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Thyristor-Schutzanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Thyristor-Schutzanordnung,
insbesondere auf eine Anordnung zum Schutz von Thyristoren eines Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichters,
der in einer Gleichstrom-Starkstrom-Übertragungsanordnung vorgesehen ist.
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Wenn ein Wechselrichter aus mehreren Einheitsschaitungen gebildet
ist, deren jede aus in Serie, parallel oder serien-parallel geschalteten Thyristoren
besteht, sind die Ausschaltkennlinien der Thyristoren nicht einheitlich, so daß
einige Thyristoren aufgrund des fehlenden Grenzwinkels der Kommutierung beschädigt
werden (vgl. GB-PS 1 270 513 und DT-OS 2 000 422). Zur Lösung dieses Problems wurde
bereits
angeregt, die Thyristoren durch erneute Einspeisung des Gattersignals zu schützen,
indem das Fehlen des Grenzwinkels der Kommutierung erfaßt wird.
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Obwohl diese Anregung zum Schutz der Thyristoren sehr zweckmäßig
ist, gibt es doch noch einige Fälle, bei denen diese Lösung nicht immer zufriedenstellend
arbeitet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schutzanordnung anzugeben,
die Beschädigungen der Thyristoren aufgrund von Uneinheitlichkeiten der Ausschaltkennlinien
sowie des Schaltungsaufbaus der die Zweige eines Wechselrichters bildenden Thyristoren
sicher verhindern kann; eine derartige Anordnung soll einen anormalen Zustand, der
auf Ungleichmäßigkeiten der Kennlinien beruht, feststellen können, bevor diese auftreten,
und einen sicheren Schutz gewährleisten; schließlich soll eine derartige Anordnung
mit hoher Zuverlässigkeit und geringen Kosten leicht herstellbar sein.
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Falls der Randwinkel der Kommutierung vorübergehend zu klein wird,
wenn ein Stromrichter, wie beispielsweise ein Wechselrichter oder Zerhacker, mit
einem einzigen Quecksilberdampfgleichrichter oder Thyristor in Betrieb ist, schaltet
der Quecksilberdampfgleichrichter oder der Thyristor nicht aus, d. h. es tritt keine
Kommutierung ein. Das Nichtkommutieren selbst ist für den Betrieb des Wechselrichters
oder Zerhackers unerwünscht, und als Ergebnis dieses Nichtkommutierens fließt ein
zu großer Strom vorübergehend durch den Thyristor, jedoch der Quecksilberdampfgleichrichter
oder der Thyristor wird niemals durch dieses Nichtkommutieren beschädigt.
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Jedoch wird der Zustand, in dem einige der serien-, parallel-oder
serien-parallel-geschalteten Thyristoren ausschalten, während die übrigen nicht
ausschalten, zu einem Problem bei der Kommutierung, das insbesondere dann auftritt,
wenn der Grenzwinkel der Kommutierung klein ist. Insbesondere können die Thyristoren,
deren Aus schaltzeiten größer als der Grenzwinkel der Kommutierung sind, nicht ausgeschaltet
werden.
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Wenn eine Spannung an in Serie geschalteten Thyristoren liegt, von
denen einige ausgeschaltet sind und die übrigen im eingeschalteten Zustand bleiben,
liegt die ganze Spannung lediglich an den ausgeschalteten Thyristoren und kann deren
Durchbruch bewirken, wenn die an jedem ausgeschalteten Thyristor liegende Spannung
zu groß ist.
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Das Auftreten eines Zustandes, bei dem einige der in Serie geschalteten
Thyristoren ausgeschaltet und die übrigen noch eingeschaltet sind, kann durch keine
Änderung der Schaltungsanordnung Vermieden werden und führt daher zu einer Beschädigung
der Thyristoren.
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Daher ist eine Schutzanordnung erforderlich, die im Betrieb stabil
und in den Kosten wirtschaftlich ist, um eine derartige Gefahr einer Beschädigung
auszuschließen.
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Da weiterhin die Strom belastbarkeit eines Thyristors begrenzt ist,
ist eine Anzahl von parallel geschalteten Thyristoren erforderlich, um einen großen
Stromfluß zu ermöglichen. In derartigen Fällen treten ebenfalls Abweichprobleme
in den Ausschaltkennlinien auf.
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Wenn insbesondere eine Sperrspannung an Thyristoren liegt, durch die
ein Strom fließt, werden die Thyristoren selbstverständlich ausgeschaltet. Wenn
jedoch das Zeitintervall zur Anlegung einer Sperrspannung
sehr
kurz ist und eine Durchlaß spannung bald wieder angelegt wird, werden die Thyristoren,
die eine relativ lange Ausschaltzeit haben, wieder eingeschaltet. Durch diese eingeschalteten
Thyristoren kann der ganze Strom fließen. Dies führt offensichtlich zu einem Über
strom für diese eingeschalteten Thyristoren.
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Zusammenfassend führen Abweichungen in den Einschalteigenschaften
zu einer Überspannung bei einer Serienschaltung, zu einem Überstrom bei einer Parallelschaltung
und in beiden Fällen zu einer Beschädigung der Thyristoren.
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Um andererseits bei einem Wechselrichter oder Zerhacker zu verhindern,
daß die Thyristoren vollständig ausgeschaltet werden, selbst wenn eine Sperrspannung
vorübergehend an den Thyristoren liegt, während die Thyristoren eingeschaltet sind,
wird oft das sogenannte Breitenimpulsverfahren angewendet, bei dem ein Gattersignal
kontinuierlich an den Thyristoren während der Zeitdauer liegt, die von einem Gattereinschalt-Signal,
das an den -Thyristoren am Beginn von deren Einschalten liegt, bis zu einem Gatterausschalt-Signal
reicht, das an den Thyristoren beim Beginn von deren Ausschalten liegt.
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Erfindungsgemäß sind aufgrund dieser Ausführungen die Thyristoren
sicher geschützt, indem das Gatterausschalt-Signal nur dann wirksam ist, wenn der
Grenzwinkel der Kommutierung größer als ein vorbestimmter Wert ist. Insbesondere
wird das Gattersignal unmittelbar in die Thyristoren abhängig vom Gattereinschalt-Signal
gespeist, aber das Gatterausschalt-Signal wird wirksam und dient zum Abschalten
des Gattersignals nur dann, wenn der Umstand, daß der Grenzwinkel der
Kommutierung
ausreichend groß ist, erkannt wird. Da das Gattersigaal so in die Thyristoren gespeist
wird, daß alle Thyristoren bei der Kommutierung ausfallen, wenn der Grenzwinkel
der Kommutierung kleiner als der vorbestimmte Wert ist, können die Beschädigungen
der kyris;toren aufgrund der Ungleichmäßigkeit ihrer Ausschaltzeiten vollständig
verhindert werden. Da darüber hinaus der Wechselrichter oder Zerhacker gewöhnlich
einen Grenzwinkel der - Komm.utierung hat, der ausreichend verbreitert ist, wird
keine unnötige Nichtkommutierung hervorgerufen, selbst wenn die Erfindung im. Wechselrichter
oder Zerhacker angewendet wird. Die erfindungsgemäße Anordnung braucht nicht für
alle Thyristoren vorgesehen zu sein, die einen derartigen Stromrichter, wie beispielsweise
einen Wechselrichter- oder Zerhacker bilden, sondern muß lediglich für die Thyristoren
gemeinsam vorhanden sein, in die ein Gattersignal gleichzeitig eingespeist wird.
Daher ist die erfindungsgemäße Anordnung mit geringem-Aufwand herstellbar.
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Es wird also ein Wechselrichter beschrieben, der -mehrere -Zweige
aufweist, von denen jeder aus mehreren in Serie oder parallel geschalteten Thyristoren
besteht. Ein Gattersigna wird an die Thyristoren jedes Zweiges während der Zeitdauer
zwischen vorbestimmten Gattereinschalt- und Gatterausschalt-Signalen angelegt,.
aber das Gatter ausschalt-Signal ist nur dann wirksam, wenn die Zeitdauer, in der
eine Sperrspannung am Zweig liegt, Sänger als eine vorbestimmte Zeitdauer ist. Die
Sperrspannung kann durch Erfassung; der Spannung und des Stromes eines Wechselstromgliedes
anstelle einer direkten Messung der Spannung über dem Zweig ermittelt werden.- Weiterhin
kann ein Gattereinschalt-Impuls für einen anderen Zweig verwendet werden, um die
Verzögerung im Wiedereinschalten. des Sperrspannungs fühlers zu überdecken.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild einer Gleichstrom-Starkstrom-Übertragungsanordnung,
Fig. 2 Signale zur Erläuterung des Betriebs des Wechselrichters der in der Fig.
1 dargestellten Anordnung, Fig. 3 Signale, die das Abschalten des Gattersignals
betreffen, wenn eine Sperrspannung an Thyristoren angelegt wird, Fig. 4 ein Blockschaltbild
einer Schutzanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig.
5 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 4 gezeigten Anordnung,
Fig. 6 und 7 jeweils Hauptteile eines zweiten und eines dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, Fig. 8 Signalformen zur Erläuterung des Betriebs des dritten Ausführung
sbeispiels der Erfindung, Fig. 9 ein Blockschaltbild des Hauptteils eines vierten
Ausführungsbeispiels der Erfindung, und Fig. 10 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung
des vierten- Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Fig. 9 dargestellt ist-.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Wechselrichters mit
einer sogenannten sechsphasigen Grätzschaltung erläutert, die in Gleichstrom-Starkstrom-Übertragungsanordnungen
weit verbreitet ist.
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In der Fig. 1, die schematisch eine Gleichstrom-Übertragungsanordnung
zeigt, besteht eine Gleichstromquelle 1 aus einem Transformator 11, der mit einem
Wechselstromnetz verbunden ist, und aus Gleichrichterventilen 12, die an die Sekundärwicklungen
des Transformators 11 angeschlossen sind. Weiterhin sind vorgesehen eine Gleichstromdrossel
2 einschließlich Gleichstromübertragung sleitungen, ein Wechselrichter 3, für den
die Erfindung vorgesehen ist, sowie ein Transformator 100, der den Wechselrichter
3 mit einem Wechselstromnetz verbindet. Der von der Gleichstromquelle 1 über die
Gleichstromübertragungsleitungen 2 abgegebene Gleichstrom wird durch den Wechselrichter
3 in einen Wechselstrom umgewandelt, der über den Transformator 100 zum Wechselstromnetz
4 gespeist wird. In der Fig. 1 ist der Wechselrichter 3 mit Thyristorzweigen 31,
32, ..., 36 dargestellt, die in einer Grätzschaltung angeordnet sind, wobei jeder
Zweig mehrere in Serie geschaltete Thyristoren hat.
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In der Fig. 2, die Signale zur Erläuterung des Betriebs des in der
Fig. 1 dargestellten Wechselrichters zeigt, stellt das Diagramm (a) die Zündreihenfolge,
die Überlappungswinkel und die Kommutierungsgrenzwinkel der jeweiligen Thyristorzweige
dar, wobei die Phasenspannungen, die an den Zweigen liegen und mit den gleichen
Bezugszeichen wie die Zweige versehen sind, als Bezugspegel dienen. Für eine eigentliche
Kommutierung mit dem Wechselrichter 3 ist es erforderlich, die Zweige 35, 31, 33
und 35 und die Zweige 34, 36, 32 und 34 auf der negativen Seite in der erwähnten
Reihenfolge zu zünden.
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Für die oben beschriebene Zündung der Thyristorzweige haben die durch
die jeweiligen Zweige fließenden Ströme die in den Diagrammen (b) und (c) der Fig.
2 dargestellten Signalformen. Beispe3lsweise soll die Kommutierung vom Zweig 34
zum Zweig 36 näher untersucht werden. Ein Gattersignal liegt am Zweig 34 während
der Zeitdauer vom Gattereinschalt-Signal im Diagramm (e) bis zum Gatterausschalt-Signal
im Diagramm (f), d. h. während der im Diagramm (g) dargestellten Zeitdauer. Das
Gatterausschalt-Signal, das am Zweig 34 liegt und im Diagramm (f) dargestellt ist,
dient als Gattereinschalt-Signal für den Zweig 36. Insbesondere liegt ein Gattersignal
am Zweig 36, während der Zweig 34 leitend ist, und nach der Einspeisung des Gattersignales
in den Zweig 36 verschwindet das Gattersignal zum Zweig 34. Demgemäß leiten die
Zweige 34 und 36 beide während der dem Überlappungswinkel u entsprechenden Zeitdauer,
und danach zieht lediglich der Zweig 36 Strom. Dieser Vorgang wird Kommutierung
genannt. Während Strom durch den Zweig 34 fließt, braucht der Zweig 34 nahezu keine
Spannung auszuhalten. Aber während der Zeitdauer, die von dem Zeitpunkt, in dem
der Strom durch den Zweig 34 verschwindet, bis zu dem Zeitpunkt reicht, in dem die
Durchlaßspannung über dem Zweig 34 liegt, d. h. während der dem Grenzwinkel der
Kommutierung entsprechenden Zeitdauer, wird eine Sperrspannung über dem Zweig 34
gebildet. Danach liegt eine zunehmende Durchlaßspannung am Zweig 34. Der Verlauf
der am Zweig 34 liegenden Spannung ist im Diagramm (d) der Fig. 2 dargestellt.
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Wenn der Grenzwinkel der Kommutierung kleiner als dieAusschaltzeit
des Thyristors des Zweig es ist, fließt der Strom bei der Übertragung zum Zweig
36 wieder durch den Zweig 34, so daß der Wechselrichter nicht kommutiert.
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Das folgende Problem muß näher erläutert werden: Wenn insbesondere
jeder Zweig des Wechselrichters aus mehreren Thyristoren besteht, weichen die Ausschaltzeiten
der Thyristoren gewöhnlich voneinander ab, so daß, wenn der Grenzwinkel <s der
Kommutierung des Wechselrichters klein ist, Sperrspannungen an einigen Thyristoren
für eine ausreichende Zeit aber an den übrigen zu kurz liegen. Demgemäß müssen lediglich
die Thyristoren, die kleine Ausschaltzeiten haben, der am Zweig liegenden Durchlaßspannung
standhalten. Deshalb werden oft diese Thyristoren durch die zu große Durchlaßspannung
beschädigt oder zerstört.
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Wenn andererseits der verwendete Wechselrichter für einen Hochleistungsbetrieb,
d. h. für Hochspannung und Starkstrom vorgesehen ist und jeder seiner Zweige aus
mehreren parallel geschalteten Thyristoren besteht, führt ein nicht ausreichender
Grenzwinkel zu Überströmen durch die Thyristoren mit großen Ausschaltzeiten.
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Um die Überspannungen und -ströme, die auf einem mangeInden Grenzwinkel
der Kommutierunt3 beruhen, zu vermeiden, ist es ledig lich erforderlich, den Wechselrichter
so auszulegen, daß er in der Kommutierung ausfällt. Der aus den oben genannten Druckschriften
bekannte Stand der Technik beruht auf diesem Prinzip. Demgemäß werden jedoch beim
Stand der Technik die Gattersignale wieder in die Zweige eingespeist, indem der
Grenzwinkel tS der Kommutierung erfaßt wird, und es ist wahrscheinlich, daß die
genaue Wiederzündung der Zweige dann nicht erwartet werden kann, wenn der Grenzwinkel
nicht genau zu erfassen ist.
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Erfindungsgemüß besteht, wie im Diagramm e (g) der Fig. 2 dargestellt
ist,
das Gattersignal für eine ausreichende Zeitdauer vom Gattereinschalt-Signal bis
zum Gatterausschalt-Signal, so daß die Sperrleckströme durch die Thyristoren eines
Zweiges am Anwachsen gehindert sind, indem das Gattersignal während der Zeitdauer
abgeschaltet wird, in der eine Sperrspannung am Zweig liegt. Damit kann die Erfindung
den beim oben genannten Stand der Technik auftretenden Nachteil ausschließen, indem
das Gatterausschalt-Signal wirksam gemacht wird, nachdem erfaßt wurde, daß die Zeitdauer
ausreicht, in der die Sperrspannung anliegt.
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Die Fig. 3 erläutert, wie das Gattersignal bei einer herkömmlichen
Ansteueranordnung abgeschaltet oder abgeschnitten wird, wenn eine Sperrspannung
an einem Zweig liegt. Die in der Fig. 3 dargestellten Signalformen entsprechen einem
Zweig eines Wechselrichters in der Nähe beim Steuervoreilwinkel # = 90° . Das Diagramm
(a) zeigt den Spannungsverlauf über dem Zweig. Das Diagramm (b) zeigt den Stromverlauf
durch den Zweig. Das Diagramm (c) zeigt den Verlauf des Ausgangssignals einer nicht
dargestellten Einrichtung, die das Ausgangssignal während der Periode erzeugt, in
der eine Sperrspannung am Zweig liegt. Das Diagramm (d) zeigt den Verlauf der Gattereinschalt-
und Gatterausschalt-Signale. Das Diagramm (e) zeigt den Verlauf eines Gattersignales.
Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, liegt das Gattersignal am Z weig während der Zeitdauer
vom Gattereinschalt-Signal bis zum Gatterausschalt-Signal, d. h. während der Zeit
von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t5; wenn aber das Gattersignal während
der Zeitdauer entsprechend dem Diagramm (c) vorhanden ist, d. h. während der Zeitdauer,
in der die Sperrspannung am Zweig liegt, dann nehmen die Sperrleckströme durch die
Thyristoren des Zweiges zu. Demgemäß ist es üblich, das Gattersignal zeitweilig
während
der oben erwähnten Zeitdauer, d. h. während t2 - t3, t4 t6 und t7 - t8 abzuschneiden
oder auszuschalten. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll ausgenutzt.
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Insbesondere kann das Gattersignal unabhängig vom Vorliegen des Gatterausschalt-Signals
abgeschaltet werden, wenn eine Sperrspannung über dem Zweig auftritt, und daher
wird das Gattersignal während der oben erwähnten Kommutierung durch das Gatterausschaltsignal
nicht abgeschaltet, sondern es wird lediglich der Umstand, daß das Gatterausschalt-Signal
empfangen w urde, gespeichert. Nachdem der Umstand, daß die Sperrspannung für eine
ausreichende Zeit vorgelegen hat, erfaßt wurde, wird das gespeicherte Gatterausschalt-Signal
freigegeben und zur Unterbrechung des Gattersignales verwendet. Selbst wenn die
Sperrspannung aus einem beliebigen Grund nicht für eine ausreichende Zeitdauer erfaßt
wird, so ermöglicht die Erfindung daher dennoch einen vollständigen Schutz.
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Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der Fig. 4 erläutert.
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In der Fig. 4 bilden Thyristoren T1, T2, ., Tnz die zwischen Anschlüssen
A und K in Serie geschaltet sind, einen der Zweige 31, 32, ..., 36 der Fig. 1. Glieder
R1, R2, ..., Rns die zur Vereinfachung der Darstellung als Block mit zwei Anschlüssen
dargestellt sind, arbeiten als Spannungsteiler- und Dämpfungsglieder für die Thyristoren.
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Spannungsteilerglieder D1 und D2 leiten die Sperrspannung ab, die
über einem der Zweige entwickelt wird. Eine Z-Diode Z dient zur Begren zung der
Eingangsspannung, die an einem Signalformer 41 liegt. Der Signalformer 41 empfängt
die über dem Spannungsteilerglied D2 liegende Spannung als Eingarigssignal und erzeugt
ein Ausgangssignal "0", wenn das Eingangssignal Null oder positiv ist, und ein Ausgangssignal
"1",
wenn das Eingangssignal negativ ist. Signalinverter 42 und 44 kehren die Eingangssignale
um und erzeugen Ausgangssignale. Ein Impulsdehner 43 erzeugt ein Ausgangssignal
"0", wenn ein Eingangssignal "0" an ihm für eine längere Zeitdauer als eine vorbestimmte
Zeitdauer TD liegt, und ein Ausgangssignal "1", sobald ein Eingangssignal "1" in
ihn eingespeist wurde. Wenn das Eingangssignal "1" kontinuierlich in den Impulsdehner
43 eingespeist wird, erzeugt dieser tatsächlich fortwährend das Ausgangssignal "1",
und selbst wenn das Eingangssignal "1" durch das Eingangssignal "0" für eine kürzere
Zeitdauer als die vorbestimmte Zeitdauer TD ersetzt wird, bleibt das Ausgangssignal
"1" unverändert. Flip-Flops 46 und 47 sind beide in ihren gesetzten Zustand gesteuert,
um ein Ausgangssignal 11111 an ihrem Ausgangsanschluß Q zu erzeugen, wenn ein Eingangssignal
"1" in ihren Setzanschluß S eingespeist wird, und in ihren rückgesetzten Zustand,
um Ausgangssignal II 111 an ihrem Ausgangsanschluß Q zu erzeugen, wenn ein Eingangssignal
t'1" in ihren Rücksetzanschluß R eingespeist wird. UND-Glieder 47 und 49 erzeugen
beide ein Ausgangssignal "1", wenn beide Eingangssignale in ihre beiden Eingangsanschlüsse
"l"-Signale sind. Ein Oszillator 50 erzeugt eine Ausgangsspannung mit einer vorbestimmten
Frequenz, wenn das UND-Glied 49 ein Ausgangssignal "1" liefert. Ein Verstärker 51
wandelt das Ausgangssignal des Oszillators 50 in eine Spannung oder einen Strom
mit einem vorbestimmten Verlauf und eier vorbestimmten Amplitude um, die bzw. der
in das Gatter jedes der Thyristoren T1, T2 ... Tn eingespeist wird.
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Die Gattereinschalt-Signale für die jeweiligen Thyristoren werden
in den Setzanschluß S des Flip-Flops 46 über den Anschluß 461 eingespeist, während
die Gatterausschalt-Signale für die Thyristoren zum
Rücksetzanschluß
R des gleichen Flip-Flops 46 über einen Anschluß 462 geführt werden. Da der Setzanschluß
S des Flip-Flops 48 mit dem Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops 46 verbunden ist,
werden beide Flip-Flops 46 und 48 unmittelbar in ihre Setzzustände durch das Gattereinschalt-Signal
angesteuert, so daß ein Ausgangssignal "1" am Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops
48 auftritt. Andererseits wird kein Eingangssignal "1" in den Rücksetzanschluß R
des Flip-Flops 48 eingespeist, wenn nicht ein Ausgangssignal "1" am Ausgangsanschluß
Q des Flip-Flops 46 und am Ausgangsanschluß des Signalinverters 44 auftritt. Es
ist deshalb möglich, daß für ein bestimmtes Ausgangssignal des Gliedes 44 das in
den Anschluß 462 eingespeiste Gattereinschalt-Signal nicht zu den Thyristoren übertragen
wird. Wenn insbesondere das Glied 44 so ausgelegt ist, daß es kein Ausgangssignal
erzeugt, wenn die Zeitdauer, in der Sperrspannungen an den Thyristoren liegen, durch
die Glieder 41 bis 44 für nicht ausreichend ermittelt wird, dann tritt die gleiche
Lage ein, wie wenn keine Gatterausschalt-Signale in diesem Zustand an den Thyristoren
liegen. Wenn die Zeitdauer der Sperrspannung ausreichend lang ist, wird das Ausgangssignal
"1" vom Glied 44 erzeugt, so daß das Gatterausschalt-Signal zum Flip-Flop 48 übertragen
wird, um dieses rückzusetzen.
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Im folgenden wird die Beurteilung oder Entscheidung über die Zeitdauer
der Sperrspannung durch die Glieder 41 bis 44 näher erläutert.
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Der Signalformer 41 erzeugt ein Ausgangssignal "1" während der Zeitdauer
der Sperrspannung, und das Ausgangssignal wird durch den Signalinverter umgekehrt
und in ein Signal "0" umgewandelt, das wäh rend der Zeitdauer der Sperrspannung
vorliegt. Da der Impulsdehner 43 ein Allusgangssignal "0" erzeugt, wenn das Signal
11011 länger als die vorbestimmte Zeit TD dauert, wird das Ausgangssignal "0" durch
den
Signalinverter 44 umgekehrt, um ein Signal "1" zu erzeugen,
das in das UND-Glied 47 eingespeist wird. Demgemäß wird das in den Anschluß 462
eingespeiste Gatterausschalt-Signal zum Rücksetzanschluß R des Flip-Flops 48 übertragen.
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Da das Ausgangssignal des Signalinverters 42 auch zum UND-Glied 49
gespeist wird, erzeugt das UND-Glied 49 ein Ausgangssignal '1", solange das Flip-Flop
48 eingestellt ist, mit Ausnahme der Zeitdauer, in der der Sperrspannungsfühler
41 ein Ausgangssignal "1" liefert.
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Insbesondere ist bei der Erfindung das Flip-Flop zur direkten Steuerung
der Gattersignale für die Thyristoren von dem Flip-Flop getrennt, das die Gattereinschalt-
und Gatterausschalt-Signale erzeugt, und das Gatterausschalt-Signal wird wirksam,
sobald erfaßt wurde, daß die Sperrspannungszeitdauer ausreichend ist. Das UND-Glied
49 dient zum Abschneiden oder Abschalten des Gattersignals während der Zeitdauer,
in der die Sperrspannung erfaßt wird.
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Deshalb wird das Gattersignal kontinuierlich eingespeist, mit Ausnahme
der Zeitdauer, in der eine Sperrspannung am Zweig liegt, wenn nicht eine Sperrspannungszeitdauer
erfaßt wird, die länger als die vorbestimmte Zeit TD ist.
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Die Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Steuerung des
Gattersignals. Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, spricht das Flip-Flop 46 unmittelbar
auf die Gattereinschalt- und Gatterausschalt-Signale an, aber das Flip-Flop 48 empfängt
das Gatterauss chalt-Signal nicht, da der Impulsdehner 43 kein Ausgangssignal "0"
liefert, wenn
die Sperrspannungsdauer (Grenzwinkel der Kommutierung)
nicht ausreichend ist, und das Flip-Flop 48 bleibt im Setzzustand, der durch das
Gattereinschalt-Signal hervorgerufen ist. Daher arbeiten der Oszillator 50 und der
Verstärker 51 so, daß sie das Gattersignal dann in die Thyristoren einspeisen, wenn
die Sperrspannung verschwunden ist.
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Die Fig. 6 zeigt den Hauptteil eines anderen Ausführungsbeispiels
der Erfindung, wobei für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen
verwendet sind wie in der Fig. 4. Jedes Glied R1, 112, ... , das jeweils für die
Thyristoren eines Zweiges vorgesehen ist, besteht aus einer Serienschaltung aus
einem Kondensator C und einem Widerstand R, um die am Zweig liegende Wechselspannung
zu teilen, und aus einem Widerstand R', um die am Zweig liegende Gleichspannung
zu teilen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein besonderer Kunstgriff angewendet:
Eine Parallelschaltung aus einer Diode D und einer Leucht- oder Lumineszenzdiode
LD ist in Reihe mit einem der Gleichstrom-Teilungsglieder R' vorgesehen, -so daß
die Leuchtdiode LD abhängig von der Sperrspannung Licht aussendet. Daher arbeitet
dieses Ausführungsbeispiel in der gleichen Weise wie das Ausführungsbeispiel der
Fig. 4, mit der Ausnahme, daß der Signalfqrmer 41 ein Ausgangssignal "1" oder "0"
aussendet, abhängig vom Leuchten oder von der Lumineszenz der Diode ID.
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Die Fig. 7 zeigt den Hauptteil eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung mit der zugeordneten Thyristorschutzanordnung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Sperrspannung über den Zweig nicht vom Zweig erfaßt, sondern aus der Spannung
und dem Strom auf der Wechselstromseite des Wechselrichters abgeleitet. Zur Verwirklichung
dieses
Ausführungsbeispiels ist es erforderlich, in die Schutzeinrichtung 60 die Spannungen
von Leitung zu Leitung auf der Wechselstromseite und die Ausgangssignale der Stromwandler
61, 62 und 63 für die jeweiligen Phasen aufzunehmen.
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Vor der Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 7 dargestellten
Schaltung wird mit Hilfe der Fig. 8 näher erläutert, wie die Zeitdauer, in der die
Sperrspannung am Zweig liegt, aus der Spannung und dem Strom auf der Wechselstromseite
abgeleitet werden kann. Die Fig. 8 zeigt Signalformen, die den Signalformen der
Fig. 2 gleichen, um die Reihenfolge der Zündung der Zweige des Wechselrichters zu
erläutern.
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Die jeweiligen Zweige leiten, wie dies in den Diagrammen (b) und (c)
in Fig. 8 dargestellt ist, und der im Diagramm (d) der Fig. 8 dargestellte Stromverlauf
kann von den jeweiligen Stromwandlern 61, 62 und 63 (Fig. 1) erhalten werden, vorausgesetzt,
daß der Richtungssinn des vom Wechselrichter 3 zum Wechselstromglied 4 fließenden
Stromes positiv ist. Beispielsweise ändert sich bei einer Kommutierung vom Zweig
35 zum Zweig 36 der Strom vom Stromwandler 62 von positiv nach Null. Die Kommutierungsspannung
(Spannung von Leitung zu Leitung), die zur Kommutierung beiträgt, wirkt auf den
Zweig 35 während der Kommutierung als Sperrspannung und wird zu einer Durchlaßspannung
nach dem Randwinkel 6 der Kommutierung, wie dies durch eine Strichpunktlinie V im
Diagramm (a) der Fig. 8 dargestellt ist. Insbesonvw dere ist die Zeitdauer von dem
Zeitpunkt, in dem sich das Ausgangssignal des Stromwandlers 62 von positiv nach
Null ändert, bis zu dem Zeitpunkt, in dem sich die Spannung von Leitung zu Leitung
V von vw negativ nach positiv ändert, die Sperrspannungszeitdauer (Grenzwinkel der
Kommutierung) des Zweiges 35. Dies gilt auch für andere Zweige, wenn verschiedene
Kombinationen der Stromwandler und der
Spannungen von Leitung zu
Leitung verwendet werden. Die in der Fig. 7 dargestellte Schaltung setzt voraus,
daß ein Doppelbegrenzer 65 ein Ausgangssignal "1" erzeugt, wenn das Ausgangssignal
des Stromwandlers 62 Null oder negativ ist, daß ein Doppelbegrenzer 66 ein Ausgangssignal
"1" erzeugt, wenn die Spannung von Leitung zu Leitung V vw positiv ist, daß ein
FlipFlop 67 vorgesehen ist, das durch die Doppelbegrenzer 65 und 66 gesetzt und
rückgesetzt wird, und daß das Ausgangssignal vom Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops
67 als Eingangssignal für den Signalformer 41 beim Ausführungsbeispiel der Fig.
4 verwendet wird. Wie aus der Beschreibung der Fig. 8 hervorgeht, tritt das Ausgangssignal
"1" am Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops 67 lediglich während der Sperrspannungszeitdauer
auf, und der gleiche Schutz wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann ebenfalls
mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 erhalten werden.
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Wenn der Steuervoreilwinkel t ( T = u + 6 600 (elektrischer Winkel)
überschreitet, wird die am Zweig liegende Spannung bekanntlich plötzlich von einer
Sperrvorspannung zu einer Durchlaßspannung unter dem Einfluß des Überlappungswinkels
während der Kommutierung des Zweiges verschoben, an dem das Gattereinschalt-Signa1
nach einer Verzögerung von 1800 hinsichtlich des zuvor erwähnten Zweig es liegt
(beispielsweise eilt das Gattereinschalt-Signal zum Zweig 33 des Gattereinschalt-Signals
zum Zweig 36 um 1800 nach). Wenn in diesem Fall der Grenzwinkel ausreichend ist,
wird keine Störung bewirkt, aber wenn der Grenzwinkel nicht ausreichend ist, muß
die Schutzfunktion bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen voll vorliegen,
da die Durchlaß spannung plötzlich angelegt ist.
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Die Zeitverzögerung in der Erfassung des Vorliegens oder des
Nichtvorliegens
der Sperrspannung ist in der Praxis schwierig. Wenn insbesondere der Grenzwinkel
der Kommutierung nicht ausreichend ist, wird das Gattersignal so bald eingespeist,
wie die Sperrspannung verschwindet, und wenn eine Verzögerung in der Erfassung des
Vorliegens oder des Nichtvorliegens der Sperrspannung auftritt, wird die Einspeisung
des Gattersignals verzögert, entsprechend der Verzögerung in der Erfassung, so daß
die plötzliche Anlegung der Durchlaßspannung die Thyristoren der Gefahr einer Beschädigung
aussetzt.
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Die Fig. 9 zeigt den Hauptteil eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung, das so ausgelegt ist daß Gattersignale, wie dies oben erläutert wurde,
genau eingespeist werden, und die Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des
Betriebs der in der Fig. 9 dargestellten Anordnung.
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Beispielsweise zeigt das Diagramm (a) in Fig. 10 den Verlauf der
am Zweig 36« liegenden Spannung, der mit einem Gattersignal während der Zeitdauer
zwischen dem Gattereinschalt-Signal und dem Gatterausschalt-Signal und mit der Sperrspannung
nach dieser Zeitdauer gespeist wird. Die durch den Signalfühler 41 erfaßte Sperrspannung
hat den im Diagramm (c) dargestellten Verlauf, -und es kann eine Zeitverzögerung
tdr und eine Zeitverzögerung tds jeweils am Beginn und am Abschluß der Erfassung
vorliegen. Selbst wenn die Verzögerungen nicht so groß sind, wird die Durchlaßspannung
plötzlich abhängig vom Gattereinschalt-Signal für den Zweig 33 e ingespeist, wie
dies im Diagramm (d) für das Ausführungsbeispiel der Fig. 10 dargestellt ist, so
daß die Durchlaßspannung die Thyristoren des Zweiges nachteilig beeinflußt.
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In der Fig. 9 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen wie in der Fig. 4. Zusätzlich ist die in der Fig. 9 dargestellte
Schaltung ein Gattersteuerglied für den Zweig 36.
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Ein Eingangsanschluß 91 empfängt das Ausgangssignal des Signalformers
41. Ein Eingangsanschluß 92 empfängt das Gattereinschalt-Signal für den Zweig 33.
Ein Monoflop 93 erzeugt ein Ausgangssignal 11111 kontinuierlich für eine vorbestimmte
Zeitdauer, wenn es ein Eingangssignal "1" empfängt. Die Zeitdauer ist so bestimmt,
daß sie etwas länger als die Verzögerungszeit tds ist. Ein Inhibitionsglied 94 empfängt
das Ausgangssignal des Anschlusses Q des Flip-Flops 46 als Sperr-Eingangssignal
und das Ausgangssignal des Anschlusses Q des Flip-Flops 48 als Signaleingang. Das
Inhibitionsglied 94 erzeugt ein Ausgangssignal §'1", wenn die Ausgangssignale an
den Anschlüssen Q der Flip-Flops 46 und 48 jeweils "0" und "-1" sind. Insbesondere
erzeugt das Inhibitionsglied 94 kontinuierlich das Ausgangssignal I?lt,, bis ein
Gatterausschalt-Signal vorliegt und der Grenzwinkel der Kommutierung als ausreichend
erfaßt ist. NAND-Glieder 95 und 96 erzeugen ein Ausgangssignal "1", wenn eines von
ihren beiden Eingangssignalen ein "O"-Signal ist oder wenn beide Eingangssignale
"0"-Signale sind, und ein Ausgangssignal tOt', wenn beide Eingangssignale 't1"-Signale
sind. Deshalb erzeugt das NAND-Glied 95 normalerwdse mit Ausnahme der Zeitdauer,
in der das Ausgangssignal des Monoflops 93 ein "l"-Signal ist, ein Ausgangssignal
i1t während der Zeitdauer, in der die Ausgangssignale an den Anschlüssen Q der Flip-Flops
46 und 48, in die gerade das Gatterausschalt-Signal für den Zweig 36 eingespeist
wurde, nicht miteinander zusammenfallen (d. h. während der Zeitdauer, in der das
Ausgangssignal des Inhibitionsgliedes 94 ein "1"-Signal ist). Als Ergebnis dient
das NAND-Glied 96 zur Umkehrung des Ausgangssignales des Signalformers 4t, und da
das Ausgangssignal
des NAND-Gliedes 95 ein t'0"-Signal wird, wenn
das Gattereinschalt-Signal für den Zweig 33 nahe dem Beginn der Sperrspannungsdauer
auftritt, wie dies in der Fig. 10 gezeigt ist, wird das Ausgangssignal des Signalformers
41 unterbrochen, und das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 96 wird zu einem "1"-Signal.
Dieses Ausgangssignal "1" des NAND-Gliedes 96 bewirkt, daß das UND-Glied 49 ein
Ausgangssignal "1" erzeugt, so daß das Gattersignal unmittelbar für die Thyristoren
des Zweiges 36 eingespeist wird. Daher ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 9 das Ausgangssignal des Sperrspannungsfühlers in zeitlicher Übereinstimmung
mit dem Gattereinschalt-Impuls für den Zweig 33 unwirksam, so daß keine Schwierigkeit
aufgrund der Verzögerung in der Wiederherstellung dieser Schaltung verursacht wird.
Wenn die Verzögerung in der Wiederherstellung des Betriebs des Sperrspannungsfühlers
in Betracht gezogen wird, wie dies im Diagramm (g) in Fig. 10 der Fall ist, so ist
offensichtlichs daß der Impulsdehner 43 lediglich die Zeit zur Messung des Grenzwinkels
der Kommutierung zu TD - tdr anstelle von TD auswählen muß. Dies gilt auch für die
Ausführungsbeispiele der Fig 4, 6 und 7.
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Zusammenfassend wird bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter, bei
dem das Gattersignal kontinuierlich am Zweig während der Zeitdauer zwischen dem
Gattereinschalt-Signal und dem Gatterausschalt-Signal liegt, mit Ausnahme der Zeitdauer,
in der die Sperrspannung am Zweig liegt, ein gegebenes Gatterausschalt-Signal wirksam
gemacht nach der Erfassung, daß der Grenzwinkel ausreichend ist, und dann angewendet,
um die Beschädigungen der Thyristoren aufgrund des Fehlers in der Erfassung des
Grenzwinkels zu verhindern, d. h. mit anderen Worten, die Erfassung der am Zweig
liegenden Sperrspannung (verursacht beispielsweise in einem Fall, in dem die Empfindlichkeit
des
Gliedes zur Erfassung der Sperrspannung gering ist, oder indem die Sperrspannung
zu klein zur Erfassung ist) kann sicher verhindert werden.
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Selbst wenn ein Gattereinschalt- und ein Gatterausschalt-Signal von
außen zur Überprüfung des Wechselrichters anliegen, kann der Betrieb des Gattergliedes
erfindungsgemäß nicht unterbrochen werden, da die Sperrspannung nicht eingeprägt
ist. Darauf beruhen einige Nachteile bei der Überprüfung der Schaltung. Um diese
Nachteile auszuschließe n, ist es jedoch lediglich erforderlich, einen Hilfsschalter
As vorzusehen, wie dieser mit Strichlinien in Fig. 4 dargestellt ist, der zur Überprüfung
geschlossen ist. Durch Schließung dieses Schalters As wird das Gatterausschalt-Signal
eingespeist, um das Flip-Flop 48 rückzusetzen. Dieser Zustand ist der Bedingung
gleichwertig, in der die Sperrspannung erfaßt wird, so daß der Beginn und der Abbruch
des Betriebs des Gattergliedes lediglich durch das Gattereinschalt- und das Gatterausschalt-Signal
steuerbar und die Überprüfung wesentlich erleichtert ist. Es ist auch möglich, den
Schalter As so auszulegen, daß er zwangsweise nur dann geöffnet wird, wenn eine
Betriebs-Wechselspannung am Wechselrichter anliegt, um ein unnötiges Öffnen des
Schalters As zu vermeiden.