DE1266806B - Elektronischer Schalter fuer Mehrphasenwechselstrom mit wenigstens zwei gegenparallelgeschalteten Halbleitergleichrichtern, von denen wenigstens einer steuerbar ist - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1266 806

Aktenzeichen: A 49530 VIII a/21 al

Anmeldetag: 19. Juni 1965

Auslegetag: 25. April 1968

Steuerbare Halbleitergleichrichter, sogenannte Thyristoren, haben die Herstellung von Schaltern ermöglicht, die in mancher Hinsicht bedeutend bessere Eigenschaften als die üblichen Schalter mit mechanisch arbeitenden Kontakten haben. Ein Thyristorschalter hat beispielsweise eine bedeutend längere Lebensdauer als ein üblicher Schalter, da der Thyristorschalter keine dem Verschleiß ausgesetzte bewegliche Teile besitzt. Außerdem ist er völlig geräuschlos und beseitigt ebenfalls viele andere mit mechanischen Schaltern verbundene Schwierigkeiten, wie z. B. von Lichtbögen verursachter Materialabbrand, Oxydierung und Verunreinigung der Kontaktflächen, Kontaktprellen und fehlerhafte Funktion bei Stößen und Erschütterungen.

Die Erfindung betrifft einen solchen Wechselstromschalter, der wenigstens zwei gegenparallelgeschaltete Halbleitergleichrichter enthält, von denen wenigstens der eine diskontinuierlich über eine Zündelektrode steuerbar ist. Ein Problem bei der Konstruktion von Schaltern dieser Art ist, wie man auf einfache Weise dem steuerbaren Halbleitergleichrichter den zum Zünden notwendigen Zündstrom beim Nulldurchgang des Belastungsstromes zuführt. Für einen Schalter, der sowohl für induktive als auch kapazitive Belastung verwendbar sein soll, ist nämlich ein Zündstrom in Phase mit der Spannung des speisenden Netzes nicht ausreichend. Zweck der Erfindung ist, einen ausreichenden Zündstrom im Zeitpunkt des Nulldurchganges des Wechselstromes zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung geht von einem Schalter für Mehrphasenwechselstrom mit wenigstens zwei gegenparallelgeschalteten Halbleitergleichrichtern aus, von denen wenigstens der eine diskontinuierlich über eine Zündelektrode steuerbar ist. Ein solcher Schalter ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß zum Zünden des steuerbaren Gleichrichters beim Nulldurchgang des Belastungsstromes zwischen dessen Zündelektrode und Kathode ein an sich bekannter, aus der Reihenschaltung eines steuerbaren Halbleiterelements mit einem Kondensator bestehender Stromkreis angeschlossen ist, wobei der Kondensator zum Aufladen über ein Schaltorgan an einem in dem zu schaltenden Wechselstromnetz befindlichen Punkt angeschlossen ist, der wenigstens einmal für jede Wechselstromperiode positives Potential gegenüber der Gleichrichterkathode annimmt.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Schalter hat den Vorteil, daß ausreichend Energie für die Zündung des Thyristors im Kondensator gespeichert werden kann und unmittelbar, wenn der Belastungsstrom durch Null geht, zur Verfügung steht, unab- Elektronischer Schalter für
Mehrphasenwechselstrom mit wenigstens zwei
gegenparallelgeschalteten
Halbleitergleichrichtern, von denen wenigstens
einer steuerbar ist

Anmelder:

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget,

Västeräs (Schweden)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Missling, Patentanwalt,

6300 Gießen, Bismarckstr. 43

Als Erfinder benannt:

Karl Lennart Grees, Irsta;

Jörgen Gustafsson,

Börje Allan Johansson, Västeräs (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 22. Juni 1964 (7564)

hängig von der Phasenverschiebung dieses Stroms. Durch geeignete Steuerung des mit dem Kondensator in Reihe geschalteten Halbleiterelements kann weiter erreicht werden, daß der Energieverbrauch im Zündkreis besonders klein wird. Die Steuerung wird mit Vorteil mit Hilfe des Spannungsabfalls über den gegenparallelgeschalteten Gleichrichtern über einen in einem Parallelzweig dieser Gleichrichter angeordneten Widerstand ausgeführt. Der Energieverbrauch kann noch mehr vermindert werden, wenn dieses Impedanzelement einen Kondensator enthält, der umgeladen wird, wenn der Belastungsstrom umkehrt. Beim Umladen wird dem Steuerkreis des steuerbaren Halbleiterelements ein Stromimpuls zugeführt, wobei dem Thyristor von dem für dessen Zündung vor-

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gesehenen Kondensator ein kurzzeitiger Zündimpuls zugeführt wird.

Ein Schalter nach der Erfindung ist außerordentlich gut verwendbar als Motorschutzschalter bei schweren Betriebsverhältnissen mit großer Schalthäufigkeit. Für das Ausschalten des Schalters wird in einem solchen Fall zweckmäßig ein mechanischer Kontakt in dem genannten Schaltorgan zwischen dem Kondensator und dem genannten Punkt im Drehstromnetz angeordnet. Bei einem Dreiphasenschalter kann dieser Kontakt beispielsweise von einem thermischen Uberstromauslöser gesteuert werden, der vom Strom in den Phasenleitungen beeinflußt wird. In manchen Fällen ist es aber zweckmäßig, daß das genannte Schaltorgan aus einem steuerbaren Halbleiterelement besteht, z. B. einem Transistor. Damit wird erreicht, daß der Schalter überhaupt keine beweglichen Teile enthält.

Ein Thyristorschalter für Dreiphasensysteme kann entweder zwei- oder dreipolig sein. Bei der zweipoligen Ausführung kann die Schaltfunktion nur in zwei der drei Netzphasen durchgeführt werden. Dies ist jedoch kein größerer Nachteil, da ein Thyristorschalter in ausgeschaltetem Zustand ohnehin die Belastung von der Stromquelle nicht ganz isolieren kann, was auf den Leckstrom des Halbleiters in der Sperrichtung zurückzuführen ist. In einem dreipoligen Thyristorschalter besteht in der Regel der Hauptkreis für die Schalteinheiten in jedem Pol aus einem mit einer Diode gegenparallelgeschalteten Thyristor, während in einem zweipoligen Dreiphasenschalter jeder Pol zwei gegenparallelgeschaltete Thyristoren enthält.

Die Zeichnung zeigt als Beispiel einige Schaltschemata verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema für einen zweipoligen Dreiphasenschalter,

F i g. 2 eine alternative Ausführung eines Pols eines Schalters gemäß F i g. 1,

F i g. 3 eine Ausführungsform eines dreipoligen Dreiphasenschalters und

Fig. 4 ein alternatives Schema für einen Pol eines Dreiphasenschalters gemäß Fig. 3.

Die entsprechenden Kreiselemente in den verschiedenen Figuren haben dieselbe Bezeichnung.

In den Fig. 1 bezeichnen 1, 2 und 3 die drei Phasenleitungen eines Dreiphasensystems, von denen die Leitungen 1 und 2 über einen zweipoligen Schalter und die Phasenleitung 3 direkt an einer Belastungsimpedanz 4 angeschlossen sind. Jeder Pol des Schalters besteht aus einer zwei gegenparallelgeschaltete Thyristoren 5 und 6 enthaltende Schalteinheit. Die Schalteinheiten in beiden Phasen sind identisch, weshalb nur die Schalteinheit in der Phase 1 im einzelnen gezeigt ist. Die Zündelektroden für jeden der Thyristoren 5 und 6 sind über Transistoren 30 bzw. 31 an Kondensatoren 12 bzw. 13 angeschlossen, wobei der andere Belag der Kondensatoren an der Kathode des zugehörigen Thyristors angeschlossen ist. Zur Steuerung der Transistoren 30 und 31 ist ein Widerstand 32 in einem parallel zu den Thyristoren liegenden Strompfad vorgesehen. In diesem Strompfad befinden sich weiter zwei gegeneinander in Reihe geschaltete Dioden 33 und 34. Der Schalter gemäß Fig. 1 wird mittels eines PNP-Transistors35 betätigt. Die Speisespannung für die Kondensatoren 12 und 13 wird über einen Spannungsteiler entnommen, der aus den Widerständen 36 und 37 besteht und zwischen den Phasenleitungen 1 und 2 über die Dioden 18, 19, 38 und 39 eingeschaltet ist. Die Widerstände 36 und 37 sind so dimensioniert, daß die ■ Kondensatoren 12 und 13 die richtige Ladespannung erhalten. _

Die Anordnung gemäß Fig. 1 wirkt in folgender Weise: Auf Grund der Dioden 18 und 19 nimmt der Punkt Pl das höchste positive Potential der Phasen 1

ίο und 2 an. In ähnlicher Weise nimmt der Punkt P 6 auf Grund der Dioden 38 und 39 das höchste negative Potential dieser Phasen an. Wenn die Thyristoren stromführend sind, nimmt deshalb der Punkt P 6, abgesehen vom Spannungsabfall über die Thyristoren, dasselbe Potential wie jener der Punkte P2, P3 bzw. P 4, P 5 an, der zur Zeit das niedrigste Potential hat. Der Schalter wird dadurch eingeschaltet, daß ein Steuerstrom von einem nicht gezeigten Steuerkreis dem Transistor 35 zugeführt wird. In derjenigen der Phasen 1 und 2, die zur Zeit das niedrigste Potential hat, werden dabei die Kondensatoren 12 und 13 bis zu einer gewissen Spannung, die von der Spannungsteilung zwischen den Widerständen 36 und 37 bestimmt wird, aufgeladen. Die Kondensatoren 12 und 13 wirken als Energiespeicher, von denen die zur Zündung der Thyristoren 5 und 6 notwendige Energie entnommen werden kann. Durch eine geeignete Dimensionierung der Energiespeicher kann erreicht werden, daß genügend Strom und Spannung für die Zündung der Thyristoren beim Nulldurchgang des jeweiligen Phasenstroms zur Verfügung steht, unabhängig von der Phasenverschiebung des Belastungsstroms. Die Dioden 14 und 15 verhindern das Entladen der Kondensatoren 12 bzw. 13, wenn das Potential in den Punkten P2 und P3 steigt. Die Transistoren 30 und 31 werden mit Hilfe des Spannungsabfalls über den Thyristoren gesteuert. Ist die Span-nung z. B. so, daß der Thyristor 5 zünden soll, wird dem Transistor 30 über die Diode 34 und den Widerstand 32 Steuerstrom zugeführt, wobei dem Thyristor 5 Zündstrom vom Kondensator 12 zugeführt wird. Während der Halbperioden, in denen der Thyristor 5 nicht stromführend sein soll, erhält der Transistor 30 keinen Steuerstrom, wodurch der Kondensator 12 nicht entladen wird. Das Impedanzelement 32 kann induktiv oder kapazitiv sein und ist so dimensioniert, daß die Transistoren 30 und 31 den notwendigen Steuerstrom erhalten. Statt des Widerstandes 37 kann im übrigen mit Vorteil eine Zenerdiode mit einer unter Berücksichtigung der Zündspannung der Thyristoren geeigneten Zenerspannung verwendet werden.

In der Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Schalteinheit für einen Schalter gezeigt, bei dem die Kondensatoren 12 und 13 an die Zündelektroden der Thyristoren 5 bzw. 6 über kleine Hilfsthyristoren 40 bzw. 41 angeschlossen sind. Diese Thyristoren erhalten ihren Zündstrom in gleicher Weise wie die Transistoren30 und 31 gemäß Fig. 1.

In der F i g. 3 ist ein Schaltplan für einen gemäß der Erfindung ausgeführten dreipoligen Dreiphasenschalter gezeigt. Die drei Phasenleitungen 1, 2 und 3 des Dreiphasensystems sind über ihren jeweiligen Pol des Schalters an der Belastungsimpedanz 4 angeschlossen. Jeder Schalterpol besteht aus einer Schalteinheit, deren Hauptkreis aus zwei parallelgeschalteten Halbleitergleichrichtern besteht. In Phase 1 sind diese Gleichrichter mit 6 und 7 bezeichnet. Von diesen.

ist der Gleichrichter 6 ein Thyristor, während der Gleichrichter 7 eine nicht steuerbare Halbleiterdiode ist. Die Schalteinheiten in den Phasen 2 und 3 stimmen völlig mit der zur Phase 1 gehörigen Anordnung überein, weshalb nur die letzte in folgendem beschrieben ist.

Zwischen der Zündelektrode und Kathode des Thyristors 6 ist ein Kondensator 13 in Reihe mit einem NPN-Transistor 31 angeschlossen. Der Kondensator 13 wird zur Aufladung an die Phasenleitungen 1, 2 und 3 über die Dioden 18, 19 und 20, das Schaltorgan 17, den Widerstand 16 und die Diode 15 angeschlossen. Zur Steuerung des Transistors 31 ist zwischen Anode und Kathode des Thyristors 6 ein Parallelzweig, bestehend aus der Serienschaltung von einem Kondensator 42, mit einem Widerstand 43 und einer Diode 34, vorgesehen. Der Kondensator 42 und der Widerstand 43 entsprechend dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Impedanzelement 32.

Die Anordnung gemäß F i g. 3 wirkt in folgender Weise: Auf Grund der Dioden 18,19 und 20 nimmt der Punkt Pl dasselbe Potential wie diejenige der Phasenleitungen 1, 2 und 3 an, die zur Zeit das höchste Potential hat. Der Schalter wird eingeschaltet, indem das Schaltorgan 17 geschlossen wird. Hierbei wird der Kondensator 13 während der Zeitintervalle, in denen der Punkt F 3 ein niedrigeres Potential als der Punkt Pl annimmt, aufgeladen, wobei der obere Belag des Kondensators positiv wird. Ist die Stromrichtung in der Phase 1 so, daß die Diode 7 stromführend ist, wird der Kondensator 42 über die Diode 34 und den Widerstand 43 bis zu einer Spannung aufgeladen, die der Durchlaßspannung der Diode 7 entspricht und mit Pluspotential auf dem unteren Belag des Kondensators. Wenn der Strom in der Phase 1 umkehren soll, wird der Kondensator 42 umpolarisiert, wobei ein Strom über den Basis-Emitter-Kreis des Transistors 31 fließt. Der Thyristor 6 erhält dabei Zündstrom von dem aufgeladenen Kondensator 13. Wenn der Kondensator 42 umpolarisiert ist entsprechend der Durchlaßspannung des Thyristors 6, erhält der Transistor 31 keinen Steuerstrom, wodurch eine weitere Entladung des Kondensators 13 verhindert wird. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der vom Kondensator 13 gelieferte Zündstrom am Anfang jeder Halbperiode, in der der Thyristor 6 stromführend sein soll, die Form eines kurzen Stromimpulses erhält. Der Energieverbrauch für den Zündkreis der Anordnung gemäß F i g. 3 ist deshalb verhältnismäßig klein. Die Diode 15 verhindert, daß der Kondensator 13 über die Schalteinheiten in den übrigen Phasen entladen wird. Der Schalter wird abgeschaltet, indem das Schaltorgan 17 geöffnet wird, wodurch der Kondensator 13 keinen Ladestrom erhält. Das Schaltorgan 17 kann in verschiedener Weise betätigt werden. Das Abschalten kann beispielsweise mittels eines Bimetallrelais, das vom Strom in den Phasenleitungen beeinflußt wird, erfolgen.

Die charakteristischen Daten für die zur Verfügung stehenden steuerbaren Halbleiterelemente können so sein, daß eine Schaltung gemäß F i g. 4 geeigneter ist als die in F i g. 3 gezeigte. In der Anordnung gemäß Fig. 4 wird der Transistor 31 zur Steuerung eines PNP-Transistors 44 verwendet, der seinerseits den Kondensator 13 an die Zündelektrode des Thyristors 6 anschließt. Ein Widerstand 45 begrenzt den Steuerstrom für den Transistor 44. Der Transistor 31 wird in der gleichen Weise wie in der Anordnung gemäß F i g. 3 gesteuert.

Die Speisespannung für die Kondensatoren 12 und 13 bei zweipoligen Dreiphasenschaltern kann den Phasenleitungen des Drehstromnetzes in verschiedener Weise entnommen werden. Diese Speisekreise sind unabhängig davon, wie der Zündstrom von den Kondensatoren den Thyristoren 5 und 6 zugeführt

ίο wird, weshalb mehrere Kombinationen von Speise- und Zündkreisen möglich sind. Beispielsweise können bei der Schaltung gemäß F i g. 1 der Widerstand und die Dioden 38 und 39 weggelassen und der Transistor 35 durch einen mechanischen Kontakt ersetzt werden. Weiter können die Dioden 18 und 19 durch hochohmige Widerstände ersetzt werden. Der Punkt Pl kann ebenfalls an einen Nulleiter des speisenden Netzes oder an einen künstlichen Nullpunkt angeschlossen werden. Die Wirkungsweise des

zo Schalters bleibt dabei dieselbe, aber das Potential im Punkt Pl erhält selbstverständlich andere Werte als die oben angegebenen. In entsprechender Weise können Speisekreise für dreipolige Dreiphasenschalter, wie z. B. der in Fig. 3 gezeigte, ausgeführt werden.

Selbst wenn die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sich nur auf Dreiphasenschalter beziehen, können Schalteinheiten des gezeigten Typs mit zwei gegenparallelgeschalteten Thyristoren auch in Einphasenkreisen verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter für Mehrphasenwechselstrom mit wenigstens zwei gegenparallelgeschalteten Halbleitergleichrichtern, von denen wenigstens der eine diskontinuierlich über eine Zündelektrode steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zünden des steuerbaren Gleichrichters (6) beim Nulldurchgang des Belastungsstromes zwischen dessen Zündelektrode und Kathode ein an sich bekannter, aus der Reihenschaltung eines steuerbaren Halbleiterelements (30, 31, 40, 41, 44) mit einem Kondensator (12,13) bestehender Stromkreis angeschlossen ist, wobei der Kondensator (12,13) zum Aufladen über ein Schaltorgan (17, 35) an einem in dem zu schaltenden Wechselstromnetz (1, 2, 3) befindlichen Punkt (Pl) angeschlossen ist, der wenigstens einmal für jede Wechselstromperiode positives Potential gegenüber der Gleichrichterkathode annimmt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterelement (30, 31, 40, 41, 44) ein Transistor oder ein Thyristor ist.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des steuerbaren Halbleiterelements (30, 31, 40, 41, 44) ein Impedanzelement (32 bzw. 42, 43) in einem parallel zu den gegenparallelgeschalteten Gleichrichtern (5, 6 bzw. 6, 7) liegenden Zweig angeordnet ist, wobei der genannte Zweig aus einer Reihenschaltung von dem genannten Impedanzelement (32 bzw. 42, 43) und wenigstens einem Hilfsgleichrichter (33, 34) besteht.

4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement (32 bzw. 42, 43) kapazitiv ist.

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltorgan (17) einen mechanischen Kontakt enthält oder aus einem solchen besteht.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltorgan (35) ein steuerbares Halbleiterelement, beispiels-

weise einen Transistor, enthält oder aus einem solchen besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1165 084, 1164479,1132190.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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