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Verfahren zur Steuerung zweier zur Umformung von Mehrphasenstrom gegebener Frequenz in
Wechselstrom gleicher oder anderer Frequenz dienender Mehrphasen-Gleichrichtersysteme.
Um Mehrphasenstrom gegebener Frequenz (z. B. 50 Perioden) in Wechselstrom anderer Frequenz (z. B. Einphasenstrom von 162/3 Perioden) mit Hilfe zweier Mehrphasengleiehrichtersysteme umzuformen, ist bereits vorgeschlagen worden, die beiden Gleichrichtersysteme so zu verbinden, dass die Kathode jedes Gleichrichtersystems mit dem Sternpunkt der speisenden Wicklung des andern Gleichrichters unmittelbar verbunden ist und dass zwischen den Kathoden die Spannung der Sekundärfrequenz dadurch erzeugt wird, dass abwechselnd in dem einen und dem andern System die Stromweg für die einzelnen Anoden in zyklischer Reihenfolge in Abhängigkeit von der gegebenen Frequenz des Mehrphasenstromes freigegeben werden, während die Stromweg für die Anoden des andern Gleichrichters in dieser Zeit gesperrt werden.
Es wird also dadurch die eine Halbwelle der Sekundärspannung von dem einen Gleichrichtersystem und die andere Halbwelle von dem andern System erzeugt. Diese Einrichtung arbeitet einwandfrei, wenn es sich um rein ohmsche Belastung handelt, weil in dem einen sogenannten"Aehterkreis" (liegende Acht) darstellenden Stromkreis wegen der Sperrung jeweils eines der beiden Gleichrichter ein Kurzschlussstrom nicht zustande kommen kann.
Anders liegt jedoch der Fall, wenn auf der Sekundärseite eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung vorhanden ist. Nimmt man beispielsweise an, dass das Sekundärnetz induktiv belastet ist, so führt dann die im jeweiligen Zyklus letzte Anode den Strom noch in der Zeit, in der
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der die noch stromführende Anode speisenden Phase des ersten Gleichrichters ist zwar bereits umgekehrt, also gegen den Strom gerichtet, dieser wird jedoch durch die EMK der Selbstinduktion der Sekundärbelastung aufrechterhalten. Solange die Gegenspannung der strombelasteten letzten Phase des ersten Gleichrichters noch grösser ist als die vorwärtsgerichtete Spannung der ersten Phase des zweiten Gleichrichters, kann ein Kurzschlussstrom im Achterkreis nicht zustande kommen.
Dies ändert sich aber in dem Moment, in welchem die auf Vorwärtsstrom gerichtete Spannung der ersten Phase des zweiten Gleichrichters über den Wert der fallenden Spannung der letzten Phase des ersten Gleichrichters gestiegen ist. Beträgt der Überschuss der Vorwärtsspannung den doppelten Wert des Lichtbogenabfalles im Gleichrichter, dann setzt ein Kurzschlussstrom im Aehterkreis ein, der den Betrieb der Anlage unmöglich macht.
Man hilft dem ab, dadurch, dass die Stromführung der letzten Phase der Gleichrichter auch bei phasenverschobenem Strom auf die Zeit beschränkt wird, in welcher der Kurzschlussstrom im Achterkreis nicht einsetzen kann, u. zw. erfolgt dies dadurch, dass auch der Stromweg für die entsprechende Gegenanode des andern Gleichrichters freigegeben wird. Es würde aber jede andere Belastungsart der Sekundärseite eine andere Steuerung der Gegenanoden notwendig machen und man müsste infolgedessen eine Einrichtung vorsehen, die entsprechend der Belastung der Sekundärseite die entsprechenden Gegenanoden mitsteuert.
Erfindungsgemäss wird jedoch eine solche Einrichtung dadurch überflüssig, dass unabhängig von der Art der Belastung stets annähernd gleichzeitig mit der Freigabe des Stromweges für jede einzelne Anode des gerade gesteuerten Gleichrichters auch der Stromweg für die entsprechend Gegenanode des andern Gleichrichters freigegeben, die übrigen Stromweg dieses Gleichrichters aber gesperrt werden. Vorzugsweise erfolgt die Freigabe und Sperrung der Stromweg mit Hilfe gesteuerter Anodengitter. Es wird dadurch erreicht, dass unabhängig von der Art der Belastung
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des Sekundärnetzes ein einwandfreier Betrieb des Gleichrichters gesichert wird. Dieser Betrieb des
Gleichrichters wird auch für das Rückarbeiten von der Sekundärseite auf die Primärseite gesichert.
Die Erfindung sei an Hand der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Umwandlung von Dreiphasenstrom von 50 Perioden in Einphasenstrom von 162/3 Perioden mit Hilfe zweier gittergesteuerter Gleichrichter GI und G2 dargestellt. Es bedeutet Vi das dreiphasige Primärnetz von 50 Perioden, T einen Transformator mit einer an NI angeschlossenen dreiphasigen Primärwicklung und zwei getrennten, mit den Sternpunkten 01 und 02 versehenen sechsphasigen Sekundärwicklungen, welche die Anoden 1, 2,. 3, 4, 5,6 bzw. 1', 2', 3', 4', 5', 6'der beiden Gleichrichter speisen. Mit g sind die Anodengitter, mit 7c1 und k2 die Kathoden der Gleichrichter bezeichnet. An diese Kathoden sind die Netzleiter des Sekundärnetzes N2 von 162/3 Perioden angeschlossen.
U1 und U2 bedeuten zwei gleichgebaute, synchron mit der Frequenz von 2. 162/3 = 33/3 Perioden umlaufende Umschalter. Der Umstand, dass diese Umschalter mit der doppelten Sekundärfrequenz umlaufen, hat zur Folge, dass immer, wenn der Lichtbogendurehgang fiir den einen Gleichrichter in zyklischer Phasenfolge im Vorwärtssinne freigegeben wird, gleichzeitig auch die Sperrung für die entsprechende Gegenphase im andern Gleichrichter aufgehoben wird. Dies ermöglicht, dass in jedem Moment im Sekundärnetz ein Strom beliebiger Richtung fliessen kann und damit ist die Möglichkeit gegeben, das Sekundärnetz induktiv oder kapazitiv zu belasten, ohne dass Störungen des Betriebes sich einstellen.
Ein Kurzschlussstrom im Achterkreis 01-G1-k1-02-G2-k2-01 tritt nicht auf, weil, wie bereits an früherer Stelle gezeigt, in diesem Stromkreis in jedem Moment die
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Weise. Die Gitter sind über die Widerstände W mit dem-Pol der Batterien Bj. bzw. B2, deren) iitten an die Kathode k1 bzw. k2 angeschlossen sind, dauernd verbunden, sie sperren also den Strom, da sie gegenüber der zugehörigen Kathode negativ aufgeladen sind. Ohne den Einfluss des Umsehalters wären somit die Gleichrichter dauernd für den Stromdurchgang gesperrt. Der rotierende Kontaktarm des
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der betreffenden Anoden freigegeben ist. Es ist vorteilhaft, die Verbindung des Gitters mit dem ohmschen Widerstand dabei nicht zu lösen, damit keine Unterbrechung der Gitterladung stattfindet.
Die Halbwelle der Sekundärspannung wird bei dieser Einrichtung aus sechs Halbwellen der Primärspannung, die sich überlappen, gebildet. Um einen mehr sinusförmigen Verlauf der sekundären Spannungshalbwelle zu erhalten, können die Spannungsamplituden der Primärphasen durch Wahl der Sekundärwindungszahlen auf dem Transformator T in der Weise ungleich gemacht werden, derart, dass für den Gleichrichter 6*1 die unter sich gleich grossen Phasenwicklungen 1 und 6 weniger, die unter sich gleich grossen Phasenwicklungen 3 und 4 mehr Windungen erhalten, als die unter sich gleichen
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und 3 weniger, die Wicklungen für Phase 1 und 6 mehr Windungen, als die Wicklungen für Phase : 2 und 5 haben.
Auch in diesem Falle sind die Spannungen der Phase des einen Gleichrichters und die Spannung der Gegenphase im andern Gleichrichter in jedem Moment gleich gross, aber im Achterkreis entgegengerichtet. Eine ausserordentlich günstige, der Sinusform sehr nahe kommende Kurvenform erhält man, wenn die Windungszahlen der Phasen (1, 6 bzw. 4, 3),. (2, 6) und (4, 3 bzw. 1, 6) sich verhalten
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<tb> wie <SEP> sin. <SEP> 40 <SEP> : <SEP> sin. <SEP> 60 <SEP> : <SEP> sin. <SEP> 800 <SEP> also <SEP> etwa
<tb> wie <SEP> 0-655 <SEP> : <SEP> 0-88 <SEP> : <SEP> 1.
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Die aus diesem Verhältnis sieh ergebende Kurvenform zeigt im wesentlichen nur eine geringe 13. Oberharmonische.
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hang mit der ,,Durchsteuerung" gemäss Anspruch 1 Schutz beansprucht wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 2. In Fig. 2 sind die beiden Gleichrichter in einem Gehäuse G. vereinigt und haben eine gemeinsame Kathode, dafür aber wird ein Transformator T2 mit zwei im Punkte m verbundenen Primärwicklungen Pi und P2 verwendet, deren Sekundärwicklung Q der Strom der Sekundärfrequenz von 162/3 Perioden entnommen werden kann.
Die Bedeutung der Buchstaben ist im übrigen in der Fig. 2 die gleiche wie in Fig. 1. Der Strom in der Primärwicklung PI > P2 des Transformators T2 fliesst je nach seiner Richtung über den Nullpunkt Oi oder 02 durch den Gleichrichter G, unabhängig davon, wie die Spannungsrichtung in den für
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auch ein, wenn die jeweils letzte Phase des einen Systems noch Strom führt, wenn der Anodendurch- gang einer auf Vorwärtsstrom gerichteten Phase des andern Systems bereits freigegeben ist, ein Fall, der z. B. bei rein induktiver Belastung des Sekundärnetzes eintritt.
Aus diesem Grunde sollen auch hier erfindungsgemäss jeweils mit den Anodengittern des einen Systems die Anodengitter der Gegenphase des andern Systems gleichzeitig und gleichsinnig gesteuert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist hiezu nur ein Umschalter nötig, der genau nach Art des Umschalters der Fig. 1 gebaut ist und ebenfalls mit der Frequenz von 2. 16% Perioden = 331/1 Perioden rotiert. Diese Vereinfachung ist dadurch möglich, dass man das Gitter 1 mit dem Gitter 4', 2 mit. 5', 3 mit 6', 4 mit 1', 5 mit 2'und 6 mit 3'unmittelbar verbindet und zu den Kontakten des Umschalters führt.
Bei der beschriebenen Einrichtung ist also die Möglichkeit gegeben, dass der die Gleichrichtersysteme durchfliessende Strom gegen die Spannung der mit den Anoden verbundenen Sekundärwicklungsphasen gerichtet sein kann. Dieser Fall ist auch dann gegeben, wenn die EMK des Sekundärnetzes grösser ist, als die dem Gleichrichter vom Primärnetz zugeführte Spannung, d. h. aber, dass die Richtung des Energieflusses nicht mehr abhängig ist von der Ventilrichtung eines Gleichrichters, sondern an sich unbestimmt ist. Über die Richtung des Stromes entscheidet die Grösse der Spannungen im Primär-und Sekundärnetz. Die Steuerung der Gitter bleibt in beiden Fällen die gleiche, ob nun das Netz von 50 Perioden Energie in das Netz von 162/3 Perioden sendet oder umgekehrt.
Auch im Falle der Fig. 2 kann die Windungszahl der Phasenwicklungen ungleich gemacht werden, wie es an früherer Stelle beschrieben worden ist, um die Kurve der Sekundärspannung möglichst sinusförmig zu gestalten.
Für die Erfindung ist es ohne Belang, ob die Steuerung der Phasen und Gegenphasen genau oder nur angenähert gleichzeitig erfolgt. In jedem l,'alle wird die Freiheit der Stromnchtung im System dadurch erzielt, dass in dem gerade gesperrten Gleichrichter der Stromweg derjenigen Phase freigegeben wird, deren Spannung in dem durch beide Gleichrichter sich schliessenden Kurzschlusskreis der Spannung der gerade stromführenden Phase entgegengerichtet und ihr wenigstens annähernd grössengleich ist.
In den bisher gewählten Ausführungsbeispielen, in denen es sieh um die Umwandlung von dreiphasigem Strom von 50 Perioden in Einphasenstrom von 16'y/, Perioden handelt, waren Gittersteuerschalter verwendet, die während einer Halbperiode des sekundären Werhselstromes der Reihe nach die Zündung der sechs Phasen der Gleichrichter freigeben. Jede Halbwelle der Sekundärspannung setzt sich demnach aus sechs Halbwellen der Spannung der Primärfrequenz zusammen, die sieh zum grössten Teil in der Weise überdecken, dass die Anoden der mittleren Phasen nur während des sechsten Teiles einer Periode Strom führen, während die Anoden der ersten und letzten Phase über einen grösseren Zeitteil stromführend sind.
Jenes Verfahren ermöglicht es aber, dass auch phasenverschobene Ströme die Einrichtung durehfliessen können, und wenn man voraussetzt, dass das Sekundärnetz rein induktiv belastet ist, dann fliesst durch jeden der Gleichrichter auch dann noch ein gleichgerichteter Strom, wenn die Spannung der den Gleichrichter speisenden Wicklung dem Strom bereits entgegengerichtet ist, also wenn die Richtung der Spannung in der im Zyklus letzten Phase bereits negativ geworden ist. Wird nun mit der ersten Phase des jeweils andern Gleichrichters die entsprechende Gegenphase in dem noch Strom führenden Gleichrichter für den Stromdurchgang freigegeben, dann springt der Lichtbogen von der Anode der letzten Phase auf die Anode der gerade freigegebenen Gegenphase über.
Das bedeutet aber einen Spannungssprung in der Spannung des Sekundärnetzes, weil die Gegenphase bei Übernahme des Lichtbogens eine viel geringere Gegenspannung besitzt als die im Zyklus letzte Phase des Gleichrichters. Dieser Spannungssprung kann aber vermieden werden, wenn die Gegenphase zur ersten Phase des jeweils andern Gleichrichters gleichzeitig die letzte Phase im Zyklus des jeweils ersten Gleichrichters ist.
Dies lässt sich erfindungsgemäss dadurch erreichen, dass jeder Zyklus mit der gleichen Phase
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steuert also das Gitter der gleichen Phase (1) und es ist daher zulässig, diese beiden Kontakte durch einen Kontaktstreifen zu verbinden, wie es gestrichelt angedeutet ist. Die Steuerung selbst erfolgt in der beschriebenen Weise mit Hilfe der rotierenden, mit dem Pluspol der Batterie B verbundenen Bürste b. Der Mittelpunkt der Batterie ist fest mit der Kathode J verbunden, während an dem Minus-
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angeschlossen sind.
Wenn man nun die Amplituden der den Anoden des Gleichrichters zugeordneten Spannungen in der beschriebenen Weise derart steigend und fallend wählt, dass sie sieh-bezogen auf die niederfrequente Welle-verhalten wie die Sinusse der zwischen ihnen und dem Anfangspunkt der Welle liegenden Winkel, dann ergibt sich das Bild der Fig. 4, in welchem gezeigt ist, wie sieh die niederfrequente Welle aus Halbwellen der höheren Frequenz zusammensetzt. Gleichzeitig sind durch die gestrichelten Linien die Halbwellen der mit den Phasen gleichzeitig gesteuerten Gegenphasen des jeweils andern Gleichrichters eingezeichnet.
Man erkennt, dass die negative Halbwelle der letzten Phase des ersten Gleichrichters (also-I) gleichzeitig die Gegenphase der ersten Phase (+ 4') des zweiten Gleichrichters ist, so dass der Lichtbogen nicht erst den Sprung von Phase (-6) auf zu machen muss. Um weitere derartige Spannungssprünge beim Übergang des Lichtbogens von Phase zu auf (-2) und von (-2) auf (-'3) abzudämpfen, ist es vorteilhaft, in an sieh bekannter Weise den Kathoden vorgeschaltete Drosselspulen D zu verwenden. Es ist in Fig. 3 die Gittersteuerung nur eines der beiden Gleichrichter dargestellt.
Es ist selbstverständlich, dass die Gittersteuerung des andern Gleichrichters in analoger Weise erfolgt und dass, wenn ein zweiter Steuerschalter verwendet wird, er in gleicher Weise ausgeführt ist, wie der dargestellte. Die Umdrehungszahl der Steuerbürste entspricht bei der gezeichneten (zweipoligen) Ausführung der Steuerschalter dem zweifachen Wert der Sekundärfrequenz, hier also 331/3 Perioden. Wird die gezeichnete Kontaktbahn auf den halben Umfang des Kollektors beschränkt und auf der andern Hälfte des Kollektors wiederholt (vierpolige Ausführung), dann entspricht die Tourenfrequenz des Steuerschalters genau der Sekundärfrequenz, also 16 veg Perioden.
Über die erforderliche Bemessung der Kontakte und die Zeitlage der Steuervorgänge bei dem beschriebenen Verfahren gibt das Kurvendiagramm der Fig. a näheren Aufschluss, wobei auf der Einphasenseite eine Phasenverschiebung von 900 vorhanden ist und die einzelnen Phasen mit gleichen Amplituden gezeichnet sind. Da in diesem Falle auch die als Gleichrichter wirkende Entladungszelle
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richterbetrieb nicht gestört ist. Wenn man einen Gleichrichter für Vorwärts strom (J in Richtung E) steuern will, muss man den Stromdurchgang für Phase 1 vor Punkt a, für Phase 2 vor Punkt b usw. freigeben.
Daraus folgt die Lage und Ausdehnung der Kontaktstücke E'i, ..-"d die durch gestrichelte Linien begrenzten Zonen der gesteuerten Zündbereitschaft für jede Phase. Führt man dies für alle Anoden durch und steuert Phase und Gegenphase gleichzeitig und gleichsinnig, so ergibt sich
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welle jeweils kurz vor dem linken Spannungsschnittpunkt (Schnittpunkt mit der vorhergehenden Anode) zugeschaltet und spätestens im rechten Spannungssehnittpunkt (Schnittpunkt mit der Folgeanode) abgeschaltet werden. So hat z. B. die Spannungskurve der Anode 2 mit der Spannungskurve der Anode 1 den Schnittpunkt b', die Zündung erfolgt kurz davor, mit Spannungskurve der Anode. 3
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dem Punkt c'.
Aus Fig. 5 ist aber ersichtlich, dass nach dem Verfahren der Erfindung alle Anoden der beiden Mehrphasengleichnchter während der jeweils positiven bpannungshalbwelle vor dem linken spannungschnittpunkt zugeschaltet und bei Verwendung von Gittern kurz vor dem rechten Spannungsschnittpunkt abgeschaltet und während der jeweils negativen Spannungshalbwelle kurz vor dem linken Span-
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Die sich aus dem beschriebenen Verfahren ergebende Zeitlage und Begrenzung der Zündbereitschaft der einzelnen Anoden ist notwendig, damit im Bereich der negativen Spannungshalbwelle der Strom von einer gesteuerten Gegenphase auf die nächstfolgende übergeht und ein Kurzschluss vermieden wird.
Als treibende Spannung kommt nämlich beim Zurttckarbeiten die Spannung der Verbraucherstrom-
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auf E3'usf., bis der Strom nicht mehr von Es gegen jE/, B'... gerichtet erzeugt wird, sondern von Bi, E2... erzeugt in Richtung gegen Ev fliesst.
Will man von den gegebenen Phasen der symmetrischen Mehrphasensysteme der beiden Gleichrichter nur einen Teil zur Umformung benutzen, dann muss bei der Steuerung dem Fortfall einer Phase des einen Gleichrichters der Fortfall der Gegenphase des andern Gleichrichters entsprechen.
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