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Hochspannungsgleichrichter
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Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgleichrichter, insbesondere
für Elektrofilter, mit in Reihe geschalteten Halbleiterventilen und parallel dazu
geschalteten Widerständen, die Jeweils ein oder mehrere Halbleiterventile überbrücken.
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Zum Betrieb von Elektrofiltern benötigt mnn eine Gleichstrom-Hochspannung
von 20 bis 300 kV. Der hochgespannte Gleichstrom wird in einer Gleichrichterschaltung
erzeugt, die einem Transformator nachgeschaltet ist. Die Gleichrichterschaltung
ist in der Regel zusammen mit weiteren Teilen der elektrischen Anlage des Elektrofilters
in einem Oelbad untergebracht. Bekannte Gleichrichterschaltungen bestehen aus in
Reihe geschalteten Halbleiterventilen, zum Beispiel Siliziumdioden, denen herkömmliche
ohmsche Widerstände parallel geschaltet sind, um die unterschiedliche Belastung,
die sich durch die Reihenschaltung der Dioden ergibt, auszugleichen.
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Während des Betriebes von Elektrofiltern treten auch in den Gleichrichterschaltungen
häufig Überspannungen auf, die zur Beschädigung oder Zerstörung der Gleichrichter
führen
können. Zwar besitzen die Dioden und damit auch die Gleichrichter eine gewisse Uberspannungsfestigkeit,
diese ist jedoch begrenzt und Uberspannungen, die ein Mehrfaches der Nennspannung
betragen, nicht gewachsen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochspannungsgleichrichter der
eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, der sich besonders durch Uberspannungsfestigkeit
auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Halbleiterventile aus Dioden
mit kontrolliertem Durchbruchsverhalten (crontrolled avalanche diodes) und die Widerstände
aus Varistoren (VDR-Widerständen) bestehen.
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Dioden mit kontrolliertem Durchbruchsverhalten sind grundsätzlich
als Bauelemente der Hochfrequenztechnik bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus,
daß sie eine gewisse Durchlässigkeit in Sperrichtung besitzen und deshalb in der
Anlage sind, Uberspannungen abzuleiten, ohne daß eine Zerstörung der Diode eintritt.
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Varistoren sind spannungsabhängige Widerstände mit einer über einen
bestimmten Bereich linearen Kennlinie, die darüber in einen nicht linearen Abschnitt
übergeht, so daß der Varistor bei höheren Spannungen verhältnismäßig mehr Strom
durchläßt als bei Spannungen im Bereich des linearen Abschnitts seiner Kennlinie.
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Werden diese Bauelemente in der beschriebenen Weise zu einem Hochspannungsgleichrichter
zusammengeschaltet, dann lassen sich die Verhältnisse stets so einrichten, daß im
Normalfall die Varistoren im linearen Bereich ihrer Kennlinie und die Dioden mit
kontrolliertem
Durchlaufsverhalten unterhalb ihrer Nennspannung
arbeiten. Beim Auftreten von mässigen Uberspannungen werden dann zunächst die Varistoren
wirksam, weil sie nunmehr im nicht linearen Bereich ihrer Kennlinie arbeiten und
die Uberspannung wenigstens teilweise abbauen, während die Dioden mit kontrolliertem
Durchlaßverhalten noch sperren. Bei energiereicheren und hohen Uberspannungen sind
die Varistoren nach wie vor wirksam und gleichzeitig lassen auch die Dioden mit
kontrolliertem Durchlaßverhalten Strom in Sperrichtung durch.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß Jeder Varistor ueber zwei Dioden geschaltet ist, daß die Anzahl der Dioden so
gewählt ist, daß die Summe ihrer Nennspannungen etwa dem Zweifachen des Scheitelwertes
der gleichzurichtenden Hochspannung entspricht und daß die Summe der Grenzwerte
der linearen Bereiche der Varistoren im wesentlichen dem Scheitelwert entspricht.
Dabei werden die Dioden so belastet, daß sie nur die Hälfte ihrer möglichen Sperrspannung
zu tragen haben. Es ist folglich eine große Reserve gegen Uberspannungen vorhanden.
Diese Reserve wird hinsichtlich hochfrequenter Überspannungen (Wanderwellen) noch
höher, da die kontrollierte Sperrspannung noch 5C# über der Nennsperrspannung liegt,
so daß erst bei der dreifachen Nennspannung ein rückseitiger Strom erzwungen wird.
Bevor dieser Zustand eintritt haben aber schon die VDR-Widerstande einen wesentlichen
Teil der anlaufenden Wanderwellenenergie abgeleitet. Grundsätzlich ist die Beschaltung
mit den VDR-Widerständen so ausgelegt, daß im Spannungsbereich so viel Strom über
sie fließt, daß alle Dioden gleichmäßig belastet sind, d.h. daß die Spannung an
den
Widerständen linear abfällt und sich dementsprechend linear
auf die einzelnen Dioden aufteilt.
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Zweckmäßig weist der Halbleitergleichrichter eine Platine auf, auf
der Dioden und Varistoren angeordnet sind, deren einander zugeordnete Anschlüsse
auf der Rückseite der Platine durch großflächige und abgerundete (bombierte) Lötpunkte
verbunden sind. Dabei ist darauf zu achten, daß keine Lötspitzen oder -fäden entstehen,
die bei hohen Spannungen zum Glimmen und zur Zerstörung der Isolation führen können.
Werden die Lötpunkte, wie angegeben, großflächig und ggf. dick ausgeführt, dann
tragen sie in erheblichem Maße dazu bei, die Verlustwärme aus den Dioden und den
Widerständen schnellstmöglich an das Oel abzugeben. Dadurch ergibt sich eine sehr
gute Festigkeit gegen Stoß- und Dauerkurzschlußbeanspruchungen.
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Der erfindungsgemäße Hochspannungsgleichrichter weist nicht nur zufriedenstellende
Festigkeit gegen Stoß-und Dauerkurzschlußbeanspruchungen sondern darüberhinaus eine
beachtliche Überspannungsfestigkeit sowie zufriedenstellende Teilentladungsfreiheit
bei gleichzeitig linearerSpannungsaufteilung der Dioden auf.
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Im Folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert, es zeigt die einzige Figur eine Schaltung eines Hochspannungsgleichrichters.
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Der dargestellte Hochspannungsgleichrichter dient zum Gleichrichten
einer 14 kV - Wechselspannung in eine 20 kV - Gleichspannung zum Betrieb eines Elektrofilters.
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Der Hochspannungsgleichrichter besteht zunächst aus in Reihe geschalteten
Siliziumdioden 1,2,3,4..59,40 mit kontrolliertem Durchbruchsverhalten (controlled
avalanche diodes), denen Varistoren 41,42...60 (VDR-Widerstände) parallel geschaltet
sind, wobei jeweils ein Widerstand zwei Dioden überbrückt. Anschlußpunkte 61,62
vervollständigen die Schaltung.
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Die Varistoren 41 bis 60 besitzen eine bis ca. 1000 V reichende lineare
Kennlinie, an die ein nicht linearer Abschnitt anschließt. Die Dioden 1 bis 40 besitzen
Nennspannungen von 1000 V, werden jedoch bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
nur mit Spannungen von 500 V betrieben.
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Die Varistoren 41 bis 60 arbeiten während normalen Betriebes in ihrem
linearen Bereich und dienen im wesentlichen dazu, die Belastung der einzelnen Dioden
1 bis 40 zu vergleichmässigen. Bei mässigen Uberspannungen arbeiten die Varistoren
41 bis 60 im nicht linearen Bereich und bauen diese Uberspannungen ab, bevor die
Sperrwirkung der Dioden einsetzt.
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Tatsächlich setzt die Sperrwirkung der Dioden beim Ausführungsbeispiel
erst bei ca. 1500 V/Diode ein, so daß erst bei einer darüber reichenden Belastung
der Dioden ein rückwärtigs Strom erzwungen wird, der jedoch wegen des kontrollierten
Durchbruchsverhaltens der Dioden nicht zur Zerstrtoing dieser Dioden führt.
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In der Zeichnung nicht dargestellt ist, daß Dioden und Varistoren
auf einer Platine angeordnet sind und ihre einander zugeordneten Anschlüsse auf
der Rückseite der Platine durch großflächige, dicke und abgerundete (bombierte)
Lötpunkte verbunden sind, deren große Wärmekapazität
für eine schnelle
Wärmeaufnahme und deren große Oberfläche für eine schnelle Wärmeabgabe der Verlustwärme
an das Oelbad, in dem sich die Platine befindet, sorgt.
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L e e r s e i t e