DE2515391C3 - Anordnung von auf gegenseitigem Abstand Hegenden Halbleiter-Gleichrichtern - Google Patents

Description

den parallelen Stromzweigen zu schaffen, ohne daß die Bemessung der Halbleiter-Gleichrichter im einzelnen beeinflußt wird. Es soll jeder einzelne Stromweg den gleichen Induktionswert besitzen. Darüber hinaus soll die Randlage der Stromzweige an den Enden der Parallel-Anordnung ausgeglichen werden. Diese Anordnung ergibt als Vorteile, daß alle Ströme in einer haarnadelförmigen Anordnung in sich zurücklaufen und äußere Felder ausgeglichen werden. Weiterhin schafft die besondere Schienenanordnung einen Weg konstanter Länge durch die Gesamt-Anordnung für jeden gegebenen Stromzweig, wodurch der Spannungsabfall am Widerstand für jeden Parallelzweig unter Einschluß der zugehörigen Schienenführung ausgeglichen wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Es werden außerdem alle gegenseitigen Induktivitäten für jeden Stromweg ausgeglichen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

in einer besondere vorteilhaften Ausgestaltung wird durch die Ausbildung einer Endwindung auf der wechselspannungsseitigen Verteilerschiene ein magnetisches Feld nachgebildet, das von unendlich vielen parallelen Stromzweigen jenseits des am Ende gelegenen Stromzweiges erzeugt wird. Dadurch werden Randwerteinflüsse auf die äußeren Stromzweige ausgeglichen.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Boschreibung der Zeichnungen. Es zeigt

Fig. I eine zusammengefaßte Darstellung einer Anordnung mehrerer paralleler Halbleiter-Gleichrichter. Der obere Teil der Figur zeigt die Stromverteilung über die verschiedenen parallelgeschaltcten Halbleiter-Gleichrichter,

F i g. 2 eine Strom/Spannungskurve, die Strom- und Spannungsverlauf über die Halbleiter-Gleichrichter und insbesondere die Kommutierung darstellt.

Fig.3 eine schematische Darstellung der Schicncnführung, die gleichen Induktionswert für jeden Stromzweig liefert.

F i g. 4 eine schematische Darstellung der .Schienenführung für die Endwicklung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform.

Fig.6 eilte Seitenansicht der Endwicklung gemäß Pfeil 6 in F ig. 5 und

F i g. 7 eine Ansicht der Endwicklung gemäß Pfeil 7 in F i g. 6.

In F i g. I ist schematisch eine Leiteranordnung 10 mit mehreren Halbleiter-Gleichrichtern 12, 14, 16, 20, 22 in Form von Thyristoren dargestellt, die zwischen einer Sammelschiene 24 als Zuleitung und einer Sammelschiene 26 angeordnet sind. Die Sammclschicnen 24 und 26 sind an die Klemmen einer Wechselspannungsquelle 28 über eine Zuleitung 30, die mit der Sammelschiene 24 verbunden ist, und eine Zuleitung 32, die mit der Last und der Sammelschiene 26 verbunden isi, angeschlossen.

Der obere Teil von F i g. I zeigt die Stromverteilung auf die Halbleiter-Gleichrichter 12 bis 22, wobei die linke Seite des Diagramms 40 dem Halbleiter-Gleichrichter 12 und die rechte Seite dem Halbleiter-Gleichrichter 22 zugeordnet ist. Wenn die Stromverteilung auf die Sammclschiencn gleichmäßig wäre, hätte die Stromverteilungskurve den Verlauf der gestrichelten Linie 42. Der StromfluG in den äußeren Halbleiter-Gleichrichtern 12 und 22 würde größer sein als der Stromfluß in den nicht dargestellten mittleren Halbleiter-Gleichrichtern, Da jedoch die Wechselspannungsqueile mit der Sammelschiene 24 über die Schienenverbindung 44 und mit der Sammelschiene 26 über die Schienenverbindung 46 verbunden ist, hat die Stromverteilung den mit der Kurve 50 dargestellten Verlauf. Die Kurve 50 zeigt, daß die Stromzuführung an den linken Halbleiter-Gleichrichtern 12, 14 kleiner ist als an die rechts gelegenen Halbleiter-Gleichrichter 20 und 22, da der induktive Widerstand des linken Weges größer ist als der des rechten Weges.

Wie erläutert, beruht die niedrige Stromverteilung im Mittelteil der Anordnung der Halbleiter-Gleichrichter darauf, daß die Induktivität eines Teiles der Anordnung gegenüber einem anderen von ihrer gegenseitigen Lage abhängt. Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist die gegenseitige Induktion in der Mitte der Anordnung größer als außen, da die in der Mitte der Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung gelegenen Thyristoren von 2 Seiten beeinflußt werden, während ^r* außen gelegenen nur von den in der Mitte liegeudpn beeinflußt werden. Wie aus der Beschreibung der Fig. 3—7 zu ersehen ist, kann die ungleiche Stromverteilung durch die Art und Weise, in der die Sammelschienen miteinander verbunden sind, und durch die Ausführung der an der Spannungsquelle liegenden Sammelschiene beeinflußt werden.

Fi g. 2 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf eines Sechsphasengleichrichters. Der Strornvsrlauf besteht aus dem Stromanstieg in der Zeit 0 bis a, dem konstanten Strom im Zeitverlauf b und dem Stromabfall am Ende der Durchlaßzeit bei c. Der Spannungsverlauf besteht aus dem Spannungsabfall über der Durchlaßstrecke und dem induktiven Spannungsabfall infolge der Kommutierung. Der Spannungsabfall V> über der Durchlaßstrecke liegt normalerweise bei 1,5VoIt, während der induktive Spannungsabfall während der Kommutierung das Mehrfache dieses Wer'es beträgt. Da an allen parallelen Zweigen die gleiche Spannung anliegt, bestimmt die gegenseitige Induktion die Ges·. hwindigkeit des Stromanstiegs in jedem einzelnen Zweig. Hat sich der Stromwerl während der Kommutierung einmal eingestellt, ändert sich der Strom während des Intervalles b nur wenig, daß die Unterschiede in den Spannungsabfällen VV über der Durchlaßstrecke sehr klein sind.

In Fig. 3 ist die Schienenanordniing dargestellt, mit der ein Ausgleich der Änderung des induktiven Widerstandes infolge der gegenseitigen Induktion erreicht wird. Gemäß F i g. 3 wird der Wechselstrom einer Horizontalschiene 56 und einer Gesamtstrom führenden Stromschiene 58 zugeführt. Die Schiene 58 ist mit einer vertikalen wechselspannungsseitigen Verteilerschiene 60 über eine Verbindungsschiene 62 verbunden, wobei die Schienen 58 und 60 im wesentlichen parallel angeordnet sind. Die wechselspannungsseitige Verteilerschiene 60 ist mit den Halbleiter-Gleichrichtern verbunden, die durch die Stromzweige 64, 6C, 68, 70, 72 und 74 dargestellt sind. Die Ausgangsseite jedes Stromzweiges 64 bis 74 ist mit einer vertikalen gleichstromseitigen Sammelschiene 76 verbunden, die wiederum mit einer 'lorizontalen Gleichstrom-Ausgangsschiene 78 verbunden ist.

In der schematischen Darstellung ist zu beachten, daß die Schienen 58, 60 and 75 achsparailel zueinander liegen und die Stromschiene 58 im gleichen Abstand von den Schienen 60 und 76 angeordnet ist, zwischen denen die Stromzweige 64 und 74 der parallelen Halbleiter-

Gleichrichter als Basis dieses Dreiecks sich befinden. Die Schienen 58, 60 und 76 bilden daher in der Ansicht ein gleichschenkliges Dreieck, wenn die Schienen entsprechend F i g. 3 als Punkte dargestellt sind.

Unter der Voraussetzung, daß die Selbstinduktion eines der Stromzweige 64 bis 74 direkt proportional der von den Stromwegen gebildeten Fläche ist, fließt im Stromzweig 66 der Strom von der Horizontalschiene 56 durch die Stromschiene 58, die Verbindungsschiene 62. die Verteilerschiene 60 zum Slromzweig 66. Der Strom fließt dann abwärts durch die Sammelschiene 76 zur Gleichstrom-Ausgangsschiene 78. Betrachtet man diesen Stromweg als eine zusammenhängende Leitung, so zeigt sich, daß diese Leitung eine Fläche bildet, wobei der Magnetfluß, der durch den in dieser Leitung fließenden Strom erzeugt wird, sich durch einen senkrecht zu der Fläche stehenden Pfeil darstellen läßt. Zur weiteren Verdeutlichung der von diesem Stromweg gebildeten Fläche betrachtet man die von dem Stromweg gebildete zusammengesetzte Kurve als Oberfläche eines Seifenfilmes, wenn die zusammenhängende Leitung beispielsweise in eine Seifenlösung taucht. Betrachtet man nun einen zweiten Stromweg, der von einem anderen Stromzweig. beispielsweise von dem Stromzweig 68 gebildet wird, so würde dieser Stromweg durch den zuerst genannten analogen jedoch nun mit dem Stromzweig 68 gebildet. Würde diese zusammenhängende Leitung in eine Seifenlösung getaucht, so würde der gebildete Film eine Oberfläche ausbilden, die eine der oben beschriebenen Fläche identische aufwies mit der Ausnahme, daß der Libergang von der Verteilerschiene 60 zur Sammelschiene 76 um den vertikalen Abstand zwischen den Stromzweigen 66 und 68 getrennt läge. Es ist somit die Induktion des so gebildeten Stromweges durch eine zugehörige Fläche gekennzeichnet, und die Induktion pro Stromweg ist konstant. Die gegenseitige Induktion wäre jedoch für jeden Stromweg auf Grund der beschriebenen Randwerteinflüsse unterschiedlich. (Für Einzelheiten wird verwiesen auf »Electricity und Magnetism« von Oleg D. Jcfimenko. 1966. Appleton-

Seiten 320 bis 373).

Eine Lösung zur Beeinflussung der gegenseitigen Induktion ist in Fig.4 dargestellt. Dort ist eine Endwindung 80 an der wechselspannungsseitigen Verteilerschiene 56 dargestellt. Mit ihr wird ein Magnetfluß erzeugt, wie er von einer unendlichen Zahl von Stromzweigen oberhalb der oberen Hälfte der Stromzweige gebildet würde. Die wechselspannungsseitige Verteilerschiene ist mit der vertikalen den Gesamtstrom führenden Stromschiene 58 verbunden. Die Verteilerschiene 60 ist wiederum mit einer Vielzahl von Stromzweigen 64 bis 74 verbunden, die an die gleichstromseitige Sammelschiene 76 mit der Gleichstrom-Ausgangsschiene 78 führen. Die Darstellung gemäß F i g. 4 umfaßt auch eine symmetrisch angeordnete untere Schaltungshälfte, die die Anordnung einer unteren Endwindung zuläßt Der untere Teil 84 der Schaltung soll dabei wie der beschriebene obere ausgebildet sein.

Die Gesamtstrom führende Stromschiene 58 ist mit der Endwindung 80 verbunden, die zwischen der Stromschiene 58 und der Verteilerschiene 60 angeordnet ist und die direkte Verbindung zwischen den beiden Schienen ersetzt. Die Endwindung 80 umfaßt horizontal einen kurzen Schenkel 88. einen zweiten im Winkel von 90° dazu angeordneten 90°-Schenkel 90 und einen Hauptmagnetfluß-Schenkel 92, die parallel und nahe dem oberen Stromzweig 64 angeordnet sind. Es ist zu beachten, daß die gesamte Halbwelle des Wechselstromes durch den Hauptmagnctfluß-Schenkel 92 fließt. Die Schenkel 96 und 88 liegen so, daß der Strom in entgegengesetzter Richtung fließt. Schenkel 96 und 88 sind jedoch in einem größeren Abstand vom I lauptmagnetfluß-Schenkel angeordnet. Die Verbindungen zur Verteilerschiene 60 werden von einem Vertikalschenkel

to 94 und einem Verbindungselement 98 hergestellt. Die letzteren Schenkel sind unwesentlich, da sie senkrecht zur Richtung der Stromzweige 64 bis 74 stehen.

Die Fig. 5. 6 und 7 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

π Insbesondere weist die Horizonlalschiene 56 am Wechselspannungscingang eine Verbindungsschiene 100 auf, die mit Löchern 102 versehen ist. um sie an die Wechselspannungsquelle anschließen zu können. Die Verbindungsschiene 100 ist sodann mit einer Vertikalschiene 104 verbunden. Sie liegt zwischen Verbindungsschiene 100 und Stromschiene 58. Der Rest der Schiene 58 ist vertikal angeordnet und ist, beispielsweise durch Schweißen, an einer äußeren Fläche mit dem kurzen Schenkel 88 eines G-förmigen Metallstückcs verbunden (Fig. 7). Der dazu im Winkel von 90" stehende Schenkel 90 verbindet den Schenkel 88 mit dem den llauptmagnetfluß erzeugenden Schenkel 92. Wie am besten aus F i g. 5 ersichtlich, ist der Hauptmagncifluß-Schenkel 92 dem Stromzweig 64 benachbart, wobei der Strom in der in Fig. 7 mit einem Pfeil bezeichneten Richtung läuft. Der Strom fließt daher in derselben Richtung wie der Strom im Stromzweig 64. Der Hatiptmagnclfluß-Schcnkcl 92 ist sodann um 90" gebogen und wird mit einem L-förmigcn Schienenelement verbunden. Der Hauptmagnetfluß-Schenkel wird mit dem Stromzweig 74 verschweißt.

Der lange Schenkel 96 ist mit der Verteilerschiene 60 durch ein metallisches Verbindungselement 98 verbunden, wobei der lange Schenkel 96. das Verbindungselement 98 und die Verteilerschiene miteinander verschweißt sind, um eine elektrische Verbindung niedrigen

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Wie aus F i g. 5 ersichtlich, versorgt die Verteilerschiene 60 die Stromzweige 64 bis 74. leder Stromzweig

Λ5 64 bis 74 enthält eine Sirombegrenzungsanordnung 114 bis 124. die eine zylindrische Sicherung und eine Verzögerungsdrossel enthält.

Die Ausgänge der Drosseln sind durch die Sicherungen mit Thyristoren 134 bis 144 durch parallele flexible Leiter verbunden. Hierbei ist zu beachten, daß der Stromfluß von der Verteilerschiene 60 durch die Verzögerungsdrosseln zu der Sammelschiene 76 durch die Thyristoren 134 bis 144 verlaufL Die Verzögerungsdrosseln werden benutzt, um kurzzeitig eine Spannung zu speichern, damit die parallel angeschlossenen Thyristoren gleichzeitig zünden können. Bei vorzeitiger Zündung eines einzelnen Thyristors würde die an den übrigen anliegende Spannung nicht ausreichen, um sie zu zünden.

Die Thyristoren 134 bis 144 sind beispielsweise mit den dargestellten U-Bolzenklammern oder mit anderen Zapfenverbindungen mit der Sammelschiene 76 verbunden. Die Sammelschiene 76 ist wiederum mit der Gleichstrom-Ausgangsschiene 78 verbunden.

Es ist zu beachten, daß die Verteilerschiene 60 und die Sammelschiene 76 parallel zueinander stehen und daß sie parallel zu der ebenen Fläche der Stromschiene 58 verlaufen. Dadurch wird in der geometrischen Mitte der

drei Schienen das gewünschte gleichschenkhge Dreieck gebildet. Außerdem ist zu beachten, daß die von der Stromschiene 58, dem 90°-Schenkel 90, dem Hauptmagnetfluß-Schenkel 92 und der Ausgangsschiene 78 umschlossene Fläche sehr klein ist, um die Selbstinduktion, die von den verschiedenen Schienen erzeugt wird, minirral zu halten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche;

1. Anordnung von auf gegenseitigen! Abstand liegenden Halbleiter-Gleichrichtern zwischen einer wechselspannungsseitigen Verteilerschiene, einer gleichstromseitigen Sammelschiene und einer dritten, den anderen Schienenachsen parallelen den Gesamtstrom der Anordnung führenden Stromschiene, dadurch gekennzeichnet, daß die wechselspannungsseitige Verteilerschiene (60) die gleichstromseitige Sammelschiene (76) und die den Gesamtstrom führende Stromschiene (58) ein gleichschenkliges Dreieck bilden, dessen Basis durch die Stromzweige (64 bis 74) der parallelen Halbleiter-Gleichrichter gebildet wird

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichschenklige Dreieck eine Minimalfläche umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschiene (58) an die Wechseispannungsquelle angeschiossen ist und die wechselspannungsseitige Verteilerschiene (60) und die Stromschiene (58) an den Enden miteinander verbunden sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Stromzweig (64 bis 74) eine Drossel zugeordnet ist, die an der wechselspannungsseitigen Verteilerschiene (60) angebracht ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der gleichstromseitigen Sammelschiene (76) eine Ausgangsschiene (78) verbunden ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe mindestens eines Endes einer Reihe von Stromzweigen (64, 74) eine Endwindung (80) angeordnet ist, die ein Feld erzeugt, das die magnetischen Felder einer unendlichen Reihe paralleler Stromzweige jenseits des am Ende gelegenen Stromzweiges (64)simuliert.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (88, 90, 92, 96) und da? Verbindungselement (98) der Endwindung (80) zwischen der Stromschiene (58) und der Verteilerschiene (60) angeschlossen sind, wobei der Hauptmagnetfluß-Schenkel (92) zum am Ende der Reihe paralleler Stromzweige gelegenen Stromzweig (64) verläuft.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Endwindung (80) die Form einer aus 5 Abschnitten bestehenden Schraubenwindung hat, wobei — von der Stromschiene (58) aus gesehen — der kurze Schenkel (88), der Hauptmagnetfluß-Schenkel (92) und der lange Schenkel (96) parallel zueinander liegen.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der lange Schenkel (96) auf Abstand zum Hauptmagnetfluß-Schenkel (92) achsparallcl mit den Schienen (58,60,76) liegt.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Hauptmagnetfluß-Schenkel (92) und dem langen Schenkel (96) groß ist gegenüber dem zwischen dem langen Schenkel (96) und dem Verbindungselement (98).

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von auf gegenseitigem Abstand liegenden Halbleiter-Gleichrichtern zwischen einer wechselspannungsseitigen Verteilerschiene, einer gleichstromseitigen Sammelschiene und einer dritten, den anderen Schienenachsen parallelen den Gesamtstrom der Anordnung führenden Stromschiene,

In Gleichrichteranordnungen für hohe Stromstärken, insbesondere Gleichrichtern für elektrochemische Prozesse wie beispielsweise die Chlorproduktion, ist es notwendig, viele einzelne Gleichrichter parallelzuschalten.

Der auf die parallelen Gleichrichter aufgeteilte Strom kann in den einzelnen Stromzweigen unterschiedlich

is icin. Der Spannungsabfall längs jedes Stromzweiges setzt sich aus dem Spannungsabfall am ohmschen Widerstand der Stromschienen und dem Spannungsabfall am Gleichrichter zusammen. Die Impedanz dieser Anordnung enthält auch eine induktive Komponente,

μ die sich aus der Selbstinduktion der parallelen Stromzweige und aus der gegenseitigen Induktion der Stromzweige auf Grund des Stromes in den Nachbarzweigen ergibt. Der induktive Widerstand eines Stromzweiges kann dabei wesentlich höher sein als sein ohmscher Widerstand. Eine Anordnung von auf gegenseitigem Abstand liegenden HaJbleiter-Gleichrichtern der eingangs genannten Art ist bekannt aus der DE-AS 15 63 270. Bei einer Anordnung dieser Art hat sich gezeigt, daß die Stromverteilung in zueinander parallelen Stromzweigen ungleich ist, wobei die mittleren Stromzweige in der Reihe der parallelen Zweige viel weniger Strom führen als die äußersten Stromzweige. Es hat sich weiter gezeigt, daß die Stromverteilung in den äußeren Stromzwcigen wegen der Stromzuführungen voneinander abweichen kann. Der niedrigere Stromwert in den mittleren Stromzweigen beruht auf der gegenseitigen Beeinflussung der Stromzweige zueinander, und die Abweichung des Stromwertes in den äußeren ZwcigvF beruht auch auf der Art der Stromzu- und -ableitung.

Es hat sich auch gezeigt, daß die Stromverteilung in einer Anordnung paralleler Stromzweige stark von der induktiven Beeinflussung der Stromzweige zu beiden Seiten der Mittel-Anordnung beeinflußt wird, wodurch sich der Strom in den äußeren Teilen der Schallung konzentriert. Weiterhin wurde gefunden, daß der Zweig, der der Eingangsscite am nächsten liegt, eine größere Selbstinduktion aufweist. Dadurch ist die Stromführung dort geringer als an der Ausgangsseitc der Anordnung.

so Aus der DE-OS 17 39 908 ist bekannt, die Stromzu- und -abführungcn einer Anordnung paralleler Halbleiterventile an mehreren Punkten einer Sammelschiene für die Halblciterventilc anzuschließen. Die dadurch höhere Selbstinduktion kompensiert die niedrigere gegenseitige Induktion an den Enden der Parallelanordnung und kompensiert so eine ungleichmäßige Stromverteilung. Der Nachteil dieser Lösung liegt im Umfang des Entwurfs und der Ausführung einer solchen Anordnung.

so Nach einer Anordnung entsprechend DE-AS 10 86 349 ist bekannt eine Anzahl paralleler Halblcitcrventile in einer Art Käfig anzuordnen. Diese Anordnung hebt zwar die gegenseitige induktive Beeinflussung auf, ist jedoch sehr voluminös und schwierig mit Wasser zu kühlen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art auf mechanisch einfache Weise eine gleichmäßige Stromaufteilung in