SE460818B - Halvledarkoppling innefattande att flertal seriekopplade slaeckbara tyristorer - Google Patents

Description

___., .2 êdåtkaníkgagas med en enda tyristor per ventilgren. Försök att seriekoppla släckbara tyristorer på det sätt som är välkänt vid konventionella tyris- torer har visat att mycket höga spänningspákänningar uppträder vid släck- ningen av en sådan ventilgren. Släckbara tyristorer uppvisar oundvikliga variationer beträffande släcktiden, dvs den tid som förflyter från det att en släckpuls har börjat tillföras tyristorn till dess att tyristorn tar upp spänning. En typiskt släckbar tyristor har en släcktid ("storage-tid") på ca 25 ps med en spridning på ca 10 ps. Detta innebär att under släckningen av en ventilgren, som innehåller ett flertal släckbara tyristorer, stora ojämnheter i spänningsdelningen mellan tyristorerna kommer att uppträda. vilket i sin tur innebär att någon av tyristorerna (eller vissa tyristorer) kommer att utsättas för mycket höga spännings- pàkänningar under släckförloppet. Det har visat sig praktiskt svart eller omöjligt att i tillräcklig grad nedbringa ojämnheterna i spänningsfördel- ningen med hjälp av parallellt med tyristorerna anslutna spänningsdelar- kapacitanser, RC-kretsar eller andra spänningsdelarelement. Spänninge- delarkomponenterna skulle nämligen få orimligt stora dimensioner och/eller orimligt höga effektförluster.

Det vore i princip tänkbart att utforma tyristorernas styrdon så att släckpulser avges till de olika tyristorerna i en ventilgren vid något olika tidpunkter, valda på sådant sätt att spridningen i släcktid kompenseras§ En tyristors släcktid är emellertid inte konstant utan varierar under drift i beroende av bl a tyristorns drifttemperatur. För att undvika detta problem vore det tänkbart att anordna mät- och signalbehandlingsorgan för uppmätning av varje individuell tyristors släcktid. antingen vid varje start av halvledarkopplingen eller också kontinuerligt under kopplingens drift. Försök att på detta sätt mäta och kompensera för variationerna i tyristorernas släcktider skulle ställav utomordentligt höga krav pà mätning och signalbehandling. En sådan utrustning skulle vidare på grund av de snabba förloppen bli utsatt för mycket allvarliga störningsproblem. Den skulle därför - om den över huvud taget är praktiskt genomförbar - bli mycket komplicerad och dyrbar.

Av dessa skäl har man hittills vid användningen av släckbaraïtyristorer \ i varit begränsad till så låga driftspänningar som kan klaras av en enda tyristor i varje ventilgren i halvledarkopplingen. 0 acc o oo Rßnöaoaatsa FÖR UPPFINNINGEN _ Uppfinningen avser att åstadkomma en halvledarkoppling av inledningsvis angivet slag. vilken kan användas vid godtyckligt höga driftspänningar.

Detta åstadkommes genom att uppfinningen möjliggör en seriekoppling av ett godtyckligt antal släckbara tyristorer i en ventilgren. Detta möjliggörs i sin tur genom att enligt uppfinningen en jämn spänningsfördelning mellan ett godtyckligt antal seriekopplade släckbara tyristorer erhålles på ett synnerligen enkelt och tillförlitligt sätt.

Vad som kännetecknar en halvledarkoppling enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-5.

Figur 1 visar uppfinningen tillämpad vid en spänningsstyv omriktare för faskompensering i ett växelströmsnät.

Figur 2 visar utformningen av en ventilgren vid omriktaren enligt fig 1.

Figur 3 visar släckpulserna till några av tyristorerna i den i fig 2 visade ventilgrenen.

Figur Q visar ett alternativt sätt för bestämning av temperaturen hos det spänningsberoende motståndet som är parallellkopplat med en tyristor.

Figur 5 visar tre alternativa sätt att påverka en tyristors släcktid genom styrning av släckpulsens tidsderivata.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1 visar en sjålvkommuterad omriktare av spänningsstyv typ för styr- bar faskompensering av ett trefasigt kraftnät. Omriktaren SR består av en trefasbrygga med sex ventilgrenar V1-V6. Bryggan har växelströmsuttagen R, S, T för anslutning till ett trefasigt växelströmskraftnät via induktor- erna LR, LS, LT samt likströmsuttagen P, N, vilka är anslutna till en kondensator Cl. Var och en av bryggans sex ventilgrenar består av ett v n . u nu 460 818 . “- flertal seriekopplade släckbara tyristorer. Sålunda består_ventilgrenen V1 av de seriekopplade tyristorerna Tl, T2 ... Tn. Tyristorerna är anti- parallellkopplade med dioderna D11¿ D12 ... Dn. Tyristorn T1 är försedd med ett styre TIF för tändning av tyristorn och ett styre T1E för släck- ning av tyristorn och motsvarande är fallet med de övriga i omriktaren ingående tyristorer. Omriktaren har ett styrdon SD som pàloch för sig känt sätt avger pulser för tändning för tyristorerna och för släckning av dem.

Styrdonet har sex med FP betecknade utgångar, en för var och en av omriktarens sex ventilgrenar. Via dessa utgångar avges från styrdonet tändpulser för tändning av ventilgrenarna. En viss utgång. t ex FP1, är ansluten till och lämnar tändpulser till samtliga tyristorer i en viss ventilgren (V1). Styrdonet SD har vidare sex slackutgàngar betecknade med EP. Via dessa utgångar lämnas släckpulser för släckning av tyristorerna i bryggans sex ventilgrenar. Var och en av utgàngarna. t ex EPI, är ansluten till och lämnar släcksignaler till tyristorerna i en viss ventilgren (V1).

Mellan själva tyristorbryggan och omriktarens ena likspänningsutgång P är en dämpinduktor L1 ansluten. För begränsning av ventilspänningen vid släckning är en s k clamping-kondensator C2 ansluten mellan omriktarens båda likspännings- skenor. Kondensatorn är ansluten till induktorns mot bryggan vända sida via ett antal seriekopplade dioder D1, D2 ... Dn och till induktorns L1 mot likspänningsutgàngen P vända sida via ett motstånd R1, genom vilket kondensatorn C2 kan urladdas.

Omriktaren kan i huvudsak utbyta reaktiv effekt med nätet. Den reaktiva strömmens storlek och tecken avgörs av amplitudskillnaden mellan nätet och omriktarens klämspänning (R, S. T) och av storleken på induktorn mellan nät och omriktare (Fig 1). Styrningen av detta reaktiva effektflöde kan på i och för sig känt sätt företagas genom styrning av spänningen över likspänningsskenorna (P, N) och/eller genom pulsbreddsstyrning (PWM).

Figur 2 visar mera i detalj utformningen av ventilgrenen V1 vid den i fig 1 visade omriktaren SR. I figuren visas tre av ventilgrenens tyristorer, nämligen T1. T2 och Th. Parellellt med tyristorn T1 är en diod D11 ansluten för möjliggörande av ett strömflöde genom ventilgrenen i en riktning motsatt tyristorns ledriktning. Parallellt med tyristorn Tl och dioden D11 är en dämpkrets anordnad på i och för sig känt sätt. Damp- kretsen utgöres av en kondensator C11 seriekopplad med parallellkoppling bestående av en diod D21, med samma ledriktning som tyristorn Tl, och en u o ø Q nu 5- 460 818 resistans Rll. Vidare är parallellt med tyristorn anslutet ett olinjärt motstånd R21. Detta utgörs företrädesvis av ett spänningsberoende_mot-A stånd, vilket uppvisar hög resistans vid spänningar understigande ett förutbestämt värde och låg differentiell resistans vid spänningar över- stigande nämnda värde. Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utgörs detta motstånd av en zinkoxidvaristor. En sådan varistor har mycket hög resistans under en förutbestämd knäspänning, en mycket lag differen- tiell resistans över knäspänningen och uppvisar ett skarpt knä. dvs en abrupt övergång mellan dessa båda tillstànd. Varistorn är företrädesvis så dimensionerad att dess knäspänning med lämplig marginal överstiger den maximala tyristorspänning som uppträder vid normal drift och under förut- sättning av en fullständigt likformig fördelning mellan ventilgrenens tyristorer av den över ventilgrenen uppträdande spänningen.

Varistorn R21 är försedd med en temperaturgivare TT1 för avkänning av varistorns temperatur. Den kan utgöras t ex av en termistor eller av ett termoelement. Den är företrädesvis så anordnad att den så nära som möjligt _i avkänner temperaturen hos varistorns aktiva material. Givaren TT1 avger en à utsignal 61 som utgör ett mått på varistorns temperatur.

Släcksignalen EP1 från omriktarens styrdon SD tillförs tyristorn T1 via en fördröjningskrets TF1 och ett drivdon SPDI. Kretsens TFl fördröjningstid ii 11 är styrbar och varieras i beroende av den fördröjningskretsen tillförda If mätsignalen 01 från givaren TT1. Fördröjningen 11 kan exempelvis vara' proportionell mot varistortemperaturen 01. dvs fl = k-01.

Den sålunda fördröjda släcksignalen EPI tillförs drivdonet SPD1 och initierar där en släckströmpuls EP11 för släckning av tyristorn Tl. På detta sätt kommer en ökning av varistortemperaturen att medföra en senareläggning av släckströmpulserna till tyristorn Tl.

På motsvarande sätt är var och en av ventilgrenens övriga tyristorer försedd med en aptiparallelldiod, en dämpkrets. en varistor med tempera- turgivare, en fördröjningskrets och ett drivdon.

Omriktarens övriga ventilgrenar är utformade på samma sätt som den ovan beskrivna ventilgrenen V1. 4460818 ~ 6" f Vid en ventilgren med ett flertal seriekopplade släckbara tyristorer och med samtidig släckpuls till alla tyristorerna kommer den tyristor som har den kortaste slöcktiden att ta upp spänning först. Strömmen genom ventil- grenen kommer då att genomflyta denna tyristors dämpkrets. och dampkret- sens kondensator laddas upp. vilket i sin tur medför att spänningen över -tyristorn tenderar att överstiga det värde som skulle galla vid en lik- formig spanningsfördelning mellan tyristorerna. Spänningen över denna först släckta tyristor kommer då att överstiga knöspanningen hos den med tyristorn parallellkopplade varistorn. varvid en kraftig ström genomflyter Q varistorn. Pa grund av de höga effektförlusterna i varistorn vid upprepade slöckningar kommer temperaturen hos varistorns aktiva material att stiga.

Mätsignalen från varistorns temperaturgivare kommer då att öka i motsvar- ande grad och att successivt ge en ökning av fördröjningen hos den släck- puls som tillförs tyristorn. Detta ger en senareläggning av tyristorns ' Q släckning, vilket medför en sänkning av den under slöckförloppet uppträd- ' Q ande tyristorspänningen. Det nu beskrivna systemet utgör en återkopplad v" _s- krets som, så snart tyristorspänningen tenderar att överstiga knäspönn-V Q ingen hos den med tyristorn seriekopplade varistorn. reducerar spönnings-A pàkänningen på tyristorn via en senareläggning av tyristorslackningen.

Förstärkningen hos denna återkopplade reglerkrets kan enkelt göras så hög att varistorerna effektivt skyddas mot övertemperatur.

Figur 3 visar ett exempel på slackströmpulserna till de tre i fig 2 visade tyristorerna. Slacksignalen EPI antas inträffa vid tidpunkten tO. Tyris- torn T1 får sin slöckströmpuls EP11 vid tidpunkten tl. tyristorn T2 sin släckströmpuls EP12 vid tidpunkten t2 och tyristorn Tn sin släckströmpuls Å EP1n vid tidpunkten tn. Fördröjningen hos var och en av släckströmpulserna relativt släcksignalenfEP1 är proportionell mot temperaturen hos respek- tive tyristors varistor. Figuren visar det antagna fallet att tyristorn T2 har den kortaste släcktiden. tyristorn Tl den längsta släcktiden och tyristorn Tn en släcktid som ligger mellan nyssnämnda släcktider. De ovan beskrivna slutna reglersystemen för de olika tyristorerna kommer därför automatiskt att ge den längsta fördröjningen åt släckströmpulsen EP12 till tyristorn T2, en mindre fördröjning at slackströmpulsen EP1n till tyris- torn Tn och den kortaste fördröjningen åt släckströmpulsen EP1l till »f tyristorn T1. ~v .gsïfi . .fli- Vid den nu beskrivna omriktaren enligt uppfinningen kommer redan den med varje tyristor parallellkopplade varistorn att effektivt skydda tyristorn 46089 . o mot överspänning under alla förhållanden. Utan andra åtgärder än parallellkopplandet av tyristorerna med varistorer skulle emellertid varistorerna tillhörande den eller de tyristorer som har den kortaste släcktiden bli utsatta för en mycket stor effektbelastning. Utan en mycket kraftig och av praktiska och ekonomiska skäl orimligt stor överdimensione- ring av varistorerna skulle därför någon eller några varistorer snabbt förstöras. Genom att enligt uppfinningen varje varistors temperatursteg- ring avkänns och motverkas genom den ovan beskrivna fördröjningen av släckpulserna kommer emellertid inverkan av spridningen hos tyristorernas släcktider att effektivt motverkas. och någon överdimensionering av varistorerna är inte erforderlig. Genom denna âterföring av temperaturen, som är den dimensionerande parametern för en varistor, kommer varistorerna att utnyttjas optimalt. Varistorerna kommer av det ovan beskrivna systemet att automatiskt styras mot sinsemellan lika arbetstemperaturer. Avvikels- erna mellan varistorernas arbetstemperaturer kan minskas i önskad grad I genom avpassning av förstärkningen hos de ovan nämnda slutna reglerkrets- arna, dvs genom avpassning av konstanten k i uttrycken ri = k-Bi.

De àterkopplade systemen ställer laga krav pa linearitet och noggrannhet hos de använda temperaturgivarna vilka därför kan utföras enkelt och billigt. I enklaste fallet kan en termostat användas som temperaturgivare.

Termostaten anordnas då att slå till när tillhörande varistors arbets- temperatur överskrider ett förut bestämt värde och att därvid öka fördröj- ningen hos släckströmpulsen till tyristorn med ett förutbestämt belopp.

Det beskrivna systemet arbetar fullständigt självständigt och kräver inte att några mätningar av tyristorernas släcktider görs före eller vid idrifttagning av utrustningen. Av samma skäl kompenserar utrustningen automatiskt för sådana variationer i tyristorernas släcktider som kan uppträda under drift av utrustningen, t ek beroende på variationer i utrustningens arbetstemperatur. Utrustningen kan därför startas direkt och arbeta med full effekt direkt vid tillslaget.

Ovan har beskrivits hur i en föredragen utföringsform av uppfinningen de med tyristorerna parallellkopplade-olinjära eller spänningsberoende motstånden utgörs av zinkoxidvaristorer. Det är dock tänkbart att alter- nativt använda andra typer av spänningsbegränsande motstånd. t ex kisel- karbidvaristorer eller lämpliga halvledarkomponenter. Likaså kan andra ~ 460818, _ ß. typer av temperaturgivare än de ovan nämnda användas. De i fig 2 visade drivdonen och fördröjningskretsarna (t ex SPD1 och TF1) kan givetvis ingå som en integrerad del av utrustningens styrdon (SD i fig 1). fördröjnings- kretsarna (t ex TF1) kan utföras på ett stort antal i och för sig kända sätt, exempelvis med användning av en räknare som räknar ett förutbestämt antal pulser från en pulsoscillator vars pulsfrekvens styrs av tillhörande varistors arbetstemperatur. En kombination av temperaturgivare och för- dröjningskrets kan erhållas genom användning av en temperaturberoende induktans (ferrit). Denna anordnas då i termisk kontakt med varistorn sa att dess temperatur kommer att variera med varistortemperaturen. Induktan- sen inkopplas därvid i en sådan krets för fördröjning av släcksignalen att fördröjningen blir beroende av induktansens storlek och därmed av varis- tortemperaturen. I de fall en temperaturgivare för varistorn monteras _ utanpå varistorns hölje eller på dess kylare kan om så önskas strömmen genom varistorn uppmätas och användas för kompensering av temperaturfallet mellan varistorns aktiva material och temperaturgivaren.

Ovan har beskrivits hur varistorns temperatur bestämmas genom användning _av en temperaturkännande givare. En bestämning av varistorns arbetstem- peratur kan emellertid göras på andra sätt. Figur Ä visar ett exempel på detta. Figuren visar hur strömmen i genom en variator kan mätas med hjälp av ett med varistorn seriekopplat mätmotstànd R3 med låg resistans.

Spänningen ui över mätmotståndet är proportionell mot varistorströmmen och ~ integreras i en RC-krets RU-C3. Eftersom. när ström genomflyter en varis- tor, dess spänning är approximativt konstant, blir varistorströmmen pro- 'portionell mot den i varistorn utvecklade effekten. Integralen över tiden av den utvecklade effekten utgör ett matt på den varistorn tillförda ener- gin och därmed på varistorns temperaturstegring. Spänningen över kondensa- torn C3 kommer därför att utgöra ett approximativt mått på varistorns tem- peratur G1. Den i figur 4 visade anordningen är endast schematisk och kan givetvis ersättas av en mer eller mindre förfinad termisk modell av varis- torn, med vars hjälp varistortemperaturen kan bestämmas med önskad grad av noggrannhet utgående från en kontinuerlig mätning av varistorströmmen.

Eventuellt kan en kombination av en termisk modell enligt fig U och en temperaturgivare användas.

Ovan har beskrivits hur tyristorernas släcktidpunkter påverkas genom styrning av de tidpunkter vid vilka släckströmpulser tillförs tyristorer- 9 460 818 na, En alternativ möjlighet är att låta.temperaturen hos den med en tyris- tor parallellkopplade varistorn påverka tillväxthastigheten/tidsderivatan av den släckström som tillförs tyristorns släckstyre. Denna derivata påverkar nämligen tyristorns släcktid. En högre derivata (brantare flank hos släckströmpulsen) ger nämligen en kortare släcktid än en lägre deri- vata. Vid denna alternativa utföringsform tillförs alltså alla tyristor- erna i en ventilgren släckströmpulser samtidigt. men derivatan hos varje tyristors släckströmpuls styrs individuellt i beroende av arbetstempera- turen hos den med tyristorn parallellkopplade varistorn. Figur 5 visar schematiskt några alternativa sätt för àstadkommande av denna effekt.

Figur 5a visar hur en tyristor T1 tillförs en släckströmpuls med hjälp av ett kopplingsorgan SW, en spänningskälla U1 och en induktor L2. Släck- signalen EPI från utrustningens styrdon initierar släckströmpulsen genom slutning av kopplingsorganet SW. Släckströmmens tillväxthastighet (dess derivata) bestäms av storleken av spänningskällans U1 spänning och av vinduktansen hos induktorn L2. En styrning av släckströmmens tillväxt- hastighet kan åstadkommas genom att varistorns arbetstemperatur pà lämp- ligt sätt bringas att styra storleken av spänningen hos spänningskällan.

Detta kan enkelt åstadkommas. exempelvis genom att spänningskällan U1 får utgöras av en förstärkare, vars ingång tillförs en mot varistorns arbets- temperatur svarande signal 01. Anordningen utformas därvid så att en ökning av temperaturen ger en minskning av spänningen, dvs en reduktion av släckströmmens tillväxthastighet och en senareläggning av släcktidpunkten.

Figur 5b visar ett alternativt sätt att styra släckströmmens tidsderivata i beroende av varistorns arbetstemperatur. Spänningskällan - U2 - har härvid konstant spänning och varistortemperaturen får påverka induktansen hos induktorn L3. Denna kan exempelvis utgöras av en i termisk kontakt med varistorn anordnad temperaturberoende induktans (ferrit).

Figur 5c visar en ytterligare alternativ utföringsform för styrning av släckströmmens tillväxthastighet. Här användes liksom i fig 5b en spänn- ingskälla U2 med fast spänning samt en induktor - LS - med varierbar in- duktans. Även här kan en på lämpligt sätt anordnad eller styrd temperatur- beroende induktans (f rit) användas.

Claims (5)

iso sas g m PATENTKRAV

1. Halvledarkoppling. innefattande ett flertal seriekopplade släckbara tyristorer (Tl, T2, Th), av vilka var och en är ansluten till ett styrdon (SD) för släckning av tyristorn, k ä n n e t e c k n a d därav att varje tyristor (t ex Tl) är försedd med ett olinjärt motstånd (B21) för begräns- ning av spänningen över tyristorn samt med organ (TT1) för bestämning av motstàndets temperatur ( 1), varvid nämnda temperaturbestämmande organ är anslutna till tyristorns styrdon (SD) och anordnade att påverka styrdonet så att tyristorns släcktidpunkt senarelägges vid en ökning av motstàndets temperatur.

2. Halvledarkoppling enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att den innefattar fördröjningsorgan (TF1) anordnade att fördröja släcksignalen (EP11) till-tyristorn, varvid storleken av fördröjningen är beroende av motståndets temperatur (01).

3. Halvledarkoppling enligt patentkrav 1, vilken innefattar organ (t ex U1, L2, SW) anordnade att avge en strömpuls för släckning av tyristorn, -k ä n n e t e c k n a d därav att den innefattar organ (U1, L3, L5) anordnade att påverka släckströmpulsens tidsderivata i beroende av mot- ståndets temperatur (01).

4. Halvledarkoppling enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d därav att motståndet (R21) är försett med en temperatur- givare (TT2l) för matning av motstàndets temperatur (öl).

5. Halvledarkoppling enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d därav att den är försedd med strömmätande organ för av- känning av strömmen genom det spänningsberoende motståndet (R21) samt med organ (R4, C3) för bildande av en mot motstândets temperatur svarande storhet (01) i beroende av-den avkända strömmen.