DE523423C - Verfahren und Einrichtung zur Verhuetung von Rueckzuendungen bei Metalldampfgleichrichtern mit im Entladungsweg isoliert angeordneten Metallteilen bzw. Anodenhuelsen - Google Patents

Description

Bei Metalldampfgleichrichtern treten bekanntlich Rückzündungen auf, welche den Betrieb stören und von mancherlei nachteiligen Wirkungen begleitet sind. So z. B. kann eine in einen vollkommenen Kurzschluß übergehende Rückzündung das Material des Gleichrichters derart zerstören, daß der Betrieb nicht weitergeführt werden kann. Da bei einer Rückzündung der Strom von der (ursprünglichen) Kathode (oder von einer Anode) zu einer Anode fließt, welche hierbei die Eigenschaften einer Kathode annimmt, so ist es klar, daß die Rückzündung in den meisten Fällen in einem Augenblick einsetzen wird, in welchem das Potential der betreffenden Anode negativ gegenüber dem der Kathode ist. Das ist aber innerhalb einer Periode des Wechselstromes in derjenigen Zeit der Fall, in welcher diese Anode keinen Belastungsstrom führt.

Tm allgemeinen weist nun stets eine isoliert angeordnete Anodenhülse ein Potential auf, das zwischen demjenigen der zugehörigen Anode und demjenigen der Kathode liegt.

Geht von einer Anode jedoch ein Lichtbogen aus, dann stellt dieser die leitende Brücke zwischen Anode und Anodenhülse dar und bewirkt die Gleichheit des Potentials beider Teile.

Man hat nun versucht, die Rückzündungen durch eine Unterteilung oder Formgebung der Anodenhülsen zu vermeiden, aber alle diese Bestrebungen waren nahezu ganz ohne Erfolg geblieben, weil die Anodenhülsen den Übertritt des Stromes von der Kathode zur Anode nicht von selbst verhindern. Ist das Bestreben der Rückzündungsbildung vorhanden, dann nehmen die Anodenhülsen schon als Folge des wachsenden Glimmstromes ein Potential an, welches positiv gegenüber dem Potential der zugehörigen Anoden ist und das Fließen eines Stromes begünstigt. Ein anderes Verfahren bestand darin, den Anodenhülsen ein wechselndes Potential aufzudrücken, derart, daß sie über einen mehr oder weniger großen Teil jeder Periode des gegebenen Wechselstromes gegenüber den zugehörigen Anoden ein negatives Potential besaßen. Hierzu wurden entweder rotierende Umschalter verwendet, welche eine gegebene Gleich- g₀ spannung in eine Wechselspannung umwandelten, die zur Steuerung der Anodenhülsen diente, oder aber diese Hülsen wurden unmittelbar an eine durch Transformation des gegebenen Wechselstromes gewonnene Wechselspannung gelegt. Rotierende Umschalter sind aber empfindliche Apparate, welche leicht zur Funkenbildung neigen, einen besonderen Antrieb erfordern und dem Charakter einer statischen Gleichrichteranlage, bei welcher bewegte Teile nach Möglichkeit vermieden werden sollen, nicht entsprechen. Die Verwendung einer durch Transformation gewonnenen Wechselspannung genügt aber an sich

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nicht zur Erreichung des erstrebten Zweckes. Der Mittelpunkt (Sternpunkt) der die Hülsen speisenden Transformatorwicklung besitzt ungesteuert im allgemeinen das gleiche Potential wie der Mittelpunkt (Sternpunkt) der die Anoden selbst speisenden Sekundärwicklung des Haupttransformators. Mindestens aber ist sein Potential nicht eindeutig bestimmt und festgelegt. Das hat zur Folge, daß, falls ίο die Hiilsenspannung kleiner gewählt ist als die Anodenspannung, das Hülsenpotential in der Sperrzeit der Anoden höher als das der Anoden ist. Wird die Hiilsenspannung aber größer als die Anodenspannung gewählt, dann ist das Hülsenpotential zwar in einem gewissen Teil der Sperrzeit negativer als das Anodenpotential, aber im ersten und letzten Teil der Sperrzeit wird es über das Anodenpotential gehoben und kann daher während dieser Zeiten das Eintreten von Rückzündüngen nicht verhüten.

Gemäß der Erfindung wird die Potentiallage der im Entladungsweg isoliert angeordneten Metallteile bzw. Anodenhülsen gegenüber der die Anoden speisenden Transformatorenwicklung durch eine zusätzliche Gleichspannung festgelegt bzw. gesteuert. Das elektrische Potential der genannten Metallteile ist hierdurch mit Sicherheit zwangsweise derart eingestellt, daß das Potential der Anode in den für die Rückzündung günstigen Zeiten positiv gegenüber dem Potential der Metallteile bzw. der Hülse ist.

Es sei in Abb. 1 die Kurve des Potential-Verlaufes einer Anode während einer Periode des Wechselstromes mit α bezeichnet. Besitzt der Gleichrichter beispielsweise sechs Anoden, dann führt jede Anode in der Zeit von ^a/₆ Periode den Belastungsstrom. In' Abb. 1 ist diese Zeitdauer durch die Zeit t_t-t₂ dargestellt. In dieser Zeit ist das Potential der Anode gegenüber dem der Kathode positiv. Die Gerade 1-1 stellt das konstante Potential der Kathode dar. Man erkennt, daß aufSerhalb der Zeit i_x-i„ das Anodenpotential gegenüber dem Kathodenpotential negativ ist und daß also außerhalb der genannten Zeit die Möglichkeit einer Rückzündung besteht. Gibt man nun aber in dieser Zeit z. B. der Anodenhülse gegenüber der Anode ein negatives Potential, dann übt die Anodenhülse eine Schirmwirkung gegen den Übertritt eines Rückzündungslichtbogens von der Kathode zur Anode aus, indem zwischen Anode und Hülse als Folge der Spannungsrichtung nur ein Strom in Richtung Anode-Hülse fließen könnte und nicht umgekehrt. In Abb. 1 ist durch Kurve b beispielsweise eine Potentialkurve der Anodenhülse dargestellt, wie sie erfindungsgemäß durch die zusätzliche Gleichspannung erzielt wird. Ihre Lage gegenüber der Kurve α ist im dargestellten Falle eine derartige, daß man zu ihr gelangt, wenn man alle Ordinatenwerte von a um einen konstanten Betrag e erniedrigt. Um' einen solchen Verlauf der Potentialkurve b der Anodenhülse zu erhalten, werden die Anodenhülsen an eine besondere, in Stern geschaltete .Sekundärwicklung des den Gleichrichter speisenden Transformators angeschlossen, welche gegenüber der eigentlichen Sekundärwicklung die sekundäre Hilfswicklung genannt werden soll. Die sekundäre Hilfswicklung soll beispielsweise die gleiche Spannung haben wie die die Anoden speisende sekundäre Hauptwicklung des Transformators, aber sie soll von dieser zunächst unabhängig und galvanisch getrennt sein.

Um nun aber den Anodenhülsen in jedem Zeitmoment ein gegenüber der zugehörigen Anode negatives Potential zu geben, wird zwischen den Nullpunkt der sekundären Hilfswicklung und dem der sekundären Hauptwicklung eine relativ kleine Gleichstromspannung geschaltet, deren Spannungsrichtung eine solche ist, daß der Nullpunkt der Hauptwicklung positiv gegenüber dem Nullpunkt der Hilfswicklung ist. Als Spannungsquelle kommt ein kleiner Umformer, Gleichrichter oder eine Batterie in Betracht, wobei zu beachten ist, daß es sich nur um Lieferung sehr kleiner Ladeströme handelt.

Dieses Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung zur Ausübung des neuen Verfahrens soll an Hand der Abb. 2 näher erläutert werden. In dieser Abbildung bedeutet A^r,_v ein Dreiphasennetz, P₁ die Primärwicklung des den Gleichrichter G speisenden Transformators T, Q₁ die sekundäre Hauptwicklung und Q₂ die sekundäre Hilfswicklung des Transformators T, a_t bis a_& sind die Anoden, H₁ bis h_ü die zugehörigen Anodenhülsen, k ist die Kathode des Gleichrichters G.

Wie aus Abb. 2 ersichtlich, ist der Nullpunkt O₁ der Wicklung Q₁ mit dem Nullpunkt O₂ der Wicklung O₂ über die Batterie B verbunden, deren Spannungsrichtung von O₁ nach O₂ weist. Von O₁ geht der (—j-Leiter, von k der (-J-)-Leiter des Gleichstromnetzes Ng aus. Irn dargestellten Beispiel sind die Anodenhülsen Ji₁ bis A₀ isoliert angebracht. Ist die Spannung an den Klemmen der Wicklung Q₁ gleich der Spannung an der Wicklung Q₂, dann ist in jedem Zeitmoment das Potential der Anodenhülse um den Betrag e der Batteriespannung niedriger als das der zugehörigen Anoden. Eine Rückzündung kann somit nicht Zustandekommen. In der Abbildung sind in den die Anodenhülsen mit den Klemmen der Hilfswicklung Q₂ verbindenden Leitungen noch die Widerstände W₁ bis W₆ vorgesehen, welche ohmisch, induktiv oder kapa-

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zitiv sein können. Sie haben folgende Bedeutung: Durch die Einfügung der Spannung e ist zwar das Potential der Hülse unter das Potential der Anode gesenkt. Da aber die Hülse von den von der Kathode ausgesandten Ionen getroffen wird, kommt stets außerhalb der Zeit I₁-I,, (Abb. i) ein durch die Hülse gehender zurückfließender Strom zustande, welcher das Potential der Hülse erhöht und

to unter Umständen die Wirkung der Spannung e kompensiert. Durch die Vorschaltung der Widerstände W₁ bis w_ü kann dieser zurückfließende Strom so niedrig gehalten werden, daß sein Einfluß auf das Potential der Hülse verschwindet.

In anschaulicher Weise läßt sich das Verhalten der beschriebenen Einrichtung an Hand der Abb. 3 erläutern. In Abb. 3 liegen alle sechs Anoden des Gleichrichters O₁ bis ο_β auf einem Kreisbogen α im Winkelabstand von 6o°. Die speisende Sekundärwicklung Q₁ besitzt den Sternpunkt O₁. Die zugehörigen Gitter ^₁ bis g_a liegen ebenfalls auf einem gegen den ersten verschobenen Kreis g, ebenfalls im Winkelabstand von 60° gegeneinander. Der Sternpunkt der die Gitter speisenden Sekundärwicklung Q₂ ist mit O₂ bezeichnet. In Abb. 3 ist durch den Punkt O₁ die Horizontale x-x gelegt, welche hier eine Nullinie bedeuten soll, oberhalb welcher alle Potentiale positiv, unterhalb welcher alle Potentiale negativ sind. Um sich den zyklischen Wechsel des Potentials jeder Anode bzw. jedes Gitters vorzustellen, kann man sich beide Kreise α und g um ihre Mittelpunkte O₁ und O₂ in gleicher und gleichförmiger Drehung versetzt denken, so daß z. B. die Anode O₁, die im dargestellten Augenblick gerade das höchste positive Potential hat, nach i8o° Drehung ihr tiefstes negatives Potential annimmt, wobei die Zeit dieser Drehung der Zeit einer Halbperiode des Wechselstromes entspricht. In jedem Moment stellen also die von den Anoden bzw. Gittern auf die NuIllinie x-x gefällten Lote nach Größe und Richtung das Potential des betreffenden Teiles (Anode, Gitter) dar. Die Kathode K dagegen hat ein nahezu gleichbleibendes positives Potential, welches vom höchsten Anodenpotential nur um den Lichtbogenabfall Ci₁-IQ verschieden ist. In Abb. 3 ist K die Kathode, und der Abstand y einer durch K horizontal gelegten Geraden k-k von der Nullinie x-x stellt die Spannung des Gleichrichters dar.

Wie aus Abb. 3 ersichtlich, fallen die Sternpunkte O₁ und O₂, also die Drehpunkte der Systeme Q₁ und Q₂, nicht zusammen. Es befindet sich zwischen ihnen die Gleichspannung der Batterie B, deren Richtung so gewählt ist, daß das Potential von Q₂ um einen gewissen Betrag tiefer als das von Q₁ liegt. Dieser Betrag ist im dargestellten Falle kleiner als der Spannungsabfall im Lichtbogen des Gleichrichters gewählt, so daß das Potential des Gitters ^₁ zwischen dem von a_± und von K liegt. Die Absenkung des Potentials der; Wicklung Q₂ gegen Q₁ um den Betrag der Batteriespannung hat zur Folge, daß das Potential jedes ^: Gitters auf dem ganzen Wege stets tiefer liegt als das der zugehörigen Anode. Während nun an der positiven und gerade arbeitenden Anode a_x das Gitter ^₁ ein Potential hat, welches zwischen dem Potential der Anode Ci₁ und der Kathode K liegt, so daß ein Strom von der Anode α_α über das Gitter ^₁ nach der Kathode K im richtigen Gefälle fließen kann, liegen die Verhältnisse bei den übrigen Anoden grundsätzlich anders. Zunächst ist das Potential der Kathode K höher als das jeder nicht arbeitenden Anode a₂ So bis a_e. Aber ein Strom von der Kathode zu diesen Anoden — also ein Rückzündungsstrom — kann nicht fließen, weil er wegen der räumlichen Anordnung zunächst von der Kathode zum Gitter und dann erst vom Gitter zur zugehörigen Anode fließen müßte. Dies ist aber nicht möglich, weil die Gitter im Potential tiefer liegen als die Anoden und der Strom somit vom niederen zum höheren Potential fließen müßte. Die Absenkung der g₀ Gitterpotentiale um den Betrag der Gleichspannung der Batterie B verhindert also das Entstehen des Rückzündungsstromes grundsätzlich. Es ist nicht notwendig, daß die Spannung an den Gittern gleich groß gewählt wird wie an den Anoden; die Kreise α und g haben gleiche Durchmesser (J2i_z= J2r_a), es ist sogar vorteilhaft, die Spannung an den Gittern größer zu wählen als an den Anoden (-©g> -©"β), weil dann die Absenkung des Gitterpotentials im negativen Bereich des Anodenpotentials größer als. im positiven Bereich ist, also die Absenkung mit der Gefahr der Rückzündung zunimmt.

Bei dem vorbeschriebenen Verfahren zur Verhütung von Rücksendungen ist aber auch der Wirkung außerordentlich kleiner Rückströme auf das Potential der Hülsen Rechnung zu tragen. Man muß damit rechnen, daß minimale Rückströme trotz der getroffe- u₀ nen Maßnahmen auftreten können. Diese Rückströme suchen das Potential der Hülse zu heben und wirken also der negativen Einstellung des Hülsenpotentials entgegen. Man kann diesen Einfluß der Rückströme in verschiedener Weise ausschalten. So z. B. kann man im Innern der eigentlichen Anodenhülse eine engere Steuerhülse vorsehen, deren Potential in der beschriebenen Art niedriger als das der Anode gehalten wird. Die äußere Hülse schirmt gewissermaßen die Bestrahlung durch den Lichtbogen von der Steuerhülse ab,

so daß eine Hebung des eingestellten Potentials als Folge eines Rückstromes nicht erfolgen kann. Ein anderer Weg ist der, bei Verwendung einer inneren und einer äußeren Hülse eine oder beide Hülsen in an sich bekannter Weise mit einem elektrisch isolierenden Überzug zu versehen, welcher auch von der Einführung des mit der Hülse verbundenen Leiters an diesen Leiter umgeben müßte.

ίο Dieser isolierende Überzug verhindert, daß sich Rückströme des Gleichrichters über die Hülsen ausbilden könnten.

Schließlich ist es zweckmäßig, die in das Innere des Gleichrichters einzuführenden Leiter ganz zu vermeiden, weil die Einführungsstellen leicht Ursache von Störungen sind. Man kann dies dadurch erreichen, daß man die Anoden in bekannter Weise im oberen Teil von Armen unterbringt, welche aus dem Gleichrichter herausragen und aus unmetallischem, isolierendem Stoff bestehen. Die Hülse wird dann in ebenfalls bekannter Weise unterhalb der Anode ringförmig um den Arm gelegt und mit der betreffenden Klemme der Wicklung Q₂ unmittelbar verbunden. Die Widerstände W₁ bis W₀ können hierbei in Fortfall kommen, weil ein Strom über die Hülse bei dieser Anordnung nicht mehr fließen kann.

An Stelle der Anodenhülsen können auch andere Einrichtungen bekannter Art verwendet werden, welche durch Aufladung auf ein dem Stromübergang auf die Anode entgegenwirkendes Potential den Rückstrom verhindem. Als solche äquivalente Einrichtungen kommen z. B. Gitter, Siebe, Ringe usw., kurzalle in den Entladungsweg gebrachten isolierten Metallteile, in Betracht.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Verhütung von Rückzündungen bei Metalldampfgleichrichtern mit im Entladungsweg isoliert angeordneten Metallteilen bzw. Anodenhülsen, die derart an eine besondere Transformatorwicklung gelegt werden, daß sie in jedem Augenblick, mindestens aber während derjenigen Zeitdauer, innerhalb jeder Wechselstromperiode, während welcher ihre zugehörige Anode keinen Belastungsstrom führt, ein relativ zu der zugehörigen Anode negatives Potential aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Potentiallage gegenüber der die Anoden speisenden Transformatorwicklung durch eine zusätzliche Gleichspannung festgelegt bzw. gesteuert wird.
2. 2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Entladungsweg iso-Bert angeordneten Metallteile bzw. Anodenhülsen an eine besondere in Stern geschaltete sekundäre Hilfswicklung des den Gleichrichter speisenden Transformators gelegt sind, deren Spannung der Spannung der die Anoden speisenden sekundären Hauptwicklung gleich ist, und deren Nullpunkt mit dem Nullpunkt der Hauptwicklung über eine Gleichstromquelle verbunden ist, deren Spannung vom Nullpunkt der Hauptwicklung zum Nullpunkt der Hilfswicklung gerichtet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der sekundären Hilfswicklung größer als die der sekundären Hauptwicklung ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenhülsen über Widerstände beliebiger Art (Ohmsche, induktive oder kapazitive) mit der sekundären Hilfswicklung verbunden sind.
5. 5. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Innern jeder Anodenhülse eine von dieser und der Anode isolierte engere zweite Anodenhülse (bzw. ein Gitter) befindet, deren Potential nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gesteuert wird.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden zugehörigen Hülsen und gegebenenfalls auch der Leiter, welcher der Anodenhülse die Spannung zuführt, soweit er sich im Innern des Gleichrichters befindet, einen elektrisch isolierenden Überzug aufweist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen