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Anordnung zum Schutz von Halbleitergleichrichtern Die Erfindung hat
eine Anordnung zum Schutz von Gleichrichtern, insbesondere von Halbleitergleichrichtern,
z. B. Silicium-, Germaniumgleichrichtern, zum Gegenstand.
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Da die Sperrspannung einer einzelnen Zelle verhältnismäßig klein ist,
wird im allgemeinen eine Anzahl einzelner Zellen in Serie geschaltet. Sollen außerdem
hohe Gleichströme mit Hilfe von Halbleitergleichrichtem aus einem Wechselspannungsnetz
entnommen werden, so müssen oft mehrere solche Zweige zu einem Gleichrichtersatz
parallel geschaltet werden. Solche Gleichrichtersätze können nun in den verschiedensten
Anordnungen an die Wechselspannungsklemmen angeschlossen werden. Die gebräuchlichsten
Schaltungen sind z. B. Gleichrichterbrückenschaltungen oder Drei- und Mehrphasengleichrichteranordnungen.
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Es ist bekannt, daß Halbleiterdioden verhältnismäßig leicht durch
überspannungen oder Strombelastung zerstört werden. Solche überspannungen treten
aber an allen Zellen einer Serienschaltung auf, sobald auch nur eine Diode innerhalb
der Serienschaltung zu Schaden kommt. DieWahrscheinlichkeit, daß auch die übrigen
Zellen dieser Serienschaltung zerstört werden, ist dann sehr groß, da ja die an
den übrigen Gleichrichtern liegende Sperrspannung um so größer ist, je mehr
Zellen der Serienschaltung bereits infolge einer Zerstörung kurzgeschlossen sind.
Um fehlerhaftes Arbeiten der einzelnen Zellen rechtzeitig zu erkennen, sind verschiedene
Signalisierungsschaltungen vorgeschlagen worden. Bei diesen Anordnungen wird meist
der Sperrstrom oder die Sperrspannung der Ventile überwacht. Ein Alarmsignal wird
ausgelöst, wenn eine dieser Größen einen bestimmten, einmal festgesetzten Grenzwert
überschreitet. So hat man beispielsweise einer einzelnen von mehreren in Serie geschalteten
Zellen als spannungsabhängiges Organ die Erregerwicklung eines Relais parallel geschaltet,
dessen Kontakt in einem Signalstromkreis liegt. Das Relais hat zwei Funktionen zu
erfüllen: Es muß nämlich den Signalstromkreis schließen, wenn die von der einen
Zelle abgegriffene Sperrspannung einen oberen Grenzwert übersteigt und auch dann,
wenn ein unterer Grenzwert unterschritten wird. Der zuerst genannte Fall tritt ein,
wenn eine der übrigen in Serie geschalteten Zellen schadhaft wird, der andere Fall
ist gegeben, wenn die Zelle, der das Relais parallel geschaltet ist, selbst schadhaft
wird. Diese Aufgaben sind mit hinreichender Sicherheit nur durch eine kritische
Dimensionierung eines empfindlichen Relais mit drei Ankerstellungen zu realisieren.
Soll in der erwähnten Weise eine große Anzahl von in Serie geschalteten Zellen überwacht
werden, dann kann es sein, daß sich bei Ausfall einer einzelnen Zelle die Sperrspannung
an der Fühlerzelle nur um einen Betrag ändert, der der Veränderung dieser Sperrspannung
bei Schwankungen der Versorgungsspannung in den zulässigen Grenzen entspricht. Da
in einem solchen Fall die Signaleinrichtung nicht auslösen soll, kann aber auch
der Fehler an einer einzelnen Zelle nicht erfaßt werden. Die Spannungsabhängigkeit
dieser Überwachungsschaltungen versuchte man auch dadurch zu unig ,eben, daß die
Signalisierung von der Höhe des Sperrstromes abhängig gemacht wurde. Man hat hierzu
mit den Zellen einen Widerstand in Serie geschaltet, von dem eine Fühlerspannung
abgegriffen wird.
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Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber eine .ti#nordnung zur Überwachung
von Gleichrichteranlagen, bei denen in einem Zweig mehrere Gleichrichterzellen in
Serie geschaltet sind und bei der einer einzelnen Zelle ein spannungsempfindliches
Organ parallel geschaltet ist, das ein Signal liefert, sobald eine der Zellen schadhaft
wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsempfindliches Element
ein Relais mit zwei Wicklungen verwendet ist, dessen eine Wicklung einer Zelle der
Serienschaltung parallel geschaltet ist und dessen zweite Wicklung von einer Hilfsspannung
gespeist wird, deren Größe der die Gleichrichter speisende Wechselspannung proportional
ist.
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Der besondereVorteil der Erfindung gegenüber den bereits bekannten
Signalanlagen besteht darin, daß die Signalisierung völlig unabhängig von Schwankungen
der Versorgung .,sspannung ist und daß trotzdem
mit einem einfachen
Relais gearbeitet werden kann, dessen Dimensionierung verhältnismäßig unkritisch
ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen an Hand der
Fig. 1 bis 5 beschrieben werden. In Fig. 1 ist zunächst eine
der bekannten Gleichrichterdrehstrombrückenschaltungen gezeigt. Zwischen jeden der
Drehstromleiter 11, 12 und 13 und dem Pluspol 4 des Gleichstromnetzes
sowie zwischen den drei Leitern und dem Minuspol 5 des Gleichstromnetzes
ist je ein Gleichrichtersatz 114, 124, 134 und 115, 125 und
135 angeordnet. Jeder dieser Gleichrichtersätze besteht aus der Hintereinanderschaltung
mehrerer einzelner Zellen. Gegebenenfalls können auch mehrere solche Hintereinanderschaltungen
innerhalb eines solchen Satzes parallel geschaltet sein, um eine höhere Strombelastung
zu ermöglichen.
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und
zwar wird die Schutzschaltung auf eine Serienschaltung von Dioden D
1, D 2, D 3, D 4,
Ds angewendet, wie sie z. B. in
Fig. 1 mit Nummer 114 bezeichnet ist. Die in Serie geschalteten Dioden sind
zwischen den Leiter 11 und dem positiven Leiter des Gleichspannungsnetzes
4 angeschlossen. Die Dioden sind durch gleich große Widerstände R 1,
R
2, R 3, R 4 und Rs überbrückt. Der Diode Ds, die die Funktion eines
Fühlers hat, ist außerdem noch die Erregerwick-lung des Relais Re 1 und die
eine Teilwicklung der Erregerwicklung CR 21 eines Relais Re 2 parallel geschaltet.
Das Relais Re2 hat die Funktion eines Diskriminators, da ein zweiter Teil seiner
Erregerwicklung CR 22 eine magnetomotorische Kraft hervorruft-, die der von dem
ersten Teil der Erregerwicklung erzeugten Kraft entgegenwirkt. Diese Spule CR22
ist einerseits an die positive Klemme des Gleichspannungsnetzes angeschlossen und
andererseits mit einem auf einen Widerstand Rv verschiebbaren Abgriff
6 verbunden. Ein Widerstand Rv ist zwischen die positive Klemme 4 und die
negative Klemme 5 eines Gleichspannungsnetzes angeschlossen. Das Relais Re
1 besitzt einen Ruhekontakt Ct 1, das Relais Re2 einen Arbeitskontakt
Ct2. Die beiden Kontakte sind parallel geschaltet und liegen in dem Stromkreis eines
weiteren Relais Re 3 mit der Erregerspule CR 3 und dem Kontakt
Ct3. Der Stromkreis dieses Relais Re3 wird über die Leiter 41 und 51 von
einer Gleichstroinquelle gespeist.
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Da die Widerstandswerte der einzelnen Gleichrichterzellen insbesondere
in Sperrichtung oft über einen sehr großen Bereich streuen, sind allen Dioden die
untereinander gleichen Ausgleichswiderstände R 1,
R 2, R
3, R 4 und Rs parallel geschaltet, um dadurch eine gleichmäßige
Beanspruchung der Zellen zu erzwingen und ein einwandfreies Arbeiten der Schutzschaltung
sicherzustellen. Diese Widerstände müssen so dimensioniert sein, daß sie während
den der Durchlaßrichtung des Zweiges entgegengerichteten Halbwellen einen wesentlich
höheren Strom führen als die Dioden. Fließt durch die Dioden ein hoher Arbeitsstrom,
dann ist der Spannungsabfall an den Dioden und infolgedessen auch der Strom durch
die Parallelwiderstände vernachlässigbar klein. Unter normalen Arbeitsbedingungen
ist daher das Differentialrelais Re 2 in dem gezeichneten Zustand,
d. h., Kontakt Ct 2 ist geöffnet. Die Sperrspannung an der Fühlerdiode Ds
hat eine solche Größe, daß durch die Wicklung CR 21 des Relais Re2 eine magnetomotorische
Kraft erzeugt wird, die den Kontakt Ct 2 zu schließen sucht. Durch Verschieben des
Abgriffes 6 auf dem Widerstand Rv wird jedoch die von der Wicklung CR 22
'erzeugte Erregung so eingestellt, daß sie die von der Wicklung CR 21 hervorgerufene
gerade aufhebt, so daß also der Kontakt Ct 2 geöffnet bleibt. Da die an den Gleichstromklemmen
4 und 5 liegende Spannung ein lineares Abbild der Wechselspannung ist, wird
die resultierende Gesamterregung des Relais Re 2 durch Netzspannungsschwankungen
in keiner Weise beeinflußt. Die Dimensionierung des Relais Re 1 ist so der
Größe der Diodensperrspannung angepaßt, daß der Anker dieses Relais im Normalbetrieb
der Gleichrichteranordnung angezogen und der Ruhekontakt CR 21 geöffnet ist.
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Wenn nun eine der fünf in Serie geschalteten Gleichrichterzellen schadhaft
wird, dann erhöht sich die Sperrspannung an den verbleibenden Zellen um 20 11/o.
Im selben Maße erhöht sich die durch die Wicklungen CR21 des Relais Re2 erzeugte
Erregung. Diese zusätzliche Erregung ist ausreichend, um dieses Relais zum Ansprechen
zu bringen, so daß der Kontakt Ct2 geschlossen wird. Dadurch wird das Relais Re3
erregt, und ein Signalstromkreis, bestehend aus den Leitern 42 und 52, wird
vermittels des Kontaktes Ct3 geschlossen. Dieser Signalstromkreis signalisiert den
Schaden und bewirkt z. B. das Abschalten des schadhaft gewordenen Gleichrichterzweiges
und verhütet somit die Zerstörung der übrigen Gleichrichterzellen. Wird dagegen
die Fühlerzelle Ds zerstört, während die übrigen in Serie geschalteten Zellen ordnungsgemäß
arbeiten, dann fällt die Erregerspannung für das Relais Re 1- aus, so daß
der Ruhekontakt Ct 1
schließt, was ebenfalls eine Erregung der Wicklung
CR 3 des Relais Re 3 und somit eine Aktivierung des Signalstromkreises
über den Kontakt Ct3 zur Folge hat. Zur Erhöhung der Sicherheit kann z. B. der Erregerstromkreis
für das Relais Re 3 auch über einen Isohertransformator IT gespeist werden.
Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt. Eine weitere Abänderung der
in Fig. 4 gezeigten Anordnung gegenüber der Fig. 2 besteht auch darin, daß der Stellwiderstand
Rv mit dem Abgriff 6 nicht wie bei Fig. 2 zwischen Pluspol und Minuspol des
Gleichspannungsnetzes, sondern zwischen Pluspol 4 und dem Wechselspannungsleiter
11 angeschlossen ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in Fig.
3 gezeigt. Abweichend von der Anordnung nach Fig. 2 werden dort die Erregerwicklungen
CR 1
und CR 21 über einen Transformator T 1 mit den Wicklungen
P 1 und S 1 gespeist. Die Primärwicklung Pl des Transformators ist
dabei wieder parallel zu der Fühlerdiode Ds geschaltet. Die Rolle der Fühlerdiode
kann jede beliebige der hintereinandergeschalteten Dioden übernehmen. Das Differentialrelais
Re2 ist in diesem Falle mit zwei getrennten, gegeneinander arbeitenden Wicklungen
versehen. Die erste Wicklung CR21 ist, wie bereits erwähnt, an die Sekundärwicklung
S 1 des Transformators T 1 angeschlossen. Die zweite Erregerwicklung
CR22 ist in diesem Falle auch über einen Transformator T2 an die Leiter
11
und 12 des Drehstromnetzes angeschlossen. An der Funktionsweise dieser
Schaltung wird durch diese Maßnahmen gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig.
2 nichts geändert. Lediglich die Betriebssicherheit der Schaltung ist dadurch erhöht,
daß auch von den Relaisspeisekreisen jede gefährliche höhere Spannung ferngehalten
ist. Die mit Fig. 2 übereinstimmenden Teile der Fig. 3 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Das Relais Re 1 kann gegebenenfalls
eingespart werden, wenn an Stelle der beiden Relais Rel und Re2 ein Spezialrelais
verwendet wird, dessen Bauart in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Das
Relais besteht aus einem Hebelarm PA, der um eine Achse drehbar gelagert ist. An
einem Ende dieses Hebels ist ein Kontakt MC vorgesehen, der sich zwischen zwei zu
beiden Seiten angebrachten Gegenkontakten ftl und ft2 befindet. Zu beiden Seiten
des Drehpunktes des Hebelarines PA befindet sich je eine Spule
C 1 und C2, ebenfalls auf jeder der beiden Seiten eine Feder
1S und 2S. Die Federn und die Erregerwicklungen sind so aufeinander
abgestimmt und dimensioniert, daß der Hebelarm PA im Ruhezustand eine solche Lage
einnimmt, daß der von dieser Art betätigte Kontakt MC sich gerade in der Nütte zwischen
den beiden Gegenkontaktenftl und ft2 befindet. Ruhezustand heißt in diesem Zusammenhang
der Zustand, in dem die Gleichrichteranlage ordnungsgemäß arbeitet. Verglichen mit
Fig. 2 übemehmen die Wicklungen C 1 und C 2 die Funktion der Wicklungen
CR 21 und CR 22 des Relais Re 2. Die Funktion der Kontakte CT 1 und CT 2
der Fig. 2 werden durch die Kontaktpaare MC ft 1 bzw. MC ft 2 übernommen.
Solange z. B. die Gleichrichteranordnung ordnungsgemäß arbeitet, ist die an der
Diode Ds abgegriffene Spannung gleich der amWiderstand Rv abgegriffenen. Die Erregung
der beiden Spulen C 1 und C 2, denen diese Spannungen zugeführt werden,
ist gleich groß. Der Hebelarm PA befindet sich in der in Fig. 5 gezeichneten
Mittellage. Wird eine Diode der Serienschaltung, z. B. D 1, fehlerhaft,
dann steigt die Spannung an Ds an und verursacht somit eine Unsymmetrie der an dem
Hebel PA angreifenden Kräfte und führt somit zum Schließen eines der beiden Kontakte
und somit zu einer Erregung des Relais Re 3, in dessen Erregerstromkreis
diese Kontakte eingeschaltet sind. Wird andererseits die Diode Ds fehlerhaft, dann
ist die an diese Diode angeschlossene Erregerwicklung des Relais BBR kurzgeschlossen,
und somit ist wiederum eine Unsymmetrie des Kräfteverhältnisses gegeben. Das Relais
schlägt nach der anderen Seite aus und schließt wiederum den Stromkreis für das
Signalrelais Re 3.