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Verfahren zur Steuerung von Gas-oder Dampfeutladungen.
Das Problem der Steuerung von Gas- und Dampfentladungen liegt zur Hauptsache in der Art und Weise, wie den den einzelnen Anoden zugeordneten Steuergittern die geeignete Steuerspannung aufgedrückt wird bzw. wie ihre Grösse und ihr Verlauf bei der Regelung variiert wird.
Es sind diesbezüglich schon eine grosse Anzahl von Lösungen bekannt geworden, beispielsweise die Verwendung von entsprechenden phasenverschobenen Hilfsspannungen oder die Kombination von phasenkonstanten Hilfsspannungen mit variablen Gleicl1spannung'en oder von kontaktgesteuerter Gleichspannung. Keines dieser Verfahren kann voll befriedigen, da sie zum Teil umständlich und teuer im Aufbau, schwerfällig in der Regelung und vielfach auch beschränkt im Regelbereich oder in einem bestimmten Regelbereich unsicher sind.
Das nachstend beschriebene Verfahren gestattet bei einfachstem Aufbau und kleinster Regelleistung eine einwandfreie Regelung über den ganzen Bereich zwischen Null-und Vollwert.
Die grundsätzliche Anordnung ist nach Fig. 1 ersichtlich, die Gitterspannung wird aus einem Hilfstrafo, der die gleiche Phasenzahl wie der Haupttrafo besitzt, den Gittern über die Widerstände R und r
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geeigneten Ausmasse vergrössert. Zwischen Kathode und dem Sternpunkt des Hilfstrafos ist noch eine Doppelgruppe zweier gegensinnig geschalteter Ventile vorgesehen. Dabei soll der Richtungssinn von V, derart sein, dass bei Stromdurchtluss das Gitter negative Spannung erhält, während Strom durch Vs positive Spannung auf die Gitter bringt.
Die Stronidurchlässigkeit dieser beiden Ventile bzw. ihr scheinbarer Eigenwiderstand (zweckmässigerweise werden dafür Hochvakuumglühventile mit Gitter gewählt, kann durch geeignete Steuerspannungen in den Gittern (11 und O2 verändert werden.
Die Wirkungsweise des Verfahrens wird am besten durch Betraehtung der Grenzfälle klar. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist dabei angenommen, dass an den Gittern keine Stromableitung eintritt. Diese Annahme ist für die negative Phase der Gitterspannung vollauf berechtigt, da der dabei an den Gittern auftretende Rückstrom nur Bruchteile eines Milliamperes beträgt, also gegenüber den Gittersteuerströmen die praktisch etwa mit 10 bis 300 Milliampere gewählt werden, tatsächlich vernachlässigt werden kann. Der weitere Verlauf der Gitterspannung von negativen Werten gegen Null und weiter auf positive Werte ist für die Wirkungsweise der Steuerung nur bis zum Zündmoment der dazugehörigen Anode von Interesse.
Dabei sind nach Gefäss und Gitterkonstruktion grundsätzlich zwei Fälle zu unterscheiden. Entweder tritt der Zündmoment schon bei negativen Werten der Spannung oder erst bei positiven Werten ein. Im ersteren Falle erfolgt also die Zündung bei einem bestimmten negativen Gitterpotential also zweifellos praktisch wieder bei Gitterstrom Null. Im zweiten Fall kann extremerweise der Gitter- und Anodenzündmoment zusammenfaUen. aber auch dabei ist das Gitter bis zu seinem kritischen Wirkungszeitpunkt praktisch stromlos.
Die Gitter sind also während des Durchlaufens der Spel1'phase stromlos bis zum Anoden-bzw.
Gitterzündmoment, während der daran anschliessenden positiven Gitterphase ist die Spannung GitterKathode durch die Charakteristik der Entladung auf den nur wenige Volt betragenden Wert der Brennspannung fixiert. Für die Wirkungsweise der Steuerung ist eigentlich nur die negative Phase bis zum Zündmoment vom primären Interesse, die positive Phase nur insofern, als die stets gleiche Brennspannung unabhängig von der jeweiligen Regelstellung für den Übergang auf die nächste negative Phase stets gleiche Bedingungen gewährleistet.
Dabei ist weiters zu beachten, dass durch den während der positiven Halbwelle fliessenden Gitterstrom und die damit zusammenbrechende Spannung am zugehörigen Kon-
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densator das Potential des Mittelpunktes M1 gegenüber jenem vom M2 verschoben wird, wodurch der Stromfluss durch die Ventile Fi und V2 und damit die Möglichkeit einer Steuerung durch ihre Beein- Ilussung bedingt ist.
Nimmt man an, dass beide Ventile V1 und V2 voll offen sind und an den Gittern des Hauptkolbens überhaupt keine Stromableitung eintritt, so erfolgt der Spannungsverlauf an den Gittern der normalen sinusförmigen Spannung des Hi1fstrafos, wobei zwar durch die Schaltelemente Pi, r und C eine gewisse Spannungsabsenkung und Phasenverschiebung gegenüber der Trafoklemmenspannung vorhanden sein wird, was aber für die Wirkungsweise und grundsätzliche Betrachtung ganz belanglos ist. (Grenzfall 1, Fig. 2). Berücksichtigt man den Gitterstrom während der positiven Phase. so ändert sich der Verlauf der Kurve nach der in Fig. 2 in erster Annäherung striehliert gezeichneten Weise.
Im Grenzfall 2 sei das Ventil V2 vollkommen gesperrt. Die Spannung an den Gittern erreicht dann annäherungsweise den negativen Scheitelwert der Spannung des Hilfstrafos und bleibt unverändert auf diesen Wert (Grenzfall 2, Fig. 3).
Wird nun bei unveränderter Einstellung des Ventils Vi das Ventil V2 mehr und mehr freigegeben, so entladet sich der Kondensator c zufolge seiner Eigenspannung und unter dem Einfluss der vom Hilfs- trafo gelieferten Gegenspannung mehr oder minder schnell und der zeitliche Verlauf der Spannung an den Gittern folgt Kurven wie sie mit der Bezeichnung i-So in Fig. 4 eingezeichnet sind. eo und e'0- sind die beiden vorerwähnten Grenzfälle. Für das Verfahren in der vorbesehriebenen Form kann als Ventil 7j auch an Stelle eines Hoehvakuumventils ein Dampfentladungsrohr mit praktisch verschwindendem Innenwiderstand und ohne Steuerorgan verwendet werden, da bisher eine Beeinflussung dieses Ventils zur Regelung nicht erwähnt wurde.
In Fig. 4 ist auch die Gitterkennlinie eingezeichnet, die von den Entladungskurven an den Punkten Z1 bis/'4 geschnitten wird, was vier verschiedenen Zündzeitpunkten entsprechen würde. Berücksichtigt man auch bei Fig. 4 wieder den Gitterstrom während der positiven Phase, so gelten wiederum näherungsweise die strichlierten Linien, was aber offensichtlich, da es sich um gegenüber den Zündzeitpunkt zeitlich später liegende Moment handelt, für die Wirkungsweise der Steuerung ohne Belang ist.
Das Regel- bzw. Steuervermögen des Verfahrens lässt sich aber erfindungsgemäss noch erweitern. wenn nicht nur das Ventil V2 sondern aucll das Ventil V1 durch Verändern seiner Gitterspannung beeinflusst wird. Mit wachsendem Widerstand von 7i wird die Ladekurve der Kondensatoren immer flacher verlaufen. (Fig. 5). Wird der Widerstand beider Ventile jeweils gleichgewählt und nur in seiner Grösse gleichzeitig geändert, so ergeben sich an den Gittern Sinuskurven, deren Scheitelspannung mit zunehmendem Widerstand der Ventilröhren abnimmt, d. h. der Verlauf der Kurven nach Grenzfall 1 wird nur quantitativ verändert (Fig. 6).
Dies ist eigentlich nicht ganz exakt ; abgesehen von der Ableitung, die im Gitter während der positiven Halbwelle auftritt (strichlierte Linie) bewirkt die Veränderung des Ventilwiderstandes, der in Serie mit dem Kondensator liegt, auch noch eine gewisse Phasenverschiebung, die aber für die nachstehenden Betrachtungen belanglos ist und auch absolut genommen, bei ricntigem
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aller Ohm'sehen Widerstände zu verstehen ist, nur kleine Werte erreicht.
Wird nun der Widerstand von Fa kleiner als der von V, gemacht, so ergeben sich besonders steil abfallende Endladungskurven, was mit Rücksicht auf einen möglichst scharfen Schnitt mit der Gitter- kennlinie erwünscht ist (Fig. 7).
Welche spezielle Formen der vorbeschriebenen Steuervarianten man wählt, hängt von den besonderen Bedingungen ab. Die universellsten Möglichkeiten bietet die Beeinflussung beider Ventil- röhren, dagegen ergibt das Arbeiten mit unveränderlichem Ventil Vi den Vorteil, nur ein Gitter beeinflussen zu müssen.
Die Wahl der Grundphasenversehiebung (in Fig. 4) hängt von der Phasenzahl der Gesamtanlage und vom Umfang des geforderten Regelbereiches ab. Für Sechsphasenbetrieb und vollständiger Regelung von Null-bis Vollwert ist das Regelgebiet durch Schraffiel1wg in Fig. 8 angegeben. Im weiteren sind bei dieser Figur gleich grosse Innenwiderstände der beiden Ventile T und V2 für den Vollastpunkt angenommen, während zur Einstellung kleinerer Lastwerte der Innenwiderstand des Ventils T''ver- kleinert, jener von V2 vergrössert wird. Dieses spezielle Regelverfahren stellt natürlich nur ein Beispiel der verschiedenen möglichen Varianten des Grundgedankens vor.
Eine weitere Verbesserung im Sinne eines steileren Kurvenverlaufes für den zur Steuerung benutzten Entladungsvorgang ergibt sich, wenn im Ladestromkreis der Anordnung eine hohe Induktivität eingeschaltet wird. Es wird dadurch erreicht, dass die Drossel während der zweiten Viertelwelle des Aufladevorganges ihre magnetische Energie in den Kondensator hineinliefert. Das negative Spannungsmaximum an Gitter und Kondensator wird durch die vorhandene Induktivität erhöht und tritt zeitlich später ein. Der Entladevorgang kann daher durch Wahl hoher wirksamer Gegenspannung oder was dasselbe ist, kleinerer Innenwiderstände in r2 gewaltsam beschleunigt werden, was einem steileren Verlauf der Entladekurven entspricht.
Damit die Induktivität nur für den Ladevorgang wirksam ist, muss sie zwischen den beiden Punkten a und b der Fia :. l eingeschaltet werden. Dabei darf nicht übersehen werden, dass sich die Ladevorgänge der einzelnen
Gitter überlagern und vorstehende Massnahme daher mit wachsender Phasenzahl ihre Wirkung mehr
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und mehr verliert. Es kann daher zweckmässig sein, beispielsweise für Sechsphasenbetrieb, das Hilfssystem in zwei gleichartige Drehstromsysteme oder drei gleichartige Einphasenstromsysteme aufzulösen (Fig. 9). Es ist selbstverständlich auch möglich, an Stelle der auf der Kathodenseite angeordneten Ventile je ein Paar Ventile direkt in den Gitterzuleitungen vorzusehen. Der Effekt ist dann derselbe, jedoch wird die notwendige Ventilzahl höher.
Das vorliegend beschriebene Steuerungsverfahren ist noch erweiterungsfähig, derart, dass die Steuerung von Hilfssystem mittels Beeinflussung des Ventilpaares nicht direkt auf die Gitter der Hauptentladungsgefässe erfolgt, sondern nach Art einer Kaskade unter Zwischenschaltung weiterer Hilfsentladungsgefässe. Diese Massnahme, für die Fig. 10 ein Schaltbeispiel gibt, erscheint im ersten Augenblick als ÜberflÜssige Komplikation. Bekanntlich ist aber die Steuercharakteristik aller Entladungsgefässe temperatur- und damit belastungsabhängig. Ein und derselbe Regeleingriff wird daher je nach Belastung und Temperaturzustand der Belastungsgefässe mehr oder minder verschiedene Regelergebnisse liefern. Durch indirekte oder Kaskadensteuerung lässt sich diesbezüglich eine Verbesserung erreichen.
Die Wirkungsweise einer Schaltung nach Fig. 10 ist nach dem vorbesehriebenen leicht verständlich.
Die Aufladung der Gitter und Kondensatoren auf negative Spannung erfolgt wieder durch das Ventil V" Für die Entladung ist aber nicht mehr der Strom des Ventiles V2 direkt massgebend, da den Kondensatoren die beiden Hilfsventile HV parallel geschaltet sind. Für diese Hilfsventile werden zweckmässig Glühkathodenröhren mit Dampffüllung verwendet. Die Kapazität der Gitter dieser beiden Hilfsventile ist zweifellos viel kleiner als jene der Hauptgitter, welche durch Zusatzkondensatoren beliebig vergrössert werden kann..
Das Ventil 172 kann daher mit winzigen Entladeströmen arbeiten. Bei Unterschreitung des für die Hilfsventile kritischen Wertes ihrer Gitterspannung werden diese zünden, womit die Kondensatorund auch Hauptgitterspannung fast augenblicklich zusammenbricht. Die Verwendung der Hilfsventile ergibt somit zwei Vorteile : einerseits wird die Entladekurve für den Kondensator und damit für die Hauptgitter ausserordentlich steil und damit die Steuerung von Belastungszustand der Hauptentladegefässe unabhängiger, anderseits arbeiten die Hilfsventile über den ganzen Regelbereich unter praktisch gleichen Bedingungen, so dass sie selbst keine merklichen Temperaturschwankungen und damit auch keine Temperaturabhängigkeit aufweisen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Steuerung von Gas-oder Dampfentladeröhren mittels Gitterbeeinflussung, bei dem zur Lieferung der Gitterspannung Hilfswechselspannungen mit einer Phasenzahl gleich der des Hauptsystems in fester Phasenlage benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Hilfstrafo sinusförmig gelieferte Gitterspannung während ihrer negativen Halbwelle am Gitter verzerrt wird und die Regelung durch Veränderung dieser Verzerrung erfolgt.