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Schutzeinrichtung für Stromrichteranlagen mit Halbleiterelemente auf
der Basis eines Halbleiterkörpers aus Germanium oder Silizium enthaltenden Ventilen
Die Erfindung bezieht sich auf Schutzeinrichtungen für Stromrichteranlagen mit Halbleiterbauelemente
auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus Germanium oder Silizium enthaltenden Ventilen.
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Bei solchen Stromrichteranlagen muß in Betracht gezogen werden, daß
derartige Halbleiterbauelemente beim Überschreiten ihrer zulässigen Belastung zufolge
ihrer spezifisch hohen Strombelastung thermisch sehr empfindlich sind, weshalb sie
bei einer drohenden oder eintretenden unzulässigen Überlastung schnell und wirksam
geschützt werden müssen, und außerdem beim Schadhaftwerden solcher Halbleiterbauelemente
eine solche Anlage auch dann gegen das Schadhaftwerden weiterer ihrer Halbleiterbauelemente
geschützt werden muß, wenn durch das Schadhaftwerden dieser Stromrichteranlage von
einem gespeisten Verbraucher mit Gegenspannung oder von einer anderen, parallel
auf die gleichen Sammelschienen arbeitenden Spannungsquelle in diese schadhafte
Anlage eingespeist werden kann.
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Selbst wenn in einer solchen Stromrichteranlage im Fall des Auftretens
von inneren Fehlern an Halbleiterbauelementen die wechselstromseitigen Zuführungsleitungen
zu dem Halbleiterventilesatz mittels eines schnell arbeitenden Schalters überbrückt
werden würden, so würde das also noch keinen vollständigen Schutz für die Halbleiterbauelemente
der Stromrichteranlage bringen.
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Die hierdurch entstehende Aufgabe der Schaffung eines auch in solchen
Fällen ausreichenden und wirksamen Schutzes für die Stromrichteranlage läßt sich
jedoch dadurch lösen, daß erfindungsgemäß bei einem drohenden oder eintretenden
inneren oder äußeren Fehler selbsttätig eine solche Schutzschaltung in der Stromrichteranlage
herbeigeführt wird, in welcher gleichzeitig sowohl die wechselstromseitigen Zuleitungen
zu dem Halbleiterventilesatz der Anlage als auch in diesem Ventilesatz die einzelnen
Halbleiterelemente selbst innerhalb eines ihrem Schutzerfordernis angepaßten kurzen
Zeitwertes überbrückt werden. In diesem dann erreichten Zustand kann kein unzulässiger
Überstrom mehr seinen Weg über die auch noch intakt befindlichen Halbleiterbauelemente
nehmen.
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Zur näheren Erläuterung von Ausführungsbeispielen für die Anwendung
der Erfindung wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen. In diesen
enthält F i g. 1 eine dreiphasige Mittelpunkts- bzw. Sternpunktsschaltung und F
i g. 2 eine dreiphasige Gleichrichterbrückenschaltung. In F i g.1 wird vom dreiphasigen
Wechselstromnetz über einen Netzschalter 12 und einen sternstern-geschalteten Transformator
1 mit den sekundären Phasenwicklungen 2 der aus Halbleiterflächengleichrichterelementen
bestehende elektrische Ventilesatz 3 mit den elektrischen Ventilen 3 a bis 3 c in
den Phasenleitungen der Gleichstromverbraucher 4 gespeist. In den Zuleitungen von
den drei sekundären Phasenwicklungen 2 des Transformators 1 sind je eine der überstromüberwachungseinrichtungen
8 a bis 8 c und je eine der Rückstromüberwachungseinrichtungen 9 a bis 9 c angeordnet.
Außerdem können in der Gleichstromspeiseleitung zum Verbraucher 4 ebenfalls noch
je eine überstromüberwachungseinrichtung 10 und eine Rückstromüberwachungseinrich
tung 11 angeordnet sein. 5 bezeichnet einen in Anpassung an das Verhalten der Halbleiterbauelemente
schnell arbeitenden für Kontaktumformerzwecke bekannten Kurzschließer, dessen Auslöseeinrichtung
mit fi und dessen aus einer Schaltbrücke sowie dieser zugeordneten Gegenkontakten
bestehendes Schaltersystem mit 7 bezeichnet sind. Gleichzeitig wird von der Betätigungseinrichtung
der Schaltbrücke eine Schalteinrichtung 6a mit betätigt, deren Schaltbrücke im Zuge
der Speisung der Wicklung der AusIöseeinrichtung 13 für die Schaltbrücken des Netzschalters
12 liegt.
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Wie die Schaltung zeigt, ist die Schaltbrücke im System 7 des Kurzschließers
5 mit der SammeIschiene verbunden, an welche die Kathoden der Halbleitergleichrichterelemente
3 a bis 3 c angeschlossen sind. Wie die gestrichelt eingetragenen Wirkungslinien
zwischen den SchaltungseIementen 8 a bis 8 c, 9 a bis
9 c,10
und 11 und dem Auslöser 6 des Kurzschließers andeuten, wird, sobald an einer dieser
überwachungseinrichtungen ein entsprechender drohender oder eingetretener, für die
Halbleiterbauelemente gefährlicher Fehler erfaßt wird, von der entsprechenden Überwachungseinrichtung
ein entsprechendes Signal an die Auslöseeinrichtung 6 des Kurzschließers 5 gegeben.
Dieser führt in einem durch die Anforderungen der Halbleiterbauelemente zeitabhängig
bestimmten schnellen Schaltvorgang durch das Zusammentreffen seiner Schaltbrücke
mit den Kontakten im Schaltersystem 7 von 5 einerseits eine Überbrückung der wechselstromseitigen
Zuleitungen zu den Ventilen 3 a bis 3 c vor diesen Ventilen herbei sowie gleichzeitig
eine t7berbrückung jedes einzelnen der Ventile 3 a, 3 b und 3 c bzw. der in diesen
enthaltenen Halbleiterbauelemente.
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In der Gleichrichterbrückenschaltung nach F i g. 2 sind, soweit diese
Schaltung wieder gleichartige Teile enthält, die bereits in F i g. 1 vorhanden und
in Verbindung mit dieser erläutert worden sind, der Einfachheit halber für diese
Schaltungsteile die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden, jedoch mit einem
zusätzlichen Strich versehen.
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So erfolgt wieder die Speisung der Stromrichterschaltung und des Verbrauchers
4' vom dreiphasigen Wechselstromnetz über den Netzschalter 12' mit dem Auslöser
13', den Transformator 1' mit seinen Sekundärwicklungen 2' über überstromüberwachungseinrichtungen
8'a bis 8'c sowie Rückstromüberwachungseinrichtungen 9'a bis 9'c, die Brückenzweige
der Gleichrichterbrückenschaltung mit je einem der elektrischen Ventile 3'a bis
3'f, mit je einer der überstromüberwachungseinrichtungen 8"a bis 8"f, mit je einer
der Rückstromüberwachungseinrichtungen 9"a bis 9"f sowie die überstromüberwachungseinrichtung
10' und die Rückstromüberwachungseinrichtung 11', die auf der Gleichstromseite der
Anlage liegen. Die positive Sammelschiene bzw. der positive Pol der Stromrichteranlage
ist an die Schaltbrücke des Schaltersystems 7' des Schnellschalters 5', die negative
Sammelschiene der Anlage an die entsprechende Schaltbrücke des Schaltersystems 7"
des Kurzschließers 5" angeschlossen, die jeweils mit entsprechenden Gegenkontakten
zusammenarbeiten, welche an die Wechelstromzuleitungen zur Gleichrichterbrückenschaltung
angeschlossen sind.
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Die überstromüberwachungseinrichtung im Sinn von 8'a bis 8'c sowie
8"a bis 8"f könnte dabei jeweils derart in ihrem Ansprechwert bemessen bzw. eingestellt
sein, daß sie bereits bei einem überstrom ansprechen, der zwar wesentlich oberhalb
der Normalbelastung der Anlage, jedoch noch nicht in der Größenordnung eines Kurzschlusses
liegt.
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Wie bereits in den beispielsweisen Schaltungen verwirklicht, kann
es zweckmäßig sein, auf den Auslöser des Schnellschalters bzw. Kurzschließers zusätzlich
dann zu wirken, wenn ein Rückstrom auftritt, da der Richtungswechsel, der als Ansprechkriterium
dient, bereits bei sehr kleinem Rückstrom meßbar bzw. erfaßbar ist.
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Für die günstige Arbeitsweise einer solchen erfindungsgemäßen Schaltung
sei auf folgendes hingewiesen: Es wird z. B. angenommen, daß in der Anlage ein Fehler
mit dem Charakter eines äußeren Kurzschlusses entsteht oder zufolge einer äußeren
Stromüberlastung droht, der zu einer unzulässigen Belastung von Halbleiterbauelementen
führen könnte. In diesem Fall wird also eine der den Überstrom erfassenden Überwachungseinrichtungen
ansprechen und ein Auslösekommando an den bzw. die nach Art eines Kurzschließers
arbeitenden Schalter geben.
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Würde dieser Kurzschließer nun nur die wechselstromseitigen Zuleitungen
zu dem Ventilesatz überbrücken, so würde in der Anlage ein Zustand vorliegen, in
welchem eine relativ große Leiterschleife vorhanden ist, die über die Halbleiterbauelemente,
den Verbraucher und gegebenenfalls die in der Anlage benutzten Glättungsdrosseln
verläuft. Ein solcher Stromkreis würde aber offensichtlich eine relativ große Induktivität
bei relativ kleinem ohmschen Widerstand aufweisen. Das bedeutet aber wegen dieses
vorgegebenen großen Verhältnisses L : R, daß dieser Stromkreis eine verhältnismäßig
große Zeitkonstante aufweist und somit der 'Überstrom über die gefährdeten Halbleiterbauelemente
nur mit dieser Zeitkonstante des Kreises abklingen kann, obwohl die wechselstromseitige
Leistungseinspeisung in den Ventilesatz bereits abgetrennt ist.
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Wird aber im Sinn der Erfindung nicht nur eine Überbrückung der wechselstromseitigen
Zuleitungen in einem drohenden oder eingetretenen Fehlerfall vorgenommen, sondern
gleichzeitig auch eine unmittelbare Überbrückung der einzelnen Ventile bzw. Halbleiterbauelemente,
so kommutiert nunmehr auf jeden Fall der bisher seinen Weg über die Halbleiterelemente
nehmende Strom auf die diesen parallelliegenden Überbrückungsleiter. Die Folge ist,
daß der Strom über jedes Halbleiterbauelement nunmehr unabhängig von der induktiven
Wirkung der in Rechnung zu stellenden Leiterschleife abklingen kann. Gleichzeitig
wird ein Ansteigen des Stromes in dem parallelliegenden Kurzschlußkreis stattfinden,
was aber keine nachteilige Beeinflussung des Halbleiterbauelementes mehr mit sich
bringen kann. Es ist also insgesamt eine wesentlich verbesserte technische Arbeitsweise
der Stromrichteranlage im Fall eines für die Halbleiterbauelemente notwendig werdenden
Schutzes erreicht.
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Für die vorteilhafte Wirkung einer erfindungsgemäßen Anordnung im
Fall einer Mittelpunkts-bzw. Sternpunktsgleichrichterschaltung ist zu übersehen,
daß bei der Einspeisung in eine solche schadhaft gewordene Anlage die auftretenden
Ströme an den überbrückten Halbleiterbauelementen vorbeigeleitet werden.
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Die Erfindung ist sowohl anwendbar, wenn es sich um reine Flächengleichrichterventile
mit pn-Übergang handelt, die einer Gleichrichterschaltung angehören, als auch dann,
wenn Halbleiterelemente in Form von Transistoren in einer Wechselrichterschaltung
zur Anwendung gelangen, die also bei Speisung aus einer Gleichstromquelle an ihrem
Ausgang eine erwünschte Wechselstromleistung liefern.
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Die Anwendung der Erfindung ist sowohl von Bedeutung, wenn für je
ein elektrisches Ventil ein Halbleiterbauelement vorgesehen ist, mehrere Halbleiterbauelemente
elektrisch parallel, elektrisch in Reihe oder sowohl elektrisch in Reihe als auch
parallel geschaltet sind, so daß also eine Reihenparallelschaltung vorliegt.
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Es kann sich auch die Anwendung einer Reihenschaltung von Halbleiterbauelementen
in der einzelnen Ventilanordnung empfehlen, um auf diese Weise eine Anordnung zu
schaffen, in welcher die Betätigung des Auslösers für den schnell arbeitenden
Schalter
in Abhängigkeit von dem Geben eines Steuersignals durch eine Einrichtung erfolgt,
welche die Anlage dadurch auf eintretende Fehler überwacht, daß sie ein Steuersignal
für die Herbeiführung einer Schutzschaltung dann gibt, wenn die Sperrspannung an
den einzelnen Halbleiterventilen absinkt oder praktisch einen Grenzwert dieses Absinkens
annimmt, nämlich vollständig in Wegfall kommt.
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Ein solches Schadhaftwerden, welches in der an dem einzelnen Halbleiterbauelement
bestehenden Sperrspannung in Erscheinung tritt, könnte in gleichartiger Weise wieder
eine unzulässige überlastung der anderen Halbleiterventile der Schaltung herbeiführen.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung dieses Lösungsweges im Rahmen
der Erfindung veranschaulicht das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 der Zeichnung.
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In Abweichung von den anderen beiden Ausführungsbeispielen sind in
diesem Fall in jeder Ventilanordnung zwei Halbleiterbauelemente in elektrischer
Reihenschaltung vorgesehen.
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Die Anlage wird wieder von einem dreiphasigen Wechselstromnetz RST
über den Schalter 12, den Transformator 1 und dessen Sekundärwicklungen 2 sowie
die Ventilanordnungen 44 bis 46 gespeist, wo der Gleichstromverbraucher 4 liegt.
Jede der Ventilanordnungen 44 bis 46 besteht aus je einem der in Reihe
geschalteten Halbleiterbauelementepaare 38-39, 40-41 bzw. 42-43. In Zuordnung zu
jedem dieser Ventilpaare ist je ein polarisiertes Relais vorgesehen. Jedes dieser
polarisierten Relais weist zwei Wicklungen auf, von denen je eine je einem der in
Reihe geschalteten Ventile parallel geschaltet ist. Das Schaltorgan dieses polarisierten
Relais ist jeweils in Form eines Schwenkhebels dargestellt, welcher um den entsprechenden
der Drehpunkte 44 a bis 46a schwenkbar ist. Das entsprechende dieser
Schaltbrückenorgane arbeitet mit je einem der ruhenden Gegenkontaktpaare 44b-44c
bzw. 45b-45c bzw.
46b-46c zusammen. Die Wirkungsweise jedes dieser
polarisierten Relais ist diejenige eines Differentialrelais mit polarisiertem Anker.
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Solange an den beiden in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen
die gleiche Sperrspannung herrscht, wird jede der beiden Wicklungen jedes einzelnen
Differentialrelais mit dem gleichen mittleren Strom gespeist. Der polarisierte Anker
des Relais bleibt daher in seiner Mittellage bzw. Ruhestellung und damit auch das
Schaltorgan in einer Lage zwischen den Kontakten des ruhenden Gegenkontaktpaares.
Bricht nun jedoch durch das Schadhaftwerden eines der Halbleiterbauelemente die
Spannung an dessen Anschlußklemmen zusammen, so wird der Strom, der durch eine der
beiden Wicklungen des entsprechenden Differentialrelais fließt, überwiegen. Hierdurch
wird das polarisierte Schaltorgan, z. B. das um 44a schwenkbare, nach der einen
oder der anderen Seite zum Anschlag und mit einem der ruhenden Gegenkontakte 44
b oder 44 c in Berührung kommen. Hierdurch wird der Stromkreis für den Auslöser
6 des schnell arbeitenden Schalters 5 geschlossen, so daß durch dessen Schaltkontakte
7 jedes der aus in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen bestehenden Ventile
an seinen Enden überbrückt wird, und gleichzeitig werden auch die Wechselstromzuleitungen
zu der Ventilanordnung überbrückt. Es verläuft z. B. die Überbrückung zwischen den
beiden linken Phasenleitungen vom oberen Ende des Ventils (38-39), die Schaltbrücke
des linken Schalterteiles 7 zum unteren Ende des Ventils (38-39), von diesem über
die Plus-Sammelschiene zum unteren Ende des Ventils (40-41)
und von diesem
über die mittlere Schaltbrücke von 7 sowie die Leitung zum oberen Ende des Ventils
(40-41).
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Eine solche Lösung hat den besonderen Vorzug, daß sie bei zwei in
Reihe liegenden Halbleiterbauelementen eines Ventils den Fehler bereits an einem
der in Reihe geschalteten Halbleiterbauelemente erfaßt, bevor eine Gefährdung des
dem gleichen Ventil angehörigen weiteren Halbleiterbauelementes erfolgen kann, und
sie könnte auch in Verbindung mit den Lösungen im Sinn der F i g. 1 und 2 benutzt
werden.