DE2005724A1

DE2005724A1 - Stromrichter mit Thyristorventilen

Info

Publication number: DE2005724A1
Application number: DE19702005724
Authority: DE
Inventors: Karl Ingvar; 01sson Karl Erik; Ludvika Boksjö (chweden). M
Original assignee: Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Västeras (Schweden)
Priority date: 1969-02-14
Filing date: 1970-02-07
Publication date: 1970-11-19
Also published as: DE2005724B2; CH524271A; US3865438A; GB1288867A; SE338099B

Description

Stromrichter mit Thyrlstoryent11en

Die Erfindung "betrifft einen Stromrichter mit Thyristorventilen und die Erfindung bezweckt einen Schutz der Thyristoren des Stromrichters gegen Selbstzündungen.

Mit der Erfindung erreicht man in ihrer einfachsten Form vor allem einen Schutz gegen Selbstzündung der Ventile im-Wechselrichterbetrieb in solchen fällen, in denen der Sicherheits-winkel zu klein wird, aber durch eine weitere Entwicklung des Erfindungsgedankens ist es auch möglich, die Thyristoren im Gleichrichterbetrieb zu schützen, nämlich in den Fällen, in denen die Thyristoren nach Überlastung, z.B. auf Grund eines Kurzschlusses eine anormal lange Wiederherstellungszeit haben, d.h. die Gefahr einer Selbstzündung vorliegt. -

Bei Betrieb eines Wechselrichters muss man die Kommutierungen für die verschiedenen ,7entile- so zeitig, " d.h. mit so kleinem Steuerwinkel, starten, dass man den erforderlichen Sicherheitswinkel erhält, um das Wiederzünden eines Ventils zu vermeiden, wenn dessen Eommutierungsspannung ihre Polarität anderb, wobei

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das Ventil eine positive J>no den ,spannung bekommt. Bei einem Ionenventil gilt es, das Ventil innerhal"b des Sicherheitswinkels zu entionisieren, während es bei Thyristorventilen darauf ankommt, dass die einzelnen Thyristoren sich erholen müssen, um ihre Spannungsfestigkeit in der Leitrichtung wieder zu erreichen. Man muss also die Kommutierung so zeitig starten, dass man den erforderlichen Sicherheitswinke! erhält, und zwar nicht nur unter normalen Verhältnissen, sondern auch bei solchen Störungen in der Kommutierungsspannung, dass diese ihre Polarität früher ändert als berechnet oder dass die Kommutierung später als berechnet abgeschlossen wird, was in beiden Fällen dazu führt, dass der Sicherheitswinkel verkürzt wird. Vom Sicherheitsstandpunkt aus gesehen ist es daher wünschenswert, mit einem grossen Sicherheitswinkel zu rechnen.

Auf der anderen Seite bewirkt ein vergrösserter Sicherheitswinkel einen zunehmenden reaktiven Effekt im Wechsolric Lter, weshalb ein so kleiner Sicherheitswinkel wie möglich wünschenswert ist. Die Wahl des Sicherheitswinkels ist deshalb ein Kompromiss zwischen den beiden genannten Gesichtspunkten.

Während eine Wiederzündung eines Ionenventils nur eine reLativ gutartige Störung bedeutet, sind die Verhältnisse bei Thyristorventilen komplizierter, gleichzeitig kann die v/iederzündung zu grossen Gefahren für die Thyristorventile führen. Beim Aufbau einen Thyr Ls.; Lorventils wählt man zwdckmässigerweise Thyristoren, die einander r.o gleich wie möglich in Hinsicht auf ihre verschiedenen Eigenschaften sind, aber auch bei sorgt'äl-

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tigster Auswahl kann man doch niemals zu einem Thyristorensatz koinmen, "bei dem die Eigenschaften aller Thyristoren in jeder Hinsicht identisch sind, und somit auch nicht in Hinsicht auf die Wiederherstellungszeit. Bei der programmierung der Sicherheitswinkelsteuerung für den Wechselrichter, beis.pielsweise nach dem deutschen Patent 1 22o 196» sollte man deshalb die Sicherheitswink.elsteuerung so wählen, dass sie gut ausreicht, damit auch die langsamsten Thyristoren in jedem Ventil sich erholen können, ehe die Spannung über dem Ventil in der Leitrichtung positiv "Wird.

Ausserdem ist es in der Regel bei der.Sicherheitswinkelsteuerung möglich, auf ptörungen .Rücksicht zu nehmen, die vor Beginn αer Kommutierung eintreten, während man nach diesem Zeitpunkt keine Möglichkeit hat, Ftörungen vorauszusehen oder auf diese Rücksicht zu nehmen, -folgende drei Möglichkeiten sind bei Betrieb eines Wechselrichters mit -

gegeben: - . "- .

1.). ITn Oer normalen Verhältnissen können alle Thyristoren in einem..Ventil -sich innerhalb des Sl^;clierheitswinkels erholen, so dass die Spannungsfestigkeit de.s^:.Ventils viieder hergestellt ist, wenn die Kpannang über dem Ventil positiv wird»

. - - ■ ■ ^! <■ ' 2) Wenn eine solche störung in der Kommutierungsspannung eintritt;, dass die ßpannung über dem Ventil'positiv wird,, ehe irgendeiner der Thyristoren wiederhergestellt ist, zündon al le TliyristorciX ernou I,-. was zu einer gutartigen Durch-

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zündung führt, die mit den Verhältnissen bei Ionenventilen verglichen "werden kann.

3) Wenn jedoch die Spannung ü"ber dem' Ventil positiv wird,
nachdem nur einige der Thyristoren wieder hergestellt sind, zünden die restlichen Thyristoren erneut, wobei die erstgenannten Thyristoren die ganze Spannung in der Leitrichtung des Ventils aufnehmen müssen, was, wenn es sich um entsprechend wenige Thyristoren handelt^ eine Selbstzündung dieser Thyristoren und auch ihre Zerstörung bewirken kann.

Gemäss der Erfindung wird eine solche Selbstzündung einiger Thyristoren dadurch vermieden, dass man, wenn die Ventilspannung während des in Punkt 3 genannten kritischen Intervalls gerade positiv ist, ganz einfach einen Zündimpuls an
sämtliche Thyristoren des Ventils gibt und auf diese Weise
eine ungefährliche Durchzündung des Ventils bewirkt. Stromrichter mit Thyristorventilen ist erfindungsgemäBs also gekennzeichnet durch einen'Schutz der Ventile des Stromrichters gegen Selbstzündung, bestehend aus einer Anordnung, die die Polarität der Spannung über dem Ventil abtastet, ein erstes Signal an ein UND-Glied abgibt, wenn die Spannung nach einer Kommutierung negative Polarität bekommt, und ein zweites
Signal, wenn die Spannung positive Polarität bekommt, und
beide Signale über das UND-Glied dem Zündsystem des Ventils und das erstgenannte Signal auch einem Zeitgerät zuführt, das. das Signal eine gewisse, im voraus bestimmte Zeit, die der

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längsten ¥ieäerherstellungszeit. der Thyristoren des Ventils entspricht, aufrechterhält, so dass ein Zündsignal üloer das UND-Glied freigegeben wird, wenn das genannte zweite Signal während dieser Zeit abgegeben wird. . ·

Die Wiederherstellungszeit der Thyristoren ist stark von ihrer Temperatur abhängig und diese wiederum von den Belastungsverhältnissen und der Kühlung« Es ist deshalb vorteilhaft, dass man die Signalverzögerung im Zeitgerät v.on der Belastung des Stromrichters so abhängig, macht, dass die Länge des kritischen Intervalls mit' steigender Belastung oder Temperatur zunimmt. Dadurch erhält man auch einen Schutz gegen Störungen in Form eines Kurzschlusses im G-leichrichterbetrieb, bei dem die Wiederherstellungszeit bei einigen Thyristoren eine kritische Länge erreichen kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der. Zeichnung näher erläutert," in dieser zeigen,

Fig. 1 einen üblichen Stromrichter, fig. 2 die Spannungsverhältnisse eines Ventils vor, während und nach der Kommutierung in ,Wechselrichterbetrieb und

Fig. 3 ein Thyristorventil für einen Stromrichter gemäss Fig. 1 mit einem Schutz gemäss der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Stromrichter mit einer Ventilbrücke ■ mit sechs Thyristorventilen 1 bis 6, einen Stromrichtertransformator 7, Wechaelatromklemmen 8-imd (Jlelohstromklemmen 9..

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Die Ventile werden von einem Steuergerät 10 üblicher Art ■ mit Ausgängen 11 Ms 16 gesteuert, von denen Steuerimpulse zu den Thyristoren in den Ventilen gegeben werden, wie aus Fig. 3 deutlicher hervorgeht. Der Stromrichter hat auf der Wechselstromseite einen Schalter 17.

Fig. 2 zeigt die Spannung über einem Ventil in Wechselrichterbetrieb vor, während und nach der Kommutierung. Während des Leitintervalls des Ventils und auch während der Kommutierung ist die Spannung über dem Ventil praktisch Null im Vergleich mit der Spannung über dem Ventil, wenn "dieses gesperrt ist: Wenn die Kommutierung aufhört, ist die Spannung Anode-Kathode negativ, um nach einer gewissen Zeit die Polarität zu wechseln und positiv zu werden. In Fig. 2 wird die Kommutierung zum Zeitpunkt t.. mit einem Steuerwinkel oC eingeleitet, der so gewählt ist, dass er zusammen mit der Kommutierungszeit 180 mit dem Wert des gewünschten Sicherheitswinkels unterschreitet. Das Steuergerät 10 kann zu diesem Zweck eine Anordnung zur Sicherheitswinkelsteuerung nach dem deutschen Patent 1 226 196 oder dem Schweizer Patent 388 441 enthalten.

Die Zeit L - tp gibt die Kommutierungszeit an, und nach abgeschlossener Kommutierung folgt die Spannung über dem Ventil theoretisch der Kurve abc, d.h. sie ist erst negativ, • sinkt bis Null zum Zeitpunkt t,- entsprechend dem Winkel und wird danach positiv. In der Praxis fällt die Spannung· jedoch nicht augenblicklich auf ihren negativen Wert, sondern

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folgt der Kurve ad, was darauf beruht, dass die Thyristoren ■weder gleichzeitig noch augenblicklich in der Sperrichtung gesperrt werden.

Die. Thyristoren "benötigen jedoch "bedeutend längere Zeit, um ihre Festigkeit für Spannungen in der Leitrichtung wieder zu erlangen, da die Thyristoren einen Teil freier Ladungsträger enthalten, die erst wieder kombiniert oder aus den sperrenden "Übergängen im Thyristor herausgesaugt werden müssen. Erst "beim Zeitpunkt t, z.B. kann man deshalb damit rechnen, dass alle Thyristoren wieder hergestellt und "bereit sind, Spannung in der Leitrichtung aufzunehmen. Dieses muss also "bei der Berechnung des erforderlichen Sicherheitswinkels "berücksichtigt werden, "beispielsweise gemass dem deutschen Patent 1 226 196.

Man sieht, dass alles in Ordnung ist, wenn die Kommutierung "bei tp. abgeschlossen ist und die Ventilspannung der Kurve ade folgt. Wenn jedoch die Kommutierung verzögert wird, so dass die Kurve ad nach rechts verschoben wird, kann der Zeitpunkt t. evtl. rechts von t,- liegen, wobei die Lage kritisch werden kann. Eine solche Verzögerung kann auf einer Spannungs-

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Senkung im Wechselstromnetz beruhen, das an den Klemmen 8 in Pig. 1 angeschlossen ist, wodurch die Kommutierungsspannung, die die Kommutierung bestimmt, - abnimmt, oder die Verzögerung kann auf Störungen im Gleichstromkreis beruhen.

In Fig. 2 ist dieses dadurch angedeutet, dass die Spannungskurve bc nach links verschoben wurde, so dass die Spannung

möglicherweise der Kurve aef oder agh folgen kann. Wenn die Spannung der Kurve aef folgt, wird sie nach so kurzer Zeit positiv, dass vermutlich keiner der Thyristoren sein Sperrvermögen erreicht hat, so dass das ganze Thyristorventil wiederzündet. Man erhält also eine reguläre Durchzündung, die eine Störung im Betrieb des Stromrichters bedeutet, aber wie bereits erwähnt, ist eine solche Störung in einem Wechselrichter von relativ gutartiger und vorübergehender Natur.

Wenn dagegen die Spannung der Kurve agh folgt, ist sie so lange negativ gewesen, dass einige Thyristoren wiederhergestellt sind, während andere auf Grund der anwachsenden positiven Spannung wiederzünden. Diese Spannung legt sich deshalb nur über die Thyristoren, die sich erholt haben. Diese können dann von selbst zünden, was sehr wohl zu ihrer Zerstörung führen kann. Nach der nächsten Kommutierung besteht dann die Gefahr, dass die restlichen Thyristoren zerstört werden.

Man sieht also, dass das kritische Intervall für das Vorkommen von positiver Spannung im wesentlichen kurz vor t. liegt. Gremäss der Erfindung schützt man die Thyristoren, indem man eine positive Ventilspannung innerhalb dieses Intervalls eine gesteuerte Zündung sämtlicher Thyristoren verursachen lässt, wie aus' Fig. 3 hervorgeht.

' Fig. 3 zeigt eins der Thyristorventile in Fig. 1, z.B.

Ventil 1, das mehrere in Reihe geschaltete Thyristoren

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101 "bis 104 enthält,. die mit einem Spannungsteiler parallelgeschaltet sind, der Widerstände 111 und Kondensatoren 112 enthält. Das Ventil wird von dem Steuergerät 10 in. Jig, 1 über eine Klemme 11 gesteuert. Die Übertragung der Steuerimpulse zu den Thyristoren ist in.Fig. ,3 symbolisch durch einen Steuerimpulstransformator 115 angedeutet, der mit Sekundärwicklungen 121 Ms 124 versehen ist, die an Steuerelektroden der Thyristoren 101 "bis 104 angeschlossen sind.

Die Übertragung der Steuerimpulse zu den Thyristoren kann auch . mit Lichtimpulsen geschehen. Parallel-zu dem ganzen Ventil liegt ein zusätzlicher Spannungsteiler 1.13 und von seiner Anzapfung tastet man die Spannung über dem Ventil ab und lässt diese über einen Verstärker 114 zwei parallele Kreise beeinflussen.

Die beiden parallelen Kreise haben je einen Spannungsschwellehwertindikator 118,. 119, z.B, in Form von Impulstransformatoren, die über antiparallele Dioden 116, 117 am Verstärker 114 angeschlossen sind. Auf diese Weise" spricht 118 'auf negative Spannung über der'Anoden-Kathode des. Ventils und 119 auf positive Ventilspannung an, durch die Einschaltung des Verstärkers 114 werden diese Anzeigen in demselben. Augenblick erreicht, in der die Spannung Polarität wechselt-.

Der Indikator 118.ist an einer bistabilen Kippschaltung 120 angeschlossen, deren Ausgangsseite "teils an einem UND-Glied 105 und teils an einem Zeitgerät 121 angeschlossen ist,

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das zur Rückstellung der Kippschaltung 120 dient. Die Signale von 119 und 120 v/erden beide dem UND-Glied 105 zugeführt, dessen Ausgangsseite am Transformator 115 angeschlossen ist.

Unter normalen Verhältnissen, wenn die Ventilspannung der Kurve abc oder richtiger ade folgt, gibt 118 ungefähr zum Zeitpunkt t₂ ein Signal an 120, das von der Kippschaltung bis ungefähr t, aufrechterhalten wird, da das Zeitgerät die Kippschaltung in ÜTullage zurückstellt. Der Indikator gibt ein Signal zum Zeitpunkt t^, zu welchem Zeitpunkt das Signal von 120 aufgehört hat, weshalb nichts geschieht, da sich die Eingangssignale zu 105 nicht überlappen..

Wenn dagegen eine Störung dazu führt, dass die Ventilspannung einer der Kurven agh oder aef folgt, kommt das Signal von 119 vor dem Zeitpunkt t., was ein Überlappen der Signale zu 105 bedeutet, so dass dieses Signal an 115 gibt, wodurch das Ventil zündet. In dem letzteren Fall, d.h. wenn die Spannung der Kurve aef folgt, ist ein solches Zündsignal, wie aus dem bereits gesagten hervorgeht, an und für sich überflüssig, da das Ventil auf jeden Fall durchzündet. Auf der anderen Seite bringt es keinen Schaden und steigert ausserdem die Sicherheit des Ventils,

Für die Wiederherstellungszeit der Thyristoren gilt im übrigen, dass diese mit der Temperatur in den Thyristoren stark zunimmb, was seinerseits teils auf der Belastung, d.h. dem Verlusteffekt in den Thyristoren, und teils auf der Kühlung

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der Thyristoren beruht. EB ist deshalb zweckmässig, das Zeitgerät 121 mit einer variablen Verzögerung in Bezug auf die genannten Taktoren auszuführen.

Dies geschieht mit Hilfe der Organe 19 bis 22. Mit Hilfe des Transduktors 19 oder einem anderen Stromindikator wird der Ventilstrom gemessen und das Signal hierzu wird einem Verstärker 20 zugeführt, der unter Berücksichtigung des Leitspannungsabfalls im Thyristorventil geeicht ist. Das Ausgangssignal von .20" in Form eines Ladungsstroms zu einem Kondensator 21 entspricht daher dem in den Thyristoren ent-

standenen Verlusteffekt. Der Kondensator 21 ist mit einem variablen Entladun^swiderstand 22 versehen, der entsprechend der Kühlung der Thyristoren eingestellt ist, wobei der Entladungsstrom in 22 der von den Thyristoren abgegebenen Wärme entspricht. Auf diese Weise wirkt der Kondensator 21 wie ein integrierendes Organ, so"dass die Spannung über dem Kondensator 22 ständig den Unterschied zwischen entwickelter und abgegebener yärme in den Thyristoren angibt, bei richtiger Dimensionierung der verschiedenen Komponenten gibt diese Spannung auch ein Mass für die Temperatur in den Thyristoren an. Diese Spannung wird"dem Zeitgerät 121 zugeführt, das so eingerichtet ist, dass die Zeitverzögerung proportional zu der genannten.Spannung ist oder zumindestens dieser und damit der Temperatur der Thyristoren folgt. Auf diese Weise folgt der Schutz den Variationen der Wiederher-Stellungszeit der Thyristoren bei variierender Belastung und Temperatur. ■

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Hierdurch kann der Schutz auch in einen Schutz gegen Kurzschlusstrom im Stromrichter eingehen, wenn dieser als Gleichrichter arbeitet. Genau wie bei Stromrichtern mit Quecksilberventilen besteht ein solcher Kurzschlussschutz normalerweise aus einem Blockierungsgerät, das die Steuerimpulse der Ventile ausschaltet, wodurch ein Ventil nach dem anderen gesperrt wird. Bei Thyristorventilen bringt jedoch ein Kurzschlusstrom oft eine solche Erwärmung der Thyristoren, dass es schwer ist, eine Blockierung durchzuführen. Wie oben hinsichtlich Wechselrichterbetrieb beschrieben, kann man eine Durchzündung erhalten, die dem Ventil schadet. Die oben beschriebene Anordnung ist ein Schutz hiergegen, wenn gleichzeitig der Schalter 17 ausgelöst wird. Dies kann geschehen, indem ein Maximalspannungsrelais 23 an die Spannung über dem Kondensator 21 (Pig. 3) angeschlossen wird.

Der Verlauf bei Überstrom oder Kurzschluss wird dadurch folgender. Die Spannung über dem Kondensator 21 nimmt zu, was schnell zu einer kontinuierlichen Durchzündung der Ventile führt, so dass diese wie ungesteuerte Dioden wirken, bis das Relais 23 den Kontakt 17 unterbricht und den Trennschalter 18 in Fig. 1 schliesst, wodurch die Ventile stromlos werden.

Das Abtasten des Kurzschlusstromes und die Auslösung des Schalters kann natürlich auch auf übliche Weise unabhängig von dem Durchzündungsschutz des Ventils erfolgen.

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Claims

Patentansprüche: '- - .

T./ Stromrichter mit [Phyristorve.htilen, gekennzeichnet durch, einen Schutz der Ventile des Stromrichters gegen Selbstzündung ,.--bestellend aus einer Anordnung (11 6-bis 121), die die Polarität der Spannung über dem -Ventil abtastet, ein erstes Signal an ein IHD-GrIied (105) abgibt, wenn die Spannung nach einer kommutierung negative Polarität bekommt, und ein zweites Signal,' wenn die Spannung positive Polarität bekommt und beide Signale über das UND-Glied., dem Zündsystem (115) des Ventils und das erstgenannte Signal auch einem Zeitgerät (121) zuführt, das das Signal eine gewisse, im voraus bestimmte Zeit, die der längsten Wiederherstellungszeit der Thyristoren des Ventils entspricht, aufrechterhält, so dass ein Z und signal über das UND-Glied freigegeben wird, wenn das genannte zweite Signal während dieser Zeit abgegeben wird.

2» Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zum Abtasten der Polarität der Ventilspannung zwei parallel.angeordnete Spannungsschwellenwertindikatoren (HB, 119) enthält,· den einen für negative, den anderen für positive Polarität, deren Eingangsseiten an einem Spannungsteiler (11J) des Ventils und, deren Ausgangsseiten am UND-Glied (105) angeschlossen sind, wobei der erste Indikator auf der iusgangsseite mib dem Zeitgerät (121) versehen

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3. Stromrichter nach /nspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitgerät (121) mit einem Organ zur Anzeige des Belastungszustands des Stromrichters zusammengeschaltet ist, das das Zeitgerät so beeinflusst, dass .seine Signalverzögerung mit steigender Belastung zunimmt.

4. Stromrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigeorgan so "bemessen ist, dass sein Ausgangssignal eine Funktion des in den Thyristoren entstehenden Verlusteffekts sowie der Temperatur der Thyristoren ist.

5. Stromrichter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter mit AusschaltOrganen versehen ist, die von dem Anzeigeorgan auf solche Art gesteuert werden, dass ein Ausgangssignal von diesem, das einer Signalverzögerung von einer gewissen Länge entspricht, eine Ausschaltung des Stromrichters bewirkt.

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