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Überwachungseinrichtung für die Reihenschaltung mehrerer Halbleiterelemente
In Halbleiteranlagen, beispielsweise in Gleichrichteranlagen, deren Betriebsspannung
die maximale Sperrspannung einer Halbleiterzelle überschreitet, ist es bekanntlich
notwendig, mehrere Halbleiterzellen in Reihe zu schalten. Bei einer derartigen Reihenschaltung
liegt eine gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die einzelnen in Reihe geschalteten
Zellen wegen der schwankenden Sperrwiderstände zunächts nicht vor. Sie wird dadurch
erreicht, daß jeder Zelle ein Widerstand parallel geschaltet wird, die zusammen
einen Spannungsteiler mit gleichen Einzelwiderständen bilden. Außerdem werden noch
zusätzlich Kondensatoren oder CR-Glieder den Gleichrichterzellen parallel geschaltet,
um eventuell auftretende Kommutierungsschwingungen zu unterdrücken. Trotz dieser
Maßnahmen kommt es hin und wieder vor, daß einzelne Halbleiterzellen durchschlagen
und dadurch kurzgeschlossen werden. Das bedeutet, daß die Gesamtspannung sich nunmehr
auf die restlichen Halbleiterzellen verteilt und diese entsprechend spannungsmäßig
höher belastet werden. Damit besteht die erhöhte Gefahr des Durchschlagens weiterer
Zellen, was schließlich zum Kurzschluß der gesamten Reihenschaltung führen kann.
Um die Betriebssicherheit der gesamten Anlage zu gewährleisten, ist es erforderlich,
rechtzeitig, d. h. schon beim Durchschlag der ersten Zelle, ein Signal oder
eine sonstige Schalthandlung zum Schutz der Anlage auszulösen. Die bekannten, hierfür
benutzten Einrichtungen sind durchweg sehr aufwendig und stellen keine befriedigende
Lösung dieser Aufgabe dar.
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Es ist eine Anordnung bekannt, bei der je zwei in Reihe geschaltete
Ventile durch zwei Widerstände zu einer Brückenschaltung ergänzt sind. In der Dia-'
gonale dieser Brücke sind Signal- oder Steuereinrichtungen vorgesehen. Diese Anordnung
hat den Nachteil, daß für jedes in Reihe geschaltete Ventil eine derartige Brückenschaltung
erforderlich ist, wenn jedes Ventil einzeln überwacht werden soll.
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Die Erfindung löst das Problem der überwachung in Reihe geschalteter
Halbleiterzellen mit äußerst einfachen Mitteln. Sie bezieht sich auf eine überwachungseinrichtung
für die Reihenschaltung von mehr als zwei Halbleiterelementen mit einem selbständigen
Spannungsteiler, dessen Potentialstufen denen der Reihenschaltung entsprechen und
einer zwischen zwei potentialgleichen Punkten der Reihenschaltung und des Spannungsteilers
geschalteten Melde- oder Signaleinrichtung und besteht darin, daß jedem Halbleiterelement
in an sich bekannter Weise ein Widerstand parallel geschaltet ist.
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In den Fig. 1 und 2 ist die vorzugsweise Ausführung der erfindungsgemäßen
Einrichtung dargestellt.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind drei Gleichrichterzellen
1 in Reihe geschaltet. Diese drei Zellen können entweder unmittelbar als
Einwegventilstrecke verwendet werden, oder sie können einen Zweig, beispielsweise
einer Drehstrombrückenschaltung, bilden. Jeder einzelnen Zelle ist in bekannter
Weise ein Widerstand 2 parallel geschaltet. Der feste Spannungsabfall an diesen
untereinander gleichen Widerständen gewährleistet eine gleichmäßige Spannungsbelastung
jeder Zelle. Zusätzlich ist jeder Halbleiterzelle noch ein Dämpfungskondensator
3 parallel geschaltet. Gemäß der Erfindung wird nunmehr der Gesamtreihenschaltung
ein weiterer, vom ersten unabhängiger Spannungsteiler parallel geschaltet, der ebenfalls
aus drei gleichen Einzelwiderständen 4 besteht. Infolge des gleichen Spannungsabfalles
sowohl an der Gleichrichterreihenschaltung als auch an dem zweiten Spannungsteiler
besteht im normalen Betrieb, also bei intakter Gesamtanlage, zwischen den Punkten
5 und 6 bzw. 7 und 8 keine Spannung.
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Sobald an einer der drei Gleichrichterzellen ein Durchschlag und damit
ein Kurzschluß erfolgt, wird die gleichmäßige Spannungsaufteilung an der Gleichrichterkette
gestört, so daß nunmehr zwischen den Punkten 5, 6 bzw. 7, 8 eine Spannungsdifferenz
entsteht. Diese Spannungsdifferenz wird gemäß der Erfindung einer Signaleinrichtung,
beispielsweise einer Lampe, zugeführt.
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In Fig. 2 ist bei einer zweigliedrigen Gleichrichterkette außer dem
zugehörigen Überwachungsspannungsteiler noch eine vollständige Signaleinrichtung
dargestellt, die beispielsweise aus dem Transformator 5 und einem unter Zwischenschaltung
des Hilfsgleichrichters
6 angeschlossenen Relais
7 besteht. In jeder Reihenschaltung ist grundsätzlich nur eine einzige derartige
überwachungseinrichtung erforderlich, da bei Eintritt einer Störung an einer beliebigen
Gleichrichterzelle zwischen jeden der beiden Aquipotentialpunkte Spannung entsteht.
Es sind also nur so viele überwachungseinrichtungen erforderlich, als in der gesamten
Anlage voneinander unabhängige Reihenschaltungen von Halbleitern vorhanden sind.
Bei einer Drehstrombrückenschaltung sind also beispielsweise sechs solche Einrichtungen
erforderlich. In Anlagen mit mehreren Reihenschaltungen bzw. Gleichrichterketten
kann für jede Kette eine Primärwicklung eines gemeinsamen Mehrwicklungstransformators
vorgesehen werden, die zwischen zwei Äquipotentialpunkten zu schalten ist. Dieser
Transformator besitzt nur eine Sekundärwicklung, die an ein zentrales überwachungsorgan
angeschlossen ist. Man kann auch die Sekundärwicklungen mehrerer Einzeltransformatoren,
die je einer Reihenschaltung zugeordnet sind, in Reihe schalten und einem
zentralen Meldeorgan zuführen.
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Die erfindungsgemäße überwachung hat den Vorzug, daß sie unabhängig
ist von der Anzahl der in Serien geschalteten Halbleiterzellen. Sie kann für zwei,
drei, vier, fünf usw. in Serien geschaltete Zehen Verwendung finden. Sie ist auch
unabhängig von der Höhe der für eine Anlage verwendeten Spannung. Diese Spannung
kann ferner in beliebigem Umfang verändert werden. In jedem Fall wird die
zur Meldung herangezogene Differenzspannung bei ungestörter Anlage Null sein und
bei Eintritt einer Störung einen beträchtlichen Wert einnehmen.
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Die erfindungsgemäße überwachungseinrichtung ist ferner unabhängig
von der Art der Gleichrichterschaltung. Sie ist verwendbar für Drehstrombrückenschaltung,
Einphasenbrückenschaltung, Saugdrosselschaltung usw. Sie ist ferner unabhängig von
der Art der Zusammenschaltung der Gleichrichterzellen. Es können beispielsweise
drei in Reihe geschaltete Zellen zu einer anderen ebenfalls aus drei Zellen bestehenden
Reihenschaltung parallel oder zwei parallel geschaltete Zellen mit zwei weiteren
derartigen Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sein.
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Schließlich wird durch die ParalleIwiderstände eine gleichmäßige Spannungsaufteilung
an den Ventilen erreicht, so daß diese Widerstände doppelt ausgenutzt werden. Die
erfindungsgemäße überwachungseinrichtung hat gleichzeitig zwei Wirkungen, was ein
besonderer technischer Vorteil ist.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die Art der verwendeten Signaleinrichtung
weitgehend den örtlichen Erfordernissen anzupassen. So kann beispielsweise nur eine
Meldelampe oder in Verbindung mit dieser Meldelampe eine lichtempfindliche Zelle
verwendet werden, die irgendeine Schaltung auslöst. Man kann an Stelle der Meldelampe
oder zusätzlich zu dieser ein Relais anschließen, dessen Kontakt weitere Schalthandlungen
und Meldungen (z. B. akustische und optische Signale) steuern. Schließlich kann
man auch einen Transformator verwenden, an dessen Sekundärwicklungen die Relais
unmittelbar angeschlossen werden.