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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen,
die in beiden Polaritäten einer Wechselspannung, insbesondere einer Wechselrichterspannung
überlagert sind, mit einer Gleichrichterbrücke aus vier Halbleitexnventilen, die
wechselstromseitig an die Wechselspannung angeschlossen und ,gleichstromseitig durch
einen Widerstand mit dazu parallelgeschalteter Kapazität belastet ist.
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Eine derartige Anordnung ist vornehmlich dazu geeignet, ein Gerät
vor Überspannungen zu schützen, das spannungsempfindliche Halbleiterbauelemente
enthält, z. B. einen Halbleitergleichrichter, und das mit Wechselstrom aus einem
Wechselrichter versorgt wird. Zu diesem Zweck wird eine solche Anordnung direkt
zum Eingang des zu schützenden Gerätes parallelgeschaltet. Die Anordnung ist dabei
auch zum Ausgang des Wechselrichters parallelgeschaltet, und zwar hinter einem etwa
verwendeten Filter, das dem Ausgangstransformator des Wechselrichters unmittelbar
nachgeschaltet ist. Überspannungen treten beispielsweise beim Umschalten der Belastung,
insbesondere beim Wegnehmen der Belastung, auf. Die Polarität der Überspannung hängt
jeweils davon ab, bei welcher Phasenlage der Wechselspannung diese Umschaltung vorgenommen
wird. Bei konstantbleibender Belastung und stationärem Betrieb ist die Kapazität,
an welche die Gleichrichterbrücke gleichstromseitig angeschlossen ist, ständig etwa
auf den Scheitelwert der regularen Wechselspannung geladen. Treten Überspannungen
nur verhältnismäßig-- selten und mit ausreichend langen zeitlichen Abständen auf,
so befindet sich, wenn eine dieser Überspannungen eintrifft, die Kapazität stets
in diesem Ladezustand. Die Kapazität kann daher die Überspannung kurzzeitig speichern
und damit unwirksam machen. Die Ladespannung der Kapazität wird dadurch ebenfalls
kurzzeitig erhöht. Anschließend fließt die gespeicherte Energie als Entladestrom
.durch den Parallelwiderstand ab, und die Ladespannung fällt wieder auf .den regulären
Wert zurück. Dieser Vorgang dauert zwar wesentlich länger als das Speichern der
überspannungsenergie, die Entladezeitdauer kann jedoch immer so kurz bemessen werden,
daß sie nur einen Bruchteil einer Sekunde beträgt.
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Die Schutzwirkung einer solchen Anordnung ist jedoch unzureichend,
wenn sie bei Anlagen mit nicht unterbrechungsfreier Umschaltung auf .. eine Notstromversorgung
verwendet wird. Das ist beispielsweise der Fall bei einem Wechselrichter; der eine
konstantbleibende Wechselspannung abgeben soll und beim Ausfallen seines Versorgungsnetzes
nicht unterbrechungsfrei an eine Batterie angeschlossen werden kann. Unzureichend
ist sie ferner für Stromversorgungsgeräte, die sehr häufig auf unterschiedliche
Belastungen umgeschaltet werden müssen, z. B. wieder ein Wechselrichter, welcher
bei jeder Belastungsart die gleiche konstantbleibende Spannung abgeben soll. Im
besonderen Maße unzureichend ist sie bei Stromversorgungsgeräten mit großer Nennstromstärke
etwa zur Speisung mehrerer Verbraucher.
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In allen diesen Fällen zeigt sich, da beim nichtunterbrechungsfreien
Umschalten wenigstens zwei Überspannungsimpulse mit kurzem Zeitabstand nacheinander
auftreten, daß beim Eintreffen des zweiten Impulses die Energie des--vorangehenden
ersten Impulses noch nicht vollständig abgebaut worden ist, so daß für den zweiten
Impuls die Speicherkapazität noch nicht voll aufnahmebereit ist. Indessen kann aber
die Entladezeitdauer der Speicherkapazität nicht beliebig verkürzt werden, ohne
dadurch einerseits das Speichervermögen zu verringern oder andererseits die Belastung
der Wechselspannung oder des Wechselrichters durch Herabsetzen des Entladewiderstandes
in einem unerwünschten Maße zu erhöhen.
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Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, daß diese Mängel beseitigt
werden können, wenn die Gleichrichterbrücke der Schutzanordnung Steuerbar ausgeführt
ist.
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Die technische Lösung für eine solche eingangs beschriebene Schutzanordnung
besteht erfindungsgemäß darin, daß die Gleichrichterbrücke mit je einem Thyristor
in zwei Brückenzweigen symmetrisch halbgesteuert ausgebildet ist und daß eine zweite,
gleichartige, aber urgesteuerte Gleichrichterbrücke, bei der gleichstromseitig die
Kapazität zum Widerstand über einen weiteren niederohmigen Widerstand parallelgeschaltet
ist, vorhanden ist und als überwachungsorgan dient, das mittels eines Transformators
an die Wechselspannung angeschlossen ist und beim Auftreten einer Überspannung beide
Thyristoren der halbgesteuerten Gleichrichterbrücke über einen Impulsverstärker
bekannter Art, welcher durch den Spannungsabfall am niederohmigen Widerstand der
urgesteuerten Brücke gesteuert ist, gleichzeitig zündet.
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Die Erfindung ist dadurch weiter ausgebildet, daß die Zeitdauer beim
Entladen der Kapazität des Überwachungsorgans um wenigstens eine Größenordnung größer
ist als die Zeitdauer beim Entladen der an der halbgesteuerten Gleichrichterbrücke
angeschlossenen Kapazität.
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Ferner ist die Erfindung dadurch weiter ausgebildet, daß die Zeitdauer
zum Laden der Speicherkapazität mit Hilfe eines verstellbaren niederohmigen Widerstandes
eingestellt wird, welcher der halbgesteuerten Gleichrichterbrücke als Vorwiderstand
zugeordnet ist. Von der Größe dieses Widerstandes hängt auch der zeitliche Verlauf
desjenigen Ausgleichsvorganges ab, welcher beim Wirksamwerden der Schutzanordnung
dem Verlauf der regulären Wechselspannung überlagert wird.
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Außerdem ist die Erfindung noch dahingehend weiter ausgebildet, daß
der Impulsverstärker mittels des Transformators an die überwachte Wechselspannung
angeschlossen und durch eine dem Transformator nachgeschaltete Gleichrichteranordnung
mit Gleichstrom versorgt wird.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel einer Anordnung, .die
zur Begrenzung von überspannungen bei einer Einphasenwechselspannung ausgeführt
und in F i g. 1 dargestellt ist, im folgenden näher beschrieben.
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F i g. 2 enthält zwei Diagramme einer konstantgeregelten sinusförmigen
Wechselspannung, welcher beim Auftreten eines Überspannungsimpulses jeweils ein
Ausgleichsvorgang überlagert ist. Diagramm a) zeigt den Ausgleichsvorgang so, wie
er allein durch die Wirkung eines -Konstantspannungsreglers abläuft. Diagramm b)
gibt den Ausgleichsvorgang unter Mitwirkung der erfindungsgemäßen Schutzanordnung
wieder.
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Nach F i g. 1 ist die Anordnung gemäß der Erfindung
an
eine sinusförmige Einphasenwechselspannung UW angeschlossen. Die Anordnung besteht
aus einer symmetrisch halbgesteuerten Gleichrichterbrücke 1 in Graetzschaltung,
die zwei Thyristoren 11 und 13 und zwei angesteuerte Ventile 12 und
14
enthält und die gleichstromseitig durch einen Widerstand 15 mit dazu parallelgeschalteter
Speicherkapazität 16 belastet ist, sowie aus einem zur Gleichrichterbrücke 1 parallelgeschalteten
Transformator 3. Dem Gleichrichter ist zweckmäßig ein steilbarer niederohmiger Widerstand
17 vorangeschaltet. Der Transformator 3 hat zwei Sekundärwicklungen 32 und 33. An
der einen Sekundärwicklung 32 ist eine angesteuerte Gleichrichterbrücke2, wieder
in Graetzschaltung, angeschlossen, die gleichstromseitig durch einen Widerstand
26 und eine dazu parallelgeschaltete Kapazität 25 belastet ist. Die Kapazität 25
ist über einen niederohmigen Widerstand 28 am Gleichstromausgang der Brücke
angeschlossen und zum Widerstand 26 parallelgeschaltet. Dieser an die Sekundärwicklung
32 angeschlossene Schaltungsteil dient als Überwachungsorgan oder Detektor für die
Oberspannungen. An der zweiten Sekundärwicklung 33 des Transformators 3 ist ebenfalls
eine angesteuerte Gleichrichterbrücke 41 angeschlossen. Diese Brücke dient zur Gleichrichtung
der Wechselspannung, die mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis übertragen
wird, und zur Versorgung eines Impulsverstärkers 4 bekannter Art mit Gleichstrom
über ein Siebglied 42. Der Steuereingang des Impulsverstärkers 4 liegt am niederohmigen
Widerstand 28 des Überwachungsorgans und enthält ein Schwellwertglied 43. Der Ausgang
des Impulsverstärkers arbeitet auf die parallelgeschalteten Zündstromkreise der
Thyristoren 11 und 13.
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Solange am Transformator 3 die reguläre konstantgeregelte Wechselspannung
UW ansteht, ist die Kapazität 25 etwa auf den Scheitelwert der übertragenen Wechselspannung
geladen. Der Widerstandswert .des Widerstandes 26 und der Kapazitätswert der Kapazität
25 sind sehr groß gewählt, so daß nur ein schwacher Entladestrom über die Widerstände
28 und 26 fließen kann, der am niederohmigen Widerstand 28 :eine entsprechend geringe
Gleichspannung erzeugt, so daß das Schwellwertglied 43 gesperrt ist und der Impulsverstärker
4 nicht angesteuert wird. Sobald nun im überwachten Wechselstromkreis eine Überspannung
der einen oder anderen Polarität auch nur kurzzeitig auftritt, wird die Kapazität
25 sehr schnell über den niederohmigen Widerstand 28 auf eine entsprechend höhere
Ladespannung nachgeladen. Dabei erzeugt der Ladestrom am Widerstand 28 eine Gleichspannung,
welche die Schleusenspannung des Ventils 42 überschreitet und den Impulsverstärker
4 ansteuert. Dieser liefert nun am Ausgang einen Steuerimpuls, welcher die beiden
Thyristoren 11 und 13 der halbgesteuerten Brückenschaltung 1 praktisch gleichzeitig
zündet. Die Brückenschaltung 1, die bisher gesperrt war, wird .dadurch in beiden
Polaritätsrichtungen stromleitend. Da die Kapazität 16 ladungsfrei ist, schließen
die Gleichrichterbrücke und die Kapazität 16 die Wechselspannung und die Überspannung
augenblicklich kurz. Die Energie der Überspannung und wenigstens eines Teiles der
Wechselspannung fließt als Kurzschlußstrom in die Kapazität 16, wobei diese Kapazität
Spannung aufnimmt. Unterdessen fällt der Impulsverstärker 4 mangels Ansteuerung
in den impulsfreien Zustand zurück. Die Thyristoren 11 und 13 bleiben jedoch gezündet
bis beim nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung der jeweils stromleitende Thyristor
gelöscht wird. In den meisten Fällen ist das schon wenige Millisekunden nach dem
Auftreten der Überspannung der Fall. Bedingt durch das dynamische Verhalten des
Konstantspannungsreglers, welcher ebenfalls beim Auftreten einer Überspannung eingreift
und dem Wechselspannungsverlauf einen Ausgleichsvorgang überlagert, kann das Überwachungsorgan,
solange die Kapazität 16 nicht auf den Scheitelwert der Wechselspannung geladen
ist, während der folgenden Wechselspannungshalbwellen die Thyristoren
11
und 13 erneut zünden, wobei die Ladespannung der Kapazität 16 stufenweise
zunimmt. Die in der Kapazität16 gespeicherte Energie wird, sobald die Gleichrichterbrück
e 1 gesperrt ist, durch Entladen über den Parallelwiderstand 15 abgebaut
und in diesem Widerstand vernichtet. Die Anordnung ist dann wieder zur Begrenzung
einer neu auftretenden Überspannung vorbereitet.
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Die Vorteile der Begrenzungsanordnung bestehen darin, daß die Speicherkapazität,
die gleichstromseitig an die halbgesteuerte Gleichrichterbrücke angeschlossen ist,
beim Eintreffen einer überspannung stets ladungsfrei ist und daher kurzzeitig einen
sehr wirksamen Kurzschluß bilden kann. Der Entladewiderstand braucht nicht mehr
hochohmig zu sein, wie dies zur Vermeidung einer dauernden Belastung der regulären
Wechselspannung durch den Widerstand 15 bei einer angesteuerten Gleichrichterbrücke
notwendig wäre, sondern kann den Bedürfnissen entsprechend niederohmig ausgelegt
sein. Die Entladezeitdauer der Speicherkapazität und die Zeitdauer bis zur Wiederbereitschaft
der Begrenzungsanordnung können daher bedarfsweise erheblich verkürzt bzw. die Speicherkapazität
16 kann entsprechend verringert werden. Die Ladezeitdauer der Speicherkapazität
ist im wesentlichen durch den Wert des niederohmigen Widerstandes 17 festgelegt
und kann durch Verstellen dieses Widerstandes reguliert werden. Mit dieser Verstellung
läßt sich ferner die Kurvenform des überlagerten Ausgleichsvorganges, das ist die
Hüllkurve H der überwachten Wechselspannung während des Ausgleichsvorganges, bequem
verändern. Bei sehr niederohmigem Widerstand 17 steigt die Kurve H langsam an und
klingt steil ab. Bei einem größeren Widerstand 17 hingegen steigt sie steil
an und klingt langsam ab.
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Diagramm b) von F i g. 2 zeigt hierzu ein Beispiel. Die Überspannung,
hervorgerufen durch ein Umschalten von Belastung der Wechselspannung auf Leerlauf,
tritt im Zeitpunkt to auf. Praktisch gleichzeitig damit werden die Thyristoren der
halbgesteuerten Brücke 1 gezündet. Während des dann folgenden Ausgleichsvorganges
treten einige Neuzündungen auf. Im Vergleich dazu zeigt Diagramm a) den Ausgleichsvorgang,
wie er sich durch den Eingriff eines Konstantspannungsreglers allein, d. h. ohne
Mitwirkung der Begrenzungsanordnung gemäß der Erfindung ergibt. In diesem Falle
ist der Ausgleichsvorgang, wie ersichtlich, wesentlich länger, und seine Kurvenform
entspricht einer schwach gedämpften Schwingung.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung wird jedes Überschwingen
nahezu vollständig vermieden, und zwar in dem Maße, daß die
noch
auftretenden Überspannungen vernachlässigbar werden.
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Die Erfindung kann selbstverständlich auch zur Begrenzung von Überspannungen
bei einem Drehstromsystem angewendet werden. In diesem Falle verwendet man an Stelle
der halbgesteuerten Gleichrichterbrücke 1 eine halbgesteuerte Drehstrombrücke, ferner
an Stelle des Transformators 3 einen Drehstromtransformatnr und schließlich an Stelle
der urigesteuerten Gleichrichterbrücke 2 des überwachungsorgans eine urigesteuerte
Drehstrombrücke.