DE2135897B2 - SWITCHING OF A THYRISTOR DC SWITCH WITH THREE VIBRANT CIRCUITS - Google Patents
SWITCHING OF A THYRISTOR DC SWITCH WITH THREE VIBRANT CIRCUITSInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Thyristorschalter für Gleichstrom (Stromwendung), der für periodisches Schalten und Abschalten eines Gleichstroms geeignet ist.The invention relates to a thyristor switch for direct current (commutation) for periodic Switching and disconnecting a direct current is suitable.
Thyristorschalter werden oft in solchen Schaltungen benützt, bei denen eine große Schaltfrequenz ge-Thyristor switches are often used in such circuits where a high switching frequency is
fordert wird, wie insbesondere bei Impulswandlern. Da mit Rücksicht auf die Funktion des Kommutierungskreises der Thyristorschalter stets für eine gewisse minimale nötige Zeitspanne geschaltet und für eine bestimmte minimale nötige Zeitspanne abgeschaltet werden muß, ist die Schaltfrequenz begrenzt. Ein Nachteil der bekannten Typen von Thyristorschaltern liegt in ihrer verhältnismäßig großen minimalen Zeitspanne des Abschaltens.is required, as is particularly the case with pulse converters. As with regard to the function of the commutation circuit the thyristor switch is always switched for a certain minimum required period of time and for the switching frequency is limited. A disadvantage of the known types of thyristor switches is their relatively large minimum size Shutdown time.
An den bekannten Typen von Thyristorschaltern mit einem und zwei Schwingungskreisen ist diese Zeitspanne durch das langsame Umladen des Kommutierungskondensators nach Abschaltung des Schaltthyristors gegeben. Hiermit hängt auch der problematische Betrieb des Schalters bei sehr niedrigen Werten des Laststromes zusammen.This is on the known types of thyristor switches with one and two oscillating circuits Time span due to the slow reloading of the commutation capacitor after switching off the Switching thyristor given. This also depends on the problematic operation of the switch at very low levels Values of the load current together.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das langsame Umladen des Kommutierungskondensators zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung eines Thyristor-Gleichstromschalters mit drei Schwingungskreisen gelöst. Diese Schaltung besteht aus einem Schaltthyristor, aus einer Diode eines zweiten Schwingungskreises, aus einem Abschaltthyristor, aus einem Kommutierungszweig und aus einem Zweig eines dritten Schwingungskreises. In dem dritten Schwingungskreis ist parallel zum Schaltthyristor eine Diode eines zweiten Schwingungskreises so angeschlossen, daß die Kathode dieser Diode mit der Anode des Schaltthyristors verbunden ist.The invention is based on the slow charge reversal of the commutation capacitor to eliminate. This object is achieved by the invention of a thyristor DC switch with three Oscillation circles solved. This circuit consists of a switching thyristor, a diode of a second Oscillating circuit, a switch-off thyristor, a commutation branch and a branch of a third oscillation circuit. In the third oscillating circuit there is a parallel to the switching thyristor Diode of a second resonant circuit connected so that the cathode of this diode with the Anode of the switching thyristor is connected.
Parallel zum Schaltthyristor ist ein Kommutierungszweig angeschlossen, der aus einer Reihenschaltung eines Kommutierungskondensators, einer Drossel und einer Diode besteht. Parallel zur Drossel und zum Kondensator des Kommutierungszweiges ist der Abschaltthyristor so angeschlossen, daß der Zweig, der durch die Reihenschaltung des Abschaltthyristors und der Diode des Kommutierungszweiges entsteht, denselben Sinn der Leitfähigkeit besitzt wie der Zweig des Schaltthyristors.A commutation branch consisting of a series circuit is connected in parallel to the switching thyristor a commutation capacitor, a choke and a diode. In parallel with the throttle and The switch-off thyristor is connected to the capacitor of the commutation branch in such a way that the branch caused by the series connection of the switch-off thyristor and the diode of the commutation branch, has the same sense of conductivity as the branch of the switching thyristor.
Die Erfindung besteht darin, daß der dritte Schwingungskreis, der aus einer Reihenschaltung des Hilfsthyristors und einer Drossel besteht, mit dem einen Ende an den Löschzweig und mit dem zweiten Ende an den dem Anschluß des Löschzweiges ar der Gleichspannungsquelle entgegengesetzten Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und daß der dritte Schwingungskreis derart gesteuert ist, daß dem Hilfsthyristor der Steuerimpuls stets im Augenblick des Erlöschens des Stromes durch die Diode des zweiten SchwingungsKreises zugeleitet wird.The invention consists in that the third oscillation circuit, which consists of a series connection of the auxiliary thyristor and a choke, with one End to the extinguishing branch and the second end to the connection of the extinguishing branch ar the DC voltage source opposite pole of the DC voltage source is connected, and that the third oscillating circuit is controlled in such a way that the auxiliary thyristor always receives the control pulse at the moment the extinction of the current is fed through the diode of the second oscillation circuit.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in einigen Ausführungsbeispielen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtThe invention is shown in the drawing in some exemplary embodiments and is described in more detail below. It shows
rig. 1 einen Schaltthyristor, dessen Anode mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist,rig. 1 a switching thyristor whose anode with the positive pole of a DC voltage source is connected,
Fig. 2 einen Schaltthyristor, dessen Kathode mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, ao Fig. 2 shows a switching thyristor, the cathode of which is connected to the negative pole of a DC voltage source, ao
Fig. 3 eine Anordnung der Schaltung zur Rückgewinnung der Energie aus dem Motor,3 shows an arrangement of the circuit for recovering the energy from the motor,
Fig. 4 ein Schaubild des Spannungszeitverlaufes an dem Löschkondensator.4 shows a diagram of the voltage time profile on the quenching capacitor.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 ist die »5 Anode des Schaltthyristors 2 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 1 verbunden. Parallel zum Schaltthyristor 2 ist die Diode 4 des zweiten Schwingungskreises so angeschlossen, daß die Kathode der Diode mit der Anode des Thyristors verbunden ist.According to the illustration in FIG. 1, the »5 The anode of the switching thyristor 2 is connected to the positive pole of the DC voltage source 1. Parallel to Switching thyristor 2, the diode 4 of the second resonant circuit is connected so that the cathode of the Diode is connected to the anode of the thyristor.
Parallel zum Schaltthyristor 2 ist ein Löschzweig angeschlossen, der aus einer Reihenschaltung des Löschkondensators 6, der Drossel 7 und der Diode 5 besteht, wobei ein Pol des Kondensators 6 mit der Anode verbunden und die Kathode der Diode 5 mit der Kathode des Schaltthyristors 2 verbunden ist. Parallel zum Kondensator 6 und zur Drossel 7 ist der Abschaltthyristor 3 so angeschlossen, daß die Anode des Abschaltthyristors 3 mit der Anode des Schaltthyristors 2 verbunden ist. Der Zweig des dritten Schwingungskreises, der aus einer Reihenschaltung der Drossel 9 und des Hilfsthyristors 8 besteht, ist zwischen die Verbindungsstelle des Kondensators 6 und der Drossel 7 und (über die Kathode des Hilfsthyristors 8) den negativen Pol der Gleichspannungsquelle 1 geschaltet. In parallel with the switching thyristor 2, a quenching branch is connected, which consists of a series circuit of the Quenching capacitor 6, the choke 7 and the diode 5, one pole of the capacitor 6 with the Connected anode and the cathode of the diode 5 is connected to the cathode of the switching thyristor 2. In parallel with the capacitor 6 and the choke 7, the turn-off thyristor 3 is connected so that the anode of the switch-off thyristor 3 is connected to the anode of the switching thyristor 2. The branch of the third oscillation, which consists of a series connection of the choke 9 and the auxiliary thyristor 8 is between the junction of the capacitor 6 and the choke 7 and (via the cathode of the auxiliary thyristor 8) the negative pole of the DC voltage source 1 is switched.
Der Thyristorschalter nach Fig. 2 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Schaltung dadurch, daß die Kathode des Schaltthyristors 2 an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen ist und der Löschzweig parallel zum Schaltthyristor 2 liegt, derart, daß die Kathode der Diode 5 mit der Kathode und die Drossel 7 mit der Anode des Schaltthyristors 2 verbunden ist und die Anode des Hilfsthyristors 8 an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen und durch die Drossel 9 mit dem Löschkondensator 6 verbunden ist. Dabei ist die Drossel 9 und die Drossel 7 des Löschzweigs ein und dasselbe Element.The thyristor switch according to Fig. 2 differs from the circuit described above in that that the cathode of the switching thyristor 2 is connected to the negative pole of the DC voltage source 1 is and the quenching branch is parallel to the switching thyristor 2, such that the cathode of the diode 5 with the Cathode and the choke 7 is connected to the anode of the switching thyristor 2 and the anode of the auxiliary thyristor 8 connected to the positive pole of the DC voltage source 1 and through the choke 9 is connected to the quenching capacitor 6. The throttle 9 and the throttle 7 of the extinguishing branch are on and the same element.
Im Verlauf des Lösch- oder Kommutierungsprozesses werden bei den beschriebenen Schaltungen drei Schwingungskreise benützt. Ein Bestandteil jeden Schwingkreises ist ein Löschkondensator 6. Ein Bestandteil des ersten und des zweiten Schwingungskreises ist die Drossel 7. Der erste Schwingungskreis schließt über den Abschaltthyristor 3. Der zweite Schwingungskreis schließt über die Diode 5 des Kommutierungszweiges und über die Diode 4 des zweiten Schwingungskreises. Ein Bestandteil des dritten Schwingungskreises ist die Drossel 9. Der dritte Schwingungskreis schließt über den Hilfsthyristor 8 und über die Gleichspannungsquelle 1. (In Fig. 2 bilden die Drossel 9 des dritten Schwingungskreises und die Drossel 7 des Kommutierungszweiges ein und dasselbe Element.)In the course of the erase or commutation process, three of the circuits described Oscillation circles used. A component of every resonant circuit is a quenching capacitor 6. One component of the first and the second oscillation circuit is the throttle 7. The first oscillation circuit closes via the switch-off thyristor 3. The second oscillating circuit closes via the diode 5 of the commutation branch and via the diode 4 of the second oscillating circuit. Part of the third The resonance circuit is the choke 9. The third resonance circuit closes via the auxiliary thyristor 8 and via the DC voltage source 1. (In Fig. 2 form the choke 9 of the third oscillation circuit and the choke 7 of the commutation branch and same element.)
Das Funktionsprinzip des Thyristorschalters wird auf Grund eines Beispieles einer SchaltungsVariante, die in Fig. 1 dargestellt ist, erläutert.The functional principle of the thyristor switch is based on an example of a circuit variant, which is shown in Fig. 1 is explained.
Die Schaltung des Thyristorschalters nach Fig. 1 arbeitet folgendermaßen: Nehmen wir an, daß der Thyristorschalter mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz (z. B. 400 Hz) periodisch ein- und abgeschaltet wird. Der Spannungszeitverlauf an Löschbzw. Kommutierungskondensator 6 ist für das Intervall eines Arbeitszyklus »geschaltet — abgeschaltet« in Fig. 4 dargestellt. Falls der Schaltthyristor 2 abgeschaltet ist, liegt an der Last 10 eine Nullspannung. Infolge der Freisetzung der elektromagnetischen Energie, die sich in der Induktivität der Last 10 in dem vorhergehenden Intervall der Schaltung des Schaltthyristors 2 gebildet hat, fließt der Strom der Last durch die Nulldiode 11. Infolge des vorhergehenden Abschaltungsprozesses des Schaltthyristors 2 liegt an dem Kommutierungskondensator 6 die Spannung Uc> U1. Der Schaltthyristor 2 wird durch die Zuleitung des Steuerimpuls an die Steuerelektrode leitend (der Augenblick des Einschaltens des Schaltthyristors 2 ist in Fig. 4 durch t, bezeichnet). An der Last liegt eine Spannung U1 und der Laststrom beginnt über den Schaltthyristor 2 zu fließen. Der Abschaltthyristor 3 ist nach Zuleitung des Steuerimpulses auf seine Steuerelektrode leitend (der Augenblick des Einschaltens des Abschaltthyristors ist in Fig. 4 durch t2 bezeichnet). Der Kommutierungskondensator 6 wird über den Abschaltthyristor 3 und über die Drossel 7 des Kommutierungszweigs umgeladen (d. h. im ersten Schwingungskreis) auf eine Spannung von etwa U1. Nach diesem Umladen folgt das Sperren des Schaltthyristors 2 und ein neuerliches Umladen des Kommutierungskondensators 6 durch den Strom, der über die Last fließt (nach Erlöschen des Stromes durch den Schaltthyristor 2 erlöscht nicht der Laststrom infolge der in der Induktivität der Last 10 angesammelten Energie), was durch den Strom, der im zweiten Schwingungskreis fließt, beschleunigt wird (d. h. im Kreise die Diode 4 des zweiten Schwingungskreises, der Kommutierungskondensator 6 und die Drossel des Koinmutierungszweiges 7). Die Elemente des Kommutierungskreises müssen so gewählt werden, daß nach dem Sperren des Schaltthyristors 2 auf diesem Thyristor noch für die Zeit der Erneuerung seines Sperrvermögens durch den Kommutierungskondensator 6 eine kleine Spannung in Sperrichtung aufrechterhalten wird. Im Verlauf des Umladens des Kommutierungskondensators 6 liegt an dem Schaltthyristor 2 keine Spannung in Sperrichtung während des Intervalls der Leitung des Stromes durch die Diode 4 des zweiten Schwingungskreises. Im Augenblick des Erlöschens des Stroms durch die Diode 4 des zweiten Schwingungskreises (in Fig. 4 ist dieser Augenblick mit i4 bezeichnet) ist der Hilfsthyristor 8 durch die Zuleitung eines Steuerimpulses auf seine Steuerelektrode leitend. Da in diesem Augenblick die Spannung an dem Kommutierungskondensator 6 hauptsächlich dank der Dämpfung der Schwingungs-The circuit of the thyristor switch according to FIG. 1 works as follows: Let us assume that the thyristor switch is switched on and off periodically at a relatively high frequency (e.g. 400 Hz). The voltage time curve at delete or Commutation capacitor 6 is shown "switched - switched off" in FIG. 4 for the interval of an operating cycle. If the switching thyristor 2 is switched off, there is a zero voltage across the load 10. As a result of the release of the electromagnetic energy that has formed in the inductance of the load 10 in the previous interval of the switching of the switching thyristor 2, the current of the load flows through the zero diode 11. As a result of the previous disconnection process of the switching thyristor 2 is on the commutation capacitor 6 Voltage U c > U 1 . The switching thyristor 2 becomes conductive when the control pulse is fed to the control electrode (the instant when the switching thyristor 2 is switched on is denoted by t in FIG. 4). A voltage U 1 is applied to the load and the load current begins to flow through the switching thyristor 2. The turn-off thyristor 3 is conductive after the control pulse has been fed to its control electrode (the instant when the turn-off thyristor is turned on is denoted by t 2 in FIG. 4). The commutation capacitor 6 is reloaded via the switch-off thyristor 3 and via the choke 7 of the commutation branch (ie in the first resonant circuit) to a voltage of approximately U 1 . After this charge reversal, the switching thyristor 2 is blocked and the commutation capacitor 6 is again charged by the current flowing through the load (after the current through the switching thyristor 2 has been extinguished, the load current does not go out due to the energy accumulated in the inductance of the load 10), which is accelerated by the current flowing in the second oscillating circuit (ie in a circle the diode 4 of the second oscillating circuit, the commutation capacitor 6 and the choke of the commutation branch 7). The elements of the commutation circuit must be chosen so that after the switching thyristor 2 has been blocked on this thyristor, a small reverse voltage is maintained for the time when its blocking capacity is renewed by the commutation capacitor 6. In the course of the charge reversal of the commutation capacitor 6, there is no reverse voltage across the switching thyristor 2 during the interval of conduction of the current through the diode 4 of the second resonant circuit. At the moment when the current through the diode 4 of the second resonant circuit is extinguished (this moment is denoted by i 4 in FIG. 4), the auxiliary thyristor 8 is conductive when a control pulse is applied to its control electrode. Since at this moment the voltage on the commutation capacitor 6 is mainly due to the damping of the oscillation
kreise die Größe Ur< V1 beträgt, wird der Kommutierungskondensator 6 aus der Gleichspannungsquelle 1 über die Drossel 9 des dritten Schwingungskreises und über den Hilfsthyristor 8 (d. h. im dritten Schwingungskreis) auf eine Spannung gleich Uc> LJ1 aufgeladen. Beim Umladen des Kommutierungskondensators 6 muß beachtet werden, daß der Schaltthyristor für eine gewisse minimale nötige Zeitspanne leitend und für eine gewisse minimale nötige Zeitspanne gesperrt sein muß. Der dritte Schwingungskreis be- ίο schleunigt bei kleinen Lastströmen das Nachladen des Kommutierungskondensators 6 erheblich, das nach dem Sperren des Stroms der Diode 4 des zweiten Schwingungskreises erfolgt. Dadurch wird die minimale nötige Zeit für das Abschalten herabgesetzt. Das Funktionsprinzip der in Fig. 2 dargestellten Variante ist analog.circles the size U r <V 1 , the commutation capacitor 6 is charged from the DC voltage source 1 via the choke 9 of the third oscillation circuit and the auxiliary thyristor 8 (ie in the third oscillation circuit) to a voltage equal to U c > LJ 1 . When reloading the commutation capacitor 6, it must be ensured that the switching thyristor must be conductive for a certain minimum required time span and blocked for a certain minimum required time span. The third oscillation circuit accelerates the reloading of the commutation capacitor 6 considerably in the case of small load currents, which takes place after the current of the diode 4 of the second oscillation circuit has been blocked. This reduces the minimum time required for switching off. The functional principle of the variant shown in FIG. 2 is analogous.
Die Erfindung kann zum Beispiel für die Regelung des Mittelwerts der Spannung an der Last benützt werden, die aus einer konstanten Gleichspannungsquelle gespeist wird. In Fig. 3 ist eine von den Anwendungsmöglichkeiten, und zwar die Schaltung für die Rückgewinnung der Energie z. B. vom Motor in die Gleichspannungsquelle dargestellt.The invention can, for example, be used to regulate the mean value of the voltage across the load which is fed from a constant DC voltage source. In Fig. 3 is one of the possible applications namely the circuit for the recovery of energy z. B. shown by the motor in the DC voltage source.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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