DE2128454A1

DE2128454A1 - Thynstor circuit for current commutated inverters

Info

Publication number: DE2128454A1
Application number: DE19712128454
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Wiener Neudorf Wagner (Osterreich)
Original assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Current assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Priority date: 1970-06-12
Filing date: 1971-06-08
Publication date: 1971-12-16
Also published as: CH528175A; AT300959B

Description

Thyristorbeschaltung für stromkommutierte Wechselrichter '7ur Darstellung der Probleme wird zunächst der Wechselrichter mit Stromkommutierung beschrieben, wie er mit idealen Thyristoren Funktionieren würde. Der stromkommutierte Serienwechselrichter (die beiden Thyristoren sind in Serie geschaltet) besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau gemäß pig. 1 aus zwei Thyristoren T1, T2 und zwei Rückstromdioden D1, D2. zur die an A angeschlossene Last wird vorausgesetzt, dß der Strom iA in jeder Halbperiode durch 0 schwingt. Dies kann durch die natürliche Eigenschaft der Last geschehen (natürlich Stromkommutierung) oder durch eine Schaltung mit Hilfsthyristoren (erzwungene Stromkommutierung), Tn Fig. 2 sind das Spannung und das Stromdiagramm für natürliche Stromkommutierung dargestellt. Die Reihenfolge der Stromführung für die vier Ventile ist T1 - D1 -T2 - D2 - T1 usw.. Der an eine Stromführungsperiode durch einen Thyristor folgene Strom durch eine Rückstromdiode ist notwendig um die Löschung des Thyristors zu ermöglichen. Die Dauer des Rückstromes muß größer sein als die Freiwerdezeit des Thyristors. Bei der Zündung des nächsten Thyristors erfolgt der Stromübergang (Kommutierung) von der Rückstromdlode auf den Thyristor. Thyristor circuit for current-commutated inverters' 7ur illustration The inverter with current commutation is described first of the problems, how it would work with ideal thyristors. The current-commutated series inverter (the two thyristors are connected in series) consists in its fundamental Structure according to pig. 1 from two thyristors T1, T2 and two reverse current diodes D1, D2. For the load connected to A, it is assumed that the current iA in each half cycle swings through 0. This can be done by the natural nature of the load (of course current commutation) or by a circuit with auxiliary thyristors (forced Current commutation), Tn Fig. 2 are the voltage and current diagram for natural Current commutation shown. The order of the current routing for the four valves is T1 - D1 -T2 - D2 - T1 etc .. The one current carrying period through a thyristor The following current through a reverse current diode is necessary to quench the thyristor to enable. The duration of the reverse current must be greater than the time it is released of the thyristor. The current transfer occurs when the next thyristor is ignited (Commutation) from the reverse current diode to the thyristor.

Die Schaltung gemäß vig. 1 kann praktisch nur bei kleiner Leistung (kleiner Strom und kleine Spannung) in der dargestellten Weise ausgeFührt werden. Bei größerer Leistung müssen die Thyristoren gegen zu raschen Stromanstieg (di/dt) und zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) geschützt werden. Außerdem wird gewünscht, daß bei einer gleichzeitigen Stromführung beider Thyristoren der dadurch bedingte Kurzschluß mittels Sicherungen abgeschaltet werden kann, ohne daß die Thyristoren zerstört werden. Der Schutz gegen die gefährlichen Folgen von Kurzschlüssen und gegen zu großes di/dt kann mit Drosseln erfolgen, die im Kurzschlußkreis angeordnet werden (vgl. die nichtvorveröffentlichte österreichische Patentschrift Nr. ....... (öA 10873/69 vom 21.11.69)).The circuit according to vig. 1 can practically only with low power (small current and small voltage) can be carried out in the manner shown. If the power is higher, the thyristors must against too rapid an increase in electricity (di / dt) and excessively rapid voltage rise (du / dt). Also will desired that with a simultaneous current flow of both thyristors thereby Conditional short circuit can be switched off by means of fuses without the thyristors be destroyed. Protection against the dangerous consequences of short circuits and Against too large di / dt can be done with chokes, which are arranged in the short circuit (cf. the unpublished Austrian patent specification no. ....... (ÖA 10873/69 of 11/21/69)).

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit zwei Drosseln. Fig 4 eine Drossel mit Mittelanzapfung, bei der die beiden Wicklungsteile magnetisch eng gekoppelt sind.Fig. 3 shows an embodiment with two throttles. 4 shows a throttle with center tap in which the two winding parts are magnetically closely coupled are.

Zur Begrenzung des positiven du/dt an den Thyristoren sind Kcnden satoren erforderlich. ür die Ankopplung dieser Kondensatoren gibt es mehrere Möglichkeiten und es sollen zunächst einige dieser Möglichkeiten angeführt werden. Die Schaltung nach Fig. 5 ist bei kleiner Leistung und mit Einschränkung bei großer Leistung und niedriger Frequenz anwendbe. Der Nachteil bei großer Leistung und Frequenz ist der, daß/die dabei erforderlichen niedrigen Induktivitätswerte für L1 und L2 die Kapazitätswerte für Ci und C2 relativ groß und die Widerstandswerte von R1 und P<2 relativ klein werden. Dadurch ergeben sich große Einschaltstromstöße für die zündenden Thyristoren, da die Kondensatoren über die niederohmigen Widerstände entladen werden. Die Schaltungen ge,ß Fig. 6 und Fig. 7 vermeiden beide den Einschaltstromstoß der Thyristoren durch Zwischenschaltung der Dioden D5 und D6. Mittels der Widerstände R1 und R2 werden die Kondensatoren in jeder Periode rückgeladen, wodurch Verluste entstehen. Ein weiterer Nachteil dieser beiden mit Dioden D3, D4 zur Begrenzung des Überschwingens versehenen Schaltungen sind die Kreisströme im Kreis T1 - L1 - L2 -D3 und im Kreis T2 - D4 - L1 - L2. Es ist daher notwendig, zumindest die Dioden D3 und D4 gegen Zusatzspannungen zu schalten- oder Widerstände in Serie zu schalten, um die zur Abmagnetisierung der Drosseln erforderlichen Gegenspannungen zu erhalten. Die Gegenspannung kann auch durch einen TransPormator gebildet werden.To limit the positive du / dt at the thyristors there are terminals Sators required. There are several options for coupling these capacitors and some of these possibilities will be mentioned first. The circuit according to Fig. 5 is with small power and with restriction with high power and low frequency apply. The disadvantage with high power and frequency is that that / the low inductance values required for L1 and L2 are the capacitance values relatively large for Ci and C2 and the resistance values of R1 and P <2 relatively small will. This results in large inrush currents for the firing thyristors, because the capacitors are discharged through the low resistance. The circuits ge, ß Fig. 6 and Fig. 7 both avoid the inrush current of the thyristors Interconnection of diodes D5 and D6. By means of the resistors R1 and R2 the capacitors are recharged in every period, which leads to losses. A Another disadvantage of these two with diodes D3, D4 to limit the overshoot The circuits provided are the circulating currents in the circuit T1 - L1 - L2 -D3 and in the circuit T2 - D4 - L1 - L2. It is therefore necessary to at least oppose the diodes D3 and D4 To switch additional voltages or to switch resistors in series in order to achieve the Demagnetization of the chokes to obtain the necessary counter voltages. The counter tension can also be formed by a TransPormator.

eine Gegenstand der Erfindung ist/die vorstehenden Nachteile vermeidende Schaltung zum Schutz der steuerbaren Ventile, insbesondere Thyristoren, eines stromkommutierten Wechselrichters, vorzugsweise Serienwechsearichters, gegen zu raschen Spannungsanstieg (du/dt) und gegen zu raschen Stromanstieg (di/dt), mit dem Kennzeichen, daß in Serie zu jedem Thyristor eine Drossel geschaltet ist, der ein Widerstand über zwei Dioden mit Durchlaßrichtung im Sinne des Drosselstroes parallelgeschaltet ist, und daß jedem Thyristor über eine der vorangeführten Dioden ein Kondensator parallelgeschaltet ist. Dann verzögert dieser Kondensator den Vorwärtsspannungsanstieg an jedem Thyristor, ohne daß der zündende Thyristor mit dem Kondensator belastet ist, und es dämpft der Widerstand nur das Überschwingen der Spannung. an object of the invention is / avoids the above disadvantages Circuit for protecting the controllable valves, in particular thyristors, of a current-commutated Inverter, preferably series changeover inverter, against excessively rapid voltage rise (du / dt) and against too rapid an increase in current (di / dt), with the indicator that in series A choke is connected to each thyristor, which has a resistor via two diodes is connected in parallel with the forward direction in the sense of the throttle flow, and that A capacitor is connected in parallel to each thyristor via one of the preceding diodes is. Then this capacitor delays the forward voltage rise on each thyristor, without the triggering thyristor being loaded with the capacitor, and it attenuates the resistance just the overshoot of the voltage.

Die erfindungsgemäße Schaltung in ihrer wichtigsten Variante zeigt Fig. 8. Weiter Varianten sind in den Figuren 10, 11, 12 und 13 dargestellt.The circuit according to the invention shows in its most important variant FIG. 8. Further variants are shown in FIGS. 10, 11, 12 and 13.

Die Drossel L (ig. 8) begrenzt den Stromanstieg di/dt auf einen zulässig Wert sowohl bei der Kommutierung im Normalbetrieb als auch beim Kurzschluß, wenn beide Thyristoren Strom führen. In letzterm Fall kann der Strom durch nichtgezeichnete Sicherungen abgeschaltet werden, ohne Zerstörung der Thyristoren. Die Thyristoren schalten stronlos ein, da die Dioden D7 und D8 im Zündaugenblick stromlos sind. Die Kondensatoren werden über die Dioden D7 und D8 geladen und begrenzen dadurch den positiven Spannungsanstieg an den Thyristoren. Da der Widerstand R einen klein nen Widerstandswert hat, folgt der nicht direkt über eine Diode angespeiste Kondensator dem zweiten mit relativ kleinem Spannungsunterschied. Es ist also annähernd die Kapazität beider Kondensatoren wirksam. Wenn der Hochschwingvorgang.beendet ist und das Überschwingen beginnt, führen beide Dioden D7 und D8 Strom, wodurch die in der Drossel L gespeicherte Schwingungsenergie im Widerstand R vernichtet wird. Obwohl eine Zusatzspannung hiefürnicht erforderlich ist, wäre es möglich, zur Erzielung einer kleineren Freiwerdezeit der Thyristoren beim Übergang des Stromes von T1 auf D1 bzw. T2 auf D2, die Dioden D1 und D2 an je eine Zusatzspannung (bzw. einen Transformator) anzuschließen.The choke L (fig. 8) limits the current rise di / dt to one permissible Value both for commutation in normal operation and for short-circuit, if both thyristors carry current. In the latter case, the current can go through undrawn Fuses can be switched off without destroying the thyristors. The thyristors switch on without power, since diodes D7 and D8 are de-energized at the moment of ignition. The capacitors are charged via the diodes D7 and D8 and thereby limit the positive voltage rise across the thyristors. Because the resistance R is a small one Has a resistance value, the capacitor, which is not fed directly via a diode, follows the second with a relatively small voltage difference. So it's roughly that Capacity of both capacitors effective. When the swing-up process is finished and the overshoot begins, both diodes D7 and D8 carry current, causing the Vibration energy stored in the throttle L is destroyed in the resistor R. Although there is no additional tension for this is required, it would be possible to achieve a shorter release time for the thyristors during transition of the current from T1 to D1 or T2 to D2, the diodes D1 and D2 to an additional voltage each (or a transformer) to be connected.

Das ist jedoch in der Praxis erst bei Frequenzen wesentlich über 1000 Hz notwendig. Da die Laststromänderungen an L einen induktiven SpannungsabFall hervorrufen, wird bei absinken dem Strom eine solche Spannung induziert, daß der Widerstand R über die Dioden D7 und D8 Strom übernimmt. Die dadurch hervorgeruFenen Verluste bleiben jedoch in tragbaren Grenzen und sind in der Praxis niedriger als die Beschaltungsverluste der Schaltungen gemäß Fig. 6 und Fig. 7. Der Spannungsabfall an der Last ist bei gekoppelter Induktivität niedrig, da der wirksame Induktivitätswert 1/4 der Gesamtinduktivität beträgt. In Analogie zur Schaltung nach Fig. 3 ist es auch möglich, die Induktivität L durch zwei getrennte Induktivitäten L1 und I,2 mit je dem halben Induktivitätswert zu ersetzen, wie dies Fig. 10 zeigt. Der Lastspannungsabfall und das Uberschwingen der Lastspannung werden dadurch/so groß, aber alle übrigen Eigenschaften und die Verluste bleiben annähernd dieselben.In practice, however, this is only at frequencies significantly above 1000 Hz necessary. Since the load current changes at L cause an inductive voltage drop, If the current drops, such a voltage is induced that the resistance R The current takes over the diodes D7 and D8. The losses it causes however, remain within acceptable limits and in practice are lower than the wiring losses of the circuits according to Fig. 6 and Fig. 7. The voltage drop across the load is at coupled inductance is low because the effective inductance value is 1/4 of the total inductance amounts to. In analogy to the circuit according to FIG. 3, it is also possible to adjust the inductance L by two separate inductances L1 and I, 2, each with half the inductance value to replace, as shown in FIG. The load voltage drop and the overshoot the load voltage are thereby / so great, but all other properties and the Losses remain roughly the same.

Fig. 9 zeigt mit Bezugnahme auf die Punkte a, b, c, d und e der Fig. 8 den Hochschwingvorgang bei Kommutierung des Laststromes von der Diode D2 auf den Thyristor T1, Beim Zünden von T1 (t bleibt Punkt c zunächst solange auf Potential 0, bis bei linearem Stromabfall die Diode D2 stromlos geworden ist (t1). Dann fließt Strom über D8 in den Kondensator C2 und weiter über R auch in den Kondensator C1. Dadurch ergibt sich ein annähernd sinusförmiges Hochschwingen der Spannung an T2. Wesentlich ist dabei die Begrenzung des du/dt auf einen für den Thyristor zulässigen Wert. Das Potential an e schwingt weiter über den Wert der Speisespannung U hinaus, bis der Punkt d das Potential der Speisequelle erreicht hat (t2). Nun setzt durch R eine kräftige Dämpfung ein, so daß die Spannung nicht wesentlich höher schwingt und bald auf den neuen Gleichgewichtswert einpendelt Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung können wie folgt zusamengefaßt. werden: a3 Durch die Verwendung von Dioden (D7, D8:) gibt es keine Strom-Sprünge beim Zünden der Thyristoren.FIG. 9 shows, with reference to points a, b, c, d and e of FIG. 8 shows the high oscillation process when the load current is commutated from diode D2 to Thyristor T1, when T1 (t is triggered, point c initially remains at potential 0, until the diode D2 has become de-energized in the event of a linear current drop (t1). Then flows Current through D8 into the capacitor C2 and further through R also into the capacitor C1. This results in an approximately sinusoidal upward oscillation of the voltage at T2. It is essential to limit the du / dt to one that is permissible for the thyristor Value. The potential at e continues to swing beyond the value of the supply voltage U, until point d has reached the potential of the supply source (t2). Now prevails R a strong damping, so that the voltage does not oscillate significantly higher and soon leveling off at the new equilibrium value The advantages of the invention Circuit can be summarized as follows. be: a3 through the use of diodes (D7, D8 :) there are no current jumps when triggering the thyristors.

b) Durch den niederohmigen Dämpfungswiderstand R sind praktisch immer beide Kondensatoren für die Spannungsanstiegsbegrenzung wirksam und es sind keine nutzlosen Umladevorgänge der Kondensatoren eforderlich.b) Due to the low damping resistance R are practically always Both capacitors are effective for limiting the voltage rise and there are none useless recharging of the capacitors is required.

c) Eine Zusatzspannung für die Abmagnetisierung der Begrenzungsdrossel L ist nicht prinzipall erforderlich, kann aber bei sehr hohen Frequenzen zur Erzielung einer kurzen Thyristor freiwerdezei t vorgesehen werden, Die Schaltung nach Fig. 11 unterscheidet sich von der nach Fig.c) An additional voltage for the demagnetization of the limiting throttle L is not required in principle, but can be achieved at very high frequencies a short thyristor free time can be provided, the circuit according to Fig. 11 differs from that of Fig.

10 durch. die Anordnung zweier weiterer Dioden 99 und und bildet den Übergang zu den stromkommutierte Parallel-Wechselrichter betreffenden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 12 und 13.10 through. the arrangement of two further diodes 99 and and forms the Transition to the exemplary embodiments relating to the current-commutated parallel inverter according to FIGS. 12 and 13.

Die Wirkungsweise dieser beiden Schaltungen entspricht der nach Fig, 11, Mit T ist der Ausgang s trans forma tor bezeichnet, an dessen nicht gezeichnete Sekundärwicklung die Last angeschlossen ist.The mode of operation of these two circuits corresponds to that of Fig. 11, The output s transformer is designated with T, at its not shown Secondary winding is connected to the load.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Circuit to protect the controllable valves, especially thyristors, of a current-commutated inverter against excessively rapid voltage rise (du / dt) and against too rapid an increase in current / di / dt), characterized in that in series A choke is connected in each thyristor, the resistor via two diodes is connected in parallel with the forward direction in the sense of the choke current, and that A capacitor is connected in parallel to each thyristor via one of the preceding diodes is. (Figures 11, 12, 13).

2. Protection circuit according to claim 1, for a series inverter, characterized in that for two chokes, the two thyristors are connected in series are a common amer two diode resistor with forward direction in mind Choke current is connected in parallel and that each thyristor has one of the preceding Diodes a capacitor is connected in parallel. (Fig. 10).

3. Protection circuit according to claim 1, for a series inverter, characterized in that between two thyrsitors one. Throttle with central intake is connected in series, the two winding parts of which are magnetically close (low control) are coupled that this choke has a resistor with two diodes with forward direction in the sense of the choke current is connected in parallel and that each thyristor over one of the preceding diodes is a capacitor connected in parallel.

L e r s e i t e