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gendes Ventilspannungs-Direkt anzei-Meßgerät für Stromrichter Die
als Brennspannung bezeichnete Lichtbogenspannung einer Entladungsstrecke eines gesteuerten
oder unge-steuerten Gasentladungsstromrichters und ebenso der Spannungsabfall einesVentils
einesHalbleitergleichrichters in der Durchlaßrichtung sind Meßgrößen, deren Höhe
und deren zeitlicher Verlauf von großem betrieblichem Interesse sind. Die Höhe dieser
Spannungen, die zur allgemeinen Kennzeichming als Ventilspannung benannt werden
sollen, ist wesentlich mitbestimmend für den Wirkungsgrad einer Stromrichteranlage,
während ihr zeitlicher Verlauf einen Einblick in die richtige oder gestörte Arbeitsweise
einer Entladungsstrecke oder einer Ventilstrecke eines Halbleiterventils gewähren
k
Die Ventilspannungen einer Stromrichteranlage sind indessen nießtechnisch
schwer zugänglich, da die periodisch wiederkehrende Spannung einer Entladungsstrecke
bzw. eines Halbleiterventils nur während der mehr oder weniger kurzen Brenndauer
bzw. Stromflußdauer die interessierende Meßspannung darstellt. Während der übrigen
Zeitabschnitte der Periode der Wechselspannungen des Stromrichters herrschen dort
ganz andere Spannungen, nämlich zeitlich anschließend an die Stromflußdauer die
sogenannte negative Sperrspannung und gegebenenfalls zeitlich vorangehend die sogenannte
positive Sperrspannung, die but Zündverzögerung der Entladung auftritt.
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Zum Verstehen dieser Zusammenhänge ist in Fig. 1 der typische
Verlauf der Spannung an einer Ventilstrecke, beispielsweise eines sechspulsigen
gesteuerten Gasentladungsgleichrichters mit 1201 iZ,4 Brenndauer wiedergegeben.
Darin ist die der De lichkeit wegen maßstäblich vergrößert dargestellte mit UL bezeichnete
Ventilspannung durch Schra r, A,
hervorgehoben. Die Zündverzögerung ist mit
a, ddlie Brenndauer der Entladung mit A bezeichnet. Während der Zündverzögerung
besteht die mit dem Wert Null einsetzende und positiv ansteigende positive Sperrspannung,
nach Verlöschen der Entladung von der Brenndauer # die negative Sperrspannung.
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Zur Messung der Ventilspannung sind bisher zwei grundsätzlich verschiedene
Meßmethoden bekannt-, geworden. Die eine Methode beruht auf der Bestimmung
der Verlustleistung der Entladung der Ventilstrecke, beispielsweise mittels eines
Wattmeters, dessen Stromspule direkt oder über einen Stromwandler von dem Entladungsstrom
durchflossen ist und dessen Spannungsspule direkt oder über Ventile zum Schutz gegen
die Sperrspannungen an den Polen der Entladungsstrecke liegt. Diese Verlustleistung
ergibt, dividiert durch den mittleren Ventilstrom, den sogenannten wattmetrischen
Mittelwert der Brennspannung.
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Eine ähnliche bekanntgewordene Meßmethode beruht auf der Messung der
Verlustleistung unter Anwendung des Hall-Effektes.
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Einen ganz anderen Weg beschreiten weitere bekanntgewordene auf dem
Prinzip von reinen Spannungsmessungen Beruhende-Meginethoden--der Ventilspannung.
Bei diesen erfolgt, beispielsweise durch Anwendung von Hochvakaum - Gleichrichterröhren
und Verstärkerröhren, wie Trioden oder Pentoden, ...eine meßtechnische Abtrennung
der Ventilspannung ügd eine anschließende Vermessung dieser Spannung Üiispielsweise
auf Mittelwert oder Höchstwert.
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"l# Diese somit auf einer unmittelbaren Spannungsmessung beruhenden
Meßmethoden ermöglichen es nicht nur, die Höhe der Ventilspannung direkt
zur
Anzeige mittels eines Voltmeters zu machen, sondern auch den Verlauf der
Ventilspannung -abgetrennt von positiver und negativer Sperrspannung, mit einem
Oszillographen, vorzugsweise einem KathodenstrahlosziRographen unter möglichster
Ausnutzung der Größe seines Bildschirines sichtbar zu machen.
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Da derartige Messungen sowie der Anschluß eines Oszillographen mit
einer, wenn auch kleinen Stromaufnahme verbunden sind, ist es zur Erzielung genauer
Meßergebenisse und einer ungefälschten oszillographischen Wiedergabe der Brennspannung
oder Ventilspannung notwendig, daß der Eingangskreis der Meßeinrichtung, der die
Stufen zur meßtechnisehen Abtrennung der Sperrspannungen enthält, eine Spannungsquelle
mit niedrigem Innenwiderstand abgibt.
Bei einigen bekanntgewordenen
Meßanordnungen wird dies durch Zwischenschaltung eines Kathodenverstärkers erzielt,
der aus einer Verstärkerröhre und einem an die Kathode angeschlossenen, als Arbeitswiderstand
dienenden ohmschen Widerstand enthält. Zur weiteren Messung und Auswertung steht
dann die Spannung zwischen der Kathode und einer festen Hilfsspannung zur Verfügung,
die so gewählt werden kann, daß die abgenommene Spannung proportional der Eingangsspannung
der ganzen Meßeinrichtung ist, wobei der Proportionalitätsfaktor einen festen, wenig
unter 1 betragenden Wert hat. Damit ist die Brennspannung oder Ventilspannung
genau meßbar.
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Hierbei tritt indessen eine besondere Schwierigkeit auf, die bei der
Mittelwertmessung der Ventilspannung, einen Meßfehler verursachen und bei der Höchstwertmessung
der Ventilspannung zu völlig falschen Meßwerten führen kann, so daß ihr ein
besonderes Augenmerk zu schenken ist. Die Brennspannung einer Gasentladung weist
nämlich, wie Fig. 2 veranschaulicht, zu Beginn der Brenndauer unter Umständen eine
sogenannte Zündspitze auf. Ebenso kann auch bei Halbleiterventilen zu Beginn der
Stromflußdauer eine Spannungsspitze in dem Spannungsabfall in der Stromflußrichtung
auftreten. Jedoch beruht letzteres, wie Fig. 3 beispielsweise deutlich macht,
auf Einschwingvorgängen, hervorgerufen durch das periodisch wiederkehrende Anstoßen
eines Schwingungskreises, der aus der Sperrschichtkapazität des Halbleiterventils
und gegebenenfalls der Streuinduktivität des Transformators der Gleichrichteranordnung
gebildet ist.
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Eine weitere Spannung, die sich der Ventilspannung überlagern und
dadurch einen Meßfehler verursachen kann, ist die bei Gasentladungs-Stromrichtergefäßen
möglicherweise vorhandene und während der sogenannten Kommutierungsdauer zu Beginn
und Ende der Stromflußdauer entstehende Induktionsspannung, die auf der Magnetisierung
beispielsweise eines Anodenschutzrohres oder -bei Einanodenstromrichtern des Gefäßmantels
beruht. Sie besteht aus einer positiven Spannungsspitze zu Beginn und einer negativen
Spannungsspitze am Ende der Stromflußdauer, wobei indessen die letzigenannte Spannung
infolge ihres negativen Vorzeichens mit der negativen Sperrspannung unwirksam gemacht
ist.
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Während nun einerseits erwünscht ist, den Verlauf der Ventilspannung
beispielsweise im Kathodenstrahloszillographen mit allen Feinheiten des Kurvenverlaufes,
also einschließlich der eben beschriebenen Anfangs-Spannungsspitze und eventuell
noch überlagerten Hochfrequenzschwingungen wiederzugeben, muß zur richtigen Beurteilung
des Betriebszustandes der Ventilstrecke die Messung des Mittelwertes oder Höchstwertes
der Ventilspannung bei meßtechnisch unterdrückten Anfangs-Spannungsspitzen erfolgen.
Hierbei ist weiter erwünscht, daß die oszillographische Wiedergabe und die Meßwertanzeige
gleichzeitig und ohne gegenseitige Störung der Meßvorgänge stattfinden.
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Um dies zu ermöglichen ist bei einem direkt anzeigenden Ventilspannungs-Meßgerät
für Gasentladungsstromrichter und Halbleitergleichrichter, bei dem die positive
Sperrspannung im Bereich der Zündverzögerung und die negative Sperrspannung i -a-7en
Sperrbereich meßtechnisch unterdrückt sind und die Übertragung der verbleibenden
Ventilspannung auf die auswertende Meßanordnung mittels eines der Impedanzwandlung
dienenden Kathodenverstärkers erfolgt, erfindungsgemäß der Kathodenverstärker in
zwei Verstärkerstufen aufgeteilt ist, deren Verstärkerröhren parallelgeschaltete
Steuergitter aufweisen, an die die gegebenenfalls eine Anfangs-Spannungsspitze enthaltende
Ventilspannung angeschlossen ist, dagegen getrennte Kathoden besitzen, an die
je ein als Arbeitswiderstand dienender ohmscher Widerstand angeschlossen
ist, wobei der erste für den Anschluß eines Oszillographen vorgesehene Widerstand
unmittelbar als Spannungsquelle dient, während dem zweiten für den Anschluß einer
Meßeinrichtung zur Auswertung der Ventilspannung vorgesehenen Widerstand ein Kondensator
zur Unterdrückung der Anfangs-Spannungsspitze parallel geschaltet ist.
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Eine Prinzipschaltung eines beispielsweise an ein Stromrichtergefäß
angeschlossenen Ventilspannungs-Meßgerätes nach der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt.
Die vollständige Schaltung eines derartigen Ventilspannungs-Meßgerätes zur Höchstwertmessung
der Ventilspannung ist beispielsweise in Fig. 5 wiedergegeben.
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In Fig. 4 stellt 1 ein mehranodiges Stromrichtergefäß dar,
dessen Ventilspannung zwischen einer Anode A und der Kathode K gemessen werden
soll. Mit 2 ist -das Ventilspannungs-Meßgerlät als Geräteeinheit gekennzeichnet,
dessen Eingangsklemmen 3
und 4 mit der Anode A und der Kathode K des
Stromrichtergefäßes 1 verbunden sind. Unter den Bestandteilen des Gerätes
bedeutet 5 eine an sich bekannte Anordnung zur meßtechnischen Unterdrückung
der negativen Sperrspannung und der positiven Sperrspannung im Bereich der Zündverzögerung.
Im Ausgang dieser Anordnung erscheint daher die meßtechnisch abgetrennte Brennspannung
mit ihrer Zündspitze, wie durch die neben den Leitungen gezeichneten Oszillogramme
deutlich gemacht ist.
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Diese Ventilspannung ist den Steuergittern zweier Kathodenverstärker
zugeführt, die im wesentlichen aus den Trioden 6 und 8 und den Kathodenwiderständen
7 und 9 bestehen. Zu dem Kathodenwiderstand 9 des einen Kathodenverstärkers
ist ein Kondensator 10 parallel geschaltet, dessen Verbindung noch durch
einen Schalter 11, beispielsweise einen Ruhestrom-Druckknopfschalter, vorübergehend
aufgetrennt werden kann.
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Die beiden Kathodenverstärker dienen einerseits einer Impedanzwandlung,
d. h. der Umwandlung der gegebenenfalls hochohmigen Spannungsquelle im Ausgang
von 5 in eine niederohmige und damit rückwirkungsfreie belastbare Spannungsquelle
für die anschließenden Meßprozesse und andererseits zur gegenseitigen Entkopplung
der beiden Meßprozesse, wobei in diesem Zusammenhang das Oszillographieren im weiteren
Sinne ebenfalls als Meßprozeß bezeichnet ist.
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Die Kathode der Triode 6 und damit das eine Ende des Kathodenwiderstandes
7 ist mit der einen der beiden Ausgangsklemmen 13 des Gerätes verbunden,
an die ein Oszillograph 14 angeschlossen ist. Die andere Ausgangsklemme führt an
ein Festpotential.
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Die Kathode der Triode 8 und damit das eine Ende des Kathodenwiderstandes
9 und des Kondensators 10 ist mit einer an sich bekannten Meßeinrichtung
12 zur Auswertung des Mittelwertes oder des Höchstwertes der Ventilspannung verbunden.
Wie in Fig. 4 weiter deutlich gemacht ist, ist in der Eingangsspannung
12
die Anfangs-Spannungsspitze der Ventilspannung nicht mehr vorhanden, während sie
in der dem Oszillographen 14 zugeführten Signalspannung mit enthalten ist.
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Für die Bemessung des Kondensators 10 kann als Richtlinie gelten,
daß die Zeitkonstante T, gebildet aus der Kapazität C des Kondensators
10 und dem Innenwiderstand des Kathodenverstärkers Ri =lIS, worin
S die Steilheit der Triode 8 bedeutet, etwa gleich
der Wechselspannung des zu vermessenden Stromrichters sein muß. Dies ergibt beispielsweise
für S 5 mA/V und einer Netzfrequenz 50 Hz einen Wert
C 0,1 [tF. Mit diesem Wert sind die Anfangs-Spannungsspitze und etwaige
Hochfrequenzschwingungen beschnitten, ohne daß die kurvenmäßige Struktur der Ventilspannung
merklich verändert ist.
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Die vollständige Schaltung eines Ventilspannungs-Meßgerätes nach der
Erfindung für eine Höchstwertmessung ist beispielsweise in Fig. 5 wiedergegeben.
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Darin dient die Anordnung der Widerstände 15,
16 und
der Dioden 17, 18 der meßtechnischen Unterdrückung der negativen Sperrspannung,
während die Pentode 19, die über den Widerstand 20 und die Kopplungskapazität
21 angesteuert ist, die meßtechnische Unterdrückung der positiven Sperrspannung
im Zeitbereich der Zündverzögerung bewirkt. Zu diesem Zweck ist beispielsweise die
Zeitkonstante, aebildet aus der Kapazität 21, dem Widerstand 20 bzw. diesem Widerstand
in Verbindung mit dem Ableitwiderstand 22 so klein im Verhältnis zur Periodendauer
der Wechselspannungen des zu vermessenden Stromrichters gewählt, daß die Gitterspannung
etwa dem Differentialquotient der ansteigenden Sperrspannung proportional ist, der
im Bereich der Zündverzögerung positiv ist, so daß die Pentode nur in diesem Bereich
stromführend wird, während sie im übrigen Zeitbereich gesperrt ist.
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Die Anodenspannung der Pentode ist damit die Ventilspannung einschließlich
ihrer Anfangs - Spannungsspitze. Diese ist nun in der in Fig. 4 bereits angegebenen
Weise den Steuergittern von zwei Kathodenverstärkern mit den Trioden 6 und
8 und den Kathodenwiderständen 7 und 9 zugeführt. Letzterem
Widerstand ist die Kapazität 10 parallel geschaltet, deren Verbindung in
der bereits erwähnten Weise mittels eines Schalters 11, beispielsweise eines
Ruhestrom-Druckknopfes, nach Bedarf aufgetrennt werden kann.
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Die beiden Trioden 6 und 8 sind zur Verringerung des
Röhrenaufwandes in einer handelsüblichen Doppeltriode vereinigt, was bei den hier
in Betracht kommenden Spannungsdifferenzen zwischen den Kathoden und dem gemeinsamen
Heizfaden zulässig ist.
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Die Meßrichtung zur Auswertung der Ventilspannung, die an die Kathode
des Triodensystems 8 angeschlossen ist, kann zur Mittelwerts- oder zur Höchstwertmessung
der Ventilspannung ausgebildet sein. Bei der Mittelwertsmessung kann man beispiels-Weise
so vorgehen, daß man die Ventilspannung auf eine feste Zeit von beispielsweise 120'
C oder einem anderen Festwert austastet und von dieser so gebildeten Signalspannung
die Spannungszeitsumme auswertet. Oder man bestimmt die Spannungszeitsumme der Ventilspannung
in ihrer ganzen zeitlichen Ausdehnung und ermittelt außerdem die Brenndauer und
bildet dn--qn den Quotienten der beiden Meßgrößen.
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Die in Fig. 5 beispielsweise wiedergegebene Höchstwert-Meßeinrichtung
beruht auf einer Kondensatoraufladung auf diesen Höchstwert. Sie besteht aus einer
Doppeldiode 23, einem Kondensator 24, einem hochohmigen Entladewiderstand
25 und einer weiteren Kathodenverstärkeranordnung 26 in symmetrischer
Brückenschaltung sowie dem anzeigenden Spannungsmesser 27. Auch bei dieser
Verstärkeranordnung sind die beiden Triodensysteme in einer Doppeltriode vereinigt.
Die Brückenschaltung ist mittels des Potentiometers 26 so einstellbar, daß
bei Eingangsspannung Null an den Klemmen 3 und 4 der Spannungsmesser den
Skalenwert Null anzeigt. Die zweite Diodenstrecke der Doppeldiode 23 dient
der Kompensation der Spannung der ersten Diodenstrecke derselben Doppeldiode.
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An der zweiten Diodenstrecke entsteht eine an der Anode geg genüber
der Kathode negative Spannung, die durch zwei Spannungsabfälle an dem Parallelwiderstand
dieser Diodenstrecke bestimmt ist, von denen der eine durch den Anlauf-Elektronenstrom
und der zweite durch den über den Widerstand25 abfließenden Entladegleichstrom des
Kondensators 24 hervorgerufen wird. An der ersten Diodenstrecke entsteht in Abhängigkeit
von den Ladestromstößen durch die Ventilspannung bzw. durch die Spannung an dem
Widerstand9 eine Diodenspannung, deren Vorzeichen und Höhe bei vorgegebener Stromzeitsumme
des Ladestroms durch die zeitliche Länge dieser Ladestromstöße bestimmt ist. Richtet
man es nun so ein, daß bei einer mittleren Länge der Ladestrornimpulse, beispielsweise
von 120' el., die erste Diodenstrecke ebenso wie die zweiteimAnlaufstromgebiete
arbeitet und ihre Spannung der Spannung der zweiten Diodenstrecke etwa gleich ist
so wird die erste Spannung durch die zweite kompensiert. Bei einer anderen Länge
der Ladestromimpulse entsteht ein kleiner positiver oder negativer Meßfehler.
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Der Spannungsmesser zeigt den Höchstwert der Ventilspannung ohne ihre
Anfangs-Spannungsspitze an. Durch Drücken der Taste 11 wird indessen diese
Anfangs - Spannungsspitze meßtechnisch miterfaßt -, und es läßt sich an dem
Anstieg des Ausschlages des Spannungsmessers wahrnehmen, daß die Ventilspannung
eine Anfangs-Spannungsspitze oder gegebenenfalls eine überlagerte Hochfrequenzschwingung
besitzt.
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Die angewendeten Kathodenverstärker bewirken nicht nur eine Impedanzwandlung
bei einem Spannungs-übersetzungsverhältnis wenig unter 1, sondern auch eine
Verriegelung der Meßschaltung 12 und des Oszillographen 14 gegen überspannungen,
da nach überschreitung einer bestimmten positiven Eingangsspannung an den Klemmen
3 und 4, beispielsweise oberhalb 150 V bei einem Verstärker mit etwa
250 V Anodengleichspannung ein Gitterstromeinsatz stattfindet, womit die
überschüssige Eingangsspannung in den Eingangswiderständen der Anordnung
5 aufgezehrt wird.