DE560914C

DE560914C - Verfahren zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom mittels gittergesteuerter Entladungsgefaesse

Info

Publication number: DE560914C
Application number: DEA42285D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1923-05-22
Filing date: 1924-05-23
Publication date: 1932-10-08
Also published as: FR581382A; GB216495A; US1835131A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von Gleichstrom in Mehrphasenstrom mittels Entladungsgefäße, insbesondere für die Zwecke der elektrischen Energieübertragung durch hochgespannten Gleichstrom, und verfolgt den Zweck, bei möglichster Herabsetzung der in den Anordnungen verursachten Verluste einen oberwellenfreien Mehrphasenstrom zu erzeugen.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades in den Entladungsgefäßen belastet man sie mit Strömen möglichst rechteckiger Kurvenform. Hierdurch entsteht aber der Nachteil, daß der erzeugte Wechselstrom keine Sinusform mehr besitzt. Es sind nun verschiedene Verfahren bekannt geworden, um den erzeugten Wechselstrom sinusförmig zu gestalten. So werden z. B. die in mehreren Entladungsgefäßen erzeugten Rechteckskurven zu einer stufenförmigen Kurve zusammengesetzt; durch eine besondere Filteranordnung im Belastungskreis wird der erzeugte Wechselstrom von seinen Oberwellen befreit. Es ist auch ein Verfahren bekannt geworden, nach dem in mehreren Entladungsgefäßen

as Ströme ganz bestimmter Kurvenform erzeugt werden, die dann zu einem sinusförmigen Wechselstrom zusammengesetzt werden; hier besteht aber die Schwierigkeit in der Erzeugung der Steuerspannung für die Entladungsgefäße, die gleichfalls eine besondere Kurvenform aufweisen muß, deren Herstellung noch weiterhin dadurch erschwert wird, daß sie bei jeder Belastungsänderung ebenfalls geändert werden muß. Die hierbei erforderlichen Filterapparate bzw. Steuerapparate für die Erzeugung der besonderen Gitterspannungskurve lassen sich gemäß der Erfindung vermeiden, wenn der Gleichstrom nicht in einphasigen Wechselstrom, sondern in Mehrphasenstrom, vorzugsweise Drehstrom, umgeformt wird.

Die Erfindung besteht darin, daß der zugeführte Gleichstrom mindestens zwei Gruppen von Entladungsgefäßen zugeführt und durch sie zunächst in an sich bekannter Weise in Drehströme treppenförmiger Gestalt umgeformt wird. Diese Ströme werden alsdann vermittels getrennter Transformatoren von geeigneter innerer und äußerer Schaltung von ihren Oberwellen befreit und dem Netz zugeführt.

Abb. ι zeigt beispielsweise eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, Abb. 2 und 3 Abänderungen dieser Anordnungen und Schaltungen zur Steuerung der Röhren. Abb. 4 und 5 stellen Oszillogramme dar, welche die Kurvenform des erhaltenen Stromes bei verschiedenen Schaltungen wiedergeben.

Nach Abb. ι werden die Röhren ι bis 12 aus dem Gleichstromnetz 13, 14 über die Primärwicklungen 15 bis 26 der beiden dreiphasigen Transformatoren 27 und 28 mit Gleichstrom gespeist, der den Mitten der beiden Nullpunktsdrosseln 29 und 30 zugeführt wird. Die Primärwicklungen der beiden Transformatoren 27 und 28 sind paarweise in Stern von entgegengesetztem Wicklungssinne geschaltet. Ihre NuIlpunkte sind in der gezeichneten Weise über die Saugdrosseln 2g und 30 verbunden, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Stromes auf die beiden zusammengehörigen Primär-wicklungen eines Transformators zu gewährt5 leisten. Die Sekundärwicklung 31.., des Transformators 27 ist in Dreieck geschaltet, während die Wicklung 32 des -Transformators 28 im Stern geschaltet ist, zu dem Zweck, eine Phasenverschiebung von 30° zwischen beiden Primärspannungen bei gleicher Phasenlage der Sekundärspannungen zu ermöglichen, und zwar aus Gründen, die weiter unten erörtert werden. Diese Schaltung stellt für die Primärwicklun'g eine Art Zwölfphasensystem dar, wodurch- in Verbindung mit anderen später zu beschreibenden Mitteln in der abgehenden" Drehstromleitung 33 bis 35 ein nahezu sinusförmiger Strom erhalten wird, selbst wenn der den Primärwicklungen zugeführte.Strom wesentlich von der Sinusform abweicht. Der Transformator 28 besitzt eine Tertiärwicklung aus den Spulen 36 bis 38, welche für die dreifachen Harmonischen des Primärstromes einen Kurzschluß darstellt und somit ebenfaEs zur Verbesserung der Kurvenform beiträgt. Die Entladungsgefäße 1 bis 12 sind Dreielektrodenröhren mit den Kathoden 39, den Anoden 40 und den Steuergittern 41. Sie können sowohl Hochvakuumröhren als auch solche mit ionisierter Gasfüllung sein.
Um den gewünschten hohen Wirkungsgrad dieser Röhren zu erreichen, müssen sie während nahezu ¹J₃ jeder Periode leitend sein. Das an die Gitter der Röhren zur Erzeugung eines Stromflusses gelegte positive Potential soll nun derart aufgedrückt werden, daß der Strom rasch seinen maximalen Wert erreicht. Zu diesem Zwecke müssen bei Glühkathodenröhren Spannungen von nahezu rechteckiger Kurvenform an die Steuergitter der Röhren gelegt werden. Handelt es sich dagegen um Ionenröhren, so ist es für ein rechtzeitiges und pünktliches Einsetzen des Stromes notwendig, daß die Gitterspannungsänderung möglichst schnell geschieht. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Rechteckspannungen mittels Kommutatoren den Gittern zuzuführen. Da das Gitterpotential aber nur während einer kurzen Zeit positiv zu sein braucht, empfiehlt es sich nicht, an den An- und Ablaufkanten schnell verschmutzende 6ö Kommutatoren zu verwenden. Zur Erzeugung der gewünschten Kurve für die Steuerspannung werden mehrere Dreielektrodenröhren für hohe Spannungen 42 bis 53 verwendet. Die Anoden dieser Röhren sind mit dem positiven Leiter der Gleichstromzuleitung durch den Leiter 54 über besondere Widerstände 55 verbunden. Die Steuerspannungen für die Gitter der Röhren 42 bis 53 werden einem Phasentransformator 59 entnommen, der durch die symmetrisch angeschlossenen Leitungen 56 bis 58 vom abgehenden Drehsfromnetz gespeist wird. Die Gitter der Röhren 42 bis 53 sind über einstellbare Anzapfungen 60 an die Ringwicklung des Phasentransfofmators 59 angeschlossen, so daß durch Verstellen der Anzapfungen 60 die gewünschte Phasenlage der Gitterspannungen eingestellt werden kann. Um die Gitterkreise zu schließen, ist nötig, einen symmetrischen Punkt der Ringwicklung mit den Kathoden der Röhren 42 bis 53 zu verbinden. Dazu dient die Wicklung 61 mit der Mittelpunktsanzapfung 62 innerhalb der Ringwicklung 59. Dieser zu allen Anzapfungen 60 symmetrisch gelegene Potentialpunkt 62 ist über eine Gitterspannungsbatterie 63 mit den Kathoden 'der Röhren 42 bis 53 verbanden.

Parallel zur Entladungsstrecke zwischen Anode und Kathode der Röhren 42 bis 53 liegt die Reihenschaltung der Kondensatoren 64 mit den Primärwicklungen der Transformatoren 65, deren Sekundärwicklungen in den Gitterkreisen der Röhren 1 bis 12 liegen. Solange die Röhren 42 bis 53 nicht leitend sind, werden ihre Anoden dasselbe Potential wie der positive Leiter der Gleichstromzuleitung besitzen. Alsdann wird der Ladestrom der Kondensatoren 64 in den . Sekundärwicklungen der . Transformatoren 65 einen Strom erzeugen, der die Gitter 41 negativ macht und den Stromfluß durch die Röhren 1 bis 12 verhindert. Sobald die Röhren 42 bis 53 leitend geworden sind, nimmt ihr Widerstand wesentlich ab, so daß der hauptsächliche Spannungsabfall im Anodenkreis längs der Widerstände 55 auftritt. Hierdurch werden die Anodenspannungen wesentlich verringert, die Kondensatoren 64 entladen sich, und die Ströme in den Transformatoren 65 kehren ihre Richtung um, wodurch die Gitter 41 positiv werden und einen Stromfluß durch die Röhren 1 bis 12 zulassen. Die Gitterspannungen der Röhren 42 bis 53 müssen so .gewählt werden, daß der Zeitraum zur Änderung des Widerstandes der Röhren von einem maximalen auf einen minimalen Wert wesentlich geringer ist als derjenige Zeitraum, in dem ein Strom durch die Röhren 1 bis 12 fließen soll. ■■ .

Hierdurch lassen sich Ströme in den Röhren bis 53 und Gitterspannungen in den Röhren 1 bis 12 von nahezu rechteckiger Kurvenform erzielen. Durch geeignete Steuerung der Gitterspannungen der Röhren 42 bis 53 kann die positive Gitterspänmiiig der Röhren 1 "bis. 12 so

lange aufrechterhalten werden, als ein Stromfluß in den Röhren ι bis 12 stattfinden soll. Und durch geeignete Einstellung der Anzapfungen 60 kann man erreichen, daß die Zeitpunkte, in denen die Gitterspannungen der Röhren 1 bis 12 von negativen zu positiven Werten übergehen, mit denjenigen Zeitpunkten übereinstimmen, in denen ein Strom in den Röhren 1 bis 12 einsetzen soll. Die Gitterspannungen der Röhren 42 bis 53 sollen die Sekundärspannungen der Transformatoren 65 so bestimmen, daß jede der Röhren 1 bis 12 leitend wird, bevor der Strom in der vorhergehenden Röhre bis auf Null gefallen ist. Auf diese Art und Weise nimmt der Strom in einer Röhre zu, während er in der vorhergehenden Röhre abnimmt, so daß der Strom in jeder Gruppe der Primärwicklungen 15 bis 26 einen nahezu konstanten Wert hat.

Um die Frequenz des erzeugten Wechselstromes festzulegen, kann ein hierfür geeignetes Element an das Wechselstromnetz angeschlossen werden. In der dargestellten Anordnung ist ein Synchrongenerator bzw. Synchronmotor

66 an das Wechselstromnetz angeschlossen, durch dessen Drehzahl die Frequenz -des Wechselstromes festgelegt wird. Als Motorgenerator ausgebildet, kann dieser Maschinensatz gleichzeitig zur Ladung einer Batterie 67, die etwa zur Heizung für die Kathoden der Röhren 42 bis 53 dienen kann, benutzt werden. Die beschriebene Anordnung wird durch Anlassen des Motorgenerators 66 mit Hilfe der Batterie

67 in Betrieb gesetzt.

Bei der in Abb. 1 dargestellten Einrichtung werden zufolge der Anordnung der Primärwicklungen 15 bis 26 in vier Gruppen immer vier Röhren gleichzeitig von Strom durchflossen. Der Übergang von einer Röhre auf die nächstfolgende findet jedesmal nach 30° statt. Die Zeiträume, während derer die verschiedenen Röhren von Strom durchflossen werden, und die Übergänge während einer vollständigen Periode lassen sich folgendermaßen zusammenstellen:

o° 3°° ^6o° 9°° ^I20° "δ⁰" ^l8o° ^2I0°

I I· I I 2 2 2

55666 6 4

97777 8 8

11 11 11 12 12 12 12

240"

10

270°

3°°

330"

3 5

11

Aus einer Betrachtung der vorstehenden Tabelle ergibt sich, daß die Klemmenspannungen der Primärwicklungen 21 bis 26 gegenüber den Klemmenspannungen der entsprechenden Wicklungen 15 bis 20 ständig 30 ° in der Phase verschoben sind. Die entsprechenden Grundwellen der Sekundärspannung sind dagegen infolge der verschiedenen Schaltweise der Sekundärwicklungen in Phase, während die fünften und siebenten Harmonischen in den Sekundärwicklungen der beiden Transformatoren um 180° gegeneinander verschoben sind. Infolgedessen gleichen sie sich in den Sekundärwicklungen praktisch aus, so daß sie nicht in den Verbraucherstromkreis eintreten, wenn die Belastung gleichmäßig auf beide Transformatoren verteilt ist. Die so erzielte Verbesserung der Kurvenform geht aus den Abb. 4 und 5 hervor. Abb. 4 zeigt die Kurvenform des Stromes, der von einem Transformatorensatz allein stammt.

Abb. 5 zeigt diejenige, welche bei Anwendung zweier in der beschriebenen Weise zusammenarbeitender Transformatorensätze erhalten wird.
Das Wesen der in Abb. 1 dargestellten Schaltung zur Oberwellenbefreiung besteht also in folgendem: Die mit den Entladungsgefäßen in Verbindung stehenden Primärwicklungen der beiden Transformatoren 27 und 28 sind in Stern geschaltet, im gezeichneten Falle je sechsphasig; die dreiphasigen Sekundärwicklungen sind bei dem einen Transformator in Dreieck,

bei dem anderen in Stern geschaltet und mit einer Kurzschlußwicklung für die Harmonischen mit durch drei teilbarer Ordnungszahl versehen. , Damit die sekundären Spannungen für das Parallelschalten die geeignete Phasenlage erhalten, müssen die primären Sechsphasensysteme mit einer Phasenverschiebung von 30 ° gegeneinander betrieben werden, was einem Zwölfphasensystem gleichkommt. Eine derartige Anordnung schließt in den sekundären Wick- too lungen der beiden Transformatoren die Harmonischen der Ordnungszahlen 3, 9 15 usw. sowie 5, 17, 29 usw. und 7, 19, 31 usw. in sich bzw. gegeneinander kurz, eliminiert also die praktisch wichtigsten Oberwellen der Spannung. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die gezeichnete sechsphasige Ausführung der primären Systeme nicht notwendig ist, sondern der dreiphasigen Ausführung gegenüber nur den Vorteil einer besseren Ausnutzung hat.

Abb. 2 stellt eine abgeänderte Schaltung dar, und zwar ist hier nur die eine Gruppe der Entladungsgefäße mit der zugehörigen Transformatorenschaltung und Hilfsröhren dargestellt, entsprechend dem linken Teil der Abb. 1. Die zweite Gruppe, entsprechend dem rechten Teil der Abb. 1, ist hinzuzudenken und ergänzt dann die Schaltung zu einer zwölfphasigen. Hierbei werden die Gitter der Hilfsröhren 42 bis 47 von einem Transformator 68 erregt, dessen Primärwicklungen mit kombinierter Stern-Dreieck-Schaltung und dessen Sekundärwicklungen in

Stern geschaltet sind, um die gewünschte Phasenlage der Gitterspannungen zu erhalten. Im Nebenschluß zu den Röhren 42 bis 47 liegen Widerstände 69. Infolgedessen erhalten die Kondensatoren 64, wenn die Röhren nicht leitend sind, eine Spannung, die zwischen derjenigen der beiden Gleichstromzuleitungen liegt. Die Kondensatoren 64 werden dann geladen und erteilen den Gittern der Röhren 1 bis 6 positives Potential und lassen den Strom hindurch. Wenn die Röhren leitend sind, nehmen die Anodenpotentiale der Röhren 42 bis 47 wesentlich ab, und die Kondensatoren 64 entladen sich über die Widerstände 69 und 70, so daß die Gitter der Röhren 1 bis 6 negatives Potential bekommen und den Strom absperren. Es ist vorteilhaft, in den Gitterzuleitungen der Röhren 42 bis 47 Strombegrenzungswiderstände 71 einzuschalten. Wie bei der Anordnung nach Abb. ι ist es erforderlich, den Gittern der verschiedenen Röhren eine Vorspannung zu erteilen, um die gewünschte Wirkungsweise zu erreichen.

Im vorliegenden Falle sollen die Röhren 1 as bis 6 solche mit glühender Kathode sein, die mit Hilfe des Transformators 72 von dem Wechselstromnetz ^.us geheizt werden.

Abb. 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher ein Quecksilberdampf- oder anderer Gleichrichter zur Erzeugung der gewünschten rechteckigen Spannungskurve für die Steuerung der Röhren 1 bis 12 dient. Hierbei ist ein Vollweggleichrichter 73 an den Transformator 74 angeschlossen, der an einer Phase des Wechselstromnetzes liegt. Die Primärwicklungen 75, 76 der Transformatoren 77 und 78 liegen an der Kathode und den Anoden des Gleichrichters 73.

Einer Stromunterbrechung in dem einen Anodenarm des Gleichrichters entspricht dem Negativwerden des Gitters derjenigen Röhre, die mit der entsprechenden Sekundärwicklungder Transformatoren 77 und 78 verbunden ist. Sobald der Widerstand zwischen der Kathode und einer der Anoden des Gleichrichters abgenommen hat und der Strom in die Röhre zu fließen beginnt, wird das Gitter der entsprechenden Röhre positiv und läßt den Strom hindurch. Dieser Spannungswechsel geht rasch vor sich, wodurch die Kurve der positiven Gitterspannungswelle fast rechteckig wird. Es ist selbstverständlich, daß für jede der drei Phasen des Drehstromnetzes bei einer sechsphasigen Umformereinrichtung je ein Gleichrichter in der beschriebenen Anordnung erforderlich ist, bei einer zwölfphasigen Einrichtung entsprechend Abb. ι deren jeweils zwei.

Claims

Patentansprüche;

i. Verfahren zur Erzeugung von sinusförmigem Mehrphasenstrom aus vorzugsweise hochgespanntem Gleichstrom mittels über Transformatoren an das Wechselstrom-" . netz angeschlossener Entladungsgefäße, die mit Gleichstromstößen rechteckiger Kurvenform betrieben und durch Gitter transformatorisch vom Wechselstromnetz mittelbar oder unmittelbar gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom mindestens zwei Gruppen von gleichen Entladungsgefäßen zugeführt und durch sie zunächst in gegeneinander verschobene Mehrphasenströme, insbesondere Dreiphasenströme, treppenförmiger Gestalt umgeformt wird, welche alsdann vermittels getrennter Transformatoren, deren vorzugsweise in Stern geschaltete Primärwicklungen so gegeneinander versetzt sind, daß sie ein reguläres Vielphasensystem bilden, von ihren Oberwellen befreit und dem Netz zugeführt werden.
2. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwölf Entladungsgefäße in zwei gleichen Gruppen auf je einen Transformator arbeiten, von denen der eine sekundärseitig in Dreieck, der andere, dazu parallel liegende, in Stern geschaltet ist, und deren Primärseiten je zwei gegenphasig und in Stern geschaltete, in bekannter Weise über eine Drosselspule verbundene Wicklungsgruppen enthalten, deren Phasenwicklungen von den Entladungsgefäßen gespeist werden.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Sekundärseite in Stern geschaltete Transformator eine in sich kurzgeschlossene Tertiärwicklung aufweist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine der Zahl der Entladungsgefäße gleiche Anzahl vom Gleichstromnetz gespeister und mit der Betriebsfrequenz des Wechselstromnetzes gesteuerter Entladungsröhren, von denen jede mit dem Gitterkreis eines Hauptentladungsgefäßes galvanisch, induktiv, kapazitiv oder gemischt gekuppelt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von einem vorzugsweise vom Wechselstromnetz gespeisten Phasentransformator über regelbare Anzapfungen eine der Zahl der zu steuernden Entladungsröhren entsprechende Anzahl in ihrer Phase untereinander verschobener Spannungen entnommen wird, durch welche mit Hilfe der Entladungsröhren (42 bis 53) die Entladungsgefäße (1 bis 12) derart gesteuert werden, daß der den Entladungsgefäßen entnommene Strom eine im wesentlichen rechteckige Kurvenform aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung

einer zu einem Ausgangstransformator gehörigen Umformungsgruppe durch einen primär in kombinierter Dreiecksternschaltung und sekundär in sechsphasiger Sternschaltung geschalteten und gegebenenfalls regelbaren Transformator erfolgt.
7. Anordnung nach Anspruch 1 und den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannungen von je zwei in entgegen

gesetzter Phase arbeitenden Entladungsgefäßen von einem Transformator geliefert werden, dessen Primärwicklung an die Anoden und ihre Mittelanzapfung an die Kathode eines von den entsprechenden Phasen des Mehrphasennetzes gespeisten und mit einem Widerstand geeigneter Größe belasteten Quecksilberdampfgleichrichters angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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