CH672697A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Kontrollgerät für in Reihe geschaltete Halbleiterventile, mit einem Impulsgenerator (7), mit an die Anoden jedes der Ventile (1) über ohmsche Widerstände angeschlossene RC-Kreise und mit ebensovielen Transformatoren (2) als Ventile (1) vorhanden sind, wobei eine Eingangswicklung (3) jedes Transformators (2) mit einem ersten Anschluss an die Kathode des zugeordneten Ventils (1) angeschlossen ist und in Reihe geschaltete Speisewicklungen (6) der Transformatoren (2) mit einer ersten Klemme des ersten Anschlusses des Impulsgenerators (7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoren (2) mit zueinander parallelgeschalteten Zusatzwicklungen (9) versehen sind, dass die zweiten Anschlüsse jeder Eingangswicklung (3) der Transformatoren (2) an den Kondensator (5) des jeweiligen RC-Kreises gekoppelt sind, während an den zweiten Anschluss des Impulsgenerators (7) und an die zweite Klemme der in Reihe geschalteten Speisewicklungen (6) der Transformatoren (2) ein Messelement (8) gekoppelt ist.

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kontrollgerät für in Reihe geschaltete Halbleiterventile gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Zur Zeit finden auf verschiedenen Gebieten der Wissenschaft und Technik leistungsfähige Hochspannungs-Halbleiter-stromrichter weite Verbreitung. Sie gelangen in einem Wechselstromantrieb mit Asynchron- und Synchronmaschinen, in stabilisierten Speisequellen für funktechnische Einrichtungen, in der Plasmatechnologie mit quasineutralem Plasma, in Systemen zur Stromspeisung von Anlagen für elektrophysikalische Forschungen und dgl. mehr zum Einsatz.

Die Anwendung von leistungsfähigen Hochspannungs-Halb-leiterstromrichtern auf den genannten Gebieten gestattet es, technologische Prozesse zu vervollständigen, sie zu automatisieren und die Elektroenergie unter geringstmöglichen Verlusten effektiver auszunutzen.

Die Besonderheit derartiger Stromrichter für eine Spannung von 3 bis 20 kV ist die, dass bei diesen eine Reihenschaltung von Halbleiterventilen verwendet wird. Kleines Volumen und niedrige Wärmekapazität, geringe Reserve elektrischer Festigkeit bedingen eine grosse Überlastungsempfindlichkeit der Halbleiterventile und zwingen zur Entwicklung von speziellen Methoden und Mitteln, um die Hochspannungsstromrichter zu schützen und bei deren technischer Betreuung Fehler zu erkennen.

In diesem Zusammenhang gewinnt das Problem der Entwicklung und Einführung technischer Kontrollmittel, die es gestatten, Fehlervorgängen in den leistungsfähigen Hochspannungsstromrichtern entgegenzuwirken, den Zeitaufwand für die Fehlersuche auf ein Mindestmass zu reduzieren, der Durchführung einer vorbeugenden Wartung mit einer geringen Zahl von Beschäftigten niedriger Qualifikation (d.h. einer wesentlichen Verbilligung der Wartung) immer mehr an Bedeutung und stellt eine komplizierte Aufgabe dar, die es erforderlich macht, von den jüngsten Errungenschaften auf dem Gebiet der Leistungsstromrichtertechnik Gebrauch zu machen.

Es sind Kontrollgeräte für in Reihe geschaltete Halbleiterventile (SU-Urheberscheine 481 963 und 620 919) bekannt, die für die Feststellung des Zustandes des Ventils (durchgeschlagen oder funktionstüchtig) ein Messelement enthalten, das in der Diagonale einer schiefarmigen Brücke liegt, die durch eine Kette von in Reihe geschalteten zu kontrollierenden Ventilen gebildet ist, deren jedes durch einen ohmschen Widerstand und einen ohmschen Spannungsteiler überbrückt wird. Bei diesen Geräten wird ein sogenanntes passives Kontrollverfahren für in Reihe liegende Halbleiterventile realisiert, das auf dem Auftreten eines durch das Messelement erfassten Signals über eine Brückenverstimmung wegen eines Durchschlages des einen der Ventile in einer Brückendiagonale aufbaut. Die Exaktheit und Sicherheit derartiger Geräte sind nicht gross, denn sie sind von der Betriebsart des Halbleiterstromrichters, der Grösse der Leistungsspannung abhängig. Infolgedessen bedürfen derartige Geräte, die das passive Kontrollprinzip realisieren, einer individuellen Einstellung. Sie lassen es grundsätzlich nicht zu, einen Fehler in einer Stromrichteranlage festzustellen, bevor auf den Stromrichter eine Leistungsspannung gegeben worden ist, und sie sind kompliziert in der Wartung.

Es ist ferner ein Gerät (GB-PS 1 540 300) bekannt, das gleichfalls das passive Kontrollverfahren für in Reihe geschaltete Halbleiterventile durch Messung der Durchlass- und Sperrspannung an den Ventilen realisiert. In diesem Gerät kommen optoelektronische Geber nach der Anzahl der in Reihe liegenden Ventile zur Anwendung, um das Schutzsystem vom Leistungsblock des Stromrichters galvanisch zu entkoppeln.

Das Gerät zeichnet sich durch die Kompliziertheit aus, bedarf einer zusätzlichen logischen Verarbeitung von den optoelektronischen Gebern kommender Informationen und enthält eine grosse Anzahl von unmittelbar an den Ventilen angeordneten Elementen, weshalb dieses keine ausreichende Sicherheit besitzt und es nicht gestattet, defekte Ventile zu entdecken, bevor an diese eine Leistungsspannung angelegt worden ist.

Es ist noch ein Steuer- und Kontrollgerät für in Reihe geschaltete Ventile (SU-Urheberschein 256 049) bekannt, das einen Impulsgenerator, dessen erster Ausgang an eine Klemme einer Kette von in Reihe geschalteten Speisewicklungen von Stromtransformatoren nach der Anzahl der Ventile, deren Eingangswicklungen an die Kathoden von je einem Ventil angeschlossen sind, und RC-Kreise nach der Anzahl der Ventile enthält. Um die Störfestigkeit zu erhöhen, sind Hilfstransformatoren nach der Anzahl der Ventile angeordnet, wobei die Kerne des ersten und des Hilfstransformators um die hintereinandergeschalteten Speisewicklungen symmetrisch liegen.

Das Gerät gestattet es, eine Zustandskontrolle für die Ventile im Prinzip unabhängig von der Grösse der Leistungsspannung des Stromrichters durchzuführen.

Das Gerät wird aber durch eine erhöhte Kompliziertheit der Schaltung und der Konstruktion gekennzeichnet. Infolge einer grossen Zahl von im funktionalen Sinn sequentiell gekoppelten Elementen weist das Gerät keine ausreichende Zuverlässigkeit auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontrollgerät für in Reihe geschaltete Halbleiterventile zu schaffen, das gestattet, eine Zustandskontrolle für die Ventile unabhängig von der Grösse der Leistungsspannung und von der Betriebsart des Stromrichters durch Änderung der Transformatorschaltung und durch Einführung eines Messelements vorzunehmen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das vorgeschlagene Kontrollgerät die im Kennzeichen des Patentanspruches umschriebenen Merkmale aufweist.

Diese Ausführung des Kontrollgeräts für den Zustand der Ventile ermöglicht dessen von der Spannungsgrösse und der Betriebsart des Stromrichters unabhängige Arbeit und gestattet es, das vorliegende Gerät für Stromrichter verschiedener Bestimmung zu verwenden, erhöht deren Sicherheit, vereinfacht deren Bedienung, denn die Defekte können erkannt werden, bevor der Stromrichter mit einer Leistungsspannung belegt worden ist.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigelegte Zeichnung erläutert, in deren einziger Figur ein erfindungsgemässes Kontrollgerät für in Reihe geschaltete Halbleiterventile dargestellt ist.

Das erfindungsgemässe Kontrollgerät für in Reihe geschaltete Halbleiterventile 1 enthält Transformatoren 2 nach der Anzahl der hintereinandergeschalteten Ventile 1, deren Eingangs-

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Wicklungen 3 jeweils über Widerstände 4 und Kondensatoren 5 von RC-Kreisen an die in Reihe liegenden Halbleiterventile 1 angeschaltet sind. Die miteinander gleichsinnig in Reihe geschalteten Speisewicklungen 6 der Transformatoren 2 sind an einen Impulsgenerator 7 über ein Messelement 8 angeschlossen. Jeder Transformator 2 ist mit einer Zusatzwicklung 9 versehen, und diese Wicklungen 9 sämtlicher Transformatoren sind miteinander parallelgeschaltet. Die Eingangswicklungen 3 einer Hälfte der Gesamtzahl der Transformatoren 2 sind an die Halbleiterventile 1 über die Klemmen einer Polarität, die Wicklungen 3 der anderen Hälfte über die Klemmen der entgegengesetzten Polarität angeschlossen.

Zur Veranschaulichung sind die Wicklungen 3, 6 und 9 als mit nur einer Windung dargestellt.

Das Kontrollgerät für in Reihe geschaltete Halbleiterventile arbeitet wie folgt.

Die vom Impulsgenerator 7 kommende hochfrequente Wechselspannung wird über das Messelelent 8 an die nacheinandergeschalteten Speisewicklungen 6 der Transformatoren 2 angelegt. Sind alle Ventile 1 einwandfrei und abgeschaltet, erweisen sich die Stromkreise der Eingangswicklungen 3 als unterbrochen, und sämtliche Transformatoren arbeiten im Leerlaufbetrieb. Der durch die Speisewicklungen 6 vom Impulsgenerator 7 aufgenommene und das Messelement 8 durchfliessende Strom weist dabei einen Minimalwert auf.

Beim Durchschlag eines beliebigen der in Reihe geschalteten Ventile 1 erweist sich die Eingangswicklung 3 des jeweiligen Transformators 2 als mit dem Widerstand 4 belastet, denn der Widerstand des Kondensators 5 liegt bei der Spannungsfrequenz des Impulsgenerators 7 wesentlich niedriger als der Wert des Widerstandes 4.

Infolge der Parallelschaltung der Zusatzwicklungen 9 sind die Transformtoren 2 magnetisch gekoppelt und gleichsam äquivalent einem Transformator mit mehreren Wicklungen. Beim Durchschlag eines der Ventile 1 kann daher die Belastung der Eingangswicklung 3 des jeweiligen Transformators 2 (Widerstand 4) als an den Impulsgenerator 7 über das Messelement 8 (unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Eingangswicklung 3 und den Speisewicklungen 6) geschaltet angesehen werden. Hierbei steigt der vom Impulsgenerator 7 aufgenommende Strom an. Der Stromanstieg lässt das Messelement 8 ansprechen.

Dem Durchschlag von zwei und mehr Ventilen 1 wird eine weitere stufenweise Stromzunahme entsprechen. Auf solche Weise kann ein mehrstufiges Fehlerkontrollsystem für Halbleiterventile realisiert werden.

Auf der Frequenz der an die Reihenschaltung der Ventile 1 des Stromrichters bei deren Betätigung angelegten Leistungsspannung erweist sich der Widerstand des Kondensators 5 als hoch gegenüber seinem Widerstand bei der Frequenz des Im672 697

pulsgenerators 7. Damit wird der Einfluss der Betriebsart des Stromrichters und der Grösse der Leistungsspannung auf die Arbeit des Kontrollgeräts für in Reihe liegende Halbleiterventile ausgeschlossen. Dadurch, dass die Eingangswicklungen 3 der halben Gesamtzeit der Transformatoren 2 den übrigen entgegengeschaltet sind, werden auch die Störungen wegen der durch die Einwirkung der Leistungsspannung und der Schaltvorgänge hervorgerufenen Umladeströme der Kondensatoren 5, RC-Kreise gegenseitig aufgehoben. Als Impulsgenerator 7 kann beispielsweise einRC-Generator mit einer Transformatorkopplung (in Meissner-Schaltung) oder in einer Dreipunktschaltung mit einer induktiven Rückkopplung (nach der Hartley-Schaltung) eingesetzt werden. Das Messelement 8 stellt einen konventionellen Komparator dar, der beispielsweise auf einem Operationsverstärker aufgebaut ist.

Das vorgeschlagene Gerät gestattet es also, den Zustand der Stromrichteranlagen unabhängig von der Betriebsart des Stromrichters und dem Betrag seiner Leistungsspannung sicher zu überwachen, was die Zuverlässigkeit des Stromrichters erhöht, seine Bedienung wesentlich vereinfacht, weil die Defekte der Stromrichteranlagen erkannt werden können, bevor die Leistungsspannung an den Stromrichter angelegt worden ist.

Unter Berücksichtigung des Dargelegten kann man vermuten, dass das vorgeschlagene Kontrollgerät, da es sich durch wesentliche Vorteile sowie durch eine einfache Konstruktion auszeichnet, eine breite Anwendung in Thyristor-Stromrichtern für eine Spannung von 3 bis 20 kV findet, die mit einer Reihenschaltung der Thyristoren ausgeführt sind.

Solch ein wesentlicher Vorteil des Geräts wie die vorbeugende Art der Kontrolle — die Möglichkeit, defekte Halbleiterven-tile noch vor dem Einsatz des Stromrichters zu erkennen und dessen Bedienung zu vereinfachen, hat eine massgebliche Bedeutung für den Schutz und eine Diagnose von Stromrichtern, wie sie beispielsweise leistungsfähige Thyristor-Umrichter zum Anlassen von Synchronmaschinen (bei Aggregaten in Pumpspeicherkraftwerken), Gasturbinenanlagen, Hochofengebläsen u.ä.), Hochspannungsstromrichterantriebe für Pumpen, Lüfter und Kompressoren in der Energetik, in der chemischen Industrie u.ä., stabilisierte steuerbare Gleichrichter für funktechnische Anlagen, für die Plasmachemie usw., wo der niedrige Sicherheitsgrad der Stromrichtertechnik schwere Unfälle mit beträchtlichem Sachschaden zur Folge haben kann, sind.

Die Erfindung kann zum Schutze von leistungsfähigen Halbleiter-Stromrichtern (gesteuerte Gleichrichter, Wechselrichter, Umrichter) für eine Spannung von 3 bis 20 kV mit einer Reihenschaltung der Halbleiterventile gegen innere Kurzschlüsse bei einem Durchbruch eines Teiles der in Reihe liegenden Halbleiterventile verwendet werden.

Die Erfindung kann auch in Diagnosesystemen der genannten Stromrichter angewendet werden.

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1 Blatt Zeichnungen