DE2441962A1 - Thyristor-schutzanordnung - Google Patents

Thyristor-schutzanordnung

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Fumio Ogata
Atsumi Watanabe
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/1203Circuits independent of the type of conversion
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Description

  • Thyristor-Schutzanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Thyristor-Schutzanordnung, insbesondere auf eine Anordnung zum Schutz von Thyristoren eines Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichters, der in einer Gleichstrom-Starkstrom-Übertragungsanordnung vorgesehen ist.
  • Wenn ein Wechselrichter aus mehreren Einheitsschaitungen gebildet ist, deren jede aus in Serie, parallel oder serien-parallel geschalteten Thyristoren besteht, sind die Ausschaltkennlinien der Thyristoren nicht einheitlich, so daß einige Thyristoren aufgrund des fehlenden Grenzwinkels der Kommutierung beschädigt werden (vgl. GB-PS 1 270 513 und DT-OS 2 000 422). Zur Lösung dieses Problems wurde bereits angeregt, die Thyristoren durch erneute Einspeisung des Gattersignals zu schützen, indem das Fehlen des Grenzwinkels der Kommutierung erfaßt wird.
  • Obwohl diese Anregung zum Schutz der Thyristoren sehr zweckmäßig ist, gibt es doch noch einige Fälle, bei denen diese Lösung nicht immer zufriedenstellend arbeitet.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schutzanordnung anzugeben, die Beschädigungen der Thyristoren aufgrund von Uneinheitlichkeiten der Ausschaltkennlinien sowie des Schaltungsaufbaus der die Zweige eines Wechselrichters bildenden Thyristoren sicher verhindern kann; eine derartige Anordnung soll einen anormalen Zustand, der auf Ungleichmäßigkeiten der Kennlinien beruht, feststellen können, bevor diese auftreten, und einen sicheren Schutz gewährleisten; schließlich soll eine derartige Anordnung mit hoher Zuverlässigkeit und geringen Kosten leicht herstellbar sein.
  • Falls der Randwinkel der Kommutierung vorübergehend zu klein wird, wenn ein Stromrichter, wie beispielsweise ein Wechselrichter oder Zerhacker, mit einem einzigen Quecksilberdampfgleichrichter oder Thyristor in Betrieb ist, schaltet der Quecksilberdampfgleichrichter oder der Thyristor nicht aus, d. h. es tritt keine Kommutierung ein. Das Nichtkommutieren selbst ist für den Betrieb des Wechselrichters oder Zerhackers unerwünscht, und als Ergebnis dieses Nichtkommutierens fließt ein zu großer Strom vorübergehend durch den Thyristor, jedoch der Quecksilberdampfgleichrichter oder der Thyristor wird niemals durch dieses Nichtkommutieren beschädigt.
  • Jedoch wird der Zustand, in dem einige der serien-, parallel-oder serien-parallel-geschalteten Thyristoren ausschalten, während die übrigen nicht ausschalten, zu einem Problem bei der Kommutierung, das insbesondere dann auftritt, wenn der Grenzwinkel der Kommutierung klein ist. Insbesondere können die Thyristoren, deren Aus schaltzeiten größer als der Grenzwinkel der Kommutierung sind, nicht ausgeschaltet werden.
  • Wenn eine Spannung an in Serie geschalteten Thyristoren liegt, von denen einige ausgeschaltet sind und die übrigen im eingeschalteten Zustand bleiben, liegt die ganze Spannung lediglich an den ausgeschalteten Thyristoren und kann deren Durchbruch bewirken, wenn die an jedem ausgeschalteten Thyristor liegende Spannung zu groß ist.
  • Das Auftreten eines Zustandes, bei dem einige der in Serie geschalteten Thyristoren ausgeschaltet und die übrigen noch eingeschaltet sind, kann durch keine Änderung der Schaltungsanordnung Vermieden werden und führt daher zu einer Beschädigung der Thyristoren.
  • Daher ist eine Schutzanordnung erforderlich, die im Betrieb stabil und in den Kosten wirtschaftlich ist, um eine derartige Gefahr einer Beschädigung auszuschließen.
  • Da weiterhin die Strom belastbarkeit eines Thyristors begrenzt ist, ist eine Anzahl von parallel geschalteten Thyristoren erforderlich, um einen großen Stromfluß zu ermöglichen. In derartigen Fällen treten ebenfalls Abweichprobleme in den Ausschaltkennlinien auf.
  • Wenn insbesondere eine Sperrspannung an Thyristoren liegt, durch die ein Strom fließt, werden die Thyristoren selbstverständlich ausgeschaltet. Wenn jedoch das Zeitintervall zur Anlegung einer Sperrspannung sehr kurz ist und eine Durchlaß spannung bald wieder angelegt wird, werden die Thyristoren, die eine relativ lange Ausschaltzeit haben, wieder eingeschaltet. Durch diese eingeschalteten Thyristoren kann der ganze Strom fließen. Dies führt offensichtlich zu einem Über strom für diese eingeschalteten Thyristoren.
  • Zusammenfassend führen Abweichungen in den Einschalteigenschaften zu einer Überspannung bei einer Serienschaltung, zu einem Überstrom bei einer Parallelschaltung und in beiden Fällen zu einer Beschädigung der Thyristoren.
  • Um andererseits bei einem Wechselrichter oder Zerhacker zu verhindern, daß die Thyristoren vollständig ausgeschaltet werden, selbst wenn eine Sperrspannung vorübergehend an den Thyristoren liegt, während die Thyristoren eingeschaltet sind, wird oft das sogenannte Breitenimpulsverfahren angewendet, bei dem ein Gattersignal kontinuierlich an den Thyristoren während der Zeitdauer liegt, die von einem Gattereinschalt-Signal, das an den -Thyristoren am Beginn von deren Einschalten liegt, bis zu einem Gatterausschalt-Signal reicht, das an den Thyristoren beim Beginn von deren Ausschalten liegt.
  • Erfindungsgemäß sind aufgrund dieser Ausführungen die Thyristoren sicher geschützt, indem das Gatterausschalt-Signal nur dann wirksam ist, wenn der Grenzwinkel der Kommutierung größer als ein vorbestimmter Wert ist. Insbesondere wird das Gattersignal unmittelbar in die Thyristoren abhängig vom Gattereinschalt-Signal gespeist, aber das Gatterausschalt-Signal wird wirksam und dient zum Abschalten des Gattersignals nur dann, wenn der Umstand, daß der Grenzwinkel der Kommutierung ausreichend groß ist, erkannt wird. Da das Gattersigaal so in die Thyristoren gespeist wird, daß alle Thyristoren bei der Kommutierung ausfallen, wenn der Grenzwinkel der Kommutierung kleiner als der vorbestimmte Wert ist, können die Beschädigungen der kyris;toren aufgrund der Ungleichmäßigkeit ihrer Ausschaltzeiten vollständig verhindert werden. Da darüber hinaus der Wechselrichter oder Zerhacker gewöhnlich einen Grenzwinkel der - Komm.utierung hat, der ausreichend verbreitert ist, wird keine unnötige Nichtkommutierung hervorgerufen, selbst wenn die Erfindung im. Wechselrichter oder Zerhacker angewendet wird. Die erfindungsgemäße Anordnung braucht nicht für alle Thyristoren vorgesehen zu sein, die einen derartigen Stromrichter, wie beispielsweise einen Wechselrichter- oder Zerhacker bilden, sondern muß lediglich für die Thyristoren gemeinsam vorhanden sein, in die ein Gattersignal gleichzeitig eingespeist wird. Daher ist die erfindungsgemäße Anordnung mit geringem-Aufwand herstellbar.
  • Es wird also ein Wechselrichter beschrieben, der -mehrere -Zweige aufweist, von denen jeder aus mehreren in Serie oder parallel geschalteten Thyristoren besteht. Ein Gattersigna wird an die Thyristoren jedes Zweiges während der Zeitdauer zwischen vorbestimmten Gattereinschalt- und Gatterausschalt-Signalen angelegt,. aber das Gatter ausschalt-Signal ist nur dann wirksam, wenn die Zeitdauer, in der eine Sperrspannung am Zweig liegt, Sänger als eine vorbestimmte Zeitdauer ist. Die Sperrspannung kann durch Erfassung; der Spannung und des Stromes eines Wechselstromgliedes anstelle einer direkten Messung der Spannung über dem Zweig ermittelt werden.- Weiterhin kann ein Gattereinschalt-Impuls für einen anderen Zweig verwendet werden, um die Verzögerung im Wiedereinschalten. des Sperrspannungs fühlers zu überdecken.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild einer Gleichstrom-Starkstrom-Übertragungsanordnung, Fig. 2 Signale zur Erläuterung des Betriebs des Wechselrichters der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung, Fig. 3 Signale, die das Abschalten des Gattersignals betreffen, wenn eine Sperrspannung an Thyristoren angelegt wird, Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Schutzanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 5 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 4 gezeigten Anordnung, Fig. 6 und 7 jeweils Hauptteile eines zweiten und eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 8 Signalformen zur Erläuterung des Betriebs des dritten Ausführung sbeispiels der Erfindung, Fig. 9 ein Blockschaltbild des Hauptteils eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und Fig. 10 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des vierten- Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Fig. 9 dargestellt ist-.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Wechselrichters mit einer sogenannten sechsphasigen Grätzschaltung erläutert, die in Gleichstrom-Starkstrom-Übertragungsanordnungen weit verbreitet ist.
  • In der Fig. 1, die schematisch eine Gleichstrom-Übertragungsanordnung zeigt, besteht eine Gleichstromquelle 1 aus einem Transformator 11, der mit einem Wechselstromnetz verbunden ist, und aus Gleichrichterventilen 12, die an die Sekundärwicklungen des Transformators 11 angeschlossen sind. Weiterhin sind vorgesehen eine Gleichstromdrossel 2 einschließlich Gleichstromübertragung sleitungen, ein Wechselrichter 3, für den die Erfindung vorgesehen ist, sowie ein Transformator 100, der den Wechselrichter 3 mit einem Wechselstromnetz verbindet. Der von der Gleichstromquelle 1 über die Gleichstromübertragungsleitungen 2 abgegebene Gleichstrom wird durch den Wechselrichter 3 in einen Wechselstrom umgewandelt, der über den Transformator 100 zum Wechselstromnetz 4 gespeist wird. In der Fig. 1 ist der Wechselrichter 3 mit Thyristorzweigen 31, 32, ..., 36 dargestellt, die in einer Grätzschaltung angeordnet sind, wobei jeder Zweig mehrere in Serie geschaltete Thyristoren hat.
  • In der Fig. 2, die Signale zur Erläuterung des Betriebs des in der Fig. 1 dargestellten Wechselrichters zeigt, stellt das Diagramm (a) die Zündreihenfolge, die Überlappungswinkel und die Kommutierungsgrenzwinkel der jeweiligen Thyristorzweige dar, wobei die Phasenspannungen, die an den Zweigen liegen und mit den gleichen Bezugszeichen wie die Zweige versehen sind, als Bezugspegel dienen. Für eine eigentliche Kommutierung mit dem Wechselrichter 3 ist es erforderlich, die Zweige 35, 31, 33 und 35 und die Zweige 34, 36, 32 und 34 auf der negativen Seite in der erwähnten Reihenfolge zu zünden.
  • Für die oben beschriebene Zündung der Thyristorzweige haben die durch die jeweiligen Zweige fließenden Ströme die in den Diagrammen (b) und (c) der Fig. 2 dargestellten Signalformen. Beispe3lsweise soll die Kommutierung vom Zweig 34 zum Zweig 36 näher untersucht werden. Ein Gattersignal liegt am Zweig 34 während der Zeitdauer vom Gattereinschalt-Signal im Diagramm (e) bis zum Gatterausschalt-Signal im Diagramm (f), d. h. während der im Diagramm (g) dargestellten Zeitdauer. Das Gatterausschalt-Signal, das am Zweig 34 liegt und im Diagramm (f) dargestellt ist, dient als Gattereinschalt-Signal für den Zweig 36. Insbesondere liegt ein Gattersignal am Zweig 36, während der Zweig 34 leitend ist, und nach der Einspeisung des Gattersignales in den Zweig 36 verschwindet das Gattersignal zum Zweig 34. Demgemäß leiten die Zweige 34 und 36 beide während der dem Überlappungswinkel u entsprechenden Zeitdauer, und danach zieht lediglich der Zweig 36 Strom. Dieser Vorgang wird Kommutierung genannt. Während Strom durch den Zweig 34 fließt, braucht der Zweig 34 nahezu keine Spannung auszuhalten. Aber während der Zeitdauer, die von dem Zeitpunkt, in dem der Strom durch den Zweig 34 verschwindet, bis zu dem Zeitpunkt reicht, in dem die Durchlaßspannung über dem Zweig 34 liegt, d. h. während der dem Grenzwinkel der Kommutierung entsprechenden Zeitdauer, wird eine Sperrspannung über dem Zweig 34 gebildet. Danach liegt eine zunehmende Durchlaßspannung am Zweig 34. Der Verlauf der am Zweig 34 liegenden Spannung ist im Diagramm (d) der Fig. 2 dargestellt.
  • Wenn der Grenzwinkel der Kommutierung kleiner als dieAusschaltzeit des Thyristors des Zweig es ist, fließt der Strom bei der Übertragung zum Zweig 36 wieder durch den Zweig 34, so daß der Wechselrichter nicht kommutiert.
  • Das folgende Problem muß näher erläutert werden: Wenn insbesondere jeder Zweig des Wechselrichters aus mehreren Thyristoren besteht, weichen die Ausschaltzeiten der Thyristoren gewöhnlich voneinander ab, so daß, wenn der Grenzwinkel <s der Kommutierung des Wechselrichters klein ist, Sperrspannungen an einigen Thyristoren für eine ausreichende Zeit aber an den übrigen zu kurz liegen. Demgemäß müssen lediglich die Thyristoren, die kleine Ausschaltzeiten haben, der am Zweig liegenden Durchlaßspannung standhalten. Deshalb werden oft diese Thyristoren durch die zu große Durchlaßspannung beschädigt oder zerstört.
  • Wenn andererseits der verwendete Wechselrichter für einen Hochleistungsbetrieb, d. h. für Hochspannung und Starkstrom vorgesehen ist und jeder seiner Zweige aus mehreren parallel geschalteten Thyristoren besteht, führt ein nicht ausreichender Grenzwinkel zu Überströmen durch die Thyristoren mit großen Ausschaltzeiten.
  • Um die Überspannungen und -ströme, die auf einem mangeInden Grenzwinkel der Kommutierunt3 beruhen, zu vermeiden, ist es ledig lich erforderlich, den Wechselrichter so auszulegen, daß er in der Kommutierung ausfällt. Der aus den oben genannten Druckschriften bekannte Stand der Technik beruht auf diesem Prinzip. Demgemäß werden jedoch beim Stand der Technik die Gattersignale wieder in die Zweige eingespeist, indem der Grenzwinkel tS der Kommutierung erfaßt wird, und es ist wahrscheinlich, daß die genaue Wiederzündung der Zweige dann nicht erwartet werden kann, wenn der Grenzwinkel nicht genau zu erfassen ist.
  • Erfindungsgemüß besteht, wie im Diagramm e (g) der Fig. 2 dargestellt ist, das Gattersignal für eine ausreichende Zeitdauer vom Gattereinschalt-Signal bis zum Gatterausschalt-Signal, so daß die Sperrleckströme durch die Thyristoren eines Zweiges am Anwachsen gehindert sind, indem das Gattersignal während der Zeitdauer abgeschaltet wird, in der eine Sperrspannung am Zweig liegt. Damit kann die Erfindung den beim oben genannten Stand der Technik auftretenden Nachteil ausschließen, indem das Gatterausschalt-Signal wirksam gemacht wird, nachdem erfaßt wurde, daß die Zeitdauer ausreicht, in der die Sperrspannung anliegt.
  • Die Fig. 3 erläutert, wie das Gattersignal bei einer herkömmlichen Ansteueranordnung abgeschaltet oder abgeschnitten wird, wenn eine Sperrspannung an einem Zweig liegt. Die in der Fig. 3 dargestellten Signalformen entsprechen einem Zweig eines Wechselrichters in der Nähe beim Steuervoreilwinkel # = 90° . Das Diagramm (a) zeigt den Spannungsverlauf über dem Zweig. Das Diagramm (b) zeigt den Stromverlauf durch den Zweig. Das Diagramm (c) zeigt den Verlauf des Ausgangssignals einer nicht dargestellten Einrichtung, die das Ausgangssignal während der Periode erzeugt, in der eine Sperrspannung am Zweig liegt. Das Diagramm (d) zeigt den Verlauf der Gattereinschalt- und Gatterausschalt-Signale. Das Diagramm (e) zeigt den Verlauf eines Gattersignales. Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, liegt das Gattersignal am Z weig während der Zeitdauer vom Gattereinschalt-Signal bis zum Gatterausschalt-Signal, d. h. während der Zeit von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t5; wenn aber das Gattersignal während der Zeitdauer entsprechend dem Diagramm (c) vorhanden ist, d. h. während der Zeitdauer, in der die Sperrspannung am Zweig liegt, dann nehmen die Sperrleckströme durch die Thyristoren des Zweiges zu. Demgemäß ist es üblich, das Gattersignal zeitweilig während der oben erwähnten Zeitdauer, d. h. während t2 - t3, t4 t6 und t7 - t8 abzuschneiden oder auszuschalten. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll ausgenutzt.
  • Insbesondere kann das Gattersignal unabhängig vom Vorliegen des Gatterausschalt-Signals abgeschaltet werden, wenn eine Sperrspannung über dem Zweig auftritt, und daher wird das Gattersignal während der oben erwähnten Kommutierung durch das Gatterausschaltsignal nicht abgeschaltet, sondern es wird lediglich der Umstand, daß das Gatterausschalt-Signal empfangen w urde, gespeichert. Nachdem der Umstand, daß die Sperrspannung für eine ausreichende Zeit vorgelegen hat, erfaßt wurde, wird das gespeicherte Gatterausschalt-Signal freigegeben und zur Unterbrechung des Gattersignales verwendet. Selbst wenn die Sperrspannung aus einem beliebigen Grund nicht für eine ausreichende Zeitdauer erfaßt wird, so ermöglicht die Erfindung daher dennoch einen vollständigen Schutz.
  • Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der Fig. 4 erläutert.
  • In der Fig. 4 bilden Thyristoren T1, T2, ., Tnz die zwischen Anschlüssen A und K in Serie geschaltet sind, einen der Zweige 31, 32, ..., 36 der Fig. 1. Glieder R1, R2, ..., Rns die zur Vereinfachung der Darstellung als Block mit zwei Anschlüssen dargestellt sind, arbeiten als Spannungsteiler- und Dämpfungsglieder für die Thyristoren.
  • Spannungsteilerglieder D1 und D2 leiten die Sperrspannung ab, die über einem der Zweige entwickelt wird. Eine Z-Diode Z dient zur Begren zung der Eingangsspannung, die an einem Signalformer 41 liegt. Der Signalformer 41 empfängt die über dem Spannungsteilerglied D2 liegende Spannung als Eingarigssignal und erzeugt ein Ausgangssignal "0", wenn das Eingangssignal Null oder positiv ist, und ein Ausgangssignal "1", wenn das Eingangssignal negativ ist. Signalinverter 42 und 44 kehren die Eingangssignale um und erzeugen Ausgangssignale. Ein Impulsdehner 43 erzeugt ein Ausgangssignal "0", wenn ein Eingangssignal "0" an ihm für eine längere Zeitdauer als eine vorbestimmte Zeitdauer TD liegt, und ein Ausgangssignal "1", sobald ein Eingangssignal "1" in ihn eingespeist wurde. Wenn das Eingangssignal "1" kontinuierlich in den Impulsdehner 43 eingespeist wird, erzeugt dieser tatsächlich fortwährend das Ausgangssignal "1", und selbst wenn das Eingangssignal "1" durch das Eingangssignal "0" für eine kürzere Zeitdauer als die vorbestimmte Zeitdauer TD ersetzt wird, bleibt das Ausgangssignal "1" unverändert. Flip-Flops 46 und 47 sind beide in ihren gesetzten Zustand gesteuert, um ein Ausgangssignal 11111 an ihrem Ausgangsanschluß Q zu erzeugen, wenn ein Eingangssignal "1" in ihren Setzanschluß S eingespeist wird, und in ihren rückgesetzten Zustand, um Ausgangssignal II 111 an ihrem Ausgangsanschluß Q zu erzeugen, wenn ein Eingangssignal t'1" in ihren Rücksetzanschluß R eingespeist wird. UND-Glieder 47 und 49 erzeugen beide ein Ausgangssignal "1", wenn beide Eingangssignale in ihre beiden Eingangsanschlüsse "l"-Signale sind. Ein Oszillator 50 erzeugt eine Ausgangsspannung mit einer vorbestimmten Frequenz, wenn das UND-Glied 49 ein Ausgangssignal "1" liefert. Ein Verstärker 51 wandelt das Ausgangssignal des Oszillators 50 in eine Spannung oder einen Strom mit einem vorbestimmten Verlauf und eier vorbestimmten Amplitude um, die bzw. der in das Gatter jedes der Thyristoren T1, T2 ... Tn eingespeist wird.
  • Die Gattereinschalt-Signale für die jeweiligen Thyristoren werden in den Setzanschluß S des Flip-Flops 46 über den Anschluß 461 eingespeist, während die Gatterausschalt-Signale für die Thyristoren zum Rücksetzanschluß R des gleichen Flip-Flops 46 über einen Anschluß 462 geführt werden. Da der Setzanschluß S des Flip-Flops 48 mit dem Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops 46 verbunden ist, werden beide Flip-Flops 46 und 48 unmittelbar in ihre Setzzustände durch das Gattereinschalt-Signal angesteuert, so daß ein Ausgangssignal "1" am Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops 48 auftritt. Andererseits wird kein Eingangssignal "1" in den Rücksetzanschluß R des Flip-Flops 48 eingespeist, wenn nicht ein Ausgangssignal "1" am Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops 46 und am Ausgangsanschluß des Signalinverters 44 auftritt. Es ist deshalb möglich, daß für ein bestimmtes Ausgangssignal des Gliedes 44 das in den Anschluß 462 eingespeiste Gattereinschalt-Signal nicht zu den Thyristoren übertragen wird. Wenn insbesondere das Glied 44 so ausgelegt ist, daß es kein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Zeitdauer, in der Sperrspannungen an den Thyristoren liegen, durch die Glieder 41 bis 44 für nicht ausreichend ermittelt wird, dann tritt die gleiche Lage ein, wie wenn keine Gatterausschalt-Signale in diesem Zustand an den Thyristoren liegen. Wenn die Zeitdauer der Sperrspannung ausreichend lang ist, wird das Ausgangssignal "1" vom Glied 44 erzeugt, so daß das Gatterausschalt-Signal zum Flip-Flop 48 übertragen wird, um dieses rückzusetzen.
  • Im folgenden wird die Beurteilung oder Entscheidung über die Zeitdauer der Sperrspannung durch die Glieder 41 bis 44 näher erläutert.
  • Der Signalformer 41 erzeugt ein Ausgangssignal "1" während der Zeitdauer der Sperrspannung, und das Ausgangssignal wird durch den Signalinverter umgekehrt und in ein Signal "0" umgewandelt, das wäh rend der Zeitdauer der Sperrspannung vorliegt. Da der Impulsdehner 43 ein Allusgangssignal "0" erzeugt, wenn das Signal 11011 länger als die vorbestimmte Zeit TD dauert, wird das Ausgangssignal "0" durch den Signalinverter 44 umgekehrt, um ein Signal "1" zu erzeugen, das in das UND-Glied 47 eingespeist wird. Demgemäß wird das in den Anschluß 462 eingespeiste Gatterausschalt-Signal zum Rücksetzanschluß R des Flip-Flops 48 übertragen.
  • Da das Ausgangssignal des Signalinverters 42 auch zum UND-Glied 49 gespeist wird, erzeugt das UND-Glied 49 ein Ausgangssignal '1", solange das Flip-Flop 48 eingestellt ist, mit Ausnahme der Zeitdauer, in der der Sperrspannungsfühler 41 ein Ausgangssignal "1" liefert.
  • Insbesondere ist bei der Erfindung das Flip-Flop zur direkten Steuerung der Gattersignale für die Thyristoren von dem Flip-Flop getrennt, das die Gattereinschalt- und Gatterausschalt-Signale erzeugt, und das Gatterausschalt-Signal wird wirksam, sobald erfaßt wurde, daß die Sperrspannungszeitdauer ausreichend ist. Das UND-Glied 49 dient zum Abschneiden oder Abschalten des Gattersignals während der Zeitdauer, in der die Sperrspannung erfaßt wird.
  • Deshalb wird das Gattersignal kontinuierlich eingespeist, mit Ausnahme der Zeitdauer, in der eine Sperrspannung am Zweig liegt, wenn nicht eine Sperrspannungszeitdauer erfaßt wird, die länger als die vorbestimmte Zeit TD ist.
  • Die Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Steuerung des Gattersignals. Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, spricht das Flip-Flop 46 unmittelbar auf die Gattereinschalt- und Gatterausschalt-Signale an, aber das Flip-Flop 48 empfängt das Gatterauss chalt-Signal nicht, da der Impulsdehner 43 kein Ausgangssignal "0" liefert, wenn die Sperrspannungsdauer (Grenzwinkel der Kommutierung) nicht ausreichend ist, und das Flip-Flop 48 bleibt im Setzzustand, der durch das Gattereinschalt-Signal hervorgerufen ist. Daher arbeiten der Oszillator 50 und der Verstärker 51 so, daß sie das Gattersignal dann in die Thyristoren einspeisen, wenn die Sperrspannung verschwunden ist.
  • Die Fig. 6 zeigt den Hauptteil eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie in der Fig. 4. Jedes Glied R1, 112, ... , das jeweils für die Thyristoren eines Zweiges vorgesehen ist, besteht aus einer Serienschaltung aus einem Kondensator C und einem Widerstand R, um die am Zweig liegende Wechselspannung zu teilen, und aus einem Widerstand R', um die am Zweig liegende Gleichspannung zu teilen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein besonderer Kunstgriff angewendet: Eine Parallelschaltung aus einer Diode D und einer Leucht- oder Lumineszenzdiode LD ist in Reihe mit einem der Gleichstrom-Teilungsglieder R' vorgesehen, -so daß die Leuchtdiode LD abhängig von der Sperrspannung Licht aussendet. Daher arbeitet dieses Ausführungsbeispiel in der gleichen Weise wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 4, mit der Ausnahme, daß der Signalfqrmer 41 ein Ausgangssignal "1" oder "0" aussendet, abhängig vom Leuchten oder von der Lumineszenz der Diode ID.
  • Die Fig. 7 zeigt den Hauptteil eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der zugeordneten Thyristorschutzanordnung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Sperrspannung über den Zweig nicht vom Zweig erfaßt, sondern aus der Spannung und dem Strom auf der Wechselstromseite des Wechselrichters abgeleitet. Zur Verwirklichung dieses Ausführungsbeispiels ist es erforderlich, in die Schutzeinrichtung 60 die Spannungen von Leitung zu Leitung auf der Wechselstromseite und die Ausgangssignale der Stromwandler 61, 62 und 63 für die jeweiligen Phasen aufzunehmen.
  • Vor der Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 7 dargestellten Schaltung wird mit Hilfe der Fig. 8 näher erläutert, wie die Zeitdauer, in der die Sperrspannung am Zweig liegt, aus der Spannung und dem Strom auf der Wechselstromseite abgeleitet werden kann. Die Fig. 8 zeigt Signalformen, die den Signalformen der Fig. 2 gleichen, um die Reihenfolge der Zündung der Zweige des Wechselrichters zu erläutern.
  • Die jeweiligen Zweige leiten, wie dies in den Diagrammen (b) und (c) in Fig. 8 dargestellt ist, und der im Diagramm (d) der Fig. 8 dargestellte Stromverlauf kann von den jeweiligen Stromwandlern 61, 62 und 63 (Fig. 1) erhalten werden, vorausgesetzt, daß der Richtungssinn des vom Wechselrichter 3 zum Wechselstromglied 4 fließenden Stromes positiv ist. Beispielsweise ändert sich bei einer Kommutierung vom Zweig 35 zum Zweig 36 der Strom vom Stromwandler 62 von positiv nach Null. Die Kommutierungsspannung (Spannung von Leitung zu Leitung), die zur Kommutierung beiträgt, wirkt auf den Zweig 35 während der Kommutierung als Sperrspannung und wird zu einer Durchlaßspannung nach dem Randwinkel 6 der Kommutierung, wie dies durch eine Strichpunktlinie V im Diagramm (a) der Fig. 8 dargestellt ist. Insbesonvw dere ist die Zeitdauer von dem Zeitpunkt, in dem sich das Ausgangssignal des Stromwandlers 62 von positiv nach Null ändert, bis zu dem Zeitpunkt, in dem sich die Spannung von Leitung zu Leitung V von vw negativ nach positiv ändert, die Sperrspannungszeitdauer (Grenzwinkel der Kommutierung) des Zweiges 35. Dies gilt auch für andere Zweige, wenn verschiedene Kombinationen der Stromwandler und der Spannungen von Leitung zu Leitung verwendet werden. Die in der Fig. 7 dargestellte Schaltung setzt voraus, daß ein Doppelbegrenzer 65 ein Ausgangssignal "1" erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Stromwandlers 62 Null oder negativ ist, daß ein Doppelbegrenzer 66 ein Ausgangssignal "1" erzeugt, wenn die Spannung von Leitung zu Leitung V vw positiv ist, daß ein FlipFlop 67 vorgesehen ist, das durch die Doppelbegrenzer 65 und 66 gesetzt und rückgesetzt wird, und daß das Ausgangssignal vom Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops 67 als Eingangssignal für den Signalformer 41 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 verwendet wird. Wie aus der Beschreibung der Fig. 8 hervorgeht, tritt das Ausgangssignal "1" am Ausgangsanschluß Q des Flip-Flops 67 lediglich während der Sperrspannungszeitdauer auf, und der gleiche Schutz wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann ebenfalls mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 erhalten werden.
  • Wenn der Steuervoreilwinkel t ( T = u + 6 600 (elektrischer Winkel) überschreitet, wird die am Zweig liegende Spannung bekanntlich plötzlich von einer Sperrvorspannung zu einer Durchlaßspannung unter dem Einfluß des Überlappungswinkels während der Kommutierung des Zweiges verschoben, an dem das Gattereinschalt-Signa1 nach einer Verzögerung von 1800 hinsichtlich des zuvor erwähnten Zweig es liegt (beispielsweise eilt das Gattereinschalt-Signal zum Zweig 33 des Gattereinschalt-Signals zum Zweig 36 um 1800 nach). Wenn in diesem Fall der Grenzwinkel ausreichend ist, wird keine Störung bewirkt, aber wenn der Grenzwinkel nicht ausreichend ist, muß die Schutzfunktion bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen voll vorliegen, da die Durchlaß spannung plötzlich angelegt ist.
  • Die Zeitverzögerung in der Erfassung des Vorliegens oder des Nichtvorliegens der Sperrspannung ist in der Praxis schwierig. Wenn insbesondere der Grenzwinkel der Kommutierung nicht ausreichend ist, wird das Gattersignal so bald eingespeist, wie die Sperrspannung verschwindet, und wenn eine Verzögerung in der Erfassung des Vorliegens oder des Nichtvorliegens der Sperrspannung auftritt, wird die Einspeisung des Gattersignals verzögert, entsprechend der Verzögerung in der Erfassung, so daß die plötzliche Anlegung der Durchlaßspannung die Thyristoren der Gefahr einer Beschädigung aussetzt.
  • Die Fig. 9 zeigt den Hauptteil eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, das so ausgelegt ist daß Gattersignale, wie dies oben erläutert wurde, genau eingespeist werden, und die Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 9 dargestellten Anordnung.
  • Beispielsweise zeigt das Diagramm (a) in Fig. 10 den Verlauf der am Zweig 36« liegenden Spannung, der mit einem Gattersignal während der Zeitdauer zwischen dem Gattereinschalt-Signal und dem Gatterausschalt-Signal und mit der Sperrspannung nach dieser Zeitdauer gespeist wird. Die durch den Signalfühler 41 erfaßte Sperrspannung hat den im Diagramm (c) dargestellten Verlauf, -und es kann eine Zeitverzögerung tdr und eine Zeitverzögerung tds jeweils am Beginn und am Abschluß der Erfassung vorliegen. Selbst wenn die Verzögerungen nicht so groß sind, wird die Durchlaßspannung plötzlich abhängig vom Gattereinschalt-Signal für den Zweig 33 e ingespeist, wie dies im Diagramm (d) für das Ausführungsbeispiel der Fig. 10 dargestellt ist, so daß die Durchlaßspannung die Thyristoren des Zweiges nachteilig beeinflußt.
  • In der Fig. 9 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in der Fig. 4. Zusätzlich ist die in der Fig. 9 dargestellte Schaltung ein Gattersteuerglied für den Zweig 36.
  • Ein Eingangsanschluß 91 empfängt das Ausgangssignal des Signalformers 41. Ein Eingangsanschluß 92 empfängt das Gattereinschalt-Signal für den Zweig 33. Ein Monoflop 93 erzeugt ein Ausgangssignal 11111 kontinuierlich für eine vorbestimmte Zeitdauer, wenn es ein Eingangssignal "1" empfängt. Die Zeitdauer ist so bestimmt, daß sie etwas länger als die Verzögerungszeit tds ist. Ein Inhibitionsglied 94 empfängt das Ausgangssignal des Anschlusses Q des Flip-Flops 46 als Sperr-Eingangssignal und das Ausgangssignal des Anschlusses Q des Flip-Flops 48 als Signaleingang. Das Inhibitionsglied 94 erzeugt ein Ausgangssignal §'1", wenn die Ausgangssignale an den Anschlüssen Q der Flip-Flops 46 und 48 jeweils "0" und "-1" sind. Insbesondere erzeugt das Inhibitionsglied 94 kontinuierlich das Ausgangssignal I?lt,, bis ein Gatterausschalt-Signal vorliegt und der Grenzwinkel der Kommutierung als ausreichend erfaßt ist. NAND-Glieder 95 und 96 erzeugen ein Ausgangssignal "1", wenn eines von ihren beiden Eingangssignalen ein "O"-Signal ist oder wenn beide Eingangssignale "0"-Signale sind, und ein Ausgangssignal tOt', wenn beide Eingangssignale 't1"-Signale sind. Deshalb erzeugt das NAND-Glied 95 normalerwdse mit Ausnahme der Zeitdauer, in der das Ausgangssignal des Monoflops 93 ein "l"-Signal ist, ein Ausgangssignal i1t während der Zeitdauer, in der die Ausgangssignale an den Anschlüssen Q der Flip-Flops 46 und 48, in die gerade das Gatterausschalt-Signal für den Zweig 36 eingespeist wurde, nicht miteinander zusammenfallen (d. h. während der Zeitdauer, in der das Ausgangssignal des Inhibitionsgliedes 94 ein "1"-Signal ist). Als Ergebnis dient das NAND-Glied 96 zur Umkehrung des Ausgangssignales des Signalformers 4t, und da das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 95 ein t'0"-Signal wird, wenn das Gattereinschalt-Signal für den Zweig 33 nahe dem Beginn der Sperrspannungsdauer auftritt, wie dies in der Fig. 10 gezeigt ist, wird das Ausgangssignal des Signalformers 41 unterbrochen, und das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 96 wird zu einem "1"-Signal. Dieses Ausgangssignal "1" des NAND-Gliedes 96 bewirkt, daß das UND-Glied 49 ein Ausgangssignal "1" erzeugt, so daß das Gattersignal unmittelbar für die Thyristoren des Zweiges 36 eingespeist wird. Daher ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9 das Ausgangssignal des Sperrspannungsfühlers in zeitlicher Übereinstimmung mit dem Gattereinschalt-Impuls für den Zweig 33 unwirksam, so daß keine Schwierigkeit aufgrund der Verzögerung in der Wiederherstellung dieser Schaltung verursacht wird. Wenn die Verzögerung in der Wiederherstellung des Betriebs des Sperrspannungsfühlers in Betracht gezogen wird, wie dies im Diagramm (g) in Fig. 10 der Fall ist, so ist offensichtlichs daß der Impulsdehner 43 lediglich die Zeit zur Messung des Grenzwinkels der Kommutierung zu TD - tdr anstelle von TD auswählen muß. Dies gilt auch für die Ausführungsbeispiele der Fig 4, 6 und 7.
  • Zusammenfassend wird bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter, bei dem das Gattersignal kontinuierlich am Zweig während der Zeitdauer zwischen dem Gattereinschalt-Signal und dem Gatterausschalt-Signal liegt, mit Ausnahme der Zeitdauer, in der die Sperrspannung am Zweig liegt, ein gegebenes Gatterausschalt-Signal wirksam gemacht nach der Erfassung, daß der Grenzwinkel ausreichend ist, und dann angewendet, um die Beschädigungen der Thyristoren aufgrund des Fehlers in der Erfassung des Grenzwinkels zu verhindern, d. h. mit anderen Worten, die Erfassung der am Zweig liegenden Sperrspannung (verursacht beispielsweise in einem Fall, in dem die Empfindlichkeit des Gliedes zur Erfassung der Sperrspannung gering ist, oder indem die Sperrspannung zu klein zur Erfassung ist) kann sicher verhindert werden.
  • Selbst wenn ein Gattereinschalt- und ein Gatterausschalt-Signal von außen zur Überprüfung des Wechselrichters anliegen, kann der Betrieb des Gattergliedes erfindungsgemäß nicht unterbrochen werden, da die Sperrspannung nicht eingeprägt ist. Darauf beruhen einige Nachteile bei der Überprüfung der Schaltung. Um diese Nachteile auszuschließe n, ist es jedoch lediglich erforderlich, einen Hilfsschalter As vorzusehen, wie dieser mit Strichlinien in Fig. 4 dargestellt ist, der zur Überprüfung geschlossen ist. Durch Schließung dieses Schalters As wird das Gatterausschalt-Signal eingespeist, um das Flip-Flop 48 rückzusetzen. Dieser Zustand ist der Bedingung gleichwertig, in der die Sperrspannung erfaßt wird, so daß der Beginn und der Abbruch des Betriebs des Gattergliedes lediglich durch das Gattereinschalt- und das Gatterausschalt-Signal steuerbar und die Überprüfung wesentlich erleichtert ist. Es ist auch möglich, den Schalter As so auszulegen, daß er zwangsweise nur dann geöffnet wird, wenn eine Betriebs-Wechselspannung am Wechselrichter anliegt, um ein unnötiges Öffnen des Schalters As zu vermeiden.

Claims (5)

Patentansprüche
1. Thyristor-Schutzanordnung für einen Wechselrichter, von dem jede Einheitsschaltung mehrere serien-, parallel- oder serien-parallelgeschaltete Thyristoren aufweist, wobei ein Gattersignal für die Thyristoren kontinuierlich während der Zeitdauer zwischen dem Gattereinschalt-Signal zur Bestimmung des Beginns des Gattersignals und dem Gatterausschalt-Signal zur Bestimmung des Endes des Gattersignals vorliegt, und wobei das Gattersignal abgeschaltet ist, während eine Sperrspannung an den Thyristoren liegt, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zur Erfassung der Sperrspannung an den Thyristoren (T1, T2, T3, ... T ) und eine zweite Einrichtung, die das Gatn terausschalt-Signal nur dann wirksam meht, wenn das Ausgangssignal der ersten Einrichtung länger als ein vorbestimmtes Zeitintervall ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung besteht aus einer Leuchtdiode (ID), die in einer Spannungsteilungsschaltung für die Thyristoren (T1, T2, T3 ... T vorgesehen ist, einer Lichtübertragungseinrichtung und einer dritten Einrichtung, um eine Spannung von dem empfangenen Licht abzuleiten.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung besteht aus einer vierten Einrichtung, die erfaßt, daß die Phasenströme auf der Wechselstromseite des Wechselrichters auf Null verringert sind, einer fünften Einrichtung, die erfaßt, daß die Kommutierungsspannungen von einem negativen zu einem positiven Wert geändert sind, und einem Flip-Flop, das durch das Ausgangssignal der vierten Einrichtung gesetzt und durch das Ausgangssignal der fünften Einrichtun g rückgesetzt ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine sechste Einrichtung, die vorübergehend das Ausgangssignal der ersten Einrichtung durch das Gattereinschalt-Signal für eine andere Einheitsschaltung unterbricht.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine siebte Einrichtung, die das Gatterausschalt-Signal speichert, und einen Hilfsschalter, der eine Verwendung des Ausgangssignals der siebten Einrichtung anstelle des Ausgangssignals der ersten Einrichtung ermöglicht.
L e e r s e i t e
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