DE3627017A1

DE3627017A1 - High-voltage semiconductor contactor

Info

Publication number: DE3627017A1
Application number: DE19863627017
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Langer; Thomas Ing Grad Wolf
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1986-08-09
Filing date: 1986-08-09
Publication date: 1988-02-18
Also published as: NO873234L; NO873234D0; SE469308B; SE8703087D0; CH673363A5; SE8703087L; NO872954D0

Abstract

The invention relates to a high-voltage semiconductor contactor for switching relatively high alternating-current loads, which is driven via an optocoupler. The previous switching devices of this type were hybrid switches. The aim is to create a fully electronic semiconductor contactor. The invention consists in that the contactor has n series-connected power blocks (I, II) having in each case two antiparallel-connected main thyristors (A, B), the main thyristors of which with the same sense of direction (A or respectively B) are alternately controlled with triggering transformers (2, 3) integrated in two arms via a rectifier bridge (1), and that the load voltage or a part thereof is connected to the alternating-voltage inputs (AC) of the rectifier bridge (1) and the phototransistor (4) of the optocoupler (5), acting as switch, is applied to the direct-voltage outputs (+, -) of the rectifier bridge (1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochspannungs-Halbleiterschütz, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definiert ist.The invention relates to a high-voltage semiconductor contactor as it is further defined in the preamble of claim 1.

Bei den bisher verwendeten elektromagnetischen Schaltgeräten ist man bis an die Grenzen ihrer technischen Möglichkeiten herangekommen. Diese Schaltgeräte und Schütze können als ausgereift gelten, ihre zulässige Schalthäufigkeit liegt zwar hoch, ist jedoch begrenzt. Nachteilig ist auch der Verschleiß der Schaltstücke und Lager, was die Geräte sehr wartungs intensiv macht und auch die Lebensdauer insgesamt elektrisch und mecha nisch einengt. Hinzu kommt eine relativ hohe Ansteuerleistung. Für An wendungsfälle mit sehr hoher Schalthäufigkeit (insbesondere Taktbetrieb) ergeben sich für elektromechanische Hochspannungsschütze aus dieser Sicht Probleme.With the electromagnetic switching devices used so far, one is up to have reached the limits of their technical possibilities. These Switchgear and contactors can be considered mature, their permissible Switching frequency is high, but is limited. Another disadvantage is the wear of the contact pieces and bearings, which makes the devices very maintenance makes it intense and also the overall service life electrical and mecha niche constricts. In addition, there is a relatively high drive power. For An applications with a very high switching frequency (especially cyclic operation) arise from this point of view for electromechanical high-voltage contactors Problems.

Ein Schaltgerät, das die Voraussetzungen des Oberbegriffs des Anspruches 1 erfüllt, ist z. B. als Hybridschalter durch die internationale Patentan meldung WO 86/01 334 (PCT-Gazette Section I No. 05/1986, S. 778) bekannt geworden. Das Halbleiterelement des dortigen Hybridschalters ist bei Schaltbewegung des mechanischen Schalters dann durchlässig, wenn sich der mechanische Schalter durch Zonen bewegt, wo ein Lichtbogen gezogen werden kann. Über verschiedene Spannungsquellen und Verstärkerstufen werden Halb leiterelement und mechanischer Schalter getrennt angesteuert. Gegenüber rein elektromechanischen Hochspannungsschützen läßt sich damit bereits hinsichtlich der Kontakte ein verschleiß- und wartungsärmeres Schalten erreichen. Der Verschleiß an den Lagerstellen bleibt jedoch, ebenso der Nachteil relativ hoher Ansteuerleistung.A switching device that meets the requirements of the preamble of the claim 1 fulfilled, is z. B. as a hybrid switch by the international patent WO 86/01 334 (PCT Gazette Section I No. 05/1986, p. 778) known become. The semiconductor element of the hybrid switch there is at Switching movement of the mechanical switch is permeable when the mechanical switches moved through zones where an arc is drawn can. About different voltage sources and amplifier stages become half conductor element and mechanical switch controlled separately. Across from purely electromechanical high-voltage contactors can already be used with regard to the contacts, less wear and less maintenance to reach. However, the wear on the bearing points remains the same Disadvantage of relatively high drive power.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hochspannungsschütz auf Halbleiterbasis zu schaffen, das problemlos ein verschleiß- und wartungsfreies Schalten elektrischer Wechselstromlasten mit sehr hoher Schalthäufigkeit ge stattet. Dabei ist an Spannungen um 1200 V bei 15 bis 100 Hz und Strömen zwischen 1 und 50 A gedacht. Das Schütz soll einfach und kompakt im Auf bau und in seiner Montagebehandlung sein und mechanische Schütze aus tauschbar ersetzen können.The object of the invention is a high-voltage contactor based on semiconductors to create that a wear-free and maintenance-free switching electrical AC loads with very high switching frequency equips. There are voltages around 1200 V at 15 to 100 Hz and currents between 1 and 50 A. The contactor should be simple and compact to open construction and in its assembly treatment and mechanical contactors can be replaced interchangeably.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved in accordance with the characterizing features of claim 1 solved.

Es gibt zwar schon Halbleiterrelais verschiedener Hersteller, diese sind jedoch mit den geforderten Hochspannungsschützen nicht vergleichbar und auch nur für Spannungen bis ca. 600 V einsetzbar.There are already semiconductor relays from different manufacturers, these are however not comparable with the required high voltage contactors and can only be used for voltages up to approx. 600 V.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen ent nehmbar. Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nach stehenden näher erläutert. Die Figur zeigt den Stromlaufplan eines der artigen Schützes.Advantageous embodiments of the invention are defined in the subclaims acceptable. Using an exemplary embodiment, the invention in the standing explained in more detail. The figure shows the circuit diagram of one of the like contactor.

Mit I und II sind zwei sogenannte Powerblocks bezeichnet, die jeweils aus zwei antiparallelen Thyristoren A und B bestehen und die in Reihe geschal tet, eine nicht näher dargestellte ohmsche Last, z. B. einen Heizwider stand steuern sollen. Für eine gleichmäßige dynamische Sperrspannungs aufteilung der Reihenschaltung der beiden Powerblocks I und II sorgt eine RC-Beschaltung C 1 , R 21/C 2, R 22. Die statische Spannungsaufteilung wird durch den Widerstand R 20 und eine Widerstandskombination aus R 19 und den Spannungsteilern 10 und 12 realisiert.With I and II two so-called power blocks are called, each consisting of two antiparallel thyristors A and B and switched in series, an ohmic load, not shown, z. B. should control a heating resistor. An RC circuit C 1 , R 21 / C 2 , R 22 ensures a uniform dynamic reverse voltage distribution of the series connection of the two power blocks I and II. The static voltage distribution is realized by the resistor R 20 and a resistor combination of R 19 and the voltage dividers 10 and 12 .

Der Steuerteil liegt hochspannungsseitig an der halben Lastspannung paral lel zum Powerblock II. Er besteht im wesentlichen aus einer Gleichrichter brücke 1 mit zwei in seinen Zweigen integrierten Zündtransformatoren 2 und 3, deren Sekundärwicklungen a, a′ und b, b′ auf die Gates der Haupt thyristoren A bzw. B über zugeordnete Gleichrichterventile 6 bis 9 wirken. Die Hauptthyristoren A oder B werden je nach Halbwelle der Lastspannung angesteuert, wenn ein Stromfluß über zwei Hilfsthyristoren 13, 14 mög lich ist, die die Gleichspannungsausgangsklemmen des Gleichrichters 1 kurzschließen. Die generelle Ansteuerung erfolgt über eine Gleich spannung U _S von z. B. DC 24 V über einen Optokoppler 5. Der Phototran sistor 4 des Optokopplers 5 ist dabei als Steuerschaltung in einem ersten Spannungsteilerpfad 10 angeordnet, der an der Ausgangsspannung des Gleich richters 1 liegt.The control section is on the high-voltage side at half the load voltage parallel to Powerblock II. It consists essentially of a rectifier bridge 1 with two ignition transformers 2 and 3 integrated in its branches, the secondary windings a, a ' and b, b' on the gates of the main thyristors A and B act via assigned rectifier valves 6 to 9 . The main thyristors A or B are driven depending on the half-wave of the load voltage when a current flow through two auxiliary thyristors 13, 14 is possible, which short-circuit the DC output terminals of the rectifier 1 . The general control takes place via a DC voltage U _S of z. B. 24 V DC via an optocoupler 5 . The Phototran sistor 4 of the optocoupler 5 is arranged as a control circuit in a first voltage divider path 10 which is connected to the output voltage of the rectifier 1 .

Liegt Steuerspannung U _S an den Eingangsklemmen, dann leitet der Photo transistor 4 des Optokopplers 5 und ein Hilfstransistor 11, der seine Steuerspannung am ersten Spannungsteilerpfad 10 abgreift, sperrt. Der Hilfstransistor 11 liegt in einem zweiten Spannungsteilerpfad 12, der parallel zum Spannungsteilerpfad 10 angeordnet, ebenfalls an die Ausgangs spannung des Gleichrichters 1 angeschlossen ist. Die Steuerspannungen für die einen zusätzlichen Parallelpfad bildenden Hilfsthyristoren 13, 14 werden vom zweiten Spannungsteilerpfad 12 abgegriffen. Wenn die in Reihe geschalteten Hilfsthyristoren 13, 14 zünden, wird die Zündung der Haupt thyristoren A bzw. B über die Zündübertrager 2, 3 eingeleitet.Is control voltage U _S at the input terminals, then conducts the photo transistor 4 of the optocoupler 5 and an auxiliary transistor 11 , which taps its control voltage at the first voltage divider path 10 , blocks. The auxiliary transistor 11 is located in a second voltage divider path 12 , which is arranged parallel to the voltage divider path 10 , is also connected to the output voltage of the rectifier 1 . The control voltages for the auxiliary thyristors 13, 14 forming an additional parallel path are tapped from the second voltage divider path 12 . When the auxiliary thyristors 13, 14 connected in series ignite, the ignition of the main thyristors A and B is initiated via the ignition transformer 2, 3 .

Die Schaltung ist so aufgebaut, daß die Hauptthyristoren A, B nicht be reits dann zünden, wenn die Steuerspannung U _S anliegt. Eine Zündung der Hauptthyristoren ist vielmehr erst im Nulldurchgang der Lastspannung mög lich, d. h. der Zündzeitpunkt für die Hauptthyristoren A, B liegt netzge führt im Nullspannungsbereich der Lastspannung. Ist der Augenblickswert der Lastspannung größer als ein durch Spannungsabgriff am ersten Spannungs teilerpfad 10 vorgewählter Schwellwert, so schaltet der Hilfstransistor 11 durch, wodurch die Hilfsthyristoren 13, 14 und damit auch die Hauptthyri storen A, B nicht gezündet werden. Das Halbleiterschütz kann daher nur in einem kleinen Bereich um den Spannungsnulldurchgang der Lastspannung, als Nullspannungsschalter schalten. The circuit is constructed so that the main thyristors A, B do not ignite when the control voltage U _S is applied. An ignition of the main thyristors is rather only possible in the zero crossing of the load voltage, ie the ignition point for the main thyristors A, B is mains leads in the zero voltage range of the load voltage. If the instantaneous value of the load voltage is greater than a threshold value preselected by voltage tapping on the first voltage divider path 10 , the auxiliary transistor 11 switches through, as a result of which the auxiliary thyristors 13, 14 and thus also the main thyristors A, B are not ignited. The semiconductor contactor can therefore only switch as a zero voltage switch in a small area around the voltage zero crossing of the load voltage.

Durch die Erfindung konnten die eingangs gestellten Forderungen auf ein fache Weise gelöst werden. Das Thyristorschütz ist tauschbar gegen ein elektromechanisches Schütz gleicher Leistungsgröße.The invention made it possible to meet the demands made at the beginning be solved in a simple way. The thyristor contactor is exchangeable for one Electromechanical contactor of the same size.

Claims

1. Hochspannungs-Halbleiterschütz zum Schalten höherer Wechselstromlasten, das über einen Optokoppler angesteuert wird, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schütz aus n in Reihe liegenden Powerblocks (I, II) mit je zwei antiparallel geschalteten Hauptthyristoren (A, B) besteht, von denen die Hauptthyristoren gleichen Richtungssinns (A bzw. B) abwechselnd über eine Gleichrichterbrücke (1) mit in zwei Zweigen integrierten Zündtransformatoren (2, 3) gesteuert werden, und daß an den Wechselspannungseingängen (∼) der Gleichrichterbrücke (1) die Lastspannung oder ein Teil davon und an den Gleichspannungsaus gängen (+, -) der Gleichrichterbrücke (1) der Phototransistor (4) des Optokopplers (5) als Schalter wirkend angelegt ist. 1.High-voltage solid-state contactor for switching higher AC loads, which is controlled via an optocoupler, characterized in that the contactor consists of n power blocks (I, II) in series, each with two main thyristors (A, B) connected in anti-parallel, one of which the main thyristors of the same direction (A or B) are alternately controlled via a rectifier bridge ( 1 ) with ignition transformers ( 2, 3 ) integrated in two branches, and that the load voltage or part of it is connected to the AC voltage inputs (∼) of the rectifier bridge ( 1 ) and at the DC voltage outputs (+, -) of the rectifier bridge ( 1 ) the phototransistor ( 4 ) of the optocoupler ( 5 ) is designed to act as a switch.

2. Hochspannungs-Halbleiterschütz nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Zündtransformator (3 bzw. 2) n Sekundärwicklungen (a, a′ bzw. b, b′) aufweist, über die n Haupt thyristoren gleichen Richtungssinns (A bzw. B) über Gleichrichterven tile (6 bis 9) ansteuerbar sind.2. High-voltage semiconductor contactor according to claim 1, characterized in that each ignition transformer ( 3 or 2 ) has n secondary windings (a, a ' or b, b') , via the n main thyristors of the same direction (A or B ) can be controlled via rectifier valves ( 6 to 9 ).

3. Hochspannungs-Halbleiterschütz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phototransistor (4) als Steuerschalter in einem ersten Spannungsteilerpfad (10) angeordnet ist, daß er in leitendem Zustand einen Hilfstransistor (11) in einem zweiten Spannungs teilerpfad (12), der parallel dazu angeordnet ist, sperrt, wodurch in Reihe liegende Hilfsthyristoren (13, 14) zünden, die einen zusätzlichen Parallelpfad bilden und einen Stromfluß über die Zündtransformatoren (2, 3) ermöglichen und daß damit eine Zündung der Hauptthyristoren (A bzw. B) des Halbleiterschützes erfolgt. 3. High-voltage semiconductor contactor according to claim 1 or 2, characterized in that the phototransistor ( 4 ) is arranged as a control switch in a first voltage divider path ( 10 ), that in the conductive state it has an auxiliary transistor ( 11 ) in a second voltage divider path ( 12 ) , which is arranged in parallel, blocks, whereby series auxiliary thyristors ( 13, 14 ) ignite, which form an additional parallel path and allow current to flow through the ignition transformers ( 2, 3 ) and thus cause the main thyristors (A and B ) of the semiconductor contactor.

4. Hochspannungs-Halbleiterschütz nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung so ausgelegt ist, daß eine Zündung der Hauptthyristoren (A bzw. B) erst im oder um den Nulldurchgang der Lastspannung möglich ist.4. High-voltage semiconductor contactor according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit is designed so that an ignition of the main thyristors (A or B) is only possible in or around the zero crossing of the load voltage.

5. Hochspannungs-Halbleiterschütz nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Ver änderung des Steuerabgriffs des Hilfstransistors (11) am ersten Spannungsteilerpfad (10) der Schwellwert für eine Nichtzündung der Hilfsthyristoren (13, 14) bestimmbar ist.5. High-voltage semiconductor contactor according to one of the preceding claims, characterized in that the threshold value for non-ignition of the auxiliary thyristors ( 13, 14 ) can be determined via a change in the control tap of the auxiliary transistor ( 11 ) at the first voltage divider path ( 10 ).