DE1613719B2

DE1613719B2 - Uberspannungsschutzeinrichtung für Halbleiterstromrichter

Info

Publication number: DE1613719B2
Application number: DE19671613719
Authority: DE
Inventors: Arnold Dipl.-Ing. 6731 Lindenberg Schoenung
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1967-05-20
Filing date: 1967-05-20
Publication date: 1975-10-02
Also published as: DE1613719A1; FR1572552A; SE353624B; CH465056A; DE1631719A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Uberspannungsschutzeinrichtung für Halbleiterstromrichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des vorstehenden Anspruchs.

Bei einer solchen bekannten Uberspannungsschutzeinrichtung (BBC-Nachrichten 47, S. 69 und 70) ist ein zweifacher überspannungsschutz gegen äußere Überspannungen am Beispiel eines Stromrichters mit induktiver Last dargestellt und beschrieben:

Äußere Überspannungen können beim Abschalten induktiver Kreise, z. B. bei Antriebsspeisungen, auftreten, wie auch beim Abschalten leerlaufender Anlagen. Eine Uberspannungsschutzeinrichtung aus zwei parallelen Kreisen liegt daher hinter dem die induktive Last speisenden Hauptstromrichter. Im Hauptkreis muß bei großen Induktivitäten diese gleichstromseitig kurzgeschlossen werden, bevor der Stromrichter drehstromseitig abgeschaltet wird. Kondensatoren oder RC-GWeder reichen dabei üblicherweise nicht aus, um die magnetische Energie aufzunehmen. Ein kleines i?C-Glied ist jedoch aus anderen Gründen zweckmäßig, z. B. um das Zünden der Thyristoren bei Schwachlast zu erleichtern. Daher ist neben einem das RC-Glied enthaltenden Kreis der Uberspannungsschutzeinrichtung ein zweiter Kreis vorgesehen, der einen bei überspannung ausgesteuerten Thyristor in Reihe mit einem Widerstand enthält.

Gegen Schaltspannungen bei offener Anlage, insbesondere wenn die Thyristoren durch Impulse gesteuert werden, schützt die genannte Schaltung jedoch nicht. Die Thyristoren lassen ohne Zündung nur dann Strom durch, wenn die auftretende überspannung die Vorwärts-Durchbruchspannung übersteigt. Dieses Zündverfahren ist jedoch nicht allgemein zulässig. Derartige Überspannungen werden demnach nicht von Schutzeinrichtungen wirksam erfaßt, die hinter dem Stromrichter angeschlossen sind.

Gegen derartige Überspannungen schützt z. B. ein Kondensator, der über einen Hilfsgleichrichter aus nicht steuerbaren Zellen in Brückenschaltung an den Transformator angeschlossen wird. Der Vorwiderstand dämpft den Einschaltstromstoß und setzt die durch die Kommutierungsvorgänge im Hauptstromrichter verursachten Oberwellenströme herab. Eine Reihendiode verhindert das Entstehen von Oberwellenströmen auch dann, wenn die Hilfs-Spannungsquelle anderweitig belastet wird. Sie verhindert ferner eine Rückspeisung des Kondensators auf den Hauptstromrichter, wenn der Hilfsgleichrichter z. B. das Motorfeld speist. Durch diese Rückströme können sonst an den Ventilen des Hauptstromrichters steile ίο Sperrspannungsanstiege auftreten. Über den Parallelwiderstand gleicht sich die Uberschußladung nach einem Schaltvorgang aus: darüber hinaus dient er zum völligen Entladen bei abgeschalteter Anlage.

Diese bekannte Uberspannungsschutzeinrichtung am Hilfsgleichrichter hat, durch Stromfluß durch die beiden ohmschen Widerstände bedingt, im Normalbetrieb Verlustleistung zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, letztgenannte Uberspannungsschutzeinrichtung derart zu verbessern, daß seine Schaltungsteile nur bei Auftreten einer überspannung belastet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einer Uberspannungsschutzeinrichtung der vorbeschriebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination im Kennzeichen des Patentanspruchs.

Es ist ferner bei einem überspannungsschutz für Gleichstromanlagen bekannt (DT-AS 11 93 594), einen Thyristor vorzusehen, der erst bei Auftreten einer überspannung durchgeschaltet wird und der auf Grund der von der Parallelschaltung eines Kondensators mit einem nichtlinearen Widerstand gebildeten Gegenspannung nach dem Abklingen der Uberspannungswelle wieder gelöscht werden soll.

Diese bekannte Uberspannungsschutzeinrichtung arbeitet im ungestörten Betrieb wie die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ohne Verlustleistung. Es ist jedoch nicht gesichert, daß der bekannte überspannungsschutz die erforderlichen Schaltspiele wiederholt ohne Beschädigung durchführt und in einer ausreichend kurzen Zeit nach dem Abklingen des Uberspannungsimpulses wieder abschaltet.

Die vorgenannten Bedingungen werden hingegen bei der erfindungsgemäßen Uberspannungsschutzeinrichtung erfüllt. Die vorgeschaltete Drosselspule schützt den Thyristor einmal gegen zu hohe Stromanstiegswerte di/dr. Zum anderen bildet sie den Teil eines Schwingkreises, so daß die Spannung am Kondensator im zweiten Kreis im Verlauf dieses Schwingvorganges unter die Gegenspannung des Parallelkreises aus nichtlinearem Widerstand und Kondensator sinken kann und somit der Thyristor sperrt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Uberspannungsschutzeinrichtung besteht darin, daß sich über das Spannungsteilerverhältnis am stellbaren Spannungsteiler die Zündschwelle für den Thyristor kontinuierlich einstellen und somit anpassen läßt.

Die weiteren Merkmale der Erfindung werden nachstehend an Hand einer in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Uberspannungsschutzeinrichtung näher erläutert.

F i g. 2 zeigt die Spannung am Kondensator des zweiten Kreises der Uberspannungsschutzeinrichtung in Funktion der Zeit.

Gemäß F i g. 1 liegen an der Sekundärseite eines Gleichrichtertransformators 1 ein Hauptstromrichter, angedeutet durch Anschlüsse 2, und ein Hilfsgleichrichter aus Dioden 3 bis 8 in Brückenschaltung. Ein erster Kreis der Uberspannungsschutzeinrichtung ent-

hält die Reihenschaltung eines Kondensators 13 mit einem Widerstand 14. Ein zweiter zum ersten parallelgeschalteter Kreis besteht aus einer Drosselspule 9, in Reihe mit einem Thyristor 10 und einem nichtlinearen Widerstand 11, der durch einen Kondensator

12 überbrückt ist. Der nichtlineare Widerstand kann eine Leistungs-Zenerdiode mit ausgeprägter Knickspannung (untere gestrichelte Linie in Fig. 2) sein. Ein dritter paralleler Kreis enthält einen stellbaren Spannungsteiler 15 mit einem Abgriff 16.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Uberspannungsschutzeinrichtung beschrieben.

Die Leitungsführung zwischen dem Gleichrichtertransformator 1 und dem in unmittelbarer Nähe des Transformators angeordneten Hilfsgleichrichter ist möglichst induktivitätsarm ausgeführt, damit die Spannung auf der Gleichstromseite der Brücke dem Maximalwert der drei verketteten Spannungen auf der Sekundärseite des Transformators 1 proportional ist. Die Gleichspannung liegt an dem Kondensator

13 und dem Widerstand 14 an. Dabei begrenzt der Widerstand 14 beim Zuschalten des Gleichrichtertransformators 1 den Strom der Dioden 3 bis 8 auf den zulässigen Maximalbetrag, übersteigt nun die Spannung am Kondensator 13 den Begrenzungswert, so wird der Thyristor 10 durch die am Spannungsteiler 15 abfallende Spannung gezündet (obere gestrichelte Linie in Fig. 2). Der Kondensator 13 entlädt sich über den durch den Thyristor 10 eingeschalteten Stromkreis, der aus der Drosselspule 9, dem Thyristor 10 und dem vom Kondensator 12 überbrückten nichtlinearen Widerstandll gebildet wird.

Die Spannung am Kondensator 13 (vgl. F i g. 2) schwingt nun über die Drosselspule 9, bei vernachlässigbarem dynamischem Widerstand des nichtlinearen Widerstandes 11, um denselben Betrag unter die Gegenspannung am Kondensator 12, um den der Begrenzungswert größer ist als die Gegenspannung am Kondensator 12, d. h., daß die Beschaltungselemente so dimensioniert sind, daß der Parallelkondensator 12 des nichtlinearen Widerstandes 11 eine Gegenspannung aufrechterhält, die größer als die der Nennspannung proportionale Gleichspannung am Kondensator 13 ist.

Durch diese Differenzspannung wird der Thyristor wieder gelöscht. Bei weiter vorhandener Netzüberspannung steigt die proportionale Spannung am Kondensator 13 wieder an, und der Thyristor wird nach dem Erreichen des Begrenzungswertes wieder gezündet. Die Einschaltung eines nichtlinearen Widerstandes 11 in den Thyristorzweig ist deshalb notwendig, weil ohne die nunmehr am Kondensato^r 12 anstehende Spannung die Löschung des Thyristors nicht möglich ist. Würde z. B. an dessen Stelle ein linearer Widerstand eingebaut, so wäre der Schutzeffekt zwar der gleiche, jedoch ist eine Wiederholung der Wirkung bei weiter ansteigender überspannung nicht möglich. Die Anlage muß nach dem einmaligen Auftreten der überspannung automatisch abgeschaltet werden, weil der Thyristor nicht wieder gelöscht werden kann.
Vorteilhaft kann es auch sein, an Stelle des Parallelkondensators 12 eine der bekannten Löschschaltungen zu verwenden, die mit einer Zwangslösch- und Zündeinrichtung ausgerüstet ist. Oder an Stelle der Spannung, die sich aus der Parallelschaltung des nichtlinearen Widerstandes 11 und des Kondensators 12 ergibt, eine Maschinen- oder Batteriegegenspannung zu verwenden.

In dem Zeitbereich zwischen dem schlagartigen Auftreten der überspannung an der Primärseite des Transformators und dem Erreichen des Begrenzungswertes am Kondensator 13 verläuft die Kondensatorspannung nach der Formel

TT —II — I! ■ r-ης/,ι t
^ul3 — ^U9n ^ugn ^^ut> "Ό^ι ■

U_g„ ist in dieser Formel die Gleichspannung an dem Kondensator 13 bei am Gleichrichtertransformator vorherrschender Nennspannung und

^W°~2i;-cl3

' Darin ist L_n die auf die Phase bezogene Streureaktanz des Transformators, die natürlich größer ist als die Induktivität der Drosselspule 9.
Beim Erreichen des Begrenzungswertes der Spannung zündet der Thyristor 10. Der Spannungsverlauf im Schutzbereich der überspannung ist für eine Dimensionierung bis zum zweifachen Nennspannungswert in der Kurve U_cl3/t gemäß Fi g. 2 wiedergegeben. Sie läßt am Anfang eine Ausregelzeit von etwa 500 μ$εο erkennen, während bei weiterbestehender Überspannung die nächsten Spannungsstöße nach etwa 250 μ see ausgeregelt sind.

Es ist selbstverständlich, daß die Bauelemente der Uberspannungsschutzeinrichtung 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 gering.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Uberspannungsschutzeinrichtung für Halbleiter-Stromrichter mit einem parallel zum Hauptstromrichter an der Sekundärseite des Gleichrichtertransformators liegenden Hilfsgleichrichter in Dioden-Brückenschaltung, der mindestens einen ersten Kreis der Uberspannungsschutzeinrichtung speist, der die Reihenschaltung einer Impedanz und eines Kondensators enthält, gekennzeichnet durch die Kombination, daß parallel zu dem ersten Kreis ein zweiter Kreis vorgesehen ist, der eine Drosselspule (9) in Reihenschaltung mit einem Thyristor (10) und in Reihe mit der Parallelschaltung eines nichtlinearen Widerstandes (11) mit einem Kondensator (12) enthält, und daß als dritter Kreis parallel zu den anderen Kreisen ein stellbarer Spannungsteiler (15) an den Hilfsgleichrichter angeschlossen ist, an dessen Abgriff (16) die Steuerelektrode des Thyristors (10) liegt.