Anordnung zur Regelung von gittergesteuerten Entladungseinrichtungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung von gittergesteuerten Entladungsein richtungen, wie zum Beispiel Quecksilberdampf gleichrichter.
Eine Entladungseinrichtung dieser Art kann mit Hilfe von positiven Spannungsimpulsen gesteuert wer den, welche dem Gitter zugeführt werden, so dass jeder Impuls die Einrichtung stromführend macht oder zündet . Es ist häufig, insbesondere bei Gleich richterschaltungen, vorteilhaft, wenn man die Zeiten ändern kann, in welchen solche Steuerimpulse in bezug auf die positiven Halbwellen der zugeführten Anodenspannung auftreten, so dass der Punkt in jeder Halbwelle, bei welchem die Zündung eintritt, geregelt werden kann.
Die erfindungsgemässe Anordnung zur Regelung von gittergesteuerten Entladungseinrichtungen ist da durch gekennzeichnet, dass je Phase eine sättigbare Drossel und eine Belastungsimpedanz in Reihe mit einer Wechselspannungsquelle liegen, und Mittel vor gesehen sind, um dem Kern der Drossel ein Magne- tisierungsfeld von veränderlicher Stärke aufzudrücken, so dass bei Einschalten der Wechselspannungsquelle an der Belastungsimpedanz steilstirnige Spannungs impulse auftreten,
die die Steuerung der Entladungs einrichtung bewirken und die Phasenlage der Impuls stirn in bezug auf die Wechselspannung durch Ände rung der Stärke des magnetischen Feldes geregelt werden kann, wobei zu der Anordnung ferner unsym metrisch leitende Schaltungselemente gehören, wel che so angeordnet sind, dass durch ihre Anwesenheit die Grösse des Stromes, welcher wenigstens eines die ser Schaltungselemente durchfliesst, in der Weise ver mindert wird, dass das dabei während den Intervallen zwischen den Impulsen an der Belastungsimpedanz entstehende Potential, welches eine zu den Impulsen entgegengesetzte Polarität hat, in seiner Grösse ver mindert wird.
Die folgende Beschreibung erläutert an Hand der Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der Er findung in Anwendung bei einer Regelanordnung für eine Gruppe von fünf Quecksilberdampf-Gleichrich- tergefässen für sechsphasigen Betrieb.
In der Zeich nung zeigen: Fig. 1 das Schaltungsschema der Regelschaltung für eine Phase der Anlage, von welcher nur ein Ge fäss gezeigt ist, Fig. 2 ein vereinfachtes Schema der -Regelschal tung zur Erläuterung der Wirkungsweise, Fig. 3 bis 7 Diagramme, welche die Beziehungen zwischen verschiedenen elektrischen Grössen der Schaltungen nach Fig. 1 und 2 veranschaulichen.
Fig. 1 veranschaulicht die Regelschaltung für eine sechsphasige Gruppe mit sechs Quecksilberdampf- Gleichrichtergefässen, von welchen nur ein Gefäss bei 10 dargestellt ist. Die Stromzuführungseinheit 11 oberhalb der strichpunktierten Linie ist für alle Pha sen der Gruppe gemeinsam, während die Schaltung unterhalb dieser Linie sich für jede Phase wiederholt.
Die Stromzuführungseinheit 11 besteht aus einer Doppelstern-Transformator-Gleichrichterschal- tung mit zwei sterngeschalteten Dreiphasenwicklun- gen 12a, 12b, die miteinander durch eine Drossel 13 verbunden sind, und aus zwei dreiphasigen Metall gleichrichtern 14a, 14b.
Die Einheit 11 liefert eine für alle Gleichrichter gemeinsame veränderliche ge richtete Vorspannung Vb und ausserdem für jede Phase der Schaltung eine Regelwechselspannung v". Diese Regelspannung wird den Gleichrichtergittern über je einen Regelkreis 15 zugeführt.
Wie ersicht lich, ist der Augenblickswert der Vorspannung zwi schen der Kathode 10a des Gleichrichters 10 und dem zu einer Phase gehörenden Steuergitter 10b gleich der Summe der Festvorspannung Vb und der Spannung an dem Belastungswiderstand RL des Re gelkreises 15. Die Festvorspannung Vb ist so gross, dass die Zündung des Gleichrichters durch sie allein unterbunden wird. Der Regelkreis 15 liefert eine Reihe von Spannungsimpulsen an den Belastungs widerstand RI,, deren Amplitude so gross ist, dass die zugehörigen Entladungsstrecken gezündet werden.
Indem man die Lage der Steuerimpulse in bezug auf die Anodenspannung des Gleichrichters ändert, kann der Zündungspunkt des Gleichrichters und da mit sein Ausgangsstrom geregelt werden.
Die Wirkungsweise dieses Regelverfahrens wird an Hand des vereinfachten Schemas der Fig. 2 erläu tert. Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit einer sättigbaren Drossel 16, die eine Wechselstromwicklung 16a und eine gleichstromgespiesene Regelwicklung 16b trägt, von denen die erste in Reihe mit einer Belastung RL und einer Wechselspannungsquelle v;, liegt.
Es sei angenommen, dass der Kern der Drossel 16 die in Fig. 3 gezeigte B-H-Kennlinie und die Wechselspan nung v" die in Fig. 4 gezeigte Wellenform hat.
Es sei angenommen, dass der Kern, wenn ein Gleichstrom I, durch die Regelwicklung 16b fliesst, bis zu dem Punkt 17 auf der B-H-Kennlinie nach Fig. 3 vormagnetisiert, das heisst gesättigt ist.
Die zu- geführte Spannung v., hat solche Grösse, dass eine Halbwelle des Wechselstromes, welcher den Gleich stromamperewindungen entgegenwirkt, den Kern aus der Sättigung heraus bis zu dem Punkt 18 auf der B-H-Kurve führt, während die andere Halbwelle die Sättigung bis über den Punkt 17 hinaus steigert. Die Spannungswellenform für diese Zwecke ist in Fig. 4 wiedergegeben, wobei die vollausgezogene Kurve die Spannung vF, an der Belastung RL darstellt.
Unter der Annahme, dass die negative Halbwelle von v. den Kern aus der Sättigung herausführt, ist zu Beginn einer negativen Halbwelle der Kern ge sättigt, so dass im wesentlichen die ganze zugeführte Spannung als Spannung va an der Belastung RL auf tritt. Nach der Zeit t1 wird auf der B-H-Kurve der Punkt 19 erreicht, in welchem der Kern das Sätti gungsgebiet verlässt. Der weiteren Stromänderung in dem Kreis wirkt dann die in der Wicklung 16a indu zierte Spannung entgegen, so dass die Ausgangsspan nung vp etwa konstant bleibt.
Wenn die Drossel richtig bemessen ist, können kleine Änderungen von vi;, die von dem Magnetisierungsstrom im ungesät tigten Zustand herrühren, vernachlässigt werden.
In einem späteren Zeitpunkt t2 wird der Punkt 18 auf der B-H-Kurve erreicht, in welchem die indu zierte Spannung an der Drossel ihr Vorzeichen ändert. Der Kern erreicht dann im Zeitpunkt t3 wie der seinen Sättigungszustand. Die Ausgangsspannung va steigt steil an, bis sie etwa gleich der zugeführten Spannung v., wird, und verbleibt auf diesem Wert für die restliche Spanne der Halbwelle. Die Wellen form der Spannung va besteht also aus in gleichen Abständen auftretenden positiven Pulsen, welche Teilen der positiven Halbwellen der zugeführ- ten Spannung v., entsprechen.
In den Zwischen räumen zwischen den Impulsen hat die Spannung vii einen praktisch konstanten negativen Wert.
Es lässt sich zeigen, dass in dem ungesättigten Zustand die Flussänderung in dem Kern der Drossel 16 proportional zu dem Zeitintegral der induzierten Spannung vi an der Wicklung 16a ist. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t. hat sich jedoch der den Sätti gungszustand des Kernes auf der B-H-Kurve nach Fig. 3 wiedergebende Punkt von dem Punkt 19 nach Punkt 18 und wieder zurück nach Punkt 19 bewegt, das heisst, dass die gesamte Flussänderung während dieser Zeitspanne Null ist.
Daraus ergibt sich
EMI0002.0060
Dies bedeutet, dass die in Fig.4 schraffierten Flächen<I>A</I> und<I>B</I> gleich sind. Die Grösse v, ändert ihr Vorzeichen bei t"..
Zwischen den Zeiten t1 und t", das heisst bei ungesättigtem Kern, müssen die magnetisierenden Amperewindungen, welche von dem Regelstrom I, in der Wicklung 16b herrühren (wenn die Wirkung des kleinen Magnetisierungsstromes vernachlässigt werden kann), gleich denjenigen sein, welche von dem Strom in der Wicklung 16a herrühren. Die Ände rung des Regelstromes 1, ergibt somit eine Ände rung des Stromes in der Wicklung 16a und der Be lastung RL während dieser Periode.
Somit wird auch der Wert von vi; zwischen t1 und t. und die Grösse der Fläche<I>A</I> geändert. Um die Flächen<I>A</I> und<I>B</I> gleich zu halten, muss die von der Zeitordinate t3 gebildete Begrenzung der Fläche B ihre Lage ändern. Der Zeitpunkt, in welchem die Drossel in jeder posi tiven Halbwelle gesättigt ist, und somit die Phasen lage (in bezug auf die zugeführte Spannung v") der voreilenden Flanke jedes positiven Spannungsimpul ses an der Belastung RL wird somit bestimmt durch die Grösse des Gleichstromes I, in der Regelwick lung 16b.
Wie ersichtlich, wird die Phasenlage der Steuerimpulse nach vorn geschoben, wenn der Re gelstrom vergrössert wird.
Die Wellenform der Spannung va an irgendeiner Phasenwicklung der Transformatoren 12a und 12b umfasst die Grundfrequenz der Speisespannung und ihre dritte Harmonische, welche in der Zusammen setzung die in Fig.4 gezeigte zweikuppige Wellen form ergeben.
In jeder Halbwelle ändert sich in einem Bereich von 12011 die Amplitude dieser Span- nung nur um etwa 15 %- ihres kleinsten Wertes, so dass die positiven Spannungsimpulse, welche an der Belastung RL auftreten, in entsprechenden Grenzen gehalten werden.
Die Spannung va kann auch eine sinusförmige Wellenform haben, jedoch wird in diesem Falle, wenn derselbe Bereich von 120b ausgenutzt wird, die Impulshöhe bei voller Nacheilung nur 50 0/a ihrer maximalen Höhe haben, und bei ganzer oder fast ganzer Vollvoreilung wird seine Anstiegsgeschwindig keit gering sein. Die günstigsten Verhältnisse ergeben sich, wenn die Spannung v" eine Rechteckform hat, jedoch ist auch jede Wellenform, welche sich einem Rechteck mehr nähert als eine Sinusform, in dieser Hinsicht günstiger.
Nach Fig. 1 ist in Reihe mit der Drosselwicklung 16a ein Metallgleichrichter 20 geschaltet, der durch ein aus den Widerständen R1_5 bestehendes Poten- tiometernetzwerk überbrückt ist. Der Gleichrichter 20 ist so geschaltet, dass er Ströme, die in dem Regel kreis 15 entgegen dem Uhrzeigersinne fliessen, unter drückt.
In der Zeitspanne zwischen t1 und t3 (Fig. 4), in welcher ein Strom in diesem Sinne fliesst, besteht die Widerstandsbelastung in Reihe mit der Drossel aus RL in Reihe mit dem Pfad R1 R2 R4 R5, wobei die Wirkung des Potentiometers R,- R2 RS in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden kann.
Der Widerstand des Pfades Ri R2 R4 R5 kann etwa fünf mal so gross sein wie der Widerstand von RL. Da die Amperewindungen der Wicklung 16a und diejenigen der Wicklung 16b gleich sein müssen, wird der Span nungsabfall an der Widerstandsbelastung in Reihe mit der Drossel beim Fliessen eines Stromes entgegen dem Uhrzeigersinne im Kreis 15 etwa sechsmal grö sser sein als beim gleichen Wert des Regelstromes im andern Sinne, und der Spannungsabfall an der Dros sel selbst (v; in Fig. 4) ist entsprechend vermindert.
Um die erforderliche Gleichheit der Spannungs- Zeit-Flächen <I>A</I> und<I>B</I> aufrechtzuerhalten, muss die Drossel sich in einem früheren Zeitpunkt der posi tiven Halbwelle sättigen, so dass trotz unverändertem Regelstrom die Phasenlage der Steuerimpulse vorver- schoben wird. Das Potentiometernetzwerk ergibt so mit eine Ersparnis an Steuerleistung.
Bei Strömen im Uhrzeigersinne im Regelkreis 15 liegt hingegen in Reihe mit der Drossel nur die Be lastung RL, so dass die Höhe des positiven Steuer impulses nicht verändert wird. Die Grösse von RL wird bestimmt durch den Widerstand, der für die äussere Gitter-Kathoden-Strecke des Hauptgleichrich ters benötigt wird, und dieser Widerstand ist gewöhn lich niedrig im Vergleich zu der Widerstandsbela stung, die wegen Ersparnis an Steuerleistung für den Regelkreis benötigt wird.
Ein weiterer Vorteil des Potentiometernetzwerkes liegt darin, dass die negative Ausgangsspannung (va in Fig. 4, 5 und 6) zwischen RL und dem Serienpfad R,-R.-R4-R. aufgeteilt und die, tatsächliche negative Spannung an RL auf einen Sechstel (bei denselben relativen Teilwerten wie oben) ihrer Grösse ohne Po tentiometernetzwerk herabgesetzt wird. Diese herab gesetzte Spannung VR1 ist in Fig. 5 und 6 durch strichpunktierte Linien angegeben.
Die den Gleich richtern zugeführte Sperrspannung bestimmt sich durch die Ausgangsgleichspannung Vb der Stromver- sorgungseinheit 11 und bleibt durch die kleinen nega- tiven Spannungen VR verhältnismässig unberührt, so dass für die Gleichrichter für alle Phasenzustände der Steuerimpulse Arbeitsbedingungen von grösserer Kon stanz gewährleistet sind.
Nach der vorhergehenden Beschreibung der Ar beitsweise der Anordnung stand der Regelstrom 1, nicht notwendigerweise in einem direkten und ein fachen Verhältnis zu den Phasenänderungen der Spannungsimpulse, die er hervorbringt. Insbesondere ist der Strom 1, niemals in dem Regelbereich gleich Null. Die Regelung der Gleichrichter lässt sich ver einfachen, wenn der Regelstrom Null einer äussersten Einstellung, z. B. der Vollnacheilung der Impulse, entspricht. Dies l"ässt sich bei der Schaltung nach Fig. 1 durch die Potentiometer Rl- R2 R3 erreichen.
Das veränderbare Potentiometer R2 ist für die Ein stellung vorgesehen; die Erläuterung der Wirkungs weise dieses Schaltungsteils wird jedoch vereinfacht, wenn seine Wirkung ausser acht gelassen wird.
Während den positiven Halbwellen der Regel spannung v., wird die ganze Spannung an der Drossel wicklung 16a und der in Reihe liegenden Belastung RL den Steuergittern 10b zugeführt. Während den negativen Halbwellen ist jedoch die Spannung v.1 an der Reihenschaltung 16a, RL, R4 und RS gegeben durch
EMI0003.0071
(R, ist vernachlässigt).
Der Punkt, in welchem die Drossel bei Regel strom Null gesättigt wird, bestimmt sich dann durch die Gleichung
EMI0003.0074
wo k der Punkt in der positiven Halbwelle ist, in wel chem die Sättigung eintritt. Dies folgt aus der Tat sache, dass über einen vollständigen Zyklus von v" die gesamte Flussänderung in dem Kern der Drossel 16 Null sein muss.
Die Spannungswellenform in dem Falle, wo die Drossel sich bei etwa 150 in der posi tiven Halbwelle sättigt, zeigt Fig.7. Der jeweilige Wert von k bestimmt sich natürlich durch die Werte von R1 und R..
In dem Regelkreis 15 nach Fig. 1 sind zwei ver änderbare Elemente, nämlich der Potentiometer- widerstand R2 und der Widerstand R5, vorgesehen.
Der Potentiometerwiderstand R2 ermöglicht eine Ab gleichregelung für den Zustand bei voller Nacheilung oder bei Regelstrom Null und der Widerstand R5 bei dem Zustand mit voller Voreilung. Änderungen zwi schen den B-H-Kennlinien der einzelnen Drosseln der Anlage führen zu einer ungenauen gegenseitigen Phasenlage der Steuerimpulse.
Die veränderbaren Re gelelemente R2 und R5 geben die Möglichkeit, die Phasenlagen der Impulse genau einzustellen, ohne dass ein Satz von aufeinander genau abgestimmten Drosseln zur Erzielung möglichst gleicher Kennlinien erforderlich wäre, so dass die richtige Belastungssym- metrie zwischen den einzelnen Anoden gewährleistet wird.