CH651430A5

CH651430A5 - Vorrichtung zur steuerung eines umformers mit gto-thyristoren.

Info

Publication number: CH651430A5
Application number: CH1372/80A
Authority: CH
Inventors: Nagataka Seki; Yukinori Tsuruta
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1979-02-20
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1985-09-13
Also published as: DE3006035A1; US4301500A; GB2047016B; DE3006035C2; JPS55111672A; GB2047016A; JPS631828B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung eines Umformers, der mit GTO-Thyristo-ren bestückt ist. Kürzlich sind GTO-Thyristoren, das sind Thyristoren, die über die Steuerelektrode gesperrt werden können, die für hohe Leistungen im Bereich von 200 A bis 600 A verwendbar sind, entwickelt und auf den Markt gebracht worden. GTO-Thyristoren vereinfachen die Hauptschaltung, erhöhen den Wirkungsgrad und reduzieren den Lärm, aber sie sind in bezug auf dv/dt den herkömmlichen Typen unterlegen, weil die den GTO-Thyristoren eigene Gestaltung eine kurzgeschlossene Emitterstruktur nicht zulässt.

Zum Schutze herkömmlicher Thyristoren wird in einer Überspannungsschutzschaltung ein Kondensator 0,1-0,2 uF benötigt, aber im Falle des GTO-Thyristoren muss dieser Kondensator 1-2 uF betragen. Darüber hinaus sind zur Steuerung des GTO-Thyristors drei verschiedene Signalarten erforderlich, nämlich ein Ein-Impuls-, ein Aus-Impuls und ein negatives Vorspannungssignal. Namentlich dort, wo GTO-Thyristoren in Umformern oder dergleichen eingesetzt werden, ist die Taktsteuerung der Ein-Impulse und der AusImpulse von grösster Wichtigkeit, deshalb entstehen oft Probleme im Zusammenhang mit der Zeiteinstellung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb im Aufzeigen einer Vorrichtung zur Steuerung eines Umformers mit GTO-Thyristoren.

Eine solche Vorrichtung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 geschaffen.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema eines Umformers, in welchem eine Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 ein Schaltschema der Vorrichtung, die in der Schaltung nach Fig. 1 enthalten ist,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm der Vorrichtung von Fig. 2, Fig. 4 ein Schaltschema einer zweiten Ausführung der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltschema einer dritten Ausführung der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Impulslänge der Aus-Impulse einstellbar ist, und

Fig. 6 ein Schaltschema einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Ein-Impuls während der überlagernden Periode der Ein- und Aus-Impulse nicht abgegeben wird.

Fig. 1 zeigt eine Drehstrombrückenumformerschaltung. In dieser Schaltung ist der positive Anschluss einer Gleichstromquelle 11 mit den Anoden der GTO-Thyristoren 12, 13 und 14 verbunden, während der negative Anschluss mit den Kathoden der GTO-Thyristoren 15, 16 und 17 verbunden ist. Die Kathode des GTO-Thyristors 12 ist mit der Anode des GTO-Thyristors 15, die Kathode des GTO-Thyristors 13 mit der Anode des GTO-Thyristors 16 und die Kathode des GTO-Thyristors 14 mit der Anode des GTO-Thyristors 17 verbunden. Die GTO-Thyristoren 12, 13, 14, 15, 16 und 17 sind mit den entsprechenden Dioden 18,19, 20,21, 22 und 23 antipar-

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allei geschaltet. Die Verbindungspunkte zwischen den Thyristoren 12 und 15, zwischen den Thyristoren 13 und 16 und zwischen den Thyristoren 14 und 17 sind mit den Drehstromwicklungen eines Drehstromtransformators 24 verbunden. Die Steuerelektroden der Thyristoren 12 bis 17 sind mit den Steuerausgängen U, V, W, X, Y und Z einer Steuerschaltung 25 verbunden.

Die Steuerschaltung 25 wird in Fig. 2 gezeigt. In der Steuerschaltung 25 erzeugt ein Oszillator 26 ein Impulssignal, das eine Frequenz aufweist, die sechsmal grösser ist als die Frequenz des Wechselstroms am Ausgang des Drehstromumformers, z.B. ein Impulssignal von 300 Hz bei einer Umformerfrequenz von 50 Hz. Der Ausgang des Oszillators 26 ist mit dem Eingang der Verzögerungsschaltung 27 verbunden, welche das Ausgangssignal des Oszillators 26 für eine vorbestimmte Zeitdauer verzögert und deren Ausgang mit dem Eingang des Ringzählers 28 verbunden ist. Dieser Ringzähler 28 weist sechs Stufen und sechs Stufenausgänge auf, welche mit einer Aus-Impuls-Auswahlschahung 29 und einem Modulator 30 verbunden sind. Sechs Ausgänge des Modulators sind mit den entsprechenden Eingängen der ODER-Gatter 31U bis 31Z wie auch mit den entsprechenden Eingängen der ODER-Gatter 32U bis 32Z verbunden. Die Ausgänge der Aus-Impuls-Auswahlschaltung 29 sind mit den entsprechenden Eingängen der ODER-Gatter 33U bis 33Z verbunden.

Die Ausgänge der ODER-Gatter 31U bis 31Z sind über die Verstärker 34U bis 34Z mit den Impulstransformatoren 35U bis 35Z verbunden. Die Ausgänge der ODER-Gatter 32U bis 32Z sind über eine Sperrschaltung 36 und die Verstärker 37U bis 37Z mit den Impulstransformatoren 38U bis 38Z verbunden. Die Ausgänge der ODER-Gatter 33U bis 33Z sind über eine Sperrschaltung 39 und die Verstärker 40U bis 40Z mit den Impulstransformatoren 41U bis 4IZ verbunden. Die Ausgänge der Impulstransformatoren 35U, 38U und 41U sind miteinander verbunden und bilden den Ausgang U der Steuerschaltung 25. In gleicher Weise sind die Ausgänge der Impulstransformatoren 35U bis 35Z, 38U bis 38Z und 41U bis 41Z je miteinander verbunden und bilden die Ausgänge U, V, W, X, Y und Z der Steuerschaltung 25.

Die Ausgänge des Oszillators 26 und der Verzögerungsschaltung 27 sind mit den entsprechenden Eingängen der UND-Gatter 42a und 42b einer Synchronschaltung 42 verbunden. Die anderen Eingänge der UND-Gatter 42a und 42b sind mit zugehörigen Start- und Stopsignalleitungen 43 bzw. 44 verbunden, und die Ausgänge der UND-Gatter 42a und 42b mit dem Setz- bzw. Rücksetzeingang eines Flipflops 42c. Die Setz- und Rücksetzausgänge des Flipflops 42c sind mit dem entsprechenden Eingang eines UND-Gatters 45 bzw. dem Triggereingang eines Hilfsoszillators 46 verbunden. Der Ausgang des Hilfsoszillators 46 ist mit den anderen Eingängen der ODER-Gatter 32U bis 32Z verbunden. Der andere Eingang des UND-Gatters 45 ist mit einem Oszillator 47 verbunden, welcher ein Signal von beispielsweise 20 kHz erzeugt. Eine Kommutierungsstörungssignalleitung 48 ist mit den anderen Eingängen der ODER-Gatter 31U bis 31Z und mit den Steuereingängen der Sperrschaltungen 36 und 39 verbunden.

Die Vorrichtung zur Steuerung eines Umformers, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Schaltung in Fig. 2 und dem Impulsdiagramm, dargestellt in Fig. 3, beschrieben. Der Oszillator 26 erzeugt ein Signal A mit einer Frequenz von 300 Hz und die Verzögerungsschaltung 27 ein Signal B, das um eine vorbestimmte Zeitspanne verschoben ist, z.B. um die Impulsbreite des Signals A. Wenn das Signal B zum Ringzähler 28 gelangt, beginnt der Ringzähler 28 synchron zum Signal B zu zählen. Deshalb werden die Signale C, D, E, F, G und H von sechs entsprechenden Stufen des Ringzählers 28

ausgegeben. Diese Signale C bis E und F bis H sind je in ihrer Phase um 120° gegeneinander verschoben.

Wenn der Betrieb des Umformers zum Zeitpunkg t] beginnt, wird über die Startsignalleitung 43 und zum UND-5 Gatter 42a ein Startsignal geliefert. Das UND-Gatter 42a spricht auf die Hinterflanke des Impulses von Signal B an und erzeugt ein Ausgangssignal, um das Flipflop 42c zu setzen. Das Setzsignal vom Flipflop 42c wird an das UND-Gat-ter 45 gelegt, um dieses zu öffnen. In der Folge wird das Aus-io gangssignal des Oszillators 47 von 20 kHz über das UND-Gatter 45 dem Modulator 30 zugeführt. Das 20-kHz-SignaI wird im Modulator 30 mittels der Signale C bis H, die vom Ringzähler 28 stammen, moduliert. Die modulierten Signale werden über die ODER-Gatter 31U bis 31Z und die Verstär-15 ker 34U bis 34Z den Impulstransformatoren 35U bis 35Z wie auch über die ODER-Gatter 32U bis 32Z, die Sperrschaltung 36 und die Verstärker 37U bis 37Z den Impulstransformatoren 38U bis 38Z zugeführt. Andererseits erzeugt die AusImpuls-Auswahlschaltung 29 Aus-Impulse, die zu den Signa-2o len C bis H des Ringzählers 28 und dem Signal A des Oszillators 26 synchron sind. Diese Aus-Impulse werden über die ODER-Gatter 33U bis 33Z, die Sperrschaltung 39 und die Verstärker 40U bis 40Z dem Impulstransformator 41U bis 41Z zugeführt. Die Ausgangssignale der Impulstransformato-25 ren 35U, 38U und 41U werden zu einem Signal u zusammengefügt, das über den Anschluss U der Steuerelektrode des GTO-Thyristors 12 des Umformers, dargestellt in Fig. 1, zugeführt wird. Dieses Signal u wird gebildet aus einem EinImpuls, der vom Impulstransformator 35U stammt und auf 30 die Hinterflanke des Signals B und die Vorderflanke des Signals C anspricht, einem Aus-Impuls, der vom Impulstransformator 38U stammt und auf die Signale A und C anspricht und einem negativen Vorspannungssignal, das vom Impulstransformator 41U nach dem Aus-Impuls erzeugt wird. 35 Der Thyristor 12 wird durch den Ein-Impuls des Signals u geöffnet, dann mit dem Aus-Impuls gesperrt und danach durch das negative Vorspannungssignal im Sperrzustand gehalten. Auf diese Weise werden die Ausgangssignale der Impulstransformatoren 35U bis 35Z, 38U bis 38Z und 41U 40 bis 41Z zu den entsprechenden Signalen u, v, w, x, y und z zusammengesetzt, und über die Anschlüsse U, V, W, X, Y und Z den Steuerelektroden der Thyristoren 12, 13, 14, 15, 16 und 17 zugeführt. Die Steuerung jedes der Thyristoren 12 bis 17 wird mit den Signalen u bis w und x bis z bewerkstelligt, so 45 dass am Ausgang des Umformers drei Phasen zur Verfügung stehen, jede um 120° gegenüber der anderen verschoben, die dem Drehstromtransformator 24 zugeführt werden, welcher Drehstrom abgibt.

50 Während des normalen Betriebs werden die zwischen den Zeiten t2 und t3 gebildeten Signale von der Steuerschaltung 25 sich dauernd wiederholend geliefert, und der Drehstromtransformator 24 gibt Drehstrom ab. Wenn der Betrieb zu einer Zeit t3 unterbrochen wird, wird dem UND-Gatter 42b 55 über die Stopsignalleitung 44 ein Stopsignal zugeführt, dieses erzeugt ein durch die Vorderflanke des Impulses des Signals A synchronisiertes Signal, um das Flipflop 42c zurückzusetzen. Der Hilfsoszillator 46 wird durch das Rücksetzsignal vom Ausgang des Flipflops 42c getriggert, und ein Aus-60 Impuls geht vom Ausgang 29a der Aus-Impuls-Auswahlschaltung aus. Dieser Aus-Impuls wird über die ODER-Gatter 33U bis 33Z, die Sperrschaltung 39 und die Verstärker 40U bis 40Z den Impulstransformatoren 41U bis 41Z zugeführt. Der Hilfsoszillator 46 liefert ein Ausgangssignal über die 650DER-Gatter 32U bis 32Z, die Sperrschaltung 36 und die Verstärker 37U bis 37Z zu den Impulstransformatoren 38U bis 38Z. Zu diesem Zeitpunkt ist das UND-Gatter geschlossen, um das Ausgangssignal des Oszillators 47 zu sperren. Als

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Folge davon stehen an den Ausgängen U, V, W, X, Y und Z der Steuerschaltung 25 die Signale u bis z, wie sie in Fig. 3 zwischen den Zeiten t3 und t4 dargestellt sind, zur Verfügung. Diese' Steuersignale bestehen aus Aus-Impulsen, die mit der Vorderflanke des Signals A synchronisiert sind und negativen Vorspannungssignalen, die den Aus-Impulsen folgen, und wenn diese Steuersignale die GTO-Thyristoren 12 bis 17 steuern, so sperren diese zur gleichen Zeit. Falls der Betrieb nach dem Unterbruch erneut aufgenommen wird, erfolgt dieselbe Arbeitsweise, wie sie für den Betriebszustand schon beschrieben wurde. Wenn während des normalen Betriebs zur Zeit t5 Kommutierungsstörungen auftreten, so wird über die Kom-mutierungsstörungsleitung 48 an die ODER-Gatter 31U bis 31Z und an die Sperrschaltungen 36 und 39 ein Kommutie-rungsstörungssignal angelegt. Das Kommutierungsstörungssi-gnal wird über die ODER-Gatter 31U bis 31Z den Verstärkern 34U bis 34Z und den Anschlüssen U bis Z den GTO-Thyristoren 12 bis 17 zugeführt, dadurch werden alle GTO-Thyristoren 12 bis 17 getriggert. Zu dieser Zeit sperren die Sperrschaltungen 36 und 39 die von den ODER-Gattern 32U bis 32Z und 33U bis 33Z stammenden negativen Vorspannungssignale und Aus-Impulse, so dass nach dem Kommutie-rungsstörungssignal, wie in Fig. 3 dargestellt, keine weiteren Signale mehr erscheinen und alle Thyristoren getriggert bleiben. Dieser Zustand, das ist der Zustand nach dem Zeitpunkt t4, stellt einen Zustand nach einem Pannenstop dar, und ein Trennschalter oder Schütz, der in die Hauptschaltung eingefügt ist, wird betätigt. Folglich kehrt der Umformer, nachdem der Trennschalter oder der Schütz nach einer erforderlichen Inspektion oder nachdem Gegenmassnahmen zur Entspannung vorgekehrt wurden geschlossen wird, wieder zum Normalzustand vor dem Zeitpunkt t| zurück.

Der Ein-Impuls Pon, der verwendet wird, um die Steuerung in der oben beschriebenen Steuerschaltung zu erzielen, ist ein Stromimpuls mit einem Spitzenwert von 0,5 bis 0,6 A, und der Aus-Impuls Poff ist ein Stromimpuls mit einem Spitzenwert von 100 bis 200 A und einer Impulslänge von 50 bis

60 us. Die sich überlagernden Teile der Ein- und der AusImpulse lassen den Ein-Impuls offensichtlich verschwinden, aber nur die Aus-Impulse weisen eine vorbestimmte Impulslänge auf. Demgemäss ist es unnötig, die Impulslänge der 5 Ein-Impulse kurz zu machen und die zeitliche Lage der Ein-und Aus-Impulse anzugleichen.

Der Hilfsoszillator, der in der oben beschriebenen Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann weggelassen werden, wenn wie in Fig. 4 gezeigt, der Schal-io tung ein UND-Gatter 50 hinzugefügt wird, das auf das Rücksetzsignal des Flipflops 42c anspricht und durch welches das 20-kHz-Signal den ODER-Gattern 32U bis 32Z zugeführt wird. Wenn ein monostabiler Multivibrator 51 zwischen die Sperrschaltung 39 und die Verstärker 40U bis 40Z eingefügt 15 wird, dargestellt in Fig. 5, wird es möglich, die Impulslänge der Aus-Impulse Poff einzustellen. Ebenfalls ist es möglich, die Phasendifferenz zwischen den Signalen A und B zu ändern, indem die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 27, dargestellt in Fig. 2, eingestellt wird. Die Phasendif-20 ferenz und die Impulslänge sind in Korrelation zueinander eingestellt.

In einer anderen Ausführung, dargestellt in Fig. 6, ist zwischen den ODER-Gattern 31U bis 31Z und den Verstärkern 34U bis 34Z eine Sperrschaltung 52 angeordnet, so dass wäh-25 rend der Überlagerungsperiode der Ein-Impulse Pon und der Aus-Impulse Poff keine Ein-Impulse abgegeben werden.

Gemäss Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, wird das negative Vorspannungssignal während des Stops des Umformers mittels Impulstransformatoren an die GTO-Thy-30 ristoren gelegt, um so die GTO-Thyristoren vor ungewolltem Zünden zu schützen und die Kapazität des Kapazitätselementes in der Überspannungsschutzschaltung, die mit den GTO-Thyristoren verbunden ist, klein zu halten. Ausserdem kann ein Teil der Ein-Impulse durch Überlagerung der Ein- und 35 Aus-Impulse im Impulstransformator verschwinden, mit dem Resultat, dass der Vorgang, durch welchen die Steuersignale gebildet werden, vereinfacht werden kann.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Steuerung eines Umformers mit mehreren GTO-Thyristoren, die in einer vorbestimmten Art geschaltet sind, um Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz zu steuern, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Erzeugung eines ersten Impulssignals, von welchem die Frequenz des Wechselstroms abhängt; eine Schaltung zur Erzeugung eines zweiten Impulssignals, das um eine vorbestimmte Zeitdauer gegenüber dem ersten Impulssignal verzögert ist; eine Schaltung zur Erzeugung eines Bezugsphasensignals, das, abhängig vom zweiten Impulssignal, ein der Phase des Wechselstroms des Umformers entsprechendes Signal ist; eine Schaltung zur Erzeugung von Ein-Impulsen, die mit dem zweiten Impulssignal und dem Bezugsphasensignal synchron sind und die für die entsprechenden GTO-Thyristoren bestimmt sind; eine Schaltung zur Erzeugung von Aus-Impul-sen, die mit dem ersten Impulssignal und dem Bezugsphasensignal synchron sind und nach den Ein-Impulsen erfolgen; eine Schaltung zur Erzeugung von negativen Vorspannungssignalen nach den Aus-Impulsen; eine Schaltung zur Beendigung des Betriebs, synchronisiert vom ersten Impulssignal, zur Versorgung der GTO-Thyristoren mit den Aus-Impulsen und den daran anschliessenden negativen Vorspannungssignalen zum Zeitpunkt, in dem der Betrieb des Umformers beendet wird, und eine Schaltung zum Kommutierungsstö-rungsschutz, um die GTO-Thyristoren zum Zeitpunkt von Kommutierungsstörungen mit Ein-Impulsen zu versehen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Erzeugung von Ein-Impulsen einen Oszillator enthält, um ein Signal einer vorbestimmten Frequenz zu erzeugen, und einen Modulator enthält, um die Signale dieses Oszillators mit dem Bezugsphasensignal zu modulieren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Erzeugung eines zweiten Impulssignals eine Verzögerungsschaltung enthält, um das erste Impulssignal für eine vorbestimmte Zeit zu verzögern.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Erzeugung eines Bezugsphasensignals einen mehrstufigen Ringzähler enthält, der durch das zweite Impulssignal gesteuert wird, um Bezugsphasensignale zu erzeugen, von denen jedes in seiner Phase vom anderen verschoben ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Beendigung des Betriebs Elemente enthält, die durch ein Stopsignal, erzeugt zum Zeitpunkt der Beendigung des Betriebs, und dem ersten Impulssignal synchronisierbar sind, um ein Steuersignal zu erzeugen, und Elemente enthält, um einen Aus-Impuls in Antwort auf das Steuersignal zu erzeugen, und einen Hilfsoszillator enthält, um ein negatives Vorspannungssignal in Antwort auf das Steuersignal zu erzeugen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Beendigung des Betriebs Elemente enthält, die durch ein Stopsignal, erzeugt zum Zeitpunkt der Beendigung des Betriebs, und dem ersten Impulssignal synchronisiert werden, um ein Steuersignal zu erzeugen, und Elemente enthält, um einen Aus-Impuls in Antwort auf das Steuersignal zu erzeugen, sowie Elemente enthält, um in Abhängigkeit vom Steuersignal das Ausgangssignal des Oszillators mit der vorbestimmten Frequenz den GTO-Thyristoren zuzuleiten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zum Kommutierungsstörungsschutz Elemente enthält, um den GTO-Thyristoren ein Kommutierungs-störungssignal, erzeugt im Zeitpunkt einer Kommutierungsstörung, zuzuführen, und eine Sperrschaltung aufweist, um die Ein- und Aussignale zu sperren.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Erzeugung von Aus-Impulsen Elemente enthält zur Einstellung der Impulslänge der AusImpulse.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Erzeugung von Ein-Impulsen Elemente enthält, um die Ein-Impulse in Abhängigkeit von den Aus-Impulsen zu sperren.