DE3229326A1

DE3229326A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung und uebertragung von hochleistungsimpulsen sowie ein verfahren zu deren betrieb

Info

Publication number: DE3229326A1
Application number: DE19823229326
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. 5430 Wettingen Maier
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-08-06
Filing date: 1982-08-06
Publication date: 1984-02-09
Also published as: CH660268A5; FR2531585A1

Description

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Schaltungsanordnung zur Erzeugung und Uebertragung von Hochleistungsimpulsen sowie ein Verfahren zu deren Betrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung und Uebertragung von Hochleistungsimpulsen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.

Eine solche Schaltungsanordnung, bei der elektromagnetische Energie im Magnetfeld einer Speicherinduktivität gespeichert und in relativ kurzer Zeit in der Form von Hochleistungsimpulsen für die Heizung eines Plasmas in einem Fusionsreaktor entnommen werden kann, ist aus der Druckschrift DE-PS 2 461 245 bekannt. In dieser Schaltungsanordnung ist ein fliegender Kondensator als Reihenkondensator in eine der Verbindungsleitungen zwischen Speicherund Lastinduktivität geschaltet. Parallel zu den Induktivitäten ist auf jeder Seite des Kondensators jeweils ein Thyristor angeordnet, mit dessen Hilfe die Induktivitäten in einer Stromrichtung kurzgeschlossen werden können.

Der Vorgang der Energieübertragung von der Speicherinduktivität auf die zum Auskoppeln der Impulse bestimmte Lastinduktivität wird durch das Oeffnen eines Schalters eingeleitet, der parallel zur Speicherinduktivität liegt und im

geschlossenen Zustand zusammen mit dieser den Speicherkreis bildet, in dem ein gespeicherter Gleichstrom zirkuliert. Durch wechselseitiges Durchschalten und Löschen der Thyristoren wird der Kondensator, dessen Speichervermögen im Vergleich zur Speicherinduktivität klein ist, abwechselnd mit der Speicher- bzw. der Lastinduktivität verbunden und in den so gebildeten Schwingkreisen be- bzw. entladen. Infolgedessen überträgt der Kondensator die gespeicherte elektromagnetische Energie mit Hilfe seines

¹^ elektrischen Feldes in kleinen Portionen von der Speicherin die Lastinduktivität j an der sie z.B. über einen Sekundärkreis abgenommen werden kann.

Die in der Schaltungsanordnung verwendeten Thyristoren, insbesondere jedoch der zwischen Kondensator und Speicherinduktivität angeordnete Parallelthyristor_a stellen hinsichtlich der Lösch- und Kommutierungssicherheit hohe Anforderungen an die Schaltungsauslegung. So muss der Kondensator, ausgehend von einer kleinen, negativen Ladespannung, durch Entladung in diesem Parallelthyristor einen Stromnulldurchgang erzwingen, d.h. einen dem Speicherstrom entsprechenden Entladestrom erzeugen, damit der Thyristor innerhalb der Preiwerdezeit seine Sperrfähigkeit wiedererlangen kann. Aus diesem Grunde darf die Streuinduktivität bei vorgegebener Kapazität einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten.

Ein weiteres Problem ergibt sich beim Betrieb des Schalters, der zusammen mit der Speicherinduktivität den Speicherkreis bildet, oder eines Schalters, der eine Gleichstromquelle zum Laden des Speicherkreises mit der Speicherinduktivität ver- ■ⁿ- bindet. Da ein solcher Schalter beim Beginn der Energieübertragung auf die Lastinduktivität nur in einem Stromnulldurchgang geöffnet werden kann, ist ein zusätzlicher

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Löschkreis notwendig, der z.B. mit Hilfe einer Kondensatorentladung kurzzeitig den durch den Schalter fliessenden Speicherstrom kompensiert. Der als Zwischenspeicher arbeitende Kondensator kann diese Aufgabe in der bekannten Schaltung nicht übernehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochleistungsimpulsen zu schaffen, die einerseits hinsichtlich der Kommutierung der verwendeten Stromrichterventile unkritisch ist und bei der andererseits der kapazitive Zwischenspeicher gleichzeitig als Löschkondensator für den Hauptschalter des Speicherkreises verwendet wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung die Merkmale aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1 vorgesehen sind.

Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung sowie deren Wirkungsweise werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit direkter Antiparallelschaltung von Diode und Thyristor im ersten Stromzweig zum Auskoppeln bipolarer Impulse,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Auskoppeln unipolarer Impulse, bei dem im ersten Stromzweig eine Diode zu einer Serienschaltung aus Thyristor und Lastinduktivität antiparallel geschaltet Ist,

Fig. 3 ein weiteres, bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem gesteuerten Drehstromnetzteil als Gleichstromquelle,

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Pig. 4 den zeitlichen Verlauf der Ströme im ersten und zweiten Stromzweig einer Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1.

Bei dem in Pig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der- erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist eine Gleichstromquelle 23 über ein Schaltelement 22 mit einer Speicherinduktivität 18 verbunden. Parallel zur Speicherinduktivität 18 sind in einem ersten Stromzweig hintereinander ein Kondensator 12, eine Lastinduktivität 17 und ein steuerbares Kommutierungsventil 9 angeordnet. Ebenfalls parallel zum ersten Stromzweig verläuft ein zweiter Stromzweig mit einem steuerbaren Freilaufventil 8. Zum Freilaufventil 8 ist ein erstes, steuerbares Umschwingventil 7 antiparallel geschaltet. Ein zweites umschwingventil 10 ist ausschliesslien zurr. Kommutierungsventil 9 antiparallel geschaltet. Das Freilaufventil 8 und das Kommutierungsventil 9 sind gleichsinnig und bezüglich der Polung der Gleichstromquelle 23 in Sperrichtung angeordnet. Die steuerbaren Ventile 7, 8 und 9j für die beispielsweise Leistungsthyristoren eingesetzt werden können, erhalten ihre Steuersignale in geeigneter, zeitlicher Reihenfolge über nicht eingezeichnete St. euer leitungen von einer Steuerelektronik, die der Ueb ersichtlichkeit wegen in der Zeichnung weggelassen worden ist und in ihrem schaltungsmässigen Aufbau nach bekannten Prinzipien von jedem Fachmann ausgeführt werden kann.

Die Wirkungsweise der in Fig, I gezeigten Schaltungsanordnung kann anhand der in Fig. h dargestellten Stromverläufe beispielhaft erläutert werden. Der Betriebsablauf geht von einem Anfangszustand aus, bei dem im Anschluss an eine

längere Anlaufphase die Gleichstromquelle 23 über das geschlossene Schaltelement 22 einen stationären Speicherstrom i_d durch die Speicherinduktivität 18 treibt. Der Kondensator 12 ist mit der in Pig. I eingezeichneten PoIarität auf ein bestimmtes Spannungsniveau aufgeladen. Die Aufladung kann beispielsweise durch die Gleichstromquelle 23 über das zweite Umschwingventil 10, oder über ein separates, nicht eingezeichnetes Netzgerät erfolgen, das direkt mit dem Kondensator verbunden ist und nach Ab-Schluss des Aufladevorganges von der Schaltung getrennt wird.

Die steuerbaren Ventile 7*8 und 9 erhalten in diesem Anfangszeitraum keine Steuerimpulse, d.h., sie sind gesperrt und verhindern daher einen Stromfluss in dem ersten und zweiten Stromzweig parallel zur Speicherinduktivität 18. Die Energie, die schrittweise in Form von Hochleistungsimpulsen aus der Schaltung entnommen werden kann, ist zu diesem Zeitpunkt ausschliesslich im magnetischen Feld der Speicherinduktivität 18 gespeichert, das vom Speicherstrom i, aufrechterhalten wird.

Die nachfolgende Ausspeicherphase wird gemäss Fig. 4 zur Zeit t durch die Zündung des Kommutierungsventils 9 eingeleitet. Der zuvor geladene Kondensator 12 lädt sich über die Last induktivität 17, das gezündete Kommutierungsventil 9, das geschlossene Schaltelement 22 und den inneren Widerstand der Gleichstromquelle 23 um. Der dabei fliessende Kondensatorstrom i hat aufgrund des Schwingkreis-Charakters der Schaltung einen sinusförmigen Verlauf. Periode und Amplitude des Kondensatorstroms werden von den elektrischen Grossen der in den Umladungsprozess einbezogenen Schaltkreiselemente bestimmt. In der ersten Halbwelle des Stromes i , die nach der in Fig. 1 vorgenommenen

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Festlegung der Stromrichtungen in Fig. 4 negativ erscheint, überlagert sich der Kondensat or strom dem Speicherstrom i·, ' aufgrund der Polaritäten von Kondensator und Gleichstromquelle subtraktiv. Durch geeignete V/ahl der Schaltungsparameter kann erreicht werden, dass die Amplitude von i , wie in Fig. 4 dargestellt, die Grosse des gestrichelt eingezeichneten Speicherstromes i, übersteigt. In diesem Fall kommt es innerhalb der ersten Halbwelle des Kondensatorstromes i zu wenigstens einem Stromnulldurchgang im Schaltelement 22, und zwar zur Zeit t, , wenn beide überlagerten Ströme gerade entgegengesetzt gleich sind.

Das Schaltelement 22, beispielsweise ein statischer Halbleiterschalter, kann zum Zeitpunkt t, dieses Stromnulldurchgangs ohne Schwierigkeiten geöffnet werden, so dass im weiteren Verlauf des Ausspeichervorgangs die Gleichstromquelle 23 von dem übrigen Teil der Schaltungsanordnung abgetrennt ist. Um ein ungehindertes Weiterfliessen insbesondere des Kondensatorstromes i zu ermöglichen, wird gleichzeitig in t-^ das erste Umschwingventil 7 durch einen Steuerimpuls aus der Steuerelektronik geöffnet. Dann fliesst im zweiten Stromzweig, der auch als Freilaufzweig bezeichnet werden kann, ein Freilaufstrom i , der nach der in Fig. 1 getroffenen Festlegung gemäss der Knotenregel mit den Strömen i und i, durch die Gleichung

verknüpft ist. Da der Speicherstrom i innerhalb der kurzen Umschwingperiode des Kondensators in erster Näherung als konstant angesehen werden kann, unterscheiden sich i und i_f, wie aus Fig. 4 ersichtlich, nur durch die konstante Grosse i,.

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Der Freilaufstrom i_f geht im Zeitpunkt tp durch Null und der Kondensatorstrom i erreicht das Niveau des Speicherstroms i_d, nachdem beide ein Maximum durchlaufen haben. Die Kondensatorspannung hat in diesem Maximum ihr Vorzeichen gewechselt, so dass der Kondensator 12 in t. bereits mit einer Polarität aufgeladen ist, die der ursprünglichen und in Fig. 1 eingezeichneten entgegengesetzt ist. Da das Freilaufventil 8 auch weiterhin sperrt, fliesst vom Zeitpunkt tp ab der gesamte Speicherstrom i, als Kondensatorstrom über den ersten Stromzweig. In dieser Phase ist

daher i konstant und in Fig. 4 als horizontale Gerade Q

eingetragen. Die Ladespannung des Kondensators 12 wächst unvermindert weiter, bis sie zum Zeitpunkt t einen bestimmten Wert erreicht hat. In t wird durch einen weiteren Steuerimpuls das Freilaufventil 8 gezündet und die Kondensatorspannung treibt einen Kondensatorstrom i durch den ersten und zweiten Stromzweig, der durch den erzwungenen Stromnulldurchgang zunächst das Kommutierungsventil 9 löscht und über das ungesteuerte, zweite Um-

*® schwingventil 10 weiterfliesst. Der Kondensator schwingt über die Ventile 8 und 10 um und erreicht zur Zeit t^ wieder die Löschbereitschaft für den nächsten Kommutierungsvorgang. Der beschriebene Umschwingzyklus mit kapazitiver Zwischenspeicherung kann fortgesetzt werden, bis der Speicherstrom i, in der Speicherinduktivität 18 entweder durch gesteuerte Energieentnahme oder durch die natürliche Dämpfung auf Null absinkt.

Da der Kondensatorstrom i stets auch durch die Lastinduktivität 17 fliesst, erzeugt er dort nach Massgabe der in ^ Fig. ^ dargestellten Kurve einen zeitlich veränderlichen, magnetischen Fluss relativ grosser Steilheit, der zum Auskoppeln von Leistungsimpulsen über eine geeignete Sekundärwicklung in der Lastinduktivität benutzt werden kann. So-

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bald über die Lastinduktivität 17 aus der Schaltung Energie entnommen wird, verringert sieh der Speicherstrom i in ent-

sprechender Weise. Die mit der Aenderung von i verbundene Aenderung des magnetischen Flusses in der Speicherinduktivität 18 kann ebenfalls zur induktiven Energieentnahme aus der Speicherinduktivität selbst eingesetzt werden.

Die in der Lastinduktivität 17 ausgekoppelten Impulse sind bei einer Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 bipolar, d.h., die Impulsfolge besteht aus positiven und negativen Impulsen, entsprechend den positiven und negativen Halbwellen des Kondensatorstroms i nach Fig. H. Da in diesem Fall das zweite Umschwingventil 10 und das Kommutierungsventil 9 als Diode und Thyristor direkt antiparallel geschaltet sind, können beide vorteilhaft zu einem rückwärts leitenden Thyristor RLT zusammengefasst und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Das zweite Umschwingventil 10 ist hier zu einer Serienschaltung des Kominutierungsventils 9 und der Last induktivität 17 antiparallel geschaltet. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in der Lastinduktivität ausschliesslich Impulse einer Polarität auftreten und abgenommen werden können, weil die Last induktivität nur in den Zeitabschnitten von dem Kondensatorstrom i durchflossen wird, in denen das Kommutierungsventil 9 leitend ist. Zusätzlich kann eine weitere Induktivität, die Kommutierungsdrossel 16, in den zweiten Stromzweig eingefügt werden, um diejenigen Impulse getrennt auszukoppeln, die von der Lastinduktivität 17 nicht erfasst werden. Durch geeignete Kombination der entsprechenden Sekundärwicklungen beider Induktivitäten können so nach dem Prinzip der Doppelweggleichrichtung alle Strom-

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halbwellen zur Auskopplung von Impulsen einer einzigen Polarität benutzt werden. Darüberhinaus begrenzt die Kommutierungsdrossel 16 die für Thyristoren kritische Stromsteilheit di/dt.

In einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist die Gleichstromquelle 23 mit dem Schaltelement 22 aus Fig. 1 als Drehstromtransformator ausgeführt, an dessen Sekundärwicklungen 13, 14 und 15 steuerbare Stromrichterventile 1,2 und 3j insbesondere Thyristoren, angeschlossen sind. Weitere Stromrichterventile 19, 20 und 21, die nicht notwendigerweise steuerbar sein müssen, bilden zusammen mit den Ventilen 1,2 und 3 eine Brückenschaltung, die bei entsprechender Ansteuerung der letztgenannten Ventile einen Gleichstrom durch die Speicherinduktivität 18 treiben. Die steuerbaren Ventile 1,2 und 3 erfüllen gleichzeitig die Funktion des Schaltelements 22 aus Fig. 1 und Fig. 2, so dass auch hier im bereits beschriebenen Stromnulldurchgang in der ersten Halbwelle des Kondensatorstoms i die gerade leitenden Stromrichterventile gelöscht werden können.

Zur Einspeisung der Hochleistungsimpulse in ein ringförmiges Plasma ist es vorteilhaft, die Lastinduktivität 17 als eine erste Primärwicklung eines Transformators auszubilden, auf dessen Sekundärseite ein Plasmatorus als Sekundärwicklung angeordnet ist, so dass die Aenderung des magnetischen Flusses mit den Stromimpulsen durch die Lastinduktivität direkt im leitenden Plasmaring einen Strom induziert, der zur Aufheizung des Plasmas beiträgt« Weiterhin ist es auch von Vorteil, wenn die Speicherinduktivität 18 als eine zweite Primärwicklung des Transformators ausgebildet und gegenüber der ersten Primärwicklung magnetisch entkoppelt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht

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werden, dass die Wicklungen jeweils in gleichartige Teilwicklungen aufgetrennt und diese Teilwicklungen so angeordnet werden, dass keine Rückwirkungen unter den Primärwicklungen Zustandekommen.

Darüberhinaus ist es auch von Vorteil, die Transformatorwicklungen der Induktivitäten 16 und 17 als supraleitende Wicklungen auszuführen, um die Verluste in den Induktivitäten gering zu halten.

Die Werte für die in der Schaltungsanordnung eingesetzten Induktivitäten und Kapazitäten richten sich in einfacher
Weise nach den technischen Daten der verwendeten Ventile
und den Forderungen, die an Höhe und Dauer der Hochleistungsimpulse gestellt werden. Insbesondere müssen die
Induktivitäten ausreichend gross sein, um die Stromsteilheit di/dt auf einen für die Thyristoren unkritischen Wert zu begrenzen. Ladespannung und Kapazität des Kondensators 12 sollen genügend hoch gewählt werden, um einerseits den zum Löschen der Thyristoren erforderlichen Stromnulldurchgang zu erzwingen und andererseits die damit verbundene
Stromumkehr für eine vom Thyristortyp vorgegebene Zeitspanne aufrechtzuerhalten.

Insgesamt ergibt sich aus der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung der Vorteil, dass in einfacher und unkritischer Weise mit Hilfe von statischen Elementen Energie aus einem induktiven Speicher entnommen und in Form von Hochleistungsimpulsen beispielsweise zur Plasmaaufheizung abgegeben werden kann. Die spezielle Anordnung der Schaltkreiselemente ermöglicht dabei eine sichere Kommutierung der verwendeten Thyristorventile durch die hohe Ladespannung des einge-

setzten Kondensators, der gleichzeitig als Löschkondensator für den Hauptschalter des Speicherkreises dient,

Claims

Patentansprüche

IJ Schaltungsanordnung zur Erzeugung und Uebertragung von Hochleistungsimpulsen, insbesondere in Plasmafusionsanlagen, in der eine Speicherinduktivität (18) einerseits über ein Schaltelement (22) mit einer Gleichstromquelle (23) und andererseits über einen als Zwischenspeicher wirkenden Kondensator (12) mit einer Lastinduktivität (17) zum Auskoppeln von Impulsen verbunden ist und zur Steuerung des Auskopplungsvorganges Halbleiterventile eingesetzt sind, dadurch gekennzeich-

-*-0 net, dass parallel zur Speicherinduktivität (18) ein erster Stromzweig mit einer Serienschaltung des Kondensators (12), der Lastinduktivität (17) und eines Kommutierungsventils (9), und parallel zum ersten Stromzweig ein zweiter Stromzweig mit einem Freilaufventil (8) angeordnet sind, und dass antiparallel zum Freilaufventil (8) ein erstes Umschwingventil (7) und antiparallel zum Kommutierungsventil (9) ein zweites umschwingventil (10) geschaltet sind,
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Umschwingventil (10) eine Diode und das Kommutierungsventil (9) ein Thyristor sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Umschwingventil (10) ausschliesslich zum Kommutierungsventil (9) antiparallel geschaltet und beide Ventile (9, 10) in einem rückwärts leitenden Thyristor (RLT) zusammengefasst sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Umschwingventil (10) zu - einer

Serienschaltung des Kommutierungsventiüs (9) und der Lastinduktivität (17) antiparallel geschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Stromzweig zum Freilaufventil

(8) eine Kommutierungsdrossel (16) in Reihe geschaltet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle (23) mit dem Schaltelement (22) als Drehstromtransformator mit an die Sekundärwicklungen (13, I**» 15) angeschlossenen, steuerbaren Stromrichterventil en (1, 2, 3) und v/eiteren Stromrichterventilen (19, 20, 21) in Brückenschaltung ausgeführt ist„
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet, dass die Lastinduktivität (17) als eine erste Primärwicklung eines Transformators ausgebildet ist, auf dessen Sekundärseite ein Plasmatorus als Sekundärwicklung angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherinduktivität (18) als eine zweite Primärwicklung des Transformators ausgebildet und gegenüber der ersten Primärwicklung magnetisch entkoppelt ist.
9. Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Anfangszustand, in dem das Schaltelement (22) geschlossen ist, die Gleichstromquelle (23) einen Speicherstrom (i,) durch die Speicherinduktivität (18) treibt und der Kondensator (12) mit der Polarität der

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Gleichstromquelle (23) aufgeladen ist, zu einem ersten Zeitpunkt (t ) das Kommutierungsventil (9) gezündet und der Kondensator (12) mit einem Kondensatorstrom (i ) über das Schaltelement (22) umgeladen wird, dass zu einem zweiten Zeitpunkt Ct₁), in dem Kondensatorstrom (i ) und Speicherstrom (i_H) annähernd gleich sind, das Schaltelement (22) geöffnet und das erste Umschwingventil (7) gezündet werden^ und dass nach Beendigung der Umladung zu einem dritten Zeitpunkt (t,) das Freilaufventil (8) gezündet und der Kondensator (12) durch eine weitere Umladung auf seinen ursprünglichen Ladezustand gebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Hochleistungsimpulse mit Sekundärwicklungen aus der Lastinduktivität (17) und der Kommutierungsinduktivität (16) ausgekoppelt werden.