Einrichtung zur Zündung eines auf Hochspannung liegenden Gleichrichtergefässes In der Starkstromtechnik werden zur Umformung von Wechselstrom hoher Spannung in Gleichstrom bzw. von Gleichstrom hoher Spannung in Wechsel strom gesteuerte Gleichrichter, insbesondere Quecksil- berdampfgleichrichter, benutzt.
Die Leistungssteuerung erfolgt durch zeitgerechtes Zünden der Entladung in den Gleichrichtergefässen. Die Zündelektroden der Gleichrichtergefässe müssen vielfach auf hohem Poten tial liegen, während die Steuersignale in einer Anord nung erzeugt werden, die auf niedrigem Potential liegt. Die Steuersignale müssen dabei über grosse Potential differenzen hinweg übertragen werden, die beispiels weise etwa 500 kV betragen können, wodurch ver schiedene Schwierigkeiten entstehen.
Der Potentialunterschied kann an sich durch einen Isoliertransformator, dem die Steuersignale zugeführt werden, oder durch drahtlose Übertragung der Steuer signale mittels Hochfrequenz überwunden werden. Beide Übertragungsarten sind jedoch mit grossen Nachteilen verbunden. Die Übertragung durch einen Transformator ist wegen der erforderlichen Spannungs festigkeit sehr aufwendig. Ausserdem ist wegen der induktiven Kopplung des Steuerkreises mit dem Emp fangskreis mit Rückwirkungen vom Gleichrichtergefäss her auf den Steuerkreis zu rechnen.
Bei der drahtlosen Übertragung der Steuersignale mittels Hochfrequenz stösst man vor allem auf die Schwierigkeit, den Emp fangskreis gegen die Störungen unempfindlich. zu machen, die von den Schaltvorgängen in den Quecksil- berdampfgleichrichtergefässen herrühren. In den Quecksilberdampfgleichrichtern entstehen nämlich bei den Schaltvorgängen hochfrequente Störungen von erheblicher Feldstärke.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zündung eines auf Hochspannung liegenden Gleich- richtergefässes, bei der die genannten Schwierigkeiten vermieden sind und,die zudem sehr einfach aufgebaut ist.
Erfindungsgemäss erfolgt bei dieser Einrichtung die Übertragung des Steuersignals auf dem Lichtweg mit einer auf niedrigerem Potential liegenden Lumineszenz- diode als Sende- und einem auf höherem Potential lie genden Photodetektor als Empfangselement.
Die erfindungsgemässe Einrichtung besitzt zahlrei che Vorteile. Sende- und Empfangselement können in grosser räumlicher Entfernung voneinander, beispiels weise bei einer Potentialdifferenz von 400 kV im Ab stand von etwa 2,5 m, angeordnet werden. Die Isola tionseigenschaften der Einrichtung sind daher beson ders gut. Rückwirkungen vom Empfangskreis auf den Steuerkreis treten nicht auf. Die Lichtintensität der Lumineszenzdiode und die Empfindlichkeit des Photo detektors sind so gross, dass die räumliche Entfernung mit geeigneten optischen Mitteln gut überbrückt wer den kann.
Die Lumineszenzdiode stellt eine leicht modulier- bare Lichtquelle dar. Ihre Lichtintensität folgt prak tisch trägheitslos einem in Flussrichtung über den pn-Übergang der Diode fliessenden Strom. Die Lumi- neszenzdiode hat somit eine äusserst kurze Ansprech zeit.
Da vielfach die Gleichrichtergefässe synchron zur Netzfrequenz mit steuerbarer Phasenverschiebung zum Phasennullpunkt gezündet werden müssen, ist es not wendig, die elektrischen Steuersignale, die mittels an sich bekannter Steuerkreise erzeugt werden, im Sen deelement mit hoher Zeitgenauigkeit in Lichtsignale umzuwandeln. Die kurze Ansprechzeit der Lumines- zenzdiode ist daher von besonderer Bedeutung. Vor zugsweise werden bei der erfindungsgemässen Einrich tung Lumineszenzdioden aus Galliumarsenid verwen det, die ultrarotes Licht emittieren.
Als Photodetektor wird bei der erfindungsgemässen Einrichtung vorzugsweise eine Siliziumphotodiode ver wendet. Das Maximum der spektralen Empfindlichkeit der Siliziumphotodioden liegt dicht bei der Wellenlänge des von der Galliumarsenidlumineszenzdiode emittier ten Lichtes. Da die Siliziumphotodioden bei hinrei chend niederohmigem Abschluss ebenfalls eine sehr kurze Ansprechzeit besitzen, sind sie als Empfangsele mente vorzüglich geeignet.
Der von der Lumineszenz diode ausgesandte Lichtimpuls wird in der Photodiode in einen elektrischen Impuls umgeformt, der dann einem an die Photodiode angepassten Verstärker mit vorzugsweise kleinem Eingangswiderstand zugeführt wird. Vom Ausgang des Verstärkers wird der Impuls auf die Steuerelektrode des Gleichrichtergefässes gege ben.
Wegen der grossen Entfernung zwischen Lumines- zenzdiode und Photodetektor ist es wünschenswert, dass ein möglichst grosser Teil der von der Lumines- zenzdiode divergent ausgestrahlten Lichtleistung über diese Entfernung auf die empfindliche Fläche des Pho todetektors übertragen wird.
Die Übertragung des Lichtsignales kann mit einem aus einem Glasfaserbündel bestehenden Lichtleiter er folgen, dessen Enden auf die Lumineszenzdiode und den Photodetektor aufgesetzt werden. Ein solcher Lichtleiter benötigt zur Übertragung des Lichtsignals nur einen geringen Querschnitt, so dass auf engem Raum mehrere Übertragungskanäle angeordnet werden können.
Ausserdem sind bei der Verwendung von Lichtleitern beim Zusammenbau der erfindungsgemäs- sen Einrichtung keine Justierarbeiten notwendig. Fer ner kann dabei der Lichtweg auch gekrümmt sein.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungs- gemässen Einrichtung wird das Lichtsignal mit Hilfe einer Linsenoptik übertragen, die sich insbesondere zur Überbrückung grösserer Entfernungen eignet. Die Ver wendung einer Linsenoptik hat ausserdem den Vorteil, dass die Lumineszenzdiode und der Photodetektor, die auf verschiedenem Potential liegen, nicht durch einen unter Umständen hochspannungsempfindlichen Körper verbunden sind.
Zur Erfassung eines möglichst grossen Teiles der von der Lumineszenzdiode emittierten Strahlung soll das Linsensystem einen grossen öff- nungswinkel besitzen. Dies bedeutet, dass die der Lumineszenzdiode zunächst liegende Linse eine kurze Brennweite haben soll. Die Bedingung, dass - abgese hen von Reflexionsverlusten an den Linsenoberflächen - das im Öffnungswinkel der ersten Linse erfasste Lichtbündel verlustlos weitergeleitet wird, ist erfüllt, wenn in der Folge der Blenden jede Blende auf die übernächste Blende abgebildet wird.
Dies bedeutet, dass der Leuchtfleck der Lumineszenzdiode durch die erste Linse auf die zweite Linse, die Fassung der ersten Linse durch die zweite Linse auf die dritte Linse usw. abzubilden ist, und dass schliesslich durch die letzte Linse die Fassung der vorletzten Linse auf die emp findliche Fläche des Photodetektors abgebildet werden muss. Die notwendigen Brennweiten, Abstände und Durchmesser der Linsen können mit Hilfe der geome trischen Optik berechnet werden.
Das von einer Galli- umarsenidlumineszenzdiode emittierte Licht enthält nur einen schmalen Spektralbereich im nahen Ultrarot bei einer Wellenlänge von etwa 0,9,u. Für Licht dieser Wellenlänge sind normale optische Gläser noch durch lässig, so .dass bei der erfindungsgemässen Einrichtung normale Glaslinsen verwendet werden können. Eine Korrektur des Farbfehlers ist überflüssig. Anstelle einer Linsenoptik können auch Hohlspiegel, gegebe nenfalls kombiniert mit Linsen, verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemässen Einrichtung besteht das Linsensystem aus drei Linsen. Zwei dieser Linsen sind mit- der Lumi- neszenzdiode zu einer festen Baueinheit verbunden, während die dritte Linse mit dem Photodetektor und dem an diesen Photodetektor angeschlossenen Verstär ker ebenfalls zu einer festen Baueinheit verbunden ist. Diese Bauform besitzt den Vorteil, dass der übertra- gungsweg zwischen der Sende- und der Empfangsein heit praktisch von Linsen und deren Befestigungsmit teln freigehalten ist, so dass eine gute Isolation der auf verschiedenem Potential liegenden Teile gewährleistet ist.
Ferner können durch die Zusammenfassung zu festen Baueinheiten die Linsen vor dem Zusammenbau der gesamten Einrichtung vorjustiert werden. Dadurch wird die Montage der gesamten Einrichtung wesentlich vereinfacht. Auch bei der Verwendung von Hohlspie geln ist eine Zusammenfassung zu festen Baueinheiten möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, den Sende- und den Empfangsteil der erfindungsgemässen Einrichtung an den beiden Enden eines Stützisolators anzubringen, der das Gleichrichtergefäss trägt. Das Lichtsignal wird dabei vorzugsweise durch den hohlen Innenraum dieses Stützisolators geleitet. Dadurch wird die Einrichtung in einfacher Weise gegen äussere Einflüsse, insbesondere gegen mechanische Beschädigung, Verschmutzung oder störendes Licht geschützt und gleichzeitig eine gute Isolation des Sendeteils vom Empfangsteil erreicht. Diese Anordnung ist sowohl bei der Verwendung einer Linsen- oder Hohlspiegeloptik als auch eines Lichtlei ters vorteilhaft.
Da die Lichtintensität der Lumineszenzdiode mit wachsender Gehäusetemperatur abnimmt und somit auch gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur empfindlich ist, kann es vorteilhaft sein, die Tempera tur des Gehäuses der Lumineszenzdiode zu regeln, obwohl bei der erfindungsgemässen Einrichtung durch ,das Lichtsignal lediglich ein Zeitpunkt festgelegt wer den soll und daher eine verhältnismässig grosse Schwankung der Strahlungsamplitude zulässig ist.
Die Regelung der Temperatur des Gehäuses der Lumines- zenzdiode erfolgt vorteilhaft durch Kühlung, beispiels weise mit Hilfe eines Peltierelementes, das in die Hal terung der Lumineszenzdiode eingebaut ist.
Anhand einiger Figuren soll ein Ausführungsbei spiel der Erfindung noch näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausfüh rungsform der erfindungsgemässen Einrichtung.
Fig. 2 zeigt schematisch den Sendeteil der Einrich tung nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schematisch den Empfangsteil der Ein richtung nach Fig. 1.
Bei der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung sind der Sendeteil 1 und der Empfangsteil 2 an beiden Enden des Stützi- solators 3 angeordnet, der das in der Figur nicht dar gestellte Gleichrichtergefäss trägt. Der Sendeteil 1 be steht im wesentlichen aus der Lumineszenzdiode 11, der ersten Linse 12 und der zweiten Linse 13. Die Lin sen sind in einem Rohr 14 fest montiert. Das Steuersi gnal wird durch eine Leitung 5 einem Impulsformer 6 zugeführt. Die Lumineszenzdiode 11 ist an den Aus gang dieses Impulsformers 6 angeschlossen.
Der Emp fangsteil 2 besteht im wesentlichen aus dem Photode tektor 21, der dritten Linse 22 und dem mit dem Pho todetektor unmittelbar verbundenen Verstärker 23. Die verschiedenen Bauteile werden durch das Rohr 24 mechanisch zusammengehalten. Mit Hilfe der Leitung 25 wird das Ausgangssignal der Steuerelektrode des Gleichrichtergefässes zugeleitet. Die von der Lumines- zenzdiode ausgesandten Lichtsignale verlaufen im In neren des Stützisolators 3 und sind durch die Pfeile 4 dargestellt. In Fig. 2 ist der Sendeteil 1 der Einrichtung gemäss Fig. 1 genauer dargestellt.
Die Lumineszenzdiode 11 ist dabei mit den Linsen 12 und 13 zu einer Baueinheit zusammengefasst. Die beiden Linsen sind im Rohr 14 durch Schraubringe 15 gehaltert. Die Lumineszenz diode 11 ist in einem mit geeigneten Bohrungen und Schlitzen versehenen Metallklotz 16 befestigt.
In Wär mekontakt mit diesem Metallklotz und dem Gehäuse der Lumineszenzdiode steht das Peltierelement 17, das zur Regelung der Gehäusetemperatur der Lumines- zenzdiode 11 dient. Mit Hilfe des Kugelgelenkes 18 und der Stellschrauben 19 kann die Lumineszenzdiode um den Mittelpunkt der strahlenden Fläche ge schwenkt werden. Dadurch wird die Justierung des optischen Systems - stark vereinfacht. Zwei weitere Stellschrauben sind in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene angebracht.
Mit Hilfe des Steckers 110 wird der elektrische Steuerimpuls der Lumineszenz- diode über eine Koaxialleitung zugeführt.
In Fig. 3 ist der Empfangsteil 2 der Einrichtung nach Fig. 1 genauer dargestellt. Am einen Ende des Rohres 24 ist die Linse 22 mit Hilfe der Schraubringe 26 befestigt. Im anderen- Ende des Rohres sind der Photodetektor 21 und der Verstärker 23 eingebaut. Da mit hochfrequenten Störsignalen gerechnet werden muss, die bei der Entladung der Gleichrichtergefässe auftreten, ist eine gegen Störungen anfällige längere elektrische Leitung zwischen dem Photodetektor 21 und dem Verstärker 23 vermieden und der Photode tektor mit dem Verstärker zu einem gemeinsamen Bau teil vereinigt. Die Ausgangsbuchse des Verstärkers ist mit 27 bezeichnet.
Als Beispiel für ein optimales Linsensystem werden im folgenden die Daten eines Systems aus drei handels üblichen Glaslinsen angegeben, das bei einer speziellen Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Anordnung verwendet ist.
Bei diesem System besitzt die erste Linse 12 einen Durchmesser von 15,6 mm und eine Brennweite von 14 mm, die zweite Linse 13 einen Durchmesser von 18,7 mm und eine Brennweite von 250 mm und die dritte Linse 22 einen Durchmesser von 139 mm und eine Brennweite von 250 mm. Der Durchmesser der strahlenden Fläche der Lumines- zenzdiode beträgt 1 mm, der Durchmesser der beleuch teten Fläche des Photodetektors 2,1 mm.
Die Linse 12 hat von der Lumineszenzdiode einen Abstand von 14,75 mm, die Linse 13 von der Linse 12 einen Ab stand von 278 mm, die Linse 22 von der Linse 13 einen Abstand von 2500 mm und der Photodetektor 21 von der Linse 22 einen Abstand von 278 mm.
Wegen der kleinen Zeitkonstante der Lumineszenz diode kann bei der erfindungsgemässen Einrichtung eine hohe Zeitgenauigkeit erreicht werden. So kann beispielsweise mit Impulslängen von 10,us gearbeitet werden, während ein Grad einer Periode des 50 Hz-Wechselstromes etwa 55,6 ,us entspricht. Zur Erzielung einer hohen Lichtintensität kann bei Wahl eines geeigneten Typs einer Galliumarsenid-Lumines- zenzdiode ein maximaler Impulsstrom von etwa 20 Ampere vorgesehen werden.
Die Impulsfolgefrequenz beträgt im Normalfall 50 Hz, wobei der zur Erzeugung der elektrischen Impulse verwendete Impulsgenerator netzsynchron getriggert wird.
Zur Umwandlung der 10 ,us dauernden Lichtblitze in entsprechende elektri sche Impulse mit kleiner Anstiegszeit im Empfangsteil ist es vorteilhaft, die als Empfangselement verwendete Photodiode so an den Verstärker anzupassen, dass die RC-Kombination, die aus der Sperrschichtkapazität und dem Bahnwiderstand der Diode sowie dem Ein gangswiderstand des Verstärkers besteht, eine kleinere Zeitkonstante als etwa 2,us aufweist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Eingangswiderstand des Verstärkers entsprechend klein gehalten wird.
Bei einer Silizium-Photodiode mit einer Sperrschichtkapa- zität von etwa 62,5 Nanofarad und einem Serienwider stand von etwa 1,73 Ohm sowie einem Sperrschicht leitwert von etwa 7 Mikrosiemens ist zur Erzielung einer entsprechenden Zeitkonstante ein Eingangswider stand des Verstärkers von ungefähr 5 Ohm erforder lich. Ein solch niedriger Abschluss der Photodiode hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Photodiode praktisch noch im Kurzschluss arbeitet. Der Kurzschlussstrom der Photodiode ist nämlich im Gegensatz zur Leerlauf Spannung der Lichtleistung proportional.