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Anordnung zur unmittelbaren Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in solchen anderer
Frequenz.
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spannungen erhalten wird, sind bekannt. Es wird hiebei eine sogenannte Grundspannung, die sich aus Teilen der höherfrequenten Wellen zusammensetzt und angenähert eine Trapezform besitzt, mit einer Zusatzspannung-'meistens einer dritten Harmonischen bezogen auf die Einphasenspannung-zur resultierenden Spannung aufgebaut. Die Frequenz der Zusatzspannung ist die gleiche wie die des Drehstromnetzes und kann daher, wie bereits vorgeschlagen wurde, diesem Netz über Drehregler entnommen und dem Einphasennetz eingefügt werden. Diese Einrichtung hat jedoch verschiedene Nachteile, die sich insbesondere aus der mechanischen Regelung der Phasenlage bei elastischem Betrieb ergeben.
Auch wenn, wie bereits vorgeschlagen wurde, alle Teilspannungen mittels gesteuerter Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerter Dampf- oder Gasent1adungsstrecken, aus dem Primärnetz entnommen werden, kann zwar die Phasenlage der etwa sinusförmigen Zusatzspannung der angenähert trapezförmigen Grundspannung trägheitslos angepasst werden ; es ergibt sich jedoch dann der Nachteil, dass die Entladungsstrecken nicht zu einem Gefäss mit einer einzigen Kathode oder zu mehreren, aber mit gleichem Kathodenpotential zusammengefasst werden können, weil dort die Spannungsaddition durch Reihenschaltung der Entladungsstrecken erfolgt.
Den Nachteil dieser Anordnung vermeidet vorliegende Erfindung, indem die Zusammensetzung der einzelnen Teilspannungen nicht in den Entladungsstromkreisen selbst, sondern transformatorisch auf der Seite des Sekundärnetzes vorgenommen wird. Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung können die Schaltungen für Grundund gleichfrequente Teilspannungen gleichartig aufgebaut werden, so dass die Teilumrichtersysteme in der Lage sind, bei elastischem Betrieb ihre Rollen zu vertauschen. Es sei noch bemerkt, dass es bereits bekannt ist, Umrichtersysteme mit Hilfe von Transformatoren auf der niederfrequenten Einphasenseite zu kuppeln. In dem bekannten Falle handelt es sich jedoch um die Addition von Spannungen weitgehend gleicher Kurvenform.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich auf den Fall einer unmittelbaren Frequenzumformungim Verhältnis 3 : l-also beispielsweise 50 Hz : 162/3 Hz- bezieht, und bei dem drei Spannungen, die je durch gesteuerte Entladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlassrichtung erzeugt werden, addiert werden. Zunächst sind zwei gleichartige Schaltungen
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SternwicHungen sind eine Anzahl Anoden eines mehranodigen Entladungsgefässes G herangeführt.
Diese Schaltung und ihre Arbeitsweise ist für sich allein hinreichend bekannt. Die Steuerung der Gitter der Dampfentladungsstrecken erfolgt nach einer der zahlreichen Steuerungen, wie sie für unmittelbare Frequenzumformungen bereits angegeben sind. und ist nicht dargestellt. Die Schaltung B enthält analog den dem Sekundärnetz zugeordneten Transformator Tb, die beiden Sternwicklungen 2,4, 6 und 2', 4', 6'und eine Anzahl gittergesteuerte Dampfentladungsstreeken. Es ist zu beachten, dass beide Schaltungen grundsätzlich gleichartig aufgebaut sind. Hinsichtlich der Schaltung besteht jedoch der Unterschied, dass die einander entsprechenden Sternwicklungen der beiden Schaltungen-also beispielsweise 1, 3, 5 und 2, 4, 6 - verschiedenartige Phasenlage aufweisen.
Bezüglich der Arbeitsweise ergibt
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Schaltung 0 liefern mit den zugehörigen Entladungsstrecken und dem Transformator Te zusammen eine Spannung dreifacher Frequenz, die zur Kompensation der dritten Harmonischen in der erzeugten Spannung dient.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt und bezieht sich auf eine starre Frequenzumformung. In diesem Falle liefert die Schaltung A dauernd die trapezförmige Grundspannung, die Schaltung B eine gleiehfrequente Teilspannung unter Beteiligung der beiden Sternpunktsentladungsstrecken. Die dritte Harmonische kann man in diesem Falle in bekannter Weise transformatorisch dem Primärnetz entnehmen.
Die Art der Zusammensetzung der drei Spannungen soll noch kurz an Hand der Fig. 3 der Zeichnung erläutert werden, u. zw. für eine Halbwelle bei einer starren Umformung mit einer Frequenzuntersetzung, 3 : 1 gemäss Fig. 2. Die Schaltung A liefert die trapezförmige Grundspannung Ua, die Schaltung Beine gleichfrequente Teilspannung Ub, die am Anfang und Ende jeder Halbwelle ein gewisses Stück gleich Null ist. Während dieser Zeitteilchen führen die Sternpunktsentladungsstrecken den Strom. Die besondere Wicklung 10 des an das Primärnetz angeschlossenen Transformators Tp liefert eine Spannung Cj, die im Falle der Fig. l die Spannung üe wäre. Ul"bzw.
UhateineAmplitude von etwa 0'4 der Amplitude der Phasenspannungen der vier Sternwicklungen unter der Voraussetzung, dass Ta und Tb ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 aufweisen. Die dem Sekundärnetz zugeführte
Summenspannung ist Cs-Bei elastischer Umformung erfolgt die Zusammensetzung der von den
Schaltungen A, Bund 0 gelieferten Spannungen in gleicher Weise wie in Fig. 3, nur vertauschen entsprechend dem Frequenzschlupf die beiden Schaltungen A und B von Zeit zu Zeit ihre Rollen.
Beim Vergleich der Fig. 2 mit der bekannten starren Umformung, bei der transformatorisch eine Kompensationsspannung dreifacher Frequenz eingefügt wird, zeigt sich, dass die Amplitude der Kompensationsspannung im vorliegenden Falle kleiner ist als bei dem bekannten Umrichter, u. zw. beträgt sie nur etwa 70%. Eine Analyse der Spannungskurve zeigt ferner, dass auch die höheren Harmonischen erheblich kleinere Werte annehmen. So beträgt die Amplitude der fünften Harmonischen nur etwa 1% der Amplitude der Einphasenspannung. Die geschilderte Zusammensetzung unter Verwendung von dreiphasigen Sternwicklungen hat weiterhin den Vorteil, dass die Brenndauer der Entladungsstrecken länger ist als bei sechsphasigen Sternwicklungen. Somit sind Entladungsstrecken und Transformatorwieklungen günstig ausgenutzt.
Bemerkt wird noch, dass man bezüglich der Transformatoren Ta und Tb in Fig. 2 konstruktive Vereinfachungen durchführen kann. So kann man beispielsweise (vgl. Fig. 4) die Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern mit freiem magnetischen Rückschluss anordnen. Dieselbe Schaltungsweise kann man auch bei einer Umformungseinrichtung gemäss Fig. l durchführen.
Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens soll an Hand der Fig. 5 der Zeichnung erläutert werden. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Fall einer unmittelbaren Frequenzumformung im Verhältnis 3 : 1-also beispielsweise 50 Hz : 162/3 Hz-, u. zw. werden zwei gleichfrequente Spannungen verschiedenartiger Kurvenform, die je durch gesteuerte Entladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlassrichtung erzeugt werden, zusammengesetzt.
Für die eine Teilspannung sind die beiden dreiphasigen Sternwicklungen 1, 3, 5 und 1', 3', 5' des dem höherfrequenten Drehstromnetz zugeordneten Transformators Tp, dessen Primärwicklung als Dreieckwicklung ausgebildet und an das Primärnetz angeschlossen sein möge, der dem Sekundärnetz zugeordnete Transformator T und die beiden Gruppen von gesteuerten Entladungsstrecken, die zu einem mehranodigen Entladungsgefäss Go mit gemeinsamer Kathode zusammengefasst sind, vorgesehen. Entsprechend benötigt man für die zweite Teil-
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Gefäss G. Die Transformatoren Ta und Tb können wie bei den früheren Ausführungsbeispielen konstruktiv miteinander vereinigt sein.
Für die Erläuterung der Arbeitsweise möge eine starre Frequenzumformung gemäss Fig. 6 der Zeichnung zugrunde gelegt werden. Die Schaltung A liefert (vgl. Fig. 7) eine Teilspannung P, bei der die Phasenspannungen 3 und 5 grösser sind als die von 1 ; die Schaltung B liefert unter Beteiligung der Sternpunktsentladungsstreeken eine Teilspannung Ub, bei der die Phasenspannungen 2 und 6 kleiner als die Phasenspannung 4 sind. Die aus Ua und Ub zusammengesetzte Spannung ist Ures.
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Bei elastischer Umformung erfolgt die Zusammensetzung der Teilspannungen in gleicher Weise, wobei einerseits entsprechend dem Frequenzsehlupf innerhalb jeder Teilspannung die Phasen, anderseits die Schaltungen A und B ihre Rollen vertauschen.
Bemerkt wird noch, dass es bei unmittelbaren Frequenzumformungen bereits bekannt ist, ab- gestufte Phasenspannungen dem Primärnetz zu entnehmen. Gegenüber den bekannten Schaltungen besteht aber der Vorteil, dass auch bei elastischer Umformung je primäre Phase nur zwei Spannungs- werte erforderlich sind. Rechnungen und Versuche haben gezeigt, dass bei Wahl eines Verhältnisses von etwa 0'61 zwischen dem kleineren und dem grösseren Spannungswert die erzeugte Spannung Ures nur ganz verschwindend kleine Oberwellen enthält. Gegenüber den mit den Schaltungen nach den
Fig. 1 und 2 erzeugten Spannungen ergibt sich praktisch kein Unterschied hinsichtlich der Oberwellen, dafür aber der Vorteil einer besseren Ausnutzung der Entladungsstrecken und des aktiven Materials der Transformatoren.
Bezüglich der genauen Lage der Entladungsstrecken ist bisher nichts gesagt worden. Zweifellos kann man nun die Entladungsstrecken in verschiedenartiger Weise zusammenfassen. So kann man sämtliche Entladungsstrecken zu einem mehranodigen Gefäss mit gemeinsamer Kathode zusammenfassen (vgl. Fig. 1). Man kann aber auch an Stelle eines mehranodigen Gefässes zwei mehranodige
Gefässe mit der halben Anodenzahl verwenden (vgl. Fig. 2, 5 und 6). Bekanntlich bestehen zwischen zwei beispielsweise sechsanodigen Gefässen und einem zwölfanodigen Gefäss keine erheblichen Preisunterschiede. Bei allen angeführten Schaltungen sind in den Umrichtergefässen Gruppen von Entladungsstrecken zusammengefasst, die teils im Weehselrichterbetrieb, teils im Gleichrichterbetrieb arbeiten.
Es ist bekannt, dass die nicht stromführenden Anoden bei einem Gleichrichter auf negative Sperrspannung, bei einem Wechselrichter auf positive Sperrspannung beansprucht werden. Infolgedessen wird auch die eine Gruppe von Entladungsstreeken auf negative, die andere auf positive Sperrspannung beansprucht. Sind die Entladungsstreeken nun. wie das in den oben beschriebenen Schaltungen der Fall ist, zu einem mehranodigen Entladungsgefäss zusammengefasst, so ändert sich zwar an ihrem betrieblichen Verhalten nichts, dafür treten aber neue, spannungsmässige Beanspruchungen auf, nämlich zwischen den Anoden mit positiver Sperrspannung und denen mit negativer Sperrspannung. Das bedeutet aber, dass wenigstens in einzelnen Zeitabschnitten der niederfrequenten Periode die doppelte Sperrspannung zwischen zwei Anoden liegt.
Die Entladungsgefässe müssen also für sehr grosse Sperrspannungen bemessen werden, was aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung bezweckt nun eine derartige Anordnung, dass für die Ent- ladungsstrecken eines Entladungsgefässes die normalen Sperrspannungsverhältnisse gelten, u. zw. werden nur stets gleichartig arbeitende Entladungsstrecken zu einem mehranodigen Gefäss zusammengefasst. Im einfachsten Falle, d. h. bei Anordnungen mit zwei Teilspannungen gleicher Frequenz, aber verschiedenartiger Kurvenform, ergeben sich also zwei mehranodige Gefässe, von denen das eine die eine Halbwelle des niederfrequenten Stromes, das andere die andere Halbwelle des niederfrequenten Stromes bildet.
In Fig. 8 der Zeichnung ist die Schaltung eines elastisch arbeitenden Umrichters dargestellt, wobeiwiefrüher nund Tbdie am niederfreqtienten Netzliegendeii Transformatoren, die die Zusammensetzung der beiden Teilspannungen bewirken, sind. Die Umformung wird mittels der mehranodigen
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die von der dreiphasigen Sternwieklung 1',.,'"5'dem Transformator Ta, die von der dreiphasigen Sternwicklung 2', 4', 6'dem Transformator Tb zuführt. Die vier mit Ziffern versehenen Sternwicklungen gehören zu dem dem Drehstromnetz zugeordneten Transformator Tp.
Bezüglich der Strombelastung der Anoden ergibt sich kein Unterschied gegenüber den bereits vorgeschlagenen Schaltungen, bezüglich der Belastung der Kathode ergibt sich eine kleine Erhöhung, die baulich keine Rolle spielt, da die Kathodenzuführung ohnehin reichlich bemessen wird. Hinsichtlich der Sperrspannungsverhältnisse ergibtsieh aber eine erhebliche Verbesserung, nämlich eine Verminderung auf rund den halben Wert. Anderseits behält die Schaltung den Vorteil, dass man sämtliche Gefässe an Erdpotential legen kann, wodurch die Bedienung wesentlich vereinfacht wird.
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