DE2062193C3 - Einrichtung zum Zwangslöschen eines Thyristors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zwangslöschung eines Hauptthyristors, der in Reihe zu einer Last an einer Gleichspannungsquelle liegt, wobei ein Löschspannungsimpuls an einer im Nebenschluß des Hauptthyristors geschalteten Sekundärwicklung eines Transformators induktiv beim Zünden eines mit der Primärwicklung des Transformators in Reihe geschalteten Löschthyristors erzeugt wird und hierzu ein Kondensator vorgesehen ist. Eine derartige Einrichtung ist bekannt (DT-OS 14 38 500).

Bei der bekannten Einrichtung wird ebenso wie bei der Grundschaltung für die Thyratronlöschung nach der DT-PS 6 82 532 für das Zwangslöschen eines Thyristors mit Hilfe eines Löschkondensators ein Löschspannungsimpuls im Nebenschluß des zu löschenden Thyristors erzeugt und an diesen geschaltet. Löschschaltungen entsprechend dieser Grundschaltung mit einem Lösch- oder Kommutierungskondensator werden allgemein verwendet bei Stromrichtern mit Thyristoren. Wesentlich bei den verschiedenen Anwendungen der Kondensator-Löschschaltung ist immer, daß in dem Zeitpunkt, in welchem ein Thyristor gelöscht werden soll, der zugeordnete Löschkondensator löschbereit geladen sein muß. Die Löschbereitschaft des Löschkondensators ist daher während des Betriebes und in vielen Fällen sogar vor Inbetriebnahme einer Thyristoranlage ständig zu überwachen (DT-AS 11 49 107). Hierfür sind elektrische Überwachungs- und Signalisierungseinrichtungen erforderlich, deren Signale in das Steuersystem der Anlage übertragen und für eine betriebssichere Steuerung ausgewertet werden (DT-AS 14 88 968). Bei Anlagen mit vielen Thyristoren kann der Aufwand für diese Überwachung und für die Steuerung mitunter recht groß werden. Bei Anlagen der Leistungselektronik spricht ferner die Kapazitätsgröße der verwendeten Löschkonden;;atoren eine Rolle, denn es ist die erforderliche Kapazität dieser Kondensatoren bezogen auf eine jeweils gleich große Ladespannung proportional dem Produkt aus der Arbeitsstromstärke und der Freiwerdezeit der Thyristoren (VDE-Fachberichte Nr. 23, 1964, S. 240).

Werden bei einer leistungselektronischen Anlage (AEG-Mitteilungen 54 (1964) S. 105) die Thyristoren im Pulsbetrieb mit Pulsfrequenzen im Bereich von 400 bis zu einigen Tausend Hertz geschaltet, dann entstehen in den Löschkondensatoren, und nicht nur in diesen, große Verluste. Bei Thyristoren können die Verluste durch geeignete Beschallung, bei Drosseln durch wirbelstromfreies Kernmaterial gering gehalten werden. Löschkondensatoren können nur durch geeignete Konstruktion und geeignetes Material sowie durch unhandliche Öaugrößen verlustarm gemacht werden.

In der Leistungselektronik ist die Verwendung des Kondensator-Löschverfahrens vorherrschend. Verwendet wird ferner ein Löschverfahren mit einer Schaltung (US-PS 33 28 596), bei der der Thyristor mit einem Schwingkreis verbunden ist, in dem ein Kondensator wie ein Löschkondensator arbeitet und mit Hilfe einer Drossel umgeladen wird, und bei der der Thyristor beim Zurückschwingen des Stromes gelöscht wird.

Ein Thyristor kann bekanntlich auch durch eine induktiv erzeugte Spannung gelöscht werden, indem die Löschspannung aus einem Kondensator oder aus einem Generator mittels eines mit dem Thyristor in Reihe geschalteten Transformators in den Stromkreis eingeprägt wird (VDE-Fachberichte Nr. 23, 1964, S. 240, Bild 4 g, h), (FR-PS 15 23 909).

Es ist ferner eine Anordnung zur Zwangskommutierung eines Thyristorwechselrichters mit Freilaufdioden bekannt (DT-OS 15 63 232), bei der die Löschspannungsimpulse für die Thyristoren über Löschtransformatoren, die in den Freilaufstromkreisen der Thyristoren liegen, erzeugt werden, so daß die Löschspannungsimpulse in die Freilaufstromkreise des Wechselrichters induziert werden. Diese Anordnung hat gegenüber Löschschaltungen mit einem Löschkondensator den Vorzug, daß die bei Einleitung der Kommutierung an der Last liegende Spannung nicht um die Spannung eines Kommutierungskondensators erhöht wird und daß auch die in Sperrichtung wirkende Spannung an den Freilaufdioden nicht um den gleichen Betrag erhöht wird. Ferner ist bei der bekannten Anordnung der

Löschstromkreis vom Arbeitsstroml'reis durch den Löschtransformator galvanisch getrennt, was für Hochspannungswechselrichter von Bedeutung ist. Es sind jedoch in den Primärstromkreisen der Löschtransformatoren vier Hilfsthyristoren erforderlich, von weichen zwei Thyristoren selbst zwangsweise gelöscht werden müssen.

Durch die eingangs genannte DTOS 14 38 500 ist ein Wechselrichter mit zwei Thyristoren in Gegentaktschaltung bekannt, bei dem der jeweils stromführende Thyristor beim Zünden des stromfreien Thyristors gelöscht wird (Phasenfolgelöschung). Bei jedem Thyristor wird der Löschspannungsimpuls auf eine Tertiärwicklung des Zündübertragers übertragen, die mit einem Kondensator in Reihe geschaltet den Nebenschluß des Thyristors bildet. Hierbei hat der Kondensator nicht die Funktion eines Löschkondensators. Wegen der Gegentaktschaltung können die beiden Thyristoren nicht unabhängig voneinander gezündet und gelöscht werden. Die Wechselrichterspannung kann daher nicht durch Steuerung des Wechselrichters verändert werden. Ferner können mit den Zündübertragern nur kurzzeitige Löschspannungsimpulse erzeugt und daher nur Thyristoren mit kleiner Freiwerdezeit gelöscht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Zwangslöschung eines Thyristors zu schaffen , bei welcher ein Löschtransformalor im Nebenschluß des zu löschenden Thyristors geschaltet ist, und mit welcher der betreffende Thyristor sowie auch Thyristoren mit noch größerer Freiwerdezeit und größerer Nennstromstärke als bei dem vorerwähnten bekannten Wechselrichter mit einer geringen Anzahl von Hilfsthyristoren in einem beliebigen Zeitpunkt gelöscht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß unter Verwendung eines sättigbaren Transformators zur Erzeugung des Löschspannungsimpulses die Primärwicklung des Transformators über den gezündeten Löschthyristor und über den Kondensator an die Gleichspannungsquelle geschaltet ist, daß der an der Sekundärwicklung des Transformators erzeugte Lösehspannungsimpjls durch einen kurz nach dem Löschthyristor gezündeten, zur Sekundärwicklung in Reihe liegenden Hilfsthyristor auf den zu löschenden Hauptthyristor geschaltet ist, daß der Kondensator derart he messen ist, daß der Strom durch den Kondensator kurz vor oder bei beginnender Sättigung des Transformators unter die Haltestromstärke des Löschthyristors herabgesetzt wird und daß der Rückmagnetisierungsstrom der Transformator-Sekundärwicklung geringer als die Haltestromstärke des Hilfsthyristors bemessen ist.

Um den Transformator nach dem Wiederzünden des Hauptthyristors erneut löschbereit zu erhalten, ist gemaß einer Ausbildung der Erfindung zum Rückmagnetisieren des Transformators beim Wiederzünden des Hauptthyristors eine die Primärwicklung und die Anode des Hauptthyristors verbindende Diode vorgesehen.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist zum Rückmagnetisieren des Transformators unabhängig vom Wiederzünden des Hauptthyristors ein weiterer Hilfsthyristor vorgesehen, über den die Primärwicklung in einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Lösch-Vorgang dem geladenen Kondensator parallel geschaltet wird.

Zur Verwendung von nur einem Hilfsthyristor ist in einer noch weiteren Ausbildung der Erfindung üie Kathode des Löschthyristors mit der Anode der Diode und mit der Anode des Hilfsthyristors im Nebenschlußstrompfad des Hauptthyristors verbunden.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht die Einzellöschung wie auch die Summenlöschung mehrerer nicht gleichzeitig zu löschender Thyristoren oder Thyristorgruppen, ζ. Β bei einem Stromrichter. Hierfür kann diese Einrichtung so abgewandelt werden, daß auch der bei der Rückmagnetisierung des Löschtransformators erzeugte Spannungsimpuls zur Löschung von Thyristoren ausgenutzt wird.

An Hand der F i g. 1 bis 3 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Löschschaiuingen für Einzellöschung eines Thyristors beschrieben. An Hand der Fig. 4 wird ein Ausführungsbeispicl der Erfindung bei einem Wechselrichter erläutert.

Die Löschsehalningen nach den F i g. 1 bis 3 sind je einem Hauptthyristor 1 zugeordnet, welcher in einem einfachen Gleichstromkreis in Reihe geschaltet ist mit einer Gleichspannungsquelle G und einer Last L Diese Löschschaltungen sind gemeinsam dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß des Thyristors I die Sekundärwicklung 42 eines Löschtransformators 4 und ein Hilfsthyristor 3 in Reihe geschaltet sind und daß ferner eine Reihenschaltung bestehend aus einem Löschthyristor 2, einem Kondensator K und der Primärwicklung 41 des Transformators direkt an die Gleichspannungsquellc C angeschlossen ist. Die Thyristoren 2 und 3 haben in bezug auf die Gleichspannungsquelle G die gleiche Polung wie der Thyristor !. Der Löschtransformator 4 ist sättigbar und hat einen Transformatorkern mit reehteckfötmiger Magnetisierungscharakteristik. Induktionshub ABs und Querschnitt q des Transformatorkerns sind so groß gewählt, daß der Löschtransformator eine zum Löschen des Hauptthyristors 1 ausreichender Spannungs-Zeit-Fläche aufweist. Wenn unter dieser Voraussetzung der Transformator in die Remanenzlage magnetisiert ist, welche durch einen in der Durchlaßrichtung des Hilfsthyristors 3 oder durch einen in der Rückwärtsrichtung des Löschthyristors 2 fließenden Magnetisierungsstrom erreicht wird, so wird mit dem Zünden des Löschthyristors 2 ein über die Primärwicklung 41 in dem Kondensator K fließender Stromimpuls eingeschaltet, wobei der Kern des Transformators 4 unmagnctisiert und an der Sekundärwicklung 42 ein Spannungsimpuls mit Löschpolarität erzeugt wird. Durch Zünden des Hilfsthyristors 3 kurz nach Zünden des Löschthyristors 2 und Entstehung des Löschimpulses wird der Löschspannungsimpuls in der Rückwärtsrichtung an den Hauptthyristor 1 geschaltet. Dieser wird sodann gelöscht, da voraussetzungsgemäß die Dauer des Löschspannungsimpulses länger als die Freiwerdezeit des Hauptthyristors ist. Nach der Entstehung des Löschspannungsimpulses ist der Löschtransformator 4 kurzzeitig (einige ).is) durch den Ausräumstrom des Hauptthyristors 1 belastet. Dieser Strom fließt in der Rückwärtsrichtung des Thyristors 1 und im Nebenschluß desselben in der Durchlaßrichtung des Hilfsthyristors 3. Nach Beendigung des Ausräumstromes besteht der Löschspannungsimpuls weiter, der Löschtransformator 4 wird daher weiterhin durch einen Stromimpuls belastet, dessen Größe von der (wegen der zunehmenden Spannung am Kondensator K) etwa dieieckförniig abfallenden Löschspannung und vom Widerstand der Last L abhängt. Dieser Stromimpuls fließt von der Sekundärwicklung 42 über die Last L und weiter über eine zwischen dem negativen Pol der

Gleichspannungsquelle C und der Kathode des Löschthyristors 2 geschaltete Diode 5 und den Hilfsthyristor 3 in die Sekundärwicklung 42 zurück. Die Kapazität des Kondensators K ist so zu bemessen, daß dieser nach erfolgter Ummagnetisierung und bei Sättigung des Transformatorkerns auf die Spannung der Gleiehspannungsquelle G geladen ist, so daß der Ladestrom verschwindet und der Löschthyristor 2 sich selbsttätig löscht. Es ist ferner der Magnetisierungsstrom des Löschtransformators 4 kleiner als der Haltestrom des Hilfslhyrislors 3 zu halten, damit nach Beendigung des Löschimpulses der Löschtransformator 4 unter dem Einfluß der Spannung des Kondensators K und der Gleichspannungsquelle nicht über den Hilfsihyristor 3 sowie über die Last L rückmagnetisiert werden kann, da der Hilfsthyrisior 3 sich dann selbst löscht. Die Rückmagnetisierung erfolgt erst beim Wiederzünden des Hauptthyristors 1. Dabei wird der Kondensator K über die Primärwicklung 41 des Transformators 4, den Hauptthyristor 1 und die Last L entladen. Dabei wird der Entladestrom auf den Magnetisierungsstrom der Primärwicklung 41 begrenzt, dieser kann somit auf den gezündeten Hauptthyristor 1 nicht als gefährlicher »Inrush-Stromstoß« wirken. Der Löschvorgang ist nach Beendigung des Löschspannungsimpulses beendet. Der gelöschte Hauptthyristor 1 ist dann bekanntlich wieder in der Vorwärtsrichtung sperrfähig. Bei Durchführung des beschriebenen Löschverfahrens kann der gelöschte Hauptthyristor 1 auch sofort wieder gezündet und sonach mit hoher Schaltfrequenz geschaltet werden. Der dann etwa noch stromieitfähige Hilfsthyristor 3 wird dabei durch die Rückmagnetisierspannung der Sekundärwicklung 42 zwangsweise gelöscht.

Als Kernmaterial für den Transformatorkern kommen weiehmagnelische Stoffe mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand in Betracht, um die Kernverluste klein zu halten. Als Kernmaterial geeignet sind Massivkerne aus Ferrit sowie auch Dünnbandbzw. Folienbandkerne aus hochlegierten Werkstoffen. Letztere haben gegenüber den erstgenannten den Vorzug, daß sie einen zwei- bis dreifachen induktionshub ABs. z. B etwa 3OkG. aufweisen. Der Transformatorkern besteht aus einer Anzahl aufeinandergeschichteter Ringkerne, die zusammen den erforderlichen Kernquerschnitt ergeben. Die Transformatorwicklungen 41 und 42 können in der Weise ausgeführt sein, daß je ein Stromleiter durch den Ringkernstapel hindurchgeführt ist (Einleitertransformator) oder daß je ein Stromleiter gegebenenfalls auch zwei- oder mehrfach nach Art einer Wicklung hindurchgeführt. Die Stromleiter können geringe Querschnitte haben.

Bei einer nach F i g. 1 ausgeführten Löschschaltungsanordnung ist der Primärstromkreis des Löschtransformators 4 mit den Elementen Löschthyristor 2 und Kondensator K vom Sekundärkreis getrennt. Hierbei ist dem Löschthyristor 2, wie ersichtlich, eine Diode 6. über welche der Entladestrom des Kondensators K. fließt, antiparallel geschaltet. Die Diode 6 ist mit der obenerwähnten Diode 5 gleichsinnig in Reihe geschaltet und wird zusammen mit dieser durch die Spannung der Gleichspannungsquelle G in der Sperrichtung vorgespannt.

Im Unterschied zur Schaltungsanordnung nach F i g. 1 fällt bei einer nach der F i g. 2 ausgeführten Löschschaltungsanordnung die Diode 6 weg. Bei dieser Schaltungsanordnung ist ein weiterer Hilfsthyristor 6' vorgesehen, welcher nach Löschung des Hauptthyri stors I gezündet wird, um die Rückmagnetisierung des Transformators 4 unabhängig vom Zündzeitpunkt des Hauptthyristors 1 zu ermöglichen.

Hingegen liegt bei einer nach F i g. 3 ausgeführten Löschschaltungsanordnung der Löschthyristor 2 mit im Nebenschluß des Hauptthyristors 1 und ist daher mit dem Hilfsthyristor 3 und mit der Sekundärwicklung 42 des Löschtransformators in Reihe geschaltet. An der Kathode des Löschthyristors 2 zweigt der Primärstromkreis vom Sekundärstromkreis des Transformators 4 ab. Wie in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ist hier eine Diode 6 dem Löschthyristor 2 antiparallel geschaltet. Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 wird der Hilfsthyristor 3 ebenfalls kurz nach dem Löschthyristor gezündet. Der Ausräumstrom des Hauptthyristors 1 fließt dann auch über den Löschthyristor 2. Bei dieser Schaltungsanordnung kann mit Hilfe einer Induktivität 7 und eines Widerstandes 8, die in F i g. 3 gestrichelt angegeben sind, der Kondensator K auf eine höhere Spannung als die Spannung aer Gleichjo Spannungsquelle C geladen werden, so daß nach Beendigung des Löschspannungsimpulses das Löschen des Löschthyristors 2 durch eine Gegenspannung unterstützt wird. In diesem Falle kann dann der Transformator 4 durch den Entladestrom des Kondensators K auch sofort über den Hilfsthyristor 3 rückmagnetisiert werden, sofern dessen Haltestrom nicht größer ist als der halbe Magnetisierungsstrom des Transformators 4 mit einem Windungszahlverhältnis von 1.

Die Löschschaltungsanordnungen nach den F i g. 1 und 2 können ferner an einem Teil der Spannung der Gleichspannungsquelle oder an einer gesonderten Gleichspannungsquelle betrieben werden. Dabei ist der Primärstromkreis des Löschtransformators 4 an eine Teilspannung der Gleichspannungsquelle bzw. an die gesonderte Gleichspannungsquclle angeschlossen. Bei Betrieb an einer Teilspannung kann mit einem Transformatorkern vorgegebener Spannungs-Zeit-Fläche ein entsprechend längerer Löschimpuls als bei Betrieb an der ganzen Spannung erzeugt werden, oder es kann für eine vorgegebene Impulsdauer der Transformatorkern entsprechend verkleinert werden.

Bei Betrieb an einer gesonderten Gleichspannungsquelle ist der Primärstromkreis vom Gleichstrombetriebskreis galvanisch getrennt, was für die Verwendung der beschriebenen Löschschaltungsanordnunger bei Hochspannungs Thyristorstromkreisen von Vortei ist.

Aus dem vorangehenden wird klar, daß die Erfin

dung mit verschiedenen Varianten von Löschschal tungsanordnungen durchführbar ist. Verwendungsmög

lichkeiten des Verfahrens sind voraussichtlich bei thyri

storisierten Gleichstromschaltkreisen und Wechselrich tern gegeben. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 4

ein Einphasen-Wechselrichter in Gegentaktschaltun§

mit zwei in Phasenfolge gelöschten Thyristoren, ergib

sich aus der Schaltungsanordnung der F i g. 1 dadurch

daß der Hilfsthyristor 3 als Thyristor der Gegenphast

und der Löschthyristor 2 zur Löschung des Hauptthyri stors 1 vorgesehen werden. Der Löschtransformalor < ist den beiden Thyristoren 1, 3 gemeinsam zugeordne

und ist primärseitig in Mittelpunktschaltung ausgeführt

ebenso ein Übertrager Ü für die mit der Gegentakt

schaltung erzeugte Wechselspannung, der ausgangssei

tig an eine Last L angeschlossen ist. Ein weiterei Löschthyristor 2' ist zur Löschung des Hilfsthyristors :

und an Stelle der Diode 6 nach F i g. 1 zur Rückmagne

tisierung des Löschlransformators erforderlich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Zwangslöschung eines Hauptthyristors, der in Reihe zu einer Last an einer Gleichspannungsquelle liegt, wobei ein Löschspannungsimpuls an einer im Nebenschluß des Hauptthyristors geschalteten Sekundärwicklung eines Transformators induktiv beim Zünden eines mit der Primärwicklung des Transformators in Reihe ge- ίο schalteten Löschthyristors erzeugt wird und hierzu ein Kondensator vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines sättigbaren Transformators (4) zur Erzeugung des Löschspannungsimpulses die Primärwicklung (41) des Transformators (4) über den gezündeten Löschthyristor (2) und über den Kondensator (K) an die Gleichspannungsquelle (G) geschaltet ist, daß der an der Sekundärwicklung (42) des Transformators (4) erzeugte Löschspannungsimpuls durch einen kurz nach dem Löschthyristor (2) gezündeten, zur Sekundärwicklung (42) in Reihe liegenden Hilfsthyristor (3) auf den zu löschenden Hauptthyristor (1) geschaltet ist, daß der Kondensator (K) derart bemessen ist, daß der Strom durch den Kondensator (K) kurz vor oder bei beginnender Sättigung des Transformators (4) unter die Haltestromstärke des Löschthyristors (2) herabgesetzt wird, und daß der Rückmagnetisierungsstrorri der Transformator-Sekundärwicklung (42) geringer als die Haltestromstärke des Hilfsthyristors (3) bemessen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Rückmagnetisieren des Transformators (4) beim Wiederzünden des Hauptthyristors (1) eine die Primärwicklung (41) und die Anode des Hauptthyristors (1) verbindende Diode (6) vorgesehen ist (F i g. 1).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Rückmagnetisieren des Transformators (4) unabhängig vom Wiederzünden des Hauptthyristors (1) ein weiterer Hilfs-Thyristor (6') vorgesehen ist, über den die Primärwicklung (41) in einem beliebigen Zeitpunkt nach dem Löschvorgang dem geladenen Kondensator (K) parallel geschaltet wird (F i g. 2).

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode des Löschthyristors (2) mit der Anode der Diode (6) und mit der Anode des Hilfsthyristors (3) im Nebenschlußpfad des Hauptthyristors (1) verbunden ist (F i g. 3).