DE1083407B - Anordnung zur UEberstrom- und Kurzschlussunterbrechung in Gleichrichteranlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In Gleichrichteranlagen, insbesondere solchen, die mit Halbleiterventilen ausgerüstet sind, stellt der Überstrom- bzw. Kurzschlußschutz ein schwieriges Problem dar. Wegen der sehr geringen Wärmekapazität der Gleichrichterelemente muß im Kurzschlußfalle eine Stromunterbrechung in wenigen Millisekunden erzwungen werden, um eine Zerstörung der Halbleiterkristalle zu vermeiden. Solche extrem kurzen Abschaltzeiten sind mit Leistungsschaltern herkömmlicher Art kaum zu erreichen.

Es sind Schalter mit besonders gearteten Antriebssystemen bekannt, welche Schaltzeiten von einer Millisekunde und weniger aufweisen. Derartige Schalter können jedoch praktisch nur stromlos schalten, da die Erzielung der geringen Eigenzeiten ein Kontaktsystem mit sehr kleinen Wegstrecken und entsprechenden Kontaktabständen voraussetzt

Es ist schon vorgeschlagen worden, durch eine Drosselspule im Hauptstromkreis mit hochgesättigtem Eisenkern beim Stromnulldurehgang, d. h. beim Übergang des Stromes von der betriebsmäßigen Stromrichtung in die Rückstromrichtung, eine sogenannte stromschwache Pause zu erzwingen und innerhalb dieser die Schalteröffnung vorzunehmen. Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß sie nur bei Rückströmen, d. h. bei inneren Kurzschlüssen der Gleichrichteranlagen anwendbar ist, daß eine Abschaltung äußerer Kurzschlüsse aber nicht möglich ist.

Auch eine weiter vorgeschlagene Anordnung, bei der parallel zu einem Sehalter mit extrem kurzer Eigenzeit eine Schmelzsicherung geringer Nennstromstärke angeordnet ist, welcher die eigentliche Stromunterbrechung nach Öffnung des Schalters überlassen bleibt, ist mit Nachteilen behaftet. Insbesondere bedeutet das jeweils erforderliche Auswechseln der Sicherung nach jeder Schalterauslösung für den Betrieb eine erhebliche Erschwernis.

Bei der Speisung von Wechselstromverbrauchern aus einem Wechselstromnetz über zwei antiparallel geschaltete Ventile (oder Ventilgruppen), bei denen also die positiven und negativen Heilquellen des Wechselstromes über je eines der beiden Ventile fließen, ist es bekannt, Schalter anzuordnen, die mit den Ventilen in Reihe liegen und nun zum Zwecke der Ein- und Ausschaltung des Wechselstromverbrauchers je während der Sperrzeit des zugeordneten Ventils geschaltet werden.

Abgesehen von dem wesentlich anderen Zweck einer solchen Anordnung sind bei bekannten Ausführungen derselben Schalter vorgesehen, die durch einen Synchronmotor nach gegebenen Steuerbefehlen im Synchronismus zur Netzspannung betätigt werden.

Die Verwendung von auf diese Weise synchronisierten Schalterbetätigungen ist sehr aufwendig.

Anordnung zur üherstrom-

und Kurzschlußunterbrediung

in Gleichrichteranlagen

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22

Karl-Werner Kanngiesser, Mannheim,
ist als Erfinder genannt worden

Außerdem ist bei dieser Anordnung nicht sichergestellt, daß die Schalter nur im stromlosen Zustand schalten. Dies ist nämlich dann nicht der Fall, wenn die Ventilwirkung der verwendeten Ventile infolge einer Rückzündung bzw. eines Ventildurchschlages bei Halbleiterventilen aussetzt. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zur Abschaltung von Kurzschlüssen in Gleichstromkreisen, die über Gleichrichterventile in Brückenschaltung gespeist werden, beim Auftreten eines Überstromes in einer Richtung in Abhängigkeit vom Überstrom ein in dem Pfad der anderen Stromrichtung liegendes Schaltelement zu öffnen, so daß ein Stromfluß in der anderen Richtung unterbunden ist.

Bei dieser Anordnung ist zwar ein besonderer Synchronmotor für die Betätigung des Schaltelementes nicht erforderlich, jedoch besteht auch hier der letztgenannte Nachteil der vorher erwähnten Anordnung, insbesondere dann, wenn die Gleichrichteranordnung aus Halbleiterventilen besteht. Wenn nämlich die Ventile des einen Strompfades durch einen Ventildurchschlag defekt geworden sind, so kann bei einem dadurch verursachten Überstrom das betreffende Schaltelement nicht stromlos öffnen, sondern muß den Kurzschlußstrom unterbrechen. Da dies Schaltelement voraussetzungsgemäß nicht zu einer solchen Leistungsabschaltung geeignet ist, so würde dabei außer dem schon defekten Ventil auch das Schaltelement zerstört werden.

Die Erfindung sieht demgegenüber eine Anordnung zur Überstrom- und Kurzschlußstromunterbrechung in Gleichrichteranlagen durch extrem schnelle, den einzelnen Ventilkreisen zugeordnete Schalter vor, die während der Sperrphase der betreffenden Ventilstrecke geöffnet werden mit dem Kennzeichen, daß die öff-

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nung jedes dieser Schalter durch ein Koinzidenzglied bewirkt wird, dessen eine Eingangsgröße die Information über einen vorhandenen Überstrom und eine oder mehrere andere Eingangsgrößen die Information über die Stromlosigkeit der zugeordneten Ventilstrecke darstellen, wobei das Kommando zur Schalteröffnung bei der Koinzidenz der Eingangsgrößen erfolgt.

Eine solche Anordnung arbeitet in der Weise, daß bei einem Überstrom nur .die Schalter derjenigen Ventilstrecken sofort öffnen, die nicht stromführend sind, sich also in der Sperrphase befinden. Die Schalter der zur Zeit; des Kurzschlußbeginns gerade stromführenden Ventilstrecken bleiben so lange geschlossen, bis der Strom in ihnen am Ende der Stromführungsphase auf Null abgeklungen ist. Der Abschaltvorgang verläuft dabei ähnlich wie bei der Gittersperrung eines mehranodigen Gasentladungsgefäßes.

Die Öffnung eines der mit den Ventilstrecken in Reihe liegenden Schalter unter Strom ist durch die Anordnung der Erfindung ausgeschlossen.

Die Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung der Schalter 1 und Ventilstrecken 2 am Beispiel einer Gleichrichteranlage in Dreiphasen-Brückenschaltung, die aus einer Drehstromquelle 3 gespeist wird.

Die Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Anordnung nach der Erfindung für eine Ventilstrecke mit zugehörigem Schalter einer solchen Gleichrichteranlage. Durch einen im Hauptstromkreis der Gleichrichteranlage liegenden Gleichstromwandler 4 wird eine dem Gleichstrom proportionale Spannung erzeugt, die nach Gleichrichtung durch die Gleichrichter 5 als stromproportionale Gleichspannung am Bürdenwiderstand 6 liegt. Statt dessen kann die dem Gleichstrom proportionale Spannung auch über Wechselstromwandler in den Wechselstromzuleitungen der Gleichrichteranlage gewonnen werden. In Reihe mit dieser Spannung liegt eine am Potentiometer 7 einstellbare Gleichspannung entgegengesetzter Polarität, mit welcher der Ansprechwert der Vorrichtung eingestellt werden kann. Durch das Ventil 8 ist ein Strom in Gegenrichtung zur Bürdenspannung unterbunden. Die resultierende Spannung wird dem Schaltglied 9 des Koinzidenzgliedes zugeführt.

Das Koinzidenzglied besteht im Beispiel aus zwei Schaltgliedern 9 und 11 mit je einem Öffnungskontakt. Diese Kontakte überbrücken im geschlossenen Zustand die an eine Stromquelle 14, 15 angeschlossene Auslösevorrichtung 16 des der betreffenden Ventilstrecke zugeordneten Schalters 1 (Fig. 1). Der Widerstand 10 dient dabei zur Begründung des über diese Kontakte fließenden Stromes.

Das Schaltglied 11 wird durch eine am Widerstand 12 abgegriffene Wechselspannung gesteuert, die mit der Speisewechselspannung der Gleichrichteranlage synchron ist und eine solche Phasenlage aufweist, daß das Schaltglied 11 jeweils während der Sperrphase der zugehörigen Ventilstrecke anspricht, wobei das Ventil 13 jeweils nur eine Halbwelle wirksam werden läßt. Mit der am Potentiometer 17 einstellbaren Gleichspannung kann die Öffnungsdauer des Schaltgliedes 11 eingestellt werden.

In dem Augenblick, in dem beide Schaltglieder gleichzeitig ansprechen, d. h. also, wenn während der Sperrphase ein Überstrom vorhanden ist, erhält die Schalterauslösevorrichtung 16 Spannung, so daß die öffnung des zugehörigen Schalters erfolgt.

Als Schaltglieder 9 und 11 des Koinzidenzgliedes werden mit Vorteil nicht, wie in der Zeichnung angedeutet ist, Kontaktrelais verwendet, sondern elektronische Schal tlemente, die den Ausschaltbefehl verzögerungsfrei weiterleiten.

Sowohl Elektronenröhren, als auch Transistoren können dazu mit Vorteil verwendet werden.
Eine stromlose Schalteröffnung kann nach der Erfindung auch dadurch erzielt werden, daß das Schaltglied 11 durch einen in dem ihm zugehörenden Stromkreis angeordneten Gleichstromwandler betätigt wird, wobei dieses Schaltglied dann die Wirkung eines mit Schließkontakt ausgerüsteten Relais haben muß. Hierbei wird also der tatsächliche, in der Ventilstrecke fließende Strom als Maß für die Zulässigkeit einer Schalteröffnung verwendet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß auch bei Ausfall des Sperrvermögens einer Ventilstrecke, d. h. bei Rückstrom infolge des Durchschlages aller zu einem Strompfad gehörigen, in Serie geschalteten Halbleiterelemente einer Ventilstrecke bzw. bei einer Rückzündung eines Gasentladungsgefäßes eine Schalteröffnung unter Strom mit Sicherheit vermieden wird.

Die beiden erwähnten Betätigungsarten des Koinzidenzgliedes können auch miteinander kombiniert werden. In diesem Falle erhält das Koinzidenzglied drei Schaltglieder. Dadurch wird erreicht, daß eine Schalter öffnung nur in einem bestimmten Teil einer Periode, nämlich der Sperrphase, und außerdem nur dann möglich ist, wenn kein Rückstrom in dem zu unterbrechenden Stromkreis fließt. Als Kriterium für die Stromlosigkeit der Ventilstrecke läßt sich nach einer Abwandlung der Erfindung auch die am Ventil in der Sperrphase auftretende Sperrspannung ausnutzen. In diesem Fall wird das Schaltglied 11 z. B. von der Sperrspannung betätigt, der eventuell noch eine Gleichspannung, beispielsweise mit Hilfe eines Potentiometers 17 oder auch ein gegen Ende der Sperrphase einsetzender, der Sperrspannung entgegenwirkender Spannungsimpuls überlagert ist.

Die Erfindung ist nicht an eine bestimmte Ausführung der Schalter 1 gebunden. Es eignen sich grundsätzlich alle Schalter mit einer hinreichend kleinen Eigenzeit, bei denen die Auslösung mittelbar oder unmittelbar bewirkt wird.

Die Erfindung ist auch nicht auf die beschriebene Arbeitsweise des Koinzidenzgliedes beschränkt. Die Koinzidenz des Auftretens eines Überstromes und der Stromlosigkeit der betreffenden Ventilstrecke kann auch durch einen Vergleich der magnetischen Kräfte der beiden Ströme ermittelt werden. Beispielsweise kann das die Schalterauslösung bewirkende Magnetsystem so ausgebildet sein, daß der Magnetanker in entgegengesetzter Richtung unter der magnetischen Kraftwirkung einerseits des Belastungsstromes der Anlage und andererseits des Stromes in der betreffenden Ventilstrecke steht, so daß der Anker nur dann in Bewegung gerät, wenn gleichzeitig der Belastungsstrom einen vorbestimmten Höchstwert überschreitet und die Ventilstrecke stromlos ist.

Die Erfindung hat besondere Bedeutung bei Gleichrichteranlagen mit Halbleiterventilen, sie ist aber auch mit Vorteil bei Anlagen mit Quecksilberdampfstromrichtern, die keine Gittersperrung gestatten, anwendbar, wobei dann die Schalter in den Anodenleitungen anzuordnen sind.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Überstrom- und Kurzschlußstromunterbrechung in Gleichrichteranlagen durch extrem schnelle, den einzelnen Ventilkreisen zugeordnete Schalter, die je während der Sperrphase

der betreffenden Ventilstrecke geöffnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung jedes dieser Schalter durch ein Koinzidenzglied bewirkt wird, dessen eine Eingangsgröße die Information über einen vorhandenen Überstrom und eine oder mehrere andere Eingangsgrößen die Information über die Stromlosigkeit der zugeordneten Ventilstrecke darstellen, wobei das Kommando zur Schalteröffnung bei der Koinzidenz der Eingangsgrößen erfolgt. ίο

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Information des Koinzidenzgliedes über die Stromlosigkeit der zugeordneten Ventilstrecke die Halbwellen einer mit der Betriebsspannung synchronen Wechselspannung entsprechender Phasenlage dienen, deren andere Halbwellen durch ein Ventil unterdrückt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Information des Koinzidenzgliedes über die Stromlosigkeit der zugeordneten Ventilstrecke die Ausgangsspannung eines im Stromkreis dieser Ventilstrecken liegenden Gleichstromwandlers dient.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Information des Koinzidenzgliedes über die Stromlosigkeit der zugeordneten

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Ventilstrecke die an der Ventilstrecke selbst liegende Sperrspannung dient.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Information des aus drei Schaltgliedern bestehenden Koinzidenzgliedes über die Stromlosigkeit der zugeordneten Ventilstrecke sowohl die Halbwellen einer mit der Betriebsspannung synchronen Wechselspannung entsprechender Phasenlage, deren andere Halbwellen durch ein Ventil unterdrückt sind, dienen als auch die Ausgangsspannung eines im Stromkreis der zugeordneten Ventilstrecke liegenden Gleichstromwandlers.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem des Schalters unter Ausnutzung einander entgegenwirkender Magnetkräfte als Koinzidenzglied dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung Z 1560 VIIIb/21 c (bekanntgemacht am 21. 5.1953).

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 041 140.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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