SE510473C2 - Matningsdon för effektmatning till en elektronikenhet vid en halvledarventil i en shuntkopplad tyristorkopplad kondensator - Google Patents

Description

510 473 2 därvid individuella tändpulser för de i halvledarventilen ingående halvledar- elementen.

Figur 1 illustrerar en statisk kompensator av ovan beskrivet slag, via en transformator TR ansluten till ett växelströmsnät N1. Kompensatorn innefattar tre kondensatorer CA, CB, CC, var och en i shuntkoppling ansluten till en gemensam spänningsskena BB via en styrbar halvledarventil VA, VB, VC respektive och en induktor LA, LB, LC respektive. Halvledarventilerna är i figuren schematiskt illustrerade med två halvledarelement T1, T2 i antiparallellkoppling. En styrutrustning CEQ påför halvledarventilerna tändorder COA, COB, COC respektive För en allmän beskrivning av tyristorkopplade kondensatorer och styrning därav hänvisas till exempelvis Åke Ekström: High Power Electronics HVDC and SVC. Stockholm 1990, särskilt sid 10-1 till 10-7.

Eftersom strömmen genom den tyristorkopplade kondensatorn stationärt har ett fasläge 90° elektriskt före spänningen över densamma bör halvledar- ventilens båda antiparallellkoplade halvledarelement ges tändorder växelvis och vid de tidpunkter då tidsderivatan av grundtonen för spänningen över den tyristorkopplade kondensatorn växlar tecken från ett positivt värde till ett negativt värde och omvänt. Om spänningens fasläge definieras så att vid 0° dess amplitud är noll och ökande i positiv riktning, sker under stationära förhållanden dessa teckenväxlingar vid de elektriska vinklarna 90° och 270°. Då nämnda tidsderivata växlar tecken från ett positivt till ett negativt värde bör tändorder ges till det av halvledarelementen vars ledriktning sammanfaller med den förväntade strömriktningen i det kommande intervallet, det vill säga, med ovannämnda konvention, i intervallet 90° till 270°. Då nämnda tids- derivata åter byter tecken ges tändorder till det andra halvledarelementet, vars ledriktning sammanfaller med den förväntade strömriktriingen i det då kommande intervallet, det vill säga, med ovannämnda konvention, i intervallet 270° till 450°.

Då alstringen av tändorder bringas upphöra, exempelvis i beroende av ett spänningsstyrsystem för konstanthållning av spänningen i växelströmsnåtet eller spänningsskenan BB, kommer strömmen genom halvledarventilen att upphöra vid nästkommande nollgenomgång för strömmen. Kondensatorns spänning förblir därvid på en nivå bestämd av krafmätets spänning då strömmen genom kondensatorn bringades upphöra. Då tändorder åter alstras, 3 510 473 enligt det kriterium som ovan nämnts, och spänningsskenans spänning förblivit oförändrad, sker inkopplingen av kondensatorn principiellt utan några övergångsfenomen i ström och spänning.

Till varje halvledarelement är vanligen anordnad en elektronikenhet med ett indikeringsdon som på något i och för sig känt sätt alstrar indíkeringssignaler, indikerande att över halvledarelementen existerar en blockspänning i deras respektive ledriktning. Typiskt alstras en indikeringssignal då blockspänningen uppgår till ca 50 V över ett halvledarelement i form av en tyristor. Dessa indikeringssignaler överförs vanligen från halvledarnas potential via ljusledare till den på jordpotental anordnade styrutrustningen.

Likaså på något i och för sig känt sätt alstrar styrutrustriingen i beroende av mottagna indikeringssignaler tändorder och påför dessa på elektronik- enheterna, likaså vanligen via ljusledare. Elektronikenheterna innefattar därför i allmänhet kretsar med komponenter, exempelvis fotodioder, för omvandling av tändordern i ljusforrn till elektriska tändsignaler för vart och ett av halvledarelementen.

För att begränsa ström- och spänningspåkänningar på halvledarelementen i samband med ändring av deras ledningstillstånd anordnas i allmänhet i parallellkoppling med dessa en transientsskyddskrets, en så kallad snubber- krets, innefattande enlseriekoppling av resistiva och kapacitiva komponenter.

De nämnda funktionema hos elektronikenheterna kräver elektrisk energi och elektronikenheterna måste därför ha tillgång till en effektmatning. Denna effektrnatriing bör vara galvaniskt skild från jordpotential och den elektriska effekten bör således tillföras från det växelströmsnät till vilket den tyristor- kopplade kondensatorn är ansluten.

Elektronikenheterna innefattar vanligen också en grindkrets som till halvledar- elementen vidareför från styrutrustningen mottagna tändorder för tändning av respektive halvledarelement i beroende av spänningsnívån på den matande spänningen.

Ett känt sätt att anordna denna effektförsörjning för tyristorkopplade kondensatorer illustreras i figur 2. Figuren illustrera schematiskt delar av en halvledarventil av ovan beskrivet slag, innefattande två tyristorer Tl, T2 i antiparallellkoppling, en snubberkrets SC med en snubberkondensator CS och 51-0473 4 en snubberresistor RS i seriekoppling. Matningsdon FDl och FD2 respektive, är anordnade att förse i figuren icke visade elektronikenheter för tyristorerna T1, T2 respektive, med elektrisk energi. Vart och ett av matningsdonen innefattar ett energimagasin i form av en kondensator, i figuren markerade med C1 respektive C2. Spänningen över kondensatorerna, i figuren markerade med UPl och UFZ, påförs respektive elektronikenheter. En i figuren i sin helhet icke visad strömtransformator med en primärlindnizng, genom vilken växelström- men genom den tyristorkopplade kondensatorn flyter, har ett antal separata sekundärlindningar, varav två, markerade med S1 respektive S2 visas i figuren. Matningsdonet FDl innefattar vidare dioder Dal och Da2. Då ström flyter genom sekundärlindningen S1 sluts en strömbana genom matningsdonet FDl via diod en Da2, kondensatorn Cl, och via en zenerdíod Zc i ett matníngs- don FD2', vilket är anordnat för effektmaming av en icke visad elektronikenhet för en tyristor T2', seriekopplad med tyristorn T2. För det fall mamingsdonet FD2' inte föreligger, sluts i stället den nämnda strömbanan via en zenerdíod Za' i matningsdonet FDl. Kondensatorn C1 tillförs således energi via strömmen genom sekundärlindningen S1.

Tyristorn T1 har ett anoduttag TA1 och ett katoduttag TC1. När ingen ström flyter genom strömtransformatorn, det vill säga då halvledarelementen är i icke-ledande tillstånd, och då spänningen mellan anod- och katoduttaget uppvisar en positiv tidsderivata, tillförs en smärre mängd energi till kondensatorn C1 genom en strömbana från anoduttaget TA1 via en diod Dbl i matningsdonet FDZ, snubberkretsen SC och en diod D11. Konventionellt dimensioneras energimagasinet att innehålla energi tillräcklig för elektronik- enhetens säkra funktion under ett flertal perioder av växelströmmen, vilket emellertid också innebär att ett flertal växelströmsperioder krävs för att via snubberkretsen tillföra en energimängd som är stor nog för att energimagasinet skall nå en spänningsnivå och ett energiinnehåll tillräcklig för elektronik- enhetens säkra funktion. Denna lösning förutsätter således att elektronik- enheternas energibehov säkras via tillförsel från en strömtransformator, vilken komponent givetvis komplicerar och fördyrar systemet för energitillförsel till elektronikenheterna.

Figur 3 illustrera ett känt system för energitillförsel till elektroníkenheter av motsvarande slag i en halvledarventil ingående i en omriktare för omvandling mellan växelström och högspänd likström. En i halvledarventilen innefattad tyristor Tl har en snubberkrets SC ansluten mellan anoduttaget TA1 och katoduttaget TC1. Snubberkretsen innefattar i detta fall en första seriekoppling 510 473 av en resistor RS1 och en kondensator CSI, i sin tur seriekopplad med en andra seriekoppling av en resistor RSZ och en kondensator CS2. Mellan kopplings- punkten mellan de nämnda kondensatorerna och ett rnatningsdon FDH för energimatning av en (i figuren icke visad) elektronikenhet för tyristorn T1 är en tredje seriekoppling av en kondensator C53 och en resistor RS3 ansluten. Då spänningen mellan anod- och katoduttaget uppvisar en positiv tidsderivata bildas en strömbana från anoduttaget via den första och den tredje seriekopp- lingen, en diod D11 i matningsdonet och ett energimagasin i forrn av en kondensator Clh till katoduttaget. Spänningen över kondensatorn, i figuren markerad med UFlh, påförs elektronikenheten. Energimagasinet dimensioneras i detta fall för att under varje period via den nämnda ström- banan uppladdas med en energimängd stor nog för att energimagasinet skall nå en spärmingsnivå och ett energiinnehåll tillräcklig för elektronikenhetens säkra funktion under en period av växelströmmen. Snubberkretsen är i detta fall utformad som en spänningsdelarkrets, vilket innebär att endast en del av strömmen genom snubberkretsen tillförs matningsdonet.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma ett förbättrat matningsdon av inledningsvis angivet slag, vilket eliminerar behovet av energitillförsel via strömtransformator, till fullo utnyttjar strömmen genom snubberkretsen för energitillförsel till matningdonet och till elektronikenheten, och genom sin kretslösning bidrar till en enkel, tillförlitlig och ekonomiskt fördelaktig konstruktion.

Enligt uppfinningen åstadkommes detta genom att halvledarelementets snubberkrets anordnas med enbart ett första och ett andra uttag, matnings- donet med ett energimagasin för lagring av elektrisk energi, ett ventiluttag, ett snubberuttag, ett till energimagasinet anslutet matningsuttag, och med en första strömbana från snubberutta get till matningsuttaget, ventiluttaget för koppling till katoduttaget, snubberuttaget för koppling till ett av snubber- kretsens uttag, och matningsuttaget för koppling till elektronikenheten, snubberkretsen för koppling så att en andra strömbana, för ledning av en laddningsström till energimagasinet i riktning från snubberuttaget till katoduttaget, bildas från anoduttaget genom snubberkretsen till snubber- uttaget, och från detta via energimagasinet till katoduttaget, och att energi- magasinet dimensioneras att lagra en energimängd som är större än elektronik- .i i» ---J..-..A 510 473 6 enhetens energibehov under en period av växelströmmen men mindre än dess energibehov under två perioder.

Härigenom uppnås att strömtransformatorn kan elimineras och att en ström- bana bildas för ledning av hela strömmen genom snubberkretsen direkt till elektroníkenheten och till matningsdonets energimagasin.

Fördelaktiga vidareutvecklingar av uppfinningen framgår av nedanstående beskrivning och patentkrav.

PIGURBESKRIVNING Uppfínningen skall närmare förklaras genom beskrivning av utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, i vilka figur 1 visar i form av ett enlinjediagram en statisk kompensator med tyristorkopplade kondensatorer, figur 2 visar en känd utföringsforrn av en effektmatning av elektroníkenheter för tyristorer i en tyristorkopplad kondensator enligt figur 1, figur 3 visar en känd utföringsform av en effektrnatning av elektronikenheter för tyristorer i en halvledarventil i en omriktare för omvandling mellan växelström och högspänd likström, och visar en utföringsforrn enligt uppfinningen av en effektmatning av elektronikenheter för tyristorer i en tyristorkopplad figur 4 kondensator enligt figur 1.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 4 visar en utföringsform av en matningsutrustzning enligt uppfinningen.

En halvledarventil innefattar två halvledarelement i form av tyristorer T1, T2 i antiparallellkoppling, var och en med en elektronikenhet EU1, EU2 respektive.

Elektronikenheterna är av ovan beskrivet slag och bildar indikeringssignaler IP1, 1P2 som påförs en styrutrustnirig CEQ. Styrutrustningen bildar tändorder F01, P02 såsom ovan beskrivits och påför dessa på elektroníkenhetema.

Signalöverföringen sker via ljusledare LlCl, LICZ. Var och en av tyristorema har ett anoduttag TA1, TA2 respektive och ett katoduttag TC1, TCZ respektive.

Anoduttaget TAI och katoduttaget TC2 är kopplade till en induktor LA och anoduttaget TA2 och katoduttaget TCl är kopplade till en kondensator CA. _25 7 -510 473 lnduktorn är i sin tur kopplade till en i figuren icke visad växelströmskrets med en känd periodtid T, såsom exempelvis illustrerats i figur 1.

Halvledarventilen innefattar vidare en snubberkrets SC med en seriekoppling av en resistor RS och en kondensator CS och med enbart ett första uttag C51 och ett andra uttag CS2.

Ett första mamingsdon FDl för effektmatning till elektronikenheten EU1 innefattar ett energimagasin i form av en kondensator C 1 för lagring av elektrisk energi, ett ventiluttag 113, ett snubberuttag 112, och ett matningsuttag 111. Kondensatorn C 1 är ansluten mellan Ventiluttaget och matningsuttaget.

Ventiluttaget är avsett för koppling till halvledarelementets katoduttag, snubberuttaget för koppling till ett av snubberkretsens uttag, i detta fall till uttaget CS1, och matningsuttaget för koppling till elektronikenheten. Matnings- donet innefattar en första strömbana från snubberuttaget via en resistor R1 och en diod D11 till matningsuttaget så att en ström kan flyta från snubberuttaget till matningsuttaget men ej i omvänd riktning. För effektrnatning till elektronik- enheten EU2 finns ett andra matningsdon FD2 av samma slag, de i matnings- donen ingående komponenterna och uttagen av samma slag betecknas i figuren med motsvarande beteckningar, varvid för det andra matningsdonet i hän- visningsbeteckningarnas första siffra siffran 1 byts mot siffran 2.

Snubberkretsen kopplas så att en andra strömbana, för ledning av en ladd- ningsström till energimagasinet i riktning från snubberuttaget till ventiluttaget, bildas från anoduttaget genom snubberkretsen till snubberuttaget, och från detta via energimagasinet och Ventiluttaget till katoduttaget. Matningsdonen innefattar vidare en med den andra strömbanan parallell tredje strömbana från respektive ventiluttag via dioder D12 och D22 respektive, till respektive snubberuttag, för ledning av en parallellström i riktning från Ventiluttaget till snubberuttaget och vidare till snubberkretsen men ej i omvänd riktning.

Snubberkretsen är således kopplad som en seriekrets mellan snubberuttaget 112 i det första matningsdonet FD1 och snubberuttaget 122 i det andra matningsdonet FDZ.

Mellan matningsuttaget och Ventiluttaget är en genombrottsdiod i form av en zenerdiod Z11 ansluten för begränsning av spänningen UFl på matnings- uttaget. 510 473 s Den första strömbanan innefattar en förgreningspunkt, som i denna utförings- form av uppfinningen utgörs av matningsuttaget 111, så att den första och den andra strömbanan sammanfaller med varandra mellan snubberuttaget och nämnda förgreningspunkt. Resistom Rl, som utgör ett strömbegränsande element, och diod en D11, är därvid anordnade i den sammanfallande delen av de båda strömbanorna.

Då exempelvis tyristorn Tl skall överta strömmen genom kondensatorn CA är villkoret för tändning av densamma att blockspänningen i dess framrikmmg överstiger en förutbestämd nivå, vilket från elektronikenheten EU1 via en indikeringssignal överförs till styrutrustningen CEQ. Denna bildar på något i och för sig känt sätt, i beroende av avkända storheter i anläggningen tändorder F01, vilka påförs elektronikenheten då motsvarande indikeringssignal mottagits.

Uppbyggnaden av blockspänningen över tyristorn Tl innebär att tidsderivatan av spänningen mellan anoduttaget och katoduttaget får ett positivt tecken, att den tredje strömbanan i det andra matningsdonet FDZ bringas till ledande tillstånd och att en laddningström kommer att flyta genom snubberkretsen SC i riktning från uttaget CS2 till snubberuttaget 112 i det första matningsdonet. Den tredje strömbanan i det första matningsdonet är härvid i icke ledande tillstånd varför laddningströmmen i det första matningsdonet flyter genom den sammanfallande delen av den första och den andra strömbanan och vid förgreningspunkten emellan dem fördelar sig på en ström som går direkt till elektronikenheten och en ström som laddar kondensatorn Cl. Så länge spänningen UFl vid matningsuttaget Ill, det vill säga över kondensatorn Cl, understiger genombrottsspänningen för zenerdioden Zll laddas kondensatorn med laddningsströmmen. Då den nämnda spänningen når genombrotts- spänningen kommer laddningsströmmen att flyta genom zenerdioden.

Då tyristorn Tl tänder återgår spänningen över densamma till ett värde nära noll varvid en ström av kort varaktighet flyter genom snubberkretsen i riktning från katoduttaget via dioden D12, via snubberkretsen, och i det andra matningsdonet FDZ via resistom R2 och dioden D21 till kondensatorn C2 och ger därmed ett laddningstillskott till denna.

Funktionen för det fall tyristom TZ skall överta strömmen genom kondensatorn CA blir helt analog med den ovan beskrivna, varvid i beskrivningen det andra matninsgdonet byter plats med det första. 9 510 473 I en fördelaktig vidareutveckling av uppfinningen är en shuntregulator innefattande ett styrbart kopplingsorgan i form av en hjälptyristor TX1 anordnad mellan snubberuttaget och ventiluttaget. Medelst en en genombrotts- diod, i detta utföringsexempel en zenerdiod Z12, ansluten mellan snubber- uttaget och hjälptyristorns syre, avkänns spänningen US1 på snubberuttaget, vilken således utgör en jämförelsespänning för zenerdiodens förutvalda genombrottsspänning UZ12. Då jämförelsespänningen överstiger genombrotts- spänningen bringas hjälptyristorn till ledande tillstånd av strömmen genom genombrottsdioden och sluter då en fjärde strömbana från snubberuttaget via hjälptyristorn till ventiluttaget för ledning av laddningsströmmen förbi kondensatorn C1. Spänningen vid snubberuttaget beror av summan av spänningen vid matningsuttaget och spänningen över resistorn Rl, varigenom shuntregulatorn griper in i beroende av såväl spänningen vid matningsuttaget som av amplituden av strömmen i den sammanfallande delen av den första och den andra strömbanan.

Typiska komponentvärden för ett matningsdon enligt uppfinningen är Cl = 1 uF, R1 = 1 Q, RS = 10 Q och CS = 2 LLF. Genombrottsnivån för zenerdoden Z11 är typiskt 25 V och för zenerdioden Z12 typiskt 47 V. Vid det i anslutning till figur. 2 beskrivna kända utförandet av ett matningsdon för samma ändamål dimensioneras kondensatorn C1 vanligen att ha ett kapacitansvärde på typiskt 20 à 30 uF, det vill säga typiskt en storleksordning större än vid utförandet enligt uppfinningen.

Vid en dimensionering av matningsdonet enligt uppfinningen, vilken sker med kännedom om elektronikenhetens energi- och spänningsbehov, dimensioneras energimagasinet, det vill säga kondensatorn C1 att lagra en energirnängd som är större än elektronikenhetens energibehov under en period av växel- strömmen men mindre än dess energibehov under två perioder.

Detta innebär att energimagasinet praktiskt sett töms i samband med att tyristorn T1 bringas till ledande tillstånd. Vid nästa strömpuls genom snubber- kretsen kan då en del av denna strömpuls via den första strömbanan ledas direkt till elektronikenheten. Genom denna seriekoppling av snubberkretsen och den nämnda dimensioneringen av energimagasinet uppnås en enkel och billig konstruktion av rnatningsutrusmirigen som fullt ut utnyttjar strömmen genom snubberkretsen.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 510 473 10 Det skall förstås att i de fall halvledarventilen innefattar ett flertal sinsemellan seriekopplade tyristorer, var och en av dessa är utrustad med ett mamingsdon av ovan beskrivet slag och anslutet över parvis antiparallellkopplade tyristorer på det sätt som illustreras i figur 4. Den tyristorkopplade kondensatorn kan givetvis också anslutas exempelvis mellan två faser i ett trefasigt växelströmsnät. PATENTKRAV

1. Matningsdon (FD1, FD2) för effektmatning till en elektronikenhet (EU1, EU2) vid ett styrbart halvledarelement (T1,T2) i en halvledarventil i en shunt- kopplad tyristorkopplad kondensator (CA), vilken kondensator är avsedd att föra en växelström med en känd periodtíd (T), halvledarventilen innefattande en snubberkrets (SC) med enbart ett första och ett andra uttag (CS1 respektive C52), halvledarelementet med ett anoduttag (TA1, TA2) och ett katoduttag (TC1, TC2), matningsdonet med ett energimagasin (C1, C2) för lagring av elektrisk energi, med ett ventiluttag (113, 123), ett snubberuttag (112,122), ett till energimagasinet anslutet matningsuttag (111,121), och med en första strömbana från snubberuttaget till matningsuttaget, ventiluttaget för koppling till katod- uttaget, snubberuttaget för koppling till ett av snubberkretsens uttag, och matningsuttaget för koppling till elektronikenheten, snubberkretsen för koppling så att en andra strömbana, för ledning av en laddningsström till energimagasinet i riktning från snubberuttaget till katoduttaget, bildas från anoduttaget genom snubberkretsen till snubberuttaget, och från detta via energirnagasinet och ventiluttaget till katoduttaget, k ä n n e t e c k n a t a v att energimagasinet dimensioneras att lagra en energimängd som är större än elektronikenhetens energibehov under en period av växelströmmen men mindre än dess energibehov under två perioder.

2. Matningsdon enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar en tredje strömbana parallell med den andra strömbanan från ventiluttaget till snubberuttaget för ledning av en parallellström i riktning från ventiluttaget till snubberuttaget och vidare till snubberkretsen.

3. Matningsdon enligt något av patentkraven 1 och 2, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar en shuntregulator (Z12, TX1 respektive Z22, TX2) som då en av spänningsnivån på energimagasinet beroende jämförelsespänning (US1, 10 15 11 510 473 US2) överstiger en förutvald spänningsnivå, sluter en fiärde strömbana för laddningsströmmen förbi energimagasinet.

4. Matningsdon enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att den första strömbana innefattar en förgreningspunkt (111, 121), att den första och den andra strömbanan sammanfaller med varandra mellan snubberuttaget och nämnda förgreningspunkt, och att den sammanfallande delen av strömbanorna innefattar ett strömbegränsande element (R1, R2).

5. Matningsdon enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda jämförelsespännirig är beroende av en summa av spänningen (UPl, UF2) vid matningsuttaget och spänningen över nämnda strömbegränsande element.

6. Matningsdon enligt något av patentkraven 3-5, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda shuntregulator innefattar en genombrottsdiod (Z12, Z22), exempelvis en zenerdiod, för avkänning av jämförelsespänningen och ett styrbart kopplingsorgan (TX1, TX2) som sluter nämnda tredje strömbana i beroende av en ström genom nämnda genombrottsdiod.