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Gittersteuerung für Stromrichter
Der Kommutiervorgang bei Stromrichtern kann mit Rücksicht auf die Durchführbarkeit in zwei Hauptarten eingeteilt werden. Bei der einen, die beispielsweise die freiwillige Kommutierung eines Gleichrichters und die zweite Stufe einer mittels eines Kondensators erzwungenen Kommutierung einschliesst, steigt die für die Kommutierung verfügbare Spannung während des ganzen Vorganges, weshalb die Durchführung der Kommutierung immer gesichert ist.
Bei der andern Art, die beispielsweise bei Wechselrichtern mit verhältnismässig hoher Aussteuerung und in der ersten Stufe einer mittels eines Kondensators erzwungenen Kommutierung auftritt, sinkt die für die Kommutierung verfügbare Spannung wenigstens während des Hauptteils der Kommutierungszeit, weshalb immer eine gewisse Gefahr besteht, dass die Kommutierung nicht abgeschlossen ist, bevor es zu spät wird.. Die für die Kommutierung verfügbare Spannung ist beispielsweise bei der Kommutierung zwischen zwei Anoden mit gemeinsamer Kathode gleich der Spannung zwischen den Anoden. Allgemein kann sie, wenigstens unmittelbar vor dem Beginn der Kommutierung, praktisch gleich der Spannung über der antretenden Ventilstrecke gesetzt werden, da die Spannung über der abtretenden vernachlässigbar ist.
(Während des Kommutiervorganges selbst wird die Spannung dagegen im wesentlichen in den Blindwiderständen des Kommutierungskreises verbraucht.)
Die Gefahr einer nicht rechtzeitig abgeschlossenen Kommutierung tritt besonders bei Unregelmässigkeiten des Betriebes ein, beispielsweise bei Überströmen, die eine erhöhte Kommutierungsspannung bedingen, oder bei zufälligen Änderungen der Form der Spannungskurve, die die Kommutierungsspannung herabsetzen können. Eine unvollendete oder zu spät abgeschlossene Kommutierung ist besonders gefährlich bei Wechselrichtern, wo die Folgen derselben praktisch mit einem Kurzschluss gleichwertig sind.
Erfindungsgemäss macht man sich von solchen Zufälligkeiten die einen rechtzeitigen Abschluss der Kommatierung verhindern würden, dadurch unabhängig, dass das Gitterpotential der antretenden, den Strom übernehmenden Ventilstrecke, welches den Zeitpunkt des Beginns der Kommutierung bestimmt, aus einer Spannung des Hauptkreises derart abgeleitet wird, dass es den augenblicklichen Schwankungen dieser Spannung zu jenem Zeitpunkt folgt. In die Spannung kann als Hauptkomponente vorzugsweise die Spannung über der antretenden Ventilstrecke vor der Kommutierung eingehen.
In vielen Fällen kann es zweckmässig sein, das Gitterpotential auch von der Zeitableitung der letztgenannten Spannung abhängig zu machen, beispielsweise entweder so, dass die Zeitableitung negativ und die Spannung gleichzeitig niedriger als ein gewisser Wert sein muss, um die Zündung zu bewirken, oder so, dass die Zündung vom Quotient zwischen der Spannung und ihrer Zeitableitung abhängt, welcher Quoticnt bei geradlinig abnehmender Spannung gleich der für die Kommutierung nebst Entionisierung und Sperrung der abtretenden Ventilstrecke verfügbaren Zeit ist.
Eine gemäss der Erfindung ausgeführte Gittersteuerung bietet in vielen Fällen andere Vorteile als das Unabhängigmachen der Kommutierung von zufälligen Schwankungen der Spannungskurve. Dies gilt besonders für hochgespannte Stromrichter, wo verhältnismässig teuere Übertragungskanäle zwischen der gewöhnlich nahe dem Erdpotential arbeitenden, mehr oder weniger automatisierten Ausrüstung für die betriebsmässige Gittersteueru lg und den Steuergitter selbst mit ihrem näheren Zubehör im allgemeinen erforderlich sind.
Bei der Herleitung der Gittersteuerung gemäss der Erfindung kann man in den meisten
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Fällen die Zahl derartiger Übertragungskanäle bedeutend herabsetzen, beispielsweise auf einen einzigen für die Übertragung einer geeigneten Vergleichsgrösse, durch deren Einstellung man jede erforderliche Betriebsregelung bewirkt, wie aus der folgenden Beschreibung der Einzelheiten näher hervorgeht.
. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Spannungsdiagramm eines Wechselrichters, während Fig. 2-6 schaubildlich verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
In Fig. 1 bedeuten die Kurven I, II, III die Spannungen beispielsweise der Anoden dreier dreiphasig arbeitender Ventilstrecken in bezug auf einen Nullpunkt, wenn die Kathoden miteinander verbunden sind, was der Einfachheit halber im folgenden vorausgesetzt wird: Die stärker ausgezogenen Teile der Kurven entsprechen den Zeiträumen, wenn die betreffenden Ventilstrecken brennen und die Kathode also praktisch dasselbe Potential wie die betreffende Anode hat.
Wenn die Kommutierung beispielsweise von der Sirekke I zur Strecke II beginnen soll, bedeutet der Unterschied zwischen ihren Spannungskurven also auch die Spannung zwischen Anode und Kathode der Strecke II, die mit Rücksicht darauf, dass sie den Strom übernimmt, die antretende Ventilstreckc genannt wird, im Gegensatz zur Strecke I, die die abtretende heisst.
Die Kommutierung muss bekanntlich immer abgeschlossen und die Entionisierung und Sperrung der abtretenden Strecke vollzogen sein, bevor die Kurven sich schneiden, weshalb die Kommutierung durch die Entspenung der antretenden Strecke eine gewisse Zeit vor dem Schnittpunkt eingeleitet werden muss. Es ist auch wohlbekannt, dass ein gewisser Spannungsunterschied, d. h. eine gewisse Anfangsspannung über der antretenden Ventilstrecke, für die Kommutierung selbst, d. h. für die Überwindung der Kommutie- rungsreaktanzen, verbraucht wird, wie auch, dass sowohl diese Sparnung. wie die Entionisierungszeit strom- abhängig sind, weshalb es notwendig werden kann, auch den Zeitpunkt der Einleitung der Kommutierung stromabhängig zu machen.
Die Rücksichtnahme auf alle bis jetzt genannten Umstände ist, wie gesagt, schon lange bekanntund ganz einfach, solange die Spannungskurven ihre in Fig. 1 dargestellte regelmässige Form und eine feste Phasenlage erhalten. Es kann jedoch oft eintreffen, dass die Kurvenform oder die Phasenlage oder beide zufälligerweise in ungünstiger Richtung geändert werden, so dass man mit einem festen oder mit der Belastung verschiebbaren Zeitpunkt der Einleitung der Kommutierung diese nicht durchführen kann, entweder weil der Schnittpunkt vorverlegt wird oder weil die Spannung nicht hinreicht, um die Kommutierungsreaktanzen zu überwinden.
Um dieser Gefahr vorzubeugen, ist die Gittersteuerung, wie erwähnt, derart angeordnet, dass das Gitterpotential der antretenden Ventilstrecke derart aus einer die Kommutierung bedingendenspannung des Hautpureiscs hergeleitet wird, dass es den augenblicklichen Schwankungen dieser Spannung beim Zeitpunkt der Einleitung der Kommutierung folgt.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung zu diesem Zweck, u. zw. von der Art, die sich besonders für hochgespannte Stromrichter eignet. Die Figur zeigt nur eine der in den Stromrichter eingehenden Ventilstrecken mit Kathode 1, Gitter 2 und Anode 3 nebst der Schaltung für die Gittersteuerung. Letztere umfasst zwei Hilfsventil 4, 5 der Elektronenröhrentype, deren nur eine jeweils brennen kann und die dann das Gitter 2 abwechselnd positiv (wenn das Ventil 5 brennt) und negativ (wenn das Ventil 4 brennt) machen. Um das
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gende Vorrichtung verwendet : Zwischen Anode und Gitter des Hauptventils liegt ein hochohmiger Widerstand 13. Von dem dem Gitter am nächsten benachbarten Teil dieses Widerstandes wird eine Spannung abgegriffen, die entgegen der Spannung eines Transformators 16 dem Gitter einer Elektronenröhre 17 aufgedrückt wird.
Die Spannung des Transformators 16 kann im wesentlichen eine Grösse und Phase besitzen, die in Fig. 1 von der gestrichelten Kurve A in einem Massstabe vertreten wird, der sich zum Massstabe der Arbeitsspannung umgekehrt wie der Teil des Widerstandes 13, von dem die Spannung abgegriffen wird, zum ganzen Widerstand verhält. In dem Augenblick a, wenn die Kommutierung beginnen soll, nimmt die Spannung des Transformators den gleichen Wert wie die am Widerstand 13 abgegriffene Spannung an, und die Elektronenröhre 17 wird dann gelöscht, wodurch ein Löschimpuls durch den Transformator 10 an die Röhre 4 gegeben wird. Wie bereits gesagt, bedeutet dies, dass das Gitter 2 des Hauptventils positive Spannung erhält und dieses Ventil also zündet.
Der Vorteil der Verwendung von Löschimpulsen in den Elektronenröhren 17 und 4 zu diesem Zweck ist, dass diese Röhren infolge der unvermeidlichen Induktanz der Kreise schneller auf Lösch- als auf Zündimpulse ansprechen.
Der Grund, weshalb die Gegenspannung auf das Gitter der Elektronenröhre 17 sinusförmig anstatt konstant ist, ist teils, dass man die Möglichkeit haben will, das Ventil II (Fig. 1) als eine Notmassnahme bei einem früheren Zeitpunkt b zu zünden, falls die nächst vorhergehende Kommutierung misslungen war, um hiedurch einen allzu grossen Überstrom zu verhindern, teils, dass man eine Zündung zu jedem andern
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Zeitpunkt verhindern will. Falls die vorhergehende Kommutierung misslungen ist, herrscht im Augenblick b über dem Ventil II die Spannung E, entsprechend dem Unterschied zwischen den Kurven In und n.
In demselben Augenblick sinkt diese Spannung unterhalb des von der Kurve A vertretenen Wertes. Das Ventil II wird dann im passenden Augenblick gezündet, um teils eine ge-raume Zeit für die Kommutierung des erhöhten Stro. nes zu bieten, teils, bei Zweiwegschaltung, diese Kommutierung durchzuführen, bevor die Kommutierung der gegenüberstehenden Ventilstrecke beginnt, wodurch die gleichzeitige Kommutierung des zweifachen Stromes verhindert wird, schliesslich teils um vorzubeugen, dass die diesen Strom hervortreibende Anzahl von Voltsekunden übermässig gross wird. Folgt man dem Verlauf der Spannungkurven, so findet man ferner, dass eine Zündung normal nur im Augenblick a und im Falle einer ausgebliebenen Kommutierung nur im Augenblick b stattfinden kann.
Die Herleitung der auf das Gitter der Elektronenröhre 17 aufgedrückten Gegenspannung in der beschriebenen Weise hat jedoch den Nachteil, dass besondere Massnahmen notwendig werden können, um zu verhindern, dass bei einer Deformation oder plötzlichen Phasenänderung der Kurve der Arbeitsspannung diese Störungen auch auf die Kurve A einwirken, wodurch die Gittersteuerung ihren Zweck im wesentlichen verfehlen würde. Um diesen Nachteil zu beseitigen, kann man die sinusähnliche Spannungskurve A durch eine Kurve des Charakters der strichpunktierten Kurve B ersetzen. Diese Kurve kann, selbst falls ihre überlagerten Scheitel aus der Arbeitsspannung hergeleitet werden, von etwaigen Störungen dieser Spannung praktisch unabhängig gemacht werden.
Gleichzeitig wird jedoch mit Rücksicht darauf, dass die von der Kurve B vertretene Vergleichsspannung niemals negativ werden kann, die Aufstellung einer wei-
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die nur das Gerät zur Auslösung des primären Zündimpulse darstellt, während die Gittersteuerung im übrigen nach Fig. 2 oder in beliebiger anderer Weise ausgeführt sein kann.
13 bezeichnet in Fig. 3 wie in Fig. 2 einen hochohmigen Widerstand, der zwischen die Anode des
Hauptgefässes und einem Punkt nahe Kathodenpotential eingeschaltet werden soll. In Reihe mit diesem
Widerstand bei seinem Kathodenende liegt jedoch in Fig. 3 eine kleine Drosselspule 18. Der Punkt zwi- schen dem Widerstand und der Drosselspule ist über ein Ventil 19 mit einem Punkt 20 verbunden, der seinerseits, gegebenenfalls über eine Vorspannungsquelle, mit einem Steuergitter verbunden ist, das z. B. dem Gitter der Elektronenröhre 17 der Fig. 2 entspricht. Das Ventil 19 lässt einen Strom nur in der Richtung zum Punkt 20 hindurch.
Letztgenannter Punkt ist auch über einen Widerstand 21 mit dem unteren, der Hauptkathode zugewandten Ende der Drosselspule 18, welches Ende als Nullpunkt betrachtet wird, und über einen andern Widerstand 22 mit einem Punkt mit Minuspotential verbunden. Durch ein Ventil 23, das einen Strom nur in der Richtung zum Punkt 20 hindurchlässt, ist letzterer Punkt mit dem Punkt 24 verbunden, der den Minuspol einer Spannungsquelle darstellt, die die Spannungskurve B der Fig. l lie- fert. Diese Spannungsquelle besteht aus einer Gleichspannungsquelle 25 in Reihe mit einer Sekundärwicklung eines Transformators 26 und einem Ventil 27, das nur die eine Wechselstromhalbwelle durchlässt, während die andere eine zweite Sekundärwicklung mit im entgegengesetzten Sinne gerichteten Ventil durchfliesst.
Parallel zur Summe der beidenspanrungsquellen liegt ein spannungsabhängiger Widerstand, beispielsweise in der Gestalt einer Glimmlampe 28, die jede Summenspannung oberhalb einer gewissen Höhe abschneidet, so dass man eine Gesamtspannungskurve der von der Kurve B in Fig. 1 vertretenen Art bekommt. Der Unterschied zwischen der vom Widerstand 13 abgegriffenenspannung und der eben genannten Spannung nach der Kurve B erscheint im Punkt 24, der gegenüber dem Nullpunkt negativ wird, wenn die Kommutierung eingeleitet werden soll. Damit der Punkt 20 negativ wird, ist es jedoch auch erforderlich, dass das obere Ende der Drosselspule 18 negativ wird, was eintritt, sobald die Zeitableitung des Stromes im Widerstand 13, also der Spannung über diesem Widerstand, negativ wird.
Falls diese beiden Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind, kann kein Strom die Ventile 19, 23 durchfliessen, weshalb diese sperren und das Potential des Punktes 20 durch seine Lage zwischen dem Nullpunkt und dem Minusende des Widerstandes 22 bestimmt wird.
Die Gleichspannungsquelle 25, die zweckmässig aus einem Gleichrichter mit Konstantspannungsgerät undGlättungsmitteln besteht, und die Wechselstromquelle 26 können vorzugsweise beide einstellbar sein.
Zur Erleichterung einer Einstellung von aussen besonders bei hochgespannten Stromrichtern, wo eine solche Umstellung über hochgespannte Isoliertransformatoren oder andere verhältnismässig komplizierte Übertragungsgeräte (-kanäle) erfolgen muss, kann es jeweils zweckmässiger sein, eine Schaltung nach Fig. 4 zu verwenden. Diese Zeichnung, die dem linken Teil der Fig. 3 entspricht, hat mit letzterer den spannungabhängigen Widerstand 28 zwn Abschneiden der Wellenscheitel der Spannungskurve gemeinsam. An die Enden dieses Widerstandes sind eine Wechselspannungsquelle 26 und eine Gleichspannungsquelle 25 über
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