DE1060976B - Stromversorgungsanlage mit Halbleiterventilen als Gleichrichter insbesondere auf der Basis eines Halbleiters aus Germanium oder Silizium und mit einer mit mechanischen Schaltkontakten arbeitenden Schutzschalteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungsanlagen mit Halbleiterventilen als Gleichrichter, insbesondere auf der Basis eines Halbleiters aus Germanium oder Silizium, und mit einer mit mechanischen Schaltkontakten arbeitenden Schutzschalter.-richtung zum Kurzschließen bzw. Überbrücken, der im Falle einer Störung der Anlage gefährdeten einzelnen Gleichrichterventile, Gruppen von solchen oder aller Ventile oder/und der die Halbleiterventile speisenden Stromquelle. Diese Schutzschalteinrichtungen müssen möglichst kurzzeitig arbeiten, damit die Halbleiterventile wegen ihrer thermischen Empfindlichkeit nicht durch Stromwärmeeinflüsse thermisch zerstört werden können.

So sind z. B. durch Versuche als notwendige bzw. zulässige Einschalt- oder Abschaltzeiten der Schutzeinrichtungen Werte von etwa 0,2 bis 2 Millisekunden ermittelt worden. Trotz dieser Forderung auf hohe Ansprech- und Schaltgeschwindigkeit muß aber eine solche Schalteinrichtung andererseits in der Lage sein, die hohen Ströme, welche sonst allein von den Halbleiterventilen geführt werden, mußten, mindestens über eine angemessene Zahl von Halbwellen des speisenden Wechselstromes, also· eine bestimmte hohe Mindeststromzeitfläche, zu übernehmen und möglichst für eine wiederholte Ausführung von Schutzschaltungen ohne wesentlichen besonderen Ersatz von Schaltungsteilen geeignet sein. Wegen dieser Bedingung der Bemessung für hohe Ströme ergeben sich aber an den Kurzschlußschalteinrichtungen relativ große Massen für den Aufbau der Kontakte und die mit diesen beim Schaltvorgang bewegten Hilfseinrichtungen. Diese unvermeidlichen Massen stehen aber der Zielsetzung der Erreichung einer geringen Eigenschaltzeit der Schalteinrichtung zum schnellen, wirksamen Schutz der Halbleiterventile entgegen.

Für schnell wirkende Relaisschaltungen, insbesondere für Schutzzwecke, ist es für die Herabsetzung der durch das bzw. die einzelnen Relais mit ihrer Eigenschaltzeit vorgegebenen Zeit des Ansprechens der Schutzeinrichtung bekanntgeworden," den mechanischen Kontakten der Relais für ihre. Überbrückung Ionenröhren zuzuordnen, welche eine entsprechend kürzere Eigenschaltzeit besitzen, aber auf jeden Fall aus Sicherheitsgründen die mechanisch schaltenden Kontakte beizubehalten. Solche lonenröhren müssen dann auf jeden Fall stets in dem Zustand der Betriebsbereitschaft gehalten werden, und sollten sie versagen, so muß doch die mechanisch schaltende Einrichtung die Schutzwirkung übernehmen, wobei aber deren längere Eigenschaltzeit für die Schutzwirkung der Anlage dann bestimmend bleibt. Die Anwendung einer solchen Lösung könnte für die bei Halbleiteranordnungen der genannten Art dargelegte Problem-Stromversorgungsanlage mit Halbleiterventilen als Gleichrichter

insbesondere auf der Basis eines

Halbleiters aus Germanium oder Silizium

und mit einer mit mechanischen Schaltkontakten arbeitenden

Schutzschalteinrichtung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft, ,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. phil. Joachim Pfäffenberger, Berlin-Dahlem,

und Willi Mosch, Berlin, sind als Erfinder genannt worden

Stellung somit nicht in Frage kommen, denn die Schutzeinrichtung muß auf jeden Fall die ihr obliegende Funktion stets einwandfrei erfüllen und auf jeden Fall innerhalb der vorbestimmten kurzen, bedingten Eigenschaltzeit einwandfrei schalten, wenn es nicht zu größeren, in ihrer Folge dann nicht absehbaren Schäden in der mit Halbleiterventilen als Gleichrichter arbeitenden Stromversorgungsanlage kommen soll.

Die vorgegebene Aufgabe bei Stromversorgungsanlagen der angegebenen Art mit einer Schutzeinrichtung mit mechanischen Kontakten mit der angegebenen Funktion wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schutzschalteinrichtung aus zwei oder mehreren elektrisch parallel an die zu schützende Anlage angeschlossenen, in der Größe ihrer Eigenschaltzeiten zeitlich selektiv gestaffelten Einheiten mit mechanischen Kontakten und von relativ zueinander verschieden großen Eigenschaltzeiten, bei entsprechend relativ verschieden großen Strom tr agfähigkei ten besteht, welche im Falle der Störung der Anlage gleichzeitig ihren Schaltvorgang einleiten.

Hierbei ist von der Erkenntnis ausgegangen worden, daß insbesondere durch eine Verringerung der zur Durchführung eines Schaltvorganges an einer

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solchen Schutzschalteinrichtung zu bewegenden Massen der Kontakte und der mit diesen bewegten Betätigungseinrichtungen sowie gegebenenfalls durch eine zusätzliche verschiedene Bemessung und Gestaltung der Beschleunigungseinrichtungen dieser zu bewegenden Massen sich eine Herabsetzung der Eigenschaltzeit solcher Schutzschalteinrichtungen, erreichen läßt.

■ Die verschiedenartige Bemessung und Gestaltung der Beschleunigungseinrichtungen für die verschiedenen Schutzschalteinrichtungen kann z.B. dadurch erreicht werden, daß die eine Schutzschalteinrichtung mit einem Federsystem für die Beschleunigung ihres Schaltorgans arbeitet, während die andere Schutzschalteinrichtung mit einem zündfähigen Mittel nach Art von Pulver arbeitet, welches nach seiner überstrom- bzw. rückstromabhängigen Zündung durch seine Expansion bzw. diejenige der erzeugten Gase das Schaltorgan der Schalteinrichtung beschleunigt. Es sind auch Beschleunigungseinrichtungen benutzbar, welche nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeiten. Es wird in diesem Falle z. B. abhängig von dem Auftreten einer unzulässigen Störung in. einer Phasenleitung bzw. der Gleichstromleitung in einci solchen Einrichtung durch eine von einem Impulsstrom durchflO'Ssene Spule die Abstoßung eines Kurzschlußringes elektrodynamisch gesteuert, der mechanisch mit dem Schaltorgan der Kurzschluß-Schutzschalteinrichtung verbunden ist oder unmittelbar selbst gleichzeitig dieses Schaltorgan bilden kann.

Es wird bei einer erfindungsgemäßen Anordnung auf jeden Fall eine Schutzschalteinrichtung mit geringerer Eigenschaltzeit und zeitlich früher zur Entlastung der Halbleiterventile von · der sonst an ihnen eintretenden Stromführung wirksam, als es sonst bei einer Schutzschalteinrichtung in, der Anlage der Fall wäre, deren Kontakte die größte in der Anlage im Falle einer Störung zu beherrschende Stromzeitfläche zu übernehmen in der Lage sind. Die Schutzschalteinrichtung mit der geringeren Eigenschaltzeit kann aber unbedenklich mit einer geringeren Stromtragfähigkeit ihrer Kontakte bemessen werden, da sie kurzzeitig nach ihrer Übernahme der Stromführung durch eine weitere einschaltende Schutzschalteinrichtung in der Stromführung entlastet wird.

: Wird z. B. ein erfindungsgemäßes System mit zwei Schutzschalteinrichtungen benutzt, welche durch Bemessung mit verschiedenen Massen ihrer Schaltkontakte und der mit diesen bewegten Betätigungseinrichtungen mit verschiedenen Eigenschaltzeiten selektiv gestaffelt zum Schutz der Halbleiteryentile einzuschalten, so kann die zeitlich später ihre Einschaltung vollendende Schutzschalteinrichtung z. B. so bemessen werden, daß sie vom Zeitpunkt ihrer vollendeten Einschaltung an allein in der Anlage, gegebenenfalls bis zu deren vollständigem Abschalten zur Entlastung der Halbleiterventile, die zu beherrschende Stromzeitfläche übernehmen kann. In diesem Falle könnte die schneller arbeitende Schutzschalteinrichtung dann, d. h. nach vollendeter Einschaltung der Hauptschutzschalteinrichtung, wieder abgeschaltet werden. Es könnten dieser schneller arbeitenden Schutzschalteinrichtung auch Widerstände zur weitgehenden Entlastung vorgeschaltet werden. Beide Maßnahmen können auch gegebenenfalls kombiniert werden, indem die schneller arbeitende Schalteinrichtung nach abschließendem Einschaltvorgang der Schutzschalteinrichtung größerer Stromtragfähigkeit die schneller ■schaltende Hilfsschalteinrichtung über eine oder mehrere Widerstandsstufen abgeschaltet wird. Um den Schaltvorgang der schneller arbeitenden Schalteinrichtung im Sinne eines Einschal tens und eines anschließenden Wiederabschaltens zügig und schnell ohne notwendige Bewegungsumkehr der Massen dci Schalteinrichtung durchführen zu können, kann diese Einrichtung mechanisch und elektrisch, z. B. nach Art eines Rollenstromrichters, aufgebaut sein, wobei also die beweglichen Schaltkontakte auf den ruhenden Gegenkontakten mit gleichsinniger Bewegungsrichtung

ίο ihre verschiedenen Schaltstellungen durchlaufen unter Ausnutzung der ihnen vorher für den Übergang in eine Schaltstellung bereits erteilten Beschleunigung für die Schaltgeschwindigkeit auf dem Wege zur nächsten Schaltstellung.

Die schneller arbeitende Schalteinrichtung kann auch über Sicherungen an die Halbleiterventilanlage angeschlossen sein. Diese Sicherungen können dabei zunächst durch Schalter überbrückt sein. Diese Schalter werden z. B. nach vollendetem Einschalten der Hauptschutzschalteinrichtung geöffnet und dadurch die Sicherungen nunmehr vom Strom durchflossen. Bei geeigneter Bemessung dieser Sicherung mit einem i- · i-Wert, wenn i den Strom und t die Zeit bezeichnen, für ihr Abschmelzen, welcher unterhalb des Wertes der Stromzeitfläche liegt, welche die schneller arbeitende Schutzschalteinrichtung unter Berücksichtigung der elektrischen Widerstände, die beide Schutzschalteinrichtungen bilden, anteilig noch übernimmt, werden also die Sicherungen durch ihren Abschmelzvorgang die schneller arbeitende Schutzschalteinrichtung abschalten.

Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, zwei Schutzschalteinrichtungen derart verschieden in ihren Massen und den dadurch erreichten verschiedenen -schnellen Eigenschaltzei'ten zu bemessen, daß zunächst die eine Schutzschalteinrichtung vorübergehend allein die Entlastung der Halbleiterventile von der Stromführung übernimmt, mit dem Einschalten der Hauptschutzschalteinrichtung jedoch beide Schutzschalteinrichtungen entsprechend ihrer Bemessung gemeinsam die Stromentlastüng der gefährdeten Halbleiterventile bis zur endgültigen Abschaltung der Anlage übernehmen. Auf diese Weise kann auch die zweite Schutzschalteinrichtung gegenüber der sonst notwendigen Bemessung für die Erfüllung der Funktion der alleinigen späteren Übernahme der Entlastung der Halbleiterventile von der Stromführung mit geringeren Massen aufgebaut werden unter Erreichung einer geringeren Eigenschalrzeit.

Hierdurch übernimmt sie früher die anteilige Entlastung der inzwischen bereits eingeschalteten Schutzschalteinrichtung mit der geringeren Eigenschaltzeit, als es sonst der Fall wäre, wenn die Hauptschutzschalteinrichtung für die volle Tragfähigkeit der zu übernehmenden Stromzeitfläche ausgebildet werden würde.

Eine beispielsweise Schaltung für die Anwendung der Erfindung veranschaulicht die Figur der Zeichnung. In dieser bezeichnet la die Sekundärwicklung eines Transformators. Von dieser wird über die Gleichrichterventile 2 bis 4 ein Verbraucher 5 gespeist. In der Anlage sind zwei Schutzschalteinrichtungen 24 und 25 vorgesehen. Jede derselben weist ruhende Schaltkontakte α bis c auf, welche mit den einzelnen Leitungen zwischen den einzelnen Phasen der Sekundärwicklung la und den Gleichrichterventilen 2 bis 4 verbunden sind. Das bewegliche Kurzschlußschaltorgan der einzelnen Einrichtung ist jeweils mit d bezeichnet und mit dem einen Gleich-

7ö strompol der Anlage verbunden. Jedes der Schalt-

organe d der Einrichtungen 24 und 25 wird in diesem Falle über eine Auslösespule e betätigt, welche über Sättigungswandler 6 bis 9 mit einem Eisenkernmaterial von parallelogrammförmiger bzw. möglichst rechteckiger Magnetisierungsschleife, abhängig von in den einzelnen Speiseleitungen zu den Ventilen 2 bis 4 bzw. in den Gleichstromspeiseleitungen des Verbrauchers auftretenden Überströmen bzw. Rückströmen gespeist wird. Die auf Überstrom überwachenden Sättigungswandler 6 bis 8 sind mit ihren Eisenkernen auf je einer der Zuleitungen von der Sekundärwicklung la des Transformators zu je einem der Ventile 2 bis 4 angeordnet. Der auf Rückstrom überwachende Sättigungswandler 9 ist mit seinem Kern auf der Gleichstromspeiseleitung zum Verbraucher 5 angeordnet. Die entsprechenden Leitungen, welche die Primärwicklung des einzelnen Sättigungswandlers bilden, sind z.B. nach Art einer Schiene durch den Eisenkern des einzelnen Wandlers hinduTC'hgeführt. Der Eisenkern b jedes der Wandler trägt eine VormagnetisTerungswicklung α sowie eine Sekundärwicklung c. Diese ist jeweils mit einem Gleichrichterventil d in Reihe geschaltet zur gegenseitigen Entkopplung der über die Leitungen 10 und 11 parallel auf die gleichen Auslösespülen der Schutzschalteinrichtungen: 24 und 25 arbeitenden Sekundärwicklungen der Sättigungswandler. Die Vormagnetisierungswicklungen α der auf Überstrom überwachenden Sättigungsstromwandler 6 bis 8 werden von einer an den Klemmen 12 und 13 liegenden Gleichstromquelle über den einstellbaren Widerstand 14 gespeist und die Vormagnetisierungswicklung α des Sättigungswandlers 9 von der an den Klemmen 15 und 16 liegenden Gleichstromquelle über den einstellbaren Widerstand 17. Überschreitet in der Primärwicklung eines der Sättigungsstromwandler 6 bis 8 der Strom einen bestimmten Wert und damit die von dieser Wicklung hervorgerufene magnetische Erregung des Eisenkernes die Gleichstromvormagnetisierung dieses Eisenkernes, so wird der Kern nach dem Herausführen aus seiner Sättigung sprunghaft ummagnetisiert. In der von ihm getragenen Sekundärwicklung c wird dadurch eine entsprechende Spannung induziert, so daß die Auslösespulen e der Schutzschalteinrichtungen 24 und 25 mit einem entsprechenden Strom gespeist werden, diese Schalteinrichtungen zum Ansprechen kommen und ihr bewegliches Schaltorgan d nach vollendeter Einschaltbewegung die ruhenden Gegenkontakte ο bis c überbrückt. Ähnlich ist der Vorgang, wenn auf der Gleichstromseite ein derart großer Rückstrom durch die Primärwicklung des Sättigungsstromwandlers 9 fließt, daß dieser Wandler aus der durch die Vormagnetisierung bestimmten Sättigung herausgeführt wird und sein Kern 9 b also unter Erzeugung einer entsprechenden Spannung in der Sekundärwicklung 9 c sprunghaft ummagnetisiert wird, so daß die Auslösespulen e der Schutzschalter 24 und 25 gespeist werden und deren Einschaltvorgang einsetzt.

In Reihe mit den ruhenden Kontakten α bis c der Kurzschlußschalteinrichtung 4 sind noch gegebenenfalls benutzbare Widerstände 18 bis 20 angedeutet, welche durch Schalter 21 bis 23 überbrückt werden können.

Die Einrichtung 25 ist an ihren Kontakten derart bemessen, daß sie in der Lage ist, für die erwünschte maximale Stromzeitfläche die Führung des Kurzschhtßstromes unter gleichzeitigem entsprechenden Schutz der Halbleiterventile zu übernehmen. Die Einrichtung 24 ist mit geringeren Kontaktmassen bemessen, so daß sie sich sehr schnell beschleunigen läßt, also eine geringere Eigenschaltzeit besitzt als die Einrichtung 25. Nach einem gleichzeitigen Ansprechen der beiden Schakeinrichtungen 24 und 25 im. Falle einer Störung der Anlage durch einen auftretenden Überstrom oder Rückstrom schließt die Einrichtung 24 wegen ihrer geringeren Eigenschaltzeit früher ihre Kontakte d-a-b-c als die Schalteinrichtung 25 zur ersten strommäßigen Entlastung der durch die entstanden« Störung der Anlage gefährdeten Halbleiterventile. Es werden also sehr schnell die Leitungen von der Sekundärwicklung la des Transformators kurzgeschlossen, und gleichzeitig werden die einzelnen Gleichrichterventile 2 bis 4 überbrückt. Sobald dann die Kontakte von 25 geschlossen werden, erfolgt durch diese eine Entlastung der Kontakte von 24 von der Stromführung. Nach diesem Schließen der Kontakte von 25 können durch öffnen der Schalter 21 bis 23 die Widerstände 18 bis 20 eingeschaltet werden, wodurch die Kontakte von 24 noch mehr entlastet werden.

Die Einrichtung kann auch derart getroffen werden, daß mit dem Ansprechen der Schalter 24 und 25 auch ein primärseitiger Netzschalter für die Abschaltung der Anlage vom Netz vorbereitet und diese anschließend durchgeführt wird, was. nicht besonders angedeutet ist.

An Stelle der Widerstände 18 bis 20 könnten, wie bereits früher in dieser Beschreibung angegeben, auch Sicherungen vorgesehen werden, welche nach dem Öffnen der Schalter 21 bis 23 abschmelzen und die Schutzschalteinrichtung 24 abschalten. Es sind in diesem Falle allerdings neue Sicherungen vor der Einrichtung 24 nach einem Abschaltvorgang einzusetzen, was sich aber relativ einfach durchführen läßt.

Claims (12)

Patentansprüche·.

1. Stromversorgungsanlage mit Halbleiterventilen als Gleichrichter, insbesondere auf der Basis eines Halbleiters aus Germanium oder Silizium, und mit einer mit mechanischen Schaltkontakten arbeitenden Schutzschalteinrichtung zum Kurzschließen bzw. Überbrücken der im Falle einer Störung der Anlage gefährdeten einzelnen Halbleiterventile, Gruppen von solchen oder aller Ventile oder/und der die Halbleiterventile speisenden Stromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschalteinrichtung aus zwei oder mehreren elektrisch parallel an die zu schützende Anlage angeschlossenen, in der Größe ihrer Eigenschaltzeiten zeitlich selektiv gestaffelten Einheiten mit mechanischen Kontakten und von relativ zueinander verschieden großen Eigenschaltzeiten bei entsprechend relativ verschieden großen Stromtragfähigkeiten besteht, welche im Falle der Störung der Anlage gleichzeitig ihren Schaltvorgang einleiten.

2. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Einheiten der Scbutzschalteinrichtung in der Größe der Massen ihrer Kontakte und der beim Schaltvorgang zusammen mit diesen Kontakten bewegten Betätigungseinrichtungen verschieden bemessen sind.

3. Stromversorgungsanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Einheiten verschieden aufgebaute und bemessene Beschleunigungseinrichtungen für

die Schaltorgane, gegebenenfalls mit verschiedenartigen mechanischen Kraftquellen, aufweisen.

4. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten derart verschieden aufgebaut sind, daß die größte Stromtragfähigkeit der Anlage nach vollendetem Einschalten aller Einheiten, von denen jede allein nur für einen Teilbetrag bemessen ist, erreicht ist.

5. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit mit der größten Eigenschaltzeit in ihrer Stromtragfähigkeit zur alleinigen Übernahme der größten zu beherrschenden Stromzeitfläche bemessen ist.

6. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß. nach vollendetem Einschalten der Einheit mit der größten Stromtragfähigkeit die bereits vorher eingeschaltete Einheit oder eingeschalteten Einheiten in ihrer Stromführung durch besondere Hilfsschaltmittel entlastet werden.

7. Stromversorgungsanlage nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder den vorher eingeschalteten Einheiten Reihenwiderstände, gegebenenfalls in mehreren Stufen, vorgeschaltet werden.

8. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß .. die Widerstände durch öffnen von sie überbrückenden Schaltern eingeschaltet werden.

9. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschalteten Einheiten geringerer Eigenschaltzeit mit dem Einschalten der Einheit größter Stromtragfähigkeit gegebenenfalls über Wdderstandsstufen abgeschaltet werden.

10. Stromversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder den Einheiten geringerer Eigenschaltzeit und geringerer Stromtragfähigkeit mit vollendetem Einschalten der Schutzschalteinrichtung größerer Stromtragfähigkeit Sicherungen vorgeschaltet werden, welche durch ihr Abschmelzen die Einheit oder Einheiten geringerer Stromtragfähigkeit selbsttätig wieder abschalten.

11. Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einheit von geringerer Eigenschaltzeit der Schutzschalteinrichtung die Kontakte unter Beibehaltung der gleichen Bewegungsrichtung zunächst in eine Einschalt- und anschließend in eine Ausschaltstellung geführt werden.

12. Stromversorgungsanlage nach Anspruch. 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Störung der Anlage primärseitig vom Überstrom oder Rückstrom erregte Sättigungsstromwandler die Schutzschalteinrichtungen zum Ansprechen bringen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 639 996.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 909 560/348 6.59