DE69204237T2

DE69204237T2 - Schaltkreis zum Überspannungsschutz.

Info

Publication number: DE69204237T2
Application number: DE69204237T
Authority: DE
Inventors: Takeo Kanai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2012-06-10
Also published as: DE69204237D1; CA2072296C; CA2072296A1; JPH053667A; US6219214B1; EP0525959B1; EP0525959A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zum Überspannungsschutz einer Last, mit einer Anzahl von parallelen Schaltelementen, die die Eigenschaft haben, bei Vorliegen einer Überspannung selbst zu zünden, und ein Verfahren zum Schützen der Schaltelemente.
Überspannungen entstehen in den Feldwicklungen von Generatoren und Motoren als Folge von asynchronen Eingaben, von Kurzschlüssen und ähnlichem. Überspannungs-Schutzschaltkreise mit Schaltelementen, wie beispielsweise Thyristoren, werden verwendet, um diese Vorrichtungen gegen Überspannungen zu schützen. In den Figuren 3 und 4 sind Überspannungs-Schutzschaltkreise gemäß dem Stand der Technik gezeigt, bei denen Thyristoren als Schaltelemente verwenden werden.
In Figur 3 ist 41 ein Generator, 42 ist eine durch die Feldwicklung des Generators 41 gebildete Last, 43 ist ein Thyristor- Gleichrichter, der die Feldwicklung 42 mit Gleichstrom (DC) versorgt, und 44 ist ein Überspannungs-Schutzschaltkreis, bei dem Thyristoren 45 zum Schutz gegen Überspannungen verwendet werden, die in der Feldwicklung 42 entstehen.
Die Thyristoren 45 im Überspannungs-Schutzschaltkreis 44 werden veranlaßt, bei Überspannungen, die in der Feldspule 42 entstehen, zu zünden und einen Kurzschluß zu erzeugen, wodurch der Generator 41 und der Thyristor-Gleichrichter 43 geschützt werden. Um die Zuverlässigkeit dieses Überspannungs-Schutzschaltkreises zu verbessern, werden Thyristoren 45 verwendet, die die Eigenschaft haben, ohne ein Gate-Signal selbst zu zünden, wenn ein bestimmter Spannungswert anliegt (nachfolgend werden diese Thyristoren 45 als VBO-freie Thyristoren bezeichnet).
Figur 4 ist eine detaillierte Darstellung eines Überspannungs- Schutzschaltkreises gemäß Stand der Technik, bei dem VBO-freie Thyristoren verwendet werden. Obwohl entsprechend der im Überspannungs-Schutzschaltkreis verwendeten Spannung bzw. Strom eine ausreichende Anzahl VBO-freier Thyristoren in Reihe oder parallel geschaltet werden können, ist in Figur 4 der Fall von drei parallelen (Teilschaltkreisen) gezeigt. 10, 20 und 30 sind Reaktanzen, die die sich zwischen den parallelen Schaltkreisen aufteilenden Ströme ausgleichen. 11, 12, 21, 22, 31 und 32 sind VBO-freie Thyristoren. 55 ist ein Gate-Schaltkreis, der den VBO- freien Thyristoren 11, 12, 21, 22, 31 und 32 Gate-Impulse zuführt, wenn dem Überspannungs-Schutzschaltkreis ein EIN-Befehl zugeführt wird.
Beim Schaltkreis in Figur 4 können die VBO-freien Thyristoren 11, 12, 21, 22, 31 und 32 durch Nachweisfehler, wie SchaltkreisÜberspannungen oder Generator-Kurzschlüsse, eingeschaltet werden. Auch wenn kein EIN-Befehl vorliegt, können die VBO-freien Thyristoren 11, 12, 21, 22, 31 und 32 jedoch selbst zünden und Überspannungen verhindern.
Bei dem bekannten Schaltkreis in Figur 4 erfolgt die durch Überspannung bewirkte Selbstzündung der VBO-freien Thyristoren 11, 12, 21, 22, 31 und 32 aufgrund zufälliger Unterschiede der Zündspannungswerte zwischen einzelnen Thyristoren und aufgrund von Temperaturunterschieden nicht gleichzeitig. Wenn beispielsweise der Zündwert des VBO-freien Thyristors 11 der kleinste ist, zündet der VBO-freie Thyristor 11 zuerst. Die am VBO-freien Thyristor 12 anliegende Spannung erhöht sich durch die Zündung des VBO-freien Thyristors 11. Deshalb zündet der VBO-freie Thyristor 12 ebenfalls nahezu gleichzeitig. Auf diese Weise zündet der Reihenschaltkreis mit den VBO-freien Thyristoren 11 und 12.
Wenn andererseits die Selbstzündungswerte der Reihenschaltkreise, die die VBO-freien Thyristoren 21, 22, 31 und 32 enthalten, groß sind, wird eine Überspannung verhindert, indem der Reihenschaltkreis zündet, der die VBO-freien Thyristoren 11 und 12 enthält. Deshalb zünden die Reihenschaltkreise nicht, die die VBO-freien Thyristoren 21, 22, 31 und 32 enthalten. Aus diesem Grunde konzentriert sich der Strom des Schaltkreises auf einen der drei Parallelschaltkreise, so daß durch die VBO-freien Thyristoren 11 und 12 der dreifache Strom fließt und die VBO- freien Thyristoren 11 und 12 zerstört werden.
Wie oben beschrieben, konzentriert sich der Stromfluß auf einen der Parallelschaltkreise, da die Selbstzündungsspannungen einzelnere VBO-freier Thyristoren zufällig gestreut sind und die Temperaturen unterschiedlich sind. Um dieses zu verhindern, werden aus einer geeigneten Anzahl VBO-freier Thyristoren Bauteile mit völlig identischen Eigenschaften ausgewählt und parallel miteinander verbunden. Außerdem ist für diese Einheit eine Temperatursteuerung erforderlich, um zu verhindern, daß die Temperaturen voneinander abweichen. Folglich entsteht ein Problem, indem die Einheit komplex und sehr teuer wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Schützen von Schaltkreisen und ein wirksames Verfahren zu schaffen, um die Schaltkreise zu schützen, indem eine Stromkonzentration in einem parallelen Teilschaltkreis der Schaltelemente verhindert wird.
Zur Lösung der obengenannten Aufgabe ist ein Schaltkreis zum Überspannungsschutz vorgesehen, mit
einer Anzahl von parallelen Teilschaltkreisen, um mit einer Last parallel verbunden zu werden, wobei jeder Teilschaltkreis ein selbstzündendes Schaltelement enthält, das auf eine Überspannung anspricht, um den Teilschaltkreis von einem geöffneten in einen geschlossenen, leitenden Zustand umzuschalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis Einrichtungen enthält, die auf das. Zünden irgendeines Schaltelements ansprechen, um einen Zündimpuls an alle Schaltelemente abzugeben.
Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Selbstzünden einiger der selbstzündenden Schaltelemente in einem von mehreren parallelen Teilschaltkreisen, die jeweils parallel mit einer Last verbunden sind, erfaßt und dazu verwendet, um zu bewirken, daß alle Schaltelemente gezündet werden, um alle Teilschaltkreise von einem offenen, nicht leitenden Zustand in einen geschlossenen, leitenden Schaltkreis-Zustand umzuschalten.
Bei der Erfindung mit obengenanntem Aufbau wird den anderen Schaltelementen, die mit einem Schaltelement verbunden sind, welches aufgrund einer Überspannung gezündet hat, ein Zündimpuls zugeführt. Dadurch kann eine Stromkonzentration in einem der parallel verbundenen Teilschaltkreise verhindert werden.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung, die ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Figur 2 ist eine schematische Darstelllung, die ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels dieser Erfindung, und die Komponenten, die die gleichen Funktionen wie die in den Figuren 3 und 4 haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Und in diesem Ausführungsbeispiel werden VBO-freie Thyristoren als Schaltelemente verwendet.
In Figur 1 ist 50 ein Stromsensor, der den Strom erfaßt, der im Schaltkreis mit den VBO-freien Thyristoren fließt; 51 ist ein Grenzwertsensor, der erfaßt, ob das Ausgangssignal des Stromsensors 50 einen bestimmten Wert überschritten hat; 52 ist ein NICHT-Glied, das Signale invertiert; 53 ist ein UND-Glied, dar ein logisches Produkt bestimmt, und 54 ist ein ODER-Glied, das eine logische Summe bestimmt.
Wenn beispielsweise beim Schaltkreis in Figur 1 der VBO-freie Thyristor 11 aufgrund einer Überspannung zündet, erhöht sich die anteilige Spannung am VBO-freien Thyristor 21 aufgrund der Zündung des VBO-freien Thyristors 11. Folglich zündet der VBO- freie Tnyristor 12 ebenfalls annähernd gleichzeitig aufgrund der Überspannung. Auf diese Weise wird einer der drei parallelen Unterschaltkreise, der die VBO-freien Thyristoren 11 und 12 enthält, gezündet. Aus diesem Grunde fließt ein Strom durch die VBO-freien Thyristoren 11 und 12, und dieser Strom wird vom Stromsensor 50 erfaßt. Wenn dieser Strom einen bestimmten Wert überschreitet, wird dies durch den Grentwertsensor erfaßt und eine Ausgabe erzeugt. Um zu erfassen, ob die Zündung aufgrund einer Überspannung erfolgt ist, wird durch das UND-Glied 53 das logische Produkt mit dem invertierten Signal des EIN-Befehls erzeugt. Dadurch kann der Zustand erfaßt werden, bei dem einige VBO-freie Thyristoren gezündet haben und ein Strom bei einem Zustand fließt, bei dem kein EIN-Befehl vorliegt, d.h., daß sie aufgrund einer Überspannung gezündet haben.
Durch das ODER-Glied 54 wird die logische Summe aus der Ausgabe des UND-Gliedes 53 und dem EIN-Befehl erzeugt und dem Gate- Schaltkreis 55 zugeführt. Wenn ein Signal eingeht, werden durch den Gate-Schaltkreis 55 allen VBO-freien Thyristoren 11, 12, 21, 22, 31 und 32 gleichzeitig Zündimpulse zugeführt.
Wenn der VBO-freie Thyristor 11 aufgrund einer Überspannung gezündet hat, wird erkannt, daß ein Strom fließt, und an die anderen VBO-freien Thyristoren 21, 22, 31 und 32 werden ebenfalls Zündimpulse abgegeben. Wenn die VBO-freien Thyristoren 21, 22, 31 und 32 ebenfalls zünden, zünden die VBO-freien Thyristoren aller drei Parallelen. Eine Stromkonzentration auf einen Teilschaltkreis kann somit verhindert werden.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung, die ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt. In Figur 2 sind 56 Spannungssensoren, die die Spannungen zwischen den Anoden und Kathoden der VBO-freien Thyristoren 11 und 12, 21 und 22, 31 und 32 erfassen. Im Gegensatz zur Erfassung des Zündens eines VBO- freien Thyristors durch den Strom, wie in Figur 1, erfolgt in Figur 2 das Erfassen der Überspannungszündung eines VBO-freien Thyristors dadurch, daß die Spannung zwischen der Anode und der Kathode des VBO-freien Thyristors zu Null wird. Grenzwertsensoren 51 in Figur 2 erfassen, ob die Spannungen zwischen den Anoden und den Kathoden annähernd Null wird. Wenn eine Spannung in dem Zustand, in dem kein EIN-Befehl vorliegt, annähernd Null wird, erzeugt der Gate-Schaltkreis 55 Zündimpulse für alle VBO- freien Thyristoren 11, 12, 21, 22, 31 und 32. In Figur 2 sind die Spannungssensoren 56 mit jedem der mehreren in Reihen geschalteten Bauteile verbunden. Die Wirkung dieser Erfindung wird nicht verändert, auch wenn die Spannungssensoren 56 mit jedem einzelnen VBO-freien Thyristor verbunden sind.
In Figur 1 wird durch den Stromsensor 50 der gesamte Strom erfaßt. Die Wirkung dieser Erfindung wird nicht verändert, auch wenn der Strom erfaßt wird, indem die Stromsensoren 50 mit jedem einzelnen parallelen Schaltkreis verbunden sind.
Wenn diese Erfindung gemäß der obenstehenden Beschreibung verwendet wird, kann die Stromkonzentration in einem der parallelen Schaltkreise verhindert werden, und es kann verhindert werden, daß die Schaltelemente zerstört werden.

Claims

1. Schaltkreis mit einer Anzahl paralleler Teilschaltkreise,

die jeweils zumindest ein Schaltelement (11, 12, 21, 22, 31, 32) enthalten, wobei jedes Schaltelement die Eigenschaft hat, selbst zu zünden, wenn es einer Überspannung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis

eine Erfassungseinrichtung (50, 51, 52, 53, 54, 56), um die Selbstzündung eines der Schaltelemente (11, 12, 21, 22, 31, 32) im Schaltkreis zu erfassen, und

eine Zündeinrichtung (55) aufweist, um als Reaktion auf ein Ausgabesignal von der Erfassungseinrichtung (50, 51, 52, 53, 54, 56) einen Zündimpuls an alle Schaltelemente (11, 12, 21, 22, 31, 32) zu geben.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Teilschaltkreise eine Anzahl von Schaltelementen (11, 12, 21, 22, 31, 32) enthält, die in Reihe geschaltet sind.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltelement (11, 12, 21, 22, 31, 32) ein Thyristor ist.

4. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung ein Stromsensor (50) ist.

5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erfassungseinrichtung ein Spannungssensor (56) ist.

6. Verfahren zum Schützen eines Schaltkreises mit mehreren parallelen Teilschaltkreisen, die jeweils zumindest ein Schaltelement (11, 12, 21, 22, 31, 32) enthalten, die die Eigenschaft haben, selbst zu zünden, wenn sie einer Überspannung ausgesetzt sind, gekennzeichnet durch die Schritte

Erfassen der Selbstzündung von zumindest einem Schaltelement (11, 12, 21, 22, 31, 32) als Reaktion auf eine Überspannung,

Abgeben eines Zündimpulses an alle Schaltelemente (11, 12, 21, 22, 31, 32) im Schaltkreis als Reaktion auf die erfaßte Selbstzündung, um

alle anderen Schaltelemente (11, 12, 21, 22, 31, 32) in Reaktion auf den Zündimpuls zu zünden.