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Stromversorgungsanlage mit Reihenschaltungen aus Halbleiterelementen
je Ventilanordnung des Stromrichters Die Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungsanlagen
mit Reihenschaltungen aus Halbleiterelementen je Ventilanordnung des Stromrichters
und mit Überwachung der Sperrspannung an einem oder mehreren der Halbleiterelemente
der einzelnen Reihenschaltung unter Speisung des Hilfsschaltungselementes zur Herbeiführung
einer Schutzschaltung in der Anlage in einem Schadensfall in der Reihenschaltung
der Halbleiterelemente.
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Die Anwendung solcher Reihenschaltungen aus einer Mehrzahl von Halbleiterelementen
je Ventilanordnung ist in Leistungsgleichrichtern für relativ hohe Spannungen erforderlich.
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Sollte ein Fehler in einem der in der erwähnten Gruppe in Reihe geschalteten
Elemente auftreten, so würde eine höhere proportionale Spitzensperrspannung an die
in ordnungsgemäßem Zustand verbleibenden Schaltungselemente der Reihenschaltung
angelegt werden. Daher ist es wünschenswert, den Fehler an irgendeinem der in der
Gruppe in Reihe geschalteten Elemente anzuzeigen, um auf diese Weise eine Überbeanspruchung
der verbleibenden, in Reihe geschalteten Elemente zu verhüten. Eine schnelle Anzeige
erlaubt den Ersatz des fehlerhaft gewordenen Schaltungselementes und verhütet auf
diese Weise unnötige weitere Ausfälle von Schaltungselementen.
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Es war in Stromrichteranlagen mit in den einzelnen elektrischen Ventilen
in Reihe geschalteten Trockengleichrichterelementen auch bereits bekannt, stromoller
spannungsabhängig wirkende Einrichtungen zu benutzen, welche je nach ihrer Wirkungsweise
in Reihe mit der Reihe der Gleichrichterelemente bzw. dem einzelnen Gleichrichterelement
oder in sinngemäßer Weise der einzelnen Gleichrichterelementereihe oder dem einzelnen
Gleichrichterelement parallel geschaltet sind oder schließlich in Abhängigkeit von
dem Spannungsabfall gespeist werden, der an einem Reihenwiderstand zu der einzelnen
Ventilanordnung bzw. Reihenschaltung von Halbleiterelementen entsteht. Hierbei ist
es auch bekanntgeworden, gegebenenfalls in Verbindung mit der Abnahme der Spannung
an der Überwachungsstelle elektrische Weichen zu benutzen, um die Überwachungseinrichtung
unabhängig von dem jeweiligen Belastungsstrom der Stromversorgungsanlage zu machen.
Bei Anwendung einer Parallelschaltung ist auch angegeben worden, das spannungsabhängige
bzw. spannungsempfindliche Gerät beiderseits eines Normalwertes seiner elektrischen
Spannung wirksam werden zu lassen und z. B. als ein Relais auszubilden, welches
sowohl bei einer Spannungserhöhung als auch bei einer Spannungsabsenkung gegenüber
dem Normalwert anspricht.
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Bei solchen Anordnungen wurde also immer der jeweilige an der Überwachungsstelle
durch die überwachungseinrichtung gemessene bzw. erfaßte Absolutwert der durch die
Abweichung im Störungszustand vom Normalzustand entstehenden elektrischen Größe
als Steuerwert benutzt, der sich aber offensichtlich mit einer Änderung der Gesamtgröße
der an einer elektrischen Ventilanordnung liegenden Spannung verändern kann, was
die Ansprechgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Überwachungseinrichtung nachteilig
beeinflussen kann.
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Zur Vermeidung dieser Mangelerscheinung wird erfindungsgemäß zur Überwachung
der einzelnen elektrischen Ventilanordnung jeweils mit dem Vergleich zweier an der
gleichen elektrischen Ventilanordnung erfaßter elektrischer Größen für die Erzeugung
eines Steuerwertes mit dem Anfall einer Störung gearbeitet, indem einerseits sowohl
die Gesamtspannung an der elektrischen Ventilanordnung als auch zumindest ein an
einer Teilzahl der in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente bestehender Anteil
jener Spannung zur Lieferung eines durch ihren Vergleich gebildeten Steuerwertes
an einem Magnetverstärker benutzt werden, der den Speisestromkreis des
Hilfsschaltungselementes
zur Betätigung der Meldeoder/und Alarm- oder/und Schutzschaltungseinrichtung für
die Abschaltung der Stromrichteranlage steuert.
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Vorzugsweise kann in einem der beiden Steuerwicklungs-Stromkreise
ein einstellbarer Widerstand vorgesehen werden, um die magnetische Steuererregung
am Eisenkern des Magnetverstärkers auf den Wert Null bei ordnungsgemäßem Zustand
der Anlage abzugleichen.
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Das vom Magnetverstärker in seiner elektrischen Speisung gesteuerte
Hilfsschaltungselement kann vorzugsweise erfindungsgemäß ein Relais sein.
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Die den verschiedenen Ventilanordnungen zugeordneten Überwachungsschaltungen
und Relais können erfindungsgemäß über Kontakte, z. B. die Arbeitskontakte dieser
Relais, welche für alle Ventilanordnungen zwischen zwei Anschlußpunkten der Schaltung
parallel liegen, alle den Stromkreis der gleichen Schutz-, Auslöse-, Anzeige- oder
Alarmeinrichtungen oder mehrere derselben steuern.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele,
bei welcher sich noch weitere vorteilhaft in Verbindung mit der grundsätzlichen
Erfindung anwendbare technische Einzelmerkmale ergeben werden, wird nunmehr auf
die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anzeigeschaltung,
und Fig. 2 ist eine Alarmspeiseschaltung, wie sie z. B. in Verbindung mit dem Gerät
nach Fig. 1 benutzt werden soll.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Leistungsgleichrichter 400 gezeigt,
welcher für die Zwecke der Erläuterung der Erfindung in Form einer dreiphasigen
Gleichrichterbrückenschaltung dargestellt ist. Die Leistungsgleichrichtereinheit
400 umfaßt zwei Gleichstromsammelschienen 401 und 402. Parallel geschaltet zwischen
den Gleichstromsammelschienen 401 und 402 liegen in Reihe die einzelnen Gleichrichterbrückenzweige
10, 20 sowie 30, 40 und 50, 60. Die Brückenzweige 20, 30, 40, 50 und 60 sind für
die Zwecke der Vereinfachung so wiedergegeben, daß eine einzige Gleichrichterdiode
unmittelbar einen Strang von in Reihe geschalteten Gleichrichterdioden repräsentiert.
An den Verbindungspunkten der Gleichrichterstränge 10, 20 sowie 30, 40 und 50, 60
sind die Anschlußklemmen 403, 404 und 405 zum Anlegen einer dreiphasigen Spannungsquelle
vorgesehen, welche nicht besonders dargestellt ist und deren Ströme gleichgerichtet
werden sollen.
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Der Reihenstrang, welcher in dem Gleichrichterbrückenzweig 10 enthalten
ist, umfaßt eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleitergleichrichterdioden
11, 12, 13 und 14. Parallel zu jeder entsprechenden Halbleiterdiode sind die Spannung
unterteilenden Widerstände 111, 112, 113 und 114 geschaltet.
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Ein magnetischer Verstärker mit dem allgemeinen Bezugszeichen 210
ist zur Anzeige der Spannungsdifferenz vorgesehen, welche an jeder Gle.iehrichtereinheit
in der Reihenschaltung des Schenkels 10 beim Ausfall einer einzelnen Gleichriehtereinheit
in diesem Strang auftritt. Der magnetische Verstärker 210 umfaßt einen sättigungsfähigen
magnetischen Kern 201, auf welchem in induktiver Beziehung zueinander eine Lastwicklung
203, eine erste Steuerwicklung 205 und eine zweite Steuerwicklung 207 angeordnet
sind, und umfaßt einen zweiten sättigungsfähigen magnetischen Kern 202, auf welchem
in induktiver Beziehung eine Lastwicklung 204, eine erste Steuerwicklung 206 und
eine zweite Steuerwicklung 208 angeordnet sind. Die Lastwicklungen 203 und
204 sind in Reihe mit einer Wechselspannungsquelle 209 und einer Relaisspule R1,
geschaltet. Die ersten Steuerwicklungen 205 und 206 sind in Reihe zum gesamten Reihenstrang
der Gleichrichtereinheiten im Schenkel 10 der Leistun-sgleichrichtereinrichtung
400 geschaltet. Die zweiten Steuerwicklungen 207 und 208, die an sich in Reihe mit
einem einstellbaren Widerstand 15 parallel zu irgendeiner der Halbleitergleichrichtereinheiten
in dem Reihenstrang 10 geschaltet werden können, sind in dem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel parallel zur Halbleitergleichrichtereinheit 11 geschaltet.
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In Fig. 2 ist eine Alarmschaltung für die in Fig. 1 dargestellte Fehleranzeigeschaltung
wiedergegeben. Für jeden der Reihenstränge 10, 20, 30, 40, 50, 60 soll in der Anlage
je eine Anzeigeschaltung, wie sie in Fig. 1 für den Reihenstrang 10 veranschaulicht
ist, vorgesehen sein, jedoch sind zum Zwecke der Vereinfachung der Darstellung die
weiteren Anzeigeschaltungen in dieser Figur fortgelassen worden. Jede der Anzeigeschaltungen
wird also einen magnetischen Verstärker besitzen, wie er für den Reihenstrang 10
gezeigt ist, und jeder der Magnetverstärker wird als seine Last eine Relaisspule
eines zugeordneten Relais besitzen. Die Kontakte der entsprechenden Relais für jeden
der einzelnen Reihenstränge von Halbleiterventilen können in einer Anzahl von verschiedenen
Schaltungen angeordnet werden, um ein erwünschtes Alarmsignal zu geben. Eine solche
Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Kontakte Clo, C,", C30, C,0, C; C., von Relais,
welche Magnetverstärkern jedes der Reihenstränge 10, 20, 30, 40, 50 bzw.
60 zugeordnet sind, sind in Parallelschaltung miteinander verbunden. Diese
Parallelschaltung ist in Reihe mit einer Alarmvorrichtung 301 und einer Spannungsquelle
300 geschaltet. Auf diese Weise verursacht der Ausfall eines einzelnen Elementes
in irgendeinem der Reihenstränge das Schließen eines Kontaktes in der Parallelschaltung
nach Fig. 2. Das Schließen des Kontaktes in der Parallelschaltung von Fig. 2 läßt
eine Speisung der Alarmeinrichtung 301 durch die Spannungsquelle 300 zu. Die Alarmmittel
301 können eine Anzeigelampe 303, ein Summer 304 sein, oder
sie können benutzt werden, um eine Auslösespule 305 eines Unterbrechungsschalters
306 zu betätigen, um auf diese Weise die ganze Leistungsgleichrichteranordnung
400 von der elektrischen Energiequelle abzutrennen.
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Es wird nun wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist zu sehen, daß
erstens Steuerwicklungen 205
und 206 des Magnetverstärkers
210 parallel zu allen Elementen des Reihenstranges 10 geschaltet sind.
Die zweiten Steuerwicklungen 207 und 208 sind an ein Einzelelement des Reihenstranges
10 angeschlossen. Der Magnetverstärker 210 ist so bemessen, daß die
gesamte Steueramperewindungszahl, durch welche mittels der ersten und zweiten Steuerwicklungen
die sättigungsfähigen magnetischen Kerne 203 und 204 magnetisch erregt werden, Null
ist, wenn Spannung an die Leistungsgleichrichtereinriehtung 400 angelegt
wird. Der einstellbare Widerstand 15 dient für eine bedienungsmäßige Einstellung,
um die gesamte Steueramperewindungszahl Null zu erreichen.
Bei einer
am Magnetverstärker 210 wirksamen gesamten Steueramperewindungszahl Null
treibt die Wechselspannungsquelle 209 im Zusammenwirken mit den Lastwicklungen
203 und 204 die sättigungsfähigen Kerne 201 und 202 in einer
Halbwelle in die positive Sättigung und in der nächsten Halbwelle in die negative
Sättigung. Das heißt, die Voltsekunden der Wechselspannungsquelle 209 werden
bei der zyklischen Umsteuerung der sättigungsfähigen magnetischen Kerne
201 und 202 zwischen der positiven und negativen Sättigung in den
aufeinanderfolgenden Halbwellen vollständig absorbiert. Das Relais, dessen Relaisspule
Rio an den Ausgang des Magnetverstärkers 210 angeschlossen gezeigt ist, muß so bemessen
werden, daß der Erregerstromfluß durch die Wicklungen 203 und 204, während die Kerne
201 und 202 zwischen der positiven und negativen Sättigung umgesteuert werden, nicht
ausreichend ist, um ein Ansprechen des Relais R zu verursachen und dessen Kontakte
Cl. zu schließen. Der Wert und die Größe dieses Erregerstromflusses durch die Relaisspule
Rio ist sehr klein und kann auf diese Weise leicht überwacht werden, um auf diese
Weise durch mehrere geeignete, dem Fachmann an sich bekannte Mittel ein Ansprechen
des Relais zu vermeiden. Ein solches Mittel ist z. B. die Einschaltung eines Widerstandes
211 in Reihe mit dem Relais Rio, um den Stromfluß durch sie herabzusetzen.
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Es ist zu erkennen, daß irgendein Ausfall einer einzelnen Gleichrichtereinheit
in dem Reihenstrang 10
eine Gleichgewichtsstörung in der gesamten Steueramperewindungszahl
hervorgerufenwird, welchedurch die ersten und zweiten Steuerwicklungen an den Kernen
des Magnetverstärkers 210 hervorgerufen wird. Wenn z. B. eine Gleichrichtereinheit
neben der Gleichrichtereinheit 11 ausfällt, dann wird die Spitzenspannung
in Sperrichtung an allen weiteren verbleibenden Gleichrichtereinheiten einschließlich
derGleichrichtereinheit 11 in einem Verhältnis ansteigen, welches durch die
Zahl der Gleichrichter, welche in dem Strang 10 in Reihe geschaltet sind,
bestimmt ist. Der Spannungsanstieg, welcher an der Gleichrichtereinheit
11 entsteht, liefert mehr Amperewindungen über die zweiten Steuerwicklungen
207 und 208, als durch die ersten Steuerwicklungen 205 und
206 geliefert werden. Auf diese Weise wird eine Ausgangsleistung vom Magnetverstärker
210 zur Relaisspule Rio erhalten werden. Wenn die Gleichrichtereinheit
11 ihrerseits ausfällt, dann wird ein Abfall in der Spannung auftreten, welche
an die zweiten Steuerwicklungen 207 und 208 angelegt ist, was wiederum die
gesamte angelegte Steueramperewindungszahl aus dem Gleichgewicht wirft, und auf
diese Weise zulassen, daß der Magnetverstärker 210 eine Ausgangsleistung
an die Relaisspule Rio liefert.
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Obgleich ein Magnetverstärker mit zwei Kernen und sechs Wicklungen
für den Magnetverstärker 210
gezeigt ist, kann irgendein Magnetverstärker
benutzt werden, welcher auf ein Ungleichgewicht in seiner gesamten angelegten Steueramperewindungszahl
anspricht und eine Ausgangsleistung an eine Relaisspule Rio liefern wird. Auch können,
wie es dem Fachmann bekannt ist, die Steuerströme, welche von einer einzelnen Gleichrichtereinheit
und von dem gesamten Strang der Gleichrichtereinheiten erhalten werden, über verschiedene
Schaltungsmittel an ein einzelnes Paar von Steuerwicklungen angelegt werden, um
auf diese Weise eine Ungleichgewichtssteuerung zu ergeben und eine Ausgangsleistung
zu einer Relaisspule Rio zu liefern. Der Ausgang des Magnetverstärkers
210
kann auch an andere Alarmspeisekreise oder -vorrichtungen, je nachdem,
wie es für die spezielle Anwendung erwünscht ist, angeschlossen werden. Die Funktion
des Magnetverstärkers 210 ist, beim Ausfall einer einzelnen Gleichrichtereinheit
in dem Reihenstrang 10 eine Ausgangsleistung zu liefern.
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Der Leiter 212, welcher die erwähnten Ausgangswicklungen 203, 204
mit der Relaisspule Rio des erwähnten Relais R verbindet, kann auch als eine Alarmsammelschiene
bezeichnet werden. Die Alarmsammelschiene 212 kann über einen isolierenden Gleichrichter
oder andere Schaltungsmittel an eine gemeinsame Alarmsammelschiene des Systems angeschlossen
werden. Jedoch ist die wichtige Funktion des gezeigten Gerätes, ein Signal oder
einen Stromfluß in der Alarmsammelschiene 212 zu schaffen. Daher müssen auch Schaltungsmittel
vorhanden sein, welche auf einen Stromfluß in der Alarmsammelschiene 212 ansprechen,
der durch den Ausfall einer Reihendiode hervorgerufen wird.
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Die auf den Stromfluß in der Alarmsammelschiene 212 ansprechenden
Schaltungsmittel können entweder eine Alarmeinrichtung oder Mittel zur Abschaltung
der Speisung der Anlage 400 von der Energiequelle betätigen oder zur Speisung einer
Alarm- oder einer anderen geeigneten Schaltung wirksam werden, wie es im vorausgehenden
besprochen worden ist. Das heißt, das Relais R ist wirksam durch das Schließen von
Kontakten Cl., eine Alarmvorrichtung 302 zu speisen.
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Es soll darauf hingewiesen werden, daß ein Apparat nach den Fig. 1
und 2 auch bei Änderungen in den Gleichstromausgangsspannungen oder in der Spannung
der Leistungsgleichrichtereinrichtung 400 zufriedenstellend arbeiten wird, da die
Verbindungen zu den Steuerwicklungen des Magnetverstärkers mit einem Spannungsteilernetzwerk
vergleichbar sind und eine verhältnisgleich geteilte Spannung in demselben Verhältnis
verbleiben wird und daher ein Gleichgewicht der Steueramperewindungen des Magnetverstärkers
210 liefern wird, sogar obgleich die gesamte Spannung an dem gesamten Reihenstrang
10 sich von einem konstanten Wert verändert.