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Schaltvorrichtung mit gittergesteuerten: Stromventilen Die Erfindung
betrifft eine Schaltvorrichtung mit gittergesteuerten Stromventilen für mehrpharsige
Wechsels.tromqwellem:. Derartige Schaltvorrichtungen, sogeniannte Elektronenschalter,
finden unter anderem beim Anschluß von Röntgenanlagen an ein Dreiphasennetz Verwendung.
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Es sind bereits Schaltvorrichtungen für Schweißmaschinen bekannt,
welche dazu dienten, den Schweißstromkreis mittels zweier Stromventile in sogenannter
Antiparallelschaltung an ein Einphasennetz anzuschließen. Die Sbromveiutile werden
dabei mittels einer Steuerspannung gesteuert, welche dieselbe Frequenz wie das speisende
Eiinphasenn.etz aufweist.
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Ferner ist eire Einriehüung bekannt, bei der eine Röntgenröhre über
ein gittergesteuertes Stromventil von einer Gleirchstromquelle hoher Spannung gespeist
wird. Dabei wird als Steuerspannung für das Stromventil eine Gleichspannung verwendet,
die durch Gleichrichtung einer Wechselspannung hoher Frequenz erzeugt wird.
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ErfinclungsgemäB wird vorgeschlagen, in jeder Phase des Mehrphasensystems
zwei Stromventile in sogenannter Anbiparallelsohaltung anzuordnen, deren Gitter
negativ vorgespannt sind und die dadurch zum Zünden gebracht werden, daß den Gittern
vermittels eines manuell oder automatisch betätigten Schalters von einer Wechselspannungsquelle
aus, deren Frequenz mindestens. gleich dem Produkt aus der Phasenanzahl und der
Frequenz des Mehrphasensystems ist, eine erste Steuerspannung aufgedrückt wird,
wobei ferner dieser ersten Steoerspailnung von einer weiteren Steuerspannungsquelle
aus eine zweite Steuerspannung überlagert wird., deren Phasenlage derart gewählt
ist, daß die Zündung der Stromventile bewirkende Maxima der reswltiarenden Steuerspannung
in den. verschiedenen Phasen in gewünschten Zeitpunkten auftreten.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann erreicht werden; daß
bei durch mehrphasige Stromquellen, gespeisten Vorrichtungen die Stromventile sämtlicher
Phasen zu gewünschten Zeitpunkten. gezündet werden, so daß beispielsweise Überspannungen,
die dadurch zustande kommen, daß die Zündungen bei abnehmender Anodenspannung auftreten,
vermieden werden.
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Fig. 1 ist das Schaltschema einer Ausführungsform des Elek tronenschaIters
nach. der Erfindung; Fig. 2 zeigt die Kurven für die Anoden:spannung, die Steuergieterspannungen
und den. Anodenstrom in eurer Phase der Schaltung mach Fig. 1; Fig.3 zeigt Kurven
für die Netzspannung, die Steuerspannungen und die Anodenströme in verschiedenen
Phasen sowie den resultierenden Anodenstrom bei der Schaltung nach Rig. 1; in Fig.
4 bis 7 werden: Einzelheiten dargestellt.
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In Fig. 1 sind die Phasen einer Dreiphasenstromquelle, etwa eines
Wechselstromnetzes, mit R, S und T bezeichnet. Die an die Stromqualle anzuschließende
Belastung ist durch drei mit Z bezeichnete Imp:edfanzen dargestellt; die Widerstände
Z sind am einen Ende miteinander verbunden, -während die anderen Enden über mit
7 bezeichnete Stromvervtile, etwa Thyratronröhren, an die drei Phasen R, S und T
dien Stromquelle angeszhl,ossen s!i@nd. In jeder Phaise liiegen dabei zwei zusammengehörende
Ventile in Antiparallerlscha1bung, d. h., in jedem Paar -ist die Anode des einen
Ventils 7a mit der Kathode des anderen Ventils 7 b verbunden, während die Kathode
des ersten an der Anode des zweiten VenÜls liegt. Das Steuergitter in jedem Ventil
kann Stromdurchlaß in Richtung von der Anode zur Kathode bewirken.
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Zwischen Kathode und Gitter jedes Ventils 7 lüegen eine Batterie 5
oder eine andere Vorspannungsquell:e, ein Widerstand 6 und eine Sekundärwiclclurg
4 eiirres Transformators TZ, dessen Primär-,vicl<:lung 3 über dien Manöverschalter
2 an die Steuerspannungsquelle 1 angeschlossen: werden kann.
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Wann die Vorrichtung zusammen mit einer Röntgenanlage verwendet wird,
ist es zweckmäßig, den; Manöverschalter 2 als Exponierungeuhr auszubilden, die den
Strom während einer fest eint, gestelliten Exponierungszeit schließt. Eine solche
Exponierungsuhr kann in bekanntes Wd,se aus, eirnem durch ein. Uhrwerk mechanisch
gesteuerten Schalter bestehen, aber auch aus einem Stro.inven;til, das für eine
fest einstellbare Zeit leitend gemacht werden
kann. Im letztgenannten
Fall kann die; Vorrichtung ganz ohne mechanische Teile arbeiten.
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Die Steuerspannungsquelle liefert eine Spannung von der dreifachen
Netzfrequenz und muß natürlich auf irgendeine an: sich bekannte Weise mit dem D.reiphäsennetz
synchronisiert sein, so daß sie auch bei Schwankungen der Netzfrequenz stets die
dreifache Frequenz liefert. Die Synchronisierung sollte außerden so einwandfrei
sein, d'aß eine gewisse eingestellte Phasendifferenz zwischen Steuerspannung und
Netzspannung stets erhalten bleibt. Die in der Steuerspannungsquelle 1 erzeugte
Spannung kann z:weckmäßigerweise sinusförrnbg- sein, und der Transformator Tr arbeitet
mit normaler Sättigung dies Kernes, so daß die Steuergitter eigne Steuerspannung
mit unveränderter (Sinus-)Form, erhalten.
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In Serie mit jeder Sekundärwicklung4 des Transformators Tr liegt eine
Sekundärwicklung 9 einfies Transformators TeR, Tes, TeT. Zwischen; den verschiedenen
Phasen des Systems liegen zwei Impedanzketten, von denen die eine aus einer mit
Mittelanzapfung versehenen. Indukbanz 10 (die natürilisch auch durch zwei voneinander
getrennte Induktanzen ersetzt werden kann) und die andere aus einem Kondensator
11, der mit einem veränderlichen Widerstand 12 in Serie liegt, besteht. Die Primärwicklung
8 jedes Transformators TeR bis TeT ist in den Mittelpunkten derjenigen Impedanzketten
angeschlossen, die zwischen der zu dem Transformator gehörenden Phase und einer
(in gewisser vorher bestimmter Richtung) angrenzenden Phase liegen. Zwischen. diesen
Mittelpunkten tritt eine Spannung der Netzfrequenz auf, deren Phasenlage im Verhältnis
zur Phas,end@age der Netzspannung durch den Widerstand 12 geändert werden kann.
Die Phasenlage sollte so einreguliert werden, daß ein positives Maximum der Netzspannung
mit einem positiven Maximum der Steuerspannung, die ja eine dreimal höhere Frequenz
hat, zusammenfällt, wobei dasselbe Zusammentreffen bei den negativen Maxima auftritt.
Jeder Transformator Te sollte zweckmäß,ngerweise mit stark gesättigtem Kern. arbeiten,
so da.ß die in den Sekundärwicklungen 9 erzeugten Spannun:gsimpuise spitze Kurvenform
aufweisen. Die durch die Sättigung entstehende Phasenverschiebung zwischen den Primär-
und Sekundärspannungen muß natürlich bei der oben beschriebenen Phasenlageneinsbellung
berücksichtigt werden, so daß das gewünschte Zusammentreffen der Spannungsmaxima
auf der Sekundärseite, also bei den Gittern, der Ventile, eintritt. Die Amplituden.
der Spannungen, die den Steuergittern sa#,vohl von der Spannungsquelle 1 als auch
von den Mittelpunkten der Impedanzen 10 und 11, 12 zugeführt werden, reichen einzeln
nicht aus, um die Venile zu zünden. Dafür bedarf es einer so hohen Spannung, wie
sie nur im Augenblick des Zusammentreffens der Maxima vorliegt.
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In Fig. 2 stellt die Kurve a die Anodenspannung Va für' die
Ventile 7Ra und 7Rb bei der Schaltung nach Fig. 1 dar, während die Kurven b und
c die Steuerspannung Vg für die Ventile 7 Ra und 7Rb wiedergeben. In der
Zeit zwischen to und t5 sind beide Ventile gesperrt, und die Anodenspannung hat
annähernd Sinusform. Die vom Transformator TeR in den Zeitpunkten t. und. t2 zu
den Steuergittern gelangenden Impulse (Kurve b) haben eine zu kleine Amplitude,
um die Ventile zünden zu können. Im Zeitpunkt t3 sei der Manöverschalter 2 geschlossen.
Die vom Transformator Tr kommende sinusförmige Spannung, die nun zu, dien Steuergittern
'gelangt, -reicht ebenfalls nicht aus, um die Zündung eitles Ventils zu verursachen.
Erst im Zeitpunkt t. treffen zwei Maxima zusammen, d. h., die von den Transformatoren
Tr und TeR- herkommenden Spannungsmaxima fallen, zusammen und verstärken sich. Die
resultierende Amplitude ist hinreichend groß, um die Zünddsung eines Ventils zu
verursachen, das glenchzeiti.g eine positive Anodenspannung hat, was in diesem Fall
für Ventil Ra zutrifft. Das Ventil Ra bleibt bis zum Zeitpunkt to gezündet, in,
dem es wegen der abnehmenden Anadensplannung verlöscht. Idas nächste Mal treffen
die Maxima im Zeitpunkt t7 zusammen, und die dann entstehende Steuerspannung
wird dem Steuergitter des Ven(ti,1)s Rb im; positiver Richtung (Kurve c) aufgedrückt.
Weil dieses Ventil jetzt auch positive Anodenspannung hat, wird es gezündet und
bleibt bis zu dem Zeitpunkt t8 stromführend-, worauf es verlöscht. Im Zeitpunkt
t9 sei der Manöverschalter 2 geöffnet, aus welchem Grunde keine neue Zündung eintritt.
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Damit kein Ventil gezündet werden soll, solange auf sein Gitter nur
eiLne Spannung vom Transformator Tr oder vom Transformator Te einwirkt, sollten
die Maximalwerte dieser Spannungen nischt die von der Vorspannungsbatterie 5 herrührende
negative Verspannung h5 überschreiten.
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Fig. 3 stellt Strom- und Spannungsverlauf in allen drei Phasen bei
der Schaltung nach Fig. 1 dar. Die Kurve e gibt die Netzspannung in den drei Phasen
als Funktion der Zeit wieder. Die Kurve f zeigt die an den Gittern der Ventile Ra
und Rb liegende Steuerspannung VgR, während die Kurven h und, j die
entsprechenden Spannungen hgs und VgT für die Gitter der Ventile 7Sa und
7 Sb bzw. 7Ta und 7 Tb darstellen. Die Kurven g, i und k zeigen ,die
Anodenströme in den drei Phaisen R, S und T. In den Kurven f bis
L sind die Linien für die Ventile 7 Rd, 7Sa und 7T7 ausgezogen, für die Ventile
7Rb, 7Sb und 7Tb gestrichelt.
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In der Zeit zwischen to und t1 sind die Ventile gesperrt, da die Amplitude
der von dem Transformator Te zu den Steuergittern kommenden. Spannungen nicht ausreicht,
um eine Zündung zu verursachen. Im Zeitpunkt t1 sei der Manöverschalter 2 geschlossen,
wobei die Steuergitter Spannung vom Transformrato,r Tr erhalten, die jedoch allein
nicht zureichend: ist, um eine Zündung zu bewirken. Das erste Zusammentreffen von
Maxima tritt in der Phase T zum Zeitpunkt t2 ein (Kurve j). Dabei wird dies Ventil
7Ta gezündet, da der an das Gitter gelangende Impuls positiv ist und die Anodenspannung
des Ventils gleichzeitig positiv ist. Das Ventil bleibt stromführend, bis die Anodenspannung
abnimmt und sich dem Wert Null nähert. Das nächste Zusammentreffen von Maxima trifft
im der Phase S zum Zeitpunk t t3 ein, wobei das Venti17Sb positive Steuerspannung
erhält und gleichzeitig positive Avodenapannung hat. Auch dieses Ventil bleibt gezündet,
biss sich: seine Anodenspannung dem Wert Null nähert. Das dritte Zusammentreffen
von Maxima der beiden überlagerten Steuerspannungen trifft in der Phase R zum Zeitpunkt
t4 ein, wo das Ventil 7Ra positive Anodenspannung hat und einen positiven Gitterimpuls
erhält. Das vierte Zusammentreffen von Maxima erfolgt in der Phase T zum Zeitpunkt
t., wo nun das Ventil 7 Tb gezündet wird und eine Halbperiode lang leitend
bleibt (Kurve k). In gleicher Weise wird der Verlauf fortgesetzt, solange der Schalter
2 geschlossen ist. Im Zeitpunkt t6 sei der Schalter 2 geöffnet, worauf die Ventile
verlöschen, ein jedes, nachdem seine
Anodenspannung den Wert Null
durchlaufen hat. Jedes Ventilpaar hat dann eine ganze Periode des Wechiselstronies
durchgelassen. Der der Belastung Z zugeführte resultierende Strom I wird
für Kurve L dargestellt. Wie aus den Kurven in Fig. 3 hervorgeht, wird jedes
Ventil immer dann gezündet, wenn seine Anodenspannung den Wert Null durchschritten
hat und im Zunehmen begriffen ist. Das Löschen geschieht stets dann, wenn die Anodenspannung
im Abnehmen begriffen ist und sich dem Wert Null nähert. Irgendwelche Überspannungen
beim EinGchalten können dabei nicht entstehen.
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Die in Fig. 1 mit 1 bezeichnete StewerspannungsqueliIe, die eine Spannung
mit dreifacher Netzfrequenz liefern soll, kann mit drei gesättigten: TranG-formatoren
aufgebaut werden, wobei jeder Tranisformator eine Sekundärspannung liefert, deren
Kurvenform aus Fig.4 hervorgeht. Die Transformatoren werden so dimensioniert, daß
die Sekundärspannungen aus Spannungsspitzen etwa mit der Formhalber Sinuswellen
bestehen., deren Basis sich über 60 @elektrische Grade einer Netzspannungsperiode
erstreckt. In den Zeitabschnitten, in, denen die Transformatoren keine Sekundärspannung
liefern, sind sie gesättigt, so daß die Impedanz der Sekundlärwicklung darin klein
ist.
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Durch Anschluß der Transformatoren an die verschifedenen Phasen in
einer bestimmten: Reihenfolge und durch Serienschaltung der Sekundärwioklungen werden
die Sekundärspannungen der dsm Transformatoren addiert, so daß man eine fast sinusförmige
Spannung von der gewünschten Frequenz erhält.
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Das Schaltschema dieser Vorrichtung wird in Fi.g. 5 dargestellt. In
Fig. 5 sind die Primärwicklungen sterngeschaltet, womit der beste Leistungswirkungsgrad'
der Schaltung erreicht wird. Eine Dreieckschaltung ist aber auch möglich. Fig.6
gibt die Sekundärspannungen der drei Transformatoren (E2 R, Et s und E2
T) und .diie roswltierende Ausgungsspannung (E2) wieder. Die gestrichelten
Kurven! geben die entsprechenden Primärspannungen der Transformatoren an.
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Die beschriebene Vorrichtung erfüllt offensichtlich die Forderung,
daß die Steuerspannung stets eine gegebene Phasenlage zur Netzspannung haben soll.
Auch bei unsymmetrischer Phasenlage des Netzes wird diese Forderung erfüllt.
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In einer anderen Ausführungsform der Steu!erspannungsquelle werden
die drei Einphasen:transformatoren durch einen Dreipihasemtransformator ersetzt.
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In einer dritten Ausführungsform wird ein gesättigter D.reiphasentransformator
angewendet und die Spannung mit der gewünschten Frequenz zwischen dem Mittelpunkt
der sterngeschalteten Sekundärwicklungen und Erde abgenommen, wobei jede Sekundärwicklung
für sich belastet ist und der Mittelpunkt der Belastungsimpedanzen geerdet ist (s.
Fig. 7).
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Ein Elektronenschalter nach der Erfindung hat unter anderem folgende
Vorteile: 1. Die Dauer der der Belastung zugeführten Ströme (die sehr hohe Werte
annehmen können) kann. mit großer Genauigkeit bestimmt werden, da keine beweglichen
Teile in der Schaltvorrichtung verwernde@t werden und der Manöverschalter (die Exponierungsuhr)
ebenfalls unter Au schl:uß beweglicher T'eille aufgebaut werden kann.
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2. Das Ein- und Ausschalten kann aus gleichen Gründen in einem mit
großer Genauigkeit festgelegten Punkt der Netzspannungskurve geschehen. 3. Der Effektivwert
des während der Zuschlagszeit durch die Belastung fließenden Stromes kann: durch
Veränderung des Phasenwinkels zwischen Steuerund. Netzspannung geregelt werden,,
d. h., dker Phasenwinkel, in dem die Zündung der Ventile erfolgt, kann verschoben,
werden. Hierdurch können auch Schwankungen der Netzspannung, die unter anderem aals
Folge der Belastung eintreten können, kompensiert werden.
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4. Wie oben. dargelegt ist, ist os wünschenswert, daß die Zündung
der Ventile in, jeder Phase in einem Phasenwinkel geschieht, der dem Nulldurchgang
der Netzspannung oder einem bestimmten, kleinen Phrasenwinkel danach entspricht.
Mit der beschriebenen Schaltvorrichtung ist es möglich, die Einschaltung einer garnzen
Periode eines Dreiphasenstromes mit 50 Hz 33mal in einer Sekunde mit Phasenlage
durchzuführen.
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5. Der Manöversehalfier kann einpolig sein, dia er nur einen Einphasenstrom
zu schalten hat.
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Wenn ein Elektronenschalter nach der Erfindung für Kontrolle sehr
hoher Leistungen (150 kW oder darüber) vorgesehen ist, kann es zweckmäßig sein,
die gesteuerten Stromventile (vom Thyratrontyp) durch zündstiftgesteuerteEntladungsgefäße
(Ignitronröhren) zu ersetzen, die ihrerseits Zündimpulse von Thyrafironröhren (Zündthyratronröhren)
erhalten. Die letztgenannten Röhren können dabei so gesteuert werden, als ob sie
selbst vom Belastungsstrom durchflossen würden. Auch diese Abänderung fällt also
in den Rahmen der Erfindung.