-
Stromrichter mit Thyristorventilen Die Erfindung betrifft einen Stromrichter
mit Thyristorventilen, die von einem Steuergerät gesteuert werden, das über Übertragungsorgane
Steuerimpulse an die verschiedenen Thyristorventile gibt.
-
Bei der Steuerung eines Stromrichters werden die Steuerimpulse an
die verschiedenen Ventile mit einem gewissen Steuerwinkel im Verhältnis zu den Kommutierungsspannungen
der Ventile übertragen oder genauer gesagt, im Verhältnis zu dem Zeitpunkt, zu dem
die Kommutierungsspannung des fraglichen Ventils positiv wird. Unter normalen Betriebsverhältnissen
hat also ein Ventil positive Anodenspannung im Verhältnis zur Kathode, wenn der
Steuerelektrode des Ventils ein Steuerimpuls zgeftUirt wird. Diese beiden Bedingungen
sind notwendig, damit das Ventil zUndet. Bei Störungen, z.B. auf Grund von tberspannungen,
die Schwingungen in der Kommutierungsspannung verursachen, kann es eintreten, daß
das Ventil in dem Augenblick negative Anodenspannung hat, wenn seine Steuerelektrode
einen Steuerimpuls bekommt, oder dass es negative Anodenspannung
bekommt,
während die Steuerelektrode den Steuerimpuls noch hält.
-
Bei Quecksilberventilen ist dies ziemlich bedeutungslos, bei Thyristorventilen
dagegen kann die Kombination von negativer Anodenspannung und positivem steuerstrom
ernsthafte Folgen für die Thyristoren des Ventils haben, da sie bewirken kann, dass
ein wesentlicher Teil des Steuerstroms von der ,teuerelektrode zu der negativen
Anode fliessen kann. Auf Grund des hohen Spannungsfalls zwischen der Steuerelektrode
und der Anode wird die Leistung dieses Leckstroms ziemlich hoch, vielleicht mehrere
hundert Watt, da sie ausserdem innerhalb eines sehr kleinen Gebiets auftritt, so
besteht die grosse Gefahr, dass der Thyristor zerstört wird. Ein Teil der Thyristorschäden
scheint durch diesen Umstand erklärt werden zu können.
-
Es liegt auf der Hand, sich gegen die obengenanntenGefahren dadurch
zu sichern, dass man das Steuergerät selbst beeinflußt, aber leider ist es sowohl
umständlich als auch schwierig, eine genaue Information über die Ventilspannung
an das auf Erdpotential befindliche Steuergerät zu Ubertragen.
-
Gemäß der Erfindung werden in den Ubertragungsorganen für die Steuerimpulse
von spannungsabtastenden Organen beeinflusste Schaltorgane so angeordnet, dass ein
solches Schaltorgan für Jedes Ventil nur leitend ist, wenn die Spannung über der
Anode-Kathode des Ventils positiv ist. Wird diese Spannung dagegen Null oder negativ,
wird das Schaltorgan unterbrochen.
-
Dabei können sowohl die Schaltorgane als auch die spannungsanzeigenden
Organe auf Ventilpotential angeordnet werden, was ein grosser Vorteil hinsichtlich
Schnelligkeit und Genauigkeit des Schutzes ist.
-
Abgesehen davon, daß die Ventile gegen obengenannte ungünstige Betriebsverhältnisse
geschützt werden, führt eine Weiterentwicklung der Erfindung zu zusätzlichen Vorteilen.
-
Für die Steuerung der Ventile in einem Stromrichter kann man zwischen
kurzen und langen Steuerimpulsen wählen, wobei mit langen Steuerimpulsen solche
von im wesentlichen derselben Dauer wie die Beitintervalle der Ventile gemeint sind.
Kurze Steuerimpulse, d.h. Steuerimpulse mit einer Dauer bis zu einigen wenigen elektrischen
Graden, ergeben ein Steuersystem mit niedrigem Mitteleffekt. Ein kurzer Impuls mit
geeignetem Energieinhalt sichert die Zündung des Ventils, wonach das Ventil leitend
bleibt, so lange seine Anodenspannung positiv ist.
-
Unter normalen Betriebsverhältnissen sind die kurzen Steuerimpulse
daher völlig ausreichend und damit vorzuziehen. Auf der anderen weite können Störungen
in Form von Spannungsschwingungen dazu führen, dass die modenspannung während des
normalen Leitintervalls zufällig negativ wird, wodurch das Ventil vorzeitig erlöschen
kann. Mit kurzen Steuerimpulsen ist es nicht möglich, innerhalb des gewünschten
Leitintervalls eine Wiederzündung zu erreichen.
-
Beim :'Start eines vtromrichters mit mehreren in Reihe geschalteten
Ventilgruppen,
z.B. einer Zweiwegbrückenschaltung, sind die Steuerimpulse für die verschiedenen
Gruppen im Verhältnis zueinander phasenverschoben, weshalb der Start eines solchen
Stromrichters nur möglich ist, wenn die Steuerimpulse für die verschiedenen Gruppen
einander überlappen, d.h. man muss lange oder wiederholte Steuerimpulse haben.
-
Derselbe Fall tritt ein, wenn die Belastung und damit der Mittelwert
des Gleichstroms so niedrig ist, dass er den Charakter von kurzen, von stromlosen
Intervallen unterbrochenen Impulsen erhält. Dadurch wird jedoch der Steuerenergieverbrauch
wesentlich grösser als bei kurzen Steuerimpulsen und besonders bei Thyristorventilen
mit vielen in Reihe geschalteten Thyristoren, die alle gleichzeitig zünden sollen,
ist dies unvorteilhaft. Ein anderer Umstand von Bedeutung ist, dass man heute oft,
insbesondere bei Thyristorventilen, eine Steuerimpulsübertragung in Form von Liciltimpulsübertragung
benutzt. Dabei muss man Beleuchtungskörper mit begrenzter Brenndauer verwenden,
so dass deren Lebensdauer bei langen Steuerimpulsen unverhältnismässig kurz wird.
-
Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird das Steuergerät selbst gemäss
einer Weiterentwickiwig der erfindung so ausgeftihrt, dass es lange oteuerimpulse
algibl, während ilas chaltorgan in der Steuerimpulsübertragung die Form eines UNi)-Glieds
mit zwei Eingängeren bekommt, an die teils das Steuergerät und teils das spannungsabtastende
Organ angeschlosen werden Auf diese Weise werden die langen Steuerimpulse so lange
weiterbefördert,
wie die pannung über dem Ventil positiv ist. Wenn das Ventil zündet, wird die Spannung
über ihm Null, wodurch der ';teuerimpuls, der nun überflüssig ist, abgeschaltet
wird. Ausserdem wird wie zuvor sichergestellt, dass der Steuerimpuls nicht gegeben
werden kann, wenn die Spannung über dem Ventil negativ ist.
-
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben,
in dieser zeigen Pig. 1 rein schematisch einen konventionellen Stromrichter und
Fig. 2-4 verschiedene Ausführungebeispiele eines Steuersystems gemäss der Erfindung.
-
Fig. 1 zeigt einen vtromrichter, der aus einer Ventilbrücke mit Ventilen
1-, einem Stromrichtertransformator 7, Wechselstromanschlüssen 3, Gleichstromanschlüssen
9 und einem vteuergerät 10 besteht, das über seine Ausgangsklemmen 11-16 Steuerimpulse
an die verschiedenen Ventile abgibt.
-
In Fig. 2 ist eins der Ventile in Fig. 1, z.B. Ventil 1, näher gezeigt,
das aus mehreren in Reihe geschalteten Thyristoren 101 bis 104 besteht, deren Zahl
der Merkspannung des Ventils entspricht. Die Thyristoren sind mit kapazitiven, resistiven
Spannungsteilerelementen 111 bis 114 parallelgeschaltet, die in Fig. 3 ausführlicher
gezeigt sind. Die Thyristoren werden von der Klemme 1 am Steuergerät 10 in Fig.
1 gesteuert, indem die Steuerelektroden an je einer Sekundärwicklung 21 bis 24 eines
:;teuerimpu iotranslormators ange-fh~loU3en sind, dessen Pr-imirwicklllng 2() Utt
r einen
Kontakt 33 des Relais 31 an der Klemme 11 angeschlossen
ist.
-
Das Relais 31 wird über das Ventil 1 und eine Diode 32 von einem Spannungsteiler
3 gesteuert, wodurch das Relais angeschaltet und der Kontakt 33 geschlossen ist,
so lange die Spannung ueber dem Ventil 1 positiv ist. Ist die Spannung über dem
Ventil dagegen Null oder negativ, ist Kontakt 33 offen, eB kann kein Steuerimpuls
vom Steuergerät 10 zu der TransformatoTs wicklung 20 befördert werden. uf diese
Weise kann man die Kcibination negative Anodenspannung/positiver Steuerstrom auf
dem Ventil immer vermeiden. Das Relais 31, 33 ist als ein Symbol zu betrachten.
In der Praxis wird man in der Regel ein elektronisches Schaltorgan anwenden, z.B.
einen Transistor, der bedeutend schneller und sicherer ist. Weiter können die Steuerimpulstransformatoren
z.B. gegen eine Lichtimpulsübertragung wie in Fig. 3 ausgetauscht worden.
-
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung des Prinzips gemäss der Erfindung,
bei der jeder Thyristor für sich geschützt wird.
-
Das hat den Vorteil, dass der einzelne Thyristor auch in dem Fall
geschützt ist, wo eine Störung in der opannungsverteilung über dem Ventil dazu führt,
dass ein oder mehrere Thyristoren negativer Anodenspannung ausfallen, obwohl die
Gesamtspannung über dem ganzen Ventil positiv ist.
-
Fig. 3 zeigt einen der Thyristoren 101 in Ventil 1 in Fig. 1 perallelgeschaltet
mit seinem Teil des Spannungsteilers 111, bestehend aus einem Witlerstand parallel
mit einem zweiten Widerstand und in Reihe geseilaltat niit; zwei Kondensatoren.
-
Der ausgang 11 am Steuergerät 10 in Fig. 1 ist hier als ein Lichtgeber
gezeigt, z.B. eine Lichtdiode, die eine Fotodiode 35 steuert. Die Steuerenergie
wird einem besonderen pannungsteiler 111' entnommen, der aus einem Energiespeicher
in Porm eines Kondensators 38 besteht. Dieser wird über einen Widerstand und eine
Diode gespeist, wodurch der Kondensator auf seiner oberen Hälfte immer mit positiver
Polarität geladen wird. Die Spannung über dein Kondensator wird mittels einer Zener-Diode
31 begrenzt.
-
Die im Kondensator i gespeicherte Steuerenergie wird über die Fotodiode
35 und ein UND-Glied 33 auf den Thyristor 101 übertragen, wobei die Eingangsseite
des UND-Glieds teils am Kondensator : und teils am Ausgang eines Schwellenwertgebers
34 angeschlossen-ist, der aenselben Charakter hat wie das Relais 31 in Fig. 2 und
die Polarität der Spannung über dem unteren Kondensator 99 in Spannungsteiler 111
und der Spannung über dem Thyristor 101 angibt. Dadurch erreicht man, dass der Thyristor
1ù1 von dem Spannungsteiler 111' nur Steuerstrom erhalten kann, wenn seine Anodenspannung
positiv ist. Ausseruen: sieht man, dass die ganze .hutzanordnung auf dem Potential
des Thyristors angeordnet ist, so dass eine Übertragung von Signalen zum Erdpotential
nicht erforderlich ist.
-
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung JQ' prinzips nach Fig. 2.
-
Die Bezugsziffern entsprechen denen in Fig. X uni ). Die Ventile 1
1-1 @ werden vom Steuergerät 10 über die Klemme 11
und ein Schaltorgan
gesteuert, das wie ein UND-Glied 33 ausgeführt ist, wobei der zweite Eingang des
UND-Glieds 33 am Schwellenwertgeber 34 angeschlossen ist, der die Ventilspannung
über dem Spannungsteiler 30 abtastet. Man denkt sich hier den Fall, dass das Steuerimpulsgerät
10 lange Steuerimpulse mit derselben Dauer wie das gewünschte Leitintervall des
Ventils abgibt. Bei negativer Anodenspannung über dem Ventil erhält man kein Signal
von dem Schwellenwertgeber 34, so dass kein Steuerimpuls von 11 durch das UND-Glied
33 zu dem Steuerimpulsverteiler 20 durchgelassen wird.
-
Ist die Anodenspannung des Ventils dagegen positiv, wird der Steuerimpuls
von 11 durch das UND-Glied durchgegeben, so dass das Ventil zündet. Wenn dies geschehen
ist, wird die Spannung über dem Ventil im wesentlichen Null, und das Signal von
dem Schwellenwertgeber 34 fällt weg. Der Steuerimpuls von 33 hört somit auf, wenn
die Thyristoren die erforderliche Steuerenergie bekommen haben.
-
Wenn das Ventil aus irgendeinem Grund vorzeitig erlischt, wird die
Anodenspannung wieder positiv, wodurch der Schwellenwertgeber 34 ein Signal gibt,
so dass ein neuer Steuerimpuls über das Glied 33 gegeben wird. Ein solches erlöschen
kann auf Störungen in Form von ,pannungsschwingungen beruhen, ist aber im übrigen
normal beim (;art des Stromrichters und bei niedriger Belastung, wenn der Gleistrom
des Stromrichters die Form von Gleichstromimpulsen hat, di e voii stromLoen Intervallen
unterbrochen werden.
-
In Fig. 1 sind drei Trannschalter 17, 15, 19 gezeigt, von denen 19
für das Nebenwegsohalten des Stromrichters bestimmt ist, während 17 und 18 zum Trennen
des Stromrichters von den Gleichstromklemmen 9 vorgesehen sind. Bei Thyristorstromrichtern
wird es heute als praktisch angesehen, die Arbeitsventile des qtromrichters als
sogenannte Nebenwegventile beim Abschalten des Stromrichters zu verwenden, während
man bei Stromrichtern mit Quecksilberventilen normalerweise immer parallel zum Schalter
19 ein besonderes Nebenwegventil verwendet. Der Verlauf des Abschaltens des vtromrichters
in Fig.1 ist dabei folgender: Zuerst zünden zwei in Reihe geschaltete Ventile, z.B.
1 und 4.
-
Danach wird Schalter 19 geschlossen, danach Schalter 17 und 18 geöffnet.
Das Wiedereinschalten des Stromrichters erfolgt entgegengesetzt, d.h. die Schalter
17 und 18 werden geschlossen, danach Schalter 19 geöffnet. Gleichzeitig erhalten
z.B. die Ventile 1 und 4 Zündimpuls. Die Zündung der Ventile für Nebenwegbetrieb
geschieht, indem das Steuergerät 10 mit einem permanenten Steuersignal auf die Ausgänge
vorn zwei gegenüberstehenden Ventilen eingestellt wird, z.B. die Ausgänge 11 und
14 der Ventile 1 und 4. Bei Zündung der Ventile für Nebenwegbetrieb beim Start des
Stromrichters nach einer Nebenwegschaltung muss man jedoch berücksichtigen, dass
die beiden Ventile zusammen nur über die Lichtbogenspannung über dem sich öffnenden
Schalter 19 verfügen, wobei diese Spannung unzureichend sein kann, um ein erforderliches
Signal von dem Schwellenwertgeber 34 zum zweiten Eingang des Glieds 33 zu veranlaßszn.
-
Es ist daher unsicher, ob man in diesem Fall ein Signal von 33 erhält.
Anstatt dessen wird vorgeschlagen, einen besonderen Kreis für die Steuerung bei
Nebenwegbetrieb anzuordnen, wie in Fig. 4 angedeutet ist. Dieser Kreis umfasst ein
zweites UND-Glied 36, dessen Ausgangssignal eine nicht-stabile Kippschaltung oder
Oscillator 37 steuert, die, wenn sie ein Eingangssignal erhält, z.B. ein Steuersignal
in Form einer Reihe von kurzen Impulsen zu dem Steuersignalverteiler 20 gil Das
UND-Glied 36 hat zwei Eingänge. Der eine ist an den eigenen Steuerausgang 11 des
Ventils am Steuergerät 10 in Fig.1 angeschlossen, während der zweite am Ausgang
14 des gegenüberstehenden Ventils 4 in derselben Phase wie in Fig. 1 angeschlossen
ist. Auf ähnliche Weise ist der vteuerkreis des Ventils 4 mit einem UND-Glied entsprechend
36 versehen, das an die Klemmen 11 und 14 des Steuergeräts 10 angeschlossen ist.
-
Bei beiden Ventilen 1 und 4 wird das UND-Glied 30 mit Steuerimpulsen
der beiden Ventile gespeist. Bei Normalbetrieb haben diese Steuerimpulse eine Dauer
von ungefähr 1200 und sind 1800 phasenverschoben, weshalb sie einander niemals überlappen.
-
Bei Nebenwegbetrieb dagegen sind die Steuerimpulse permanent, eo dass
die UND-Glieder 36 für beide Ventile doppelte Eingangssignale erhalten, wodurch
die Kippschaltung 37 gestartet wird.
-
Man sieht weiter, dass, wenn die Ventile 1 und 4 während des
Nebenwegbetriebs
erlöschen sollten, z.B. aus ähnlichen Gründen wie oben bereits beschrieben, die
ganze Gleichspannung über den Polen 9 über den Ventilen auftreten würde, wodurch
der Schwellenwertgeber 34 ein Signal an das Glied 33 gibt, so dass die Ventile 1
und 4 beide ein Steuersignal von beiden Gliedern 33 und 36 bekommen.
-
Auf diese Weise ist der Start und das Aufrechterhalten des Nebenwegbetriebs
gesichert.