RU1669367C

RU1669367C - High-voltage thyristor switch with overvoltage protection

Info

Publication number: RU1669367C
Authority: RU
Inventors: С.Л. Безуглый; А.Л. Щитов; А.В. Тимченко
Original assignee: Украинский научно-исследовательский институт силовой электроники "Преобразователь"
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: in the thyristor switch each RC-component and two-polar voltage limiter are divided into two RC-components and two two-polar voltage limiters, respectively. Coupling between the thyristors of the first and second branches is effected via the RC-components of the protective circuit in such a manner that the cathode and anode potentials of the like thyristors differ by the value of voltage drop across one RC-component, in this case two series-connected RC-components are parallel-connected to each thyristor. The two-polar voltage limiter is parallel-connected to each RC-component via additionally cut in diodes in such a manner that current flowing in it at overvoltage limitation triggers the pulse-shaping circuit of the thyristor that is connected in parallel and whose direction of conductance coincides with the overvoltage vector. Potential decoupling between the thyristor and pulse-shaping circuit is effected by connection of the latter to the additionally cut in primary winding of the control transformer. EFFECT: simplified design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в высоковольтных преобразователях, содержащих тиристорные ключи, в частности в тиристорных компенсаторах реактивной мощности. The invention relates to electrical engineering and can be used in high voltage converters containing thyristor switches, in particular in thyristor reactive power compensators.

Цель изобретения - упрощение устройства. The purpose of the invention is to simplify the device.

На чертеже представлена функциональная схема высоковольтного тиристорного ключа с защитой от перенапряжений. The drawing shows a functional diagram of a high-voltage thyristor switch with surge protection.

Высоковольтный тиристорный ключ с защитой от перенапряжений содержит две параллельно соединенные ветви 1 и 2, первая 1 из которых выполнена в виде n последовательно соединенных тиристоров 3.1, 3.2.....3.n, снабженных соответствующими элементами формирования импульсов 4.1, 4.2...4.n и элементами передачи импульсов 5.1, 5.2...5.n в анодно-катодном направлении, защитную цепь из (2n-1) RC-элементов 6.1,6.2...6.2n-1, 4n-4 диодов 7.1, 7.2... 7.4n-4, 2n-1 варисторов 8.1, 8.2...8.2n-1, два дополнительных диода 9 и 10. Каждый элемент формирования импульсов 4.1, 4.2,4.3...4.n первой 1 и второй 2 ветви выполнен, например, в виде конденсатора 11, резистора 12, тиристора 13 и стабилитрона 14. При этом первые выводы конденсатора 11 и резистора 12, анод тиристора 13 и катод стабилитрона 14 соединены между собой и образуют первый вывод входа элемента формирования импульсов, вторые выводы конденсатора 11 и резистора 12 соединены между собой и образуют вторые выводы входа и выхода элемента формирования импульсов, первым выходом которого является катод тиристора 13, подключенного управляющим выводом к аноду стабилитрона 14. Каждый элемент передачи импульсов 5.1, 5.2, 5.3...5.n первой 1 и второй 2 ветви выполнен, например, в виде трансформаторов управления 15 и первого 16 и второго 17 диодов, причем первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора управления 15 соединены через анод-катод соответствующих диодов 16 и 17 между собой, образуя первый вывод выхода элемента передачи импульсов, и средний вывод обмотки образует второй вывод выхода элемента передачи импульсов. Каждый RC-элемент 6.1, 6.2, 6.3...6.2n-1 защитной цепи выполнен в виде последовательно соединенных резистора 18 и конденсатора 19, причем точка соединения катода i-го тиристора 3.i и анода (i+1)-го тиристора 3i+1 первой ветви 1 подключена к точке соединения 2i-го RC-элемента 6.2i и (2i+1)-го RC-элемента 6.2i+1 защитной цепи и через анод-катод 4i-го диода 7.4i - к первому выводу (2i+1)-го варистора 8.2i+1 и первому выводу входа (i+1)-го элемента формирования импульсов 4.i+1 второй ветви 2, а через катод-анод (4i-1)-го диода 7.4i-1 - к второму выводу 2i-го варистора 8.2i и второму выводу входа (i+1)-го элемента формирования импульсов 4.i+1 во второй ветви 2, выход которого соединен с дополнительной первичной обмоткой трансформатора управления 15 (i+1)-го элемента пеpедачи импульсов 5i+1. Точка соединения анода i-го тиристора 3i и катода (i+1)-го тиристора 3.i+1 второй ветви 2 подключена к точке соединения 2i-го RC-элемента 6.2i и (2i-1)-го RC-элемента 6.2i-1 защитной цепи и через анод-катод (4i-3)-го диода 7.4i-3 - к второму выводу (2i-1)-го варистора 8.2i-1 и первому выводу входа i-го элемента формирования импульсов 4.i первой ветви 1, а через катод-анод (4i-2)-го диода 7.4i-2 - к первому выводу 2i-го варистора 8.2i и второму выводу входа i-го элемента формирования импульсов 4i в первой ветви 1, выход которого соединен с дополнительной первичной обмоткой трансформатора управления 15 i-го элемента передачи импульсов 5.i, при этом i= 1,2, . . .n-1. Первый выход первого варистора 8.1 соединен с первым выводом входа первого элемента формирования импульсов 4.1 второй ветви 2 и с катодом первого дополнительного диода 9, анод которого подключен к второму выводу входа первого элемента формирования импульсов 4.1 второй ветви 2 и к точке соединения анода первого тиристора 3.1 первой ветви 1 и катода первого тиристора 3.1 второй ветви 2. Второй вывод (2n-1)-го варистора 8.2n-1 соединен с первым выводом входа n-го элемента формирования импульсов 4n первой ветви 1 и с катодом второго дополнительного диода 10, анод которого подключен к второму выводу входа n-го элемента формирования импульсов 4n первой ветви 1 и к точке соединения анода n-го тиристора 3n второй ветви 2 и катода n-го тиристора 3n первой ветви 1. Основные первичные обмотки трансформаторов управления 15 элементов передачи импульсов 5.1, 5.2...5.n соединены последовательно в виде общего высоковольтного кабеля 20 - для первой 1 и 21 - для второй 2 ветвей, каждый элемент передачи импульсов 5.1, 5.2, 5.3. . . 5.n в первой 1 и во второй 2 ветвях выходом соединен с управляющим переходом соответствующего тиристора 3.1, 3.2, 3.3...3n. The high-voltage thyristor switch with overvoltage protection contains two parallel connected branches 1 and 2, the first 1 of which is made in the form of n series-connected thyristors 3.1, 3.2 ..... 3.n, equipped with the corresponding pulse shaping elements 4.1, 4.2 ... 4.n and pulse transmission elements 5.1, 5.2 ... 5.n in the anode-cathode direction, a protective circuit of (2n-1) RC elements 6.1,6.2 ... 6.2n-1, 4n-4 diodes 7.1, 7.2 ... 7.4n-4, 2n-1 of varistors 8.1, 8.2 ... 8.2n-1, two additional diodes 9 and 10. Each element of pulse formation 4.1, 4.2,4.3 ... 4.n of the first 1 and second 2 branches are made, for example, in the form of a capacitor 11, a resistor 12, a thyristor 13 and a zener diode 14. In this case, the first terminals of the capacitor 11 and the resistor 12, the anode of the thyristor 13 and the cathode of the zener diode 14 are connected to each other and form the first output terminal of the pulse forming element, the second terminals of the capacitor 11 and resistors 12 are interconnected and form the second terminals of the input and output of the pulse forming element, the first output of which is the cathode of the thyristor 13 connected to the anode of the zener diode 14. Each pulse transmission element 5.1, 5.2, 5.3 .. .5.n the first 1 and second 2 branches are, for example, in the form of control transformers 15 and the first 16 and second 17 diodes 17, the first and second terminals of the secondary winding of the control transformer 15 are connected through the anode-cathode of the respective diodes 16 and 17, forming the first output terminal of the pulse transmission element, and the middle output of the winding forms the second output terminal of the pulse transmission element. Each RC element 6.1, 6.2, 6.3 ... 6.2n-1 of the protective circuit is made in the form of series-connected resistor 18 and capacitor 19, and the connection point of the cathode of the i-th thyristor 3.i and the anode of the (i + 1) -th thyristor 3i + 1 of the first branch 1 is connected to the connection point of the 2nd i-th RC element 6.2i and the (2i + 1) -th RC element 6.2i + 1 of the protective circuit and through the anode cathode of the 4th i-th diode 7.4i to the first terminal Of the (2i + 1) -th varistor 8.2i + 1 and the first output of the input of the (i + 1) -th pulse forming element 4.i + 1 of the second branch 2, and through the cathode-anode of the (4i-1) -th diode 7.4i -1 - to the second terminal of the 2nd i-varistor 8.2i and the second terminal of the input of the (i + 1) -th electronic ment pulse shaping 4.i + 1 in a second branch 2, the output of which is connected to the additional control transformer primary winding 15 (i + 1) -th element pepedachi pulses 5i + 1. The connection point of the anode of the i-th thyristor 3i and the cathode of the (i + 1) -th thyristor 3.i + 1 of the second branch 2 is connected to the connection point of the 2nd i-th RC element 6.2i and (2i-1) -th RC element 6.2 i-1 of the protective circuit and through the anode-cathode of the (4i-3) th diode 7.4i-3 to the second terminal of the (2i-1) th varistor 8.2i-1 and the first terminal of the input of the i-th pulse forming element 4. i of the first branch 1, and through the cathode-anode of the (4i-2) -th diode 7.4i-2 - to the first output of the 2nd i-varistor 8.2i and the second output pin of the i-th pulse forming element 4i in the first branch 1, the output of which connected to the additional primary winding of the transformer systematic way 15 i-th pulse transmitting element 5.i, wherein i = 1,2,. . .n-1. The first output of the first varistor 8.1 is connected to the first output terminal of the first pulse forming element 4.1 of the second branch 2 and to the cathode of the first additional diode 9, the anode of which is connected to the second output terminal of the first pulse forming element 4.1 of the second branch 2 and to the connection point of the anode of the first thyristor 3.1 of the first branches 1 and the cathode of the first thyristor 3.1 of the second branch 2. The second output of the (2n-1) th varistor 8.2n-1 is connected to the first output of the input of the n-th pulse forming element 4n of the first branch 1 and to the cathode of the second additional diode 10, an which is connected to the second output terminal of the nth pulse forming element 4n of the first branch 1 and to the connection point of the anode of the nth thyristor 3n of the second branch 2 and the cathode of the nth thyristor 3n of the first branch 1. The main primary windings of the control transformers 15 pulse transmitting elements 5.1, 5.2 ... 5.n are connected in series in the form of a common high-voltage cable 20 - for the first 1 and 21 - for the second 2 branches, each pulse transmission element 5.1, 5.2, 5.3. . . 5.n in the first 1 and in the second 2 branches the output is connected to the control transition of the corresponding thyristor 3.1, 3.2, 3.3 ... 3n.

Работа высоковольтного тиристорного ключа с защитой от перенапряжений осуществляется следующим образом. The operation of the high voltage thyristor switch with surge protection is as follows.

Напряжение U_A-U_B, которое приложено к ключу, делится по последовательно соединенным тиристорам 3.1, 3.2...3n. Принудительное выравнивание прямых и обратных напряжений на тиристорах, а также демпфирование перенапряжений осуществляется с помощью конденсаторов 19 последовательно соединенных RC-элементов 6.1, 6.2. ..6.2n-1 защитной цепи, общей для первой 1 и второй 2 ветвей. Резисторы 18 предназначены для ограничения скорости нарастания прямого тока через тиристоры 3.1, 3.2...3n от разряда конденсаторов 19. В данной схеме исключено непосредственное соединение тиристоров 3.1, 3.2...3n первой 1 и второй 2 ветвей между собой, требующее мощных соединительных шинопроводов и усложнения конструкции. Связь между тиристорами первой 1 и второй 2 ветвей осуществляется через RC-элементы 6.1, 6.2...,6.2n-1 защитной цепи таким образом, что потенциал катода и анода одноименных тиристоров например i-х 3i первой 1 и второй 2 ветвей отличаются на величину падения напряжения на одном RC-элементе 6.2i, при этом параллельно каждому тиристору включено два последовательно соединенных RC-элемента. Тиристоры 3.1, 3.2. ..3n управляются импульсами тока, которые подают на управляющие их переходы через высоковольтный кабель 20 в первой ветви 1 и 21 - во второй ветви 2 и через элементы передачи импульсов 5.1, 5.2...5.n. Трансформаторы управления 15 предназначены для потенциальной развязки цепей управления тиристорами между собой. Диоды 16 и 17 служат для формирования однополярных импульсов управления на управляющем переходе тиристоров 3.1, 3.2...3.n. Для ограничения перенапряжений, возникающих на тиристорах 3.1, 3.2...3n первой 1 и второй 2 ветвей, параллельно каждому RC-элементу 6.1, 6.2...6.2n-1 включен соответствующий варистор 8.1,8.2...8.2n-1, причем не непосредственно, а через диоды 7.1, 7.2...7.4n-4 и через входы элементов формирования импульсов 4.1, 4.2...4n первой 1 и второй 2 ветвей так, что ток, протекающий через варисторы 8.1,8.2...8.2n-1 в момент ограничения перенапряжения, заряжает конденсаторы 11 элементов формирования импульсов 4.1, 4.2...4n той ветви, к анодам тиристоров 3.1, 3.2...3n которой приложена положительная полярность перенапряжения. Если длительность и величина перенапряжения достаточны для того, чтобы конденсатор 11 зарядился до напряжения стабилизации стабилитрона 14, то ток, протекающий через стабилитрон 14, включает тиристор 13, который разряжает конденсатор 11 через первичную дополнительную обмотку трансформатора управления 15 элемента передачи импульсов 5.1, 5.2... 5n. В результате на вторичной обмотке трансформатора управления 15 формируется импульс тока, который через диоды 16 и 17 поступает на управляющий переход силового тиристора 3.1 (3.2...3n). Тиристор 3.1(3.2...3n) включается и напряжение на нем сбрасывается практически до нуля, т.е. исключается возможность возникновения опасного перенапряжения на тиристоре. Резистор 12 элемента формирования импульсов 4.1(4.2...4.n) разряжает конденсатор 11 в паузах между моментами ограничения перенапряжений. Значения емкости конденсатора 11 и сопротивления резистора 12 выбираются из условия полного использования варисторов 8.1, 8.2...8.2n-1 по мощности. Так как n-й тиристор 3n и n-й элемент формирования импульсов 4.n в первой ветви имеют общую точку соединения, то потенциальная развязка между ними не требуется, поэтому n-й элемент передачи импульсов 5n не обязателен. По аналогичной причине не обязателен и первый элемент передачи импульсов 5.1 во второй ветви 2. Однако из-за того, что трансформаторы управления 15 элементов передачи импульсов 5.1, 5.2, . . .5n выполнены в виде единого конструктивного узла, поскольку основные первичные обмотки их соединены последовательно и представляют общий высоковольтный кабель, то с точки зрения унификации указанного узла, используемого в первой 1 и второй 2 ветвях, n-й элемент передачи импульсов 5n первой ветви 1 и первый элемент передачи импульсов 5.1 второй ветви 2 желательно не исключать. Первый 9 и второй 10 дополнительные диоды предназначены для шунтирования входов n-го элемента формирования импульсов 4.n первой ветви 1 и первого элемента формирования импульсов 4.1 второй ветви 2, соответственно, в обратном направлении и не обязательны в устройстве, если управляющий переход тиристора 13 не имеет проводимости в обратном направлении, т. е. исключается протекание тока через дополнительную первичную обмотку трансформатора управления 15 и следовательно через управляющий переход тиристоров 3n в первой ветви 1 и 3.1 во второй ветви 2 в момент положения к ним обратного напряжения. (56) Патент Швеции аналог ФРГ N 2819929, кл. Н 02 Н 7/127,1978.The voltage U _A -U _B , which is applied to the switch, is divided by the thyristors 3.1, 3.2 ... 3n connected in series. Forced alignment of forward and reverse voltages at the thyristors, as well as damping of overvoltages, is carried out using capacitors 19 in series of RC elements 6.1, 6.2. ..6.2n-1 protective circuit common to the first 1 and second 2 branches. Resistors 18 are designed to limit the rate of rise of the direct current through the thyristors 3.1, 3.2 ... 3n from the discharge of the capacitors 19. This circuit excludes the direct connection of the thyristors 3.1, 3.2 ... 3n of the first 1 and second 2 branches to each other, requiring powerful connecting busbars and design complications. The connection between the thyristors of the first 1 and second 2 branches is carried out through the RC elements 6.1, 6.2 ..., 6.2n-1 of the protective circuit so that the potential of the cathode and anode of the thyristors of the same name, for example i-x 3i of the first 1 and second 2 branches, differs by the voltage drop across one RC element 6.2i, while in parallel to each thyristor two series-connected RC elements are connected. Thyristors 3.1, 3.2. ..3n are controlled by current pulses, which are supplied to their control transitions through a high-voltage cable 20 in the first branch 1 and 21 in the second branch 2 and through the pulse transmission elements 5.1, 5.2 ... 5.n. Control transformers 15 are designed for potential isolation of thyristor control circuits among themselves. Diodes 16 and 17 are used to form unipolar control pulses at the control transition of thyristors 3.1, 3.2 ... 3.n. To limit the overvoltage arising on thyristors 3.1, 3.2 ... 3n of the first 1 and second 2 branches, the corresponding varistor 8.1,8.2 ... 8.2n-1 is connected in parallel to each RC element 6.1, 6.2 ... 6.2n-1, moreover, not directly, but through the diodes 7.1, 7.2 ... 7.4n-4 and through the inputs of the pulse shaping elements 4.1, 4.2 ... 4n of the first 1 and second 2 branches so that the current flowing through the varistors 8.1,8.2 ... 8.2n-1 at the time of overvoltage limiting, charges the capacitors 11 of the pulse forming elements 4.1, 4.2 ... 4n of that branch, to the anodes of thyristors 3.1, 3.2 ... 3n of which a positive polarity is applied s surge. If the duration and magnitude of the overvoltage are sufficient for the capacitor 11 to be charged to the stabilization voltage of the zener diode 14, then the current flowing through the zener diode 14 includes a thyristor 13, which discharges the capacitor 11 through the primary additional winding of the control transformer 15 of the pulse transmission element 5.1, 5.2 .. . 5n. As a result, a current pulse is generated on the secondary winding of the control transformer 15, which is supplied through the diodes 16 and 17 to the control transition of the power thyristor 3.1 (3.2 ... 3n). Thyristor 3.1 (3.2 ... 3n) turns on and the voltage on it drops to almost zero, i.e. hazardous overvoltage on the thyristor is excluded. The resistor 12 of the pulse forming element 4.1 (4.2 ... 4.n) discharges the capacitor 11 in the pauses between the moments of limiting overvoltage. The values of the capacitance of the capacitor 11 and the resistance of the resistor 12 are selected from the condition of full use of the varistors 8.1, 8.2 ... 8.2n-1 in power. Since the nth thyristor 3n and the nth pulse shaping element 4.n in the first branch have a common connection point, a potential isolation between them is not required, therefore the nth pulse transmitting element 5n is not necessary. For a similar reason, the first 5.1 pulse transmission element is not required in the second branch 2. However, due to the fact that the control transformers have 15 pulse transmission elements 5.1, 5.2,. . .5n are made in the form of a single structural unit, since their main primary windings are connected in series and represent a common high-voltage cable, from the point of view of unification of the specified node used in the first 1 and second 2 branches, the n-th pulse transmission element 5n of the first branch 1 and the first element of the transmission of pulses 5.1 of the second branch 2, it is desirable not to exclude. The first 9 and second 10 additional diodes are designed to bypass the inputs of the nth pulse shaping element 4.n of the first branch 1 and the first pulse shaping element 4.1 of the second branch 2, respectively, in the opposite direction and are not necessary in the device if the control transition of the thyristor 13 is not has conductivity in the opposite direction, that is, current flow through the additional primary winding of the control transformer 15 and, therefore, through the control transition of thyristors 3n in the first branch 1 and 3.1 in the second branch 2 in m The position of the reverse voltage to them. (56) Swedish Patent, German Federal Republic of Germany N 2819929, cl. H 02 H 7 / 127.1978.

Salanki Tibor and Thiele Gerd. Thyristor Converters for Static Compensators Svemens A.G. 1983. Salanki Tibor and Thiele Gerd. Thyristor Converters for Static Compensators Svemens A.G. 1983.

Claims

HIGH VOLTAGE THYRISTOR KEY WITH OVERVOLTAGE PROTECTION, containing two counter-parallel connected branches, each of which is made in the form of n series-connected thyristors, each of which is equipped with a control pulse forming element and a control transformer, a protective circuit made of series-connected RC elements connected in parallel with the first and the second branches, and bipolar voltage limiters, characterized in that, for the sake of simplification, the protective circuit is made of 2n-1 RC elements, the number of bipolar of the voltage limiters is 2n-1, 4n-4 diodes are introduced, and each control transformer is equipped with an additional winding, and the connection point of the i-th cathode and the anode of the (i + 1) -th thyristors of the first branch is connected to the connection point of the 2nd and ( 2i + 1) -th RC elements of the protective circuit, to the anode of the 4i-th diode, the cathode of which is connected to the first output of the (2i + 1) -th bipolar voltage limiter and the first output of the input (i + 1) -th element of the formation of control pulses (i + 1) -th thyristor of the second branch, and to the cathode of the (4i - 1) -th diode, the anode of which is connected to the second the output of the 2nd i-bipolar voltage limiter and the second output of the input of the (i + 1) -th control pulse generation element of the (i + 1) -th thyristor of the second branch, the output of which is connected to the additional winding of the (i + 1) -th control transformer, point the connection of the anode of the i-th and cathode of the (i + 1) -th thyristors of the second branch is connected to the connection point of the (2i - 1) and 2i-th RC elements of the protective circuit, to the anode of the (4i - 3) -th diode, the cathode which is connected to the second terminal of the (2i - 1) -th bipolar voltage limiter and the first terminal of the input of the i-th impulse formation element control pulses of the i-th thyristor of the first branch, and the cathode of the (4i - 2) -th diode, the anode of which is connected to the first output of the 2i-th bipolar voltage limiter and the second output of the i-th control pulse generation element of the i-th thyristor of the first branch, the output of which is connected to the additional winding of the i-th control transformer, with i = 1,2, ..., n-1, the connection point of the anode of the first thyristor of the first branch and the cathode of the first thyristor of the second branch is connected to the first terminal of the first bipolar voltage limiter, in the chain of which therefore, the input of the first driver of control pulses of the first thyristor of the second branch is turned on, the connection point of the cathode of the nth thyristor of the first branch and the anode of the nth thyristor of the second branch is connected to the second output of the (2n - 1) th bipolar voltage limiter, in the circuit of which the input is sequentially connected of the nth shaper of control pulses of the nth thyristor of the first branch.