CH660266A5

CH660266A5 - Thyristoreinrichtung mit durch licht steuerbaren thyristoren.

Info

Publication number: CH660266A5
Application number: CH3798/83A
Authority: CH
Inventors: Susumu Matsumura; Masao Yano; Nobuo Sashida; Yoshihiko Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Susuma Matsumura
Priority date: 1982-07-12
Filing date: 1983-07-11
Publication date: 1987-03-31
Also published as: DE3322873C2; SE8303403D0; SE8303403L; JPS5911772A; JPH0258849B2; SE459536B; DE3322873A1; US4536816A

Description

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Thyristoreinrichtung mit durch Licht steuerbaren Thyristoren zu schaffen, welche mit wirksamen Mitteln zum Schutz vor Überspannungen ausgerüstet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst mit einer Thyristoreinrichtung mit durch Licht steuerbaren Thyristoren, enthaltend eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Thyristoren, die durch Triggerlichtsignale in leitenden Zustand bringbar sind, und Mittel zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen, welche Mittel optisch mit den Thyristoren verbunden sind, um diesen die Triggerlichtsignale zuzuführen, welche Thyristoreinrichtung gekennzeichnet ist durch eine Mehrzahl von Überspannungsab-leitermitteln, die zu den Thyristoren parallelgeschaltet sind, um diesen zugeführte Überspannungen zu unterdrücken, eine Mehrzahl von Vorwärtsspannungs-Feststellmitteln, die zu den Thyristoren parallelgeschaltet sind, zum Feststellen von an diese angelegten Vorwärtsspannungen und Erzeugen von Feststellungssignalen, und eine Thyristorzahl-Feststellschaltung, die an die Vorwärtsspannungs-Feststellmittel angeschlossen und mit den Mitteln zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen verbunden ist und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den Feststellungssignalen die Mittel zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen dann zu aktivieren, wenn die Zahl der Thyristoren, an denen Vorwärtsspannungen liegen, eine oder mehr ist, aber nicht grösser als eine vorbestimmte Zahl ist.

In dieser Thyristoreinrichtung können die durch Licht steuerbaren Thyristoren im Normalbetrieb in Abhängigkeit von den durch die Mittel zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen abgegebenen Triggerlichtsignalen eine vorbestimmte Funktion erfüllen. Wenn einem Thyristorarm eine Überspannung zugeführt wird, dann werden die Thyristoren durch die Überspannungs-ableitermittel geschützt. Gleichzeitig stellen die Vorwärtsspan-nungs-Feststellmittel Vorwärtsspannungen fest, die an den Thyristoren liegen, und geben entsprechende Feststellungssignale ab. Die Thyristorzahl-Feststellschaltung spricht auf die Feststellungssignale an und aktiviert die Mittel zum Erzeugen von Trig-gerlichtsignalem, wenn die Zahl der Thyristoren, an denen Vorwärtsspannungen liegen, eins oder mehr ist, aber nicht grösser als eine vorbestimmte Zahl ist. Als Folge hiervon werden dann alle Thyristoren in einem Thyristorarm gleichzeitig gezündet. Damit wird erreicht, dass bei Zufuhr einer Überspannung zu einem Thyristorarm und dadurch bewirktem bzw. gleichzeitigem Auftreten von teilweisem Schaltversagen die Überspannungsa-bleitermittel nicht teilweise überlastet und beschädigt werden.

Die erfindungsgemässe Thyristoreinrichtung enthält also Mittel zum Schützen der durch Licht steuerbaren Thyristoren vor Überspannungen. Dieser Schutz erfolgt mittels von Über-spannungsableitermitteln, welche Überspannungen, die den Thyristoren zugeführt werden, unterdrücken. Mit Hilfe einer Überwachung der Zahl der Thyristoren, an denen Vorwärtsspannungen liegen, wird eine Beschädigung der Überspan-nungsableitermittel verhindert. Es ist mit anderen Worten nicht erforderlich, die Überspannungsableitermittel für eine sehr hohe Wärmebelastbarkeit zu dimensionieren.

Für die Erzeugung der Triggerlichtsignale steht dabei eine relativ lange Zeit zur Verfügung; es genügt, wenn die Triggerlichtsignale innerhalb einer Zeitspanne erzeugt werden, deren Grenzen durch die Wärmebelastbarkeit der Überspannungsableitermittel gegeben sind. Die Konstruktion der Steuerschaltungen bietet daher keine Probleme.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Thyristoreinrichtung wird nachstehend anhand der Fig. 7 bis 9 der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 7 ist ein Schaltschema einer Thyristoreinrichtung,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

660 266

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Spannungs-Strom-Kennlinie eines Überspannungsableiterelementes und

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Wirkungsweise einer Thyristorzahl-Feststellschaltung.

In dem Schaltschema in Fig. 7 sind nur die Schaltungen für die Phase U dargestellt; die Schaltungen für die anderen Phasen sind gleich. Die Schaltungen werden nachstehend in der Hauptsache insoweit erläutert, als sie sich von den in Fig. 6 dargestellten Schaltungen unterscheiden.

Zunächst werden der allgemeine Aufbau und die Wirkungsweise beschrieben. Der Thyristorarm U enthält eine Mehrzahl von durch Licht steuerbaren, in Reihe geschalteten Thyristoren 13. Zu jedem Thyristor 13 ist ein Überspannungsableiterele-ment 14 aus Zinkoxyd usw. parallelgeschaltet. Ferner ist zu jedem Thyristor 13 auch eine Vorwärtsspannungs-Feststellschal-tung 15 parallelgeschaltet. Der Ausgangsabschnitt der Vor-wärtsspannungs-Feststellschaltung 15 ist über eine Lichtleitfaser 16 mit dem Eingangsabschnitt einer nulleiterseitig angeordneten Thyristorzahl-Feststellschaltung 17 verbunden. Der Ausgang der Thyristorzahl-Feststellschaltung 17 ist mit dem Eingangsabschnitt einer Schaltung 6 zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen verbunden. Jeder der durch Licht steuerbaren Thyristoren 13 wird durch ein Triggerlichtsignal von der Schaltung 6 gezündet. Jedes Überspannungsableiterelement 14 unterdrückt die Überspannungen, die am jeweils zugeordneten Thyristor 13 auftreten. Jede der Vorwärtsspannungs-Feststellschaltungen 15 stellt Vorwärtsspannungen fest, die am jeweiligen Thyristor 13 auftreten, und gibt ein entsprechendes Feststellungssignal ab. Die Thyristorzahl-Feststellschaltung 17 aktiviert in Abhängigkeit von diesen Feststellungssignalen die Schaltung 6 zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen, wenn die Zahl der Thyristoren 13, an denen Vorwärtsspannungen liegen, eins oder mehr, aber nicht höher als eine vorbestimmte Zahl ist. Als Resultat hiervon werden alle Thyristoren 13 im Thyristorarm U gleichzeitig gezündet, wenn am Thyristorarm U eine Überspannung aufgetreten ist oder in den Thyristoren teilweise Schaltversagen auftritt und nur Thyristoren in einer Anzahl kleiner als die vorbestimmte Zahl ihr Sperrvermögen zurückgewonnen haben. In dieser Weise werden die Überspannungsableiterelemente 14 nicht beschädigt.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der in Fig. 7 dargestellten Schaltungen sollen nun im einzelnen beschrieben werden. Jede der Vorwärtsspannungs-Feststellschaltungen 15 enthält Spannungsteilerwiderstände 15a und 15b, die zu dem jeweiligen Thyristor 13 parallelgeschaltet sind, und ein lichtaussendendes Element 15c, z.B. lichtaussendende Diode oder dgl., das zu dem Spannungsteilerwiderstand 15b parallelgeschaltet ist. Jedes lichtaussendende Element 15c ist an die zugeordnete Lichtleitfaser 16 angekoppelt. Die Thyristorzahl-Feststellschaltung 17 enthält einen Spannungserzeuger 18, Vergleichsschaltungen 19 und 20 und ein UND-Tor 21. Im Spannungserzeuger 18 sind mehrere zueinander parallelgeschaltete Schaltungen, von denen jede einen Widerstand 18a und in Reihe dazu eine lichtempfindliche Einrichtung 18b enthält, zwischen einer positiven Anschlussklemme 18c einer Steuer-Gleichspannungsquelle und einem Operationsverstärker 18d angeordnet. Die lichtempfindliche Einrichtung 18b ist beispielsweise eine Photodiode, ein Phototransistor oder dgl. Ein Widerstand 18e ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 18d parallel zu demselben angeordnet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 18d ist über einen Widerstand 18f mit dem Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 18g verbunden. Ein Widerstand 18h ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 18g parallel zu demselben angeordnet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 18g ist mit einer Ausgangsklemme 18i verbunden.

Die Vergleichsschaltung 19 enthält einen Spannungserzeuger 22 und einen Komparator 23. Der Spannungserzeuger 22 besteht aus einem Potentiometer 22a, das zwischen einer positiven Anschlussklemme 22b der Steuer-Gleichspannungsquelle und der neutralen Anschlussklemme 22c der Steuer-Gleichspannungsquelle angeordnet ist und dessen Abgriff mit einem positiven Eingang des Komparators 23 verbunden ist. Ein negativer Eingang des Komparators 23 ist mit der Ausgangsklemme 18i verbunden. Der Ausgang des Komparators 23 ist mit einem Eingang des UND-Tores 21 verbunden.

Die Vergleichsschaltung 20 enthält einen Spannungserzeuger 24 und einen Komparator 25. Der Spannungserzeuger 24 besteht aus einem Potentiometer 24a, das zwischen einer positiven Anschlussklemme 24b der Steuer-Gleichspannungsquelle und der neutralen Anschlussklemme 24c der Steuer-Gleichspannungsquelle angeordnet ist und dessen Abgriff mit einem negativen Eingang des Komparators 25 verbunden ist. Ein positiver Eingang des Komparators 25 ist mit der Ausgangsklemme 18i verbunden. Der Ausgang des Komparators 25 ist mit dem anderen Eingang des UND-Tores 21 verbunden. Der Ausgang eines ODER-Tores 6e ist mit der Basis eines Transistors 6b in der Schaltung 6 zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen verbunden. Ein Eingang des ODER-Tores 6e ist an den Ausgang einer Schaltung 7 zum Erzeugen von elektrischen Triggersignalen angeschlossen, und der andere Eingang ist an den Ausgang des UND-Tores angeschlossen.

Wenn an die durch Licht steuerbaren Thyristoren 13 Überspannungen angelelgt werden, dann werden diese Überspannungen durch die Überspannungsableiterelemente 14 unterhalb der Grenzbelastungsspannungen der Thyristoren 13 unterdrückt. Dies wird anhand der Fig. 8 erläutert. Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Spannungs-Strom-Kennlinie des Überspannungsableiterelementes 14. Das Überspannungsableiterelement 14 leitet kaum einen Strom, wenn die angelegte Spannung niedriger ist als die Ansprechspannung VB, es leitet jedoch einen grossen Strom, wenn eine höhere Spannung als die Ansprechspannung Vb angelegt wird. Das Überspannungsableiterelement 14 kann also dazu dienen, eine Überspannung zu unterdrücken, die einer zu schützenden Einrichtung, wie den Thyristoren 13, zugeführt wird. Wenn in einem normalen Betriebszustand die Gesamtzahl der durch Licht steuerbaren Thyristoren 13 in einem Thyristorarm (z.B. 100 Stück) der Spannnung widerstehen kann, dann liegt an einem einzelnen der Überspannungen 13 beispielsweise eine Spannung Vi, welche niedriger ist als die Ansprechspannung Vb des Überspannungsableiterelementes 14. Wenn eine Blitz-Überspannung oder eine Schalt-Überspannung von aussen am Thyristorarm U erscheint, dann leitet das Über-spannungableiterelement 14 einen Überstrom Is und hält dadurch die Spannung am Element auf V2, womit die an den Überspannung 13 angelegte Spannung unter die Grenzbelastungsspannung Vc des Thyristors gedrückt bleibt.

Wenn jedoch wie im vorstehenden beschrieben infolge besonderer Bedingungen in der Schaltung ein teilweises Schaltversagen auftritt und nur eine gewisse Zahl der Thyristoren, z.B. 50 oder weniger von insgesamt 100 Thyristoren, ihr Sperrvermögen zurückgewonnen haben, dann kann an einem der Thyristoren, die das Sperrvermögen zurückgewonnen haben, die angelegte Spannung einen Wert erreichen, der höher ist als die Spannung Vb. Die maximale Spannung an einem Thyristor kann beispielsweise einen Wert V3 erreichen, welcher gleich der Spannung ist, die am Überspannungsableiterelement 14 liegt, wenn durch dieses ein Strom II aus dem Gleichstromkreis fliesst. Da die Spannung V3 niedriger ist als die Grenzbelastungsspannung Vc des Thyristors 13, würde dieser geschützt bleiben, jedoch würde während einer gewissen Zeit ein grosser Strom aus dem Gleichstromkreis durch das Überspannungsableiterelement 14 fliessen und in diesem Joul'sche Wärme erzeugen, wodurch das Überspannungsableiterelement beschädigt werden könnte. Diese Erscheinung manifestiert sich um so stärker, je kleiner die Zahl der Thyristoren ist, welche das Sperrver5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

660 266

mögen zurückgewinnen. Auch in einem solchen Fall könnte die Beschädigung des Überspannungsableiterelementes 14 zwar verhindert werden, indem man dieses sehr gross ausführt, um seine Wärmebelastbarkeit stark zu erhöhen. Das ist jedoch aus praktischen Gründen unerwünscht, weil damit die ganze Thyristoreinrichtung grösser und teurer würde. Die Erscheinung, welche einen grossen Stromfluss durch das Überspannungsableiterelement 14 zur Folge hat, tritt nicht häufig auf. Es ist daher unwirtschaftlich, eine Thyristoreinrichtung sehr gross zubauen, nur um dieser Erscheinung Rechnung zu tragen.

Gemäss der vorliegenden Erfindung werden in einem Fall, wo die Zahl der Thyristoren, die ihr Sperrvermögen zurückgewinnen, nicht höher ist als eine vorbestimmte Zahl, alle Thyristoren im Thyristorarm gleichzeitig gezündet, wodurch Beschädigungen der Überspannungsableiterelemente 14 ausgeschlossen werden. Gemäss Fig. 7 wird bei denjenigen Thyristoren 13, an welchen eine Vorwärtsspannung liegt, von den zugeordneten lichtaussendenden Elementen 15c Licht ausgesandt und damit ein Feststellungssignal abgegeben. In einem normalen Betriebszustand wird, wenn eines der lichtaussendenden Elemente 15c Licht aussendet, gleichzeitig von allen lichtaussendenden Elementen 15c im Thyristorarm U Licht ausgesandt. Wenn jedoch wie beschrieben teilweise Schaltversagen auftritt, dann können unter Unständen nur Thyristoren in einer Zahl, die nicht grösser ist als eine vorbestimmte Zahl, das Sperrvermögen zurückgewinnen, so dass entsprechend nur lichtaussendende Elemente 15c in einer Zahl, die nicht grösser ist als die vorbestimmte Zahl, Licht aussenden und Feststellungssignale abgeben. Die Feststellungssignale von diesen lichtaussendenden Elementen 15c werden über die Lichtleitfasern 16 den lichtempfindlichen Einrichtungen 18b im Spannungserzeuger 18 zugeführt. Beim Empfang der Feststellungssignale erzeugen die lichtempfindlichen Einrichtungen 18b und die Widerstände 18a Spannungen Ei. Diese Spannungen Ei werden im Operationsverstärker 18d addiert, und im Operationsverstärker 18g wird die Polarität umgekehrt. Folglich erscheint an der Ausgangsklemme 18i die Spannung Ei, wenn die Zahl der Thyristoren 13 mit wiederhergestelltem Sperrvermögen gleich eins ist, die Spannung 2Ei, wenn die Zahl gleich zwei ist, und die Spannung XEi, wenn die Zahl gleich X ist. Der Spannungserzeuger 18 erzeugt also die Spannung XEi, die der Zahl X der Thyristoren 13 entspricht, an denen Vorwärtsspannungen liegen. Gleichzeitig erzeugt der Spannungserzeuger 22 in der Vergleichsschaltung 19 die Spannung KEi. Die Zahl K ist so gewählt, dass die Überspannungsableiterelemente 14 beschädigt würden, wenn die Zahl der Thyristoren 13, die beim Auftreten von teilweisem Schaltversagen das Sperrvermögen zurückgewinnen, nicht grösser als K wäre. Wenn die Zahl der Thyristoren 14 im Thyristorarm U beispielsweise gleich 100 ist, dann kann K gleich 50 sein. Die Spannung XEi vom Spannungserzeuger 18 und die Spannung KEi vom Spannungserzeuger 22 werden im Komparator 23 miteinander verglichen. Ein Ausgangssignal OUTl des Komparators 23 wird «1», wenn XEi < KEi, und «0», wenn XEi > KEi. Die Vergleichsschaltung 19 gibt also das Ausgangssignal OUTl ab, welches «1» ist, wenn die Zahl der Thyristoren 13, an denen Vorwärtsspannungen liegen, nicht grösser als die vorbestimmte Zahl K ist. Inzwischen erzeugt der Spannungserzeuger 24 in der

Vergleichsschaltung 20 die Spannung Ei. Diese Spannung Ei und die Spannung XEi vom Spannungserzeuger 18 werden im Komparator 25 miteinander verglichen. Ein Ausgangssignal OUT2 des Komparators 25 wird «0», wenn XEi < Ei, und «1», > Ei. Die Vergleichsschaltung 20 gibt also das Ausgangssignal OUT2 ab, welches «1» ist, wenn die Zahl der Thyristoren 13, an denen Vorwärtsspannungen liegen, nicht kleiner als eins ist. Die Vergleichsschaltung 20 ist aus dem folgenden Grund vorgesehen. Selbst wenn die Thyristoreinrichtung normal arbeitet, treten für jeden Thyristorarm Zeitpunkte auf, in denen keine Spannung oder eine negative Spannung angelegt ist (vgl. die Zeitabschnitte A und B in Fig. 3). In diesen Zeiten ist das Ausgangssignal OUTl der Vergleichsschaltung 19 «1», und daher würden, wenn die Vergleichsschaltung 20 nicht vorhanden wäre, alle Thyristoren 13 im Thyristorarm U gezündet. Das Auftreten eines solchen Zündung in einem normalen Betriebszustand sollte jedoch vermieden werden, und zu diesem Zweck ist die Vergleichsschaltung 20 vorgesehen. Das UND-Tor 21 bildet das logische Produkt der Ausgangssignale OUTl und OUT2 und gibt ein Ausgangssignal OUT3 ab. Dies ist auch aus Fig. 9 zu ersehen. Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Wirkungsweise der Thyristorzahl-Feststellschaltung. Auf den Abszissen sind Thyristorzahlen SN aufgetragen, und auf den Ordinaten sind die Grössen des Ausgangssignals OUTl der Vergleichsschaltung 19, des Ausgangssignals OUT2 der Vergleichsschaltung 20 und des Ausgangssignals OUT3 des UND-Tores 21 aufgetragen, wobei die schon erwähnte vorbestimmte Zahl K zu 50 angenommen ist. Wie aus der graphischen Darstellung zu ersehen ist, gibt die Thyristorzahl-Feststellschaltung 17 das Ausgangssignal OUT3 der Grösse «1» dann ab, wenn die Zahl der Thyristoren 13, an denen Vorwärtsspannungen liegen, eins oder mehr ist, aber nicht grösser als 50 ist.

Das Ausgangssignal OUT3 wird gemäss Fig. 7 über das ODER-Tor 6e in der Schaltung 6 zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen der Basis des Transistors 6b zugeführt, um die lichtaussendenden Elemente 6a zu veranlassen, gleichzeitig Licht auszusenden. Alle Thyristoren 13 im Thyristorarm U werden dadurch gleichzeitig gezündet. Damit verschwinden die an die Überspannungsableiterelemente 14 angelegten Spannungen, so dass diese Elemente nicht beschädigt werden können. Dieser Vorgang zum Schützen der Überspannungsableiterelemente 14 läuft wie schon beschrieben innerhalb einer Periode der Wechselspannung ab, so dass er weder auf den Betrieb der Thyristoreinrichtung noch auf die Thyristoren selbst einen nachteiligen Einfluss nimmt. In der erfindungsgemässen Einrichtung ist es daher nicht nötig, die Widerstandsfähigkeit der Überspannungsableiterelemente 14 gegen Wärmebelastung sehr hoch zu machen. Ohne die Überspannungsableiterelemente 14 würden die Thyristoren 13 beim Auftreten von teilweisem Schaltversagen beschädigt, wenn es nicht gelingt, die Triggerlichtsignale sofort mit der Feststellung des teilweisen Schaltversagens zu erzeugen. In der erfindungsgemässen Einrichtung können die Triggerlichtsignale jedoch vergleichsweise langsam innerhalb der Zeitspanne erzeugt werden, während welcher die Überspannungsableiterelemente 14 der Wärmebelastung standhalten können, und dadurch kann die Steuerschaltung einfach aufgebaut sein.

6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

V

3 Blätter Zeichnungen

Claims

660 266

1. Thyristoreinrichtung mit durch Licht steuerbaren Thyristoren, enthaltend eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Thyristoren (13), die durch Triggerlichtsignale in leitenden Zustand bringbar sind, und Mittel (6) zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen, welche Mittel optisch mit den Thyristoren (13) verbunden sind, um diesen die Triggerlichtsignale zuzuführen, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Überspannungsablei-termitteln (14), die zu den Thyristoren (13) parallelgeschaltet sind, um diesen zugeführte Überspannungen zu unterdrücken, eine Mehrzahl von Vorwärtsspannungs-Feststellmitteln (15), die zu den Thyristoren (13) parallelgeschaltet sind, zum Feststellen von an diese angelegten Vorwärtsspannungen und Erzeugen von Feststellungssignalen, und eine Thyristorzahl-Feststellschaltung (17), die an die Vorwärtsspannungs-Feststellmittel (15) angeschlossen und mit den Mitteln (6) zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen verbunden ist und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den Feststellungssignalen die Mittel (6) zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen dann zu aktivieren, wenn die Zahl der Thyristoren (13), an denen Vorwärtsspannungen liegen, eins oder mehr ist, aber nicht grösser als eine vorbestimmte Zahl (K) ist.

2. Thyristoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thyristor-Feststellschaltung (17) folgendes enthält: Spannungserzeugermittel (18), die an die Vorwärts-spannungs-Feststellmittel (15) angeschlossen sind, um in Abhängigkeit von den Feststellungssignalen eine erste Spannung (XEi) abzugeben, welche die Zahl der Thyristoren (13) darstellt, an denen Vorwärtsspannungen liegen, eine erste Vergleichsschaltung (19), die an die Spannungserzeugermittel (18) angeschlossen sind, zum Vergleichen der ersten Spannung (XEi) mit einer zweiten Spannung (KEi), welche den Zustand darstellt, in dem die Zahl der Thyristoren (13), an denen Vorwärtsspannungen liegen, gleich der genannten vorbestimmten Zahl (K) ist, und zum Abgeben eines ersten Ausgangssignals (OUTl), wenn die von der ersten Spannung (XEi) dargestellte Zahl nicht grösser ist als die von der zweiten Spannung (KEi) dargestellte Zahl, eine zweite Vergleichsschaltung (20), die an die Spannungserzeugermittel (18) angeschlossen ist, zum Vergleichen der ersten Spannung (XEi) mit einer dritten Spannung (Ei), welche den Zustand darstellt, in dem die Zahl der Thyristoren (13), an denen Vorwärtsspannungen liegen, gleich eins ist, und zum Abgeben eines zweiten Ausgangssignals (OUT2), wenn die von der ersten Spannung (XEi) dargestellte Zahl nicht kleiner ist als die von der dritten Spannung (Ei) dargestellte Zahl, und eine Pro-duktauswerte-Logikschaltung (21), die an die erste und an die zweite Vergleichsschaltung (19, 20) angeschlossen ist und mit den Mitteln (6) zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen verbunden ist, zum Bilden eines logischen Produktes des ersten und des zweiten Ausgangssignals (OUTl, OUT2) und Abgeben eines dritten Ausgangssignals (OUT3) zur Aktivierung der Mittel (6) zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen.

2

PATENTANSPRÜCHE

3

660 266

6a, wie lichtaussendenden Dioden, und einen Transistor 6b, die in Reihe zueinander zwischen einer positiven Klemme 6c einer Steuer-Gleichspannungsquelle und einer geerdeten Klemme 6d derselben angeordnet sind. Die lichtaussendenden Elemente 6a und die lichtempfindlichen Einrichtungen 3 sind über Lichtleitfasern 5 miteinander gekoppelt. Die Basis des Transistors 6b ist mit einer Schaltung 7 zur Erzeugung von elektrischen Triggersignalen verbunden. Die Schaltung 7 kann beispielsweise einen Triggersignalgenerator mit einem spannungsgesteuerten Oszillator enthalten; Beispiele solcher Generatoren sind in den US-PS 2 467 765, 3 047 789 und 3 197 691 sowie in der US-Patentanmeldung 382 015 beschrieben.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung beschrieben, zunächst im Normalbetrieb. Die Schaltung 7 zur Erzeugung von elektrischen Triggersignalen liefert Triggersignale in Abhängigkeit von verschiedenen Bedingungen, z.B. vom Zustand des Gleichspannungsnetzes, vom Zustand des Wechselspannungsnetzes usw. Der Transistor 6b reagiert auf die Triggersignale, indem er leitend wird, so dass die lichtaussendenden Elemente 6a gleichzeitig Triggerlichtsignale abgeben. Die lichtempfindlichen Einrichtungen 3 wandeln die Triggerlichtsignale wieder in elektrische Triggersignale um. Die Triggersignal-Verstärkerschaltungen 2 dienen dazu, diese elektrischen Triggersignale zu verstärken und die verstärkten Ausgangssignale den Gate-Elektroden der betreffenden Thyristoren 1 zuzuführen. Damit arbeitet die Thyristoreinrichtung beispielsweise als Umformer zum Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem Gleichspannungsnetz.

Nun soll die Wirkungsweise für einen Fall beschrieben werden, wo einem Thyristorarm, beispielsweise Thyristorarm U, eine Überspannung zugeführt wird. Da die Thyristoren 1 beschädigt werden, wenn ihnen eine Überspannung zugeführt wird, die höher ist als die zulässige Spannung, sind die Überspannungsschutzschaltungen 4 vorgesehen, um das zu verhindern. Das nichtlineare Widerstandselement 4b der Überspannungsschutzschaltung 4 ist so gewählt, dass in ihm, wenn die zulässige Spannung des Thyristors 1 beispielsweise 4000 V beträgt, bei 3800 V ein Strom zu fliessen beginnt. Daher fliesst, wenn dem Thyristor 1 eine Überspannung zugeführt wird, ein Strom durch das nichtlineare Widerstandselement 4b zur Gate-Elek-trode des Thyristors 1, wodurch der Thyristor gezündet wird. Der Strombegrenzungswiderstand 4a dient dabei dazu, die Grösse des der Gate-Elektrode des Thyristors 1 zugeführten Stromes zu begrenzen. Wenn einer der Thyristoren 1 als Folge einer Überspannung gezündet wird, dann wird dadurch die Überspannung auch an die anderen Thyristoren 1 angelegt, und als Folge hiervon werden diese anderen Thyristoren ebenfalls gezündet. Die beschriebenen Erscheinungen treten nacheinander auf, und schliesslich sind alle Thyristoren 1 im Thyristorarm U gezündet, wodurch sie vor Überspannungen geschützt sind. Dieses Verfahren zum Schützen der Thyristoren kann zwar zu einem Schaltversagen in der Thyristoreinrichtung 8 führen, welches jedoch den Betrieb der Thyristoreinrichtung 8 nicht weiter stört. Das Schaltversagen tritt nur in einer Periode des Wechselstromes auf, während in der nächsten Periode die Thyristoreinrichtung 8 wieder normal arbeitet. Das Schaltversagen in einer einzigen Periode kann vernachlässigt werden.

Es gibt zwei Arten von Fällen, in denen den Thyristoren 1 wie beschrieben eine Überspannung zugeführt wird. In einem Fall wird der Thyristoreinrichtung 8 eine Überspannung von aussen zugeführt, z.B. eine Blitz-Überspannung oder eine Schalt-Überspannung, und in einem anderen Fall tritt in einem Thyristorarm teilweise Schaltversagen auf, wobei einige der Thyristoren gezündet werden und die anderen nicht, so dass an den nicht gezündeten Thyristoren eine Überspannung auftritt. Die Erscheinung eines teilweisen Schaltversagens wird nachstehend beschrieben.

Zunächst soll der Begriff des Schaltzeitabstandes eines Thyristors erläutert werden. Um einen Thyristor, der sich in einem leitenden Zustand befindet, zu sperren und in einen nichtleitenden Zustand zu verbringen, wird im allgemeinen eine Rückwärtsspannung an den Thyristor angelegt, wobei kurzzeitig ein Strom in Rückwärtsrichtung fliessen kann. Wenn dann jedoch unmittelbar bei dem Zeitpunkt, in welchem der Vorwärtsstrom durch den Thyristor null wird, wieder eine Vorwärtsspannung angelegt wird, dann gelangt der Thyristor wegen der in ihm verbliebenen Ladungsträger auch ohne Triggersignal wieder in den leitenden Zustand. Zwischen dem Zeitpunkt, in welchem der Vorwärtsstrom durch den Thyristor null wird, und dem Zeitpunkt, in welchem wieder eine Vorwärtsspannung an den Thyristor angelegt wird, ist also ein Zeitintervall erforderlich, das länger ist als eine gegebene Ausschaltzeit des Thyristors. Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, in welchem der durch den Thyristor fliessende Strom null wird, und dem Zeitpunkt, in welchem wieder eine Vorwärtsspannung an den Thyristor angelegt wird, wird Schaltzeitabstand y genannt. Damit der Thyristor in einem bestimmten Thyristorarm der Thyristoreinrichtung abgeschaltet werden kann, muss die Einrichtung so ausgelegt sein, dass der Schaltzeitabstand länger ist als die Ausschaltzeit des Thyristors. Trotzdem können jedoch Fälle eintreten, in denen der Schaltzeitabstand y kürzer wird als die Ausschaltzeit des Thyristors, bedingt durch den Betriebszustand der Thyristoreinrichtung. Dies wird nachstehend anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert.

Die Fig. 2 zeigt ein Schaltschema eines konventionellen Wechselrichters. Die in Fig. 1 dargestellte Thyristoreinrichtung 8 kann entweder als Wechselrichter oder als Gleichrichter funktionieren; zur Vereinfachung der Beschreibung wird hier jedoch der Fall erörtert, in welchem die Thyristoreinrichtung 8 als Wechselrichter verwendet wird. Die Gleichspannungsklemmen P und N der Thyristoreinrichtung 8 sind gemäss Fig. 2 über eine Gleichstromreaktanz 10 an eine Gleichspannungsquelle 9 angeschlossen. Die Wechselspannungsklemmen R, S und T sind mit einem Wechselspannungsnetz 11 verbunden, und sie sind ferner über einen Erdungstransformator 12 mit Erde verbunden. Die Gleichstromenergie von der Gleichspannungsquelle 9 wird durch die Thyristoreinrichtung 8 in Wechselstromenergie umgewandelt und an das Wechselspannungsnetz 11 abgegeben. Die Umschaltungen der Thyristorarme U, V, W, X, Y und Z in der Thyristoreinrichtung 8 werden mit Hilfe der Spannungen des Wechselspannungsnetzes 11 bewirkt, d.h., die Thyristoreinrichtung 8 arbeitet als netztgesteuerter Wechselrichter.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Wellenformen von elektrischen Spannungen in verschiedenen Abschnitten des Wechselrichters gemäss Fig. 2. Im obersten Teil der Fig. 3 sind die jeweils stromführenden Thyristorarme angegeben. Darunter sind die Arbeitswechselspannung VAc und die Triggersignale TS für die Thyristoren dargestellt. Weiter unterhalb ist die Spannung Vu dargestellt, die am Thyristorarm U liegt. Und ganz unten ist die Gleichspannung Vpn zwischen den Gleichspannungsklemmen P und N dargestellt. Nach dem Durchgang eines Stromes durch den Thyristorarm U wird der Thyristorarm V gezündet, und darauf liegt, nach einem Überlappungswinkel u, die verkettete Spannung zwischen den Phasen S und R als Rückwärtsspannung am Thyristorarm U. Dabei steht dem Thyristorarm U der Schaltzeitabstand y zur Verfügung. Der Schaltzeitabstand y ist im Regelfall länger als die Ausschaltzeit eines Thyristors, er kann jedoch in gewissen Fällen als Folge von Schwankungen der Speisespannungen, der Lastströme usw. kürzer als die Ausschaltzeit eines Thyristors werden. Insbesondere ist beispielsweise bekannt, dass dann, wenn bei geerdetem Nulleiter des Wechselspannungsnetzes 11 gemäss Fig. 2 einer der Phasenleiter des Wechselspannungsnetzes geerdet wird, der Phasenwinkel der verketteten Wechselspannung gegenüber dem Normalzustand um 30° voreilen wird. Das wird anhand der Fig. 4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

660 266

3. Thyristoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserzeugermittel (18) folgendes enthalten: eine Mehrzahl von Spannungserzeugerelementen (18a, 18b) je zum Erzeugen der dritten Spannung (Ei) in Abhängigkeit von den Feststellungssignalen, und Operationsverstärkermittel (18d, 18e), die an die Spannungserzeugerelemente (18a, 18b) angeschlossen sind, zum Addieren der von diesen erzeugten Spannungen.

4. Thyristoreinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vergleichsschaltung (19) folgendes enthält: zweite Spannungserzeugermittel (22) zum Erzeugen der zweiten Spannung (KEi) und einen Komparator (23) zum Vergleichen der ersten Spannung (XEj) mit der zweiten Spannung (KEi) und Abgeben des ersten Ausgangssignals (OUTl), wenn die erstere nicht grösser ist als die letztere.

5. Thyristoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vergleichsschaltung (20) folgendes enthält: dritte Spannungserzeugermittel (24) zum Erzeugen der dritten Spannung (Ei) und einen zweiten Komparator (25) zum Vergleichen der ersten Spannung (XEi) mit der dritten Spannung (Ei) und Abgeben des zweiten Ausgangssignals (OUT2), wenn die erstere nicht kleiner ist als die letztere.

6. Thyristoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Vorwärtsspannungs-Feststellmittel (15) einen zu dem betreffenden Thyristor (13) parallelgeschalteten Spannungsteiler (15a, 15b) und ein an diesen angeschlossenes lichtaussendendes Element (15c) enthält, dass jedes der Spannungserzeugerelemente (18a, 18b) einen Widerstand (18a) und eine lichtempfindliche Einrichtung (18b) enthält, die in Reihe zueinander zwischen den Operationsverstärkermitteln (18d, 18e) und einer Steuer-Gleichspannungsquelle (18c) angeordnet sind, und dass die lichtaussendenden Elemente (15c) und die lichtempfindlichen Einrichtungen (18b) miteinander jeweils durch Lichtleitfasern (16) gekoppelt sind.

Thyristoreinrichtungen finden verbreitet Verwendung als Umformer zum Umwandeln von Wechselspannungen in Gleichspannungen und umgekehrt, beispielsweise in Gleichspannungs-Kraftübertragungsanlagen, in denen elektrische Energie in Form von Gleichstrom übertragen wird, als Anlasseinrichtung für Synchronmotoren, usw.

Der Stand der Technik und die Aufgabe der Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 6 der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Schaltschema einer konventionellen Thyristoreinrichtung mit Thyristoren, die durch elektrische Signale gezündet werden.

Fig. 2 ist ein Schaltschema eines konventionellen Wechselrichters.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Wellenformen von elektrischen Spannungen in verschiedenen Abschnitten des Wechselrichters gemäss Fig. 2.

Fig. 4 ist ein Vektordiagramm, in welchem die verkettete Spannung zwischen den Phasen R und S in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt in grösserem Massstab die Einzelheit A von Fig. 3.

Fig. 6 ist ein Schaltschema einer konventionellen Thyristoreinrichtung mit Thyristoren, die durch Lichtimpulse gesteuert werden.

In der bekannten Thyristoreinrichtung 8 gemäss Fig. 1 sind sechs Thyristorarme U, V, W, X, Y und Z zwischen Wechselspannungsklemmen R, S und T und Gleichspannungsklemmen P und N angeordnet. Jeder der Thyristorarme enthält eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Thyristoren 1. Die Thyristoren 1 werden durch elektrische Signale gesteuert. Wenn die Thyristoreinrichtung 8 in einer Gleichspannungs-Kraftübertra-gungsanlage verwendet wird, dann wird üblicherweise mit Hochspannungen von 120 kV und mehr gearbeitet, und daher sind die Thyristoren 1 in grosser Zahl, beispielsweise 100, in Reihe geschaltet. Die Gate-Elektrode jedes Thyristors 1 ist an je eine Triggersignal-Verstärkerschaltung 2 angeschlossen, die eine lichtempfindliche Einrichtung 3 enthält, z.B. eine Photodiode, einen Phototransistor oder dgl. Eine Überspannungsschutzschaltung 4 ist zwischen der Anode und der Gate-Elektrode jedes Thyristors 1 angeordnet. Jede dieser Überspannungsschutzschaltungen 4 enthält einen Strombegrenzungswiderstand 4a und ein nichtlineares Widerstandselement 4b, die zueinander in Reihe geschaltet sind. Eine Schaltung 6 zum Erzeugen von Triggerlichtsignalen ist auf Erdpotential angeordnet. Diese Schaltung 6 enthält eine Mehrzahl von lichtaussendenden Elementen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

erläutert. Fig. 4 ist ein Vektordiagramm, in welchem die verkettete Spannung zwischen den Phasen R und S dargestellt ist. Wenn z.B. die Phase R geerdet wird, dann wird der Phasenwinkel der Spannung Vrs' zwischen den Phasen R und S im Zeitpunkt des Auftretens eines solchen Erdschlusses um 30° voreilend gegenüber dem Phasenwinkel der Spannung Vrs, die im Normalzustand zwischen den Phasen R und S liegt. Bei dieser Gelegenheit wird auch die dem Thyristorarm U zugeführte Rückwärtsspannung um einen Phasenwinkel von 30° vorverschoben, und dadurch wird der Schaltzeitabstand y kürzer. Das wird anhand der Fig.

5 erläutert. Fig. 5 zeigt in grösserem Massstab die Einzelheit A von Fig. 3. Die im Normalzustand am Thyristorarm U liegende Spannung Vu ist in Fig. 5 mit einer ausgezogenen Linie dargestellt, der Schaltzeitabstand beträgt y. Die im Zeitpunkt einer Erdung der Phase R am Thyristorarm U liegende Spannung Vu' ist mit einer unterbrochenen Linie dargestellt, der Schaltzeitabstand hat in diesem Fall nur noch die Grösse y'. Man sieht also in Fig. 5, dass der Schaltzeitabstand y' im Zeitpunkt des Erdschlusses kürzer wird als der Schaltzeitabstand y im Normalzustand.

In der Regel ist jedem Thyristor in den Thyristorarmen eine Spannungsteilerschaltung mit einem Kondensator und einem Widerstand zugeordnet, um die von den Thyristoren zu tragenden Spannungen auszugleichen. In einer Mehrzahl von Thyristoren gibt es jedoch immer einige mit längeren Ausschaltzeiten und andere mit kürzeren Ausschaltzeiten. Solche Ungleichheiten der Eigenschaften von Produkt zu Produkt sind unvermeidlich. Wenn der Schaltzeitabstand, der in der Schaltung auftritt, zwischen den längeren Ausschaltzeiten und den kürzeren Ausschaltzeiten liegt, werden daher die Thyristoren mit den kürzeren Ausschaltzeiten nach Ablauf des Schaltzeitabstandes, wenn ihnen die Vorwärtsspannung zugeführt wird, die Fähigkeit zum Aushalten der Spannung, d.h. ihr Sperrvermögen, schon zurückgewonnen haben, während die Thyristoren mit den längeren Ausschaltzeiten ihr Sperrvermögen noch nicht zurückgewonnen haben. Als Folge hiervon versagen die Thyristoren mit den längeren Ausschaltzeiten beim Ausschalten und können die angelegte Vorwärtsspannung nicht aushalten, womit dann ein Zustand eintritt, in welchem die dem Thyristorarm zugeführte Gesamtspannung an nur einem Teil der Thyristoren liegt, nämlich nur an den Thyristoren mit den kürzeren Ausschaltzeiten. In dieser Weise sind infolge von teilweisem Schaltversagen einige der Thyristoren einer Überspannung ausgesetzt. Die in Fig. 1 dargestellten Überspannungsschutzschaltungen 4 dienen dazu, die Thyristoren 1 vor solchen Überspannungen zu schützen.

In jüngerer Zeit sind auch durch Licht steuerbare Thyristoren, die mit Lichtimpulsen gezündet werden, in Hochspan-nungs-Thyristoreinrichtungen verwendet worden. Das hat den Vorteil, dass die lichtempfindlichen Einrichtungen und die Triggersignal-Verstärkerschaltungen, die bei den konventionellen, durch elektrische Signale gezündeten Thyristoren erforderlich waren, nicht mehr nötig sind, so dass die Zahl der Einzelteile verringert und die Zuverlässigkeit der Thyristoreinrichtung erhöht werden kann und ferner auch die Anfälligkeit gegenüber Störsignalen reduziert werden kann. Fig.

6 zeigt ein Schaltschema einer konventionellen Thyristoreinrichtung mit durch Licht steuerbaren Thyristoren. Hier werden nur die Unterschiede zwischen dieser Einrichtung und derjenigen gemäss Fig. 1 erläutert. Jeder der Thyristorarme U, V, W, X, Y und Z enthält durch Licht steuerbare Thyristoren 13, die zueinander in Reihe geschaltet sind. Die Lichtleitfasern 5 sind direkt mit den jeweiligen durch Licht steuerbaren Thyristoren 13 gekoppelt. Jeder dieser Thyristoren 13 wird durch das Triggerlichtsignal gezündet, das von der Schaltung zum Erzeugen von Triggerlichtsigna-len abgegeben wird, und erfüllt dann seine vorbestimmte Funktion. Da die durch Licht steuerbaren Thyristoren jedoch nicht durch elektrische Signale gezündet werden können, ergibt sich das Problem, dass es nicht möglich ist, die in Fig. 1 dargestellten Überspannungsschutzschaltungen zu verwenden, welche die Thyristoren vor Überspannungen schützen, indem sie die Thyristoren durch elektrische Signale zünden.