DE3046304C2 - Überwachungseinrichtung für einen Hochspannungsumrichter - Google Patents

Description

a) daß zusätzlich parallel zu den einzelnen Thyristoren (2) eines Thyristormoduls Überspannungsdetektoren (14,17) vorgesehen sind, welche mit einem gemeinsamen Logikkreis (19) verbunden sind, der nach mehrmaligem Ansprechen der Überspannungsdetektoren (14—17) des jeweiligen Thyristormoduls ein Signal zur Abschaltung des Hochspannungsumrichters abgibt, und

b) daß Temperaturschutzrelais (13) vorgesehen sind, welche in Abhängigkeit der einzelnen Widerstände (4) der Spannungsteilerschaltung (3—5) zum Ansprechen bringbar sind, wobei die Ansprechspannung der Überspannungsdetektoren (14—17) niedriger als die der Überspannungsschutzglieder(12) gewählt ist.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Überspannungsdetektoren (14—17) aus einer Serienschaltung eines Widerstandes (14) und einer normalen Diode (15) bestehen, welcher eine in entgegengesetzte Richtung geschaltete lichtemittierende Diode (16) parallelgeschaltet ist, wobei die einzelnen lichtemittierenden Dioden (16) eines Thyristormoduls optisch mit Fotoelementen (17) gekoppelt sind, die ausgangsseitig mit dem gemeinsamen Logikkreis (19) verbunden sind.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Kopplung der lichtemittierenderi Dioden (16) und der Fotoelemente (17) über Glasfasern erfolgt.

4. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der Überspannungsdetektoren (14—17) nichtlineare Widerstände (14) sind (F i g. 1).

5. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der Überspannungsdetektoren (14—17) durch die Widerstände (5) der Spannungsteilerschaltung gebildet sind (F i g. 2).

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungseinrichtung für einen Hochspannungsumrich

ter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Überwachungseinrichtung zeigt die US-PS 34 24 948.

Es ist bereits bekannt (siehe beispielsweise US-PS 34 24 948), bei einem Hochspannungsumrichter innerhalb der einzelnen steuerbaren Äste bis zu 500 oder mehr Thyristoren in Serie zueinander anzuordnen. Die Ansteuerung dieser Thyristoren erfoägt dabei über Impulstransformatoren hinweg, wobei aus ökonomischen Gründen jeweils ein Impulstransformator zur Ansteuerung mehrerer Thyristoren dient Die in Serie zueinander angeordneten Thyristoren sind somit in einzelnen Thyristormodulen zusammengefaßt, wobei die Ansteuerung der innerhalb eines Thyristormoduls vorhandenen Thyristoren mit Hilfe eines zugeordneten Impulstransformators erfolgt

In diesem Zusammenhang ist es dabei bereits bekannt, zwischen den Gattern und Anoden der Thyristoren einer derartigen Thyristorkette Überspannungsschutzglieder vorzusehen, welche beim Auftreten von Überspannungen, so wie sie beispielsweise durch eine Leitungsunterbrechung in einer der Sekundärwicklungen des Impulstransformators hervorgerufen werden können, eine zwangszweise Zündung des betreffenden Thyristors hervorrufen, so daß auch bei Ausfall des entsprechenden Zündsignals der betreffende Thyristor in der gewünschten Weise gezündet wird, um den Betrieb des jeweiligen Thyristormoduls und damit der gesamten Thyristorketf; auch beim Auftreten einer derartigen Störung in der gewünschten Weise aufrechtzuerhalten.

Die bekannte Schaltungsanordnung hat jedoch den

Nachteil, daß bei Auftreten einer Störung bzw. eines Fehlers auf der Primärseite des Impulsgenerators der jeweilige Thyristormodul durch gleichzeitiges Anspre-

chen aller Überspannungsschutzglieder einer Überbelastung insbesondere im Hinblick auf die vorgesehene Spannungsteilerschaltung ausgesetzt wird, welche zu einer thermischen Zerstörung des jeweiligen Thyristormoduls führen kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Überwachungseinrichtung für den Hochspannungsumrichter der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß beim Auftreten einer Störung bzw. eines Fehlers auf der Primärseite des einem Thyristormodul zugeordneten Impulstransformators die Möglichkeit einer thermischen Zerstörung des jeweiligen Thyristormoduls weitgehend verhindert wird.

Erfindungsgemäß wird dies durch Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Thyristormoduls einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungsumrichters;

F i g. 2 ein Schaltbild eines Teils eines Thyristormoduls einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungsumrichters, und

F i g. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Thyristorzustand und dem elektrischen Widerstand des Fotoelements eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Überspannungsdetektors.
Die im Hochspannungsumrichter vorgesehene Thyri-

storkette besteht aus einer Mehrzahl von in Serie zueinander angeordneten Thyristormodulen, welche jeweils einen Aufbau gemäß F i g. 1 besitzen. Der in F i g. 1 dargestellte Thyristcrfliodul besteht dabei a;-s sechs in Serie zueinander angeordneten Thyristoren 2, welche auf der Anodenseite über eine Spule 1 mit einem Leistungsanschluß verbunden sind. Parallel zu den einzelnen Thyristoren 2 ist eine Spannungsteilerschaltung vorgesehen, deren Wechselstromteil jeweils aus einem Kondensator 3 und einem Widerstand 4 besteht, während der Gleichstromteil aus einzelnen Widerständen 5 aufgebaut ist Die einzelnen Glieder der Spannungsteilerschaltung sind dabei jeweils mit der Anode und der Kathode der einzelnen Thyristoren 2 verbunden. Mit Hilfe des Gleichspannungsteils dieser Spannungsteilerschaltung is wird dabei erreicht, daß an den einzelnen Thyristoren 2 jeweils die gleichen Spannungen anliegen, während mit Hilfe des Wechselstromteils dieser Spannungsteilerschaltung Kapazitätsschwankungen der Thyristorübergänge kompensiert werden.

Die einzelnen Thyristoren 2 eines Thyristormoduls werden gleichzeitig mit Hilfe eines Impulstransformators 6 gezündet Zu diesem Zweck ist der Impulstransformator 6 mit sechs Sekundärwicklungen versehen, deren Ausgangssignal nach Gleichrichtung in entsprechenden Dioden 7 den Gattern der Thyristoren 2 als Zündsignal zugeführt wird. Die Primärwicklung des Impulstransformators 6 ist hingegen über einen Verstärker 8 mit einem fotoelektrischen Umsetzerteil 9 verbunden, der von einem nicht dargestellten Steuerkreis mit Hilfe eines optischen Zündsignals angesteuert wird. Zwischen dem Verstärker 8 und der Anodenklemme A ist zusätzlich eine aus einem Widerstand 10 und einem Kondensator 11 bestehende Serienschaltung vorgesehen, welche der Signaldämpfung dient

Gemäß F i g. 1 ist zwischen der Anode und dem Gatter jedes Thyristors 2 zusätzlich ein Überspannungsschutzglied 12 vorgesehen, welches beim Auftreten von Überspannungen in der Vorwärtsrichtung den betreffenden Thyristor 2 schützt. Eine derartige Überspannung in der Vor^värtsrichtung kann beispielsweise dann auftreten, wenn Aufgrund unzureichender Arbeitsbedingungen des H<>chspannungsumsetzers eine zu kurze Thyristorsperrp^riode in der Rückwärtsrichtung vorhanden ist, was dazu führen kann, daß nur innerhalb eines Thyristors eine ausreichende Sperrfähigkeit in der Vorwärtsrichturig wieder hergestellt wird, während die anderen Thyristoren nicht in den Sperrzustand gelangen. Dies hat dann zur Folge, daß die gesamte Spannung des Hochspannungsumsetzers an dem betreffenden Thyristor anliegt, in welchem Fall das betreffende Überspannungsschutzglied 12 das Vorhandensein einer Überspannung zwischen der Anode und der Kathode des jeweiligen Transistors feststellt und durch Zündung des betreffenden Thyristors eine Beschädigung dcsselben verhindert Dieses Phänomen tritt dabei jedoch nur sporadisch auf, so daß der an dem Wechselstromteil der Spannungsteilerschaltung auftretende Leistungsverlust im wesentlichen den normalen Arbeitsbedingungen entspricht.

Falls jedoch innerhalb des Sekundärkreises des Impulstransformators 6 beispielsweise durch Beschädigung der Diode 7 ein Fehler auftritt und demzufolge der dazugehörige Thyristor keine normalen Zündimpulse erhält, erfolgt die Zündung des jeweiligen Thyristors über längere Zeiträume hinweg regelmäßig mit Hilfe des dazugehörigen Überspannungsschutzgliedes 12, was zur Folge hat, daß aufgrund der an dem jeweiligen Thyristor anliegenden höheren Spannung der Widerstand 4 des Wechselstromteils der Spannungsteilerschaltung überhitzt wird, so daß die Gefahr besteht daß sich die jeweilige Störung ausbreiten kann. Um beim mehrmaligen Ansprechen eines jeweiligen Überspannungsschutzgliedes 12 die dadurch bedingten Schwierigkeiten zu eliminieren, sind an den Steuerelektroden der Thyristoren 2 zusätzlich Temperaf^rschutzrelais 13 vorgesehen, mit welchen ein zu hoher Temperaturanstieg der Widerstände 4 festgestellt werden kann. Durch Ansprechen dieser Temperaturschutzrelais 13 können beim Auftreten von Überspannungen in der Vorwärtsrichtung die entsprechenden Thyristoren überbrückt werden, wodurch verhindert wird, daß ein durch kontinuierliche Betätigung des Überspannungsschutzgliedes 12 bedingter und damit zu einer Überhitzung des dazugehörigen Widerstandes 4 führender Fehler sich ausbreiten kann.

Die oben beschriebenen Schutzmaßnahmen mit den Elementen 12 und 13 sind für den Fall wirksam, in welchem aufgrund von Störungen in den Sekundärkreisen des Impulstransformators 6 eine geringe Anzahl von Überspannungsschutzgliedern 12 zum Ansprechen gelangen. Falls jedoch auf der Primärseite des Impulstransformator 6 beispielsweise innerhalb des Impulsverstärkers 8 ein Fehler auftritt, werden alle Überspannungsschutzglieder 12 des jeweiligen Thyristormoduls über längere Zeiträume hinweg in Betrieb gesetzt. Dieser Zustand führt zu einem Ansprechen der dazugehörigen Temperaturschutzrelais 13. Durch die Betätigung dieser Temperaturschutzrelais 13 werden somit die keine eigentlichen Zündimpulse erhaltenden Thyristoren beim Auftreten von Überspannungen in der Vorwärtsrichtung kurzgeschlossen.

Zur Anzeige dieses Zustands ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Thyristor eines Thyristormoduls mit einem Überspannungsdetektor versehen, welcher ein optisches Signal erzeugt, sobald die zwischen der Anode und der Kathode eines Thyristors vorhandene Spannung einen bestimmten Betrag überschreitet. Wenn dann während einer vorgegebenen Zeitperiode derartige Lichtsignale bei allen Thyristoren 2 des betreffenden Thyristormoduls festgestellt werden, kann dies als Indiz bewertet werden, daß die entsprechenden Überspannungsschutzglieder 12 des betreffenden Thyristormoduls kontinuierlich zum Ansprechen gelangt sind, so daß entsprechende Schutzmaßnahmen getroffen werden, um den gesamten Hochspannungsumrichter stillzulegen. Beim Vorsehen dieser Überspannungsdetektoren mit ihren lichtemittierenden Elementen wird dabei von der Erkenntnis ausgegangen, daß die Betriebsspannung der Überspannungsschutzglieder 12 zwei bis dreimal höher als die normale Betriebsspannung der Thyristoren 2 ist.

Der genaue Aufbau der Überspannungsdetektoren soll nunmehr unter Bezugnahme auf F i g. 1 erläutert werden: Parallel zu den einzelnen Thyristoren 2 sind zu diesem Zweck jeweils ein nichtlinearer Widerstand 14 sowie eine dazu in Serie liegende Diode 15 vorgesehen, wobei parallel zu der Diode IS eine lichtemittierende Diode 16 vorgesehen ist, die in entgegengesetzter Richtung geschaltet ist. Der beispielsweise aus ZnC>2 bestehende nichtlineare Widerstand 14 besitzt dabei eine derartige Charakteristik, daß bei Überschreitung eines vorgegebenen Wertes der angelegten Spannung sprunghaft ein Strom zu fließen anfängt. Die Spannung, bei welcher ein Stromfluß durch den nichtlinearen Widerstand 14 einsetzt, ist dabei wesentlich höher als die nor-

male Betriebsspannung der Thyristoren 2 und etwas unterhalb der Betriebsspannung der Überspannungsschutzglieder 12 gewählt. Wenn demzufolge das entsprechende Überspannungsschutzglied 12 in Betrieb gelangt, wird aufgrund des durch den nichtlinearen Widerstand 14 fließenden Stroms Licht von der lichtemittierenden Diode 16 abgegeben. Dieses Licht wird von entsprechenden Fotowiderständen 17 aufgefangen, welche elektrisch isoliert gegenüber den dazugehörigen lichtemittierenden Dioden 16 angeordnet sind. Die einzelnen Fotowiderstände 17 sind über entsprechende Widerstände 18 mit einer Spannungsquelle VCC verbunden. Die an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 18 und den Fotowiderständen 17 auftretende Spannung ändert sich somit in Abhängigkeit der auffallenden Lichtmenge. Die betreffenden Verbindungspunkte sind über entsprechende Leiter mit einem Logikkreis 19 verbunden.

Die Funktionsweise der beschriebenen Anordnung ist dabei wie folgt: Solange die einzelnen lichtemittierenden Dioden 16 nicht zum Ansprechen gelangen, tritt auf der entsprechenden Ausgangsleitung des Fotowiderstandes 17 ein bestimmter Spannungswert auf, so daß der betreffende Eingang des Logikkreises 19 eine Signalwert »1« sieht Wenn hingegen eine bestimmte lichtemittierende Diode 16 zum Ansprechen gebracht ist, erniedrigt sich die auf der Ausgangsleitung des Fotowiderstandes 17 vorhandene Spannung, so daß der Eingang des betreffenden Logikkreises 19 einen Wert »Null« sieht. Der Logikkreis 19 ist dabei derart aufgebaut, daß derselbe zum Ansprechen gebracht wird, wenn die an allen Eingängen vorhandenen Signale während einer bestimmten Zeitperiode den Wert »Null« aufweisen, wodurch angezeigt wird, daß alle Thyristoren 2 des betreffenden Thyristormoduls wiederholt hintereinander durch die entsprechende Überspannungsschutzglieder 12 gezündet worden sind. In diesem Fall wird dann aufgrund eines Ausgangssignals des Logikkreises 19 ein Eingangsunterbrecher betätigt, was zu einer Stillegung des Hochspannungsumrichters führt.

Bei der in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen Ausführungsform können die nichtlinearen Widerstände 14 durch gewöhnliche lineare Widerstände ersetzt werden, in welchem Fall jedoch gewisse Schwierigkeiten auftreten, um den Ansprechschwellenwert der betreffenden Schaltung in gewünschter Weise einstellen zu können.

F i g. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochspannungsumrichters, bei welcher als Überspannungsschutzdetektoren in Serie zu den jeweiligen Widerständen 5 des Gleichspannungsteils der Spannungsteilerschaltung jeweils eine Diode 15 und paraiiei dazu eine 'lichtemittierende Diode 16 vorgesehen sind. Mit den lichtemittierenden Dioden 16 sind Fotowiderstände 17 optisch gekoppelt, welche in entsprechender Weise wie die Fotowiderstände der in Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen Ausführungsform schaltungsmäßig angeschlossen sind. Bei der betreffenden Ausführungsform sind jedoch ausgangsseitig von den Fotowiderständen 17 Verstärker 20 vorgesehen, deren Ausgangssignale entsprechenden Vergleichern 21 zügeführt werden.

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltanordnung arbeitet dabei wie folgt: Aufgrund einer an einem jeweiligen Thyristor 2 anliegenden Spannung ergibt sich ein Stromfluß über den dazugehörigen Widerstand 5 und die lichtemittierende Diode 16. Wenn demzufolge der dazugehörige Thyristor 2 kurzgeschlossen bzw. zerstört ist, fließt durch die dazugehörige lichtemittierende Diode 16 kein Strom, so daß dieselbe ebenfalls kein Lichtsignal abgibt. Der Fotowiderstand 17 besitzt somit einen hohen Widerstandswert, v/as dem Bereich A in Fig.3 entspricht. Wenn hingegen der Thyristor 2 sich im normalen Betrieb befindet, fließt ein der Klemmenspannung des Thyristors 2 entsprechender Strom durch die lichtemittierende Diode 16, so daß der Fotowiderstand 17 einen Widerstand besitzt, der dem Bereich B von F i g. 3 entspricht. Wenn schließlich das dazugehörige Überspannungsschutzglied 12 zum Ansprechen gebracht ist, fließt durch die lichtemittierende Diode 16 ein Strom, der zwei oder dreimal größer als jener Strom ist, welcher im Normalbetrieb des Thyristors 2 durch die lichtemittierende Diode 16 fließt. Der Fotowiderstand 17 besitzt in diesem Fall somit einen sehr niedrigen Widerstandswcrt, der dem Bereich Cvon F i g. 3 entspricht. Entsprechend den oben beschriebenen Bedingungen vergleicht der Vergleicher 21 das Eingangssignal mit einer vorgegebenen Referenzspannung, wobei das Ausgangssignal des Vergleichers 21 einen anderen Spannungswert erhält, falls das Eingangssignal größer als die Referenzspannung ist. Die Referenzspannung ist dabei auf eine Eingangsspannung festgelegt, welche zwischen dem Bereich A und dem Bereich B von F i g. 3 zu liegen gelangt. Da im Fall einer Beschädigung des jeweiligen Thyristors 2 der Widerstand des Fotowiderstandes 17, wie erwähnt vom Bereich B in den Bereich A gelangt, ist die Anordnung derart getroffen, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 21 von einem Signalwert »1« auf einen Signalwert »0« absinkt, wobei an entsprechenden Ausgangsklemmen h bis m der Vergleicher 21 der Suche nach fehlerhaften Thyristoren dienende Signale abgenommen werden können. Wenn hingegen ein entsprechendes Überspannungsschutzglied 12 betätigt wird, gelangt der Widerstand des Fotowiderstandes 17 in den niederohmigen Bereich entsprechend dem Bereich C von F i g. 3, in welchem Fall ein Eingangssignal mit niedrigem Spannungswert dem Logikkreis 19 zugeführt wird. Der Logikkreis 19 ist dabei derart aufgebaut, daß bei gleichzeitigem Ansprechen aller Überspannungsschutzglieder 12 eines Thyristormoduls das Ausgangssignal des Logikkreises 19 von einem Wert »1« auf einen Wert »0« absinkt Wenn dann der Wert »0« des Ausgangssignals des Logikreises 19 während einer bestimmten Zeitperiode aufrechterhalten wird, werden entsprechende Schutzmaßnahmen ergriffen, aufgrund welcher eine Stillegung des Hochspannungsumsetzers erfolgt.

Es erscheint einleuchtend, daß bei der in F i g. 2 gezeigten Anordnung eine Signalverriegelung vorgesehen sein sollte, um eine unnötige Auslösung von Thyristorfehleranzeigesignalcn zu jenen Zeitpunkten zu vermeiden, wenn an den einzelnen Thyristoren keine Spannung angelegt ist. Die Ausführungsform von F i g. 2 besitzt zudem den Vorteil, daß die zur Feststellung eines Zusammenbruchs der Thyristoren verwendeten Glasfasern ebenfalls zur Feststellung einer länger andauernden Betätigung der Überspannungsschutzglieder verwendet werden. Der erfindungsgemäße Hochspannungsumrichter ist schließlich so aufgebaut daß ein kontinuierliches Ansprechen der Überspannungsschutzglieder 12 festgestellt werden kann, bevor die einzelnen Temperaturschutzrelais 13 zum Ansprechen gelangen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Überwachungseinrichtung für einen Hochspannungsumrichter mit einer Mehrzahl von in Serie zueinander angeordneten Thyristormodulen mit jeweils aus einer gewissen Anzahl von in Serie zueinander angeordneten Thyristoren, parallel zu welchen jeweils eine die Spannungsbereiche der einzelnen Thyristoren festlegende Spannungsteilerschaltung vorgesehen ist, mit parallel zu den Gatterkathodenstrecken der einzelnen Thyristoren angeordneten Sekundärwicklungen eines Impulstransformators, dessen Primärwicklung mit einem entsprechenden Steuerkreis verbunden ist, und mit parallel zu den einzelnen Thyristoren angeordneten Überspannungsschutzgliedern, die die Thyristoren leitend steuern, wenn deren Anoden-Kathodenspannung einen vorgegebenen Wert übersteigt, dadurch gekennzeichnet,