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DE1665064C - Overvoltage protection device for an AC switch - Google Patents

Overvoltage protection device for an AC switch

Info

Publication number
DE1665064C
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
diode
voltage
switch
circuit
resonant circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
Other languages
German (de)
Inventor
Toshio Ukita Shigetsu gu Tokio Watanabe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
Publication date

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Description

1666 0641666 064

I 2 ,!,·I 2,!, ·

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutz- erzeugt, die mittels des Tranformatorsim^ weit f1 The invention relates to an overvoltage protection generated by means of the Transformatorsim ^ far f 1

einrichtung fUr einen Wechselstromschalter mit einer herauftransformiert wird, daß die FJnJwhlohtd odeDevice for an alternating current switch with a step-up that the FJnJwhlohtd ode

parallel zu den Schaltkontakten geschalteten Halb- eine rasch ansteigende KJem™fW"n.u"f.Orhä|Half- a rapidly rising K J em ™ fW " n . u " f. Orhä | t

leiteranordnung, deren Verhalten bei positiven und Diese reicht zur Zündung *r Wn^iobtdiode aus,conductor arrangement whose behavior in the case of positive and This is sufficient for the ignition * r Wn ^ iobtdiode,

negativen Halbwellen des Wechselstroms gleich ist. a bevor sich an den Schaltkontaktenein stabiler Licht*negative half-waves of the alternating current is equal. a before a stable light *

Es ist bekannt, zur Unterdrückung des öffnungs- bogen ausgebildet hat. Auf diese Weise ist_ stets eine ;It is known to have designed to suppress the opening arc. In this way_ is always one;

und Schließfunkens beim Ein- und Ausschalten eines einwandfreie rechtzeitige Zündung der Fünfschicht-and locking spark when switching on and off a faultless timely ignition of the five-shift

Wechselstromkreises den Schaltkontakten eine Halb- diode und damit eine LichtbogenunterdrückungAC circuit the switching contacts a half diode and thus an arc suppression

leiteranordnung parallel zu schalten, die aus zwei möglich.Connect the conductor arrangement in parallel, which is possible from two.

gegeneinander gepolten Halbleiterdioden besteht. Die 10 Parallel zu den Schaltkontakten kann noch einSemiconductor diodes polarized against each other. The 10 parallel to the switching contacts can still be a

Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Kondensator zur Unterdrückung von Uberspannun-This arrangement works as follows: Capacitor to suppress overvoltage

In jeder Halbwelle Hegt mindestens eine Diode gen geschaltet sein, obwohl dies nicht unbedingt not-In each half-wave there is at least one diode connected, although this is not absolutely necessary.

nicht in Stromflußrichtung, wird also nach Öffnung wendig ist. _ ...not in the direction of current flow, so it is manoeuvrable after opening. _ ...

des Schalterkontaktes in Sperrichtung beansprucht, Der Schwingkreis kann je nach dem gewünschtenof the switch contact is claimed in the blocking direction, the resonant circuit can depending on the desired

bis die Sperrspannung überschritten wird und sich 15 Eingangswiderstand als Parallelschwingkreis oderuntil the reverse voltage is exceeded and there is 15 input resistance as a parallel resonant circuit or

der Arbeitspunkt in das Gebiet der Grenzspannung Serienschwingkreis ausgebildet werden. Auch kannthe operating point can be formed in the area of the limit voltage series resonant circuit. Also can

verschiebt. Der Eigenwiderstand wird sehr klein und die Last an verschiedenen Stellen des Schwingkreises 'shifts. The inherent resistance becomes very small and the load at different points in the oscillating circuit

überbrückt trägheitslos die sich öffnenden Schalter- angeschlossen sein.bridges the opening switches without inertia.

kontakte. Die andere Diode liegt während der be- Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werdencontacts. The other diode is during operation. Some embodiments of the invention will be implemented

trachteten Halbwelle in Stromflußrichtung und hat ao nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben,sought half-wave in the direction of current flow and has ao described below with reference to the drawing,

somit keinen Einfluß auf den Stromverlauf. Dadurch Hierin istthus no influence on the current curve. Thereby is therein

kann unabhängig von der Stromrichtung eine licht- Fig. 1 eine typische Kennlinie einer Fünfschicht-a light- Fig. 1 a typical characteristic of a five-layer-

bogenfreie Abschaltung von induktiven Wechsel- diode,arc-free disconnection of inductive alternating diodes,

Stromkreisen erreicht werden. F i g. 2 eine Grundsatzschaltung der erfindungs-Circuits can be reached. F i g. 2 a basic circuit of the invention

An Stelle der gegeneinandergeschalteten Halb- as gemäßen Schalteinrichtung zur Lichtbogenunterleiterdioden kann eine Fünfschichtdiode verwendet drückung undInstead of the mutually connected half-as-appropriate switching device for the arc lower conductor diodes a five-layer diode can be used for pressing and

werden. Derartige symmetrische Fünfschichten- F i g. 3 bis 9 Abwandlungen der Schaltung nachwill. Such symmetrical five-layer F i g. 3 to 9 modifications of the circuit according to

anordnungen sind bekannt. So ist unf.r dem Namen Fig. 2.arrangements are known. Thus, for the name Fig. 2.

Symistor ein über Steuerelektroden steuerbares In den Zeichnungen bedeuten SSS eine Fünf-Halbleiter-Bauelement mit fünf Schichten bekannt- 30 schichtdiode, SW einen Schalter, L die Last, C1 und geworden, das symmetrisches Verhalten zeigt. Läßt C2 Kondensatoren und T einen Transformator mit man bei diesem Bauelement die Steuerelektroden den Primär- und Sekundärwicklungen L1 und L2.
weg, so kann man das Element als Fünfschichtdiode Es sei zunächst das Stromspannungsverhalten einer verwenden, die symmetrisches Verhalten zeigt. bekannten Fünfschichtdiode an Hand der Fig. 1
In the drawings, SSS denotes a five-semiconductor component with five layers, known as a 30-layer diode, SW a switch, L the load, and C 1 , which shows symmetrical behavior. Leaves C 2 capacitors and T a transformer with this component, the control electrodes of the primary and secondary windings L 1 and L 2 .
away, the element can be used as a five-layer diode. First, the voltage behavior of one can be used that shows symmetrical behavior. known five-layer diode with reference to FIG. 1

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige 35 kurz erläutert.It has been found, however, that such 35 is briefly explained.

Fünfscliichtdioden ebenso wie gegeneinandergev hai- Bis zu der durch den Bau der Diode gegebenen tete normale Dioden zui Lichtbogenunterdrückung Schaltspannung V01, hat das Halbleiterelement einen nicht in allen Fällen ausreichen. Bei sehr hohen sehr hohen Widerstand. Erreicht die äußere Spannung Stromstärken kann es nämlich vorkommen, daß die den Wert VBI), so bricht der Widerstand plötzlich zuAnsprechzeit der Fünfschichtdiode größer als die 40 sammen, die Diode wirrt d"rchlässig und zeigt nut Zeit ist, welche zur Bildung eines stab'1"; τ ϊ·-».. jch einen Spannungsabfall '.on *.·.ν r. O 8 bis 1.2 Voit. bogens zwischen den Sch.iltkontnlijcn ?*--<;t einer Dc. Lci'.-.igs/ustanu halt so i.-igc an, ims die Halte Bogenspannung · :·:: :'-y? _:s *J Ycii ausreicht. Stromstärke Λ, unterschritten ist. Dies geschieht bei Π ... j ....... kirnen der Schaltkontakte ent- einem Wechselstrom gegen Ende der betreffendenUp to the normal diodes for arc suppression switching voltage V 01 given by the construction of the diode, the semiconductor element is not sufficient in all cases. At very high, very high resistance. Reaches the external voltage current intensities it can namely occur that the value V BI), the resistance suddenly breaks zuAnsprechzeit the five-layer diode greater than the 40 together, the diode wirrt d "r chlässig and shows nut time is that the formation of a rod ' 1 "; τ ϊ · - ».. jc h a voltage drop '.on *. · .ν r. O 8 to 1.2 Voit. bogens between the Sch.iltkontnlijcn? * - <; t one Dc. Lci '.-. Igs / ustanu stop so i.-igc, ims the holding arc voltage ·: · ::: ' - y? _: s * J Ycii is sufficient. Current intensity Λ, is undershot. This happens with Π ... j ....... the switching contacts are interrupted by an alternating current towards the end of the relevant one

stehende Überspannung bereits zu einem stabilen 45 Stromhalbwelle. In diesem Augenblick wird die Diode Lichtbogen geführt, bevor die Durchbruchsspannung wieder gesperrt und nimmt ihren hohen Widerstand an. der Fünfschichtdiode erreicht ist, so sinkt die Klem- Im Gegensatz zu den normalen Dioden mit nur menspannung der Fünfschichtdiode auf die Licht- einer Sperrschicht und auch zu den Vierschichtdioden bogensp.'innung von etwa 10 bis 13 Volt ab, so daß ist die Charakteristik der Fünfschichtdiode symmedie Diode nicht mehr zum Zünden kommen kann. 50 trisch, d. h., in der nächsten Halbwelle des Wechsel-Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schalteinrich- stromes verläuft der oben geschilderte Vorgang in tung der beschriebenen Art mit Lichtbogenunter- genau der gleichen Weise.standing overvoltage already leads to a stable 45 current half-wave. At that moment the diode will Arc is conducted before the breakdown voltage is blocked again and assumes its high resistance. the five-layer diode is reached, the terminal drops in contrast to the normal diodes with only voltage of the five-layer diode to the light, a barrier layer and also to the four-layer diodes arc voltage from about 10 to 13 volts, so that the characteristic of the five-layer diode is symmetrical The diode can no longer ignite. 50 trisch, d. i.e., in the next half cycle of the change task of the invention is to switch a switching device, the process described above takes place in FIG processing of the type described with arcing under exactly the same way.

drückung für Wechselsiromkreise bereitzustellen, die Schaltet man eine solche Fünfschichtdiode einemTo provide pressure for AC circuits, one switches such a five-layer diode

auch bei hohen Stromstärken und verhältnismäßig Schalter in einem Wechselstromkreis parallel, so kanneven with high currents and relatively switches in an alternating current circuit in parallel, so can

langsamem Anstieg der Klemmenspannung einwand- 55 nach dem öffnen des Schalters eine infolge induktivenslow rise of the terminal voltage after opening the switch due to inductive

frei anspricht. Verhaltens des Wechselstromkreises entstehende Über-responds freely. Behavior of the alternating current circuit

Dics wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß spannung nur so lange anwachsen, bis sie die Schalt-Dics is achieved according to the invention in that the voltage only grows until the switching

die parallel zu den Schaltkontakten liegende Halb- spannung der Fünfschichtdiode erreicht hat. Alsbaldhas reached the half-voltage of the five-layer diode lying parallel to the switching contacts. Immediately

leiteranordnung aus einer Fünfschichtdiode besteht, beginnt die Diode zu leiten, und zwar unabhängigconductor arrangement consists of a five-layer diode, the diode begins to conduct independently

die in Reihe mit der Sekundärwicklung eines Trans- 60 von der Polarität der Halbwelle, in welcher die Ab-which is in series with the secondary winding of a trans- 60 of the polarity of the half-wave in which the output

formators liegt, dessen Primärwicklung mit einem schaltung vorgenommen wurde. Ist die Ansprechzeitformator is, whose primary winding was made with a circuit. Is the response time

Kondensator einen hochfrequenten Schwingkreis der Diode so kurz, daß bis zu diesem Zeitpunkt keinCapacitor a high-frequency resonant circuit of the diode so short that up to this point no

bildet, in welchen die Schaltkontakte einbezogen Lichtbogen entstanden ist, so sinkt die Spannung anforms in which the switching contacts included arc has arisen, the voltage drops

sind. den Schaltkontakten nunmehr wegen des geringenare. the switch contacts now because of the low

Dieser Schwingkreis wird beim öffnen der Schalt- 65 Durchlaßwiderstandes der Fünfschichtdiode schlag-When the switching resistance of the five-layer diode is opened, this resonant circuit is

kontakte durch den kurzzeitig in der Primärwicklung artig ab und reicht nicht mehr zur Bildung einescontacts through the briefly in the primary winding and is no longer sufficient to form a

des Transformators fließenden Schaltstrom an- Lichtbogens aus. Es fließt dann weiterhin nur einof the transformer flowing switching current on - arc off. It then just continues to flow in

gestoßen, so daß er eine hochfrequente Spannung Leitungsstrom durch die Diode, bis die Stromstärkebumped so that he has a high frequency voltage conduction current through the diode until the amperage

1 6631 663

um Ende der betreffenden Halbwolle unter den Wen In absinkt. In diesem Augenblick sperrt die Diode, . womit der Abschaltvorgang beendet 1st.at the end of the half-wool in question falls below the Wen I n . At this moment the diode blocks. with which the shutdown process is ended.

Wird der Schalter wieder geschlossen, so sind vor allem die Prellerscheinungen zu beachten, durch die kurze Funken erzeugt werden können. A«ch diese werden bei genügend geringer Ansprechzeit der zu den Schaltkontakten parallelgeschalteten Diode sofort gelöscht, wahrend nach vollständiger Schließung der Kontakte die Kontaktspannung kleiner als die Haltespannung der Diode ist, so daß die Diode in den gesperrten Zustand zurückkehrt und der Laststrom allein über die Kontakte fließt. So werden auch die durch Prellerscheinungen, verursachten Kontaktschäden vermieden.If the switch is closed again, so are before Pay particular attention to the bouncing phenomena that can generate short sparks. Oh this become immediately with a sufficiently short response time of the diode connected in parallel to the switching contacts deleted, while after complete closure of the contacts, the contact voltage is less than the holding voltage of the diode, so that the diode returns to the blocked state and the load current flows solely through the contacts. This also avoids the contact damage caused by bruises.

Insbesondere bei sehr hohen Stromstärken kann es jedoch, wie gesagt, vorkommen, daß die Anstiegsgeschwindigkeit der im Wechselstromkreis auftretenden Überspannung nicht ausreicht, um die zu den Schaltkontakten parallelgeschaltete Diode sicher in den leitenden Zustand zu kippen. Hier schafft die Erfindung Abhilfe.However, especially at very high currents, it can happen, as I said, that the rate of rise of the overvoltage occurring in the AC circuit is not sufficient to cause the Switching contacts parallel-connected diode to safely tip into the conductive state. Here she creates Invention remedy.

In der Grundsatzschaltung der F i g. 2 fließt beim öffnen des Schalters SW ein Ladestrom über die Primärwicklung L1 des Transformators Γ zum Kondensator C1, wodurch eine hochfrequente Schwingung in dem Schwingkreis C1-L1-SW erzeugt wird. Diese Schwingung wird von der Primärwicklung L1 auf die Sekundärwicklung L2 übertragen, so daß eine kräftige hochfrequente Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung L2 auftritt. Durch diese hochfrequente Schwingspannung wird die Diode SSS geöffnet, wodurch der Lichtbogen zwischen den Kontakten SW kurzgeschlossen und unterdrückt wird. Wenn später die Stromstärke in der Diode den Haltestrom unterschreit.;!, «si oi; Unterbrechung des. Stromkreises vollendet. Zum Schutz der Diode SSS gegen Überspannungen dient weiterhin ein Kondensator C2. üa ein erheblicher Teil solcher Überspannur» <*n bereits ve·· kondensator C1 absorbiert wird, kann der Kondor. wiLi»- '" gegebenenfalls auch weggeben werf»»·λ Oi"". Sü.altun^abinderung ist ii. Fi;; ? gezeigt.In the basic circuit of FIG. 2, when the switch SW is opened, a charging current flows through the primary winding L 1 of the transformer Γ to the capacitor C 1 , whereby a high-frequency oscillation is generated in the resonant circuit C 1 -L 1 -SW. This oscillation is transmitted from the primary winding L 1 to the secondary winding L 2 , so that a strong high-frequency voltage occurs at the terminals of the secondary winding L 2 . This high-frequency oscillating voltage opens the diode SSS, whereby the arc between the contacts SW is short-circuited and suppressed. If later the current in the diode falls below the holding current.;!, «Si oi; Interruption of the circuit completed. A capacitor C 2 is also used to protect the diode SSS against overvoltages. If a considerable part of such overvoltage is already absorbed by capacitor C 1 , the condor can. wiLi »- '" if necessary also give away throw »» · λ Oi "".

F i g. 3 zeigt eine Schaltung für den Fall, daß die Impedanz der elektrischen Spannungsquelle klein gegen diejenige des hochfrequenten Schwingkreises ist. Wird der Schalter SW geöffnet, so wird der hochfrequente Schwingkreis Cx-L1-SW angestoßen, der in diesem Falle einen Serienschwingkreis darstellt. DerF i g. 3 shows a circuit for the case that the impedance of the electrical voltage source is small compared to that of the high-frequency oscillating circuit. If the switch SW is opened, the high-frequency resonant circuit C x -L 1 -SW is triggered, which in this case represents a series resonant circuit. the

10 Hochfrequenzstram wird auf die Sekundärwicklung L1, Übertragen, an deren Klemmen sich eine kräftige Schwingspannung entwickelt, durch welche die Diode SSS geöffnet wird. Im Übrigen entspricht die Arbeitsweise derjenigen der Schaltung nach F i g. 2. 10 high frequency current is transmitted to the secondary winding L 1 , at the terminals of which a strong oscillation voltage develops, through which the diode SSS is opened. Otherwise, the mode of operation corresponds to that of the circuit according to FIG. 2.

Die Schaltung nach Fig.4 unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. 3 wieder durch die Weglassung des Kondensators Cs für die Unterdrückung der Überspannungen. The circuit according to FIG. 4 differs from that according to FIG. 3 again by the omission of the capacitor C s for the suppression of the overvoltages.

F1 g. 5 zeigt eine Schaltung, bei der die Primärwicklung L1 nicht wie in Fig.2 und 4 im Lastkreis liegt. Die hochfrequente Schwingspannung wird hier nicht durch die Last L gedämpft. F1 g. 5 shows a circuit in which the primary winding L 1 is not in the load circuit as in FIGS. The high-frequency oscillation voltage is not attenuated by the load L here.

F i g. 6 unterscheidet sich von F i g. 5 wieder durch die Weglassung des Überspannungskondensalors Cn. F i g. 6 differs from FIG. 5 again by the omission of the overvoltage capacitor C n .

F i g. 7 beruht auf dem gleichen Prinzip wie F i g. 5,F i g. 7 is based on the same principle as FIG. 5,

jedoch ist der Parallelschwingkreis ähnlich wie inhowever, the parallel resonant circuit is similar to that in

Fig. 3 durch einen Serienschwingkreis ersetzt. DiesFig. 3 replaced by a series resonant circuit. this

empfiehlt sich bei geringem Klemmenwiderstand deris recommended if the terminal resistance is low

ao Spannungsqueilc.ao voltage source c.

Fig. 8 unterscheidet sich von Fig. 7 wieder nur durch Weglassung des Kondensators C2.FIG. 8 again differs from FIG. 7 only in that the capacitor C 2 is omitted.

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Überspannungsschutzeinrichtung für einen Wechselstromschalter mit einer parallel zu den Schaltkontakten geschalteten Halbleiteranordnung, deren Verhalten bei positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung aus einer Fünfschichtdiode (SSS) besteht, die in Reihe mit der Sekundärwicklung (L2) eines Transformators (T) liegt, dessen Primärwicklung (L1) mit einem Kondensator (C1) einen hochfrequenten Schwingkreis bildet, in welchen dieSchahkoruci*· {Sw') si.'uk.2<';v<.;i «inri.1. Overvoltage protection device for an AC switch with a semiconductor arrangement connected in parallel to the switching contacts, the behavior of which is the same for positive and negative half-waves of the alternating current, characterized in that the semiconductor arrangement consists of a five-layer diode (SSS) which is in series with the secondary winding (L 2 ) a transformer (T) is located, the primary winding (L 1 ) of which forms a high-frequency resonant circuit with a capacitor (C 1 ) in which the Schahkoruci * · {Sw ') si.'uk.2 <'; v <.; i «inri. 2. Einrichtung n.*-jn Arspnn'· 1. dadunh gekennzeici.·.?* Jaß it /u den Schaltkontakten (SW) em ΚοΛ^ε-jsiu. jf (*. _.. geschaltet ist.2. Device n. * - jn Arspnn '· 1. dadunh gekennzeici. ·.? * Jaß it / u the switching contacts (SW) em ΚοΛ ^ ε-jsiu. jf (*. _ .. is switched. ^. Fi'uchtung nach Ai-p-uch 1 odti 2. ua-Hnnzeicta-?·. daß ciüv: fv.Vr'ipp. dv. Last^. Orientation according to Ai-p-uch 1 odti 2. ua-Hnnzeicta-? ·. that ciüv: fv.Vr'ipp. dv. load <>us■·<> us ■ · <>us?. j. kennzeichne, daß ein.<> us ?. j. mark that a. (L) zwischen Induktivität (L1) und Kapazität (C1)(L) between inductance (L 1 ) and capacitance (C 1 ) des Schwingkreises angeschlossen ist.of the resonant circuit is connected. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klemme der Last (L) zwischen Primärwicklung (L1) und Sekundärwicklung (L2) des Transformators (T) angeschlossen ist.4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a terminal of the load (L) is connected between the primary winding (L 1 ) and the secondary winding (L 2 ) of the transformer (T). Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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