DE3789659T2

DE3789659T2 - Gate-Pulsgenerator für Thyristor-Umrichter.

Info

Publication number: DE3789659T2
Application number: DE3789659T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-18
Filing date: 1987-11-02
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2007-11-03
Also published as: EP0271687B1; EP0271687A2; JPS63157664A; DE3789659D1; CA1269725A; EP0271687A3; US4785388A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gatepuls-Generator für einen Thyristor-Stromrichter gemäß dem ersten Teil des Anspruchs 1.
DE 30 15 198 A1 offenbart einen Gatepuls-Generator gemäß dem ersten Teil von Anspruch 1, bei dem ein Ausgangssignal entweder erzeugt wird, wenn ein Gate-Steuersignal und ein Vorwärtsspannungs-Signal gleichzeitig vorliegen oder wenn ein Signal, welches das Ende eines Rückwärtsspannungs-Signals anzeigt und ein Gate-Steuersignal gleichzeitig vorliegen, vorausgesetzt daß das Rückwärtsspannungs-Signal eine Dauer von weniger als einer vorbestimmten Zeitdauer hatte.
Allgemein haben Hochspannungs-Thyristor-Stromrichter, die für eine Gleichstromübertragung verwendet werden, eine hohe Nennspannung und einen hohen Nennstrom, so daß eine Armeinheit mehrere Einheitsthyristoren umfaßt, die in einer Reihenschaltung oder einer Reihenparallelschaltung verbunden sind. In diesem Fall muß, um den Zweck der Reihen- oder Reihenparallelverbindung zu erfüllen, eine Gate-Triggereinrichtung so konzipiert und ausgeführt sein, daß sie mehrere Thyristoren gleichzeitig triggert. Weiterhin müssen, da sich mehrere in Reihe geschaltete Thyristoren auf unterschiedlichen Potentialniveaus befinden, die Triggereinrichtungen für entsprechende in Reihe geschaltete Thyristoreinheiten voneinander isoliert sein. Daher wurden in letzter Zeit Lichttriggerverfahren in größerem Umfang verwendet, welche optische Übertragungssysteme mit einem großen Ausmaß an elektrischer Isolationsfähigkeit sowie einem schnellen Antwortverhalten verwenden.
Im Fall des Lichttriggerverfahrens, bei dem ein Lichtübertragungssystem verwendet wird, muß auf der Hochspannungsseite ein Pulsverstärker vorgesehen sein, um ein Lichtpulssignal, das von der Massenseite zu der Hochspannungsseite übertragen wird, in ein verstärktes elektrisches Signal umzuwandeln, wodurch alle Thyristoren in jedem Arm des Thyristor-Stromrichters getriggert werden. Weiterhin muß eine Gate-Leistungsversorgungsschaltung vorgesehen sein, um die Leistung für das Betreiben des Pulsverstärkers zuzuführen. Die Leistung zum Betreiben der Gate-Leistungsversorgungsschaltung wird durch eine Dämpfungsschaltung (snubber circuit) (oder einen Gleichstrom-Abstufungswiderstand) geliefert, die für jeden Thyristor vorgesehen ist. Die Leistungsfähigkeit der Gate-Leistungsversorgungsschaltung hängt von dem Wert (Spitzenwert) des Gate-Stroms, der jedem Thyristor zugeführt werden soll, der Pulsdauer und der Anzahl von Pulsen (normalerweise ein Puls pro Zyklus und zwei oder mehr Pulse pro Zyklus im Übergangszustand) ab. Andererseits wird die Fähigkeit zum Zuführen von Leistung zu dem Pulsverstärker durch die Impedanz der Dämpfungsschaltung und die Kapazität eines Kondensators bestimmt, der mit der Leistungseingabeseite des Pulsverstärkers verbunden ist, um einen momentanen Ausfall der Leistungsversorgung zu kompensieren. Weiterhin muß, um die stabile Versorgung jedes Thyristors mit Gate-Strom zu gewährleisten, die Relation, daß die Fähigkeit zum Zuführen von Eingangsenergie zu der Gate-Leistungsversorgungsschaltung größer ist als deren Ausgabeenergie, eingehalten werden.
Es folgt daraus, daß es, um die Gate-Leistungsversorgungsschaltung auf eine kompakte Größe zu bringen, sehr wichtig ist, die erforderliche Leistungsfähigkeit des Pulsverstärkers auf ein Minimum herabzusetzen. Es ist jedoch notwendig, daß die Anschalt-Zeitdauer jedes Thyristors verkürzt wird, um die Schwankungen in der Anschaltzeit der Thyristoren zu verringern, so daß es unmöglich ist, den Wert des Gate-Stroms auf einen extrem niedrigen Wert zu verringern. Weiterhin hängt die Zahl der Pulse des Gate-Stroms von den Betriebsbedingungen des Systems ab und beträgt normalerweise einen Puls pro Zyklus; die Fähigkeit zum Erzeugen von zwei oder mehr Pulsen pro Zyklus ist jedoch im Übergangszustand erforderlich.
Als nächstes wird das Verfahren nach dem Stand der Technik zum Bestimmen einer Zeitbreite des Gate-Stroms, welche die Leistungsfähigkeit des Pulsverstärkers auf der Hochspannungsseite beeinflußt, beschrieben.
Um die Gatepulserzeugungsmodi zu untersuchen, werden die folgenden drei Betriebsmodi des Thyristor-Stromrichters betrachtet:
a) Modus A: ein Modus, in welchem der Thyristor-Stromrichter normalerweise als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitet,
b) Modus B: ein Modus, in welchem der Thyristor-Stromrichter als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitet und ein Gleichstrom mit Unterbrechungen fließt, und
c) Modus C: ein Modus, in welchem dann, wenn der Thyristorstromrichter als Wechselrichter arbeitet und der Randwinkel der Kommutierung unzureichend wird, ein erzwungener Triggerschutz bewirkt wird.
Im Fall des Betriebs des Stromrichters können die Gatepuls- Erzeugungsmodi grundsätzlich in die vorangehend beschriebenen Modi A, B und C unterteilt werden. Gleichzeitig kann dann, wenn der Gleichstrom auf nahezu null erniedrigt ist (der Gleichstrom jedoch, anders als im Fall des Modus B, ohne Unterbrechung fließt), der Thyristor abgeschaltet sein. In diesem Fall ist jedoch vom Standpunkt des Zuführens eines erneuten Triggerpulses das vorangehend beschriebene Phänomen im wesentlich ähnlich der Unterbrechung des Gleichstroms, so daß es der Einfachheit halber bei der Analyse als Unterbrechung des Gleichstroms betrachtet werden kann, was nachstehend beschrieben wird.
Bei den vorangehend beschriebenen drei Modi werden in dem Modus B zwei Gatepulse pro Zyklus erzeugt, während in den Modi A und C nur ein Gatepuls pro Zyklus erzeugt wird. Der normale Betrieb entspricht dem Modus A, während die Modi B und C zeitweilig aufgrund einer äußeren Störung des Systems entstehen. Insbesondere der Modus C entsteht aufgrund von vorübergehenden Phänomenen wie Verzerrungen der Systemspannung und einer Überlast, so daß es nahezu keine Chance gibt, daß der Modus C kontinuierlich entsteht. Daher wird im stabilen Zustand nur der Modus A in Betracht gezogen.
Als nächstes wird die Pulsdauer des Gatesignales diskutiert. Im Fall des Modus A kann die Pulsbreite sehr kurz gemacht werden, weil alle Thyristoren gleichzeitig aktiviert werden können; in den Fällen der Modi B und C variieren jedoch die Zeitpunkte für die Erzeugung der Vorwärtsspannung von einem Thyristor zu einem anderen aufgrund der Differenz der Speicherungs- Ladungsträger ΔQ zwischen den Thyristoren, so daß die Pulsdauer von einem Mehrfachen bis zum Zehnfachen der Länge der Pulsbreite in dem Modus A erhöht werden muß. In dem Modus A sind die Vorwärtsspannungs-Signale aller Thyristoren bereits detektiert, wenn das Gate-Steuersignal auftritt, so daß die nicht abgeglichenen Spannungen zwischen den Thyristoren das Triggern derselben nicht beeinträchtigen und dementsprechend alle Thyristoren gleichzeitig getriggert werden können. In dem Modus B wurde das Gate-Steuersignal vor der Detektion der Vorwärtsspannungs-Signale der Thyristoren erzeugt, so daß der Gatepuls zu einem Zeitpunkt (dem Nullspannungs-Punkt) erzeugt wird, bei dem die Thyristorspannung sich höchst rasch aus der Rückwärtsspannung in die Vorwärtsspannung umwandelt, d. h. zu einem Zeitpunkt, bei dem die Vorwärtsspannung zuerst detektiert wird. In diesem Fall existiert eine Spannungsdifferenz aufgrund der Differenz der Speicherungs-Ladungsträger ΔQ zwischen den Thyristoren, so daß eine Zeitdifferenz Δt&sub2; zwischen den Nullpunkten der Thyristorspannungen existiert. In diesem Zusammenhang ist im Fall des Modus A die Zeitdifferenz Δt&sub1; zwischen den Nullspannungs-Punkten nahezu Null. In dem Modus B muß wegen der Zeitdifferenz Δt&sub2;, wenn der Gatepuls durch das Vorwärtsspannungs-Signal des Thyristors erzeugt wird, das schnell ansteigt, die Pulsdauer größer als Δt&sub2; gewählt werden. Wie vorangehend beschrieben wird in dem Modus C das erzwungene Triggern bewirkt, wenn der Randwinkel im Fall des Betriebs als Wechselrichter unzureichend ist. In diesem Fall ist das Phänomen in dem Modus C im wesentlichen ähnlich zu dem in dem Modus B und der Gatepuls wird erzeugt, wenn die Vorwärtsspannung zum ersten Mal während des Zeitintervalls auftritt, wenn das Gatesteuersignal aufgrund des unzureichenden Randwinkels andauert. Daher sind sogar in diesem Fall die Thyristorspannungen aufgrund der Differenz der Speicherungs-Ladungsträger ΔQ zwischen den Thyristoren nicht abgeglichen, so daß eine Zeitdifferenz Δt&sub3; zwischen dem frühesten und dem spätesten Zeitpunkt existiert, zu dem die Spannung den Nullpunkt durchläuft. Der Wert des Gleichstroms Id ist größer und im Falle der Kommutation ist auch die Abfallrate des Stroms, dI/dt, in dem Modus C größer als in dem Modus B. Die Differenz der Speicherungs-Ladungsträger ΔQ hängt in hohem Maße von dem Gleichstrom Id und seiner Abfallrate dId/dt ab. Das heißt, daß die Differenz ΔQ umso größer wird, je höher der Gleichstrom Id und seine Abfallrate dId/dt sind. In Folge davon ist Δt&sub2; < Δt&sub3; und es gilt in den vorangehend beschriebenen drei Fällen die Beziehung, daß Δt&sub1; < Δt&sub2; < Δt&sub3;. Obwohl diese Differenzen in Abhängigkeit von den Nenndaten des Stromrichters, den Nenndaten der Thyristoren, den Betriebsbedingungen usw. stark variieren, sind die drei Zeitdifferenzen im Fall des Hochspannungs-Stromrichters für die Gleichstromübertragung wie folgt:
Δ&sub1; 0
Δt&sub2; einige zehn Mikrosekunden
Δt&sub3; von einigen zehn Mikrosekunden bis zu einigen hundert Mikrosekunden.
Bislang wurden die vorangehend beschriebenen Sachverhalte für den Fall betrachtet, daß die Pulsdauer Tp des Gatepulses (vgl. die Signale a und b) in Übereinstimmung mit dem dritten Fall, d. h. Modus C, festgelegt ist. In der Praxis ist Tp = 200-300 us.
Gleichzeitig wird der Spitzenwert des Stroms iL einer Leuchtdiode, die mit dem Ausgang eines Gatepuls-Generators verbunden ist, mit einigen hundert mA-1 A bei dem indirekten Lichttriggersystem gewählt, um die Schwankungen der Gateströme zu verringern, die an die Thyristoren angelegt werden. Andererseits ist bei einem direkten Lichttriggersystem, bei welchem ein Stromrichter aus lichtaktivierten Thyristoren besteht, so daß die Triggersteuerung direkt in Antwort auf ein Licht-Gatesignal bewirkt wird, der Spitzenwert von der Größenordnung von einigen Ampere.
Wie auf diesem Gebiet wohlbekannt ist, ist die Lebensdauer von lichtemittierenden Bauteilen wie Leuchtdioden relativ kurz, so daß die Bedingungen zum Erreichen eines Treiberstroms mit einem Spitzenwert von einigen hundert mA bis 1 A und einer Pulsdauer von 200 bis 300 us wie vorangehend beschrieben äußerst einschneidend sind. In diesem Zusammenhang sind die Bedingungen für das Aktivieren der Thyristoren durch den vorangehend beschriebenen Gatepuls-Generator nach dem Stand der Technik vom Gesichtspunkt der Lebensdauer von lichtemittierenden Bauteilen und der Leistungsfähigkeit einer Trigger-Leistungsversorgung auf der Hochspannungsseite deutlich eingeschränkt und weisen daher schwierige Probleme bei der Konzeption und Herstellung der Thyristor-Stromrichter und -Systeme auf.
Angesichts des Vorangegangenen ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gatepuls-Generator für einen Thyristor-Stromrichter zu schaffen, welcher die für das Aktivieren der Thyristoren erforderliche Leistung auf ein Minimum verringern kann, ohnehin ungünstiger Weise die Triggerfunktion der Thyristoren zu beeinträchtigen. Diese Aufgabe wird durch einen Gatepuls-Generator nach Anspruch 1 gelöst.
Zu diesen und anderen Zwecken wird bei dem Gatepuls-Generator für einen Thyristor-Stromrichter gemäß der vorliegenden Erfindung dann, wenn ein Gate-Steuersignal erzeugt wird, festgestellt, ob ein Vorwärtsspannungs-Signal vorliegt oder nicht, und dann, wenn das Vorwärtsspannungs-Signal schneller als das Gate-Steuersignal auftritt, die Pulsdauer auf ein solches niedriges Maß verringert wird, das erforderlich ist, um zumindest die Thyristoren zu triggern; dann aber, wenn das Vorwärtsspannungs-Signal auftritt, wenn das Gate-Steuersignal vorliegt, wird die Pulsdauer in Anbetracht der Schwankungen bei der Erzeugung der Vorwärtsspannungs-Signale unter den Thyristoren aufgrund der Unterschiede der Speicherungs-Ladungsträger zwischen ihnen erhöht.
Daher können vom Gesichtspunkt der Erzeugungsfrequenz nahezu in allen Fällen die Thyristoren in Antwort auf die Pulssignale mit einer kurzen Pulsdauer aktiviert werden, so daß aufgrund der Verringerung der Nutzleistung die Lebensdauer der lichtemittierenden Bauteile drastisch erhöht werden kann und die Leistungsfähigkeit der Trigger-Leistungsversorgung auf der Hochspannungsseite deutlich verringert werden kann.
Die vorliegenden Erfindung kann gleichfalls nicht nur für Thyristor-Stromrichter mit indirekter Lichttriggerung verwendet werden, die aus Thyristoren bestehen, die in Antwort auf elektrische Signale getriggert werden, sondern auch für Thyristor- Stromrichter mit direkter Lichttriggerung, bei denen lichtaktivierte Thyristoren, die in Antwort auf die Lichtpulssignale getriggert werden, verwendet werden.
In den beigefügten Zeichnungen
zeigt Fig. 1 die Gesamtkonstruktion einer Trigger-Steuerrichtung für einen Thyristor-Stromrichter gemäß der vorliegenden Erfindung, sind die Fig. 2, 4 und 6 jeweils detaillierte Blockdiagramme von verschiedenen Gatepuls-Generatoren, die in Fig. 1 gezeigt sind, und die Fig. 3, 5 und 7 sind Zeitdiagramme, die jeweils für den Betriebsmodus der Gatepuls-Generatoren verwendet werden, die in den Fig. 2, 4 bzw. 6 gezeigt sind.
Fig. 1 zeigt einen Thyristor-Stromrichter mit indirekter Lichttriggerung wie einen Dreiphasen-Brückenverbindungs-Thyristor-Stromrichter, in welchem die vorliegende Erfindung implementiert ist. In Fig. 1 ist ein Armabschnitt des Thyristor- Stromrichters, der aus mehreren Armen besteht, als ein Thyristor-Stromrichter 1 dargestellt. Der Stromrichter 1 besitzt einen Hauptkreis, der aus mehreren in Reihe geschalteten Thyristoren 2 und in Reihe geschalteten Reaktanzen 3 besteht. Zu jedem Thyristor 2 sind eine Dämpfungsschaltung 4 und ein Gleichstrom-Spannungsteilerwiderstand 5 parallel geschaltet. Zu dem Gleichstrom-Spannungsteilerwiderstand 5 ist in Reihe ein antiparallel geschaltetes Paar von lichtemittierenden Dioden 6F und 6R als Vorwärtsspannungs-Detektionseinrichtung oder als Rückwärtsspannungs-Detektionseinrichtung geschaltet. Um die Leistung zum Triggern des Thyristors 2 zu erhalten, ist die Dämpfungsschaltung 4 in Reihe mit einem Leistungseingang eines Pulsverstärkers 8 über einen Gleichrichter 7 verbunden.
Ein Kondensator 10 zum Kompensieren eines momentanen Ausfalls der Leistungsversorgung und eine Zenerdiode 11 zum Aufrechterhalten einer konstanten Spannung sind parallel zwischen dem Gleichrichter 7 und dem Leistungseingang des Pulsverstärkers 8 geschaltet. Der Pulsverstärker 8 ist mit einem Phototransistor 9 als Lichtsensor versehen und der Pulsverstärker 8 erzeugt, wenn ein Lichtpuls den Phototransistor 9 beleuchtet, einen Gatepuls, wodurch über einen Pulstransformierer 12 der Thyristor 2 getriggert wird.
Die Ausgangs-Lichtsignale, welche von den lichtemittierenden Diode 6F und 6R ausgehen, werden über Lichtleiter 13F und 13R übertragen und an Phototransistoren 15F bzw. 15R angelegt, die in photoelektrischen Umwandlungsschaltungen oder photoelektrischen Wandlern 14F und 14R inkorporiert sind, die normalerweise auf dem Massepotential gehalten werden. Dann werden die Lichtsignale in elektrische Signale umgewandelt, welche ihrerseits logischen UND-Operationen unterzogen werden und einem Gatepuls-Generator 16 als Vorwärtsspannungs-Signal FV und Rückwärtsspannungs-Signal RV zugeführt werden. In Antwort auf das Vorwärts- und Rückwärtsspannungssignal FV und RV und ein Gate-Steuersignal PHS, das von einer CPU (nicht gezeigt) abgegeben wird, erzeugt der Gatepuls-Generator 16 die Gatepuls- Signale, welche ihrerseits in Lichtpulse durch lichtemittierende Dioden 17 umgewandelt und über Lichtleiter 18 an die Phototransistoren 9 der Pulsverstärker 8 angelegt werden.
Fig. 2 zeigt den inneren Aufbau des Gatepuls-Generators 16, der in Fig. 1 gezeigt ist. Der Gatepuls-Generator 16 erzeugt ein Gate-Triggersignal mit einer relativ engen Pulsbreite, wenn das Vorwärtsspannungs-Signal FV während der Zeitdauer des Signals PS auftritt, das dem Gate-Steuersignal PHS entspricht. Die Gate-Steuersignale PHS (welche um einen Winkel von 120º im Fall des Dreiphasen-Brücken-Thyristor-Stromrichters winkelversetzt sind) setzen einen Flipflop 160 und wenn ein Randwinkel (ein Zeitintervall der Rückwärtsspannung unmittelbar nach dem Leiten, welches durch das Rückwärtsspannungs-Signal RV detektiert wird) länger als ein eingestellter Wert TD1 ist, der mit der Abschaltzeit des Thyristors zusammenhängt, wird der Flipflop 160 in Antwort auf den Ausgang von dem UND-Gatter 161 zurückgesetzt. Das durch einen Invertierer 162 invertierte Gate-Steuersignal PHS, das Rückwärtsspannungs-Signal RV und ein Signal, welches man durch das Verzögern des Rückwärtsspannungs-Signals RV um den eingestellten Wert TD1 durch eine Einschalt-Verzögerungs-Schaltung (On-Delay Circuit) 163 erhält, werden an das UND-Gatter 161 angelegt. Wenn der Randwinkel geringer als der eingestellte Wert TD1 ist, entsteht kein UND- Ausgangssignal an dem UND-Gatter 161, so daß der Flipflop 160 nicht zurückgesetzt wird und dementsprechend das Signal PS weiterhin existiert. Der Q-Ausgang PS von dem Flipflop 160, das Vorwärtsspannungs-Signal FV und ein Verriegelungssignal, das man durch das Invertieren des Ausgangs von dem UND-Gatter 168 durch einen Inverter 171 erhält, werden an ein UND-Gatter 164 angelegt. In Antwort auf das Ausgangssignal c1 von dem UND-Gatter 164 wird ein monostabiler Multivibrator 165 betätigt, so daß das Ausgangs-Pulssignal a1 von diesem eine kleine Pulsbreite TP1 hat und über ein ODER-Gatter 167 an einen Pulsverstärker 166 angelegt wird. Ein Pulssignal a2 mit einer großen Pulsbreite TP2 wird über einen zweiten monostabilen Multivibrator 169 an ein UND-Gatter 168 in einer anderen Reihe angelegt. Das Vorwärtsspannungs-Signal FV, ein Signal FD, das aus einer Differenzierschaltung 170 abgeleitet ist, und das Q- Ausgangssignal PS von dem Flipflop 160 werden an das UND-Gatter 168 angelegt. Das Ausgangssignal von dem UND-Gatter 168 wird durch c2 repräsentiert, während das Ausgangssignal von dem monostabilen Multivibrator 169 mit a2 bezeichnet ist.
Die Pulsbreiten TP1 und TP2 der Pulssignale a1 und a2, die man von den monostabilen Multivibratoren 165 bzw. 169 erhält, werden in einer Weise ausgewählt, die nachfolgend beschrieben wird. Das heißt, daß die Pulsbreite TP1 entsprechend der Anschaltzeit des Thyristors gewählt ist und ausreichend ist, wenn sie 5 us-10 us beträgt, obwohl sie mehr oder weniger in Abhängigkeit von dem Nennwert des Thyristors variiert. Die Pulsbreite TP2 wird in Antwort auf eine Abweichung Δt von dem Nullspannungspunkt aufgrund der Differenz der Speicherungs- Ladungsträger ΔQ zwischen den Thyristoren im Falle der erzwungenen Aktivierung bei einem unzureichenden Randwinkel bestimmt. Zum Beispiel wird, wenn der Gatepuls-Generator so konzipiert und aufgebaut ist, daß der Gatepuls in Antwort auf das Vorwärts spannungs-Signal FV des Thyristors erzeugt wird, der als erster von allen den Nullspannungspunkt zeigt, bei dem die Rückwärtsspannung sich zu der Vorwärtsspannung umwandelt, die Pulsbreite TP2 mit 200 us-300 us gewählt.
Das Ausgangssignal b, das von dem Pulsverstärker 166 kommt, wird das Ausgangssignal des Gatepuls-Generators 16, so daß der Gate-Triggerstrom durch die lichtemittierenden Dioden 17 fließt. Die lichtemittierende Diode 17 wandelt den angelegten Gate-Triggerstrom in ein Lichtsignal um, welches seinerseits über den Lichtleiter 18 zu der Hochspannungsseite übertragen wird.
Als nächstes wird auf Fig. 3 Bezug genommen und die Betriebsweise des Gatepuls-Generators, der vorangehend mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, wird erklärt. Das Intervall A in Fig. 3 zeigt den normalen Aktivierungsfall oder ersten Fall und das Vorwärtsspannungs-Signal wurde bereits vor der Erzeugung des Gate-Steuersignals PHS erzeugt. In diesem Fall ist die logische UND-Bedingung zum Zulassen eines Ausgangssignals bei dem UND-Gatter 168 nicht erfüllt und das Pulssignal a2 mit einer großen Pulsbreite kann nicht erreicht werden. In diesem Fall wird die logische UND-Bedingung für das Zulassen der Abgabe eines Ausgangs in dem UND-Gatter 164 erfüllt, so daß nur das Pulssignal a1 mit einer kleinen Pulsdauer von dem monostabilen Multivibrator 165 abgegeben wird. Das Intervall B zeigt den zweiten Fall, in welchem der Gleichstrom unterbrochen wird. In diesem Fall tritt das Vorwärtsspannungs-Signal FV während des Zeitintervalls auf, während dem das Gate-Steuersignal PHS und das Signal PS erzeugt werden, so daß das Pulssignal a2 mit einer großen Pulsdauer und ein Ausgangssignal b, welches dem Pulssignal a2 entspricht, erzeugt werden.
Das Intervall C zeigt den dritten Fall, in welchem die erzwungene Aktivierung bei einem unzulänglichen Randwinkel bewirkt wird. Das heißt, daß in diesem Fall das Gate-Steuersignal PHS und das Signal PS vor dem Auftreten der Vorwärtsspannung FV kontinuierlich vorhanden sind. Daher ist die logische UND-Bedingung für das Gestatten der Abgabe des Ausgangs in dem UND- Gatter 168 erfüllt, so daß das Pulssignal a2 mit einer großen Pulsdauer von dem monostabilen Multivibrator 169 abgegeben wird. In diesem Fall wird kein Pulssignal a1 mit einer großen Pulsdauer von dem UND-Gatter 164 wegen des Verriegelungssignals abgegeben, das über den Inverter 171 angelegt ist. Das Pulssignal a2 mit einer großen Pulsdauer wird über das ODER- Gatter 167 und den Pulsverstärker 166 als das Ausgangssignal des Gatepuls-Generators abgegeben. Wenn erforderlich, kann das Verriegelungssignal, das an das UND-Gatter 164 über den Inverter 171 angelegt wird, weggelassen werden. Dann ist die logische UND-Bedingung für das Gestatten der Abgabe des Ausgangssignals in beiden UND-Gattern 164 und 168 erfüllt, so daß das Pulssignal a1 mit einer kleinen Pulsdauer und das Pulssignal a2 mit einer großen Pulsdauer erzeugt und an der ODER-Gatter 167 abgegeben werden. Daher wird in Antwort auf die logische ODER-Operation des ODER-Gatters 167 ein Pulssignal b, welches dem Pulssignal mit einer breiten Pulsdauer entspricht, von dem Gatepuls-Generator abgegeben.
Wie vorangehend beschrieben wurde, wird in dem ersten Fall das Pulssignal mit einer kleinen Pulsdauer erzeugt, während in dem zweiten und dritten Fall das Pulssignal mit einer großen Pulsdauer erzeugt wird. Der normale Betrieb entspricht fast immer dem ersten Fall, so daß das Pulssignal mit einer geringen Pulsdauer erzeugt wird. Als Folge davon kann die Lebensdauer der lichtemittierenden Dioden 17 erhöht werden und die Gate- Leistungsversorgung auf der Hochspannungsseite, zu welcher die Leistung über die Dämpfungsschaltung 4 zugeführt wird, kann auf eine kompakten Größe gebracht werden. Der zweite und dritte Fall treten bei seltenen Gelegenheiten auf; das Pulssignal mit einer großen Pulsdauer kann in zufriedenstellender Weise durch die Ladungsspannung des Kondensators 10 (vgl. Fig. 1) erzeugt werden.
Gemäß der vorangehend genannten Ausführungsform wird im Fall des Normalbetriebs, welcher nahezu den gesamten Betrieb des Stromrichters ausmacht, das Gatepuls-Signal mit der minimal nötigen Pulsdauer abgegeben und der Gatepuls mit einer großen Pulsdauer kann, wenn erforderlich, vorübergehend erzeugt werden, so daß, während die Fähigkeit zum Steuern des Aktivierens der Thyristoren und zum Schützen derselben im wesentlichen auf dem gleichen Niveau wie bei dem System nach dem Stand der Technik gehalten werden kann, das normalerweise das Pulssignal mit einer großen Pulsdauer erzeugt, die Lebensdauer der lichtemittierenden Dioden erhöht werden kann und die Leistungsfähigkeit der Gate-Leistungsversorgung auf der Hochspannungsseite verringert werden kann.
Die Differenzierschaltung 170, die in der Ausführungsform der Fig. 2 gezeigt ist, kann durch einen monostabilen Multivibrator ersetzt werden; es wird jedoch dieselbe Wirkung wie bei der Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, erreicht. In diesem Fall reicht es aus, die Pulsdauer TP0 des monostabilen Multivibrators in einem Bereich von einigen wenigen Ps bis 100 us festzulegen (d. h., daß im allgemeinen TP1 < TP0 < TP2 ist). Gemäß dieser Abwandlung kann dann, wenn das Gate-Steuersignal PHS und das Vorwärtsspannungssignal FV gleichzeitig erzeugt werden, das Pulssignal mit einer großen Pulsdauer erzeugt werden, so daß das sichere Aktivieren der Thyristoren gewährleistet werden kann.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Gatepuls-Generators gemäß der vorliegenden Erfindung, welche durch die Bezugsziffer 16A bezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform besitzt das Gatepuls-Signal eine Pulsdauer von normalerweise 5 us bis 10 us während des Zeitintervalls A, von 50 us bis 100 us in dem Zeitintervall B, in welchem der Gleichstrom unterbrochen ist, und von 200 us bis 300 us in dem Zeitintervall C, wenn die erzwungene Aktivierung im Fall eines unzureichenden Randwinkels ausgeführt wird. Daher sind drei monostabile Multivibratoren 165, 169 und 174, welche die Ausgangspulse mit einer Pulsdauer TP1, einer Pulsdauer TP2 bzw. einer Pulsdauer TP3 abgeben, mit dem Eingang des ODER-Gatters 167 verbunden. Die Pulsbreiten sind TP1 = 5 us - 10 us, TP2 = 50 us-100 us und TP3 = 200 us-300 us. Die monostabilen Multivibratoren 165. 169 und 174 werden in Antwort auf die Ausgangssignale getriggert, die jeweils an den UND-Gattern 164, 168 und 173 abgegeben werden. Wie im Fall der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist ein erstes Eingangssignal zu dem UND-Gatter 164 das Vorwärtsspannungs-Signal FV; das Gate-Steuersignal PHS wird jedoch direkt als ein zweites Eingangssignal an das UND- Gatter 164 angelegt. Ein erstes Eingangssignal, das an das UND-Gatter 168 angelegt wird, ist das Vorwärtsspannungs-Signal FV und ein zweites, daran angelegtes Eingangssignal ist das Signal d, das man von dem monostabilen Multivibrator 172 (dessen Pulsdauer TP0 in der Größenordnung von einigen wenigen Ps bis 100 us liegt) erhält, wenn das Vorwärtsspannungs-Signal FV daran angelegt wird. Ein drittes Eingangssignal des UND-Gatters 168 ist das Gate-Steuersignal PHS. Ein erstes Eingangssignal, das an das UND-Gatter 173 angelegt wird, ist das Vorwärtsspannungs-Signal FV und ein zweites Eingangssignal ist das Q-Ausgangssignal e, das von dem Flipflop 160 erzeugt wird. Der Flipflop 160 wird in Antwort auf das durch den Inverter 162 invertierte Gate-Steuersignal PHS gesetzt und wird in Antwort auf den Ausgang des UND-Gatters 161 zurückgesetzt. Die drei Eingänge des UND-Gatters 161 sind dieselben wie die bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform.
Es wird als nächstes Bezug auf das in Fig. 5 gezeigte Zeitdiagramm genommen und die Arbeitsweise der zweiten, in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wird beschrieben. Wie bei der ersten Ausführungsform, die vorangehend mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, wird in dem normalen Zeitintervall A und in dem Zeitintervall B, während dem die Gleichstromversorgung unterbrochen wird, das Ausgangs-Pulssignal b mit einer Pulsdauer TP1 oder TP2 in Abhängigkeit von den Ausgängen der monostabilen Multivibratoren 165 und 169 erzeugt. Während des Intervalls C, in dem der Randwinkel unzureichend ist, ist dann, wenn das Rückwärtsspannungs-Signal RV nach dem Verschwinden des Gate-Steuersignals PHS auftritt und die Dauer der Rückwärtsspannung kürzer als die Einschaltverzögerungszeit TD1 der Einschaltverzögerungsschaltung 163 ist, die UND-Bedingung des UND-Gatters 161 nicht erfüllt, so daß der Flipflop 160 nicht zurückgesetzt wird und das Ausgangssignal e aufrechterhalten wird. Daher wird das Pulssignal b mit einer großen Pulsdauer TP3 zum Bewirken der erzwungenen Aktivierung zu dem Zeitpunkt erzeugt, zu dem das Vorwärtsspannungs-Signal FV erzeugt wird.
Allgemein werden die Häufigkeiten des Auftretens der Phänomene in den Zeitintervallen A, B und C mit P(A), P(B) und P(C) bezeichnet, zwischen denen die folgende Beziehung herrscht:
P(A) » P(B) > P(C).
Wenn der Ausgangspuls mit einer kürzeren Pulsdauer verwendet wird, können die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung weiter verstärkt werden.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform. Der Gatepuls-Generator 16B empfängt die die Vorwärtsspannung detektierenden Signale von n Stücken von jeweils in Reihe geschalteten Thyristoren, welche eine Armeinheit bilden, und legt sie an ein ODER-Gatter 180 und ein UND-Gatter 181 an, so daß das ODER-Ausgangssignal FVO bzw. das UND-Ausgangssignal FVA erzeugt werden. In Fig. 6 ist eine typische Ausführungsform mit n = 3 gezeigt. In diesem Zusammenhang sind drei typische Vorwärtsspannungs-Signal FV1, FV2 und FV3 gezeigt. Ein erstes Eingangssignal, das an das UND-Gatter 164 angelegt wird, ist das ODER-Ausgangssignal FVO, ein zweites Eingangssignal ist das UND-Ausgangssignal FVA und ein drittes Eingangssignal ist das Q-Ausgangssignal PS, das von dem Flipflop 160 erzeugt wird. Der restliche Schaltungsaufbau ist im wesentlichen ähnlich zu dem der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform. Die Pulsdauern TP1 und TP2 der Ausgangspulse, die von den monostabilen Multivibratoren 165 und 169 erzeugt werden, sind
TP1 5-10 us und
TP2 100-200 us.
Wie in dem Zeitdiagramm der Fig. 7 dargestellt ist, liegen im Fall des Schaltungsaufbaus wie in Fig. 6 gezeigt während des normalen Aktivierungszeitintervalls A, wenn das Gate-Steuersignal PHS erzeugt wird, das ODER-Ausgangssignal FVO und das UND-Ausgangssignal FVA, die mit der Vorwärtsspannung verknüpft sind, bereits vor, so daß das Ausgangssignal c1 von dem UND- Gatter 164 erzeugt und an den monostabilen Multivibrator 165 angelegt wird. Als Folge davon wird das Pulssignal a1 mit einer kleineren Pulsdauer (TP1) von dem monostabilen Multivibrator 165 erzeugt und als Ausgangssignal b von dem Gatepuls- Generator 16B abgegeben. In diesem Fall ist die logische UND- Bedingung für das Zulassen der Abgabe des Ausgangs in dem UND- Gatter 168 nicht erfüllt, so daß das Pulssignal a2 mit einer größeren Pulsdauer nicht erzeugt wird. In dem Zeitintervall B, während dem die Operation ausgeführt wird, wenn der Gleichstrom unterbrochen wird, und in dem Zeitintervall C, während dem die erzwungene Aktivierung bei einem unzureichenden Randwinkel ausgeführt wird, entstehen die Spannungsdifferenzen zwischen den Thyristoren aufgrund von Speicherungs-Ladungsträgerunterschieden und die Zeitpunkte des Anstiegs der Vorwärtsspannungs-Signale FV1, FV2 und FV3 unterscheiden sich voneinander. Als Folge davon bleibt der Anstieg des Vorwärtsspannungs-UND-Ausgangssignals FVA hinter dem Anstieg des Vorwärtsspannungs-ODER-Ausgangssignals FVO zurück. Daher ist in diesen Fällen das Gate-Steuersignal PHS bereits erzeugt worden, so daß zu dem Zeitpunkt, zu dem das Vorwärtsspannungs-ODER-Ausgangssignal FVO ansteigt, die logische UND-Bedingung für das Zulassen der Abgabe des Ausgangs in dem UND-Gatter 168 erfüllt wird. Demzufolge wird der Ausgang c2 an dem UND-Gatter 168 erzeugt und an den monostabilen Multivibrator 169 angelegt, so daß das Pulssignal a2 mit einer großen Pulsdauer (TP2) dort erzeugt wird und als das Ausgangssignal b von dem Gatepuls- Generator 16B abgegeben wird.
In diesem Fall kann eine weitere Abwandlung, in der eine Einschaltverzögerungsschaltung mit einer vorgewählten Zeitverzögerung von einigen wenigen bis einigen zehn Mikrosekunden mit dem Ausgang des ODER-Gatters 180 verbunden ist, in Betracht gezogen werden. Dann wird in jedem Fall A, B oder C das Vorwärtsspannungs-ODER-Ausgangssignal FVO an die UND-Gatter 164 und 168 als das ODER-Ausgangssignal FVD angelegt, das um TD verzögert ist. Wenn eine solche Zeitverzögerung TD erzeugt wird und es nahezu keine größere Zeitdifferenz gibt, wenn die Thyristoren die Vorwärtsspannungs-Signale erzeugen, als im Fall des Betriebs mit einem unterbrochenen Gleichstrom, wie in dem Zeitintervall B dargestellt, können die Zeitpunkte, zu denen das Vorwärtsspannungs-UND-Ausgangssignal und das ODER- Ausgangssignal FVD erzeugt werden, im wesentlichen einander gleich gemacht werden können, wenn man sie von der Eingangsseite des UND-Gatters 168 betrachtet, so daß die logische UND- Bedingung zum Zulassen der Abgabe des Ausgangssignals in dem UND-Gatter 168 nicht erfüllt ist. Als Folge davon werden die Pulssignale a1 und b mit einer kurzen Pulsdauer (TP1) erzeugt. Auf diese Weise kann im Fall des Betriebs mit einem unterbrochenen Gleichstrom während des Zeitintervalls B der Puls mit einer geringen Pulsdauer erzeugt werden.
Wenn die Zeitverzögerung TD zu lang wird, entsteht ein negativer Effekt, der die Verzögerung der Erzeugung eines Pulses verursacht, wenn es gewünscht ist, den Gatepuls unmittelbar abzugeben, wie im Fall des Eindringens eines äußeren Blitzes als der Vorwärtsspannung. Wenn jedoch die Zeitverzögerung TD auf einige wenige bis einige zehn Mikrosekunden wie vorangehend beschrieben beschränkt wird, kann der Gatepuls mit einer großen Pulsdauer in der vorangehend beschriebenen Weise im Fall der erzwungenen Aktivierung bei einem unzureichenden Randwinkel erzeugt werden.
In der in Fig. 6 gezeigten Abwandlung können wie im Fall der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform drei Zeitdauern TP1, TP2 und TP3 entsprechend den drei Intervallen A, B bzw. C festgelegt werden. In diesem Fall ist die Abwandlung der Fig. 6 mit einem weiteren UND-Gatter mit drei Eingängen und einem weiteren monostabilen Multivibrator wie in der Ausführungsform der Fig. 4 gezeigt versehen. Der erste und zweite Eingang des UND- Gatters sind dieselben wie die entsprechenden des UND-Gatters 168 und der dritte Eingang ist das Gate-Steuersignal PHS, welches anstelle des Signals PS verwendet wird.

Claims

1. Gatepuls-Generator, welcher eine Logikschaltungs-Einrichtung (164, 167, 168) umfaßt, für einen Thyristor- Stromrichter, bei dem zum Zünden von Thyristoren des Thyristor-Stromrichters, bei welchem jede Armeinheit sich aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Thyristoren zusammensetzt, ein Gatepuls-Signal in Antwort auf ein Gate-Steuersignal und ein Thyristor-Vorwärtsspannungs-Signal erzeugt und in ein Lichtsignal umgewandelt wird, welches seinerseits zu dem Thyristor- Stromrichter übertragen wird, wobei dieser Generator ein erstes UND-Gatter (164) aufweist, welches auf das Vorwärts Spannungs-Signal und das Gate-Steuersignal anspricht, gekennzeichnet durch:

ein zweites UND-Gatter (168), welches auf das Gate- Steuersignal, das Vorwärtsspannungs-Signal und ein Signal anspricht, welches einen Anstieg des Vorwärtsspannungs-Signals anzeigt,

einen ersten Pulsgenerator (165) zum Erzeugen eines Gatepuls-Signals mit einer relativ engen Pulsdauer in Antwort auf das Ausgangssignal des ersten UND-Gatters (164),

einen zweiten Pulsgenerator (169) zum Erzeugen eines Gatepuls-Signals mit einer relativ breiten Pulsdauer in Antwort auf das Ausgangssignal des zweiten UND-Gatters (168) und

ein ODER-Gatter (167) zum Abgeben eines logischen ODER-Ausgangssignals in Antwort auf den Ausgang des ersten und des zweiten Pulsgenerators (165, 169).

2. Gatepuls-Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch:

eine Differenzierschaltung (170) zum Ableiten des Signals, welches den Anstieg des Vorwärtsspannungs-Signals anzeigt.

3. Gatepuls-Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

einen monostabilen Multivibrator (172) zum Ableiten des Signals, welches den Anstieg des Vorwärtsspannungs-Signals anzeigt.

4. Gatepuls-Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

ein UND-Gatter (181), welches auf die Vorwärtsspannungs-Signale von entsprechenden Thyristoren anspricht, die eine Armeinheit bilden, und einen Inverter (182) zum Invertieren des Ausgangssignals des UND- Gatters (181), wobei der Inverter ein Signal abgibt, welches den Anstieg des Vorwärtsspannungs-Signals anzeigt.

5. Gatepuls-Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch:

einen Flipflop (160), welcher in dem Eingangsabschnitt für das Gate-Steuersignal vorgesehen ist, wobei der Flipflop (160) in Antwort auf das Gate-Steuersignal gesetzt und in Antwort auf ein logisches UND-Signal zurückgesetzt wird, welches sich aus einem invertierten Gate-Steuersignal, einem Thyristor-Rückwärtsspannungs-Signal und einem verzögerten Thyristor-Rückwärtsspannungs-Signal ergibt.

6. Gatepuls-Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch:

ein drittes UND-Gatter (173), welches auf das Vorwärtsspannungs-Signal und ein invertiertes Gate-Steuersignal anspricht, und

einen dritten Pulsgenerator (174) zum Erzeugen eines Gatepuls-Signals mit einer Pulsdauer, welche breiter ist als diejenige, welche von dem zweiten Pulsgenerator (169) abgeleitet wird, in Antwort auf ein Ausgangssignal von dem dritten UND-Gatter (173), bei welchem das ODER-Gatter (167) ein logisches ODER- Ausgangssignal in Antwort auf den Ausgang von dem ersten, zweiten und dritten Pulsgenerator (165, 169, 174) abgibt.

7. Gatepuls-Generator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch:

einen Flipflop (160), welcher in dem Eingangsabschnitt für das Gate-Steuersignal vorgesehen ist, wobei der Flipflop (160) in Antwort auf ein invertiertes Gate- Steuersignal gesetzt und in Antwort auf ein logisches UND-Signal zurückgesetzt wird, welches aus dem invertierten Gate-Steuersignal, einem Rückwärtsspannungs- Signal des Thyristors und einem verzögerten Signal des Rückwärtsspannungs-Signals abgeleitet ist.

8. Gatepuls-Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pulsgenerator (165, 169, 174) einen monostabilen Multivibrator umfaßt.