DE4026679A1

DE4026679A1 - On=off switching device for compensation capacitors - consists of two thyristors in antiparallel energised by control dependent on voltage difference

Info

Publication number: DE4026679A1
Application number: DE19904026679
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Seitz; Bernhard Dipl Ing Streich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-08-23
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1992-02-27

Abstract

The capacitor of a compensating assembly has an ON and OFF switch consisting of two thyristors (1, 2) in anti-parallel, energisable by a control switching the thyristors on only when, on the ON command, the voltage difference between the mains voltage and capacitor voltage is approx zero. Pref. the control is an opto-triac (10) with a zero point switch. The ON command for the opto-triac may be mains voltage dependent. The command is supplied via an opto-coupler output transistor (21). Whose input is fed from the mains via a capacitor (3) and a bridge rectifier (19). ADVANTAGE - Low-cost design, reliable operation, and long service life.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Ein- und Aus schalten von Kondensatoren, vorzugsweise in Kompensationsanla gen, mittels eines Schaltgerätes.The invention relates to an arrangement for on and off switching of capacitors, preferably in compensation system gene, by means of a switching device.

Bei einer bekannten Anordnung der o.g. Art (DE-A-31 05 117) wird durch zusätzliche Widerstände bzw. Induktivitäten die Stromspitze beim Einschalten der Kondensatoren begrenzt. Die Widerstände werden durch voreilende Schließerkontakte für kurze Zeit in Reihe zu den Kondensatoren geschaltet, so daß der Lade strom der Kapazität, die über einen Vorwiderstand geladen wird, begrenzt ist. Bei dieser Anordnung ist sowohl die Lebensdauer der Schaltstücke und Widerstände als auch die mögliche Schalt häufigkeit in vielen Fällen noch nicht genügend hoch. Die Höhe des Einschalt-Stromes ist dabei abhängig von der Spannungsdif ferenz zwischen dem Netz und der Kondensatorspannung sowie der strombegrenzenden Leitungsimpedanz. Schaltet man Kondensatoren mittels Thyristoren ans Netz, so kann es durch diese Stromspit zen dazu kommen, daß die Halbleiter beim Zuschalten thermisch hoch beansprucht werden und gegebenenfalls durchlegieren.In a known arrangement of the above. Art (DE-A-31 05 117) is the by additional resistances or inductors Current peak limited when switching on the capacitors. The Resistors are made by leading NO contacts for short Time connected in series to the capacitors so that the charging current of the capacitance that is charged via a series resistor, is limited. With this arrangement, both the lifespan the switching pieces and resistors as well as the possible switching frequency in many cases not yet high enough. The height of the inrush current is dependent on the voltage difference reference between the network and the capacitor voltage and the current limiting line impedance. Switching capacitors by means of thyristors to the network, so it can through this current peak zen come to the fact that the semiconductors when switching on thermally are subject to high stress and alloy if necessary.

Durch die Erfindung soll eine Anordnung geschaffen werden, die bei geringem Aufwand und sicherem Betrieb eine relativ hohe Le bensdauer der Anordnung gewährleistet. Dies wird auf einfache Weise nach einer Anordnung der o.g. Art dadurch erreicht, daß das Schaltgerät aus zwei Thyristoren in Antiparallelschaltung besteht, die von einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, die die Thyristoren bei Anliegen eines Ein-Kommandos nur dann ein schaltet, wenn die Spannungsdifferenz wischen Netzspannung und Kondensatorspannung annähernd 0 ist. The invention is intended to create an arrangement which a relatively high Le with little effort and safe operation Guaranteed lifetime of the arrangement. This will be simple Way according to an order of the above Art achieved in that the switching device consists of two thyristors in anti-parallel connection exists, which can be controlled by a control device, the the thyristors only when an ON command is applied switches when the voltage difference between mains voltage and Capacitor voltage is approximately 0.

Hierdurch ist gewährleistet, daß der Einschaltstrom auf ein Minimum begrenzt ist. Strombegrenzende Elemente können entfal len. Für die Steuereinrichtung hat es sich als vorteilhaft er wiesen, wenn in dieser ein Optotriac mit Nullpunktschalter Ver wendung findet, wie er beispielsweise von der Firma Siemens Aktiengesellschaft unter der Typenbezeichnung BRT 22 geliefert wird. Der Nullpunktschalter bewirkt, daß der Strom nicht mehr zu jedem beliebigen Zeitpunkt zugeschaltet werden kann, sondern nur dann, wenn die Spannung über dem Optokoppler und somit über den Thyristoren gleich 0 ist. Ist das Ein-Kommando für den Opto triac netzspannungsabhängig, so kann beim Auftreten eines Netz spannungsausfalls dies über die Steuerelektronik erkannt werden und das Ansteuersignal für den Thyristor wird weggeschaltet. Nach Wiederkehren der Spannung wird ein normaler Einschaltvor gang eingeleitet, d. h. es tritt kein Ausgleichsstrom und somit keine Stromüberhöhung auf. Hierzu hat sich eine einfache Anord nung als vorteilhaft erwiesen, die darin besteht, daß das An steuersignal für den Optotriac über einen Optokoppler-Ausgangs transistor geschleift ist, dessen Eingang vom Netz über einen Kondensator und einen Brückengleichrichter gespeist ist. Damit das Ansteuersignal nicht während des Nulldurchganges der Netz spannung unterbrochen wird, ist es von Vorteil, wenn der Eingang des Optotriacs über einen Kondensator gepuffert ist.This ensures that the inrush current is on Minimum is limited. Current limiting elements can be omitted len. It has proven advantageous for the control device if an optotriac with zero switch Ver such as from Siemens Aktiengesellschaft delivered under the type designation BRT 22 becomes. The zero point switch causes the current to stop can be switched on at any time, but only if the voltage across the optocoupler and thus across the thyristors is 0. Is the on command for the opto triac depending on the mains voltage, so when a network occurs power failure this can be detected via the control electronics and the drive signal for the thyristor is switched off. After the voltage returns, a normal switch-on initiated, d. H. there is no equalizing current and thus no current surge on. There is a simple arrangement for this proved to be advantageous, which consists in that the An Control signal for the optotriac via an optocoupler output is looped, the input from the network via a Capacitor and a bridge rectifier is fed. In order to the control signal is not during the zero crossing of the network voltage is interrupted, it is advantageous if the input the Optotriacs is buffered via a capacitor.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigen:An embodiment according to the Invention described. Show it:

Fig. 1 die schematische Schaltungsanordnung und Fig. 1 shows the schematic circuit arrangement and

Fig. 2 den Verlauf von Spannung und Strom über der Zeit in den einzelnen Schaltungszweigen. Fig. 2 shows the course of voltage and current over time in the individual circuit branches.

Zum Anschalten eines Kondensators 3 an das Wechselstromnetz P, N dienen die Thyristoren 1 und 2 als Schaltelemente. Die Thyristo ren 1, 2 sind in einer üblichen Antiparallelschaltung angeord net. To connect a capacitor 3 to the AC network P, N, the thyristors 1 and 2 serve as switching elements. The Thyristo ren 1 , 2 are net in a conventional anti-parallel connection.

Dieses Verfahren entnimmt die Zündleistung zum Zünden der Thyri storen aus der Lastseite. An den Gates 4 und 5 der Thyristoren 1 und 2 liegen parallel zur Gatekathodenstrecke Widerstände 6, 7 und Dioden 8, 9. Die Kathodenseiten der Dioden 8, 9 sind mit der Ausgangsseite eines Optotriacs 10 und einer Induktivität 11 überbrückt. Parallel zur eingangsseitigen Leuchtdiode 12 des Optotriacs 10 liegt ein Kondensator 13. In Reihe zu der Diode 12 liegt eine Verstärkerstufe 14, in diesem Fall ein Transistor und ein Widerstand 15, an den Eingangskommandoklemmen 16 und 17 für die Ansteuerung der Steuereinrichtung. An den Klemmen P, N des Netzes liegt weiterhin die Reihenschaltung aus einem Kondensator 18 und einem Brückengleichrichter 19, dessen Brückendiagonale an der Eingangsdiode eines Optokopplers 20 angeschaltet ist, deren Optokoppler-Ausgangstransistor 21 die Verstärkerstufe 14 an steuert.This process takes the ignition power to ignite the thyri from the load side. Resistors 6 , 7 and diodes 8 , 9 are located at gates 4 and 5 of thyristors 1 and 2 parallel to the gate cathode path. The cathode sides of the diodes 8 , 9 are bridged with the output side of an optotriac 10 and an inductor 11 . A capacitor 13 is located parallel to the input-side light-emitting diode 12 of the optotriacs 10 . In series with the diode 12 there is an amplifier stage 14 , in this case a transistor and a resistor 15 , at the input command terminals 16 and 17 for controlling the control device. At the terminals P, N of the network there is also the series connection of a capacitor 18 and a bridge rectifier 19 , the bridge diagonal of which is connected to the input diode of an optocoupler 20 , the optocoupler output transistor 21 of which controls the amplifier stage 14 .

Wird nun der Optotriac 10 eingangsseitig über die Leuchtdiode 12 und die Eingangskommandoklemmen 16, 17 bei freigegebener Verstärkerstufe 14 angesteuert, fließt über den ausgangsseiti gen Triac des Optotriacs 10 ein Strom je nach Polarität der Wechselspannung, z. B. von der Klemme P über die Diode 9, die Induktivität 11 in das Gate 4 des Thyristors 1. Damit zündet dieser Thyristor und übernimmt den vorher beschriebenen Strom. Damit erlischt der Gatestrom und der Optokoppler 10 wird somit nur kurzzeitig mit Strom beansprucht. Die Induktivität 11 ver hindert dabei, daß der Strom während der Zündverzugszeit des Thyristors 1 oder 2 im Optokoppler 10 unzulässig hohe Werte an nimmt. Bei umgekehrter Polarität der Wechselspannung fließt der Gatestrom von der Klemme N über die Diode 8, die Induktivi tät 11 in das Gate 5 des Thyristors 2.If the optotriac 10 is now driven on the input side via the light-emitting diode 12 and the input command terminals 16 , 17 with the amplifier stage 14 enabled, a current flows via the output-side triac of the optotriacs 10 depending on the polarity of the alternating voltage, for. B. from the terminal P via the diode 9 , the inductance 11 in the gate 4 of the thyristor 1st This fires this thyristor and takes over the previously described current. The gate current thus goes out and the optocoupler 10 is thus only briefly used with current. The inductance 11 prevents ver that the current during the ignition delay time of the thyristor 1 or 2 in the optocoupler 10 takes impermissibly high values. With the polarity of the AC voltage reversed, the gate current flows from the terminal N via the diode 8 , the inductance 11 into the gate 5 of the thyristor 2 .

Wird der Optokoppler 10 dauernd angesteuert, werden die Thyri storen 1 und 2 abwechselnd gezündet und es fließt ein Strom ähnlich wie über einen mechanischen Kontakt. Der Einschaltzeit punkt des Stromes kann man beliebig wählen, d. h. je nach Phasen lage des Einschaltzeitpunktes des Optotriacs beginnt der Strom fluß von P über Thyristor 1 oder 2 über den Kondensator 3 nach N. Da der Optotriac 10 einen sogenannten Nullpunktschalter ent hält, kann der Strom nicht mehr zu jedem beliebigen Zeitpunkt zugeschaltet werden, sondern nur dann, wenn die Spannung über dem Optotriac 10 und somit über den Thyristoren 1 und 2 gleich 0 ist. Damit ist gewährleistet, daß unabhängig vom Ladezustand des Kondensators 3 immer dann erst ein Stromfluß zustande kommt, wenn die Differenz der Netz- und Kondensatorspannung annähernd 0 ist und somit dem Einschaltstrom kein Ausgleichsstromglied überlagert ist. Der Optokoppler 20, der über den Kondensator 18 und den Brückengleichrichter 19 eingangsseitig an der Wech selspannung PN liegt, gibt über seine Ausgangsseite den Opto koppler-Ausgangstransistor 21 und die Verstärkerstufe 14 das Ansteuersignal für den Optotriac nur dann frei, wenn der Opto koppler 20 angesteuert wird, d. h. wenn eine Netzspannung vor handen ist. Damit das Ansteuersignal nicht während des Null durchgangs der Netzspannung unterbrochen wird, wird die Leucht diode des Optotriacs mittels eines Kondensators 13 gepuffert. Umgekehrt gilt, daß, wenn bei eingeschalteten Thyristoren die Netzspannung kurzzeitig ausfällt, der Ansteuerstromkreis für den Optotriac und somit für die Thyristoren 1 und 2 unterbrochen wird. So wird bei wiederkehrender Spannung ein erneuter Ein schaltvorgang ausgelöst, der ebenso abläuft, wie oben beschrie ben. Würde der Ansteuerstromkreis nicht unterbrochen werden, würden die Thyristoren genau zu dem Zeitpunkt leitend, in dem die Spannung wiederkehrt, d. h. es könnte wiederum ein entspre chender Ausgleichsstrom auftreten. Es erfolgt somit ein Erken nen eines kurzzeitigen Netzausfalles und ein definiertes Wie dereinschalten.If the optocoupler 10 is continuously controlled, the Thyri interference 1 and 2 are alternately fired and a current flows similarly as via a mechanical contact. The switch-on point of the current can be chosen arbitrarily, that is, depending on the phase position of the switch-on time of the Optotriacs, the current flow from P via thyristor 1 or 2 via the capacitor 3 to N. Since the Optotriac 10 contains a so-called zero point switch ent, the current can no longer be switched on at any time, but only when the voltage across the optotriac 10 and thus across the thyristors 1 and 2 is equal to 0. This ensures that, regardless of the state of charge of the capacitor 3 , a current flow only occurs when the difference between the mains and capacitor voltage is approximately 0 and therefore no balancing current element is superimposed on the inrush current. The optocoupler 20 , which is on the input side at the AC voltage PN via the capacitor 18 and the bridge rectifier 19 , releases the opto-coupler output transistor 21 and the amplifier stage 14 via its output side only when the opto-coupler 20 is triggered, the drive signal for the optotriac will, ie if a mains voltage is available. So that the control signal is not interrupted during the zero crossing of the mains voltage, the light-emitting diode of the Optotriacs is buffered by means of a capacitor 13 . Conversely, if the mains voltage briefly fails when the thyristors are switched on, the control circuit for the optotriac and thus for thyristors 1 and 2 is interrupted. In this way, when the voltage is recurring, a new switch-on process is triggered, which proceeds in exactly the same way as described above. If the drive circuit were not interrupted, the thyristors would be conductive at exactly the point in time at which the voltage returns, that is to say a corresponding equalizing current could again occur. There is thus a short-term power failure detection and a defined restart.

Mit der Fig. 2 sind der Verlauf von Spannungen und Strom über der Zeit dargestellt. Unter A ist die Netzspannung, die in der Schaltung zwischen den Klemmen P und N liegt zu erkennen. B zeigt die Kondensatorspannung, die am Kondensator 3 anliegt. Sie sei zu Beginn des Betrachtungszeitraumes gleich der Schei telspannung der Netzspannung. C zeigt die Spannung über den Thyristoren 1 und 2. D gibt das Abbild des Einschaltkommandos, also des Stromverlaufs des Kopplerstroms im Koppler 12, abhängig von den Eingangskommandoklemmen 16, 17 und der Verstärkerstufe 14, und E zeigt den Stromverlauf des Thyristorstroms über die Thyristoren 1 und 2.With FIG. 2, the course of voltage and current are shown over time. The mains voltage that lies in the circuit between terminals P and N can be seen under A. B shows the capacitor voltage that is present at capacitor 3 . At the beginning of the observation period, it was equal to the voltage of the mains voltage. C shows the voltage across thyristors 1 and 2 . D gives the image of the switch-on command, i.e. the current profile of the coupler current in the coupler 12 , depending on the input command terminals 16 , 17 and the amplifier stage 14 , and E shows the current profile of the thyristor current via the thyristors 1 and 2 .

Zum Zeitpunkt t1 wird ein Einschaltkommando gegeben. Würden zu diesem Zeitpunkt die Thyristoren 1 und 2 gezündet, würde sich ein hoher Einschaltstrom ergeben, der nur durch die Leitungs impedanz begrenzt wäre. Die erfindungsgemäße Schaltung zündet jedoch die Thyristoren erst zum Zeitpunkt t2, da hier die Span nung über den Thyristoren 1 und 2 zu 0 wird, was das Diagramm C zeigt. Nun beginnt ein sinusförmiger Strom zu fließen ohne Aus gleichsglied. Zum Zeitpunkt t3 wird das Ein-Kommando weggenom men. Der Strom fließt jedoch noch solange weiter, bis er zu 0 wird. Erst dann übernehmen die Thyristoren 1 und 2 wieder Sperrspannung. Der Kondensator ist wiederum auf den Scheitel wert der Netzspannung aufgeladen. Damit ist nun gewährleistet, daß unabhängig vom Ladezustand des Kondensators immer dann erst ein Stromfluß zustande kommt, wenn die Differenz der Netz- und Kondensatorspannung annähernd 0 ist und somit dem Einschaltstrom kein Ausgleichsstromglied überlagert ist. Außerdem wird zusätz lich ein kurzzeitiger Netzausfall erkannt und das definierte Wiedereinschalten sichergestellt.A switch-on command is given at time t 1 . If the thyristors 1 and 2 were fired at this time, a high inrush current would result, which would only be limited by the line impedance. However, the circuit according to the invention ignites the thyristors only at time t 2 , since here the voltage across thyristors 1 and 2 becomes 0, which is shown in diagram C. Now a sinusoidal current begins to flow without an equalizer. At time t 3 , the on command is removed. However, the current continues to flow until it becomes 0. Only then do the thyristors 1 and 2 again take reverse voltage. The capacitor is in turn charged to the peak value of the mains voltage. This now ensures that regardless of the state of charge of the capacitor, a current flow only occurs when the difference between the mains and capacitor voltage is approximately 0 and therefore no balancing current element is superimposed on the inrush current. In addition, a brief power failure is also recognized and the defined restart is ensured.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann auch auf ein dreiphasiges Netz zum Schalten von Drehstromkondensatoren angewandt werden.The circuit according to the invention can also be a three-phase Mains for switching three-phase capacitors can be used.

Claims

1. Arrangement for switching capacitors on and off, preferably in compensation systems, by means of a switching device, characterized in that the switching device consists of two thyristors ( 1 , 2 ) in anti-parallel connection be, which can be controlled by a control device, the thyristors ( 1 , 2 ) only switches on when an ON command is present if the voltage difference between the mains voltage (A) and the capacitor voltage (B) is approximately 0.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the control device is an optotriac ( 10 ) with a zero point switch.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the ON command for the optotriac ( 10 ) is mains voltage dependent.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the control signal for the optotriac ( 10 ) is looped via an optocoupler output transistor ( 21 ), the input of which is fed by the network via a capacitor ( 3 ) and a bridge rectifier ( 19 ).

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that an amplifier stage ( 14 ), consisting of a resistor ( 15 ) and an additional transistor, is switched on in the control circuit of the optotriacs ( 10 ).

6. Arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that the input of the optotriacs ( 10 ) via a capacitor ( 13 ) is buffered.