DE3238250C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Übertrager unipolarer Steu­ erimpulse zum Ansteuern von Thyristoren, insbesondere in Umrichtern.

Solche Übertrager werden in Stromrichterschaltungen, z.B. in Umrichterschaltungen, benötigt zur Potential­ trennung zwischen der elektronischen Einrichtung zur Impulserzeugung und den zu steuernden Thyristoren sowie gegebenenfalls zur Anpassung zwischen Impulserzeugungs­ einrichtung und Thyristorzündkanal. Die Impulserzeu­ gungseinrichtung liegt dabei üblicherweise auf Erdpoten­ tial, die Ansteuerelektroden des Thyristors dagegen auf Hochspannungspotential. Das Hochspannungspotential kann sich in solchen Anordnungen betriebsmäßig mit einer Än­ derungsgeschwindigkeit du/dt von 1000 bis 5000 V/µs än­ dern. Diese Änderungen im Potentialunterschied zwischen Primärseite und Sekundärseite des Übertragers führen zu Verschiebungsströmen über die Koppelkapazität zwischen den Wicklungen. Durch die Verschiebungsströme werden in den Wicklungen Spannungen induziert, die als Störspan­ nungsimpulse Fehlzündungen der Thyristoren verursachen können.

Zur Vermeidung der Induzierung von Störimpulsen und da­ mit zur Vermeidung von Störzündungen bei Thyristoren können - wie den BBC-Nachrichten, März 1968, Seite 124 und 125 entnehmbar - zwischen die Wicklungen des Über­ tragers zwei Schirme aus Metallfolien gewickelt werden. Der eine Schirm wird dabei mit Schirmerde, der andere mit der Kathode des zugehörigen Thyristors verbunden. Die Kapazität zwischen den Wicklungen ist gering im Ver­ gleich zur Kapazität zwischen den Schirmen. Die durch die Spannungssprünge verursachten Ströme fließen in der Hauptsache zwischen den Schirmen, so daß in den Wick­ lungen des Übertragers nur geringe Spannungen induziert werden.

Für Ansteuerübertrager wird üblicherweise ein ferro­ magnetisches Material mit hoher Sättigungsinduktion und kleiner Remanenzinduktion verwendet, und zwar vorwiegend in der Form von Ringkernen. Bei Ringkernen ist jedoch eine statische Abschirmung der Übertragerwicklungen durch Metallfolien oder Metallschichten, die aus der DE-PS 8 48 368 bekannt sind, aufwendig. Anstelle einer Metallfolie oder Metallschicht kann auch eine bifilar gewickelte Schirmung gemäß der GB-PS 13 19 932 vorgese­ hen werden. Allerdings ist für eine gute Schirmwirkung eine Wicklung mit dicht nebeneinanderliegenden Drähten erforderlich, wofür eine Schirmwicklung mit vielen Win­ dungen und - trotz bifilarer Wicklung - unerwünscht ho­ her Induktivität vorzusehen ist. Man könnte zur Verrin­ gerung der Induktivität auch eine Aufteilung auf mehrere Einzelwicklungen vorsehen, wodurch der Aufwand aber hoch wird. Für Übertrager mit Ringkernen wurde deshalb in der DE-PS 17 63 364 vorgeschlagen, anstelle der Verwendung von Schirmen aus gewickelter Metallfolie, die Wicklungen aus einer Koaxialleitung herzustellen, wobei die Stör­ ströme über den äußeren Leiter der Koaxialleitung abge­ leitet werden. Diese Maßnahme erwies sich, obwohl ein gewisser Durchgriff der Störströme durch den Schirm ge­ geben ist, als ausreichend, so lange die Anstiegsgesch­ windigkeit der Potentialänderung noch relativ gering war und das Übersetzungsverhältnis des Übertragers bei 1 lag.

Mit den heute zur Verfügung stehenden Thyristoren werden in Thyristorschaltungen Spannungsänderungsgeschwindig­ keiten bis 5000 V/µs erreicht. Außerdem wählt man vor­ teilhaft ein Übersetzungsverhältnis des Übertragers, das wesentlich von 1 verschieden ist. Man kann dann nämlich in der Impulserzeugungseinrichtung die Impulse mit rela­ tiv hoher Spannung erzeugen, um die Schaltleistung der Transistoren nutzen zu können. Bei diesen Gegebenheiten erweisen sich die bekannten Lösungen zur Vermeidung von Störzündungen als unzureichend. Außerdem sind mit rela­ tiv dicken Koaxialleitungen nicht große Windungszahlen auf einem kleinen Ringkern realisierbar.

Alle vorgenannten bekannten Anordnungen sehen eine Ab­ schirmung der Hauptwicklung vor. Eine Kompensation von durch Störströme verursachten magnetischen Durchflutun­ gen erfolgt durch ein Zusammenwirken von Primär- und Sekundärseite des Übertragers.

Schließlich ist aus der DE-PS 5 69 235 ein in der Fern­ sprechtechnik verwendbarer Übertrager mit Haupt- und Zusatzwicklungen bekannt. Bei diesem Übertrager wird die Kapazität der Hauptwicklung gegenüber der Erde mit Hilfe von zusätzlichen Wicklungen symmetriert. Die zusätzli­ chen Wicklungen erhöhen dabei die Erdkapazität desjeni­ gen Teils der Hauptwicklung, der eine zu geringe Kapazi­ tät gegenüber Erde aufweist. Nur im Hinblick auf diese Aufgabe werden die zusätzlichen Wicklungen bezüglich ihrer Windungszahl ausgelegt und innerhalb des Übertra­ gers angeordnet. Die in der DE-PS 5 69 235 vorgeschlage­ nen Maßnahmen verhindern jedoch nicht, daß durch schnel­ le Potentialänderungen zwischen Primär- und Sekundärsei­ te hervorgerufene Verschiebungsströme in der lediglich bezüglich der Kapazität gegenüber Erde symmetrierten Hauptwicklung Spannungsabfälle magnetisch induzieren und dadurch Störspannungsimpulse erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber den bekannten Lösungen bessere Unterdrückung von Stör­ impulsen bei Übertragern für unipolare Thyristorsteuer­ impulse zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Übertrager mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielten Vorteile bestehen unter anderem darin, daß auf jeder Seite des Übertragers eine gute Kompensation der durch Störströme verursachten Durchflutung erreicht wird, indem praktisch gleich große Störströme durch die Hauptwicklung (Primär- oder Sekundärwicklung) und durch die jeweils zugehörige Zusatzwicklung in Gegenrichtung fließen. Die Kompensati­ on erfolgt also direkt auf jeder Übertragerseite ohne Mitwirkung der anderen Seite. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen versucht wird, durch eine Ab­ schirmung Störströme aus der Hauptwickung fernzuhalten, weist der erfindungsgemäße Übertrager keinen Schirm auf. Während bei bekannten Übertragern mit z.B. als Zusatz­ wicklung ausgeführten Schirmen eine enge kapazitive Kopplung zwischen den Schirmen der beiden Übertragersei­ ten und ein geringer Durchgriff zwischen den Hauptwick­ lungen besteht, haben beim erfindungsgemäßen Übertrager die Haupt- und Zusatzwicklungen einer Übertragerseite die gleiche Koppelkapazität zu den Wicklungen der ande­ ren Übertragerseite. Dementsprechend fließt ein durch eine Potentialänderung verursachter Störstrom bei der bekannten Lösung nur im Schirm (Zusatzwicklung) und ruft eine magnetische Durchflutung im Kern hervor, die auf der anderen Übertragerseite eine entgegengerichtete Durchflutung bewirkt, so daß sich die Duchflutungen im Idealfall aufheben. Es hat sich aber gezeigt, daß die Störimpulsunterdrückung wesentlich besser ist, wenn eine Kompensation der magnetischen Durchflutungen auf einer Übertragerseite durchgeführt wird, wie mit der Erfindung vorgeschlagen.

Durch die Kompensation der durch Störströme hervorgeru­ fenen Durchflutungen innerhalb eines Wicklungsblocks (Hauptwicklung mit Zusatzwicklung) bleibt die Form der Wicklungsblocks (Primär- oder Sekundärwicklung) und ihre gegenseitige Anordnung auf dem Kern ohne Einfluß auf die Wirksamkeit der Störimpulsunterdrückung. Man kann also bei der Gestaltung des Übertragers in stärkerem Maße andere Randbedingungen, wie z.B. Minimierung der Emp­ findlichkeit gegen Störeinflüsse von außen oder Erfor­ dernisse der Isolierung gegen die Hochspannung berück­ sichtigen. Auch das Windungszahlverhältnis zwischen Pri­ mär- und Sekundärwicklung ist ohne Einfluß auf die Wirk­ samkeit der Störimpulsunterdrückung.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die elektrische Schaltung der Haupt- und Zu­ satzwicklungen des Übertragers,

Fig. 2 die Anordnung von Haupt- und Zusatzwicklung auf der Primär- und Sekundärseite des Über­ tragers, und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen ringförmigen Über­ trager mit zwei übereinander angeordneten Wicklungsblöcken.

Dem Schaltbild in Fig. 1 ist zu entnehmen, daß die von der Impulserzeugungseinrichtung 6 kommenden Zündimpulse auf den Wicklungsanfang 1 a der Primärwicklung 1 gegeben werden. Sowohl das Ende 1 b der Primärwicklung 1 als auch der Anfang 2 a der zur Primärwicklung 1 gehörenden Zu­ satzwicklung 2 sind mit Erde 8 verbunden. Das Ende 2 b der Wicklung 2 ist nicht angeschlossen. Auf der Sekun­ därseite ist der Anfang 4 a der Sekundärwicklung 4 mit dem Steueranschluß des Thyristors 7 verbunden. Das Ende 4 b der Sekundärwicklung 4 und der Anfang 3 a der zugehö­ rigen Zusatzwicklung 3 sind mit der Kathode des Thyri­ stors 7 verbunden. Das Ende 3 b der Zusatzwicklung 3 ist nicht angeschlossen. Die Wicklungsanfänge sind in der Zeichnung zusätzlich mit einem Punkt gekennzeichnet.

In Fig. 2 ist die über die Wicklungen verteilte Kopp­ lungskapazität C _W dargestellt. Außerdem ist angedeutet, daß jeweils die Haupt- und die Zusatzwicklung vorzugs­ weise gemeinsam auf den Kern 9 des Übertragers 5 ge­ wickelt werden, jedenfalls Haupt- und Zusatzwicklung einer Übertragerseite gleiche geometrische Anordnung haben. Diese Bedingung ist auch dann noch erfüllt, wenn Haupt- und Zusatzwicklung gegensinnig gewickelt werden, damit z.B. Ende 1 b der Primärwicklung 1 und Anfang 2 a der Zusatzwicklung nebeneinanderliegen. Gleiche geome­ trische Anordnung kann man auch sicherstellen, indem die Drähte der Haupt- und der Zusatzwicklung eines Wick­ lungsblocks verdrillt werden. Mit der gleichen Anordnung und Windungszahl von Haupt- und Zusatzwicklung wird er­ reicht, daß die Koppelkapazität C _W für beide Wicklungen gleich ist und damit auch der darüber übertragene Stör­ strom i _stör.

Wie in Fig. 1 mit den Pfeilen angegeben, fließt bei ei­ ner bestimmten Änderung des Potentialunterschieds ein Störstrom i _stör von der Sekundärseite über die Koppel­ kapazitäten zur Hauptwicklung 1 und in praktisch glei­ cher Größe zur Zusatzwicklung 2 der Primärseite und an­ schließend zur Erde 8. Da nur der Anfang 2 a der Zusatz­ wicklung 2 mit Erde 8 verbunden ist, ist die Richtung des Störstroms i _stör in der Zusatzwicklung 2 bestimmt. Sie ist umgekehrt zur Stromrichtung in der Hauptwicklung 1, wodurch sich die Durchflutungen aufheben und kein Störimpuls induziert wird. Mit Umkehrung der Änderungs­ richtung des Spannungspotentials ändert sich auch die Richtung des Störstromflusses an sämtlichen Wicklung 1 bis 4 und die erzeugten Durchflutungen heben sich eben­ falls wieder auf.

Fig. 3 zeigt einen zweckmäßigen Aufbau des Übertragers 5, und zwar als Schnitt durch einen ringförmigen Übertra­ ger. Man erkennt eine rotationssymmetrische Isolierung 10 und einen ringförmigen Kern 9. Um den Kern 9 sind in einem ersten Block die Primärwicklung 1 und die Zusatz­ wicklung 2 gewickelt. Durch die Isolierung 10 getrennt ist in einem zweiten Block die Sekundärwicklung 4 mit Zusatzwicklung 3 aufgebracht. Es wäre auch möglich, die Primär- und Sekundär-Wicklungsblöcke nebeneinander auf dem Kern 9 anzuordnen. Die Unterdrückung von Störim­ pulsen wäre in gleicher Weise gegeben. Die Anordnung nach Fig. 3 bietet jedoch bei großer Potentialdifferenz zwischen Primär- und Sekundärseite eine bessere Isolie­ rung, da kein Kurzschluß über den Kern 9 zu befürchten ist. Die Wicklungsblöcke müssen nicht die gesamte Länge des ringförmigen Kerns 9 umfassen, es genügt ein Seg­ ment, wobei die vom Primärwicklungsblock 1 und 2 bzw. dem Sekundärwicklungsblock 3 und 4 bedeckten Segmente nicht gleich groß sein müssen. Diesen Vorteil kann man z.B. nutzen, um zwischen dem Sekundärwicklungsblock 3 und 4 und den Anschlußdrähten des Primärwicklungsblocks 1 und 2 den zur Potentialtrennung notwendigen Abstand zu schaffen. Dazu wird der Sekundärwicklungsblock 3, 4 so gestaltet, daß ein größeres vom Sekundärwicklungsblock 3, 4 nicht bedecktes Segment frei bleibt.

Claims (5)

1. Übertrager unipolarer Steuerimpulse zum Ansteu­ ern von Thyristoren, insbesondere in Umrichtern,

• - mit einem Kern, der vorzugsweise als Ringkern mit hoher Sättigungs- und niedriger Remanenzinduktion ausgeführt ist,
• - mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Zusatzwicklung, die der jeweiligen Hauptwicklung zugeordnet ist,
• - wobei jeweils eine Hauptwicklung (1, 4) und die zugehörige Zusatzwicklung (2, 3) gemeinsam einen Wicklungsblock bilden,
• - die Hauptwicklung (1, 4) und zugehörige Zusatzwick­ lung (2, 3) die gleiche Windungszahl haben,
• - der Wicklungsanfang (2 a, 3 a) der Zusatzwicklung (2, 3) mit dem Wicklungsende (1 b, 4 b) der zugehörigen Hauptwicklung (1, 4) verbunden ist, und
• - die Wicklungsenden (2 b, 3 b) der Zusatzwicklungen (2, 3) ohne Anschluß bleiben,
• - wobei die Zusatz- und Hauptwicklungen in einer sol­ chen Weise ausgeführt und miteinander verbunden sind, daß magnetische Durchflutungen, die durch kapazitive Verschiebungsströme aufgrund von Poten­ tialänderungen zwischen Primär- und Sekundärseite des Übertragers verursacht sind, sich kompensieren,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Übertrager (5) ein beliebiges Übersetzungs­ verhältnis hat,
• - daß die Zusatzwicklungen (2, 3) auf Primär- und Se­ kundärseite die jeweils zugehörige Hauptwicklung (1, 4) kapazitiv nicht abschirmen, so daß die Kop­ pelkapazitäten (C _W ) zwischen der Zusatzwicklung (z.B. 3) einer Übertragerseite und den beiden Wick­ lungen (z.B. 1 und 2) der anderen Seite sowie zwi­ schen der Hauptwicklung (z.B. 4) einer Übertrager­ seite und den beiden Wicklungen (z.B. 1 und 2) der anderen Seite gleich sind,
• - daß die Hauptwicklungen (1, 4) und die zugehörigen Zusatzwicklungen (2, 3) jeweils gleich- oder gegen­ sinnig gewickelt sind,
• - und wobei bei gleichsinnig gewickelten Haupt- und Zusatzwicklungen (1 und 2 bzw. 3 und 4) der Wick­ lungsanfang (2 a, 3 a) der Zusatzwicklung (2, 3) mit dem Wicklungsende (1 b, 4 b) der zugehörigen Haupt­ wicklung (1, 4) verbunden ist, oder bei gegensinnig gewickelten Haupt- und Zusatzwicklungen (1 und 2 bzw. 3 und 4) das Wicklungsende (2 b, 3 b) der Zu­ satzwicklung (2, 3) mit dem Wicklungsende (1 b, 4 b) der zugehörigen Hauptwicklung (1, 4) verbunden ist, und die jeweils andere Seite (2 b, 3 b bzw. 2 a, 3 a) der Zusatzwicklung (2, 3) ohne Anschluß bleibt.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Primärwicklungsblock (1, 2) und der Sekun­ därwicklungsblock (3, 4) übereinander angeordnet sind.

3. Übertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sekundärwicklungsblock (3, 4) nur einen Teil der Kernlänge so überdeckt, daß zwischen dem Wicklungs­ block (3, 4) und den herausgeführten Wicklungsanfängen und -enden (1 a, 1 b, 2 a, 2 b) des Primärwicklungsblocks (1, 2) ein die Spannungsfestigkeit sichernder Abstand bleibt.

4. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte der Wicklungen (1 und 2 bzw. 3 und 4) eines Wicklungsblocks verdrillt sind.