DE569161C - Einrichtung zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung oder von Gleich-spannung in Gleichspannung ueber eine Wechselspannung mittels gittergesteuerter Dampf-oder Gasentladungsgefaesse und eines Transformators - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
31. JANUAR 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d 2 GRUPPE 12 «κ

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin*)

Patentiert im Deutschen Reiche vom 17. Juli 1930 ab

Bei den bisher vorgeschlagenen Einrichtungen zur Umformung von Gleichstrom in Gleichstrom mittels gittergesteuerter Entladungsgefäße, vorzugsweise mit Dampf- oder Gasfüllung, ist es notwendig, daß der Gleichstrom mittels gittergesteuerter Entladungsgefäße in Wechselstrom umgeformt wird (Wechselrichtung) und der erzeugte Wechselstrom mittels weiterer Entladungsgefäße in Gleichstrom umgeformt wird (Gleichrichtung). Die Umspannung konnte nur dann erzielt werden, wenn die Induktivität des Haupttransformators zusammen mit einer parallel geschalteten Kapazität einen Schwingungskreis bildete, der durch die Gleichstromstöße der gittergesteuerten Entladungsgefäße in Eigenschwingungen versetzt oder durch ein taktgebendes Netz mit geringer Leistung unterhalten wurde.
Mit der Frequenz dieses Kreises geht die primäre Ausgangsenergie des gittergesteuerten Entladungsgefäßes durch den Umspanntransformator in den Gleichrichter über, und zwar geht dieser Übergang infolge der Ähnlichkeit der Arbeitsweise in beiden Gefäßen fast ohne Speicherung von Energie vor sich. Da aber die Klemmenspannung des gesteuerten Gefäßes aus der Differenz von primärer Gleichspannung und einer Gegenspannung des Umspanntransformators entsteht und die Klemmenspannung des ungesteuerten Gefäßes sich aus der Differenz der Spannung des Umspanntransformators und der Gegenspannung des Netzes ergibt, so sind die sich entsprechenden elektrischen Momentanwerte im gesteuerten Entladungsgefäß nicht immer gleich, so daß dennoch eine Speicherung und Rückgabe eines gewissen Energiebetrages innerhalb einer Periode auftritt. In den bekannten Schaltungen findet diese Speicherung in einem Kondensator statt, der zusammen mit dem Umspanntransformator einen Schwingungskreis bildet und sowieso zur Einhaltung der Umspannfrequenz notwendig ist. Für größere Umspannleistungen würde der Kondensator unwirtschaftliche Größen annehmen, so daß die Anwendung der Schaltungen beschränkt ist. Bei einer bekannten Gleichstrom-Gleichstrom-Umformung erfolgt die Speicherung und Rückgabe durch induktiv gekoppelte Gleichstromdrosseln.

Erfindungsgemäß fällt diese durch den Kondensator bewirkte Beschränkung fort, wenn man von der Selbsterregung der Anordnung zur Fremderregung übergeht und dem Umspanntransformator in einer tertiären Wicklung eine Erregerspannung mit nahezu rechteckigem Spannungsverlauf zuführt. Durch diese Maßnahme

'*) Von dem Patent sucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Oskar Krines in Berlin.

werden die Entladungsvorgänge abhängig von der angeführten, taktgebenden Spannung und ihrer Kurvenform, so daß die Unterschiede in den Anodenspannungen der Entladungsgefäße klein werden und die Momentanwerte der elektrischen Größen in beiden Entladungsgefäßen nicht mehr so wesentlich voneinander abweichen, um einer Ausgleichung durch Speicherungbzw. Rücklieferung zu bedürfen. Außerdem werden Einrichtungen vorgesehen, die durch besondere lastabhängige Zusatzspannungen den Maximalwert dieser Erregerspannung lastabhängig regeln. Zur guten Ablösung des Lichtbogens von einer Anode und Übergang auf die folgende werden sowohl beim Wechselrichter als auch beim Gleichrichter der Anodenspannung Spannungsstöße durch einen Schalttransformator überlagert.

In der Zeichnung ist eine Schaltung zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Die Abb. 1 zeigt eine Umformerschaltung mit Wechselrichter und Gleichrichter und Abb. 2 einen Schalttransformator allein. In der Abb. 3 ist der Spannungsverlauf für verschiedene Teile der Anordnung dargestellt, während Abb. 4 das Bild einer vierpoligen Umformeranlage mit den Spannungsquellen gibt. In der Abb. 1 wird das gittergesteuerte Dampfentladungsgefäß 1 mit den Gittern 2 und 3 und den Anoden 4 und 5 vom Gleichspannungsnetz 10 über eine primäre Wicklung

22 mit Mittelanzapfung 24 des Transformators 26 und zwei nicht gezeichneten Schalttransfarmatoren, die bei 8 und 9 in den Anodenkreis eingesetzt sind, gespeist. Der Transformator 26 trägt außerdem noch eine tertiäre Erregerwicklung 21 und eine Sekundärwicklung

23 mit Mittelanzapfung 25, die die Anoden 14 und 15 des Gleichrichters 11 speist. In den

ίο Anodenkreis des Gleichrichtefs sind bei 18 und 19 wieder Schalttransformatoren eingefügt. Über eine Drossel 17 ist die Gleichrichterkathode 16 an den Pluspol des sekundären Gleichspannungsnetzes 20 und mit der Mittelanzapfung 25 der Sekundärwicklung 23 an den Minuspol des Netzes angeschlossen.

Die bei 8 und 9 in den Anodenkreis des Wechselrichters und bei 18 und 19 in den Anodenkreis des Gleichrichters eingefügten Schalttransformatoren sind in der Abb. 2 mit ihren Wicklungen dargestellt. Die Schenkelwicklung 31 des Transformators liegt in einer Wechselrichteranodenleitung, während die andere Schenkelwicklung 32 in der entsprechenden Gleichrichteranodenleitung liegt. Die Jochwicklung 35 ist die Erregerwicklung des Schalttransformators. Die beiden Wicklungen 31 und 32 erzeugen je ein Feld 33 und 34 von gleicher Größe und gleicher Richtung, welches durch das Feld der Wicklung 35 vollkommen aufgehoben wird. Dieses Gegeneinanderwirken der Felder tritt periodisch während der Brenndauer der angeschlossenen Anoden ein. Jedoch wird in den Augenblicken, in denen die angeschlossenen Anoden den Lichtbogen übernehmen sollen, der Wicklung 35 noch eine weitere Spannung, die Schaltstoßspannung, zugeführt. Durch die Anordnung der Erregerwicklung auf den Jochen wird bei kurzen Störungen in nur einem Anodenkreis diese in die anderen in negativem Sinne nicht übertragen, sondern in der durch die Gleichstromquelle kurzgeschlossenen Wicklung 35 stark gedämpft.

Der zeitliche Verlauf der elektrischen Größen an den einzelnen Teilen der Umspannungsanlage ist in angenäherter Form in den Abb. 3 a bis 3e gezeigt. Die Kurve 41 (Abb. 3d) stellt den Verlauf der der Erregerwicklung 21 aufgedrückten Spannung dar und die Kurve 42 (Abb. 3 c) den Spannungsverlauf in der oberen Hälfte der Umspanntransformatorenwicklung 22. Entsprechend gibt die Kurve 50 (Abb. 3a) den Spannungsverlauf in der unteren Hälfte der Wicklung 23 wieder. Für die um 180^c versetzten Kurven 43 und 51 gilt analog dasselbe in den anderen Wicklungshälften der Wicklungen 22 und 23. Die Ordinate o-e (Abb. 3 c) stellt die Gleichspannung des primären Netzes 10 und die Ordinate o-a (Abb. 3 a) die abgegebene Gleichspannung des Netzes 20 dar. Den Verlauf der negativen Sperrspannungen an den Gittern des Wechselrichters zeigen die Kurven 46 und 47 (Abb. 3b), und zwar steuert die Spannung mit der Kurve 46 die Elektrode mit der Kurve 42 und die Spannung

47 die Elektrode mit der Kurve 43. Die.Kurve

48 (Abb. 3e) gibt ein Bild vom Verlauf der durch die Wicklung 35 im Umschalttransformator erzeugten Spannungsstöße.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun folgende:

Bei positivem Gitter 2 wird die Anode 4 zünden und nicht wieder erlöschen. Die ganze Gleichspannungsleistung würde dann im Lichtbogen und im Ohmschen Widerstand des Kreises vernichtet. Nun wird aber durch die Erregung der Transformatorenwicklung 21 (Kurve 41) in der oberen Halbwicklung 22 eine entsprechende Spannung (Kurve 42) erzeugt, die so in Phase und Größe abgeglichen ist, daß sie der Gleichspannung des Netzes 10 entgegenwirkt und für die Zeit fehlender negativer Gitterspannung (Zeit 100-101 und 104-105 in Abb. 3c) nur einen Gleichspannungsrest zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens und zur Deckung der Verluste übrig läßt. An der Anode 4 herrscht somit ein Spannungsverlauf, wie ihn die schraffierte von der Kurve 42 (Abb. 3c) umrandete Fläche zeigt. Während 120' der Zeit 100-101 brennt der Lichtbogen an der Anode 4 und erlischt dann durch den in die

Wicklung 35 des Sehalttransformators gegebenen Spannungsstoß (Kurve 48), der sich durch die Wicklung 31 dem Spannungsverlauf· nach Kurve 42 im Augenblick 101 überlagert und die Bogenspannung an der Anode 4 für einen Augenblick auf 0 Volt herabdrückt. Derselbe Spannungsstoß gelangt durch die Wicklung 32 des Sehalttransformators in die Gleichrichterseite des Übertragungstransformators und bringt dort, indem er sich der Anodenspannung (Kurve 50) überlagert, den Lichtbogen an der Anode 18 beschleunigt zum Erlöschen. Nach dem Abklingen des Spannungsstoßes würde der Lichtbogen an der Anode 4 sofort wieder zünden, wenn nicht rechtzeitig die Spannung des Gitters 2 negativ geworden wäre (Kurve 46) und für die Zeit 101 und 104 auch negativ bliebe. Wenn zur Zeit 104 durch das Gitter 2 die Sperrung der Entladung über Anode 4

ao wieder aufgehoben wird, erfolgt gleichzeitig ein neuer Spannungsstoß 48 im Anodenkreis, der den Übergang des Lichtbogens von der anderen brennenden Anode, z. B. 5, auf die Anode 4 erleichtert. Für die Anode 5 vollzieht sich derselbe Vorgang, um ungefähr 180^c verschoben, entsprechend dem Spannungsverlauf nach den Kurven 41, 43, 47, 49 und 51. Die Spannungsstöße 48 bzw. 49 bewirken immer im Wechselrichter und entsprechenden Gleichrichter gleichzeitig eine Herabsetzung der Bogenspannung an der brennenden Anode und eine Erhöhung an der einsetzenden Anode, um so einen schnellen Übergang des Bogens von einer Anode zur anderen zu ermöglichen.

Diese Betriebsart erfordert möglichst rechteckige Spannungsimpulse, wie sie durch die Kurven 42 und 43 dargestellt sind und wie sie durch die Erregung (Kurve 41J dem Umspanntransformator aufgedrückt werden, mindestens aber Spannungen mit einem flachen Maximum. Dabei ist noch zu berücksichtigen, daß die Spannungsquelle der Erregung der Transformatorenwicklungen die Eisenverluste des Transformators und die Kupferverluste der Zuleitungen und Erregerwicklungen decken muß und weiterhin auch noch in der Spannungsgröße der Belastung bzw. den primären Verlusten anzupassen sein muß. Da bei steigender Last die Ohmschen Verluste auf der Wechselrichterseite steigen, die Lichtbogenverluste aber infolge der fallenden Charakteristik fallen, ergibt sich je nach der Gesamtdimensionierung ein mit der Last steigender, fallender oder konstanter Verlust, der durch eine entsprechende Abhängigkeit der Erregerspannung und eine Erhöhung der Lichtbogenspannung durch Verengung der Entladungsbahnen so ausgeglichen werden muß, daß die Verluste auf jeden Fall mit steigender Last steigen.

Um eine möglichst gleichförmige sekundäre Gleichspannung zu erhalten, verwendet man bekanntlich Wechselrichter und Gleichrichter mit mehreren Entladungsbahnen. Eine solche Einrichtung mit vier Entladungsbahnen zeigt die Abb. 4, in der der Umspanntransformator26 zwei um 90 ° gegeneinander verschobene Wicklungen ac und bd mit dazugehörigem Gleichrichter 11 sowie Schalttransformatoren 30'¹^ besitzt. Gleichzeitig sind in der Abb. 4 die elektrischen Vorrichtungen dargestellt, mit denen sich die lastabhängige Erregung des Umspanntransformators 26, die Erregung der Schalttransformatoren 30 und die Erregung der Steuerelektroden 2^eä und 3^αδ erreichen läßt. Zu diesem Zweck sind auf einer gemeinsamen Achse 70 eine Reihe von Generatoren und Kommutatoren angebracht, die von einem Motor 80 mit konstanter Umlaufszahl angetrieben werden. Der Generator 72 erregt die Wicklungen 2i^ffi und 2ΐ^δ des Umspanntransformators 26 durch die Schleifringe 73 mit nahezu rechteckförmiger Spannung. Die Felderregung des Generators 72 geschieht durch das Netz 10 oder eine Spannungsquelle, deren Spannung der Spannung des Netzes 10 proportional ist, und einer Feldzusatzwicklung 74 mit einer von der Belastung des Wechselrichters abhängigen Spannung, die im Generator 71 mit der lastabhängigen Erregung 75 erzeugt ist. Durch die Summe der Differenzen des Spannungsabfalles an zwei in die primäre und sekundäre Gleichstromleitung eingebauten Widerständen 91 und 92 wird ein Schnellregler 76 am Generator 72 betätigt, mit dem so die Erregung den Lastschwankungen angepaßt wird. Um die rechteckförmigen Erregerspannungen in den Wicklungen 22 und 23 aufrechtzuerhalten, muß die Erregerwicklung 21 des Transformators 26 die Kupfer- und Eisenverluste bei veränderlicher Last decken, so daß noch eine zusätzliche Energiequelle in die Erregerleitung einzuschalten iat. Es ist hier beispielsweise für jeden Teil der Wicklung 21 ein kleiner Hauptstrom-Wechselspannungsgenerator 77 vorgesehen, der im Erregerkreis einen negativen Widerstand darstellt. Die Regulierung erfolgt durch zwei Wattmeter 78 oder zwei Widerstände 79, die über Relais die Regler 81 bewegen. Dabei müssen aber die Widerstände 79 das gleiche Verhältnis von Wirk- und Blindwiderstand aufweisen wie die Leiterkombination des Erregerstromkreises selbst.

Für die Spannungsstöße im Schalttransformator ist ein besonderer Generator 82 mit einer Erregerwicklung 83 vorgesehen, der seine lastabhängige Spannung über Schleifringe 84 und 85, Kommutatoren 86 zuführt, die sie stoßweise an die Wicklungen 35 der Schalttransformatoren 3O'⁷"'' abgeben. Unabhängig von den einzelnen Stoßen wird den Wicklungen 35 ein Kompensationsstrom zugeführt, der das Gesamtfeld der Wicklungen 31 und 32 auf-

hebt. Es läßt sich diese Zuführung leicht durch die Hintereinanderschaltung der Generatorspannung 82 mit der Generatorspannung 71 über den Schleifring 87 und die Sammelschienen 88 erreichen. Der Generator 71 liefert in diesem Falle den lastabhängigen Kompensationsstrom.

Die Steuerspannung für die Steuerelektroden 2^ca und 3^tth wird über einen Kommutatorsatz 89 aus einer Spannungsquelle 90, die aus einer Batterie, Maschine oder dem primären Netz bestehen kann, entnommen. Für den Fall, daß bei hoher Netzspannung 10 eine Reihenschaltung der Entladungsgefäße erfolgen muß, werden mehrere Kommutatorsätze 89 und Sammelschienen 88 vorzusehen sein.

Da die Steuer- und Erregerströme der Umformeranlage klein sind, können die Kommutatoren auch durch gittergesteuerte Elektronenröhren bzw. dampf- oder gasgefüllte Entladungsgefäße ersetzt werdep. Auch können die Kommutatoren und Generatoren auf getrennten Achsen angebracht sein, die mechanisch oder elektrisch gekuppelt sind.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Umspannung von Gleichspannung in Gleichspannung beschränkt, sondern kann ebensogut zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung oder umgekehrt benutzt werden, wenn man den Teil der Vorrichtung bzw. der Beschreibung außer acht läßt, der sich auf die Umformung von Wechselspannung auf Gleichspannung bezieht. Ebenfalls können die Schalttransformatoren auch bei der Um-Wandlung von Wechselspannung in Gleichspannung Anwendung finden.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung mittels giltergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsgefäße und eines Transformators, gekennzeichnet durch eine taktgebende, lastabhängige Fremderregung des Ausgangstransformators mit nahezu rechteckförmiger Wechselspannung und in die Anodenleitungen eingefügte Schalttransformatoren zur Erzeugung der Schaltspannung und- Regelung der Lichtbogenübergänge von einer Anode zur anderen.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen, die die Charakteristik eines negativen Widerstandes haben, zur Kompensierung der Wirkleistungsverluste im Erregerkreis des Ausgangstransformators vorgesehen sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangstransformator eine ein- oder mehrteilige tertiäre Erregerwicklung trägt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransformatoren eine Wicklung enthalten, durch die ein der Gleichstrommagnetisierung entgegenwirkender Kompensationsstrom fließt.
5. 5. Einrichtung zur Umformung von Gleichstrom in Gleichstrom über eine Wechselspannung unter Benutzung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransformatoren drei Wicklungen tragen, deren eine von dem Anodenstrom des Wechselrichters und deren zweite von dem des Gleichrichters derart durchflossen werden, daß sich die magnetischen Felder beider Wicklungen unterstützen, während durch die dritte Wicklung von dem Kompensationsstrom ein entgegengesetzt gerichtetes Feld erzeugt wird. s₀
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationswicklung der Schaltspannungsstoß zugeführt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen