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Einrichtung zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung.
Bei den bisher vorgeschlagenen Einrichtungen zur Umformung von Gleichstrom in Gleichstrom mittels gittergesteuerter Entladungsgefässe, vorzugsweise mit Dampf-oder Gasfüllung, ist es notwendig, dass der Gleichstrom mittels gittergesteuerter Entladungsgefässe in Wechselstrom umgeformt wird (Wechselrichtung) und der erzeugte Wechselstrom mittels weiterer Entladungsgefässe in Gleichstrom umgeformt wird (Gleichrichtung). Die Umspannung konnte nur dann erzielt werden, wenn die Induktivität des Haupttransformators zusammen mit einer parallel geschalteten Kapazität einen Schwingungskreis bildete, der durch die Gleichstromstösse der gittergesteuerten Entladungsgefässe in Eigenschwingungen versetzt oder durch ein taktgebendes Netz mit geringer Leistung unterhalten wurde.
Mit der Frequenz dieses Kreises geht die primäre Ausgangsenergie des gittergesteuerten Entladungsgefässes durch den Umspannungstransformator in den Gleichrichter über, u. zw. geht dieser Übergang infolge der Ähnlichkeit der Entladung in beiden Gefässen fast ohne Speicherung von Energie vor sich.
Da aber die Klemmspannung des gesteuerten Gefässes aus der Differenz von primärer Gleichspannung und einer Gegenspannung des Umspanntransformators entsteht und die Klemmenspannung des ungesteuerten Gefässes sich aus der Spannung des Umspamìtransformators und der Gegenspannung des Netzes ergibt, sind die sich entsprechenden Momentanwerte des Stromes im gesteuerten und ungesteuerten Entladungsgefäss auch bei Berücksichtigung der Transformatorübersetzung nicht immer gleich, so dass dennoch eine Speicherung und Rückgabe der Energie innerhalb einer Periode auftritt. In den bekannten Schaltungen findet diese Speicherung in einem Kondensator statt, der zusammen mit dem Umspanntransformator einen Schwingungskreis bildet und sowieso zur Einhaltung der Umspannfrequenz notwendig ist.
Für grössere Umspannleistungen würde der Kondensator unwirtschaftliche Grössen annehmen, so dass die Anwendung der Schaltungen beschränkt ist.
Erfindungsgemäss fällt diese Beschränkung fort, wenn man von der Selbsterregung der Anordnung zur Fremderregung übergeht und dem Umspanntransformator in einer tärtiären Wicklung eine Erregerspannung mit nahezu rechteckigem Spannungsverlauf zuführt. Durch diese Massnahme werden die Entladungsvorgänge abhängig von der zugeführten, taktgebenden Spannung und ihrer Kurvenform, so dass die Unterschiede in den Anodenspannungen der Entladungsgefässe klein werden und die Momentanwerte der elektrischen Grössen in beiden Entladungsgefässen nicht mehr wesentlich voneinander abweichen, um einer Ausgleichung durch Speieherung bzw. Rücklieferung zu bedürfen. Ausserdem werden Einrichtungen vorgesehen, die durch besondere lastabhängige Zusatzspannungen den Maximalwert dieser Erregerspannung lastabhängig regeln.
Zur sicheren Ablösung des Lichtbogens von einer Anode und Übergang auf die folgende werden sowohl beim Wechselrichter als auch beim Gleichrichter der Anodenspannung Spannungsstösse durch einen Schalttransformator überlagert.
In der Zeichnung ist eine Schaltung zur Ausübung des Verfahrens gemäss der Erfindung dargestellt.
Die Fig. 1 zeigt eine Umformerschaltung mit Wechselrichter und Gleichrichter und Fig. 2 einen Schalttransformator allein.
In der Fig. 3 ist der Spannungsverlauf für verschiedene Teile der Anordnung dargestellt, während Fig. 4 das Bild einer vierpoligen Umformeranlage mit den Spannungsquellen gibt.
In der Fig 1 wird das gittergesteuerte Entladungsgefäss 1 mit den Gittern 2 und. 3 und den Anoden 4 und 5 vom Gleichspannungsnetz 10 über eine primäre Wicklung 22 mit Mittelanzapfung 24 des
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Transformators 26 und zwei nichtgezeichneten Schalttransformatoren, die bei 8 und 9 in den Anodenkreis eingesetzt sind, gespeist. Der Transformator 26 trägt ausserdem noch eine tertiäre Erregerwicklung 21 und eine Sekundärwicklung 23 mit Mittelanzapfung 25, die die Anoden 14 und 15 des Gleichrichters 11 speist.
In den Anodenkreis des Gleichrichters sind bei 18 und 19 wieder Schalttransformatoren eingefügt. Über eine Drossel 17 ist die Gleichrichterkathode 16 an den Pluspol des sekundären Gleichspannungsnetzes 20 und mit der Mittelanzapfung 23 der Sekundärwicklung 23 an den Minuspol des Netzes angeschlossen.
Die bei 8 und 9 in den Anodenkreis des Wechselrichters und bei 18 und 19 in den Anodenkreis des Gleichrichters eingefügten Schalttransformatoren sind in der Fig. 2 mit ihren Wicklungen dargestellt. Die Schenkelwicklung 31 des Transformators liegt in einer Wechselrichteranodenleitung (z. B. 8), während die andre Schenkelwicklung 32 in der entsprechenden Gleichriehteranodenleitung liegt (z. B. 18). Die Joehwicklung 35 ist die Erregerwicklung des Schalttransformators. Die beiden Wicklungen 31 und 32 erzeugen je ein Feld 33 und 34 von gleicher Grösse und gleicher Richtung, welche durch das Feld der Wicklung 85 vollkommen aufgehoben werden können. Dieses Gegeneinanderwirken der Felder tritt dauernd ein.
Jedoch wird in dem Augenblick, in dem die angeschlossenen Anoden den Lichtbogen übernehmen sollen, der Wicklung 35 noch eine weitere Spannung, die Schaltstossspannung, zugeführt. Durch die Anordnung der Erregerwicklung auf den Jochen werden die Gleichstromvormagnetisierung aufgehoben und Störungen in den Wicklungen 31 und 32 stark gedämpft.
Der zeitliche Verlauf der elektrischen Grössen an den einzelnen Teilen der Umspannungsanlage ist in den Fig. 3 a-3 e gezeigt. Die Kurve 41 (Fig. 3 d) stellt den Verlauf der der Erregerwicklung 21 aufgedrückten Spannung dar und die Kurve. 42 (Fig. 3 c) den Spannungsverlauf in der oberen Hälfte der Umspanntransformatorenwicklung 22. Entsprechend gibt die Kurve 50 (Fig. 3 a) den Spannungsverlauf in der unteren Hälfte der Wicklung 23 wieder. Für die Kurven 43 und 51 gilt analog dasselbe in den andern Wicldungshälften der Wicklungen 22 und 23. Die Ordinate o-e (Fig. 3 c) stellt die Gleichspannung des primären Netzes 10 und die Ordinate o-a (Fig. 3 a) die abgegebene Gleichspannung des Netzes 20 dar.
Den Verlauf der negativen Sperrspannungen an den Gittern des Wechselrichters zeigen die Kurven 46 und 47 (Fig. 3 b), u. zw. steuert die Spannung mit der Kurve 46 die Elektrode mit der Kurve 42 und die Spannung 47 die Elektrode mit der Kurve 43. Die Kurve 48 (Fig. 3 e) gibt ein Bild vom Verlauf der durch die Wicklung 35 im Umschalttransformator erzeugten Spannungsstösse.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende :
Bei positivem Gitter 2 wird die Anode 4 zünden und nicht wieder verlöschen. Die ganze Gleichspannungsleistung würde dann im Lichtbogen und im ohm'schen Widerstand des Kreises vernichtet.
Nun wird aber durch die Erregung der Transformatorenwicklung 21 (Kurve 41) in der oberen Halbwicklung 22 eine entsprechende Spannung (Kurve 42) erzeugt, die so in Phase und Grösse abgeglichen ist, dass sie der Gleichspannung des Netzes 1 entgegenwirkt und für die Zeit fehlender negativer Gitterspannung (Zeit 100-101 und 104-105 in Fig. 3 e) nur einen Gleichspannungsrest zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens und zur Deckung der Verluste übriglässt. An der Anode 4 herrscht somit ein Spannungverlauf, wie ihn die schraffierte von der Kurve 42 (Fig. 3 c) umrandete Fläche zeigt. Während der
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wieder zünden, wenn nicht mittlerweile die Spannung des Gitters 2 negativ geworden wäre (Kurve 46) und für die Zeit 101-104 auch negativ bleibt.
Wenn zur Zeit 104 das Gitter 2 wieder positiv wird, erfolgt gleichzeitig ein neuer Sapnnungsstoss 48 im Anodeiikreis,-der das'Cberspringen des Lichtbogens von der andern brennenden Anode, z. B. 5, auf die Anode 4 erleichtert. Für die Anode 5 vollzieht sich derselbe Vorgang, um ungefähr 1800 verschoben, entsprechend dem Spannungsverlauf nach den Kurven 41, 43, 47, 49 und 51. Die Spannungsstösse 4 bzw. 49 bewirken immer im Wechselrichter und entsprechenden Gleichrichter gleichzeitig eine Herabsetzung der Bogenspannung an der brennenden Anode und eine Erhöhung an der einsetzenden Anode, um so einen schnellen Übergang des Bogens von einer Anode zur andern zu ermöglichen.
Diese Betriebsart erfordert möglichst rechteckige Spannungsimpulse, mindestens aber Spannungen mit einem flachen Maximum, wie sie durch die Kurven 42 und 43 dargestellt sind und wie sie durch die Erregung (Kurve 41) dem Umspanntransformator aufgedrückt werden. Dabei ist noch zu berücksichtigen, dass die Spannungsquelle der Erregung der Transformatorenwicklungen die Eisenverluste des Transformators und die Kupferverluste der Zuleitungen und Erregerwicklungen decken muss und weiterhin auch noch in der Spannungsgrösse der Belastung bzw. den primären Verlusten anzupassen sein muss.
Da bei steigender Last die ohm'schen Verluste auf der Wechselrichterseite steigen, die Lichtbogen Verluste aber infolge der fallenden Charakteristik fallen, ergibt sich je nach der Gesamtdimensionierung ein mit
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Erregerspannung und eine Erhöhung der Lichtbogenspannung durch Verengerung der Entladungs- bahnen so ausgeglichen werden muss. dass die Verluste auf jeden Fall mit steigender Last steigen.
Um eine möglichst gleichförmige sekundäre Gleichspannung zu erhalten, verwendet man bekanntlich Wechselrichter und Gleichrichter mit mehreren Entladungsbahnen. Eine solche Einrichtung mit vier Entladungsbahnen zeigt die Fig. 4, in der der Umspanntransformator 26 zwei um 900 gegeneinander verschobene Wicklungen ac und bd mit dazugehörigem Gleichrichter 11 sowie Schalttrans- formatoren. 30 c-f ! besitzt. Gleichzeitig sind in der Fig. 4 die elektrischen Vorrichtungen dargestellt, mit denen sich die lastabhängige Erregung des Umspanntransformators 26, die Erregung der Schalttransformatoren. 30 und die Erregung des Steuerelektroden 2 cd und 3 ab erreichen lässt. Zu diesem Zweck sind auf einer gemeinsamen Achse 70 eine Reihe von Generatoren und Kommutatoren angebracht, die von einem Motor 80 mit konstanter Umlaufzahl angetrieben werden.
Der Generator 72 erregt die Wick- lungen 21 a und b des Umspanntransformators 26 durch die Schleifringe 73 mit nahezu rechteckförmiger Spannung. Die Felderregung des Generators 72 geschieht durch das Netz 10 oder eine Spannungsquelle, deren Spannung der Spannung des Netzes 10 proportional ist und einer Feldzusatzwicklung 74 mit einer von der Belastung des Wechselrichters abhängigen Spannung, die im Generator 71 mit der lastabhängigen Erregung 75 erzeugt ist. Durch die Summe oder Differenz der Spannungsabfälle an zwei in die primäre und sekundäre Gleichstromleitung eingebauten Widerständen 91 und 92 wird ein Schnellregler 76 am Generator 72 betätigt, mit dem so die Erregung den Lastschwankungen angepasst wird.
Um die recht- eckförmigen Erregerspannungen in den Wicklungen 22 und 23 aufrechtzuerhalten, muss die Erregerwicklung 21 des Transformators 26 die Kupfer-und Eisenverluste bei veränderlicher Last decken, so dass noch eine zusätzliche Energiequelle in die Erregerleitung einzuschalten ist. Es ist hier beispielsweise für jeden Teil der Wicklung 27 ein kleiner Hauptstrom-Weehselspannungsgenerator 77 vorgesehen, der im Erregerkreis einen negativen Widerstand darstellt. Die Regulierung erfolgt durch zwei Wattmeter 78 oder zwei Widerstände 79, die über Relais die Regler 81 bewegen.
Dabei müssen aber die Widerstände 79 das gleiche Verhältnis von Wirk-und Blindwiderstand aufweisen wie die Leiterkombination des Erregerstromkreises selbst.
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wicklung 83 vorgesehen, der seine lastabhängige Spannung über Schleifringe 84 und 85, Kommutatoren 86 zuführt, die sie stossweise an die Wicklungen : 35 der Sehalttransformatoren 30 a-d abgeben. Unabhängig von den einzelnen Stössen wird den Wicklungen 35 ein Kompensationsstrom zugeführt, der das Gesamtfeld der Wicklungen : 31 und 32 aufhebt. Es lässt sieh diese Zuführung leicht durch die Hintereinanderschaltung der Generatorspannung 82 mit der Generatorspannung 71 über den Schleifring 87 und die Sammelschienen 88 erreichen.
Der Generator 71 liefert in diesem Falle den lastabhängigen Kompensationsstrom.
Die Steuerspannung für die Steuerelektroden 2 cd und J ab wird über einen Kommutatorsatz 89 aus einer Spannungsquelle 90, die aus einer Batterie, Maschine oder dem primären Netz bestehen kann, entnommen. Für den Fall, dass bei hoher Netzspannung 10 eine Reihenschaltung der Entladungsgefässe erfolgen muss, werden mehrere Kommutatorsätze 89 und Sammelschienen 88 vorzusehen sein.
Da die Steuer-und Erregerströme der Umformeranlage klein sind, können die Kommutatoren auch durch gittergesteuerte Elektrodenröhren bzw. dampf-oder gasgefüllte Entladungsgefässe ersetzt werden. Auch können die Kommutatoren und Generatoren auf getrennten Achsen angebracht sein, die mechanisch oder elektrisch gekuppelt sind.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Umspannung von Gleichspannung in Gleichspannung beschränkt, sondern kann ebensogut zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung oder umgekehrt benutzt werden, wenn man den Teil der Vorrichtung bzw. der Beschreibung ausser acht lässt, der sich auf die Umformung von Wechselspannung auf Gleichspannung bezieht. Ebenfalls können die Schalttransformatoren auch bei der Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung Anwendung finden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung mittels gittergesteuerter Dampf-oder Gasentladungsgefässe, gekennzeichnet durch eine taktgebende, lastabhängige Fremderregung des Ausgangstransformators mit nahezu rechteckförmiger Wechselspannung und durch eine Sehalttransformatorwicklung in jeder Anodenleitung der gittergesteuerten Entladungsgefässe.