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Schaltungsanordnung mit mehreren parallelgeschalteten
Trockengleichrichterelementen
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungs anordnungen mitmehrerenparallelgeschalteten Trocken- gleichrichtern und mit in Reihe dazu liegenden vormagnetisierten Sättigungsdrosseln. Erfindungsgemäss ist sie dadurch gekennzeichnet, dass in Hochstromanlagen mit einkristallinen Halbleitergleichrichtern hoher Stromdichte, insbesondere mit Siliziumzellen, in Reihe mit jedem einzelnen überstromgefährde- tenGleichrichterelement eine Sättigungsdrossel geschaltet ist, deren Vormagnetisierung auf einen solchen Wert eingestellt ist,
dass die Drossel bei von Null ansteigenden Werten des Betriebsstromes zunächst im gesättigten Zustand verharrt und sich erst bei Überschreitung eines vorgegebnen Höchstwertes des Stromes entsättigt.
Bei der Parallelschaltung von Trockengleichrichterelementen ergibt sich aus verschiedenen Gründen eine ungleichmässige Strombelastung der einzelnen Elemente. Diese unterschiedliche Belastung kann z. B. durch Ungleichheiten in den Strom-Spannungs-Kennlinien hervorgerufen werden. Insbesondere bei den in neuerer Zeit in grösserem Masse zur Anwendung gelangenden Halbleitergleichrichtern, wie z. B. Sili- ziumzellen, macht sich eine unterschiedliche Belastung auch durch Stromverdrängung bemerkbar, da hier infolge der geringen räumlichen Ausdehnung und hohen Stromdichte eine besonders enge Bauweise möglich ist. Ausserdem sind sie gegen Überlastungen empfindlich.
Das führt dazu, dass in der Parallelschaltung nicht sämtliche Gleichrichterelemente bis zum Nennstrom ausgenutzt werden können, da sonst ein Teil von ihnen bis zur Zerstörung der Elemente überlastet werden könnte.
Fig. la zeigt beispielsweise den zeitlichen Verlauf des Stromes in zwei Elementen unter dem Einfluss der Stromverdrängung. Der dargestellte Ausschnitt entspricht bei dreiphasige Anordnung etwa 1200 elektrisch. Zu Beginn dieser Zeitspanne übernehmen die Gleichrichterelemente, die im stärkeren Magnetfeld liegen (Index 1), den Strom schneller, zum Schluss geben sie den Strom schneller ab als die andern (Index 2). Damit nun die durch Stromspitzen beanspruchten Elemente vor Zerstörung bewahrt bleiben. wird üblicherweise der Gesamtstrom der Parallelschaltung entsprechend herabgesetzt.
Fig. lb zeigt den zeitlichen Verlauf des Stromes in zwei Elementen mit ungleicher Strom-SpannungsKennlinie, durch welche ebenfalls eine unterschiedliche Beanspruchung verursacht wird.
Die beschriebenen Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Die Vormagnetisierung der den einzelnen Elementen vorgeschalteten Drosseln wird vorzugsweise auf einen solchen Wert eingestellt. dass sie sich beim Nennstromwert der Gleichrichterzellen entsättigen. Man kann auch eine selbsttätige Steuereinrichtung vorsehen, durch welche der Wert des Vormagnetisierungsstromes der Drosseln in Abhängigkeit von dem Wert des Belastungsstromes der Gleichrichterzellen verändert wird, beispielsweise indem der Vormagnetisiemngsstrom der Drosseln über Stromwandler und Hilfsgleichrichter den Hauptleitungen der Gleichrichterparallelschaltung entnommen wird.
Fig. 2 zeigt die Kennlinie einer solchen mit dem Gleichrichterelement in Reihe geschalteten Drossel (Induktion B in Abhängigkeit von der Feldstärke H bzw. dem Strom J). Sie sei beispielsweise bis zu dem Vormagnetisierungsstrom Iv, der dem Nennstrom Jn des Gleichrichterelementes entsprechen soll, vormagnetisiert. Wird nun bei derStromübernahme der Nennstrom erreicht, so entsättigt sich die Drossel und verhindert dadurch ein weiteres Ansteigen des Stromes. Dies bedeutet also beispielsweise, dass in Fig. la der Strom J. des im stärkeren Magnetfelde liegenden Gleichrichterelementes auf den gestrichelt einge-
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zeichneten Nennstrom Jn begrenzt wird.
Dies hat wiederum zur Folge, dass die übrigen Gleichrichter- elemente den Strom beschleunigt übernehmen, wodurch der Strom in den im schwächeren Magnetfeld liegenden Gleichrichterelementen einen ähnlichen Verlauf wie der in den im stärkeren Magnetfelde lie- genden Elementen nimmt. Bei der Stromabgabe verzögert die Drossel bei dem im stärkeren Magnetfeld liegenden Element auch das schnellere Verschwinden des Stromes. Die in Fig. la dargestellten Kurven des zeitlichen Stromverlaufs werden also im Sinne einer Angleichung aneinander verändert. Dasselbe gilt auch für den durch Fig. 1b veranschaulichten Fall. Durch die mit den einzelnen Elementen in Reihe geschalteten Drosseln wird so eine gleichmässige Aufteilung des Stromes auf die gesamte Parallelschal- tung erzwungen.
Demzufolge können auch die einzelnen Elemente bis zum Nennstrom ausgenutzt werden.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltungsanordnung dargestellt. Von einem mit Drehstrom gespeisten Transformator 2 wird die gesamte Gleichrichteranordnung gespeist. Der Gleich- richtersatz besteht beispielsweise aus 30 Gleichrichterelementen 3, von denen je fünf parallelgeschaltet einen Zweig 4 der Drehstrombrückenschaltung ergeben. Die räumliche Anordnung wird in den meisten Fällen dem Schaltbild entsprechen oder ähnlich aussehen, so dass die im vorgehenden geschilderten Nachteile auftreten werden, nämlich eine unterschiedliche Belastung der einzelnen Gleichrichterelemente infolge der Stromverdrängung. Eine Abhilfe durch rein konstruktive Massnahmen führt häufig zu andern
Nachteilen, z. B. zu einer unerwünschten Vergrösserung der Anlage.
Die erfindungsgemässe Lösung des Problems sieht deshalb keine Veränderung des konstruktiven Aufbaues der Anordnung vor, sondern es wird mit jedem einzelnen Gleichrichterelement 3 eine vormagnetisierte Drossel 5 in Reihe geschaltet. Diese verhindert in der vorher beschriebenen Weise ein Anwachsen des Stromes über einen durch die Vormagnetisierung bestimmten Wert und erzielt damit eine gleichmä- ssige Aufteilung des Stromes auf die einzelnen Elemente der Parallelschaltung.
Die vormagnetisierten Drosseln können bei Teilbelastung der Gleichrichteranlage auf einen kleineren Wert als den Nennstrom des zugehörigen Gleichrichterelementes vormagnetisiert sein. So ergibt sich auch in diesem Falle eine gleichmässige Stromaufteilung und obendrein eine Herabsetzung der Verlustleistung in den Hauptstromkreisen und im Vormagnetisierungskreis.
Im ausgeführten Beispiel der Fig. 3 ist daher angenommen, dass der Vormagnetisierungsstrom der Drosseln dem Belastungsstrom der Gleichrichterelemente entsprechen soll. Er wird deshalb über Stromwandler 6 den Zuleitungen 7 der Gleichrichteranlage entnommen und über Gleichrichter 8 den Drosseln zugeführt. Im dargestellten Beispiel sind die Gleichrichter 8 in Drehstrombrückenschaltung geschaltet ; der Vormagnetisierungskreis enthalt die Drossel 9, die der Vormagnetisierungsstrom glättet.
In manchen Fällen kann es auch zweckmässig sein, den Vormagnetisierungsstrom der Drosseln von einer eigenen Gleichstromquelle abzunehmen.
Die erfindungsgemässe Anordnung kann sehr wirtschaftlich ausgeführt werden, da die Drosseln nur für sehr kurze Zeit (etwa 1 ms) die durch die Feldänderung bedingte Spannung aufzunehmen haben und diese selbst sehr klein ist. Bei einer Parallelschaltung von 16 Gleichrichterelementen 3 je Zweig 4 der Brückenschaltung, beispielsweise für eine Elektrolyse-Anlage, kann man bei einem Nennstrom von 350 Aeff je Element mit einer durch die Feldänderung bedingtenspannung von 0, 1 bis 0, 15 Volt rechnen. Führt man die Drosseln als Einleiterdrosseln aus und setzt sie auf die Stromschienen auf, so genügt beispielsweise bei Verwendung von normalem Transformator-Blech ein Querschnitt von 0,4 bis 0,6 cm und eine Gleichstromvormagnetisierung von 600 Amperewindungen, z. B. 40 Windungen mit 15 A.
Für die gesamte Gleichrichteranlage ergibt sich hiebeü eine Gleichstromleistung für die Vormagnetisierung der Drosseln von 750 bis 1000 Watt. Dies fällt bei einer Gesamtleistung der Anlage von etwa 3. MW gar nicht ins Gewicht.
Auch der Einfluss auf den Spannungsabfall und cos cl der Gleichrichteranlage ist praktisch gleich Null. Man kann also fast verlustlos eine gleichmässige Stromverteilung erreichen, ohne konstruktiv gebunden zu sein.
Für den Fall, dass Unterschiede in den Stromspannungskennlinien ausgeglichen werden sollen, müssen die einzelnen Drosseln für die gesamte Zeit, in der die Gleichrichterzelle den Strom führt, ausgelegt sein. In dem oben angeführten Beispiel wären für eine Stromführungszeit von zirka 6 ms (entsprechend 1200 el). Drosseln, mit einem Eisenquerschnitt von etwa 3 cm notwendig.
Obwohl bei denjenigen Elementen einer Parallelschaltung, für die wegen ihrer räumlichen Anordnung oder infolge zweckentsprechender, auf den Kennlinienverlauf ausgerichteter Auswahl eine Überlastung nicht zu befürchten ist, die vorgeschaltete Ausgleichsdrossel entfallen kann, verdient eine gleichmässige Ausstattungsämtlicher Elemente mit Ausgleichsdrosseln häufig den Vorzug, weil sie einen beliebigen Austausch der Elemente untereinander und mit Ersatzelementen ermöglicht.