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Anordnung zur Regelung der Stromstärke in Lichtbogengleichrichtern.
Die Erfindung bezieht sich auf 1Vechselstromgleichrichter, bei denen der Strom in
Forrn eines Lichtbogens zwischen einer Glühkathode oder einer flüssigen metallischen
Kathode (beispielsweise einer Quecksilberkathode) mit einen Kathodenfleck, der durch
einen kleinen Hilfsbogen .aufrechterhalten wird, und einer oder mehreren Anoden
fließt. .-Ms Glühkathode findet bei derartigen Apparaten beispielsweise ein in einem
verdünnten
Gase, wie Neon oder Argon, untergebrachter Draht Verwendung,
der durch den Durchgang eines Stromes im Glühzustande erhalten wird. Die Erfindung
bezweckt, den von derartigen Apparaten gelieferten Strom in kontinuierlicher Weise
regelbar und veränderlich zu machen.
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Bei den bekannten lochevakuierten Dreielektrodenröhren kann man den
Strom zwischen der Glühkathode und der Anode durch Änderung des Potentials des Gitters
regeln. In entsprechender Weise hat man auch bei mit Wechselstrom oder Gleichstrom
gespeisten Lichtbogenapparaten der oben gekennzeichneten Art schon vorgeschlagen,
in die Strombahn ein gekühltes Gitter zu bringen, dessen Potential zwecks Einwirkung
auf Aden gelieferten Strom geändert wird. Ferner hat man den Vorschlag gemacht,
um den Apparat einen Leiter anzubringen, dessen Potential man verändert. Die auf
diese Weise herge-
| stellten App # werden beispielsweise in |
| den bekann e 4 rbaltungen als Gleichrichter, |
| Verstärker,sistrornerzeuger, für hohe |
| oder niedrige ' requeriz benutzt. Bei ihnen |
| kann die elektrostatische Wirkung der Steuer- |
| e14troxie die Zün4ung des Bogens nur ent- |
| weder beschleunigen oder verzögern. Nachdem |
der Bogen aber einmal zwischen der Kathode und einer Anode eingeleitet worden ist,
kann ,er nicht wieder durch die Steuerelektrode zum Erlöschen gebracht werden. Daraus
ergibt sich, daß man mit Hilfe der bis jetzt bekannten Schaltungen die Stärke des
durch eine Anode gelieferten Stromes nicht vollständig nach Belieben und in allmählich
fortschreitender Weise regeln kann. Besonders, wenn der Apparat mit Wechselstrom
gespeist wird und als Gleichrichter oder Verstärker arbeitet, ist es nicht möglich,
im Nutzstromkreise nach Belieben die jeweils gewünschte Spannung oder Stromstärke
zu erhalten.
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Dieser Übelstand besteht bei den hochevakuierten Röhren mit drei Elektroden
nicht. Hier kann man bekanntlich durch Veränderung des Potentials des Gitters die
Stärke des Stromes zwischen Glühkathode und Anode in kontinuierlicher Weise verändern.
Diese Lampen leist'i#ii aber anderseits nicht dieselben Dienste wie die Lichtbogenapparate.
Sie liefern selbst bei sehr großen Abmessungen nur einen verhältnismäßig schwachen
Strom. Ferner ist der Spannungsabfall .im Vakuum zwischen Glühdraht und Anode erheblich
und daher der Wirkungsgrad bei niedrigen Spannungen gering.
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Die Erfindung bezweckt, unter Vermeidung des angedeuteten Übelstandes
bei mit Wechselstrom gespeisten Lichtbogenapparaten fast alle Schaltungen benutzen
und die meisten An-' wendungsmöglichkeiten ausnutzen zu können, die bisher den Dreielektrodenlampen
vorbehalteil waren. Sie besteht darin, daß man zwischen einer Elektrode des Apparates
und einer in ihrer Nähe angeordneten Steuerelektrode nicht mehr wie bisher eine
konstante Potential-' differenz oder eine wechselnde Potentialdifferenz, die mit
dem Potential dieser Elektrode in Phase oder ihr gegenüber um einen bestimmten Betrag
in der Phase verschoben ist, erzeugt, sondern daß man Vorrichtungen vorsieht, mittels
welcher man die Phasen der Spannung an der Elektrode und Steuerelektrode gegeneinander
nach Belieben. verschieben kann. Auf diese Weise kann der Lichtbogen während eines
bestimmten Bruchteils der Halbperiode, für die die entsprechende Anode positiv ist,
unterdrückt werden. Derartig beeinflußbare Steuerelektroden lassen sich natürlich
gleichzeitig bei mehreren Elektroden an-wenden.
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Die Phasenverschiebung kann derart geregelt werden, daß oder Bogen
zwischen einer beliebigen Anode und der Kathode während jeder Periode nur innerhalb
zweier nach Belieben bestimmbarer Zeitpunkte aufrechterhalten bleibt. Es wird auf
diese Weise möglich, idie Stärke des durch die Anode gelieferten sowie die mittlere
Spannung des .gleichgerichteten Stromes allmählich zu ändern. Die neue Einrichtung
kann nicht nur als Verstärker, dessen Charakteristik nicht den scharfen Knick aufweist
wie bei den bisher vorgeschlagenen Schaltungen, benutzt 'werden, sondern auch unter
Verwendung geeigneter Schaltungen als Spannungsregler oder -transformator, als Anlaßwiderstand,
als Abwärtstransformator und als Phasenkompensator, wie sich aus den nachstehenden
Darstellungen ergeben wird.
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Die Erfindung ist in den Abbildungen in verschiedenen Ausführungsformen
dargestellt, und zwar bezieht sich Abb. i auf eine Entladungsröhre mit nur einer
Anode. Diese kann in der angegebenen Schaltung als Verstärker- oder Spannungsregler
benutzt werden. Die Phasenverschiebung der Spannung zwischen Anode und Steuerelektrode
wird mit Hilfe einer veränderlichen Selbstinduktionsspule erreicht.
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Abb. a stellt schematisch die Änderung der Spannung und der Stromstärke
in einer Röhre nach Abb. i in Abhängigkeit von der Zeit dar.
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j Abb. 3 stellt ein Entladungsrohr mit zwei Anoden dar.
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I Abb. q. bezieht sich auf eine Anordnung mit einer größeren Anzahl
von Anoden, die durch ein Mehrphasenstrommetz gespeist wird. Sie ist besonders von
Bedeutung für die Her-; stellung eines Frequenztransformators und eines Phasenkompensators.
Abb.
5 stellt schematisch die Spannung und Stromstärke zwischen jeder Anode und der Kathode
bei einer Anlage nach Abb. d. dar. ' In Abb. 6 ist ein Gefäß mit mehreren Kathoden
dargestellt, in welchem die Stromrichtung nach Belieben umgekehrt werden kann.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. i enthält das Gefäß i eine Ouecksilberkathode
2, auf der mit Hilfe einer Hilfselektrode 3, die durch ein Gleichstromnetz .4, .
über einen regelbaren Widerstand 5 gespeist wird, ein glühender Kathodenfleck unterhalten
wird. Die Quecksilberanode 6 ist über den die Verbraucher A enthaltenden Nutzstromkreis
an ein Wechselstromnetz 8, 8' mit der Stromduelle 8" angeschlossen. Eine die Anode
6 umgebende Hülle 9 ,bildet die Steuerelektrode und ist mit der Kathodenzuleitung
über einen Widerstand io und mit dem anderen Pole des Wechselstromnetzes 8 über
die Primärwicklung eines kleinen Transformators i i verbunden, dessen Selbstinduktion
durch allmähliches Kurzschließen der Sekundärwicklung über einen veränderlichen
Widerstand 12 verändert werden kann. Statt des Transformators i i könnte auch eine
Drosselspule mit veränderlicher Selbstinduktion verwendet werden.
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Das Gefäß wird zweckmäßig durch Eintauchen in ein mit isolierender
Flüssägkeit, beispielsweise Ö1, gefüllten Behälter 13 gekühlt.
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Statt der äußeren Steuerelektrode kann auch ein in der Bahn des Lichtbogens
liegendes gekühltes Gitter benutzt werden.
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Der zur Veränderung des Potentials der Belegung 9 erforderliche Strom
ist außerordentlich schwach im Verhältnis zu dem, der durch den äußeren Stromkreis
7 geliefert wird, so daß der Widerstand io und die Selbstinduktion i i ohne Nachteil
sehr hoch sein können. Da oder in ihnen fließende Strom nur schwach ist, können
die Abmessungen sehr gering sein. Die Spannung des Sekundärstromes des Transformators
i i kann - derart gewählt werden, daß man den veränderlichen Widerstand 12 möglichst
billig ausführen kann. Dieser Regehviderstand ist, was einen weiteren Vorteil bedeutet,
von den übrigen Teilen isoliert.
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Die Röhre wird mittels der Elektrode 3 gezündet und im Betriebe gehalten.
In der Abb. 2 ist durch die Kurve 14 schematisch die Potentialdifferenz zwischen
der Käthode 2 und der Anode 6 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die darunterliegende
Kurve 20 veranschaulicht die Stärke, die der @'@Techseistrom haben würde, wenn er
unbeeinflußt die Röhre durchfließen würde. Die Kurve 15 stellt die Potentialdifferenz
zwischen der Kathode 2 und der Hülle 9 dar. Die Phasenverschiebung der beiden Sinuslinien
14 un--1 15 gegeneinander, d. h. der Abstand 16 bis 17 kann durch entsprechende
Einstellung des Widerstandes 12 in ununterbrochener Weise verändert werden. Solange
das Potential 15 der Belegung 9 gegenüber der Kathode 12 unterhalb eines- gewissen
durch die wagerechte Linie i8 dargestellten Wertes liegt, kann ein Bogen zwischen
der Kathode und der Anode nicht entstehen. Wird dieser Potential z. B. beim Punkte
18' erreicht, so zündet der Bogen, und die Potentialdifferenz zwischen der Kathode
und der Anode (siehe Kurve 14) nimmt einen ziemlich geringen und konstanten Wert
i g' an, der im Falle eines Quecksilberlichtbogens etwa i i Volt beträgt. Diese
Potentialdifferenz ist durch die wagerechte Linie i9 dargestellt. Gleichzeitig nimmt
die Stromstärke 2o in der Anode (siehe untere Kurve), die bei 20' Null ist, plötzlich
einen ziemlich hohen Wert 2o" an, der von der eingestellten Phasenverschiebung und
der Selbstinduktion des Stromkreises abhängt. In der Abb. 2 ist angenominen, daß
der N utzstrornkreis keine Selbstinduktion besitzt, so daß nach der Zündung die
Stromstärke in einer Sinuslinie -2ö'-2o"' verläuft. In dem Augenblick, in welchem
die Spannung (sie-he Kurve 1q.) beim Punkte i9" unter die Spannung i9 sinkt, die
nötig ist, um den Bogen zwischen den- Elektroden aufrechtzuerhalten, erlischt der
Bogen. Die gleichen Erscheinungen wiederholen sich bei jedem Wechsel.
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Die Abb. 3 zeigt die Schaltung einer Röhre gemäß der Erfindung mit
einer Kathode und z we, Anoden. An die '-#-litte- der Wicklung des Speisetransformators
21 ist der äußere Nutzstromkreis 22 angeschlossen, und zwar ist die 1Litte über
den Verbraucher 22 mit der Kathode 23, deren Kathodenfleck durch die Hilfsanode
24 aufrechterhalten wind, verbunden. Die Anoden 25 und 26 sind an die beiden Enden
21' und 21" der Transformatorwicklung angeschlossen. Die Steuerelektroden 27, 28,
die bei 21"' am -Mittelpunkte des Transformators 21 liegen, wirken elektrostatisch
auf die Entladungen ein und verzögern die Zündung des Bogens, Ihre Spannung gegenüber
der Kathode 23 wird gegenüber derjenigen der Anoden 25, 26 mit Hilfe von Widerständen
29, 30 und von veränderlichen Selbstinduktionen 31, 32 in der Phase verschoben.
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Um den Wert der Selbstinduktionen und damit die Phasenverschiebung
zu ändern, kann man beispielsweise die gegenseitige Induktion der Spulen 31 und
3 2 ändern, ferner kann man die Selbstinduktionen der Spulen in ähnlicher Weise,
wie bei Abb. i beschrieben wurde, dadurch ändern, daß man sie als Primärwicklung
eines
Transformators ausbildet, dessen Sekundärwicklung an veränderliche Widerstände angeschlossen
ist.
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Bei dieser Schaltung kommt es bei bestimmten Gzfäßformen und bei zu
hohem Druck des Quecksilberdampfes vor, daß die Regelung der Stärke des gelieferten
Stromes unmöglich ist, und daß der Lichtbogen nicht erlöschen will. Man kann nm
allgemeinen diesen Fehler dadurch beseitigen, daß man längs der Wandungen weitere
Hüllen 33, 34 anbringt, die bei 2r"' mit dem Mittelpunkte des Transformators (wie
durch die ausgezogenen Linien in Abb. 3 angedeutet) oder bei 23' (wie durch die
gestrichelten Linien angegeben) mit der Kathode verbunden werden, oder aber man
hält die Hülle 33 auf einem Potential, das gegenüber ihrer Anode eine negative Phasenverschiebung
aufweist, beispielsweise indem man sie an 26 anschließt. Dasselbe gilt für die Hülle
34, die mit 25 zu verbinden wäre.
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Abb. 4 bezieht sich auf einen mehrphasigen Gleichrichter mit sechs
Anoden. Die Sekundärseite des sechsphasigen Transformators 35 speist die sechs Anoden
36, 37, 38, 39, 40 und 41, deren jeder eine Steuerelektrode42 zugeordnet ist. Die
in der Abbildung als leitende Hüllen dargestellten Steuerelektroden könnten durch
Gitter.im Liditbogenraume ersetzt werden. Die mittels der Hilfselektrode 44 wirksam
erhaltene Kathode .I3 ist mit dem i"l:ittelpunkte des Transformators über den Nutzstromkreis
45 entsprechend einer der für Quecksilberdampfgleichrichter bekannten Schaltungen
verbunden. Mit Hilfe mehrerer geeigneter Anzapfungen oder Hilfswicklungen des Mehrphasentransformators
wird in einem Magnetstromkreise 46 von kleinen Abmessungen ein Drehfeld erzeugt.
Es kann dies beispielsweise mit Hilfe der Spulen 47, 48, 49 geschehen. Man kann
dann die Phase der Spannung einer beliebigen Steuerelektrode, beispielsweise der
Elektrode 42, dadurch ändern, daß man die Lage der Speisespule 5o gegenüber den
festen Spulen 47, 48, 49, die das Drehfeld erzeugen, verändert. Die für die Steuerung
der Entladung über die sechs Anoden notwendigen sechs Spulen 50 können auf
einem gemeinsamen beweglichen Kern derart angebracht sein, daß ihre Wicklungen nach
Art der Wicklungsabschnitte eines Dynamoankers ausgebildet sind. Man erzielt dann
allmähliche Änderungen in der Stärke ödes gelieferten Stromes, wenn man den beweglichen
Kern innerhalb des Drehfeldes sich langsam drehen läßt. Läßt man den Kern ununterbrochen
mit einer gewissen Geschwindigkeit umlaufen, so kann man im Nutzstromkreise einen
Wellenstrom entnehmen, dessen Frequenz von- der Umlaufsgeschwindigkeit des Kernes
abhängt. Man erhält auf diese Weise einem. Frequenztransformator. Man kann die Schaltung
vervollständigen, indem man mehrere Apparate der beschriebenen Art zu einer Mehrphasenverteiilung
ausnutzt. Beispielsweise kann man auf diese Weise mit Hilfe von drei Apparaten einen
Dreiphasenstrom mit einer anderen Frequenz als das Netz erzielen.
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Auf eine derartige Drehfeldanordnung zur Beeinflussung der Steuerelektroden,
wie sie bei einer Anordnung gemäß Abb. 4 durch die Spulen 47, 48 und 49 verwirklicht
ist, können alle Verbesserungen Anwendung finden, welche für die Mehrfachwicklungen
der Dynamomaschine oder der mehrphasigen Statoren bekannt sind.
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In -sehr einfacher Weise kann mittels der gemäß der Erfindung gestanzten
Entladungsröhren ein Phasenkompensator hergestellt werden oder eine Vorrichtung,
die den Leistungsfaktor verbessert, geschaffen werden. Es genügt, eine derartige
Phasenverschiebung einzustellen, daß der von jeder der Anoden gelieferte Strom der
Spannung des Speisetransformators voreilt. Man kann durch Anwendung der Erfindung
Anordnungen schaffen, die selbsttätig den Spannungsabfall in den Leitungen eines
Verteilungsnetzes ausgleichen. Des weiteren ist es möglich, die Spannung oder die
Stärke des durch die Entladungsröhre gelieferten Stromes nach Belieben und ununterbrochen
dadurch zu verändern, daß man den Wert einer in passender Weise mit der Steuerelektrode
verbundenen Selbstinduktion oder eines entsprechend geschalteten Widerstandes ändert
oder unmittelbar entsprechende Spannungen auf die Steuerelektrode einwirken läßt.
Es ist ohne weiteres verständlich, daß. man diese Änderung der Steuerspannung durch
den beweglichen Teil eines Voltmeters oder Amperemeters erzeugen kann. Ferner kann
man zur Änderung der Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Spannung an der
Steuerelektrode mittels veränderlicher Selbstinduktionen die bekannte Erscheinung
benutzen, daß sich die Selbstinduktion einer Spule mit Eisenkern mit der Sättigung
des Eisenkernes ändert und durch geeignete Schaltungen den Magnetisierungsstrom
des Kernes beeinflussen. Man kann z. B. auf diese Weise selbsttätig die Netzspannung
-in Abhängigkeit von der Stromstärke regeln und dadurch eine Art Compoundierung
erzielen, daß man den Nutzstrom zur Sättigung des Kernes der Selbstinduktionsspule
durch entsprechende Anordnung der Wicklungen auf diesem. Kern ausnutzt.
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Die Wirkungsweise eines Gleichrichters nach Abb. 4 als Spannungsregler
oder als Anlaßwiderstand ist schematisch in Abb. 5 dargestellt. Die Sinuskurve 51
der unteren
Abbildung stellt die Potentialdifferenz zwischen dem
Nullpunkt des Transformators und einer der Anoden dar. Die stark ausgezogene gezahnte
Kurve 52 der oberen Abbildung stellt die Stärke des gelieferten Stromes dar. Die
ausgezogene abgesetzte Kurve 53 der unteren Abbildung gibt die Spannungsdifferenz
zwischen einer Anode und der Kathode wieder. Die Kurve 54 veranschaulicht die Spannungsdifferenz
zwischen der Kathode und der Steuerelektrode.
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Die Wirkungsweise des Apparates ist nach den oben an Hand der Abb.
2 gegebenen Erläuterungen leicht verständlich. Solange die Spannungsdifferenz zwischen
Kathode und Steuerelektrode (vgl. Kurve 54) unterhalb eines bestimmten kritischen
Wertes 54' liegt, kann eine Entladung zwischen der Kathode und der zugehörigen Anode
nicht einsetzen. In dein Augenblicke, in welchem diese Spannungsdifferenz erreicht
ist, setzt sie ein und bleibt bis zu dem Augenblicke bestehen, wo über die folgende
Elektrode ihrerseits entsprechend dem Werte der Spannung ihrer Steuerelektrode der
Strom einsetzt.
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Abb. 6 veranschaulicht die Schaltung eines Gleichrichters mit mehreren,
beispielsweise zwei, dauernd auf hoher Temperatur gehaltenen Elektroden. Mittels
dieser Anordnung kann man nach Belieben die Stromrichtung im Gefäß in einem gegebenen
Augenblick umkehren sowiz die Stromstärke regeln. Die Kathoden 55 und 56 werden
durch die Hilfselektroden 57 und 58 wirksam gehalten. Mit Hilfe der Steuerelektroden
59 und 6o kann die Zündung des Bogens in der einen oder der anderen Richtung verhindert
werden. Zu diesem Zwecke ist die Steuerelektrode 59 mit der Kathode 56 über eine
Wicklung 62 verbunden, die eine bestimmte, hinsichtlich der Stärke und der Phase
veränderliche Spannung liefert. In gleicher Weise ist die Belegung 6o mit der Kathode
55 über eine Wicklung 6 1 verbunden. Die Spulen 61 und 62 können im Innern
des Drehfeldes 63 verschoben werden. Speist man die Entladungsröhre mit Wechselstrom,
so kann man nach Belieben die Richtung und die Stärke des durch das Gefäß fließenden
Stroines ändern, indem man die Größe und Phase der die Steuerelektroden speisenden
Spannungen entsprechend wählt.