DE2140290C3

DE2140290C3 - Anordnung zur Erstellung des thermischen Abbildes eines belasteten Thyristors

Info

Publication number: DE2140290C3
Application number: DE2140290A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl.-Ing. 1000 Berlin Schraeder
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-08-06
Filing date: 1971-08-06
Publication date: 1979-06-07
Also published as: IT963784B; DE2140290A1; BE787132A; DE2140290B2; ZA725368B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung entsprechend dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Anordnung, durch die auch der thermische Einfluß der Umgebung des Thyristors einen Thermofühler im Kühlmittel mit berücksichtigt wird, ist aus der DE-PS 11 08 317 bekannt.

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 Sperrschichttemperatur der Thyristoren zu fahren. Bei einer konstanten Belastung des Stromrichters gibt es keine Probleme. Wie aus der Literaturstelle Heumann — Stumpe, »Thyristoren-Eigenschaften und 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 so eindeutig, da die Laständerungen weder exakt

eingehalten werden, noch ihr zeitlicher Verlauf bekannt ist. Theoretisch wäre für diesen Fall eine Überwachung der Krisitalltemperatur im Thyristor durch eine direkte Temperaturmessung mit Hilfe beispielsweise eines Thermofühler 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.

Das Erstellen eines thermischen Abbildes, wie es die eingangs genannte DE-PS 11 08 317 angibt, ist deshalb anzustreben. Bei der Verwendung eines Thermoelements im Kühlmittel treten jedoch Probleme insbesondere beim nachträglichen Einbau und durch Verschmutzung während des Betriebes auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der ohne Thermofühler in der Nähe des Thyristors oder in demselben für alle praktisch auftretenden Laständerungen ein thermisches Abbild d£s Thyristors erstellt wird,

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für eine Anordnung der eingangs angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Auf vorteilhafte Weise gelingt die Erstellung des thermischen Abbiidts des Thyristors sowohl für den Betrieb mit konstanter Last als auch für den Betrieb mit bekannten und unbekannten Laständerungen durch die problemlose Erfassung nur einer elektrischen Größe des Thyristors. Dadurch, daß sowohl der innere als auch der äußere thermische Widerstand des Thyristors elektronisch nachgebildet werden, ergibt sich leicht die für eine Stromregelung, Meldung oder Registrierung benötigte Differenz zwischen Sperrschicht- und Kühlmitteltemperatur.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Der Erfindungsgedanke sei an H,'-]d der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in Fig. 1 in schematischer und in Fig.2 in detaillierter Form veranschaulicht, näher erläutert

Nach »Heumann — Stumpe: Thyristoren-Eigenschaften und Anwendungen«, S. 22 gilt für die Sperrschichttemperatur o/im Dauerbetriebsfall:

>l

In dieser Gleichung stellt Pf die Verlustleistung im Thyristor dar, R(,h)i(, den inneren und R(ihjc,v den äußeren Wärmewiderstand des Thyristors, sowie oj/die Kühlmitteltemperatur. Während der innere Wärmewiderstand R(ih)ia ein Kennwert des Thyristors ist und als temperaturunabhängig angenommen werden kann, enthält der äußere Wärmewiderstand R_fli,x;ti 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.
Für die Verlustleistung Pp'im Thyristor gilt:

FAl'

Us +

Rj

Darin stellt Ifav den Mittelwert und Ipc/r den Effektivwert des Stromes, Us die Schleusenspannung und Rdiff den differentiellen innenwiderstand der Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors dar.

Bei einer sprunghaften Änderung der Verlustleistung Ppfolgen die Wärmewiderstände R(,hjja und R{,ioaps'mer e-Funktion mit den Zeitkonstanten 7j bzw. Tu

m J G =

(l -e - 7;)

Rum GU = Kh)GU (I -e - J₁'

(3)

10

Für die Differenz der Sperrschichttemperatur öj und der Kühlmitteltemperatur ougilt nach den voranstehenden Gleichungen

Us + I¹Fc

(4)

R[Ih)JO , R[Ih)GL

I 1 + pT, 1 + pT_}

15

20

wobei die Zeitabhängigkeit der Wärmewiderstände nach dem Sprung der Verlustleistung durch die Frequenz-Darstellung von Verzögerungsgliedern 1. Ordnung mit den Zeitkonstanten Γι und T₂ simuliert wird. Die resultierende Zeitkonstante T\ für die Verhältnisse im Kristall und am Gehäuseboden wird mit ca. 100 ms angenommen. Die Zeitkonstante T> für das Thyristorgehäuse und die Umgebung beträgt etwa 1 bis jo 15 Minuten. Die Werte + R(,i,)jc und + R(_th)GU bezeichnen die Beharrungswerte der Wärmewiderstände im Kristall und am Gehäuseboden des Thyristors bzw. für das Tnyristor-Gehäuse und der Umgebung, auf die die Wärmewiderstände nach dem Sprung der Verlustleistung mit einer e-Funktion des Überganges einlaufen.

Gemäß F i g. 1 wird zur Simulation der Differenz zwischen Sperrschicht- und Kühlmitteltemperatur eines Thyristors der direkt erfaßte Thyristor-Laststrom I_F sowohl einer ersten proportionalen Glied 1 als auch einem Quadrierglied 2 mit einem in Reihe zu ihm 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 4'i Daten des Thyristors zugehörigen Werte für die Schleusenspannung fs und den differentiellen Widerstand Rdiffsmd der Thyristorkennlinie zu entnehmen und bestimmen den Proportionalilätsfaktor für die proportionalen Glieder 1 bzw. Z. Die Quadratur des direkt erfaßten Thyristor-Laststromes wird am Quadrierglied 2 vorgenon.men. Die erhaltenen Werte werden einer Summierstelle zugeführt und die Summe wird den beiden durch je ein Verzögerungsglied I.Ordnung 4 bzw. 5 nachgebildeten Wärinewiderständen für die Ermittlung des Temperatursprunges nach dem Sprung der Verlustleis.ing zugeführt. Die Frequenzgänge des ersten und zweiten Verzögerungsgliedes 1. Ordnung 4 bzw. 5 lauten

addiert, so daß die Summe der Ausgangswerte die Differenz von Sperrschichttemperatur O₁ und Umgebungstemperatur dt'bedeutet. Die simulierte Temperaturdifferenz (5; (x)-öu(x) kann in einem der Simulationseinrichtung nachgeschalteten Vergleichsglied 6 mit einer Führungsgröße der Ternperaturdifferenz δ] (w)— öu(w) verglichen und die Abweichung von dieser Temperaturdifferenz beispielsweise entweder einem Stromregler für die Stromrichter aufgeschaltet, wodurch gegebenenfalls der Strom reduziert wird, oder als Kriterium für eine Meldung, Registrierung oder Abschaltung der gesamten Stromrichteranlage verwendet werden.

In F i g. 2 sind die in F i g. 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 Vj bzw. V3, denen ·' ein Widerstand parallelgeschaltet ist, und je eines veränderbaren Widerstands R] 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 Widerständen R^ und R₃ und den Thyristor-Kennwerten Schleusenspannung Us und differentieller Widerstand Rdut sowie dem Thyristorstrom If ist gegeben durch die Beziehung

R₃ R,

Us

G, = R

Uh)JG

Γ+'ρΓ,

Die den inneren und äußeren Wärmewiderstand des Thyristors sowie deren zeitliches Verhalten nach einem Sprung der Verlustleistung nachbildenden Verzögerungsglieder 1. Ordnung 4 bzw. 5 enthalten je einen Verstärker Va bzw. Vs, dem sowohl je ein Kondensator G bzw. Cs als auch je ein Widerstand R₄ bzw. R₅ parallel gestaltet sind. Durch die Wahl der Größe der Widerstände Rt bzw. Rs und der Kondensatoren G bzw. Cs werden die Zeitkonstanten 71 und Ti nach F i g. 1 festgelegt Bei der Bestimmung der Widerstände Ra, Rs sowie der Kondensatoren Ca, Cs ist zu berücksichtigen, daß die äußere Zeitkonstante T₂ für die Umgebung des Thyristors sehr viel größer als die innere Zeitkonstante Ti 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 inne/cn und äußeren Wärmewiderstandes wird d'irch die Wahl der den Verstärkern V₄_ bzw. V-, in Reihe geschalteten Widerständen Rt, und Ri bestimmt, wobei der Zusammenhang zwischen den Wärmewiderständen + R₁H₁)Ic und + R(Ih)Cn und den Widerständen R_b und R7 gegeben 1st durch die Beziehungen:

bzw. G₂ = R₁,

= Λ »/,ye

Die Ausgangswerte df r beiden Verzögerungsglieder !.Ordnung 4 und 5 werden an einer Summierstelle == "(lÄlfit/

hieraus folgt:

Rl Rf·

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.

Für die Simulation der Sperrschicht- und der Umgebungstemperatur ergibt sich somit nach Fig.2 eine praktische Eiristeiimöglichkeit derjenigen Werte, die vom vefwehdeteti Thyf istöf typ Und vom Aufbau der gesamten Stromrichteranlage abhängig sind. Um die Temperatürgrenzen festzulegen und somit zu einer optimalen Ausnutzung des Stromrichters zu gelangen, wird am Ausgang der Simulationsanordnung ein der

simulierten Temperaturdifferenz von Sperrschicht- und Umgebungstemperatur entsprechender Stromwert mit einem Stromwert verglichen, der einem eine Führungsgröße für die Temperaturdifferenz von Spefrschieht- und Umgebungstemperatur darstellenden Wert entspricht. Dieser Stromwert für die Führungsgröße ö/w) - öu(w) wird über einen Widerstand R_a an einem Stellwiderstand Rg abgegriffen, der an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Differenz beider Ströme kann einem nachgeschalteten Stromregler als Führurigsgröße oder einer Registriereinrichtung zugeführt werden oder als Kriterium für eine Meldung dienen, je nach der Stellung des Abgriffs am Stellwiderstand R₉ wifd somit die Tempefätüfgfenze für die Thyristoren eines Stromrichters festgelegt und ermöglicht somit eine Belastung der Thyristoren bis an ihre oberste Temperaturgrehze, ohne dabei die Thyristoren Und damit einen sicheren Betrieb der Anlaee zu eefährden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erstellung des thermischen Abbildes eines belasteten Thyristors über zwei parallele, mit dem Thyristor-Laststrom gespeiste Zweige, von denen der eine einen linear arbeitenden Verstärker und der andere eine quadratisch verstärkende Schaltung aufweist und deren additiv verknüpftem Ausgang Zeitglieder nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitglieder aus der Parallelschaltung zweier Verzögerungsglieder 1. Ordnung (4,5) gebildet: sind, von denen eines (4) das Zeitverhalten des inneren und das andere (5) das Zeitverhalten des äußeren thermischen Widerstandes des Thyristors wiedergibt, und daß der Ausgang der Parallelschaltung mit einem Stromregler für den Thyristor-Laststrom und/oder einer Registrier- bzw. Meldeeinrichtung verbunden ia'.

2. Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch, gekennzeichnet, daß die Verzögerungsglieder (4,5) aus der an sich bekannten Reihenschaltung eines Verstärkers (Va bzw. V₅), dem sowohl ein Widerstand (Ra bzw. A₅) als auch ein Kondensator (Q bzw. C₅) parallel geschaltet sind, und eines veränderbaren Widerstandes (Rf, bzw. R₇) bestehen..

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung eines der Führungsgröße für die Temperaturdifferenz aus der Sperrschicht- und der Umgebungstemperatur des Thyristors entsprechenden Stromwertes eine Reihenschaltung eines Widerstandes (Rs) und eines an eine Spannungsquehe angeschlossenen Stellwiderstandes (Rq) dem Ausgang der Parallelschaltung parallel geschaltet ist.