DE1952828B2 - Schaltungsanordnung zum Schutz von in Reihe geschalteten Thyristoren gegen Überspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung «ο entsprechend dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Thyristorstromrichtern größerer Leistung ist es üblich, je nach Höhe der vorgesehenen Strombelastung eine bestimmte Anzahl von Thyristoren parallel zu schalten. Außerdem wird in Abhängigkeit von der vorgesehenen Betriebsspannung eine angemessene Zahl von Thyristoren in Reihe geschaltet. Wenn aus irgend welchen Gründen einer der Thyristoren in einem Zeitpunkt anstehender Vorwärtsspannung ohne Zünd- so impuls durchlässig wird oder ist, werden die weiteren mit diesem Thyristor in Reihe liegenden Thyristoren mit einer entsprechend überhöhten Vorwärtssperrspannung belastet Die Folge ist unter Umständen ein Vorwärtsdurchbruch dieser Thyristoren, was die Gefahr der Zerstörung nach sich zieht.

Es ist bekannt (DE-AS 12 51 425, DE-AS 12 63 173), Thyristoren dadurch gegen Überspannungen in Vorwärtsrichtung zu schützen, daß man sie im erforderlichen Augenblick, d. h. beim Auftreten gefährlich hoher ^h" Spannungen, in den stromleitenden Zustand steuert. In einer bekannten Anordnung (DE-AS 12 51 425) werden mehrere parallelgeschaltete Thyristoren in der Weise gegen Überspannungen 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 Kathodenseite des zu schützenden Thyristors verbunden ist Sobald ein mittels des Schwellwertgliedes festgelegter Spannungswert überschritten wird, zündet das zusätzliche steuerbare Halbleiterventil und damit auch die bedrohten parallelgeschalteten Thyristoren. Sind mehrere Thyristoren in Reihe geschaltet, müßte jedem Thyristor eine entsprechende Anordnung zugeordnet werden. Das gleiche gilt auch, wenn mehrere derartige Reihenschaltungen parallelgeschaltet sind Der erforderliche Aufwand wäre beträchtlich.

In einer anderen bekannten Anordnung (DE-AS 12 63 173) ist den Thyristoren zum Schutz gegen Überspannungen eine Widerstands-Kondensator-Kombination mit einem Mittelabgriff paralJelgeschaltet 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. Ein zuverlässiger Schutz ist somit insbesondere wenn eine größere Anzahl von Thyristoren in Reihe geschaltet sind, nicht gegeben, weil bereits kurzzeitige Überspannungen zur Zerstörung der Thyristoren führen können. Diese bekannte Anordnung schützt die Thyristoren darüber hinaus nur dann vor unzulässigen Überspannungen, wenn die an der Reihenschaltung anstehende Gesamtspannung unzulässi/je 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 Spannungsaufteilung auf die in Reihe geschalteten Thyristoren ungleichmäßig ist.

Eine Anordnung zum Schutz von in Reihe geschalteten Halbleiterventilen, bei der die gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die Halbleiterventile überwacht wird und eine sofortige Signalgabe und Schutzauslösung im Störungsfall erfolgt ist durch die CH-PS 4 68 114 bekannt. Einerseits ist hier aber der Aufwand beträchtlich und andererseits soll im Störungsfall die defekte Halbleiterkette von der Einspeisung abgetrennt werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Schutz gegen Überspannungen anzugeben, mit der bei nur geringem Aufwand bei ungleichmäßiger Spannungsaufteilung innerhalb der Reihenschaltung ein gleichzeitiges Durchzünden der Thyristoren erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst Unter Einsatz weniger Bauelemente ist damit ein guter Überspannungsschutz auch bei ungleichmäßiger Spannungsaufteilung innerhalb der Thyristorkette möglich, zumal die Entkopplungsimpedanzen wegen des dynamisch unterschiedlichen Vorwärtsspannungsaufbaus an den einzelnen Thyristoren einen Ausgleich schaffen, so daß eine Durchzündung tatsächlich nur im Störungsfall erfolgt, und auch eine Egalisierung der individuellen Unterschiede der einzelnen Thyristorelemente herbeigeführt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach der Erfindung sind ir» den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung soll im folgenden für ein Ausführungsbeispiel die Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt eine der bekannten StromrichterschalvUngen. Über die Leitungen 1 ist sie mit dem nicht näher bezeichneten Wechselstromnetz und über die Leitungen 3 mit dem nicht näher bezeichneten Verbraucher oder Gleichstromnetz verbunden. Die an den Gleichstromklemmen 3 angedeuteten Polaritäten berücksichtigen, daß die Schaltung sowohl im Gleichrichter- als auch im Wechselrichterbetrieb arbeiten kann.

In den F i g. 2 und 3 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 23 bestehenden Stromrichterzweig.

In der F i g. 3 sind jeweils drei solcher Reihenschaltungen parallelgeschaltet. Selbstverständlich kann die Zahl der in Reihe bzw. parallelgeschalteten Thyristoren auch anders sein.

In F i g. 2 ist parallel zur Thyristorreihenschaltung 2.1, 2.2, 23 ein aus drei gleich großen Impedanzen 4.1, 4.2, 43 aufgebauter Spannungsteiler geschaltet Diese Impedanzen sind im vorliegenden Beispiel ohmsche Widerstände. Die Teilimpedanzen 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 43 ist ein Meßglied 5 eingeschaltet. Diese Verbindungspunkte besitzen im Normalbetrieb gleiches Potential, so daß im Normalbetrieb am Meßglied 5 keine Potentialdifferenz auftritt. Dieses Meßglied könnte auch zwischen die beiden anderen Verbindungspunkte, nämlich zwischen die Thyristoren 2.1 und 2.2 bzw. zwischen die Teilimpedanzen 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 benutzt werden kann, die in Reihe geschalteten Thyristoren zu zünden. Dazu ist dieses MePglied 5 mit einer Schaltungsanordnung 6 verbunden, welche beim Auftreten einer Potentialdifferenz zwischen diesen Verbindungspunkten die Zündung der Thyristoren auslöst 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, 23 wird dann dieser Hilfsthyristor gezündet, wodurch sich der Kondensator über die Impulsübertrager 9.1, 9.2, 93 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 teilweise parallelgeschaltet werden. Um zu vermeiden, daß das Meßglied 5 bei geringfügigen Unterschieden in aer Aufteilung der Sperrspannung, wie sie z. B. durch unterschiedliche Thyristordaten im Rahmen der normalen Fertigungsstcuerung zu erwarten sind, anspricht, ist es vorteilhaft, eine den betrieblichen Verhältnissen anpaßbare Schwellgrenze in der Schaltungsanordnung 6 vorzuse hen, so daß die Zündung der in Reihe geschalteten

ίο 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. Daher enthält die die Zündung der Thyristoren auslösende Schaltungsanordnung 6 eine Sperreinrichtung, welche die Richtung der an der Thyristorreihenschaltung anliegenden Sperrspannung überwacht und die Auslösung der Zündung der Thyristoren nur bei anstehender Vorwärtssperrspannung freigibt Um das Meßglied 5 auch bei ungleicher Aufteilung der Rückwärtssperrspannung auszunutzen, ist im vorliegenden Beispiel noch ein Signalglied 7 vorgesehen, das beim 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 Reihenschaltung durchzuzünden, sondern auch die Schutzeinrichtungen, wie z. B. Schalter, die zur Unterbrechung des Kurzschlußstromes erforderlich sind, auszulösen. Hierdurch wird erreicht daß diese Schutzeinrichtungen zum frühestmöglichen Zeitpunkt den Auslösebefehl erhalten.

Je nach Betriebszustand des Stromrichters hat das Durchzünden aller in einer Reihe liegenden Thyristoren eine mehr oder weniger hohe Überlastung dieser Reihenschaltung zur Folge. Wenn beispielsweise der Stromrichter im Wechselrichterbetrieb arbeitet, ent-

4^r> spricht die Durchzündung des linken unteren Stromrichterzweiges in F i g. 1 während der Stromführung des rechten unteren Stromrichterzweiges in F i g. 1 einer Kippung, also einem Kurzschluß. Um die Auswirkungen dieses Kurzschlußstromes möglichst gering zu halten,

jo werden bei Anordnungen mit Stromrichterzweigen, die aus mehreren parallelgeschalteten Thyristorreihenschaltungen bestehen, die Thyristoren mehrerer oder aller Reihenschaltungen dieses Stromrichterzweiges gezündet, wenn innerhalb einer Reihenschaltung eine ungleichmäßige Spannungsaufteilung auftritt. 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 Kurzschlußstromes werden dementsprechend geringer, wobei grundsätzlich davon ausgegangen wird, daß diese Schutzeinrichtungen so schnell ansprechen, daß sie jtgliche Zerstörung der Thyristoren vermeiden.

In der F i g. 3 ist eine entsprechende Anordnung mit parallelgeschalteten Thyristorreihenschaltungen dargestellt. Die Funktionsweise der Schutzeinrichtung ist auch in dieser Anordnung die gleiche wie in der zuvor

beschriebenen Anordnung. Es ist hier 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 2.2 und 22.3, bzw. mit dem Verbindungspunkt der beiden Thyristoren 23.2 und 23.3 verbunden ist. Die Zündimpulsübertrager 91.1 bis 93.3 sind im Beispiel wieder in Reihe geschaltet, sie können jedoch beliebig parallel oder in Reihe geschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungs-Anordnung zum Schutz von in Reihe geschalteten Thyristoren gegen Oberspannungen in Vorwärtsrichtung mit einem parallel zur Thyristorreihenschaltung geschalteten Spannungsteiler, der aus der Zahl der in Reihe geschalteten Thyristoren entsprechenden Anzahl von Teilimpedanzen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren parallelgeschalteten Thyristorrei- ι ο henschaltungen (21.1 bis 233) ein Meßglied (5), das an eine die Zündung der Thyristoren auslösende Schaltungsanordnung (6) angeschlossen ist, einerseits mit einem Verbindungspunkt des Spannungsteilers (4.1,4.2,43) und andererseits über Entkopp- '5 lungsimpedanzen, insbesondere hochohmige ohmsche Widerstände (8.1, 8J2, 8.3), mit im Normalbetrieb ein gleiches Potential aufweisenden Verbindungspunkten der parallelgeschalteten Thyristorreihenschaltungen verbunden ist

2. Schaltungs-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zündung der Thyristoren (2.1, 2.2, 23, 21.1 bis 233) auslösende Schaltungsanordnung (6) eine Sperreinrichtung enthält, welche die Richtung der an der Thyristorreihenschaltung anliegenden Sperrspannung überwacht und die Auslösung der Zündung der Thyristoren nur bei anstehender Vorwärtssperrspannung freigibt

3. Schaltungs-Anordnung nach einem der Ansprü- so ehe 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Meßglied (5) mit einer Signaleinrichtung (7) verbunden ist die beim Auftreten einer ungleichen Spannungsaufteilung ein Warnsignal abgibt und/ oder den Stromrichter abschaltet