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Verfahren zur Ermittlung der Temperaturdifferenz aus Sperrschicht-
und Kühlmitteltemperatur eines belasteten Thyristors Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Ermittlung der 'Pemperaturdifferenz aus Sperrschicht- und Eühlmitteltemperatur
eines belasteten Thyristors.
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Dem Thyristor sind Grenzen für die Sperrschichttemperatur gesetzt,
deren Überschreitung einen sicheren Betrieb in Frage stellt oder den Thyristor gefährdet.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist es aber das Ziel, einen Stromrichter möglichst
stark auszunutzen, d.h. an der Grenze der zulässigen Sperrschichtteinperatur der
'L'hyristoren zu fahren. Bei einer konstanten Be-Rastung des Stromrichters gibt
es keine Probleme. Wie aus der Literaturstelle Heumann-Stumpe, "Thyristoren-Eigenschaften
irnd Anwendungen", Seite 21 bekannt ist, läßt sich die Temperatur, die sich bei
einer bestimmten Belastung im Thyristor
einstellt, aus dem thermischen
Ersatzschaltbild eines Thyristors für Dauerbetrieb (Fig. 21. 1) errechnen. Schwieriger
wird es bei Laständerungen. Haben die Laständerungen einen bekannten zeitlichen
Verlauf und werden sie exakt eingehalten, so ist auch dann noch eine Berechnung
möglich. In der Praxis sind die Verhältnisse jedoch nicht so eindeutig, da die Laständerungen
weder exakt eingehalten werden, noch ihr zeitlicher Verlauf bekannt ist. Theoretisch
wäre für diesen Fall eine Überwachung der Kristalltemperatur im Thyristor durch
eine direkte emperaturmessung mit Hilfe beispielsweise eines Thermofühlers möglich.
Das Einbringen eines Thermofühlers in das abgeschlossene Gebilde eines Thyristors
würde jedoch entweder zur Herabsetzung der Zuverlässigkeit des Thyristors oder zu
einem komplizierten und damit aufwendigen und kostspieligen Aufbau des Thyristors
führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verf ahren zur
Ermittlung der Sperrschichttemperatur eines Thyristors unter Berücksichtigung der
Euhlmitteltemperatur des Thyristors, für alle praktisch auftretenden Laständerungen
anzugeben, ohne am Aufbau des Thyristors Änderungen vornehmen zu müssen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Temperaturdifferenz
simuliert wird, indem der Thyristor-Laststrom direkt erfaßt und einer Anordnung
zugeführt wird, in der er in einen der Verlustleistung des Thyristors entsprechenden
Wert umgeformt wird, und daß dieser Wert sowohl mit einem
dem inneren
als auch dem äußeren Wärmewiderstand des Thyristors entsprechenden Wert multipliziert
wird und beide Produkte addiert werden.
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Dieses Verfahren ist sowohl für den Betrieb von Thyristoren mit konstanter
Last, als auch für den Betrieb mit bekannten und unbekannten Laständerungen geeignet.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Anordnung
vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch die neihenschaltung eines ersten proportionalen
Gliedes, dem eine Reihenschaltung eines Quadriergliedes und eines zweiten proportionalen
Gliedes parallelgeschaltet ist und eines ersten Verzögerungsgliedes 1. Ordnung,
dem ein zweites Verzögerungsglied 1. Ordnung parallelgeschalte ist.
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Der Erfindungsgedanke sei an Hand der Zeichnung, die ein Ausfiihrungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung veranschauleicht, näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in schematischer und Fig. 2 in detaillierter Form eine
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnung.
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nach "Heumann-Stumpe: DhvTristoren - Eigenschaften und Anwendungen"
S. 22 gilt für die Sperrschichttemperatur QYj im Dauerbetriebsfall:
In dieser Gleichung stellt PF die Verlustleistung im Thyristor
dar, R(h)JG den inneren und R(th)GU den äußeren Wärmewiderstand des Thyristors,
sowie tVQU die Kühlmitteltemperatur. Während der innere Wärmewiderstand R(th)JG
ein Kennwert des Thyristors ist und als temperaturunabhängig angenommen werden kann,
enthält der äußere Wärmewiderstand R(th)GU den Wärmeübergangswiderstand vom Thyristor
zum Kühlkörper und hängt insbesondere von der Konstruktion des Kühlkörpers, von
der Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Kühlmittel und von der Art und Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels ab.
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Für die Verlustleistung Pp im Thyristor gilt: PF = IFAV # US + IF2
eff # Rdiff (2) Darin stellt IFAV den Mittelwert und ISeff den Effektivwert des
Stromes, US die Schleusenspannung und Rdiff den differentiellen Innenwiderstand
der Arloden-Kathodenstrecke des Thyristors dar.
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Bei einer sprunghaften Anderung der Verlustleistung PF folgen die
Wärmewiderstände R(th)JG und R(th)GU einer e-Funktion mit den Zeitkonstanten T1
bzw. T2:
zur die Differenz der Sperrschichttemperatur #J und der Kühlmitteltemperatur
#U gilt nach den voranstehenden Gleichungen
wobei die Zeitabhängigkeit der Wärmewiderstände nach dem Sprung der Verlustleistung
durch die Frequenz-Darstellung von Verzögerungsgliedern 1. Ordnung mit den Zeitkonstanten
T1 und T2 simuliert wird. Die resultierende Zeitkonstante D1 für die Verhältnisse
im Kristall und am Gehäuseboden wird mit ca. 100 ms angenommen. Die Zeitkonstante
T2 für das Thyristorgehäuse und die Umgebung beträgt etwal bis 15 Minuten.
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4 Die Werte R(th)JG und R(thVGU bezeichnen die Beharrungswerte der
Wärmewiderstände im Kristall und am Gehäuseboden des Thyristors bzw. für das Thyristor-Gehäuse
und der Umgebung, auf die die Wärmewiderstände nach dem Sprung der Verlustleistung
mit einer e-Funktion während des ueberganges einlaufen.
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In Fig. 1 ist in schematischer Form eine Anordnung zur Simu-Kation
der Sperrschicht- und Kühlmitteltemperatur eines Thyristors dargestellt. Der direkt
erfaßte Thyristor-Laststrom 1F wir-d sowohl einem ersten proportionalen Glied 1
als auch einem Quadrierglied 2 mit einem in Reihe zu ibm geschalteten zweiten
proportionalen
Glied 3 zugeführt. Die Parallelschaltung dieser Glieder bewirkt die Nachbildung
der im Thyristor auftretenden Verlustleistung, die nach Gleichung (2) bestimmbar
ist. Die den Daten des Thyristors zugehörigen Werte für die-Schleusenspannung US
und den differentiellen Widerstand Rdiff sind der Thyristorkennlinie zu entnehmen
und bestimmen den Proportionalitätsfaktor für die proportionalen Glieder 1 bzw.
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3. Die Quadratur des direkt erfaßten Thyristor-Laststromes wird am
Quadrierglied 2 vorgenommen. Die erhaltenen Werte werden einer Summierstelle zugeführt
und die Summe wird den beiden durch je ein Verzögerungsglied 1. Ordnung 4 bzw. 5
nachgebildeten Wärmewiderständen für die Ermittlung des Temperatursprunges nach
dem Sprung der Verlustleistung zugeführt. Die Frequenzgänge des ersten und zweiten
Verzögerungsgliedes 1.
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Ordnung 4 bzw. 5 lauten G1 1 11(th)JG @ (@@)@@ 1+PT1 1 bzw. G2 = R(th)CU
# 1+PT2 Die Ausgangswerte der beiden Verzögerungsglieder 1. Ordnung 4 und 5 werden
an einer Summierstelle addiert, so daß die Summe der Ausgangswerte die Differenz
von Sperrschichttemperatur w9J und Umgebungstemperatur #U bedeutet. Die simulierte
Temperclturdifferenz SJ (x) ~ t U (x) kann in einem der Simulationseinrichtung nachgeschalteten
Vergleichsglied 6 mit einer
Führungsgröße der Temperaturdifferenz
JJ (w) - #U (w) verglichen und die Abweichung von dieser Temperaturdifferenz beispielsweise
entweder einem Stromregler für die Stromrichter aufgeschaltet, wodurch ggf. der
Strom reduziert wird, oder als Kriterium für eine Meldung, Registrierung oder Abschaltung
der gesamten Stromrichteranlage verwendet werden.
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In Fig. 2 sind die in Fig. 1 in schematischer Form dargestellten Glieder
in detaillierter Form angegeben. Die einzelnen Glieder der Anordnung sind in bekannter
Weise aufgebaut, so daß auf eine Beschreibung ihres Aufbaus verzichtet werden kann.
Die proportionalen Glieder 1 und 3 bestehen aus der Reihenschaltung je eines Verstärkers
V1 bzw. V3, denen je ein Widerstand paralleugeschaltet ist, und je eines veränderbaren
Widerstandes R1 bzw. R3. Diese für den inneren Aufbau des Thyristors charakteristischen
Werte können seiner Kennlinie oder den Thyristor- Kenndaten entnommen werden. Der
Zusammenhang zwischen den veränderbaren Widerstanden R1 und 3 und den Thyristor-Kennwerten
Schleusenspannung U5 und differentieller Widerstand Rdiff sowie dem Thyristorstrom
IF ist gegeben durch die Beziehung R3 US = R1 IF # Rdiff Die den inneren und äußeren
Wärmewiderstand des Thyristors sowie deren zeitliches Verhalten nach einem Sprung
der Verlustleistung
nachbildenden Verzögerungsglieder 1. Ordnung
4 bzw.
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5 enthalten je einen Verstärker V4 bzw. V5, dem sowohl je ein Kondensator
C4 bzw. C5 als auch je ein Widerstand 114 bzw. 115 parallelgeschaltet sind. Durch
die Wahl der Größe der Widerstände R4 bzw. R5 und der Kondensatoren C4 bzw. C5 werden
die Zeitkonstanten T1 und T2 nach Fig. 1 festgelegt. Bei der Bestimmung der Widerstände
R4, R5 sowie der Kondensatoren C4, ist zu berücksichtigen, daß die äußere Zeitkonstante
T2 für die Umgebung des Thyristors sehr viel größer als die innere Zeitkonstante
21 des Thyristors ist, die in der Größenordnung von ca. 100 ms. liegt. Die äußere
Zeitkonstante T2 ist bestimmbar aus der Größe des Thyristor-Kühlkörpers und der
Wärmekapazität durch die Umgebung des Thyristors, insbesondere des Stromrichterschrankes
und liegt bei einer Stromrichteranordnung mit Lüfter in der Größenordnung von ca.
2 min und ohne Lüfter in der Größenordnung von ca. 15 min. Die Größe des inneren
und äußeren Wärmewiderstandes wird durch die Wahl der den Verstärkern V4 bzw. V5
in Reihe geschalteten Widerständen 116 und R7 bestimmt, wobei der Zusammenhang zwischen
den Wärmewiderständen R(th)JG und R(th)GU und den Widerständen R6 und R7 gegeben
ist durch die Beziehungen: 1 A A @(th)JG R6 1/R7 = R(th)GU hieraus folgt: CL = #######
R6 R(th)GU
Der innere Wärmewiderstand des Thyristors hängt dabei
im wesentlichen vom Aufbau des Thyristors selbst ab und ist somit bekannt, wohingegen
der äußere Wärmewiderstand von der Konstruktion der gesamten Stromrichteranlage
und der Lüftung abhängt.
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Für die Simulation der Sperrschicht- und der Umgebungstemperatur ergibt
sich somit nach Fig. 2 eine praktische Einstellmöglichkeit derjenigen Werte, die
vom verwendeten Thyristor typ und vom Aufbau der gesamten Stromrichteranlage abhängig
sind. Um die Temperaturgrenzen festzulegen und somit zu einer optimalen Ausnutzung
des Stromrichters zu gelengen, wird am Ausgang der bimulationsanordnung ein der
simulierten Temperaturdifferenz von Sperrschicht- und Umgebungstemperatur entsprechender
Stromwert mit einem Stromwert verglichen, der einem eine Führungsgröße für die Temperaturdifferenz
von Sperrschicht- und Umgebungstemperatur darstellenden Wert ein spricht. Dieser
Stromwert für die Führungsgrëße #J(w) - #U(@ wird über einen Widerstand R8 an einem
Stellwiderstand R9 ebgegriffen, der an eine spannungsquelle angeschlossen ist. Die
Differenz beider Ströme kann einem nachgeschniteten Stromregler als Führungsgröße
oder einer Rogistriereinrichtung zugeführt werden oder als Kriterium für eine Meldung
dienen. Je nach der Stellung des Abgriffs am Stellwiderstand R9 wird somit die Temperaturgrenze
für dio Thyristeren eines Stromrichters festgelegt und ermöglicht somit eine Belastung
der Thyristoren bis an ihre oberste Temperaturgrenze, ohne dabei die
Thyristoren
und damit einen sicheren Betrieb der Anlage zu gefährden.
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10 Seiten Beschreibung 8 Patentansprüche