DE2063436A1 - Festkörper Schaltanordnung fur Hochspannungsanlagen - Google Patents
Festkörper Schaltanordnung fur HochspannungsanlagenInfo
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Description
(U.
I/ t
Patentanwälte οηΛΛ/.Λ
Dr.-Ing. Wilhelm Beichel ^ Ub j 4 3 6
Dipl-Ing. Wolfgang Reichel
6 Frankfurt a. M. 1
Paiksiraße 13 6535
GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA
Festkörper-Schaltanordnung für Hochspannungsanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Schaltanordnung mit einer sättigbaren Hauptdrosselspule und mindestens einen
mit der Hauptdrosselspule in Reihe geschalteten Thyristorabschnitt
mit einem steuerbaren Gleichrichter, der nach seiner Zündung in einer vorgegebenen Richtung einen Strom durch die
Schaltanordnung leitet, wobei der Hauptdrosselspule eine Nebenschlußschaltung
parallelgeschaltet ist.
Solche Schaltanordnungen finden vor allem in Hochspannungsstromrichteranlagen
Verwendung, die sowohl im Gleichrichterbetrieb als auch im V/echselrichterbetrieb arbeiten können. Wenn
man an den beiden Enden einer Hochgleichspannungsübertragungsstrecke
derartige Stromrichteranlagen vorsieht, kann man mit einem hohen Wirkungsgrad große Energiemengen über unterirdische
Kabel oder Freileitungen übertragen. Weiterhin kann man elektrische Energie zwischen zwei dicht nebeneinanderliegenden
Wechselstromnetzen austauschen, deren Frequenz verschieden ist oder die nicht miteinander synchronisiert sind.
In modernen Stromrichteranlagen werden Festkörper-Ventile anstelle
von Quecksilberdampfgleichrichtern bevorzugt. Diese elektrischen Festkörper-Ventile bestehen aus hintereinanderge-
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'schalteten Halbleiter-Schaltbauelementen, insbesondere aus
steuerbaren Siliciumgleichrichtern oder Siliciumthyristoren. Zum Aufbau einer Stromrichteranlage kann man beispielsweise
sechs derartiger Ventile zu einer Dreiphaseh-Vollwegbrückenschaltung
zusammenschalten, die drei getrennte Wechselstromanschlüsse für die einzelnen Phasen und zwei, Gleichstromanschlüsse aufweist, nämlich einen positiven und einen negativen
Anschluß. Durch aufeinanderfolgendes Zünden der sechs Ventile
in geeigneter Folge und in zeitlicher Beziehung zur Spannung des Dreiphasen-Starkstromnetzes, an das die Wechselstromklernmen
der Stromrichteranlage angeschlossen sind, kann man den Energiefluß
zwischen den Wechselstromanschlüssen und den Gleichstromanschlüssen
steuern oder regeln.
Da der Nennstrom der heute handelsüblichen Thyristoren zu gering ist, um die an einen Hochleistungsstromrichter gestellten
Anforderungen zu genügen, hat man mehrere dieser Bauelemente zu einem "Thyristorabschnitt" zusammengefaßt, der einen entsprechend
höheren Nennstrom aufweist. Da weiterhin die Nennwerte der maximalen Vorwärtsspannung oder negativen Sperrspannung
und der Rückwärtsspannung oder Sperrspannung der handelsüblichen
Thyristoren für Hochspannungsanwendungen viel zu gering sind, werden zum Aufbau eines einzigen Ventils mehrere dieser
Thyristorabschnitte hintereinandergeschaltet.
Bei einem an eine Spannungsquelle und einen Verbraucher angeschlossenen
Stromrichter blockiert jeder in einem Ventil angeordnete Thyristor zwischen seiner Anode und Katode den Strom,
bis er bei einer gegenüber der Katode positiven Anodenspannung von einem Zündsignal gezündet wird. Auf Grund des Zündsignals
schaltet der Thyristor augenblicklich von dem Sperrzustand in
den Durchlaßzustand. Der Zündzeitpunkt wird von einem zyklisch wiederkehrenden Zeitpunkt an, bei dem die Anodenspannung gegenüber
der Katode positiv wird, in elektrischen Grad gemessen und wird daher mit Zündwinkel bezeichnet. Am Ende des Durchlaßintervalls
jedes Zyklus wird der Vorwärtsstrom in jedem Ventil durch Netzspannungskommutierung gelöscht.
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Wenn bei einem Stromrichter der Zündwinkel der zu einer BrUIikenschaltung
zusammengeschalteten Ventile von Null an zunimmt;, nimmt die zwischen dem positiven und negativen Gleichspannuncr;-anschluß
auftretende mittlere Gleichspannung von einem maximalen
positiven Wert aus ab. Wenn der Zündwinkel 90° erreicht, kehrt die mittlere Gleichspannung ihre Polarität um. Dabei geht die
Stromrichterbrücke von dem Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb
über. Dabei wird elektrische Energie von den Gleichspannungsanschlüssen zu den Wechselstromanschlüssen übertragen.
Wenn die Ventile eines Stromrichters bei verhältnismäßig großen Zündwinkeln gezündet werden» beginnt die Kommutierung zu einem Ii
Zeitpunkt, bei dem die Spannung (E) zwischen den Phasen des Wechselstromnetzes nahe bei ihrem Scheitelwert ist. Zu diesem
Zeitpunkt ist ein besonders hoher Energiebetrag (1/2 CE ) in
der Streukapazität (C) des angeschlossenen Netzes gespeichert.
Dadurch können bei. der Kommutierung äußerst störende Stoßvorgänge
oder Einschwingvorgänge auftreten. Selbst wenn die gespeicherte Energiemenge innerhalb der gesamten energieaufzehrenden
Fähigkeit der miteinander in Reihe geschalteten Thyristorabschnitte des übernehmenden Ventils läge, ist eine potentiell
unsichere Situation vorhanden, da einige der Thyristoren die Neigung haben, etwas früher als andere zu zünden. Es besteht
daher die Möglichkeit, daß bei den langsamsten Thyristoren die M
Nennleistung für die aufzunehmende Verlustenergie überschritten wird und die Thyristoren versagen. Eine weitere Schwierigkeitbesteht
darin, daß Kommutierungsschaltstöße den anfänglichen Vorwärtsstrom in dem Thyristor zurück auf Null bringen oder sogar
umkehren können. Dadurch wird das gerade gezündete Ventil vorzeitig gelöscht.
Nach der US-Patentschrift 3 423 664 ist bereits eine Schaltungsanordnung
bekannt, die zum ^Unterdrücken von Einschwingvorgängen •bei der Kommutierung dient; Eine Teilaufgabe der Erfindung besteht
darin, in ähnlicher Weise Kommutierungseinschwingvorgänge zu unterdrücken, Jedoch mit geringerem Aufwand bei gleich gutem
oder besserem Ergebnis.
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abschnitt abfallende Spannungsanteil· dem_zusätzlichen Widerstand
aufgeprägt, so daß dieser Spannungsanteil der Spannung an dem Parallelnetzwerk-, das dem angrenzenden Thyristorabschnitt zugeordnet
ist,hinzugefügt wird. Dadurch wird der angrenzende Abschnitt einer abnormal hohen Spannung ausgesetzt, die zu einem :
vorzeitigen Versagen dieses Abschnitts führen kann.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die die Anstiegsgeschwindigkeit des von dem äußeren Netz und bzw. oder dem spannungsteilenden
Parallelnetzwerk gelieferten Stroms begrenzt und gleichzeitig verhindert, daß beim Ausfall eines einzigen Thy- .
ristors oder Thyristorabschnitts die übrigen Thyristoren oder Thyristorabschnitte aufeinanderfolgend ausfallen..
Es ist bekannt, daß unter gewissen Bedingungen Thyristoren auch ohne Zündsignal gezündet, also vom Sperrzustand in den Durchlaßzustand
umgeschaltet werden können. Eine solche Umschaltung in den leitenden Zustand ist als Kippspannungszündung oder Vorwärtsdurchbruchspannungszündung
bzw. VgQ-Zündung bekannt. Wenn bei fehlendem Zündsignal die Anodenspannung über einen gewissen
kritischen Wert erhöht wird, bricht der Thyristor in Vorwärtsrichtung
durch und beginnt zu leiten. Bei einer solchen Zündung ist insbesondere ein Hochspannungsthyristor einer Zerstörung
ausgesetzt, da die anfängliche Steilheit des Anodenstroms (di/dt) sehr groß ist. Eine weitere Zündmöglichkeit des Thyristors
ist die Spannungssteilheitzündung in Vorwärtsrichtung oder dv/dt-Zündung. Bei diesem Zündvorgang beginnt der Thyristor zu
leiten, wenn er einer Anodenspannung in Vorwärtsrichtung ausgesetzt wird, deren Steilheit oder Anstiegsgeschwindigkeit einen
bestimmten kritischen Wert überschreitet. Bei dieser Art der Zündung haben die Thyristoren eine größere Chance, eine hohe
Stromsteilheit di/dt ohne Schaden zu überstehen.
Wenn ein hoher Spannungsstoß in Vorwärtsrichtung auftritt, können
die zu einem Ventil in einem Hochspannungsstromrichter zusammengeschalteten Thyristorabschnitte durch VB0-Zündung in den
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BAD
ψ ■■'■ ■
Auf Grund der Tatsache, daß einige der Thyristoren eines Ventils
geringfügig verschiedene Lösch- oder Zündeigenschaiten haben, treten die Übergänge von dem Sperr- in den Durchlaßzustand
und umgekehrt bei allen Thyristoren eines Ventils nicht gleichzeitig auf. So können beispielsweise beim Übergang von dem
leitenden in den sperrenden Zustand am Ende der Kommutierung einige Thyristoren vor anderen in den sperrenden Zustand geraten.
Diese schnelleren Thyristoren versuchen dann allein den Strom •in dem Ventil zu sperren. Da Jedoch die gesamte Netzspannung zur
Verfügung steht, diesen Strom aufrechtzuerhalten, kann zu diesem Zeitpunkt eine erfolgreiche Sperrung nicht durchgeführt werden.
Zum Lösen dieser Schwierigkeit ist es bekannt, den Thyristoren ein spannungsteilendes RC-Netzwerk parallel zu schalten, das
für wenige MikroSekunden den Strom übernimmt, bis auch die übrigen
langsamen Thyristoren ihren Sperrzustand einnehmen. In den Kondensatoren des Parallelnetzwerks wird während jeder Löschperiode
der Thyristoren Energie gespeichert. Wenn daher beim Zünden des Ventils einer der Thyristorabschnitte früher als ein
angrenzender Abschnitt zündet, wird die Energie, die in dem
zuerst zündenden Thyristorabschnitt parallelgeschalteten Nebenschlußnetzwerk gespeichert ist, freigesetzt und der zugeordnete
Kondensator über den zuerst gezündeten Thyristorabschnitt entladen.
Es ist bekannt, daß eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms durch einen Thyristorabschnitt eine Überhitzung und damit
Beschädigung der Thyristoren auslösen kann. Der Kondensator-entladestrom muß daher begrenzt werden. Diese Funktion wird zum Teil
von dem Widerstand in dem RC-Netzwerk übernommen. In der genannten US-Patentschrift ist zu diesem Zweck ein weiterer Widerstand
vorgesehen. Dieser Widerstand begrenzt auch den Strom, der von der äußeren Schaltung getrieben wird, wenn einige der Thyristorabschnitte
mit dem Leiten früher beginnen als andere.
Die Verwendung dieses zusätzlichen Widerstands, der zweifelsohne zwei wertvolle Aufgaben erfüllt, führt jedoch zu Schwierigkeiten,
wenn ein Thyristorabschnitt ausfällt, beispielsweise seine Sperrfähigkeit verliert. In diesem Fall wird bei anliegender Ventilsperrspannung
der normalerweise an dem ausgefallenen Thyristor-
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■ ■ . BAD OBiGlNAU
■ ■ . BAD OBiGlNAU
gie in diesem Teil des Gesamtwiderstands verbraucht wird und
daß die erste sättigbare Drosselspule nur noch von dem übrigen V/iderstand des Gesamtwiderstands der RL-Schaltung nebengeschlossen ist. ■
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Verbesserung der nach der US-Patentschrift 3 423 664 bekannten Schaltung zum
Unterdrücken von Umschalteinschwingvorgängen, insbesondere bei der Kommutierung dar. Die zweite sättigbare Drosselspule oder
Hilfsdrosselspule ist nach der Erfindung mit einem sättigbaren Kern ausgerüstet, so daß diese Spule einen verhältnismäßig
großen Anteil der verfügbaren Streukapazitätsenergie des angeschlossenen
Netzes aufnehmen kann. Weiterhin sind sättigbare Drosselspulen vorgesehen, die den Entladestrom von den zugeordneten
Kondensatoren des spannungsteilenden RC-Netzv/erks begrenzen
und gleichzeitig die Gefahr herabsetzen, daß aneinander angrenzende Thyristorabschnitte aufeinanderfolgend beschädigt
werden, wenn beim Aufprägen der Sperrspannung ein Thyristorabschnitt
seine Sperrfähigkeit verloren hat. Ferner ist nach der
Erfindung ein Kondensator vorgesehen, der einem Teil des Widerstands von bestimmen aneinandergrenzenden spannungsteilenden
RC-Unterschaltungen parallelgeschaltet ist, um die Reihenfolge
zu steuern, in der die Thyristorabschnitte im Falle eines steilen und hohen Spannungsstoßes in Vorwärtsrichtung zünden sollen.
Ferner ist nach der Erfindung eine Schaltmatrix mit einer ungeraden
Anzahl von hintereinandergeschalteten Thyristorabsehnitten pro sättigbare Hauptdrosselspule vorgesehen, die mit anderen
ähnlich aufgebauten Matrizen in Reihe geschaltet werden kann und trotz der ungeraden Anzahl von Thyristorabschnitten pro
Matrix jeweils zwei Thyristorabschnitte in einer mechanischen Einheit zusammengefaßt werden können.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine sättigbare
Hauptdrosselspule mit mehreren gleichzeitig gezündeten Thyristorabschnitten in Reihe geschaltet, um eine Festkörper-Schaltanordnung
zu bilden, die an ein Starkstromnetz angeschlossen werden kann. Jeder Thyristorabschnitt enthält minde-
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leitenden Zustand geraten. Obwohl das Ventil in herkömmlicher Weise strombegrenzende sättigbare Hauptdrosselspulen enthält,
können Bedingungen auftreten, bei denen die Hauptdrosselspulen
die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt in allen Thyristorabschnitten nicht hinreichend begrenzen können, um Thyristorschäden
zu vermeiden.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein elektrisches Ventil zu schaffen, bei dem die Zerstörungsgefahr der Thyristorabschnitte durch einen auftretenden Spannungsstoß
in Vorwärtsrichtung so gering wie möglich gehalten wird.
' Die in einem inneren Zusammenhang stehenden Teilaufgaben vereinigen
sich zu der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe, mit einfachen Mitteln, ohne großen schaltungs.techni sehen Aufwand
eine weniger störanfällige Thyristormatrix zum Aufbau von Hochspannungsventilen zu schaffen. Dabei soll die Thyristormatrix
nach Möglichkeit derart aufgebaut sein, daß durch entsprechende elektrische Verschaltung der Thyristorabschnitte
und Hauptdrosselspulen ein einfacher mechanischer Aufbau gewährleistet wird, insbesondere, daß aufeinanderfolgende Thyristorabschnitte
zu einer mechanischen Einheit zusammengefaßt werden können.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Festkörper-Schaltanordnung
nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung die erste sättigbare Drosselspule mit einer RL-Schaltung
bestehend aus einem vorbestimmten Gesamtwiderstand und einer zweiten sättigbaren Drosselspule nebenschließt, die
derart ausgelegt ist, daß sie nach dem Zünden der steuerbaren Gleichrichter früher als die erste sättigbare Drosselspule in
die Sättigung gerät, und daß eine Einrichtung, nachdem der Strom in der Nebenschlußeinrichtung einen Spitzenwert erreicht hat,
einen Strompfad von verhältnismäßig geringem Widerstand einem die zweite Drosselspule und einen Teil "des Gesamtwiderstands
umfassenden Teil der RL-Schaltung parallelschaltet, mit der
Wirkung, daß die in der zweiten Drosselspule gespeicherte Ener-
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BAD
stens einen steuerbaren Siliciumgleichrichter oder einen SiIiciumthyristor,
der nach seiner Zündung in einer vorgegeloorx-n
Richtung Strom durch die Schaltanordnung leitet. Der sä-tti^-r
baren Hauptdrosselspule ist eine RL-Schaltung parallelgoscheltet,
deren Induktivität zusammen mit der Induktivität der LiL^-
tigbaren Hauptdrosselspule den Stromanstieg di/dt auf einen i'ür
den oder die Thyristoren nicht schädlichen V/ert begrenzt. Dar Gesamtwiderstand in der RL-Nebenschlußschaltung ist derart gewählt,
daß die Dämpfung äußerst gering, also unter dem kritischen Wert liegt. Der Gesamtwiderstand hat daher während dec
verhältnismäßig kurzen ^eitintervalls, das der Strom benötigt,.
um seinen Spitzenwert zu erreichen,, überhaupt keinen oder einen.
vernachlässigbaren Einfluß. Die in der Streukapazität des V.'ecnselstromnetzes
gespeicherte Energie wird daher nahezu vollständig entladen. Die Induktivität der RL-Nebenschlußschaltung wird
von einer sättigbaren Hilfsdrosselspule bereitgestellt, die eich vor der Hauptdrosselspule zu sättigen beginnt. Mit Beginn der
Sättigung nimmt die Hilfsdrosselspule einen verhältnismäßig großen Anteil des Stromes und damit der in der Streukapazität
gespeicherten Energie auf. Nachdem der Strom in der Nebencclilußschaltung
einen Spitzenwert erreicht hat, wird die Hilfsdrosselspule
und ein Teil des Widerstands der RL-Nebenschlußschaltung kurzgeschlossen. Daher wird die zuvor in der Hilfsdroccolspule
gespeicherte Energie in diesem kurzgeschlossenen Abschnitt des Gesamtwiderstands der RL-Schaltung verbraucht. Die sä^tigbare
Hauptdrosselspule ist jetzt nur noch von dem verbleibenden Widerstand des Gesamtwiderstands nebengeschlossen. Dieser
verbleibende V/iderstand ist derart gewählt, daß eine überkritische Dämpfung auftritt. Der Schaltvorgang kann daher ohne eine
störende Oszillation oder Schwingung zwischen der Hauptdrosselspule und der Netzkapazität vorgenommen werden. Bald darauf gerät
die sättigbare Hauptdrosselspule in die Sättigung-. Der weitere Anstieg des Stroms in der Schaltanordnung wird jetzt in
erster Linie von der Induktivität des Netzes oder Systems begrenzt.
Hilfs-, Unter- oder Teilschaltungen mit in Reihe geschalteten
Widerständen und Kondensatoren sind den Thyristorabschnitten
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der Festl-cörper-Schaltanordnung parallelgeschal-bet. Diese RC-Unterschaltungen
stellen eine passende Aufteilung der anliegenden Spannung sicher, wenn die Schaltanordnung gesperrt ist.
Zusätzliche Drosselspulen sind in Reihe mit bestimmten RC-Unterschaltungen
geschaltet, um den durch die zuerst vom Sperrzustand
in den Durchlaßzustand übergegangenen Thyristorabschnitten fließenden Strom zu begrenzen, wenn die Schaltanordnung
gezündet wird.
Die zuletzt genannten Drosselspulen haben vorzugsweise sättigb§re
Kerne* Weiterhin verhindern diese sättigbaren Drosselspulen,
#§S bei fnliegendw Sperrspannung an einem Thyristorabschnitt, der an einen ausgefallenen oder kurzgeschlossenen
Thyfistorabschnitt angrenzt, keine unerwünscht hohe Spannung auftritt.
Um die Gefahr zu vermeiden, daß im Falle eines hohen Spannungsstoßes in Vorwärtsrichtung ein Thyristor ausfällt, werden nach
der Erfindung bestimmte Thyristorabschnitte der Schaltanordnung ausgewählt, die bei einem Spannungsstoß zuerst zünden sollen,
wobei die genannten zusätzlichen sättigbaren Drosselspulen derart angeordnet sind, daß sie den Stromanstieg di/dt in den
zuerst gezündeten Abschnitten auf einen sicheren Viert begrenzen. Der schnelle Spannungsanstieg dv/d% an diesen Drosselspulen
wird dazu benutzt, um di§ ander eri Thyristor ab schnitte im dv/dt-Modus
zu zünden. Auf Grund der dv/dt-Zündung können diese zuletzt
gezündeten Abschnitte einer höheren gtromsteilheit di/dt
widerstehen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann man eine ungerade Anzahl von hintereinandergeschalteten Thyrictorabschnitten
zusammen mit einer sättigbaren Hauptdrosselspule zu einer Matrix zusammenschalten. Damit man nebeneinanderliegende
Thyristorabschnitte mechanisch zu einer einzigen Einheit zusammenfassen kann, benutzt man eine gerade Anzahl von aufeinanderfolgenden
Matrizen, von denen die 'erste oder Wochcelmatrize in der genannten Reihenfolge eine gerade Anzahl von Thy-
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ristorabschnitten, eine sättigbare Hauptdrosselspule und eine
ungerade Anzahl von Thyristorabschnitten enthält und die zweite oder Zwischenmatrix in der genannten Reihenfolge eine ungoruce
Anzahl von Thyristorabschnitten, eine sättigbare Kaupxdroscolspule
und eine gerade Anzahl von Thyristorabschnitten enthalt. I)ie dritte Matrix entspricht dann wiederum der ersten und die- ·
zv/eite Matrix der vierten usw. Auf diese Weise v/ird erreiche, daß stets eine gerade Anzahl von Thyristorabschnitten zwischen
den sättigbaren Hauptdrosselspulen angeordnet ist. Diese ThyristorabsQhnitte.können
daher mechanisch konstruktiv zu xhyristQrpaargji
zHsamjnengefaßt werden? ghne daß fin einzelner Abr
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V/eitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung v/erden an Hand
von Figuren erläutert.
Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild, das dem Schaltbild nach der
Fig. 5 der genannten US-Patentschrift entspricht.
Die Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten Matrix mit vier Thyristoren.
Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild von zv/ei in Reihe geschalteten
Matrizen nach der Erfindung mit jeweils fünf Thyristoren.
Wie es bereits in der genannten US-Patentschrift 3 423 £c4 hervorgeht,
auf die bezüglich der Offenbarung der vorliegenden Erfindung vollinhaltlich verwiesen v/ird, kann man ein in einer
Stromrichterbrücke verwendetes elektrisches Ventil aus mehreren in Reihe geschalteten Schaltmatrizen aufbauen. Eine solche Matrix
ist in der Fig. 1 dargestellt, die etwa der Matrix nach der Fig. 5 der genannten US-Patentschrift entspricht. Diese Matrix
enthält Thyristorabschnitte 41 bis 44, die zusammen rait
einer Hauptdrosselspule 45 mit einem sättigbaren Kern zwischen einen Anodenhauptanschluß 46 und einen Katodenhauptanschluß 47
in Reihe geschaltet sind.
Jeder der in Reihe geschalteten Thyristorabschnitte 41 bis 44 f|
der Matrix enthält mindestens einen Hochleistungstyristor. Die Eigenschaften dieser Festkörper-Bauelemente wurden bereits in
der Beschreibungseinleitung erläutert. Um sicherzustellen, daß sowohl im eingeschwungenen oder stationären Zustand als auch im
Einschwing- oder Ubergangszustand die jeweils auftretende Spannung gleichmäßig auf alle Abschnitte der Matrix verteilt wird,
ist den Abschnitten ein RC-Netzwerk 48 parallelgeschaltet, wie
es die Fig. 1 zeigt. Die Thyristoren sind in den vier Thyristorabschnitten
41 bis 44 derart angeordnet, daß bei der Darstellung nach der Fig. 1 ein Strom durch die Matrix nach unten fließen
kann, wenn alle Thyristoren gezündet sind und sich im Durchlaßzustand befinden.
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Falls der gewünschte Nennstrom; der Matrix den Nenndurchlaßstrcm
eines einzigen Thyristors übersteigt, kann man in jedem Thyristarabschnitt
zwei oder mehrere Thyristoren parallelschaiten. Diese parallelgeschalteten Thyristoren können in einem gemeinsamen
Gehäuse untergebracht sein. Es kann sich aber auch um körperlich
getrennte Thyristoren handeln, die; durch entsprechende
elektrische Verbindungen parallelgeschaltet, sind. In einer colchen
Parallelanordnung sollten die zusammengeschalteten Thyristoren
derart ausgewählt- sein, daß sie gemeinsam zünden umd etwa
zu gleichen Teilen den gesamten Matrixstrom übernehmen.. Unter
dem in den Figuren benutzten Thyristorsymbol, mit doppelt einge.—
zeichneten! Steueranschlußswie es beispielsweise in. der Fig. 1
in den Thyristorabschnitten 41 bis 44 eingezeichiaet, ist, soll
daher' eine Hochstromtiiyristoranordnung: verstanden werden» deren
Thyristoren in der Lage sind, gleichzeitig aus ihrem positiven oder Vorwärtssperrzustand in einen etwa gleichen Durchlaßzustand
zu schalten.
Um die Matrix in den leitenden Zustand zu schalten, können die Thyristoren der einzelnen Thyristorabschnitte 41 bis 44 gleichzeitig
von einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) gezündet werden. Obwohl die Steuer- oder Zündimpulse den Thyristoren gleichzeitig
zugeführt werden, kommt es vor, daß einige Thyristorabschnitte schneller ansprechen und durchschalten als andere. In
diesem Falle ermöglicht es das als Spannungsteiler dienende Parallelnetzwerk 48, daß der Durchschaltvorgang der Matrix erfolgreich
weitergeführt wird, bis selbst der langsamste Thyristorabschnitt in den Durc.hlaßzustand geschaltet hat.
Wie es aus der Fig. 1 hervorgeht, enthält das Netzwerk 48 vier
RC-Teilschaltungen 51, 52, 53 und 54, von denen jeweils eine
einem der Thyristorabschnitte 41, 42, 43 und 44 parallelgeschal·-
tet ist. Jede RC-Teilschaltung enthält einen mit einem Kondensator
C3 in Reihe geschalteten Widerstand R3. Der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen den t Teilschaltungen 51 und 53 ist mit
dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Transistorabschnitten 41 und 43 über einen Widerstand R4 verbunden. Der ge-
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meinsame Verbindungspunkt der Teilschaltungen 52 und 54 ist
in ähnlicher Weise über einen Widerstand R4 mit dem gemeinsamen
Verbindungspunkt der Thyristorabschnitte 42 und 44 verbunden. Die Widerstände R4 haben zwei Funktionen:
1) Sie begrenzen die Größe des Stroms, der von jeder RC-Teilsehaltung
dem zugeordneten Thyristorabschnitt zugeführt wird, wenn der betreffende Thyristorabschnitt anfangs in
seinen Durchlaßzustand schaltet. <
2) Sie begrenzen in ähnlicher Weise den Strom, der anfangs von der äußeren Schaltung durch die Thyristorabschnitte 43 und
44 fließt, wenn diese beiden Thyristorabschnitte vor den anderen beiden Thyristorabschnitten 41 und 42 durchschal- %
ten.
Der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen den Teilschaltungen 51 und 52 bildet den Mittelpunkt des Parallelnetzwerks 48. Dieser
Punkt ist direkt an den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen zwei Rückführdioden 55 und 56 angeschlossen, die der
Hauptdrosselspule 45 der Matrix parallelgeschaltet sind. Die Rückführdioden 55 und 56 sind bezüglich der Thyristorabschnitte
in der entgegengesetzten Richtung gepolt. Sie setzen daher dem durch die Matrix in Durchlaßrichtung fließenden Vorwärts-•
oder Durchlaßström einen hohen Widerstand entgegen.
Die Kondensatoren C3 in den Teilschaltungen 51 bis 54 dienen zum einen zum Begrenzen der Anstiegsgeschwindigkeit der Anodenspannung
an solchen Thyristorabschnitten, die langsamer zünden oder durchschalten als andere, und sehen zum anderen Nebenschlußzweige
vor, die in Durchlaßrichtung einen begrenzten Strom übernehmen können, der sicherstellt, daß der in den zuerst
durchgeschalteten Abschnitten auftretende Strom über dem Haltestrom liegt.
Außerdem dienen die Kondensatoren C3 dazu, um unterschiedliche Sperreigenschaften der einzelnen Thyristorabschnitte 41 bis 44
auszugleichen. Es ist nämlich unwahrscheinlich, daß am Ende des Durchlaßintervalls, der Matrix alle Thyristorabschnitte
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gleichzeitig ihre Sperrfähigkeit wiedergewinnen. Sobald der erste Thyristorabschnitt vollkommen von dem leitenden in den
sperrenden Zustand umgeschaltet hat, tritt an diesem einen Abschnitt die gesamte Sperrspannung der Matrix auf, die sich normalerweise
auf die einzelnen Abschnitte verteilen sollte. Der Kondensator C3 begrenzt nun die Anstiegsgeschwindigkeit der
Sperrspannung an diesem sich verhältnismäßig schnell erholenden Thyristorabschnitt, bis auch die langsameren Thyristorabschnitte
vollkommen gesperrt sind. Gleichzeitig sieht der Kondensator für den in Sperrichtung fließenden notwendigen Erholungsstrom
des letzten sperrenden Abschnitts einen Nebenschlußweg vor, der um die bereits gesperrten Abschnitte herumführt.
w
Die Widerstände R3 in den Teilschaltungen 51 bis 54 des Parallelnetzwerks
dienen zwei Zwecken. Am Ende eines Durchlaßintervalls der Matrix dämpfen sie Schwingungen, die von der
Schaltungsinduktivität und den Nebenschlußkondensatoren hervorgerufen werden. Dabei wird ein Uberschwingen der Anodenspannung
an den entsprechenden Thyristorabschnitten begrenzt. Weiterhin begrenzen sie, am Beginn des Durchlaßintervalls den anfangs
auftretenden Schaltstrom, der infolge der Entladung des zugeordneten Nebenschlußkondensators C3 jedem Thyristorabschnitt
zugeführt wird.
«* Bei einem elektrischen Ventil t das aus mehreren hintereinandergeschalteten
Matrizen aufgebaut ist, ist es möglich, daß einzelne Matrizen, aus denen das Ventil besteht, mit den anderen
Matrizen nicht gleichzeitig schalten. Für diesen Fall übernimmt die Hauptdrosselspule 45 in jeder Matrix eine wichtige
Funktion. Sie dient nämlich dazu, die Matrixspannung kurzzei-' tig aufzunehmen, so daß die gewünschte Spannungsteilung zwischen den Matrizen aufrechterhalten bleibt. Vorzugsweise hat
jede der Hauptdrosselspulen 45 einen sättigbaren Kern. Wäh rend des nichtleitenden oder Sperrsustands der Matrix ist die
Hauptdrosselspule 45 ungesättigt. Sie weist in diesem Zustand eine hohe Induktivität auf. Bevor die" nächste Kommutierungs-.Periode
mit dieser Matrix beginnen kann, müssen die Thyristorabschnitte 41 bis 44 und die Thyristorabschnitte der anderen
Matrizen, die mit dieser in Reihe geschaltet sind, gezündet sein. Wenn man annimmt, daß die vier Thyristorabschnitte der
gezeigten Matrix etwas früher zünden als die Thyrictorabschnitte
der anderen Matrizen, wird der von der anliegenden Ventilspannung angemessene Spannungsanteil, der ursprünglich
zwischen den Klemmen 46 und 47 der zuerst in den Durchlaßzustand
schaltenden Matrix von der ungesättigten Hauptdrosselspule 45 aufgenommen. Die Matrixklemmenspannung bricht daher
vorzeitig nicht zusammen, und die langsameren Matrizen' des Stranges werden einer überhöhten Anodenspannung nicht ausgesetzt.
Wenn das Zeitintegral der Spannung einen vorgegebenen Berrag erreicht , geht die Hauptdrosselspule 45 in die-Sättigung über.
Die Rückführ dioden 55 und 56 verhindern, daß an den Klemmen der Hauptdrosselspule 45 unerwünschte induzierte Spannungsstöße auftreten, wenn die betreffende Matrix ein Durchlaßintervall
beendet. Gegen Ende der Kommutierung nimmt die Größe des Durchlaßstroms in dem zu löschenden oder zu sperrenden Ventil
auf einen Wert ab, bei dem die Hauptdrosselspulen in den Matrizen des betreffenden Ventils vom gesättigten in den ungesättigten
Zustand übergehen. Eine weitere Abnahme des Stroms hätte zur Folge, daß abnormal hohe Drosselspulenspannungen
auftreten. Dies wird durch die Rückführdioden vermieden, die einen Stromkreis vorsehen, in dem der Drosselspulenstrom zirkulieren
kann, während der Matrisstrom auf den Wert Null abnimmt und kurzzeitig seine Richtung umkehrt, um den Löschvor- " ^
gang vollständig zu beenden, und den Sperrzustand herzustellen. Die nach dem Löschen der Matrix in der Drosselspule 45 ggf.
noch gespeicherte Energie wird in zwei Widerständen R1 verbraucht, die mit den Rückführdioden 55 und 56 in Reihe geschaltet
sind.
Außer den Rückführdioden 55 und 56 ist noch eine Teilkombination
aus einer Hilfsdrosselspule 60 und einem damit in Reihe geschalteten Widerstand 61 zwischen die beiden Widerstände R1
geschaltet. Diese Teilkombination liegt den in Reihe geschalrteten. Rückführdioden 55 und 56 parallel.
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Wie man der Fig. 1 entnimmt, ist die Hauptdrosselspule 45 acr
Matrix von einer Parallelschaltung .nebengeschlossen, die die Widerstände R1 in Reihe mit der Parallelkombination aus den
beiden Dioden 55 und 56 und der Teilkombination mit-der Kilfcdrosselspule
60 und dem V/iderstand 61 enthält. Die Hauptaufgabe dieser Bauelementgruppe besteht darin, durch die Kommutierung
hervorgerufene Stöße oder Einschwingvorgänge zu unterdrücken, die zu Beginn einer Kommutierungsperiode erwartet
werden können, wenn alle Matrizen des übernehmenden Ventils in ihren Durchlaßzustand geschaltet haben. Die genaue Wirkungsweise
dieser Nebenschlußschaltung ist in der genannten US-Patentschrift im einzelnen erläutert. Im folgenden wird lediglich
eine kurze Zusammenfassung gegeben.
Wenn die Thyristorabschnitte 41 bis 44 von der Steuerschaltung
(nicht gezeigt) gleichzeitig gezündet werden, beginnt ein Strom durch diese Thyristorabschnitte zu fließen. Ein Teil dieses
Stromes beruht auf der Streukapazität des Schaltungs netzes.
Infolge der Induktivitäten der Schaltungsanordnung und der Hauptdrosselspule können, wie bereits erwähnt, oszillierende
Kommutierungsstöße erwartet werden, die zum Versagen oder vorzeitigen Löschen einzelner Thyristoren führen können. ,:. .Infolge
der vorgesehenen Parallel- oder Nebenschlußschaltung fließt der Strom anfangs sowohl durch die Hauptdrosselspule 45 als auch
durch die Hilfsdrosselspule 60. Ein Teil der Streukapazitätsenergie
der Schaltungsanordnung wird auf jede dieser Drosselspulen übertragen. Der Gesamtwiderstand (R1, 61 und R1) in der
Parallelschaltung hat einen ungedämpften ohmschen Wert und hat daher während des kurzen Zeitintervalls, das der in dieser
Schaltung fließende Strom benötigt, um einen Spitzenwert zu erreichen, der nahezu der Gesamtentladung der Streukapazität
der Schaltungsanordnung entspricht, eine vernachlässigbar kleine Wirkung. .
Wenn der in der Parallelschaltung fließende Übergangs- oder
Stoßstrom abzunehmen beginnt, werden die Dioden 55 und 56 in
ihrer Vorwärtsrichtung vorgespannt und beginnen daher zu leiten; Die Energie, die zuvor in der Drosselspule 60 gespeichert
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war, kann jetzt im Widerstand 61 verbraucht werden, der zusammen
mit der Drosselspule 60 und den Dioden 55 und 56 in einem geschlossenen Stromkreis liegt. Die leitenden Dioden
55 und 56 haben weiterhin die Wirkung, daß ein Teil der Schaltung, der die Hauptdrosselspule 45 parallelschließt, kurzge-.schlossen
ist. Der kurzgeschlossene Teil umfaßt die Hilfsdrosselspule 60 und den Widerstand 61. Der Hauptdrosselspule 45
liegen daher lediglich die beiden Widerstände R1 parallel, deren Gesamtwiderstand einem überkritisch 'gedämpften ohmschen
Wert entspricht, so daß der weitere Schaltvorgang ohne Schwingungen abläuft.
Nach der vorliegenden Erfindung wird die in Fig. 1 gezeigte (|
Hilfsdrosselspule 60 durch eine Drosselspule L2 mit einem sättigbaren Kern ersetzt, wie es in der Fig.2 dargestellt ist.
Wie zuvor beschrieben, nimmt die Hilfsdrosselspule die Streukapazitätsenergie
auf, bevor die Dioden, die der Hilfsdrosselspule parallelgeschaltet sind, in den leitenden Zustand übergehen.
Im nichtgesättigten Zustand haben die beiden Drosselspulen L1 und L2 vorzugsweise die gleiche Induktivität, so daß
vor ihrer Sättgigung etwa der gleiche Energiebetrag von Jeder ■^pule aufgenommen wird. Die sättigbare Hilfsdrosselspule L2
ist derart ausgelegt, daß sie den Sättigungszustand erreicht,
bevor die Hauptdrosselspule L1 gesättigt ist und die Dioden 57 und 58 leitend sind. Sobald die Hilfsdrosselspule L2 mit der ^
Sättigung beginnt, übernimmt sie einen immer größer werdenden ™
Teil des Gesamtstroms. Da die Energie in einer Drosselspule direkt ihrer Induktivität multipliziert mit dem Quadrat ihres
Stroms proportional ist, übernimmt die Drosselspule L2, sobald sie mit ihrer Sättigung begonnen hat, einen zunehmend größeren
Anteil der verfügbaren Streukapazitätsenergie im Vergleich zu der ungesättigten Drosselspule L1. Die Folge davon ist,
daß die sättigbare. Hilfsdrosselspule 1.2 einen größeren Anteil
der Streukapazitätsenergie der Schaltungsanordnung übernimmt als die lineare Hilfsdrosselspule 60. Mit dieser Abänderung in
der Parallelschaltung braucht die Hauptdrosselspule L1 nicht mehr einen so großen Anteil der verfügbaren Streukapazitätsenergie
zu Übernehmen, als die in der Fig. 1 dargestellte
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Hauptdrosselspule 45. Die Drosselspule L1 kann man daher kleiner machen als die Spule 45.
Durch die Verminderung der Größe der Hauptdrosselspule werden
Kosten gespart, ohne daß die Unterdrückung der Stoßspannungen verschlechtert wird. Da weiterhin die Hysterese- und Wirbelstromverluste
in einem sättigbaren Kern von der Kerngröße abhängen, hat die kleinere Kerngröße der Hauptdrosselspule auch
geringere Energieverluste zur Folge, so daß der Wirkungsgrad,
der Gesamtschaltung erhöht wird.
Wie Fig. 2 zeigt, ist in der Matrix 10a ein spannungsteilendes
φ RC-Nebenschlußnetzwerk 49 vorgesehen. Das Nebenschlußnetzwerk
49 enthält eine Reihe von Teilschaltungen 53a, 51a, 52a und
54a, die den Thyristorabschnitten 43, 41, 42 und 44 parallelgeschaltet
sind. Jede der Teilschaltungen enthält einen Widerstand in Reihe mit einem Kondensator. Der Kondensator befindet
sich an dem einen Ende der Teilschaltung und der Widerstand an dem anderen oder zweiten Ende der Teilschaltung. Das Neben-'
Schlußnetzwerk 49 hat die gleiche Aufgabe wie das Nebenschlußnetzwerk
48 bei der in der Fig. 1 dargestellten Matrix, Während jede der in der Fig. 1 dargestellten RC-Teilschaltungen
einen Widerstand R3 und einen Kondensator C3 enthält, weisen die in der Fig. 2 dargestellten aneinandergrenzenden Teil-Ä
schaltungen 51a und 52a jeweils zwei Widerstände R2 und R4 und ^ einen. Kondensator C3 auf. Läßt man die Wirkung eines Kondensators
C4 außer acht, haben die RC-Teilschaltungen 51a bis 54a in dem Netzwerk 49 die gleichen elektrischen Eigenschaften, da
der Gesamtwiderstand der Widerstände R2 und R4 gleich dem Widerstandswert
des Widerstands R3 ist. "
Wie die Fig. 2 zeigt, ist eine sättigbare Drosselspule 1,4 zwischen
den Verbindungöpunkt der Teilschaltungen 52a und 54a und den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Thyristorabschnitten
42 und 44 geschaltet. In ähnlicher Weise verbindet eine sättigbare Drosselspule L4 den Verbindtmgspunkt zwischen
.den TeilschaltungeBi 53a und 51a mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt
zwischen den Thyristorabschnitten 41 und 43. Die
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beiden induktiven Bauelemente IA übernehmen die Strombegrenzungsfunktion
der in der Fig. 1 dargestellten Widerstände R4 und sehen für die Matrix eine weitere Schutzmaßnahme vor. Wenn
bei der Matrix nach der Fig. 1 einer der Thyristorabschnitte, beispielsweise der Abschnitt 42 versagt, besteht die Möglichkeit,
daß während der zyklisch wiederkehrenden Perioden, während denen eine Sperrspannung an der Matrix liegt, derjenige
Teil der Sperrspannung, der normalerweise an dem gesperrten Abschnitt 42 abfallen würde, an dem zugeordneten V/ide'rstand
R4 erscheint. Der kleine Spannungsabfall am Widerstand R1 ist vernachlässigbar. Da außerdem der Widerstand R4 in Reihe mit
der Teilschaltung 54 liegt, addiert sich die Spannung am Widerstand
R4 der Spannung an der Teilschaltung 54 hinzu, so daß der Thyristorabschnitt 44 einer Sperrspannung ausgesetzt ist, "
die sich dem zweifachen Wert derjenigen Spannung nähert, die
bei nichtversagtem Thyristorabschnitt 42 normalerweise auftritt. Auf diese Weise kann der Thyristorabschnitt 44 überlastet
werden, so daß er eine geringere Lebensdauer hat.
Um den Anstieg der Sperrspannung an Thyristorabschnitten, die
an versagte Thyristorabschnitte angrenzen, so klein wie möglich zu halten, werden nach der Erfindung anstelle der 'Widerstände
R4 sättigbare Drosselspulen L4 benutzt, wie es die Fig. 2 zeigt. Um diese Maßnahme nach der Erfindung zu erläutern,
wird im folgenden angenommen, daß in der Matrix 10a der Thyristorabschnitt 42 kurzgeschlossen, also ausgefallen ist. M
Während jeder Periode, während der eine Sperrspannung an dieser Matrix liegt, nimmt die Spannung an der sättigbaren Drosselspule
L4, die dem ausgefallenen Thyristorabschnitt 42 zugeordnet ist, anfangs mit ansteigender Spannung an der Matrix
zu. Die Drosselspule L4 gerät jedoch bald in die Sättigung.
Danach kann man die Drosselspule praktisch als Kurzschluß betrachten.
Die Folge davon ist, daß die Spannung an dem angrenzenden Thyristorabschnitt 44 nur um weniges höher ist als der
normale Sperrspannungsanteil an diesem Abschnitt. Die Größe des Spitzensperrspannunginkrementes ist eine Funktion von der Anzahl
der RC-Teilschaltungen und der Anzahl der kurzgeschlossenen
Thyristorabschnitte, Wenn beispielsweise in einem Ventil
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mit fünf hintereinandergeschalteten Matrizen 10a ein einziger ■
Thyristorabschnitt durch Kurzschluß ausgefallen ist, beträgt das Spannungsinkrement an jeder der verbleibenden neunzehn
Thyristorabschnitte nur 5,26% verglichen zu etwa 100% an dem angrenzenden fehlerfreien Thyristorabschnitt bei einer Matrix
nach der Fig. 1.
Es wurde bereits erläutert, daß ein Thyristor, der einer Vorwärtsspannung
ausgesetzt ist, deren Größe die vordere Durchbruchspannung oder Kippspannung Vß0 übersteigt, in den leitenden
Zustand geschaltet wird. Um in einem solchen Fall eine innere Beschädigung des Thyristors zu vermeiden, sollte die
Anstiegsgeschwindigkeit des durch d.en Thyristor fließenden Stroms begrenzt sein. Unter gewissen Bedingungen sind die Haupt
drosselspule 45 und die Hilfsdrosselspule 60 der in der Fig.
gezeigten Matrix nicht in der Lage, den Strom hinreichend zu begrenzen, um einzelne Thyristoren vor Schaden zu bewahren,
wenn die Thyristorabschnitte im Kippspannungs- oder VBQ.-Modus
gezündet werden.
Nach der Erfindung v/erden die Thyristoren vor Schaden bewahrt,
wenn die Matrix einer sehr steilen, abnormal hohen Stoßspannung in Vorwärtsrichtung ausgesetzt ist, und zwar dadurch, daß
die Reihenfolge, in der die betreffenden Thyristorabschnitte gezündet werden, gesteuert wird, und daß die sättigbare Drosselspule
L4 nicht nur zum Begrenzen des Stroms an den zuerst; gezündeten Thyristorabschnitten verwendet wird, sondern auch,
um an den zuletzt durchgeschalteten Thyristorabschnitten eine dv/dt-Zündung zu bewirken. Betrachtet man beispielsweise die
Thyristorabschnitte 41 und 43 für den Fall, daß eine übermäßig hohe Vorwärtsspannung an der Matrix 10a auftritt, wird der
Abschnitt 43 vor dem Abschnitt 41 zur Zündung veranlaßt. Dabei
begrenzt die Drosselspule L4, die den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen diesen Thyristorabschnitten mit dem gemeinsamen
Verbindungspunkt zwischen'den zugeordneten Teilschaltungen 53a
und 51a verbindet, die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes di/dt im Abschnitt 43 und bewirkt, daß der Abschnitt 41 im
dv/dt-Modus gezündet wird. Dies kann man entweder dadurch-er-
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reichen, daß man den Abschnitt 43 gegenüber Spannungsstößen empfindlicher auslegt als den Abschnitt 41, indem man beispielsweise
für den Abschnitt 43 Thyristoren mit niedrigeren Kippspannungs- oder VBQ-Kennlinien aussucht als für den Abschnitt
41, oder daß man einen unproportional großen Anteil der Stoßspannung dem Abschnitt 43 zukommen läßt. Bei der in
den Figuren dargestellten Ausführungsform der Erfindung haben die einzelnen Thyristorabschnitte etwa gleiche Kippspannüngs-Kennwerte.
Um zu erreichen, daß beim Auftreten einer entsprechenden Stoßspannung die Abschnitte 43 und 44 vor den Abschnitten
41 und 42 durch Überschreiten der Kippspannung zünden, ist der Kondensator C4 vorgesehen.
Wie- aus der Fig. 2 hervorgeht, ist der Kondensator C4 zwischen
den Verbindungspunkt der Widerstände R2 und R4 der Teilschaltung
51a und den gemeinsamen Verbindungspunkt der Wider-, stände R 2 und R4 der Teilschaltung 52a geschaltet. Dadurch
wird erreicht, daß der Kondensator C4 die Widerstände R4 in den betreffenden miteinander verbundenen 'Teilschaltungen des
Parallelnetzwerks 49 für Übergangsvorgänge oder Stoßvorgänge kurzschließt. Die Aufgabe des Kondensators C4 besteht somit
darin, einen Teil (R4) des Gesamtwiderstandes jeder Teilschaltung 51a und 52a kurzzuschließen, wenn ein steiler Vorwärtsspannungsstoß
auftritt. Um dies tun zu können, sollte die Zeitkonstante der Parallelkombination aus den beiden Widerständen
R4 und dem Kondensator C4 in der Größenordnung von 0,1 oder kleiner als die Zeitkonstante der R3-C3-Teilschaltung sein.
Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Zeitkonstante der R4C4-Parallelkombination fünf Mikrosekunden
oder weniger, während die Zeitkonstante der R3C3-Teilschaltung etwa 50 Mikrosekunden beträgt. Weiterhin hat der
Widerstand R4 einen Wert von etwa 20% des Wertes des Widerstands
R3. Eine steile Stoßspannung in Vorwärtsrichtung wird daher auf die Teilschaltungen nicht gleichmäßig aufgeteilt".
Die Unter- oder Teilschaltungen 53a und 54a übernehmen jeweils
einen um etwa 25% größeren Teil des Spannungsstoßes als die
Unter- oder Teilschaltungen 51a und 52a. Sobald die der gesamten Matrix aufgedrückte Stoßspannung einen vorgegebenen V/ert
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erreicht, bei dem die Teilspannungen an den Teilschaltungen
53a und 54a dem VBQ-Nennwert der zugeordneten Thyristorabschnitte
43 und 44 entsprechen, beginnen diese Abschnitte im VgQ-Modus zu leiten. Die Drosselspule L4, die jedem der zuerst
gezündeten Abschnitte zugeordnet ist, wird derart ausgelegt, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes di/dt auf
einen sicheren Wert begrenzt ist. Wenn die Spannung an den Thyristorabschnitten 43 und 44 infolge der Kippspannungszündung
schnell abfällt, ist" damit eine gleichzeitige schnelle Spannungsänderung an den Drosselspulen L4 verbunden. Diese
Spannung wird der Stoßspannung in einer solchen Weise zugefügt', daß an den aneinandergrenzenden Thyristorabschnitten
und 42 eine sehr hohe Anstiegsgeschwindigkeit der Vorwärtsspannung
erzielt wird. Dadurch werden diese späteren Thyristorabschnitte durch dv/dt~Zündung oder Spannungssteilheit-Zündung
in den leitenden Zustand umgeschaltet. Es wurde bereits erwähnt, daß die meisten Thyristoren eine höhere Stromanstiegsgeschwindigkeit
di/dt vertragen, wenn sie im Spannungssteilheitoder dy/dt-Modus anstatt im Kippspannungs-
oder VgQ~Modus gezündet werden. Selbst wenn daher die Haupt-
und Hilfsdrosselspulen L1 und L2 nicht richtig ausgelegt wären,
um in/den zuletzt gezündeten Abschnitten 41 und 42 unter
gewissen Bedingungen der VBQ~Zündung den Strom sicher zu begrenzen, würde die.dv/dt-Zündung in jedem Falle ein sicheres
Umschalten von dem Sperr- in den Durchlaßzustand bewirken.
Anstelle eines einzigen Kondensators C4, der beiden Widerständen
R4 parallelgeschaltet ist, kann, man auch zwei Kondensatoren benutzen. In diesem Falle ware jeweils ein Kondensator
einem der Widerstände R4 parallelgeschaltet. Obwohl zwei ■ Widerstände, nämlich R2 und R4, in jeder RC-Teilschaltung 51a
und 52a gezeigt sind, könnte man auch einen einzigen Widerstand
R3 mit einer Anzapfung verwenden.
Im Interesse einer besseren Wirtschaftlichkeit sind die- Thy- ί
ristoren von antinandergren2©n<ien Thyristorabsetaitten manchmal in einer gemeinsamen mechanischen Konstruktion^ zusammen- ·
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gefaßt. Hierzu wird beispielsweise auf die Figuren 4 und 1Od der US-Patentschrift 3 471 757 verwiesen. Wenn jede Matrix in
einem Ventil eine gerade Anzahl von Thyristorabschnitten auf ,jeder Seite der sättigbaren Hauptdrosselspule aufweist, kann
man derartige mechanisch gepaarte Thyristorabschnitte benutzen. Wenn die Matrix 10a in der Fig. 2 in Reihe mit mindestens einer
anderen duplikaten Matrix verbunden ist, kann man für die schematisch dargestellten Thyristorabschnitte 43 und 41 der ersten
Matrix ein Paar mechanisch verbundener Thyristorabschnitte,
für die schematisch dargestellten Thyristorabschnitte 42 und 44 der ersten Matrix ein zweites Paar mechanisch verbundener
Thyristorabschnitte, für die Thyristorabschnitte 43 und 41 der zweiten Matrix ein drittes Paar mechanisch verbundener Thyristorabschnitte
und für die Thyristorabschnitte 42 und 44 der zweiten Matrix ein viertes Paar von mechanisch verbundenen
Thyristorabschnitten benutzen. Bei der Verwendung von in Reihe geschalteten duplikaten Matrizen 10a ist es somit möglich,
mechanisch gepaarte Thyristorabschnitte mit einem sich wiederholenden Muster von vier Abschnitten zwischen aufeinanderfolgenden
Hauptdrosselspulen zu benutzen.
Wenn jedoch die Matrizen eine ungerade Anzahl von Thyristorabschnitten
aufweisen, ist die Verwendung von mechanisch gepaarten Thyristorabschnitten mit Schwierigkeiten verbunden. Auch
für dieses Problem bietet die Erfindung eine Lösung.
In der Fig. 3 ist eine Kombination aus zwei in Reihe geschalteten Matrizen 20a und 20b .mit einer ungeraden Anzahl von Thyristoren
pro Matrize gezeigt. Zum Aufbau eines Festkörper-Hochspannungsventils
kann man mehrere dieser Matrizen hintereinander schalten. Die Matrix 20a, die mit Wechselmatrix bezeichnet
wird, weist fünf hintereinandergeschaltete Thyristorabschnitte 21a bis 25a und eine sättigbare Hauptdrosselspule
L1 auf. Die Matrix 20b, d£e mit Zwischenmatrix bezeichnet wird,'
weist ebenfalls fünf hintereinandergeschaltete Thyristorabschnitte 21b bis 25b und eine sättigbäre Hauptdrosselspule L1
auf. Weiterhin enthält jede Matrix eine der Hauptdrosselspule
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L1 parallelgeschaltete Nebenschlußschaltimg, die in ähnlicher
V/eise arbeitet wie die in Fig. 2 dargestellte Schaltung, ein
Nebenschlußnetzwerk 50 mit mehreren spannungsteilenden RC-Teilschaltungen
70 bis 74 für die Matrix 20a und 75 t>is 79 iür die-Matrix
20b, die in ähnlicher Weise arbeiten wie die RG-Teilschaltungen
51a bis 54a nach der Fig.. 2, sättigbare Drosselspulen LA, die in ähnlicher V/eise arbeiten wie die Drocceltrpulen
L4 nach der Fig. 2, und einen zusätzlichen-Nebenschlußkondensator
C4, der aus denselben Gründen vorgesehen ist wie der Kondensator C4 bei der Fig. 2. Infolge der Ähnlichkeit dieser
Schaltungsanordnung und der Schaltung nach der Fig. 2 treffen
die im vorgehenden bereits beschriebenen gemeinsamen Eigenschaften auch auf die Schaltung nach der Fig. 3 zu. Die Weiterbildung
der Ausführungsform nach der Fig. 3:.'besteht in der Anzahl und Anordnung der Thyristorabschnitte.
Die nach der Anordnung der Fig. 3 in Reihe geschalteten *,7echselmatrix
20a und Zwischenmatrix 20b sind derart aufgebaut und ausgelegt, daß ein aus diesen Matrizen hergestelltes Ventil
stets eine gerade Anzahl von Thyristorabschnitten, beispielsweise abwechselnd sechs und vier, zwischen den aufeinanderfolgenden sättigbaren Hauptdrosselspulen L1 aufweist, und daij
an den Enden des Ventils stets eine gerade Anzahl von Thyristorabschnitten, beispielsweise zwei, auftritt. So ist beispielsweise
ein Thyristorabschnittspaar 21a und 22a auf der einen Seite der Hauptdrosselspule L1 der Wechselmatrix 20a
und ein Thyristorabschnittspaar 21 b und 22b auf der anderen
Seite der Hauptdrosselspule L1 der Zwischenmatrix 20b vorgesehen. Zwischen den beiden Hauptdrosselspulen L1 sind sechs
Thyristorabschnitte 23a, 24a, 25ä, 25b, 24b und 23b angeordnet. Dabei sind die ersten drei Abschnitte der Matrix 20a und
die letzten drei Abschnitte der Matrix 20b elektrisch zugeordnet. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, aneinander-"
grenzende Thyristorabschnitte zu. duplikaten Sätzen von jeweils zwei Abschnitten mechanisch zusammenzufassen. So sind die Thyristorabschnitte
21a und 22a zu einem Thyristorpaar 2.6a mechanisch vereint» In ähnlicher Weise sind die Abschnitte 23a
107 S
und 24a der Matrix 20a zu einem Paar 26b, die Abschnitte 24b
und 23b in der Matrix 20b zu einem Paar 26d und die Abschnitte
22b und 21b zu einem Paar 26e zusammengefaßt. Obwohl eich
die Thyristorabschnitte 25a und 25b in verschiedenen Matrizen befinden, sind sie mechanisch zu einer einzigen Anordnung 26c
zusammengefaßt.
Mit der in der Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung ist es möglich ein Ventil aus Matrizen mit einer ungeraden Anzahl von
Thyristorabschnitten pro Hauptdrosselspule aufzubauen und dabei zu beiden Seiten von allen Hauptdrosselspulen eine gerade Anzahl
von Thyristorabschnitten vorzusehen. Eine vollständige mechanische Paarbildung der Thyristorabschnitte wird durch
Verwendung einer geraden Anzahl (N) von aufeinanderfolgenden Matrizen erreicht, von denen die Wechselmatrizen in der genannten
Reihenfolge jeweils eine gerade Anzahl von Thyristorabschnitten, eine sättigbare Hauptdrosselspule und eine ungerade
-Anzahl von Thyristorabschnitten enthalten, und die Zwischenmatrizen in der genannten Reihenfolge jeweils eine ungerade
Anzahl von Thyristorabschnitten, eine sättigbare Hauptdrosselspule und eine gerade Anzahl von Thyristorabschnitten
enthalten. Obwohl die V/echselmatrix und die Zwischenmatrix bei
dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach der Fig. 3 mit Ausnahme der Thyristor- und Diodenpolung einen spiegelbildlichen
Aufbau zeigen, braucht dies nicht der Fall zu sein. Die ungerade Anzahl der Thyristorabschnitte in den Wechselmatrizen
könnte von der ungeraden Anzahl der Thyristorabschnitte in den Zwischenmatrizen verschieden sein. Trotzdem wären dann eine
gerade Anzahl von Thyristorabschnitten zwischen den Hauptdrosselspulen vorhanden, so daß diese Abschnitte mechanisch zu
Paaren zusammengefaßt werden könnten.
Die erfindungsgemäße Lehre ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt, So könnte man beispielsweise sättigbare Hilfsdrosselspulen L2 in Matrizen benutzen, die'
lediglich zwei Thyristorabschnitte (41" und 42) aufweisen. Solche
Abänderungen und Modifikationen fallen ebenfalls unter die Erfindung. - ■
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'BAD
Claims (6)
1. Festkörper-Schaltanordnung mit einer ersten sättigbaren
Drosselspule und mehreren, mit der Drosselspule in Reihe geschalteten
Thyristorabschnitten, von denen jeder mindestens
™ einen steuerbaren Halbleiterschalter aufweist, der nach seiner
Zündung in einer vorgegebenen Richtung Strom durch die an ein Wechselstromnetz angeschlossene Schaltanordnung leitet, wobei
die steuerbaren Gleichrichter aller Thyristorabschnitte von einer zugeordneten Steuereinrichtung zyklisch gezündet
ι werden, dadurch gekennzeichnet*
daß eine Einrichtung die, erste sättigbare Drosselspule .(LI)
mit einer RL-Schaltung nebenschließt, die einen vorbestimmten
Gesamtwiderstand (Ri, 61) und eine zweite sättigbare Drosselspule
(L2) aufweist, die derart ausgelegt ist, daß sie nach
dem Zünden der steuerbaren Gleichrichter früher als die erste
sättigbare Drosselspule in die Sättigung gerät, und daß eine
A Einrichtung (57»58), nachdem der Strom in der Nebenschlußeinrichtung
einen Spitzenwert erreicht hat, einem die zweite Drosselspule (L2) und einen Teil (61) des Gesamtwiderstands umfassenden Abschnitt der RL-Schaltung einen Strompfad von verhältnismäßig
geringem Widerstand parallelschaltet, mit der Wirkung, daß die in der zweiten Drosselspule (L2) gespeicherte
elektrische Energie in diesem Teil (61) des Gesamtwiderstands
verbraucht wird und daß die erste sättigbare Drosselspule (L1) nur noch von dem verbleibenden Widerstand (R1) des Gesamtwiderstands
der RL-Schaltung nebengeschlossen ist.
2. Schaltanordnung nach. Anspruch; 4,
dadurch geke η η ζ e i c hnet,
daß bezüglich der Streukapazität des Wechselstromnetzes der
—β,-
206Ή36 ■·■
Gesamtwiderstand (R1,61) der RL-Schaltung einen unterkritisch
dämpfenden und der verbleibende Widerstand (R1) einen überkritisch
dämpfenden ohmschen Wert aufweist.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite sättigbare Drosselspule (L2) zu sättigen beginnt, bevor der durch die Nebenschlußeinrichtung fließende Strom seinen Spitzenwert erreicht. · ■
dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite sättigbare Drosselspule (L2) zu sättigen beginnt, bevor der durch die Nebenschlußeinrichtung fließende Strom seinen Spitzenwert erreicht. · ■
4. Schaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Katode eines ersten Thyristorabschnitts (41) mit der
Anode eines zweiten Thyristorabschnitts (42) über die erste ™
Drosselspule (L1) verbunden ist, daß eine erste und zweite spannungsteilende
Unterschaltung (51a und 52a), von denen jede einen Kondensator (C3) und einen mit dem Kondensator in Reihe geschalteten
Widerstand (R2, R4) aufweist, an ihrem einen Ende miteinander sowie mit der ersten Drosselspule verbunden sind und daß
zwischen das andere Ende der ersten Unterschaltung (51a) und die Anode des ersten Thyristorabschnitts (41) eine dritte sättigbare
Drosselspule (IA) und zwischen das andere Ende der zweiten Unterschaltung
(52a) und die Katode des zweiten Thyristorabschnittes C42) eine vierte sättigbare Drosselspule (IA) geschaltet ißt.
5. Schaltanordnung nach Anspruch 4, Λ
dadurch-, gekennzeichnet,-daß
die Katode eines dritten Thyristorabschnitts (43) mit der
Anode des ersten Thyristorabschnitts (41) und die Anode eines vierten Thyristorabschnitts (44) mit der Katode des zweiten Thyristorabschnitts
(42) verbunden ist und daß eine dritte spannungsteilende Unterschaltung (53a), die einen Kondensator (C3)
und einen damit in Reihe geschalteten Widerstand (R3) aufweist, zwischen die Anode des dritten Thyristorabschnitts und das andere
Ende der ersten Unterschaltung und eine vierte spannungsteilende
Unterschaltung, die einen Kondensator (C3) und einen mit dem Kondensator in Reihe geschalteten Widerstand (R3) aufweist, zwischen die Katode des vierten Thyristorabschnitte und das andere
Ende der zweiten Unterschaltung geschaltet ist.
- 10 9847/107 5 ■
6. Schaltanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer Kondensator (C4) einem vorbestimmten Teil (R4) des Widerstands der ersten Unterschaltung (51a) und einem
entsprechenden vorbestimmten Teil (R4) des Widerstands der zwei ten Unterschaltung (52a) parallelgeschaltet ist.
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