DE1183171B - Einrichtung zum Schutz von Halbleiter-Gleichrichteranlagen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H02j;

H02d

Deutsche Kl.: 21d3-2

Nummer: 1183 171

Aktenzeichen: W 32845 VIII b/21 d3

Anmeldetag: 25. August 1962

Auslegetag: 10. Dezember 1964

Die vorliegende Erfindung betrifft Einrichtungen zum Schutz von Halbleiter-Gleichrichteranlagen, insbesondere von Gleichrichteranlagen der Betriebsmittel elektrischer Eisenbahnen vor Überlastungen, Kurzschlußströmen und Überspannungen.

Zum Schutz der oben erwähnten Halbleiter-Gleichrichteranlagen vor Überlastungen, Kurzschlußströmen und Überspannungen ist es bekannt, Schmelzsicherungen zu verwenden, die im Wechselstromkreis oder in Zweige von Brückenschaltungen der Gleichrichteranlagen geschaltet werden.

Schmelzsicherungen gewähren indessen einen gewissen Schutz nur in Fällen, in denen die Schmelzdauer eines Sicherangseinsatzes und die Dauer des Bestehens eines Lichtbogens in der Sicherung eine viel kürzere ist als die zulässige Überlastungsdauer der Halbleiter-Schaltelemente. Diese Forderung ist besonders für Sicherungen mit hohen Nennleistungen sehr schwer zu erfüllen.

Infolgedessen liegt selbst bei Verwendung von flinken Sicherungen die Dauer des Kurzschlußstromes so hoch, daß sie sich Grenzwerten nähert, in denen ein vorzeitiger Ausfall von Halbleiter-Schaltelementen infolge Beschädigungen auftreten kann. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, zur Verhinderung einer gefährlichen Überlastung der Halbleiter-Schaltelemente Sicherungen in einer erheblichen Anzahl in der gesamten Anlage zu verwenden.

Außerdem ist zum Schutz von Halbleiter-Gleichrichteranlagen bekannt, Kurzschlußschalter zu verwenden, die mittels Uberlastungsschutzeinrichtungen betätigt werden und beim Ansprechen die Phasen der Speisespannung kurzschließen. Die Benutzung eines Kurzschlußschalters erlaubt nach dem Auftreten einer Beschädigung, mit einer minimalen Verzögerung den Stromfluß durch eine Gleichrichteranlage zu unterbrechen, indem sie von der Spannungsquelfe abgetrennt wird. Die Abschaltung wird jedoch bei Verwendung von Kurzschlußschaltern von einem schweren satten Kurzschluß an den Anschlußklemme© des die Gleiehrichteraralage speisenden Transformators und somit von der Abschaltung sämtlicher an ihn angeschlossener übriger Anlagen begleitet. Dieses ist vom Standpunkt der Betriebsführung unbequem und ist mit einer vorzeitigen Abnutzung der Betriebsmittel verbunden. Außerdem erfordert der Schutz mittels Schmelzsicherungen und Kurzschlußschalter zusätzliche Schaltelemente, die die Signalisierung und Abschaltung der Gleichrichteranlage im Falle eines Defektes an einem Halbleiter-Schältelement gewährleisten.

Weiterhin haben zum Schlitz von Halbleiter-Einrichtung zum Schutz von Halbleiter-GleichrichteräßlageQ

Anmelder:

Wsesojusnij Nautschno-Issledowatelskij

Institut Shdesnodoroshnogo Traneporta,

Moskau

Vertreter:

Dipl.-Chem. L. Zellentin, Patentanwalt,

Ludwigshafen/Rhein, Halbergstr. 25

Als Erfinder benannt:
Wiktor D. Radtschenko,
Wiktor S. Kaitkow,
Lew LKonyschew, Moskau

Gleichrichteranlagen mit Brückenschalteag der Transistoren Einrichtungen Anwendung gefunden, die die Brückenzweige in dem Augenblick abschalten, in dem kein elektrischer Strom durch die betreffenden Brückenzweige fließt. Dieses Abschaltverfahrea gibt die Möglichkeit, Trennschalter ohne Lichtbogemlöscher zu verwenden, wobei ihre Außenmaße verkleinert werden können. Diese Einrichtungen besitzen jedoch auf Grand der unvoHfcoHMaenen Bauart der Trennschalter und auf Grand des komplizierten! Systems der Automatikschaltnaigen' eine verhältnismäßig hohe Abschaltdamer, smd empfindlich in bezug auf Störungen und enthalten eine große Anzahl empfindlicher Bauteile, wodurch die Zuverlässigkeit in der Arbeit der Einriditaag herabgesetzt wird.

Es ist weiterhin bekanntgeworden, Fankenrelais so zu schalten, daß sie mittels Kuuzschluß usd Überlastumgsgeber ansprechen uad die Betätigung einer Schutzeinrichtung büwirkea. Di© beianrrte Sdrafcmg eines Funkenreltis hai jedfoclu deß NacfeteiL daß beim A&sprechea des Relais über die I&ootektiklemmen ein KurzscfatkÄtmoi Äeß% <hmh dessen Lichtbogen die Elektrödeaiklemmen stark abgesdammofeen werden, so daß sich mit der Zeit die Stabilität der Schaltung verändert

Femer ist eine Schufeeinriebtang. §Jx Wechsel-So stromanlagen gegen- Lichtbogen bekaHntgewordeai, bei der die Lichtersdfosknmgen. vom eimer Hwtazelle aufgenommem werdeo, wobei auf eine Bdkhtmg der

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Photozelle mit dem pulsierenden Licht des Wechselstromlichtbogens eine Auslösevorrichtung steuert. Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schutz für Halbleiter-Gleichrichteranlagen von elektrischen Eisenbahnen zu schaffen, der zuverlässiger ist und mit einer kürzeren Ansprechzeit als die bekannten Einrichtungen arbeitet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zum Schutz von Halbleiter-Gleichrichteranlagen der Betriebsmittel elektrischer Eisenbahnen vor Überlastungen, Kurzschlußströmen und Überspannungen vorgeschlagen, bei der Funkenrelais und elektromagnetische Trennschalter vorgesehen sind, die in benachbarte Zweige von Brückenschaltungen der Gleichrichteranlage geschaltet sind und diese Zweige während der nichtleitenden Halbperiode abschalten. Kennzeichnend für die Erfindung ist dabei, daß die an sich bekannten Funkenrelais über einen Impulstransformator und eine Triggereinrichtung als Verstärkerelemente geschaltet sind und mittels Kurzschluß- bzw. Überlastungsgebern, Transistordurchschlaggebern bzw. Spannungsüberwachungsgebern steuerbar siad.

Weitere Zwecke und technische Vorteile der Erfindung sind aus der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich, in denen

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung bei hochspannungsseitiger Spannungsregelung zeigt, F i g. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung bei der

niederspannungsseitigen Spannungsregelung darstellt, F i g. 3 ein Schaltbild der Anlage mit einer Hälfte

der Gleichrichterbrücke (zwei Brückenzweige) zeigt

F i g. 4 ein Schaltbild einer möglichen Ausführungsform des Überlastungsgebers wiedergibt.

Wie aus dea Blockschaltungen (F i g. 1 und 2) ersichtlich ist, enthält die erfindungsgemäße Einrichtung zwei schnellwirkende Trennschalter I, die in die Zweige A und B einer Brückengleichrichteranlage geschaltet sind, zwei Kurzschluß- und Überlastungsgeber II, die beim Auftreten einer Überlastung oder eines Kurzschlusses im Stromkreis der Gleichrichteranlage ansprechen, vier Geber III eines Transistordurchschlages, die im Falle eines Durchschlages eines der Transistoren in den Zweigen »^1«, »B«, »C« oder »D« der Gleichrichteranlage oder im Falle einer unzulässigen Spannungserhöhung an den Transistoren die Schutzeinrichtung betätigen, eine Steuereinrichtung IV, die zwei Trigger Va und Vb (Fig. 3) ent-MIt, die die Signale der Geber empfangen und zwei Transistorverstärker VT, die mit Hilfe von Funken-Telais VII das Schließen der Stromkreise der Abschaltmagnete der Trennschalter I bewirken, einen Geber VIII der Spannungskontrolle, der nur dann den Transistorverstärkern VI das Kommando zur Abschaltung des entsprechenden Trennschalters I frei gibt, wenn über seine Kontakte kein gleichgerichteter Strom fließt, eine Stromquelle IX zum Aufladen der Kondensatoren des Abschaltstromkreises der Trennschalter I und zur Erzeugung der erforderlichen Spannungen EZ₁ und U_k für die Speisung der Trigger V und der Verstärker VI.

Der schnellwirkende Trennschalter I ist ein elektromagnetisches Relais mit dauernd geschlossenen Leistungskontakten (Fig. 3). Das Schließen der Leistungskontakte des Trennschalters I erfolgt durch eine bewegliche Kontaktbrücke 2 unter Einwirkung einer Druckfeder 3. Das Abschalten des Trennschalters I erfolgt mittels eines Elektromagneten 4, dessen Anker 5 mittels einer Zugstange 6 mit der beweglichen Kontaktbrücke 2 verbunden ist. Im abgeschalteten Zustande wird die Brücke 2 durch eine Einrastklinke 7 festgehalten, deren Auslösung, — bei Wiedereinlegen des Trennschalters I — mittels eines Elektromagneten 8 erfolgt. Hierbei ist es bei der Abhebung der Brücke 2 nicht erforderlich, daß die Eino fallklinke zurückgezogen wird, sondern das bewegliche System 2, 5, 6 wird in Bewegung gebracht, sobald die Kraft des Elektromagneten die Kraft der Druckfeder 3 überschreitet.
Eine kurze Ausschaltzeit des Trennschalters wird dadurch erreicht, daß die Masse des beweglichen Systems sehr klein gewählt wird und die Kraft des Magneten 4 eine beträchtliche Größe aufweist, die die Kraft der Druckfeder 3 um einige dützendmal übersteigt.

ao Eine wichtige Bedeutung für die Beschleunigung der Trennung hat die Sicherstellung des hohen Anstiegs der Kraft des Magneten 4. Dies wird erreicht durch die Herabsetzung der Induktivität der Magnetwindung 9 bis zum äußersten möglichen Minimalwert

as und durch Erhöhung der Spannung an den. Kondensatoren 10, die sich auf die Windung 9 entladen.

Die parallel zu den Kontakten- der Trennschalter I geschalteten Kondensatoren II verhüten eine Funkenbildung an den Kontakten der Trennschalter, die aus der Unterbrechung des Rückflußstromes der Transistoren^ oder B der Gleichrichteranlage entsteht. Um die Gesamtdauer der Ausschaltzeit der erfindungsgemäßen Einrichtung herabzusetzen, wird der Stromkreis der Windungen 9, der Magnete» 4 und der Entladungskondensatoren· 10 mittels FunkearelaisVII geschlossen, zum Unterschied zu den bekannten Einrichtungen, die keine beweglichen Teile aufweisen. Die Wirkung dieser Funkenrelais beruht auf der Entstehung einer Entladung zwischen· den Hauptelektroden 13 im Augenblick einer Entstehung eines ionisierenden Zündfunkens an den Hilfselektroden 12.

Jedes dieser Funkenrelais VII wird vom Zündtransformator X betätigt, dessen Primärwindung 14 in den Stromkreis des Ausgangstransistors T₁ des Transistorverstärkers VI geschaltet ist.

Das Öffnen des Ausgangstransistors T₁ erlaubt dem Kondensator 15 sich über die Wiadtmg 14 des Impulstransformators X zu entladen und eine ionisierende Entladung im Funkenrelais VII zu bewirken. Das Schalten (öffnen) der Eingangstriode. T₃ des Verstärkers VI erfolgt mittels einer Und-Schaltang XI (Fig. 3) bei gleichzeitigem Auftreten von drei Signalen:

a) eines unstabilisierten Signals des Gebers der Spannungsüberwachung VIII,

b) eines Signals vom Synchronisationselement XII, das nur während der nichtleitenden Halbperiode wirksam ist und kurze Zeit vor dem Ende dieser Periode aufhört,

c) eines Signals aus einer Oder-Schaltung, die aus zwei Dioden besteht und über die an dem einen der Eingänge der Und-Schaltung XI (Fig. 3)

g die Signale von den Triggern Va und V& angelegt werden.

Da der Verstärker VI nur bei gleichzeitigem Auftreten dieser drei Signale an jedem der Eingänge des

Schaltungselementes XI wirksam wird, führt dieses Element die Funktionen einer Und-Schaltung aus.

Das Vorhandensein des Synchronisationselementes, das als i?C-Kette ausgeführt ist, vereinfacht erheblich das Schaltbild und verhindert, daß der Trennschalter I im letzten Augenblick der nichtleitenden Halbperiode abschaltet. Hierdurch wird das Öffnen der Kontakte 1 und 2 des Trennschalters I infolge von Trägheit unter Strom verhindert.

Die im Schaltbild verwendete Art der logischen io »Und«-Schaltung gestattet ohne stabilisierte Auslösesignale auszukommen. Dadurch wird das Schaltbild des Gebers VIII für die Überwachung der Spannung wesentlich vereinfacht und die Möglichkeit ge-

widerstand 21, einen regelbaren Widerstand 22 und eine zusätzliche Gleichrictoterbrücke 23 besitzt (Fig. 4).

Die Austrittsleitungen von der Niederspannungs-5 brücke 23 des Gebers XIII sind mit den Punkten C und h_a der Einrichtung verbunden (F i g. 4).

Um die Einrichtung beim Durchschlag eines Transistors in den Brückenzweig&a^, B₁ C oder D zum Arbeiten zu bringen, können zwei Arten von Gebern IH₀ und III_& verwendet werden.

Die Wirkungsweise der Geber beruht darauf, daß beim Durchschlag eines der Transistoren an den Elementen des Brückenzweiges zwischen den Punkten d-1 und f-g eine Spannungsdifferenz auftritt. Bei der

schaffen, ohne stabilisierende Dioden auszukommen. 15 ersten Art eines GebersItI₆ (Fig. 3 Geber des Brük-Die Trigger V₀ und V_& zum Schutz gegen Kurz- kenzweiges B) ruft die beim Durchschlag des Transchluß

und des Durchschlages von Transistoren haben einen stabilen Zustand und enthalten die Halbleitertrioden Γ₄ und T₅.

sistors entstehende Spannungsdifferenz zwischen den Punkten f-g einen Durchschlag einer der Funkenstrecken 24 des Gebers m_ö hervor und somit das

Beim Empfang eines Signals vom Geber II oder III 20 Aufblitzen der Impulslampe 25.
wird der entsprechende Trigger ausgelöst. Hierbei Unter der Wirkung des Lichtstromes wird in der

wird die Halbleitertriode T₄ geschlossen und der Photozelle 26 des Gebers ΠΙ_& ein Impuls erzeugt, der Trigger 5 geöffnet. Hierdurch erscheint am Wider- die Auslösung des Triggers V₆ bewirkt. Bei Verstand 16 ein Spannungsimpuls mit einer Dauer von wendung von Gebern dieser Art in sämtlichen Brükeinigen Halbperioden. Das Auftreten dieses Impulses 25 kenzweigen der Gleichrichteranlage, werden sie alle bringt sofort den Transistorverstärker VI in Tätigkeit, in der gleichen Weise geschaltet. Die Austrittsleitun- und der Trennschalter I trennt denjenigen Brücken- gen der Photozellen 26 werden an die Punkte a-b der zweig, durch den im gegebenen Augenblick kein Schutzschaltung angeschlossen,
gleichgerichteter Strom fließt. Der andere Trenn- Auf Grund der Tatsache, daß zwischen den

schalter I wird hierbei nicht abgeschaltet auf Grand 30 Steuerstromkreisen und dem Leistungsstromkreis dessen, daß in seinen Stromkreis der logischen keine leitende Verbindung und keine elektromagne- »Und«-Schaltung XI kein Signal vom Geber VIII der tische Kopplung vorhanden ist, wird von einem sol-Spannungsüberwachung gelangt. Nach Beendigung chen Geber die Stabilität des Schutzes bei beliebigen der leitenden Halbperiode und nach Empfang des Übergangsvorgängen im Leistungsstromkreis in keiner Auslösesignals vom Geber VIII (das Signal vom 35 Weise beeinträchtigt.

Trigger V dauert an) wird der zweite Trennschalter I Ein großer Vorzug dieses Gebers im Vergleich mit

ebenfalls abgeschaltet. den bekannten Schaltungen ist die Möglichkeit der

Als ein bedeutsames Element des Schutzes können momentanen Auslösung (somit auch eine Momentandie Geber III für den Durchschlag eines Transistors auslösung des Schutzes) beim Auftreten einer er- und die Geber II für den Kurzschluß angesehen 40 höhten Spannung an der Gleichrichteranlage,
werden. Bei der zweiten Art eines GebersΙΠ_α (Fig. 3),

In der Eigenschaft eines Überlastungs- und Kurz- Geber im Brückenzweig Ä, wird beim Durchschlag schlußgebers II wird im Schaltbild ein toroidaler ge- eines Transistors des Brückenzweiges A die Spansättigter Kern 17 verwendet, der aus einem Material nungsdifferenz zwischen den Punkten d-1 über den mit rechteckiger Hysteresisschleife hergestellt ist. Die 45 Abspanntransformator 27 und' die Gleichrichter-Windungen 18 für die Vormagnetisierung beider brücke 28 dem Trigger V₀ angelegt. Um eine Beein-Kerne 17 sind in Reihe geschaltet und erzeugen einen nussung der Schutzschaltung durch Störungen zu verMagnetfluß, der der Richtung der Leistungswindung hindern, sind bei diesen Geber die Windungen des 19 entgegengesetzt gerichtet ist. Zur Herabsetzimg Abspanntransformators, auf verschiedenen Kernen der Amperwindungen der zur Vormagnetisierung 50 angeordnet, und das Eisen der Kerne ist geerdet. Falls dienenden Windungen 18 wird in die Leistungs- zum Schutz der Brückenzweige A₁ B, C und D diese windungen 19 des Kernes 17 nur ein Teil des gleich- Art eines Gebers verwendet wird, werden die Ausgerichteten Stromes abgezweigt. trittsleitungen der Niederspannungsstromkreise des Eine Erhöhung der Amperwindungen der Be- Gebers an die Punkte »α« und »c« der Schutzschallastung über den Amperwnidungen 18 für das Vor- 55 tung angeschlossen.

magnetisieren bewirkt eine scharfe Ummagnetisie- Die in dieser Beschreibung offenbarte Erfindung

rung des Kernes 17, wobei an dessen Ausgangswin- kann sowohl zum Schurze von Halbleiter-Gleichdung 20 ein Spannungsimpuls erscheint, der genügend richteranlagen mit hochspannungsseitiger Spannungsstark ist, um den TriggerV auszulösen. Die Einschal- regelung (Fig. 1) als auch mit niederspannungsseititung der Geber II in die Brückenzweige der Gleich- 60 ger Spannungsregelung (F i g. 2) angewendet werden, richteranlage und nicht in den Stromkreis des gleich- Bei der niederspannungsseitigen Spannungsrege-

gerichteten Stromes gestattet auf Grund der hohen lung werden mit Hilfe eines Transistorüberganges, Steilheit der Änderung des Wechselstromes, das An- der den Kurzschluß des Verbindungsabschnittes des sprechen des Schutzes zu beschleunigen. Als Über- Umspanntransformators verhindert, die schnelllastungsgeber kann im Schaltbild auch ein gewöhn- 65 wirkenden Trennschalter zwischen den Transistoren

licher Transformator XIII (F i g. 1 und 2) verwendet
werden, der in den Wechselstromkreis der Gleichrichteranlage geschaltet ist und einen Belastungs-

der Gleichrichterbrücke (Brückenzweige A und B) und den zusätzlichen Dioden 29 und 3a (Fig. 2)" zwischengeschaltet.

In diesem Falle wird beim schnellwirkenden Trennschalter noch eine zusätzliche AustrittsleitoHg (F i g. 3) vorgesehen, die mittels eines flexiblen Nebenschlusses 32 mit dem beweglichen Kontakt 2 verbunden ist.

Die Ausgänge I (F i g. 3) des Trennschalters sind mit den Dioden des Transistorüberganges verbunden und die zusätzliche Austrittsleitung 31 m den Transistoren der Hauptbrückenzweige A oder B der Gleichrichteranlage angeschlossen. Die Kondeasatoren 11 sind in diesem Fall paralel zu den Kontakten I und 31 geschattet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Schutz voa Halblefter-Gleichrichteranlagen, insbesondere zum Schatz von Gleichrichteranlagen der Betriebsmittel elektrischer Eisenbahnen vor Überlastungen, Ktttzschlußströmen und Uberspanrjraeg, %ei der ekk- ao tromagnetische Trennschalter verwestet werden, die in die Verbindungen der Zweige and Brücken, Schaltungen der Gleichrichteranlage -geschaltet sind, und ferner Funkeareiais vorgesehen siad, mit deren Hufe schnellwirkende Yrennscbaltet as während der nichtleitenden Halbperiede diese Zweige abschalten, dadurch gekefi-Hzeieltnet, daß die an sich bekaefitea FattkeereirSHS (VTH) über eisen impolstaosforrfiSloc xma eine Triggereinrichtung als Verstärkereleiaerfte ge- so schaltet sind und mittels Kurzschluß- bzw. Über-

lastuagsgebera (II) TransistordBrchschlaggdieöi (ΠΙ) bzw. Spannungsüberwsu;htDigsgebem (VHI) steuerbar SBsd.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Elektrodeöpaare (12) jedes Funkenreiais (\T1), die den ionisieieüden Zündfunken erzeugen, in den Stromkreis eines Impulstraiisformators (X) gescbaltei sma, dessen Priiaärwind«teg in dea Staomkreis eiwr ABSgaQgstriode (Tr) des Vefstärfcears dear EincichtuQg gescfeitet ist.

3. Eumchtssg nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum öffae» der Tsiaäe T₃ eiae >ttad«-ScliaJiin^ (Xi) voiv

d i

ist, die beim gleichzeitigen Auftrete« eines unstabilisierteii Sig&ak äts Gebers (der Spanirangsöberwachung (VHI) und eines Sjgsök vom SynchrtmisatiaBscleraeot (Xß) und eines Signals vom Kurzschlußgeber ι(Π) bzw. TraasisiopdürdischlaggebeT ξΆΪ} wklcsam wird.

4. Säaxkbtung nach tAmm der Anaftfücbe 1 tos 3, dedurda gekennzeichnet, daß dor
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deren DufdbscUag ein AafbÜtafc* -eaac pqp (25) bewiskt, wobei Aircii «in w de» Strosatexs. des Triggots- (V») geachaitetee die Schuticaarkiirtimg fei

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Deatsche Pateatsdirift Nr. 824 812.

Hierzu 1 Blatt Zeichaungea

409 757/145 12.64 θ Bundesdiuckerel Berlin