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Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken.
Die Erfindung bezieht sich auf Umformungseinriehtungen mit. gesteuerten Entladungsstreeken, für die vorzugsweise gittergesteuerte Dampf-oder Gasentladungsgefässe Verwendung finden. Bekannt- lich kann man mittels gesteuerter Entladungsstrecken Wechselstrom in Gleichstrom umformen (Gleich- richter), Gleichstrom in Wechselstrom umformen (Wechselrichter) und Wechselstrom in Wechselstrom umformen (Umrichter). Der nachstehend beschriebene Erfindungsgedanke soll vorzugsweise bei Gleich- richter und Wechselrichtern angewendet werden.
Es sind bereits zahlreiche Anordnungen bekanntgeworden, die Entladungsstrecken zur Energie- lieferung zwischen Gleichstrom-und Wechselstromkreisen verwenden. Diese verschiedenen Anordnungen unterliegen jedoch gewissen Beschränkungen in bezug auf die Steuerung des Leistungsfaktors des Weehsel- stromnetzes. Wenn beispielsweise Energie von einem Gleiehstromnetz an ein Weehselstromnetz durch eine solche Anordnung geliefert wird, so ist-es bisher unmöglich gewesen, eine stark induktive Belastung ohne die Verwendung einer sehr grossen Kapazität zu speisen, die mit dem Wechselstromkreis verknüpft ist und zur Kompensation des nacheilenden Laststromes diente.
Diese Beschränkung ergibt sich aus dem Umstand, dass es bisher nicht möglich war, einen Strom von einem Entladungsweg mit niedrigerer
Gegen-EMK auf einen Entladungsweg mit höherer Gegen-EMK zu kommutieren. Infolgedessen war es bisher notwendig, die Überführung des Laststromes von einem Entladungsweg auf einen andern dann
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zuletzt stromführenden Weges. In ähnlicher weise ist es bei der Umformung von Wechselstrom in
Gleichstrom häufig erwünscht, die Spannung des Gleichstromkreises zu steuern, indem man die Phase der Gitterwechselspannung in bezug auf die Anodenwechselspannung im nacheilenden Sinne verstellt.
Das bewirkt einen nacheilenden Leistungsfaktor im Wechselstromnetz. Bis jetzt war es nicht möglich, den Belastungsstrom von einem Entladungsgefäss mit höherem Anodenpotential zu einem mit niedrigerem
Anodenpotential zu kommutieren, d. h. es war nicht möglich, den Belastungsstrom von einem Ent- ladungsweg mit niedrigerer Gegen-EMK zu einem mit höherer Gegen-EMK zu überführen, deshalb war der Belastungsstrom einer solchen Umformungseinrichtung stets wenigstens etwas nacheilend.
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsgefässen, u. zw. sind Mittel vorgesehen, die es ermöglichen, den Kommutierungsvorgang in jedem gewünschten
Augenblick einer Wechselstromperiode stattfinden zu lassen. Dadurch ergeben sich verschiedene betrieb- liche Vorteile, indem nämlich der Weehselstromkreis bei jedem beliebigen Leistungsfaktor arbeiten kann. Insbesondere wird es dadurch ermöglicht, einen Wechselrichter zu betreiben, der einen stark induktiven Verbraucher speist. Anderseits ermöglicht der Erfindungsgedanke, bei Gleichrichtern die erzeugte Gleichspannung in der gewünschten Weise zu steuern und gleichzeitig dem Wechselstromkreis einen voreilenden Leistungsfaktor zu geben.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die verschiedene
Lösungswege angeben.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine Einrichtung zur Umformung von
Gleichstrom in Einphasenwechselstrom oder umgekehrt. Das Gleichstromnetz 10 und das Einphasennetz 11 sind über einen Transformator 12 und die gittergesteuerten Entladungsgefässe 14 und 15 gekuppelt.
Ferner ist in den einen Gleichstromleiter eine Drosselspule 13 eingefügt. Zwei Kommutierungskondensatoren 16'und 16"sind in Reihe zwischen die Anodenkreise der beiden Gefässe 14 und 15 geschaltet. Die Steuergitter der beiden Gefässe sind über die Sekundärwicklung eines Gittertransformators 18 und einen Strombegrenzungswiderstand 19 mit den Kathoden verbunden. Die Primärwicklung des Gittertransformators wird von einer Anordnung zum Verstellen der Phase gespeist, beispielsweise von einem Drehtransformator 20, der einen mehrphasigen vom Netz 21 gespeisten Ständer und eine Läuferwicklung 22 enthält.
Es kann wünschenswert sein, einen gesättigten Transformator 23 vorzusehen oder den Gittertransformator 18 zu sättigen, wodurch man eine Gitterwechselspannung spitzer Wellenform erhält, die für viele Steuerungszwecke vorteilhaft ist. Damit das Potential der Verbindung der beiden Kapazitäten 16'und 1611 periodisch geändert werden kann, ist die Verbindungsleitung über einen Kommutator 24 mit den Kathoden der Gefässe 14 und 15 und einer Gleichstromquelle 25 mit parallel geschaltetem Kondensator 26 verbunden.
Die Kommutatoranordnung 24 enthält ein leitendes Segment 27 und Bürsten 28, die den eben genannten Stromkreis einmal während jeder Umdrehung des Kommutators schliessen.
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Angetrieben wird der Kommutator durch einen Synchronmotor 29, der vom Wechselstromkreis 11 gespeist wird. Zur Einstellung der genauen Phasenlage zwischen Kommutator 24 und Synchronmotor 29 ist ein besonderes Verstellorgan 30 vorgesehen.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist nachstehend beschrieben, wobei vorausgesetzt ist, dass die Anordnung als Gleichrichter arbeitet. Wie bereits eingangs festgestellt wurde, war es bisher nicht möglich, den Strom zwischen den Gefässen 14 und 15 zu kommutieren, wenn nicht das Anodenpotential der nachfolgenden Röhre grösser war als das der vorhergehenden Röhre. Dabei wird der Strom ein wenig nach dem Wechsel der Polarität des Anodenpotentials kommutiert, so dass der Strom ein wenig nacheilt.
Wenn die Kommutierung des Stromes weiter verzögert wird, damit die Spannung des Gleichstrom- kreises verringert wird, wird der Wechselstrom eine noch grössere nacheilende Phasenverschiebung in bezug auf die Wechselspannung erfahren. Nehmen wir jetzt an, dass es erwünscht sei, den Strom von dem Gefäss 14 auf das Gefäss 15 zu überführen, während das Anodenpotential des Gefässes 15 noch kleiner als das des Gefässes 14 ist. Dann werden der Kommutator 24 und die Phaseneinstellvorrichtung 30 so angeordnet, dass das leitende Stück 27 den Kreis mittels der Bürsten 28 in dem Augenblick schliesst, in welchem die Kommutierung des Stromes zwischen den beiden Gefässen erfolgen soll. Die Batterie 25 ist so angeordnet, dass ihre volle negative Spannung an die Verbindungsleitung der Kapazitäten 16'und 16" gelegt wird.
Jedoch ist es ohne weiteres verständlich, dass, wenn die Gefässe 14 und 15 umgekehrt angeordnet sind, d. h. mit gemeinsamem Anodenpotential, die Polarität der Batterie 25, der zur Herabsetzung des inneren Widerstandes ein Kondensator 26 parallel liegt, umgekehrt ist und eine positive Spannung den Kapazitäten 16'und 16" zugeführt wird. Infolge der Tatsache, dass es unmöglich ist, die Spannung an den Kapazitäten 16'und 16" momentan zu ändern, erhalten die Anoden der Gefässe 14 und 15, die an die andere Seite dieser Kondensatoren angeschlossen sind, ein Potential, das unter dem Kathodenpotential liegt und eine Unterbrechung des Stromes im Gefäss 14 herbeiführt.
Inzwischen hat jedoch die Gitterspannung das Vorzeichen gewechselt, so dass das Gefäss 14 nicht mehr leitend, aber das Gefäss 15 leitend wird. Wenn das leitende Stück 2'1 von unten über die Bürsten 28 gleitet, hat das Gitter die Steuerung über das Gefäss 14 wieder erlangt und verhütet infolgedessen ein Neuzünden des Stromes. Die Spannung an der Drossel 13 wird den Strom durch das Gefäss 15 gegen die negative Spannung des rechten Teiles der Sekundärwicklung des Transformators 12 treiben. In ähnlicher Weise kann der Strom vom Gefäss 15 auf das Gefäss 14 kommutiert werden, indem man, wie oben, das Potential der Kapazitäten 16'und 16" negativ macht und die Polarität der Gitterspannung der Gefässe 14 und 15 umkehrt.
Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch und bewirkt dabei, dass dem Wechselstromnetz 11 ein voreilender Strom entnommen wird. Um zu vermeiden, dass sich auf den an den Kontaktapparat 27, 28 angeschlossenen
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oder eine Ableitdrossel 100 vorgesehen. Wie vorher bereits erwähnt wurde, hat es sich als zweckmässig herausgestellt, einen gesättigten Transformator 23 zwischen der'Wechselspannungsquelle veränderlicher Phase und dem Gittertransformator 18 vorzusehen, um eine Gitterwechselspannung spitzer Wellenform zu erzielen.
Durch richtige Kupplung der Phasenverstellvorrichtung 30 mit dem Läufer des Transformators 20 kann man es ermöglichen, dass die Spitzen der Gitterwechselspannung in Synchronismus mit dem momentanen Anlegen der Spannung an die Verbindungsleitung der Kapazitäten 16'und 16" sind, wodurch die gewünschte Kommutierung zwischen den Gefässen bewirkt wird. Es wird bemerkt, dass zu allen Zeitpunkten, mit Ausnahme während der Zeit des Kommutierungsvorganges, die Gitter- spannungen der beiden Gefässe wegen der spitzen Wellenform der vom gesättigten Transformator 23 gelieferten Spannung im wesentlichen Null sind. Zusätzlich kann eine negative Vorspannungsbatterie in den Gitterkreisen vorgesehen sein, beispielsweise wenn Gefässe Verwendung finden, deren kritische
Gitterspannung negativ ist.
Durch Vorlegen des Zeitpunktes in der Periode der Wechselspannung, in dem der Strom zwischen den Gefässen kommutiert wird, wird die mittlere Spannung des Gleichstromkreises entsprechend verringert und damit die Phasenverschiebung des dem Netz 11 entnommenen
Stromes.
Die Arbeitsweise der in Fig. 1 angegebenen Umformungseinrichtung als Wechselrichter ist weitgehend ähnlich. Dabei ist es möglich, die Kommutierung des Stromes so weit zu verzögern, bis die Gegen-EMK des Stromkreises der folgenden Röhre grösser geworden ist als die des Stromkreises der vorhergehenden Röhre.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das eine mehrphasige Anordnung betrifft. Obwohl der Erfindungsgedanke bei jeder mehrphasigen Anordnung anwendbar ist, ist hier beispielsweise eine doppelt-dreiphasige Umformungseinrichtung gezeigt. Diese Umformungseinrichtung umfasst zwei in Stern geschaltete dreiphasige Sekundärwicklungen 31'und 31"eines Transformators, dessen Primärwicklung der Vereinfachung wegen fortgelassen ist. Die Sternpunkte der Wicklungen 31'und 31"sind über einen Zwischenphasentransformator 33 mit Mittelanzapfung verbunden. Diese Mittelanzapfung ist über die Drosselspule 13 an den einen Gleichstromleiter angeschlossen.
Die Wicklungsenden der Wicklungen 31'und-31"sind über Entladungsgefässe 34-39 mit dem andern Gleichstromleiter verbunden. Auch in diesem Falle sollen die gittergesteuerten Entladungsgefässe vorzugsweise mit einem ionisierbaren Medium versehen sein. Die Steuergitter der einzelnen Entladungsstrecken
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sind über Sekundärwicklungen 40 eines Drehtransformators mit dem Ständer 41 zur Verstellung der Phasenlage der Gitterspannung und einen Strombegrenzungswiderstand 42 an das gemeinsame Kathodenpotential angeschlossen. Die Primärwicklungen des Drehtransformators werden von einem geeigneten Mehrphasennetz 43 erregt, vorzugsweise von der Primärwicklung des Haupttransformators.
Mit den Transformatorwicklungen 31'und 31" sind die in Stern geschalteten Kondensatoren 44-49 verbunden, u. zw. sind die Sternpunkte der beiden Kondensatornetzwerke miteinander unmittelbar verbunden.
Auch hier ist ebenso wie bei der Anordnung nach Fig. 1 ein umlaufender Kommutator vorgesehen. Wenn die Anordnung ohne erzwungene Kommutierung als Gleichrichter oder als Wechselrichter arbeitet, sind die Kommutierungszeitpunkte des Stromes zwischen den einzelnen Entladungsstrecken, die an die Wicklungen 31'und 31" angeschlossen sind, im wesentlichen um 600 gegeneinander verschoben. Arbeitet die Anordnung mit erzwungener Kommutierung, so wird zu diesem Zweck das Potential des Sternpunktes des Kondensatornetzwerkes momentan gesenkt und infolge der Verbindung zwischen diesem Punkt und dem Sternpunkt des andern Kondensatornetzwerkes wird das Potential des andern Netzwerkes in gleicher Weise gesenkt. Das hat zur Folge, dass der Strom in der gerade leitenden Entladungsstrecke unterbrochen wird. Die Kommutierung des Stromes z.
B. von dem Gefäss.'34 auf das Gefäss 35 kann jetzt erzwungen werden. Ausser der mechanischen Steuerung mit umlaufendem Kommutator, für die mit Rücksicht auf das bereits an Hand der Fig. 1 beschriebene Ausführungsbeispiel keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind, ist in einem gewissen Rahmen eine Steuerung des Leistungsfaktors bei einer Anordnung nach Fig. 2 auch ohne umlaufenden Kommutator möglich. Bekanntlieh arbeiten bei einem doppelt-dreiphasigen Gleichrichter oder Wechselrichter infolge des Zwisehenphasentransformators (Saugtransformators) immer zwei Entladungsstrecken gleichzeitig.
Am Saugtransformator liegt dabei eine Wechselspannung dreifacher Frequenz, deren Phasenlage sich mit zunehmender Verschiebung des Entladungseinsatzes gegenüber der an den Entladungsstrecken liegenden Wechselspannung ebenfalls ändert. Infolge des Vorhandenseins des zusätzlichen sechsphasigen Kondensatornetzwerkes wirken auf die einzelnen Entladungsstromkreise ausser den durch die Wicklungen des Haupttransformators gelieferten Spannungen und der durch den Saugtransformator gelieferten Spannung auch die vom Kondensatornetzwerk gelieferten Spannungen ein.
Dabei tritt im Augenblick der Kommutierung zwischen zwei Entladungsstrecken der Wicklung 31'- beispielsweise bei Gleichrichterbetrieb infolge der Wirkung der Saugdrossel zwischen 34 und 36, wobei der Einsatz der Entladung in 36 um einige
Grad verzögert sein muss-ein Spannungssprung auf, der sich über das Kondensatornetzwerk auf die Entladungsstrecke 39 überträgt. In diesem Augenblick erlischt die Entladung in 39, und man kann den Entladungsstrom auf 37 übertragen, u. zw. unter der Voraussetzung, dass das Gitter von 39 Sperrpotential aufweist. Erhält das Gitter von 39 kein Sperrpotential, so ist ein Übergang der Entladung von 39 auf 37 in diesem Zeitpunkt nicht möglich. Diese Vorverlegung der Kommutierung ist nur bei den Entladungsstrecken der einen Wieklung möglich.
Man kann also hinsichtlich der Wicklung 31'mit etwas nacheilendem Leistungsfaktor und gleichzeitig hinsichtlich der Wicklung 31"mit stark voreilendem Leistungsfaktor arbeiten und infolgedessen beispielsweise einen mittleren Leistungsfaktor entsprechend einem Phasenwinkel von 300 voreilend für beide Wicklungen zusammen erhalten. Es ist einleuchtend, dass diese Möglichkeit der Steuerung des Leistungsfaktors nur begrenzt anwendbar ist. Ohne Beschränkung ist der Betrieb, wenn man den Sternpunkt des Kondensatornetzwerkes in derselben Weise wie in Fig. 1 steuert. Auch die Anordnung gemäss Fig. 2 kann sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter arbeiten.
An Stelle der in den Fig. 1 und 2 angegebenen Ausführung, die Kommutierung dadurch zu bewirken, dass Kapazitäten mit einem neutralen Punkt zwischen die Stromkreise der verschiedenen Gefässe geschaltet sind und das Potential des neutralen Punktes periodisch geändert wird, kann man auch andere Lösungswege benutzen.
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Wechselrichter in Parallelanordnung durch grosse Stabilität und günstigen Wirkungsgrad aus. Bei Speisung von stark induktiven Verbrauchern ergeben sich aber die bereits in der Beschreibungseinleitung genannten Schwierigkeiten.
Durch die nachstehend beschriebene Anordnung wird es jedoch ermöglieht, die Kommutierung mittels einer Kommutierungskapazität durchzuführen, u. zw. wird der Grösstwert der von der Kapazität zusätzlich gelieferten Kommutierungsspannung sogar dann erreicht, wenn der Verbraucher mit einem Leistungsfaktor von 1 oder nacheilendem Leistungsfaktor gespeist wird. In Reihe mit dem Kommutierungskondensator liegen zwei gegensinnig parallel geschaltete gittergesteuerte Entladungsgefässe, u. zw. liegt die aus dem Kondensator 16 und den Gefässen 17'und 17" bestehende Reihenschaltung zwischen den beiden Hauptentladungsstreeken. M und 15, die, wie auch die Gefässe 17' undo7", vorzugsweise ein ionisierbares Medium enthalten.
Zur Steuerung der Gitterkreise der einzelnen Entladungsgefässe ist ein Gittertransformator 18 vorgesehen, dessen Primärwicklung von dem Wechselstromkreis mittels einer passenden Phaseneinstellvorriehtung 20 gespeist wird. Beispielsweise kann die Primärwicklung des Transformators 18 an die Primärwicklung des Transformators 12 über eine
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verbunden sein, obwohl selbstverständlich auch andere Phaseneinstellvorrichtungen Verwendung finden können, ohne dass hiedureh die Erfindung beeinträchtigt wird. Die Steuergitter der Gefässe 14 und 15 sind über die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 18 über einen Strombegrenzungs- widerstand 19 mit den Kathoden verbunden.
In ähnlicher Weise sind die Steuergitter der Gefässe 17' und 17"mit den entsprechenden Kathoden mittels der Sekundärwicklung 18'bzw. 18"des Transformators 18 und Strombegrenzungswiderstand 19'bzw. 19" verbunden.
Die Arbeitsweise der eben beschriebenen Umformungseinrichtung soll nachstehend beschrieben werden. Dabei nehmen wir an, dass der Wechselstromkreis 11 mit einem Verbraucher verbunden ist, der eine sinusförmige Gegen-EMK liefert. Es sei beispielsweise das Gefäss 14 leitend während der Halbperiode, wenn die Gegen-EMK des linken Teiles der Primärwicklung des Transformators 12 positiv ist. Während derselben Halbwelle ist die Gegen-EMK des rechten Teiles der Primärwicklung des Transformators 12 negativ und, da der Strom stets danach strebt, durch einen Weg zu fliessen, der die kleinste positive Gegen-EMK hat, so kann der Belastungsstrom auf das Gefäss 15 in jedem Augenblick in dieser Halbwelle überführt werden, wenn dieses Gefäss leitend wird.
Wenn jedoch die Überführung des Stromes von dem Gefäss 14 auf das Gefäss 15 bis zur nächsten Halbperiode verzögert wird, wenn die Gegen-EMK das Vorzeichen gewechselt hat, so ist die Gegen-EMK des linken Teiles der Primärwicklung negativ in bezug auf die des rechten Teiles. Unter solchen Bedingungen war es bisher nicht möglich, zu kommutieren, da das Anodenpotential des Gefässes 14 höher als das des Gefässes 15 ist.
Wenn jedoch der Strom von dem Gefäss 14 auf das Gefäss 15 überführt wird, während die Gegen-EMK des linken Teiles der Wicklung des Transformators 12 positiv ist, so muss der Strom der Gegen-EMK voreilen, d. h. der Belastungskreis muss einen voreilenden Leistungsfaktor haben oder, anders ausgedrückt, eine Kapazität muss zwischen die Wicklung des Transformators 12 eingefügt werden, um eine Blindleistung für den eigentlichen Kommutierungsvorgang bereit zu stellen. Mit der oben beschriebenen Anordnung ist es jedoch möglich, einen Verbraucher zu speisen, der einen nacheilenden Leistungsfaktor hat. Bei dieser Anordnung ist während der Halbwelle, während der das Gefäss 14 leitend ist, das Gefäss 1'1'ebenfalls leitend, und die Kapazität 16 wird bis zur vollen Spannung der Primärwicklung des Transformators 12 geladen.
Diese ist angenähert zweimal so gross wie die Gleichspannung. Wenn jedoch die Spannung des Wechselstromkreises die Spitze der Welle überschreitet, nimmt die Ladespannung des Kondensators 16 nicht ab, da das Gefäss 17'in nur einer Richtung stromdurehlässig ist, d. h. die Kapazität 16 wird im wesentlichen auf die doppelte Gleichspannung geladen und behält diese Ladung, bis sie für den Kommutierungsvorgang zwischen den Gefässen 14 und 15 erforderlich ist. Die Sekundärwicklungen 18' und 18"des Gittertransformators 18 sind so angeordnet, dass die Gefässe 15 und 17"in demselben Augenblick leitend werden.
Da die Kapazität 16 eine Ladespannung hat, die angenähert der doppelten Gleichspannung ist, wird sie, da die rechte Klemme positiv ist, versuchen, sich über die in Reihe geschalteten Gefässe 14 und 15 zu entladen, aber infolge der Stromdurchlässigkeit des Gefässes 14 in nur einer Richtung hat das zur Folge, dass der Strom in diesem Gefäss unterbrochen wird und auf das Gefäss 15 überführt wird. Zur Regelung des Zeitpunktes in der Periode der Gegen-EMK, in welchem der Strom zwischen den beiden Gefässen 14 und 15 kommutiert wird, ist die Primärwicklung des Gittertransformators 18 übel'die Phaseneinstellvorrichtung 20 mit dem Weehselstromkreis verbunden.
Durch richtige Auswahl der Scheinwiderstandselemente 20', 20", 20'" wird es ermöglicht, dass die Gitterwechselspannung der Gegen-EMK des Netzes 11 entweder voreilt oder nacheilt und dadurch entweder einen voreilenden oder einen nacheilenden Strom dem Belastungskreis zuführt.
In Fig. 4 ist der Erfindungsgedanke bei einem Mehrphasenwechselrichter in Parallelanordnung dargestellt. Dieser Umformer enthält einen Transformator 32 mit einer dreiphasigen Primärwicklung 31 p und einer dreiphasigen Sekundärwicklung 5j ! s. Die verschiedenen Zuführungsklemmen der Primär-
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die mit Paaren gegensinnig parallel geschalteter Entladungsgefässe 53 und 54 bzw. 55 und 56 bzw. 57 und 58 verknüpft sind. Ferner ist ein Gittertransformator mit mehreren Sekundärwicklungen 59 vorgesehen, der zur Steuerung der Gitter der einzelnen Gefässe dient.
Die Primärwicklung dieses Transformators, welche der Einfachheit halber fortgelassen ist, wird vorzugsweise von dem erzeugten Wechselstrom gespeist, u. zw. über eine passende phasenverstellende Anordnung, wodurch eine Steuerung des Leistungsfaktors des Belastungsstromes ermöglicht wird.
Die Arbeitsweise dieser mehrphasigen Anordnung ist ähnlich dem in Fig. 1 beschriebenen Einphasenwechselrichter. Jede der Kapazitäten 50, 51 und 52 wird bis zum Maximalwert der Wechselspannung während der ersten 900 einer Halbperiode geladen. Diese Ladung bleibt bestehen, bis sie für den Kommutierungsvorgang zwischen den beiden zugehörigen Gefässen benötigt wird. Nehmen wir an, dass das Drehfeld im Haupttransformator mit dem Uhrzeigersinn, beim Gittertransformator aber in entgegengesetztem Sinn rotiert, so werden die Hauptentladungsgefässe in folgender Reihenfolge,
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Der bei den Ausführungsbeispielen in Fig. 3 und 4 besehrittene Lösungsweg, einen Kondensator mittels einer Entladungsstrecke zu laden und die aufgespeicherte Energie für den Kommutierungsvorgang mittels einer zweiten Entladungsstrecke zu verwenden, hat gegenüber dem in den Fig. 1 und 2 angegebenen, mechanische Mittel verwendenden Lösungsweg den Vorteil, dass die Steuerung des Kommutierungsvorganges, insbesondere bei Verwendung von gittergesteuerten Entladungsgefässen, rein elektrisch erfolgt, wobei noch die Vereinfachung besteht, dass das den Kommutierungsvorgang einleitende Entladungsgefäss mit einem Hauptentladungsgefäss gleichphasig gesteuert wird.
Bei Wechselrichteranlagen mit stark schwankender Belastung, die im allgemeinen auch ein starkes Schwanken des Leistungsfaktors im Wechselstromnetz zur Folge hat, ist es nun erforderlich, die Steuerung der Kommutierung den Phasenverhältnissen im Wechselstromnetz jeweils selbsttätig anzupassen. Dabei ist hinsichtlich der Wirkungsweise des Wechselrichters folgendes zu berücksichtigen : Arbeitet ein Wechselrichter auf rein induktive Belastung und ist er nur in der Lage, Strom in Phase mit der Wechselspannung zu liefern, so wird der Strom unendlich gross, weil der für die Erzeugung der Gegen-EMK erforderliche Strom nicht geliefert werden kann, der Wechselstromkreis also einen Kurzschluss für den Umformer darstellt.
Wird die Phasendifferenz zwischen geliefertem Strom und erforderlichem Strom kleiner, sei es durch zusätzliche Ohmsche Belastung, sei es durch entsprechend spätere Kommutierung des Stromes, so wird der gelieferte Strom kleiner werden, weil er jetzt einen Ohmsehen Abfall bzw. eine Blindkompo- nente zur Erzeugung einer induktiven Gegen-EMK enthält. Der gelieferte Strom erreicht einen Minimalwert, wenn er in Phase mit dem für den induktiven Verbraucher erforderlichen Strom ist. Bei weiterer Phasenverschiebung des gelieferten Stromes gegenüber dem erforderlichen Strom steigt der gelieferte Strom wieder an, bis er bei 900 Verschiebung wieder den Wert Unendlich erreicht.
Die Phasenlage der Spannung ist mit der'durch das Verhältnis der Induktivitäten zu den Ohmschen Widerständen gegebenen Voreilung gegenüber dem erforderlichen Strom bestimmt. Eine Darstellung der Verhältnisse ist aus Fig. 5 zu ersehen. Als Ordinate ist der gelieferte Strom aufgetragen, als Abszisse die Phasendifferenz, a zwischen erforderlichem und gelieferte Strom. Der geiieierte btrom J wird ein Minimum, wenn er phasengleich mit dem erforderlichen Strom ist, also bei ss = O. Bei Abweichungen von dieser Phasen- lage wächst der gelieferte Strom und erreicht bei ss = + 900 Phasendifferenz den Wert Unendlich.
Man wird daher den Kommutierungsvorgang derart steuern, dass der gelieferte Strom seinen Minimalwert annimmt.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt, u. zw. sind drei parallel arbeitende Umformer vorgesehen. Bei jedem Wechselrichter kann die Kommutierung in einem beliebigen Augenblick erfolgen. Durch die Phaseneinstellvorrichtung 201, 202 und 203 kann man erreichen, dass der
Kommutierungsvorgang beim Umformer 11 stets einen Augenblick nach, beim Umformer 111 stets einen gleich grossen Augenblick vor dem beim Umformer I stattfindet. Liefert Umformer I einen Strom in der für den Verbraucher gerade erforderlichen Phasenlage, so werden die Umformer 11 und 111 bei Annahme gleicher Dimensionierung wie Umformer I einen etwas grösseren Strom führen als Umformer 1, u. zw. untereinander gleich grosse Ströme.
Wird der vom Umformer I gelieferte Strom mit Voreilung gegenüber dem erforderlichen Strom, etwa mit Winkel PI der Fig. 5, kommutiert, so wird der vom Umformer II1 gelieferte Strom grösser sein als der vom Umformer II erzeugte. Würde der Strom des Umformers I dem erforderlichen Strom nacheilen, so würde der grössere Strom vom Umformer 11 geliefert. Die Differenz der von den Umformern I1 und 111 erzeugten Ströme wird nun für die gewünschte Regelung verwendet, indem durch sie mittels eines Differenzrelais 60, gegebenenfalls unter Mitwirkung eines Verstellmotors, die Phasenlage des vom Umformer I gelieferten Stromes gegenüber der Wechselspannung so lange geändert wird, bis sie mit der des erforderlichen Stromes übereinstimmt.
Durch das Vorzeichen der Differenz zwischen den Strömen der Umformer II und 111 ist die Richtung der erforderlichen Verschiebung der Gitterspannungen und des Kommutierungszeitpunktes eindeutig festgelegt.
Bei der eben beschriebenen Anordnung kann der Umformer I auch fehlen ; dann wird der Wechselstrom aus zwei Teilströmen gebildet, die kurz vor und nach dem Augenblick für die ideelle Kommutierung des erforderlichen Stromes umgeschaltet werden. Selbstverständlich kann die Steuerung des Kommutierungsvorganges auch, wie bei Fig. 2 und 4, auf Mehrphasensysteme übertragen werden. Ebenso kann es zweckmässig sein, diese besondere Kommutierungssteuerung auch bei andern Umformungseinriehtungen anzuwenden. Bei unsymmetrischen, mehrphasigen Umformungseinrichtungen, also auch bei einphasigen, wird sich die Blindleistungsentnahme auf das Energie liefernde System übertragen, während bei symmetrischen Mehrphasensystemen, also auch bei Drehstrom, das Energie liefernde System Rückwirkungen der Blindleistungslieferung nur in verringertem Umfang erfährt.
An Stelle der elektromechanischen Steuerung mittels eines Differentialrelais 60 kann auch eine rein elektrische Steuerung unter Benutzung von Ventilen Verwendung finden.
Bei Umformungseinriehtungen für grosse Leistungen wird man zweckmässigerweise die für den Kommutierungsvorgang erforderliche Energie nicht durch Kondensatoren zur Verfügung stellen, sondern
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gestellt wird. Da dieser Wechselstromgenerator nur für die Zeit des Kommutierul1gsvorganges Energie zu liefern hat, empfiehlt es sich, der Spannungskurve des Generators 62 eine von der Sinusform abweichende Kurvenform, beispielsweise eine spitze Wellenform, zu geben. Die Gittersteuerung ist, da sie bereits ausführlich erläutert ist, der Vereinfachung wegen fortgelassen.
Hinsichtlich der Arbeitsweise sei kurz vorweggesehiekt, dass stets 14'und 14" bzw. 15'und 15"
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leitend. Soll nun in einem bestimmten Zeitpunkt der Strom von den Entladungsstrecken 14'und 14" auf die Entladungsstrecken 15'und 15"übergeführt werden, so müssen in diesem Augenbliek einerseits die Gefässe 15'und 15", anderseits das Gefäss 17'leitend werden, während die Gefässe 15'und 15"bzw. 17" eine solche Gitterspannung erhalten, dass sie nicht neu zünden bzw. gesperrt sind. Für die Gittersteuerung
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zu verwenden.
Wie ferner weiter oben erläutert ist, ist es vorteilhaft, die Gittersteuerung und damit auch die
Steuerung des Kommutierungsvorganges abhängig von den Phasenverhältnissen des Wechselstrom- netzes zu wählen. Berücksichtigt man dies, so ist es erforderlich, die Phase der Spannung des Generators 62 in bezug auf die Wechselspannung des Verbrauchernetzes 11 zu verschieben. Dies lässt sich beispielsweise in der Weise ermöglichen, dass der Generator 62 mit der Maschine 61, die auch als Phasensehieber betrieben werden kann, starr gekuppelt ist, der Ständer des Generators 63 aber drehbar angeordnet ist.
Ist eine solche starre Kupplung zwischen 61 und 62 unerwünscht bzw. nicht möglich, weil der Generator 61 fehlt, so wird man den Generator 62 beispielsweise über einen Drehtransformator und einen Synchronmotor mittelbar speisen, u. zw. kommt die mittelbare Speisung durch einen Synchronmotor besonders dann in Frage, wenn der Generator 62 eine Wechselspannung höherer Frequenz erzeugt. Durch solche Verstellmöglichkeiten kann man es erreichen, dass der Kommutierungsvorgang entsprechend den geforderten Umformungsbedingungen gesteuert wird.
So kann man die Umformungseinrichtung, stationäre Verhältnisse vorausgesetzt, in der Weise steuern, dass der vom Wechselriehter erzeugte Strom einen Minimalwert annimmt ; aber man kann auch, u. zw. kommt dies bei Parallelbetrieb mit Taktgeber 61 in Frage, derart steuern, dass der Strom und damit auch die Scheinleistung des Taktgebers 61 ein Minimum werden.
Ändern sich die Belastung-und damit auch die Phasenverhältnisse im Wechselstromnetz 11, so wird der Ständer des Generators 62 bzw. die Läuferwicklung des Drehtransformators eine Lagenveränderung erfahren. Während dieses Regelvorganges wird die Kommutierung infolge der mechanischen Trägheit der Ständerwicklung im allgemeinen nicht im günstigsten Augenblick erfolgen. Sind die Verhältnisse wieder stationär, so erfolgt die Kommutierung dann wieder in einer den Umformungsbedingungen entsprechenden Weise. Abgesehen von den nur bei Belastungs-bzw.
Phasenänderungen auftretenden, im allgemeinen geringfügigen Verschiebungen in bezug auf das betriebliche Optimum, besteht jedoch der Vorteil, dass die gesamte Steuerung des Kommutierungsvorganges rein elektrisch erfolgt, u. zw. kann es vielfach empfehlenswert sein, die für sämtliche Gitterkreise erforderlichen Steuerspannungen dem Hilfsgenerator 62 zu entnehmen.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt die die Kommutierung bewirkende
Spannung stets parallel zur vom Wechselstromnetz gelieferten Spannung. Gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann nun die die Kommutierung bewirkende Spannung in Reihe mit der vom
Wechselstromnetz gelieferten Spannung liegen. Wie Untersuchungen ergeben haben, ist die Reihen- schaltung in vielen Fällen günstiger als die Parallelschaltung und erfordert auch im allgemeinen einen kleineren Energiebetrag. Besondere Bedeutung hat diese Massnahme für Gleichrichter-und Wechsel- richteranlagen, insbesondere aber für letztere, denn bei Bestehen einer Phasenverschiebung zwischen
Strom und Spannung des Wechselrichters benötigt der Wechselrichter Blindleistung.
Gelingt es aber, die Kommutierung des Stromes im Nulldurchgang der Spannung zu bewirken, so überträgt der Wechsel- richter nur Wirkleistung.
In Fig. 8 ist ein Wechselrichter dargestellt, der die dem Gleichstromnetz 10 entnommene Energie umformt und dem durch den Verbraucher 11 dargestellten Wechselstromnetz zuführt. Im Wechselstromnetz ist ein Taktgeber 61 vorgesehen, der von einer geeigneten Antriebsmaschine (Dampfturbine, Elektromotor) angetrieben sein kann, aber auch als reiner Phasenschieber wirken kann. Ferner ist ein
Stromkreis vorgesehen, der den Kondensator 16 und die gegensinnig parallel geschalteten Entladungsgefässe 17'und 17" enthält und mittels des Transformators 63 mit dem Verbraucherkreis induktiv gekuppelt ist.
Bei der stossartigen Entladung des Kondensators 16 über eines der Entladungsgefässe 17' und 17"wird eine Spannungsspitze induziert, die in Reihe mit der vom Taktgeber 61 gelieferten Spannung geschaltet ist und mit ihr zusammen eine Spannung solcher Grösse und Richtung ergibt, dass der Kondensator sich nicht über die Taktgebermasehine, sondern im wesentlichen über die Entladungsgefässe 14', 15' bzw. 14", 15" entlädt. In Fig. 9 der Zeichnung ist eine weitere AusfÜhrungsmöglichkeit dargestellt.
Der für den Kommutierungsvorgang erforderliche Hilfskreis mit dem Kondensator 16 und den Entladungsgefässen 17'und 17"ist elektrisch vom Wechselstromnetz getrennt und kann seine Energie von einer weiteren Spannungsquelle 68 erhalten. An Stelle dieser Spannungsquelle kann jedoch die Aufladung des Kondensators 16 auch mittels Transformators aus dem Wechselstromnetz erfolgen.
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Bei diesen beiden beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten ist angenommen, dass die in den Hilfskreis eingeführte Spannung die gleiche Frequenz hat wie das Wechselstromnetz. In Fig. 10 ist tun eine Anordnung dargestellt, bei der die Frequenz der dem Hilfskreis zugeführten Spannung (Genera-
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gekuppelt ist ; er kann aber auch mittels eines besonderen Synchronmotor erfolgen.
Bei den bisher vorgeschlagenen Anordnungen ist es ungünstig, dass der von der Zusatzspannung erzeugte Strom nicht nur über die kurzgeschlossenen Entladungsgefässe, sondern auch über den Verbraucher fliesst. Man kann nun aber auch die zusätzlichen Entladungsstrecken und die Zusatzspannungen derart anordnen, dass dem durch die Zusatzspannungen erzeugten Strom der Weg über den Verbraucher gesperrt und nur der Weg über die Hauptentladungsstrecken freigegeben wird. Fig. 12 stellt den allgemeinen Fall dar, in dem zwischen die Anoden der Entladungsgefässe 14 und 15 eines Wechselrichters in Parallelanordnung eine Spannungsquelle 64 geschaltet ist.
Dem Strom über den Transformator wird durch zwei Entladungsgefässe 65'und 65", die ungesteuert sein können, der Weg versperrt, Fig. 13 zeigt eine Anordnung, wenn für die Kommutierung ein Kondensator 66 vorgesehen ist. Der Kondensator 66 liegt wieder zwischen den Anoden der Hauptentladungsgefässe 14 und 15.
Führt das Rohr 14 Strom, so wird der Kondensator 66 über ein der Röhre 15 vorgeschaltetes ungesteuertes Gefäss 65"und ein zu dem dem Rohr 14 vorgeschalteten Rohr 65' gegensinnig parallel liegendes gittergesteuertes mit- ladungsgefäss 67'geladen. Eine Entladung kann zunächst nicht stattfinden, da Rohr 65"überhaupt und das dazu gegensinnig parallel geschaltete gittergesteuerte Rohr 67"bis zur Beendigung der Kommutierung gesperrt sind ; der Entladestrom kann sich beim Öffnen des Hauptentladungsgefässes 15 nur über
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Fortfall kommen, wenn der Ladestrom des Kondensators 66 in keinem Augenblick den Strom durch eines der Hauptentladungsgefässe übersteigt. Man erhält somit eine Anordnung ähnlich Fig. 12, wenn man dort die Spannungsquelle 64 durch einen Kondensator 66 ersetzt.
Durch die Gefässe 65'und 65" fliesst dann nur die Differenz der Belastungs-und Kondensatorladestrome, und der Kondensator kann sich nur über 14 und 15 entladen.
Durch die vorstehend beschriebene Erfindung wird ein Wechselrichterbetrieb bei beliebiger Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom ermöglicht, so dass der Strom mit seiner Lage zur Spannung den im Wechselstromnetz herrschenden Verhältnissen richtig entspricht. Man kann nun die Erfindungsgedanken noch in zweckmässiger Weise weiterbilden und dadurch einen einwandfreien Betrieb auch bei grösseren Phasenverschiebungen zwischen Spannung und Strom gewährleisten. Dies wird erreicht, indem die einem Wechselrichter zugeführte Gleiehspannung in einem vorbestimmten Verhältnis zur Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom auf der Wechselspannungsseite geregelt wird.
Für das Verständnis dieser Massnahmen ist es von Wichtigkeit, die Vorgänge beim Wechselrichterbetrieb kurz zu erläutern : Betrachtet man eine Verschiebung zwischen 0 und 900, so erkennt man, dass für gleichbleibende Seheinleistung im Wechselstromnetz die zugeführte Gleichspannung kontinuierlich abnehmen muss nach einer Beziehung, die ausser von den durch die veränderlichen Kommutierungszeiten herrührenden Faktoren im wesentlichen von dem Cosinus des Verschiebungswinkels abhängt ; d. h. die über den Wechselriehter gelieferte Wirkleistung wird bei gleichbleibender Weehselspannung durch die Höhe der Gleichspannung bestimmt.
Dabei ist es ohne Einfluss, ob die im Wechselstromnetz auftretende Blindleistung von einem andern dem Wechselstromnetz angeschlossenen Stromerzeuger oder der für die Lieferung der genannten Blindleistung dimensionierten Taktgebermasehine geliefert wird oder ob der gesamte Wirk-und Blindstrom über den Wechselrichter kommutiert und aus dem Gleiehstromnetz bezogen wird. Zweckmässig wird man die Einrichtung für die Steuerung der zugeführten Gleichspannung mit der für die phasenveränderliche Kommutierung des Stromes verwendeten Einrichtung kuppeln.
Wenn beispielsweise (vgl. Fig. 14) der Gleichstrom 10 über einen gittergesteuerten Gleichrichter 68 aus einem Wechselstromnetz 69 entnommen wird, kann man sehr einfach die Gitterspannung für den Gleichrichter um denselben Winkel wie die Gitterspannung für den Wechselrichter 70 gegenüber der zugehörigen Anodenspannung verschieben und erhält dann innerhalb gewisser Grenzen die gewünschte Abhängigkeit.
Eine solche direkte Beeinflussung der Gleichspannung wird sich dann leicht durchführen lassen, wenn die umzuformende Energie aus Wechselstromnetzen entnommen wird und die Umformer für die Erzeugung der Gleichspannung unmittelbar am Verbrauchsorte stehen, wie in Periodenumformer-und Netzkupplungsstationen. Wird aber der Gleichstrom aus grösserer Entfernung, z. B. über ein Überlandnetz, bezogen, so kann es zweckmässiger sein, den Gleichstrom durch eine vor den Umformer geschaltete Apparatur am Verbrauehsorte selbst umzuspannen und die Höhe seiner Spannung der auf der Wechsel-
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Wenn die Blindleistung nicht im belieferten Weehselstromnetz selbst erzeugt wird, so wird sie über den Wechselrichter dem Gleichstromnetz entnommen.
Der einfachste Fall ergibt sieh dann, wenn die für die Kommutierung und für die Glättung der Gleichspannung verwendete Drossel so gross bemessen wird, dass sie die Blindenergie allein liefern kann. Z. B. bleibt bei unendlich grosser Drossel der Gleichstrom konstant, während sich an der Drossel Spannungspulsationen mit 2 p-faeher Frequenz des Wechselstromes zeigen (darin ist p die Phasenzahl) und der Gleichstromkreis im übrigen von Strom-und Spannungspulsationen freibleibt. Wenn umgekehrt die Drossel nur sehr klein ist, werden Gleichstrom und-spannung Pulsationen aufweisen, wie weiter unten noch ausfÜhrlich beschrieben werden soll. Daher wird die resultierende Spannung im Gleichstromkreis einmal kleiner und einmal grösser als die der Anodenspannung des Gleichrichters entsprechende Gleichspannung.
Ist die resultierende Spannung kleiner als die der Anodenspannung entsprechende Gleiehspannung, so arbeitet die Einrichtung wie unter normalen Umständen als Gleichrichter. Im andern Falle ist leicht einzusehen, dass mit dem Überschuss an Gleichspannung bei geeigneter Steuerung der Anodengitter ein Energietransport in das primäre Wechselstromnetz möglich ist, dass also die Einrichtung als Wechselrichter arbeitet. Mittel, die Steuerung in jedem beliebigen Augenblick der Anodenspannung so zu beeinflussen, dass die Stromkommutierung in dem für den Wechselrichter benötigten Sinne erfolgt, sind bereits weiter oben besehrieben worden.
Die Steuerung von der Polarität der Spannungsdifferenz zwischen der im Gleiehstromnetz herrschenden und der der Anodenspannung entsprechenden Gleichspannung abhängig zu machen, bietet keine besonderen Schwierigkeiten. Mit einer solchen Einrichtung werden also die im gespeisten Weehselstromnetz auftretenden Blindleistungspulsationen über den Gleichstromkreis auf das speisende Wechselstromnetz übertragen.
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sätzlichen Gedanken und die Arbeitsweise der Umformungseinriehtungen im einzelnen beschrieben werden. Wie bereits weiter oben kurz erläutert wurde, stellt Fig. 14 die allgemeinste Anordnung einer Weehselstrom-Wechselstrom-Umformung über einen Gleichstromzwischenkreis dar.
Dabei soll das Netz 69 das speisende Wechselstromnetz, das Netz 11 das gespeiste Wechselstromnetz mit der Taktgebermasehine 71 sein. Die Umformungseinrichtung besteht aus einem gittergesteuerten Gleichrichter 6 und einem mit diesem über die Gleichstromleitungen M und die Drossel 13 verbundenen Wechselrichter 70.
Die Spannung des Gleichrichters 68 möge entsprechend der Wirkleistungsübertragung geregelt werden.
Fig. 15 dient zur Veranschaulichung der Verhältnisse bei der Blindleistungslieferung durch den einphasig angenommenen Wechselrichter. Es ist zunächst unendlich grosse Drosselspule im Gleichstromkreis und sinusförmige Wechselspannung auf der Wechselstromseite vorausgesetzt. Fig. 15 a gibt die Verhältnisse bei ohmscher Belastung, 15 b bei 45 , 15 c bei 900 Phasenversehiebung zwisehen Strom und Spannung auf der Wechselstromseite wieder. In allen drei Fällen ist ew'die vom Taktgeber gelieferte Gegenspannung, ew die Grundwelle der vom Wechselrichter erzeugten Weehselspannung. iw ist der vom Wechselrichter gelieferte Wechselstrom, der infolge der grossen Drosselspule im Gleiehstromkreis als konstanter Gleichstrom auftritt und auf der Weehselstromseite rechteckige Form hat.
Die sieh als Produkt von ew und iw ergebende Leistung des Wechselrichters ist in der Kurve für nw dargestellt. eg ist die vom Gleichrichter 2 erzeugte Gleichspannung, der die auf die Gleichstromseite bezogene Gegenspannung des Wechselstromnetzes, ew', entgegenwirkt. Die Differenz dieser beiden Spannungen ed wird von der Drossel aufgenommen. Aus der Fig. 15 geht hervor, dass mit wachsender Phasenverschiebung die von der Drossel aufzunehmenden, als sehraffierte flächen gekennzeichneten Energiemengen bis 90 Verschiebung zunehmen. Für reine Blindstromlieferung erseheint bei gleiehbleibendem Strom an der Drossel die volle Wechselspannung, d. h. die Drossel liefert die ganze vom Wechselstromnetz angeforderte Blindenergie.
In diesem Falle müsste nur dem konstanten Strome im Gleichstromkreis über den Gleichrichter 68 der Fig. 14 der Weg geschlossen gehalten werden, wobei eine kleine Anodenspannung zur Deckung der Verluste notwendig ist.
Bei endlicher Drossel werden die sich als Differenz zwischen Gleich-und Wechselspannung ergebenden Pulsationen der Spannung nicht mehr von der Drossel ganz aufgenommen werden können, sondern sich ein Teil auf das Gleiehstromnetz und damit auf den Gleichrichter übertragen, wobei auch der Strom nicht mehr vollkommen konstant gehalten werden kann. Die Vorgänge im Gleichrichter
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massen ab :
Der Gleichrichter werde mit so grosser Anodenzahl angenommen, dass seine Gleichspannung praktisch konstant ist. Die vom Wechselrichter her kommenden Spannungspulsationen mit doppelter Frequenz des gespeisten Wechselstromnetzes Überlagern sich der Gleichspannung, so dass am Gleieh- richtertransformator sekundärseitig Spannungen auftreten, die teils oberhalb, teils unterhalb der der Primärspannung entsprechenden Gleichspannung liegen.
Solange die Summe von Gleichspannung und pulsierender Spannung keine negativen Werte annimmt, also die Gleiehspannung grösser ist als die grösste negative Spitze der pulsierenden Spannung, wird sich die Leistungsaufnahme des Gleichrichters aus dem Drehstromnetz nach der Höhe der resultierenden Gegenspannung richten, sieh also aus einer konstanten, der Höhe der Gleichspannung entspreehenden und einer pulsierenden, der Höhe
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der pulsierenden Spannung entsprechenden Leistung zusammensetzen. Eine besondere Steuerung des
Gleichrichters ausser der Einrichtung für die Spannungsregelung ist in diesem Falle nicht notwendig.
Kehrt sich jedoch die resultierende Spannung im Gleichstromkreis um, so muss man durch eine geeignete Steuerung des Gleichrichters dafür sorgen, dass er eine der Grösse der negativen Gleichspannung entsprechende Leistung an das primäre Weehselstromnetz zurückgeben kann. Die hiefür geltenden Bedingungen sind von den Verhältnissen beim Wechselrichter als bekannt anzusehen und sollen im folgenden für den Fall reiner Blindstromlieferung beschrieben werden. Bei verlustlosem Betriebe erscheinen dann am Gleichrichter abwechselnd positive und negative Spannungsstösse von gleicher absoluter Grösse, wie in Fig. 15 für 900 Phasenverschiebung bereits wiedergegeben ist. Die Steuerung des Gleichrichters ist gemäss den obigen Ausführungen für eine Übertragung von Gleichstromenergie unwirksam gemacht.
Es sei der Spezialfall der in Fig. 17 dargestellten einphasigen Umformung behandelt, u. zw. zunächst unter der Annahme, dass die Wechselspannungen der beiden gekuppelten Wechselstrom- netze frequenz-und phasengleieh sind. Dann liegen am Gleichrichter die in Fig. 16 gezeigten Spannungen, u. zw. die Spannung a auf der Wechselstrom-und Spannung b auf der Gleichstromseite. Während der Zeit t1, in der sowohl die primäre Wechselspannung mit Bezug auf die stromführende Anode wie auch die pulsierende Gegenspannung im Gleichstromkreis positiv sind, soll beispielsweise die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung gemäss Fig. 17 von Punkt 72 nach 73 gerichtet sein ; hat 74 das Potential Null, so wird 75 von der Gegenspannung des Gleichstromkreises eine negative Gegenspannung aufgedrückt.
Man braucht nur dafür zu sorgen, dass stets die vom primären Wechselstromkreis induzierte Spannung (Fig. 16 a) um die Spannungsabfälle im Gleichstromkreis grosser ist als die aufgedrückte Gegenspannung (Fig. 16b), um über das im normalen Gleichrichterbetrieb auch brennende Rohr 14 einen Strom zu erhalten. Die Einrichtung arbeitet wie ein Gleichrichter auf positive Gegenspannung. In der Zeit tu, ta bleibt die vom Primärnetz in der Sekundärwicklung induzierte Spannung positiv, während die Gegenspannung im Gleichstromkreis ihre Richtung umkehrt. Die der Primärspannung entsprechende Kom- ponente ist also von 72 nach 73 gerichtet und 75 gegenüber 74 positiv. Wenn man mittels der Gitter-
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der Komponente der Primärspannung entgegengeschaltet.
Ein Stromfluss ist dann möglich, wenn die Komponente der Gegenspannung um die Abfälle im Wechselstromkreis grösser ist als die Komponente
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Gefäss 14 und Röhre 15 während der folgenden Halbperiode der Primärspannung brennt. Es mussten also die Röhren des Gleichrichters 68 der Fig. 14 unter den gemachten Annahmen in demselben Takt wie die des Wechselrichters 70 gesteuert werden. Es ist jedoch auch hier zu beachten, dass die Grössen der dem Primärnetz entnommenen Spannung und der Gegenspannung aus dem Gleichstromnetz sich in jedem Augenblick nur um die Spannungsabfälle unterscheiden ; bei den im Gleichstromkreis vorhandenen Induktivitäten wird es für die verhältnismässig hohe Frequenz der Pulsationen genügen, die Mittelwerte der Spannungen entsprechend abzustufen.
Die Lösung dieser Aufgabe und zugleich der andern Be- dingungen, dass die Pulsationen unabhängig von der gegenseitigen Phasenlage der Wechselstromnetze übertragen werden, ist jedoch nur bei Verwendung eines Gleichriehters mit hoher Phasenzahl möglich.
Dann kann man zu beliebiger Zeit auf Anoden mit dem erforderlichen Potential arbeiten. Die Kommutierung geschieht unter Verwendung von bereits im ersten Teil beschriebenen Einrichtungen 76, die den Stromübergang auch auf Anoden niedrigeren Potentials ermöglichen. Wirkungsweise und Aufbau einer solchen Einrichtung soll im folgenden beschrieben werden.
Die Beschreibung bezieht sich beispielsweise auf einen zwölfphasigen Gleichrichter, dessen Anodenspannungen ea und Gleichspannung eg in Fig. 18 a aufgezeichnet sind. Die Darstellung gilt für reine Wirklastlieferung, also für ohmsche Belastung des Wechselrichters. Ändert sieh im gespeisten Netz der Leistungsfaktor, so sinkt bei gleichbleibender Seheinleistung die übertragene Wirkleistung. Ist die Drossel im Gleichstromkreis praktisch unendlich gross, so dass keine wesentlichen Spannungspulsationen im Gleichstromkreis auftreten, so muss mit wachsender Phasenverschiebung die Gleichspannung heruntergeregelt werden, also die Gitterspannung der Anodenspannung um den in Fig. 19 a schematiseh wiedergegebenen Winkel u, nacheilen.
Ist die Drossel wesentlich kleiner, so machen sieh Spannungpulsationen im Gleichstromkreis bemerkbar, die beispielsweise bei 900 Phasenversehiebung die in Fig. 18 b dargestellten gleich grossen positiven und negativen Werte haben. Frequenz und Phasenlage dieser Pulsationen sind in ganz beliebige Beziehung zu Frequenz und Phase der ebenfalls in Fig. 18 b wiedergegebenen Anodenspannungen gesetzt. Die Steuerung des Gleichrichters soll nun so vorgenommen werden, dass die Mittelwerte der vom Gleichrichter gelieferten Spannungen über eine Halbperiode der Pulsationen gemessen gleich den Mittelwerten der pulsierenden Spannung sind. Die hiefür notwendigen Beziehungen für die Steuerung sind aus Fig. 18 b zu entnehmen.
Während der Zeit tao, 111 mué die Gitterspannung jeder Anode der Anodenspannung um einen Winkel st nacheilen, der nahe an 180 liegt,
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zwischen Gitter-und Anodenspannung gleich einem Winkel ss sein, der grösser als 180 ist, u. zw. ist, wenn man vom Einfluss der Spannungsabfälle absieht, beim Leistungsfaktor Null : ss -1800 = 180 - a ; ss = 3600 - a. Im Gleichrichter wird stets von Anoden niedrigeren Potentials auf Anoden höheren
Potentials kommutiert, ausser zur Zeit t. Eine künstliche, d. h. erzwungene Kommutierung ist immer nur dann notwendig, wenn die pulsierende Spannung einen negativen Wert annimmt.
Wird der Leistungs- faktor grösser als Null, so überlagert sich der Pulsation in Fig. 18 b ein der Wirkleistung entsprechendes positives Gleichstromglied ; die positive Welle der Pulsation wird grösser in der Amplitude und der Zeit, die negative Welle kleiner. Dementsprechend muss auch die Verschiebung zwischen Gitter-und Anoden- spannung geändert werden ; a und ss müssen kleinere Werte annehmen, wie in Fig. 19 b gezeigt ist, damit die Mittelwerte der Anoden-und Gegenspannung wieder gleich bleiben. Bei einem bestimmten
Leistungsfaktor entsprechend einem Winkel ï werden die Pulsationen keine negativen Werte mehr annehmen ; von dort ab wird also die normale, in Fig. 19 a gezeigte Beziehung für die Regelung des Gleich- richters gelten.
In der Fig. 20 ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, das die für die erläuterte
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einfachung wird die Steuerspannung, die für den Gleichrichter dem primären, für den Wechselrichter dem gespeisten Wechselstromnetz entnommen wird, einphasig im erforderlichen Sinne beeinflusst und dann in eine der Phasenzahl des entsprechenden Stromrichters gleiche Anzahl von symmetrischen Phasen zerlegt. Die Beeinflussung für den Wechselrichter erfolgt in der Anordnung 79, die aus einer Brücke bestehen kann, und die Aufspaltung in die erforderlichen drei Phasen mit der Anordnung 80. Ausser andern Grössen, beispielsweise Höhe von Strom und Spannung im gespeisten Wechselstromnetz, wirkt auf die Anordnung 79 eine z.
B. bei der Fig. 6 beschriebene Einrichtung 81 bzw. 82 ein, die die Gitter- steuerung des Wechselrichters so beeinflusst, dass die Phasenverschiebung im gespeisten Wechselstromnetz den dort herrschenden Verhältnissen selbsttätig angepasst wird. Dieselbe Einrichtung wirkt auch über
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Die Gitterspannung mit der richtigen Phasenlage wird über eine Einrichtung 85 in die dem Gleichrichter entsprechende Phasenzahl zerlegt und den Gittern zugeführt. Als solehe Einrichtung kann auch, wie bereits vorgeschlagen worden ist, eine Anordnung mit gittergesteuerten Hilfsentladungsgefässen gewählt werden.
Ein Beispiel einer Aufbaumöglichkeit der Einrichtungen ?, < M und 85 veranschaulicht genauer
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des Gleichstromkreises dem Gleichrichter die Steuerspannung mit einer Verschiebung um den Winkel o, oder ss zuzuführen. Zu dem Zwecke wird der Gitterkreis der Röhren 87 und 88 über einen besonderen
Transformator 96 mit dem primären Netz gekuppelt, der nur Spannung führt, wenn die Spannung im
Gleichstromkreis positiv ist. Die Röhren 8'1'und 88'werden mit der am Transformator 96'auftretenden
Spannung nur leitend gemacht, wenn die Spannung im Gleichstromkreis negativ ist.
Dann erhält über die gittergesteuerten Röhren bei positivem Potential des Gleichstromkreises die Einrichtung 89 Spannung, mit der je nach den Verhältnissen im gespeisten Wechselstromkreis der Winkel (X eingestellt wird, bei negativem Potential des Gleichstromkreises die Einrichtung 89', die zur Bestimmung des Winkels ss dient. Die Steuerung der Spannung an den Transformatoren 96 und 96'geschieht beispielsweise in folgender Weise. Herrscht im Gleichstromkreis die Spannung Null, so wird beiden Transformatoren Wechselspannung zugeführt.
Ist die Spannung nur wenig von Null verschieden, so fliesst über den Transformator, der seine Spannung verlieren soll, ein von der Spannung im Gleichstromkreis getriebener Gleichstrom, der den Transformator so stark vormagnetisiert, dass seine Spannung zusammenbricht, wenn sein Magnetisierungsstrom an einer vorgesehalteten Drossel 99 einen grossen Spannungsabfall erfährt. Um den Fluss des Gleichstromes auf die Primärwicklungen der Transformatoren 96 und 96' zu beschränken, sind in die Wechselstromkreise Kondensatoren 98 und 98'eingeschaltet.
Die Leitung des Gleichstromes über den einen oder andern der Transformatoren in Abhängigkeit vom Potential im Gleichstromkreis geschieht durch Ventile 97 und 97', deren als konstant angenommene Spannungsabfälle durch davor geschaltete Spannungsquellen, insbesondere Batterien, nahezu aufgehoben werden können, um die Ansprechempfindlichkeit der Einrichtung zu erhöhen.
Die Einstellung der Phasenwinkel < x und ss gesehieht in den Einrichtungen 89 und 89', abhängig von Phasenverschiebung, Strom und Spannung im gespeisten Wechselstromnetz. Die Grösse der Winkel wird nach zusammengehörigen Werten gemeinsam geregelt, wobei die Werte für eine bestimmte Drossel- grösse im Gleichstromkreis nur einmal eingestellt zu werden brauchen. Die um oc oder ss verschobene Einphasenspannung wird in Einrichtungen 90 und 91 in die erforderliche Phasenzahl zerlegt.
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Wesentlich vereinfacht wird die Regelung, wenn keine negativen Werte der Gleichspannung auftreten ; dann braucht die Gitterspannung des Gleichrichters nur um den Winkel a reguliert zu werden.
Man wird diesen Zustand erreichen können, wenn man von einem Umformer Leistungsabgabe bis zu einem bestimmten minimalen Leistungsfaktor verlangt. Soll ein Umformer mit Leistungsfaktoren von 1 bis höchstens 0'7 arbeiten, so wird man die Drossel so auslegen, dass die bei 450 Phasenverschiebung auftretenden Pulsationen im Gleichstromkreis gerade nicht mehr negativ werden. Bei grösserem Bereich des Leistungsfaktors wird es eine Frage der Rentabilität sein, ob eine Vergrösserung der Drossel oder die Umsteuerung gemäss der Erfindung gewählt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstrecken, bei denen das Wechselstromnetz (beim Gleichrichter und Wechselrichter) bzw. die Wechselstromnetze (beim Umrichter) eine taktgebende Spannung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Energieträger vorgesehen sind, welche zusammen mit besonderen, zusätzlichen Kommutierungssehaltmitteln die Herbeiführung des Kommutierungsvorganges in jedem gewünschten Augenblick einer Wechselstromperiode ermögliehen.