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Wechselrichter zur Erzeugung hoher Frequenzen.
Bekanntlich kann die Frequenz eines mit gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstrecken arbeitenden Wechselrichters nicht beliebig gesteigert werden, sondern es gibt für jeden Wechselrichter eine Grenzfrequenz, bei der er kippt. Diese Tatsache hat ihre Ursache hauptsächlich in den Entionisierungsschwierigkeiten in den Entladungsstrecken, die vor allem darin bestehen, dass bei höheren Frequenzen die Anodenspannung wiederkehrt, bevor die Ionenbeladung der Entladungsstrecke schon wieder so weit abgeklungen ist, dass das Gitter auch bei relativ hochnegativer Vorspannung den Einsatz einer neuen
Entladung verhindern kann.
Es sind nun Anordnungen bekanntgeworden, bei welchen mindestens drei Wechselrichter in
Reihenanordnung derart kombiniert werden, dass aufeinanderfolgende Halbwellen des erzeugten Wechselstromes in verschiedenen Einheiten entstehen, derart, dass der Speicherkondensator jedes Einzelwechselriehters nach der Ladung bzw. der Entladung jeweils über mindestens eine volle Periode der erzeugten Wechselspannung hinweg seine Spannung behält und damit die an den Elektroden der gerade gelöschten Entladungsstrecke auftretende Anodenspannung für die gleiche Zeit unter dem Wert der Brennspannung bleibt, eine Zündung also nicht einsetzen kann. Eine solche Vergrösserung der zur Entionisierung verfügbaren Zeit ist beim Wechselrichter in Parallelanordnung infolge der Eigenart seiner Schaltung nicht möglich.
Infolgedessen schien es zunächst so, als sei eine Steigerung der Frequenz des Parallelwechselrichters in einer der eben beschriebenen Art entsprechenden Weise nicht möglich. Denn wenn beispielsweise zwei Parallelwechselrichter in Parallelschaltung so betrieben werden sollen, dass aufeinanderfolgende Halbwellen nicht vom gleichen Wechselrichter übernommen werden, so wird trotzdem an jeder Entladungsstrecke sofort während der ersten Halbperiode nach der Löschung die Anodenspannung auf Werte ansteigen, die nach den bisherigen Anschauungen zur Wiederzündung der Entladungsstrecke und damit zum Kurzschluss des Wechselrichters führen müssen.
Es wurde nun aber durch Messungen festgestellt, dass die zum "Freiwerden des Gitters"notwendigen Zeigten, d. h. die Zeiten, welche vor dem Wiederauftreten positiver Anodenspannung verstreichen müssen, wenn eine praktisch tragbare negative Vorspannung zur Verhinderung eines Entladungseinsatzes ausreichen soll, kleiner sind als die Zeiten, die sich rechnungsmässig aus der Grenzfrequenz eines mit den gleichen Entladungsstrecken und mit den gleichen Gtterspannungen betriebenen normalen Wechselrichters ergeben. Als Ursache dieser scheinbaren Unstimmigkeit wurde festgestellt, dass die Erreichung der Freiwerdezeit allein noch nicht ausreicht, um einen stabilen Wechselrichterbetrieb zu ermöglichen.
Vielmehr muss auch dafür gesorgt werden, dass die gewünschte Neuzündung stabil erfolgt ; und eben diese Neuzündung ist es, die durch den Entionisierungsvorgang auch nach der Erreichung der Freiwerdezeit noch derart beeinflusst werden kann, dass ein Wechselrichterbetrieb mit der gewünschten Frequenz unmöglich wird. Das bedeutet aber, dass die durch die Freiwerdezeit gegebene natürliche Frequenzgrenze höher liegt als die praktisch erreichbare.
Erfindungsgemäss wird nun diese Erkenntnis zum Aufbau einer Anordnung benutzt, welche auch mit dem Parallelwechselrichter und allen seinen Vorzügen (z. B. leichtere Spannung-und Frequenzregelung, Arbeitsmöglichkeit bei allen Belastungen) eine Steigerung der Frequenz erlaubt und den Parallelwechselrichter bis zu seiner"natürlichen Frequenzgrenze"auszunutzen gestattet.
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Aufbau und Wirkungsweise sollen an Hand der in den Fig. 1-5 dargestellten Ausführungsbeispiele gezeigt werden. In Fig. 1 ist ein mit vier Entladungsstrecken arbeitender Doppelwechselrichter in Parallelanordnung dargestellt. Man kann sich die Schaltung zunächst aufgebaut denken aus zwei Wechselrichter 1 und 2 in Parallelanordnung mit dem Unterschied, dass statt der Wechselrichtertransformatoren mittelangezapfte Drosseln 13 bzw. 23 vorgesehen sind und dass die zwischen die Anoden der Entladungsstrecken 11 und 12 bzw. 21 und 22 eingeschalteten Kondensatoren 10 bzw. 20 nicht mehr die Funktion von Löschkapazitäten zu erfüllen haben, sondern unter Umständen sogar entbehrlich sind.
Die Mittelanzapfungen der Drosseln 13 bzw. 23 sind mit der Primärwicklung 31 des Wechselrichtertransformators 3 und dem zu dieser parallel geschalteten Löschkondensator 4 verbunden. Das Gleichstromnetz 7 ist mit dem positiven Pol über die Gleichstromdrossel 5 mit der Mittelanzapfung der Wicklung 31 verbunden, während das Wechselstromnetz bzw. der Wechselstromverbraucher an die Wicklung 32 des Transformators 3
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spannungsquelle 6, mit den an den Minuspol des Gleichstromnetzes 7 angeschlossenen Kathoden der Entladungsstreeken verbunden ist.
Um die Wirkungsweise der Anordnung näher zu betrachten, sei zunächst vorausgesetzt, dass die Kondensatoren 10 und 20 fehlen, und angenommen, dass die Entladungsstrecke 11 gerade brenne. Durch die Transformatorwirkung der Induktivitäten 13 und 31 erhalten die rechten Enden der Wicklungen 13 bzw. 31 und damit die Anoden der Entladungsstrecken 12, 21 und 22 relativ hohes positives Potential.
Wegen der Verbindung mit diesen Anoden werden die Kondensatoren 18, 19 und 28 sich aufzuladen suchen. Die Wicklung 33 des Transformators 3 ist nun derart geschaltet, dass die in ihr erzeugte Spannung in dem betrachteten Augenblick im Gitterkreis des Wechselrichters 1 als negative, in dem des Wechselrichters 2 als positive Gitterzusatzspannung auftritt. Bei geeigneter Bemessung dieser Spannungamplitude sowie der Zeitkonstanten der Kondensatorladungskreise kann man daher erreichen, dass, solange Rohr 11 brennt, das Gitterpotential der Entladungsstrecke 21 stets um so viel höher liegt als das der Strecke 12, dass die Strecke 21 zuerst zündet und vermöge des Kondensators 4 das Rohr 11 löscht.
Die eben beschriebenen Vorgänge spielen sich nun in entsprechender Weise zwischen dem Rohr 21 und dem Rohr 12 ab, dann zwischen 12 und 22, dann zwischen 22 und 11, worauf der Vorgang von neuem beginnt. Vom Zünden des Rohres 11 bis zum Löschen des Rohres 22 vergehen zwei volle Perioden des erzeugten Wechselstromes, wobei jedes Rohr der Gruppe 1 mit jedem Rohr der Gruppe 2 zusammen in wechselnder Aufeinanderfolge als Parallelwechselrichter arbeitet, u. zw. zusammen mit dem Transformator 3 und dem Kondensator 4. Dadurch wird erreicht, dass jeweils zwei aufeinanderfolgende Halbwellen gleichen Vorzeichens von verschiedenen, zur gleichen Phase der Wechselspannung gehörigen Entladungsstrecken übernommen werden.
Die Gruppen 1 und 2 können als mit der halben Frequenz arbeitende, mit 900 Phasenverschiebung gesteuerte Wechselrichter angesehen werden, die jedoch keine üblichen Wechselrichter mehr sind insofern, als die Lichtbogenlöschung durch ein aussenliegendes Element 4 erfolgt und die Drosseln 13 bzw. 23 in erster Linie den Zweck haben, ein richtiges Arbeiten der Gittersteuerung zu gewährleisten. Falls die Kondensatoren 10 bzw. 20 vorgesehen sind, sind sie so zu bemessen, dass nach der Zündung eines Rohres, z. B. 11, die Spannung an der Anode des andern Rohres der gleichen Gruppe 12 rasch genug ansteigt, dass die Gitterspannung des nächstzuzündenden Rohres 21 den Entladungseinsatzso zeitig bewirken kann, dass keine Gefahr einer Vorzündung des Rohres 12 der ersten Gruppe besteht, die ein Versagen des Wechselrichters zur Folge hätte.
Die Kondensatoren können gegebenenfalls auchzusammen mit den Drosseln derart bemessen werden, dass sie einen Schwingungs- kreis der gewünschten Eigenfrequenz bilden, dem dann die Steuerspannung für die andere Gruppe von Entladungsstrecken entnommen wird.
Der Gegenstand der Erfindung lässt sich auch durch eine einfache Anordnung verwirklichen, wie sie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unter Benutzung eines vierarmigen Entladungsgefässes mit Quecksilberkathode dargestellt ist. Übereinstimmende Teile sind in Fig. 1 und 2 gleich beziffert.
Der positive Pol des Gleichstromnetzes 7 ist wie in Fig. 1 mit dem Transformator 3 verbunden ; an den Transformator sind jetzt aber jeweils zwei Anoden 11 und 12 bzw. 21 und 22 umnittelbar angeschlossen, d. h. die entsprechenden Arme sind unmittelbar parallel geschaltet. Die Kathode des Entladungsgefässes liegt am negativen Pol des Netzes 7, die Erregeranoden 70, 71, deren Schaltung nicht näher angegeben ist, werden in bekannter Weise mit einer Erregerspannung versorgt. Der Wechselrichter ist in diesem Falle fremdgesteuert. Es ist eine Gitterwechselspannungsquelle 9 vorgesehen, deren zwei Wicklungen 91 und 92 zwei um 900 phasenverschobene Spannungen vorzugsweise spitze Wellenform zum Zweck genauen Steuerungseinsatzes liefern.
Die Wicklungen 91 und 92 sind mittelangezapft und die Mittelpunkte mit den Enden der dritten Wicklung 33 des Transformators 3 verbunden, dessen Mittelpunkt über eine GleichVorspannung 6,60 an die Kathode des Entladungsgefässes 100 angeschlossen ist. Die Enden je einer Wicklung 91 bzw. 92 sind, gegebenenfalls über Strombegrenzungswiderstände 41 und 42 bzw. 51 und 52
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jeweils mit den Gittern zweier hinsichtlich der Anoden parallelgeschalteter Arme 11 und 12 bzw. 21 und 22 verbunden. Den Gittern wird also eine Spannung zugeführt, die sich unter der nur bedingt zutreffenden Annahme rein sin-förmiger Teilspannungen aus den Kurven der Fig. 3 ergibt.
In Fig. 3 ist e6 die Gittergleichspannung und 633 die dem Transformator 3 entnommene Spannung mit der gewünschten Frequenz, während e91 und e92 die von der Spannungsquelle 9 gelieferten Spannungen der halben Frequenz sind. Die viel verschiedenen Gitterspannungskurven sind nach den vier Entladungsstrecken beziffert, deren Gittern sie zugeführt werden. Es ist beispielsweise angenommen, dass der Entladungseinsatz in jedem Arm bei Erreichung des Gitterpotentials Null erfolge. Die mit dieser Annahme eingezeichneten Zündpunkte Zi, Z, Zg, Z liegen gegeneinander jeweils um 180 der erzeugten Frequenz phasenverschoben, und während zweier voller Perioden wird in jeder Entladungsstrecke nur einmal die Zündbedingung erfüllt.
DieinFig. 4 dargestellten Kurven von Strom a und Spannung b einer Entladungsstrecke, beispielsweise des Armes 11, zeigen, dass jeder Arm nur während höchstens einer Halbperiode der erzeugten Wechselspannung c brennt und dann drei Halbperioden lang gesperrt ist. Da etwa eine Halbperiode nach dem Löschen dieser Entladungsstrecke (11) jeweils die zu ihr parallel geschaltete 12 zur Zündung gebracht wird (gestrichelte Stromkurve a'), sieht die Kurve b der Anodenspannung des Armes 11 genau so wie die des Armes 12 aus und unterscheidet sich nicht von der Kurve, die auftreten würde, wenn statt 11 und 12 nur eine einzige Entladungsstrecke mit doppelt so schneller Aufeinanderfolge die Stromstoss übernähme.
Gerade in der Kurve b der Fig. 4 ist deutlich zu erkennen, dass bei den beschriebenen Anordnungen keine Erleichterungen der Entionisierungsbedingungen hinsichtlich der Anodenspannung auftreten. Die Erleichterung liegt vielmehr lediglich darin, dass kurz nach dem Löschen noch keine Neuzündung verlangt wird, sondern erst eine Periode später.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 5 andeutungsweise dargestellt. Kurve a stellt hier die Anodenspannung einer Entladungsstrecke dar. Bis zur Zeit tl hat eine Entladung gebrannt, die im Moment tl durch Löschkondensator gelöscht worden ist. Das Anodenpotential springt demzufolge auf negative Werte, um darauf mit fortschreitender Umladung des Kondensators wieder positiv zu werden. Ausgehend von der normalen Zündcharakteristik Vgz = f (Va) der Entladungsstrecke (mit Vgz = Gitterzündpotential beim Anodenpotential Va, bezogen auf die Kathode), deren Verlauf in Fig. 5 a dargestellt
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sich dieser jedoch mit der Zeit, d. h. mit zunehmender Entionisierung, asymptotisch an und wird beispielsweise durch Kurve c dargestellt.
Bei diesem Verlauf und in Anbetracht der in Frage kommenden kurzen Zeiten ist etwa in dem durch die Schraffur angedeuteten Zeitabschnitt kein stabiler Schnitt der Gitterspannungskurve mit der Kurve c erzielbar, weil die hiezu notwendige Steilheit nicht mehr mit genügender Präzision bzw. überhaupt schwer zu erhalten ist. Ist z. B. dein Stück der Gitterspannungskurve, so leuchtet ein, dass eine kleine, zufällige Erhöhung des Gitterpotentials dazu führen kann, dass die Kurven c und d sich nicht nur im Punkt Pi, sondern auch bei P2, u. zw. instabil, schneiden und somit der Wechselrichter kippt.
Abgesehen davon ist, Neigung der Kurve d als grösstmögliche Steilheit angenommen, eine stabile Wiederzündung frühestens zur Zeit < g möglich und damit die Frequenz nach oben enger begrenzt, als technisch noch möglich wäre.
Diese Nachteile sind in einer Anordnung, wie sie durch die Fig. 1 und 2 beispielsweise dargestellt wird, vermieden. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die tatsächliche"kritische Gitterpotentialkurve"c nach drei Halbperioden, d. h. wenn die gleiche Entladungsstrecke wieder stabil zündbar sein soll, schon so weit an die statische Zündpotentialkurve" & herangekommen, dass auch mit einem weniger steilen Anstieg der Gitterspannungskurve eine stabile Zündung der Entladungsstrecke möglich ist, selbst in Bereichen, welche (in der entsprechenden Periode) dem Zeitraum t2, ta aus Fig. 5 entsprechen.
Der Erfindungsgegenstand erlaubt aber ausserdem noch eine besondere Steigerung der Frequenz durch vollständige Ausnutzung der Eigenschaften hochentionisierender Gitter, die an sich vorteilhaft verwendet werden, um den Anfangsast der Kurve c (Fig. 5) nicht allzu tief nach negativen Potentialen zu drücken. Bekanntlich erhöhen nämlich stark entionisierende Gitter merklich die Brennspannung und erwärmen sich daher in der brennenden Entladung stark. Insofern diese Erwärmung die Grenze darstellt für das den Gittern zumutbare Entionisierungsmass, so kann dieses Mass bei der vorliegenden Anordnung bei gleicher zulässiger Erwärmung gesteigert werden, da der einzelne Arm bzw. die einzelne Entladungsstrecke ja thermisch entlastet wird.
Das bedeutet, dass noch stärker entionisierende Gitter eingebaut werden können, um eine noch kürzere Freiwerdezeit zu erreichen oder um bei gleicher Freiwerdezeit, d. h. gleicher Lage der Kurve c (Fig. 5), eine Leistungssteigerung zu erzielen.
Der Erfindungsgedanke kommt somit vor allem für Entladungsgefässe mit stark entionisierenden,
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Erwärmung. Er ist im übrigen nicht beschränkt auf Parallelschaltung von je zwei Armen. Es können auch mehr als zwei Entladungsstrecken für die Erzeugung aufeinanderfolgender gleichnamiger Halbwellen verwendet werden. Im allgemeinen werden jedoch zwei Zweiergruppen von Entladungsstrecken genügen, da nach drei Halbperioden meist die Kurve c (Fig. 5) bereits flach genug verläuft, um eine stabile Zündung zu gewährleisten. Das bedeutet hinsichtlich des Aufbaues und der Kosten einen Vorzug gegen- über den eingangs erwähnten Anordnungen mehrerer Reihenwechselrichter, bei denen mindestens sechs Entladungsstrecken benötigt werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu erblicken, dass die vorliegende Anordnung ohne weiteres die Zusammenfassung sämtlicher Entladungsstrecken, auch bei. Schaltungen zur Erzeugung mehrphasiger hochfrequenter Wechselspannungen, in einem einzigen Gefäss mit gemeinsamer Kathode erlaubt, beispielsweise einem Glasgefäss mit Quecksilberkathode (s. Fig. 2).
Statt der beschriebenen Arten der Gittersteuerung kann natürlich jede geeignete bekannte Art, beispielsweise unter Verwendung gesättigter Drosseln usw., zur Anwendung gelangen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Wechselrichter zur Erzeugung hoher Frequenzen ohne taktgebende Wechselspannung, bei dem aufeinanderfolgende, gleichnamige Halbwellen des erzeugten Wechselstromes von verschiedenen Entladungsstrecken übernommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Phase der Weehsel- spannung je zwei Gruppen von jeweils mindestens zwei bezüglich der Hauptstromkreise parallel liegenden Entladungsstrecken vorgesehen und nach Art eines Wechselrichters in Parallelanordnung über einen Weehselrichtertransformator. und einen parallel geschalteten Kommutierungskondensator miteinander verbunden sind und dass die Entladungsstrecken innerhalb jeder Gruppe derart gesteuert werden, dass sie einander in der Stromführung aufeinanderfolgender gleichnamiger Halbwellen zyklisch ablösen.