DE1613719A1 - UEberspannungsschutzeinrichtung fuer Halbleiterstromrichter - Google Patents

Description

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BROWN, BOVERI & CIE AG . 1613719 MANNHEIM

. * Mp.Hr. 560/67

"Überspaimungsschutzeinrichtung für Harbleiterstromriehter¹*

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungssehutzein- . richtung für Halbleiterstromrichter mit einer parallel zur SelcundÖrseite des Gleichrichtertransformators liegender Drehstrombrücke, welche die Halbleiterstromrichter gegen die außerhalb der Anlage entstehenden Überspannungen abstützt♦

In Stromversorgungsnetzen muß bei der Bemessung der elektrischen Betriebsmittel gegenüber der Betriebsspannung einer erhöhten Spannungssicherheit Rechnung getragen werden. Das Maß für die Spannungssicherheit einer Anlage, ist allgemein in den einschlägigen Vorschriften in der Prüfspannung ausgedrückt. Als Schutz gegen die Überspannungen sind Überspannungsableiter eingesetzt.

Auch Halbleiter, die bekanntlich besonders empfindlich, gegen Überspannungen sind, können in ihrer Spannungssicherheit derjenigen der Netze angepaßt werden, so daß sie nicht innerhalb eines Netzes die schwächste Stelle darstellen. Die Gefahr eines Ausfalles ist damit ausgeschlossen. Das kann durch die Scheitelspannung erreicht werden, die dann mit Rücksicht auf die zu erwartenden Überspannungen innerhalb der zulässigen Spitzenspannung liegen muß.

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Alle Überspannungen, die über das durch den Sicherheitsfaktor gegebene MaB hinausgehen, müssen durch Schaltmittel unterbunden werden. Dies geschieht zur Zeit in mehr oder weniger wirtschaftlicher Weise· -

Die Spannungsüberbeanspruchung kann auf verschiedene Weise durch Sperrspannungsbeanspruchung im Gleichrichter selbst, und durch Überspannungen, die außerhalb einer Gleichrichteranlage liegen, entstehen. Die Ursache der Spannungsüberbeanspruchung im Innern des Halbleitergleichrichters ist der Abriß des Rückstromes, der an den im Kommutierungskreis vorhandenen Induktivitäten Spannungen induziert, die sich am !Thyristor oder an der Diode auf die normale Sperrspannung aufsetzen. Diese Erscheinung wird als Trägerspeichereffekt bezeichnet. Die dadurch entstehende Spannungsüberhöhung, die durchaus den für einen Thyristor oder einer Diode zulässigen Spitzenwert überschreiten kann, wird durch bekannte spannungsbegrenzende Mittel kompensiert, die z.B. durch die Parallelschaltung eines HO-Gliedes zum Thyristor oder zur Diode erfolgt. Dieser Trägerspeichereffekt wird hier jedoch nicht weiter in Betracht gezogen. Vielmehr soll hier die Bede von den äußeren Spannungserhöhungen und ihrer Kompensation sein·

Typische Fälle dieser Art treten bei Überspannungen auf, die durch Wanderwellen, Transformator-Leerabschaltung,Zu- und Abschalten von Kapazität und sonstige unmittelbare Schaltüberspannungen, wie z.B. Kurzschlußabschaltungen und Abschaltungen größerer induktiver Verbraucher enstehen und Spannungshöhen erreichen, die das mehrfache des für die Anlage geltenden Sicherheitsfaktors betragen können.

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Neben der Beschaltung der Thyristoren mit RC-Gliedern müssen demnach noch andere spannungsbegrenzende Bauelemente Verwendung finden, wie beispielsweise nichtlineare Widerstände, entgegengesetzt in Serie geschaltete Selenplatten oder Kondensatoren. Bei derAuglegung dieser Besehaltungsarten dürfen Jedoch die Rückströme die im Thyristor auftreten, und die vom Beschaltungselement aufgenommen werden müssen, nicht vergessen werden« Es müssen daher besonders leistungsstarke Bauelemente für die Beschaltung eingebaut werden. Dieser Nachteil führt oft zu unwirtschaftlichen, großen Schutzeinrichtungen.

Die bisher Ijekanntgewordenen Schutzeinrichtungen gegen äußere Überspannungen haben ferner den Nachteil, daß die Energie, welche die Bauelemente schon hei der Nennspannung aufnehmen müssen, oft von einer Größe ist, die an die Grenze der Belastbarkeit reicht, so daß für den eigentlichen Spannungsschutz nur noch ein kleines Leistungsvolumen zur Verfugung steht oder die Bauelemente bei der Beanspruchung durch Überspannungen überlastet werden.

Bekannte Schutzeinrichtungen sind z.B. Kondensatoren,,die in der Lage sind, elektrische Energie aufzunehmen und dadurch den Anstieg einer Überspannung verringern, ohne sich dabei auf Spannungen aufzuladen, die die Halbleiter gefährden. Da die Überspannungsenergien nicht festliegen, muß jeder Kondensat oränordnung eine Induktivität vorgeschaltet werden, um die vom Kondensator aufzunehmende Energie zu begrenzen. Ferner sind Widerstände vorzusehen» die die aufgespeicherte Energie der Kondensatoren in angemessener Zeit wieder entladen. Weiterhin ist für jeden Kondensator noch ein Widerstand zur Bedämpfung von Schwingungen vorzusehen;'-Nachteilig ist hierbei der große Aufwand an leistungsstarken Bauelementen und die Auswahl der Kondensatoren, weil für die gelegentlichen höherfrequenten Überspannungen nicht jeder Kondensator geeignet ist. 109817/0262

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(SSW-ihyristor-Handbuch 1965 III., Einsatz der Thyristoren in Anlagen und Geräten, Abschn. 5 Überspannungsschutz, Seite 196 Kondensatoren).

Eine andere bekannte Anordnung verwendet spannungsabhängige Widerstände. Diese nehmen zwar bei normaler Betriebsspannung einen relativ geringen Strom auf, sind jedoch, im Gegensatz zu Kondensatoren nicht in der Lage, die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges zu begrenzen. Sie setzen die durch die Überspannungen entnommene Energie in Wärme um. Die Speicherungsfähigkeit der Wärme muß wiederum der auftretenden Überspannungsenergie angepaßt sein. Da diese jedoch nicht im Voraus bestimmt werden kann, müssen auch hier Induktivitäten vorgeschaltet werden, die den größten Seil der Überspannungsenergie verdrängen. Ähnlich liegen auch die Verhältnisse bei der bekannten allgmeinen Überspannungsbeschaltung mit LGR-GIiedern· (SSW-Thyristor-Handbuch 1965, Seiten 197 u. 198, Abschnitt Selenableiter}

Angestrebt wird bei dieser Schutztechnik ein Ableiter, der in seiner Form und seiner Anwendung einheitlich und in seinem Aufbau unkompliziert ist· Am besten würden sich zu diesem Zweck Überspannungsableiter eignen, die in der Lage sind, ohne daß während des Nennbetriebes Arbeitsverluste in Betracht gezogen werden müssen, in kurzer Zeit beträchtliche Überspannungsenergien aufzunehmen. Leider haben diese Ableiter die Eigenschaft, daß sie erst nach einer gewissen Zeit nach, der Entstehung der Ansprechspannung wirksam werden, und daß insbesondere bei kleinen Nennspannungen ein zu großes Verhältnis zwischen Betriebsspannung und Ansprechspannung vorhanden ist, um die thyristoren wirksam schützen zu können. Zu diesem Nachteil kommt noch der Umstand hinzu, daß zu einem wirklichen Schutz einer Halbleiteranlage noch eines der vorgenannten Schutzmittel Verwendung finden muß. Damit wird diese Kombination zu aufwendig. (DPS 881 564» 93o 4oo und DAS 1 I06 4o8)

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Es besteht daher ein technisches Bedürfnis, auf eine wirklich ■wirksame Überspannungssehutzeinrichtung für Halbleiterstroiarichter, und es liegt dieser Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein Schaltmittel zu schaffen₉ welches sich in der Bauweise durch einen geringen Platzbedarf und niedriges Einbaugewicht sowie durch eine allen Anforderungen gerecht werdende Betriebsweise bei erhöhter Betriebssicherheit den bekannten Einrichtungen gegenüber auszeichnet.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Überspannungsschutzeinrichtung gefunden wurde, die in vorteilhafter und wirtschaftlicher Weise einen mit Hilfe einer in Funktion der Wechselspannung proportionaler Gleichspannung gezündeten Thyristor kennzeichnet, durch dessen Strom die entstandene überspannung an den Induktivitäten des Gleichriehtertransformators abfällt und somit von dem einzuspeisenden Halbleitergleichrichter ferngehalten wird. Dazu ist die parallel zur Sekundärseite des Gleichriclitertransiormators liegende Drehstrombrücke mit parallelgeschalteten Belastungskreisen ausgebildet, von denen der eine Belastimgskreis aus einem linearen Widerstand und einem Kondensator, und der andere Belastungskreis aus einer Drosselspul®, einem Thyristor und einem nichtlinearen von einem Kondensator überbrückten Widerstand besteht·

Der nichtlineare Widerstand ist mit ausgeprägtem Rechteekknick ausgeführt. Da diese Knickspannung nur wenig über dem Maximalv/ert der Hgimspannung liegt und dadurch bei 3tf_ennbetrieb die Verlustleistung unzulässig hoch xiürde» ist dem nichtlinearen Widerstand ein !Thyristor vor- oder nachgeschaltet. Dieser (Thyristor wird von einer Anzapfung eines ebenfalls an der Gleichstromseite der Drehstrombrücke liegenden Spannungsverteiler gesteuert.

Die weiteren Merkssala der Erfindung werden naohstehend anhand der Pig. 1 und 2 der Zelohaung, ftie dl© AuefÜfaruueefoxiB der

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erfindungsgemäßen Schaltung beispielhaft wiedergibt, näher erläutert.

Die leitftungsführung zwischen dem Gleichrichtertransformator m 1 und der in unmittelbarer Nähe des Transformators angeordnete Drehstrombrücke η 1 bis η 6 ist möglichst induktivarm ausgeführt, damit die Spannung auf der Gleichstromseite der Drehs tr ombrücke dem Maximalwert der drei verketteten Spannungen auf der Sekundärseite des Transformators m 1 proportional ist. Die Gleichspannung liegt an dem in Reihe geschalteten Kondensator c 1 und dein Widerstand r 1 an, Dabei grenzt der Widerstand r 1 beim Zuschalten des Gleichriehtertransformators m 1 den Strom der Dioden η 1 bis η 6 auf den zulässigen Maximalbetrag. Übersteigt nun die Spannung an c 1 den Begrenzungswert, so wird der Thyristor pt 1 durch die am Spannungsteiler r 2 abfallende Spannung gesundet« Der Kondensator c 1 entlädt sich über den durch den !Thyristor pt 1 eingeschalteten Stromkreis» der aus einer Drosselspule d 1 ά&η Thyristor und einen von einem Kondensator c 2 überbrückten niehtlinearen Widerstand η 7 gebildet wird.

Die Spannung am Kondensator c 1 schwingt nun über die Drosselspule d 1, bei vernachlässigbar em dynamischen Widerstand, des nicht Widerstasdea a JtW äensellaea Betrag unter die ]

am Kondensator c 2, um den der Begrenzungswert größer ist als die Gegenspannung am Kondensator c 2, d.h., da© die Beschaltungselemente so dimensioniert sind, daß der Parallelkondensator c des niehtlinearen Widerstandes η 7 eine Gegenspannung aufrecht erhält, die größer als die der Nennspannung proportionale Gleichspannung am Kondensator c 1 ist, Durch diese Differenzspannung wird der Thyristor wieder gelöscht. Bei weiter vorhandener Netzüberspannung steigt die proportionale Spannung am Kondensator c 1 wieder an und der fhyxiator wird nach dem Erreichen des BegrenzungswertaB wieder gezündet. Dis Einschaltung eines nichtlinearan Widerstandes η ? in den iDhyristor-

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zweig ist deshalb notwendig, weil ohne die nunmehr am Kondensator c 2 anstehende Spannung die böschung des !Dhyristors nicht möglich ist. Würde z.B· an dessen Stelle am linearen Widerstand eingebaut, so wäre der Schutzeffekt zwar der gleiche, jedoch ist eine Wiederholung der Wirkung bei weiter ansteigender Überspannung nicht möglich. Me Anlage muß nach dem einmaligen Auftreten der Überspannung automatisch abgeschaltet werden, weil der !Dhyristor nicht wieder gelöscht werden kann.

Vorteilhaft kann es auch sein, anstelle des Parallelkondensators c 2 eine der bekannten lösehschaltungen zu verwenden, die mit einer Zwangslösoh- und Zündeinrichtung aus-

fiöh _ _ aus der Parallelschaltung des nichtlinearenWiderstandes n7 und des Kondensators c 2 ergibt, eine Maschinen- oder Batteriegegenspannung zu verwenden.

In dem Zeitbeireich zwischen den schlagartigen Auftreten der Überspannung an der Primärseite des Transformators und dem Erreichen des Begrenzungswertes am Kondensator c 1 verläuft die Kondensatorspannung nach der Formel

^üci = , V - V · ^COSH * ■

!!_„ ist in dieser Formel die Gleichspannung an dem Konden-

gli

sator el bei am Grleiehrichtertransformator vorherrschender Nennspannung und

. ei

Parin ist It die auf die Phase bezogene Streureaktanz des ^ Transformators.

-* Beim Erreichen des Begrenzungswertes der Spannung zündet der

~-j ■

^ Ihyristor pt 1. Der Spannungsverlauf im Schützbereich der

° Überspannung ist für eine lietzspannung mit dem Faktor 2 in ^ der Kurve ü_cl/t gemäß Fig. 2 wiedergegeben. Sie läßt am Anfang eine Ausregelzeit von etwa 5oo^fc see erkennen, während bei weiterbestehender Überspannung die nächsten Spannungsstöße

'- 8 nach etwa 25o A see ausgeregelt sind«

Bs ist selbstverständlich, daß die Bauelemente der Überspannungssehutzeinrichtung nach dem bei Nennspannung über die Drehstrombrücke fließenden Strom ausgelegt werden müssen. Der Vorteil der beschriebenen Schaltung liegt jedoch vor allem darin, daß der Parallelstromkreis mit dem Thyristor erst beim Zünden des Thyristors belastet wird, so daß diese Beschaltungsteile auch nur für Sekundenbruchteile belastet werden.

Der erfindungsgemäße Aufwand ist damit in Bezug auf Material und Montage nicht mehr so aufwendig» Als.besonders vorteilhaft kommt noch hinzu, daß die Drehstrombrücke und ihr Dauerbelastungszweig ebenfalls überlastbar sind.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Überspannungsschutzeinrichtung für Halbleiterstromrichter mit e iner parallel zur Sekundärseite des Gleichrichtertransformators liegender Drehstrombrücke, gekennzeichnet durch einen mit Hilfe einer in Funktion der Wechselspannung proportionaler Gleichspannung gezündeten (thyristor, durch dessen Strom die entstandene Überspannung an den Induktivitäten des Gleichrichtertransformators abfällt«

2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallelgeschaltete !Belastungsstromkreise gebildet sind, von denen der eine Kreis aus einem linearen Widerstand (rl) und einem Kondensator (el), und der andere Kreis aus einer Drosselspule (dl), einem Thyristor (pt 1) und einem nichtlinearen von einem Kondensator (c2) überbrückten.Widerstand (n7) besteht.

3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 u. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare. Widerstand (n7) mit ausgeprägtem Hechteckknick ausgeführt ist.

4. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Thyristors (pt 1) durch eine Anzapfung eines an der Gleichstromseite der Drehstrombrücke liegenden Spannungsteilers (r2) erfolgt.

5. Überspanriungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelkondensator (c2) des nichtlinearen Widerstandes (n7) eine Gegenspannung aufrecht erhält, die größer als die der Nennspannung proportionale Gleichspannung am Kondensator (el) ist und dadurch den Thyristor (pt 1) löscht·

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6, Überspannungsschutzeinrichtung nach. Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Batterie- oder Maschinengegenspannung zur Löschung des Thyristors (n7) verwendet isto

7· ÜberSpannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (pt 1) mit einer Zwangslösch- und Zündeinrichtung ausgerüstet ist.

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