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Anordnung zur dynamischen Sperrspannungs- und Strom-
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aufteilung voh in Reihe- und parallelgeschalteten Thyristoren Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur dynamischen Sperrspannungs- und Stromaufteilung
von in Reihe- und parallelgeschalteten Thyristoren mittels sättigbarer Eisendrosselspulen.
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Die Reihen- und Parallelschaltung von Thyristoren bedingt hinsichtlich
der dynamischen Sperrspannungs- und Stromaufteilung erhöhte Anforderungen an die
Beschaltung der Thyristoren.
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Bei der Reihenschaltung von Thyristoren muß sichergestellt werden,
daß sich die Gesamtspannung möglichst gleichmäßig auf die in Reihe geschalteten
Thyristoren verteilt. Ohne Beschaltung ist dies absolut nicht gewährleistet, weil
Thyristoren gleichen Typs unterschiedliche Rückströme haben können, wobei sich eine
gleichen Rückströmen entsprechende ungleichmäßige Spannungsverteilung ergeben würde,
und weil außerdem beim Ein- und Ausschalten infolge von ungleichmäßiger
Zündverzugszeit
und ungleichmäßiger Trägerstauladung die Schaltzeitpunkte in Reihe liegender Thyristoren
im Milcrosekundenbereich unterschiedlich sein können In diesem Fall bricht beim
Einschalten die Spannung an dem Thyristor mit der kleinsten Zündverzugszeit zuerst
zusammen, wodurch sich bei den übrigen Thyristoren eine kurzzeitige Spannungserhöhung
ergibt. Beim Ausschalten übernimmt der Thyristor mit der kleinsten Sperrverzugsladung
kurzzeitig die volle Kommutierungsspannung.
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Diese Effekte mussen durch eine entsprechende Beschaltung gemildert
werden.
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Während hochohmige Parallelwiderstände die statische Spannungsaufteilung
bestimmen übernehmen RC-Beschaltungsglieder die dynamische Spannungsaufteilung Da
man beim Zünden von reihengeschalteten Thyristoren im ungünstigsten Fall damit rechnen
muß, daß ein Thyristor um die volle Streubreite der Zündverzugszeit später durchschaltet
als alle übrigen Thyristoren und der zu diesem Thyristor gehörige Beschaltungskondensator
auf die ungünstigste positive Sperrspannung aufgeladen sein ann7 versteht es sich
von selbst, daß man auch bei Reihenschaltung von Thyristoren mit möglichst steilen
und oen Steuerimpulsen zünden sollte9 um en Absolutwert der Zündverzugs-Streuung
klein zu halten.
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Die Induktivität im einzuschaltenden Stromkreis muß zudem einen Mindestwert
aufweisen, damit der Beschaltungskondensator bis zum Durchschalten des letzten Thyristors
nicht auf eine zu hohe Spannung aufgeladen wird. Durch zusätzliche Drosseln muß
für die Einhaltung dieser Bedingung gesorgt werden.
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Die Zusatzdrosseln dürfen Sättigungserscheinungen aufweisen.
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In einigen Fällen, wo es auf niedrige Induktivität im Schaltkreis
ankommt, sind sogar Schaltdrosseln mit ausgeprägtem Sättigungsverhalten vorteilhaft.
Wichtig ist nur, daß die Sättigung nicht vor Ablauf der längsten Einschaltverzugszeit
einsetzt.
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Bei der Parallelschaltung von Thyristoren wird eine möglichst gleichmäßige
Stromaufteilung angestrebt. Auch hier ist wie bei der Spannungsaufteilung bei Reihenschaltung
eine statische und eine dynamische Stromaufteilung zu unterscheiden. Die statische
Stromaufteilung ergibt sich aus den Durchlaßkennlinien der parallelgeschalteten
Thyristoren sowie aus im Kreis vorhandenen Wirkspannungsabfällen. Bei schnellen
Stromänderungen, z.B. während Schalt- und Kommutierungsvorgängen, wird die dynamische
Stromaufteilung zusätzlich stark von den in der Parallelschaltung vorhandenen Induktivitäten
beeinflußt.
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Die dynamische Stromaufteilung während des Einschaltens ist für die
di/dt-Belastung verantwortlichO Um hier eine unzulässig hohe Beanspruchung einzelner
Thyristoren in der Parallelschaltung entstehen zu lassen, müssen die einzelnen Zweige
den
ansteigenden Strom möglichst gleichmäßig übernehmen.
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Ursachen für eine ungünstige Stromaufteilung sind die unterschiedlichen
Widerstände in den parallelen Zweigen, insbesondere die zu starke Streuung in den
Durchlaßkennlinien, ein räumlich ungünstiger Aufbau der Schaltung und mangelhaft
ausgebildete Steuerimpulse.
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Eine Möglichkeit, die Anstiegsgeschwindigkeiten di/dt des Stromes
in den parallelgeschalteten Thyristoren zu begrenzen, besteht in der Reihenschaltung
von Induktivitäten zu den Thyristoren. So ist es bekannt, Ferritkerne oder Ringbandkerne
mit kleinen Abmessungen über die Zuleitungen zu den zuerst durchschaltenden Thyristoren
zu stecken. Daraus ergeben sich relativ hohe Induktivitäten während der ersten Mikrosekunden
und verzögern damit den Stromanstieg. Nach Erreichen einer bestimmten Stromhöhe,
die gegeben ist durch die Abmessungen der Kerne, gehen diese in Sättigung und beeinflussen
den weiteren Stromverlauf nicht mehr.
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Diese grundsätzlichen Maßnahmen zur statischen und dynamischen Sperrspannungs-
und Stromaufteilung sind bekannt aus der Literaturstelle "Grundlagen der Leistungselektronik"
von K. Heumann, (Verlag B.G. Teubner, Stuttgart), Seiten 43ff.
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Die zur Verbesserung der dynamischen Stromaufteilung parallel-und
reihenges chal teter Thyristoren verwendeten Reiheninduktivitäten
können
jedoch aufgrund unterschiedlicher Induktivitätswerte und/oder unterschiedlicher
Vormagnetisierung zu einer ungleichen Stromaufteilung führen, was den Wert der Beschaltung
wieder reduziert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optimale Sperrspannungs-
und Stromaufteilung bei parallel- und in Reihe geschalteten Thyristoren unter Vermeidung
eines dynamisch unterschiedlichen Einschaltverhaltens der parallelen Thyristoren
durch unterschiedliche Vormagnetisierung der sättigbaren Eisendrosseln zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine optimale dynamische Sperrspannungs-
und Stromaufteilung bei parallel- und reihengeschalteten Thyristoren sicher, wobei
eine unterschiedliche Vormagnetisierung oder ungleiche Bauart der Reiheninduktivität
nicht möglich ist. Gleichzeitig wird.eine einfache und kostengünstige Lösung des
Problems der dynamischen Sperrspannungs-und Stromaufteilung erzielt.
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Anhand, eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
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Es zeigen Figur 1 die prinzipielle Schaltskizze einer Anordnung mit
in Reihe- und parallelgeschalteten Thyristoren und der erfindungsgemäßen Reiheninduktivität
und Figur 2 eine prinzipielle geometrische Ausführung der sättigbaren Eisendrosselspule.
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Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus jeweils zwei in Reihe
geschalteten Thyristoren 1, la; 2 2a; und 3, 3a, die zu drei parallelen Thyristorzweigen
zusammengeschaltet sind.
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Den einzelnen Thyristoren sind zur statischen und dynamischen Spannungsaufteilung
rein ohmsche und rein kapazitive Widerstände sowie gemischt ohmisch-kapazitive Glieder
parallelgeschaltet. Zur dynamischen Stromaufteilung der parallelgeschalteten Thyristorzweige
sowie zur ausreichenden Ru- rom== begrenzung sind sättigbare Induktivitäten lb,
2b und 3b mit parallelgeschalteten Widerständen in Reihe mit den Thyristoren, z.B.
in Form von Ferritdrosselspulen, geschaltet. Erfindungs gemäß sind die parallelen
sättigbaren Induktivitäten Ib, 2b, 3b magnetisch derart gekoppelt, daß eine einheitlich
große Spannungsstufe und damit gleichmäßiger Stromeinsatz in allen parallelen Thyristorzweigen
erzwungen wird , Parallel zu den einzelnen Reiheninduktivitäten der parallelgeschalteten
Thyristoren ist die Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes zur Begrenzung
des Rücfrstromes beim Ausschalten angeordnet
Hinsichtlich der guten
statischen Aufteilung des Stromes und der günstigen Spannungsaufteilung bleiben
die Vorteile der bekannten Beschaltungen erhalten.
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In Fig. 2 ist die geometrische Konfiguration der magnetisch gekoppelten
parallelen sättigbaren Induktivitäten dargestellt.
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Als Induktivität verwendet man sättigbare Eisendrosselspulen mit Schnittband-
oder wegen des geringeren Geräusches Ringbandkernen (Stufendrosselspulen). Der Strom
im Thyristor findet hier unmittelbar nach dem Zünden eine sehr hohe Induktivität
vor, steigt also nur wenig an, bis der Kern gesättigt ist und die Induktivität (bis
auf die Luftinduktivität) verschwindet. Dann kann der Strom in allen Zweigen mit
der von den Leitungsinduktivitäten her bestimmten Steilheit ansteigen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Stufendrossel werden die
parallelen Seiten durch einen gemeinsamen Kern, der aus n Ringbandkernen zusammengesetzt
ist, geführt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Stufendrossel ist auf eine
gleichmäßige Leiterlänge und.gleichmäßigen Leiterquerschnitt zu achten.