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Anordnung zur Überwachung des Stromflusses parallelgeschalteter Halbleiterventile
Gleichrichteranlagen mit Halbleiterventilen, beispielsweise Germanium- oder Silizium-Dioden,
die zur Umformung hoher Stromstärken bestimmt sind, erfordern die Ausrüstung jeder
Gleichrichterphase oder Ventilstrecke mit mehreren parallelgeschalteten Halbleiterventilen.
Die Zahl dieser Gleichrichterphasen stimmt mit der Pulszahl des Gleichrichters überein,
so daß beispielsweise ein sechspulsiger Gleichrichter sechs Gruppen parallelgeschalteter
Halbleiterventile besitzt.
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Da die einzelnen Halbleiterventile für den ihnen zufallenden Teilstrom
angelegt sind, erfordert der ungestörte Dauerbetrieb des Gleichrichters bei Nenngleichstrom
eine einwandfreie Parallelarbeit der Halbleiterventile. Um diese zu überwachen,
ist es notwendig, eine ständige Prüfung vorzunehmen, ob alle Halbleiterventile an
dem Stromfluß beteiligt sind und hinsichtlich ihrer Gleichrichterwirkung intakt
sind.
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Gewöhnlich ist mit jedem der parallel arbeitenden Halbleiterventile
eine Sicherung in Reihe geschaltet, die bei Störung des betreffenden Ventils, beispielsweise
bei Verlust der Sperrfähigkeit, durchbrennt. Das Durchbrennen einer Sicherung kann
aber leicht unbemerkt bleiben. Außerdem bietet das Intaktsein aller Sicherungen
noch keine Gewähr dafür, daß alle parallelgeschalteten Ventile gleichmäßig an der
Stromführung beteiligt sind. Beispielsweise können eines oder einige der Ventile
infolge schlechten Kontaktes weniger oder gar keinen Strom führen, ohne daß eine
Sicherung durchbrennt.
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Die Überwachung des Stromflusses der einzelnen Halbleiterventile erfordert
deshalb eine Messung der einzelnen Ventilströme. Diese Ventilströme verlaufen bekanntlich
impulsförmig und besitzen, da sie nur in einer Richtung fließen, eine Gleichstromkomponente.
Sie sind daher zwar mittels eines Stromwandlers übertragbar, wobei die Anwendung
der Stromwandler eine galvanische Trennung des Meßkreises von den Gleichrichterströmen
ermöglicht, aber es ist notwendig, bei der meßtechnischen Auswertung dieser Gleichstromkomponente
Rechnung zu tragen. Hierfür sind verschiedene Methoden bekannt. Eine dieser bekannten
Meßmethoden zur Übertragung von Impulsströmen mit einer Gleichstromkomponente ist
die Anwendung einer ständigen GIeichstromvormagnetisierung mittels einer
von einem Hilfsgleichstrom durchflossenen dritten Wicklung der Wandler, wodurch
ein ständiges Durchlaufen der ganzen Magnetisierungsschleife erreicht wird.
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Die überwachung des Stromflusses der einzelnen Halbleiterventile erfordert
je einen Stromwandler in den einzelnen Stromkreisen- und einen weiteren gemeinsamen,
als Summenwandler bezeichneten Stromwandler, der den Gesamtstrom der parallelgeschalteten
Halbleiterventile führt.
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Nach der Erfindung wird zur Überwachung des Stromflusses parallelgeschalteter
Halbleiterventile, die zusammen eine Phase eines Stromrichters bilden, eine Anordnung
angewendet, bei der in die einzelnen Zuleitungen der Halbleiterventile je ein als
Einzelwandler bezeichneter Stromwandler und in deren gemeinsamer Zuleitung ein weiterer
als Summenwandler bezeichneter Stromwandler eingeschaltet sind und bei der die Sekundärwicklungen
der Einzelwandler mit einem die Koinzidenz des Stromflusses der parallelgeschalteten
Halbleiterventile überwachenden und ein zu den den Sekundärwicklungen der Einzelwandler
entnommenen Eingangssignalen inverses Ausgangssignal bildenden »und«-Glied verbunden
sind, dessen Ausgangsspannung in Verbindung mit der Spannung der Sekundärwicklung
des Summenwandlers die Eingangsspannungen eines zweiten »und«-Gliedes in einer Schaltungsanordnung
bilden, bei der die beiden Eingangsspannungen bei Koinzidenz des Stromflusses aller
Halbleiterventile einen solchen Verlauf haben, daß in keinem Augenblick beide Eingangsspannungen
gleichzeitig bestehen, so daß von dem zweiten »und«-Glied kein Ausgangssignal abgegeben
wird, während bei Nichtkoinzidenz während der Impulsdauer beide Spannungen am zweiten
»und«-Glied gleichzeitig eingehen und dadurch ein Ausgangssignal hervorrufen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungsanordnung nach der Erfindung
ist, teilweise als Blockschaltbild, in Fig. 1 dargestellt und durch Fig. 2 bis 7
erläutert.
Während in Fig. 2 die Magnetisierungsschleife des Kernmaterials
der verwendeten Stromwandler wiedergegeben ist, zeigt Fig.3 die Entstehung der Sekundärspannung
der Stromwandler. In Fig. 4 bis 6 sind einige Schaltungsbeispiele für das erste
»und«-Glied der überwachungsänordnüng wiedergegeben, wobei die Anwendung von Schalttransistoren
zugrunde gelegt ist. Fig. 7 veranschaulicht die Impulsbildungen.
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Fig. 1 stellt eine Überwachungsanordnung für eine Gleichrichterphase
mit fünf parallelgeschalteten Halbleiterventilen dar. Jeder einzelne Leitungsstrang
enthält ein Halbleiterventil 1, eine Schmelzsicherung 2 und einen als Einzelwandler
bezeichneten Stromwandler 3 mit je einer Sekundärwicklung 5. Die weitere Wicklung
zur Gleichstromvormagnetisierung ist ebenso wie der zugehörige Hilfsgleichstromkreis
nicht wiedergegeben. Zur Messung des gesamten Stromes der Gleichrichterphase ist
der als Summenwandler bezeichnete Stromwandler 6 vorgesehen, der ebenfalls eine
nicht wiedergegebene Gleichstromvormagnetisierung besitzt.
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Die Sekundärwicklungen der fünf Stromwandler 3 sind mit dem »und«-Glied
4 verbunden, das zur überwachung der Koinzidenz der Ströme in den fünf Halbleiterventilen
1 dient. Das beispielsweise mit Schalttransistoren bestückte »und«-Glied, dessen
Wirkungsweise an den Schaltungsbeispielen Fig. 4, 5 und 6 noch erläutert wird, arbeitet
so, daß bei Koinzidenz der fünf Sekundärspannungen, die die Eingangssignale des
»und«-Gliedes bilden, ein zu diesen Eingangssignalen inverses Ausgangssignal entsteht,
dagegen bei Nichtkoinzidenz der fünf Sekundärspannungen infolge Ausfall eines Stromes
eines Halbleiterventils kein Ausgangssignal abgegeben wird.
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Die diesem Ausgangssignal des »und«-Gliedes 4 entsprechende Ausgangsspannung
bildet gemeinsam mit der Sekundärspannung des Summenwandlers 6 die Eingangsspannungen
eines zweiten »und«-Gliedes 7. In diesem wirken die beiden Eingangsspannungen bei
Koinzidenz des Stromflusses der Halbleiterventile so zusammen, daß kein Ausgangssignal
entsteht, während bei Nichtkoinzidenz eine impulsmäßig verlaufende Ausgangsspannung
abgegeben wird.
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Die magnetischen Verhältnisse der Stromwandler gehen aus Fig. 2 hervor.
Darin ist eine annähernd rechteckförmige Magnetisierungsschleife zugrunde gelegt
und ferner angenommen, daß die Stromwandler eine Gleichstromvormagnetisierung erfahren.
Während B die magnetische Induktion im Wandlerkern bedeutet, ist die elektrische
Durchflutung durch die Wicklungen mit 0 bezeichnet. Die Durchflutung 0 setzt sich
zusammen aus der Durchflutung 0" der einzelnen Ventilströme bzw. des gesamten Ventilstromes
der Gleichrichterphase und der Durchflutung 0, eines Hilfsgleichstromes für die
Gleichstromvormagnetisierung. Die Gleichstromvormagnetisierung soll mittels einer
nicht wiedergegebenen dritten Wicklung jedes Wandlers erzeugt werden. Sie ergibt
bei fehlendem Ventilstrom 0, den Arbeitspunkt A der Magnetisierungsschleife. Bei
Fließen der Ventilströme wird somit, wie durch den gestrichelten Pfeil dargestellt,
stets die ganze Magnetisierungscchleife durchfahren.
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Die Gleichstromvormagnetisierung ist indessen keine unerläßliche Bedingung.
Bei Verwendung von Stromwandlern mit Kernen mit normalem Dynamoblech gegebenenfalls
mit Luftspalt ist sie unter Umständen entbehrlich, jedoch ergibt sich dann eine
Geringere Ansprechempfindlichkeit der Anordnung.
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Die Strom- - und Spannungsverläufe der Stromwandler sind in Fig. 3
dargestellt. Das obere Oszillogramm zeigt den "beispielsweise bei einem sechspulsigen
Gleichrichter mit 120° Stromflußdauer zuzüglich der Kommutierungsdauer gegebenen
Ventilstrom, wobei die Nullinie des Stromes um die Durchflutung 0, gesenkt ist und
die Durchflutung (]" von dieser Nullinie ihren Ausgang nimmt. Die von dieser Durchflutung
erzeugten Sekundärspannungen U_ zeigt das untere Oszillogramm. Es ist dabei ein
so hoher im Eingang des »und«-Gliedes liegender Widerstand angenommen, daß der Wandler
kein Stromabbild darstellt, sondern differenzierend wirkt. Auf diese Weise ist sichergestellt,
daß die Überwachungsanordnung nicht nur bei Nenngleichstrom der Anlage, sondern
auch bei kleineren Teillasten arbeitet.
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Das »und«-Glied 4 ist, wie bereits erwähnt, zweckmäßig mit Schalttransistoren
ausgebildet. Hierbei sind verschiedene Ausführungsformen möglich, je nachdem, ob
die den einzelnen Halbleiterventilen zugeordneten Transistoren parallel oder in
Reihe geschaltet sind. Hiervon und von der Abnahme des Ausgangssignals hängt es
ab, ob zur Herstellung des zu den Eingangssignalen inversen Ausgangssignal ein anderer
Anschluß oder die Anwendung einer Umkehrstufe erforderlich ist oder nicht. Die Schaltung
der parallelgeschalteten Transistoren läßt sich noch vereinfachen. Es ist möglich,
mit einem einzigen Transistor auszukommen, wenn die Verbindung mit den einzelnen
Stromwandlern über Halbleiterventile zur Entkopplung der einzelnen Stromzweige erfolgt.
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Ein Schaltungsbeispiel eines »und«-Gliedes mit parallelgeschalteten
Transistoren ist teilweise in Fig. 4 wiedergegeben. Das Schaltbild zeigt fünf Transistoren
8 vom pnp-Typ in Emitter-Basis-Schaltung, die über Widerstände 9 und
10 mit den festen Spannungen -(- U1 und - U, verbunden sind. Diese Widerstände
stellen die erforderliche negative Vorspannung der Basis gegenüber dem auf dem Potential
0 befindlichen Emitter her, durch den der Transistor bei Fehlen eines Eingangssignals
stromführend ist. Die Basis jedes Transistors ist über einen Widerstand 13 mit der
zugehörigen Sekundärwicklung 5 der einzelnen Stromwandler verbunden. Die Transistoren
arbeiten über die Kollektorzuleitung auf den gemeinsamen Arbeitswiderstand 11, zwischen
dessen unteren Ende und dem Potential 0 die Ausgangsspannung UA auftritt.
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Ist ein Halbleiterventil stromführend, so liegt an der Basis des zugehörigen
Transistors die in Fig. 3 mit US bezeichnete, aus einer Folge von positiven und
negativen Impulsen bestehende Eingangsspannung U,=. Von diesen Impulsen kommen aber
nur die positiven zur Auswirkung, da der Transistor bei einem negativen Impuls nach
wie vor stromführend ist. Dementsprechend sind in Fig. 4 nur die positiven Impulse
als Eingangsimpulse der Transistoren 8 symbolisch angedeutet.
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Durch jeden dieser positiven Impulse werden die zugehörigen Transistoren
gesperrt und damit stromlos. Sind alle Halbleiterventile stromführend, so werden
durch die positiven Eingangsimpulse alle Transistoren gesperrt, und damit wird der
Arbeitswiderstand 11 stromlos. Infolgedessen entsteht ein aus negativen Impulsen
bestehendes Ausgangssignal UA. das in Fig. 4 ebenfalls symbolisch angedeutet ist.
Von
diesem Ausgangssignal ist zur Erzielung der gewünschten Zusammenwirkung mit der
Sekundärspannung des Summenwandlers 6 das zu UA inverse Ausgangssignal zu bilden.
Dies kann mittels einer in Fig.4 nicht wiedergegebenen weiteren an sich bekannten
Umkehrstufe erfolgen. Es kann aber auch an Stelle des gegen das Potential 0 gemessenen
Ausgangssignals UA das bereits inverse, gegen das Potential - U., gemessene Ausgangssignal
UÄ abgenommen werden.
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An Stelle der Schaltung nach Fig. 4 mit beispielsweise fünf parallelgeschalteten
Transistoren kann eine einfachere, in Fig. 5 dargestellte Schaltung mit nur einem
Transistor angewendet werden. Bei dieser sind die Eingangssignale über fünf der
Entkopplung dienende Halbleiterventile 14 dem gemeinsamen Transistor 8 zugeleitet.
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Bei dieser Anordnung müssen die Eingangssignale U,;, wie symbolisch
angedeutet ist, als negative Impulse zugeleitet werden. Bei fehlenden Eingangsimpulsen
führen die Halbleiterventile 14 über die Widerstände 13 und 10 einen Gleichstrom,
wodurch die Basis des Transistors positiv wird. Hierdurch ist der Transistor gesperrt.
Sind indessen bei Stromfluß aller parallelgeschalteten Halbleiterventile 1 in Fig.1
alle Eingangsimpulse vorhanden, so sind während der Impulsdauer die Halbleiterventile
14 gesperrt und stromlos, womit die Basis des Transistors über die Widerstände
10 und 12 eine negative Spannung erhält und der Transistor stromführend
wird. Damit entsteht an dem Ausgangswiderstand 11 die gegen - UZ gemessene
Ausgangsspannung UA in Form eines positiven Impulses. Am Transistor entsteht die
zu diesem inverse Ausgangsspannung U.4'. Das durch diese letztere Ausgangsspannung
gebildete Ausgangssignal hat also, abgesehen von seinem negativen Vorzeichen, die
Form, die in Zusammenwirkung mit der Sekundärspannung des Summenwandlers benötigt
wird und kann also weiter verwertet werden.
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Ein weiteres Schaltungsbeispiel für das erste »und«-Glied zeigt Fig.
6. Bei diesem sind beispielsweise fünf Transistoren in Reihe geschaltet. Jeder dieser
Transistoren ist gesperrt, wenn an der betreffenden Phase kein Eingangssignal ansteht.
Die Eingangsspannungen Ue sind als negative Impulse gegenüber dem Potential 0 zugeführt.
Mit Erscheinen des Eingangssignals wird der zugehörige Transistor leitend.
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Sind alle Halbleiterventile 1 in Fig. 1 stromführend, so daß alle
Eingangssignale in Fig. 6 anstellen, so werden alle Transistoren während der Impulsdauer
leitend und damit stromführend. Damit erscheint an dem Ausgangswiderstand 11 das
gegen - Uz ge-
messene positive Ausgangssignal UA, während über die
in Reihe geschalteten Transistoren das dazu inverse Ausgangssignal UÄ abgenommen
werden kann. Dieses entspricht, abgesehen von seinem negativen Vorzeichen, wieder
derjenigen Ausgangsspannung, die in Zusammenwirkung mit der Sekundärspannung des
Summenwandlers verwertet werden kann.
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Allen beispielsweise angeführten Schaltungen des ersten »und«-Gliedes
ist gemeinsam, daß diesem ein Ausgangssignal entnommen werden kann, das während
der Impulsdauer die Spannung 0 und außerhalb der Impulsdauer eine positive Spannung
ist. Hierbei sind die zum Ansprechen des »und«-Gliedes wirksamen Eingangsimpulse
je nach der gewählten Schaltung positiv oder negativ. Da indessen die Sekundärwicklungen
der Einzelwandler und des Summenwandlers, wie Fig. 3 zu erkennen gibt, ständig positive
und negative Impulse abgeben, so stehen dem @>und«-Glied in jedem Fall Eingangssignale
passender Polarität zur Verfügung. Es ist also auch die Anschlußweise der Sekundärwicklungen
an das erste »und«-Glied gleichgültig, sofern die Anschlußweise des zweiten »und«-Gliedes
an den Summenwandler an die des ersten »und«-Gliedes angepaßt ist, wovon noch die
Rede sein wird.
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Die Ausgangsspannung des ersten »und«-Gliedes bildet zusammen mit
der Sekundärspannung des Summenwandlers die Eingangssignale des zweiten »und«-Gliedes
7 nach Fig. 1. Das zweite »und«-Glied 7 hat im Prinzip den gleichen Schaltungsaufbau
wie das erste »und«-Glied 4 beispielsweise nach Fig.4, es entspricht einem derartigen
»und«-Glied mit nur zwei Eingangssignalen.
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Um die Wirkungsweise dieses zweiten :>und«-Gliedes in Verbindung mit
der Funktion des ersten »und«-Gliedes leichter verstehen zu können, sind die bei
Koinzidenz oder Nichtkoinzidenz des Stromflusses der Halbleiterventile entstehenden
Signale in Fig. 7 und 8 zusammengestellt. Darin zeigt Fig. 7 die Eingangs- und Ausgangssignale
des ersten »und«-Gliedes, während in Fig. 8 die Eingangs- und Ausgangssignale des
zweiten »und«-Gliedes dargestellt sind. In beiden Figuren sind in der linken mit
I bezeichneten Spalte die Signale dargestellt, die bei Koinzidenz des Stromflusses
der fünf Halbleiterventile der Fig. 1 auftreten. während in der rechten mit 1I bezeichneten
Spalt;. die Signale bei Nichtkoinzidenz des Stromflusses der fünf Halbleiterventile
gezeigt sind.
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Im ersteren Falle, also bei Koinzidenz des Stromflusses der parallelgeschalteten
Halbleiterventile, erscheinen die in Fig. 7 unter I a gezeigten und mit 1 ... 5
bezeichneten von den Einzelwandlern kommenden fünf Impulse als Eingangsimpulse des
ersten »und«-Gliedes. Sie sind positiv gezeichnet. Das gleichsinnige Ausgangssignal
dieses ersten »und«-Gliedes ist in Ib dargestellt. Das dazu inverse Ausgangssignal
ist unter I c wiedergegeben. Dieses bildet, wie Fig. 8 unter I d erkennen läßt,
das eine Eingangssignal des zweiten »und«-Gliedes, während als zweites Eingangssignal
dieses »und«-Gliedes das unter I e dargestellte, von Summenwandler abgegebene Signal
verwendet ist. Beide Signale bestehen zu keinem Zeitaugenblick gleichzeitig, schließen
sich also gegenseitig aus, so daß das zweite »und«-Glied eine Nichtkoinzidenz der
beiden Eingangssignale feststellt. Infolgedessen entsteht im zweiten »und«-Glied,
wie die Darstellung If erkennen läßt, kein Ausgangssignal. Dabei ist allerdings
darauf zu achten, daß die Anschlußweise der Sekundärwicklung des Summenwandlers
so getroffen ist, daß die Zeitdauer der Spannung Null des Ausgangssignals des ersten
»und«-Gliedes mit der Zeit des Eintreffens des Impulses des Summenwandlers zusammenfällt.
Bei Stromlosigkeit des Stromrichters entsteht ebenso wie bei fehlender Koinzidenz
im ersten »und«-Glied das unter Il c in Fig. 7 dargestellte Ausgangssignal. Da aber
in diesem Falle der Summenwandler keinen Strom führt, entfällt das Signal II e in
Fig. 8, so daß das zweite »und«-Glied kein Ausgangssignal liefert.
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Im zweiten Falle, also bei Nichtkoinzidenz des Stromflusses der parallelgeschalteten
Halbleiterventile erscheinen wiederum ähnliche Impulse wie die in Fig. 7 unter I
a als Eingangssignale des ersten »und«-Gliedes gezeigten, jedoch ist ihre Zahl beispielsweise
um Eins vermindert, was in der Darstellung II a durch
die Ziffern
1... 4 angedeutet ist. Infolgedessen fällt das gleichsinnige Ausgangssignal
des ersten »und«-Gliedes aus, was die Darstellung IIb ergibt. Das dazu inverse Signal
ist in Il c als konstante Spannung dar--estellt. Dieses bildet wieder das in Fig.
8 unter Il d
wiederholte eine Eingangssignal des zweiten »und«-Gliedes, während
das zweite vom Summenwandler abgegebene Eingangssignal des zweiten »und«-Gliedes,
das in Ile wiedergegeben ist, gegenüber dem Signal 1e unverändert geblieben ist.
Es besteht somit für das zweite »und«-Glied während der Impulsdauer eine Koinzidenz
der Eingangssignale, so daß der in Il f wiedergegebene Ausgangsimpuls abgegeben
wird. Die diesem entsprechende Spannung kann zur Störungsanzeige weiter ausgenutzt
werden.
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Die einwandfreie Funktion der überwachungseinrichtung setzt voraus,
daß die Magnetisierungsschleife der Einzelwandler und des Summenwandlers bei jedem
Stromimpuls ganz oder zumindest zu einem wesentlichen Teil durchlaufen wird. Da
dies erst bei einem bestimmten Mindestgleichstrom des Halbleiter-Stromrichters der
Fall ist, muß bei Anlagen, bei denen im Betrieb Stromänderungen bis 0 vorkommen,
die Überwachungseinrichtung unterhalb dieser Mindeststromstärke abgeschaltet werden.
Deshalb ist nach einer Weiterentwicklung der Erfindung ein an den Summenwandler
angeschlossener Stromwächter vorgesehen, der unterhalb der genannten Mindeststromstärke
die Überwachungseinrichtung, beispielsweise durch Unterbrechung ihrer Betriebsgleichspannungen
oder Abtrennung der Ausgangsleitung des zweiten »und«-Gliedes, abschaltet.
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In manchen Fällen ist eine Anzeige, daß innerhalb einer Gleichrichterphase
der Stromfluß eines Halbleiterventils unterbrochen ist, nicht voll befriedigend,
nämlich dann, wenn auch noch das ausgefallene Halbleiterventil selbst angezeigt
werden soll. Um diese Anzeige eines gestörten Halbleiterventils zu ermöglichen,
kann die Koinzidenz zwischen jedem einzelnen tientilstrom mit dem Summenstrom überwacht
werden. Dies kann nach dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel durch die Anordnung
von fünf getrennten, an den Summenwandler 6 angeschlossenen »und«-Gliedern 7 erreicht
werden, wobei das erste »und«-Glied 4 in Fortfall kommt.
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Eine derartige Einzelüberwachung der Halbleiterventile ist aber mit
geringem Aufwand möglich, wenn man an die Sekundärwicklungen der einzelnen Stromwandler
Glühlampen anbringt, deren Aufleuchten eine optische Anzeige des Stromflusses des
betreffenden Halbleiterventils ist. Ebensogut lassen sich hierfür auch Glimmlampen
verwenden, jedoch müssen dann unter Umständen spezielle Hilfswicklungen auf den
Stromwandler aufgebracht werden, um die erforderliche hohe Zünd- und Brennspannung
der Glimmlampen zu erhalten.
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Bei Großanlagen wird man jedoch meist Wert darauf legen, auch mit
den Anlagenteil, in dem ein Ventil ausgefallen ist, noch so lange weiterzufahren,
bis eine Stillegung ohne betriebliche Nachteile vorgenommen werden kann. In einem
solchen Fall muß allerdings Vorsorge getroffen werden, daß die restlichen Ventile
des gestörten Ventilzweiges nicht unzulässig überlastet werden. Erfahrungsgemäß
läßt sich dies bei Anlagen mit automatischer Stromregelung dadurch erreichen, daß
bei Signalabgabe der Sollwert für den Gleichstrom der Anlage bzw. Anlagengruppe
automatisch, z. B. durch Umschalten mittels Relais, so weit reduziert wird, daß
der Betrieb ohne Überlastung der restlichen Ventile weitergeführt werden kann.