DE1952828C3 - Schaltungsanordnung zum Schutz von in Reihe geschalteten Thyristoren gegen Überspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung '" 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- "'" impuls durchlässig wird oder ist, werden die weiteren mit diesem Thyristor in Reihe liegenden Thyristoren mit einer entsprechend überhöhten Vorwärtsspcrrspannung 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, DEAS 12 63 173), Thyristoren dadurch gegen Überspannungen in Vorwärtsrichtung zu schützen, daß man sie im erforderlichen Augenblick, d. h. beim Auftreten gefährlich hoher Spannungen, in den stmmlcitendcn Zustand steuert. In einer bekannten Anordnung (DE-AS 12 51 425) werden mehrere parallelgesch.iltete Thyristoren in der Weise gegen Überspannungen geschützt, daß an den Steuerelektroden der zu schützenden Thyristoren je ein ohmscher Widerstand liegt, dessen von den Steuereiek tmden 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 Spannup^swert überschritten wird, zündet das zusätzliche steuerbare Halbleiterventil und damit auch die bedrohton 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 parallelgeschaltet und dieser fviiiteiabgrifi über eine Vierschichtdiode mit der Steuerelektrode des zu schützenden Thyristors verbunden. Bei mehreren in Reihe geschalteten Thyristoren ist parallel zur Reihenschaltung ein aus zwei Widersländen mit Parallelkondensatoren bestehender Spannungsteiler geschaltet, dessen Spannungsteilerab^riff über eine Vierschichtdiode mit der Steuerelektrode eines der Thyristoren verbunden ist. Sobald die an der Reihenschaltung anliegende Spannung einen unzulässig hohen Wert annimmt, wir-'J 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 Spannungsleilerschaltungen 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, it,s!;esondere 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 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 Spannungsaufteilung auf die in Reihe geschalteten Thyristoren ungleichmäßig ist.

Eine Anordnung zum Schutz von in Reihe geschalteten Halblcitcrventilcn. bei der die gleichmäßige Spannungsaufteiliing auf die Halbleiterventile überwacht wird und eine sofortige Signalgabe und ■Schiitzaus'ösung im .Störungsfall erfolgt, ist durch die CH-PS 4 1)8 114 bekannt. Einerseits ist hier aber der Aufwand beträchtlich und andererseits soll im Störungsfiill die defekte Halbleiterkettc von der Einspeisung iibgctrennl werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Sehnt/ gegen llber spannungen anzugeben, mit der bei nur geringem Aufwand bei ungleichmäßiger Spannungsaufleilung innerhalb der Reihenschaltung ein gleichzeitiges Durch zünden 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 in den Unteransprüchen angegeben.

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

F i g. 1 7.eigt eine der bekannten Stromrichtersehaltungen. Über die Leitungen I 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 Gleirhstromklcmmen 3 angedeuteten Polaritäten berücksichtigen, daß die Schaltung sowohl im Gleichrichter- als auch im Wechselrichterbetrieb arbeiten kann.

In den Fig. 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 2.3 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 zurThyristorreihenschaltung 2.1, 2.2, 2.3 ein aus drei gleich großen Impedanzen 4.1, 4.2, 4.3 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 Verbindungspunktc der Thyristoren 2.2 und 2.3 bzw. der Tcilimpedanzen 4.2 und 4.3 ist ein Meßglied 5 eingeschaltet. Diese Verbindungspunkte besitzen im Normalbctrieb gleiches Potential, so daß im Normalbetrieb am Meßglied 5 keine Potentialdiffcrenz a'iftritt. Dieses Meßglied könnte auch zwischen die beiden anderen Verbindungspunktc. nämlich zwischen die Thyristoren 2.1 und 2.2 bzw. zwischen die Tcilimpedanzen 4.1 und 4.2 eingeschaltet werden. Wenn aus irgend welchen Gründen sich die Sperrspannung nicht gleichmäßig auf die drei Thyristoren verteilt, sieht am Meßglied 5 eine Spannung an, die dazu benutzt werden kann, die in Reihe geschalteten Thyristoren zu zünden. Dazu ist dieses Meßglied 5 mit einer Schaltungsano.dnung 6 verbunden, welche beim Auftreten einer Potcntialdiffcrenz zwischen diesen Verbindungspunkten die Zündung der Thyristoren auslöst. Diese Schaltungsanordnung 6 kann beispielsweise einen durch eine llilfsspannungsquelle aufgeladenen und in einem bestimmten Ladungszustand gehaltenen Kondensator sowie einen Hilfsthyristor enthalten. Zwecks Zündung der in Reihe geschalteten Thyristoren 2.1, 2.2, 2.5 wird dann dieser llilfsthyrislor ge/iindet, wodurch sich tier Kondensator über die linpulsübertrager 4.1, 4.2, 4.3 entlädt und damit die /ti schützenden Thyristoren zündet. Die Primärwicklungen der Zünclimpulsübertrager können entweder, wie im vorliegenden Beispiel gezeigt, in Reihe oder auch parallel Ivw.

teilweise in Reihe und teilweise parallelgeschaltet werden. Um zu vermeiden, daß das Meßglied 5 bei geringfügigen ünterscnieden 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 anpaßbüre Schwellgrenze in der Schaltungsanordnung 6 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 unier Umständen eine weitere Verschlechterung der Sperrspar.nungsauftcilung aufträte. Daher enthält die die Zündung Jcr Thyristoren auslösende Schaltungsanordnung f> eine Sperreinrichtung, welche die Richtung der an der Thyristorreihenschaltung anliegenden Sperrspannung überwach' und die Auslösung der Zündung der Thyristoren nur bei ansteherJer Vorwärtssperrspannung freigibt. Um das Meßglied 5 auch bei ungleicher Aufteilung der Rückwärtssperrspannung auszunutzen, ist im vorliegenden Beispiel noch ein .Signalglied 7 vorgesehen, das Demi Auftrei-jn einer ungleichen Spannungsauiieilung entweder ein Warnsignal abgibt und/oder den ganzen Stromrichter abschaltet. Das Meßg! ed 5 kann dazu benutzt werden, nichi nur sämtlich'. Thyristoren der Reihenschaltung duichzuzünden. s< 'idem auch die Schutzeinrichtungen, wie z. H. Schalter, die zur Unterbrechung des Kurzschiuüstromes 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 /ur Folge. Wenn beispielsweise der Stromrichter im Weehselrichterbetrieb arbeitet, entspricht 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 hallen, werden bei Anordnungen mit .Stromrichterzweigen, die aus mehreren para'lclgeschalleten Thyristorreiherischaltungcn bestehen, die Thyristoren mehrerer ode^r aller Reihenschaltungen dieses .Stromrichterzweiges ge'ünJet. wenn innerhalb einer Reihenschaltung eine ungleichmäßige Spannungsaufteilung auftritt. Dadurch wird der Kurzsch.ußstrom auf mehrere parallele Thyristorreihenschaltungen verteilt, und damit die Kurzschlußbelastung der in Reihe geschalteten Thyri stören 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 jegliche Zerstörung der Thyristoren vermeiden.

In der F i g. 5 iM eine entsprechende Anordnung mit para I Ie !geschalte te η Thyrislorreihensehaltiingen dargestellt. Die Funktionsweise der Schutzeinrichtung ist auch in dieser Anordnung die gleiche wie in der zuvor

beschriebenen Anordnung, l\s ist bier ei η einziges beiden Thyristoren 2.2 und 22.3, b/w.

Meßglied "> vorgesehen. d;is einmal mit dem Verbin- Verbindungspunkt der beiden Thyristoren 23.;

dungspiinkt der beiden Teilimpedan/en 4.2 und 4.3 und verbunden ist. Die /ündimpulsübertrager 91.

andererseits über rntkopphingsimpedan/en, im vorlie- sind im lleispiel wieder in Reihe geschaltet, si

gendcn l'all hochohmige ohmsche Widerstände 8.1. 8.2, jedoch beliebig parallel oder in Reihe j

8.3. mit dem Verbindungspunkt der beiden Thyristoren werden.
21.2 und 21.3 b/w. mit dem Verbindungspunkt der

lliei/u 1 Blatt Zcichniinucii

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Schaltungs-Anordnung zum Schutz von in Reihe geschalteten Thyristoren gegen Überspannungen in Vorwärtsrichtung mit einem parallel zur > Thyristorreihcnschaltung geschalteten Spannungsteiler, der aus der Zahl der in Reihe geschalteten Thyristoren entsprechenden Anzahl von Teilimpedanzen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren parallelgeschalteten Thyristorrei- '· henschaltungen (21.1 bis 23.3) 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, 4J) und andererseits über Entkopp- ι ■ Iiingsimpedanzen, insbesondere hochohmige ohmsche Widerstände (8.1, 8.2, 8J), mit im Normalbetrieb ein gleiches Potential aufweisenden Verbindungspunkten der parallelgeschalteten Thyristorreihenschaltungen verbunden ist. -'"

2. Schahungs-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zündung der Thyristoren (2.1, 2.2, 2.3, 21.1 bis 23.3) auslösende Schaltungsanordnung (6) eine Sperreinrichtung enthäh, welche die Richtung der an der Thyristorrei- -' henschaltung anliegenden Sperrspannung überwacht und die Auslösung der Zündung der Thyristoren nur bei anstehender Vorwärtssperrspannung freigibt.

3. Schaltungs-Anordnung nach einem der Ansprü- ■' ehe I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (5; mit einer Signaleinrichtung (7) verbunden ist, die beim Auftrc'on einer ungleichen Spannungsaufteilung ein Warnsignal abgibt und/ oderden Stromrichter abschaltet '·>