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Sehutzeinriehtung für Umrichter mit elektrischen Ventilen.
Durch elektrische Ventile mit Steuergitter kann man die Frequenz eines primären Wechselstromes in eine andere Frequenz umwandeln. Ein bekanntes Anwendungsbeispiel dafür bietet die Umwandlung von 50periodischem Wechselstrom in einen solchen von 16 2/3 Perioden, wie er für Bahnbetriebe gebräuchlich ist. Die Wirkungsweise einer solchen Anlage geht aus der schematischen Figur hervor.
Darin bedeutet 1 die Primärwicklung des speisenden Transformators, welcher an einer Hilfsstromquelle für 50periodischen Wechselstrom angeschlossen sein mag. Der Transformator ruft in an sich bekannter Anordnung in den Sekundärwicklungen 2, 3, 4 bzw. 5,6, 7 dreiphasige Sekundärspannungen hervor. Die Wicklungen 2 und 5, 3 und 6,4 und 7 gehören paarweise zur gleichen Phase. In den äusseren Stromkreisen der Sekundärwicklungen 2 des Transformators liegen Ventile 20,30, 40, 50, 60 und 70.
Durch die Pfeilrichtung sei die Durchlassrichtung der Ventile gekennzeichnet. Bei den Sekundärwicklungen des speisenden Transformators sind ebenfalls Pfeile gezeichnet, welche die Richtung angeben, in welcher Ströme fliessen können. Der gemeinsame Verbraucherkreis ist durch einen Widerstand 80 angedeutet.
Die Ventile enthalten Steuergitter 21, 31, 41, M, 61 und 71.
Solange die Steuergitter ein genügend hohes Potential, bezogen auf die Kathode, besitzen, haben sie auf die Stromabgabe keinen Einfluss. Setzt man ferner voraus, dass nur die eine Gleichrichtergruppe (z. B. 20-40) in Betrieb ist, so werden dann in bekannter Weise der Belastungskreis 80 mit Gleichstrom gespeist werden, und die Verwendung der vielphasigen Sekundärwicklung würde nur die Wirkung haben, dass die in dem Gleichstrom noch auftretende Wechselstromkomponente klein wird. Je grösser die Phasenzahl der Sekundärwicklung des speisenden Transformators ist, um so kleiner wird nämlich die Wechselstromkomponente in dem erzeugten Gleichstrom.
Die Stromdurchlässigkeit der Ventile kann man aber dadurch beeinflussen, dass man den Steuergittern 21-71 geeignete periodisch schwankende Potentiale aufdruck. Man kann auf diese Art erreichen, dass der gesamte Strom über die Ventile 20,30 und 40, die einer Halbwelle eines Wechselstromes anderer Frequenz, beispielsweise der Frequenz 162/3 Perioden pro Sekunde, entspricht, wenn die primärseitige Energie des Transformators 1 einem Wechselstromnetz mit 50periodischem Wechselstrom entnommen wird. Die Kurvenform des gewonnenen Wechselstromes geringerer Frequenzen wird dabei der Sinusform um so näher kommen, je grösser die Phasenzahl ist.
Mit einem zwölfphasigen Gleichrichter wird man bessere Kurven erzielen können als mit einem dreiphasigen, welcher lediglich der besseren Übersicht- lichkeit wegen im Ausführungsbeispiel gewählt ist. Der Betrieb der Umrichter erfolgt durch Steuerung der Ventilgruppen 20-40 bzw. 50-70 im Gegentakt, wodurch die beiden Halbwellen des umgerichteten Wechselstromes gebildet werden.
Die Erfindung betrifft den Schutz von Schaltungen, die grundsätzlich den vorher beschriebenen Aufbau und die erläuterte Arbeitsweise besitzt. Es werden erfindungsgemäss eine oder mehrere Schutzrelaiseinrichtungen vorgesehen, welche darauf beruhen, dass die Durehgangsströme mindestens zweier
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elektrischer Ventile oder auch zweier Gruppen von Ventilen miteinander hinsichtlich ihrer Grösse, ihrer
Phasenlage oder ihrer Mittelwerte verglichen werden. In der Figur können diese Ventile beispielsweise die Ventile 40 und 70 sein oder auch die Ventile 20, 30 und 40, welche eine erste Gruppe bilden, einerseits und die Ventile 50,60 und 70, welche eine zweite Gruppe bilden, anderseits.
Der Strom in der Wicklung 4 fliesst in Pfeilrichtung über das Ventil 40, den Belastungskreis 80 und eine Rückleitung 90 zurück. Der entsprechende Stromkreis der Spule 7 verläuft in Pfeilrichtung über das Ventil 70, über Belastungswiderstand 80 und zurück über eine Rücldeitung 100. Die Rückleitung 90 ist den Ventilen 20, 30 und 40, die Rückleitung 100 den Ventilen 50,60 und 70 gemeinsam.
Kurzschlussähnliche Erscheinungen können dadurch hervorgerufen werden, dass beispielsweise die Ventile der einen Gruppe und der andern Gruppe in gewissen Augenblicken beide gleichzeitig Strom führen. Dies ist beispielsweise möglich, wenn die Steuerpotentiale, welche den Gittergruppen M-41 und 51-11 gleichzeitig aufgedrückt-werden ein zu hohes Potential führen.
Eine andere Fehlerart äussert sich darin, dass die Ströme über der gleichen Phase angehörige Ventile, etwa 40 und 70 oder 30 und 60, nicht gleich gross sind. Sie können voneinander in ihrem Effektivwert oder auch in ihrem zeitlichen Mittelwert abweichen. Im letzteren Falle entsteht ein Gleichstrom, der sieh im Belastungskreis 80 dem Wechselstrom überlagert. Der Gleichstrom kann zur Beschädigung von Maschinen des Belastungskreises und auch zur Beschädigung des Umriehters führen.
In der Figur sind die Messstellen, wo die auftretenden Ströme erfasst werden können, um sie in geeigneter Weise zur Beeinflussung von Relais zu verwenden, durch kleine Kreise angedeutet.
Der Durchgangsstrom des Ventils 40 ist in voller Höhe an den Messstellen 42 und 46 zu erfassen.
In entsprechender Weise fliesst an den Stellen 72 und 76 der Durchgangsstrom des Ventils 70 und an entsprechenden Messstellen die Durchgangsströme der andern Ventile. An den Messstellen 4. 3 und 73 tritt der Durchgangsstrom der Ventile 40 bzw. 70 bzw. die Gesamtstromstärke der Ventilgruppe 20, 30,40 oder 50,60, 70 auf. Während der Zeit, in welcher die Ventilgruppe 20,30, 40 stromdurehlässig ist, muss an den Messstellen 43,45, 75 und 74 die gleiche Stromstärke herrschen, wenn die Ventilgruppe 50, 60,70 durchlässig ist, muss an den Messstellen 73,75, 45 und 44 die gleiche Stromstärke herrschen. Die Stromstärken können an diesen Messstellen nur dann voneinander abweichen, wenn eine Störung vorliegt.
Diese Störung kann darin bestehen, dass die Ventilgruppen 20,30, 40 und 50,60, 70 gleichzeitig stromdurchlässig sind. Die Ströme an den Stellen 43,74 müssen in jedem Augenblick einander gleich sein. Die Ströme an den Stellen 43, 45 oder 43,75 oder 43, 74 müssen in den Augenblicken genau gleich gross sein, in denen an der Messstelle 43 ein Strom fliesst. Umgekehrt müssen auch die Ströme an den
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werte oder die Mittelwerte der Ströme in der angegebenen Weise miteinander vergleichen, das einwandfreie Arbeiten der Anordnung überwachen und bei Ansprechen dieser Relais den Umrichter abschalten oder die Steuerpotentiale der Gitter 21-27 selbsttätig ändern. Zur Abschaltung des Umrichters kann z.
B. die Primärenergie des Transformators abgeschaltet werden ; wenn an Stelle des Transformators 1 ein Generator verwendet ist, würde dieser abzuschalten sein, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Entregung. Ausserdem können die Verbindungsleitungen, die von der Energiequelle zu den Ventilen 20-70 führen, geöffnet werden. Statt dessen können auch Schalter geöffnet werden, die an den Messstellen 43 und 73 liegen. Die Ventile können auch selbst als Schaltorgane benutzt werden, indem man ihren Steuergittern ein solches Potential gibt, dass die Ventile vollkommen stromundurchlässig werden. Zu dem Zweck kann man ihnen durch Anschaltung an eine Gleichstromquelle ein unbedingt sperrendes negatives Potential erteilen.
Das gleichzeitige Auftreten eines Durchgangsstromes bei der Gruppe der Ventile 20, 30,40 und der Ventilgruppe 50,60, 70 kann ferner durch ein Wattmeter festgestellt werden, dessen eine Spule von den Strömen der einen Ventilgruppe und dessen andere Spule von den Strömen der zweiten Ventilgruppe erregt wird. Ein derartiges Wattmeter kann die Ströme der Messstelle 44 und 74 oder mit Rücksicht auf die vorhandenen Potentialuntersehiede zweckmässiger an den Stellen 43 und 44 bzw. 73 und 74 führen.
Wenn durch die Reihenfolge der Spulen 2,3, 4 auch ihre Phasenfolge richtig wiedergegeben ist, dann folgt auf einen Strom im Ventil 40 ein Strom im Ventil 50. Es besteht, wie bereits erörtert, die Gefahr, dass sich die Ströme von den Ventilen 40 und 50 zeitlich überlappen. Zur Erfassung dieses Fehlers kann ebenfalls ein wattmetrisches Relais verwendet werden, dass einerseits vom Strom des Ventils 40 und anderseits vom Strom des Ventils 50 oder von den Strömen beider Ventilgruppen erregt wird. In entsprechender Weise lassen sich auch die Ströme der Ventilpaare 30 und 60 bzw. 20 und 70 zu Schutzzwecken heranziehen.
Das wattmetrische Relais spricht auch bei Rückzündungen eines Ventils an. Jedoch können für diesen Fehlerfall auch die hiefür bekannten Schutzeinrichtungen vorgesehen sein.
Gleichzeitig auftretende Ströme an den Messstellen 44, 43 oder 73, 74 oder 43, 73 oder 44, 74 können auch dadurch hervorgerufen sein, dass die Rückleitungen 90 und 100 miteinander leitende Verbindung
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bekommen haben, sei es über Erde, sei es unmittelbar. Der Fall, dass ein Kurzschluss zwischen den beiden Rückleitungen auftritt, ist namentlich bei Bahnanlagen leicht denkbar, weil dort das eine Ende des Belastungszweiges 80 mit dem Schienenstrang, d. h. also mit Erde, verbunden ist, so dass ein einfacher Erd- schluss auf der nicht geerdeten Rückleitung zu einem Kurzschluss beider RÜckleitungen führt.
Da über die Messstelle 44 der Durchgangsstrom der Ventile 50,60 und 70 fliesst, kann die hier auftretende Stromstärke, wie schon gesagt, mit der Stromstärke an der Messstelle 73 verglichen werden. Die Ströme müssen identisch, d. h. ihre Momentanwerte, also auch ihre Mittelwerte, müssen genau gleich sein. An Stelle des Stromes an der Messstelle 73 kann auch ein Strom treten, der auf irgendeine sonstige beliebige Art aus den einzelnen Strömen an den Messstellen 52, 62, 72 gebildet ist. Das gleiche gilt für die entsprechenden Messstellen in der andern Ventilgruppe. Wenn die verwendeten Ventile Gasentladungsventile, insbesondere Queeksilberdampfventile, sind mit gemeinsamer Kathode und gemeinsamem Gefäss, geht der Strom nicht gleichzeitig über mehrere dieser Ventile der einen oder andern Gruppe über.
Infolgedessen ist der bei den Messstellen 43 oder 74 einerseits und den Messstellen 73 und 44 anderseits in jedem Augenblick identisch mit dem Strom eines der Ventile der einen oder andern Ventilgruppe. Mit dem Strom der Messstelle 74 können deshalb auch die Ströme der Messstellen 22, 32 und 42 einzeln durch differentiale Relais verglichen werden, wobei wiederum die Momentanwerte oder auch die Mittelwerte miteinander verglichen werden können. Eine Differenz darf sich dabei nicht ergeben. Ein wattmetrisches Relais mit mehreren miteinander gekuppelten Systemen, wobei jeweils eine Spule jedes Systems von dem Strom an der Messstelle 44 die zweite Spule jedes Systems von dem Strom an je einer der Messstellen 22,32 oder 42 erregt wird, darf kein Drehmoment entwickeln.
An Stelle eines Wattmeters mit mehreren mechanisch gekuppelten Systemen kann auch eine Anordnung mit mechanisch unabhängigen wattmetrischen Systemen angewendet werden, die beispielsweise parallel geschaltete Kontakte in einem Auslöse-oder Regelstromkreis steuern. Solange die Anlage ordnungsmässig arbeitet, spricht keins der Relais an.
Während das wattmetrische Relais dort angewendet wird, wo das gleichzeitige Auftreten zweier
Ströme als Zeichen für einen Fehler genommen werden kann, werden die Differentialrelais zum Vergleich der Ströme an solchen Messstellen angeordnet, wo entweder in jedem Augenblick gleich grosse Ströme auftreten müssen oder der quadratische oder der lineare Mittelwert der auftretenden Ströme gleich gross sein muss. Im ordnungsmässigen Betrieb werden im allgemeinen auch die Durchgangsströme der Ventile
40-70, 30-60, 20-50 paarweise in ihrem Mittelwert gleich sein. Die Gesamtströme der Ventilgruppen 20,30, 40 und 50, 60 70 sollen im Mittelwert ebenfalls einander gleich sein.
Deshalb werden erfindungsgemäss Differentialrelais vorgesehen, welche den Effektiv-oder den zeitlichen Mittelwert der
Ströme an den Messstellen 42-72, 32-62, 22-52 oder die Gruppenströme 22,32, 42 (bzw. insgesamt 43) und 52,62, 72 (bzw. insgesamt 73) oder die Ströme bei 43-45 oder 73-75 miteinander vergleichen.
Der Effektivwert der Ströme an den Messstellen 45 bzw. 75 muss doppelt so gross sein wie der Effektivwert der Ströme an den Messstellen 43 bzw. 73 oder 74 bzw. 44. An Stelle eines Differentialrelais kann auch ein Verhältnisgerät, z. B. ein Kreuzspulengerät, gesetzt werden, welches nicht nur das Vorhandensein einer Ungleichheit zwischen beiden Strömen, sondern auch das Mass dieser Ungleichheiten anzuzeigen vermag. An Stelle eines Kreuzspulengerätes kann auch ein sonstiges Gerät treten, das geeignet ist, das Verhältnis zweier Stromstärken anzuzeigen, oder das so beschaffen ist, dass es erst dann eine Bewegung ausführt, wenn dieses Verhältnis einen bestimmten Wert überschreitet oder unterschreitet.
Da es nicht sosehr auf die Effektivwerte der Durchgangsströme der Ventile ankommt als vielmehr auf ihren zeitlichen Mittelwert, eignen sich als Differentialinstrumente vor allem Gleichstrominstrumente oder fremderregte dynamometrische Relais. Dabei können von den Ventilströmen entgegengesetzte Drehmomente hervorgerufen werden, indem beispielsweise ein Instrument mit zwei Spulen versehen ist, die sich in demselben oder in gleichen Feldern drehen, oder aber die Ventilströme rufen ein gemeinsames Feld hervor, dessen zeitlicher Mittelwert der Differenz der Mittelwerte der Ströme entspricht, und welches in Verbindung mit einem permanenten Feld oder von einem Gleichstrom hervorgerufenen Feld ein Drehmoment hervorruft, dessen Mittelwert dann ebenfalls dem Mittelwert der Ventilströme gleich ist.
Als Differentialinstrument wird auch ein an den Messstellen 45, 75 eingeschaltetes Gleichstromrelais geeignet sein, denn dieses kommt nur dann zum Ausschlag, wenn dem Wechselstrom über den Belastungskreis 80 ein Gleichstrom überlagert ist, d. h. wenn der Mittelwert der Ströme der Ventilgruppe 20, 30, 40 einerseits oder der Ventilgruppe 50, 60, 10 anderseits ungleich gross ist. Aus der Ausschlagsrichtung des Gleichstromrelais ergibt sich dabei sofort, über welche Ventilgruppe der Strom mit dem grösseren Mittelwert fliesst. Von dem Relais kann entweder eine Abschaltung der ganzen Anlage herbeigeführt werden oder eine Regelvorriehtung gesteuert werden, welche die Stromdurchlässigkeit der Ventilgruppen, die den grösseren Strom führt, herabsetzen bzw. der andern erhöhen.
Auch mit Hilfe eines wattmetrischen Relais, das von den Durehgangsströmen der einen und andern Ventilgruppe erregt wird, kann man eine Regelung der Gitterpotentiale herbeiführen lassen, indem man das wattmetrische Relais einerseits von den Strömen einer Ventilgruppe direkt, von den Strömen der
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unter Zwischenschaltung eines Stromwandlers. Die Überlappung des Durehgangsstromes der einen Ventilgruppe und des Durchgangsstromes der andern Ventilgruppe kann dadurch zustande kommen, dass der Strom der negativen Halbwelle des durch den Umriehter erzeugten Weehselstromes niedrigerer Frequenz schon einsetzt, bevor der Strom der positiven Halbwelle erloschen ist. Der Differentialquotient des Stromes der positiven Halbwelle ist dann zu Zeiten der Stromüberlappung negativ.
Die Durchlässigkeit der Ventilgruppe für die negativen Halbwellen muss dann in der Phase um ein entsprechendes Zeitmass verzögert werden.
Die Überlappung kann aber auch dadurch zustand kommen, dass die Stromdurchlässigkeit der Ventile für die positive Halbwelle bereits einsetzt, ehe die negative Halbwelle des durch Umriehtung gewonnenen Wechselstromes beendet ist. Im Augenblick der Stromüberlappung ist dann zeitlich der Differentialquotient der positiven Halbwelle positiv. Zur Erfassung des Fehlers kann dann beispielsweise die Steuerspannung des Gitters des für die negative Halbwelle durchlässigen Ventils in der Phase
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dem Strom der andern Ventilgruppe dagegen über einen Wandler eregt wird, schlägt bei den beiden skizzierten Fehlerfällen in entgegengesetzter Richtung aus und kann demnach dazu dienen, Regelvorgänge, die entgegengesetzt auslösen, hervorzurufen.
An Stelle des wattmetrisehen Relais kann in jedem Anwendungsfalle auch eine Anordnung mit
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Gleichrichtern treten, weil sieh mit diesen Anordnungen ebenfalls das zeitliehe Zusammenfallen zweier Ströme oder Spannungen erfassen lässt. Für die Erfassung des gleichzeitigen Stromdurchganges durch solche Messstellen, durch welche ordnungsgemäss niemals gleichzeitig Strom fliessen darf, eignen sieh grundsätzlich vor allem trägheitslose Relais, von welchen Elektronenröhren und lonenröhren nur als Beispiele genannt sind.
Für die Zwecke des Differentialsehutzes werden die auf beiden Seiten des Umrichters auftretenden Ströme oder von ihnen abgeleitete Ströme auf eine gemeinsame Frequenz gebracht. Es ist an sieh nicht wesentlich, welche Frequenz benutzt wird, jedoch erscheint es zweckmässig, entweder beide Ströme auf die Frequenz 0 zu bringen, d. h. in Gleichstrom umzuwandeln, oder nur die Ströme von einer Seite des Aggregates durch einen Frequenzumformer auf die gleiche Frequenz mit den Strömen auf der andern Seite des Aggregates zu bringen. Die Verwendung von Gleichrichtern ergibt eine sehr einfache und sehr zuverlässige Anordnung. Fremdgesteuerte Gleichrichter, z. B. mechanische Gleichrichter, ermöglichen, nicht nur die Grössenbeträge, sondern auch die Momentanwerte der Ströme miteinander zu vergleichen.
Dadurch, dass man nur die Ströme der einen Seite auf die Frequenz der an der ändern Seite des Aggregates fliessenden Ströme bringt, kommt man mit der Anwendung eines einzigen Frequenzumformers aus.
In den Fig. 2 und 3 sind Schaltungen angegeben, bei welchen die zu vergleichenden Ströme gleich- gerichtet werden. In Fig. 4 ist eine Anordnung schematisch wiedergegeben, bei welcher der auf der einen Seite des Aggregates fliessende Strom über einen Wandler und den Frequenzumformer auf die Frequenz der Ströme an der andern Aggregatseite gebracht wird und dort in üblicher Weise einem Differentialwandler zugeleitet wird.
In Fig. 2 ist der Umrichter mit U bezeichnet. Es ist beispielsweise angenommen, dass ein dreiphasiger Wechselstrom von der Frequenz 50 dem Umformer zugeführt wird und dass ein Einphasenwechselstrom etwa von der Frequenz 162/3 Periode den Umrichter verlässt. In den Zuführungsleitungen
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von dort zurück zum Sternpunkt der Wandler 11, 12, 13.
Der Strom auf der stromabgebenden Seite des Aggregates U erregt einen Stromwandler 121, dessen Sekundärstrom über Gleichrichter 122 und 123 gleichgerichtet wird. Der auf diese Weise gebildete Gleichstrom durchfliesst in der Pfeilriehtung den ohmschen Widerstand 124. Die ohmschen Widerstände 15 und 124 sind nun einerseits miteinander verbunden, infolgedessen spricht ein Relais 16 dann an, wenn die Spannungsabfälle, den die zu vergleichenden Ströme in den Widerständen. M bzw. 124 hervorrufen, ungleich gross sind. Das Relais 16 schliesst dann einen Kontakt, wodurch die Auslösespule einen Schalter auf der speisenden Seite des Umrichters U öffnet.
Die Anordnungen 15, 16 und 14 stellen nur ein Beispiel unter vielen möglichen ähnlichen Schaltungen dar, beispielsweise kann man auch ein wattmetrisches Relais vorsehen, das einerseits vom Spannungsabfall im Widerstand 15 und anderseits vom Spannungsabfall im Widerstand 124 gespeist wird. Es empfiehlt sieh dann. die Gleichrichter 14 bzw. 122 und und 123 derart fremd zu steuern, dass das Wattmeter normalerweise drehmomentlos ist, sofern
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gegenseitige Phasenlage haben.
In Fig. 3 ist die Anordnung von Fig. 2 mit einer geringen Abänderung wiedergegeben. Die gleich-
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fliessen in einem gemeinsamen Stromkreis in gleicher Richtung. Solange beide Ströme in ihrer Stärke und Phasenlage übereinstimmen, fliesst durch ein Relais 16, welches zwischen den Verbindungsleitungen der Stromwandler 11, 12, 13 einerseits und dem Stromwandler 121 anderseits liegt, kein Strom. Das
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Auftreten eines Differenzstromes dient als Kennzeichen für das Vorliegen einer Störung. Das Relais 16 bewirkt bei seinem Ansprechen die Abschaltung oder Drosselung des Durehgangsstromes des Umrichters U.
Da die Gleichrichtung keine völlig wellenlose Gleichspannung liefert, kann es nützlich sein, eine
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zität 128 parallel zum Relais 126 zu verwenden. An Stelle einer Sperrkette 127 genügt unter Umständen auch eine Drosselspule.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung, bei welcher keine Gleichrichtung, sondern ein Frequenzwandler u verwendet ist, in dem der auf der einen Seite des Umrichters oder Frequenzumformers U auftretende Strom zur Durchführung des Differentialschutzes auf die Frequenz umgeformt wird, welche auf der andern Seite des Umrichters herrscht. Von den Strömen der Speiseleitungen wird der magnetische Kreis eines Zwischenwandlers 130 derart erregt, dass vermittels einer Wicklung 131 im normalen Betrieb eine bestimmte Amperewindungszahl vorhanden ist.
Dieser Amperewindungszahl wird normalerweise das Gleichgewicht gehalten, durch die Amperewindungen einer Wicklung 132, die von dem Strom in der Einphasenleitung erregt wird, der vermittels des Frequenzwandlers u auf die gleiche Frequenz und im normalen Betriebe auf die gleiche Phasenlage mit dem resultierenden Strom der Wicklung 131 gebracht ist. Infolgedessen spricht das Differentialrelais 33 normalerweise nicht an, weil es stromlos ist.
Bei Abweichung der Ströme zu beiden Seiten des Umrichters U in ihrer Grösse oder in ihrer Phasenlage dagegen erhält das Relais 33 eine Spannung, die dazu führt, dass es einen Kontakt schliesst oder öffnet und dadurch den Umrichter U ausser Betrieb setzt.
Man kann auch die Leistungsaufnahme und die Leistungsabgabe des Umrichters durch ein Differentialleistungsrelais miteinander vergleichen, das den Stromdurehgang durch den Umrichter sperrt, wenn der Unterschied der Leistungen auf der Speiseseite und der Abgabeseite das zulässige Mass überschreitet. Zur Sperrung des Stromdurchganges kann beispielsweise den dazu geeigneten Steuergitter der Umrichter beim Ansprechen des Differentialleistungsrelais ein derartiges Potential erteilt werden, dass jeder weitere Stromdurchgang durch den Umrichter durch die Steuergitter verhindert wird. Gleichzeitig kann primärseitig und sekundärseitig das Aggregat abgeschaltet werden.
In Fig. 5 ist ein speisender Transformator mit einer dreiphasigen Primärwicklung und einer sechs- phasigen Sekundärwicklung schematisch angedeutet, welcher den Umrichter speist. Gegenüber den Anoden befindet sich die Kathode ; zwischen Anode und Kathode liegen Steuergitter 220, 221, 222. Den Steuergitter werden durch eine synchron mit der Spannung auf der Primärseite des speisenden Transformators ange- triebene Wechselstromquelles 223 bzw. 224 in bestimmtem Rhythmus periodisch schwankende Potentiale aufgedrückt, wodurch der 50-Perioden-Strom in einen Strom anderer Periodenzahl, beispielsweise 162/3 Per./Sec., umgewandelt wird.
Die Leistungsaufnahme der Primärwicklung wird durch zwei miteinander gekuppelte in Aron- schaltung geschaltete Wattmetersysteme 225 und 226 gemessen. Hiefür liegen in der Zuleitung zur Primär- wicklung Stromwandler 227 und 228 und ein Satz Spannungswandler 229. Der von dem Umrichter gegelieferte Strom anderer Frequenz und Phasenzahl fliesst über das Leitungspaar 230. Die Leistung in diesem Stromkreis wird durch ein wattmetrisches System 231 erfasst, welches eine Strom-und eine
Spannungsspule enthält und zu dem Zweck an die Leitung 230 bzw. an den in dieser Leitung liegenden
Stromwandler 232 angeschlossen ist. Die Systeme 226-225 erzeugen ein Drehmoment in der einen
Richtung, das System 231 ! erzeugt ein Drehmoment entgegengesetzter Richtung.
Das Drehmoment der
Systeme 225 und 226 ist so gerichtet, dass es ein Kontaktpaar 233 zu schliessen sucht, während das Dreh- moment des Systems 231 diesen Kontakt offenzuhalten sucht. Das Mass, um welches die Leistungs- aufnahme die Leistungsabgabe überwiegt, entspricht den Verlusten im Umrichter und in den Leitungen zwischen Umrichter und Messstellen. Diese Verlustleistung bleibt innerhalb gewisser Grenzen, solange die Anlage ordnungsmässig arbeitet. Die Grösse dieser zulässigen Verluste kann durch ein zusätzliches Drehmoment, das beispielsweise von einer Feder 234 ausgeübt wird, berücksichtigt werden.
Der Ver- änderlichkeit der Verlustleistung kann man dadurch Rechnung tragen, dass an Stelle der Feder 234 ein vom Strom und oder der Spannung auf der Primärseite des Umrichters abhängiges zusätzliches Dreh- , moment auf die Achse 235 des Differentialleistungsrelais ausgeübt wird. Diese zusätzliche Kraft wirkt im Sinne einer Offenhaltung des Kontaktpaares 233. Es ist auch denkbar, diese zusätzliche Kraft von dem Spannungsabfall im Umrichter abhängig zu machen.
Wenn der Kontakt 233 geschlossen wird, wird dadurch ein Hilfsrelais 236 eingeschaltet, welches eine Hilfseinrichtung betätigt, die den Steuergitter des Umrichters ein derartiges Potential verleiht, dass jeder weitere Stromdurchgang durch den Umrichter sofort unterdrückt wird. Eine entsprechende Anordnung ist schematisch dargestellt, wobei durch das Relais 36 zwei Schalter 237 und 238 aus der gezeichneten Lage in eine solche Lage gebracht werden, dass der Sternpunkt der Wicklungen des Steueraggregates 223 bzw. 224 ein gegenüber der zugehörigen Kathode nach der negativen Seite hin verlagertes Potential erhält.
Auf etwas anderer Grundlage beruht ein Differentialsehutz, bei dem eine Relaiseinrichtung dann in Tätigkeit tritt, wenn entsprechende Ströme der einen oder andern Richtung des durch die Umformung gewonnenen Wechselstromes gemeinsam einen Strom oder eine Spannung von der Betriebsfrequenz hervorrufen.
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Der Strom im Belastungskreis 80 der Fig. 1 hat die Frequenz, welche durch die Umrichtung gewonnen wird. Die eine Halbwelle dieses Wechselstromes fliesst dabei über die Messstelle 43, die zweite
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wellen des Belastungsstromes an den Messstellen 43 und 44 derart zusammen, dass beide Halbwellen in gleichem Sinne auf ein gemeinsames Anzeigegerät einwirken, so steht dieses Anzeigegerät unter der Einwirkung eines Stromes, der die doppelte Frequenz des Stromes im Belastungskreis 80 hat.
Solange die Steuerung der Ventilgruppen 20,30 und 40 einerseits und 50,60, 70 anderseits derart ist, dass die Ströme an den Messstellen 43 und 44 gleich gross sind und sieh zeitlich nicht überlappen, steht das gemeinsame Messgerät unter der Einwirkung eines Stromes (oder Spannung), der nur die doppelte Frequenz des Stromes im Belastungskreis 80, aber keine Komponente von Betriebsfrequenz besitzt.
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wenn die beiden Halbwellen ungleich gross sind. Es wirkt dann auf das Anzeigegerät oder Relais auch ein Strom oder eine Spannung mit der Betriebsfrequenz des Belastungskreises SO. Das Auftreten eines Stromes, dessen Frequenz kleiner als die doppelte Betriebsfrequenz ist, kann also als Kriterium für eine Störung benutzt werden.
Zum Anschluss eines solchen Gerätes kann man den Strom an den Messstellen 43 und 44 über je einen Widerstand leiten und das Messgerät so schalten, dass die von den beiden Halbwellen der Ströme in den Widerständen hervorgerufenen Spannungsabfälle gleichsinnig das Messinstrument oder Relais beeinflussen.
Die beiden Messstellen 43 und 44 sind lediglich als Beispiel zu betrachten, denn es ist ohne weiteres
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die gestrichelte Sinuskurve 313. Beide sind positiv gezeichnet. Der Strom, welcher das Relais 308 durchfliesst, ist etwa durch die Kurve 314 wiedergegeben. Infolge der Verschleifungen wird die Stromkurve 3U nur eine gewisse Welligkeit besitzen. Ganz bis zum Betrage Null wird der Strom dagegen nicht periodisch absinken. Aber wenn man die Wellenlänge des Erregerstromes des Relais 308 betrachtet, so ergibt sich, dass hier eine Frequenz auftritt, die doppelt so hoch ist wie die Betriebsfrequenz des Stromes an der Mess- stelle 45 ; denn innerhalb der Zeit T, d. i. innerhalb der Zeit einer Periode des Betriebsstromes im Belastungskreis, liegen zwei Perioden des durch die Kurve 314 wiedergegebenen Erregerstromes des Relais 308.
Sobald nun eine Ordnungswidrigkeit auftritt, die beispielsweise darin besteht, dass die beiden
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sattelungen zu Zeiten der einen Halbwelle des Betriebsstromes auf. Der Abstand dieser Einsattelungen entspricht der Zeitlänge einer vollen Periode des Betriebsstromes.
Eine Ordnungswidrigkeit würde auch vorliegen, wenn die Ströme der Ventilgruppen 20, 30, 40 bzw. 70, 60, 50 (Fig. 1) sich zeitweilig überlappen. Dies würde auf eine falsche Einstellung der Steuerungspannungen der Ventilgruppen hindeuten. Wie aus Fig. 7c hervorgeht, treten dann ebenfalls Einsattelungen der Kurve 314 auf, welche sich im Abstand einer vollen Periode des Betriebsstromes wiederholen. Die in Fig. 7b und 7c erläuterten Fehlererscheinungen können erfasst werden durch ein Relais, das bei Auftreten der Grundfrequenz im Erregerstromkreis des Relais anspricht.
In Fig. 6 hat deshalb das Relais 308 einen aus einer Drosselspule 315 und einer Kapazität 316 bestehenden Vorsehaltwiderstand bekommen, der den Widerstand des Relaiskreises für Ströme der Grundfrequenz klein, für alle andern Frequenzen dagegen wesentlich grösser macht.
Gemäss Fig. 8 ist das Relais 308 über einen Zwischenwandler 317 angeschlossen. Der Relaiskreis kann auf diese Weise auf Erdpotential gebracht werden. Ein Resonanzkreis kann etwa in gleicher Weise wie bei Fig. 6 angewendet werden.
In Fig. 9 ist das Relais 5M ein wattmetrisches Relais. Seine Stromspule kann, wie in Fig. 6 oder
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kann beispielsweise direkt von den Spannungsquellen entnommen werden, die für die Steuerung der
Gitterpotentiale der Ventile vorgesehen sind. Das wattmetrische Relais besitzt die Möglichkeit, durch Ausschlag nach rechts oder links bei einem Fehler, wie er in Fig. 7b dargestellt ist, sofort anzugeben, welche Stromhalbwelle im Belastungsstrom grösser ist.
Gemäss Fig. 10 wird das Relais 308 über einen Zwischenwandler mit zwei Primärwicklungen erregt, von denen jede durch eine andere Halbwelle des Betriebswechselstromes erregt wird. Die beiden Halbwellen wirken wie zwei gleichgerichtete Halbwellen eines Gleichstromes auf den Magnetkreis ein, an dessen Sekundärwicklungen das Relais liegt. Die Sekundärspannung enthält bei ordnungmässigem Betriebe keine Komponente der Grundwelle. Diese Komponente tritt nur bei Ungleichheit in der Grösse oder in der Phasenlage der beiden Halbwellen auf.
In Fig. 1 ist der Belastungskreis durch einen Widerstand 80 dargestellt, welcher unmittelbar an die Kathode der Ventilgruppen angeschlossen ist. Zweckmässiger ist es, an Stelle des in Fig. 1 gezeichneten Widerstandes 80 die Primärwicklung eines Transformators zu setzen, an dessen Sekundärseite der Belastungskreis angeschlossen ist. Die Primärwicklung des Transformators erhält zweckmässig zwei gleich grosse Teile, und die Rücldeitungen 90 und 100 werden vereinigt und führen zu dem gemeinsamen Sternpunkt der Wicklungen 2, 3, 4 und 5,6, 7. Es können dann in bequemer Weise die Ströme in den beiden Wicklungshälften der Primärwicklung des Lasttransformators miteinander verglichen werden, d. h. die Schutzrelais werden von den Strömen an den Stellen 44 und 74 erregt.
Das Schutzrelais kann dann so ausgeführt werden, dass es zwei Systeme besitzt, von denen das eine durch den Strom in der einen Primärwieklungshälfte des Lasttransformators und der zweite durch den Strom der primären Wicklungshälfte des Lasttransformators erregt wird. Die Feldwicklung der beiden Relaissysteme kann wie bei Fig. 9 von einer Fremdspannung, die etwa den Steuergeneratoren der Ventile entnommen wird und die Frequenz des Belastungsstromes besitzt, erregt werden. Die Schutzeinrichtung der Gesamtanlage kann noch durch einen momentan wirkenden Widerstandsschutz und einen Überstromschutz mit Zeitverzögerung ergänzt werden. Es ergibt sich dabei insgesamt die Schaltung gemäss Fig. 11. In dieser stellt 411 die Sekundärseite des Lasttransformators für den durch die Umrichtung gewonnenen Wechselstrom dar.
Die Belastung ist durch einen Schalter 412 absehaltbar. Der Transformator 411 besitzt zwei Primärwicklungshälften 413 und 414. Die Wicklungshälfte 413 liegt in Reihe mit dem fremdgesteuerten Gleichrichter 415. Die Wicklungshälfte 414 liegt mit dem fremdgesteuerten Gleichrichter 416 in Reihe. Von der Verbindungsstelle der beiden Wicklungshälften 413 und 414 führt eine gemeinsame Rücldeitung 417 zum Sternpunkt des Primärtransformators 418. Für die Abschaltung des Primärtransformators ist ein Schalter 419 vorgesehen.
Die Schutzeinrichtungen umfassen Spannungsbruehrelais 420 und Minimalimpedanzrelais 421.
Die Minimalimpedanzrelais 421 können nur ansprechen, wenn wenigstens eines der Spannungsbruchrelais 420 ebenfalls angesprochen hat. Über ein Hilfsrelais 422 wird dann die Auslösung des Schalters 419 und die Auslösung des Schalters 428 unverzüglich bewirkt. Ausser der Impedanzschutzeinrichtung 420, 421 ist noch ein Schutzrelais 423 vorgesehen, welches bei Fehlern der in Fig. 7b und 7c dargestellten Art anspricht. Dieses Schutzrelais besitzt zwei bewegliche Systeme, von denen eines an einen Widerstand 424 und das andere an einen Widerstand 425 angeschlossen ist, so dass jedes von ihnen von einer andern Halbwelle des Erregerstromes des Lasttransformators 411 erregt, ird.
Das Relais 423 ist nun ein dynamometrisches Relais, und seine Feldspulen sind an den Generator 426 angeschlossen, der die Steuerspannung für die Gleichrichter 415 und 416 liefert. Die Erregerspannung des Relais 423 besitzt also die Frequenz
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bewirkt es mit Hilfe des bereits genannten Relais 422 die sofortige Abschaltung der Anlage. Zum Schutz gegen Überlastungen ist dann noch ein Überstromzeitrelais 427 vorgesehen. Der Schutzbereich der Widerstandsrelais erstreckt sich bis etwa in die Mitte der Wicklung des Lasttransformators 411.
Kurz- schlüsse innerhalb dieses Bereiches sowie Ungleichheiten im Arbeiten der Ventile 415 und 416 führen zur sofortigen Abschaltung des ganzen Aggregates. etwa mit 0'1 oder 0'2 Sekunden Zeitverzögerung.
Im Belastungskreis liegende Störungsursachen führen zum Ansprechen des Überstromzeitrelais und nur dann zur Abschaltung des Aggregates, wenn nicht der Fehlerstelle näherliegende Leitungsschutzrelais schneller ansprechen als das Überstromzeitrelais der Umrichteranlage.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schutzeinrichtung für Umrichter mit fremdgesteuerten elektrischen Ventilen, gekennzeichnet durch eine Relaiseinriehtung, welche auf dem Vergleich der Ströme mindestens zweier elektrischer Ventile, die für verschiedene Halbwellen des durch die Umrichtung gewonnenen Wechselstromes vorgesehen sind, erregt wird.