichtung für die Stabilisierung des elektrischen Netzes.

Insbesondere dient der Umrichter zum fortlaufenden Erzeugen einer Wechselspannung, die orthogonal zu einem Systemstrom durch das elektrische Netz fließt. Demnach läßt sich die wirksam werdende Impedanz des elektrischen Netzes verändern, indem die Amplitude der Wechselspannung verändert wird, was funktionsmäßig gleichbedeutend zu einer fortlaufenden Steuerung einer Kapazität ist, die in Serie mit dem elektrischen Netz 1 verbunden ist, und was demnach zur Gewährleistung eines sehr hohen Wirkungsgrades bei der Realisierung der Stabilisierung des elektrischen Netzes führt. Da ansonsten der Umrichter 3 immer die Wechselspannung orthogonal zu dem Systemstrom erzeugt, entfällt die Anforderung, eine geeignete Stromversorgungsquelle auf der Gleichspannung des Umrichters 3 vorzusehen.

Bei dem bisher bekannten üblichen Umrichter mit der obigen Struktur sind die in Serie mit dem elektrischen Netzwerk verbundenen Umrichter für die Stabilisierung des elektrischen Netzes sehr wirksam. Jedoch kann aufgrund der Serienverbindung der Umrichter mit dem elektrischen Netz eine unerwünschte Überspannung in dem Netz bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz oder bei Auftreten eines Fehlers in dem Stromrichtergerät oder bei Abschalten der Stromrichter und demnach bei einer Unterbrechung des Systemstroms auftreten. Demnach treten große Schwierigkeiten bei dem Schutz und der Steuerung des bisher bekannten Stromrichtergeräts auf.

Die DE 33 08 411 C2 beschreibt eine Spannungsversorgung für einen Elektroabscheider; bei der bei einem Abscheiderkurzschluß ein primärseitiger Thyristorsteller sperrbar ist. Darüber hinaus ist parallel zur Primärwirkung des Hochspannungstransformators ein mit Thyristoren aufgebauter Schnellschalter vorgesehen, der gleichzeitig zum Abschalten des stromführenden Thyristors im Thyristorsteller auslösbar ist, um die Spannungsversorgungsschaltung zu schützen.

Die DE 35 17 556 A1 beschreibt einen statischen Wechselrichter, bei dem eine Sicherung ausgelöst werden kann; falls ein Laststrom einen bestimmten Wert übersteigt. Dazu ist eine Anzapfstelle in der Sekundärwicklung eines Transformators sowie eine Steuerschaltung vorgesehen, mit Hilfe derer im Falle eines überhöhten Laststromes der Strom durch die Sicherung weiter erhöht werden kann, um diese auszulösen.

Die US 5 309 346 A zeigt eine Schutzschaltung für einen Umrichter für ein elektrisches Netzsystem. Wenn ein Überstrom im Netzsystem auftritt und dessen Amplitude einen Referenzwert überschreitet wird ein Signal generiert und ein Kondensator durch die Umrichtersteuerung in einem Normalmodus entladen. Sobald der Kondensator entladen ist, werden alle GTO-Thyristoren des Umrichters angeschaltet, um dadurch den Umrichter zu schützen. Erst wenn der fehlerhafte Zustand beendet ist, geht der Umrichter wieder in den Normalmodus über.

Im Lichte des Stands der Technik, wie er oben beschrieben ist, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Schutzschaltung für einen Umrichter, die in der Lage ist, die in Serie mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz mit verbesserter Reaktionsgeschwindigkeit zu schützen.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1, 3 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein Stromrichterschutzgerät für ein elektrisches Netz enthält: jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines elektrischen Netzsystems verbundene Transformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren verbundene Umrichter, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung fließen, eine zweite Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen der Umrichterströme, die zu den Umrichtern jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen fließen, eine Fehlerentscheidungsvorrichtung zum Ausgeben eines Fehlersignals bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des Systemstroms, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls bei Empfang des Fehlersignals, und eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung zum Zuführen eines Steuersignals zu den Umrichtern um die Ausgänge der Umrichter auf Null zu setzen, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl, wenn in dem der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter absinkt.

Mit der oben beschriebenen Struktur der Umrichterschutzschaltung wird die Ausgangsspannung des Umrichters zum Ausgeben einer Wechselspannung orthogonal zu dem Systemstrom so gesteuert, daß sie im wesentlichen Null wird, wenn das Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz auf Grundlage des Systemstroms, der durch die Starkstromleitung fließt, erfaßt wird, indem der Umrichterstrom der Umrichter zu üblicherweise in dem Umrichter enthaltenen Schwungraddioden derart umgeschaltet wird, daß der Umrichterstrom durch die Schwungraddioden fließt, während er die Schaltelemente des Umrichters umgeht. Demnach kann der Umrichter vor einer Zerstörung oder einer Beschädigung aufgrund eines großen Stroms, der bei Auftreten des Systemfehlers erzeugt wird, geschützt werden. Ferner kann der Strom die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters umgehen, ohne daß eine Anforderung für das zusätzliche Vorsehen eines Geräts besteht, das speziell zu diesem Zweck entworfen ist. Weiterhin kann der Betrieb des Umrichters unmittelbar nach Entfernung des Systemfehlers erneut gestartet werden. Demnach kann eine Umrichterschutzschaltung geschaffen werden, die sich mit hoher Zuverlässigkeit bei geringen Kosten realisieren läßt.

Die Umrichterschutzschaltung kann ferner enthalten: einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Transformatoren verbundenen Schalter, und eine Verzögerungsschaltung zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters mit einer Zeitverzögerung bei Empfang des Fehlersignals von der Fehlerentscheidungsvorrichtung fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg.

Bei der oben beschriebenen Umrichterschutzschaltung wird die Ausgangsspannung des Umrichters so gesteuert, daß sie zu Null gesetzt wird, wenn der Systemfehler fortlaufend über eine Zeitdauer vorliegt, die eine zulässige Stromleitzeit der Schaltelemente zum Bilden des Umrichters übersteigt, während der parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossene Leistungsschalter geschlossen wird, damit hierdurch der Umrichterstrom durch den Leistungsschalter unter Umgehung des Umrichters fließt. Aufgrund einer derartigen Anordnung kann der Umrichter gegen einen großen Fehlerstrom selbst dann geschützt werden, wenn der Systemfehler fortlaufend über eine verlängerte Zeitdauer hinweg vorliegt. Demnach läßt sich die Zuverlässigkeit der Umrichterschutzschaltung weiter erhöhen.

Die Umrichterschutzschaltung kann ferner enthalten: jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines elektrischen Netzsystems verbundene in Reihe geschaltete Transformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren verbundene Umrichter parallel mit den Sekundärwicklungen verbundene Halbleiterschaltelemente, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung fließen, und eine Systemfehler-Detektorvorrichtung zum Ausgeben eines Anschaltsignals an die Halbleiterschaltelemente und zum gleichzeitigen Ausgeben eines Abschaltsignals an die Umrichter nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des erfaßten Systemstroms.

Bei dieser Anordnung des oben beschriebenen Umrichtergeräts ist das Halbleiterschaltelement parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen und wird angeschaltet, wenn der Systemfehler erfaßt wird, und zur selben Zeit werden die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters abgeschaltet, damit ein großer Fehlerstrom durch die Halbleiterschalterelemente unter Umgehung der Umrichterschaltelemente fließen kann. Demnach läßt sich der Schutz des Umrichters mit einer einfachen und billigen Struktur gewährleisten.

Die oben beschriebene Umrichterschutzschaltung mit den Halbleiterschaltelementen kann ferner enthalten: einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Transformatoren verbundenen Schalter, und eine Verzögerungsschaltung zum Abgeben eines Signals zum Schließen des Schalters mit einer Zeitverzögerung bei Empfang des Fehlersignals von der Systemfehler-Entscheidungsvorrichtung fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg.

Mit der oben beschriebenen Anordnung des Umrichters wird das parallel mit der Sekundärwicklung des Transformators verbundene Schaltelement bei Erfassung des Systemfehlers angeschaltet, und zur gleichen Zeit werden die Schaltelemente zum Bilden des Umrichters abgeschaltet, damit ein großer Fehlerstrom durch das Halbleiterschaltelement unter Umgehung der Umrichterschaltelemente fließen kann. Anschließend wird dann, wenn der Systemfehler über eine Zeitdauer hinweg fließt, die eine zusätzliche Zeitdauer für die Halbleiterschaltelemente übersteigt, der parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossene Leistungsschalter geschlossen, wodurch der Fehlerstrom über den Leistungsschalter unter Umgehung des Halbleiterschaltelements fließen kann. Mit Hilfe einer derartigen Anordnung kann das Halbleiterschaltelement mit einer geringen Stromkapazität und einer niedrigen thermischen Kapazität benützt werden, was vorteilhaft dahingehend ist, daß sich die Umrichterschutzschaltung mit geringen Abmessungen realisieren läßt.

Die Umrichterschutzschaltung kann ferner einen Chopper enthalten, der im Zusammenhang mit der Sekundärwicklung jedes der Transformatoren vorgesehen ist, damit das Anlegen einer Überspannung an den Umrichter vermieden wird.

Mit der oben beschriebenen Anordnung der Umrichterschutzschaltung kann die Überspannung, die auftreten kann, wenn die Sekundärseite des Transformators geöffnet wird und zwar aufgrund eines Fehlers des Umrichters mit Hilfe des Choppers gehandhabt werden, der parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist. Demnach kann der Umrichter gegen das Anlegen einer Überspannung geschützt werden. Anders ausgedrückt, läßt sich ein Schutz des Umrichters mit höherer Zuverlässigkeit erreichen.

Eine weitere Umrichterschutzschaltung kann enthalten: Transformatoren mit jeweils in Serie zu Phasenstarkstromleitungen verbundenen Starkstromleitungen, wobei bei jedem Transformator eine Sekundärwicklung in mehrere Wicklungsabschnitte unterteilt ist, Gruppen von Umrichtern, die jeweils für die Phasenstarkstromleitungen des elektrischen Netzsystems vorgesehen und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten der Transformatoren verbunden sind, wobei Gleichspannungseingangsleitungen der Umrichter jeweils mit den Sekundärabschnitten einer selben Stufe der Transformatoren für die Phasenstarkstromleitungen und untereinander verbunden sind und jeweils über Schutzsicherungen zu Gleichspannungskapazitäten geführt sind, eine Kurzschlußdetektorvorrichtung, die jeweils im Zusammenhang mit den Umrichtern vorgesehen ist, zum Erfassen. des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in dem Umrichter, eine Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung zum Bestimmen desjenigen sekundären Wicklungsabschnitts, mit dem der Umrichter mit einem Kurzschlußfehler verbunden ist, auf der Grundlage eines von der Kurzschluß-Detektorvorrichtung ausgegebenen Kurzschlußdetektorsignals, und eine Zwangszündschaltung, die bei Festlegen des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in einen der Umrichter anspricht, um diejenige Schmelzsicherung aufzubrechen, die jeweils gemeinsam mit den Gleichspannungs-Eingangsleitungen der Umrichter für die Phasenstarkstromleitungen und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten verbunden ist, und zwar mit einer selben Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts, mit der auch der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler verbunden ist.

Mit Hilfe der oben beschriebenen Struktur der Umrichterschutzschaltung läßt sich ein redundantes System realisieren, da jede Sekundärwicklung des Transformators einzeln in Serie zu der Starkstromleitung des elektrischen Netzes eingefügt ist und in mehrere Abschnitte unterteilt ist, mit einer entsprechenden Zahl von Umrichtern für jede der Starkstromleitungen, wodurch bei Auftreten eines Fehlers bei einem der Umrichter, der für eine Starkstromleitung vorgesehen ist, alle Schaltelemente derjenigen Umrichter, die für die anderen Starkstromleitungen vorgesehen sind und mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten wie der eine Umrichter verbunden sind, angeschaltet werden, um hierdurch die Schutzsicherung zu schmelzen und alle mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten verbundenen Umrichter abzukoppeln. Der Systembetrieb kann fortlaufend mit Hilfe anderer Umrichter fortgesetzt werden, die mit dem (den) anderen Sekundärwicklungsabschnitt (Sekundärwicklungsabschnitten) verbunden ist (sind). Demnach läßt sich ein Merkmal hinsichtlich Ausfallsicherheit der Umrichterschutzschaltung mit geringen Kosten bei niedrigen Abmessungen realisieren.

In der oben beschriebenen Umrichterschutzschaltung können ferner vorgesehen sein:

jeweils parallel mit den Sekundärwicklungen der Transformatoren verbundene Schalter und Verzögerungsschaltungen, die jeweils zum Verzögern des Schließsignals vorgesehen sind, das dem zugeordneten Schalter mit einer festgelegten Verzögerung nach dem Bestimmen des Kurzschlußfehlers durch die Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung zugeführt wird.

Aufgrund der oben beschriebenen redundanten Ausbildung des Stromrichterschutzgeräts mit mehreren Umrichtern für jede der Starkstromleitungen werden bei einem Auftreten eines Fehlers in einem der Umrichter für eine vorgegebene Starkstromleitung all die Schaltelemente derjenigen Umrichter angeschaltet, die für die anderen Starkstromleitungen vorgesehen und mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten wie der eine Umrichter verbunden sind, um hierdurch die Schutzsicherung zu schmelzen und all die Umrichter abzukoppeln, die mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten verbunden sind. Anschließend werden die Leistungsschalter, die parallel mit denselben Sekundärwicklungsabschnitten verbunden sind, zum Auslösen von Kurzschlußströmen unter Umgehung der relevanten Umrichter durch einen Stromfluß über die Leistungsschalter geschlossen. Demnach können selbst dann, wenn der Kurzschlußfehler über eine verlängerte Zeitdauer hinweg fortlaufend vorliegt, die fehlerfreien Umrichter (d.h., die Umrichter, bei denen kein Fehler vorliegt) vor einer Beschädigung oder einer Zerstörung, geschützt werden.

Die oben beschriebene Umrichterschutzschaltung kann weiter enthalten:

jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen eines eletrischen Netzsystems verbundene Transformatoren, jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren verbundene Umrichter, eine erste Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen von Systemströmen, die über die Phasenstarkstromleitung fließen, eine zweite Stromdetektorvorrichtung zum Erfassen der Umrichterströme,

die zu den Umrichtern jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen der Transformatoren fließen, eine Fehlerentscheidungsvorrichtung zum Ausgeben eines Fehlersignals bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers in dem elektrischen Netzsystem auf der Grundlage des Systemstroms, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls bei Empfang des Fehlersignals, und eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung zum Zuführen eines Steuersignals zu den Umrichtern um die Ausgänge der Umrichter zu Null zu setzen, in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl in einem Zeitpunkt, in dem der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter absinkt, eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung zum Steuern eines Steuersignals, das den Umrichtern zugeführt wird, um die Ausgänge der Umrichter in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl zu einem Zeitpunkt zu Null zu setzen, wenn der Umrichterstrom, wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter absinkt, und eine Verzögerungsschaltung jeweils zum Ausgeben eines Schließsignals an die parallel an die Sekundärwicklungen der Transformatoren angeschlossenen Schalter mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen eines Kurzschlußfehlers in den Umrichtern, wie er von der Entscheidungsvorrichtung festgestellt wird, oder mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers durch die Fehlerentscheidungsvorrichtung.

Mit der oben beschriebenen Anordnung der Umrichterschutzschaltung mit redundanter Struktur können die Umrichter nicht nur gegenüber einem Systemfehler, sondern auch gegenüber einem Kurzschlußfehler geschützt werden. Demnach läßt sich die Zuverlässigkeit der Umrichterschutzschaltung erheblich verbessern.

Ferner kann ein Unterbrecherschalter enthalten sein, von denen jeder in Serie zu einer Gleichspannungseingangsleitung und einer Wechselspannungsausgangsleitung jedes einzelnen der Umrichter geschaltet ist.

Mit dieser oben beschriebenen Struktur der Umrichterschutzschaltung werden die Unterbrecherschalter, die jeweils mit einer Gleichspannungseingangsseite und einer Wechselspannungsausgangsseite verbunden sind, in dem Zustand geöffnet, bei dem ein Kurzschlußstrom durch die Leistungsschalter geshuntet wird. Demnach kann der unter dem Fehler leidende Umrichter entfernt werden, ohne daß der Betrieb des elektrischen Netzes unterbrochen werden muß. In anderen Worten wird die Umrichterschutzschaltung im Hinblick auf seine Eignung für eine Pflege verbessert.

Die Umrichterschutzschaltung kann weiter so entworfen sein, daß die parallel mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter anstelle der seriell angeschlossenen Umrichter gegen einen Systemfehler und/oder einen Kurzschlußfehler geschützt sind.

Bei der oben beschriebenen Umrichterschutzschaltung lassen sich die parallel mit dem elektrischen Netz verbundenen Umrichter gegen den Systemfehler und/oder den Kurzschlußfehler schützen.

Die obige Aufgabe, die Merkmale und zugeordneten Vorteile der vorliegenden Erfindung können besser nach dem Wesen der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hiervon, die lediglich beispielhaft erläutert werden, zusammen mit der beiliegenden Zeichnung verstanden werden.

Im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung erfolgt ein Bezug auf die Zeichnung; hierbei zeigen:

1 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer allgemeinen Schaltungsanordnung einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 ein Zeitdiagramm zum Darstellen einer Beziehung zwischen Zündsignalen und einem Systemstrom in einer Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zum Darstellen des Betriebs des Umrichters in einem Zustand, in dem das elektrische Netz normal betrieben wird;

3 ein Zeitdiagramm zum Darstellen einer Beziehung zwischen Zündsignalen und einem Systemstrom bei Auftreten eines Systemfehlers in einer Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

4 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5 ein Zeitdiagramm zum Darstellen des Betriebs der Umrichterschutzschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;

6 ein Schaltdiagramm zum Darstellen einer Anordnung einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

7 ein Schaltdiagramm zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

8 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

9 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

10 ein Schaltdiagramm zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

11 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

12 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Umrichterschutzschaltung für Umrichter, die parallel mit einem elektrischen Netz verbunden sind;

13 ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

14 ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Anordnung eines bekannten Umrichters, der in Serie mit einem elektrischen Netz verbunden ist.

Nun wird die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben, und zwar im Zusammenhang mit den momentan als bevorzugt oder typisch angesehenen Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnung. In der folgenden Beschreibung kennzeichnen gleiche Bezugsbuchstaben gleiche oder entsprechende Teile bei den einzelnen Ansichten.

Ausführungsform 1

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Die 1 zeigt ein schematisches Schaltbild zum allgemeinen Darstellen einer Schaltungsanordnung einer Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Unter Bezug auf die Figur enthält die Umrichterschutzschaltung Transformatoren 2a bis 2c mit Primärwicklungen, die jeweils mit Phasenstarkstromleitungen 1a bis 1c des elektrischen Netzes 1 verbunden sind, wobei Umrichter 3A bis 3C mit den Sekundärwicklungen der Transformatoren 2a bis 2c derart verbunden sind, daß jeweils die Sekundärströme (Umrichterströme) I der Transformatoren 2a bis 2c zu den Umrichtern 3A bis 3C fließen. Die Eingabeleitungen der positiven Polarität oder Pluspolarität (anschließend als Plus-Eingabeleitungen bezeichnet) der Umrichter 3A bis 3C sind gemeinsam verbunden und werden über eine Schutzsicherung 5 mit einem Anschluß einer Gleichspannungskapazität 6 verbunden, während die Eingabeleitungen der negativen Polarität oder Minuspolarität (im folgenden als Minus-Eingabeleitungen bezeichnet) gemeinsam verbunden und zu dem anderen Ende der Gleichspannungskapazität 6 geleitet sind.

Eine Struktur der Schutzschaltung für den Umrichter 3C wird beispielhaft für diejenigen der Umrichter 3A bis 3C beschrieben, und es ist zu erkennen, daß sich die nachfolgende Beschreibung auch auf die Schutzschaltungen für die letzteren bezieht. Die nun betrachtete Schutzschaltung besteht aus einem Stromdetektor 7c, der als zweite Stromdetektorvorrichtung zum Detektieren des Umrichterstroms I des in Reihe geschalteten Transformators 2c dient, eine Strombewertungsschaltung 8 zum Ausgeben eines Impulssignals, wenn der Momentanwert des Umrichterstroms I unterhalb eines zulässigen oder erlaubten Werts liegt, einen Stromdetektor 11, der als erste Stromdetektorvorrichtung zum Detektieren eines Systemstroms I0 dient, eine Systemfehlerdetektorvorrichtung, die als Fehlerentscheidungsvorrichtung dient, mit der entschieden wird, ob ein Systemfehler vorliegt, auf der Grundlage des von dem Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms I0, um hierdurch ein Entscheidungssignal S auszugeben, wenn das Vorliegen eines Systemfehlers festgestellt wird, eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung z.B. in Form eines Schalters 12a, der auf die Eingabe des Entscheidungssignals S reagiert, um in eine Kontaktposition geschaltet zu werden, zum Validieren eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls E0 für den Umrichter 3C, während er ansonsten so positioniert ist, daß er einen Normalausgangsspannungs-Befehl EV von einer Befehlsschaltung für eine normale Ausgangsspannung 14 enthält (die als Ausgangsspannungs-Befehlsvorrichtung dient), eine Impulsgeneratorschaltung 15, die auf den durch den Schalter 12a zugeführten Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl E0 anspricht, damit ein erstes Signal mit dreieckförmigem Signalverlauf zum Erzeugen eines Einfachgatterimpulses (Einfachimpulses) innerhalb eines Zyklus benützt wird, während es auf die Eingabe des Normalausgangsspannungs-Befehls EV über den Schalter 12a anspricht, um hierdurch ein zweites Signal mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen mehrerer Gatterimpulse (Mehrfachimpulse) innerhalb eines Zyklus anspricht, zum Erzeugen eines (pulsbreitenmodulierten) PWM-Gatterimpulses PG, durch Vergleichen des ausgewählten zweiten Signals mit dreieckförmigem Verlauf mit einer Kontrollspannung, die einen Ausgangsspannungsbefehl anzeigt, und eine UND-Schaltung 9, die auf die Eingabe des Impulssignals P der Stromentscheidungsschaltung 8 anspricht, damit hierdurch der Gatterimpuls PG, der von der Impulsgeneratorschaltung 5 ausgegeben wird, jeweils als Zündsingnal 3c1S bis 3c4S zum Anschalten der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 (beispielsweise GTO-Thyristoren) wirkt. An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß die Stromdetektorschaltung 8, die UND-Schaltung 9 und die Impulsgeneratorschaltung 15 so zusammenwirken, daß sie eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung bilden.

Im folgenden wird der Betrieb der Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Wie vorab erläutert, sind die in Reihen geschalteten Transformatoren 2a, 2b und 2c jeweils in Serie zu den Phasenstarkstromleitungen 1a, 1b und 1c des elektrischen Netzes 1 geschaltet. Demnach wird ein Umrichterstrom I, dessen Wert durch das Wicklungsverhältnis bestimmt ist, in der Sekundärseite jedes Transformators 2a, 2b und 2c induziert. Demnach wird der Transformator (beispielhaft durch ein Bezugszeichen 2 gekennzeichnet) in einer Art betrieben, die derjenigen eines Stromwandlers entspricht. Bei dem oben beschriebenen Umrichtersystem ist die Erzeugung und die Steuerung der zu dem Systemstrom I0 orthogonalen Wechselspannung mit Hilfe der Umrichter 3A, 3B und 3C der Wirkung nach jeweils äquivalent zur Einfügung eines variablen Impedanzelements in die Starkstromleitung des elektrischen Netzes zum Zweck der Gewährleistung einer Stabilisierung des elektrischen Netzes.

Nun erfolgt unter Bezug auf die 2, die ein Zeitdiagramm zeigt, eine Ausrichtung der Beschreibung zu dem Betrieb des Umrichters 3C, der für die anderen Umrichter 3A und 3B in dem Fall repräsentativ ist, unter der Annahme, daß sich das elektrische Netz im Normalzustand befindet. Solange ein Auftreten eines Fehlers des elektrischen Netzes 1 nicht durch die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 aufgrund des durch den Stromdetektor 11 erfaßten Umrichterstroms I erfaßt wird, ist der Schalter 12a in die Kontaktposition umgelegt, die der Befehlsschaltung für die normale Ausgangsspannung 14 verbunden ist, in Abhängigkeit von dem Entscheidungssignal S, wodurch eine Steuerspannung auf der Grundlage des Normalausgangsspannungs-Befehls EV über den Schalter 12a bei der Impulsgeneratorschaltung 15 eingegeben wird.

Die Impulsgeneratorschaltung 15 vergleicht die Steuerspannung mit der vorausgewählten Spannung mit dreieckförmigem Signalverlauf, wodurch jeweils Zündsignale 3c1S, 3c2S, 3c3S und 3c4S ausgegeben werden, die jeweils einen Impuls enthalten, und zwar jeweils an die GTO-Schaltelemente 3c1, 3c2, 3c3 und 3c4 mit dem in 2 dargestellten Zeitablauf. Von den vier Zündsignalen 3c1S bis 3c4S sind die Zündsignale (Gattersignale) 3c1S und 3c2S einerseits und die Zündsignale (Gattersignale) 3c3S bis 3c4S jeweils wechselseitig um 180° verschoben, und zwar im Hinblick auf die Phase der Einpegel-Periode (Tastperiode), und sie weisen eine wechselseitig ausschließende Beziehung zueinander auf. Die Zündsignale 3c1S bis 3c4S weisen dieselbe Impulsbreite auf.

Insbesondere sind die Breiten der Zündimpulse sowie deren Ausgabezeitvorgaben so festgelegt, daß vermieden wird, daß GTO-Schaltelemente 3c1 und 3c2 desselben Arms der Umrichterbrückenschaltung gleichzeitig angeschaltet werden, damit das Auftreten eines Kurzschlußfehlers in der Wechselspannungsleitung vermieden wird. Ferner werden zum Erzeugen der Ausgangsspannung V in Übereinstimmung mit dem Normalausgangsspannungs-Befehl EV die Phasen der Zündimpulse 3c2S und 3c4S voneinander verschoben. Hierdurch wird erreicht, daß die Phasen der Zündsignale (Gattersignale) 3c2S und 3c4S einerseits und der Zündsignale (Gattersignale) 3c2S und 3c3S andererseits miteinander über eine festgelegte Zeitdauer während der Ausgabeperiode des Zündsignals überlappen.

Die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 werden jeweils in Abhängigkeit der Zünd- oder Gattersignale 3c1S bis 3c4S angeschaltet, wodurch jeweils Gleichspannungen positiver und negativer Polarität erzeugt werden. Demnach wird eine Umrichterausgangsspannung V erzeugt, die dem Normalausgangsspannungs-Befehl EV entspricht. Die Steuerung der Umrichterausgangsspannung V kann dadurch erreicht werden, daß diejenigen Abschnitte der Ausgabeperioden erhöht oder verringert werden, während der die Zündsignale 3c1S und 3c4Seinerseits und die Zündsignale 3c2S und 3c3S andererseits miteinander überlappen.

Die Zündsignale 3c1S bis 3c4S werden jeweils an die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 mit dem in 2 dargestellten Zeitablauf ausgegeben, wodurch die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 wiederholt an- und abgeschaltet werden. Jedesmal dann, wenn das GTO-Schaltelement abgeschaltet wird, wird der hierdurch fließende Umrichterstrom I mit dem zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Momentanwert unterbrochen. In dem Fall, in dem das Zündsignal aus einem einzigen Gatterimpuls besteht, wird der Umrichterstrom I mit dem in 2 gezeigten Stromwert unterbrochen. Wenn jedoch das Zündsignal durch Mehrfachgatterimpulse aufgebaut wird, werden die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 wiederholt an- und abgeschaltet, und zwar in den Zeitpunkten, die jeweils den Gatterimpulsen entsprechen.

Fließt bei auftreten eines Systemfehlers der Systemstrom I0 mit einer Amplitude, die einem Vielfachen derjenigen des Nennstroms entspricht, so fließt ein entsprechend großer Umrichterstrom I zu jedem der Umrichter 3A, 3B und 3C (im folgenden werden die Umrichter auch gemeinsam durch das Bezugszeichen 3 gekennzeichnet), wobei der Strom durch das Wicklungsverhältnis der Transformatoren 2a, 2b und 2c festgelegt ist (auch gemeinsam durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnet). In dem Fall, in dem bei den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 der Anschalt/Abschaltbetrieb mit den jeweils Mehrfachimpulse enthaltenden Zündsignalen zum Unterbrechen oder Zerhacken des Systemstroms I0 unabhängig von der Amplitude von deren Momentanwerte durchgeführt wird, kann eine Situation auftreten, daß die Umrichter 3 den Betrieb stoppen oder den Systemstrom I0 nicht unterbrechen können, wenn der Systemstrom I0 den -zulässigen Strom (d.h., den Grenzstrom oder die Stromkapazität) der GTO-Schaltelemente übersteigt und den Schutzpegel der Umrichter 3 erreicht, wodurch die Transformatoren 2 in den lastfreien Zustand versetzt werden, was zu einer Überspannung an den Sekundärwicklungen der jeweiligen Transformatoren führt.

Im folgenden wird der Betrieb zum Schützen der Umrichter beschrieben, der bei Auftreten eines Systemfehlers durchgeführt wird, unter Bezug auf ein in 3 gezeigtes Zeitdiagramm. Die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 führt eine Entscheidung durch, ob ein Systemfehler vorgelegen hat oder nicht, auf der Grundlage des Werts des durch den Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms I0. Wird das Auftreten eines Systemfehlers festgestellt, so wird der Schalter 12a durch das Entscheidungssignal S in die Kontaktposition umgeschaltet, bei der die Steuerspannung entsprechend dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl E0 bei der Impulsgeneratorschaltung 5 eingegeben wird. In Übereinstimmung mit dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl E0 wird in der Impulsgeneratorschaltung 15 von der zweiten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen des Mehrfachimpulssignals zu der ersten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zum Erzeugen des Einfachimpuls-Zündsignals gewechselt.

Demnach erzeugt die Impulsgeneratorschaltung 15 ein PWM-Einfachimpulssignal durch Vergleich der Steuerspannung mit der ersten Spannung mit dreieckförmigem Verlauf. In dem Zeitpunkt, in dem der Momentanwert des Umrichterstroms I sich dem Nullwert nähert und in den zulässigen Strombereich fällt, wie in 3 gezeigt ist, gibt die Stromentscheidungsschaltung 8 ein Impulssignal P mit H-Pegel an die UND-Schaltung 9 ab.

Demnach gibt dann, wenn der Umrichterstrom I innerhalb des zulässigen Strombereichs liegt, die UND-Schaltung 9 den von der Impulsgeneratorschaltung 15 zugegührten Einfachimpuls an den Umrichter 3C als Zündsignale 3c1S bis 3c4S ab. In 3 sind jeweils die Zündsignale 3c1S bis 3c4S für die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 gezeigt, zusammen mit dem Umrichterstrom I, und zwar bei Auftreten eines Systemfehlers. Wie sich anhand der Figur erkennen läßt, werden die GTO-Schaltelemenente 3c1 und 3c4 gleichzeitig an-/abgeschaltet, während die GTO-Schaltelemente 3c2 und 3c3 gleichzeitig zueinander an-/abgeschaltet werden. Demnach tritt kein Überlapp während der Anschaltzeitdauer (d.h., der Zeitdauer, während der die GTO-Schaltelemente leitend sind) zwischen den GTO-Schaltelementen 3c1 und 3c4 einerseits und zwischen den GTO-Schaltelementen 3c2 und 3c3 andererseits auf. Somit nimmt die Umrichterausgangsspannung V einen Wert von Null an. Im Ergebnis wird der Umrichter 3C lediglich im Schwungradmodus gültig/validiert, wodurch der Umrichterstrom I durch die Schwungraddioden fließt, die jeweils antiparallel mit den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 verbunden sind.

Obgleich der Umrichterstrom I einen großen Wert entsprechend dem Systemstrom I0 im Zustand eines fehlerhaften Systems annehmen kann, wird jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 in einem Zeitpunkt an-/abgeschaltet, indem der Umrichterstrom ungefähr zu Null wird. Demnach kann die Unterbrechung des Überstroms vermieden werden. Zudem bestehen aufgrund der Tatsache, daß GTO-Schaltelemente mit einer solchen Spezifikation eingesetzt werden, die über eine kurze Zeitdauer (d.h., vier bis acht Perioden) dem Fehlerstrom standhalten, praktisch keine Probleme. Die oben beschriebene Situation ist äquivalent dem Auftreten eines Kurzschlusses in den Sekundärwicklungen der Transformatoren, und zwar aus Sicht des elektrischen Netzes. Demnach lassen sich die Umrichter schützen, ohne daß es erforderlich ist, zusätzlich Hochgeschwindigkeits-Shunt-Schaltungen jeweils im Zusammenhang mit den Sekundärwicklungen der Transformatoren 3 vorzusehen.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß durch die Ausbildung des Schutzgeräts gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung die Umrichter gegen ein Außerbetriebsetzen und/oder eine Beschädigung aufgrund eines großen Stroms bei Auftreten des Systemfehlers geschützt werden können. Zudem läßt sich der Fehlerstrom (d.h., der bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz fließende Strom) mit Hilfe von Schwungraddioden shunten oder überbrücken, wodurch nicht nur das Vorsehen von Shunt-Schaltungen für die Sekundärwicklungen der Transformatoren 2 überflüssig wird, sondern sich auch der Betrieb unmittelbar nach Beheben des Fehlers wieder aufnehmen läßt. Somit kann ein Schutzgerät realisiert werden, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und billig verwirklicht werden kann.

Ausführungsform 2

Im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird davon ausgegangen, daß jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 die Fähigkeit aufweist, den Fehlerstrom über eine Zeitdauer im Bereich von vier bis acht Taktperioden zu widerstehen. Demnach kann dann, wenn der Fehler nicht innerhalb dieser Zeitdauer entfernt oder behoben wird, die Fähigkeit der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 dem Strom (d.h., dem zulässigen fließenden Strom) zu widerstehen, überschritten werden.

Unter diesen Umständen wird gemäß der Erfindung, wie sie in Form einer zweiten Ausführungsform realisiert ist, vorgeschlagen, daß zusätzlich zu den Funktionen des Schutzgeräts der ersten Ausführungsform eine Funktion vorgesehen ist, mit der die in den GTO-Schaltelementen 3c1 bis 3c4 fließenden Ströme auf den Bereich des zulässigen fließenden Stroms beschränkbar sind.

Die 4 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Figur kennzeichnen Bezugssymbole, die mit den in 1 gezeigten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente Komponenten, die in 1 gezeigt sind. Wie in 4 gezeigt ist, wird zwischen den Wechselstromausgangsleitungen jedes Umrichters 3 ein Schalter/Leistungsschalter (circuit breaker) 4 angeschlossen. Ferner ist zusätzlich eine Verzögerungsschaltung 16 vorgesehen, die für die Eingabe eines Schaltersteuersignals SC dient, und zwar dann, wenn das Steuersignal S verschwindet, was das Vorliegen des Systemfehlers anzeigt.

Im folgenden wird der Betrieb der Umrichterschutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung dadurch erläutert, daß beispielhaft der Umrichter 3C herausgegriffen wird, der für die anderen Umrichter repräsentativ ist, und zwar anhand des in 5 gezeigten Zeitdiagramms. Während des normalen Systembetriebs wird jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3 wiederholt an-/abgeschaltet, in Abhängigkeit von dem Mehrfachimpuls-Zündsignal, um die Umrichterausgangsspannung V in Übereinstimmung mit dem Normalausgangsspannungs-Befehl EV zu erzeugen. In dem Fall, in dem die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 das Vorliegen eines Systemfehlers feststellt, ersetzt das Einfachimpuls-Zündsignal das Mehrfachimpuls-Zündsignal und wird an die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 in Übereinstimmung mit dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl E0 in den in 5 dargestellten Zeitpunkten ausgegeben, wodurch die Umrichterausgangsspannung zu Null gesetzt wird.

In diesem Zeitpunkt wird auch das Systemfehler-Anzeige-Entscheidungssignal S, das durch die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 erzeugt wird, bei der Verzögerungsschaltung 16 eingegeben. Wird dieses Systemfehler-Anzeige-Entscheidungssignal S bei der Verzögerungsschaltung 16 fortlaufend über eine festgelegte Zeitdauer (vier bis acht Taktzyklen) eingegeben, so gibt die Verzögerungsschaltung 16 das Schaltersteuersignal SC an den Schalter 4 ab, um den Schalter 4 hierdurch zu schließen. Hierdurch fließt der Umrichterstrom I über den Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters 3E, was dazu führt, daß der durch den Umrichter 3C fließende Strom I zu Null wird. Demnach läßt sich der durch das GTO-Schaltelement fließende Strom bei dessen Abschaltung auf den zulässigen Strombereich beschränken. Da der Umrichterstrom I Null wird, läßt sich jedes der GTO-Schaltelemente 3cl bis 3c4 in den nichtleitenden Zustand abschalten, in dem die Gatterimpulse dieser Schaltelemente oder GTO-Thyristoren rückgestellt werden.

Anschließend werden nach der Behebung des Systemfehlers die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C wiederholt an-/abgeschaltet, während das Schaltersteuersignal SC von der Verzögerungsschaltung 16 durch Steuerung mit dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl I0 entsprechend rückgesetzt wird. Anschließend wird der Schalter 4 nicht mehr in den Betrieb mit einbezogen, damit der Umrichterstrom 4 durch die Umrichter fließen kann, woraufhin der Betrieb gemäß dem Normalausgangsspannungs-Befehl EV wieder aufgenommen wird.

Wie sich aus dem Obigen erkennen läßt, wird die Funktion zum Unterstützen des Umrichter-Schutzbetriebs im Fall eines Systemfehlers, der über eine verlängerte Zeitdauer fortbesteht, zusätzlich in die Umrichterschutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung mit einbezogen. Die Schutzbetrieb-Unterstützungsfunktion läßt sich billig realisieren, da kein Gerät eingebaut werden muß, über das ein großer Strom fließen kann, um das Auftreten eines Fehlers oder eines anormalen Ereignis in dem elektrischen Netz anzuhaben.

Ausführungsform 3

Im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Strom über jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 fließen, indem der Betrieb zum Einstellen der Ausgangsspannung des Umrichters auf Null durchgeführt wird. Jedoch können die Sekundärwicklung der Transformatoren geshunted werden, während die GTO-Schaltelemente bei Auftreten eines Systemfehlers abgeschaltet werden, was im wesentlichen zu demselben Effekt führt, wie er für die Umrichterschutzschaltungen gemäß den nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben wird.

Die 6 zeigt ein Schaltungsbild zum Darstellen einer Anordnung einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur kennzeichnen Bezugszeichen, die mit den in der 1 benützten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente Komponenten, wie sie in 1 gezeigt sind. Wie in 6gezeigt ist, ist ein Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 vorgesehen, der durch ein Paar von Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschaltelementen verwirklicht ist, beispielsweise Thyristoren, die antiparallel miteinander verbunden sind, und eine Systemfehlerdetektorvorrichtung 17, die als Fehlerentscheidungsvorrichtung für die Ausgabe eines Zündoder Gattersignals SG an den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 dient, um hierdurch den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 anzuschalten, während sie bei Bestimmung des Auftretens eines Fehlers in dem elektrischen Netz 1 ein Abschaltsignal zum Abschalten jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C erzeugt.

Nun wird der Betrieb des Umricherschutzgeräts gemäß der momentanen Ausführungsform dadurch erläutert, daß der Umrichter 3C als Beispiel für die anderen Umrichter herangezogen wird. Die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 trifft eine Entscheidung auf der Grundlage des Systemstroms I0, der von dem Stromdetektor 11 erfaßt wird, und zwar dahingehend, ob ein Systemfehler auftritt. Wird das Auftreten eines Systemfehlers bestimmt, so führt die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 das Zünd- oder Gattersignal SG dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 zu, um hierdurch diesen zu schließen, während sie gleichzeitig das Abschaltsignal jedem der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3C zuführt, um hierdurch die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 zu öffnen.

Als Ergebnis der oben beschriebenen Vorgehensweise wird der Systemfehlerstrom unter Umgehung des Umrichters 3C zu dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 umgeschaltet. Demnach wird der Umrichterstrom des Umrichters 3C zu Null. Zudem kann der durch die GTO-Schaltelemente fließende Strom bei Abschalten derselben auf einen zulässigen Strombereich beschränkt werden. Hierdurch können dann, wenn eine Zeitdauer, in der ein großer Systemstrom E0 fließt, aus irgendeinem Grund verlängert wird, die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 ohne Fehler abgeschaltet werden, da der Umrichterstrom I Null ist. Nach Wiederherstellen des Normalzustands des elektrischen Netzes steuert die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 das An-/Abschalten jedes GTO-Schaltelements 3c1 bis 3c4 gemäß dem in 3 gezeigten Zeitablauf, um hierdurch die Ausgangspannung auf Null zu steuern, während der Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 geöffnet wird. Der Betrieb der Umrichter wird anschließend wieder aufgenommen. Die Anordnung zum Bewirken des Umleitens des Systemfehlerstroms um den Umrichter, wie sie oben beschrieben ist, läßt sich bildlich mit einer kompakten und einfachen Struktur realisieren.

Ausführungsform 4

Im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der oben beschriebenen dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 an der Sekundärseite des Transformators 2 vorgesehen, damit der Systemfehlerstrom an der Sekundärwicklung des Transformators 2 vorbeigeleitet wird. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund der Fehlerzustand des elektrischen Netzes länger andauert, kann eine solche Situation auftreten, daß der Fehlerstrom nicht mehr von dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 aufgenommen werden kann, bedingt durch dessen Stromkapazität. Zum Handhaben einer derartigen Situation kann eine Anordnung vorgesehen werden, bei der der durch den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 fließende Strom zu einem Schalter mit einer großen Stromkapazität umgeschaltet wird, wenn der Fehlerstrom über eine verlängerte Zeitdauer hinweg fließt. Eine vierte Ausführungsform der Erfindung ist auf diese Anordnung gerichtet.

Die 7 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur kennzeichnen Bezugsbuchstaben, die mit den in 6 benützten übereinstimmen, die gleichen oder äquivalenten Komponenten, wie sie in 6 gezeigt sind. Wie in 7 gezeigt ist, ist ein Schalter 4 parallel mit dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 verbunden. Eine Verzögerungsschaltung 16 ist für die Ausgabe eines Schaltersteuersignals SC an den Schalter 4 vorgesehen, und zwar in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal der Systemfehlerdetektorvorrichtung 17, wenn der Systemfehlerstrom über eine längere Zeitdauer hinweg fließt, die eine festgelegte Zeitdauer übersteigt, während sie nach dem Beheben des Fehlers des elektrischen Netzes das Schaltersteuersignal SC rücksetzt.

Nun wird die Beschreibung auf den Betrieb der Umrichterschutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung gerichtet, indem der Umrichter 3C repräsentativ herausgegriffen wird. Die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 führt mit hoher Geschwindigkeit aufgrund des von dem Stromdetektor 11 erfaßten Systemstroms I0 eine Entscheidung durch, ob ein Fehlerfall in dem elektrischen Netz vorliegt. Wird entschieden, daß ein Systemfehler vorliegt, so gibt die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 das Gattersignal SG an den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 ab, um diesen zu schließen, und gleichzeitig gibt sie ein Abschaltsignal an jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 des Umrichters 3Cab, um hierdurch diese Schaltelemente in den abgeschalteten Zustand (nicht leitender Zustand) umzuschalten.

Wenn der Systemfehler über eine Zeitdauer hinweg vorliegt, die länger als eine festgelegte Dauer ist, gibt die Verzögerungsschaltung 16 das Schaltersteuersignal SC aus, um hierdurch den Schalter 4 zu schließen. Demnach wird der Umrichterstrom durch den Schalter 4 geshuntet. Nach Behebung des Fehlers führt die Systemfehlerdetektorvorrichtung 17 eine Anschalt/Abschaltsteuerung für jedes der GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 zum Steuern der Ausgangsspannung auf Null durch, während ein Rücksetzen des von der Verzögerungsschaltung 16 ausgegebenen Schaltersteuersignals SC erfolgt, um hierdurch den Schalter zu öffnen, wonach der normale Betrieb wieder aufgenommen wird.

Mit der oben beschriebenen Schaltungsanordnung läßt sich der Systemfehlerstrom mit einer einfachen Struktur shunten, ohne daß der Einsatz eines Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalters mit einer großen Stromkapazität erforderlich ist, die einen Kühlmechanismus mit großer Kapazität erforderlich macht.

Ausführungsform 5

Im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der oben beschriebenen vierten Ausführungsform sind die Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 und die Schalter 4 jeweils parallel zu den Sekundärwicklungen der Transformatoren 2 verbunden, wobei bei Auftreten eines Fehlers in dem elektrischen Netz der Umrichterstrom 4 zu dem Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalter 10 umgeschaltet wird, bevor der Umrichterstrom 4 übermäßig zunimmt, und anschließend wird ein Fließen des Umrichterstroms I über den Schalter 4 unter Umgehung des Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalters 10 bewirkt, wobei die GTO-Schaltelemente abgeschaltet sind.

Sind jedoch die GTO-Schaltelemente nicht nur bei Auftreten eines Systemfehlers sondern auch aufgrund eines Fehlers in dem Umrichter 3 selbst abgeschaltet, kann eine derartige Situation auftreten, daß die Sekundärseite der Transformatoren 2 geöffnet sind, was das Auftreten einer Überspannung ermöglicht. Zudem sind bei Auftreten eines Fehlers in dem Schalter 4 die Sekundärseiten der Transformatoren geöffnet, was eine Überspannung parallel zu der Sekundärwicklung nach sich zieht.

Die 8 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für die Handhabung des oben erläuterten Problems entworfen ist. In 8 kennzeichnen gleiche Bezugsbuchstaben die Komponenten, die mit den in den vorangegangenen Ausführungsformen übereinstimmen oder zu diesen äquivalent sind. Wie in 8 gezeigt ist, wird eine Ableitvorrichtung (arrester) 13 vorgesehen, die zusammen mit dem Schalter 4 parallel an die Sekundärwicklung des Transformators 2 angeschlossen ist. Nun erfolgt unter der Annahme, daß von der Systemfehlerdetektorvorrichtung 18 auf Grundlage des Ausgangssignals des Meßwandlers 11 das Vorliegen eines Systemfehlers festgestellt wird, von der Entscheidungsschaltung 18 die Ausgabe des Schaltersteuersignals SC, und der Schalter 4 wird in Übereinstimmung mit diesem geschlossen, damit der Umrichterstrom I durch den Schalter 4 fließen kann, während die GTO-Schaltelemente 3c1 bis 3c4 abgeschaltet sind.

In dem Zeitpunkt, in dem die Sekundärschaltung des Transformators 2 aufgrund eines Fehlers des Umrichters 3 geöffnet wird oder wenn sich der Schalter 4 aus irgendeinem Grund nicht schließen läßt, nachdem der Umrichter 3 abgeschaltet ist, wird eine Überspannung erzeugt. Jedoch kann aufgrund der Tatsache daß wie oben erwähnt eine Ableitvorrichtung 13 vorgesehen ist, die Überspannung auf einem festgelegten Pegel geklemmt werden, wodurch der Umrichter 3 vor dem Anlegen der Überspannung geschützt ist.

Aus dem Obigen ist zu erkennen, daß durch Vorsehen der Ableitvorrichtung 13, die parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators 2 angeschlossen ist, zusammen mit dem Schalter 4 der letztere während einer begrenzten Zeitdauer betrieben werden kann, die für den Betrieb der Ableitvorrichtung 13 bei Auftreten des Systemfehlers erforderlich ist. In anderen Worten läßt sich aufgrund der Kombination der Ableitvorrichtung 13 und des Schalters 4 in dem Schutzgerät für den Umrichter 3, wie oben beschrieben, das Anlegen einer Überspannung am Umrichter 3 wirksam vermeiden.

Ausführungsform 6

Bei den vorangegangenen Ausführungsformen 1 bis 5 war die Beschreibung auf Überbrückungsschaltungen für die Handhabung von Systemfehlern gerichtet. Jedoch kann an den Einsatz von Maßnahmen gedacht werden, mit denen sich das Ausüben eines ungünstigen Einflusses auf das elektrische Netz aufgrund eines Fehlers eines Umrichters vermeiden läßt. Etwas konkreter sei angenommen, daß die GTO-Schaltelemente, die in den oberen und unteren Armen der Brückenschaltung des Umrichters angeschlossen sind, im leitenden Zustand in den nichtbetriebsfähigen Zustand übergehen, was Anlaß für einen Kurzschlußfehler in den entsprechenden Gleichspannungseingangsleitungen gibt. In diesem Fall wird auf das elektrische Netz ein ungünstiger Einfluß ausgeübt. Im Hinblick auf die Handhabung dieses Problems wird bei der Erfindung gemäß der sechsten Ausführungsform vorgeschlagen, ein redundantes Schutzsystem vorzusehen, indem mehrere Umrichter für jede der Starkstromleitungen vorgesehen sind, wobei jeder Umrichter mit einem Fehler von dem System abgetrennt wird und der Betrieb dadurch fortgesetzt wird, daß ein anderer normaler Umrichter in Betrieb gesetzt wird.

Die 9 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur der Umrichterschutzschaltung gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Sekundärwicklung jedes Transformators 2a bis 2c jeweils in Serie zu den Starkstromleitungen 1a bis 1c geschaltet, und wird in n Stufen oder n Wicklungsabschnitte unterteilt, wobei ein zusätzlicher Umrichter mit jedem der n Wicklungsabschnitte verbunden ist. In anderen Worten ausgedrückt, sind n Umrichter mit jeder der Phasenstarkstromleitungen 1a bis 1c verbunden.

Die Plus-Eingangsleitungen der Umrichter, die jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten (beispielsweise 2a1, 2b1, 2c1) einer gleichen Stufe der Transformatoren 2a bis 2c verbunden sind, werden gemeinsam verbunden und anschließend an einen Anschlußpunkt einer Gleichspannungskapazität 6 über die Schutzsicherung 5a angeschlossen, während die entsprechenden Minus-Eingangsleitungen miteinander verbunden und anschließend an den anderen Anschlußpunkt der Gleichspannungskapazität 6 angeschlossen werden. Ferner werden in jedem der Umrichter Stromdetektorspulen C um die Anschlußleitungen jeweils für ein Paar oberer und unterer GTO-Schaltelemente (beispielsweise 3c1 und 3c2; 3c3 und 3c4) gewickelt.

Fließt ein Kurzschlußstrom durch die Stromdetektorspule C, so tritt parallel zu der Stromdetektorspule C eine Spannung auf. Wird diese Spannung von einem Kurzschlußdetektor 19 erfaßt, so wird ein Fehlerdetektorsignal SS bei einer Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 in der Form eines Signals eingegeben, mit dem sich derjenige Sekundärwicklungsabschnitt identifizieren läßt, mit dem der fehlerhafte Umrichter 3 verbunden ist. Hierauf sendet die Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 das Kurzschluß-Detektorsignal SS an eine Zwangszündschaltung 21, die dann auf das Signal SS reagiert, um die Zündsignale an die GTO-Schaltelemente aller Umrichter weiterzuleiten, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, der auch der fehlerhafte Umrichter angeschlossen ist.

Am Rande sei angemerkt, daß die parallel zu den Gleichspannungseingangsleitungen des Umrichters angeschlossene Gleichspannungskapazität 6 üblicherweise eine große Kapazität aufweist, was bedeutet, daß die Impedanz der Gleichspannungsschaltung niedrig ist. Demnach wird dann, wenn ein Kurzschlußfehler in den kaskadenartig verbundenen GTO-Schaltelementen, die den Umrichter bilden, auftritt, ein großer Strom über die Serienschaltung fließen, wodurch es unmöglich ist, die GTO-Schaltelemente zu schützen.

Nun richtet sich die Beschreibung auf die Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung. Unter der Annahme, daß ein Kurzschlußfehler kaskadenartig gleichzeitig in den GTO-Schaltelementen 3cl und 3c2 des Umrichters 3C-1 auftritt, der mit dem Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der ersten Stufe des Transformators 2c verbunden ist, die in Serie zu der Phasenstarkstromleitung 1c angeschlossen ist, wird ein entsprechender Kurzschlußstrom durch die Stromdetektorspule C fließen, wodurch eine Spannung in dieser Spule C induziert wird. Diese Spannung wird von dem Kurzschlußdetektor 19 erfaßt, wodurch das Kurzschluß-Detektorsignal SS der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 in der Form eines Identifikationssignals zugeführt wird, das denjenigen Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der ersten Stufe des Transformators 2c identifiziert, mit der der Umrichter 3C-1 verbunden ist, in dem ein Kurzschlußfehler auftritt.

Die Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 entscheidet anschließend auf der Grundlage des Kurzschluß-Detektorsignals SS, um hierdurch die Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 zu identifizieren, mit der der Umrichter 3C-1 verbunden ist, in dem der Kaskadenkurzschlußfehler auftritt. Wird entschieden, daß der Kurzschlußfehler in dem Umrichter 3C-1 auftritt, der mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 verbunden ist, so wird die Zwangszündschaltung 21 aktiviert, um hierdurch die Zündsignale allen GTO-Schaltelementen der mit den Sekundärwicklungsabschnitten (2a1, 2b1, 2c1) verbundenen Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) der ersten Stufe der Transformatoren (2a, 2b und 2c) zuzuführen, die jeweils in Serie zu den drei Phasenstarkstromleitungen geschaltet sind.

Hierdurch werden dann, wenn der Gleichspannungs-Kurzschlußfehler in einem Brückenarm in dem Zustand auftritt, in dem die zu diesem Arm gehörenden GTO-Schaltelemente beide leitend sind, alle GTO-Schaltelemente der Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, gezündet, wodurch der durch die Schutzsicherung 5afließende Strom in Übereinstimmung mit einer Funktion, die durch I2t gegeben ist (wobei I den Strom und t eine verstrichene Zeit darstellt) zunimmt, um hierdurch die Schutzsicherung 5a mit dem Kurzschlußstrom zu unterbrechen, bevor dieser die zulässige Stromkapazität der GTO-Schaltelemente übersteigt. Beim Schmelzen der Schutzsicherung 5a werden jeweils die Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der ersten Stufe der Transformatoren verbunden sind, die in den drei Phasenstarkstromleitungen eingefügt sind,. von der Gleichspannungskapazität 6 abgetrennt. Durch das erzwungene Anschalten aller GTO-Schaltelemente gehen die Sekundärwicklungen der Transformatoren 2 in den Kurzschlußzustand über. Jedoch werden die Sekundärwicklungsströme, die über die Sekundärwicklungen fließen, auf einen Wert begrenzt, der durch das Übersetzungsverhältnis festgelegt ist. Hierdurch wird das Auftreten eines Überstroms vermieden.

Auf diese Weise läßt sich wie oben beschrieben durch Aufteilen der Sekundärwicklung jedes der Transformatoren in n Abschnitte und eine Anpassung der Kombination der Schmelzsicherung 5a und der Zwangszündschaltung 21 bei jedem der Umrichter (3A, 3B, 3C) ein Schutz der GTO-Elemente der Umrichter gewährleisten. Ferner werden dann, wenn ein Kurzschlußfehler auftritt, diejenigen Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, wie der Umrichter, in dem der Kurzschlußfehler auftritt, von der Gleichspannungskapazität abgetrennt, und der Systembetrieb wird fortlaufend mit denjenigen Umrichtern aufrecht erhalten, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der anderen Stufen (n-1) verbunden sind. Demnach läßt sich die Umrichterschutzschaltung mit einer redundanten Struktur zum Gewährleisten einer hohen Zuverlässigkeit mit kompaktem Aufbau bei niedrigen Kosten realisieren.

Die vorhergehende Beschreibung erfolgte im Zusammenhang mit den Umrichtern, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der ersten Stufe (2a1, 2b1, 2c1) verbunden sind. Jedoch versteht es sich von selbst, daß sich der Schutz für diejenigen Umrichter gewährleisten läßt; die mit irgendeiner Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts mit demselben redundanten Schaltungsaufbau verbunden sind.

Ausführungsform 7

Im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung werden dann, wenn der Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem Umrichter auftritt, der mit einer vorgegebenen Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts des Transformators 2 verbunden ist, alle GTO-Schaltelemente der Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe, wie derjenigen des vorgegebenen, verbunden sind, gezündet, um hierdurch die Schutzsicherung 5a zu schmelzen, damit all diejenigen Umrichter 3 aus der Gleichspannungsschaltung abgekoppelt werden, die mit den oben erwähnten Sekundärwicklungsabschnitten verbunden sind, und zwar im Hinblick auf die Gewährleistung des Schutzes für die GTO-Schaltelemente.

In diesem Zusammenhang ist jedoch zu erwähnen, daß selbst dann, wenn der Umrichter mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler von der Gleichspannungsschaltung abgetrennt wird, ein übermäßig großer Kurzschlußstrom zu dem Umrichter mit dem Kurzschlußfehler, ausgehend von der zugeordneten Sekundärwicklung des Transformators, fließen kann, wodurch normale GTO-Schaltelemente möglicherweise beschädigt werden.

Demnach ist es wünschenswert, das Fließen des Kurzschlußstroms zu dem Umrichter zu vermeiden. Zudem sollte vorzugsweise der über das elektrische Netz fließende Strom unterbrochen werden, damit der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler von dem elektrischen Netzsystem entfernt werden kann.

Die 10 zeigt ein Schaltbild zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zum Vereinfachen der Wartung der Umrichter entworfen ist. In der 10 kennzeichnen Bezugsbuchstaben, die mit den in 9 benutzten übereinstimmen, gleiche oder äquivalente Komponenten. Wie in 10 gezeigt ist, wird ein Trennschalter 23 in die Gleichspannungsleitung jedes Umrichters eingefügt. Ferner wird ein Trennschalter 24 zwischen der Wechselspannungsausgangsleitung des Umrichters 3 und der Sekundärwicklung eingefügt, während ein Schalter 4 parallel mit der Sekundärwicklung verbunden wird. Zusätzlich ist eine Verzögerungsschaltung 22 vorgesehen, damit das Schaltersteuersignal SC dem Schalter 4 von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 nach dem Verstreichen einer festgelegten Zeitdauer nach der Eingabe des Kurzschluß-Detektorsignals bei der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 zugeführt wird. Die Trennschalter 23 und 24, der Schalter 4 und die Verzögerungsschaltung 22 sind bei jedem der mit dem jeweiligen Sekundärwicklungsabschnitten verbundenen Umrichter vorgesehen.

Nun folgt eine Beschreibung des Betriebs der Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung mit dem Umrichter 3C-1 als repräsentatives Beispiel. Es sei beispielhaft angenommen, daß ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in dem Umrichter auftritt, der mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts 2c1 des in die Phasenstarkstromleitung 1c eingefügten Transformators 2c verbunden ist. Dann werden die mit der ersten Stufe des Sekundärwicklungsabschnitts aller Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundenen Umrichter 3 in den leitenden Zustand versetzt, und zwar durch Zusammenwirken der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 und der Zwangszündschaltung 21, wie zuvor beschrieben, wodurch die zugeordnete Schutzsicherung 5a zum Abtrennen all der Umrichter 3 geschmolzen wird, die jeweils mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte (2a1, 2b1, 2c1) verbunden sind.

In dem Fall, in dem der Umrichter 3C-1 mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler in dem mit der Sekundärwicklung verbundenen Zustand verbleibt, kann ein großer Kurzschlußstrom zu diesem Umrichter fließen, wodurch die normalen GTO-Schaltelemente von diesem beschädigt werden. Demnach leitet die Verzögerungsschaltung 22 dann, wenn das Kurzschluß-Detektorsignal SS fortlaufend von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 über eine Zeitdauer, die eine festgelegte Zeitspanne übersteigt, eingegeben wird, das Schaltersteuersignal SC an den Schalter 4, der mit der Wechselspannungsausgangsseite desjenige Umrichters verbunden ist, in dem der Kaskaden-Kurzschlußfehler auftritt, um hierdurch die zugeordnete Sekundärwicklung (2c1) kurzzuschließen. Im Ergebnis kann der Kurzschlußstrom zu dem Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters mit dem Kurzschlußfehler umgeschaltet werden.

Ferner ist es möglich, den Umrichter zu reparieren, während gleichzeitig das elektrische Netzsystem weiterbetrieben wird, indem jeweils die Trennschalter 23 und 24 bei der Gleichspannungseingangsseite und der Wechselspannungsausgangsseite des Umrichters mit dem Kurzschlußfehler geöffnet werden, um hierdurch den fehlerhaften Umrichter von dem elektrischen Netzsystem abzutrennen.

Ausführungsform 8

Wie zuvor beschrieben, werden im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung dann, wenn der Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem bestimmten der Umrichter auftritt, die mit einem Sekundärwicklungsabschnitt eines Transformators verbunden sind, die GTO-Schaltelemente aller Umrichter angeschaltet, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, an der auch der fehlerhafte Umrichter angeschlossen ist, um hierdurch die Schutzsicherung 5 zum Abtrennen sämtlicher oben erwähnter Umrichter von den Gleichspannungsschaltungen zu schmelzen, damit die GTO-Schaltelemente geschützt werden. Ferner wird das Fließen des Kurzschlußstroms in den fehlerhaften Umrichter durch Schließen des Schalters vermieden.

Die Umrichterschutzschaltung mit einem derartigen Aufbau wird vorzugsweise mit einem Gerät für den Schutz der Umrichter gegen einen Systemfehler ausgestattet, wie es vorangehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde. Die 11 zeigt ein Schaltungsdiagramm zum Darstellen einer Struktur einer Umrichterschutzschaltung, das eine Kurzschlußfehler-Schutzschaltung und eine Systemfehler-Schutzschaltung enthält, gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung. In 11 kennzeichnen Bezugszeichen, die auch in 1 und 10 benützt sind, die gleichen oder äquivalente Komponenten. Wie in 11 gezeigt ist, ist eine Befehlsschaltung zum Schließen des Schalters 25 vorgesehen, die auf ein Entscheidungssignal S anspricht, das von der Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 zugeführt wird, oder auf das Kurzschluß-Detektorsignal SS, das von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 zugeführt wird, um ein Schaltersteuersignal SC an den Schalter 4 mit einer Verzögerung gemäß einer festgelegten Zeitspanne abzugeben.

Bei Erfassung des Systemfehlers durch die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 werden die Zündsignale 3c1S bis 3c4S an die GTO-Schaltelement 3c1 bis 3c4 abgegeben, und zwar in Abhängigkeit von dem Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehl I0 gemäß dem in 3 dargestellten Zeitablauf, wodurch die Umrichterausgangsspannung zu Null festgelegt wird. In diesem Fall leitet die Systemfehlerdetektorvorrichtung 12 das Fehlersignal S auch der Befehlsschaltung zum Schließen des Schalters 25 zu. Liegt das Fehlersignal S fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne (beispielsweise in einem Bereich von vier bis acht Taktzyklen) hinweg vor, so wird das Schaltersteuersignal SC an den Schalter 4 ausgegeben, um den Schalter 4 zu schließen. Hierdurch wird der Umrichterstrom I zu dem Schalter 4 umgeschaltet, wodurch der durch den Umrichter 3 fließende Strom Null wird. Durch diese Vorgehensweise können die durch die GTO-Schaltelemente fließenden Ströme bei deren Abschaltung auf die zulässige Stromkapazität des Schaltelements begrenzt werden.

Tritt andererseits ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem Umrichter 3 auf, der mit dem Sekundärwicklungsabschnitt 2c1 der ersten Stufe eines Transformators 2 verbunden ist, der in der Phasenstarkstromleitung 1c eingefügt ist, so werden die Umrichter 3, die mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte aller Transformatoren verbunden sind, durch das Zusammenwirken der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 und der Zwangszündschaltung 21angeschaltet, damit die Schutzsicherung 5a geschmolzen wird, wodurch alle Umrichter 3, die mit der ersten Stufe der Sekundärwicklungsabschnitte der Transformatoren 2 verbunden sind, von der Gleichspannungsschaltung abgetrennt werden.

Zudem wird dann, wenn das Kurzschlußentscheidungssignal SS fortlaufend an der Befehlsschaltung zum Schließen des Schalters 25 ausgehend von der Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 über eine festgelegte Zeitdauer hinweg angelegt ist, das Schaltersteuersignal SC dem Schalter 4 zugeführt, der mit der Wechselspannungsausgangsschaltung des Umrichters 3 mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler verbunden ist, um hierdurch den Schalter 4 zum Shunten des Sekundärwicklungsabschnitts zu schließen. Hierdurch läßt sich der Kurzschlußstrom zu dem Schalter 4 unter Umgehung des Umrichters umschalten.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß sich durch Kombination der Struktur der Umrichterschutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform mit derjenigen der siebten Ausführungsform der Umrichter sowohl gegen die Sekundärwicklung als auch gegen den Kurzschlußfehler bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Betriebs des Systems schützen läßt.

Ausführungsform 9

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 8 der vorliegenden Erfindung dienen dem Schutz von Umrichtern, die in Serie zu dem elektrischen Netz angeschlossen sind. Jedoch kann die Umrichterschutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung auch zum Schutz von Umrichtern angewendet werden, die parallel an dem elektrischen Netzsystem angeschlossen sind.

Die 12 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Umrichterschutzschaltung für die Umrichter, die parallel an dem elektrischen Netzsystem angeschlossen sind. Die Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform dahingehend, daß die Sekundärwicklung in n Abschnitte unterteilt ist. Tritt ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in einem der Umrichter 3 auf, die parallel mit dem elektrischen Netzsystem verbunden sind, so wird dieses Fehlerereignis durch den Kurzschlußdetektor 19 erfaßt. Die Kurzschluß-Entscheidungsschaltung 20 reagiert auf das von dem Kurzschlußdetektor zugeführte Kurzschlußdetektorsignal SS, damit die Stufe oder der Abschnitt der Sekundärwicklung bestimmt oder identifiziert wird, mit der der Umrichter mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler verbunden ist. Auf der Grundlage des Ergebnisses dieser Entscheidung erzeugt die Zwangszündschaltung 21 die Zündsignale 3c1S bis 3c4S für all diejenigen Umrichter, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten derselben Stufe verbunden sind, mit der auch der Umrichter mit dem Kurzschlußfehler verbunden ist. Durch diese Anordnung lassen sich dieselben Wirkungen erzielen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der sechsten Ausführungsform beschrieben wurden.

Ausführungsform 10

Die 13 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Darstellen einer Umrichterschutzschaltung für Umrichter, die parallel mit dem elektrischen Netzsystem verbunden sind. Die Umrichterschutzschaltung gemäß der momentanen Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der siebten Ausführungsform dahingehend, daß die Sekundärwicklung in n Abschnitte unterteilt ist. Während des Betriebs werden dann, wenn man beispielsweise annimmt, daß ein Kaskaden-Kurzschlußfehler in dem Umrichter 3 auftritt, der mit einem Sekundärwicklungsabschnitt der ersten Stufe eines Transformators verbunden ist, die GTO-Schaltelemente all derjenigen Umrichter angeschaltet, die mit den erststufigen Wicklungsabschnitten aller Transformatoren verbunden sind, wodurch die Schutzsicherung 5a aufgebrochen wird, was dazu führt, daß alle Umrichter 3, die mit den Sekundärwicklungsabschnitten der ersten Stufe verbunden sind, von den jeweiligen Gleichspannungsschaltungen abgetrennt werden.

In dem Fall, in dem der Umrichter 3 mit dem Kaskaden-Kurzschlußfehler in dem mit der Sekundärwicklung verbundenen Zustand verbleibt, wird der Kurzschlußstrom ausgehend von der Sekundärwicklung zu dem Umrichter 3 fließen, wodurch die normalen GTO-Schaltelemente des Umrichters 3 beschädigt werden können. Demnach gibt die Verzögerungsschaltung 22 dann, wenn das Kurzschlußdetektorsignal SS länger als eine vorgegebene Zeitspanne erfaßt wird, das Schaltersteuersignal an den mit der Wechselspannungsseite des Umrichters 3 mit dem Kurzschlußfehler verbundenen Schalter 4 ab, wodurch die Sekundärwicklung von dem Schalter 4 geshuntet wird. Hierdurch fließt der Kurzschlußstrom unter Umgehung des fehlerhaften Umrichters 3 über den Schalter 4.

Zudem ist es möglich, durch Öffnen der jeweiligen Trennschalter 23 und 24, die in der Gleichspannungseingangsseite und der Wechselspannungseingangs/Ausgangsseite des Umrichters mit Kurzschlußfehler eingefügt sind, diesen in einem Zustand zu reparieren, bei dem das elektrische Netzsystem aktiv weiterbetrieben wird.

Im Fall der Umrichterschutzschaltung gemäß der neunten und zehnten Ausfhrungsform der Erfindung wird die Systemspannung parallel zu (n-1) Windungsabschnitten angelegt. Demnach kann dadurch, daß die Transformatoren und die Umrichter vorab unter Berücksichtigung der Tatsache entworfen werden, daß eine Spannung als das (n/n-1)-fache der Systemspannung am Umrichter und Transformator anliegt, zum Verwirklichen der redundanten Umrichterschutzschaltung, eine Umrichterschutzschaltung hoher Zuverlässigkeit bei geringen Kosten realisiert werden.

Beispielsweise kann, obgleich davon ausgegangen wurde, daß die Umrichterschutzschaltung gemäß der Erfindung bei einem dreiphasigen elektrischen Netzsystem angewendet wird, der Inverter ebenfalls bei einer anderen Art von Stromversorgungssystem oder -quelle eingesetzt werden. Zudem kann, obgleich für die Gleichspannungsschaltung davon ausgegangen wird, daß sie aus einer Gleichspannungskapazität besteht, diese durch ein BTB vom Selbsterregertyp (selfexcitation type BTB) ersetzt werden, wobei sich im wesentlichen dieselben vorteilhaften Effekte ergeben.


Anspruch[de]
Schutzschaltung für einen Umrichter für ein elektrisches Netzsystem, enthaltend:

jeweils in Serie oder parallel mit Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) eines elektrischen Netzsystems verbundene Primärwicklungen von Transformatoren (2a, 2b, 2c),

jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundene Umrichter (3A, 3B, 3C),

eine erste Stromdetektorvorrichtung (11) zum Erfassen von Systemströmen (I0), die über die Phasenstarkstromleitung (1a, 1b, 1c) fließen,

eine zweite Stromdetektorvorrichtung (7c) zum Erfassen der Umrichterströme, die zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C) jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen fließen,

eine Fehlerentscheidungsvorrichtung (12) zum Ausgeben eines Fehlersignals (S) bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des Systemstroms (I0)

eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung (12a) zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls (E0) bei Empfang des Fehlersignals (S), und

eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung (8, 9, 15) zum Zuführen von Steuersignalen (3c1S bis 3c4S) zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C), um die Ausgangspannungen der Umrichter (3A, 3B, 3C) an den Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) gemäß dem Nullsetz-Befehl (E0) auf Null zu setzen, zu einem Zeitpunkt, an dem der während des Auftretens des Systemfehlers erfaßte Umrichterstrom (I) unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter (3A, 3B, 3C) absinkt (1).
Schutzschaltung für einen Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner enthält:

einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundenen Schalter (4), und

eine Verzögerungsschaltung (16) zum Abgeben eines Signals (SC) zum Schließen des Schalters (4) mit einer Zeitverzögerung bei Empfang des Fehlersignals (S) von der Fehlerentscheidungsvorrichtung (12) fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg (4).
Schutzschaltung für einen Umrichter für ein elektrisches Netzsystem, enthaltend:

jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) eines elektrischen Netzsystems verbundene Primärwicklungen von Transformatoren (2a, 2b, 2c),

jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundene Umrichter (3A, 3B, 3C),

parallel mit den Sekundärwicklungen verbundene Halbleiterschaltelemente (10),

eine Stromdetektorvorrichtung (11) zum Erfassen von Systemströmen (I0), die über die Phasenstarkstromleitung (1a, 1b, 1c) fließen,

einen parallel mit jeder Sekundärwicklung der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundenen Schalter (4),

eine Systemfehler-Detektorvorrichtung (17) zum Ausgeben eines Anschaltsignals (SG) an die Halbleiterschaltelemente (10) und zum gleichzeitigen Ausgeben eines Abschaltsignals an die Umrichter (3A, 3B, 3C) nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers auf der Grundlage des erfaßten Systemstroms (I0), und

eine Verzögerungsschaltung (16) zum Abgeben eines Signals (SC) zum Schließen. des Schalters (4) mit einer Zeitverzögerung bei Empfang eines Fehlersignals (S) von der Systemfehler-Detektorvorrichtung (17) fortlaufend über eine festgelegte Zeitspanne hinweg (7).
Schutzschaltung für einen Umrichter nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner enthält:

eine Ableitvorrichtung (13), die parallel zur Sekundärwicklung jedes Transformators (2a, 2b, 2c) vorgesehen ist.
Schutzschaltung für einen Umrichter für ein elektrisches Netzsystem, enthaltend:

Transformatoren (2a, 2b, 2c) mit jeweils in Serie zu Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) verbundenen Primärwicklungen, wobei bei jedem Transformator (2a, 2b, 2c) eine Sekundärwicklung in mehrere Wicklungsabschnitte (1 bis n Stufen) unterteilt ist,

1 bis n Gruppen von Umrichtern, wobei jede Gruppe aus drei Umrichtern (3A-1, 3B-1, 3C-1; 3A-2, 3B-2, 3C-2, ... 3A-n, 3B-n, 3C-n) besteht, die jeweils für die Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) des elektrischen Netzsystems vorgesehen. und jeweils mit den Sekundärwicklungsabschnitten einer selben Stufe der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbunden sind, wobei die Gleichspannungseingangsleitungen der zu einer Gruppe gehörenden Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) untereinander verbunden sind und jeweils über Schutzsicherungen (5, 5a) zu Gleichspannungskapazitäten (6) geführt sind,

eine Kurzschlußdetektorvorrichtung (19), die in jedem Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) vorgesehen ist, zum Erfassen des Auftretens eines Kurzschlußfehlers in dem Umrichter,

eine Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung (20) zum Bestimmen desjenigen sekundären Wicklungsabschnitts, mit dem der den Kurzschlussfehler aufweisende Umrichter verbunden ist, auf der Grundlage eines von der Kurzschluß-Detektorvorrichtung (19) ausgegebenen Kurzschlußdetektorsignals (SS), und

eine Zwangszündschaltung (21), die bei Festlegen des Auftreten eines Kurzschlußfehlers in einem der Umrichter anspricht, um diejenige Schmelzsicherung (5, 5a) zu unterbrechen, die jeweils gemeinsam mit derjenigen Gruppe von Umrichten verbunden ist, zu welcher auch der fehlerhafte Umrichtern gehört, und

jeweils parallel mit den Sekundärwicklungsabschnitten der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundene Schalter (4), und

Verzögerungsschaltungen (22), die jeweils zum Verzögern des Schließsignals (SS) vorgesehen sind, das dem zugeordneten Schalter (4) mit einer festgelegten

Verzögerung nach dem Bestimmen des Kurzschlußfehlers durch die Kurzschluß-Entscheidungsvorrichtung (20) als Schaltersteuersignal SC zugeführt wird (10).
Schutzschaltung für einen Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner enthält:

jeweils in Serie mit Phasenstarkstromleitungen (1a, 1b, 1c) eines elektrischen Netzsystems verbundene Transformatoren (2a, 2b, 2c),

jeweils mit Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) verbundene Umrichter (3A, 3B, 3C),

eine erste Stromdetektorvorrichtung (11c) zum Erfassen von Systemströmen (I0), die über die Phasenstarkstromleitung (1a, 1b, 1c) fließen,

eine zweite Stromdetektorvorrichtung (7c) zum Erfassen der Umrichterströme (I), die zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C) jeweils ausgehend von den Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) fließen,

eine Fehlerentscheidungsvorrichtung (12) zum Ausgeben eines Fehlerentsignals (S) bei Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers in dem elektrischen Netzsystem auf der Grundlage des Systemstroms (I0),

eine Ausgangsspannungsbefehlsvorrichtung (12a) zum Abgeben eines Ausgangsspannungs-Nullsetzbefehls (E0) bei Empfang des Fehlerentsignals (S), und

eine Steuersignal-Ausgabevorrichtung (8, 9, 15) zum Zuführen von Steuersignalen (3c1S bis 3c4S) zu den Umrichtern (3A, 3B, 3C; 3A-1, 3B-1, 3C-1), um die Ausgangsspannungen der Umrichter an den Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) in Abhängigkeit von dem Nullsetz-Befehl (E0) auf Null zu setzen, zu einem Zeitpunkt, an dem der Umrichterstrom (I), wie er während des Auftretens des Systemfehlers erfaßt wird, unter einen zulässigen Schaltstrom der Umrichter (3A, 3B, 3C; 3A-1, 3B-1, 3C-1) absinkt, und

eine Verzögerungsschaltung (Befehlsschaltung zum Schließen des Schalters, 25) zum jeweiligen Ausgeben eines Schließsignals (SC) an die parallel an die Sekundärwicklungen der Transformatoren (2a, 2b, 2c) angeschlossenen Schalter (4), mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen eines Kurzschlußfehlers in den Umrichtern (3A-1, 3B-1, 3C-1), welcher von der Entscheidungsvorrichtung (20) festgestellt wird, oder mit einer Verzögerung einer festgelegten Zeitdauer nach dem Feststellen des Auftretens eines Systemfehlers durch die Fehlerentscheidungsvorrichtung (12) (11).
Schutzschaltung für einen Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Trennschalter (23, 24) enthält, die jeweils in Serie zu einer Gleichspannungs-Eingangsleitung und einer Wechselspannungs-Ausgangsleitung jedes der Umrichter (3A-1, 3B-1, 3C-1) geschaltet sind (11).






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