DE1488862A1

DE1488862A1 - Power converters with thyristors

Info

Publication number: DE1488862A1
Application number: DE19661488862
Authority: DE
Inventors: Nils Hylten-Cavallius; Boksjoe Carl Ingvar
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1965-12-30
Filing date: 1966-12-27
Publication date: 1969-05-22
Also published as: BE691703A; CH491528A; GB1160920A; SE309805B; AT269994B; FR1506171A

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter für Hochspannung mit einer Ventilbrüekenschaltung, in der jeder Ventilzweig aus mehreren reihengeschalteten Thyristoren besteht und mit einem Spannungsteiler parallelgeschaltet ist, der aus reihengeschalteten resistiven und kapazitiven Elementen zusammengesetzt und durch Querverbindungen mit den reihengeschalteten Thyristoren verbunden ist, und zwar einen Stromrichter, dessen Ventile mit einer gewissen Verschiebung der Zündzeitpunkte der verschiedenen reihengeschalteten Thyristoren in einem Ventilzweig arbeiten. Eine solche Verschiebung kann absichtlich sein oder einfach auf Verschiedenheiten] der Thyristoren und ihrer Zündkreise beruhen.The invention relates to a converter for high voltage with a valve bridge circuit in which each valve branch consists of several thyristors connected in series and with a voltage divider is connected in parallel, which is composed of series-connected resistive and capacitive elements and through cross-connections is connected to the series-connected thyristors, namely a converter, the valves of which with a certain displacement the ignition times of the various series-connected thyristors work in a valve branch. Such a shift may be intentional or simply due to differences] in the thyristors and their firing circuits.

Es ist in neuerer Zeit vorgeschlagen worden, die Quecksilberventile bei Stromrichtern für Hochspannung durch Thyristorventile zu ersetzen, wobei jedes Quecksilberventil durch eine Anzahl reihengeschalteter Thyristoren ersetzt wird. Um eine zweckmäßige Spannungsverteilung über einer solchen Kette oder einem solchen Stapel von Thyristoren zu erhalten, werden sie mit einem SpannungsteilerIt has recently been proposed that the mercury valves replace high voltage converters with thyristor valves, each mercury valve being replaced by a number of series-connected Thyristors is replaced. About an appropriate distribution of tension To get over such a chain or such a stack of thyristors, they are using a voltage divider

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parallelgeschaltet, der aus reihengeschalteten resistiven und kapazitiven Elementen besteht, wobei es möglich wird, eine gewisse Spannungsverteilung über der Thyristorkette wenigstens während der Sperr- und Blockierungsintervalle zu erhalten. Dagegen ist es etwas schwerer, eine gefährliche Spannungssteigerung über den einzelnen Thyristoren während der Zündung der Thyristorkette zu vermeiden, vor allem weil es praktisch nicht möglich ist, alle Thyristoren in einer Kette absolut gleichzeitig zu zünden. Wegen der unvermeidlichen Streuung der Zündzeitpunkte besteht die große Gefahr, daß die zuletzt zündenden Thyristoren unzulässig hoehen Spannungen ausgesetzt werden.connected in parallel, the series-connected resistive and capacitive elements, whereby it becomes possible a certain To obtain voltage distribution across the thyristor chain at least during the blocking and blocking intervals. It is against it a little heavier, a dangerous increase in tension over the individual To avoid thyristors during the ignition of the thyristor chain, mainly because it is practically impossible to ignite all thyristors in a chain absolutely simultaneously. Because of the Unavoidable scattering of the ignition times, there is a great risk that the thyristors to fire last will be inadmissibly high Exposed to tension.

Um dieses zu verbessern, ist vorgeschlagen worden, im voraus eine gewisse Verschiebung der Zündzeitpunkte der Thyristoren in einer Kette einzuführen und dabei in irgendeiner Weise die zuletzt zündenden Thyristoren gegen Überspannungen zu schützen.In order to improve this, it has been proposed to advance one introduce a certain shift in the ignition times of the thyristors in a chain and in some way the last igniting To protect thyristors against overvoltages.

Die Erfindung ist eine Weiterentwicklung dieses Prinzips und schafft genaue Regeln für die Wahl von Zündzeiten und Spannungsteilerimpedanzen, um eine ausreichende Begrenzung der Spannungen über den zuletzt zündenden Thyristoren zu erhalten.The invention is a further development of this principle and creates precise rules for the choice of ignition times and voltage divider impedances, in order to obtain a sufficient limitation of the voltages across the thyristors that fired last.

Bei der Wahl der Kapazitäten der Spannungsteiler geht man gemäß der Erfindung von den Streukapazitäten des Systems aus, worunter man die Summe der Eigenkapazitäten der Stromrichterschaltanlage, der Ventile und des Stromrichtertransformators versteht. Ein Thyristorventil für einen erfindungsgemäßen Stromrichter istWhen choosing the capacitance of the voltage divider, according to the invention, one starts from the stray capacitances of the system, including one understands the sum of the internal capacities of the converter switchgear, the valves and the converter transformer. A Thyristor valve for a converter according to the invention

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dabei dadurch gekennzeichnet, daß diej Spannungsteilerkapazität für jeden Thyristor, zumindestens bei] den zuletzt zündenden Thyristoren in einem Stapel, von der Größenordnung wenigstens des "n^wfachen der Stceukapazitäten des Systems ist, wobei η die Anzahl der reihengeschalteten Thyristoren im Stapel ist. Durch diese Bemeesungsregel wird erreicht, daß die Spannungszunähme über den Thyristoren während des Zündverlaufs von derselben Größenordnung wie die Spannung je Thyristor vor der Einleitung des Zündvorgangs wird.characterized in that the voltage divider capacitance for each thyristor, at least for the thyristors to fire last in a stack, is of the order of magnitude of at least "n ^w times the unit capacities of the system, where η is the number of thyristors connected in series in the stack The rule of thumb is that the voltage increase across the thyristors during the ignition process is of the same order of magnitude as the voltage per thyristor before the initiation of the ignition process.

Bei der Wahl der Resistanzen des Spannungsteilers und dem Abwägen der Zündzeitpunkte der verschiedenen Thyristoren im Verhältnis zueinander muß berücksichtigt werden, daß die Entladung der Streukapazitäten des Systems über den Thyristoren eines Thyristorventils einigermaßen in Takt mit der Zündung der verschiedenen Thyristoren erfolgen muß, wie unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung näher erklärt wird. In dieser zeigenWhen choosing the resistances of the voltage divider and weighing them up the ignition times of the various thyristors in relation to one another must be taken into account that the discharge of the stray capacitances of the system via the thyristors of a thyristor valve to some extent in time with the ignition of the various thyristors must be done, as explained in more detail with reference to the accompanying drawing. In this show

Fig. 1 rein schematisch einen Stromrichter mit Thyristorventilen undFig. 1 purely schematically a converter with thyristor valves and

Fig. 2 bis 5 Thyristorketten nach der Erfindung und die damit verbundenen Induktanzen und Kapazitäten.2 to 5 thyristor chains according to the invention and the associated inductances and capacitances.

Pig. 1 zeigt einen Stromrichter mit einem Stromrichtertransformator 1 und einer Ventilbrückenschaltung 2, bei der die verschiedenen Ventilzweige aus mehreren reihengeschalteten Thyristoren 3 bestehen. Der Stromrichter hat Wechselstromklemmen 4 und Gleichstromklemmen 5, 6.Pig. 1 shows a power converter with a power converter transformer 1 and a valve bridge circuit 2, in which the various valve branches consist of several thyristors 3 connected in series. The converter has AC terminals 4 and DC terminals 5, 6.

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Pig. 2 zeigt ausführlicher einen als Thyristorkette ausgebildeten Yentilzweig oder Thyristorstapel mit η reihengeschalteten Thyristoren 1-n. Der Thyristorstapel ist an einer Schaltanlage und einem Stromrichtertransformator angeschlossen, deren resultierende Induktanz durch eine Drossel und deren resultierende Kapazität durch einen Kondensator C symbolisiert ist. L entspricht dabei im wesentlichen der Kurzschlußreaktanz des Transformators, während C den Eigenkapazitäten der Schaltanlage des Stapels und des Transformators, d.h. den obengenannten Streukapazitäten, entspricht. Wenn die Spannung über dem Stapel vor der Zündung ü ist, wird gleichzeitig die Lade spannung für den Kondensator C gleich ü. Wenn man alle Thyristoren im Stapel dazu bringen könnte, exakt gleichzeitig zu zünden, würde keiner dieser Thyristoren Oberspannung bekommen, wobei die Spannung über jedem Thyristor den Wert — bis zu dem Zeitpunkt beibehalten würde, wo die Spannung über dem Thyristor zusammenbricht. In Wirklichkeit wird jedoch die Zündung der Thyristoren immer mit einer gewiesen Zeitstreuung im Verhält-Pig. 2 shows in more detail one designed as a thyristor chain Y-valve branch or thyristor stack with η series-connected thyristors 1-n. The thyristor stack is on a switchgear and connected to a converter transformer, its resulting inductance through a choke and its resulting capacitance is symbolized by a capacitor C. L essentially corresponds to the short-circuit reactance of the transformer while C corresponds to the internal capacities of the switchgear of the stack and the transformer, i.e. the above-mentioned stray capacitances. If the voltage across the stack before the ignition is ü, the charging voltage for the capacitor C is equal to ü at the same time. if one could get all thyristors in the stack to fire exactly at the same time, none of these thyristors would overvoltage get, where the voltage across each thyristor has the value - would be maintained until the point in time when the voltage across the thyristor collapses. In reality, however, the ignition of the thyristors always with a certain time spread in relation to

nie zueinander stattfinden, und wenn man keine Maßnahmen ergreifen würde, würde der zuletzt gezündete Thyristor der ganzen Spannung ü ausgesetzt werden. Dies kann verhindert werden, wenn ein Kondensator C₁ parallel mit jedem Thyristor angeordnet wird, wie in Pig. 3 gezeigt ist. Wenn dabei die Induktanz L so groß ist, daß man während des eigentlichen Züntorganges von einem durch L gespeisten Ladestrom absehen kann, kann es sich erweisen, daß die Spannung u über dem zuletzt zündenden Thyristor aus dem Ausdrucknever take place in relation to each other, and if no measures were taken, the thyristor that was last ignited would be exposed to the entire voltage ü. This can be prevented if a capacitor C _{1 is placed in} parallel with each thyristor, as in Pig. 3 is shown. If the inductance L is so great that one can disregard a charging current fed by L during the actual ignition process, it can turn out that the voltage u across the thyristor that fired last from the expression

u = U . ηu = U. η

C + hergeleitet werden kann.C + can be derived.

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Bestimmend für die Wahl des Kondensators C. wird dabei die zugelassene Größe der Spannung u über dem zuletzt zündenden Thyristor,Decisive for the choice of capacitor C. is the one that is approved Size of the voltage u across the thyristor that fired last,

manman

und wenn/flabei davon ausgeht, daß die Spannung u über dem Thyristor nicht einen Bruchteil _- der ganzen Spannung U übersteigen darf, kommt man zu dem Ergebnis, daß die Größe des Kondensators C- durch den folgenden Ausdruck bestimmt werden kann:and if / flabei assumes that the voltage u across the thyristor not exceed a fraction of the total voltage U. one comes to the conclusion that the size of the capacitor C- can be determined by the following expression:

0i - ^c T^r0i - ^c T ^ r

ι ι — mι ι - m

Aus diesem Ausdruck geht hervor, daß - wenn man keine Spannungserhöhung über dem zuletzt zündenden Ventil dulden will - m gleich η sein muß, was bedeutet, daß der Kondensator C₁ unendlich groß im Verhältnis zur Streukapazität C sein müßte. Bine solohe Bedingung ist nicht sinnvoll, aber wenn man z.B. zulassen will, daß die Spannung über dem zuletzt zündenden Thyristor auf das Doppelte ansteigt, d.h. m ■ S , erhält man den folgenden Ausdruck für die Kondensatorgröße C.From this expression it can be seen that - if one does not want to tolerate an increase in voltage across the last igniting valve - m must be equal to η, which means that the capacitor C _{1 would have to be} infinitely large in relation to the stray capacitance C. A single condition does not make sense, but if you want to allow, for example, that the voltage across the thyristor firing last increases to double, ie m ■ S, you get the following expression for the capacitor size C.

C₁ - C . (n-2).C ₁ - C. (n-2).

Wenn man über einem Thyristor eine Spannung von χ Mal zuläßt und daran denkt, daß χ verhältnismäßig klein ist und kaum fünf übersteigen darf, während die Anzahl von η oft hundert oder mehr beträgt, erhält man mit guter Annäherung:If you allow a voltage of χ times across a thyristor and remember that χ is comparatively small and must hardly exceed five, while the number of η is often a hundred or more one obtains with a good approximation:

C₁ ά C . -2t .C ₁ ά C. -2t.

Man kann also ungefähr sagen, daß die Spannungsteilerkapazitäten pro Thyristor in einem Stapel von der Größenordnung η mal der Streukapazität des Thyristorstapels sein sollen, wobei η die Anzahl der reihengeschalteten Thyristoren im Stapel ist.So one can roughly say that the voltage divider capacitances per thyristor in a stack of the order of magnitude η times the stray capacitance of the thyristor stack, where η is the number of the series-connected thyristors in the stack.

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Aus diesen Ausführungen geht hervor, daß jeder Kondensator Cj recht groß wird, was einerseits bedeutet, daß sein EntladestroH für den entsprechenden Thyristor gefährlich sein kann, andererseits, daß ein solcher hochkapazitiver Kreis gefährliche Schwingungen verursachen kann. Um dieses zu vermeiden, muß man Resistanzen R₁ in Reihe mit den Kondensatoren 0.. einschalten, wie in Fig.4 gezeigt ist. Solche Reihenresistanzen erhöhen jedoch die Spannung über den Thyristoren, und wenn man sich den extremen Fall vorstellt, daß alle Thyristoren außer einem gleichzeitig zünden würden, so würde sich die ganze Spannung TJ über die entsprechende Resistanz und dabei über den nicht gezündeten Thyristor legen.From these explanations it can be seen that each capacitor Cj becomes quite large, which means on the one hand that its discharge current can be dangerous for the corresponding thyristor, on the other hand that such a high-capacitance circuit can cause dangerous oscillations. To avoid this, one must _{switch on resistances R 1} in series with the capacitors 0 .., as shown in Fig.4. Such series resistances, however, increase the voltage across the thyristors, and if one imagines the extreme case that all thyristors except one would fire at the same time, then the entire voltage TJ would be placed over the corresponding resistance and thereby over the non-fired thyristor.

Indem man die genannten Resistanzen den Zündzeitpunkten der verschiedenen Thyristoren in einem Ventil anpaßt, kann man die Spannungen über diesen doch innerhalb annehmbarer Werte halten. Das Prinzip ist dann, daß die Streukapazität 0 bei allmählichem Zünden der Thyristoren Zeit haben soll, sich über den bereits gezündeten Thyristoren und dem den nicht gezündeten Thyristoren entsprechenden Teil der Spannungsteilerkapazität zu entladen.By using the mentioned resistances the ignition times of the different Adjusts thyristors in a valve, one can keep the voltages across them within acceptable values. That The principle is then that the stray capacitance 0 with gradual ignition of the thyristors should have time to find out about the thyristors that have already been triggered and the one corresponding to the thyristors that have not been triggered Part of the voltage divider capacitance to discharge.

Dies wird erreicht, wenn die Spannungsteilerresistanzen so ge·^ wählt werden, daß die Zeitkonstante für den kapazitivresistiven Kreis, zu welchem der Thyristor gehört, während der Zündung den Zündzeitunterschied zwischen diesem Thyristor und den in der Zündfolge angrenzenden Thyristoren unterschreitet. Der kapazitiv-resistive Kreis, um den es sich hier handelt, besteht bei jedem Thyristor aus der Streukapazität 0 und den Resistanzen R, und Kapazi-This is achieved when the voltage divider resistances are so · ^ be selected that the time constant for the capacitive resistive circuit to which the thyristor belongs, during the ignition Ignition time difference between this thyristor and the adjacent thyristors in the firing order falls below. The capacitive-resistive one The circuit, which we are dealing with here, consists in every thyristor of the stray capacitance 0 and the resistances R, and capacitance

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täten O₁ in dem Teil des Spannungsteilers, der den noch nicht gesundeten Thyristoren entspricht. Es ist gerade dieser Kreis, der ständig dafür entscheidend ist, ob die Spannung Über der Kapazität C Zeit haben wird, sich im Takt mit der Zündung der Thyristoren zu entladen. Der resistive, kapazitive Spannungsteile B₁C₁ ist ferner oft mit einem rein resistiven, hochohmlgen Widerstand parallelgeBehaltet, der bei der Berechnung von E₁ und C₁ beachtet werden muß.would do O ₁ in the part of the voltage divider that corresponds to the not yet recovered thyristors. It is precisely this circuit that is always decisive for whether the voltage across the capacitance C will have time to discharge in time with the ignition of the thyristors. The resistive, capacitive voltage component B ₁ C ₁ is also often held in parallel with a purely resistive, high-resistance resistor, which must be taken into account _{when calculating E 1} and C _1.

Ss ist offensichtlich, daß es nicht wünschenswert ist, die Zündung der Thyristoren in einem Ventil mehr als unbedingt notwendig streuen zu lassen, während andererseits eine allzu gute Gleichzeitigkeit teils schwer erreichbar ist und teils zu einem schwer zu kontrollierenden Zündverlauf führt.It is obvious that the ignition is undesirable of the thyristors in a valve to spread more than is absolutely necessary, while on the other hand an all too good simultaneity is sometimes difficult to reach and sometimes leads to an ignition process that is difficult to control.

Was das Abwägen der Zündzeitpunkte der verschiedenen Thyristoren in einer Kette betrifft, kann dies durch Einführen eines zeitverzögernden Elements in die Zündkreise von einigen Thyristoren ge- i schellen, z.B. durch die Wahl von verschiedenen Zeitkonstangen für diese Zündkreise. Eine ähnliche Wirkung wird durch sogenannte Sklavenzündung der zuletzt zündenden Thyristoren erreicht. Eine andere Möglichkeit' besteht darin, Thyristoren mit verschieden langen Zündzeiten zu wählen, wobei man mit dem Ausdruck Zündzeit eines Thyristors die Zeit von dem Augenblick an, wo der Thyristor seinen Zündimpuls bekommt, bis er voll leitend geworden ist, meint. Um die Zündzeitpunkte der Thyristoren im Verhältnis zueinander anzupassen, können diese Möglichkeiten eventuell kombiniert werden, sie können dabei zusammenarbeiten oder einander entgegenarbeiten.As for the balance of ignition timings of the various thyristors in a chain this can i handcuffs overall by inserting a zeitverzögernden element in the ignition circuits of some thyristors, eg by choosing different Zeitkonstangen for these ignition circuits. A similar effect is achieved by so-called slave ignition of the thyristors that ignited last. Another possibility is to choose thyristors with ignition times of different lengths, whereby the term ignition time of a thyristor means the time from the moment when the thyristor receives its ignition pulse until it has become fully conductive. In order to adapt the ignition times of the thyristors in relation to one another, these possibilities can possibly be combined, they can work together or counteract one another.

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Es ist bekannt, die Ventile in einem Stromrichter mit sogenannten Anodendrosseln zu verseilen, die in Reihe mit den einzelnen Ventilen eingeschaltet sind, um Zünd- und Löschschwingungen zu dämpfen. Solche Anodendrosseln wirken auch auf den oben "beschriebenen Zündverlauf ein. Es wird nun vorgeschlagen, solche Anodendrosseln auf die Thyristoren in der Thyristorkette aufzuteilen, wobei sie benutzt werden können, um sowohl den Hauptstrom von der Kapazität C als auch die Entladungsströme von den Spannungskapazitäten zu begrenzen, wie in Fig. 5 angedeutet ist. In dieser Figur sind zwei parallele Thyristorketten gezeigt, wo die verschiedenen Thyristoren mit Teildrosseln Iu zusammengeschaltet sind. Diese Drosseln tragen dazu bei, die Entladungsströme vom Spannungsteiler zu begrenzen, wobei die Resistanzen R₁ noch niedriger gewählt werden können.It is known to strand the valves in a converter with so-called anode chokes, which are switched on in series with the individual valves in order to dampen ignition and extinguishing vibrations. Such anode chokes also act on the ignition process described above. It is now proposed to distribute such anode chokes to the thyristors in the thyristor chain, whereby they can be used to limit both the main current from the capacitance C and the discharge currents from the voltage capacitors as indicated in Fig. 5. In this figure, two parallel thyristor chains are shown, where the various thyristors are interconnected with partial chokes I. These chokes help to limit the discharge currents from the voltage divider, the resistances R ₁ being selected even lower can.

Weiter können die Teildrosseln in den beiden parallelen Ketten mit einer gewissen gegenseitigen Induktanz angeordnet werden, wo-Furthermore, the partial chokes can be arranged in the two parallel chains with a certain mutual inductance, where-

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bei sie dazu beitragen, die Stromverteilung /beide Ketten zu verbessern. when they help to improve the power distribution / both chains.

Es ist selbstverständlich, daß die obengenannten Bemessungsregeln in jedem einzelnen Fall im Hinblick auf die Spannungen und Ströme und die übrigen Arbeitsverhältnisse, denen das Thyristorventil ausgesetzt werden kann, im Verhältnis zueinander kombiniert und abgewogen werden müssen.It goes without saying that the above-mentioned design rules apply in each individual case with regard to the voltages and currents and the other working conditions to which the thyristor valve can be exposed, combined and in relation to one another must be weighed.

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Claims

Patent claims:

ι 1 .y converter for high voltage with a valve bridge circuit in which each valve branch is made up of a number, n, series-connected thyristors, the ignition times of which are shifted in relation to each other, and each valve branch is connected in parallel with a voltage divider made up of series-connected M resistive and capacitive Elements constructed and connected to the series-connected thyristors by several cross connections, characterized in that the voltage divider capacitance for each thyristor in a valve branch of the order of magnitude = η. is the stray capacitance of the relevant valve branch.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the Voltage divider resistance for a thyristor is chosen so that the time constant for the capacitive, resistive circuit to which the thyristor in question heard during the ignition, the ignition time difference between dtassra this thyristor and those in the The firing order falls below the adjacent thyristors.

3. Converter according to claim 1, characterized in that a desired shift in the ignition times of the various thyristors is determined by choosing different thyristors with different ignition times.

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4 · converter according to claim 1, characterized in that a desired shift in the ignition times of the various thyristors by switching on delaying elements in certain firing circuits of the thyristors is obtained.

5 · converter according to claim 1, characterized in that Throttles are switched on in series with the various valve branches, the throttles in each valve branch in a number are divided by chokes that are connected between the thyristors of the valve branch concerned.

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