Entwurf, Bau und Test eines hybriden synchronen Hochstromeinschaltsystems

Abstract

Für Anwendungen in Hochstromlabors werden Leistungsschalter benötigt bei denen der Einschaltzeitpunkt des Stromkreises mit hoher Genauigkeit vorgegeben werden kann. Dieses sogenannte synchrone Schalten ist notwendig, da der Scheitelwert des Kurzschlussstromes eines Schaltkreises von der Phasenlage der treibenden Spannung zum Kurzschlusszeitpunkt abhängig ist. Im Speziellen wird daher eine Einschaltgenauigkeit von 55,56 µs gefordert, was bei einer Netzfrequenz von 50 Hz einem Winkel von 1° elektrisch entspricht. Da in Hochstromlabors außerdem große Leistungen zu schalten sind, ist es vorteilhaft, eine Kombination aus mechanischem Leistungsschalter und Thyristoren, einen sogennanten Hybridschalter, einzusetzen. Dieser Schaltertyp kombiniert die Vorteile des mechanischen Schalters sowie des Halbleiterschalters und ermöglicht es somit eine hohe Einschaltgenauigkeit bei großen Schaltleistungen zu erzielen. Aufgabe des mechanischen Leistungsschalters ist es hierbei eine hohe Stromtragfähigkeit bei geringem Bauvolumen zu ermöglichen. Der Thyristor dient andererseits dazu, das ungenaue Schaltverhalten des mechanischen Leistungsschalters auf Grund des Kontaktprellens und unvermeidlicher Schaltlichtbögen, sowie der Streuung der Einschaltzeit auszugleichen. Ziel dieser Diplomarbeit ist es nun ein dreiphasiges hybrides synchrones Hochstromeinschaltsystem zum Einsatz im Prüflabor N30 des Hochstromprüffeldes am AIT (Austrian Institute of Technology) zu entwerfen, aufzubauen und zu testen. Hierbei ist es die Hauptaufgabe den Leistungskreis des Schaltsystems bestehend aus einem Leistungsschalter und mehreren Thyristoren je Phase zu dimensionieren und in einer möglichst induktivitätsarmen Schaltung zu realisieren. Bei dieser Aufgabe kann auf Erfahrungen des AIT in der Entwicklung ähnlicher Schaltsysteme aufgebaut werden. Um die Funktionalität des hybriden Schaltsystems zu gewährleisten wird außerdem eine Steuerung benötigt. Da am AIT bereits die Steuerung eines hybriden synchronen Hochstromeinschaltsystems für ein ähnliches Schaltsystem entwickelt wurde, können Teile dieses Steuergerätes übernommen werden. Dennoch müssen z.B. die Ansteuerschaltungen des Thyristors und des Leistungsschalters an den verwendeten Leistungsschalter und die eingesetzten Thyristoren angepasst werden. Nachdem der Leistungskreis und die Steuerung aufgebaut wurden, soll schließlich die Funktionalität des hybriden synchronen Hochstromeinschaltsystems anhand einiger Messungen verifiziert werden.

Applications in high-current laboratories require circuit-breakers which are able to close an electric circuit at a precisely defined point in time. This so called "synchronous switching" is necessary, as the peak value of a circuit's short-circuit current depends on the phase angle of the driving voltage. More specifically, in case of high-current laboratories a turn-on accuracy of 55.56µs is required, which is equivalent to an electrical angle of 1° at a frequency of 50 Hz. Due to the fact that high power loads have to be switched, a combination of mechanical circuit-breaker and thyristors, a so called hybrid-switch, offers the best switching performance. This type of switch combines the advantages of the mechanical circuit-breaker and the silicon-controlled-rectifier (SCR) and allows to switch high power loads with high precision. In this combination the circuit-breaker's task is to allow high currents at a low construction-volume, while the SCRs are applied to compensate the breaker's erratic switching behaviour. The aim of this master thesis is to develop, build and test a three-phase hybrid-synchronous-switchgear to be utilized in the test-laboratory N30 at AIT (Austrian Institute of Technology). More specifically, the main circuit of the switchgear, consisting of a circuit-breaker and thyristors, has to be developed. This task also involves the design of a low-inductive circuit to connect the different components of the switchgear. Moreover, a control-system is required, in order to make a hybrid-switchgear functional. As a controller for a hybrid-synchronous-switchgear has already been designed at AIT for a similar switchgear, some parts of this system can be adapted to meet the requirements of the current device. Nevertheless, the drivers for circuit-breaker and SCR have to be redesigned to match the implemented circuit-breaker and SCR. After the main circuit and the controller have been built, the functionality of the complete system has to be verified by a set of characteristic measurements.