DE3504594A1 - Ueberspannungsschutzeinrichtung fuer thyristorgeregelte gleichrichtergeraete in halbgesteuerter, symmetrischer, ein- oder mehrphasiger brueckenschaltung und mittelpunktschaltung - Google Patents

Description

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Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 84 P 7012 DE

Überspannungsschutzeinrichtung für thyristorgeregelte Gleichrichtergeräte in halbgesteuerter, symmetrischer, ein- oder mehrphasiger Brückenschaltung und Mittelpunktschaltung

Gegenstand der Erfindung ist eine Uberspannungsschutzeinrichtung für thyristorgeregelte Gleichrichtergeräte in halbgesteuerter, symmetrischer, ein- oder mehrphasiger Brückenschaltung und Mittelpunktschaltung, mit Glättungsdrossel und Freilaufdiode, bestehend aus einer durch einen, die Verbraucherspannung überwachenden Grenzwertmelder einschalt baren Kurzschlußeinrichtung.

Bei Gleichrichtergeräten kann es dazu kommen, daß ein Teil der Last während des Betriebes gewollt oder ungewollt ab-

2,0 geschaltet wird. Insbesondere kann es bei Gleichrichtergeräten zur Ladung der Batterie von Fahrzeugen, etwa von Eisenbahnfahrzeugen, aufgrund der Erschütterungen im Fahrbetrieb zu Leitungsunterbrechungen und damit zu teilweiser oder gänzlicher Lastabschaltung kommen. Bei Ladegeräten für die Batterien für Eisenbahnfahrzeugen sind aufgrund der niederen Batteriespannung von z.B. 24 V und den daraus resultierenden großen Ladeströmen sowie der niedrigen Frequenz des Bahnstromes große Glättungsdrosseln mit einem Energiegehalt bis zu 200 Ws erforderlich.

Insbesondere bei Unterbrechungen im Batteriezweig, die z.B. durch infolge Rüttelbeanspruchung fehlerhaft gewordene Anschlußklemmen entstehen können, kann deshalb an den Verbrauchern eine Spannungsüberhöhung auftreten, die vor allem dann groß ist, wenn der Verbraucher-

KbI 2 Bim / 08.02.1985

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strom im Vergleich zum Batteriestrom klein war. In diesem Fall muß die ganze Drosselenergie über die Verbraucher abgeführt werden. Ist der Drosselstrom dann auf den relativ kleinen Verbraucherstrom abgeklungen, so verliert die Drossel ihre Glättungsfunktion, sodaß die gleichgerichtete Wechselspannung mit ihrer relativen hohen Scheitelspannung direkt an den Verbrauchern liegt. Da diese Spannungsüberhöhungen die angeschlossenen Verbraucher zerstören können, müssen Schutzeinrichtungen vorgesehen werden, die diese Überspannungen ableiten.

XO Wenn man von der Verwendung nicht sehr wirkungsvoller Überspannungsleiter absieht, bietet sich die Möglichkeit an, einen Kurzschlußthyristor vorzusehen, wie dies etwa bei einem in der Siemens-Zeitschrift 47 (1973) Heft 12 Seite 875f beschriebenen Gleichrichtergerät für 48 V/40 A zur Ladung der Bleibatterie einer Fernsprechanlage geschieht. Hier übernimmt den Schutz der Verbraucher vor Überspannungen, die in Störungsfällen auftreten können, ein dem Verbraucheranschluß parallel geschalteter elektronischer Spannungsbegrenzer. Bei Überschreiten eines einstellbaren Spannungswertes wird der Thyristor des Spannungsbegrenzers gezündet. Verzögerungsfrei werden gleichzeitig auch die Zündimpulse des Steuersatzes für die Hauptthyristoren über dessen Impulslöscheingang gesperrt, der Stromregler auf kleinste Aussteuerung gestellt und das Gerät vom Netz abgeschaltet. Ein Einspeisen parallel angeschlossener Geräte oder der Batterie auf den Spannungsbegrenzer muß durch eine Entkopplungsdiode verhindert werden. Insbesondere bei Gleichrichtergeräten für höhere Betriebsströme weist diese dauernd stromdurchflossene Diode eine hohe Verlustleistung auf, die etwa 25 % der gesamten Verlustleistung des Gerätes betragen kann, sodaß ihre Anwendung in diesem Fall als unvorteilhaft erscheint.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Schaltung anzugeben, für die diese verlustbehaftete Diode nicht erforderlich ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsdrossel durch die Schaltstrecke eines ersten Thyristors, der im ungestörten Nennbetrieb antiparallel zur Stromrichtung gepolt ist, überbrückt ist und daß eine, der Anzahl der steuerbaren Ventilzweige entsprechende weitere Anzahl von Thyristoren

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am lastseitigen Ende der Glättungsdrossel mit der gleichnamigen Elektrode wie der erste Thyristor angeschlossen sind und daß die andere Elektrode der Schaltstrecken dieser Thyristoren an die Einspeisepunkte für die Netzenergie in die steuerbaren Ventilzweige geschaltet ist, wobei Spannungsüberwachungsschaltungen für die Thyristoren zur Durchschaltung des anstehenden Einschaltbefehls erst nach dem Eintritt des Thyristors in den Blockierzustand vorgesehen sind. Der erzielte Vorteil ist im Entfall der verlustbehafteten Entkopplungsdiode zu sehen, wobei deren Funktion anderen, bereits in der Schaltung enthaltenen Ventilen zugeteilt wird. Die Spannungsüberwachungsschaltung besteht vorteilhaft aus der Serienschaltung mit gleicher Durchlaßrichtung der Leuchtdiode eines Optokopplers, einer Diode und eines Widerstandes, die der Schaltstrecke des zu überwachenden Thyristors mit gleicher Durchlaßrichtung unmittelbar oder mittelbar parallel geschaltet ist, wobei die Leuchtdiode des Optokopplers durch eine Zenerdiode geschützt ist. Der Vorteil dieser Spannungsüberwachungsschaltung liegt in ihrem einfachen Aufbau und in ihrem Vermögen, ein verzögerungsfreies potentialfreies Signal zu liefern.

Anhand von Zeichnungen soll nachfolgend eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung und ihre Anwendung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Überspannungsschutzeinrichtung unter Verwendung eines Kurzschlußthyristors sowie einer Entkopplungsdiode.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung in einer Anordnung in einem Gleichrichtergerät in einphasiger symmetrischer halbgesteuerter Brückenschaltung.

Fig. 3 zeigt in Diagrammen die zeitlichen Verläufe charakteristischer Größen.

Fig. 4 zeigt eine erfindunsgemäße Überspannungschutzeinrichtung in einer Anwendung in einem Gleichrichtergerät in Mittelpunktschaltung.

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In Fig. 1 ist die Schaltung eines herkömmlichen Gleichrichtergerätes in einphasiger halbgesteuerter symmetrischer Brückenschaltung angegeben, hier in einer Anwendung als Batterieladegerät, z.B. für die Ladung der Batterie eines Eisenbahnfahrzeuges. Die Netzenergie wird über einen Transformator 1 in die Gleichrichterbrücke eingespeist, die aus den gesteuerten Ventilen 2, 3 und den ungesteuerten Ventilen 4, 5 besteht. Über eine Glättungsdrossel 6 wird der Gleichstrom den Verbrauchern, etwa einer Batterie 7 sowie weiteren Verbrauchern 8, wie z.B. Ventilatoren, Beleuchtungseinrichtungen etc., zugeführt.

Wegen der meist niederen Batteriespannung von z.B. 24 V und den daraus resultierenden Strömen, ist besonders bei Verwendung von Bahnstrom mit niederer Frequenz eine große Glättungsdrossel 6 mit einem Energieinhalt von bis zu 200 Ws erforderlich. Insbesondere bei Unterbrechungen im Batteriezweig, die z.B. durch infolge Rüttelbeanspruchung fehlerhaft gewordene Anschlußklemmen entstehen können, kann an den Verbrauchern eine Spannungsüberhöhung auftreten, die vor allem dann groß ist, wenn der Verbraucherstrom im Vergleich zum Batteriestrom klein war. In diesem Fall muß die ganze Drosselenergie über die Verbraucher abgeführt werden. Um die Verbraucher, insbesondere transistorisierte Verbraucher vor derartigen Spannungsüberhöhungen zu schützen, wird daher wie gezeigt, ein Kurzschlußthyristor 9 angeordnet, der bei Auftreten einer zu hohen Verbraucherspannung von einem, diese Verbraucherspannung überwachenden Grenzwertmelder 10 in den Durchlaßzustand gesteuert wird und die Ausgangsklemmen 11, 12 des Gleichrichtergerätes niederoh~ig verbindet. Die auftretende Überspannung kann so nur während der kurzen, im Bereich weniger Mikrosekunden liegenden Eigenzeit von Grenzwertmelder 10 und Kurzschlußthyristor 9 an den Verbrauchern 8 auftreten. Vom Grenzwertmelder 10 wird gleichzeitig im hier nicht gezeigten Steuersatz eine Impulssperre ausgelöst.

Die Anordnung dieses Kurzschlußthyristors 9 ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn durch eine Entkopplungsdiode 13 die Möglichkeit ausgeschlossen wird, daß die Batterie 7 durch den Kurzschlußthyristor 9 kurzgeschlossen wird. Wegen des Spannungsabfalles von ca. 1 V verursacht

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diese dauernd stromdurchflossene Entkopplungsdiode 13 eine Dauerverlustleistung, die bis zu 25 % der Gesamtverluste des Gleichrichter.gerätes betragen kann und bei Geräten mit großem Nemstrom sehr hohe Werte erreicht. Damit wird auch die erforderliche Kühlung problematisch und aufwendig. Zweckmäßigerweise ist im Gerät eine in ihrer Funktion bekannte Freilaufdiode IA angeordnet.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltung angegeben, durch die die Entkopplungsdiode 13 überflüssig wird. Die Schaltung zeigt die aus Fig. 1 bekannten wesentlichen Elemente mit Ausnahme des Kurzschlußthyristors 9 und der Entkopplungsdiode 13 mit gleichen Bezugszeichen. Erfindungsgemäß sind hier zusätzlich drei Thyristoren 15, 16, 17 angeordnet. Der Thyristor 15 überbrückt mit seiner Schaltstrecke die Glättungsdrossel 6 und ist für den normalen Betriebszustand des Gleichrichters antiparallel zur Stromrichtung gepolt. Somit ist seine Anode an das verbraucherseitige Ende der Glättungsdrossel 6 geschaltet. Mit der gleichen Elektrode, d.h. mit ihrer Anode, sind die weiteren Thyristoren 16, 17, ebenfalls an das verbraucherseitige Ende der Glättungsdrossel 6 geschaltet. Ihre Kathoden sind jeweils an einen Einspeisepunkt für die Netzenergie geschaltet, d.h. die Kathode des Thyristors 16 an den Verbindungspunkt des ungesteuerten Ventils 4 mit dem gesteuerten Ventil bzw. Thyristor 2 und die Kathode des Thyristors 17 an den Verbindungspunkt des ungesteuerten Ventils 5 mit dem Thyristor 3. Durch, den Thyristoren 15 - 17 einzeln zugeordnete Spannungsüberwachungsschaltungen 18, 19, 20 wird vermieden, daß ein Thyristor einen Zündimpuls erhält, solange er sich noch im Sperrbereich befindet.

Diese Spannungsüberwachungsschaltungen 18, 19, 20 bestehen jeweils 3Q aus der Reihenschaltung einer Diode 21, 31, 41 und der in gleicher Durchlaßrichtung gepolten Leuchtdiode eines Optokopplers 22, 32, 42 unter Zwischenschaltung eines geteilten Widerstandes 23, 33, 43, wobei vorteilhaft die Leuchtdiode durch eine Zenerdiode 24, 34, 44 geschützt ist. Diese Spannungsüberwachungsschaltungen 18, 19, 20 sind in der gezeigten Weise den Thyristoren 15, 16, 17 mittelbar oder unmittelbar parallel geschaltet, sodaß jeweils beim Verlassen des Sperr-

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zustandes für einen dieser Thyristoren der Optokoppler der zugehörigen Spannungsuberwachungsschaltung ein Signal abgibt, das solange ansteht, als der Thyristor im Blockierzustand bleibt.

Während der Überschreitung der zulässigen Verbraucherspannung wird vom Grenzwertmelder 10 ein Signal abgegeben, das als Einschaltsignal für die Kurzschlußschaltung dient. Um zu verhindern, daß einer der Thyristoren 15, 16, 17 gezündet wird, während er sich im Sperrzustand befindet, wird die zeitliche Zuordnung dieses Signals zu den Thyristoren 15, 16, 17 durch die jedem Thyristor zugeordnete Spannungsuberwachungsschaltung koordiniert, indem durch das Ausgangssignal des jeweiligen Optokopplers 22, 32, 42 die Freigabe des Zündimpulses für den zugehörigen Thyristor erfolgt. Für die möglichen schaltungsmäßigen Realisierungen seien hier stellvertretend und symbolisch drei UND-Gatter 25, 26, 27 angegeben, von deren Ausgängen unter Zwischenschaltung allenfalls erforderlicher Verstärker- und Impulsformerstufen 35, 36, 37 den Eingängen der zugehörigen Thyristoren 15, 16, 17 die Zündimpulse zugeführt werden.

Jedes der drei UND-Gatter 25, 26, 27 weist je zwei Eingänge auf, von denen jeder erste an den Ausgang einer Zeitstufe 28 geschaltet ist. Der Eingang dieser Zeitstufe 28 ist an den Ausgang des Grenzwertmelders 10 geschaltet. Der zweite Eingang jedes UND-Gatters 25, 26 27 ist mit dem Ausgang je eines Optokopplers 22, 32, 42 in der gezeigten Zuordnung verbunden. Vom Ausgangssignal der Zeitstufe 28 wird außerdem eine Impulssperrstufe 29 für die Zündimpulse der Brückenthyristoren 2, 3 angesteuert.

Die Einfügung der Zeitstufe 28 dient dem Zweck, nach Auftreten einer Überspannung an den Verbrauchern unabhängig von der tatsächlichen Dauer des Bestehens dieser Störung den durch sie verursachten Signalzustand für eine einstellbare Zeitdauer aufrechtzuerhalten und so dem, thermisch am meisten beanspruchten Element der Überspannungsschutzeinrichtung, nämlich dem Thyristor 15, Zeit zur Abkühlung zu verschaffen. Dadurch wird dieser Thyristor 15 in die Lage versetzt,

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wiederholte Einschaltungen des Gleichrichtergerätes bei weiterhin bestehender Störung ohne thermische Überlastung auszuhalten.

In Fig. 3 werden die zeitlichen Verläufe der mit ihren positiven Richtungspfeilen im Schaltbild der Fig. 2 eingetragenen charakteristischen Größen, beim Auftreten eines Störungsfalles dargestellt. Es sind der Verlauf des Gleichrichterstromes I_G sowie der Gleichrichterspannung LL bei einem bestimmten Zündwinkel οι sowie der sich daraus ergebende Stromfluß Ip durch die Freilaufdiode 14 eingetragen. Aus der Addition der Ströme L, und Ip ergibt sich der durch die Glättungsdrossel 6 fließende Strom I_Q, der im ungestörten Betrieb dem Verbraucherstrom I entspricht.

Bei Auftreten einer Überspannung zum Zeitpunkt t, wird je nach gerade vorhandener Phasenlage der Wechselspannung der Thyristor 16 oder 17 in den Blockierbereich gelangen und durchlässig gesteuert werden, sqdaß der Transformator 1 mit seiner vollen Spannung auf die Glättungsdrossel 6 arbeitet. Der Gleichrichterstrom Ip und damit der Drosselstrom Ip. wird bis zum Nulldurchgang der Wechselspannung stark ansteigen. Bei diesem Nulldurchgang gelangt der Thyristor 15 in den Blockierbereich und wird durchlässig gesteuert, wobei er den zur Entladung der in der Glättungsdrossel 6 gespeicherten magnetischen Energie nötigen Strom führt, der bis zum dreifachen Wert des Nennstromes angestiegen sein kann.: Der durchlässig gesteuert gewesene Thyristor 16 oder 17 verlöscht und der Drosselstrom I_D klingt langsam über den Thyristor 15 auf Null

Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird die im Störungsfall auftretende Überspannung in die eingetragenen Überströme I,, durch einen der Thyristoren 16 oder 17 und I^ durch den Thyristor 15 umgewandelt, die jedoch nur im Gleichrichtergerät selbst auftreten und aufgrund der hohen Stoßstromfestigkeit der verwendeten Halbleiter leicht schaltbar sind. Durch die Schaltverzögerungen der verwendeten Halbleiter kann ein kurzfristiges Auftreten einer Überspannung im zeitlichen Bereich von 5 - 10 ps an den Verbrauchern dennoch auftreten.

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Die Aufgabe, die der im Stand dar Technik vorhanden gewesenen Entkopplungsdiode 13 (Fig. 1) zugeteilt war, nämlich einen Kurzschluß der Batterie durch den Kurzschlußthyristor 9 zu verhindern, wird hier erfindungsgemäß durch die in der halbgesteuerten symmetrischen Brückenschaltung vorhandenen ungesteuerten Ventile 4, 5 übernommen.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Elemente der Überspannungsschutzeinrichtung in einer herkömmlichen 2-phasigen Mittelpunktschaltung unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2.

Die Sekundärwicklung des Transformators 1 weist hier eine Mittelanzapfung auf. In der von dieser Mittelanzapfung zur negativen Ausgangsklemme 12 führenden Leitung ist die Glättungsdrossel 6 angeordnet. Sie ist durch die Schaltstrecke des Thyristors 15 überbrückbar, der im ungestörten Nennbetrieb antiparallel zur Stromrichtung gepolt ist, d.h. mit seiner Kathode an das lastseitige Ende der Glättungsdrossel 6 geschaltet ist. Ebenfalls mit ihrer Kathode sind die beiden Thyristoren 16 und 17 an das lastseitige Ende der Glättungsdrossel 6 geschaltet. Die Anode des Thyristors 16 ist an den einen Einspeisepunkt für die Netzenergie in einen steuerbaren Ventilzweig, d.h. an die Anode des Brückenthyristors 2 geschaltet. Die Anode des Thyristors 17 ist an den anderen Einspeisepunkt für die Netzenergie in einen steuerbaren Ventilzweig, d.h. an die Anode des Brückenthyristors 3 geschaltet. Die Funktion der Schaltung entspricht nach Ablauf und Wir-kung genau der in Fig. 2 und 3 beschriebenen Funktion.

Daß auch hier ein Schutz vor unerlaubtem Kurzschluß der Batterie gegeben ist, soll durch eine kurze Darstellung der PotentialVerhältnisse erläutert werden. Es seien die Batteniespannung mit 24 V und das zum Zeitpunkt des Auftretens einer Störung an der Anode des gerade leitenden Thyristors 2 vorhandene Potential mit + 100 V angenommen. Durch die vom Grenzwertmelder 10 ausgelöste Zündung des Thyristors 16 wird

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durch dessen niederohmige Schaltstrecke die Klemme 12 ebenfalls auf das Potential von + 100 V gezogen. An der Klemme 11 tritt das um die Batteriespannung erhöhte Potential von + 124 V auf, sodaß der Brückenthyristor 2 in den Sperrzustand gerät, in dem sich die Thyristoren und 3 wie ersichtlich, ebenfalls befinden.

2 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims (2)

VPA 84 P 7012 DE Patentansprüche:

1. Überspannungsschutzeinrichtung für thyristorgeregelte Gleichrichtergeräte in halbgesteuerter, symmetrischer, ein- oder mehrphasiger Brückenschaltung und Mittelpunktschaltung,mit Glättungsdrossel und Freilaufdiode, bestehend aus einer durch einen, die Verbraucherspannung überwachenden Grenzwertmelder einschaltbaren Kurzschlußeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsdrossel (6) durch die Schaltstrecke eines ersten Thyristors (15), der im ungestörten Nennbetrieb antiparallel zur Stromrichtung gepolt ist, überbrückt ist und daß eine, der Anzahl der steuerbaren Ventilzweige entsprechende weitere Anzahl von Thyristoren (16, 17) am lastseitigen Ende der Glättungsdrossel (6) mit der gleichnamigen Elektrode wie der erste Thyristor (15) angeschlossen sind und daß die andere Elektrode der Schaltstrecken dieser Thyristoren (16, 17) an die Einspeisepunkte für die Netzenergie in die steuerbaren Ventilzweige geschaltet ist, wobei Spannungsüberwachungsschaltungen (18, 19,20) für die Thyristoren (15, 16, 17) zur Durchschaltung des anstehenden Einschaltbefehls erst nach dem Eintritt des Thyristors (15, 16, 17) in den Blockierzustand vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Serienschaltung mit gleicher Durchlaßrichtung der Leuchtdiode eines Optokopplers (22, 32, 42), einer Diode (21, 31, 41) und eines Widerstandes (23, 33, 43), die der Schaltstrecke des zu überwachenden Thyristors (15, 16, 17) mit gleicher Durchlaßrichtung unmittelbar oder mittelbar parallel geschaltet ist, wobei die Leuchtdiode des Optokopplers (22, 32, 42) durch eine Zenerdiode (24, 34, 44) geschützt ist.

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