DE1144395B - Einrichtung zur Erfassung ungleichmaessiger Belastung sowie von UEberlastung mehrereparallel geschalteter Gleichrichtereinheiten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL.21d³ 2

INTERNATIONALE KL.

H02i; d

W 27832 VIHb/21 d³

ANMELDETAG: 11. MAI 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 28. F E B R U AR 1963

Die Erfindung bezieht sich auf statische Gleichrichter, die hohe Gleichströme zu liefern vermögen. Solche Anlagen werden in neuerer Zeit vorwiegend mit Halbleitergleichrichterzellen bestückt. Diese vermögen jedoch nur begrenzte Ströme zu führen. Es ist deshalb erforderlich, in größeren Stromrichteranlagen mehrere Zellen parallel zu schalten. Wegen der verhältnismäßig großen Überlastungsempfindlichkeit müssen dabei Schutzeinrichtungen vorgesehen werden, durch die beispielsweise eine Signalisierung oder Abschaltung der Anlage ausgelöst wird, wenn der Belastungsstrom einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

Nun sind im allgemeinen derartige Hochstromgleichrichter so ausgelegt, daß die Anlage auch dann noch ohne Schaden weiterarbeiten kann, wenn eine oder gar mehrere der parallel geschalteten Gleichrichterzellen ausfallen. Hierbei steigt allerdings die Belastung der übrigen Gleichrichterzellen — bei gleicher Belastung — an, so daß die Gefahr besteht, daß auch diese Gleichrichter zerstört werden. Um solche Kettenreaktionen zu vermeiden, ist es daher üblich, auch die Stromverteilung auf die parallelen Zweige zu überwachen.

Nun gibt es Anwendungsfälle von Hochstromgleichrichtern, bei denen der Belastungsstrom sehr starken Schwankungen unterworfen ist, z.B. wenn an den Gleichrichtern die Elektroden einer Lichtbogenschweißeinrichtung angeschlossen sind. Hierbei treten kurzzeitig sogar sehr hohe Überströme auf. Man könnte nun eine derartige Anlage mit einer Schutzschaltung versehen, die beispielsweise immer dann die Anlage abschaltet, wenn der Schweißstrom den maximal zulässigen Dauerstrom überschreitet. Eine solche Anlage wäre aber praktisch überhaupt nicht einsatzfähig, da die Schutzeinrichtung sehr oft ausgelöst würde.

Eine andere Möglichkeit, die Zellen zu schützen, besteht darin, die Gleichrichteranlage erst dann abzuschalten, wenn ein bestimmter Grenzstrom vorgegebener Größe eine bestimmte, wenn auch verhältnismäßig kurze Zeit lang fließt. Hierbei wären jedoch die Gleichrichterzellen nicht ausreichend geschützt.

Nun ist es bekannt, daß die Überlastungscharakteristik eines Halbleiterventils, das ist also die Abhängigkeit der maximal zulässigen Zeitdauer eines Stromes von der Größe des Überstromes, einen hyperbolischen Verlauf hat. Das bedeutet, daß kleinere Überströme verhältnismäßig lange Zeit fließen können, bevor eine solche Zelle zerstört wird. Diese Erkenntnis ist die Grundlage der Schutzeinrichtung nach der Erfindung. Diese soll nämlich abhängig von Einrichtung zur Erfassung

ungleichmäßiger Belastung sowie von

Überlastung mehrerer parallel geschalteter

Gleichrichtereinheiten

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. Mai 1959 (Nr. 812 547)

Emil F. Steinert und Martin Rebuffoni,

WilliamsviUe, N. Y. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

der Größe des Überstromes immer erst kurz vor dem Zeitpunkt auslösen, in welchem gerade dieser Strom zur Zerstörung der Zellen führen würde. Eine derartige Anpassung der Auslösecharakteristik — also der Abhängigkeit der Ansprechzeit von der Größe des Überstromes — an die Überlastungscharakteristik der Gleichrichter erfordert einen verhältnismäßig kostspieligen Aufwand.

Der Erfindung liegt nun im besonderen die Aufgabe zugrunde, diesen Aufwand bei Stromversorgungseinrichtungen, insbesondere für Lichtbogenschweißgeräte, bei denen 2 η Gleichrichtereinheiten parallel geschaltet sind und bei denen in den Wechselstromkreisen der Gleichrichter zur Überwachung des Laststromes Stromwandler vorgesehen sind, möglichst gering zu halten. Die Erfindung geht dabei von einer an sich unter dem Namen Querdifferentialschutz bekannten Einrichtung aus. Zur Überwachung der Stromverteilung in Wechselstromkreisen hatte man nämlich bereits Stromwandler verwendet und deren Sekundärwicklung mit einem Anzeigeninstrument so in Reihe geschaltet, daß in diesem Stromkreis nur dann ein Strom fließt, wenn die Wechsel-

309 557/180

3 4

ströme in den beiden überwachten Leitungen ver- 52, 53 und 54. Der Transformator Γ ist ein solcher

schieden groß sind. des Mehrphasentyps, und seine Primärwicklung P

Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß ist in Dreieck geschaltet. In allgemeiner Hinsicht zur Erfassung der Überlastung aller Gleichrichter- kann bei Anwendung der Erfindung die Primärwickeinheiten ein einziges Spezialrelais vorgesehen ist, 5 lung P auch in Stern, Zickzack oder anderer Weise dessen Erregerwicklung zwischen die gegensinnig geschaltet werden. Das Gerät wird von den Samparallel geschalteten Sekundärwicklungen zweier melschienenLl, L 2 und L 3 eines üblichen Mehr-Stromwandler geschaltet ist, und daß zur Über- phasennetzes gespeist, welches gewöhnlich ein solches wachung gleichmäßiger Lastverteilung ein zweites des 50- bzw. 60-Hertz-Typs bei 220 oder 440 Volt Relais vorgesehen ist, an dessen Erregerwicklung alle io ist. An die Ecken dieser Dreieckschaltung sind die paarweise gegensinnig parallel geschalteten Strom- Sammelschienen L1, L 2, L 3 über die Kontakte CBa Wandlerwicklungen angeschlossen sind, wobei die eines Unterbrechungsschalters CB angeschlossen. Der Stromwandler in den Zuleitungen zu den einzelnen Unterbrechungsschalter CB hat eine Auslöse-Gleichrichtern liegen. spule CBT, welche, wenn sie gespeist wird, das Öffnen

Voraussetzung für die Funktion einer derartigen 15 der Kontakte CBa herbeiführt. Die erforderliche Zeit

Schutzeinrichtung ist eine gerade Anzahl von gleich- zum Öffnen der Kontakte CBa vom Einsetzen des

artig aufgebauten parallel arbeitenden Gleichrichter- Auslösestromes über die Spule CBT ist von einer

einheiten. Größenordnung von weniger als einer Periode eines

Es gelingt somit, durch die Erfindung alle 2« 50- bzw. 60-Hertz-Netzes.

Gleichrichtereinheiten mit einem einzigen Spezial- 20 Von den Sekundärwicklungen 51, 52, 53, 54 ist

relais zu überwachen, dessen Ansprechcharakteristik jede in Dreieck geschaltet. Allgemein betrachtet kÖn-

der Überlastcharakteristik der verwendeten Gleich- nen bei Anwendung der Erfindung die Sekundärwick-

richterzellen so angepaßt ist, daß der Anker dieses hingen auch in Stern, Zickzack oder einer anderen

Relais anzieht, kurz bevor die zulässige Überlastung Weise geschaltet werden. Wenn auch beide — die

der Gleichrichterzellen überschritten wird. 25 Primärwicklung P und die Sekundärwicklungen 51

Die Erregerwicklung des Spezialrelais wird dabei bis 54 — in Fig. 1 in Sternschaltung wiedergegeben

vorzugsweise möglichst niederohmig ausgeführt. Die sind, kann auch eine als ein Netzwerk des einen Typs

Kontakte der beiden Relais können beispielsweise und eine andere als ein Netzwerk eines anderen Typs

parallel in dem Erregerkreis eines Schützes liegen, unter allgemeineren Gesichtspunkten der Erfindung

durch das die gesamte Gleichrichteranlage abgeschaltet 30 geschaltet werden,

werden kann. Der Gleichstrom wird abgeleitet, indem Silizium-

Durch die Erfindung gelingt es somit, mit einem diodenbrücken RX1, RX 2, RX 3, RX 4 entsprechend

äußerst geringen Aufwand sowohl die Lastverteilung als Gleichrichter an jede der Sekundärwicklungen 51

auf die parallel arbeitenden Gleichrichter als auch bis 54 angeschlossen sind. Die Gleichstromanschluß-

den absoluten Wert der Belastung zu überwachen 35 klemmen der Brücken sind zusammen an die gemein-

und eine Abschaltung auszulösen, sobald dieser Ab- samen Ausgangsleiter OL1 und OL 2 angeschlossen,

solutwert länger als maximal zulässig bestehenbleibt. wobei OLl direkt an die Elektrode E und OL 2 an

Die einzelnen parallel arbeitenden Gleichrichterein- das Werkstück W angeschlossen ist.

heiten brauchen dabei nur mit einem einzigen Strom- Häufig werden eine Mehrzahl von Einheiten, wie

wandler ausgestattet zu sein. Man kann also ohne 40 eine solche in Fig. 1 gezeigt ist, parallel geschaltet,

weiteres mit den gleichen Relais beliebig viele parallel um eine sehr hohe Last zu speisen, z. B. eine größere

arbeitende Gleichrichterarbeiten überwachen und hat Anzahl von Schweißgeräten. Um Schäden für eine

somit eine Schutzeinrichtung, die nicht der Leistungs- der parallelen Einheiten auszuschalten, welche durch

fähigkeit der gesamten Gleichrichteranlage angepaßt die anderen Einheiten kurzgeschlossen worden ist,

zu werden braucht. 45 sind Hochstromsicherungen 13 in den Leitern OL1

Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand und OL 2 zwischengeschaltet. Es können verhältnis-

eines Ausführungsbeispieles wird nunmehr auf die mäßig kleine Sicherungen benutzt werden, welche die

Figuren der Zeichnung Bezug genommen, bei deren Eigenschaft haben, daß sie in sehr kurzer Zeit

Beschreibung sich noch weitere vorteilhaft in Ver- Q-U Periode) auf eine hohe Überlast ansprechen,

bindung mit der grundsätzlichen Erfindung benutz- 50 An einem der Leiter von jeder der Sekundärwick-

bare technische Einzelmerkmale ergeben werden. hingen 51 bis 54 zu den entsprechenden Brük-

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer be- ken RXl bis RX 4 ist einer der Stromtransformato-

vorzugten erfindungsgemäßen Ausführung; renCTl bis CT 4 entsprechend angekuppelt. Diese

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, welche die Stromtransformatoren haben SekundarwicMun-

zulässigen Überlastnennwerte einer Mehrzahl typischer 55 gen CS1 bis CS 4.

Siliziumdioden, welche bei der praktischen Erprobung Das Gerät enthält außerdem Relais ICR und 2Ci?.

der Erfindung benutzt werden, als eine Funktion der Jedes dieser Relais hat einen Kontakt ICRa und

Überlastzeitdauer zeigt; 2CRa. Das Relais 2CR ist ein Stromrelais und

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, welche die arbeitet, wenn seiner Spule eine vorbestimmte Span-Zeit zeigt, welche ein bei der praktischen Anwendung 60 nung aufgedrückt wird.

der Erfindung benutzter Fehlererfassungsmechanis- Das Relais 1CR ist ein Stromrelais, dessen Spule 11

mus zumArbeiten brauchte, als Funktion derüberlast. eine sehr kleine Impedanz hat. Zusätzlich hat dieses

Die in der Zeichnung gezeigte Anlage enthält ein Relais die Eigenschaft, daß es mit einem vorbestimm-

Lichtbogenschweißgerät, welches aus einer Elektrode E ten Zeitintervall in Abhängigkeit von dem Strom

und dem Werkstück W besteht. Dieses Schweißgerät 65 arbeitet, den es führt. Bei diesem Relais in einem

wird von einer Gleiohspannungsquelle gespeist, die einen Lastkreis wird eine Überlast von vorbestimmter

SchweißtransformatorT enthält. Dieser besitzt eine Größe das Arbeiten des Relais in einem vorbestimm-

PrimärwicklungP und die Sekundärwicklungen 51, ten Zeitintervall verursachen. Die Zeitstromkennlinie

des Relais ist so gewählt, daß sie der zulässigen Überlastkennlinie der Siliziumdioden in den Brük- kenRXl bis RX 4 entspricht.

Die Bezeichnung zwischen der Zeitstromkennlinie des Relais ICR und der zulässigen Überlastkennlinie der Siliziumdioden ist in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, welche die zulässigen Überlastkennlinien bei 25 und 75° C Umgebungstemperatur zeigt, wie sie sich für die Diodentypen 312, 322, 326, 327, 328, 329 und 339 ergeben haben, wie diese Dioden gekennzeichnet worden sind und durch die Firma Westinghouse Electric Corporation hergestellt werden. Der Überlastnennwert in Prozenten ist vertikal aufgetragen, und die Zeitwerte, während welcher die Dioden diese Überlast übernehmen können, sind beide in Sekunden und Perioden der Speiseenergie in horizontaler Richtung aufgetragen. Die oberen Kurven, wie sie gekennzeichnet sind, sind aufgetragen für das Arbeiten der ZeI-len mit einer 5X5XVs-Zoll-Kupferplatte als wärmeableitende Trägerplatte. Die unteren Kurven sind aufgetragen für das Arbeiten der Diode mit einer 7 X 7 X Vs-Zoll-Kupfer-Wärmeabführungsplatte. Die Zellen, für welche die Kurven aufgetragen sind, sind solche des -Ve-Zoll-Typs.

Fig. 3 zeigt die Zeitstromkennlinie des Relais ICi?. Die Zeit ist vertikal aufgetragen, und der Strom, welcher der Spule des Relais zugeführt wird, ist in horizontaler Richtung aufgetragen. Die Arbeitsdauer des Relais hat einen vorbestimmten Zeitwert für jeden Strom, wobei die Arbeitsdauer für niedrigere Ströme langer als für hohe Ströme ist. Das Relais ist von demjenigen Typ, daß es für irgendeine Beziehung zwischen der Zeit und dem Strom über einen vernünftigen Bereich eingestellt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Zeitstromkennlinie des Relais ICi? so gestaltet, daß sie der Überlastzeitkennlinie der Dioden entspricht, so daß für hohe Uberlastströme das Relais in einer entsprechend kurzen Zeit und für niedrigere Überlasten nach einer entsprechend längeren Zeit herausfallen würde. Die Zeiten sind so eingestellt, daß in jedem Fall die Dioden keinen Überstrom über einen Zeitraum führen können, der größer ist als die zulässige Überlastzeit, wie sie aus Kurven, z. B. solchen nach Fig. 2, zu entnehmen ist.

Die Spule 11 des Relais ICi? ist in Reihe mit den Wicklungen CS 3 und CS 4 geschaltet. Die Spule des Relais 2 CR ist parallel zu den Wicklungen CSl, CS 2, CS3, CS4 geschaltet, wobei die WicklungenCSX und CS 2 so geschaltet sind, daß ihre Ströme durch die Spule 2Ci? einander entgegengesetzt gerichtet sind, und die Wicklungen CS 3 und CS 4 sind ebenfalls so geschaltet, daß ihre entsprechenden Ströme durch diese Spule entgegengesetzte Richtungen haben. Das Relais ICi?, welches eine niedrige Impedanz hat, hat im wesentlichen keinen Einfluß auf die verschiedenen parallelen Kreise.

Die Auslösespule CB T ist passend gewählt, daß sie mit einem Auslösestrom von den Leitungen L 2 und L 3 über die zugeordneten Kontakte CBa oder den Unterbrechungsschalter CB und über Kontakte ICRa und 2 CRa gespeist werden kann, welche parallel geschaltet sind. Bei geschlossenem Schalter CB verursacht das Schließen entweder von ICRa oder 2CRa, daß der Unterbrechungsschalter ausgelöst wird.

Im Betrieb des Gerätes ist der Unterbrechungsschalter CB geschlossen, und es wird ein Lichtbogen zwischen der Elektrode £ und dem Werkstücke erzeugt. Die Schweißung schreitet dann bei mit Gleichstrom über die Diodenbrücken i?Xl bis i?Z4 gespeistem Lichtbogen fort. Das Relais ICi?, welches in Reihe mit den Wicklungen CS 3 und CS 4 geschaltet ist, führt einen Strom proportional der Belastung der Dioden. Wenn die Schweißung fortschreitet, ändern sich der Laststrom und der Strom, welcher durch die Spule 11 des Relais ICi? geführt wird, sehr steil. Der Laststrom kann die Nennlast der Dioden um mehrere 100% überschreiten. Die Spule 11 des Relais ICi? führt den Uberlaststrom während dieser Überlastungen, aber verbleibt unbetätigt, solange die Zeitdauer, während welcher eine Überlast besteht, innerhalb des zulässigen Bereichs liegt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn die Überlast über einen längeren Zeitraum als die zulässige Zeit besteht, wird das Relais ICi? betätigt, schließt den Kontakt ICRa und löst den Unterbrechungsschalter CB aus.

Die Spule des Relais 2 CR wird gespeist mit einem Strom abhängig von der Spannungsdifferenz, welche an den Paaren der Stromtransformatorwicklungen CSl, CS 2, CS 3 und CS 4 erzeugt wird. Solange die Ströme, die über die BrückenRXl, RX2, RX3, RX 4 gezogen werden, im Gleichgewicht sind, wird kein merklicher Strom durch die Spule von 2Ci? fließen. Wenn ein Ungleichgewicht in irgendeiner der Brücken auftritt, z. B. in .RAfI, ergibt sich ein entsprechendes Ungleichgewicht in der Spannung, welche z. B. durch CSl und CS 2 an der Spule 2 CR erzeugt wird. Es fließt dann ein Strom über die Spule von 2Ci? in der einen oder der anderen Richtung über den Betätigungskontakt 2 CRa und öffnet den Unterbrechungsschalter CB. Dieser unterbricht den Betrieb, ohne irgendwelchen Schaden an den Dioden zu verursachen, welche vor dem Auftreten des Fehlers, welcher das Ungleichgewicht verursacht, in gesundem Zustand waren.

Die Erfindung ist an Geräten angewendet worden, und es wurde festgestellt, daß sie in hohem Maße zufriedenstellend arbeiten. Eine typische solche Anwendung ist in einer Stromversorgungseinheit erfolgt, welche eine Kapazität von 1500 Ampere hat und benutzt wird, um ein Mehrfachschweißgerät zu speisen. Dieses Gerät enthält sechs Brücken, ähnlich und in ähnlicher Weise geschaltet wie die Brücken i?Zl bis i?Z4, in welchen die einzelnen Diodenzellen einen Durchmesser von Va Zoll haben. Jede Brücke ist bemessen, um einen Nennstrom von 310 Ampere dauernd zu führen, und das Gerät hat eine Nennlast von 2360 Ampere.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für Lichtbogenschweißgeräte, bei der 2 η Gleichrichtereinheiten parallel geschaltet sind und bei der in den Wechselstromkreisen der Gleichrichter Stromwandler vorgesehen sind, deren Sekundärwicklungen — wie bei Querdifferentialschutzeinrichtungen — paarweise gegensinnig parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Überlastung aller Gleichrichtereinheiten ein einziges Spezialrelais vorgesehen ist, dessen Erregerwicklung zwischen die gegensinnig parallel geschalteten Sekundärwicklungen zweier Stromwandler geschaltet ist, und daß zur Über-

wachung gleichmäßiger Lastverteilung ein zweites Relais vorgesehen ist, an dessen Erregerwicklung alle paarweise gegensinnig parallel geschalteten Stromwandlerwicklungen angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechcharakteristik (Abhängigkeit der Ansprechzeit vom Erregerstrom des Spezialrelais) der Überlastungscharakteristik (maximal zulässige Zeitdauer eines Überlastungsstromes bestimmter Größe) der verwendeten Gleichrichterzellen so angepaßt ist, daß der Anker dieses Relais anzieht, kurz bevor die zulässige Überlastung der Gleichrichterzellen überschrittdn wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung des Spezialrelais sehr niederohmig ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte der beiden Relais parallel geschaltet im Auslösekreis eines Trennschalters liegen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 969 354;

Titze: »Fehler und Fehlerschutz in elektrischen Drehstromanlagen«, Wien 1953, S.88, 176, 177, 178.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen