WO2010063490A1 - Vorrichtung zur überwachung von thyristoren - Google Patents

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WO2010063490A1
WO2010063490A1 PCT/EP2009/008707 EP2009008707W WO2010063490A1 WO 2010063490 A1 WO2010063490 A1 WO 2010063490A1 EP 2009008707 W EP2009008707 W EP 2009008707W WO 2010063490 A1 WO2010063490 A1 WO 2010063490A1
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thyristor
electrical circuit
monitoring
current
circuit according
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PCT/EP2009/008707
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Jan Fabianowski
Robert Ibach
Matthias Bartkowiak
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Abp Induction Systems Gmbh
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Publication date
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    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
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    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0824—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in thyristor switches
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    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H02M1/348—Passive dissipative snubbers

Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit, in particular an inverter current bridge, in particular for an induction melting or --Cloudmungsaggregat with at least one thyristor and a circuit arrangement for connecting the thyristor.
  • Thyristors are often used as a switching element for inverters or inverter bridges. Such inverters serve to generate an alternating current, e.g. a trapezoidal alternating current, from direct current.
  • the inverter bridges have four thyristors or thyristor groups in two diagonals, which are alternately switched to generate the alternating current.
  • inverter bridges are used, for example, in induction melting units, in which steel or other metal is melted. Induction melting units are inevitably operated at high power and therefore require high currents and high voltages.
  • thyristors have dependent on their design blocking voltages, which are usually below the voltages required in induction melting unit operating voltages. Often, induction melting units are operated at rms voltages of about 3000 volts, resulting in peak voltages of about 4400 volts. However, typical reverse voltages of commonly used thyristors are 2000 to 2300 volts. In order to achieve a sufficiently large reverse voltage must therefore at least for inverter bridges for use in induction melting units two or more thyristors are connected in series to provide a sufficiently high reverse voltage.
  • a thyristor fails, this usually represents a short circuit, so that a permanent current flow is possible by the defective thyristor. The blocking effect of the thyristor then fails.
  • every thyristor in an inverter bridge has its own protective circuit.
  • the wiring can be done differently.
  • One possibility for this is an RC circuit consisting of a resistor and a capacitor connected in series. Resistor and capacitor serve to protect the thyristor from switching overvoltages.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical circuit that allows monitoring of a thyristor in a simple manner.
  • the object is also to provide a method by which a thyristor can be monitored in a simple and reliable manner in its functionality.
  • the object is achieved by an electrical circuit according to claim 1, an induction melting unit according to the independent claim 12, a use according to the independent claim 13 and a method for monitoring a thyristor according to the independent claim 16.
  • An electrical circuit according to the invention as can be used for inverter bridges, in particular for induction melting unit, has at least one thyristor and a wiring arrangement for connecting the thyristor.
  • the wiring arrangement has the purpose, for example, of protecting the thyristor from overvoltages or too high voltage changes per time.
  • the protection function is regularly in the foreground.
  • the wiring arrangement for the connection of the thyristor due to its structure, in which capacitive elements are regularly provided, regularly together with the switching on or off of the thyristor a switching current, or a current pulse.
  • a monitoring device for monitoring the switching current of the wiring arrangement is provided for monitoring the functionality of the thyristor. Since, as already described, the
  • Circuit arrangement regularly with the thyristor performs a switching current, a successful switching on or off of the thyristor can be read on the wiring arrangement.
  • the monitoring of the switching current of the wiring arrangement is thus equal to a monitoring of the thyristor. If, instead of the thyristor, the much less loaded circuitry for the thyristor itself should be defective, this can be done when a fault is indicated by simple tests. In general, however, the corresponding thyristor will fail in the event of failure of the circuit, since the protective function of the circuit is no longer given.
  • a plurality of serially connected thyristors are provided in the electrical circuit.
  • a higher breakdown protection can be achieved, since the other thyristors can take over the function of a defective and thus short-circuited thyristor.
  • each of the plurality of thyristors own monitoring device for monitoring the switching current of the respective
  • Circuit arrangement provided. This makes it particularly easy to identify a defective thyristor.
  • Switching currents of the wiring arrangements can be detected particularly easily with the aid of current transformers.
  • different types of current transformers can be used, in the simplest case appropriately designed transformers.
  • the switching current of the wiring arrangement can be particularly easy to determine.
  • the invention can be used with RCD circuits.
  • Such a wiring arrangement allows the realization of an overvoltage protection for Protection of the thyristor (s).
  • a preferred wiring arrangement is an RC element. It has been found that the invention with an RC element as a wiring arrangement enables both the monitoring of the turn-on and the turn-off, whereby a monitoring of the switching times and accuracies is possible.
  • An RC element also has the property that in each case when turning on or off the thyristor, a current pulse each having the same sign arises.
  • an RC element therefore, allow the use of simpler current transformers that can accommodate the DC voltages, and can be dispensed with the use of AC current transformers for transmitting the switching currents.
  • Particularly preferred is or are the respective RC elements or RCD circuits connected in parallel to the thyristor. In this way, an overvoltage protection for the respective thyristor can be realized, since the capacitor in combination with the resistance of the RC element can attenuate an overvoltage.
  • the monitoring device has an evaluation unit or that several monitoring devices have a common evaluation unit.
  • an evaluation unit With the aid of an evaluation unit, a simple monitoring of a plurality of thyristors and a simple display of possibly occurring malfunctions can be achieved.
  • the evaluation unit is designed to evaluate control signals for the electrical circuit. Such a design can be achieved, for example, in that the evaluation unit has an input for a control signal of the thyristor.
  • a control signal can be a switching signal of a thyristor or in the case of an embodiment of the electrical circuit as the inverter or inverter bridge a set inverter frequency or information about the respective conductive diagonal of the inverter bridge.
  • a monitoring device or the evaluation unit may preferably be coupled to a controller, for example of the induction melting unit, so that in the case of the defect of one or more thyristors for protecting the other components of the induction melting unit, an energy supply can be eliminated, or the operating voltage is reduced.
  • the monitoring device preferably evaluates the functioning of the thyristor (s) by comparing the occurrence of current pulses as a function of the switching frequency of the respectively monitored thyristor provided by a controller, whereby a defect of the thyristor can be detected in a particularly simple manner.
  • Other ways to detect defects are the evaluation of current waveforms or current heights.
  • the electrical circuit is preferably an inverter or an inverter bridge for generating alternating current, in particular for use in induction melting aggregates.
  • the electrical circuit is preferably an inverter or an inverter bridge for generating alternating current, in particular for use in induction melting aggregates.
  • Indutationsschmelzaggregate be used in a defect immediately detected and can be replaced quickly or with appropriate design, the induction melting unit can be switched off to protect against damage, or can be reduced in voltage when a thyristor is defective.
  • the electrical circuit is formed in the induction melting unit as an inverter or inverter bridge. Defective thyristors in inverters lead in the worst case to failure and damage to the induction melting unit.
  • Another independent object of the invention relates to the use of a current transformer for monitoring a thyristor. With the help of the current transformer, the switching of a thyristor can be detected or its failure.
  • the current transformer monitors the current of a wiring arrangement of the thyristor.
  • Such wiring arrangements can serve different purposes, for example to protect the thyristor. Turning on or off the thyristor has in any case influence on the current of the wiring arrangement of the thyristor and leads to current pulses in the circuit. In this way, the state of a thyristor can be detected particularly easily.
  • Circuit arrangements also have the advantage that generally lower power flows through the wiring arrangements, which simplifies the design of the current transformer.
  • the wiring is connected in parallel to the thyristor.
  • This allows a particularly simple monitoring of the thyristor, since a change in the switching state of the thyristor causes well measurable current pulses in the parallel circuit.
  • a last independent subject of the invention relates to a method for monitoring a thyristor by monitoring a Bescariasstroms a wiring arrangement of the thyristor. Thyristors are regularly connected by wiring arrangements whose switching currents are directly related to the state of the thyristor and are particularly easy to monitor, since the power flowing through the Bescharisan glovesen services are generally much lower than the thyristor itself flowing power and therefore smaller and less expensive dimensioned can be.
  • An advantageous development of the method according to the invention provides that information about the switch-on time and / or the switch-off time of the thyristor is obtained from the Bescariasstrom the wiring arrangement of the thyristor. By determining the turn-on and turn-off of the thyristor can be detected immediately when switching on and / or off.
  • Particularly preferred is a monitoring of the inrush current, since hereby an instantaneous reaction of the system is possible and the electrical circuit can be protected. If only the failure of the off current is detected, the failure or short circuit of the thyristor may already have caused damage to other components.
  • a development of the invention provides that the switch-on and / or switch-off are compared with control signals of the thyristor. Such control signals are used to turn on and off the thyristor. By comparing the turn-on and / or turn-off of the thyristor with the control signals of the thyristor, a deviation of the switching state of the thyristor of the control signals can be detected particularly easily.
  • control signals it is also possible to use other signals which are connected to the control of the thyristor, for example signals of a control device for the system in which the thyristor is installed.
  • signals of a control device for the system in which the thyristor is installed in case of a Use of the thyristor in an inverter or an inverter bridge can also be used as a comparison variable, an inverter or AC frequency. If deviations occur, this can be determined particularly easily.
  • the height and / or the time profile and / or the frequency of the Bescensstroms be evaluated. This allows the detection of malfunction of the monitored thyristor.
  • FIG. 1 shows an electrical circuit according to the invention in general form
  • Fig. 2 shows a concrete possible embodiment of an electrical according to the invention
  • Fig. 3 is a series connection of a plurality of thyristors with inventive
  • Fig. 1 shows an electrical circuit 2 according to the invention in its most general embodiment.
  • a thyristor 4 is provided in a power line 6.
  • a wiring assembly 8 is provided, which serves to connect the thyristor 4.
  • the circuitry 8 may be provided to protect the thyristor 4.
  • a current transformer 12 is further provided, which receives the switching currents of the wiring assembly 8. Via a line 14, the signals received by the current transformer 12 can be forwarded and further processed.
  • the current transformer 12 may have different configurations.
  • Fig. 2 shows a possible concrete embodiment of a possible electrical circuit 22 for a thyristor 24.
  • the thyristor 24 is provided in a power line 26.
  • the circuit arrangement according to FIG. 2 consists of a combination of a resistor 28 and a capacitor 29, which are arranged serially in a parallel circuit 30.
  • the switching currents of resistor 28 and capacitor 29 are received by a current transformer 32 and transmitted via a line 34.
  • a current transformer 32 With regard to the possible embodiment of the current transformer 32, reference is made to the corresponding statements to FIG.
  • the circuit arrangement of FIG. 2, consisting of resistor 28 and capacitor 29, serves to protect the thyristor 24 against overvoltages.
  • the capacitor 29 serves as a charge buffer in the case of turning on or off of the thyristor 24.
  • a current that is dependent on the amount of voltage change over time At each entry and Turning off the thyristor thus results in each case a signal in the current transformer 32, which can be further processed.
  • FIGS. 1 and 2 preferably have an evaluation unit (not shown), as is generally designated by the reference numeral 54 in connection with the embodiment shown in the following FIG. 3.
  • evaluation unit (not shown), as is generally designated by the reference numeral 54 in connection with the embodiment shown in the following FIG. 3.
  • the functions of the evaluation unit reference is made to the following explanations.
  • Fig. 3 shows a part of an AC circuit 42 with three thyristors 44.1, 44.2, 44.3, which are connected in series in a power line 46.
  • Each one of the thyristors 44.1, 44.2, 44.3 respectively has a parallel arranged wiring arrangement consisting of resistor 48.1, 48.2, 48.3 and capacitor 49.1, 49.2, 49.3.
  • the shading of each individual thyristor 44.1 to 44.3 thus corresponds to the circuit shown in Fig. 2.
  • Current transformers 52.1, 52.2 and 52.3 are arranged in the respective parallel circuits 50.1, 50.2, 50.3.
  • the current transformers 52.1, 52.2 and 52.3 are connected to an evaluation unit 54, which supply the current transformers 52.1 to 52.3 with energy and the current determined by the current transformers 52.1 to 52.3 Bescariasströme the Bescariasan extracten for the thyristors 44.1, 44.2 and 44.3.
  • the evaluation unit 54 has a power supply 56, which supply the evaluation unit 54 and the current transformer 52.1 to 52.3 with energy.
  • the evaluation unit 54 receives comparative information about it, when which thyristor or thyristor branch with several thyristors connected in series, should be permeable.
  • the evaluation unit 54 compares this with the current pulses that arise in the parallel circuits 50.1 to 50.3 to the thyristors 44.1 to 44.3.
  • Per through-connected diagonal (A or B) must be taken per thyristor 44.1 to 44.3 in a load frequency period two current pulses, one when turning on the respective thyristor and one in blocking the respective thyristor. If this is not the case, there is a fault in the corresponding thyristor.
  • LED diodes 66.1 to 66.3 may indicate malfunctions of the thyristors 44.1, 44.2, 44.3.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, insbesondere Wechselrichterbrücke, insbesondere für einen Induktionsschmelzaggregat oder Induktionserwärmungsaggregat, mit wenigstens einem Thyristor (4; 24; 44.1, 44.2, 44.3) und einer Beschaltungsanordnung (8; 10, 28, 29, 30; 48.1, 48.2, 48.3, 49.1, 49.2, 49.3, 50.1, 50.2, 50.3) zur Beschaltung des Thyristors (4; 24; 44.1, 44.2, 44.3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungsvorrichtung (12; 32; 52.1, 52.2, 52.3) zur Überwachung des Schaltstromes der Beschaltungsanordnung (8; 10, 28, 29, 30; 48.1, 48.2, 48.3, 49.1, 49.2, 49.3, 50.1, 50.2, 50.3) vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Induktionsschmelzaggregat oder Induktionserwärmungsaggregat mir einer entsprechenden elektrischen Schaltung (2; 22; 42), eine Verwendung eines Stromwandlers (12; 32; 52.1, 52.2, 52.3) zur Überwachung einer elektrischen Schaltung (2; 22; 42) sowie ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Schaltung (2; 22; 42).

Description

Bezeichnung: Vorrichtung zur Überwachung von Thyristoren
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, insbesondere eine Wechselrichterstrombrücke, insbesondere für einen Induktionsschmelz oder - Erwärmungsaggregat mit wenigstens einem Thyristor und einer Schaltungsanordung zur Beschaltung des Thyristors.
Stand der Technik
Elektrische Schaltungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik z. B. zur Erwärmung sowie zur Herstellung von Schmelzen bekannt. Thyristoren werden häufig als Schaltelement für Wechselrichter bzw. Wechselrichterbrücken verwendet. Solche Wechselrichter dienen zur Erzeugung eines Wechselstromes, z.B. eines trapezförmigen Wechselstromes, aus Gleichstrom. Die Wechselrichterbrücken weisen vier Thyristoren bzw. Thyristorengruppen in zwei Diagonalen auf, die zur Erzeugung des Wechselstroms abwechselnd geschaltet werden.
Derartige Wechselrichterbrücken kommen zum Beispiel in Induktionsschmelzaggregaten zur Anwendung, in welchen Stahl oder sonstiges Metall aufgeschmolzen wird. Induktionsschmelzaggregate werden zwangsläufig mit hohen Leistungen betrieben und benötigen daher hohe Ströme und hohe Spannungen.
Thyristoren weisen jedoch von ihrer Bauart abhängige Sperrspannungen auf, die in der Regel unter den im Induktionsschmelzaggregatbetrieb nötigen Spannungen liegen. Häufig werden Induktionsschmelzaggregate bei Effektivspannungen von ca. 3000 Volt betrieben, was Spitzenspannungen von etwa 4400 Volt bedingt. Typische Sperrspannungen häufig verwendeter Thyristoren betragen jedoch 2000 bis 2300 Volt. Zur Erreichung einer ausreichend großen Sperrspannung müssen somit bei Wechselrichterbrücken zur Anwendung bei Induktionsschmelzaggregate wenigstens zwei oder mehr Thyristoren in Reihe geschaltet werden, um eine ausreichend hohe Sperrspannung bereitzuhalten.
Wenn ein Thyristor ausfällt, stellt dieser in aller Regel einen Kurzschluss dar, sodass durch den defekten Thyristor ein ständiger Stromfluss möglich ist. Die Sperrwirkung des Thyristors fällt dann aus.
Auf diese Weise werden die verbliebenen Thyristoren der Reihenschaltung mit einer höheren Spannung belastet und könnten ebenfalls ausfallen, wenn der Wechselrichter weiter betrieben wird.
In aller Regel hat jeder Thyristor in einer Wechselrichterbrücke eine eigene Schutzbeschaltung. Die Beschaltung kann unterschiedlich ausgeführt werden. Eine Möglichkeit hierzu ist eine RC-Beschaltung, bestehend aus einem Widerstand und einem Kondensator in Reihenschaltung. Widerstand und Kondensator dienen dazu, den Thyristor vor Schaltüberspannungen zu schützen.
Im Falle eines Defektes eines Thyristors in einer Thyristor-Reihenschaltung, insbesondere in einer Wechselrichterbrücke eines Induktionsschmelzaggregates, ist es wichtig, den defekten Thyristor möglichst zügig auszutauschen, um die Lebensdauer der verbleibenden Thyristoren nicht durch die stärkere Belastung unnötig herabzusetzen.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine elektrische Schaltung anzugeben, die eine Überwachung eines Thyristors auf einfache Weise ermöglicht.
Aufgabe ist es weiterhin, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Thyristor auf einfache und zuverlässige Weise in seiner Funktionsfähigkeit überwacht werden kann. Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Schaltung gemäß Anspruch 1 , ein Induktionsschmelzaggregat gemäß dem nebengeordneten Anspruch 12, einer Verwendung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 13 sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Thyristors gemäß dem nebengeordneten Anspruch 16.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung, wie sie für Wechselrichterbrücken, insbesondere für Induktionsschmelzaggregat, zum Einsatz kommen kann, weist wenigstens einen Thyristor und eine Beschaltungsanordnung zur Beschaltung des Thyristors auf. Die Beschaltungsanordnung hat beispielsweise den Zweck, den Thyristor vor Überspannungen oder zu hohen Spannungsänderungen pro Zeit zu schützen. Bei Wechselrichterbrücken für Induktionsschmelzaggregate steht regelmäßig die Schutzfunktion im Vordergrund.
Die Beschaltungsanordnung zur Beschaltung des Thyristors führt aufgrund ihres Aufbaus, in welchem regelmäßig kapazitive Elemente vorgesehen sind, regelmäßig zusammen mit dem Ein- oder Ausschalten des Thyristor einen Schaltstrom, bzw. einen Stromimpuls.
Erfindungsgemäß ist zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit des Thyristors eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Schaltstromes der Beschaltungsanordnung vorgesehen. Da, wie bereits beschrieben, die
Beschaltungsanordnung regelmäßig mit dem Thyristor einen Schaltstrom führt, kann ein erfolgtes An- oder Ausschalten des Thyristors an der Beschaltungsanordnung abgelesen werden.
Die Überwachung des Schaltstromes der Beschaltungsanordnung kommt somit einer Überwachung des Thyristors gleich. Sollte statt des Thyristors die wesentlich weniger belastete Beschaltungsanordnung für den Thyristor selbst defekt sein, so lässt sich dies bei Anzeige einer Störung durch einfache Tests überprüfen. In der Regel wird aber bei Ausfall der Beschaltung der entsprechende Thyristor anschließend ausfallen, da die Schutzfunktion der Beschaltung nicht mehr gegeben ist.
Bevorzugt sind in der elektrischen Schaltung mehrere in Reihe geschaltete Thyristoren vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich ein höherer Durchschlagschutz erreichen, da die übrigen Thyristoren die Funktion eines defekten und damit kurzgeschlossenen Thyristors übernehmen können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn jeder Thyristor eine eigene
Beschaltungsanordnung zur Beschaltung des jeweiligen Thyristors aufweist. Auf diese Weise lässt sich jeder Thyristor separat zum Beispiel schützen.
Darüber hinaus ist bevorzugt für jeden der mehreren Thyristoren eine eigene Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Schaltstromes der jeweiligen
Beschaltungsanordnung vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich ein defekter Thyristor besonders einfach identifizieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung weist einen Stromwandler in der Überwachungsvorrichtung bzw. je zumindest einen Stromwandler pro
Überwachungsvorrichtung auf. Mit Hilfe von Stromwandlern lassen sich Schaltströme der Beschaltungsanordnungen besonders leicht feststellen. Abhängig von der jeweiligen Beschaltungsanordnung und der sich daraus ergebenden Schaltströme können unterschiedliche Arten von Stromwandlern zum Einsatz kommen, im einfachsten Falle entsprechend ausgestaltete Transformatoren.
Insbesondere im Falle von zum Thyristor parallel geschalteten Beschaltungsanordnungen lässt sich der Schaltstrom der Beschaltungsanordnung besonders leicht feststellen.
Die Erfindung kann mit RCD-Beschaltungen verwendet werden. Eine derartige Beschaltungsanordnung erlaubt die Verwirklichung eines Überspannungsschutzes zum Schutz des oder der Thyristoren.
Eine bevorzugte Beschaltungsanordnung ist ein RC-Glied. Es hat sich gezeigt, dass die Erfindung mit einem RC-Glied als Beschaltungsanordnung sowohl die Überwachung des Einschalt- als auch des Ausschaltstromes ermöglicht, wodurch auch eine Überwachung der Schaltzeiten und -genauigkeiten möglich wird.
Ein RC-Glied hat weiterhin die Eigenschaft, dass jeweils beim An- bzw. Ausschalten des Thyristors ein Strompuls mit jeweils gleichem Vorzeichen entsteht. Bei Verwendung eines RC-Gliedes erlauben daher die Verwendung einfacherer Stromwandler, die Gleichsspannungsströme aufnehmen können, wobei auf die Verwendung von Wechselstrom-Stromwandlern zur Übertragung der Schaltströme verzichtet werden kann.
Besonders bevorzugt ist bzw. sind die jeweiligen RC-Glieder oder RCD-Beschaltungen parallel geschaltet zum Thyristor. Auf diese Weise lässt sich ein Überspannungsschutz für den jeweiligen Thyristor verwirklichen, da der Kondensator in Verbindung mit dem Widerstand des RC-Gliedes eine Überspannung dämpfen kann.
So ist es mit Vorteil vorgesehen, Stromwandler zu verwenden, die auf der Basis des Hall-Effektes arbeiten. Diese sind in der Lage, Gleichstrompulse festzustellen. Darüber hinaus bieten hall-effekt-basierte Stromwandler eine galvanische Trennung zwischen der Überwachungsvorrichtung und der elektrischen Schaltung, sodass eine Fehlfunktion der elektrischen Schaltung keinen unmittelbaren Einfluss auf die Funktionalität der Überwachungsvorrichtung hat.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überwachungsvorrichtung eine Auswerteeinheit aufweist bzw. dass mehrere Überwachungsvorrichtungen eine gemeinsame Auswerteeinheit aufweisen. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit kann eine einfache Überwachung einer Mehrzahl von Thyristoren und eine einfache Anzeige von ggf. auftretenden Fehlfunktionen erreicht werden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit zur Auswertung von Steuersignalen für die elektrische Schaltung ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Auswerteeinheit einen Eingang für ein Steuersignal des Thyristors aufweist. Ein derartiges Steuersignal kann ein Schaltsignal eines Thyristors oder in dem Falle einer Ausgestaltung der elektrischen Schaltung als Wechselrichter bzw. Wechselrichterbrücke eine eingestellte Wechselrichterfrequenz oder Informationen über die jeweils leitende Diagonale der Wechselrichterbrücke.
Eine Überwachungseinrichtung oder die Auswerteeinheit kann darüber hinaus bevorzugt mit einer Steuerung, zum Beispiel des Induktionsschmelzaggregats gekoppelt sein, sodass im Falle des Defekts eines oder mehrerer Thyristoren zum Schutz der sonstigen Bauteile des Induktionsschmelzaggregats eine Energiezufuhr abstellbar ist, bzw. die Betriebsspannung reduziert wird.
Die Überwachungsvorrichtung wertet bevorzugt die Funktionstüchtigkeit des oder der Thyristoren durch Vergleich des Auftretens von Strompulsen in Abhängigkeit von der von einer Steuerung vorgesehenen Schaltfrequenz des jeweils überwachten Thyristors aus, wodurch sich auf besonders einfache Weise ein Defekt des Thyristors feststellen lässt. Andere Möglichkeiten zur Feststellung von Defekten sind die Auswertung von Stromverläufen oder Stromhöhen.
Die elektrische Schaltung ist bevorzugt ein Wechselrichter bzw. eine Wechselrichterbrücke zur Erzeugung von Wechselstrom, insbesondere zur Verwendung in Induktionsschmelzaggregaten. Dort werden, wie eingangs erwähnt, aufgrund der hohen Spannungen von ohne weiteres 4400 Volt in der Spitze in den Wechselrichtern bzw. Wechselrichterbrücken mehrere Thyristoren in den Zweigen in Reihe geschaltet, um eine ausreichende Sperrspannung zu erhalten. Sollte ein Zweig der Brücke aufgrund defekter Thyristoren kurzgeschlossen werden, führt dies zum Ausfall des Wechselrichters und damit im schlimmsten Falle zur Beschädigung des Induktionsschmelzaggregats. Ein erster unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft ein Induktionsschmelzaggregat mit einer elektrischen Schaltung gemäß der zuvor beschriebenen Erfindung. Mit Hilfe der dort offenbarten elektrischen Schaltung lässt sich die Betriebssicherheit des Induktionsschmelzaggregats besonders erhöhen, da defekte Thyristoren, die in einer Vielzahl in den elektrischen Anlagen der
Induktionsschmelzaggregate verwendet werden, bei einem Defekt unmittelbar erkannt und zügig ausgetauscht werden können bzw. bei entsprechender Ausgestaltung das Induktionsschmelzaggregat zum Schutz vor Beschädigung abgeschaltet werden kann, oder in der Spannung reduziert werden kann, wenn ein Thyristor defekt ist.
Besonders bevorzugt ist die elektrische Schaltung in dem Induktionsschmelzaggregat als Wechselrichter bzw. Wechselrichterbrücke ausgebildet. Defekte Thyristoren in Wechselrichtern führen im schlimmsten Falle zum Ausfall und zur Beschädigung des Induktionsschmelzaggregats.
Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines Stromwandlers zur Überwachung eines Thyristors. Mit Hilfe des Stromwandlers lässt sich das Schalten eines Thyristors detektieren bzw. dessen Ausfall.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Verwendung sieht vor, dass der Stromwandler den Strom einer Beschaltungsanordnung des Thyristors überwacht. Derartige Beschaltungsanordnungen können unterschiedlichen Zwecken dienen, beispielsweise zum Schutz des Thyristors. Ein Ein- bzw. Ausschalten des Thyristors hat in jedem Fall Einfluss auf den Strom der Beschaltungsanordnung des Thyristors und führt zu Stromimpulsen in der Beschaltung. Auf diese Weise lässt sich der Zustand eines Thyristors besonders leicht feststellen. Beschaltungsanordnungen haben darüber hinaus den Vorteil, dass über die Beschaltungsanordnungen in der Regel geringere Leistungen fließen, was die Auslegung des Stromwandlers vereinfacht.
Bevorzugt ist die Beschaltung dem Thyristor parallel geschaltet. Dies erlaubt eine besonders einfache Überwachung des Thyristors, da ein Wechsel des Schaltzustandes des Thyristors gut messbare Stromimpulse im Parallelkreis bewirkt. Ein letzter unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Thyristors durch Überwachung eines Beschaltungsstroms einer Beschaltungsanordnung des Thyristors. Thyristoren sind regelmäßig durch Beschaltungsanordnungen beschaltet, deren Schaltströme unmittelbar mit dem Zustand des Thyristors zusammenhängen und die besonders leicht zu überwachen sind, da die über die Beschaltungsanordnungen fließenden Leistungen in aller Regel wesentlich geringer sind als die über Thyristor selbst fließenden Leistungen und daher kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass aus dem Beschaltungsstrom der Beschaltungsanordnung des Thyristors eine Information über den Einschaltzeitpunkt und/oder über den Ausschaltzeitpunkt des Thyristors gewonnen wird. Durch Feststellung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte des Thyristors lassen sich Fehlfunktionen beim Ein- und/oder Ausschalten unmittelbar feststellen.
Besonders bevorzugt ist eine Überwachung des Einschaltstromes, da hiermit eine unverzögerte Reaktion des Systems möglich ist und die elektrische Schaltung geschützt werden kann. Wenn erst das Ausbleiben des Ausschaltstromes festgestellt wird, kann der Ausfall oder Kurzschluss des Thyristors bereits eine Beschädigung anderer Bauteile verursacht haben.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einschalt- und/oder Ausschaltzeitpunkte mit Steuersignalen des Thyristors verglichen werden. Derartige Steuersignale dienen zum An- und Ausschalten des Thyristors. Durch einen Vergleich der Einschalt- und/oder Ausschaltzeitpunkte des Thyristors mit den Steuersignalen des Thyristors kann eine Abweichung des Schaltzustandes des Thyristors von den Steuersignalen besonders leicht festgestellt werden.
Alternativ zu den Steuersignalen können auch andere Signale verwendet werden, die mit der Steuerung des Thyristors in Verbindung stehen, beispielsweise Signale einer Steuerungsvorrichtung für die Anlage, in der der Thyristor verbaut ist. Im Falle eines Einsatzes des Thyristors in einem Wechselrichter bzw. einer Wechselrichterbrücke kann als Vergleichsgröße auch eine Wechselrichter- oder Wechselstromfrequenz verwendet werden. Sofern hierbei Abweichungen auftreten, kann dies besonders leicht festgestellt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Höhe und/oder der zeitliche Verlauf und/oder die Frequenz des Beschaltungsstroms ausgewertet. Dies ermöglicht die Feststellung von Fehlfunktionen des überwachten Thyristors.
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei bilden sämtliche beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale in ihrer sinnvollen Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von den Patentansprüchen und deren Rückbezügen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Dabei zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung in allgemeiner Form;
Fig. 2 eine konkrete mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen
Schaltung sowie
Fig. 3 eine Reihenschaltung mehrerer Thyristoren mit erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtungen.
Ausführungsbeispiel
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung 2 in ihrer allgemeinsten Ausführungsform. Ein Thyristor 4 ist in einer Stromleitung 6 vorgesehen. Parallel zu dem Thyristor 4 ist eine Beschaltungsanordnung 8 vorgesehen, die zur Beschaltung des Thyristors 4 dient. Die Beschaltungsanordnung 8 kann zum Schutz des Thyristors 4 vorgesehen sein.
In dem parallel zum Thyristor 4 geschalteten Stromkreis 10, dessen Bestandteil die Beschaltungsanordnung 8 ist, ist des Weiteren ein Stromwandler 12 vorgesehen, der die Schaltströme der Beschaltungsanordnung 8 aufnimmt. Über eine Leitung 14 können die vom Stromwandler 12 aufgenommenen Signale weitergeleitet und weiterverarbeitet werden.
Der Stromwandler 12 kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Besonders bieten sich Gleichstrom-Stromwandler an, welche in der Lage sind, Gleichströme zu messen. Besonders bevorzugt sind Stromwandler, die auf Hall-Sensoren basieren, da diese kostengünstig und kompakt sind.
Fig. 2 zeigt eine mögliche konkrete Ausgestaltung einer möglichen elektrischen Schaltung 22 für einen Thyristor 24. Der Thyristor 24 ist in einer Stromleitung 26 vorgesehen.
Die Beschaltungsanordnung gemäß Fig. 2 besteht in einer Kombination aus einem Widerstand 28 und einem Kondensator 29, welche seriell in einem parallelen Stromkreis 30 angeordnet sind. Die Schaltströme von Widerstand 28 und Kondensator 29 werden von einem Stromwandler 32 aufgenommen und über eine Leitung 34 übertragen. Hinsichtlich der möglichen Ausgestaltung des Stromwandlers 32 wird auf die entsprechenden Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.
Die Beschaltungsanordnung aus Fig. 2, bestehend aus Widerstand 28 und Kondensator 29, dient zum Schutz des Thyristors 24 vor Überspannungen. Der Kondensator 29 dient als Ladungspuffer im Falle des Einschaltens bzw. Ausschaltens des Thyristors 24. Zu den Zeitpunkten des Einschaltens und des Ausschaltens des Thyristors 24 fließt durch die schnelle zeitliche Spannungsänderung im Parallelstromkreis 30 ein Strom, der von der Höhe der zeitlichen Spannungsänderung abhängig ist. Bei jedem Ein- und Ausschalten des Thyristors entsteht somit jeweils ein Signal in dem Stromwandler 32, das weiterverarbeitet werden kann.
Die Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 weisen bevorzugt eine nicht dargestellte Auswerteeinheit auf, wie sie im Zusammenhang mit der in der nachfolgenden Figur 3 dargestellten Ausführungsform allgemein mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet ist. Hinsichtlich der Funktionen der Auswerteeinheit wird auf die nachfolgenden Ausführungen verwiesen.
Fig. 3 zeigt einen Teil eines Wechselstromkreises 42 mit drei Thyristoren 44.1 , 44.2, 44.3, welche in Reihe in einer Stromleitung 46 geschaltet sind.
Jeder Einzelne der Thyristoren 44.1 , 44.2, 44.3 weist jeweils eine parallel angeordnete Beschaltungsanordnung, bestehend aus Widerstand 48.1 , 48.2, 48.3 sowie Kondensator 49.1 , 49.2, 49.3. Die Beschattung jedes einzelnen Thyristors 44.1 bis 44.3 entspricht somit der in Fig. 2 dargestellten Beschaltung. In den jeweiligen Parallelstromkreisen 50.1 , 50.2, 50.3 sind jeweils Stromwandler 52.1 , 52.2 und 52.3 angeordnet.
Die Stromwandler 52.1 , 52.2 und 52.3 sind mit einer Auswerteeinheit 54 verbunden, welche die Stromwandler 52.1 bis 52.3 mit Energie versorgen und die von den Stromwandlern 52.1 bis 52.3 festgestellten Beschaltungsströme der Beschaltungsanordnungen für die Thyristoren 44.1 , 44.2 und 44.3. Die Auswerteeinheit 54 verfügt über eine Stromversorgung 56, die die Auswerteeinheit 54 sowie die Stromwandler 52.1 bis 52.3 mit Energie versorgen.
Zur Auswertung der Signale der Stromwandler 52.1 bis 52.3 werden als Referenz von einer Steuerungseinheit für den Wechselrichter Informationen über die jeweils aktive Diagonale mittels Eingängen 58 eingespeist. Des Weiteren wird über einen Eingang 60 der jeweilige Zustand des Wechselrichters, an- bzw. ausgeschaltet, mitgeteilt.
Durch die Eingänge 58 erhält die Auswerteeinheit 54 Vergleichsinformation darüber, wann welcher Thyristor bzw. Thyristorzweig mit mehreren in Reihe geschalteten Thyristoren, durchlässig sein soll. Die Auswerteeinheit 54 vergleicht dies mit den Strompulsen, die in den Parallelkreisen 50.1 bis 50.3 zu den Thyristoren 44.1 bis 44.3 entstehen. Pro durchgeschalteter Diagonale (A oder B) müssen pro Thyristor 44.1 bis 44.3 in einer Lastfrequenzperiode zwei Strompulse aufgenommen werden, einer beim Durchschalten des jeweiligen Thyristors und einer beim Sperren des jeweiligen Thyristors. Ist dies nicht der Fall, liegt eine Störung des entsprechenden Thyristors vor.
Durch die Ausgänge 62 bzw. 64 kann eine Fehlermeldung an eine Steuereinheit abgegeben werden, entweder unspezifisch (Ausgang 62) oder spezifisch (Ausgänge 64). Des Weiteren können LED-Dioden 66.1 bis 66.3 Fehlfunktionen der Thyristoren 44.1 , 44.2, 44.3 anzeigen.
Bezugszeichenliste
2 Elektrische Schaltung
4 Thyristor
6 Stromleitung
8 Beschaltungsanordnung
10 Stromkreis
12 Stromwandler
14 Leitung
22 Elektrische Schaltung
24 Thyristor
26 Stromleitung
28 Widerstand
29 Kondensator
30 Stromkreis
32 Stromwandler
42 Wechselrichterstromkreis
44.1 bis 44.3 Thyristor
46 Stromleitung
48.1 bis 48.3 Widerstand
49.1 bis 49.3 Kondensator
50.1 bis 50.3 Stromkreis
52.1 bis 52.3 Stromwandler
54 Auswerteeinheit
56 Stromversorgung
58 Eingänge
60 Eingang
62 Ausgang
64 Ausgang
66.1 bis 66.3 LED-Dioden

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Schaltung, insbesondere Wechselrichterbrücke, insbesondere für einen Induktionsschmelz oder -erwärmungsaggregat, mit wenigstens einem Thyristor (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3) und einer Beschaltungsanordnung (8; 10, 28, 29, 30; 48.1 , 48.2, 48.3, 49.1 , 49.2, 49.3, 50.1 , 50.2, 50.3) zur Beschaltung des Thyristors (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3), dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungsvorrichtung (12; 32; 52.1 , 52.2, 52.3) zur Überwachung des Schaltstromes der Beschaltungsanordnung (8, 10, 28, 29, 30; 48.1 , 48.2, 48.3, 49.1 , 49.2, 49.3, 50.1 , 50.2, 50.3) vorgesehen ist.
2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Reihe geschaltete Thyristoren (44.1 , 44.2, 44.3) vorgesehen sind.
3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Thyristor (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3) eine eigene Beschaltungsanordnung (8, 10, 28, 29, 30; 48.1 , 48.2, 48.3, 49.1 , 49.2, 49.3, 50.1 , 50.2, 50.3) zur Beschaltung des jeweiligen Thyristors (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3) sowie eine eigene Überwachungsvorrichtung (12; 32; 52.1 , 52.2, 52.3) zur Überwachung des Schaltstromes der jeweiligen Beschaltungsanordnung (8; 10, 28, 29, 30; 48.1 , 48.2, 48.3, 49.1 , 49.2, 49.3, 50.1 , 50.2, 50.3) aufweist.
4. Elektrische Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaltungsanordnung ein RC-Glied (28, 29; 48.1 , 48.2, 48.3, 49.1 , 49.2, 49.3) oder eine kombinierte RCD-Beschaltung ist.
5. Elektrische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied (28, 29; 48.1 , 48.2, 48.3, 49.1 , 49.2, 49.3) oder die kombinierte Beschaltung dem Thyristor (24; 44.1 , 44.2, 44.3) parallel geschaltet sind.
6. Elektrische Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (12; 32) bzw. die mehreren Überwachungsvorrichtungen (52.1 , 52.2, 52.3) einen Stromwandler (12; 32; 52.1 , 52.2, 52.3) aufweist bzw. aufweisen.
7. Elektrische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (12; 32; 52.1 , 52.2, 52.3) im Anschluss der Beschaltungsanordnung, die dem Thyristor (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3) parallel geschaltet ist, angeordnet ist.
8. Elektrische Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (12; 32; 52.1 , 52.2, 52.3) eine Auswerteeinheit (54) aufweist bzw. die mehreren Überwachungsvorrichtungen (12; 32; 52.1 , 52.2, 52.3) eine gemeinsame Auswerteeinheit (54) aufweisen.
9. Elektrische Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (54) zur Auswertung der Höhe und/oder des jeweiligen zeitlichen Verlaufs und/oder der Frequenz des Beschaltungsstrom bzw. der jeweiligen Beschaltungsströme ausgebildet ist.
10. Elektrische Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (54) zur Auswertung von Steuersignalen für die elektrische Schaltung (2; 22; 42) ausgebildet ist.
11. Elektrische Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Teil einer Wechselrichterbrücke (42) ist.
12. Induktionsschmelzaggregat mit einer elektrischen Schaltung (2; 22; 42) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Verwendung eines Stromwandlers (12; 32; 52.1 , 52.2, 52.3) zur Überwachung eines Thyristors (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3).
14. Verfahren zur Überwachung eines Thyristors (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3) durch Überwachung eines Beschaltungsstromes einer Beschaltungsanordnung (8; 10,
28, 29, 30; 48.1 , 48.2, 48.3, 49.1 , 49.2, 49.3, 50.1 , 50.2, 50.3) des Thyristors (4; 24; 44.1 , 44.2, 44.3).
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