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Verfahren zur Steuerung von Stromrichtern.
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Die Phase der Steuerimpulse für Wechselrichter muss gegen den Schnittpunkt der Anodenspannungen zweier einander ablösender Anoden bekanntlich um einen Mindestwinkel a voreilen.
Will man erreichen, dass die Spannung auf der Gleichstromseite des Stromrichters abgesehen vom Vorzeichen bei Gleich-und Wechselrichterbetrieb gleich gross ist, so müssen die Steuerimpulse bei Gleichrichterbetrieb gegen diesen Schnittpunkt entsprechend nacheilen. Diese Vor-bzw. Nacheilung der Impulse wird dadurch erreicht, dass den Spannungen der Wicklung 30 mittels des Quertransformators 12 noch eine zweite Wechselspannung hinzugefügt wird, die zur ersten Spannung beispielsweise senkrecht steht und auch bei Umschaltung von der einen auf die andere Betriebsart unverändert bleibt.
Die sich daraus ergebende Phasenlage der resultierenden Gitterspannung gegenüber den Teilspannungen lässt sich aus dem Vektordiagramm der Fig. 2 und der Fig. 2 a entnehmen : U1 bedeutet darin die Grundspannung der Wicklung 30, die bei der gezeichneten Stellung des Umschalters 11 den drei Wicklungen 5, 7 oder 9 entnommen wird und die mit der zum betreffenden Gitter gehörigen Anodenspannung in Phase ist. Dazu addiert sich die Spannung U, des Quertransformators 12, die zu U1 senkrecht steht. Die resultierende Gitterspannung Ug eilt dadurch der Spannung U1 und damit der betreffenden Anodenspannung um den Winkel a nach. Man erhält einen nacheilenden Steuerimpuls für Gleichrichterbetrieb.
Wird der Umschalter 11 nach rechts umgelegt, so werden die Wicklungen 8, 10 und 6 eingeschaltet und damit die Grundspannung umgepolt. Man erhält mit Cg die resultierende Gitterspannung Ug, die der Spannung-U, um den Winkel a voreilt. Das Gitter erhält also einen voreilenden Steuerimpuls für Wechselrichterbetrieb. Durch das Hinzufügen ein und derselben Querspannung üs erhält man somit beim Umschalten von +U1 aufzug einen nacheilenden Gleichrichterimpuls bzw. einen voreilenden Weehselrichterimpuls.
Die Vorspannungsbatterie 13 gibt den Gittern ausserdem eine derartige Vorspannung, dass sie bei Anlegen der sinusförmigen Gitterwechselspannung jeweils über 120 elektrische Grade positiv werden. Die sich ergebenden Steuerverhältnisse sind in Fig. 2 a dargestellt, u. zw. links für Gleichrichterbetrieb, rechts für Wechselrichterbetrieb. Um der Einfachheit der Darstellung willen wurde angenommen, dass die kritische Gitterzündspannung praktisch mit der Nullinie zusammenfallen möge.
Die Kurven 1, 2,3 stellen die Anodenspannungen dar. Die mit der jeweiligen Anodenspannung phasengleich bzw. um 180 phasenversetzte Grundspannung U1 bzw. -U1 wird durch die Gleichspannung E13 der Batterie 13 soweit vorgespannt, dass die Zündung bei fehlender Querspannung gerade dann freigegeben wird, wenn die Phasenspannungen der brennenden und der ablösenden Anode einander im Punkt P schneiden, d. h. um den Winkel ss gegen den Nulldurchgang der Anodenund Gitterspannung verschoben. Der dem Phasenpunkt P entsprechende feste Zeitvektor ist in Fig. 2 wie auch in den weiteren Vektordiagrammen durch den Richtungsvektor Up, die Anodenspannung durch den mit dem übrigen Diagramm drehenden Vektor Ua dargestellt.
Durch die zusätzliche Einfügung der Querspannung Us wird die resultierende Gitterspannung UG bzw. Ua'und damit auch der Zündzeitpunkt um den Winkel ! Y. nacheilend (bei Gleichrichterbetrieb) bzw. voreilend (bei Wechsel- riehterbetrieb) gegenüber dem Punkt P verschoben. Im Sonderfall des Zweiphasen-Stromrichters wird der Winkel ss natürlich Null.
Handelt es sich um eine Gleichstrom-Hochspannungsübertragung, so ordnet man an beiden Enden der Leitung einen Stromrichter nach Fig. 1 an, wovon der eine als Gleich-, der andere als Wechselrichter betrieben wird. Soll die Energierichtung geändert werden, so wird bei beiden Stromrichtern der Umschalter 11 umgelegt, d. h. aus dem Gleichrichter wird ein Wechselrichter und aus dem Wechselrichter ein Gleichrichter. Dabei bleibt im Gleichstromnetz die Stromrichtung erhalten, die Gleichspannung wird umgepolt.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung besteht zwischen den Umschaltern 11 an den beiden Enden der Übertragung eine Verriegelung derart, dass nicht beide Gefässe gleichzeitig als Gleichrichter bzw. Wechselrichter gesteuert werden können. Diese Verriegelung kann mit irgendeiner der von der Fernsteuerung her bekannten Methoden erfolgen. Die Fernsteuerung kann darüber hinaus dazu verwendet werden, die gewünschte Energierichtung von Hand oder automatisch abhängig von irgendeiner Netzgrösse, z. B. der Leistung eines der beiden gekuppelten Drehstromnetze, herzustellen.
Die Fig. 3 zeigt als weiteres Ausbildungsbeispiel der Erfindung eine Umrichtersteuerung. Es handelt sich um zwei antiparallel geschaltete dreianodige Stromrichter nach Fig. 1, die abwechselnd im Takt der Einphasenspannung als Gleichrichter bzw. Wechselrichter arbeiten. An Stelle des Gleichstromnetzes, Fig. 1, tritt das Einphasennetz 4', Fig. 3, das über den mittelangezapften Hintertransformator 14 gespeist wird. Das sechsanodige Gleichrichtergefäss T enthält die beiden Gruppen von Entladungsstrecken 15 und 16. Jede dieser beiden Gruppen wird ausgesteuert durch eine gemeinsame
Grundspannung, die der Wicklung 30'entnommen wird und durch die in Reihe dazu geschalteten getrennten Querspannungen, die im Transformator 12'gebildet werden. Die Addition von Grundund Querspannung ist im Vektordiagramm der Fig. 4 dargestellt.
An die gemeinsame Grundspannung U1 schliesst sich für Gruppe 15 die Querspannung U, und ergibt den etwas nacheilenden
Gleichrichterimpuls U15. Für Gruppe 16 schliesst sich an die gleiche Grundspannung die Quer- spannung-Da und ergibt den voreilenden Wechselrichterimpuls U". Wird die Einphasenspannung negativ, so müssen die Gruppen 15 und 16 ihre Rollen vertauschen. Die hiezu erforderliche Umschaltung
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der Steuerung geschieht erfindungsgemäss durch Umlegen des Schalters 11 in Fig. 3. Dadurch wird die Teilsteuerspannung U1 umgepolt.
Aus der umgepolten Spannung-Pi und der Querspannung U2 entsteht der voreilende Wechselrichterimpuls Uis' für die Gruppe 15 und analog der nacheilende
Gleichrichterimpuls U"'für die Gruppe 16 des Umrichters.
Wie die Kommutierung zwischen den beiden Gruppen von Entladungsstrecken beim Übergang von der positiven zu der negativen Einphasen-Spannungshalbwelle im Hauptkreis vor sich geht, ist für die Steuerung belanglos. Wir können z. B. annehmen, dass der Umrichter einphasenseitig kapazitiv belastet wird. Dann sind auch bei elastischem Umrichterbetrieb für die Kommutierung im Hauptkreis keinerlei zusätzliche Einrichtungen erforderlich.
Das Umschalten des Schalters 11 muss im Takt der zu bildenden Einphasenspannung vor sich gehen. Dies kann man in bekannter Weise unter Verwendung eines Steuerkollektors durchführen.
Zweckmässig ist es, diese Umschaltung mittels gesteuerter Röhren auszuführen. Beispielsweise kann man die sechs Schaltstrecken des Umschalters durch sechs Vakuumröhren ersetzen, deren Gitter im
Takt der Einphasenspannung positiv und negativ gemacht werden. Diese Röhren arbeiten, abgesehen von ihrer Gleichrichterwirkung, wie der Umschalter 11. Infolge dieser zusätzlichen Ventilwirkung gelangt nur die eine Halbwelle der Steuerwechselspannung an die Gitter. Da aber für die Gittersteuerung nur die positive Halbwelle der Wechselspannung benutzt wird, stört der Fortfall der negativen Halbwelle nicht. Mit Rücksicht auf die Beanspruchung der Steuergitter ist dieser Umstand vielmehr ein Vorteil der Anordnung.
Besser jedoch als durch Vakuumröhren lässt sich der Schalter 11 durch gittergesteuerte Hilfsentladungsstrecken mit Gas-oder Dampffüllung ersetzen. Da sich diese Röhren durch Gittersteuerung nur ein-, aber nicht abschalten lassen, muss die Abschaltung durch Löschkondensatoren erfolgen. Eine entsprechende Schaltung zeigt Fig. 5. Die Schaltung des Haupt-und Steuerkreises stimmt grundsätzlich mit der von Fig. 3 überein. Abweichend hievon ist jedoch die sechsphasige Wicklung 30"nicht im Haupttransformator untergebracht, sondern in einem getrennten Steuertransformator 17. Dieser Steuertransformator sowie Transformator 12 sind an das Drehstromnetz 2 über einen Drehregler 18 angeschlossen, der es gestattet, den Voreilwinkel von U"'bzw. U16 (Fig. 4) und den Nacheilwinkel von U15 bzw.
Pi/verschieden gross zu machen. Dies ist z. B. in Fig. 4 a dargestellt. Durch den Drehregler 18 wird die Grundspannung U1 um den Winkel (ss-oc) im Sinne einer Voreilung verschoben. Soll die Wechselrichterkommutierung mit unveränderter Voreilung a (Mindestvoreilwinkel) erfolgen, so kann bei dieser Phasenlage der Spannung U1 die Querspannung kleiner bemessen werden. Bei gleicher Phasenverschiebung a'der resultierenden Spannung U15 bzw. üj, gegenüber U1 wird dann die Spannung U15 bzw. U16'bei Gleichrichterbetrieb gegenüber dem kritischen Zeitpunkt P eine kleinere Nacheilung < x"== 2 a'-a aufweisen.
Das bedeutet beim Umrichterbetrieb eine Verringerung des Spannungsverlustes, ohne dass dadurch die Betriebssicherheit beeinträchtigt wird. Denn wegen der stets vorhandenen Energieverluste klingt der Ausgleichstrom in dem inneren Kurzschlusskreis zwischen den einzelnen Anoden so schnell ab, dass die Nacheilung bei Gleichrichterbetrieb kleiner sein kann als die Voreilung bei Wechselrichterbetrieb.
Anderseits kann grundsätzlich eine umgekehrte Phasenverschiebung der Grundspannung mittels des Drehreglers 18 zusammen mit einer Vergrösserung der Querspannung U2 dann angewendet werden, wenn die Verluste im inneren Kurzschlusskreis sehr klein sind und etwa noch eine zusätzliche Sicherheit gegen das Auftreten von Dauerkurzschlüssen geschaffen werden soll.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung unterschiedlicher Voreil-bzw. Naeheilwinkel gegenüber dem Punkt P ist auch durch Veränderung der Gleichspannung E13 gegeben. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dann die Impulsdauer länger oder kürzer als 120 wird, was unter Umständen unerwünscht ist.
Schliesslich zeigt das Diagramm Fig. 4 b, dass auch bei fest nach Fig. 2 bzw. 4 eingestellter Grundspannung U1 und ohne Änderung der Gleichspannung Voreil-und Nacheilwinkel verschieden gross gemacht werden können ; in diesem Falle beträgt die Phasenverschiebung zwischen Grund-und Querspannung mehr oder weniger als 90 , so dass z. B. der Nacheilwinkel d'bei Gleichrichterbetrieb
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achten, dass die Einstellung der Gleichspannung E13 mit Rücksicht auf die Wechselrichtersteuerung (Ui,' bzw. U") derart erfolgt, dass die Impulsdauer die Brenndauer der zugehörigen Anode möglichst nicht überschreitet, um eine ausreichende Entionisierung zu gewährleisten.
Dass dann die Gleichrichterimpulse länger dauern und sich überlappen, ist ohne Bedeutung für das ordnungsmässige Arbeiten der Umformungseinrichtung. Sehaltungsmässig lassen sich Verhältnisse entsprechend Fig. 4 b leicht z. B. dadurch herstellen, dass von den Primärwicklungen der beiden Steuertransformatoren 12"bzw. 17 (vgl. Fig. 5) je eine in Stern-und eine in Dreieckschaltung angeordnet ist. Zur Herstellung geringer Unterschiede ist gegebenenfalls auch bereits die Phasenverschiebung zwischen U1 und U2 ausreichend, die in einer Schaltung gemäss Fig. 5 infolge der Streuinduktivitäten der verschiedenen Transformatoren entsteht.
Eine andere Möglichkeit, insbesondere zur Herstellung veränderbarer Verhältnisse, bietet
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die Zwischenschaltung eines Drehreglers zwischen die Primärwicklungen der beiden Steuertransformatoren 12"und 17.
Der Drehregler 18 dient im übrigen auch dazu, die Phasenverschiebungen, welche infolge der Streuinduktivitäten von Haupt- und Steuertransformatoren entstehen sowie die zusätzlichen Phasenverschiebungen, die durch den Gittern der Hauptentladungsstrecken gegebenenfalls vorgeschaltete Hilfsentladungsstreckenkreise erzeugt werden, auf den jeweils entsprechend Fig. 4 oder 4 a gewünschten Wert auszuregeln.
Die Querspannung Us sowie gegebenenfalls auch die Grundspannung U1 sind vorteilhaft regelbar gestaltet, z. B. durch Anwendung angezapfter bzw. in Stufen regelbarer Primärwicklungen an den Steuertransformatoren, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist. Werden die Anzapfungen in den einzelnen Phasen ungleich gewählt, so können für jede Hauptentladungsstrecke verschiedene Steuerdiagramme nach Fig. 4,4 a oder 4 b erzielt werden. Damit kann bei starren Umrichtern z. B. die Aufgabe gelöst werden, die Verhältnisse beim Übergang von einer Anode zur nächsten weitgehend anzupassen und beispielsweise die Voreil-und Nacheilwinkel für die erste, im Zuge einer Spannungshalbwelle arbeitende Entladungsstrecke am grössten und für jede folgende etwas kleiner zu machen.
Da bei den praktisch vorkommenden Verhältnissen mit zumeist stark induktiver Last die Strombelastung gerade der ersten Entladungsstrecken in jeder Spannungshalbwelle am grössten ist, wird dadurch der Verlust an Spannung bei jedem Übergang auf ein kleinstmögliches Mass beschränkt.
Im Steuertransformator 17 der Fig. 5 ist der ursprüngliche Sechsphasenstern in zwei Dreiphasensterne aufgeteilt. Dadurch gelingt es, den sechspoligen Schalter 11 (Fig. 3) durch nur zwei Gasentladungsstrecken 19 und 20 (Fig. 5) zu ersetzen. Die Rohre 19 und 20 schalten abwechselnd die beiden um 180 versetzten Wieklungssterne ein, deren Spannung an den drei Widerständen 21, ? und 23 wirksam wird. In die Stromkreise der Wicklungen 30"und der Widerstände 21-23 sind z. B. sechs Trockengleichrichter 25 eingeschaltet. Sie dienen dazu, innere Kurzschlüsse der beiden an 19 und 20 angeschlossenen Transformatorsterne zu vermeiden.
Die Kathoden der beiden Rohre 19 und 20 sind durch den Kondensator 24 miteinander verbunden. Die Gitter der beiden Gefässe werden im Takt der Einphasenspannung positiv gegen die zugehörige Kathode gemacht, dadurch zünden die beiden Rohre im Takte der Einphasenspannung und löschen vermittels des Kondensators 24 bei ihrer Zündung nach Art eines Wechselrichters das andere Rohr. Infolge dieser schlagartigen Kommutierung tritt in den Impulsen des Hauptgefässes keine Unterbrechung ein.
Die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Schaltungen enthalten den Grundgedanken der Erfindung, durch Hinzufügen ein und derselben Querspannung einmal voreilende Wechselrichter-, einmal nacheilende Gleichrichterimpulse zu schaffen. Dabei ist angenommen, dass die Steuerspannungen, die Grund-wie die Querspannung rein sinusförmig sind.
Bei Verwendung solcher reinen Sinusspannungen ist es zweckmässig, die nach der Erfindung gebildeten Gitterimpulse nicht unmittelbar dem Hauptgefäss zuzuführen, sondern mit ihnen zunächst Hilfsentladungsstrecken zu steuern. Hiezu können sowohl Vakuumröhren wie auch Dampf-oder Gasentladungsstrecken dienen. Es ist auch möglich, die Steuerimpulse durch bekannte Einrichtungen erst in Spannungen rechteckiger Kurvenform oder in Stossspannungen spitzer Form umzuwandeln und diese Blöcke bzw. Stösse den Gittern des Hauptgefässes direkt oder unter Zwischenschaltung von Hilfsentladestrecken zuzuführen.
An Stelle der reinen Sinusspannungen lassen sich nach der Erfindung auch ebenso gut umgeformte Sinusspannungen verwenden und überlagern, etwa Spannungen, die durch Sättigungswandler in rechteckige Blockform verwandelt sind. Die Querspannung hat dann eine entsprechende Form, die die Fronten des resultierenden Rechteckblockes nach vorn oder nach hinten verschiebt. Die relativen Phasenlagen zur Anodenspannung sind in diesem Falle je nach der Blockbreite anders und müssen gegebenenfalls durch vorgeschaltete Drehregler bzw. entsprechende Bemessung der vorgeschalteten Einrichtungen entsprechend eingestellt werden.
Ein einfaches Beispiel zeigt Fig. 6, wo die durch
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und einmal mit der um 1800 verschobenen Blockspannung nach Kurve c zusammengesetzt wird, wobei die resultierenden Wellenfronten der Kurven d und e die gewünschte Vor-bzw. Nacheilung gegenüber dem Punkt P aufweisen.
Es ist weiterhin zu bemerken, dass die Anwendung des Erfindungsgedankens nicht auf die Überlagerung gleichfrequenter Teilspannungen beschränkt ist, wie sie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen angenommen waren. Statt dessen kann als" Querspannung" auch eine Spannung mit einer Frequenz gleich einem ungeraden Vielfachen der Frequenz der"Grundspannung"überlagert werden.
Fig. 7 zeigt als Beispiel die Anwendung einer dritten Harmonischen als Querspannung. Wie die Fig. 7 ergibt, hat eine derartige Anordnung noch den besonderen Vorzug, dass beide resultierenden Steuerspannungen, sowohl die für Gleichrichterbetrieb wie auch die für Wechselrichterbetrieb, im Zündbereich sehr steil verlaufen und damit eine sehr genaue Steuerung ermöglichen. Eine Veränderung der Voreil-und Nacheilwinkel sowie ihres Verhältnisses ist ohne weiteres durch Änderung der Amplituden oder der gegenseitigen Phasenlage der Teilspannungen möglich.
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Die beschriebene Steuerung bietet für sich allein die Möglichkeit, starre oder elastische Umrichter betriebssicher zu steuern. Sie kann aber auch mit andern, bekannten Steuerungen kombiniert werden, z. B. mit einer stromabhängigen Verriegelungssteuerung.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Steuerung von mit gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstrecken betriebenen Umformungseinrichtungen, die je nach der Richtung des Energieflusses als Gleichrichter bzw. Wechselrichter arbeiten, wobei die Steuerspannung jeder Entladungsstrecke aus mindestens zwei Teilwechselspannungen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige mit der grösseren Amplitude bei Energierichtungswechsel in der gesteuerten Gruppe von Entladungsstrecken um 180 in der Phase verdreht wird, während die andere stets die gleiche Phasenlage beibehält.