DE3490799C2 - Schaltungsanordnung zur Kontrolle in Reihe geschalteter Halbleiterventile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Kontrolle in Reihe geschalteter Halbleiterventile. Derartige Anordnungen dienen dazu, das einwandfreie Ar­ beiten von Halbleiterventilen festzustellen und gegebe­ nenfalls Schalthandlungen (z. B. Abschalten einer Anlage) zu veranlassen.

Aus der GB-PS 12 58 256 ist eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bekannt, die einen Elemente mit veränderbarem Widerstand für jedes Halbleiterventil auf­ weisenden Testsignalkanal für ein Testsignal umfaßt. Eine Änderung des Widerstands dieser Elemente erfolgt unter Einwirkung einer Durchlaß- oder Sperrspannung an einem Halbleiterventil und bewirkt eine Widerstandsände­ rung des gesamten Testsignalkanals, wodurch es möglich ist, einen Defekt der Halbleiterventile festzustellen. Der Testsignalkanal wird durch die Reihenschaltung der Element mit veränderbarem Widerstand über Transformato­ ren gebildet. Am Eingang des Kanals ist ein Sender 5 und am Ausgang des Kanals ein Empfänger 6 angeordnet. Das Elemente mit veränderbarem Widerstand ist in Form eines Transformators aufgebaut, dessen Kern vier Schenkel, eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung und zwei gegensin­ nig in Reihe geschaltete, zur Sättigung dienende Tertiär­ wicklungen aufweist.

Das Auftreten einer Durchlaß- oder Sperrspannung beim Stromfluß durch den Widerstand führt zur Sättigung des dritten und des vierten Schenkels des Transformatorkerns. Der magnetische Widerstand dieser Schenkel wird größer, so daß das Testsignal einwandfrei von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung übertragen werden kann. Wenn an das Halbleiterventil keine Durchlaß- oder Sperrspan­ nung angelegt ist, bilden der dritte und der vierte Schenkel des Transformatorkerns einen magnetischen Nebenschluß, der eine Zunahme der Streuinduktivität des Transformators bewirkt, wodurch die Bedingungen für die Übertragung des Testsignals von der Primärwicklung auf die Sekundärwick­ lung schlechter werden.

Zur Ausübung der Kontrollfunktion muß der Empfänger mit der Spannung zur Speisung der in Reihe geschalteten Halb­ leiterventile synchronisiert sein.

Die Schaltungsanordnung gemäß der GB-PS 12 58 256 kann nur dann arbeiten, wenn eine Spannung zur Speisung der in Reihe geschalteten Halbleiterventile vorhanden ist. Es ist nicht möglich, den einwandfreien Betriebszustand der Halbleiterventile vor dem Anlegen der Spannung zu kontrollieren. Je höher die Anzahl der in Reihe geschal­ teten Halbleiterventile ist, desto geringer ist die Empfindlichkeit der Schaltung, da die Testsignalverluste aufgrund der höheren Anzahl an Transformatoren und Ele­ menten mit veränderbarem Widerstand höher werden. Daher werden in der GB-PS 12 58 256 besondere Maßnahmen vorge­ schlagen, um das Signal/Störverhältnis zu verbessern. So wird vorgeschlagen, zusätzliche Kondensatoren vorzu­ sehen, die Transformatoren mit vorgegebener Streuinduk­ tivität auszubilden, die Modulation des Testsignals zur Verbesserung des Signal/Störverhältnisses zu verwenden, usw.

Bei der aus der DE-OS 19 05 159 bekannten Schaltungsanord­ nung ist für jedes der in Reihe geschalteten Halbleiter­ ventile ein Transformator vorgesehen. Die Primärwicklung des Transformators ist über einen Widerstand an die Halb­ leiterventile angeschlossen. Sämtliche Transformatoren besitzen eine gemeinsame, an ein Meßglied angeschlossene Sekundärwicklung und eine gemeinsame, über eine Drossel an eine Gleichspannungsquelle angeschlossene, zur Sätti­ gung dienende Tertiärwicklung. Unter normalen Bedingungen wird ein Teil der über die in Reihe geschalteten Halb­ leiterventile verteilten Speisespannung an die Primär­ wicklungen der Transformatoren angelegt. Dabei entsteht an der gemeinsamen Sekundärwicklung eine bestimmte Span­ nung, die von dem Meßglied erfaßt wird.

Beim Durchschlag eines Teils der Halbleiterventile wird die Spannung am Meßglied geringer, was ein Zeichen für einen Defekt der Halbleiterventile ist.

Die Nachteile dieser Einrichtung bestehen darin, daß vor dem Zuführen der Speisespannung zu den Halbleiterventi­ len eine Überwachung der Halbleiterventile nicht möglich ist und daß beim Erhöhen der Anzahl der Halbleiterventile die Empfindlichkeit gegenüber dem Durchschlag eines Ven­ tils geringer wird.

Schließlich ist aus der DE-AS 11 47 310 eine Schaltungs­ anordnung zur Überwachung von in Reihe geschalteten Halb­ leiterventilen bekannt, die einen Transformator und eine Reihenschaltung aus Widerständen aufweist. Die Reihen­ schaltung ist den in Reihe geschalteten Halbleiterventilen parallelgeschaltet. Der Transformator besitzt Primärwick­ lungen, wobei jede Primärwicklung zwischen einen Halbleiter­ ventil und einen diesem Ventil zugeordneten Widerstand geschaltet ist. Zum Ausgleich der Empfindlichkeit haben die Primärwicklungen unterschiedliche Windungszahlen. Der Transformator besitzt eine einzige Sekundärwicklung, die an zwei Verstärker angeschlossen ist. An die Ausgänge der Verstärker sind Relais angeschlossen.

Unter normalen Bedingungen sind die Ströme in den Primär­ wicklungen schwach und gegenseitig angeglichen. Daher ist die Spannung an der Sekundärwicklung niedrig. Beim Durchschlag eines Teils der Halbleiterventile wird das Gleichgewicht der Schaltung gestört. Die Ströme in den Primärwicklungen werden stärker und die Spannung an der Sekundärwicklung wird höher. Diese Spannung wird noch durch die Verstärker erhöht, was ein Ansprechen der Re­ lais zur Folge hat.

Ein Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß vor dem Anlegen der Speisespannung an die Halbleiterventile eine Überwachung der Halbleiterventile nicht möglich ist.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Aufbau des Transformators kompliziert ist, da jede Primärwicklung eine für die gesamte Betriebsspannung ausgelegte Isolie­ rung benötigt.

Ausgehend von dem aus der GB-PS 12 58 256 bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Kontrolle in Reihe geschalteter Halbleiterventile zu schaffen, die kompakt aufgebaut, kostengünstig und von hoher Zuverlässigkeit ist und eine Überwachung der Halbleiterventile unabhängig davon ermög­ licht, ob an die Ventile eine Speisespannung angelegt ist oder nicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch beschriebene Schaltungsanordnung gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gestattet es, den Zustand von Stromrichteranlagen unabhängig von der Betriebsart des Stromrichters und dem Betrag seiner Spei­ sespannung sicher zu überwachen, wodurch die Zuverlässig­ keit erhöht und die Bedienung wesentlich vereinfacht wird, weil Defekte erkannt werden können, bevor die Speisespan­ nung an den Stromrichter angelegt wird. Dabei ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kompakt und billig aufgebaut.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich be­ sonders für die Anwendung in Thyristor-Stromrichtern für eine Spannung von 3 bis 20 kV.

Die vorbeugende Art der Kontrolle, d. h. die Möglichkeit, defekte Halbleiterventile noch vor dem Einsatz des Strom­ richters zu erkennen und dessen Bedienung zu vereinfachen, hat eine maßgebliche Bedeutung für den Schutz und die Diagnose von Stromrichtern, wie sie beispielsweise lei­ stungsfähige Thyristor-Umrichter zum Anlassen von Synchron­ maschinen (in Pumpspeicherkraftwerken, Gasturbinenanlagen, Hochofengebläsen u. ä.), Hochspannungs-Stromrichterantrieben für Pumpen, Lüftern und Kompressoren in der Energietechnik, in der chemischen Industrie u. ä., stabilisierte steuerbare Gleichrichter für funktechnische Anlagen, für die Plasma­ chemie usw., darstellen, wo eine niedrige Sicherheit der Stromrichtertechnik schwere Unfälle mit beträchtlichem Sachschaden zur Folge haben kann.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Zeichnung zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Überwachung in Reihe geschalteter Halbleiterventile.

Die Schaltungsanordnung zur Kontrolle in Reihe geschalte­ ter Halbleiterventile 1 enthält die gleiche Anzahl von Transformatoren 2 wie Halbleiterventile 1. Die Primär­ wicklung (Eingangswicklung) 3 jeweils eines Transfor­ mators 2 ist über einen Widerstand 4 und einen Kondensa­ tor 5 parallel zu einem Halbleiterventil 1 geschaltet. Hierbei sind die Primärwicklungen 3 der einen Hälfte der Transformatoren 2 mit entgegen­ gesetztem Wicklungssinn parallel zu den Halbleiterventilen 1 geschaltet. Die miteinander gleichsinnig in Reihe geschalteten Sekun­ därwicklungen (Speisewicklung) 6 der Transformatoren 2 sind über ein Meßelement 8 an einen Impulsgenerator 7 angeschlossen. Jeder Transformator 2 ist mit einer Tertiärwicklung (Zusatzwicklung) 9 versehen, und diese Tertiärwicklungen 9 sind parallel­ geschaltet.

Zum besseren Verständnis sind die Wicklungen 3, 6 und 9 nur mit einer Windung dargestellt.

Die Schaltungsanordnung zur Kontrolle für in Reihe geschal­ teter Halbleiterventile arbeitet wie folgt:

Die vom Impulsgenerator 7 erzeugte hochfrequente Wechsel­ spannung liegt über dem Meßelement 8 an den in Reihe ge­ schalteten Sekundärwicklungen 6 der Transformatoren 2. Sind alle Ventile 1 in Ordnung und abgeschaltet, sind die Stromkreise mit den Primärwicklungen 3 unterbrochen, und sämtliche Transformatoren arbeiten im Leerlauf. Der die Sekundärwicklungen 6 und das Meßelement 8 durchflie­ ßende Strom weist dabei einen Minimalwert auf.

Beim Durchschlag eines der in Reihe geschalteten Ventile 1 ist die Primärwicklung 3 des dazugehörigen Transforma­ tors 2 mit dem Widerstand 4 belastet, denn der Wider­ stand des Kondensators 5 ist bei der Frequenz des Impuls­ generators 7 wesentlich niedriger als der Wert des Wider­ standes 4.

Infolge der Parallelschaltung der Tertiärwicklungen 9 sind die Transformatoren 2 magnetisch gekoppelt und gleich­ sam äquivalent einem Transformator mit mehreren Wicklun­ gen. Beim Durchschlag eines der Ventile 1 ist daher die Belastung der Primärwicklung 3 des zu dem durchgeschlagenen Ventil 1 gehörenden Transformators 2 (Widerstand 4) an den Impulsgenerator 7 über das Meßelement zwischen der Primärwicklung 3 und den Sekundärwicklungen 6 geschaltet. Hierbei steigt der vom Impulsgenerator 7 erzeugte Strom an. Der Stromanstieg läßt das Meßelement 8 ansprechen.

Beim Durchschlag von zwei und mehr Ventilen 1 ergibt sich eine weitere Stromzunahme, die stufenweise erfolgt. Auf solche Weise kann ein mehrstufiges Fehlerkontrollsystem für Halbleiterventile realisiert werden.

Gegenüber der Frequenz der an die Reihenschaltung der Ventile 1 des Stromrichters angelegten Spannung erweisen sich die Kondensatoren 5 als hochohmig im Vergleich zu der Frequenz der Spannung des Impulsgenerators 7. Damit wird ein Einfluß der Betriebsart des Stromrichters und der Größe der Spannung des Leistungsteils auf die Arbeit des Kontrollgeräts die für in Reihe liegenden Halbleiter­ ventile ausgeschlossen. Weil die Primärwicklungen 3 der Transformatoren 2 gegeneinandergeschaltet sind, werden auch Störungen aufgrund der durch die Einwirkung der Spannung des Leistungsteils und der Schaltvorgänge hervor­ gerufenen Umladeströme der Kondensatoren 5 aufgehoben. Als Impulsgenerator 7 kann beispielsweise ein RC-Genera­ tor mit einer Transformatorkopplung (in Meißner-Schaltung) oder in Dreipunktschaltung mit einer induktiven Rückkopp­ lung (nach der Hartley-Schaltung) eingesetzt werden. Das Meßelement 8 kann ein konventioneller Komparator sein, der beispielsweise mittels eines Operationsverstärkers verwirklicht ist.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur Kontrolle in Reihe geschalteter Halbleiterventile (1) mit einem Primär- (3) Sekundär- (6) und Tertiärwicklung (9) aufweisenden Transformator (2) für jedes Halbleiterventil (1) mit folgendem Aufbau:

   • - jede Primärwicklung (3) ist über einen Widerstand (4) und einen Kondensator (5) mit der Anode und der Kathode des Halbleiterventils (1) verbunden,
   • - eine Hälfte der Primärwicklung (3) ist mit entgegenge­ setztem Wicklungssinn als die andere an die Anode und die Kathode der Halbleiterventile (1) angeschlossen,
   • - die Sekundärwicklungen (6) sind in Reihe geschaltet und über ein Meßelement (8) an einen Impulsgenerator (7) angeschlossen und
   • - die Tertiärwicklungen (9) sind parallelgeschaltet.