Elastischer, zur Energieübertragung aus einem Mehrphasennetz in ein mit niedrigerer Frequenz betriebenes Einphasennetz dienender Umrichter Es sind verschiedene Verfahren zur Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom einer andern Frequenz - beispielsweise zur Spei sung eines mit 162/;, Hz betriebenen Bahnnetzes aus einem mit 50 Hz betriebenen Drehstromnetz - mit Hilfe von gesteuerten Entladungsgefässen, das heisst Umrichtern, bekannt. Eine Art solcher Umrichter bilden die sogenannten Trapez-Kurven-Umrichter, von denen beispielsweise eine Ausführungsform in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist.
Der Umrichter besteht im wesentlichen aus den in der sogenannten Kreuzschaltung parallel geschal teten steuerbaren Entladungsgefässen 1 und 2 mit je sechs Anoden (von denen nur je eine gezeichnet ist). Die Entladungsgefässe werden aus einem Dreh stromnetz 3 über einen Transformator mit der Pri märwicklung 4a und den sechsphasigen Sekundär wicklungen 4b und 4c gespeist. Sei sind ihrerseits mit dem zu speisenden Einphasennetz 5 über die Drosselspulen 6 und 7 verbunden.
Werden die beiden Entladungsgefässe 1 und 2 mit Hilfe ihrer Steuergitter 8 und 9 abwechselnd im Takt der gewünschten Frequenz des Einphasen netzes 5 z. B. 162/3 Hz geöffnet und gesperrt, so liefern sie an das Netz eine Wechselspannung etwa von der in Fig. 2a dargestellten Kurvenform.
Soll dem Netz 5 ein gegen die Spannung nach eilender Strom entnommen werden, das heisst ein Strom, der innerhalb jeder Halbwelle zeitweilig ent gegen der treibenden Spannung fliesst, so genügt es nicht, das jeweils nicht spannungsliefernde Entla dungsgefäss nur zu sperren, vielmehr muss dasselbe dann während dieser Zeiten so gesteuert werden, dass es als Wechselrichter arbeiten kann und da durch in der Lage ist, den jeweils entgegen der trei benden Spannung fliessenden Strom zu übernehmen. Dies bedeutet mit andern Worten: die beiden Ent ladungsgefässe 1 und 2 müssen abwechselnd im Takt des zu speisenden Einphasennetzes als Gleichrichter und als Wechselrichter gesteuert werden.
Die Steuer impulse für die Anoden der Entladungsgefässe müssen dazu bei der Umsteuerung von dem Gleich richter in den Wechselrichterbereich bekanntlich je weils um einen Winkel von angenähert 180 e1. ver schoben werden.
Die Frequenz des zu speisenden Einphasen netzes bzw. der Takt, in dem diese Gefässe umge steuert werden, braucht bei einem solchen Umrichter nicht synchron mit der Frequenz des speisenden Drehstromnetzes zu sein. Es handelt sich also bei der fraglichen Anordnung um einen sogenannten elastischen Umrichter. Der Takt der Umsteuerung der Entladungsgefässe kann bei diesem z. B. von einer mit dem Umrichter parallel auf das Einphasen netz arbeitenden Synchronmaschine oder von einer beliebigen taktgebenden Einrichtung abgeleitet wer den.
Ein Umrichter der beschriebenen Art zeichnet sich durch Einfachheit der Steuerung und geringen Blindstromverbrauch aus. Er hat aber in den bisher bekannten Ausführungsformen einen erheblichen Nachteil: Verschiebt sich nämlich die Phasenlage der Spannung des Einphasennetzes bzw. des Takt gebers gegenüber der Spannung im speisenden Dreh stromnetz, z. B. infolge einer geringen Abweichung der Frequenz von ihrem Sollwert in einem der Netze, so kann die von Umrichter abgegebene Ein phasenspannung nur sprunghaft z. B. von der in Fig. 2a dargestellten Phasenlage in diejenige nach der Fig. 2b übergehen.
In dem angenommenen Beispiel sechsphasiger Entladungsgefässe und einer Frequenzumformung von 50 Hz in 162/3 Hz beträgt dieser Sprung 60 e1., bezogen auf 50 Hz, oder 20 e1., bezogen auf 162/3 Hz.
Diese Sprünge bedeuten unerwünschte, stoss artige Belastungsänderungen für den Umrichter, ebenso wie für parallel arbeitende andere Umfor mer oder Generatoren.
Der gleiche Nachteil mit ähnlichen Folgen be steht auch, wenn das Einphasennetz zwar starr mit dem Drehstromnetz gekuppelt ist, wenn aber die Phasenlage der Einphasenspannung des Umrichters zur Erzielung einer bestimmten Verteilung der Be lastung auf mehrere Umformer gleicher oder anderer Art geändert werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnte nachteilige Erscheinung auf möglichst ein fache Weise zu vermeiden.
Es sei zunächst das Grundsätzliche des Erfin dungsgedankens anhand des Beispiels der Fig. 2a bis 2c erläutert.
Während die den letzten Teil einer niederfre quenten Spannungshalbwelle liefernde Anode eines Entladungsgefässes bei der bisher beschriebenen Steuerung nur entweder in den Punkten<I>a</I> bzw.<I>a'</I> der Fig. <I>2a,</I> oder aber in den Punkten<I>b</I> bzw.<I>b'</I> der Fig. 2b zur Zündung freigegeben werden konnte, so dass der Übergang von der einen zur andern dieser beiden Möglichkeiten nur durch den erwähn ten Sprung möglich war, soll nunmehr diese letzte Anode einer Spannungshalbwelle verspätet, das heisst z. B. in den Punkten c und c' der Fig. 2c zur Zün dung freigegeben werden.
Die Spannungskurve wird dann nach der ausgezogenen Linie der Fig. 2c ver laufen.
Die Punkte c bzw. c' können sich innerhalb des durch Schraffierung markierten Teils der Kurven in Fig. 2c verschieben, so dass dadurch ein stetiger Übergang zwischen den Kurven der Fig. <I>2a</I> und<I>2b</I> geschaffen ist.
Um dies zu erreichen, sind erfindungsgemäss Mittel vorhanden, um die Anoden der Stromrichter jeweils einzeln, unabhängig voneinander im Takt der niederen Frequenz zur Erzielung einer Zündung in einem beliebigen zwischen den Zeitpunkten der Vollaussteuerung im Gleichriehterbereich und der Vollaussteuerung im Wechselrichterbereich liegen den Zeitpunkt zu steuern.
Diese besondere Steuerung sollte zweckmässig bei jeder Anode der Gefässe möglich sein, sie darf aber bei der betreffenden Anode nur einmal während einer Periode der niederfrequenten Spannung, das heisst in dem gewählten Beispiel der Umformung von 50 Hz in 162/3 Hz nur einmal während deren dreier Perioden der 50-Hz-Spannung, erfolgen.
Eine Steuerungseinrichtung, welche diese Be dingungen erfüllt, lässt sich in verschiedener Weise z. B. mit Hilfe entsprechender rotierender Kontakt vorrichtungen verwirklichen.
In besonders einfacher Weise gelingt es bei dem nachfolgend dargelegten Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, eine derartige Steueranord nung unter Zuhilfenahme eines bereits zur Steuerung von Dampfentladungsstrecken vorgeschlagenen Ver fahrens zu schaffen.
Hiernach wird zur Steuerung des Umrichters für jedes Gefäss eine Anordnung gemäss Fig. 3 verwen det. Diese Anordnung arbeitet in der Weise, dass aus einer dreiphasigen Spannung eines speisenden Netzes durch den Kurvenumformer 10 in an sich bekannter Weise eine sechsphasige, vorzugsweise unsymme trisch rechteckige Spannung gewonnen wird. Im vor liegenden Falle ist es zweckmässig, die Zeitdauer der beiden Spannungshalbwellen so zu wählen, dass sie im Verhältnis 1 :5 zueinander stehen, das heisst 60 e1. und 300 e1. betragen, wie dies in Fig. 4 als Kurve A für eine Phase dargestellt ist.
Diese Span nung wird einmal dem Hauptsteuerkreis, bestehend aus Spannungsspule 10, Drossel 13, den Widerstän den 11 (Fig. 3) und den elektrischen Ventilen 12, zu geführt; anderseits ist sie auch wirksam im Neben steuerkreis, bestehend aus den Sättigungsdrosseln 13, der Quelle einer steuernden Spannung 14 und den elektrischen Ventilen 15, wobei der Eisenkern der Sättigungsdrosselspulen 13 aus einem Material besteht, dessen Magnetisierungskennlinien einen scharfen Knick aufweist, so dass bei einer Magneti- sierung bis an diesen Knick der remanente Magnet fluss praktisch gleich dem Sättigungsfluss ist.
Die im vorliegenden Falle im Takte der Fre quenz des gespeisten Einphasennetzes geänderte Steuerspannung möge nach der Kurve B, das heisst nach einer Rechteckkurve verlaufen. Diese Span nung soll im folgenden zum Unterschiede von der Rechteckspannung des Kurvenumformers 10 (Kurve A in Fig. 4) als Taktgeberspannung bezeichnet werden. Diese Taktgeberspannung ist also aus einer reinen rechteckförmigen Wechselspannung und einer Gleichspannung zusammengesetzt, das heisst sie ist eine Wellenspannung.
Während des negativen Teils der Rechteckspan- nung wird das Fliessen eines Stromes im Haupt steuerkreis durch die Ventile 12 (Fig. 3) verhindert. Auf die Drosselspulen 13 wirkt dabei die Differenz zwischen der negativen Rechteckspannung und der jeweiligen Taktgeberspannung ein. Das Zeitintegral dieser Spannungsdifferenz, das in Fig. 4 durch die schraffierte Fläche F1 wiedergegeben ist, wird von den Drosselspulen 13 aufgenommen und in Form einer Änderung des magnetischen Flusses gespei chert.
Dies geht in der Weise vor sich, dass eine Magnetisierung erzielt wird, die sich ergibt durch Subtraktion eines der Fläche F1 proportionalen Be trages von dem einer vollen magnetischen Sättigung entsprechenden Remanenzwert, der vom vorherigen Magnetisierungszyklus her vorhanden ist. Geht nun die Rechteckspannung (Kurve A in Fig. 4) in ihren positiven Wert über, so wird die Taktgeber spannung durch die Ventile 15 (Fig. 3) wirkungs los.
Dagegen wirkt im Hauptsteuerkreis über die Ventile 12 und die Widerstände 11 die nunmehr positive Spannung der Kurve A auf die Drossel spulen 13 ein und bringt den vorher reduzierten Magnetfluss der Drosselspulen wieder auf den Sättigungswert. Bis dies erreicht ist, fliesst nur ein sehr kleiner Magnetisierungsstrom. Sobald aber die Sättigung des Drosselkernes wieder erreicht ist, was in den Punkten<I>d,</I> e und f der Fig. 4 der Fall ist, so bricht die Induktivität der Drossel und damit ihre Klemmenspannung bis auf einen kleinen Rest betrag zusammen.
Die Lage der Punkte d ist durch die Bedingung bestimmt, dass die Flächen F, und F2 einander gleich sein müssen, sie ist also von der vorhergegangenen Reduzierung des Magnetflusses abhängig.
Mit dem Zusammenbrechen der Klemmenspan nung an den Drosselspulen 13 (Fig. 3) steigt der Spannungsabfall an den Widerständen 11, der vorher nahezu Null war, jetzt plötzlich fast auf den vollen, Betrag der positiven Rechteckspannung an und bildet den Steuerimpuls für die zugeordneten Gitter (G1 bis G6, Fig. 3).
In Abhängigkeit von der jeweiligen Grösse der Taktgeberspannung kann sich der Punkt d in Fig. 4, in dem ein positiver Steuerimpuls entsteht, in einem Bereich von etwa 300 e1. verschieben. Davon wer den aber nach dem vorher Gesagten zur Umsteuerung der Entladungsgefässe aus dem vollen Gleichrichter bereich in den vollen Wechselrichterbereich nur an genähert l80 e1. ausgenutzt, nämlich der Bereich zwischen den Punkten d' und d".
Die nach dem Linienzug Bin Fig. 4 verlau fende Taktgeberspannung wird nach ihrer Grösse bzw. nach ihrer Lage zur Nullinie 0-0- so gewählt bzw. so aus einer reinen rechteckigen Wechselspan nung und einer überlagerten Gleichspannung zusam mengesetzt, dass sie mit ihren untern Teilen Steuer impulse<I>d'</I> bzw. f entsprechend einer vollen Aus steuerung des Gefässes im Gleichrichterbereich und mit ihren obern Teilen Steuerimpulse an den Punkten <I>d"</I> bzw.<I>d</I> entsprechend einer vollen Aussteuerung im Wechselrichterbereich erzeugt.
(Mit oben und unten ist hierbei die Lage der einzelnen Teile des Linienzuges B in Fig. 4 gemeint.) Fällt nun der Übergang vom obern zum untern Teil der Taktgeberspannung in den für die Lage des Steuerimpulses massgeblichen negativen Teil der Rechteckspannung A, wie bei g in Fig. 4 dargestellt ist, so entsteht der Steuerimpuls in einem Punkt e, der zwischen<I>d'</I> und<I>d"</I> liegt, und zwar an einer Stelle, die von der Lage des Punktes g innerhalb des betreffenden negativen Teils der Rechteckspannung abhängig ist.
In Fig. 4 ist die Entstehung des Steuerimpulses nur für eine Anode eines Entladungsgefässes ver anschaulicht. Die von dem Kurvenumformer 10 (Fig. 3) gelieferten Rechteckspannungen der sechs Phasen sind gegen die in Fig. 4 gezeichnete Recht eckspannung um je 60 e1. versetzt. Ihre negativen Teile liegen also nebeneinander zwischen denjenigen; der gezeichneten Spannung.
Man versteht, warum die Breite dieser negativen Teile der Rechteckspannungen, wie oben erwähnt, zweckmässig gerade zu 60 e1. gewählt wurde, da bei dieser Breite diese negativen Teile zeitlich auf einanderfolgen können, ohne sich zu überschnei den oder Lücken zwischen sich zu lassen.
Es ist auch ersichtlich, dass bei dieser Form der Kurven der Rechteckspannung der übergang der Taktgeberspannung B (Fig. 4) nur in dem nega tiven Teil der Rechteckspannung einer Phase fallen kann, so dass nur bei der einen dieser Phase zu geordneten Anode eine Zündung in einem Zeit punkt c (Fig. <I>2c)</I> erfolgen kann, während alle an dern Anoden unmittelbar vom vollen Gleichrichter bereich in den vollen Wechselrichterbereich oder umgekehrt umgesteuert werden.
Die zur Verwirklichung des Erfindungsgedan kens erforderliche, oben erwähnte besondere Art der Steuerung kann somit in der beschriebenen Weise sehr einfach erreicht werden.
Es liegt auf der Hand, dass bei dem betrachteten Umrichter jedes der beiden Entladungsgefässe 1 und 2 (Fig. 1) mit einer Steuereinrichtung der be schriebenen Art ausgerüstet sein muss, wobei die Taktgeberspannungen beider Steuereinrichtungen um 180 e1. gegeneinander verschoben sein müssen.
Ist die Phasenlage der Einphasenspannung durch den Umrichter praktisch nicht zu beeinflussen, so kann bei einem in der beschriebenen Weise gesteuer ten Umrichter durch Änderung der Phasenlage der Taktgeberspannung (Kurve Bin Fig. 4) die durch den Umrichter übertragene Wirkleistung gesteuert werden.
Ausserdem kann aber auch durch eine Verklei nerung des Abstandes zwischen den obern und untern Teilen der durch die Kurve B dargestellten Taktgeberspannung bei gleichbleibendem mittlerem Abstand von der Nullinie 0-0, das heisst durch eine entsprechende Änderung der zeitlich aufeinan derfolgenden Spannungswerte ohne eine Änderung des daraus gebildeten Mittelwertes, eine Verschie bung der Steuerimpulse für den Gleichrichterbetrieb im Sinne einer späteren Zündung und eine Ver schiebung der Steuerimpulse für den Wechselrichter betrieb im Sinne einer früheren Zündung erfolgen.
Dies bedeutet eine Verringerung der Einphasen spannung des Umrichters und damit bei Parallel betrieb mit andern Umformern eine Änderung der Blindleistungsverteilung.
Bei Parallelbetrieb eines Gleichrichters mit einem Wechselrichter in Kreuzschaltung, wie er hier in Frage kommt, ist noch folgendes zu beachten: Beim Wechselrichterbetrieb muss bekanntlich jede Anode zu einem Zeitpunkt gezündet werden, in dem ihre Spannung noch etwas grösser ist, als die Spannung derjenigen Anode, die sie in der Strom führung ablösen soll, das heisst die Zündung muss etwas vor dem Schnittpunkt der beiden Spannungs kurven in der graphischen Darstellung erfolgen.
(In der Kurvendarstellung der Fig. 2a bis 2c ist der Einfluss dieser Vorzündung auf die Kurvenform ver nachlässigt.) Die mittlere aussteuerbare Spannung des Wech selrichters ist somit stets etwas kleiner, als die Spannung des in der Kreuzschaltung dazugehörigen Gleichrichters, sofern der letztere voll ausge steuert ist. Infolgedessen fliesst in dem durch die beiden Entladungsgefässe gebildeten Stromkreis ein sogenannter Kreisstrom, der um so grösser ist, je früher die Zündung der im Wechselrichterbereich arbeitenden Anoden vor dem erwähnten Schnitt punkt der Spannungskurven erfolgt.
Wird nun bei der Umsteuerung eines der beiden Gefässe 1 und 2 vom Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb und bei gleichzeitiger Um steuerung des andern Gefässes im umgekehrten Sinne eine Anode in einem Zeitpunkt c' (Fig. 2c) gezündet, so führt sie evtl. eine sehr viel kleinere Spannung, als die zu diesem Zeitpunkt im Gleich richterbereich arbeitende Anode des andern Gefässes.
Durch eine solche Spannungsdifferenz wird ein Kreisstrom verursacht, der zwar, da diese Span nungsdifferenz nur kurze Zeit besteht, durch die Glättungsdrosselspulen 6 und 7 (Fig. 1) begrenzt ist, der sich aber trotzdem unangenehm bemerkbar ma chen kann. Diese Erscheinung kannvermieden werden, wenn man bei der Taktgeberspannung (B in Fig. 4) den obern, den Wechselrichterbetrieb steuernden Teil etwas breiter macht, als den untern Teil, der für die Steuerung im Gleichrichterbereich mass gebend ist, das heisst,
wenn die Aussteuerung im Wechselrichterbereich stets etwas länger aufrecht erhalten bleibt als die Aussteuerung im Gleichrich- terbereich.
Eine als Taktgeberspannung in der beschriebe nen Weise brauchbare Rechteckspannung kann als Spannungsabfall an einem periodisch veränderlichen Widerstand oder an einem mit diesem in Reihe lie genden unveränderlichen Widerstand gewonnen werden, wobei diese Widerstände aus einer Gleich spannungsquelle gespeist werden.
Als veränderlicher Widerstand kann dabei mit Vorteil eine (oder mehrere) steuerbare Elektronen röhre dienen. Eine solche Anordnung hat den Vor teil, dass die Steuerung des Umrichters nahezu lei stungslos durchgeführt werden kann.
Ausserdem kann in bekannter Weise auch bei Verwendung einer sinusförmigen Steuerspannung für die Elektronenröhre ein praktisch vollkommen recht eckiger Verlauf des Anodenstromes, das heisst im vorliegenden Fall ein entsprechender Verlauf der Taktgeberspannung erzielt werden.
Das Prinzip der beschriebenen Steueranordnun gen ist nicht an einen bisher nur in Betracht gezo genen Umrichter mit zwei sechsphasigen Entladungs gefässen gebunden, sondern es ist bei jedem nach diesem Prinzip arbeitenden Umrichter anwendbar, z. B. auch dann, wenn statt der mehranodigen Ent- ladungsgefässe entsprechende Gruppen von ein- anodigen Gefässen verwendet werden, die in Mittel punktschaltung oder auch in Brückenschaltung be trieben werden können. Ebenso ist der sechsphasige Betrieb der Entladungsgefässe mit und ohne Saug drosselspule keineswegs Bedingung für die Anwend barkeit der Erfindung.
Bei Verwendung der be schriebenen Steueranordnung für Umrichter, die mit anderer Phasenzahl arbeiten, ist dann zweck mässig, das Breitenverhältnis der negativen und po sitiven Teile der Rechteckspannung der Kurve A (Fig. 4) der Phasenzahl entsprechend zu wählen, und zwar so, dass die Dauer der zur regelbaren Re duzierung des Magnetflusses im Drosselkern die nende Halbwelle des 1/p-fache der ganzen Welle be trägt, wobei p die Betriebsphasenzahl bedeutet.
Schliesslich ist die Erfindung auch geeignet für Umrichter zur Energieübertragung zwischen Netzen, die mit andern Frequenzen betrieben werden, als hier erwähnt wurde. Dabei kann das Mehrphasen netz mit der höheren Frequenz auch eine andere Phasenzahl als 3 aufweisen.