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Gleichstromanlage für hohe Ströme von mindestens 10 000 Ampere Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichrichteranlage für hohe Ströme von mindestens 10000 Ampere, gewöhnlich über 20 000 Ampere und häufig sogar über 80 000 Ampere, und mit Spannungen in der Grössenordnung von 100 bis 500 Volt oder darüber aus einer Wechselstromquelle mit mehreren parallelgeschalteten Gleichrichtergruppen. Die Gleichrichteranlage ist insbesondere dazu bestimmt, Gleichstrom an eine Reihe von Alkalimetallchloridzellen zu liefern, die zur Erzeugung von Chlor und Ätznatron verwendet werden, oder an eine Reihe von Elektrolysezellen, die zur Erzeugung von Aluminium- oder Magnesiummetall durch Elektrolyse eines geschmolzenen Bades von Aluminium- oder Magnesiumsalzen dienen.
Bei der Durchführung verschiedener chemischer Reaktionen, wie bei der Herstellung von Chlor und Ätznatron mittels Elektrolyse von Natriumchlorid, wird eine Reihe Elektrolysezellen hintereinander geschaltet und von einer Gleichstromquelle gespeist. Diese Zellen arbeiten bei verhältnismässig niederer Spannung (gewöhnlich unter 10 Volt). In den vergangenen Jahren wurden sie so weit entwickelt, dass sie bei sehr hohen Stromstärken, normalerweise bei 10 - 20000 Ampere oder mehr, arbeiten können. Hiezu wurde der Strom solchen Zellen durch Gleichrichtung von Wechselstrom mittels mechanischer oder Quecksilbergleichrichter zugeführt. Der hohe innere Widerstand solcher Gleichrichter kann zu beträchtlichen Leistungsverlusten führen.
Die Anwendung von Halbleitergleichrichtern wie Germanium- und Siliziumgleichrichterdioden ist auf Grund des ungewöhnlich niedrigen Widerstandes und des hohen Wirkungsgrades derartiger Gleichrichter besonders wünschenswert. Jedoch können einzelne Dioden nur einen kleinen Strombetrag in der Grö- ssenordnung von etwa 50 bis 500 Ampere liefern. Daher erwies es sich als notwendig, eine grosse Anzahl solcher Dioden in Parallelschaltung zur Deckung des hohen Strombedarfes und in Serienschaltung für höhere Spannungsbeträge zu verwenden. Die hier betrachteten Gleichrichtersysteme enthalten zumindest 100 Gleichrichterdioden, die auf solche Weise verbunden sind ; sie können über 5000 solcher Dioden 00. ähnl.
Einheiten aufweisen.
Eines der in einem solchen Fall auftretenden Probleme ist jedoch der ungewöhnlich niedrige innere Widerstand von Germanium- u. ähnl. Dioden. Unvermeidlich variieren die verschiedenen zusammengekoppelten Gleichrichterdioden, in der Grösse ihres inneren Widerstandes. Die Schwankung, ausgedrückt in dem inneren Spannungsabfall von Diode zu Diode, liegt unter plus oder minus 0,25 Volt, gewöhnlich plus oder minus etwa 0, 05 Volt. Folglich führen bei Parallelschaltung diejenigen Gleichrichter, die wesentlich niedrigere Widerstände als die andern aufweisen, einen unverhältnismässig grösseren Anteil des Laststromes und können infolge der Überlastung und des daraus sich ergebenden Ausfalles unwirksam werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die aufgezeigten Schwierigkeiten dadurch vermieden, dass zwecks Ausgleich der Fabrikationsstreuung in der Herstellung der Gleichrichterelemente, deren innerer Widerstand kleiner als 0, 02 Ohm ist, in jede Gleichrichtergruppe kleine, nach Grösse und Richtung verschieden einstellbare Zusatzwechselspannungsquellen angeordnet sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung.
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Gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung findet ein System Anwendung, das eine verhältnismässig grosse Anzahl gegenseitig abgeglichener Wechselstrom ausgänge aufweist, von denen jeder dazu verwendet wird, einen einzigen Gleichrichterkeis zu speisen. Der Gleichrichterkreis kann aus einer einzigen Diode oder einem Brückenkreis bestehen, der eine Mehrzahl von Dioden in Reihenschaltung oder eine Mehrzahl solcher Bruckenkreise in Parallelschaltung besitzt. Alle diese Gleichrichterkreise speisen die gemeinsame Last.
Wenn alle Wechselstromausgänge auf gleichem Potential gehalten werden, würde jeder von ihnen gespeiste Gleichrichterkreis gezwungen, einen weitgehend gleichen Anteil des Laststromes zu tragen. Solch eine Anzahl von Wechselstromausgängen wird in dem vorliegenden System mit zufriedenstellenden Spannungen von einer Mehrzahl von Transformatoren oder einer Mehrzahl von Wicklungen auf demselben Transformator erhalten. Es ist jedoch nicht möglich, mit gewöhnlichen Transformatoren allein einen hohen Grad an Gleichheit der Ausgangsspannung zu erreichen, ohne zu einer besonders teueren Fertigung überzugehen. Die induzierten Spannungen werden von Wicklung zu Wicklung etwas variieren und darüber hinaus werden bei solchen Strömen die Unterschiede in der inneren Transformatorimpedanz, gesehen von der Last aus, besonders bedeutend werden.
Gewöhnliche Transformatoren stimmen in den Impedanzen in- nerhalb 71/2 % überein, wenn sie in gleicher mechanischer und elektrischer Ausführung hergestellt wer- den. Ist ein Transformator mit einer Anzahl von Sekundärwicklungen bewickelt, ist es noch schwierig, die Impedanzen der Sekundärwicklungen innerhalb 5 % anzupassen, ohne besondere Herstellungskosten auf sich zu nehmen. Des weiteren wird, falls die Sekundärwicklungen Gleichrichter mit etwas nicht vor- aussehbaren Eigenschaften mit genau gleichen Strömen speisen sollen, die Herstellungsgenauigkeit der vorerwähnten Transformatoren nicht das gewünschte Ergebnis liefern.
Wenn eine Mehrzahl von Transformatoren verwendet wird, um die Wechselstromleistung für die Gleichrichtung zu liefern, kann die Schwankung von Transformator zu Transformator durch die Schaffung einer Mehrzahl von Abgriffen der Primär-oder Sekundärwicklung berücksichtigt werden, so dass die Ausgangsspannung des Transformators in Abhängigkeit von den Spannungen zwischen den Abgriffen verschieden gross sein kann. Durch die Schaffung einer Anzahl von Abgriffen, zwischen denen verhältnismässig kleine Spannungen liegen, ist es möglich, alle Transformatoren mit genau gleicher Ausgangsspannung zu koppeln, indem für jeden Transformator einfach die richtigen Abgriffe ausgewählt werden.
In jedem Fall, ob eine oder mehrere Sekundärwicklungen verwendet werden, ist nach der vorliegenden Erfindung eine elektromotorische Ausgleichskraft in Reihe. mit jeder parallelen Gleichrichterbrükke vorgesehen, um die Schwankung im inneren Gleichrichterwiderstand von einer Diode zur andern oder von einer Reihe von Dioden zu einer andern Reihe zu kompensieren.
Das elektromotorische Ausgleichssystem wird mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, die eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. bei der ein Spartransformator mit dem Ausgang einer Wechselstromquelle verbunden ist und verschiedene Abgriffe aufweist, um Gleichrichterkreise zu speisen.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Dreiphasenwechselstromtransformator 130 mit einer Primärwick lung 110 und einer Sekundärwicklung 112 vorgesehen. Die Primärwicklung ist in diesem Falle in Drei- eckschaltung und die Sekundärwicklung in Sternschaltung veranschaulicht, jedoch kann jede Anordnung von Dreiphasenwicklungen verwendet werden, die an Klemmen 152, 154 und 156 die gewünschte Ausgangsspannung abgibt. An diese Klemmen ist ein mit Abgriffen versehener Dreiphasentransformator 136 angeschlossen, der sowohl abwärts als auch aufwärts transformierte Spannungen liefert. Das Auf- und Ab- wärtstransformieren wird durch geeignete Anordnung der Eingangsklemmen 158, 160 und 162 zwischen dem Sternpunkt 155 erreicht.
Die veranschaulichten und bezifferten Abgriffe auf dem Spartransformator sind stellvertretend für jede Anzahl von Auswahlabgriffen, die sich auf den Spartransformatorwicklungen befinden, so dass gewünschte Spannungen erhältlich sind. Es ist ein Dreiphasengleichrichterkreis mit Dioden 42 veranschaulicht, der mit Abgriffen la, lb und 1c auf dem Spartransformator verbunden ist. Ein weiterer Gleichrich-
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wendete Anzahl von Gleichrichterkreisen ist lediglich stellvertretend für die weit grössere Anzahl, die verwendet werden kann.
Beim Betrieb der veranschaulichten Anordnung werden gewünschte Wechselstromspannungen den aus Dioden 42 aufgebauten Gleichrichterkreisen zugeführt, wobei eine Anzahl einzelner Dioden in Serie geschaltet sein können ; die exakten aufgebrachten Spannungen werden durch die Einstellungen der wahl-
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weisen Abgriffe la-li einschliesslich bestimmt, welche zu den von den Klemmen 152,154 und 156 ge- lieferten Spannungen addiert oder von ihnen abgezogen werden. Somit können Dioden oder Diodenreihen mit einem niedrigen Durchlasswiderstand entsprechend mit einer niedrigeren Eingangsspannung gespeist werden als Dioden mit einem höheren Durchlasswiderstand.
Die Spartransformatorabgriffe können derart angeordnet sein, dass alle Dioden oder Diodenreihen 42 im wesentlichen den gleichen Anteil des Last- stromes tragen.
Der Einfachheit halber ist nur eine Diode in einem einzigen Kreis gezeigt. Im allgemeinen ist je- doch eine Mehrzahl solcher Dioden in Serie geschaltet, um Gleichstrom mit einer Spannung von einigen hundert Volt zu erhalten. Ferner ist in dem üblichen System eine Mehrzahl von Diodenreihen mit jeder
Klemme 152,154 und 156 gekoppelt, wobei die verschiedenen Reihen parallelgeschaltet sind. Jede dieser Reihen ist mit einer elektromotorischen Kraft in Reihe geschaltet, die zu der aufgedrückten Spannung etwas hinzufügt oder abzieht, um die Schwankungen im inneren Durchlasswiderstand der Dioden oder der
Brücke einer Reihe solcher Dioden von Diode zu Diode oder von Brücke zu Brücke zu kompensieren.
Die Grösse einer solchen elektromotorischen Kraft ist pro Diode klein und überschreitet 0,3 Volt pro Diode kaum ; sie liegt gewöhnlich in der Grössenordnung von etwa 0,05 Volt. Wo Brücken mit Mehrzahlen von Dioden verwendet werden, hängt die erforderliche elektromotorische Kraft natürlich von der vektoriellen Summe der Schwankungen der verschiedenen Dioden in der Brücke ab und kann sehr klein oder sehr gross sein.
Ein spezielles Beispiel macht diese Ausführungsform der Erfindung noch klarer.
Eine typische Anlage soll elektrische Gleichstromleistung bei 45 000 Ampere und 250 Volt liefern.
Mit 150 -Ampere -Gleichrichterdioden liefert jede Dreiphasenbrücke einen Ausgangsstrom von 450 Ampere.
Auf diese Weise sind 100 parallelgeschaltete Brücken erforderlich. von denen jede für 450 Ampere bemessen ist, um einen Gesamtausgang von 45 000 Ampere zu erhalten.
Diese 45000 Ampere erfordern bei 250 Volt Ausgangsspannung oder 11250 kW eine Wechselstromeingangsleistung von 11250 kW plus Verluste. Diese Verluste werden der Einfachheit halber vernachlässigt. Die erforderliche Wechselstromeingangsspannung beträgt etwa 190 Volt Dreiphasenspannung, um 250 Volt Gleichspannung zu liefern.
Jede Brücke erfordert 112, 5 kW Wechselstromeingangsleistung bei 190 Volt Dreiphasenspannung oder 342 Ampere Wechselstrom. Die 100 Brücken erfordern einen Eingangswechselstrom von 34200 Ampere.
Gewöhnliche handelsübliche Germaniumdioden halten heutzutage einer Spitzensperrspannung von 90 Volt stand. In diesem Beispiel sind für 250 Volt Gleichstromausgangsspannung pro Brückenarmkreis fünf Dioden in Serie geschaltet. Auf diese Weise werden für eine Sechselementbrücke, wie veranschaulicht, 30 Dioden erforderlich.
Der Speisewechselstrom für diese 100 Brücken könnte geliefert werden durch :
A) 100 Transformatoren, von denen jeder 342 Ampere Wechselstrom bei 190 Volt liefert,
B) 10 Transformatoren, von denen jeder 3420 Ampere Wechselstrom bei 190 Volt liefert,
C) 1 Transformator, der 34200 Ampere Wechselstrom bei 190 Volt liefert.
Wenn zehn Transformatoren verwendet werden, so werden zehn Gleichrichterbrückenkreise von einer Transformatorwicklung mit Leistung versorgt.
Germaniumgleichrichterdioden mit hohem Wirkungsgrad besitzen innere Spannungsabfälle in der Grössenordnung von 0,42 bis 0,54 Volt. Zusätzlich kann die Leiterlänge und der Widerstand der Verbindungen ungleich sein. Bei den zehn parallelen Kreisen würde sorgfältige Auswahl von Dioden gleichen inneren Widerstandes das Parallelschalten und somit gleiche Lastverteilung erlauben. Jedoch kann sorg- fältigesAnpassen vonDioden mit gleichem inneren Widerstand weder die Schwankungen der Verbindungsleitungslängen kompensieren, noch ist das Problem vom Gesichtspunkt der Wartung aus gelöst, wenn ein Austausch vorgenommen werden muss, da ein Lager von Ersatzdioden verfügbar sein muss, um einen Ersatz mit einer Diode genauen inneren Widerstandes zu ermöglichen.
In jedem Dreiphasentransformator ist die Summe der Wechselströme gleich Null. Jedoch kann eine Phase etwas mehr Lastgleichstrom von den Gleichrichtern her führen. Diese Unausgeglichenheit kann zu einem Restgleichstrom in dem Ausgleichsspartransformator führen. Um jede Gleichstromsättigung des Ausgleichsspartransformators auf ein Mindestmass zu bringen, ist in dem Eisenkreis ein Luftspalt (1, 27 mm breit) vorgesehen.
Experimente zeigten, dass bei gegenwärtig handelsüblichen Dioden ohne Ausgleichsvorrichtung der Stromfluss in den zehn parallelen Dioden näherungsweise ungefähr 40 % zwischen hohem und niedrigem Strom variiert.
Dieser Ausgleichstransformator besitzt kleine elektrische und physikalische Dimensionierungen, d. h.
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etwa 3000 Ampere bei 0, 14 Volt gleich 420 Voltampere, jedoch ist nur eine verminderte Amperekapazi- tät an den Endabgriffen erforderlich. Somit kann der Transformator etwa vom 0,2 kVA-Typ und verhält- nismässig billig sein, insbesondere, da für den einen 1125 kVA Dreiphasen-Gleichrichter-Krafttransfor- mator drei 0,2 kVA Transformatoren erforderlich sind. Das nicht ausgeglichene Potential in den zehn parallelen KreHen ist auf diese Weise klein und es ist nicht zweckmässig, 100 Krafttransformatoren für diese Anlagenart vorzusehen.
Ein Ausgleich zwischen den zehn 1125 kVA Krafttransformatoren ist wegen ihrer ungleichen Impe- danz erforderlich. Es können z. B. 61/4 % Abgriffe auf der Primärwicklung dieser zehn Krafttransformatoren vorgesehen sein, um eine Einstellung derart zu gestatten, dass jeder dieser zehn Krafttransformatoren gleiche Last aufnimmt.
Während im veranschaulichten Ausführungsbeispiel ein Spartransformator dazu dient, das erwünschte Ausgleichspotential zu liefern, können auch andere Mittel zur Lieferung eines solchen Potentials im Rah- men der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein. So kann an Stelle eines Spartransformators ein Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen verwendet werden, der unabhängig vom Transformator 130 gespeist wird. In einem solchen Falle sind mehrere Abgriffe von der Sekundärwicklung vorgesehen, um die erforderliche kleine elektromotorische Ausgleichskraft zu liefern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gleichrichteranlage für hohe Ströme von mindestens 10000 Ampere mit mehreren parallelgeschalteten Gleichrichtergruppen, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Ausgleich der Fabrikationsstreuung in der Herstellung der Gleichrichterelemente, deren innerer Widerstand kleiner als 0,02 Ohm ist, in jeder Gleichrichtergruppe kleine, nach Grösse und Richtung verschieden einstellbare Zusatzwechselspannungsquellen angeordnet sind.