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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gegen beim öffnen
eines statischen Halbleiterrelais auftretende Überspannungen.
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Es ist bekannt, Steuerleistungsschalter mit Halbleitern (wie
Thyristoren, bipolaren Transistoren, oder Feldeffekttransistoren, . . .)
gegen Überspannungen und Geschwindigkeit von Spannungsänderungen zu
schützen, die beim öffnen desselben notwendig an den Anschlüssen
der Anordnung auftreten. Infolge dessen hat man an den Anschlüssen
eines derartigen statischen Steuerleistungsschalter einen
Schutzschaltkreis, im allgemeinen bestehend aus einer Parallelschaltung
eines Überspannungsableiters vom Typ eines Varistors und eines
Netzwerkes von Widerstand-Kondensator-Diode (oder einem Teil dieses
Netzes mit wenigstens einen Kondensator) vorgesehen.
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Eine Darstellung dieses bekannten Standes der Technik ist
auszugsweise in einem Beispiel anhand der Fig. 1 bis 3 dargestellt.
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Die einfachste Darstellung einer derartig bekannten Schaltung ist in
der Fig. 1 dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen statischen
Unterbrecherschalter, der aus einem Thyristor 1 besteht und der in
Serie geschaltet ist mit einer Last 2, bestehend aus einer
Selbstinduktivität 3 und einem ohmschen Widerstand 4, gespeist durch eine
Spannungsquelle 5 mit der Spannung Vc.
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Dieser Thyristor 1 nach diesem Beispiel ist ein Thyristor "GTO", was
besagt, daß es sich um einen Thyristor handelt, der, steuerbar über
ein Gate, in üblicher Weise über dieses Gate gesteuert wird, wobei
Zündung und Löschung durch einen Steuerkreis 06, welcher von außen
her Auslöseimpulse über die Eingänge 7 erhält, erfolgt.
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Dieser Thyristor 1 wird geschützt:
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- Gegen Geschwindigkeit der Spannungsänderung beim öffnen durch
einen Schaltkreis "SNUBBER" 9, welcher in üblicher Weise aus einem
Kondensator, z. B. Polypropylen 10, besteht, der direkt über eine
Diode 11, gespeist wird, wobei an diesem Anschluß ein Widerstand 12
liegt, der zur Entladung des Kondensators 10 dient; und
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- gegen beim öffnen auftretende Überspannungen durch einen Varistor
13, oder einer anderen Art von Überspannungsableitern, die den Wert
der Spannung an den Anschlüssen des Thyristors 1 durch Aufnahme des
größten Teil des Extrastromes, bedingt durch das Unterbrechen an der
Selbstinduktion 3, begrenzen.
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Wenn es darum geht, das Schalten einer Last 2, gespeist von einer
Wechselspannung Va, zu bewirken, werden in bekannter Weise zwei
fälle vorgestellt:
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- Entweder (siehe Fig. 2) ist das statische Relais, nämlich in
diesem Beispiel der Thyristor "GTO" 1, in einer asymmetrischen
Zusammenschaltung (der ein Anlegen einer inversen Spannung an seine
Anschlüsse nicht aushalten kann); in diesen Fall muß eine Versorgung
über einen Gleichrichter erfolgen (in diesem Beispiel über einen
Brückengleichrichter 14, bestehend aus vier Dioden 15 bis 18).
Gerade
dort hat man zusätzlich noch den Varistor 13 an den Anschlüssen
des Thyristors 1 vorgesehen, sowie einen Kondensator 19, der über
eine Diode 21 direkt gespeist wird, wobei an deren Anschlüsse ein
Widerstand 20 angeschaltet ist, der der Entladung des Kondensators
19 dient.
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- Oder (siehe Fig. 3), es wird von einem "symmetrisch" genannten,
statischen Relais Gebrauch gemacht, (das nämlich fähig ist, eine
inverse Spannung auszuhalten), wobei es allgemein üblich ist, hierzu
eine parallele Anordnung von zwei Thyristoren 21, 22, mit
entgegensetzter Sperrichtung anzuordnen, die mit der Quelle 30 mit der
Wechsel-Spannung Va und der Last 2 in Serie geschaltet sind. Jedem
Thyristor 21, 22 ist ein Steuerkreis für das Gate zugeordnet,
beispielsweise 23, 24, zugeordnet, wobei der Schutz gegen Überspannung
beim öffnen immer durch den Varistor 13, angeschlossen an die
Anschlüsse der Thyristoren 21 und 22, sichergestellt ist. Es ist dort
ebenfalls ein Kondensator 19 mit einem Entlade-Widerstand 20
vorgesehen, um die Geschwindigkeit einer Spannungsänderung beim öffnen
entweder des Thyristors 21 oder des Thyristors 22 aufzunehmen. Eine
entsprechende Diode 11 ist demnach nicht mehr notwendig, da sie in
der Brücke 25 enthalten ist. Dabei ist das Bauteil-Kombination 19,
20 in die Diagonalen des Brückengleichrichters 25 mit den Dioden 26
bis 29 geschaltet, denn es wäre völlig ausgeschlossen, eine
Wechselspannung an den Kondensator 19 anzulegen, ohne dort einen
wesentlichen Fehlstrom zu erzeugen, der für die Funktion der Einrichtung
gänzlich abträglich ist.
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Diese bekannten Vorrichtungen beinhalten die nachfolgenden
Nachteile:
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- Wenn das statische Relais, wie der in Fig. 1 dargestellte
Thyristor 1, geöffnet ist, ist der an seine Anschlüsse angeschlossene
Varistor 13 immer mit der gesamten Versorgungsspannung beaufschlagt.
Damit ein beschleunigtes Altern des Überspannungsableiters vermieden
wird, sollte dessen Ansprech-Spannung so bemessen sein, daß der
unter dieser Spannung fließende Strom nicht einen starken Verlust an
dem Überspannungsableiter bewirkt. Diese Lösung führt unwillkürlich
zu einer Überdimensionierung der Ansprechspannung und zu der
Notwendigkeit, die maximal zulässige Spannung des Steuerschalters
anzuheben, und damit der Auswahl überdimensionierte Steuerschalter,
mit der Konsequenz, daß sie kostenungünstig sind.
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- Die Bemessung der Spannung bei einem derartigen
Überspannungsableiter ist an die Arbeitsspannung des Steuerschalters, an die
maximal zulässige Spannung durch diesen Steuerschalter sowie an die
Begrenzungscharakteristik des Überspannungsableiters gebunden. Dies
führt zu einer starken Überdimensionierung der Spannungsfestigkeit
der schaltbaren Komponenten: Bei einem Wechselspannungsnetz von
220/380 Volt benutzt man schaltbare Komponenten, deren
Spanungsfestigkeit sich im Bereich von 1200 und 1400 Volt bewegt. Legt man
ein Wechselspannungsnetz von 660 Volt zugrunde, so sind Komponenten
vorzusehen, welche um 2000 Volt aushalten, und es ist dadurch
notwendig, entsprechend kostspielige Bauteile zu verwenden.
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- Für den fall der Wechselspannungsversorgung, ist es, wie bereits
in den Zeichnungen der Fig. 2 und 3 dargestellt, notwendig, einen
Brückengleichrichter vorzusehen, um damit auszuschalten, daß der
verwendete Kondensator 19 mit Wechselspannung gespeist werden
sollte, wodurch ein für die Funktion der Einrichtung gänzlich
abträglicher Fehlstrom erzeugt würde.
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- Die Leistung, die von einem Steuerschalter abgeführt wird, der in
einem Wechselspannungsnetz benutzt wird, und der aus einer
Komponente bzw. von Komponenten besteht, welche unsymmetrischen
Spannungen standhalten, ist bedeutsam. Die Leistung kann dabei bis zu 300
Watt für einem Steuerschalter, ausgelegt für 100 Ampere effektiv,
liegen.
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Die vorliegende Erfindung will diese Nachteile überwinden. Die
Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein statisches
Halbleiterrelais
gegen die Überlastung beim öffnen, wobei dieses statische
Relais wenigstens einen Steuerschalter enthält, beispielsweise von
der Art eines Thyristors GTO, eines Transistors IGBT, eines
bipolaren Transistors, eines Feldeffekttransistors, wobei diese
Schutzvorrichtung einerseits wenigstens einen Überspannungsableiter enthält,
beispielsweise in der Art eines Varistors, der dieses statische
Relais gegen Überspannung beim öffnen schützt, und andererseits
wenigstens ein Kondensator, der bestimmt ist, dieses statische Relais
gegen die Geschwindigkeit von Spannungsänderungen beim öffnen zu
schützen. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Kondensator und der Überspannungsableiter wenigstens einen Teil eines
Parallelkreises bilden, dessen erster Anschluß verbunden ist mit dem
einem der zwei Leistungsanschlüssen des Steuerschalters, und dessen
anderer Anschluß mit dem anderen Leistungsanschluß dieses
Steuerschalters über ein statisches Hilfsrelais verbunden ist, das auf
Schließen gesteuert wird, entweder unverzüglich oder für eine
längere Dauer der Öffnungsphase des Steuerschalters.
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In vorteilhafter Weiterbildung kann dieses statische Hilfsrelais
von wenigsten einem Thyristor üblicher Bauart gebildet sein (der
nicht mittels des Gate's gesperrt werden kann), der derart zum
Schließen gesteuert wird, daß das Schließen entweder gleichzeitig
mit der Öffnungssteuerung dieses Steuerschalters oder kurz vorher
erfolgen sollte, und der durch den zum Ende der Öffnungsphase des
Steuerschalters sich natürlicherweise ergebenden Rückganges des
fließenden Stromes selbst löscht.
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Nach alledem wird die Erfindung zum besseren Verständnis mit ihren
Vorteilen und anderen charakteristischer Merkmale in den nachfolgend
beschriebenen drei Beispielen hervorgehoben, die nicht deren
Verwirklichung begrenzen, wobei auf die anliegenden schematisch
Zeichnungen Bezug genommen wird, dabei wird dargestellt:
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Die Fig. 1 bis 3 entsprechen dem oben bereits diskutierten Stand
der Technik.
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Fig. 4 zeigt ein elektrisches Schaltschema zur Verwirklichung der
Schutzvorrichtung nach der Erfindung für ein statisches Relais mit
einem einzigen Thyristor GTO, in Serie geschaltet mit einer Last,
gespeist mit Gleich- oder Wechselspannung;
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Fig. 5 zeigt in derselben Art eine Ausführungsform einer
Verwirklichung für ein statisches Relais mit zwei symmetrischen Thyristoren
GTO, wobei das statische Relais in Serie geschaltet ist mit der mit
Wechselstrom gespeisten Last; und
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Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Fig. 5, jedoch unter
Benutzung zweier asymmetrischer Thyristoren GTO.
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Die Fig. 4 zeigt die Anpassung der Erfindung an eine der
vorbeschriebenen, bekannten Vorrichtungen, wie sie in Fig. 1 beschrieben
ist. Dabei findet man insbesondere wieder:
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- Die Energiequelle für Gleichspannung mit dem Bezugszeichen 5, die
einen Strom mit der mit der Spannung Vc liefert;
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- Die Last 2 mit ihrer Selbstinduktivität 3 und ihren Widerstand 4;
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- und den Thyristor GTO 8 (mit seinem Steuerkreis 06), der in Serie
mit dieser Last liegt.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung ist ein besonderer Schaltkreis
mit den Anschlüssen 31, 32 des Thyristors 1 verbunden, dieser
Schaltkreis enthält:
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- Einen Schutzschaltkreis 33, der in üblicher Weise einen Varistor
13 (identisch mit dem in Fig. 1 bis 3) enthält, parallel geschaltet
zu einem Kondensator 19, beispielsweise Polypropylen (identisch mit
dem Kondensator 19 der Fig. 2 und 3) und einen Entladungswiderstand
20 (identisch mit den Widerständen 20);
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- sowie einen Hilfsthyristor 34, in Serie geschaltet mit dem
Parallel-Schaltkreis 33.
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Der Hilfsthyristor 34 ist hier ein gebräuchlicher Thyristor oder ein
Thyristor vom Typ GTO, dessen Gate 35 über den Anschluß 36 durch
Zündimpulse gesteuert ist, die praktisch synchron zu den
Sperrimpulse des Transistors GTO 1 sind, die von dem über 7 angesteuerten
Schaltkreis 06 erzeugt werden. Das Wesentliche für den Kern der
Erfindung ist, daß der Thyristor 34 geöffnet sein sollte, wenn der
Thyristor 1 zu sperren beginnt, dafür ist es ausreichend, wenn der
Zündimpuls den Thyristor 34 zur selben Zeit oder kurz nach
Sperrsteuerung des Thyristors 1 erreichen sollte: Unter Berücksichtigung
der leichten Verzögerung durch insbesondere den Schaltkreis 06 und
in der Zeit des Abklingens des Thyristors 1 ist der Thyristor 34
gezündet, da der Sperrimpuls an 8 zu wirken beginnt.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß der Fig. 4 wird im
folgenden beschrieben:
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Da gewünscht wird, die Versorgung der Last 2 zu unterbrechen, was
bedeutet, das statische Relais 1 zu öffnen, wird ein Sperrimpuls an 7
angelegt, während gleichzeitig ein Zündimpuls an den Hilfsthyristors
an 36 anzulegen ist. Unter Berücksichtigung der leichten zeitlichen
Verzögerung durch das Abklingen des Thyristors GTO 1, wird der
Thyristor 34 erst gezündet, wenn der Sperrimpuls an dem Gate 8 des
Thyristors GTO 1 anliegt. Der bekannte Schutzschaltkreis 33 ist
daher an die Anschlüsse des Thyristors 1 geschaltet, wobei er
während der gesamten Löschphase seiner Aufgabe voll gerecht wird. Der
Thyristor 34 sperrt daher in natürlicher Weise, wenn die Spannung an
den Anschlüssen der Anordnung 33 den Wert Vc der Speisespannung
erreicht hat, dann erreicht der Strom, der über diesen Thyristor
fließt, zu diesem Augenblick den Wert 0. Der Thyristor 34 ist dann
wieder geöffnet, der Varistor 13 weist keine Spannung an seinen
Anschlüssen mehr auf (in erster Annäherung ist der Fehlstrom des
Thyristors 34 hier mit "Null" anzusetzen), dieses begrenzt
erstaunlicherweise den Alterungsprozeß, wie er an Vorrichtungen nach dem
Stand der Technik beobachtet wird.
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Daher kann man sich in Zusammenschau mit Fig. 4 vorstellen, daß die
Thyristoren (symmetrisch angeordnet), die an einer Wechselspannung
Va (Generator 30 anstelle einer Gleichspannungsspeisung 5) anliegen,
dem Schema entsprechend eine Anpassung der Erfindung an den
Schaltkreis der Fig. 2 darstellen. Dabei hat man festgestellt, daß der
betreffende Brückengleichrichter 14 nicht mehr notwendig ist, da
bezüglich der gleichgerichteten Speisung am Kondensator 19 der
Thyristor 34 in exakter Weise diese Gleichrichterolle übernimmt,
zusätzlich zu seiner vorbeschriebenen Funktion.
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Bei einer Speisung mit Wechselspannung wird bevorzugt ein
doppel-alternierendes statisches Relais benutzt, von der Art, wie
beispielsweise in Fig. 3 beschrieben bzw. gezeigt.
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Bei der Verwendung eines symmetrischen Thyristor-Relais wird man,
entsprechend Fig. 3, eine Parallelschaltung verwenden, wobei die
Thyristoren antiparallel angeordnet sind. Eine derartige
Ausführungsform gemäß der Erfindung, ist in der Fig. 5 dargestellt.
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Dieses Schema verwendet jedoch zwei identische Thyristoren GTO 21
und 22, wie in Fig. 3, wobei aber jeder dieser Thyristoren verbunden
ist mit einem Schutzschaltkreis mit Hilfsthyristor identisch denen,
wie in Fig. 4 beschrieben, wobei sie dieselbe Funktion aufweisen:
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Am Thyristor 21 ist ein Hilfsthyristor 134 (identisch zu 34) in
Serie mit dem Schutzschaltreis 133 (identisch zu 33) angeordnet;
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und dem Thyristor 22 ist in selber Art der Hilfsthyristor 234
zugeordnet, der in Serie mit dem Schutzschaltkreis 233 liegt.
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Diese Schaltungsanordnung, die die Elemente, bezogen auf die
Thyristoren
21 und 22 in der Fig. 5 zeigt, ist mit denselben
Bezugsziffern versehen, entsprechend denen in der Fig. 4 für den Thyristor
1, jedoch mit einer vorgestellten "1" und einer "2".
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Dabei wird man nicht verhindern, daß selbst bei Wechselspannung
asymmetrische Thyristoren benutzt werden, die in Praxis von besserer
Qualität sind als symmetrische Thyristoren.
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Solche Thyristoren sollten nicht mit Spannungsumkehr beaufschlagt
werden und, in diesem Zusammenhang; zeigt Fig. 6 eine Anordnung
nach der Erfindung, bei der zwei Thyristoren GTO 41 und 42 benutzt
werden, die in Serie geschaltet und im umgekehrten Sinne in einer
Halbbrücke von Gleichrichterdioden 37 und 38 liegen. Für die
positive Phase ist der Thyristor 42 (nun selbst umgekehrt) von der
Diode 37 kurzgeschlossen, während für die Negativ-Phase der
Thyristor 41 (dann selbst umgekehrt) von der Diode 38 kurzgeschlossen
ist.
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Im übrigen funktionieren diese beiden Thyristoren 41 und 42 nach der
Erfindung exakt auf die gleiche Art, wie der Thyristor 1 nach Fig.
4, und wie die beiden Thyristoren 21 und 22 nach Fig. 5, was erneut
die Ähnlichkeit dieser Elemente nach der Erfindung herausstellt,
die, identisch sind mit denen der Fig. 4, in Fig. 6 mit denselben
Bezugszeichen versehen werden, jedoch mit einer vorgestellten "3" für
deren Zuordnung zu dem Thyristor 41 und mit einer vorgestellten "4"
für die Zuordnung zu dem Thyristor 42.
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Die Halbbrücke bestehend aus den Dioden 37, 38, die für diese
Anordnung nach Fig. 6 verwendet wird, erlaubt in-vorteilhafter Weise eine
Minimierung des Spannungsabfalls an den Anschlüssen des
Steuerschalters, und folglich seiner Verlustleistung, die bei einem
durchfließenden Strom von 100 Ampere effektiv etwa einen Wert vom um 250 Watt
aufweist.
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Demnach können der oder die Steuerschalter im allgemeinen durch
andere Komponenten als die Thyristoren GTO, wie beispielsweise
Transistoren IGBT, Bipolar-Transistoren, oder Feldeffekttransistoren
gebildet sein. In gleicher Weise können der oder die Hilfsschalter aus
anderen als den üblichen Thyristoren: Thyristoren GTO, Transistoren
IGBT, Bipolar-Transistoren, Feldeffekttransistoren gebildet sein. In
gleicher Weise können ebenfalls der oder die Spannungsüberleiter
durch andere Begrenzungs-Elemente, wie Varistoren: Zehner-Dioden,
Verbindungen von #ORT# Varistor-Blitzableitern usw . . . . gebildet
sein.