Einrichtung zur Terbesserung des Leistungsfaktors in Gleich- und Wechselrichteranlagen mit gittergesteuerten Edelgas- oder lVIetalldampfentladungsgefässen. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsfaktors in Gleich- und Wechselrichteranlagen mit Edel gas- oder Metalldampfentladungsgefässen, die zur Leistungsregelung mit Steuerelektroden versehen und an ein- oder mehrphasige Wechselstromnetze über Transformatoren in Einphasen-Einweg-, Einphasen-Doppelweg- oder mehrphasiger Schaltung angeschlossen sind.
Gittergesteuerte Edelgas- oder Metall dampfgleichrichter gestatten eine praktisch verlustlose Regelung der gleichgerichteten Spannung, wenn der Zündzeitpunkt der po sitiven Anodenspannungshalbwelle mit Hilfe der Gitter verzögert wird. Sie verursachen phasenverschobene Ströme im speisenden Wechselstromnetz, so dass der Leistungs faktor um so kleiner wird, je mehr sich die geregelte Spannung dem Nullpunkt nähert.
Wie gross die verbrauchte Blindleistung ist, geht aus der in der Zeichnung dargestellten Fig. 1 hervor, in der als Abszisse die Gleich spannung EGi in Prozenten ihres Höchst wertes und als Ordinate die Wirk- und Blindleistungen Nw und Nn bei konstanter Gleichstromabgabe ebenfalls -in Prozenten ihres Höchstwertes aufgetragen sind. Die sehr beträchtliche Blindleistung muss in man chen Fällen von besonderen Blindstrom erzeugern, zum Beispiel Kondensatoren, auf gebracht werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Nachteil praktisch beseitigt, wenn die Sternpunkte des die normalen Anoden spei senden Wicklungssystems, zum Beispiel der die Anoden speisenden Transformatorwick- lung, an besondere Sternpunktanoden ange schlossen sind. Die Sternpunktanoden sind vorteilhaft im Gleichrichter selbst anzuord- nen, weil sie sich in der Stromführung mit den andern Anoden abwechseln. In bereits vorhandenen Anlagen würde ein Umbau der Gleiehrichtergefässe Unkosten verursachen.
In diesem Falle kann man die Sternpunkt anoden auch in parallel zum Gleichrichter ar beitenden Entladungsröhren unterbringen.
Es sei .darauf hingewiesen, dass die Sternpunktanode auch an den Sternpunkt einer Saugdrosselspule, eines Zwischentrans formators oder dergleichen angeschlossen werden kann.
Die Wirkungsweise der neuen Einrich tung wird in der Zeichnung an zwei Beispie len näher erläutert. In Fig. 2 stellen die Kurven 1 und 2 die vom Transformator ge lieferten Spannungen zu den Hauptanoden eines Einphasen- (Zweiweg)- Gleichrichters, bezogen auf den Sternpunkt (Mittelpunkt) der Transformatorwicklung dar (vergleiche auch Fig. 3). Durch Anlegen positiver Span nungen an die Gitter mögen die Hauptanoden in den Zeitpunkten Z,. und ZZ gezündet wer den.
Vom Punkt Z, ab führt die Anode 1 den Gleichstrom, den man durch Induktivi- täten im Gleichstromkreis einigermassen ge.- glättet, zumindest als stetig fliessend, an nehmen kann. Die Anode behält den Strom bis zum Löschpunkt L,, der mit dem Zünd punkt Z2 zeitlich übereinstimmt. Es sind hier zwei Spannungsbereiche zu unterscheiden: Ein senkrecht schraffiertes Gebiet treibender Spannung und ein wagrecht schraffiertes Ge biet bremsender Spannung.
Die nutzbare GleichrieAterspannung ist proportional der Differenz beider Flächen. Die im Negativen liegende Fläche bedeutet zurückfliessende Leistung von erheblichem Betrag und ist im Falle der Abgabe geregelter Gleichstrom leistung an sich ganz nutzlos, ja als Blind leistung sogar recht nachteilig.
Die erfindungsgemäss eingeführte Stern punktanode, etwa in der Schaltung der Fig. 3, wird nun immer dann in Tätigkeit treten können, wenn ihre auf die Kathode bezogene Spannung positiver wird als die Spannung der gerade brennenden Hauptanode (1). Dies tritt im Punkte Zo der Fig. 2 ein.
Hier über- nimmt die Sternpunktanode den gesamten Strom, welcher sonst infolge der Speicher wirkung des Glättungsmittels (Induktivität) trotz negativer Transformatorspannung bis zum Zeitpunkt Z2 weiterhin über Anode 1 fliessen würde. Die Anode 1 erlischt daher bereits im Zeitpunkt Z,. Die Zündung der folgenden Anode 2 wird dadurch in keiner Weise beeinträchtigt, sie übernimmt im Zündzeitpunkt Z, ohne weiteres den Strom, so dass die Sternpunktanode im Löschpunkt L" stromlos wird.
Die Stromübergänge erfordern natürlich eine gewisse Zeit (Kommutierungs- zeit), die wegen ihrer Kleinheit vernachläs sigt werden kann. Der Vorteil .dieser Wir kungsweise liegt darin, dass die Energierück gabe vermieden wird und die Blindleistung infolgedessen erheblich herabgesetzt wird. In F'ig. 1 ist die resultierende Blindleistung bei Betrieb mit Sternpunktanode als Kurve 1V$. eingezeichnet. Die Blindleistung wird also im Mittel auf den halben Betrag herab gesetzt, wenn ein Einphasengleichrichter mit Sternpunktanode ausgeführt wird.
In Mehr phasenschaltungen ist der Vorteil nicht ganz so gross, kann aber trotzdem noch entschei dend ins Gewicht fallen, wenn die Regelung vorwiegend im Gebiet sehr kleiner Gleich stromspannung erforderlich ist, wie zum Bei spiel beim Anfahren von Gleichstrommotoren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in-Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt einen zweiarmigen, gesteuerten Gasgleich richter 3. Die an den sekundären Sternpunkt des Transformators 7 anzuschliessende Stern punktanode 4 ist in ein gas- oder dampf gefülltes Glühkathodenrohr 5 verlegt. Wenn dieses, wie in der Figur angedeutet, eben falls ein Steuergitter 6 besitzt, so ist das Gitter entweder dauernd oder mindestens zur Zeit Z" (Fig. 2) an positive Zündspannung zu legen.
Fig. 4 veranschaulicht einen Sechsphasengleichrichter 8 mit einer Saug drossel 9. Hier sind die beiden dreiphasigen Sternpunkte 10 und 11 an je eine zusätzlich angebrachte Anode 12 und 13 angeschlossen.
Auch im Falle der Energierückgabe durch den Gleichrichter in das Wechselstromnetz oder allgemein bei der Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom lässt sich eine Blindstromersparnis mit den Sternpunkt ttnoden erzielen. Hier ist der Blindstrom verbrauch um so höher, je kleiner die zu geführte Gleichspannung im Vergleich zu der Eigenspannung des Gleichrichters ist. Die Energierückgabe ist gekennzeichnet durch verspätetes Zünden der Anodenspannungen. so dass die im Negativen liegende, wagrecht schraffierte Fläche (Fig. 2) grösser als die im Positiven liegende, senkrecht schraffierte Fläche wird.
Man wird dann zur Vermeidung der Blindleistung die positive Fläche ganz klein zu machen trachten, indem die Zün dung der Hauptanode kurz vor dem Null durchgang der Spannung vorgenommen wird. Die gezündete Anode brennt dann so lange, bis ihr der Strom durch die zu einer be liebigen Zeit gezündete Sternpunktanode ab genommen wird, die ihn ihrerseits wieder an die folgende Hauptanode abgibt. Hier wird also die .Sternpunktanode nicht im Zeitpunkt Z", sondern in. einem späteren Zeitpunkt ge zündet. Dadurch kann die im Negativen liegende Fläche beliebig gross -werden, wäh rend die positive Fläche dauernd klein bleibt, so dass die Leistungsrückgabe mit einem Min destmass an Blindverbrauch gesteuert werden kann.
Ist die Gleichstromspannung entweder bei Leistungsabgabe oder bei Leistungsrückgabe bereits sehr von Null verschieden, so wird die Teilnahme der Sternpunktanoden an der Stromführung naturgemäss geringer werden. Bei mehrphasigen Gleichrichtern wird die Teilnahme unter Umständen ganz aufhören, zum Beispiel beim einfachen Sechsphasen- g@eichrichter schon bei halber Normalspan nung des Gleichrichters. Dann ist der Stern punkt desselben dauernd negativ gegenüber der Kathode und könnte unter Umständen auch Rückzündungsströme führen.
Daher ist es zweckmässig, die ausser Betrieb kommen den Sternpunktanoden, soweit sie mit Steuer gittern versehen sind, selbsttätig durch dauernde negative Gitterspannungen zu sper ren. Die Festlegung bezw. Veränderung der Phasenlagen der Zündzeitpunkte kann in üblicher Weise durch Phasenänderung einer Gitterwechselspannung oder durch Bürsten bewegung eines Kontaktapparates oder an dere entsprechend wirkende Steuerverfahren erfolgen.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Einrichtung liegt darin, dass die Welligkeit der niederen Gleichrichterspannungen be trächtlich geringer ist als bei Steuergleich richtern ohne Sternpunktanoden. Beim Ein phasengleichrichter hat die abgegebene Gleichstromspannung nach Fig. 2 den Ver lauf Z,Z"L"Z2 mit Sternpunktanode und Z, Z@ L, L" Z-# ohne Sternpunktanode. Die Welligkeiten zeigen im ganzen einen ähn lichen Verlauf wie die Blindleistungen in Fig. 1..
Es ergibt sich daraus, dass die Glät- tungsdrossel im Gleichstromkreis wesentlich kleiner ausgelegt werden kann, und dass etwa gespeiste Gleichstrommotoren besser kommu tieren und weniger Kupferverluste aufweisen. Ausserdem werden durch die Sternpunkt anoden auch die Kupferverluste des Gleich richtertransformators erheblich geringer, weil deren Sekundärwicklungen zeitweise über haupt keinen Strom zu führen brauchen.
Die beschriebene Erfindung wird am besten dort Anwendung finden, wo sehr kleine Teilspannungen der Gleichrichter spannung geregelt werden müssen, also beim Anlassen motorischer Antriebe, insbesondere da, wo grosse Anlassströme abzugeben sind und Einphasenspeisung vorliegt, zum Bei spiel bei Gleichrichterlokomotiven. Hier wird die Gewichtsersparnis an Blindstromkonden- sataren und Glättungsdrosseln besonders vor teilhaft sein.
Device for improving the power factor in rectifier and inverter systems with grid-controlled noble gas or metal vapor discharge vessels. The invention relates to a device for improving the power factor in rectifier and inverter systems with noble gas or metal vapor discharge vessels, which are provided with control electrodes for power regulation and connected to single- or multi-phase AC networks via transformers in single-phase, single-path or multi-phase circuits are.
Grid-controlled noble gas or metal vapor rectifiers allow a practically lossless regulation of the rectified voltage if the ignition point of the positive anode voltage half-wave is delayed with the help of the grid. They cause out-of-phase currents in the AC supply system, so that the power factor becomes smaller the closer the regulated voltage approaches zero.
How large the consumed reactive power is, can be seen in Fig. 1 shown in the drawing, in which the direct voltage EGi as the abscissa as a percentage of its maximum value and as the ordinate the active and reactive powers Nw and Nn with constant direct current output also in percent their maximum value are plotted. In some cases, the very considerable reactive power has to be generated by special reactive current generators, for example capacitors.
The present invention practically eliminates this disadvantage if the star points of the winding system feeding the normal anodes, for example the transformer winding feeding the anodes, are connected to special star point anodes. It is advantageous to arrange the star point anodes in the rectifier itself, because they alternate with the other anodes in terms of current conduction. In existing systems, converting the leveling funnel vessels would cause costs.
In this case, the star point anodes can also be placed in discharge tubes that work parallel to the rectifier.
It should be noted that the star point anode can also be connected to the star point of a suction throttle coil, an intermediate transformer or the like.
The operation of the new device is explained in more detail in the drawing using two Beispie sources. In Fig. 2, curves 1 and 2 represent the voltages supplied by the transformer to the main anodes of a single-phase (two-way) rectifier, based on the neutral point (center point) of the transformer winding (see also Fig. 3). By applying positive voltages to the grid, the main anodes at times Z,. and ZZ ignited.
From point Z, on the anode 1 carries the direct current, which can be assumed to be somewhat smoothed by inductances in the direct current circuit, at least as continuously flowing. The anode maintains the current up to the extinguishing point L ,, which coincides in time with the ignition point Z2. A distinction must be made between two voltage areas: a vertically hatched area of driving voltage and a horizontally hatched area of braking voltage.
The usable rectifier voltage is proportional to the difference between the two areas. The negative area means a considerable amount of power flowing back and, in the case of regulated direct current power, is in itself completely useless, and even quite disadvantageous as reactive power.
The star point anode introduced according to the invention, for example in the circuit of FIG. 3, will now always be able to come into operation when its voltage related to the cathode becomes more positive than the voltage of the main anode (1) which is currently burning. This occurs at point Zo in FIG.
Here the star-point anode takes over the entire current which would otherwise continue to flow through anode 1 up to time Z2 due to the storage effect of the smoothing means (inductance) despite the negative transformer voltage. The anode 1 therefore already extinguishes at time Z 1. The ignition of the following anode 2 is not impaired in any way, it takes over the current at the ignition time Z, so that the star point anode is de-energized at the extinguishing point L ".
The current transitions naturally require a certain time (commutation time), which can be neglected due to its small size. The advantage of this way of working is that the energy return is avoided and the reactive power is significantly reduced as a result. In Fig. 1 is the resulting reactive power when operated with a star point anode as curve 1V $. drawn. The reactive power is therefore reduced to half the amount on average if a single-phase rectifier with a star-point anode is used.
In multi-phase circuits, the advantage is not that great, but can still be of decisive importance if control is required primarily in the area of very low DC voltages, such as when starting up DC motors, for example.
Embodiments of the invention are shown in FIG. 3 and 4 shown. 3 shows a two-armed, controlled gas rectifier 3. The star point anode 4 to be connected to the secondary star point of the transformer 7 is laid in a hot cathode tube 5 filled with gas or vapor. If this, as indicated in the figure, also has a control grid 6, then the grid is to be connected to positive ignition voltage either permanently or at least at time Z "(FIG. 2).
Fig. 4 illustrates a six-phase rectifier 8 with a suction throttle 9. Here, the two three-phase star points 10 and 11 are each connected to an additionally attached anode 12 and 13.
In the case of energy being returned by the rectifier to the alternating current network or in general when converting direct current into alternating current, reactive current savings can be achieved with the star point ttnodes. Here the reactive current consumption is higher, the lower the direct voltage to be fed is compared to the internal voltage of the rectifier. The energy return is characterized by delayed ignition of the anode voltages. so that the horizontally hatched area in the negative (Fig. 2) becomes larger than the vertically hatched area in the positive.
In order to avoid the reactive power, one will try to make the positive area very small by igniting the main anode shortly before the voltage crosses zero. The ignited anode then burns until the current is withdrawn from it by the star point anode ignited at any time, which in turn transfers it to the following main anode. Here, the "star point anode" is not ignited at time Z ", but at a later point in time. As a result, the area in the negative can be as large as desired, while the positive area remains permanently small, so that the power return is minimal can be controlled on reactive consumption.
If the direct current voltage is already very different from zero either when the power is output or when the power is returned, the participation of the star point anodes in the current conduction will naturally decrease. In the case of multi-phase rectifiers, participation may cease entirely, for example in the case of a simple six-phase rectifier at half the normal voltage of the rectifier. Then the star point of the same is permanently negative compared to the cathode and could possibly also lead to re-ignition currents.
It is therefore advisable to automatically lock the star point anodes, if they are provided with control grids, by permanent negative grid voltages. The phase positions of the ignition times can be changed in the usual way by changing the phase of an alternating grid voltage or by brushing a contact device or other corresponding control methods.
Another advantage of the device described is that the ripple of the low rectifier voltages is considerably less than in control rectifiers without star point anodes. When a phase rectifier, the output DC voltage according to FIG. 2 has the course Z, Z "L" Z2 with star point anode and Z, Z @ L, L "Z- # without star point anode. The ripples show a similar course as the reactive power in Fig. 1 ..
The result is that the smoothing choke in the direct current circuit can be designed to be much smaller, and that, for example, supplied direct current motors commute better and have fewer copper losses. In addition, the star point anodes also significantly reduce the copper losses of the rectifier transformer, because their secondary windings sometimes do not need to carry any current at all.
The described invention is best used where very small partial voltages of the rectifier voltage have to be regulated, i.e. when starting motor drives, especially where there are large starting currents and single-phase feed is present, for example in rectifier locomotives. Here the weight savings in reactive current condensers and smoothing reactors will be particularly advantageous.