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Verfahren und Anordnung zum Schutz von in Reihe geschalteten Thyristoren
gegen Uberspannungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zum Schutz
von in Reihe geschalteten Thyristoren gegen Uberspannungen in Vorwärtsrichtung,
bei dem die Thyristoren im erforderlichen Zeitaugenblick in den stromleitenden Zustand
geschaltet werden. Bei Thyristorstromrichtern größerer Leistung ist es üblich je
nach Höhe der vorgesehenen Strombelastung eine bestimmte Anzahl von Thyristoren
parallel zu schalten.
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Außerdem wird in Abhängigkeit von der vorgesehenen Betriebsspannung
eine angemessene Zahl von Thyristoren in Reihe geschaltet. Wenn aus irgend welchen
Gründen einer der Uhyristoren in einen Zeitpunkt anstehender Vorwärts spannung ohne
Zündimpuis durchlässig wird oder ist; werden die weiteren mit; diesem Thyristor
in Reihe liegenden Thyristoren mit einer entsprechend überhöhten Vorwärtssperpannung
belastet Die Folge ist unter Umständen ein Vorwärtsdurchbruoh dieser Thyristoren,
was die Gefahr der Zerstörung nach sich zieht.
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Es ist bekannt (DBP 1-251 425, DAS 1 263 173), Thyristoren dadurch
gegen Uberspannungen in Vorwärtsrichtung zu schützen, daß man sie im erforderlichen
Zeitaugenblick, d.h. beim Auftreten gefährlich hoher Spannungen, inden stromleitenden
Zustand steuert. In einer bekannten Anordnung (DBP 1 251 425) werden mehrere parallelgeschaltete
Thyristoren in der Weise gegen Uberspannungen geschützt, daß an den Steuerelektroden
der zu schützenden Thyristoren je ein ohmscher Widerstand liegt, dessen von den*.Steuerelektroden
abgewandter Anschluß gemeinsam mit den Anschlüssen der übrigen Widerstände an einem
gemeinsamen Punkt liegt, an dem die kathode eines zusätzlichen steuerbaren Halbleiterventils
geschaltet ist, dessen Steuerelektrode über ein Schwellwertglied an die gemeinsame
Anodenseite des zu schützenden Thyristors angeschlossen ist, und daß die Anode des
zusätzlichen steuerbaren Halbleiterventils über eine Hilfsspannungsquelle mit der
Eathodenseite des zu schützenden Thyristors verbunden ist.
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Sobald ein mittels des Schwellwertgliedes festgelegter Spannungswert
überschritten wird, zündet das zusätzliche steuerbare Halöbleiterventil und damit
auch die bedrohten parallelgeschalteten Thyristoren. Sind mehrere Thyristoren in
Reihe geschaltete, müsste jedem Thyristor eine entsprechende Anordnung zugeordnet
werden. Das gleiche gilt auch, wenn mehrere derartige Reihenschaltungen parallelgeschaltet
sind. Der erforderliche A wand wäre beträchtlich.
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In einer anderen bekannten Anordnung (DAS 1 263 173) ist den Thyristoren
zum Schutz gegen Überspannungen eine Widerstands-
K-ondensator-ombination
mit einem Mittelabgriff parallelgeschaltet und dieser Mittelabgriff über eine Vierschichtdiode
mit der Steuerelektrode des zu schützenden Thyristors verbunden. Bei mehreren in
Reihe geschalteten Thyristoren ist parallel zur Reihenschaltung ein aus zwei Widerständen
mit Parallelkondensatoren bestehender Spannungsteiler geschaltet, dessen Spannungsteilerabgriff
über eine Vierschichtdiode mit der Steuerelektrode eines der Thyristoren verbunden
ist. Sobald die an der Reihenschaltung anliegende Spannung einen unzulässig hohen
Wert annimmt, wird die Vierschichtdiode bei entsprechender Bemessung des Spannungsteilers
und der Vierschichtdiode leitend, so daß der mit der Vierschichtdiode verbundene
Thyristor gezündet wird. Die übrigen Thyristoren werden danach mit Hilfe von weiteren
Spannungsteilerschaltungen in Form einer Folgezündung gezündet. Das bedeutet, daß
die zu schützenden Thyristoren nicht gleichzeitig, sondern mit einem gewissen Zeitverzug
nacheinander gezündet werden.
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Ein zuverlässiger Schutz ist somit, insbesondere wenn eine größere
Anzahl von Thyristoren in Reihe geschaltet sind, nicht gegeben, weil bereits kurzzeitige
Überspannungen eur~ZerS störung der Thyristoren führen können. Diese bekannte.Anordnung
schützt die Thyristoren darüber hinaus nur dann vor unzulässigen Überspannungen,
wenn die an der Reihenschaltung ansteheade Gesamtspannung unzulässige Werte annimmt
Sie kann die Thyristoren aber nicht schützen, wenn einzelne Thyristoren trotz konstanter
Gesamtspannung beispielsweise dadurch mit einer unzulässig hohen Spannung beaufschlagt
werden,
daß die Xpannungsanfeilung auf die in Reihe geschalteten
Thyristoren ungleichmässig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist; es, ein Verfahren und eine Anordnung zu
schaffen, die die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeiden. Insbesondere sollen
die in Reihe geschalteten Thyristoren-auch dann zuverlässig vor Überspannungen geschützt
werden, wenn innerhalb der Reihenschaltung eine Störung auftritt.
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Demzufolge betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz von in
Reihe geschalteten Thyristoren gegen Überspannungen in Vorwärtsrichtung, bei dem
die 24 ristoren im erforderlichen Zeitaugenblick in den stromleitenden Zustand geschaltet
werden Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die gleichmässige Sperrspannungsaufteilung
auf die in Reihe geschalteten Thyristoren überwacht wird und sämtliche Thyristoren
der Reihenchaltung gezündet werden, wenn eine ungleiche Spannungsaufteilung auftritt.
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Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet
durch die Verwendung eines parallel zur Thyristorreihenschaltung geschalteten Spannungsteilers,
der aus einer der Zahl der in Reihe geschalteten Thyristoren entsprechenden Anzahl
von Teilimpedanzen besteht, und eines Meßgliedes, welches zwischen im Normalbetrieb
ein gleiches Potential aufweisende Verbindungspunkte der Thyristorreihenschaltung
und des Spannungsteilers eingeschaltet ist und welches mit einer
die
Zündung der Thyristoren auslösenden Schaltungsanordnung verbunden ist.
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Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Anordnung seien an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine der bekannten Stromrichterschaltungen.
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Über die Leitungen 1 ist sie mit den nicht näher bezeichneten Wechselstromnetz
und über die Leitungen 3 mit dem nicht näher bezeichneten Verbraucher oder Gleichstromnetz
verbunden.
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Die an den Gleichstromklemmen 3 angedeuteten Polaritäten berücksichtigen,
daß diese Schaltung sowohl im Gleichrichterals auch im Wechselrichterbetrieb ar-beiten
kann.
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In den Figuren 2 bis 6 ist jeweils nur ein Teil einer solchen Schaltung,
nämlich ein Stromrichterzweig -2, dargestellt Fig. 2 zeigt als Beispiel einen aus
drei in Reihe geschalteten Thyristoren 2.1, 2.2 und 2.3 bestehenden Stromrichterzweig.
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In den Figuren 3 bis 6 sind jeweils drei solcher Reihenschaltungen
parallelgeschaltet. Selbstverständlich kann die Zahl der in Reihe bzw. parallelgeschalteten
Thyristoren auch anders sein.
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In Fig. 2 ist parallel zur Thyristorreihenschaltung 2.1, 2.2, 2.3
ein aus drei gleich großen Impedanzen 4.1, 4.2, 4.3 aufgebauter Spannungsbeiier
geschaltet. Diese Impedanzen sind im vorliegenden Bei.spi.el-ohmsche-Widerstände.
Die Deilimpedanzen
4.1 und 4.2 könnten zu einer Teilimpedanz doppelter
Größe zusammengefaßt werden. Zwischen die Verbindungspunkte der Thyristoren 2.2
und 2.3 bzw. der Teilimpedanzen 4.2 und 4.3 ist ein Meßglied 5 eingeschaltet. Diese
Verbindungspunkte besitzen im Normalbetrieb gleiches Potential, so daß im Normalbetrieb
am Neßglied 5 keine Potentialdifferenz auftritt. Dieses Meglied könnte auch zwischen
die beiden anderen Verbindungspunkte, nämlich zwischen die Thyristoren 2.1 und 2.2
bzw. zwischen die eilimpedansen 4.1 und 4.2 eingeschaltet werden. Wenn aus irgend
welchen Gründen sich die Sperrspannung nicht gleichmässig auf die drei Thyristoren
verteilt, steht am Meßglied 5 eine Spannung an, die dazu benetzt werden kann, die
in Reihe geschalteten Thyristoren zu zünden. Dazu ist dieses Meßglied 5 mit einer
Schaltungsanordnung 6 verbunden, welche beim Auftreten einer Potentialdifferenz
zwischen diesen Verbindungspunkten die Zündung der Thyristoren auslöst.
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Diese Schaltungsanordnung 6 kann beispielsweise einen durch eine Hilfsspannungsquelle
aufgeladenen und in einem bestimmten Ladungszustand gehaltenen Kondensator sowie
einen Hilfsthyristor enthalten. Zwecks Zündung der in Reihe geschalteten Thyristoren
2.1, 2.2, 2.3 wird dann dieser Hilfsthyristor gezündet, wodurch sich der Kondensator
über die Impulsübertrager 9.1, 9.2, 9.3 entlädt und damit die zu schützenden Thyristoren
zündet. Die Primärwicklungen der Zündimpulsübertrager können entweder, wie im vorliegenden
Beispiel gezeigt,, in Reihe oder auch parallel bzw. teilweise in Reihe und tei.1.-weise
parallelgeschaltet werden. Um zu vermeiden, daß das MeßglLed 5 bei geringfügigen
Unterschieden in der Aufteilung
der Sperrspannung, wie sie z.B.
durch unterschiedliche Thyristordaten im Rahmen der normalen Fertigungssteuerung
zu erwarten sind, anspricht, ist es vorteilhaft, eine den betrieblichen Verhältnissen
anpaßbare Schwellgrenze in der Schaltungsanordnung 5 vorzusehen, so daß die Zündung
der in Reihe geschalteten Thyristoren nur erfolgt, wenn die Ungleichheit der Sperrspannungsaufteilung
eine vorgebbare Mindesthöhe überschreitet. Außerdem ist es zweckmässig, den zu schützenden
Thyristoren nur dann einen Zündimpuls zuzuführen, wenn an der Reihenschaltung eine
Vorwärtssperrspannung liegt. Würde man den Thyristoren bei anstehender Rücksperrspannung
Zündimpulse zuführen, so könnten in diesem Fall die Rückströme (Sperrströme) in
den Thyristoren undefiniert erhöht werden, so daß unter Umständen eine weitere Verschlechterung
der Sperrspannungsaufteilung aufträte. Erfindungsgemäß enthält daher die die Zündung
der Thyristoren auslösende Schaltungsanordnung 6 eine Sperreinrichtung, welche die
Richtung der an der Thyristorreinhenschaltung anliegenden Sperrspannung überwacht
und die Auslösung der Zündung der Thyristoren nur bei anstehender Vorwärtsperrspannung
freigibt. Um das Meßglied 5 auch bei ungleicher Aufteilung der Rückwärtssperrspannung
auszunutzen, ist im vorliegenden Beispiel noch ein Signalglied 7 vorgesehen, das
bei Auftreten einer ungleichen Spannungsaufteilung entweder ein Warnsignal abgibt
und/oder den ganzen Stromrichter abschaltet. Das Meßglied 5 kann dazu benutzt werden,
nicht nur sämtliche Thyristoren der Reihenchaltung durchzuzünden, sondern auch die
Schutzeinrichtungen, wie zB Schalt er, die zur Unterbrechung des kurzschlußsromes
erforderlich
sind, auszulösen. Hierdurch wird erreicht;, daß diese Schutzeinrichtungen zum frühestmöglichen
Zeitpunkt den A;,slösebefehl erhalten.
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Je nach Betreibszustand des Stromrichters hat das Durchzünden aller
in einer Reihe liegenden Thyristoren eine mehr oder weniger hohe Uberlastung dieser
Reihenschaltung zur Folge. Wenn beispielsweise der Stromrichter.im Wechse]richterbetrieb
arbeitet, entspricht die Durchzündung des linken unteren Stromrichterzweiges in
Fig. 1 während der Stromführung des rechten unteren Stromrichterzweiges in Fig.
1 einer Kippung, also einem Kurzschluß. Um die Auswirkungen dieses Kurzschlußstromes
möglichst gering zu halten, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, daß bei
Anordnungen mit Stromrichterzweigen, die aus mehreren parallelgeschalteten Thyristorreihenschaltungen
bestehen, die Thyristoren mehrerer oder aller Reihenschaltungen dieses Stromrichterzweiges
gezündet werden, wenn innerhalb einer Reihenschaltung eine ungleichmässige Spannungs
aufteilung auftritt.
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Dadurch wird der Kurzschlußstrom auf mehrere parallele Thyristorreihenschaltungen
verteilt und damit die Kurzschlußbelastung der in Reihe geschalteten Thyristoren
entsprechend reduziert. Die Anforderung an die Schutzeinrichtungen zur Unterbrechung
des Kurzsc,hlußstromes werden dementsprechend geringer, wobei grundsätzlich davon
ausgegangen wird, daß diese Schutzeinrichtungen so schnell ansprechen, daß sie jegliche
strommässige Zerstörung der Thyristoren vermeiden.
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In den Figuren 3 bis 6 sind entsprechende Anordnungen mit parallelgeschalteten
Thyristorreihenschaltungen dargestellt.
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Die Funktionsweise der Schutzeinrichtungen ist auch in die sen Anordnungen
die gleiche wie in der zuvor beschriebenen Anordnung.
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In Fig. 3 ist ein den drei parallelgeschalteten Thyristoren reihenschaltungen
gemeinsamer Spannungsteiler 4.1, 4.2, 4.3 vorgesehen und eine der Zahl der parallelen
Reihenschaltungen entsprechende Anzahl von Meßgliedern 5.1, 5.2? 5.3. Jeweils eines
der Meßglieder ist zwischen im Normalbetrieb ein gleiches Potential aufweisende
Verbindungspunkte des Spannungsteilers und jeweils eine Thyristorreihenschaltung
eingeschaltet. So ist im vorliegenden Beispiel das Meßglied 5.1 zwischen die Verbindungspunkte
der Thyristoren 2.1.1 und 21.2 bzw. des Spannungsteilers 4.1 und 4.2 eingeschaltet.
Entsprechend ist das Meßglied 5.2 zwischen die Verbindungspunkte des Thyristors
22.2 und 22.3 bzw. des Spannungateilers 4.2 und 4.3 eingeschaltet. Das Meßglied
5.3 ist ebenfalls zwischen die Verbindungspunkte des Spannungsteilers 4.2 und 4.3
und des Thyristorst3.2 und 23.3 eingeschaltet.. Im vorliegenden Beispiel;wurde das
Meßglied 5.1 mit der Verbindungspunkt der Telimpedanzen 4.1 und 4.2 verbunden. Selbstverständlich
könnte es ebenso wie die Meßgleider 5.2 und 5.3 mit dem verbindungspu nkt der Teilimpedanzen
4.2 und 4.3 verbunden sein.
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Entscheidend ist lediglich, daß das Meßgleid jeweils zwischen solche
Verbindungspunkites eingeschaltet wird, die im Normalbetreib gleiches Potential
aufweisen. Im vorliegenden Beispiel sind die drei Meßgleider 5.1, 5.2 und 5.3 entsprechend
Fig;
2 mit einer Schaltungsanordnung 6 zur Auslösung der Zündimpulse und mit einer Signaleinrichtung
7 verbunden. Die Impulsübertrager für die einzelnen Thyristoren sind nicht näher
dargestellt.
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In Fig. 4 ist eine en-tsprechende Anordnung gezeigt. An Stelledreier
Meßglieder ist hier Jedoch nur ein einziges Meßglied 5 vorgesehen, das einmal mit
dem Verbindungspunkt der beiden Teilimpedanzen 4.2 und 4.3 und andererseits über
Entkopplungsimpedanzen, im vorliegenden Fall hochohmige ohmsche Widerstände 8.1,
8.2, 8.3, mit dem Verbindungspunkt der beiden Thyristoren 21.2 und 21.3, bzw. mit
dem Verbindungspunkt der beiden, Thyristoren 22.2 und 22.3, bzw. mit dem Verbindungspunkt
der beiden Thyristoren 23.2 und 23.3 verbunden ist.
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Die Zündimpulsübertrager 91.1 bis 95.3 sind im Beispiel wieder in
Reihe geschaltet, sie können jedoch beliebig parallel oder in Reihe geschaltet werden.
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Weitere Anordnungen zur Durchführung des ,erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Wie in den Figuren 3 und 4 sind auch hier
jeweils drei Thyristoren in Reihe geschaltet und drei solcher Reihenschaltungen
parallel geschaltet.
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In Fig, 5 wird fm Gegensatz zu den Anordnungen gemäß Fig. 3 und Fig.
4 kein Spannungsteiler parallel geschaltet. Statt dessen wird die Spannu'ngsdifferenz
zwischen zwei Punkten gemjessen, die sich an zwei verschiedenen Thyristorreihenschaltungen
in gleicher Position, beispielsweise zwischen dem zweiten und dem dritten Thyristor
befinden. Diese Punkte haben im Normalbetrieb gleiches Potential, Im vorliegenden
Beispiel
ist somit zwischen die Verbindungspunkte der beiden Thyristoren 21.2 und 21.3 bzw.
der beiden Thyristoren 22.2 und 22.3 ein Meßgliea 5.1 eingeschaltet. Entsprechend
ist das Meßglied 5.2 zwischen die Verbindungspunkte der Thyristoren 22'.2 und 22.3
bzw. der Thyristoren 23.2 und 23.3 eingeschaltet. Beide Meßglieder sind wiederum
einerseits mit einer Schaltungseinrichtung 6 zur Auslösung der Zündimpulse und mit
einer Signaleinrichtung 7 verbunden. Die Impulsübertrager sind wiederum nicht dargestellt.
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In Figo 6 ist eine entsprechende Anordnung dargestellt, wobei, ähnlich
wie in der Anordnung nach Fig. 4, nur ein allen Thyristorreihenschaltungen gemeinsames
Meßglied 5 vorgesehen ist.
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Dieses ist wiederum einerseits mit dem Verbindunspunkt der beiden
Thyristoren 23.2 und 23.3 und andererseits über Entkopplungsimpedanzen 8.1 bzw.
8.2 mit den, Verbindungspunkten der Thyristoren 21.2 und 2143 bzw. der Thyristoren
2202 und 22.3 verbunden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Anordnungen beschränkt.
Sie kann in jeder beliebigen Stromrichteranordnung vorgesehen werden, die in Reihe
geschaltete Thyristoren verwendet.
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11 Seiten Beschreibung, 13 Patentansprbche,und ? Blatt Zeichnungen
mit 6 Figuren