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Schutzanordnung für Hauptthyristor vor Vorwärts-Überspannung Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schutzanordnung für einen Hauptthyristor, der eingeschaltet
wird, um seine Zerstörung zu verhindern, wenn eine Vorwärts-Überspannu ng, die höher
als ein vorbestimmter Pegel ist, aus irgendeinem Grund am Hauptthyristor liegt.
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Bisher sind schon zahlreiche Schutzanordnungen für einen Hauptthyristor
gegen eine derartige Vorwärts-Überspannung diskutiert worden, aber keine von ihnen
kann den Hauptthyristor gegenüber einer Vorwärts-Überspannung zuverlässig schützen.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, die
erfaßt, daß eine am Hauptthyristor liegende Vorwärts-Überspannung auf einen vorbestimmten
Pegel angewachsen ist, die die Energie speichert, die zum unmittelbaren Einschalten
des Hauptthyristors dann erforderlich ist, wenn erfaßt wurde, daß die Vorwärts-Überspannung
den vorbestimmten Pegel erreicht hat und die ein Einschaltsignal in das G atter
oder den Steueranschluß des Hauptthyristors speist, bevor die am Hauptthyristor
liegende Vorwärts-Überspannung einen gefährlichen Spannungspegel erreicht, der den
Hauptthyristor zerstören würde, wodurch so der Hauptthyristor gegen seine Vorwärts-Überspannung
geschützt ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine bereits diskutierte Schutzanordnung für einen Hauptthyristor
gegen dessen Vorwärts-Überspannung, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines nichtlinearen Bauelements, das bei der
Erfindung verwendet wird, Fig. 4 den Aufbau eines Beispiels eines nichtlinearen
Bauelements, das vorzugsweise bei der Erfindung verwendet wird, Fig. 5 ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6 eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines nichtlinearen
Bauelements,
das bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
verwendet wird, Fig. 7 den Aufbau eines Beispiels eines nichtlinearen Bauelements,
das vorzugsweise bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet
wird, Fig. 8 ein Schaltbild mit einer teilweisen Abwandlung des in der Fig . 5 dargestellten
Au sführungsbeispiels, und Fig. 9 ein Schaltbild mit Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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Bevor die Erfindung näher erläutert wird, soll die bereits entwickelte
Anordnung anhand der Fig. 1 diskutiert werden.
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In der Fig. 1, die eine typische Anordnung dieser Art zeigt, ist
ein zu schützender Hauptthyristor 1 parallel zu zwei Dämpfungsgliedern 2 und 3 vorgesehen,
die während des Betriebs zur Unterdrückung einer Überspanntlng oder Drift dienen.
Diese Glieder 2 und 3 können Spannungsteiler sein, wenn mehrere derartige Hauptthyristoren
in Serie geschaltet sind. Gewöhnlich ist lediglich ein Dämpfungsglied (oder ein
Spannung steiler) für einen Thyristor zu diesem Zweck erforderlich, aber dieses
Glied ist tatsächlich, wie dargestellt, in zwei Teile geteilt, um ein Gatter- oder
Steuersignal in den Hauptthyristor 1 einzuspeisen, danlit der Hauptthyristor 1 gelen
seine Vorwärts-Spannung geschützt ist, wie dies weiter unten näher erläutert wird.
Die Dämpfungsglieder 2 und 3 bestehen jeweils aus einer Serienschaltung eines
Widerstandes
2 a und eines Kondensators 2 b und aus einer Serienschaltung eines Widerstandes
3 a und eines Kondensators 3 b. Ein nichtlineares Bauelement 4 liegt zwischen dem
Gatter- oder Steueranschluß des Hauptthyristors 1 und dem Verbindungspunkt zwischen
den Dämpfungsgliedern 2 und 3, um ein Steuersignal in den Steueranschluß des Hauptthyristors
1 einzuspeisen. Dieses nichtlineare Bauelement 4 ist so aufgebaut, daß sich sein
Widerstandswert plötzlich von einem hohen zu einem niedrigen Wert ändert, wenn eine
dort anliegende Spannung einen gewissen vorbestimmten Pegel überschreitet. Dieses
nichtlineare Bauelement 4 ist beispielsweise ein rückwärts sperrender D ioden-Thyristor.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines derartigen Dioden-Thyristors ist in der Fig.
3 dargestellt.
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Aus der Fig. 3 geht hervor, daß ein sehr kleiner Strom lediglich in
einem Bereich fließen kann, der kleiner als eine Spannung V0 ist, wenn die Spannung
in Vorwärtsrichtung anliegt, aber der Widerstandswert verringert sich plötzlich,
und die dort anliegende Spannung wird demgemäß verkleinert, wenn die angelegte Spannung
den Wert V0 überschreitet.
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Bei der anhand der Fig. 1 beschriebenen Anordnung wird die Spannung
am Hauptthyristor in einem vorbestimmten Verhältnis durch die Dämpfungsglieder 2
und 3 geteilt, so daß die so geteilten Spannungen an den jeweiligen Dämpfungsgliedern
2 und 3 auftreten. Wenn so die Anodenspannung des Hauptthyristors 1 einen vorbestimmten
Pegel überschreitet, wird der Thyristor 4 eingeschaltet, um einen Steuerstrom in
den Steueranschluß des Hauptthyristors 1 zu speisen, damit der Hauptthyristor 1
einschaltet, wodurch verhindert wird, daß der Hauptthyristor 1 durch eine Überspannung
zerstört wird.
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Diese bereits entwickelte Anordnung hat jedoch die folgenden Nachteile:
(1) Obwohl der Thyristor 4 eingeschaltet ist, um den Steuerstrom in den Steueranschluß
des Hauptthyristors 1 abhängig von einer plötzlich zunehmenden Spannung am Hauptthyristor
1 zu speisen, kann die Anodenspannung des Hauptthyristors 1 weiterhin zunehmen,
bis der Hauptthyristor 1 aufgrund eines verzögerten Ansprechens des Einschaltvorganges
eingeschaltet ist. Daher ist der unterdrückte Überspannungspegel abhängig von der
Anstiegsgeschwindigkeit der anliegenden Hauptspannung dV/dt und vom verzögerten
Ansprechen des Einschaltvorganges veränderlich.
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(2) Wenn eine plötzlich anwachsende Spannung am Hauptthyristor 1
liegt, kann ein unzureichender Steuerstrom während des Einschaltens in den Hauptthyristor
1 gespeist werden, da der Kondensator 3 b, der den erforderlichen Steuerstrom einspeist,
nicht ausreichend geladen sein kann. Deshalb kann der Hauptthyristor 1, der im allgemeinen
eine hohe Durchbruchsspannung und eine große Stromkapazität besitzt, nicht vollständig
eingeschaltet werden, und hieraus kann eine Beschädigung oder Zerstörung des Hauptthyristors
1 folgen.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine neuartige und verbesserte Hauptthyristor-Schutzanordnung
vor, die die Nachteile der bereits beschriebenen Thyristoren (vgl. oben) überwindet
und zuverlässig arbeitet, um den Hauptthyristor gegen eine Zerstörung zu schützen,
wenn die Vorwärtsspannung einen vorbestimmten Pegel überschreitet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand
der
Fig. 2 erläutert, in der für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen
verwendet sind wie in der Fig. 1. In der Fig.
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2 hat die Anordnung einen nichtlinearen Überspannungsfühler 5, dessen
Widerstand swert sich von einem hohen auf einen niedrigen Wert ändert, wenn die
Anodenspannung des Hauptthyristors 1 einen vorbestimmten Pegel überschreitet. Dieses
nichtlineare Bauelement 5 kann ein rückwärts sperrender Dioden-Thyristor sein, der
dem nichtlinearen Bauelement 4 entspricht und deshalb eine Strom-Spannungs-Kennlinie
besitzt, wie diese in der Fig. 3 gezeigt ist. Ein Widerstand 7 liegt zwischen der
Kathode des Thyristors 5 und der Anode des Thyristors 4. Ein Kondensator 6 liegt
zwischen der Kathode des Hauptthyristors 1 und dem Verbindungspunkt zwischen dem
Widerstand 7 und dem Thyristor 4, so daß er eine Vorwärts-Überspannung aufnehmen
oder absorbieren kann, wenn diese Überspannung zu groß ist.
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Der Widerstand 7 begrenzt den Strom auf einen Pegel, der den Thyristor
5 nicht zerstört, wenn ein derartiger Thyristor 5 in Betrieb ist. Ein Widerstand
8 liegt parallel zum Kondensator 6, um den Betrieb des Thyristors 5 zu stabilisieren
und den Kondensator 6 von jeglicher nicht erforderlicher Ladung zu entladen. Ein
Dämpfungs-oder Spannungsteilerglied 2' hält im normalen Betriebszustand die Spannung
an der Kathode und der Anode des Hauptthyristors 1 auf einem vorbestimmten Wert.
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Die rückwärts sperrenden Dioden-Thyristoren 4 und 5 können durch
jedes andere geeignete Bauelement ersetzt werden. Beispielsweise wird ein Bauelement
mit Funktionen erhalten, die den Funktionen der Bauelemente 4 und 5 entsprechen,
wenn ein Schaltglied verwendet wird, wie dieses in der Fig. 4 gezeigt ist, wobei
eine Z-
Diode (Zener-Diode) 9 h zwischen dem Steueranschluß und
der Anode eines Thyristors 9 a mit drei Elektroden (Trioden-Thyristor) vorgesehen
ist. Weiterhin kann auch eine Entladungsstrecke hierfür verwendet werden.
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Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind
wie in der Fig. 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein nichtlinearer Überspannungsfühler
10, der ein rückwärts sperrender Trioden-Thyristor sein kann, in Vorwärtsrichtung
angeschlossen, um dessen negative Widerstandskennlinie im Kippbereich zu verwenden.
Ein Strombegrenzer 11 ist mit dem rückwärts sperrenden Trioden-Thyristor 10 verbunden.
Dieser Strombegrenzer 11 kann ein Bauelement sein, das unabhängig vom durchfließenden
Strom eine im wesentlichen konstante anliegende Spannung aufweist, wenn es einer
vorbestimmten Spannung ausgesetzt wird, und er kann beispielsweise ein "ZNR-Wellenschlucker"
(der Firma Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Osaka, Japan) sein. Dieses
Konstantspannungs-Bauelement 11 hat eine Strom-Spannungs-Kennlinie, wie diese in
der Fig. 6 gezeigt ist. In der Fig. 6 stellt die Strichlinie eine ideale Strom-Spannungs-Kennlinie
dar. Anstelle dieses Bauelements 11 kann eine Antiserienschaltung einer speziellen
Diode lla, wie beispielsweise einer Z-Diode oder einer Avalanche-Diode Avalanche-Diode
(Lawinendurchbruch-Diode) und einer gewöhnlichen Diode 11b verwendet werden, wie
dies in der Fig.
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7 gezeigt ist.
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Das Konstantspannungs-Bauelement il und der rückwärts sperrende Trioden-Thyristor
10 bilden einen Vorwärts-Überspannungsfühler für
den Hauptthyristor
1, wie die Kombination aus dem Trioden-Thyristor 5 und dem Widerstand 7 in Fig.
2. Das Konstantspannungs-Bauelement 11 hat tatsächlich in einem bestimmten Maß einen
Serienwiderstandswert selbst in einem Bereich, der höher als dessen kritische Spannung
V 1 ist, wie dies durch eine Vollinie in der Fig. 6 gezeigt ist, und so steigt die
Spannung am Konstantspannungs-Bauelement 11 weiter an.
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Da jedoch der Thyristor 10, der eine negative Widerstandskennlinie
besitzt, unter dem Einfluß der ansteigenden Spannung am Konstantspannungs-Bauelement
11 gezündet wird, wird die Klemmenspannung des Thyristors 10 nach der Zündung im
Vergleich zur Spannung vor der Zündung beträchtlich verringert. Daher wird die Anodenspannung
des Hauptthyristors 1 entsprechend verringert. Als Ergebnis wird der das Steuer
signal speisende Thyristor 4 durch die im K ondensator 6 gespeicherte Energie vor
dem Auftreten einer Spannung gezündet, die zur Zerstörung des Hauptthyristors 1
neigt, und das Steuersignal (Einschaltsignal) wird zum Steueranschluß des Hauptthyristors
1 gespeist, um den Hauptthyristor 1 einzuschalten.
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Der Thyristor 10 und das Konstantspannungs-Bauelement 11 in Fig.
5 haben jeweils Spannungen, die dem Leckstrom im Spannungsbereich unter dessen kritischer
Spannung entsprechen. Wenn der Leckstrom im Thyristor 10 größer als im Konstantspannungs-Bauelement
11 ist, kann ein Kippen im Thyristor 10 auftreten, bevor die kritische Spannung
des Konstantspannungs-Bauelements 11 erreicht ist, und die Serienschaltung aus dem
Thyristor 10 und dem Konstantspannungs-Bauelement 11 würde nicht die erwartete Wirkung
der negativen Widerstandskennlinie aufweisen, wie dies oben erläutert wurde. Um
eine derartige Lage zu vermeiden, soll eine Impedanz 12 (oder allgemein ein Widerstand)
vorsorglich parallel zum Thyristor 10 vorgesehen sein
(Fig. 8),
um den Leckstrom des Konstantspannungs-Bauelements 11 nebenzuschließen.
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Das in der Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel hat zusätzliche besondere
Vorteile, auf die weiter unten näher eingegangen wird.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Widerstand 7 mit dem Überspannungs-Fühler-Thyristor
5 verbunden, um den Strom (d. h.
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als Strombegrenzer) zu begrenzen, wenn ein Kippen im Thyristor 5 auftritt.
Die angestrebte Strombegrenzung kann nicht voll auftreten, wenn der Widerstands
wert dieses Widerstandes 3 zu ni edrig ist.
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Wenn andererseits der Widerstandswert dieses Widerstandes 7 zu groß
ist, erzeugt der durch diesen Widerstand 7 fließende Strom einen zu großen Spannungsabfall
an di esem Widerstand 7, und die am Hauptthyristor 1 liegende Spannung kann ansteigen,
was zur Bildung einer Überspannung führen kann. Daher kann es mühsam sein, einen
geeigneten Widerstand swert für den Widerstand 7 auszuwählen.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5, bei dem der Strombegrenzer die
Form eines Konstantspannungs-Bauelements 11 hat, liegt keine Überspannung am Hauptthyristor
1, und der durch den Thyristor 10 fließende Strom ist ebenfalls begrenzt, was auf
den Wirkungen der konstanten Spannung und der negativen Widerstands kennlinie beruht
wie dies weiter oben näher erläutert wurde.
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Bei der oben beschriebenen Schaltung wird das Konstantspannungs-Bauelement
11 abhängig von der Einspeisung einer Vorwärts-Überspannung in die Anode des Hauptthyristors
1 zuerst betätigt, und anschließend wird der Thyristor 10 betätigt, so daß die Energie
der Überspannung durch den Kondensator 6 aufgenommen oder absorbiert
werden
kann. Wenn die Energie der Überspannung zu groß wird, um aufgenommen oder absorbiert
zu werden, und wenn die Kondensatorspannung ausreichend hoch ist, wird der das Steuersignal
einspeisende Thyristor 4 betätigt, um den Hauptthyristor 1 durch Einspeisung des
Steuersignals oder des Einschaltsignals in den Steueranschluß des Hauptthyristors
1 zu zünden, so daß eine Zerstörung aufgrund der Vorwärts-Überspannung vollständig
verhindert werden kann. Es ist offensichtlich, daß ein Dioden-Thyristor anstelle
des Trioden-Thyristors (Fig. 5) verwendet werden kann.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung die folgenden
Vorteile aufweist: (1) Zunächst wird eine Vorwärts-Überspannung erfaßt und auf einen
kleineren Wert als einen vorbestimmten Pegel begrenzt. Ein Anwachsen der Anodenspannung
des Hauptthyristors tritt während des Betriebs nicht auf, da die nichtlinearen Bauelemente
ohne jede wesentliche Verzögerung arbeiten können.
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(2) Wenn die Energie der Überspannung groß ist, nimmt die Kondensatorspannung
zu, und diese Spannung wird zur Einspeisung eines Steuersignals in den Steueranschluß
des Hauptthyristors verwendet.
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Daher ist der Steuer strom groß genug, um zuverlässig den Hauptthyristor
einzuschalten, selbst wenn dieser eine hohe D urchbruchsspannung und eine große
Strom kapazität aufweist, und eine unerwünschte Beschädigung oder Zerstörung des
Hauptthyristors kann verhindert werden.
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Die Fig. 9 ist ein Schaltbild, das Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels
der
Erfindung zeigt. Die einzelnen Bauelemente haben die folgenden Daten: Hauptthyristor
1: CA02 (der Fa. Hitachi Ltd., Japan) Dämpfungsglied 2': 1,5µF, 30 i, Ansteuerdiode
4 a: TA01 (der Fa. Hitachi Ltd., Japan) Thyristor 4 b: CTO1 (der Fa. Hitachi Ltd.,
Japan) Diode 4c: V03C (der Fa. Hitachi Ltd., Japan) Widerstand 4d: 100 n, Widerstand
4e: 200 # X, Widerstand 4f: Diode 4g: V03C (der Fa. Hitachi Ltd., Japan) Kondensator
6: 2 /uF Widerstand 8: 500.0, Diode 13: V03C (der Fa. Hitachi Ltd., Japan) Einheit
11 (5 in Serie geschaltete ZNR-Wellenschlucker); ERZ-A14D J441 (der Fa. Matsushita
Elect ric Industrial Co. Ltd., Japan) Thyristor 10: CQOlG (der Fa. Hitachi Ltd.,
Japan) Widerstand 12: 100 k#.