DE1513100A1 - Schutzeinrichtung fuer Stromrichter mit Zwangskommutierung - Google Patents

Description

WESTINGHOUSE ' Erlangen, *H MT, 1SfI

Electric Corporation Y/erner-von-Sieinena-Str. 50

East Pittsburgh

Schutzeinrichtung für Stromrichter udt Zvvangs kommutierung.

Die Erfindung bezieht sich Ruf eine Schutzeinrichtung für Stromrichter, insbesondere Wechselrichter, mit einem Ko.mmutieruagakondensator un<3 ntindeetenn zwei steuerbaren Ventilen, «33,* «witschen den Wechselspannungakletnmen und den Gleiohßpannungekie»««n liege« und periodisch abwechselnd gezündet werden.

Bei aerartigen Stromrichtern tritt während <3ee kurzen Zeitintervallea zwischen dem Zündzeitpunkt des steuerbaren Ventiloßäee einen Zv;oigeo und dem ilrlö.ochen ües steuerbaren Ventiles de·

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deren Zweigea ein KurasohluQ auf. Zur Begrenzung aee Strom·« ist daher im Last Stromkreis eine Drossel vorgeeeh·«. Dieet Droe»el und der Kominutierungskondenaator haben jedoch auch verschiedene Nachteile.

So wird beispielsweise jedes steuerbare Ventil rait einer hohen Spannung β ep it ze in Sperriobtung während seiner Sperrperiod· und rait einer "hohen Spannungsspitze in Durchlaßrichtung während dea ersten Teiles desjenigen Intervenes beansprucht, daa. das V.exitll as'ur Sperrung der angelegtön Gleichspannung benötigt.

Bei Belastung dea Stromrichters mit Verbrauchern mit einer Blindkomponente ist ο sr-,notwendig, einen Weg für den Blindstrom au sch&ffen, da sonst hohe Überspannungen an den steuerbaren Ventilen auftreten. Man hat daher diesen steuerbaren Ventilen niohtsteuerbare Ventile mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallelgesohaltat. Meist werden heute au diesem Zweck Halbleiterdioden verwendet. Diese Bauelemente haben die Eigenschaft, daß sie nach einem Polarititewechsel, der angelegten Spannung nioht sofort sperren, da die. Trfeger in der Sperrschicht erst eine gewisse Zeit aur Reko^biBatio» benötigen. Infolge dessen kann man au Beginn der Sperrphase Je~ wells einen kurzen Stromstoß beobachten, der ebenfalls 8obä41ioh'fr , Sparfnungeapitzen hervorruft.

tiber diese sogenannten Blind st romventi Ie wird außer<5«in dexKoamuticrungslfondengator icurzßQschloGsen, sodaü äav Koraiautierungsvor~ gang beeinträchtigt wird. Man hat daher in Serie rait (i lesen Dioden einen Wider'ßtancl geschaltet, Trot-zdem ist bei diesen Anordnungen dor erforderliche KomBuitieruneskondensator bei gleichen '»Virklaat-

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strom größer als b«i Schaltungen, die ohne Blind 3troiacii öden arbeiten können.

Diese bei Stromrichtern mit"Koomutiörungakondensatoren unä oit oiMeatena zwei steuerbaren Ventilen auftretenden Spann unga spit »to laseen sieb, erfinduzigsgeiaäß daduroh auf zulässige Werte begrenzen» daß mit jedem eteuerbaren Ventil eine Droesal in Serie geschaltet und jedemsteuerbaren Ventil eine Diode über ein· weitere Droeael antiparallelgeaohaltet wird.

Durch eine solche Massnahme laeaen aich die Spannungsapitssen, die die steuerbaren Ventile sowohl in-Sperrichtung, wie auch; in Durchlaßrichtung beanspruchen, auf ?/uIe38ige Werte begrenzen. AuSerdea ergibt pich' auch eine längere Zeit für die Entladung dea Kocomutierungskondensators, eodaö Ventile mit größeren Preiwerdezeiten verwendet werden können. Ferner wird der maximale''Kondensatorentlade-. strom vermindert. Auch arbeitet die Anordnung mit geringeren Verlusten ule die bekannten Stromrichter dieser Art.

Weitere Einzelheiten und Eigenschaften sowie Vorteile der Erfin-

dung werden im folgenden an Hand von zwei Ausführungibeispielen erläutert, die in ien Figuren abgebildet sind und -sich auf V/ech-

celrichter in Brückensehaltung beEiehen. ·

Der Wechselrichter nach Figur 1 hst vier Zweige 12, 14, 16 un4l 18, clic eine Brücke bilder), deren Gleichstroaiklemmen mit 20 und 22 und leren V/echeelsi^nr.un^akleminRn mit 24 und 26 bezeichnet sind. Jeder 2w-ei,^ e'ithiUt. ¹^i η ^touerb^reis Ventil.'¹·' in Serie trat der V/ic3iIurv-^r einer Cf^:it irunps^roc-eel ... λνP-er.J-^m int jedem' steuerbaren

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Ventil V in jedem Zweig eine Anordnung parallelgeschaltet, die aus einer Sättigungsdrossel Y und einer Diode, z.B. einer Halbleiterdiode D besteht, deren Durcblaßriobtung· der des parallelliegenden Ventiles entgegengcj-ichtet ist. 3ie Drosseln X und Y besitzen Kerne aus einem Material .mit im wesentlichen rechteek'för«· miger Hysteresesohleife. Die einztilnen Bauelemente eines jede» Zweiges der Brücke aind mit dan gleichen Indizes versehen. Den BaIl^ 'elementen des Brückenzweige« 12 ist der Index 1, den Bauelementen des Zweiges H der Ind*ex 2, den Bauelementen des Zweiges 16 der Index 3 un4 den Bauelementen des Zweiges 18 der Index 4 zugeordnet·

Zwischen den Wechselepannungsklemmen 24 uno 26 der Brücke, an die eine Last 32 z.B. ein Induktionsmotor-angeschlossen ist, liegt ein Komiftutierimgakondenaator 30. Die eine Gleichntroniklemme 22 der Brücke iet über eine Schiene 34 mit dem negativen Pol und die positive Klemme 20 Über eine Drossel 35 und eine Sammelschiene 33 mit dem positiv en»Pol einer GIeichspannungsquelle verbunden, die hier nicht näher dargestellt ist. Die Drossel 35 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß sie nicht im Sättigungabereich arbeitet und hat die Aufgabe Stromänderungen vor allem während der Kommutderungephaßen au verringern. Jedes steuerbare Ventil besitzt eine last-

strecke zwischen den Elektroden* A (Anode) und C (Kathode) und eine Steuerstrecke zwischen einer Steuerelektrode (G) und der · Kathode oder der Anode.

•Steuerbare Ventile z.B. solche auf Halbleiterbasis (Thyristoren) haben die 3.tcensoiiaft, den Stronflu3 in beiden Richtungen au sper ren. Wird jedoch der Steucr3trec3:e ein Steuersignal geeigneter Qröüß und Polarität zugeführt, dann wiro dao steuerbare Ventil

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leitend, sofern die Spannung an der Laststreoke eine geeignexe Polarität aufweist (Spannung in Durchlaßrichtung). Der.Stroe iet dann nurraelir durch die Größe der treibenden Spannungen und der, Widerstände in Lastkreia bestimmt. Dgβ steuerbare Ventil geht ^verst dann wieder in den nperrenden Zuatand über, wenn der Laststrom unter Qinen vorgegebenen Mindeatwert, nämlich den Halteetromwert sinkt. Dieser Zustand kann jederzeit herbeigeführt werden, indem eine ousrtichend große Sperrspannung an das Ventil geschaltet wird.'

Die Zündiaipulse für die steuerbaren Gleichrichter VI bis V4 werden ,von einem Steuersatz 36 geliefert, und vrwar werden immer zwei in gegenüber! iegonden Brückenzweigen liegende steuerbare Ventile gleichzeitig gezündet, z.B. während der einen Halbperiode- der vom Ytechaelrichter abgegebenen Ausgangespannung, die Ventile Vt und V2 und wilhrend der anderen Halbporiode die Ventile V3 und V4-.

Sind beispielsweise die steuerbaren Ventile VI und V2 durohläüig, dann liegt die mit d-er Klemme 26 de'r Brücke verbundenen Klemm» der Laßt 32 über dee Ventil V2 on der negativen und die mit der Klerime 24 der Drücke verbundenen Klömme' der Last 32 über ins Ventil V1 an der positiven Klemme der Gleich spannungequalie« Hierbei lädt Mich der Kondensator 30 oo auf, daß sein unterer Belag positiv gegenüber dem mit der Klemme 26 verbundenen Belag wird. WIt Beginn der folgenden Halbperiode liefert der Steuersatz 36 ·

Zünäimpuröo für die oteuerbaren Ventile 73 und V4, durch die 4ieae in don leitenden Zuatand gebracht worden. Infolge dessen entladt Dich der iCondcncator 30 über tfio BrMi c]r en ζ weif; ο 12 und 16 einerseits und 6i« ErUcken.Twcigo 18 und 14 endorerseits. Der Sntlado-KO,: curch dio Z.veicc 12 un-3 16 fiüirt von <3er Klemue 24 über

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die Drossel X1, teilt aioh dann auf in die parallelen wtge, Dastehend aus dem Ventil Y1, das während seiner Preiwerdeneit einen Strom in Sperrichtung fuhren kann, und der Drossel Y1 und. die mit ihr in Serie liegende Diode D1, die von dem EntladeBtrom in Durchlaßrichtung beanopruoht wird. Von der Klemae 20 fließt der Ent- . ladeatrom^weiter duroh das eben gesundete Ventil V? und die Droseel X3 zur Klemme 26. Ein entsprechend ausgebildeter Sntladeetroa-, kreis führt von der Klemme,24 über das neu gezündote Ventil V4, die Droeael X4, die Klermae 22, die Drossel X2 und die parallelli»- genden Strompfade, bestehend aus dem Ventil V2, dae von dem Entladeatroni wieder in Sperrichtung durchflossen wird,-und der.Eroaeel Y2, die mit einer Diode D2 in Serie liegt, die von dem Bntladeatrom in Durchlaßrichtung durchflossen wird.

"Infcl^o der Wirkung der in dem EntladestromJcreia liegenden Impedanzen ist der Widerstand öiesee Kreises zunäobat htrch , voraoagesetzt, daß die Kerne der einzelnen Drosseln während der vorausgehenden Halbwelle zurüokmagnttieiert wurden, Durch dieet Bro»3tlw wtrion eine Anjsahl vorteilbtifter Wirkungen erzielt. Se wir<J beiapielsweise die Sporrapannungabbanapruohung der steuerbereii Gleichrichter Y atft suläsaige Werte herab^eaetzt. Zugleich wird die /Sntlaaesiait fUi· den Kondeneotor 30 vergröaaert und dadurch auch, die Seit, die den steuerbaren Ventilen aur Rokooibinstion zur Verfügung steht. Außerdem wird dor maxinu?.l erforderlich« Entladeotrom reduziert. Kino weitere Verminderung läßt sieb noch erreichen, wenn man die Drossel Y so beuisst, daß r,io ο ine größere Seitepannungs fläche zur Tlnnagnctioleruni: von einer Remanenz .lace in die 'an da.ro 'banötigt al3 Oie Drossel X.

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Pur cine kurze* Zeit zwischen dem Zünden der bisher geeperiitn Ventile V5, V4 und dem Sperren der biAer leitenden steuerbaren Ytn-...· tile Y1 und Y2 sind alle vier Ventil· gleich zeitig stromführend. Ein Kurzsc.hluß3troin kann sieb jedoch infolge der Wirkung der Drö·- eel 35" nioht ausbilden. Das Ventil'V1 erreioht seine voll· Sperrfähigkeit «leder, wenn alle ladungsträger in seinen Sperrschicht·» rekoiabiniert sind. Die Belastung dee Ventlies Vi ndt Spai(ffiüiigsspl**r sen in Dur c tut Bricht urig, die'im allgemeinen während 4·« «ratert Ab* schnittes seiner Sperrphase auftreten, wird herabgesetzt. Dl·»· ' Spannungsspltzen werden durch <3ie in der Droesel 35» in den Y«rbindungsleitern und in internen Kapazitäten geepeioherte Energie hervorgerufen und von den erfindungsgeniäß voTgesehenenrBroaeel Z aufgenoiumen.

Uaoh der Entladung dea Kondenaatore 30 wird die Diode 2)1 mit ' . einer Spannung in Sperrichtung beaufschlagt, d.ieider Summe aus dor Speisegleichepannung und der Spannung»an der Drossel 35 «ntspricht. Die Dro»sel T1 nimat diese Spannung auntiohat auf und hHlt pi· von der Dlo«· D1 eoiang· ab, bis die ladungetr^ger in lieetr Sio.äQ vollctSndig rekombiniert sind und öie Diode Ihre voll· ;

Sperrfähigkeit wieder gewonnen hat.

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Nach diesem Sntladevorgang beginnt eine erneute Ladung <3β'β Kondensators während d<3r darauffolgenden UslbperiOiäe, die mit <J«lr ~ Zündung von V^-und V-I 'beginnt, wobei jetzt. jodoeb der Obere B«lag positiv gegenliber <3oa unteren 3elag wird. Zunlichat hat ee den An- " f3cheir_J>? ζΐεΰ Ocr Korn Ίοτ D-ro3scl Y niaht rückraagnetisiert wird (von der positiven SRttieunc in aie -negative- Sättigung und umge- ' kehrt). Daa ist -JcCoch nicht der 5YIl, <la oi ch herausgestellt \ hat, dui3 dor Strcir.-, der während a&r ReircnibinationBaeit die Diodt %-

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in Sperrichtung durchfließt, au&reicht-* um die Droeeel Y bei geeigneter Berneesung vollständig umzumagnetisieren.

In der Zeit·.»wiseher. dom Zünden des steuerbaren Gleichrichter V3 und der Sättigung der vorgeschalteten Drossel X3 wir8 der Λη-ctieg des Laetstromes in Ventil-73 begrenzt. Während dieser Zeit kann oich ciie stromführende Fläche in dem Ventil ausbreiten, sodaß größere Ströme bewältigt werden können.

Entsprechende Vorgänge spielen sich während der nUoheten Halb* period© T* in dem Entladeetrorakreis' ab, der von der Klemm* 24 Über die BrUc Iren zweige 18 und 14 sur Klemme 26 führt.

Die Drosseln X und Y .brauchen nur für eine sehr kleine Zeitsepsnnungsflächo bemessen zu sein. Z.B. braucht die Drossel X nur diejenige Zeitspannungsfläcbe aufnehmen zu können, die erforderlich iet, um .den steuerbaren Gleichrichter vor Spannungsepitzen in Durchlaßrichtung zu adbUtzen, die sonst während des ersten Teilesdee Zeitabschnittes auftreten, in dem dieser steuerbare Gleiohriohter sperren soll. Die Drossel Y, die dem Schutz der Diode D^ dient und mit der Drossel X in Seriß liegt, braucht lediglich eo bemessen sein, «leß die Sperrspannung von dieser Diode D solang· ferngehalten wird, Bits sie ihre volle Sperrfähigkeit wieder er·· „ langt hat, Dia* einzelnen Drosseln sind demnach eo bü bemetario» . ' daß sie im wesentlichen am Ende uer Froiwerdezeit oder der R*^-' kombinationsaeit der durch sie £6&chütsten Hclbleieter in Sättigung gehen.

Da Soaiinunß und Sferoüi-sowohl n^ch GviSQe wie 2iohturif; in g LicK Zweigen der Brücke gleich verlaufen, ist οa möglich,

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Wipklungen der Drossel X, die in gegenüberliegenden 3rttckenzweigen liefen, auf einen gemeinsamen Kern zu wickeln. Das gleiche gilt auch für die in gegenüber!iegenden Zweigen befindlichen Drosseln Y. Dementsprechend'können Drosceln *Y| und Y2, Y3 und Y4» XI und X2 und Gchließlich X3 und XA jeweils auf einen gemeinsamen Kern gewicijBelt werden.

Das in Figur £ geseilte- Ausführungabeispiel der Erfindung isf dem. in Figur 1 gezeigten aehr ähnlich. Der einzige Unterschied beettht darin, daß die Wicklungen der beiden Drosseln eines BrUoken-zweigea indulrtiv miteinander gekoppelt und auf einem Kern angeordnet sind. Dadurch ergibt eioh außer der. Drosselwirkung noch zusätzlioh eine "trejisformatorieche Wirkung. Zu diesem l'v/eck ist jedes atfuerbare Ventil Y in Serie in&t der Primärv.lcklung P eines Transfornators T geschaltet, dessen oekundclrwicklung S über eine Diode D dem VcMitil V so parallelgeacbal tot ist, daß die Durchlaßrichtung der Diode -^f3or des Veiitileii cntcegengerichxet iat.

Da beide Wicklungen P und S auf einen geraeinsamen Kern mit ausgeprägter Sättigung gewickelt sind, verhalten sich auch beide Wioklungen als Sät ti gungsa»03 «ein, Z. B. wirkt cii e Prinärvvioklung P1 zuaaininen mit dera Korn KT in dom Brücken zweig 12 ala ßättigbare Drosoöl in Serie mit -dorn Ventil Y1. In > ent epr ech ander, Weise wirkt cer Kern K mit dor Öekundarvviclclung S ols Sättigungudrosöely und dient dein Schute der Diode D, die <3em Ventil V parallolliegt., .

Die Wicklungen P und S üben die gloicljo Punktion au3 wie die

Droöseln 'L und Y boirri Anefuhrun^riboispiel r.mh i'ignr 1. Durch die

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Transforms toz-wicüclunc wird lediglich zusätzlich eine nung an das ateuerbare Ventil gelegt, durch öie der Ausachaltvorgang /beschleunigt un<3 zuverlässiger durchgeführt wird.

2 Jfj-guron "
9 Ansprüche

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Claims (1)

1. 04/8255

   Pe t e η tan s ρ r iic he 151 31 UU

   T. ficbutseinricfctuns für Stromrichter nit einem Kommutierunga- -

   kondensator und mit mindestens ewei etouerbaren Ventilen^ die ·'.'■ zwischen den Wechgeiapannungskleinaen und den Gleich spannungsklerasien ließenund die pari odiacb" abweohaelnd gesundet werden, dt**· durch gekennzeichnet, 3aS mit jedem SteuerbarenYeniiil eine Drocael (I) Ir Serie liegt^una ^etlea Ventil (Y) «iae Dioit über eine weitere Droeeel (Y) antiparallel geechaltet

   2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, laöureh gokennzeichnet, «Saß . die mit dem steuerbaren Ventil in Serie -liegende Drossel (JC) mit einem Kern vereehen iet» der eine im wesentlichen rechteckförnige Ilyetareseeebleife beaitst.

   5. SchützoinriolTtunß nach Ariepruoh. 1 oder 2, dadurch zeioRnetf daß die über die Diode dem Ventil parallelliegeaie Broeoel (Y) iatt finem Ker» Ywraaiita ie.t, 4er aue titwa Material lait 1« weeentiieöttt reoht«o3cföraigen Hysttrc3e8chJ.eift

   4. SnhutzeiPriciitung naeh einem 3er Aneprüch« 1 bie 3, da<5urofc gokenn»eiohnct, βau die mit dem steuerbaren Ventil (V) in Htii»

   ßroeeel (X) so boraesoe« ist, dafl zu ihrer S&ttigung ' äio Zeit erforderlich ie.t, die na<;h d em Anlegen einer ' amiuriö an das. steuerbare Ventj I vergeht,' Mb dieses seine volle 3nerrfähigkeit wieder erlangt hat/

   5. Schutz-einricLtun^ rjacb oinem der Aneprüche 1 bis 4, ciaduroh

   % ·ί»Π tfie'UVor eine Uiode (D) cern steuerbaren

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   Ventil (V) parallelliegen«?β Drossel (Y) βο bemeosen let, <äaß zu ihrer Urntnagnetisierung gerade die Zelt erforderlich ist, die von dem Anlegen einer die Diode in Sperricbtung."beanspruchende Spannung bie aur WieaerQrlangung der Sperrfähigkeit, vergeht. ... ■ ·

   6, Schutzeinrichtung nach einem 4er Ansprüche 1 bie 51 gekennzeichnet, daß die Droesel (JC) iür eine etwae

   bemessen let als die Drossel (Y).

   7. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dedureb gekennzeichnet, öai3 <3ie Droeoelwicklung, ctie talt dem ateuerbaren Ventil und -die Drosaelwioklung, die ciit der dleeem· Vetttil zugeordneten Diode in Serie liegt, auf einem gomeinsaiaert arig«2ordnet eint!.

   β. Schoitzeinriohtung für einen V/echselräcbter mit vier in Brücke angeordneten steuerbaren Ventile, wobei je«ar eine SchutEeinri'ohtung naoh. einem <Jer AnapTücbß 1 bie 7 £ug*crdaet ist» daduroh gekenn se ic hnot _r daß die 5τθ3ββ1*1οϊε1υτχβ;β!ΐ, dia in aerie nit den steuerbaren Ventilen liefen, die in gegenüberliegenden gleichseitig arbeitenden Brück en «we igen .ift'g aind, rau' einem geraeineamen Kern angeordnet eind«

   9. Sohutzeinriuhtung aaoh Anepruob.. R, iadt:rob da.? öle Wenigen Eroüaelwicklungen auf eliis:.i ge3Wfir.iian;«n ^ stiesoTäriei ßi^a, die in Serie mit solchen Siede» li-Jgen, dl» .steuerbaren Vo-Kilen in s^onuiwiϋ^^πί^n SrUc*

   BADORiGINAL

   L e e r s e 11 e