DE2907130A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermoeglichen eines weichen ausfalls von modularen leistungsumformungssystemen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ermoeglichen eines weichen ausfalls von modularen leistungsumformungssystemen

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DE2907130A1 DE19792907130 DE2907130A DE2907130A1 DE 2907130 A1 DE2907130 A1 DE 2907130A1 DE 19792907130 DE19792907130 DE 19792907130 DE 2907130 A DE2907130 A DE 2907130A DE 2907130 A1 DE2907130 A1 DE 2907130A1
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Description

PATENTANWÄLTE 290/130
^/miller OOÖrner&.
D-1 BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 D-8 MÜNCHEN S3 ■ WIDENMAYERSTRASSE 4Θ
BERLIN: DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER
Megapulse Incorporated München= d.pl.-.ng. hans-he.nr.ch wey
DlPL-INS. EKKEHARD KÖRNER
Berlin, den 22. Februar 1979
Verfahren und Vorrichtung zum Ermöglichen eines weichen Ausfalls von modularen Leistungsumf'ormungs sy stemen
(Priorität: USA, Nr. 880 842 vom 23. Februar 1978)
24 Seiten Beschreibung mit
20 Patentansprüchen
5 Blatt Zeichnungen
He - 27 470
909835/0773
BERLIN: TELEFON (O3O) 8312088 MÜNCHEN: TELEFON (08S) 22SS85
KABEL: PROPINDUS · TELEX OI 84067 . · KABEL: PROPIN DUS · TELEX 05 24244
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungserzeugung und -konvertierung und behandelt insbesondere Leistungskonverter und -inverter einschließlich Frequenzwandler j Gleichstrom/Gleichstrom-Leistungsumformer, Gleichstrom/Wechselstrom-Leistungswechselrichter und Hochfrequenz-Generatoren oder -Transmitter, bei denen die Grundleistungsumformung mit Hilfe von Schalteinrichtungen wie Festkörperthyristoren u. dgl. - insbesondere von Einrichtungen der siliziumgesteuerten Gleichrichterart (SCR) - erreicht wird. Die Erfindung ist insbesondere darauf gerichtete, ein weiches Ausfallen solcher Systeme zu ermöglichen (d.h. ohne eine Stilllegung des gesamten Systems zu verursachen).
Im Laufe der Jahre sind verschiedene Probleme aufgetreten, die sich auf Leistungsumformungssysteme dieser Art nachteilig ausgewirkt haben und später im einzelnen dargelegte Teillösungen hervorbrachten, die bisher jedoch noch kein weiches Ausfallen zuverlässig ermöglicht haben, und zwar insbesondere dann, wenn mehrere Bauelemente auf einmal im System ausfallen. Diese Unzulänglichkeit hat die vollständige Automatisierung von Systemen behindert, die daher vom Betriebspersonal überwacht werden mußten. Unter diesen befinden sich bestimmte RF-Transmitter wie die der Loran-Navigationsart, bei denen es überaus wünschenswert ist, wenn Fernstationen so konstruiert werden können, daß sie weich ausfallen und einen ausgefallenen Modul automatisch austauschen können.
Beispielsweise wird zur Veranschaulichung einer bevorzugten Anwendung und Ausführungsform der Erfindung auf solche Transmitter verwiesen, wie sie in den US-PS'en 3 889 263 und 4 001 598 der Anmelderin offenbart sind; es versteht sich jedoch von selbst, daß die Techniken und die Vorrichtung der
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Erfindung, wie an späterer Stelle hervorgehoben wird, auch bei anderen Leistungsgeneratoren und -Umformungssystemen nutzbringend angewendet werden kann, einschließlich bei denjenigen, die in den anderen PS'en beschrieben sind, auf die in den vor erwähnten US-PS'en Bezug genommen wurde. Was nun die Arten der vorstehend erwähnten Probleme anbelangt, so besteht ein erstes ernstzunehmendes Problem bei einer Leistungsunformungsausrüstung , die SCH- oder ähnliche Schalteinrichtungen (die nachstehend rr.it Bezug auf den SCR erläuternd beschrieben sind) umfaßt, darin, daß ein Einklinken (LATCH-UP) durch falsche Triggerimpulse verursacht wird, die durch vorübergehende Leitungsspannungsstöße, flüchtige Blitzstöße und Ausfälle in den Steuerschaltungen erzeugt werden. Wenn ein SCR einklinkt, wird sämtliche Energie, die ir. der mit dem eingeklinkten SCR verbundenen Gleichstromleistungszufuhr gespeichert ist, abgestoßen (DUMPED), was einen starken Stromimpuls zur Folge hat. Dieser Stromimpuls kann den SCR zerstören, wenn keine geeignete Schutzschaltungsanordnung vorgesehen ist. Bei den meisten Leistungsumformungssystemen kann die SCR-Einklinkung leider nicht verhindert werden. Daher muß das System so ausgelegt sein, daß die SCR-Einklinkung keiner. Ausfall des Systems oder der Bauelemente bewirkt, und Versuche zur Lösung dieses Problems sind beispielsweise in der älteren US-PS 3 832 573 der Anmelderin beschrieben. Wenn auf solche Einrichtungen wie schnellwirkende Schmelzsicherungen u. dgl. zum Schützen der SCRs und anderer Bauelemente zurückgegriffen wird, wird der Umformer notwendigerweise solange außer Betrieb sein, bis die Schmelzsicherungen ausgewechselt sind. Dieser Zustand ist natürlich für automatische und ähnliche Betriebsbedingungen untragbar. Eine annehmbare Lösung für dieses Problem wurde dadurch gefunden, daß man die Leistungsumf ormungsschaltungen so ausgelegt hat, daß der Einklin-
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kungsstromimpuls innerhalb der χ t-Mennleistung der SCRs liegt, so daß der Einklinkungsstromimpuls durch den SCR laufen kann,
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ohne ein Ausfallen von Bauelementen zu verursachen.
Dieses Problem wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß jeder SCR-Wechselrichtermodul mit seiner eigenen separaten, geeigneten Gleichstromleistungszufuhr versehen wird; dadurch wird die Energie, die bei Eintreten einer Einklinkung abgestoßen wird, auf ein Minimum herabgesetzt und gleichzeitig die i~t-Nennleistung des SCR auf ein Minimum verringert.
Eine zv;eite Gattung von Ausfallproblem besteht in den von schwachen Triggerimpulsen verursachten SCR-Ausfällen, wodurch ein unzureichendes Anschalten der SCR-Verbindungsleitung mit einer, sich daraus ergebenden di/dt-Ausfall bewirkt wird. Dies kann durch Vorsehen einer Schutzschaltungsanordnung weitmöglichst verhindert werden, die SCR-Triggerimpulse sperrt, wenn die Triggerimpulszuführspar.nung niedrig ist. Darüber hinaus sollte die SCR-Triggerschaltung selbst immer einen normalen Triggerir.puls in Erwiderung auf ungewollte Geräuscheingaben in die SCR-Triggerschaltung erzeugen. Diese Art der Auslegung verhindert zwar weitgehendst die Erzeugung schwacher Triggerimpulse, beseitigt sie jedoch nicht insgesamt. Pur die Zwecke der vorliegenden Erfindung muß das Leistungsumformungssystem daher in der Lage sein, einen ausgefallenen SCR in einem Wechselrichtermodul zu ertragen, ohne daß das ganze System stillgelegt wird oder Ausfälle bei anderen Wechselrichtermodulen herbeigeführt werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die Ausgangsimpedanz des Wechselrichtermoduls erhöht, wenn der Modul inaktiv ist, und zwar sogar dann, wenn der SCR-Wechselrichter ausgefallen ist. Somit schließt der ausgefallene Modul den Ausgang des Leistungsumformers nicht kurz, und die verbleibenden Invertermodule können ohne jede Leistungsminderung, mit der Arbeit fortfahren. Dieses Merkmal wird ohne die Ver-
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Wendung von Schmelzsieherungen oder mechanischen Trenneinrichtungen erhalten. Der ausgefallene Modul kann weiterhin gegen einer, funktionierenden Modul ausgewechselt werden, ohne daß der leistungsumformer stillgelegt wird.
Eine dritte Gattung von Ausfallproblem besteht in den SCR-Ausfällen, die durch vorübergehende Hochspannungsstöße verursacht werder., welche bei Eintreten einer Veränderung im Phasenwinkel der Belastung erzeugt werden.
Wenn eine Blindbelastung von sich veränderndem Phasenwinkel (abgestirnte Antennen, Wechselstrommotor etc.) ausgesteuert wird, schv.'ar.kt der an die Belastung abgegebene Energiebetrag über einer, weiten Bereich. In bestimmten Fällen strömt Energie aus der Belastung in die Wechselrichterstufe zurück, so daß hohe Spannungen im Wechselrichter erzeugt werden können, die ein Ausfallen des SCR und anderer Bauelemente bewirken können.
Gemä3 der vorliegenden Erfindung werden jedoch SCR-Ausfälle, die durch Veränderungen im Phasenwinkel der Belastung verursacht werden, auf zwei Arten beseitigt. Erstens sind die Wechselricntermodule so ausgelegt, daß sie Leistung von der Belastung absorbieren und an dieselbe abgeben, und zweitens wird die Spannung quer über dem SCR überwacht, und wenn diese Spannung einen kritischen Wert erreicht, wird de SCR-Triggerimpuls gesperrt und dadurch jedes weitere Anwachsen der SCR-Spanr.ur.g verhindert.
Das Leistungsumformerverfahren und -system der vorliegenden Erfindung löst demgemäß sämtliche der vorstehend erwähnten Problem in bewundernswerter Weise und schafft eine zuverlässige, nicht unterbrechbare Ausgangsleistung selbst im Falle des Ausfallens von Bauelementen.
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Es ist also Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung zu schaffen, um einen weichen Ausfall von modularen Leistungsumformersystemen u. dgl. zu ermöglichen, die Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) beim Umformungsvorgang umfassen, einschließlich von RF-Generatoren oder Transmittern, die von derartigen Leistungsumformungstechniken Gebrauch machen.
Darüber hinaus sollen ein solches neuartiges Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung eine verbesserte Lösung der seit langem bedrückenden Probleme der durch falsche Triggerimpulse verursachten SCR-Einklinkung, der durch schwache Triggerimpulse verursachten SCR-Ausfälle und der SCR-Ausfälle schaffen, die durch eine Veränderung im Phasenwinkel der Belastung erzeugte vorübergehende Hochspannungsstöße verursacht werden; es versteht sich von selbst, da3 dort, wo all1 diese Probleme nicht vorhanden sind oder sämtlich nicht einer dringenden Lösung bedürfen, diese Kombinationen der vollständigen Erfindung zur Lösung irgendeines oder mehrerer dieser Probleme verwendet werden können.
Schließlich soll eine verbesserte modulare Leistungsumformungsvorrichtung geschaffen werden, und zwar eine, die insbesondere dem automatischen Betrieb, unabhängig von Modulausfällen, angepaßt ist.
Zusammenfassend sei gesagt, daß die Erfindung von einem ihrer umfassenden Gesichtspunkte aus gesehen ein Verfahren zum Ermöglichen eines weichen Ausfalls eines Leistungsumformungssystems umfaßt, das eine Vielzahl von impulserzeugenden Modulen aufweist, die Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) enthalten, welche durch ein Einklinken in
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Erwiderung auf ein falsches Triggern, infolge schwacher Triggerimpulse und als Ergebnis von vorübergehenden Hochspannungsstößen einschließlich derjenigen, die durch eine Veränderung im Phasenwinkel der Systembelastung erzeugt werden, ausfallen können, wobei dieses Verfahren die Schritte des separaten und unabhängigen Lieferns einer Gleichstromleistung an jeden Modul zum Herabsetzen der beim Einklinken abgestoßenen Energie auf ein Minimum und zum wirksamen Verringern der Nennleistung des SCR; Schaffens einer hohen Ausgangsimpedanz in jedem Modul, wenn derselbe inaktiv ist und dann, wenn ein Ausfall des SCR vorgekommen ist, um es den anderen Modulen des Systems zu ermöglichen, mit der Arbeit ohne Leistungsminderung fortzufahren, und Überwachens der Spannung quer über dem SCR-Modul sowie Ansprechens auf das Erreichen eines kritischen Wertes der überwachten Spannung durch darauffolgendes Sperren des Triggerimpulses des SCR, um dadurch jedes weitere Anwachsen der SCR-Spannung zu verhindern. Bevorzugte Ausführungsformen, Unterkombinationen und Einzelheiten werden im Folgenden vorgestellt.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein grundlegendes Blockdiagramm eines bevorzugten Leistungsumformersystems, bei dem die Erfindung angewendet werden kann;
Fig. 2 ein mehr ins Einzelne gehendes Blockdiagramm des Impulsgeneratormoduls in Fig. 1;
Fig. 2 (a) bis (d) Wellenformen an bezeichneten Teilen der Schaltung in Fig. 2;
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Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Impulsgeneratorschaltung für Fig. 2;
Fig. 4 (a) und (b) jeweils Spannungs- und Stromwellenformen der Schaltung in Fig. 3;
Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm einer anderen Art von Impulsgenerator, der im System der Fig. 1 und 2 Anwendung finden kann;
Fig. 6 (a) und (b) jeweils Spannungs- und Stromwellenformen der Schaltung in Fig. 5 und
Fig. 7 ein Schaltungsdiagramm einer Niedrigfrequenzmodifikation des Impulsgenerators in Fig. 5·
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Leistungsumformer besteht das System aus einem Steuermodul, n-Impulsgeneratormodulen und einem eine Belastung speisenden Kopplungsnetzwerk, wobei alle diese Bauelemente so bezeichnet sind. Die Zahl η der Impulsgeneratormodule wird durch das Verhältnis der gesamten Ausgangsleistung des Umformers zur Ausgangsleistung, jedes Impulsgeneratormoduls bestimmt. Dieses System kann beispielsweise zu derjenigen Art gehören, die in der US-PS 3 889 263 der Anmelderin und in den darin genannten PS'en beschrieben ist.
Der Steuermodul erzeugt die Taktgebungs- und Amplitudensteuersignale für die Impulsgeneratormodule. Die Ausgänge der Impulsgeneratormodule sind an einen gemeinsamen Bus angeschlossen, der seinerseits das Kopplungsnetzwerk speist, dessen Ausgang, wie in besagter US-PS beschrieben ist, an die Belastung angeschlossen ist. In den meisten Fällen ist das Kopplungsnetzwerk ein Filter, das Hochfrequenzbauelemente am Ausgang der Impulsgeneratoren überflüssig macht.
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Ein Blockdiagramm des Impulsgeneratormoduls ist in Fig. 2 gezeigt. Er besteht aus vier Einheiten: Leistungschalter, einzelne Gleichstromleistungszufuhr, Impulsgenerator und Steuereinheit, wobei alle diese Bauelemente so bezeichnet sind. Der Leistungsschalter verbindet die Wechselstrom-Primpotenz mit der Gleichstromleistungszufuhreinheit.Wenn ein Fehler im Impulsgeneratormodul auftritt, wird die Auslösespule des Leistungsschalters erregt und dadurch die Wechselstrom-Primpotenz vom Impulsgeneratormodul getrennt. Der Leistungschalter ist des weiteren so ausgelegt, daß er sich auslösen kann, wenn der in die Leistungszufuhreinheit fließende Wechselstrom den Nennwert übersteigt.
Die Gleichstromleistungszufuhreinheit erzeugt sämtliche zum Betreiben der Impulsgeneratoreinheit und der Steuereinheit erforderlichen Gleichstromspannungen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind typische für die Transmitteranwendungen der zuletzt genannten US-PS benötigte Spannungen beispielswiese 300 Volt für die Impulsgeneratoreinheit und 24 Volt und 5 Volt für die Steuereinheit. Für bestimmte Anwendungen können zusätzliche Spannungen erforderlich werden. Die Gleichstromleistungszufuhreinheit muß so beschaffen sein, daß sie langsam anläuft, um den Einschaltstromstoß während des anfänglichen Anschaltens zu begrenzen.
Die Impulsgeneratoreinheit erzeugt einen Hochleistungsimpuls, der sich mit den Ausgaben aller anderen Impulsgeneratormodule in Fig. 1 zur Bildung der gewünschten Ausgangswellenform verbindet, wie dies in der zuletzt genannten US-PS erläutert ist. Dieser Ausgangsimpuls kann mit der jeweiligen Spannungs- und Stromwellenform, wie in Fig. 2 (a) und (b) gezeigt, unipolar oder, wie in Fig. 2 (c) und (d) gezeigt, bipolar sein. Natürlich können auch viele andere Wellenformen erzeugt werden. Die Eingaben in die Impulsgeneratoreinheit sind die Gleichstromleistungszuführspannung (die zum Zwecke der Erläuterung in der Zeichnung 300 Volt betragen soll) und SCR-Triggerimpulse aus der Steuereinheit. Zum Steuern der Ausgangsimpulsamplitude und der Takt-
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gebung wird der Steuereinheit aus der Impulsgeneratoreinheit ein Rückkoppelungssignal zugeführt, das mit "Ausgangsstrom-Erfühlen" (OUTPUT CURRENT SENSE) bezeichnet ist. Dieses Signal wird erfindungsgemäß auch zum Zwecke der Fehlerermittlung verwendet. Um die SCRs in der Impulsgeneratoreinheit gegen überspannung zu schützen, wird des weiteren ein "SCR-Spannung-Erfühlen"(SCR VOLTAGE SENSE)-Signal auf die Steuereinheit zurückgeführt .
Die Steuereinheit führt die folgenden Funktionen aus. Sie erzeugt SCR-Triggerimpulse für die Leistungszufuhr- und die Impulsgeneratoreinheit j schafft einen Fehler- und einen Einklinkungsschutz, steuert die Gleichstrom-Ausgangshauptspannung der Leistungszufuhreinheit , steuert die Amplitude und die Taktgebung des Ausgangsimpulses des Impulsgenerators und erzeugt das Auslösesignal an den Leistungsschalter. DieEingaben in die Steuereinheit sind als die Taktgebungs- und Amplitudensteuersignale, das "Spannung-Erfühlen" (VOLTAGE SENSE)-Signal für die Gleichstronhauptleistung an die Impulsgeneratoreinheit, das "Einklinkung- Erfühlen" (LATCH-UP SENSE) -Signal, das "Ausgangsstrom-Erfühlen" und das "SCR-Spannung-Erfühlen"-Signal, die beide vorher erwähnt wurden, und die 24-Volt und 5-Volt-Gleichstromspannungen aus der Gleichstromleistungszufuhreinheit darstellt.
Das "Spannung-Erfühlen"-Signal erzeugt das Rückkoppelungssignal an die Steuereinheit, um die Leistungszufuhr-Gleichstromausgangsspannungen gegen die Wechselstromspannungsschwankungen auf wohlbekannte Weise auszuregulieren. Wenn ein Fehler in der Gleichstromleistungszufuhreinheit vorkommt, der ein Übersteigen der Toleranzgrenze der in dieser Einheit erzeugten Spannungen bewirkt, löst die Steuereinheit daher den Leistungsschalter aus.
Wie vorstehend erläutert, kann eine SCR-Einklinkung durch zwei Zustände verursacht werden: SCR-Ausfälle oder ungewollte SCR-
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Triggerimpulssignale. Es ist wichtig, zwischen diesen beiden Zuständen zu unterscheiden. Ungewollte SCR-Triggerimpulssignale können vorübergehender Art sein, und zwar insbesondere diejenigen, die durch vorübergehende Leitungsstromstöße und Blitzimpulse verursacht werden. Solche Signale sollten kein Auslösen des Leistungsschalter bewirken, wenn diese ungewollten Signale keinen Ausfall von Bauelementen verursachen. Daher sperrt, wenn ein Einklinkungszustand auftritt, die Steuereinheit sowohl die Gleiehstromleistungszufuhr- als auch die SCR-Triggerimpulse des Impulsgenerators über eine ausreichende Zeitperiode, um es der Gleiehstromleistungszufuhr zu ermöglichen, sich vollständig zu entladen und das Merkmal des langsamen Anlaufens zurückzustellen. Dann werden von neuem Leistungszufuhr-Triggerimpulse angelegt, und wenn die Gleichstrom-Ausgangsspannung den gewünschten Wert erreicht hat, werden von neuem Impulsgenerator-Triggerimpulse angelegt. Wenn sich ein normaler Betrieb ergibt, wird nichts weiter unternommen. Wenn jedoch der Impulsgenerator unmittelbar bei Anlegung der Impulsgenerator-Triggerimpulssignale einklinkt, löst die Steuereinheit den Leistungsschalter aus. Ein wiederholtes Einklinken dieser Art zeigt also einen tatsächlichen Ausfall eines Bauelements im Impulsgeneratormodul an.
Eine SCR-überspannung in der Impulsgeneratoreinheit wird entweder durch eine Veränderung im Phasenwinkel der Belastung oder durch eine ungenaue Taktgebung des Ausgangsimpulses verursacht. Beide Zustände können vorübergehender Art sein und während des anfänglichen Startens oder dann auftreten, wenn ein Impulsgeneratormodul sich von einer Einklinkung erholt. Bei diesen vorübergehenden Zuständen sollte sich der Leistungsschalter nicht auslösen, und es muß ein geeigneter Schutz gegen eine vorübergehende Überspannung für die SCRs in der Impulsgeneratoreinheit vorgesehen sein. Wenn der Überspannungs-
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zustand, über eine ausgedehnte Zeitperiode besteht, wird jedoch ein fehlerhafter Zustand angezeigt und der Leistungsschalter ausgelöst. Dieser Vorgang kann ebenso wie die anderen vorstehend abgehandelten Ausfallanzeigen ein RelaisR(Fig, 2) dazu veranlassen, einen Ersatzmodul im Austausch automatisch einzuschalten, xienn dies erwünscht ist. Wiederum muß während dieser ausgedehnten Periode ein angemessener SCR-Überspannungsschutz vorgesehen sein.
Es sollen nun spezifische Schaltungen erläutert werden3 die diese Betriebsbedingungen erfüllen können. Eine bevorzugte Schaltung für den Impulsgenerator No. 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Schaltung besteht aus einem Zweiwicklungsinduktor Ll mit einer Primärwicklung P3 die mit dem SCRl in Reihe geschaltet ist j und einer Sekundärwicklung S3 die in Reihe mit dem SCR3 geschaltet ist. Die Kathode des SCRl ist an die Verbindungsleitung des Parallelkondensators Cl und des Induktors L2 angeschlossen. Der Induktor L2 ist seinerseits mit dem SCR2 in Reihe geschaltet. Die Anode des SCR3 ist mit der Erde verbunden. Quer über dem Kondensator Cl ist ein aus einer Diode CRl3 einem Kondensator C2, einem Widerstand Rl und einer einzelnen Gleichstromleistungszufuhr bestehendes Klemmnetzwerk geschaltet.
Die Funktion dieser Schaltung wird nunmehr unter Zuhilfenahme der in Fig. 4 (a) und (b) gezeigten Spannungs- und Stromwellenformen erklärt. Zu Beginn ist die Spannung am Kondensator Cl negativ und liegt in der Größenordnung E ..„. Zum Zeitpunkt t„ wird der SCRl angeschaltet und der Kondensator Cl während des Ladeintervalls t„ bis t., auf den Wert E ., resonant aufgeladen. Wie in Fig. 4 (a) dargestellt, ist der Ladestrom i. eine halbe Sinuswelle. Die Amplitudenausregulierung der Cl-Spannung (e .. ) wird mittels der Sekundärwicklung S auf Ll und SCR3 erreicht. Während des letzten Teils des Ladeintervalls tQ bis t1 ist die
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Spannung quer über der Sekundärwicklung S von Ll negativ und größer als die Gleichstromleistungszuführspannung. Somit ist die Spannung quer über SCR3 positiv. Durch Anschalten von SCR3 (zum Zeitpunkt t.) wird die Spannung quer über SCRl veranlaßt, einen negativen Wert anzunehmen. Dieser Vorgang schaltet SCRl ab j der Strom durch SCRl wird auf SCR3 (wie in Fig. 4 (b) gezeigt) übertragen und die in Ll -gespeicherte Energie auf die Leistungszufuhr zurückgeführt. Auf diese Weise kann eine Momentanspannungsausregulierung erreicht werden. Zum Zeitpunkt t~, einige Zeit nach t. , wird SCR2 angeschaltet und die Energie Cl auf die Belastung in Gestalt eines sinusförmigen Stromimpulses ip übertragen. Das Zeitintervall t. bis tp muß von ausreichender Dauer sein, um ein Erholen von SCRl zu ermöglichen.
Wenn der Kondensator Cl in die Belastung entladen wird, kehrt die Spannung an Cl die Polarität um. Die Größe dieser Spannungsumkehr hängt von den Eigenschaften der Belastung ab. Wenn es isch um eine Ohm'sche Belastung handelt, wird der größte Teil der Energie an Cl an die Belastung abgegeben, und die Umkehrspannung des Kondensators ist niedrig. Bei einer reinen Blindbelastung ist die negative Umkehrspannung gleich der positiven Spannung. Bei Energiespeicherungsbelastungen wie Schwingkreisen hoher Güte und umlaufenden Maschinen kann die Belastungsspannung negativ sein, wenn Cl entladen wird. Für diesen Fall wird Energie von der Belastung absorbiert, und die Umkehrspannung an Cl wird viel größer als die positive Spannung. Da die Durchlaßspannung quer über SCRl die Summe der Cl-Umkehrspannung und der Gleichstromleistungszuführspannung ist, kann diese starke Cl-Umkehrspannung ein Übersteigen der Nennleistung der SCRl-Durchlaßspannung bewirken. Eine Afct des Herabsetzens der Cl-Umkehrspannung liegt darin, das vorstehend beschriebene Klemmnetzwerk (Diode CRl, Kondensator C2, Widerstand Rl und Gleichstromleistungszufuhr) quer über Cl zu schalten, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Gleichstromleistungszufuhr lädt
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den Kondensator C2 über den Widerstand Rl auf die maximal annehmbare Cl Umkehrspannung auf. Wenn also die Cl-Umkehrspannung dahin tendiert, die C2-Spannung zu übersteigen, leitet die Diode CRl die Cl-Spannung und klemmt dieselbe zur C2-Spannung. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kapazität von C2 so ausgelegt ist, daß sie die von Cl um ein Vielfaches übersteigt, so daß ein wirksames Klemmen erreicht wird. Wenn die negative Ausgangsspannung über eine ausgedehnte Zeitperiode besteht, baut sich die C2-Spannung auf, und die "SCR-Spannung-Erfühlen"-Schaltung, Fig. 2, alarmiert die Steuereinheit, die ihrerseits SCRl-Triggerimpulssperrsignale erzeugt. Somit wird auf diese Weise die Cl-Umkehrspannung daran gehindert, den maximal annehmbaren Wert zu übersteigen.
Wie früher erwähnt, ist es erforderlich, daß die Ausgangsimpedanz des Impulsgenerators selbst dann hoch ist, wenn ein SCR-Ausfall stattfindet. Dieses Merkmal gestattet es einem ausgefallenen Impulsgeneratormodul, auf Leitung zu bleiben, ohne den Betrieb des gesamten Umformersystems zu beeinträchtigen. Die Impulsgeneratorschaltung in Fig. 3 ist so ausgelegt, daß sie diese Eigenschaft aufweist. Wenn SCR2 ausfällt, wird sie eine Kurzschaltung, und die Schaltungsausgangsimpedanz ist die Reihenverbindung von L2 und Cl. Da der Wechselrichter aus einer großen Zahl von Impulsgeneratormodulen besteht (Fig. 1), die parallelgeschaltet sind, ist jede Größe der Modulausgangsimpedanz, die durch
'Z0
ausgedrückt wird, im Vergleich zu der Belastungsimpedanz hoch.
Eine andere Art von geeigneter Impulsgeneratorschaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Schaltung erzeugt sowohl negative als auch positive sinusförmige Stromimpulse, wie aus Fig. 6 (a) her-
vorgeht. Die Schaltung besteht aus Kondensatoren Cl und C2, Reiheninduktoren Ll und L2, Reihenthyristoren SCRl und SCR2 und einer Klemmschaltung, die aus Dioden CRl und CR2 und einem Transformator Tl besteht. Die Schaltung arbeitet wie folgt. Anfangs werden zum Zeitpunkt tn, Fig. 6 (b), der Kondensator Cl positiv und der Kondensator C2 negativ aufgeladen. Zum Zeitpunkt tQ wird SCRl angeschaltet, und es wird eine positive Halbsinus-Stromwelle Ci1) während des Zeitintervalls tQ bis t. erzeugt und an die Belastung abgegeben. Zum Zeitpunkt t^ sind beide Spannungen an Cl und C2 umgekehrt worden, so daß die C2-Spannung positiv (e 2) und die Cl-Spannung negativ (e Λ ist. Das nächste Zeitintervall t, bis t„ muß ausreichend lang sein, um sicherzustellen, daß sich SCRl erholt. Zum Zeitpunkt tp wird SCR2 angeschaltet, und es wird eine negative Halbsinus-Stromwelle (i„) während des Zeitintervalls t„ bis t, erzeugt und an die Belastung abgegeben. Zum Zeitpunkt t^. sind beide Spannungen an Cl und C2 umgekehrt worden, wobei auf die anfänglichen Spannungspolaritäten zum Zeitpunkt tQ zurückgegangen wurde. Im Zeitintervall t, bis tu erholt sich SCR2 und zum Zeitpunkt tn wird ein neuer Betriebszyklus eingeleitet.
Die Beziehung zwischen der Durchlaß- und der Umkehrspannung der Kondensatoren hängt von den Belastungseigenschaften ab. Bei einer Ohm'sehen Belastung wird Energie an die Belastung abgegeben. Also ist in diesem Fall die Umkehrspannung der Kondensatoren geringer als die Durchlaßspannung, und dieser Unterschied in der Kondensatorspannung spiegelt die an die Belastung abgegebene Energie wieder. Bei einer regenerierenden Belastung, bei der Energie von der Belastung aus an den Impulsgenerator abgegeben wird, ist andererseits die Umkehrspannung der Kondensatoren größer als die Durchlaßspannung. In diesem letzten Fall können gefährliche Hochspannungen in der Impulsgeneratorschaltung erzeugt werden, die die maximale SCR-Spannungsnennleistung übersteigen können. Die Klemmschaltung (Transformator
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Tl und Dioden CRl und CR2) beseitigt diese Hochspannungen und gestattet dadurch ein sicheres Arbeiten in regenerierenden Belastungen.
Wenn es sich um eine Ohm'sche Belastung handelt, ist die Spannung an diesem gemeinsamen Punkt eine symmetrische, oben abgeflachte Welle, die als e^ in Fig. 6 (b) dargestellt ist. Diese Spannung nimmt an Größe zu, wenn die Belastung reaktiv oder regenerierend wird. Sogar bei einer Ohm'sehen Belastung übersteigt die Größe der Spannung e. die der Gleichstromzuführspannung Enn. Um die e.-Spannung zu einem gewünschten Wert zu klemmen, wird dem Transformator Tl eine Sekundärwicklung S hinzugefügt. Das Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung P und der Sekundärwicklung S ist derart gewählt, daß die Sekundärwicklungsspannung gleich 1/2 der Gleichstromzuführspannung (EpC; ist, wenn e. gleich der gewünschten Klemmspannung ist. Wenn e. über diesen Wert hinaus anwächst, leitet jede der Dioden CRl oder CR2 (in Abhängigkeit von der Spannungspolarität) und überträgt auf diese Weise Energie auf die Leistungszufuhr zurück. Somit kann die Spannung e. das Niveau der Klemmspannung nicht übersteigen.
Des weiteren besitzt diese Schaltung selbst dann eine hohe Ausgangsimpedanz, wenn ein SCR-Ausfall vorkommt. Diese Ausgangsimpedanz wird wiederum durch eine Reihenverbindung eines L und eines C dargestellt; in diesem Fall durch Ll und Cl oder L2 und C2.
Wie aus Fig. 6 (a) ersichtlich, besteht die Ausgabe der Impulsgeneratorschaltung in Fig. 5 aus bipolaren Stromimpulsen in Gestalt einer halbsinusförmigen Welle. Diese Schaltung ist in idealer Weise zur Verwendung bei einer Hochfrequenz-Leistungserzeugungsausrüstung wie einer Induktionsheizausrüstung und RF-Transmittern geeignet.
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Durch Hinzufügen eines Abwärtsumformers (SCR3 über 6), der durch einen Transformator T2 gekoppelt ist, und eines geeigneten Ausgangsfilters (L5-C3), wie dies in Fig. 7 gezeigt ist, kann diese Impulsgeneratorschaltung in Fig. 5 so eingerichtet werden, daß sie eine Niedrigfrequenz-Wechselstromleistung wie Hz und 400 Hz erzeugt.
Somit bringen das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung mit ihren Leistungsumwandlungs- und RF-Generatorsystemen, die von auf modulare Weise ausgestalteten SCR-Schaltungen Gebrauch machen, die folgenden Merkmale hervor:
1) Die Systeme können vielen Arten von vorübergehenden elektrischen Störungen widerstehen, ohne körperlichen Schaden zu nehmen und Funktionsstörungen zu erleiden;
2) der Ausfall irgendeines Modulbauelements hat nur den Funktionsverlust eben dieses Moduls zur Folge, ohne daß die Arbeit der anderen Module oder die Arbeitsleistung des Systems beeinträchtigt wird, und
3) ausgefallene Module können ausgewechselt und von neuem betriebsbereit gemacht werden, ohne daß der Systembetrieb unterbrochen wird. Dies kann wie durch einen relaisgesteuerten Schalter R in Fig. 2 automatisch erfolgen, der auf die vorstehend beschriebenen Signalanzeigen eines Modulausfalls entfernt anspricht, um einen Ersatzmodul im Austausch einzusetzen.
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• as·
Weitere Abwandlungen der Erfindung werden Fachleuten ebenfalls einfallen und als innerhalb des Gedanken und des Umfangs der Erfindung liegend angesehen werden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    f 1. jVerfahren zum Ermöglichen eines weichen Ausfalls eines
    \ -/Leistungskonvertierungssystem mit einer Vielzahl von impuls-
    erzeugenden Modulen, die Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) umfassen, die durch Einklinken (LATCH-UP) in Erwiderung einer falschen Triggerung, infolge schwacher Triggerimpulse und als Ergebnis vorübergehender Hochspannungsstöße einschließlich derjenigen, die durch eine Veränderung im Phasenwinkel der Systembelastung erzeugt werden, ausfallen können, gekennzeichnet durch:
    a) separates und unabhängiges Liefern einer Gleichstromleistung an jeden Modul zum Herabsetzen der beim Einklinken abgestoßenen (DUMPED) Energie auf ein Minimum und zum wirksamen Verringern der Nennleistung des SCR;
    b) Schaffen einer hohen Ausgangsimpedanz in jedem Modul, wenn derselbe- inaktiv ist und dann, wenn ein SCR-Ausfall vorgekommen ist, um es den anderen Modulen des Systems zu ermöglichen, mit dem Betrieb ohne Leistungsminderung fortzufahren, und
    c) überwachen der Spannung quer über dem SCR-Modul sowie Ansprechen auf das Erreichen eines kritischen Wertes der überwachten Spannung durch darauffolgendes Sperren des Triggerimpulses des SCR, um dadurch jedes weitere Anwachsen der SCR-Spannung zu verhindern.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wirksames Entfernen des ausgefallenen Moduls aus seinem Einflußbereich im System in Erwiderung auf eine Anzeige seines Ausfalls und darauffolgendes Einschalten eines Ersatzmoduls an seiner Stelle in das System.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Module parallelgeschaltet sind und hintereinander betätigt werdens um aufeinanderfolgende Abschnit-
    — ρ —
    te der an die Belastung abgegebenen Wellenform zu erzeugen.
    h. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung eine Antenne ist und die impulserzeugenden Module hintereinander getriggert werden, um eine RF-Wellenform in der Antenne zu erzeugen.
    5. Verfahren zum Ermöglichen eines weichen Ausfalls eines Leistungsumwandlungssystems mit einer Vielzahl von leistungsumformenden Modulen, die Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) umfassen, die durch ein beliebiges Einklinken in Erwiderung einer falschen Triggerung, infolge schwacher Triggerimpulse und als Ergebnis vorübergehender Hochspannungsstöße einschließlich derjenigen, die durch eine Veränderung im Phasenwinkel der Systembelastung erzeugt werden, ausfallen können, gekennzeichnetdurch:
    a) separates und unabhängiges Liefern einer Gleichstromleistung an jeden Modul zum Herabsetzen der beim Einklinken abgestoßenen Energie auf ein Minimum und zum wirksamen Verringern der Nennleistung des SCR;
    b) Schaffen einer hohen Ausgangsimpedanz in jedem Modul, wenn derselbe inaktiv ist und dann, wenn ein SCR-Ausfall vorgekommen ist, um es den anderen Modulen des Systems zu ermöglichen, mit dem Betrieb ohne Leistungsminderung fortzufahren, und
    c) Überwachen der Spannung quer über dem SCR-Modul sowie Ansprechen auf das Erreichen eines kritischen Wertes der überwachten Spannung durch darauffolgendes Sperren des Triggerimpulses des SCR, um dadurch jedes weitere Anwachsen der SCR-Spannung zu verhindern.
    6. Verfahren zum Ermöglichen eines weichen Ausfalls eines Leistungsumformungssystems mit einer Vielzahl von leistungsumwandelnden
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    Modulen, die an eine gemeinsame Belastung angeschlossen sind und Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) umfassen, die durch Einklinken in Erwiderung einer falschen Triggerung ausfallen können, gekennzeichnet durch:
    a) separates und unabhängiges Liefern einer Gleichstromleistung an jeden Modul zum Herabsetzen der beim Einklinken abgestoßenen Energie auf ein Minimum und zum wirksamen Verringern der Nennleistung des SCR;
    b) Anzeigen eines durch Einklinken bewirkten Ausfalls unmittelbar nach seinem Entstehen und
    c) wirksames Entfernen des ausgefallenen Moduls aus seinem Einflußbereich im System in Erwiderung auf eine solche Anzeige.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch automatisches Einschalten eines Ersatzmoduls in das System an der Stelle des ausgefallenen Moduls.
    8. Verfahren zum Ermöglichen eines weichen Ausfalls eines Leistungskonvertierungssystems mit einer Vielzahl von leistungskonvertierenden Modulen, die an eine gemeinsame Belastung angeschlossen sind und Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) umfassen, die infolge schwacher Triggerimpulse ausfallen können, gekennzeichnet durch:
    a) Schaffen einer hohen Ausgangsimpedanz in jedem Modul, wenn derselbe inaktiv ist und dann, wenn ein SCR-Ausfall vorgekommen ist, um es den anderen Modulen des Systems zu ermöglichen, mit dem Betrieb ohne Leistungsminderung fortzufahren;
    b) Anzeigen eines solchen Ausfalls unmittelbar nach seinem Entstehen und
    c) wirksames Entfernen des ausgefallenen Moduls aus seinem Einflußbereich im System in Erwiderung auf eine solche Anzeige.
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    9. Verfahren nach Anspruch 8,gekennzeichnet durch automatisches Einschalten eines Ersatzmoduls in das System an der Stelle des ausgefallenen Moduls.
    10. Verfahren zum Ermöglichen eines weichen Ausfalls eines Leistungsumwandlungssystems mit einer Vielzahl von leistungsumformenden Modulen, die an eine gemeinsame Belastung angeschlossen sind und Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) umfassen, die als Ergebnis vorübergehender Hochspannungsstöße einschließlich derjenigen, die durch eine Veränderung im Phasenwinkel der Systembelastung erzeugt werden, ausfallen können, gekennzeichnet durch Überwachen der Spannung quer über dem SCR-Modul; Ansprechen auf das Erreichen eines kritischen Wertes der überwachten Spannung durch darauffolgendes Sperren des Triggerimpulses des SCR, um dadurch jedes weitere Anwachsen der SCR-Spannung zu verhindern, und nachfolgendes wirksames Entfernen des ausgefallenen Moduls aus seinem Einflußbereich im System in Erwiderung auf ein solches Sperren.
    11. Verfahren nach Anspruch 10,gekennzeichnet durch automatisches Einschalten eines Ersatzmoduls in das System an der Stelle des ausgefallenen Moduls.
    12. Leistungsumformungsvorrichtung, die in Kombination eine Vielzahl von Impulsgeneratormodulen mit an einen Steuermodul angeschlossenen Eingangsschaltungen und mit mit einer gemeinsamen Belastung gekoppelten Ausgangsschaltungen, wobei jeder Impulsgeneratormodul ein Impulsgenerator ist, der Schalteinrichtungen wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs); eine einzelne Glelchstromleistungszufuhr, die von einer Leistungsschaltereinrichtung aus einer Wechselstromleistungsquelle gespeist wird, um eine Gleichstromleistung an den Impulsgenerator zu liefern, und eine Steuereinheit aufweist, die mit dem Steuermodul zum
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    Empfangen von Taktgebungs- und Amplitudensteuersignalen aus demselben verbunden und derart geschaltet ist, daß die Gleichstromleistungszufuhr und der SCR-Betrieb im Impulsgenerator ausgelöst wird, gekennzeichnet durch eine erste Rückkoppelungsverbindung vom Impulsgenerator zur Steuereinheit;, die den Ausgangsstrom des Impulsgenerators erfühlt, um die Ausgangsimpulsamplitude und die Taktgebung zu steuern und die Fehlerermittlung zu ermöglichen; durch eine zweite Rückkoppelungsverbindung vom Impulsgenerator zur Steuereinheit 3 die die SCR-Spannung erfühlt, um die SCR-Schalteinrichtur.gen im Impulsgenerator gegen überspannung zu schützen; durch eine Einklink-Fühlverbindung vom Eingang des Impulsger.erators zur Steuereinheit und durch eine Einrichtung, aie mit der Steuereinheit verbunden ist und auf eine Ausfallanzeige anspricht, die entweder durch Erfühlen einer Einklinkur.g, eines Ausgangsstroms des Impulsgenerators und eines Fehlers in demselben oder einer SCR-Uberspannung hervorgerufen wird, sowie zum Steuern der Leistungsschaltereinrichtung dient, um der. ausgefallenen Impulsgeneratormodul im System unwirksam zu machen.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die auf die Steuerung der Leistungsschaltereinrichtung anspricht, und die zur, Austauschen des ausgefallenen Moduls gegen einen Ersatzmcdul im System dient.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermodul die Impulsgeneratormodule nacheinander auslöst, um ein Zusammenlegen der Ausgaben derselben zur Bildung einer gewünschten Ausgangswellenform zu bewirken .
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    15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung eine Antenneneinrichtung ist und die Ausgänge der nacheinander ausgelösten Module eine vorbestimmte RF-Impuls-Wellenform in der Antenneneinrichtung erzeugen.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gleichstromleistungszufuhr so eingestellt ist, daß die beim Einklinken abgestoßene Energie auf ein Minimum herabgesetzt und die SCR-Nennleistung wirksam verringert wird.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Impulsgenerator so eingestellt ist, daß er eine hohe Impedanz darbietet, wenn er inaktiv ist und dann, wenn ein SCR-Ausfall vorgekommen ist, um es den anderen Modulen des Systems zu ermöglichen, mit der Arbeit ohne Leistungsminderung fortzufahren.
    18. Vorrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Spannung quer über den SCR-Schalteinrichtungen des Impulsgenerators zu überwachen und beim Erreichen eines kritischen Werts der überwachten Spannung danach denselben über die zweite' Rückkoppelungsverbindung anzuzeigen, sowie eine auf dieses
    ' Anzeigen ansprechende Einrichtung, um daraufhin ein weiteres Anwachsen der SCR-Spannung zu unterbinden.
    19· Leistungsumwandlungsvorrichtung, die in Kombination eine Vielzahl von leistungsumformenden Modulen, die eine gemeinsame Belastung speisen, und Schaltbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) umfassen, eine Einrichtung zum Erfühlen eines SCR-Ausfalls, der entweder durch eine Einklinkung, eine schwache Triggerung und vorübergehende Hochspannungsstoße einschließlich derjenigen bewirkt wird, die durch eine Veränderung
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    — 1 —
    im Phasenwinkel der Belastung erzeugt werden, aufweist, gekennzeichnet durch eine auf das Erfühlen ansprechende Einrichtung, um danach den Modul mit dem SCR-Ausfall aus seinem Einflußbereich im Betrieb der Vorrichtung wirksam zu entfernen, und durch eine Einrichtung, die nach einem solchen Entfernen ihre Tätigkeit aufnimmt, um den ausgefallenen Modul gegen einen Ersatzmodul im System auszutauschen.
    20. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des kritischen Wertes Energie auf die Spannungszufuhr für den Modul zurückübertragen wird.
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DE19792907130 1978-02-23 1979-02-22 Verfahren und vorrichtung zum ermoeglichen eines weichen ausfalls von modularen leistungsumformungssystemen Withdrawn DE2907130A1 (de)

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