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Stromrichteranordnung mit steuerbarer Ausgangsspannung Die Erfindung
betrifft eine Stromrichteranordnung mit steuerbarer Ausgangsspannung und mit einem
Transformator, der an eine ein-oder mehrphasige Wechselspannungsquelle angeschlossen
ist, insbesondere zur Steuerung der Spannung eines Gleich- oder Wechselstromverbrauchers
mit veränderbarem Widerstand.
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Haibleiterstäbe aus Reinstsilizium zur Herstellung von naltleiterbauelementen
können bekanntlich dadurch hergestellt werden, daß ein dünner Stab oder ein dünnes
Band aus diesem Material erhitzt und auf dem glühenden Stab weiteres Material aus
einer gasförmigen Siliziumverbindung abgeschieden wird. Vor Beginn des Abscheidungsprozesses,
solange der Siliziumstab noch kalt ist, hat er einen hohen Widerstand und erfordert
deshalb zu seiner Erwärmung eine entsprechend hohe Spannung und geringe Stromstärke.
Durch das abgeschiedene Material wird der Stabquerschnitt erhöht und sein Widerstand
entsprechend vermindert. Mit zunehmendem Stabquerschnitt wird somit die erforderliche
Spannung und die erforderliche Stromstärke größer. Man hat deshalb bisher den Stab
über einen Stufenschalter an verschiedene Anzapfungen eines Anpassungstransformator
angeschlossen. Durch Einschaltung verschiedener Stufen kann die Spannung entsprechend
begrenzt werden. Der Anpassungstransformator kann über einen elektronischen Wechselstromsteller
an einen Netztransformator angeschlossen werden.
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Durch Zündeinsatzsteuerung der Ventile des Wechselstromstellers wird
die Heizspannung zwischen den einzelnen Stufen des Schaltere eingestellt. Dabei
erhält man eine Phasenverschiebung, die einen entsprechend schlechten Leistungsfaktor
der Anlage zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anlage ist ein
verhältnismäßig hoher Gehalt an Oberschwingungen mit entsprechender Rückwirkung
auf das speisende Wechsel- oder Drehstromnetz.
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Sie Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten NetzrückwirKtingen
Zh vermindern oder gar zu vermeiden und den Leistung faktor der Anlage zu verbessern.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Parallelschaltung
von Stromrichterventilen oder -ventilsystemen vorgesehen ist, die an Teilwicklungen
der Transformatorsekundärwicklung angeschlossen sind. Es kann beispielsweise eine
Parallelschaltung von Ventilsystemen in Drehstrom-Brückenschaltung vorgesehen sein,
von denen jeweils die Ventile einer Brückenschaltung an Anzapfungen er Transformatorwicklung
dem Betrag nach gleicher Spannung angeschlossen sind. Die einzelnen Brückenschaltungen
sind aber verschiedenen Spannungsstufen zugeordnet. Werden die der höchsten Transformatorspannung
zugeordneten Ventile gesteuert, so erhält der Verbraucher die volle Transformatorspannung
und damit die größte Leistung. Durch die Steuerung derjenigen Ventile, die an Anzapfungen
verminderterTransformatorspannung angeschlossen sind, wird auch die Verbraucherspannung
entsprechend vermindert.
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Bei Voltaussteuerzng der einer der Spannungsstufen zugeordneten Ventile
erhält der Verbraucher die vollen Halbschwingungen der zingangswechselspannung und
es wird nur die Höhe der Spannung begrenzt. Es tritt somit keine Phasenverschiebung
zwischen Verbraucherstrom und Eingangsspannung auf und man erhält einen entsprechend
guten Leistungsfaktor der Anlage. Zusätzlich kann innerhalb der Spannungsstufen
durch verzögerte Zündung ueiterer Ventile mit höherer Spannung innerhalb der Halbschwingung
die pannungszeitfläche verändert werden. Man erhält aber jeweils nur einen Spannungssprung
von einer zur nächsten Spannungsstufe.
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Auch in diesem Falle ergibt sich somit keine Phasenverschiebung und
nur eine unwesentliche Änderung der Welligkeit.
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Eine besonaers vorteilhafte Anordnung erhält man dadurch, daß Ventilgruppen
in Mittelpunktsschaltung an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen
sind. An die Anzapfungen sind Jeweils ein oder mehrere Ventile einer der beiden
Ventilgruppen angeschlossen, von denen jeweils stufenweise die an entsprechende
Anzapfungen angeschlossen und somit gleicher Spannungsgröße
und
entgegengesetzter Spannungsrichtung zugeordneten Ventile der beiden Ventilgruppen
in Abhängigkeit von der Verbraucherleistung gesteuert sind.
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Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung wird in der Stromversorgung
von Anlagen zur Abscheidung von Reinstsilizium aus einer gasförmigen Verbindung
gesehen. Die Erfindung kann jedoch allgemein zur Stromversorgung von Anlagen mit
elektrischer Beheizung, insbesondere von solchen Verbrauchern angewendet werden,
deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Das sind beispielsweise Anlagen
zur Oberflächenbehandlung von Drähten oder Bändern, bei denen jeweils ein Draht-
oder Bandabschnitt geheizt wird.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet sind widerstandsbeheizte Vakuumöfen,
die zum Härten von Material verwendet werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der ein Ausfihrungsbeisz el der Erfindung schematisch veranschaulicht
list.
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Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Anlage zur Speisung eines einphasigen
Wechselstromverbrauchers. In Fig. 2 ist die Anderung der Verbraucherspannung in
einem Diagramm veranschaulicht.
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Fig. 3 zeigt eine mehrphasige Anordnung nach der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein Verbraucher 2, der als ohmscher iderstand dargestellt
ist und beispielsweise ein Si1ziumstab sein kann, über einen Anpassungstransformator
3 und Ventilgrupper. , -11, 12 sowie einen Netztransformator 15 mit ei1sekundärwicklungen
16 und 17 und einer Primärwicklung S an eine hechselspannungsquelle angeschlossen,
die mit 19 bezeichnet ist. Die Ventile 7 und 8 sind jeweils an Anzapfungen der Teilwicklung
und die Ventille 11 und 12 sind jeweils mit einer Sekundarwicklung 4 und Primär-Teilticklungen
5 und 6 an Anzapfungen der Teilwicklung 16 angeschlossen. Die Anzapfungen sollen
so gestaltet sein, daß entsprechende Ventile der Ventilgruppen. beispielsweise die
Ventile 8 und 12 jeweils Spannungen @@ und -gleicher Große aber entgegengesetzter
Richtung erhalten. In der
einen Halbschwingung der Eingangewechselspannung
erhält deshalb die Teilwicklung des Anpassungstransformators 3 über die Ventile
7 und 8 eine Spannungszeitfläche, die dem Verbraucher 2 zugeführt wird. Entsprechend
erhält in der entgegengesetzten Halbschwingung der Eingangswechselspannung die Teilwicklung
6 des Anpasstinstransformators 3 über die Ventile 11 und 12 eine Spannungszeitfläche,
die dem Verbraucher 2 zugeführt wird.
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Durch den Anschluß der Ventile 7, 8, 11 und 12 über jeweils einen
Umschalter 9, 10, 1, und 14 kann jeweils ein Ventil an mehrere Spannungsstufen angeschlossen
und dadurch die Ausnutzung der Ventile verbessert werden.
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Nach Fig. 2a soll zu Beginn einer Halbschwingung der Eingangswechsel
spannung das Ventil 7 oder die Ventile 7 und 8 einen Zündimpuls mit dem Zindwinkelα0
erhalten. Dann führt das Ventil 8 einen Strom und der Wicklung 5 des Anpassungstransformators
3 wird die der Spannung U1 entsprechende maximale Spannungszeitfläche zugeführt.
In der entgegengerichteten Halbschwingung wird das Ventil 12 gezündet und die maximale
Spannungszeitfläche -lt der Spannung -Ul wird der Teilwicklung 6 zugeführt. Diese
maximale Spannung kann beispielsweise zur Aufheizung des Verbrauchers 2 im kalten
Zustand erforderlich sein. Sobald die Temperatur und der wuerschnitt des Siliziumstabes
2 zu- und sein Widerstand entsprechend abnimmt, kann die anliegende Spannung vermindert
werden. Zu diesem Zweck kann nach Fig. 2b in einer halbwelle das Ventil 7 unverzögert
gezündet und mit einem Zündwinkel 1 das Ventil 8 gezündet werden, so daß die gesamte
Spannungszeitfläche um ein Teilstück vermindert wird. In der entgegengerichteten
Halbwelle wird entsprechend das Ventil 11 unverzögert und das Ventil 12 mit einem
Zündwinkel oC2 gezündet.
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Durch Vergroderung des Zündwinkels der Ventileb und 12 kann die Spannungszeitfläche
stufenlos verkleinert weraen, bis durch Zündverzögerung dieser Ventile über die
gesamte Halbwelle nur noch die den Ventilen 7 bzw. 1 zugeordnete zweite Stufe der
Trans fo rmatorspannung dem Anpassungstransformator 3 zugeführt wIrd. 3lese apannur.gszeitfläche
wird weiter vermindert, wenn die
Schalter 10 und 14 umgeschaltet
und dadurch die Ventile 8 und 12 an die dritte Spannungsstufe angeschlossen werden
und anschließend nach Fig. 2c diese Ventile unverzögert gezündet, damit zunächst
die Spannung U3 zugeführt wird und dann die Ventile 7 und 11 mit einem Zündwinkel
s3 bzw. s 4 gezündet werden. Durch Umschaltung der Schalter 9 und 13 werden die
Ventile 7 und 11 an die vierte Spannungsstufe angeschlossen und die dem Verbraucher
2 zugeführte Spannungszeitfläche kann dann nach Fig. 2d durch Vollaussteuerung dieser
Ventile weiter vermindert werden. Diese kleinste Spannungsetufe kann vorzugsweise
so gewählt werden, daß eine weitere Veränderung der Spannung nicht erforderlich
ist.
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Dann wird eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom durch
die Steuerung der Ventile vermieden. Da Spannungssprünge in den Spannungszeitflächen
jeweils nur zwischen den benachbarten Stufen auftreten, ist auch die Welligkeit
des Verbraucherstromes entsprechend gering. Mit der Anordnung nach der Erfindung
können somit Rückwirkungen auf das speisende Wechselstromnetz weitgehend vermieden
werden.
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In Fig. 3 ist die Stromversorgung eines dreiphasigen Verbrauchers
22 dargestellt, der über einen dreiphasigen Anpassungstransformators 23 mit einer
Sekundärwicklung 24 und Primärteilwicklungen 25 und 26 sowie jeweils Ventilgruppen
28 bis 33 und einen Netztransformator 35 mit einer Primärwicklung 38 und den Sekundärteilwicklungen
36 und 37 an ein Drehstromnetz mit den Leitern R, S und T angeschlossen ist. Der
Verbraucher 22 kann beispielsweise die Heizanlage für einen Vakuumofen sein.
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Im Ausführungsbeispiel ist an die Anzapfungen der Wicklungen des Eingangstransformators
nur jeweils ein einziges Ventil angeschlossen. An jede der Anzapfungen kann jedoch
bei größerer Leistung auch eine Ventilgruppe mit einer Reihen- oder einer Parallelschaltung
von Ventilen angeschlossen sein.
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Ferner Kann statt des Wechselstromverbrauchers 2 bzw. 22 auch ein
Gleichstromverbraucher gespeist werden, der direkt an die Gleichstrom-Ausgangsleitungen
der Stromrichteranordnung angeschlossen
werden kann. In diesem
Fall wird ein Ausgangstransformator überflüssig.
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3 Figuren 5 Patentansprüche