DE638254C - Verfahren zum wechselseitigen Leistungsaustausch zwischen einem Ein- oder Mehrphasenwechselstromnetz und einem durch ein gittergesteuertes Dampf- oder Gasentladungsgefaess mit diesem gekuppelten Gleichstromnetz - Google Patents

Description

Wenn ein Gleichstromnetz über gittergesteuerte Gleichrichter von einem Wechselstromnetz aus gespeist wird, so wird, z.B. beim Bahnbetrieb, vielfach verlangt, daß auch ein Rückarbeiten vom Gleichstromnetz auf das Drehstromnetz möglich ist. Bei gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefäßen erfordert die Rekuperation jedoch ein Umpolen des Entladungsgefäßes, damit bei gleichbleibender Stromrichtung im Entladungsgefäß der Energiefluß die umgekehrte Richtung annehmen kann. Ferner muß beim Steuerapparat die Phase der Steuerspannung um etwa i8o° gedreht werden. Diese Um-Schaltung sollte, um Stromstöße zu vermeiden, in dem Moment erfolgen, in welchem der Strom seinen Nullwert erreicht.

Würde man sich auf die vorstehend angegebenen Maßnahmen beschränken» so würde sich kein vorteilhafter Netzbetrieb ergeben. Beim Gleichrichterbetrieb nämlich, d. h. wenn die Energie aus dem gegebenen Wechselstromnetz dem Gleichstromnetz zufließt, muß die Wechselstromspannung auch die Spannungsabfälle decken, welche in den Ohmschen und induktiven Widerständen und im Lichtbogen des Stromkreises auftreten. Die Spannungskurve des Gleichstromnetzes liegt also beim Gleichrichterbetrieb tiefer als die zu erzeugende Wechselstromspannung. Es ist hierbei natürlich nicht gesagt, welcher Teil der Halbwelle des gegebenen Wechselstromes auf das Gleichstromnetz übertragen wird. Dieses hangt ganz von der Lage des Zündmomentes ab, also desjenigen Zeitpunktes, in welchem der Stromweg für die jeweils einzuschaltende Anode freigegeben wird. Von der gegebenen Halbwelle der Wechselstromspannung kann so der mittlere Teil oder ein gegen den Nullwert hin verschobener kleinerer Teil dieser Halbwelle herangezogen werden. Je nach Lage des Zündpunktes wird also auch der Mittelwert der erzeugten Gleichstromwellenspannung niedriger oder höher liegen. Arbeitet dagegen das gesteuerte Entladungsgefäß als Wechselrichter, so daß Energie vom Gleichstromnetz in das Wechselstromnetz zurückfließt, dann muß umgekehrt die Gleichspannung die Spannungsabfälle des Stromkreises decken. Dies ist jedoch nur möglich, wenn das Gleichstromnetz seine Spannung um den erforderlichen Teil erhöht.

Hieraus erkennt man, daß die Spannung des Gleichstromnetzes beim Gleichrichterbetrieb um den doppelten Betrag der Spannungsabfälle niedriger liegen wird als beim Wechselrichterbetrieb. Dies hat verschiedene Nachteile zur Folge.

Zunächst ist es vielfach nicht zulässig, daß die Spannung des Gleichstromnetzes in so

weiten Grenzen schwankt. Besonders wenn empfindliche - Verbraucher, wie z.B. Glühlampen, an das Gleichstromnetz angeschlossen sind, wird der Lichtbetrieb durch die äußert ordentliche Spannungsschwankung in urijiu-J lässiger Weise gestört. Weiterhin läßfs|thv die Gleichspannung beim Gleichrichterbetriebvi des gesteuerten Entladungsgefäßes nur dadurch regeln, daß der verwendete Teil der ίο Spannungshalbwelle des gegebenen Wechselstromes im nacheilenden Sinne gegen den mittleren Teil verschoben wird. Die diesem Abschnitt entsprechende Stromwelle hat dann ihrerseits gegen die gegebene Spannungshalbwelle eine Phasennacheilung, der zufolge der Gleichrichter mit schlechtem- Leistungsfaktor arbeitet.

Diese Nachteile sollen nun erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, daß die Gleichspannungscharakteristiken des Entladungsgefäßes bei Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb in ihrer gegenseitigen Lage durch Wahl der Zündmomente der Anoden des Entladungsgefäßes so eingestellt und geregelt werden, daß die größte Differenz der Spannungen der beiden Charakteristiken im gesamten Arbeitsbereich kleiner ist als der doppelte Wert des Spannungsabfalles, der sich aus dem Ohmschen, dem induktiven und dem Lichtbogenabfall bei Vollast zusammensetzt. So kann man z. B. durch Wahl der Zündmomente die Spannung des Gleichstromnetzes dadurch heben, daß man den Zündmoment so wählt, daß der mittlere Teil der Spannungshalbwelle für die Gleichstromerzeugung benutzt wird. Umgekehrt kann man bei Wechselrichterbetrieb den Zündmoment um einen gewissen Zeitteil früher wählen, so daß sich eine tiefere Lage der Charakteristik ergibt. Hierbei ergibt sich jedoch die Eigentümlichkeit, daß die beiden Charakteristiken die • Ordinatenachse nicht im gleichen Punkt schneiden. Man kann somit nicht ohne weiteres beim Nullwert des Stromes von einer Charakteristik auf die andere übergehen, da dies eine Änderung der Netzspannung voraussetzen würde, die nicht gegeben ist. Würde man aber von einem Punkt der einen Charakteristik auf einen Punkt gleicher Spannung der anderen Charakteristik übergehen, so könnte dies nicht beim Stromwert Null geschehen, sondern es müßte von einem Strom der einen Richtung sofort auf einen Strom entgegengesetzter Richtung übergegangen werden. Dies würde aber einen Stromstoß bedeuten. Um diesen zu vermeiden, soll erfindungsgemäß dafür gesorgt werden, daß der Übergang von der Gleichrichtercharakteristik auf die Wechselrichtercharakteristik in mögliehst stetiger Weise erfolgt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man mit Hilfe von strom- oder spannungsabhängigen Schnellreglern die Charakteristiken auch bei kleinen _ Strombelastungen, also in der Nähe der Ordi-Snatenachse, so beeinflußt, daß ihre Schnitt-.."punkte mit dieser Ordinatenachse möglichst ·. zusammenfallen. An sich wäre es gleichgültig, wo der gemeinsame Schnittpunkt der Charakteristiken auf der Ordinatenachse liegt. Es kann aber von Vorteil sein, mit Hilfe der Schnellregler die in ihrem Hauptteil geradlinig verlaufenden Charakteristiken so fortzusetzen, daß sie geradlinig bis zur Ordinatenachse verlaufen.

Diese Verhältnisse seien an Hand der Fig. i, ia, ib, ic und 2, 2a, 2b, 2c näher erläutert.

In Fig. I ist das Prinzipschema des Gleichrichterbetriebes und in Fig. 2 das Prinzipschema des Wechselrichterbetriebs dargestellt. In Fig. ι bedeutet T den primär an das Wechselstromnetz angeschlossenen Transformator, dessen Sekundärwicklung den Stromverbraucher des Gleichstromnetzes, der hier die Batterie B ist, über die Entladungszelle Z speist. Mit A ist die Anode, mit G das Steuergitter, mit K die Kathode der Entladungszelle bezeichnet. Die Durchlaßrichtung der Entladungszelle ist stets die Richtung von A nach K, und demgemäß ist auch der die Richtung des Stromes / anzeigende Pfeil von A nach K gerichtet. Beim Gleichrichterbetrieb ist die in der Sekundärwicklung des Transformators induzierte Spannung die im Sekundärstromkreis wirkende EMK. Da sie den Strom erzeugt, fällt ihre Richtung mit der des Stromes zusammen (s. Pfeilrichtung). Umgekehrt muß im Stromverbraucher eine Gegen-EMK wirksam sein, deren, Richtung der Richtung des Stromes »00 entgegengesetzt ist. Der Pluspol des Stromverbrauchers liegt somit an der der Kathode zugewandten, der Minuspol an der der Kathode abgewandten Seite der Batterie.

Anders liegen die Verhältnisse beim Wechselrichterbetrieb, wie aus dem Prinzipschema der Fig. 2 hervorgeht. Die Bedeutung der Buchstaben ist hier die gleiche wie in Fig. i. Hier ist aber die Batterie die treibende Stromquelle, und ihre Spannung erzeugt no den die Entladungszelle in gleicher Richtung durchfließenden Strom. Daher muß ihre Spannungsrichtung die umgekehrte wie in Fig. ι sein, mit anderen Worten muß beim Übergang vom Gleichrichter- in den Wechsel- 11s richterbetrieb die Batterie (bzw. das Gleichstromnetz) umgepolt werden. Aber es muß noch eine zweite Bedingung erfüllt werden. Da nämlich die in der Sekundärwicklung vom primären Wechselstromnetz induzierte Spannung hier als Gegen-EMK auftritt, muß der Stromweg mit Hilfe der Gittersteuerung

immer in Zeiten freigegeben werden, die stark gegen die Zeiten verschoben sind, in denen die Anode beim Gleichrichterbetrieb Strom führt. Wird die Entladungszelle auch beim Gleichrichterbetrieb gesteuert, dann muß somit beim Übergang in den Wechselrichterbetrieb die Steuerung um einen bestimmten Winkel gedreht, d. h. auf Wechselrichterbetrieb umgestellt werden.

ίο Entsprechend den verschiedenen Betriebsverhältnissen ergeben sich auch verschiedene Stromspannungscharakteristiken beim Gleich- und Wechselrichterbetrieb. Die in Abhängigkeit vom Belastungsstrom aufgetragene Gleichspannungskurve ist somit bei gesteuerten Entladungszellen auch bedingt von der Lage des Zündmoments innerhalb der Periode des Wechselstromes, wie an Hand der Fig. ia, ib, ic und 2a, 2b, 2c näher erläutert werden soll. In diesen Figuren ist vorausgesetzt, daß es sich um eine sechsphasig gespeiste, also sechsanodige Entladungszelle handelt, bei welcher die Zeitlage des Zündmoments mit Hilfe des Steuergitters verändert werden kann. In diesen Figuren sind der Deutlichkeit wegen nicht die Spannungswellen aller sechs Phasen, sondern nur einige zeitlich aufeinanderfolgende eingetragen.
Die Fig. ia, ib, ic beziehen sich auf Gleichrichterbetrieb, die Fig. 2a, 2b, 2c auf Wechselrichterbetrieb.

Da beim Gleichrichterbetrieb der Strom einer Anode auch nach Freigabe des Stromweges erst dann auf die Folgeanode übergeht, wenn deren Spannung größer ist als die der stromführenden Anode, kommt als Zeitlage für den frühesten Zündmoment der vom Nullpunkt der Spannungskurve um 60 ° nacheilend verschobene Zeitpunkt in Frage. In Fig. ia bedeutet E₁ die Spannungskurve der Phase 1, g₁ die Kurve der Gittersteuerspannung. Der Einfachheit wegen ist angenommen, daß die Zündung der Anode stets in dem Moment einsetzt, in welchem die Kurve ^₁ die Äbszissenachse von Minus nach Plus hin durchschreitet. Ist dies bei 60 ° der Fall, dann entspricht der benutzte Teil der Spannungskurve der Phase 1 der schraffierten Fläche der Fig. ia, und mart erhält so als mittlere Gleichspannung in diesem Falle den Wert B_g.

Verschiebt man die Zeitlage des Zündpunktes um weitere 60 °, wählt sie also gegen den Nullpunkt der Spannungskurve E₁ um 120° nacheilend verschoben, dann entspricht der benutzte Teil der Spannungskurve der Phase 1 der schraffierten Fläche der Fig. ib, und man erhält als mittlere Gleichspannung eine Spannung E_s, die wesentlich kleiner als E_g in Fig. ia ist.

Verschiebt man die Zeitlage des Zündpunktes gegen den Anfangspunkt der Spannungskurve von E₁ um 180°, dann nimmt die Gleichspannung E_g, wie. aus Fig. ic ersichtlich, den Wert Null-an, da eine Zündung der Anode nicht mehr zustande kömmt.

Den verschiedenen Zündpunktlagen entsprechen somit verschiedene Gleichspannungen im Gleichrichterbetrieb, und es ergeben sich dementsprechend auch verschiedene Stromspannungscharakteristiken. In Fig. 3a sind derartige, vom Phasenwinkel des Zündzeitpunktes abhängige Charakteristiken des Gleichrichterbetriebes in den Kurven rechts von der Ordinatenachse dargestellt. Es sind die Spannungskurven als Funktion der Strombelastung bei den Winkeln 6o°, 8o°, ioo°, I2O° und i8o° eingezeichnet. Man erkennt, daß die dem Winkel von 6o° zugeordnete Spannungskurve am höchsten liegt, während die Spannungskurve von i8o° mit der Abszissenachse zusammenfällt. Das mit anwachsendem Belastungsstrom zunehmende Absinken der Gleichspannung ist eine Folge des im Gleichrichter und im Speisetransformator auftretenden Spannungsabfalles. 8g

Umgekehrt liegt der Fall beim Wechselrichterbetrieb, weil hier der Spannungsabfall das Vorzeichen umkehrt und die Gleichspannung um diesen Betrag höher liegt als die gezündete Wechselspannung. In Fig. 2a wird (natürlich nach der zum Wechselrichterbetrieb erforderlichen Umpolung des Gleichstromnetzes) bei einer zeitlichen Verschiebung des Zündpunktes um 150⁰ gegen den Anfangspunkt der positiven Halbwelle der Stromweg der Anode freigegeben. Da nach einem Zeitwinkel von je 60° bereits immer der Stromweg der Folgeanode geöffnet wird, ergibt sich als Kurve der Gleichspannung die Kurve der aus Fig. 2a ersichtlichen schraffierten Fläche, die aus abwechselnd positiv und negativ gerichteten Teilflächen gleicher Größe gebildet wird und deren Integration über die Zeit einer vollen Periode den Wert Null ergibt. Der Phasenverschiebung der Gitterspannungg'x gegen die Anodenspannung E₁ von 150⁰ entspricht also beim Wechselrichterbetrieb die Gleichspannung E_g = Null.

Vergrößert man den Phasenwinkel zwischen Gitter- und Anodenspannung auf i8o°, dann entspricht der benutzte Teil der negativen Spannungshalbwelle der in Fig. 2b eingezeichneten schraffierten Fläche. Der sich ■ergebende Mittelwert der Gleichspannung E_B hat dann den gleichen Wert wie E_g in Fig. ib, also wie bei 120 ° im Gleichrichterbetrieb.

Die beim Wechselrichterbetrieb höchstzulässige Phasenverschiebung von Gitter- und Anodenspannung beträgt 240°, da bei einer weiteren Verschiebung der Strom den Schnittpunkt der Spannungskurve der stromführenden Anode mit der Spannungskurve der

Folgeanode überdauert, was· zur Folge hätte, daß der Strom nicht mehr auf die Folgeanode übergeht und der Wechselrichter in Kurzschluß gerät. Diese Grenzlage des Zündpunktes bei 240° Verschiebung ist in Fig. 2c dargestellt. Wie ersichtlich, nimmt die Gleichspannung Bg wieder den höchsten Wert an, den sie im Gleichrichterbetrieb bei der Zündpunktlage von 6o° hatte. Praktisch ist diese Grenzspannungskurve aus den genannten Gründen nicht erreichbar, man geht über eine Verschiebung von 220⁰ nicht hinaus.

In Fig. 3a sind links von der Ordinatenachse die Stromspannungscharakteristiken beim Wechselrichterbetrieb aufgetragen. Nach dem Gesagten ist klar, daß die dem Phasenwinkel von 220° entsprechende Charakteristik am höchsten liegt, während die dem Phasenwinkel von 150⁰ entsprechende Charakteristik ao (E_ff = Null) mit der Abszissenachse zusammenfällt. Man erkennt aus dem Anblick der ganzen Fig. 3a, daß man im allgemeinen nicht ohne Strom- oder Spannungssprung vom Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb übergehen kann, es sei denn, daß man von einer Gleichrichtercharakteristik in diejenige Wechselcharakteristik übergeht, deren Leerlaufspannung den gleichen Wert hat, wie dies in Fig. 3 bei den Kurven 120°, Gleichrichterbetrieb, und 220 °, Wechselrichterbetrieb, der Fall ist. Die maximale Spannungsdifferenz zwischen den Gleichspannungen dieser beiden Charakteristiken ist aber gleich dem doppelten Wert des Spannungsabfalles und daher in vielen Fällen praktisch unzulässig. Es ist nun Aufgabe vorliegender Erfindung, den Übergang vom Gleichrichterin den Wechselrichterbetrieb stoßfrei zu gestalten unter gleichzeitiger Verkleinerung der maximalen Differenz der Gleichspannungen der benutzten -beiden Charakteristiken. Es war bisher die Ansicht verbreitet, daß man vor dem Übergang vom Gleich- in den Wechselrichterbetrieb die gezündete Gleichspannung erst auf den Wert Null herabregeln müßte, wie es Fig. 3b veranschaulicht. Bei diesem Verfahren wurde sowohl beim Gleichrichterwie auch beim Wechselrichterbetrieb die Gleichspannung selbsttätig konstant gehalten, aber beim Übergang zum Wechselrichterbetrieb wurde die Gitterspannung zunächst in Gegenphase zur Anodenspannung gebracht (Verschiebungswinkel 180 °), dann erfolgte die Umpolung·, und darauf wurde die Gleichspannung wieder selbsttätig auf den normalen Betrag heraufgeregelt. In Fig. 3b gibt die stark ausgezogene Kurve den sich ergebenden sprunghaften Verlauf der Gleichspannung beim Übergang vom einen auf den anderen Betrieb an. Im Gegensatz hierzu soll gemäß der Erfindung die Gleichspannung auch beim Übergang auf den anderen Betrieb nicht wesentlich vom normalen Wert abweichen. Dies wird dadurch erreicht, daß man durch -Regelung über Zwischencharakteristiken von der Gleichspannungscharakteristik-des Gleichrichterbetriebes auf eine Charakteristik des Wechselrichterbetriebes übergeht, die so gewählt ist, daß die maximale Differenz der Gleichspannungen beider Charakteristiken kleiner ist als der doppelte Wert des Spannungsabfalles.

Fig. 3c zeigt, wie man, um von der Charakteristik ioo° des Gleichrichterbetriebes zur Charakteristik 200 ° des Wechselrichterbetriebes, beispielsweise um von B nach A zu. gelangen, nacheinander auf die Charakteristiken IO5°, 110°, II5⁰, 120°, 22O°, 215°, 2IO°, 205°, 2oo° übergehen muß. Die totale Kurve der Gleichspannung für beide Betriebe ist auch in Fig. 3c stark ausgezogen.

Will man die Umpolung des Gleichrichters abhängig machen von der Spannungsdifferenz zwischen Gleich- und Wechselrichterbetrieb, dann ist es zweckmäßig, den Schnittpunkt der Gleichrichtercharakteristik mit der Ordinatenachse etwas tiefer zu legen als den Schnittpunkt der Wechselrichtercharakteristik. Wenn dann der Gleichrichterstrom den Nullwert erreicht, muß die Spannung des Netzes, um den Schnittpunkt der Wechselrichtercharakteristik zu erreichen, erst noch etwas ansteigen. Diesen kleinen Anstieg kann man benutzen, um das Umschaltrelais in Tätigkeit zu setzen. Erfolgt dieser Anstieg nicht, liegt somit keine Tendenz zur Rekuperation vor, dann unterbleibt auch die Umpolung des Gleichrichters. In diesem Fall soll der Punkte tiefer liegen als der Punkt B (Fig. 4), so daß beim Umschalten der Spannungsanstieg zur Betätigung des Umschaltrelais ausreicht.

Der Gegenstand der Erfindung ist nicht darauf beschränkt, daß, wie in Fig. 3c angegeben, der Übergang von der Gleichrichtercharakteristik auf die Wechselrichtercharakteristik unter Aufrechterhaltung einer annähernd konstanten Netzspannung erfolgt. Man kann auch den Übergang so gestalten, daß eine Kompoundierung des Gleichstromnetzes erreicht wird, d. h. daß die Spannung tio des Gleichstromnetzes mit zunehmendem Gleichrichterstrom gehoben, bei zunehmendem Wechselrichterstrom aber gesenkt wird. Die Gestaltung der Charakteristik ist auch in diesem Falle nur eine Frage der Änderung der Zündpunktlage in Abhängigkeit von der Belastung. Wird die Kompoundierung weit getrieben, darin kann die Vollastspannung bei Gleichrichterbetrieb sogar höher werden als die bei Wechselrichterbetrieb, so daß also die Differenz der Spannungen sogar das Vorzeichen wechselt.

Claims (5)

1. Patent λ ν S ρ κ γ c η ε:

   ι. Verfahren zum wechselseitigen Leistungsaustausch zwischen einem Ein- oder Mehrphasen wechsel stromnetz und einem durch ein gittergesteuertes Dampf- oder Gasentladungsgefäß mit diesem gekuppelten Gleichstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungscharakteristiken des Entladungsgefäßes bei Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb in ihrer gegenseitigen Läge durch Wahl der Zündmomente der Anoden des Entladungsgefäßes so eingestellt und geregelt werden,

   is daß die größte Differenz der Spannungen der beiden Charakteristiken im gesamten Arbeitsbereich kleiner ist als der doppelte Wert des Spannungsabfalles, der sich aus dem Ohmschen, induktiven und dem Licht-

   ao bogenabfali bei Vollast zusammensetzt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mittels von den Netzgrößen beeinflußter, schnell arbeitender Regler beim Übergang vom Gleichrichter-

   as in den Wechselrichterbetrieb und umgekehrt ein wesentliches Abweichen der geregelten Gleichspannung von dem mittleren Spannungswert durch entsprechende Verstellung des Zündmoments verhindert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler die Gleichspannungscharakteristik bei Gleichrichter- und bei Wechselrichterbetrieb im Bereich-kleiner Strombelastung so regeln, daß sie die Ordinatenachse im gleichen Punkt schneiden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler die beiden Gleichspannungscharakteristiken so regeln, daß der Schnittpunkt der Gleichrichtercharakteristik mit der Ordinatenachse um so viel tiefer liegt als der Schnittpunkt der Wechselrichtercharakteristik mit der Ordinatenachse, daß die dem Abstand der Schnittpunkte entsprechende Spannung gerade ausreicht, ein die Umpolung des Entladungsgefäßes betätigendes Relais zum Ansprechen zu bringen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler die beiden Gleichspannungscharakteristiken so regeln, daß die Spannung des Gleichstromnetzes mit zunehmendem Strom bei Gleichrichterbetrieb steigt, bei Wechselrichterbetrieb aber fällt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen