DE19749558C2 - Surge limiter for a rectifier in a three-phase bridge circuit - Google Patents
Surge limiter for a rectifier in a three-phase bridge circuitInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsbegrenzer für einen Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2. Die Erfindung kann bei Gleichrichtern aus Dioden oder Thyristoren in Dreh strom-Brückenschaltung verwendet werden.The invention relates to an overvoltage limiter for a rectifier in Three-phase bridge circuit according to the preamble of the independent claims 1 and 2. The invention can in rectifiers from diodes or thyristors in rotation current bridge circuit can be used.
Aus der DE 31 34 840 C2 ist eine Schutzbeschaltung für steuerbare, mit mindestens zwei parallelen RC-Gliedern beschaltete Leistungshalbleiter bekannt, wobei wenigstens einem RC-Glied eine Kippdiode in Reihe liegt.DE 31 34 840 C2 is a protective circuit for controllable, with at least two parallel RC elements connected power semiconductors known, at least a flip-flop is in series with an RC element.
Aus JP 1-270734 (A) Patent Abstracts of Japan ist ein Überspannungsbegrenzer be kannt, welcher aus der Serienschaltung eines symmetrischen Halbleiterschalters und eines Metalloxid-Varistors besteht.From JP 1-270734 (A) Patent Abstracts of Japan is a surge limiter be knows which of the series circuit of a symmetrical semiconductor switch and of a metal oxide varistor.
Aus AEG Leistungshalbleiter. Technische Mitteilung E 43.12.203/0469, 1969, S. 29 bis 34 ist ein Überspannungsbegrenzer für einen Gleichrichter in Drehstrom- Brückenschaltung mit sechs Halbleiterschaltern bekannt, wobei eine aus U-Dioden (Selen-Überspannungsbegrenzer) gebildete Drehstrom-Halbbrücke mit den Drehstro manschlüssen der Drehstrom-Brückenschaltung verbunden ist. Made of AEG power semiconductors. Technical notice E 43.12.203 / 0469, 1969, p. 29 bis 34 is a surge limiter for a rectifier in three-phase Bridge circuit with six semiconductor switches known, one of U diodes (Selenium surge limiter) formed three-phase half-bridge with the three-phase current connections of the three-phase bridge circuit is connected.
Aus dem DE-Gm 92 16 662 ist eine Vorladeschaltung mit kombiniertem Überspan nungsschutz für einen netzgeführten Stromrichter mit ausgangsseitigem Kondensator bekannt. Diese Schrift zeigt einen Gleichrichter (mehrpulsigen gesteuerten netzgeführ ten Stromrichter, Teil eines Spannungszwischenkreis-Umrichters) in Drehstrom- Brückenschaltung mit sechs Halbleiterschalen, denen jeweils zum Schutz vor Über spannungen eine Reihenschaltung aus Beschaltungswiderstand und Beschaltungskon densator parallelgeschaltet ist. Diese Schrift zeigt des weiteren einen Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung mit sechs Halbleitschaltern, wobei eine Drehstrom- Diodenbrücke mit der Drehstrom-Brückenschaltung verbunden ist. An den Gleichstro manschlüssen der Drehstrom-Diodenbrücke liegt eine Schutzschaltung.DE-Gm 92 16 662 is a precharge circuit with a combined overvoltage Protection for a line-guided converter with capacitor on the output side known. This document shows a rectifier (multi-pulse controlled line-guided converter, part of a voltage intermediate circuit converter) in three-phase Bridge circuit with six semiconductor shells, each for protection against over voltages a series connection of wiring resistance and wiring con capacitor is connected in parallel. This document also shows a rectifier in Three-phase bridge circuit with six semiconductor switches, one three-phase Diode bridge is connected to the three-phase bridge circuit. To the DC A protective circuit is connected to the connections of the three-phase diode bridge.
In Fig. 3 ist ein allgemein bekannter Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung dar gestellt, der wechselspannungsseitig mit drei Phasen 1, 2, 3 eines Drehspannungssy stems und gleichspannungsseitig mit Gleichstromklemmen 4, 5 verbunden ist. Den sechs Halbleiterschaltern 6 der Brückenschaltung sind jeweils Beschaltungen (Entla stungsnetzwerke), bestehend aus einem Beschaltungswiderstand 7 mit in Reihe liegen dem Beschaltungskondensator 8 parallelgeschaltet. Zum Schutz gegen Überspannun gen liegen zwischen den Phasen 1 und 3 bzw. 1 und 2 bzw. 2 und 3 Spannungsbe grenzer 9 bzw. 10 bzw. 11. Der Überspannungsschutz ist zur Beherrschung (Begren zung) von Spannungsspitzen notwendig, die im Wechselspannungsnetz zwischen den Phasen 1, 2, 3 infolge von Schaltvorgängen oder Blitzeinwirkung auftreten können und dann ohne Schutzmaßnahmen die Spannungsfestigkeit der Dioden oder Thyristoren überschreiten würden.In Fig. 3, a generally known rectifier in three-phase bridge circuit is provided, the AC side with three phases 1 , 2 , 3 of a three-phase system and the DC side is connected to DC terminals 4 , 5 . The six semiconductor switches 6 of the bridge circuit are wirings (Entla stungsnetzwerke), consisting of a wiring resistor 7 with the wiring capacitor 8 connected in parallel. To protect against overvoltages are between phases 1 and 3 or 1 and 2 or 2 and 3 voltage limiters 9 or 10 or 11 . The overvoltage protection is necessary to control (limit) voltage peaks that can occur in the AC network between phases 1 , 2 , 3 as a result of switching operations or lightning and would then exceed the dielectric strength of the diodes or thyristors without protective measures.
Als Spannungsbegrenzer 9 bzw. 10 bzw. 11 werden bevorzugt Metalloxidvaristoren, abgekürzt MOV, eingesetzt. Varistoren bedeutet variable resistor, d. h. variabler Wider stand. Der Widerstand ist bis zur Ansprechschwelle sehr hoch, so daß nur ein ver nachlässigbar kleiner Strom fließen kann. Bei höheren Spannungen steigt der Strom entsprechend der Spannungs-Strom-Kennlinie sehr stark an. Das entspricht einer starken Widerstandsabnahme in Abhängigkeit von der zunehmenden Spannung. Des halb ist auch die Bezeichnung VDR = voltage dependent resistor üblich. Solche Bau teile sind sehr preiswert und können trotzdem sehr große Stromstöße absorbieren. Darin besteht ihre Schutzwirkung. Nachteilig ist jedoch, daß ihre Kennlinien relativ große Spannungstoleranzen aufweisen und daß die zulässige Dauerverlustleistung sehr gering ist. Wenn die von den Thyristoren 6 erzeugten Schaltspannungsspitzen bis an die Ansprechschwellen der Begrenzungselemente heranreichen, dann besteht die Ge fahr, daß deren zulässige Dauerverlustleistung überschritten wird. In der Folge sinkt die Ansprechspannung. Sobald sie bis auf den Scheitelwert der normalen Wechselspan nung abgesunken ist, eskaliert dieser Vorgang bis zur Zerstörung.Metal oxide varistors, abbreviated MOV, are preferably used as voltage limiters 9 or 10 or 11 . Varistors means variable resistor, ie variable resistance. The resistance is very high up to the response threshold, so that only a negligibly small current can flow. At higher voltages, the current increases very much in accordance with the voltage-current characteristic. This corresponds to a strong decrease in resistance depending on the increasing voltage. The term VDR = voltage dependent resistor is therefore also common. Such construction parts are very inexpensive and can still absorb very large surges. This is their protective effect. However, it is disadvantageous that their characteristic curves have relatively large voltage tolerances and that the permissible continuous power loss is very low. If the switching voltage peaks generated by the thyristors 6 reach up to the response thresholds of the limiting elements, then there is the risk that their permissible continuous power loss will be exceeded. As a result, the response voltage drops. As soon as it has dropped to the peak value of the normal AC voltage, this process escalates to destruction.
Die Beschaltungskondensatoren 8 müssen deshalb bei dieser allgemein bekannten Schaltung gemäß Fig. 3 hohe Kapazitätswerte haben, damit die periodischen, von den Thyristoren 6 erzeugten Spannungsspitzen ausreichend kleine bleiben. Kondensatoren 6 mit hohen Kapazitäten haben wiederum hohe Verlustleistungen in den Widerständen 7 zur Folge. Kondensatoren für hohe Spannungen und mit großen Kapazitätswerken sind groß und teuer. Ebenso sind Widerstände für große Verlustleistungen groß und teuer.The wiring capacitors 8 must therefore have high capacitance values in this generally known circuit according to FIG. 3, so that the periodic voltage peaks generated by the thyristors 6 remain sufficiently small. Capacitors 6 with high capacities in turn result in high power losses in the resistors 7 . Capacitors for high voltages and with large capacitance units are large and expensive. Resistors for large power losses are also large and expensive.
In Fig. 4 ist ein weiterer allgemein bekannter Gleichrichter in Drehstrom-Brücken schaltung dargestellt, der wechselspannungsseitig mit den drei Phasen 1, 2, 3 des Drehspannungssystems und gleichspannungsseitig mit Gleichstromklemmen 4, 5 ver bunden ist. Den sechs Halbleiterschaltern 6 der Brückenschaltung sind ebenfalls jeweils Beschaltungen, bestehend aus dem Beschaltungswiderstand 7 mit in Reihe liegendem Beschaltungskondensator 8 parallelgeschaltet. Zum Überspannungsschutz sind die drei Phasen 1, 2, 3 mit den Drehstromanschlüssen einer Diodenbrücke 12 verbunden, deren Gleichstromanschlüsse mit einem Speicherkondensator 13 verbunden sind, dem ein Entladewiderstand 14 parallel liegt. Die Beschaltungskondensatoren 8 können bei die ser allgemein bekannten Schaltung in vorteilhafter Weise zwar sehr klein sein, aber dafür muß der Speicherkondensator 13 eine sehr hohe Kapazität haben, damit er Stromstöße ohne gefährliche Spannungsanstiege aufnehmen kann. Speicherkonden satoren mit hoher Kapazität sind jedoch in nachteiliger Weise kostenaufwendig und er fordern einen großen Platzbedarf.In Fig. 4 another well-known rectifier in three-phase bridge circuit is shown, the AC side with the three phases 1 , 2 , 3 of the three-phase voltage system and the DC side with DC terminals 4 , 5 is connected. The six semiconductor switches 6 of the bridge circuit are also each connected in parallel, consisting of the wiring resistor 7 with the wiring capacitor 8 in series. For overvoltage protection, the three phases 1 , 2 , 3 are connected to the three-phase connections of a diode bridge 12 , the direct current connections of which are connected to a storage capacitor 13 , to which a discharge resistor 14 is connected in parallel. The wiring capacitors 8 can be very small in this well-known circuit in an advantageous manner, but for this the storage capacitor 13 must have a very high capacitance so that it can absorb surges without dangerous voltage increases. Storage capacitors with high capacity are disadvantageously costly and require a large amount of space.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und langzeitstabilen Überspannungsbegrenzer (insbesondere Überspannungsschutz vor Surge-Impulsen) für einen Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung anzugeben. The invention has for its object an inexpensive and long-term stable Surge limiter (especially surge protection against surge pulses) to be specified for a rectifier in a three-phase bridge circuit.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmaien des Oberbegriffes alternativ durch die im Anspruch 1 und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This task becomes alternative in connection with the characteristics of the generic term solved by the features characterized in claims 1 and 2.
Der vorgeschlagene Überspannungsschutz erlaubt es, die Kapazität des Beschal tungskondensators eines Halbleiterschalters stark zu verringern. Hierdurch sinkt die Verlustleistung des Beschaltungswiderstandes. Die Beschaltung (Entlastungsnetzwerk) eines Halbleiterschalters wird kleiner und kostengünstiger. In einigen Anwendungen können die Beschaltungen (RC-Glieder) ganz entfallen.The proposed surge protection allows the capacity of the scarf tion capacitor of a semiconductor switch greatly reduce. This reduces the Power loss of the circuit resistance. The wiring (relief network) a semiconductor switch becomes smaller and cheaper. In some applications the circuits (RC elements) can be omitted entirely.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the embodiment shown in the drawing Examples explained. Show it:
Fig. 1 einen Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung mit dem erfindungs gemäßen Überspannungsschutz gemäß einer ersten Variante, Fig. 1 a rectifier in three-phase bridge circuit to the fiction, modern surge protector according to a first variant,
Fig. 2 einen Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung mit dem erfindungs gemäßen Überspannungsschutz gemäß einer zweiten Variante, Fig. 2 shows a rectifier three-phase bridge circuit to the fiction, modern surge protector according to a second variant,
Fig. 3, 4 Schaltungen gemäß dem allgemein bekannten Stand der Technik. Fig. 3, 4 circuits according to the well-known prior art.
In Fig. 1 ist ein Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung mit dem erfindungsge mäßen Überspannungsschutz gemäß einer ersten Variante dargestellt. Es ist ein allgemein bekannter Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung dargestellt, der wechselspannungsseitig mit den drei Phasen 1, 2, 3 eines Drehspannungssystems und gleichspannungsseitig mit Gleichstromklemmen 4, 5 verbunden ist. Den sechs Halbleiterschaltern 6 (Thyristoren oder Dioden) der Brückenschaltung sind jeweils Beschaltungen, bestehend aus dem Beschaltungswiderstand 7 mit in Reihe liegen dem Beschaltungskondensator 8 parallelgeschaltet. Zum Schutz gegen Überspan nungen sind die drei Phasen 1, 2, 3 mit den Drehstromanschlüssen der Diodenbrüc ke 12 verbunden, deren Gleichstromanschlüsse mit der Reihenschaltung eines BOD-Elementes 15 (break over diode) mit einem Spannungsbegrenzer 16 (Varistor) verbunden sind.In Fig. 1, a rectifier in a three-phase bridge circuit with the overvoltage protection according to the invention is shown according to a first variant. A generally known rectifier in a three-phase bridge circuit is shown, which is connected on the AC side to the three phases 1 , 2 , 3 of a three-phase system and on the DC side to DC terminals 4 , 5 . The six semiconductor switches 6 (thyristors or diodes) of the bridge circuit are wirings, consisting of the wiring resistor 7 with the wiring capacitor 8 connected in series. To protect against overvoltages, the three phases 1 , 2 , 3 are connected to the three-phase connections of the diode bridge 12 , whose DC connections are connected to the series connection of a BOD element 15 (break over diode) with a voltage limiter 16 (varistor).
Die Beschaltungskondensatoren 8 können bei dieser Variante im Vergleich zum be kannten Stand der Technik gemäß Fig. 1 vorteilhaft sehr klein sein.The wiring capacitors 8 can advantageously be very small in this variant compared to the known prior art be shown in FIG. 1.
In Fig. 2 ist ein Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung mit dem erfindungsge mäßen Überspannungsschutz gemäß einer zweiten Variante dargestellt. Es ist ein allgemein bekannter Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung dargestellt, der wechselspannungsseitig mit den drei Phasen 1, 2, 3 eines Drehspannungssystems und gleichspannungsseitig mit Gleichstromklemmen 4, 5 verbunden ist. Zum Über spannungsschutz der Halbleiterschalter 6 sind die drei Phasen 1, 2, 3 mit den Drehstromanschlüssen der Diodenbrücke 12 verbunden, deren Gleichstromanschlüsse mit der Reihenschaltung des BOD-Elementes 15 (break over diode) mit dem Span nungsbegrenzer 16 (Varistor) verbunden sind. Dieser Reihenschaltung 15/16 liegt über eine Entkopplungsdiode 17 die Parallelschaltung (RC-Glied) des Speicherkon densators 13 mit dem Entladewiderstand 14 parallel.In Fig. 2, a rectifier in a three-phase bridge circuit with the overvoltage protection according to the invention is shown according to a second variant. A generally known rectifier in a three-phase bridge circuit is shown, which is connected on the AC side to the three phases 1 , 2 , 3 of a three-phase system and on the DC side to DC terminals 4 , 5 . To overvoltage protection of the semiconductor switch 6 , the three phases 1 , 2 , 3 are connected to the three-phase connections of the diode bridge 12 , whose DC connections are connected to the series connection of the BOD element 15 (break over diode) with the voltage limiter 16 (varistor). This series connection 15/16 is connected via a decoupling diode 17, the parallel circuit (RC circuit) of the Speicherkon densators 13 with the discharge resistor 14 in parallel.
Die Beschattungen der Halbleiterschalter 6 mit Beschaltungswiderstand 7 und Be schaltungskondensator 8 können bei dieser Variante vorteilhaft ganz entfallen. Die Kapazität des Speicherkondensators 13 ist gering im Vergleich zum bekannten Stand der Technik gemäß Fig. 4. Das heißt, es kann ein kostengünstiger und relativ kleiner und leichter Speicherkondensator eingesetzt werden.The shading of the semiconductor switch 6 with wiring resistor 7 and Be switching capacitor 8 can advantageously be completely omitted in this variant. The capacitance of the storage capacitor 13 is small compared to the known prior art according to FIG. 4. That is, an inexpensive and relatively small and light storage capacitor can be used.
Beiden Schaltungen gemäß Fig. 1 und 2 ist gemeinsam, daß durch Verwendung der Diodenbrücke 12 in zweckmäßiger Weise nur ein aus BOD-Element 15 und Span nungsbegrenzer 16 bestehender Überspannungsschutz für alle zu schützenden Halbleiterschalter 6 eingesetzt wird. Als Spannungsbegrenzer 16 dient insbesondere ein Metalloxidvaristor. Es kann jedoch auch ein anderes vergleichbares nichtlineares Bauelement verwendet werden.Two circuits according to Fig. 1 and 2 have in common that only a nungsbegrenzer from BOD-element 15 and chip 16 existing overvoltage protection is used for all protected semiconductor switch 6 by using the diode bridge 12 in an expedient manner. A metal oxide varistor is used in particular as voltage limiter 16 . However, another comparable non-linear component can also be used.
Für beide Schaltungen gilt folgende Funktionsweise: Die Spannungs-Ansprech schwelle wird ausschließlich durch das BOD-Element 15 festgelegt. Die Spannungs begrenzung nach dem Ansprechen des BOD-Elementes 15 liegt auf der Kennlinie des Spannungsbegrenzers 16 unter Berücksichtigung der entsprechenden Toleran zen des Spannungsbegrenzers und der relativ kleinen Durchbruchspannung des BOD-Elementes 15. Bei der Auswahl des Spannungsbegrenzers 16 ist die Sperr spannung der zu schützenden Halbleiterschalter 6 entsprechend zu berücksichtigen.The following mode of operation applies to both circuits: the voltage response threshold is determined exclusively by the BOD element 15 . The voltage limitation after the response of the BOD element 15 lies on the characteristic of the voltage limiter 16 , taking into account the corresponding tolerances of the voltage limiter and the relatively small breakdown voltage of the BOD element 15 . When selecting the voltage limiter 16 , the blocking voltage of the semiconductor switch 6 to be protected must be taken into account accordingly.
Periodisch auftretende Überspannungen, wie sie durch das Schalten induktiver La sten hervorgerufen werden, werden durch die im Vergleich zum bekannten Stand der Technik deutlich kleineren Beschaltungen bzw. RC-Glieder unter Ausnutzung des durch das BOD-Element 15 vorgegebenen Spannungshubs auf für den oder die Halbleiterschalter 6 zulässigen Werte begrenzt, wobei die Spannung nicht mehr an die durch den Spannungsbegrenzer 16 vorgegebene, wesentlich niedrigere Begrenzereinsatzspannung gebunden ist, sondern an die durch das BOD-Element 15 vorgegebene, wesentlich höher liegende Spannung UBOD.Periodically occurring overvoltages, such as those caused by the switching of inductive loads, are reduced by the circuitry or RC elements, which are significantly smaller than in the known prior art, using the voltage swing specified by the BOD element 15 for the semiconductor switch or switches 6 permissible values are limited, the voltage no longer being tied to the much lower threshold operating voltage specified by the voltage limiter 16 , but rather to the much higher voltage U BOD specified by the BOD element 15 .
Die einzelnen Spannungen des Schutzkonzeptes sind wie folgt zu staffeln:
URRM maximale zulässige Sperrspannung des Halbleiterschalters.
UBOD toleranzbehaftete Ansprechschwelle des BOD-Elementes. Diese muß
sicher unter URRM liegen.
UMOV Spannungsabfall am Spannungsbegrenzer 16 unter Berücksichtigung
der toleranzbehafteten Kennlinie bei dem zu erwartenden, beispielswei
se durch einen Surge-Impuls hervorgerufenen maximalen Strom.
UNETZ Der Scheitelwert der maximalen Netzspannung muß unterhalb der mi
nimalen toleranzbehafteten Ansprechspannung des Spannungsbe
grenzers 16 im stromlosen Zustand sein.The individual tensions of the protection concept can be staggered as follows:
U RRM maximum permissible reverse voltage of the semiconductor switch.
U BOD tolerance threshold of the BOD element. This must surely be below U RRM .
U MOV voltage drop at the voltage limiter 16 , taking into account the characteristic curve which is subject to tolerances, with the maximum current to be expected, for example caused by a surge pulse.
U NETZ The peak value of the maximum mains voltage must be below the minimum tolerance-sensitive response voltage of the voltage limiter 16 in the de-energized state.
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