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Anordnung zur Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom anderer Frequenz, insbesondere zur Umformung von Drehstrom der Frequenz f in Einphasenstrom der Frequenz /3.
Es sind bereits zahlreiche Einrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsgefässen, zur Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechelstrom anderer Frequenz, insbesondere zur Umformung von Drehstrom von 50 Hz in Einphasenstrom von 16 Vs Hz, vorgeschlagen worden. Unter diesen interessieren im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Einrichtungen, bei denen durch Zusammensetzen von Spannungen die gewünsche Kurvenform, insbesondere Sinusform, erzielt wird.
Setzt man die niederfrequente Welle aus Teilen der höherfrequenten Wellen gleicher Amplitude zusammen. dann entsteht zunächst eine im wesentlichen trapezförmige Wechselspannung, und die notwendige Zusatzspannung besteht im wesentlichen aus einer dritten Harmonischen für die Einphasenspannung-gelegentlich abkürzenderweise Kompensationsharmonische genannt-und entspricht damit in ihrer Frequenz der Periodenzahl des Drehstromnetzes. Es ist nun bereits vorgeschlagen worden, diese Zusatzspannung aus dem Drehstromnetz zu beziehen und über einen Drehregler in das Einphasennetz einzuführen. Die Unabhängigkeit der Phasenlage zwischen den Vektoren des Drehstrom-und Einphasennetzes wird durch die Möglichkeit sichergestellt, die Phasenlage der zugesetzten dritten Harmonischen durch Drehen des Drehreglers beliebig zu ändern.
Diese Einrichtung hat jedoch verschiedene Nachteile, die sich besonders aus der mechanischen Regelung der Phasenlage ergeben. Diese Nachteile kann man gemäss der Erfindung vermeiden, indem jede der Teilspannungen mittels gesteuerter Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerter Dampf-oder Gasentladungsgefässe, aus dem Primärnetz gebildet wird. In erster Linie kommen Zusammensetzungen in Frage, bei denen die eine Teilspannung als Grundwelle mit etwa trapezförmiger Kurvenform. die andere Teilspannung als dritte Harmonische mit etwa sinusförmiger Kurvenform auftritt. Jedoch ist der Erfindungsgedanke hierauf nicht beschränkt, wie anders ausgebildete Ausführungsbeispiele zeigen.
Die Vorteile, die die Erfindung bietet, bestehen nicht nur in der Vermeidung der umständlichen Regelorgane für den mechanischen Antrieb des Drehreglers, sondern auch vor allem in der Möglichkeit, die Phasenlage der Zusatzspannung trägheitslos der Phasenlage des Spannungsvektors im Einphasennetz anzupassen.
Darüber hinaus zeigt sich, dass weitere Verbesserungsmögliehkeiten bezüglich der Kurvenform bestehen.
Bemerkt wird noch, dass bereits bei Wechselrichtern eine Zusammensetzung von einer rechteck-
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kanntgeworden ist. Jedoch hat die dafür vorgeschlagene Anordnung keine technische Bedeutung ge- winnen können, weil sie nicht arbeitsfähig ist.
Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen erläutert werden. Fig. 1 zeigt ein Schaltbild für eine solche Einrichtung. Der vom Drehstromnetz 1 erregte Transformator besitzt ausser der Primär-
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und 10 die andere Halbwelle der Einphasenspannung liefern. Das Sekundärnetz ist durch den Verbraucher 13 dargestellt. Die Arbeitsweise geht im einzelnen aus der Darstellung in der Fig. 2 hervor.
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die Grundwelle liefert, von Null zu positiven Werten wächst.
Wählt man das Verhältnis der Spannungen in den Wicklungen 3 und 4 so, dass in der Wicklung 3 etwa ein Drittel der in der Wicklung 4 erzeugten Spannung zugesetzt wird. so erhält man einen fast sinusförmigen Verlauf der gesamten erzeugten Einphasenspannung (Kurve h Die andere Halbwelle der Sekundärspannung wird analog durch die Wick-
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auch bei der Wicklung. 3 wieder die entsprechende Phase zünden, um die in der Wicklung : J zugesetzte Spannung in der richtigen Phasenlage zu der von der Wicklung 4 gelieferten Spannung zu erhalten. Die Elastizität der Anlage ist daher nur noch von den durch die beschränkte Phasenzahl der Wicklungen entstehenden Sprüngen, die bei sechsphasiger Anordnung nur 5% von der gesamten Einphasenwelle ausmachen, abhängig.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung lässt sich noch modifizieren, wie es in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. In der Fig. 3 sind wieder die Sekundärwicklungen 4 und o des Transformators, die mehrphasig arbeiten, dargestellt und zu einem einzigen Gefäss geführt, dessen Kathode mit nur einer Wicklung. * ? für die einphasige Zusatzspannung verbunden ist. Die Gefässe 11 und 12 verteilen die Spannung im gewünschten Sinne auf die einphasige Belastung. Die Anordnung nach Fig. 4 bringt eine weitere Vereinfachung, da die mehrphasige Wicklung nur einmal erforderlich ist und nur die kleineren, einphasig arbeitenden Wicklungen zweimal auftreten. Eine noch weitergehende Vereinfachung wird möglich, wenn man eine Schaltanordnung nach Fig. 5 wählt.
In diesem Fall genügen zwei mehranodige Gefässe, eine mehrphasig arbei- tende und zwei einphasig arbeitende Transformatorwieklungen. Ausserdem wird ein Sekundärtran- formator 14 benötigt.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausfiihrungsmöglichkeit beschrieben, bei der nur eine in Stern geschaltete Transformatorspeisewicklung erforderlich ist. Dies wird erreicht, indem man an Stelle der bisher bei den andern Ausführungsbeispielen in einem Gefäss untergebrachten Entladungsstrecken einanodige Entladungsgefässe 15-26 verwendet.
Zu den Steuerungsvorgängen wird noch folgendes bemerkt, wobei vorausgesetzt ist, dass gittergesteuerte Dampf-oder Gasentladungsgefässe verwendet werden : Die Steuerung der die Grundwelle liefernden Entladungsgefässe wird, wie bereits bekannt ist, in der Weise erfolgen, dass die Gitterspannung sich aus
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sichtlich der die Zusatzspannung (dritte Harmonische) liefernden Entladungsgefä. sse ist bereits weiter oben darauf hingewiesen worden. dass die Entladungsstrecke, deren Phase von Null zu negativen Momentanwerten übergeht, leitend wird. wenn die Grundwelle von Null zu positiven Momentanwerten anwächst, d. h. die Auswahl unter den die Zusatzspannung liefernden Entladungsstrecken wird in ähnlicher Weise bewirkt.
wie bei den die Grundwelle liefernden Entladungsstreeken, d. h. ebenfalls durch eine vom
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toren (Sehaltwalzen) oder Transformatoren erfolgen.
Hinsichtlich der Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Umformungseinrichtung ergibt sich doch, dass die die Zusatzspannung liefernde Entladungsstreeke bei Beginn jeder Halbwelle des erzeugten Wechselstromes leitend gemacht wird. Ändert sich das Frequenzverhältnis nicht. so wird diese Ent- ladungsstreeke längere Zeit allein Strom fuhren, beispielsweise über mehrere Perioden. Dies bedingt. dass jede dieser Entladungsstrerken praktisch für die volle Dauerleistung bemessen sein muss. Man kann nun vorteilhaft die Stromführung der die Zusatzspannung liefernden Entladungsstreeken unterteilen. so dass infolgedessen die Entladungsstreeken nicht mehr für die volle Dauerleistnng bemessen werden müssen.
Diese Unterteilung kann man vornehmen. indem man mindestens zwei Entladungsstrecken,
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oder innerhalb einer Bezugsperiode, wobei zweckmässigerweise die niedrigere Frequenz als Massstab dienen möge, mehrfach die Entladungsstreeken wechselt.
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entladungsstrecken an dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert werden. Der die Zusatzspannung liefernde Umformerteil enthält das mehranodige Gefäss 80 und die Transformatorwicklung ' ?, die im vorliegenden Fall doppelt soviel Phasen enthält wie die die Grundwelle liefernde Transformator-
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der die Zusatzspannung liefernden Transformatorwicklung während jeder halben Periode der Wechselspannung b kommutieren.
Zwischen t1 und t2 arbeitet beispielsweise die Wicklung 112'deren Spannung um 1800 versetzt ist, gegen die Spannung der die Grundwelle liefernden Phase, die mit ihr bei to gleichzeitig durch Null geht und die Einphasenhalbwelle einleitet. An der Stelle t2 wird dann auf die vorher-
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die auf die Phase P2 folgende Phase P3 Strom und von/, ab wieder die zu Anfang der Einpl1asenhalbwel1e brennende Entladungsstrecke der Phase p2.
In Fig. 8. sind ausser den nach den Phasen p1, p2 und p3 benannten Zusatzspannungen noch die
Grundwelle a und die Summe der beiden Spannungen, also die erzeugte Einphasenspannung b, abgebildet. Es ergibt sieh. dass gegenüber den Ausführungsmöglichkeiten gemäss Fig. 1-6 die vorliegende
Spannung b noch geringere Oberwellen enthält.
Bei der soeben beschriebenen Ausführungsmöglichkeit, bei der der die Zusatzspannung liefernde Umformerteil mehr Phasen hat als der die Grundwelle liefernde Umformerteil, können daher die einzelnen Phasen des Transformators und damit auch die Entladungsstreeken für kleinere Dauerleistung ausgelegt werden. Beispielsweise werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Wicklungen : 16 des Transformators, die konphas mit den die Grundwelle liefernden Wicklungen 45 liegen, bei einem Leistungs- faktor zwischen l und 0#7 schwächer belastet als die dazwischenliegenden Wicklungen.
Für die Kommutierung zwischen den Phasen der Wicklungen dz ist zu beachten, dass während der einen Halbwelle der Zusatzspannung nach'dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der abzulösenden Phasen kommutiert werden kann, dagegen während der andern Halbwelle bereits vor diesem Augenblick die nächstfolgende Phase freigegeben werden muss. Es wird bemerkt, dass der Entladungsübergang zwischen beliebig vielen Phasen der Wicklung. ? durchgeführt werden kann.
Die Anwendung von Stromteilern, insbesondere solchen, die ungleichphasige Entladungsströllle nach Art der Saugdrosselspule koppeln, hat einerseits den Vorteil. dass die Belastung der einzelnen Entladungsstrecken verringert wird, und anderseits, dass die Anpassung an die gewünschte Phasenlage mit grösserer Genauigkeit möglich ist.
Man kann nun den weiter oben ausgesprochenen Erfindungsgedanken in verschiedenartiger Weise weiterbilden. Nachstehend soll eine besonders zweckmässige Weiterbildung betrachtet werden. u. zw.
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werden. Hiedurch lässt sich, wie im einzelnen aus den nachstehenden Erläuterungen zu ersehen ist, eine besonders günstige Ausnutzung der einzelnen Anlageteile, insbesondere der Transformatorwicklungen. und in manchen Fällen eine noch bessere Annäherung an die Sinusform erreichen.
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auf eine Umformung von Drehstrom in Einphasenstrom bei einem starren Frequenzverhältnis von 1 : 2. Das primäre Drehstromnetz jf speist den Transformator 2, der eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen 2'und 2" aufweist.
Die Sekundärwicklung 2' besitzt vier gleich grosse, um je 60'versetzte Phasen, an die zwei gittergesteuerte meliranodige Dampfentladungsgefässe und'il"angeschlossen sind. Jedes der beiden Gefässe arbeitet auf eine Hälfte der Primärwicklung des Einphasentransformators 14, deren Mittelpunkt mit einem Ende der einphasigen Wicklung 2" des Primärtransformators 2 verbunden ist. Beide Enden der Wicklung 2"führen zu den Anoden eines zweianodigen Entladungsgefässes, dessen Kathode mit dem Sternpunkt der Wicklung 2'verbunden ist. Bei Leistungsfaktoren auf der Sekundärseite, die nicht unterhalb 0. 7 liegen, brauchen nur die beiden mehranodigen Gefässe 31' und 31" gesteuert zu werden.
Die Arbeitsweise dieser Umformungseinrichtung geht aus dem schaubild der Fig. 10 hervor. Es möge Cl die von den Phasen der Wicklung 2'gelieferte Spannung und e2 die von der Wicklung 2"ge- lieferte Spannung darstellen. Wird während der einen Stromhalbwelle des Einphasenstromes beispielsweise das Gefäss'il'leitend gemacht, so drückt es der zugeordneten Sekundärwicklung des Einphasentransformators 14 die trapezförmige Spannung fi auf. Die Phasenlage der Wicklung 2"ist nun so gewählt, dass die von ihr zu liefernde Teilspannung e2 symmetrisch zur erzeugten Einphasenspannung liegt, u. zw. so, dass die positive Halbwelle in die Symmetrieachse der positiven Halbwelle der Einphasenspannung fällt.
Dann wird, solange die Spannung der Wicklung 2"negativ ist. der Strom über die Anode fliessen. die unmittelbar mit dem Mittelpunkt der Primärwicklung des Einphasentransformators 14 verbunden ist. In der Zeit in der die Wicklung 2" positive Spannungen führt, übernimmt die andere der beiden an der Wicklung 8"liegenden Anoden die Stromführung. und es wird dann zu der von der Wieklung 2' erzeugten Grundspannung el die Spannung C2 mit gleichem Vorzeichen hinzugefügt. Bei richtiger Be-
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gezeichneten Sollspannung e nur unwesentlich abweicht.
Dieselbe Anordnung kann durch Erweiterung der Wicklung 2'und 2"um die symmetrisch liegenden negativen Phasen für den Betrieb bei Leistungsfaktoren kleiner als 0#7, d. li. bis 0. erweitert werden. Weiter kann durch mehrphasige Ausbildung der Wicklung 8' und durch entsprechende Steuerung der Gefässe 31' und 31" auch eine elastische Umformung durchgeführt werden. Gleiches gilt auch für die Wicklung 2" und das Gefäss. ?.
Ähnliche Anordnungen lassen sich auch für andere Frequenzverhältnisse angeben. So ist in Fig. 11 beispielsweise das Spannungsbild einer auf ähnliche Weise zustande gekommenen Wechselspannung gezeichnet, deren Frequenz zur Primärfrequenz im Verhältnis 1 : 1-66 steht. Auch hier kann man durch geeignete Wahl der Spannungsgrössen eine weitgehende Annäherung an die Sinusform erreichen.
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