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Schutzanordnung für Stromrichteranlagen mit Halbleiterventilen Es
sind Stromrichteranlagen mit Halbleiterventilen bekannt, bei denen in der einzelnen
Ventilanordnung zur Beherrschung des zu führenden Gesamtstromes mehrere Halbleiterventile
parallel geschaltet sind. Die einzelne Ventilanordnung kann dabei z. B. in der einzelnen
Phasenleitung der Stromrichteranlage liegen, sie kann aber auch den Zweig einer
Brückenschaltung bilden.
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In vielen Fällen muß mit Rücksicht auf die in der Anlage zu beherrschenden
Betriebsspannungen außerdem eine Reihenschaltung mehrerer Ventile in den einzelnen
zwischen den Anschlüssen der Ventilanordnung parallelliegenden Zweigen vorgenommen
werden. Gegebenenfalls kann eine solche Reihenschaltung mehrerer Ventile in jedem
der parallelen Leitungszweige auch bereits aus Sicherheitsgründen gewählt werden,
um auf diese Weise zu erreichen, daß bei dem Ausfall eines der Ventile in den parallelen
Leitungszweigen durch einen inneren Kurzschluß des Ventils in dem betreffenden Leitungszweig
doch noch ein Ventil wirksam bleibt und damit trotz des eingetretenen Schadens die
Anlage bis zu einem für die Instandsetzung geeigneten Zeitpunkt in Betrieb gehalten
werden kann, zu welchem das z. B. durch eine Meldeeinrichtung als schadhaft gemeldete
Element dann ausgetauscht werden kann. Bei solchen Anlagen mit parallelen Leitungszweigen
mit mehreren in Reihe liegenden Halbleiterelementen je Zweig können sich allerdings
dann zwangläufig andere Mängel ergeben, wenn entweder eines der Halbleiterelemente
in einem der Leitungszweige durch einen inneren Kurzschluß ausfällt oder wenn von
zwei oder mehreren in dem einzelnen Zweig in Reihe liegenden Halbleiterelementen
das andere oder die anderen einen verschieden hohen Widerstand in Sperrrichtung
aufweisen.
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Im Falle des genannten Kurzschlusses eines der Elemente würde das
Halbleiterelement oder würden die Halbleiterelemente, welche in dem gleichen Parallelzweig
unmittelbar mit dem schadhaft gewordenen Halbleiterelement in Reihe liegen, denjenigen
hohen Strom allein übernehmen müssen, der sich aus dem durch den Ausfall des einen
Elementes geringer gewordenen elektrischen Widerstand dieses Zweiges ergibt.
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Haben andererseits mehrere in Reihe liegende Ventile in einem der
parallelliegenden Zweige einen verschieden großen Widerstand in Sperrichtung, so
erfolgt wegen des über die in Reihe liegenden Ventile in Sperrichtung fließenden
Stromes eine ungleichmäßige Aufte:lung der an den Anschlußenden der aus den parallelen
Leitungszweigen bestehenden Ventilanordnungen liegenden Spannung auf die einzelnen
in Reihe liegenden Ventile, so daß diese untereinander in unerwünschter Weise mit
einer verschieden hohen Spannung beansprucht werden.
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Zur Behebung dieser Mängel sind bereits Anordnungen für Selen- und
Kupferoxydul-Gleichrichter mit mehreren hintereinanderliegenden Gleichrichterelementen
bekanntgeworden, bei denen bestimmte Ventile gleichen Potentials der parallelen
Zweige durch Querverbindungen, beispielsweise Metallplatten, miteinander verbunden
sind, so daß diese zwangläufig auf das gleiche Potential gebracht werden.
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Tritt bei einer solchen mit einer oder mehreren Querverbindungsleitungen
ausgestatteten Ventilanordnung ein innerer Kurzschluß an einem der Ventile auf,
so verteilt sich der über das an der Stelle des ausgefallenen Ventils nunmehr vorhandene
durchgehende Leitungsstück fließende Strom über die in der Stromrichtung nachfolgende
Querverbindungsleitung auf die Gesamtzahl der in gieichartiger Lage nachfolgenden
Halbleiterelemente der parallelen Zweige.
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Weisen in einer solchen Anordnung, wie angegeben, in dem einzelnen
der parallelen Zweige die Halbleiterelemente verschieden große Widerstände in Sperrichtung
auf, so wird bei Vorhandensein einer Querverbindungsleitung die sonst auf die einzelnen
Ventile der Reihenschaltung ungleichmäßig erfolgende Aufteilung der an den Enden
der Parallelschaltung der Ventilanordnung liegenden Sperrspannung wesentlich herabgenündert,
denn für die Aufteilung dieser Spannung ist nunmehr das arithmetisehe
Mittel
der Widerstände in Sperrichtung der gleichartig in der elektrischen Parallelschaltung
liegenden Halbleiterelemente bestimmend.
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Eine solche bekannte Einschaltung von Querverbindungsleitungen zwischen
den gleichartig zwischen Ventilen in den verschiedenen einzelnen parallelen Zweigen
liegenden Verbindungsleitungen ergibt noch den weiteren Vorzug, wenn dem einzelnen
Halbleiterelement einer solchen Reihenschaltung Hilfsschaltungselemente zur Beherrschung
des an diesem einzelnen Halbleiterelement bei der Kommutierung bzw. am Ende seiner
Stromführung auftretenden Trägerstaueffektes bzw. der nachteiligen Wirkungen desselben
parallel geschaltet werden, wie z. B. in Form von Kondensatoren, einer Reihenschaltung
eines Kondensators oder eines Widerstandes oder ähnlicher Hilfsschaltungselemente-Kombinationen,
daß nicht mehr für jedes einzelne Halbleiterelement in jedem der verschiedenen
parallelen Zweige eine solche Parallelschaltung von Hilfsschaltungselementen vorgesehen
werden muß. Es genügt vielmehr, wenn der ganzen Gruppe von jeweils zwischen zwei
Querverbindungsleitungen bzw. zwischen einer Querverbindungsleitung und einem Anschluß
der Ventilanordnung parallelliegenden Halbleiterelementen ein einziges solches Hilfsschaltungselement
bzw. eine Kombination solcher gemeinsam parallel geschaltet ist.
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Der gleiche Vorzug wie für eine solche Parallelschaltung eines Hilfsschaltungselementes
zur Beherrschung des Trägerstaueffektes ergibt sich auch für eine Überwachungseinrichtung,
welche gegebenenfalls den Ventilen einer Reihenschaltung parallel geschaltet werden
soll, die z. B. für Anzeigezwecke dient und die Sperrspannungsfestigkeit des einzelnen
Halbleiterelementes über-wachen soll. Dann ist es ausreichend, wenn in gleicher
Weise je einer Gruppe von Halbleiterelementen, die zwischen einer Querverbindungsleitung
und einer Anschlußleitung oder zwischen zwei Querverbindungsleitungen liegen,
je eine solche überwachungseinrichtung parallel geschaltet bzw. zugeordnet
wird. Die überwachungseinrichtung zeigt dann den Schaden für die gesamte Gruppe
an.
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Die bekannten Querverbindungsleitungen ergeben ihre vorteilhafte Wirkung
bereits bei jeder beliebigen Ventilanordnung, in welcher 'in parallelen Zweigen
mehrere Halbleiterventile in Reihe geschaltet liegen. Beträgt die Zahl der
je parallelen Leitungszweige in Reihe liegenden Ventile mehr als zwei, so
können in bekannter Weise auch mehrere solche Querverbindungsleitungen benutzt werden.
Zwischen je zwei solchen in der Stromrichtung aufeinanderfolgenden Querverbindungsleitungen
kann jeweils entweder nur eine Gruppe aus je einem Ventil je Leitungszweig
oder auch eine Gruppe aus je einer Reihenschaltung aus mehreren Ventilen
liegen.
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Eine ideale Betriebsweise einer solchen bekannten Anordnung im normalen
Betrieb ergibt sich, wenn die in den verschiedenen parallelen Zweigen in den einzelnen
in Reihenschaltung über die Querverbindung aufeinanderfolgenden Gruppen parallelliegenden
Ventile sämtlich praktisch die gleiche Durchlaßkennlinie aufweisen. Weicht jedoch
die Durchlaßkennlinie solcher in der gleichen Gruppe parallelliegender Ventile voneinander
ab, so wird also dasjenige Ventil einen größeren Strom führen, das in Durchlaßrichtung
einen geringen Widerstand aufweist. Diese Stromführung des Ventils wird noch dadurch
begünstigt, daß der über das Ventil fließende Strom sich leicht in der in der Stromrichtung
der Ventilanordnung nachfolgenden Gruppe parallelliegender Ventile auf diese Ventile
ohne weiteres aufteilen kann.
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Nach der Erfindung kann eine Stromrichteranlage mit Halbleiterventilen,
bei der je Ventilanordnung Halbleiterelemente in zueinander parallelen Leitungszweigen
liegen und je Leitungszweig mehrere Halbleiterelemente in Reihe geschaltet
sind sowie zwischen den Ventilen der verschiedenen parallelen Zweige Querverbindungsleitungen
angeordnet sind. hinsichtlich der Arbeitsweise beim Abweichen der Durchlaßkennlinien
der verschiedenen Ventile in den parallelen Gruppen dadurch verbessert werden, daß
in die Querverbindungsleitungen Widerstände eingeschaltet werden. Dadurch wird erreicht,
daß der über ein Ventil mit etwas geringerem Durchlaßwiderstand fließende Strom
überwiegend über die anderen mit ihm in Reihe geschalteten Ventile fließt und praktisch
nicht auf die nachfolgenden Ventile der parallel geschalteten Gruppen abgeleitet
wird. Es wird dann auch, wenn einer der parallelen Zweige ein oder mehrere Ventile
geringeren Durchlaßwiderstandes enthält, für die Stromverteilung überwiegend der
Gesamtwiderstand der hintereinandergeschalteten Ventile bestimmend sein, so daß
auch das Ventil geringeren Durchlaßwiderstandes im wesentlichen nur den dem Gesamtwiderstand
des Zweiges entsprechenden Strom, also nicht einen so hohen Strom führen wird, wie
es der Fall wäre, wenn die Querverbindung keinen praktisch ins Gewicht fallenden
Widerstand aufweisen würde. Der Widerstand wird mit besonderem Vorteil einstellbar
ausgeführt, so daß er bei dem Zusammenbau auf den unter Berücksichtigung der zufällig
in der Anlage vorliegen-den Durchlaßwiderstandswerte der einzelnen Ventile günstigsten
Wert gebracht werden kann.
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Dieser Widerstand in einer Querverbindungsleitung kann dabei ein Ohmscher,
linearer oder spannungsabhängig nichtlinearer Widerstand oder auch ein Wechselstromscheinwiderstand
induktiven Charakters sein. Als spannungsabhängige Widerstände nichtlinearen Charakters
können Trockengleichrichterventile in den Querverbindungsleitungen benutzt werden.
Diese haben dann in vorteilhafter Weise die Eigenart, daß sie, wenn erwünscht, erst
oberhalb eines gewissen Schwellwertes zum Ansprechen kommen und eine entsprechende
Verbesserung der Anlage herbeiführen. Handelt es sich dabei um größere Ströme, so
wird man antiparallel geschaltete Ventile je Verbindungsleitung benutzen,
handelt es sich nur um kleinere Ströme und ist es erwünscht, daß der Widerstand
in der Verbindungsleitung einen relativ hohen Wert haben soll, so können auch Ventile
benutzt werden, die mit ihrer Durchlaßrichtung gegeneinandergeschaltet sind, so
daß sie als nichtlineare spannungsabhängige Widerstände mit der Sperrspannungskennlinie
eines einzelnen Ventils wirksam werden.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
wird nunmehr auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen.
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In dieser Figur ist eine Schaltungsanordnung gezeigt für den Aufbau
einer Ventilanordnung, welche zwischen ihren Anschlußpunkten aus mehreren parallel
geschalteten Zweigen besteht. von denen jeder Zweig mehrere in Reihe geschaltete
Halbleiterelemente enthält. In dieser Schaltung, welche eine Mittelpunktsschaltung
darstellt, bezeichnet 1 die Sekundärwicklung
eines Transformators,
von deren Enden in den verschiedenen Halbwellen je eine der Ventilanordnungen2
bzw. 3 die Stromführung für die Speisung der Last4 übernimmt, mit welcher
in Reihe noch eine Glättungsdrossel 5 geschaltet ist. Jede der Ventilanordnungen2
bzw. 3 besteht aus zwei parallel geschalteten Zweigen 6 und
7 bzw. 8 und 9. In jedem dieser Zweige 6 bis
9 liegen jeweils zwei Halbleiterelemente in Reihe. Diese sind in den verschiedenen
Zweigen mit 10 und 11 bzw. 12 und 13 bzw. 14 und
15 bzw. 16 und 17 bezeichnet. In bekannter Weise sind in jeder
der Ventilanordnungen die zwischen gleichartig in den parallelen Zweigen liegenden
Ventilen vorhandenen Verbindungsleitungen der Reihenschaltungen über je eine
Ausgleichsleitung 18 bzw. 19
miteinander verbunden. Diese Ausgleichsleitungen
18
bzw. 19 liefern die technischen Effekte, welche bereits weiter oben
geschildert worden sind, einerseits bei Schäden in Form eines inneren Kurzschlusses
eines der Halbleiterelemente in einem parallelen Zweige einer solchen Ventilanordnung
und andererseits hinsichtlich der anteiligen Aufteilung der gesamten in Sperrichtung
an einer Ventilanordnung zwischen deren Anschlußpunkten 20 und 21 bzw. 22 und
23 liegenden Sperrspannung auf die beiden in Reihe liegenden Halbleiterelementegruppen,
z. B. 10,
12 und 11, 13, von denen je eine zwischen
je einem der Anschlüsse 20 bzw. 21 und der Ouerverbindungsleitung
18 liegt.
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In der Figur sind in den beiden Leitungen 18 und
19 die Widerstände 24 und 25 nach der Erfindung eingetragen, die mit
Rücksicht auf abweichende Durchlaßkennlinien in der Schaltung parallelliegender
Ventile, wie z. B. 10 und 12, zu bemessen bzw. einzustellen sind.