DE3149029A1

DE3149029A1 - Verfahren zur zuendung wenigstens eines steuerbaren halbleiterventiles fuer ein wechselstromschaltgeraet und schaltungsanordnung zur druchfuerhung des verfahrens

Info

Publication number: DE3149029A1
Application number: DE19813149029
Authority: DE
Inventors: Stephan Dipl.-Ing 3300 Braunschweig Greitzke; Thomas Dr.-Ing 8450 Amberg Kölpin; Manfred Prof. Dr.-Ing. 3302 Cremlingen Lindmayer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1981-12-11
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1983-06-16
Also published as: EP0082387A1

Description

3U9029

BRQWN,BOVEBI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT Mannheim 7. Dezember 1981

Mp.-Nr. 694/81 ZPT/PH-Ft/Ht

Verfahren zur Zündung wenigstens eines steuerbaren Halbleiterventile3 für ein Wechsel strornschaxtp;erät und on Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe-] griff des Anspruches 1 sowie eine Schaltungsanordnung

ί zur Durchführung des Verfahrens»

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Der Verschleiß am Kontakt- und Löschsystem von Wechsel-

: strom-Schaltgeräten hoher Schalthäufigkeit im Schwer-

i lastbetrieb kann durch die Anwendung sogenannter Hybrid-

■ schalter wesentlich verringert werden«, Hierbei wird der 30 Laststrom nach Öffnen der Hauptkontakte auf einen Neben-

: weg kommutiert und dort durch eingebaute Halbleiterventile in seinem Nulldurchgang abgeschaltet. Bei Verwendung steuerbarer Ventile im Nebenweg der mechanischen Schaltstelle besteht das Erfordernis einer Zündung die-35 ser Ventile unmittelbar nach Beginn der Kontaktstück-

■ öffnung, um den Laststrom zn übernehmen und die Auswir-1 kungen der sich ausbildenden Schaltlichtbögen auf ein

-.; Mindestmaß zu verringern.

Mp.-Nr. 694/81 2T

In einem bisher bekannten Verfahren DE-OS 31 32 338 wird für den Zündvorgang die elektrische Wirkung des Schalt-• lichtbogens verwendet, die im Auftreten eines Spannungsabfalls zwischen den beteiligten Kontaktstücken entsteht. Nach der erfolgten Abschaltung des Laststromes muß eine weitere Ansteuerung des Halbleiterventiles unterbunden werden, um den Laststromkreis weiterhin unterbrochen zu .halten. Bei der Verwendung eines Doppelunterbrechungssystems kann dies.nach dem in der DE-OS 31 32 338 angegebenen Verfahren dadurch erfolgen, daß der Steuerstrom der die beiden Kontaktstellen verbindenden Kontaktbrücke entnommen wird, die nach erfolgter Abschaltung potentialfrei ist.

Soll dagegen das Hybridschaltkonzept an einer Einfachunterbrechungsstelle Verwendung finden, beispielsweise, um die zweite Unterbrechungsstelle eines. Doppeiunterbrechungssystems, wie in der DE-OS 31 37 321, bereits zur Herstellung der galvanischen Trennung des Stromkreises zu verwenden, muß der Steuerstromkreis des steuerbaren Halbleiterventiles zur Vermeidung einer neuerlichen Zündung durch die am Unterbrechungssystem wiederkehrende Spannung zusätzlich elektrisch unterbrochen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs 2Q genannten Art anzugeben, bei dem eine Beeinflussung des Steuerstromes in möglichst einfacher Weise ohne die Verwendung zusätzlicher Hiifsschalter bewirkt wird.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsan-Ordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch:gelöst, daß die Zuschaltung des Steuerstromes zu dem wenigstens

-Nr. 69M/81 V-S-

einen steuerbaren Halbleiterventil zu dessen Zündung durch ein von dem Stromfluß über die Kontaktstelle erzeugten Meßsignal gesteuert wird.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei der das wenigstens eine steuerbare Halbleiter-.

ventil parallel zur Kontaktstelle geschaltet ist ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Kontaktstelle eine Meßeinrichtung geschaltet ist, deren Meßsignal einer Schalteinrichtung zuführbar ist, die den Steuerstrom zu dem wenigstens einen steuerbaren Halbleiterventil durchschaltet.

Dabei besteht die Möglichkeit, den Laststrom, d. h. den über die Kontaktstelle fließenden Strom zur Ansteuerung der Schalteinrichtung zur Durchschaltung des Steuerstromes für das steuerbare Halbleiterventil zu dessen Zündung zu verwenden, oder externe Impulse zu benutzen, mit denen die Schalteinrichtung ansteuerbar ist„ Derartige "externe" Impulse können beispielsweise durch elektronisch betätigbare Schalter erzeugt werden, beispielswei« se sogenannte Tippschalter. Dabei müßten allerding» außer der Kontaktstelle alle weiteren, evtl. im Laststromkreis befindlichen Schaltkontakte geschlossen sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung und weitere vorteilhafte Verbesserungen sowie weitere Vor- «55 teile näher erläutert und beschrieben werden.

Mp.-Nr. 694/81

A", G-

Es zeigt:

Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Hybridschalters,

Figur 2 eine weitere Version eines erfindungsgemäßen Hybridschalters ähnlich dem der Figur 1 und

Figur 3 eine konkrete Schaltungsanordnung zur Realisierung des in Figur 2 dargestellten Prinzips

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O β OO ο Q « β

Mp-.-Nr: 69*5/81

Der HauptStromkreis eines erfindungsgeraäß ausgebildeten Hybridschalters liegt zwischen zwei Anschlußklemmen 1 und 2. Zwischen beiden Anschlußklemmen 1 und 2 befindet sich eine Kontaktstelle 3, die in üblicher Weise betätigbar ist, d. h„ aus einer Ausschaltstellung in eine Einschaltstellung und umgekehrt verbringbar ist.

Der bei der öffnung der Kontaktstelle 3 unter Strom entstehende Schaltlichtbogen wird durch Kommutierung des Laststromes I auf ein parallel zur Kontaktstelle 3 geschaltetes steuerbares Halbleiterventil ¹J, das als Triac

-J₅ ausgebildet ist, komrautiert und im Nulldurchgang gelöscht .· Anstatt eines Triac könnte auch ein antiparalleles Thyristorpaar verwendet werden» In den Hauptstromkreis ist ferner eine Strommeßstelle 5 derart eingefügt, daß zwar der über.die Kontaktstelle 3 fließende Strom, nicht aber der über das steuerbare Halbleiterventil H fließende Strom erfaßt wird. Die Strommeßstelle oder Strommeßeinrichtung 5 ist mit einer Schalteinrichtung verbunden, die in dem Steuerstromkreis für das steuerbare Halbleiterventil geschaltet ist« In dem Steuer-

2g Stromkreis befindet sich eine Steuerstromquelle 6. Mittels des von der Strommeßeinrichtung 5 erzeugten Mefösignales bei Fließen eines Stromes über die Kontaktstelle wird die Schalteinrichtung in Durchlaßrichtung gesteuert, so daß ein von der Steuerstromquelle 6 erzeugter Steuerstrom für das steuerbare Halbleiterventil 4 auf dieses durchgeschaltet wird. Wenn über die Strommeßeinrichtung 5 ein Laststrom fließt, erzeugt dieser Last- . strom das Meßsignal, das die Schalteinrichtung ansteuert, so daß das steuerbare Halbleiterventil gezündet wird. Wenn ein Schaltlichtbogen an der Kontaktstelle entsteht, dann wird aufgrund des höheren Widerstandes an der Kontaktstelle der Laststrom auf das steuerbare Halbleiterventil kommutiert und dort in seinem nächsten

Mp.-Nr. 69V81 & -$>-

Nulldurchgang unterbrochen. Ein neuerlicher Stromfluß in folgenden Halbwellen kann nicht mehr einsetzen, da die Schalteinrichtung aufgrund des fehlenden Meßsignals gesperrt ist. Damit ist die Anordnung gemäß der Figur 1 im Prinzip sowohl zur Löschung von Ausschalt- als auch von Einschaltlichtbögen geeignet.

In der Figur 2 ist der Hybridschalter gemäß der Figur 1 insoweit modifiziert, als als Spannungsquelle zur Erzeugung des Steuerstromes für das steuerbare Halbleiterventil der Spannungsabfall am Schaltlichtbogen an der Kon- taktstelle 3 selbst verwendet wird. Zu diesem Zweck ist der Steuerstromkreis für das steuerbare Halbleiterventil 4 zur Kontaktstelle parallelgeschaltet. In diesem Parallelzweig befindet sich vor der Schalteinrichtung 7 ein Strombegrenzer 8, der beispielsweise als ein linearer oder nichtlinearer Widerstand ausgebildet sein kann. Der Steuerstrom für das steuerbare Halbleiterventil ¹J wird hier also über den Strombegrenzer 8 aus dem Laststromkreis entnommen, sobald ein Spannungsabfall an der Ko.ntaktstelle 3 aufgrund.eines Schaltlichtbogens auftritt und gleichzeitig das Meßsignal, das durch die Strommeßeinrichtung 5 erzeugt wird, das das Vorhandensein des Laststromes I signalisiert und die Schalteinrichtung 7 durchschaltet. Dann, wenn die Schalteinrichtung 7 durch - bzw. eingeschaltet wird, wird das steuerbare Halbleiterventil 4 wiederum gezündet.

Bei beiden Anordnungen besteht die Möglichkeit, die elektronische Schalteinrichtung neben der Steuerung durch die Strommeßeinrichtung 5 auch extern zu beeinflüssen, so daß unter Beibehaltung der Hybridschalterausführung des Gesamtsystems auch ein rein elektronisches Ein- und Ausschalten beispielsweise im Tippbetrieb· ermöglicht wird. Hierfür müssen allerdings außer der

» O β β O

««. CO « · β C

DO β C

9 β β β

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Kontaktstelle 3 alle weiteren evtl. im Laststromkreis befindliche Sohaltkontaktstellen geschlossen sein»

Die Übertragungsfunktion der Strommeßeinrichtung 5 kann je nach dem gewünschten Effekt binär (Strom-kein Strom) oder analog (Abhängigkeit der Zündung von der Höhe des

•jO Stromes) sein. Als Strombegrenzer 8 eignen sich insbesondere Schaltungen oder Bauelemente mit hohem differentiellen Innenwiderstand, um eine dem steuerbaren Halbleiterventil ¹I zuträgliche Höhe des Steuerstromes sowohl bei Anliegen der treibenden Spannung des Laststromkrei-

■J5 ses als auch bei Anliegen der um rund eine Größenordnung niedrigeren Lichtbogenspannung der Kontaktstelle 3 zu gewährleisten.

Die Figur 3 zeigt einen erfindungsgeraäß ausgestalteten, realisierten Hybridschalter, bei dem das in der Figur 2 dargestellte Prinzip Verwendung findet. Parallel zu .der Kontaktstelle 3 sind zwei Thyristoren 9 und 10 antiparallel geschaltet, welche Thyristoren 9 und 10 mit den Anschlußklemmen 1 und 2 verbunden sind. Parallel zu den beiden Thyristoren 9 und 10 ist ein RC-Glied 11, 12 geschaltet,- mit dem auftretende Überspannungen gedämpft werden. Zusätzlich ist vor die beiden Thyristoren eine Sicherung 13 geschaltet, die die Thyristoren 9 und 10 vor zu hohen Lastströmen sichert bzw. schützt. Parallel zu den Gate-Kathodenstrecken der Thyristoren 9 und 10 sind Dioden IM bzw» 15 geschaltet, die in an sich bekannter Weise eine zu hohe SperrspannungsbelcStung die-' ser Gate-Kathoden-Strecken der Thyristoren verhindern. Die Anschlußklemmen 1 und 2 sind zusätzlich über, die Kontaktstelle 3 verbunden, die in nicht dargestellter Weise beispielsweise gebildet sein kann durch die zuerst öffnende Hälfte eines Doppelunterbrechungssystemes entsprechend der Schaltungsanordnung gemäß der

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DE-OS 31 37 321 mit der als Stromwandler ausgebildeten Strommeßeinrichtung 5. Dieser Stromwandler, im folgenden auch mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet, befindet sich unmittelbar vor der Kontaktstelle und die beiden Thyristoren liegen parallel zu der Serienschaltung aus Kontaktstelle und Strommeßeinrichtung. Die Sekundärseite des Stromwandlers 5 ist auf einen Brückengleichrichter geschaltet, wobei parallel zu dem-Gleichstromausgang des Brückengleichrichters 16 eine Zenerdiode und parallel zu der Zenerdiode ein Widerstand 18 geschaltet ist. Durch diese Belastung der Sekundärseite des Stromwandlers 5

-J₅ mit der Zenerdiode stellt sich an dem Widerstand 18 die entsprechende Zenerspannung ein, die in an sich bekannter Weise praktisch unabhängig vom Augenblickswert des Primärstromes im Wandler 5 ist, sobald sich dieser Strom überhaupt von Null unterscheidet.

Diese Spannung liegt an der Gate-Source-Steuerstrecke eines als variabler Widerstand dienenden Vertikal-MOS-Feldeffekttransistors 19, der bei gleichzeitigem Vorhandensein eines Stromflusses im Stromwandler 5 und eines Spannnungsabfalles an der Kontaktstelle· 3 bei Source-Drain-Spannungen oberhalb einiger Volt einen von der Gate-Source-Spannung abhängigen Konstantstrom in die Steuerelektrode des für die jeweilige Laststrompolarität zuständigen Thyristors 9 oder 10 treibt und diesen damit

3Q zündet. Da der Feldeffekttransis.otor 19 nur für Ströme einer Polarität als steuerbarer Widerstand arbeitet, wird diese Polarität durch einen Brückengleichrichter in an sich bekannter Weise bereitgestellt. Der Widerstand 18 gewährleistet unter anderem, daß die Gate-Source-Spannung des Transistors 19 nach Beendigung des Stromflusses in der Primärseite des Stromwandlers 5 durch Entladen der Gate-Source-Kapazität schnell unter einen vom Transistor 19 abhängigen Mindestwert fällt,

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Mp.-Nr. 694/81 9^-41-

wodurch.der Transistor 19 sicher sperrt. Für den Vertikal-MOS-Transistor 19 sind Typen auszuwählen, deren zulässige Drain-Source-Spannung mit Sicherheit über den im Laststromkreis auftretenden Spannungsspitzen liegt.

Claims

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Mp₈-Nr. 69'4/81 .

Ansprüche

( Iy Verfahren zur Zündung wenigsten eines wenigstens einer bei einer Schalthandlung einen Schaltlichtbogen ziehenden Kontaktstelle eines Wechselstromschaltgerätes zur Löschung des Schal.tlichtbogens parallelgeschalteten steuerbaren Halbleiterventiles, auf das der über die Kontaktstelle fließende Strom zur Löschung des Schaltlichtbogens kommutiert und durch das er in seinsm Nulldurchgang abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung des Steuerstromes zu dem wenigstens einen steuerbaren Halbleiterventil zu dessen Zündung durch ein von dem Stromfluß über die Kontaktstelle erzeugten Meßsignal gesteuert wird.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der das wenigstens eine steuerbare Halbleiterventil parallel zur Kontaktstelle geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Kontaktstelle eine Meßeinrichtung (5) geschaltet

3Q ist, deren Meßsignal einer Schalteinrichtung (7) zuführbar ist, die den Steuerstrom zu dem wenigstens einen steuerbaren Halbleiterventil (¹O durchschaltet.

3 ο Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe Spannungsquelle (6) vorgesehen ist, die den Steuerstrom erzeugt.

H. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch

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Mp.-Nr. 694/81

gekennzeichnet, daß als Spannungsquelle zur Erzeugung des des Steuerstromes bzw. der Steuerspannung für das wenigstens eine Halbleiterventil der Spannungsabfall des an der Kontaktstelle (3) gezogenen Schaltlichtbogens verwendet wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalteinrichtung ein Vertikal-MOS-Feldeffekttransistor (19) vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalteinrichtung (7) zusätzlich weitere, externe, die Zuschaltung des Steuerstromes bewirkende Schaltimpulse zuführbar sind.