DE4242615C1 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines Stromrichters in Saugdrosselschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Eine solche Schaltungsanordnung ist durch die DE 29 37 947 C2 bekannt.

Die Schaltung hat in der Hochstromgleichstromversorgung von wäßrigen Elektrolysen größte Bedeutung. Die z. B. bei Chlorelektrolysen üblichen Stromstärken von bis zu 150 kA, bei einer Gleichspannung von 400 V, können hierdurch mit größtem Wirkungsgrad geliefert werden.

Zum Einsatz als Leistungshalbleiterschalter gelangen in der Regel große Scheibenthyristoren. Von diesen sind wegen der benötigten hohen Strom­ stärken in jedem Anschluß an die Sekundärwicklungen des Stromrichter­ transformators mehrere (z. B. zehn Stück) parallelgeschaltet, wobei üb­ licherweise jedem Leistungshalbleiterschalter (Thyristor) zum Schutz vor Überströmen eine eigene Sicherung nachgeschaltet ist.

Jede Sicherung ist üblicherweise mit mindestens einem Mikroschalter zur Meldung ihres Ansprechens versehen, so daß hierdurch z. B. eine Abschal­ tung der Schaltungsanordnung durch Öffnen eines primärseitigen Leistungs­ schalters veranlaßt wird. Häufig wird auch eine Lösung mit zwei Mikro­ schaltern pro Sicherung vorgezogen, um eine Auslösung erst beim Ansprechen der zweiten Sicherung pro Phase zu erreichen (Prospekt "POWERSEMI" Stromrichter für Hochstrom (Sach-Nr. 029123640) A95 V5.5.44/1189 DE/EN/SP der Fa. AEG Aktiengesellschaft).

Jedem der parallelgeschalteten steuerbaren Leistungshalbleiterschalter ist zur Potentialtrennung für die Ansteuerung ein Steuerimpulsübertrager zu­ geordnet, dessen Ausgang direkt an den Steueranschluß (Gate) bzw. an die Kathode des Leistungshalbleiterschalters geführt ist.

Die Scheibenthyristoren und die Sicherungen sind üblicherweise bei Hoch­ stromgleichstromversorgungen auf wasserdurchflossenen Aluminium-Hohl­ schienen in einem selbsttragenden Stromrichtergestell montiert.

Die Sicherungen benötigen dabei Platz, und sie verursachen infolge der hohen durch sie fließenden Ströme nicht unerhebliche elektrische Verluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung der ein­ gangs angegebenen Art derart auszugestalten, daß die von den Sicherungen hervorgerufenen Verluste verringert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.

Die Anzahl der notwendigen Sicherungen wird also halbiert, wodurch sich sowohl der Platzbedarf als auch der Kostenaufwand verringert. Infolge der Phasenverschiebung zwischen den beiden nunmehr jeweils über die gemein­ same Sicherung verbundenen Sekundärwicklungen des Stromrichtertransforma­ tors steigt der Effektivstrom pro Sicherung um den Faktor √2. Das bedeutet jedoch gegenüber der Anordnung mit einer Sicherung für jeden Leistungs­ halbleiterschalter eine um ca. 5% niedrigere Verlustleistung des gesamten Stromrichtergerätes.

Dabei bleibt die Schutzfunktion der Sicherung innerhalb der beiden Teilstrom­ richter unverändert. Auch eine Rückspeisung des Verbrauchers ist nach wie vor ausgeschlossen.

Verliert ein Leistungshalbleiterschalter seine Sperrfähigkeit und wird der über die gemeinsame Sicherung geführte intakte zweite Leistungshalbleiter­ schalter gezündet, kann zwar getrieben von den beiden Spannungen an den zugehörigen Sekundärwicklungen des Stromrichtertransformators ein Fehler­ strom auftreten. Dieser muß jedoch über die Saugdrossel fließen und wird von ihr begrenzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Der zuvor angesprochene Fehlerstrom wird z. B., um den intakten Leistungs­ halbleiterschalter in keinem Fall zu gefährden, durch den magnetischen Span­ nungsmesser (Rogowskigürtel) erfaßt, so daß bei einem zu hohen Strom eine entsprechende Schutzabschaltung erfolgen kann.

Durch die Anordnung der Feinsicherungen im Steuerstromkreis der einzelnen Leistungshalbleiterschalter wird zudem vorteilhafterweise erreicht, daß beim Ansprechen der gemeinsamen Sicherung der Leistungshalbleiterschalter und dem dadurch ausgelösten Schmelzen der Feinsicherungen die Steuerimpulse für beide betroffenen Leistungshalbleiterschalter unmittelbar gemeinsam ge­ sperrt werden.

Durch die Führung der primärseitigen Wicklungen der Steuerimpulsübertrager über den gemeinsamen Meßwiderstand ist es möglich, durch die stufenweise Erhöhung des Spannungsabfalls am Meßwiderstand bei dem Ansprechen ein­ zelner Sicherungen und damit auch Feinsicherungen festzustellen, wieviele der Sicherungen angesprochen haben, so daß über die Ansprechschwelle der einzelnen nachgeschalteten Kippstufen je nach der Anzahl des Ausfalls der parallelen Leistungshalbleiterschalter Warn-, Abschalt- und/oder Lastre­ duzierungssignale abgegeben werden können. Die Meldung über die bisher bei den Sicherungen vorgesehenen Mikroschalter und damit diese Mikro­ schalter selbst sind deshalb entbehrlich.

Die Erfindung soll im folgenden für Ausführungsbeispiele anhand der Zeich­ nung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das Grundprinzip der Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zwecks Sperrung der Steuerimpulse für die bei einem Fehlerfall betroffenen Leistungshalbleiterschalter und

Fig. 3 eine Schaltungsvariante zur Erkennung eines Ansprechens einzelner Sicherungen.

Gemäß Fig. 1 ist die dreiphasige Primärwicklung 1 eines Stromrichtertrans­ formators TR über einen Leistungsschalter TS an ein speisendes Netz mit den Phasen L1, L2, L3 gelegt. Sekundärseitig weist der Stromrichtertrans­ formator TR je Phase zwei gegeneinander um 180° phasenversetzte Sekun­ därwicklungen II, III auf, deren Sternpunkte über eine Saugdrossel S ver­ bunden sind. An die Sekundärwicklungen II, III sind jeweils steuerbare Lei­ stungshalbleiterschalter 1 bis 6 anodenseitig angeschlossen. In der Praxis entspricht jedem dieser Leistungshalbleiterschalter bei Hochstromgleichstrom­ versorgungen eine Vielzahl parallelgeschalteter (Scheiben-) Thyristoren.

Die Saugdrossel S weist eine Mittelanzapfung auf, an die eine durch eine Drosselspule L_L, einen ohmschen Widerstand R_L und eine (hohe) Gegen­ spannung E gekennzeichnete Last, z. B. eine wäßrige Elektrolyseanlage, an­ geschlossen ist.

Diese Last wird im normalen Betriebsfall durch Ansteuerung der Leistungs­ halbleiterschalter 1 bis 6 aus einem kathodenseitig an die Leistungshalb­ leiterschalter 1 bis 6 angeschlossenen Gleichstromsammler G mit einem Gleichstrom I_d gespeist.

Erfindungsgemäß sind jeweils zwei mit um 180° phasenversetzten Sekundär­ wicklungen II bzw. III des Stromrichtertransformators TR verbundene Lei­ stungshalbleiterschalter, nämlich 1 und 4, 2 und 5 bzw. 3 und 6 jeweils kathodenseitig verbunden, so daß sie jeweils über eine gemeinsame Sicherung S1, S2, S3 an den Gleichstromsammler G angeschlossen sind.

In der Praxis ist also z. B. jeweils einer der parallelgeschalteten Thyristoren, für die hier der Leistungshalbleiterschalter 1 steht, mit einem der parallel­ geschalteten Thyristoren, für die hier der Leistungshalbleiterschalter 4 steht, an eine für beide gemeinsame Sicherung, die hier mit S1 bezeichnet ist, gelegt, die andererseits mit dem Gleichstromsammler G verbunden ist.

Für jeweils zwei Thyristoren ist also jeweils nur eine Sicherung vorhanden, so daß sich gegenüber der sonst üblichen Zuordnung einer Sicherung für jeden Thyristor eine Halbierung der Anzahl der Sicherungen für die Leistungs­ halbleiterschalter ergibt.

Verliert nun ein Thyristor die Sperrfähigkeit (z. B. einer der Thyristoren, für die der Leistungshalbleiterschalter 1 steht) und wird der über die ge­ meinsame Sicherung geführte intakte Thyristor (also der mit dem defekten Thyristor verbundene Thyristor aus der Parallelschaltung, für die hier der Leistungshalbleiterschalter 4 steht) gezündet, fließt ein Strom I_F von den Spannungen in den zugehörigen Sekundärwicklungen II bzw. III des Strom­ richtertransformators TR getrieben über die Saugdrossel S. Dieser Strom I_F wird von der Saugdrossel begrenzt.

Um den intakten Thyristor des die gemeinsame Sicherung aufweisenden Paares nicht zu gefährden, kann zusätzlich ein magnetischer Spannungs­ messer (Rogowskigürtel) M vorgesehen werden, durch den die Anstiegsgeschwin­ digkeit des Stromes I_F erfaßt wird. Der magnetische Spannungsmesser gibt eine der Stromanstiegsgeschwindigkeit proportionale Spannung ab. Diese Spannung wird einem Meßtrigger T zugeführt, der bei Überschreiten eines einstellbaren Grenzwertes eine sofortige Impulssperre für alle Thyristoren des Stromrichters und eine Abschaltung der Schaltungsanordnung durch den primären Leistungsschalter TS bewirkt.

Da die Leistungshalbleiterschalter 1 und 4 um 180° versetzt gezündet werden (und jeweils 120° leitend bleiben) ist es beim Ansprechen einer Sicherung sinnvoll, zumindest den Steuerimpuls für die beiden der Sicherung vorge­ schalteten Thyristoren zu sperren und somit den zuvor erwähnten Strom I_F zu vermeiden.

Eine Schaltungsanordnung, mit der dieses auf einfache Weise in Ergänzung der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erreicht werden kann, ist in Fig. 2 gezeigt.

Hier repräsentieren wiederum die mit 1 bzw. die mit 4 bezeichneten Lei­ stungshalbleiterschalter jeweils einen von n parallelgeschalteten Thyristoren. Die mit 2, 3, 5 und 6 bezeichneten Leistungshalbleiterschalter (Fig. 1), bei denen in entsprechender Weise wie bei den Leistungshalbleiterschaltern 1 und 4 in den Steuerimpulskreis eingegriffen wird, sind der besseren Über­ sichtlichkeit halber hier fortgelassen.

Die Übertragung der um 180° versetzten Steuerimpulse für die beiden Lei­ stungshalbleiterschalter 1 und 4, denen die gemeinsame Sicherung S1 zu­ geordnet ist, erfolgt über zwei potentialtrennende, induktive Steuerimpuls­ übertrager Ü1.1, Ü1.4 (d. h. jedem der n parallelgeschalteten Thyristoren, die jeweils mit einer der Sekundärwicklungen II oder III des Stromrichter­ transformators TR verbunden sind, ist ein gesonderter Steuerimpulsüber­ trager zugeordnet). Dabei ist der eine Anschluß der sekundären Wicklung jedes Übertragers Ü1.1, Ü1.4 an den Steueranschluß des jeweiligen Lei­ stungshalbleiterschalters 1 bzw. 4 angeschlossen, während der andere An­ schluß an den Verbindungspunkt zweier Feinsicherungen F1.1, F1.4 gelegt ist, die jeweils einer gemeinsamen Sicherung, also hier S1, parallelliegen.

Tritt bei einer Schaltung gemäß Fig. 2 ein Verlust der Sperrfähigkeit z. B. eines Thyristors, der durch den Leistungshalbleiterschalter 1 hier repräsen­ tiert ist, auf oder tritt ein verbraucherseitiger Kurzschluß auf, führt dies zunächst zum Schalten der gemeinsamen Sicherung S1. Bedingt durch deren Schaltspannung werden beide Feinsicherungen F1.1 und F1.4 schmelzen. Dies ist durch das Verhältnis der Ansprechströme und durch Auswahl der geeig­ neten Sicherungen zu gewährleisten.

In Reihe zu den Feinsicherungen F1.1 und F1.4 können aber auch - wie in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist - zwei antiparallele Dioden D1, D4 ge­ schaltet sein, um eine Vorbelastung bedingt durch den betriebsmäßigen Spannungsabfall an der Sicherung S1 zu vermeiden.

Durch das Schmelzen der Feinsicherungen F1.1 und F1.4 wird der Steuer­ impulskreis für beide Leistungshalbleiterschalter 1 und 4 unterbrochen. Da also bei einem Defekt des Leistungshalbleiterschalters 1 auch der Steuer­ impuls für den Leistungshalbleiterschalter 4 rechtzeitig unterbrochen wird, kommt es nicht zu dem in Fig. 1 skizzierten Strom I_F und der Stromrichter kann mit (n-1) Thyristoren in der Phase, in der der Defekt auftrat, weiter betrieben werden.

Wie zuvor schon erwähnt wurde, ist es üblich, jede Thyristorsicherung mit einem oder mehreren Mikroschaltern zu versehen.

Wird die Schaltung gemäß Fig. 2 weiter ergänzt, ist es möglich, über den Steuerimpulsstrom auch ohne eine Meldung über die Mikroschalter die An­ zahl der durchgeschmolzenen Sicherungen S1, S2, S3 zu bestimmen. Eine entsprechende Schaltung zeigt Fig. 3:

Hier ist der praxisnahe Fall n parallelgeschalteter Thyristoren 1.1, 1.2, 1.n, die sämtlich an einer gemeinsamen Sekundärwicklung 1∼ des Stromrichter­ transformators angeschlossen sind und n parallelgeschalteter Thyristoren 4.1, 4.2, 4.n, die sämtlich an einer gemeinsamen, 180° gegenüber der Wicklung 1 versetzten Sekundärwicklung 4∼ angeschlossen sind, dargestellt. Jedem Thy­ ristor 1.1, 1.2, 1.n und 4.1, 4.2, 4.n ist ein Steuerimpulsübertrager Ü1.11, Ü1.12, Ü1.1n, Ü1.41, Ü1.42, Ü1.4n zugeordnet, der sekundärseitig entsprechend der in Fig. 2 gezeigten Weise zum einen an die Steueranschlüsse der Thy­ ristoren 1.1, 1.2, 1.n, 4.1, 4.2, 4.n und zum anderen über den Sicherungen S1.1, S1.2, S1.n parallelgeschaltete Feinsicherungen F1.11, F1.12, F1.1n, F1.41, F1.42, F1.4n an die Kathoden der Thyristoren 1.1, 1.2, 1.n, 4.1, 4.2, 4.n gelegt ist.

Primärseitig wird in die gemeinsame Versorgungsleitung der parallelen Steuer­ impulsübertrager Ü1.11, Ü1.12, Ü1.1n, Ü1.41, Ü1.42, Ü1.4n von einer Span­ nungsquelle SP in einem Zündimpulsgerät Z ein Meßwiderstand R geschaltet. Ein solcher Meßwiderstand ist entsprechend den drei jeweils um 180° zu­ einander versetzten Sekundärwicklungspaaren des Stromrichtertransformators insgesamt dreimal vorhanden.

Der Spannungsabfall über diesem Meßwiderstand R ist dem Steuerimpulsstrom I_i proportional. Die Höhe dieses Stromes wiederum ist abhängig von der An­ zahl der im Betrieb befindlichen Impulsübertrager Ü1.11, Ü1.12, Ü1.1n, Ü1.41, Ü1.42, Ü1.4n.

Da nun über die Feinsicherung F1.11, F1.12, F1.1n, F1.41, F1.42, F1.4n beim Ansprechen einer Sicherung S1.1, S1.2, S1.n die entsprechenden beiden Steuer­ impulsübertrager sekundärseitig abgetrennt werden, sinkt der Primärstrom I_i über den Meßwiderstand R.

Über einen mit Beschaltungswiderständen R1, R2, R3 beschalteten Differenz­ verstärker N1 wird die entsprechende Spannung mindestens einer Kippstufe N2, N3 zugeführt. Durch Einstellen der Ansprechschwellen der Kippstufen, z. B. für die Kippstufe N2 über einen Widerstand R4, läßt sich die Anzahl der bereits durchgeschmolzenen Sicherungen S1.1 bis 1.n bestimmen.

Bei mehreren Kippstufen (wie hier N2, N3) kann z. B. beim Ansprechen der ersten Sicherung eine Warnung über die Kippstufe N3 und beim Ansprechen einer weiteren Sicherung pro Phase eine Abschaltung über die Kippstufe N2 und das von ihr betätigte Relais K1 und/oder eine Lastreduzierung erfolgen.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Stromrichters in Saugdrossel­ schaltung (M3.2-Schaltung), bei der die durch Sicherungen geschützten, steuerbaren Leistungshalbleiterschalter zweier Teilstromrichter in Drei­ puls-Mittelpunktschaltung kathodenseitig gemeinsam an den einen An­ schluß einer Last geschaltet sind und bei der je Phase zwei um 180° phasenversetzte, an die Anoden der Leistungshalbleiterschalter ange­ schlossene Sekundärwicklungen eines primärseitig am speisenden Netz liegenden Stromrichtertransformators mit ihren Sternpunkten über die Saugdrossel verbunden sind, an deren Mittelanzapfung der andere Anschluß der Last angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei mit um 180° phasenversetzten Sekundärwicklungen (II, III) des Stromrichtertransformators (TR) verbundene Leistungshalbleiterschal­ ter (1 und 4, 2 und 5, 3 und 6) kathodenseitig zusammen über eine ge­ meinsame Sicherung (S1, S2, S3) an die Last (R_L, L_L, E) gelegt sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Spannungsmesser (M) vorgesehen ist, durch den der durch die Saugdrossel (S) fließende Strom erfaßt wird und der mit einer Meßtriggerschaltung (T) verbunden ist, die beim Überschreiten eines Grenzstromes sämtliche Steuerimpulse für die Leistungshalbleiterschalter (1 bis 6) sperrt und die Primärwicklung (I) des Stromrichtertransformators (TR) vom Netz (L1, L2, L3) abschaltet (Fig. 1).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sicherung (S1) eine Reihenschaltung zweier durch die Schalt­ spannung beim Ansprechen der jeweiligen Sicherung (S1) ausgelöste Fein­ sicherungen (F1.1, F1.4) parallelgeschaltet ist, die jeweils im Steuerim­ pulskreis der beiden der Sicherung (S1) zugeordneten Leistungshalbleiter­ schalter (1, 4) angeordnet sind (Fig. 2).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Übertragung der um 180° versetzten Steuerimpulse für jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter (1, 4), denen eine gemeinsame Sicherung (S1) zugeordnet ist, über zwei potentialtrennende, induktive Steuerimpulsübertrager (Ü1.1, Ü1.4) die sekundärseitigen Wicklungen dieser Steuerimpulsübertrager zum einen an den Steueranschluß des je­ weiligen Leistungshalbleiterschalters (1, 4) und zum anderen gemeinsam an den Verbindungspunkt der beiden in Reihe geschalteten Feinsicherungen (F1.1, F1.4) geschaltet sind (Fig. 2).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu den Feinsicherungen (F1.1, F1.4) zwei antiparallele Dioden (D1, D4) geschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die primärseitigen Wicklungen der Steuerimpulsübertrager (Ü1.11, Ü1.41, Ü1.12, Ü1.42, Ü1.1n, Ü1.4n) je Phase parallel über einen gemein­ samen Meßwiderstand (R) an eine gemeinsame Spannungsquelle (SP) gelegt sind, und daß der vom Steuerimpulsstrom hervorgerufene Span­ nungsabfall am Meßwiderstand (R) zumindest einer Kippstufe (N2, N3) zugeführt ist (Fig. 3).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kippstufen (N2, N3) mit unterschiedlichen Ansprechschwellen vorgesehen sind, die bei Erreichen der jeweiligen Ansprechschwellen Warn-, Stromrichterabschalt- und/oder ein Lastreduzierungssignal abgeben (Fig. 3).