CH673363A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochspannungs-Halblei-terschütz, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definiert ist.

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 wartungsintensiv macht und auch die Lebensdauer insgesamt elektrisch und mechanisch einengt. Hinzu kommt eine relativ hohe Ansteuerleistung. Für Anwendungsfälle mit sehr hoher Schalthäufigkeit (insbesondere Taktbetrieb) ergeben sich für elektromechanische Hochspannungsschütze aus dieser Sicht Probleme.

Ein Schaltgerät, das die Voraussetzung des Oberbegriffs des Anspruches 1 erfüllt, ist z.B. als Hybridschalter durch die internationale Patentanmeldung WO 86/01334 (PCT-Gazette Section I Nr. 05/1986, S. 778) bekanntgeworden. 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 Halbleiterelement und mechanischer Schalter getrennt angesteuert. Gegenüber rein elektrome-

chanischen 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. 5 Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hochspannungsschütz auf Halbleiterbasis zu schaffen, das problemlos ein verschleiss- und wartungsfreies Schalten elektrischer Wechselstromlasten mit sehr hoher Schalthäufigkeit gestattet. Dabei ist an Spannungen um 1200 V bei 15 bis 100 Hz und Strömen zwischen 1 und 50 A io gedacht. Das Schütz soll einfach und kompakt im Aufbau und in seiner Montagehandhabung sein und mechanische Schütze austauschbar ersetzen können.

Diese Aufgabe wird gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

15 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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhän-20 gigen Ansprüchen entnehmbar. Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Die Figur zeigt den Stromlaufplan eines derartigen Schützes.

Mit I und II sind zwei sogenannte Powerblocks bezeichnet, die jeweils aus zwei antiparallelen Thyristoren A und B beste-25 hen und die in Reihe geschaltet, eine nicht näher dargestellte ohmsche Last, z.B. einen Heizwiderstand steuern sollen. Für eine gleichmässige dynamische Sperrspannungsaufteilung der Reihenschaltung der beiden Powerblocks I und II sorgt eine RC-Beschaltung Cl, R21/C2, R22. Die statische Spannungsauftei-30 lung wird durch den Widerstand R20 und eine Widerstandskombination aus R19 und den Spannungsteilern 10 und 12 realisiert.

Der Steuerteil liegt hochspannungsseitig an der halben Lastspannung parallel zum Powerblock II. Er besteht im wesentli-35 chen aus einer Gleichrichterbrücke 1 mit zwei in seinen Zweigen integrierten Zündtransformatoren 2 und 3, deren Sekundärwicklungen a, a' und b, b' auf die Gates der Hauptthyristoren A bzw. B über zugeordnete Gleichrichterventile 6 bis 9 wirken. Die Hauptthyristoren A oder B werden je nach Halbwelle der 40 Lastspannung angesteuert, wenn ein Stromfluss über zwei Hilfsthyristoren 13,14 möglich ist, die die Gleichspannungsausgangsklemmen des Gleichrichters 1 kurzschliessen. Die generelle Ansteureung erfolgt über eine Gleichspannung Us von z.B. DC 24 V über einen Optokoppler 5. Der Phototransistor 4 des Op-45 tokopplers 5 ist dabei als Steuerschaltung in einem ersten Spannungsteilerpfad 10 angeordnet, der an der Ausgangsspannung des Gleichrichters 1 liegt.

Liegt Steuerspannung Us an den Eingangsklemmen, dann leitet der Phototransistor 4 des Optokopplers 5 und ein Hilfsso transistor 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 Ausgangsspannung des Gleichrichters 1 angeschlossen ist. Die Steuerspannun-55 gen 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 Hauptthyristoren A bzw. B über die Zündübertrager 2, 3 eingeleitet.

60 Die Schaltung ist so ausgebaut, dass die Hauptthyristoren A, B nicht bereits dann zünden, wenn die Steuerspannung Us anliegt. Eine Zündung der Hauptthyristoren ist vielmehr erst im Nulldurchgang der Lastspannung möglich, d.h. der Zündzeitpunkt für die Hauptthyristoren A, B liegt netzgeführt im Null

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spannungsbereich der Lastspannung. Ist der Augenblickswert der Lastspannung grösser als ein durch Spannungsabgriff am ersten Spannungsteilerpfad 10 vorgewählter Schwellwert, so schaltet der Hilfstransistor 11 durch, wodurch die Hilfsthyristoren 13, 14 und damit auch die Hauptthyristoren A, B nicht gezündet werden. Das Halbleiterschütz kann daher nur in einem kleinen Bereich um den Spannungsnulldurchgang der Lastspannung, als Nullspannungsschalter schalten.

Durch die Erfindung konnten die eingangs gestellten Forderungen auf einfache Weise gelöst werden. Das Thyristorschütz s ist tauschbar gegen ein elektromechanisches Schütz gleicher Lei-stungsgrösse.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Hochspannungs-Halbleiterschütz zum Schalten höherer Wechselstromlasten, das über einen Optokoppler angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, 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 Gleichspannungsausgängen (+, —) der Gleichrichterbrücke (1) der Phototransistor (4) des Optokopplers (5) als Schalter wirkend angelegt ist.

2. Hochspannungs-Halbleiterschütz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zündtransformator (3 bzw. 2) n Sekundärwicklungen (a, a' bzw. b, b') aufweist, über die n Hauptthyristoren gleichen Richtungssinns (A bzw. B) über Gleichrichterventile (6 bis 9) ansteuerbar sind.

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PATENTANSPRÜCHE

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 Spannungsteilerpfad (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.

4. Hochspannungs-Halbleiterschütz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.

5. Hochspannungs-Halbleiterschütz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Veränderung des Steuerabgriffs des Hilfstransistors (11) am ersten Spannungsteilerpfad (10) der Schwellwert für eine Nicht-zündung der Hilfsthyristoren (13, 14) bestimmbar ist.