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Einrichtung und Schaltung zur lastabhängigen Kühlung eines Stromrichters
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung von Asynchronmotoren, die zum Antrieb von Lüftern für Stromrichter, z. B. Quecksilberdampfgleichrichter, verwendet werden. Um die Stromrichter auf der günstigsten Betriebstemperatur zu halten, soll die Drehzahl des Lüfterflügels nach Möglichkeit der Verlustleistung des Stromrichters, d. h. wegen des annähernd konstanten Spannungsabfalles im Queck-
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Um die Motordrehzahl vom Gleichrichterstrom überhaupt abhängig zu machen, kann man in bekannter Weise so vorgehen, dass man den Lüftermotor mit Hilfe von Stromwandlern speist, deren Primärwicklungen in die Anodenleitungen des Stromrichters geschaltet sind. Und zwar können die Stromwandler grundsätzlich sowohl im Primärkreis des Haupttransformators als auch im Sekundärkreis, also unmittelbar in Reihe mit den Anoden, angeordnet sein.
Diese bekannte Anordnung weist jedoch mehrere Nachteile auf. Einer davon ergibt sich als Folge der Stromspannungskennlinie eines mit einem Lüfterflügel belasteten Asynchronmotors, welche die Gestalt der Kurve 1 von Fig. 1 hat. Aus der Tatsache, dass im Bereich zwischen den Punkten B und C'eine fallende Charakteristik auftritt, ergibt sich folgendes : wenn man den Motorstrom ohne Rücksicht auf die Motorspannung Um steigert, wie das ja der Fall ist, wenn der Motor über Stromwandler aus einem von ganz anderen Faktoren abhängigen Gleichrichterstrom gespeist wird, dann wird die Kennlinie auf dem Wege A B'B C D durchlaufen, wobei an der Stelle B C ein sprunghafter Anstieg der Spannung und damit auch der Leistung und der Drehzahl stattfindet.
Senkt man dagegen den Strom, so wird die Kennlinie auf dem Wege D C C'B'A durchlaufen, wobei an der Stelle C'B'ein unstetiger Abfall von Spannung, Leistung und Drehzahl stattfindet. Abgesehen von dem Nachteil der sprunghaften Änderung der Drehzahl, besteht daher keine eindeutige Beziehung zwischen Strom und Drehzahl, vielmehr kommt es zu einer Schleifenbildung, indem die Drehzahl innerhalb eines gewissen Spannungsbereiches bei einem bestimmten Betriebszustand ganz anders ausfällt, je nachdem, ob dieser Betriebszustand von einem vorhergehenden Zustand höherer oder niederer Belastung des Gleichrichters erreicht wurde.
Aus diesem Grunde führte zwar die bekannte Anordnung mit Speisung des Lüftermotors über im Anodenkreis liegende Stromwandler zu einer lastabhängigen Kühlung, dabei wird aber keine konstante Betriebstemperatur des Gleichrichtergefässes erzielt, weil der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Gleichrichterstrom keineswegs linear, ja nicht einmal eindeutig ist. Wenn ferner die Primärwicklung des den Lüftermotor speisenden Stromwandlers in den Sekundärkreis des Haupttransformators, also unmittelbar vor die Anoden des Gleichrichters geschaltet ist, dann fliesst durch diese Wicklung wegen der Unterdrückung der negativen Halbwelle im Gleichrichter kein sinusförmiger Strom mehr.
Deshalb wird die Motorspannung ebenfalls stark verzerrt sein, was zur Folge hat, dass der Motor mit schlechtem Wirkungsgrad läuft und übermässig erwärmt wird.
Erfindungsgemäss wird unter Verwendung von Stromwandlern im Anodenkreis des Gleichrichters eine eindeutige Beziehung zwischen Gleichrichterstrom und Drehzahl durch die im folgenden beschriebenen Massnahmen erzielt, welche auf dem Gedanken beruhen, die den Zusammenhang zwischen Motorspannung Um und Primärstrom J1 des StromwandIers darstellende Kennlinie zu einer in allen Spannungsbereichen ansteigenden, also monoton wachsenden Kurve zu machen, damit beim Hin-und Hergang über irgendeinen Strombereich (Belastungsbereich des Gleichrichters) keine Schleifenbildung eintritt. Zu jedem Belastungszustand des Gleichrichters gehört ja bei Verwendung von Stromwandlern im Anodenkreis ein bestimmter Primärstrom J1 des Stromwandlers.
Wenn nun zwischen J1 und der Motorspannung Um eine eindeutige Beziehung in Gestalt einer monoton ansteigenden Kurve besteht, dann ist auch der Zusammenhang zwischen J1 und der Motorleistung bzw. seiner Drehzahl eindeutig, woraus der gewünschte eindeutige Zusammenhang zwischen Motordrehzahl und Gleichrichterlast resultiert.
Es sei in Fig. l derOrdinatenmassstab so gewählt, dass die Kurve 1 den auf Primär reduzierten Motorstrom angibt. Bei Verwendung eines idealen,
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verlustlos und linear arbeitenden Stromwandlers und unter der Voraussetzung, dass der Motor die einzige sekundärseitig Last des Wandlers darstellt, wäre der Zusammenhang zwischen Primärstrom und Motorspannung ", ebenfalls durch die Kurve 1 gegeben, welche, wie oben auseinandergesetzt, zur Schleifenbildung führt.
Wenn dagegen der Primärstrom zur Erzielung eines eindeutigen Zusammenhangs zwischen Gleichrichterlast und Motordrehzahl eine monoton wachsende Funktion der Motorspannung werden soll, so muss er die Gestalt der Kurve 2 haben, welche namentlich in den oberhalb des Punktes B' gelegenen Spannungsbereichen sehr wesentlich von 1 abweicht. Es muss also eine mit der Sekundärspannung des Stromwandlers wachsende Abweichung zwischen dem auf Primär reduzierten Motorstrom und dem Primärstrom des Wandlers herbeigeführt werden, um den gewünschten eindeutigen Zusammenhang zu erzielen.
Gemäss einer Ausführungsform des Erfindunggedankens kann nun der spannungsabhängig wachsende Unterschied zwischen den Kurven 2 und 1 von Fig. 1 durch Verwendung eines Stromwandlers zustande kommen, dessen Eisenkern so dimensioniert ist, dass der Magnetisierungsstrom bei wachsender Sekundärspannung etwa so anwächst, wie es dem Ordinatenunterschied zwischen den Kurven 2 und 1 entspricht. Nach einer anderen Ausführungsform kann man den gewünschten Unterschied dadurch erzeugen, dass man ausser dem Motor noch einen weiteren Stromverbraucher in den Sekundärkreis des Wandlers schaltet, derart, dass die Stromspannungskurve des aus Motor und parallel geschalteten Strom-
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eine monoton wachsende Funktion von U :, ; wird.
Und schliesslich kann man zur Erzielung eines möglichst linearen Zusammenhanges zwischen Gleichrichterstrom und Lüfterdrehzahl beide Massnahmen miteinander kombinieren, um die Vr/ÜM-Kurve noch gleichmässiger ansteigen zu lassen, so wie etwa in Fig. 1 durch die Kurve 3 angedeutet. Es wäre in diesem Fall ein Teil des Unterschiedes zwischen den Kurven 1 und 3 auf denMagnetisierungsstromzurückzufül1ren und ein anderer Teil auf den Strom, welcher den parallel zum Motor geschalteten Kreis durchfliesst.
Um die erforderliche Spannungsabhängigkeit im Parallelkreis zu erzielen, ist es zweckmässig, parallel zu den Motorphasen Kondensatoren zu schalten. Der grundsätzliche Aufbau einer solchen Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt, in welcher R, S, T die drei Phasenleiter des Netzes bedeuten.
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deren Sekundärwicklungen miteinander verkettet sind und an die Feldwicklung 4 des Lüftermotors angeschlossen sind. 2 ist der Haupttransformator, 3 das beispielsweise als sechsphasig angenommene Gleichrichtergefäss, 5 sind die Kondensatoren, die in Dreieckschaltung parallel zu den in Stern geschalteten Motorwicklungen liegen. Grundsätzlich können natürlich sowohl die Kondensatoren als auch die Feld- wicklungen in Dreieck oder in Stern geschaltet werden und auch alle Kombinationen dieser
Schaltungen, wie z. B.
Kondensatoren in Stern und Motorwicklungen in Dreieck, sind möglich.
Auch können, wie weiter unten beschrieben, die Stromwandler in die Sekundärleitungen statt in die Primärleitungen des Haupttransformators geschaltet werden. Die Kapazitäten 5 können so gewählt werden, dass für einen bestimmen Wert der Reaktanz der Ständerwicklung der Blindstrom kompensiert wird. Zweckmässig wird man die Kapazität so wählen, dass der Blindstrom ungefähr gerade im Gebiete des Buckels der Stromspannungskurve des Motors, also in der Umgebung des Punktes B der Kurve 1, (Fig. 1) voll kompensiert wird. Die absolute Höhe des Buckels bei B wird dann dadurch erniedrigt, dass der Strom sich dort auf den Wirkstrom reduziert. Für kleinere Spannungen tritt dann eine Unterkompensation, für grössere eine Überkompensation des Blindstromes ein, derart, dass im Gebiete von B an aufwärts der Strom voreilend wird.
Durch die angegebene Wahl der Kapazität kann man es erreichen, dass der Summenstrom von Motor und parallel geschaltetem Kondensator, also der Sekundärstrom des Stromwandlers, eine monoton wachsende Funktion von UM wird. Zu diesem Summenstrom tritt nun primärseitig noch der mit wachsender Eisensättigung ansteigende Magnetisierungsstrom, derart, dass der Zusammenhang zwischen dem Primärstrom J1 des Stromwandlers und der Motorspannung Usez durch die Kurve 3 von Fig. 1 gegeben ist.
Die Schaltung gemäss Fig. 2 weist den Nachteil auf, dass die Stromwandler auf die Spannung des Netzes, also im allgemeinen auf Hochspannung, isoliert sein müssen, was eine Verteuerung der Lüfteranlage bedeutet. Dieser Nachteil wird vermieden, wenn man die Stromwandler 1 auf die Sekundärseite des Haupttransformators, also unmittelbar in die Anodenzuleitungen, verlegt.
Eine solche Anordnung erweist sich insbesondere auch für den Fall des Parallelbetriebes mehrerer Gleichrichter mit gemeinsamem Haupttransformator als günstig, weil man dann jeden Lüftermotor aus einem eigenen Stromwandlersatz speisen kann, der automatisch spannungslos wird, sobald der zugehörige Gleichrichter abgeschaltet wird. Nun ergibt sich aber bei der sekundärseitigen Anordnung der Stromwandler die schon oben erwähnte Schwierigkeit, dass der Primärstrom der Wandler gleichzeitig der Anodenstrom des Gleichrichters ist, welcher wegen Unterdrückung der negativen Halbwelle nicht mehr sinusförmig ist, während die obigen Überlegungen, betreffend Kompensation des Blindstromes durch die Kondensatoren 5, von der Voraussetzung eines nicht allzusehr verzerrten sinusförmigen Stromes ausgegangen sind.
Um daher auch für den Fall der sekundärseitigen Anordnung der Stromwandler eine einigermassen sinusförmige Motorspannung zu erlangen, wird erfindunggemäss die in Fig. 3 angegebene Schaltung benützt.
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dann die den Motor speisenden Sekundärströme der drei Stromwandler eine annähernd sinus- förmige Gestalt haben, so wie es der in Fig. 4 a durch die strichlierten Linien angedeuteten Hüllkurve entspricht.
Einen noch höheren Grad von Glättung kann man natürlich bei Verwendung von Gleichrichtern mit grösserer Phasenzahl erzielen. So kann man z. B. bei einem 12phasigen Gleichrichter die Primärwicklungen der Stromwandler 12fach unterteilen, wobei die eine Hälfte der 12 Wicklungen einen Magnetfluss in der einen und die andere Hälfte in der anderen Richtung erzeugt und wobei ausserdem die Windungszahlen der Wicklungen in jeder Gruppe so abgestuft sind, dass die Hüllkurve der erzeugten Magnetflüsse möglichst nahe sinusförmig werden.
Da man 12 Phasen in drei Gruppen von je vier untereinander um 900 verschobenen Phasen zusammenfassen kann, ist es in diesem Fall auch möglich, einen zweiphasigen Asynchronmotor zu verwenden. Die Fig. 5, in welcher die Ziffer 1, 4 und 5 die gleiche Bedeutung haben wie in allen übrigen Figuren, stellt eine sinngemässe Übertragung des Gedankens der Schaltung von Fig. 4 auf einen 12phasigen Gleichrichter mit zweiphasigem Lüftermotor dar. Die zeitliche Reihenfolge der um je 30 0 gegeneinander verschobenen Phasen sei, wie in Fig. 5 a veranschaulicht, gegeben durch U u Z z V v X x W w Y y.
Jeder der beiden Stromwandler 1 a und 1 b von Fig. 5 hat 12 Primärwicklungen, die in drei Gruppen mit kleiner, mittlerer und grosser Windungszahl eingeteilt sind, wobei jede Gruppe zur Hälfte in einen und zur Hälfte im entgegen- gesetzten Sinn vom Strom durchflossen wird.
In Fig. 5 bedeuten U u Z z V v X x W w Y y die an den Haupttransformator angeschlossenen Eingangsklemmen des Stromwandlersatzes und U'u' Z'z'V'v'X'x'W'w'Y'y'die an die Anoden angeschlossenen Ausgangsklemmen. Fig. 5 b stellt in Analogie zu Fig. 4 a die zeitliche Aufeinanderfolge der in den beiden Stromwandlern induzierten Magnetflüsse dar. Die Einhüllenden sind zwei um 900 gegeneinander verschobene
Sinuslinien.
Unter dem Einfluss der Kondensatoren 5 wird der von den Stromwandlern induzierte Motorstrom ebenfalls nahezu sinusförmig sein.
Zum Betrieb eines Dreiphasenmotors kann man auch mit zwei Stromwandlern auskommen, wenn man ihre Sekundärwicklungen als offenes V schaltet. In der Fig. 6 ist diese Schaltung dargestellt, wobei der Einfachheit halber nur die Sekundärwicklung der beiden Stromwandler 1 a und 1 b eingezeichnet sind ; die zugehörigen Primärwicklungen können je nach der Phasenzahl des Gleichrichters und je nach dem Bedürfnis nach Sinusförmigkeit des Motorstromes gemäss einer der Fig. 3-5 geschaltet sein.
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