DE640400C - Anordnung zur Gittersteuerung fuer elastische Umrichter mit gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstrecken - Google Patents

Description

Beim Betrieb von mit gittergesteuerten Dampf- oder» Gasentladungsstrecken arbeitenden elastischen Umrichtern ergeben sich bekanntlich verschiedene Eigentümlichkeiten. Unter diesen herrscht diejenige vor, daß die Entladungsstrecken derart zu steuern sind, daß jederzeit Energie sowohl aus' dem Primärnetz, das normalerweise die höhere Frequenz aufweist, an das Sekundärnetz als auch in umgekehrter Richtung geliefert werden kann. Das bedeutet, daß stets die eine Gruppe von Entladungs strecken in Gleichrichterbereitschaft, die andere Gruppe von Entladungsstrecken in Wechselrichterbereitschaft zu halten ist, wobei die Art der Bereitschaft von Halbwelle zu Halbwelle der niederen Frequenz wechselt. Es ist nun bereits erkannt worden, daß bei solchen Betriebsverhältnissen innere Kurzschlußmöglichkeiten bestehen, die man beispielsweise mit einer stromabhängigen Verriegelungs steuerung beherrschen kann: Diese wirkt in der Weise, daß die jeweils stromführende Gruppe von Entladungsstrecken die andere · Gruppe von Entladungsstrecken gesperrt hält, also eine mögliche bestehende Arbeitsbereitschaft nicht zuläßt. Man kann aueh den Betrieb noch besser beherrschen, indem man das Einsetzen der Entladung in den Entladungsstrecken bei Gleichrichterbetrieb mit einer Phasenverschiebung verzögert, . die dem Betrag nach gleich groß ist wie die Phasenvoreilung des Beginnes der entsprechenden Wechselrichterkommutierung. Diese Steuerungsmöglichkeiten kann man für starre Umrichter als ausreichend ansehen.

Beim Betrieb von elastischen Umrichtern ist die Arbeitsweise jeder Entladungsstrecke nicht wie beim starren Betrieb· genau festlegbar. Hier ergeben sich die verschiedenartigsten Steuerungsmöglichkeiten, die man im allgemeinen betriebssicher beherrschen kann, wenn man mehrere sich gegenseitig ausschließende Steuerwege Yorsieht. Dennoch bringt es die Eigentümlichkeit des elastischen Betriebes selbst bei Vorhandensein sämtlicher, bei. starren Umrichtern vollkommen ausreichender Schutzmaßnahmen mit sich, daß innere Kurzschlußströme entstehen können. Dies beruht darauf, daß die Wechselrichterkommutierung mit einer nennenswerten Phasenvoreilung, meist mehr als 30⁰ bezogen auf die höherfrequente Periode, vor der entsprechenden Gleichrichterkommutierung stattfinden muß. In diesem Phasenintervall können sich aber nun die Verhältnisse im elastischen Betrieb derart ändern, daß bei Beginn des Phasenintervalles das Einsetzen der Entladung gemäß den Bedingungen des Wechselrichterbetriebes gerade noch möglich ist, aber nicht mehr das Einsetzen der Entladung gemäß den Bedingungen der entsprechenden

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden :

Dr.-Ing. Gustav Reinhardt in Berlin.

Gleichrichterkommutierung, d. h. es folgen sich nicht zusammengehörige Gleichrichterund Wechselrichterkommutierungen, sondern es folgen aufeinander eine Gleichrichter- und ⁵ eine Wechselrichterkommutierung von i ander nicht entsprechenden Spannungsschnitt--;

punkten. Im einfachsten Falle kann es beispielsweise so sein, daß Entladungsstrecken an derselben Phase, aber an verschiedenen Spannungswerten beteiligt sind. Dann ergibt sich ein Kurzschluß für die Differenzspannung zwischen den beiden Anzapfungen. Die Erfindung bezweckt nun eine Vermeidung solcher dem elastischen Betrieb abträg- *5 liehen Kurzschlußmöglichkeiten, und zwar wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Steuerung für den Gleichrichterbetrieb in vorbestimmte Abhängigkeit zu der Steuerung für den Wechselrichterbetrieb gebracht ist, und zwar derart, daß das Einsetzen der Entladung gemäß den Bedingungen des Gleichrichterbetriebes nur dann ermöglicht wird, wenn ein das Einsetzen der Entladung ermöglichender Steuerimpuls der entsprechenden Wechselrichterkommutierung gegeben wird. Hierdurch wird im inneren Kurzschlüßkreis Spannungsgleichgewicht zwischen den beiden die beiden Halbwellen liefernden Speisespannungen erreicht.
Eine grundsätzliche Ausführungsmöglichkeit ist in Abb. ι der Zeichnung dargestellt, und zwar beispielsweise für einen Umrichter, bei dem eine derartige Anordnung der die Umformung durchführenden Hauptentladungsstrecken getroffen ist, daß sie alle gemeinsames Kathodenpotential aufweisen, d. h. in einem einzigen mehranodigen Entladungsgefäß mit gemeinsamer Kathode zusammengefaßt werden können. Von den Hauptstrom-4-0 kreisen der gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken ist im vorliegenden Falle nur die Quecksilberkathode 4 eines mehranodigen Eisengefäßes dargestellt. Es ist weiterhin angenommen, daß jede der beiden Gruppen von Entladungsstrecken nur je drei Entladungsstrecken mit den Gittern 1', 2', 3' bzw. 1", 2", 3" enthält, und ferner ist für j eden Gitterkreis zur Erleichterung der Übersicht nur ein Steuerweg angegeben, und zwar für die eingestrichenen Entladungsstrecken die Steuerung für Wechselrichterbetrieb, für die zweigestrichenen Entladungsstrecken die Steuerung für Gleichrichterbetrieb. Für sämtliche Gitterkreise ist eine negative Vorspannung 5 vorgesehen, die über die Widerstände 51', 52' und 51", 52" den Gittern zugeführt wird und sperrend wirkt. Das Einsetzen der Entladung in den Hauptentladungsstrecken wird durch zusätzliche Steuerimpulse, die mittels Hilfsentladungsstrecken io', 20', 30' und 10", 20", 30" geliefert werden, ermöglicht. Für die Hilfsentladungsstrecken werden ebenfalls wie für die Hauptentladungsstrecken gittergesteuerte Entla-' dungsstrecken mit im wesentlichen lichtbogenformiger Entladung verwendet. Als Anodenspannung wird eine aus dem höherfrequenten

Netz entnommene und mittels eines Transformators 6' bzw. 6" zugeführte Wechselspannung geeigneter Phasenlage verwendet. Ebenso erhalten die Gitterkreise der Hilfsentladungsstrecken außer gegebenenfalls erforderlichen Vorspannungen 50 eine Steuerwechselspannung spitzer Wellenform, die mit passender Phasenlage ebenfalls dem höherfrequenten Netz entnommen wird. Die Erzeugung der spitzen Wellenform geschieht im nicht bezeichneten gesättigten Gittertransformator selbst, der zweckmäßig mit freiem magnetischen Rückschluß zu versehen ist. In die Zuleitungen zu den Primärwicklungen der beiden Gittertransformatoren sind ebenfalls nicht näher bezeichnete Drosselspulen zur Aufrechterhaltung eines möglichst sinusförmigen Erregerstromes für die Gittertransformatoren eingeschaltet. Ferner werden die Hilfsentladungsstrecken 10', 20', 30' zusätzlich im Takt der niederen Frequenzen gesteuert, und zwar im vorliegenden Fall gruppenweise durch eine als Schalter 7' angedeutete Schaltwalze (Kommutator). Jedoch, ist diese Art der Steuerung von dem niederfrequenten Netz aus nicht wesentlich für die Durchführung der Erfindung, sondern man kann auch an Stelle des mechanischen Schaltorganes eine gittergesteuerte Hilfsentladungsstrecke, sei es mit im wesentlichen reiner Elektronenentladung, sei es mit im wesentlichen lichtbogenförmiger Entladung, vorsehen, deren Anoden- und Gitterkreis je durch eine aus dem niederfrequenten Netz abgeleitete Wechselspannung passender Phasenlage gespeist werden, wobei es zweckmäßig ist, für die Gitterspannung eine rechteckförmige Wellenform, vorzugsweise eine solche mit unsymmetrisch ausgebildeten Halbwellen, zu verwenden. Es steht jedoch nichts im Wege, die dem niederfrequenten Netz zugeordnete Steuerkomponente auch unmittelbar in die Gitterkreise von 10', 20', 30'.einzufügen. u₀

Die Gitterkreise von 1", 2", 3" sind grundsätzlich gleichartig aufgebaut wie die von 1', 2',-3'. Sie enthalten also außer den bereits erwähnten Vorspannungen 50 Wicklungen eines gesättigten Gittertransformators, der n₅ nicht bezeichnet ist, mit Drosselspulen in den Zuleitungen. Hinzu tritt eine neue Steuerkomponente, die von den Hilfsentladungsstrecken der anderen Gruppe von Hauptentladungsstrecken abgeleitet ist. Sobald näm- iao Hch das Gitter i' einen das Einsetzen der Entladung ermöglichenden Steuerimpuls von der

Hilfsentladungsstrecke io' erhält, wird gleichzeitig von dieser Hilfsentladungsstrecke über einen Stromwandler 9 ein Steuerimpuls in den Gitterkreis · der Hilfsentladungsstrecke 10" gegeben. Diese Hilfsentladungsstrecke ist in den Stromkreis des Gitters 1" geschaltet. 1' und 1" gehören aber nun zu einander entsprechenden. Hauptentladungsstrecken, d. h. der Strom fließt in dem in Frage'kommenden Zeitteilchen entweder durch die eine oder durch die andere Hauptentladungsstrecke. Die Bemessung der einzelnen Steuerkomponenteni * im Gitterkreis der Hilfsentladungsstrecke 10" ist nun derart, daß, abweichend von den Verhältnissen bei den eingestrichenen Hilfsentladungsstrecken, die aus dem höherfrequenten Netz entnommene Steuerwechselspannung spitzer Wellenform für sich allein ein Einsetzen der Entladung in der Hilfsentladungsstrecke 10" noch nicht ermöglicht, sondern erst in Verbindung mit der durch den Stromwandler 9 gelieferten Steuerspannung. Zur Erzielung richtiger Steuerspannungsverhältnisse wird man vorteilhaft Glimmröhren 8, gegebenenfalls mit parallelgeschaltetem, nicht bezeichnetem Widerstand, einfügen. Besonders hat dies Bedeutung für die Sekundärwicklung des Stromwandlers 9.
Die Anordnung nach Abb. 1 müßte 'noch derart ergänzt werden, daß für die eingestrichene Gruppe von Hauptentladungsstrecken noch eine weitere in derselben Weise wie 10", 20", 30" geschaltete Gruppe von Hilfsentladungsstrecken vorzusehen ist. Diese muß in der gleichen Weise in Abhängigkeit gebracht werden zu einer weiteren -Gruppe von Hilfsentladungsstrecken, die den Gittern 1", 2", 3" zugeordnet, aber im übrigen in gleicher Weise wie 10', 20', 30' geschaltet ist. Mithin sind für jedes Gitter einer Hauptentladungsstrecke mindestens zwei Steuerwege vorzusehen, wobei der dem Gleichrichterbetrieb entsprechende Steuerweg¹ durch den . dem Wechselrichterbetrieb entsprechenden Steuerweg der entsprechenden anderen Hauptentladungsstrecke verriegelt und mitgesteuert wird.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann man die Verriegelung noch weiter führen, wie nachstehend an Hand eines Doppelumrichters mit abgestuften Phasenspannungen erläutert werden soll.. Der Doppelumrichter besteht, wie aus Abb. 2 der . Zeichnung zu erkennen ist, aus· zwei Teil-Umrichtern I und II, die im vorliegenden Fall zwei gleichfrequente Spannungen gleicher Phasenlage, aber verschiedenartiger Kurvenform liefern. Die Zusammensetzung der beiden Teilspannungen erfolgt mit Hilfe der beiden Transformatoren 102.und 202. Gebildet werden die Teilspannungen mit Hilfe der in mehranodigen Gefäßen 101 und 201 untergebrachten gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken aus vier dreiphasigen Speisetransformatoren, wobei für jeden Speisetransformator insgesamt sieben Entladungsstrecken vorgesehen sind, die die gleiche Bezifferung wie die Wicklungsanzapfungen haben mögen.

Ein Ausführungsbeispiel für die Weiter-. bildung des Erfindungsgedankens ist in Abb. 3 der Zeichnung angegeben, und zwar bezieht es sich auf einen Doppelumrichter nach Abb. 2. Zwecks Vereinfachung der Darstellung soll nur eine Gruppe von Entladungsstrecken eines Teilumrichters, nämlich die der Entladungsstrecken 100', in', 112', 131', 132', 151' und 152' betrachtet werden, und weiter ist nur die Steuerung gemäß den Bedingungen des; Wechselrichterbetriebes angegeben, d. h. in Wirklichkeit müßte die Ausbildung der Steuerung entsprechend den Ausführungen zu Abb. ι vervollständigt werden. Man weiß "nun vom Doppelumrichter gemäß Abb. 2, daß jede Entladungsstrecke sehr verschiedenartig arbeiten kann und infolgedessen auch entsprechend gesteuert werden muß. So niuß die Entladungsstrecke 112' in die Lage versetzt werden können, einen Strom sowohl von der Entladungsstrecke 151' als auch von _go der Entladungsstrecke 152' übernehmen zu können. Die Entladungsstrecke in' ist derart zu steuern, daß sie Strom sowohl von den beiden bereits genannten Entladungsstrecken 151' und 152' als auch von der Sternpunktsentladungs strecke 10 o' übernehmen kann, d.h. die Entladungsstrecke 111' muß drei an sich verschiedenen Steuerbedingungen genügen. .Entsprechendes gilt auch für die Entladungsstr >ecken der übrigen Phasen. Bezüglich der _1Oo Sternpunktsentladungsstrecke 100* sind ebenfalls drei Steuerbedingungen zu erfüllen, nämlich die Übernahme des Stromes entweder von in' oder von 131' oder von 151'. Genaiu wie bei Abb. 1 sind die der niederfrequenten Spannung zugeordneten Steuerorgane durch als Schalter angedeutete Schaltwalzen (Kommutatoren) angedeutet, und zwar 722' die Steuerung bei Übernahme des Stromes von 152' auf 112' usw., 712' bei Übernahme no des Stromes von 151' auf 112' usw. Entsprechende Zusammenhänge ergeben sich für die Schaltwalzen 701', 710', 711' und 721'. lim Sinne der Weiterbildung der Erfindung werden grundsätzlich die Entladungsstrecken mit n₅ den späteren Spannungsschnittpunkten durch die Entladungsstrecken mit den vorangehenden Spannungsschnittpunkten verriegelt, und 'zwar in einer aus Abb. 4 ersichtlichen Weise. Eine Hilfsentladungsstrecke, die beispielsweise durch die Schaltwalze 721' gesteuert wird, wird bei passenden Phasenverhältnis-

sen den das Einsetzen der Entladung in der Hilfsentladungsstrecke ermöglichenden Spannungsstoß u_wr erhalten, der seinerseits das Einsetzen der Entladung in der zugehörigen Hauptentladungsstrecke ermöglicht. Dieser mögliche Spannungsstoß wird durch eine Steuerspannung u_q ins Negative verlagert. Diese Steuerspannung wird in ähnlicher Weise wie bei Abb. ι durch eirten Stromwandler to 921' geliefert, und zwar ist dieser in den Stromkreis einer Hilfsentladungsstrecke geschaltet, die die an dem höheren Spannungswert derselben Speisephase liegende Hauptentladungsstrecke steuert. Es ergibt sich mithin für die dem niederen Spannungswert der Speisephase zugeordnete Hilfsentladungsstrecke unter Berücksichtigung der an sich vorhandenen negativen Vorspannung ein Verlauf u_s für die Kurve der Steuerspannung, ao Entsprechend sind für die durch die Schaltwalze 711' und 710' gesteuerten Hilfsentladungsstrecken Stromwandler 911' bzw. 910' vorgesehen. Eine Verriegelung zwischen den zu den Schaltwalzen 712' und 722' gehörigen Hilfsentladungsstrecken ist an sich auch denkbar, wird aber im allgemeinen nicht erforderlich sein, da die der niederfrequenten Spannung zugeordneten Steuerkomponenten eine genügend genaue Einhaltung der Steuerbedingungen gewährleisten. Gleiches gilt auch für die zu den Schaltwalzen 701', 711' und 721' gehörenden Hilfsentladungsstrecken untereinander. Für die Sternpunktsentladungsstrecke 100' ist eine doppelte Schaltwalze 710' vorgesehen, wobei in der einen Halbwelle der niederfrequenten Spannung das eine Kontaktstück, in der anderen Hälbwelle das andere Kontaktstück die Steuerung bewirkt.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen einige der verschiedenen Möglichkeiten vorbestimmter Beeinflussung, d. h. einerseits Verriegelung, andererseits Mitsteuerung einzelner Steuerwege durch andere Steuerwege. Es steht nichts im Wege, außer den Verriegelung gemäß der Erfindung weitere Schutzsteuerungen vorzusehen, wie die stromabhängige Verniegelungs steuerung zwischen den beiden Gruppen von Hauptenladungsstrecken oder andere Verbesserungen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Gittersteuerung bei elastischen, mit gittergesteuerten Dampfoder Gasentladungsstrecken arbeitenden Umrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Entladungsstrecken für den Gleichrichterbetrieb derart in Abhängigkeit zu der Steuerung der entsprechenden Entladungsstrecken für den Wechselrichterbetrieb gebracht ist, daß das Einsetzen der Entladung gemäß den Bedingungen des Gleichrichterbetriebes nur dann ermöglicht wird, wenn der entsprechenden Entladungsstrecke für den Wechselrichterbetrieb ein das Einsetzen der Entladung ermöglichender Steuerimpuls gegeben wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1 für Umrichter mit mehrfach abgestuften primären Phasenspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem die Steuerung der an den niederen Spannungswerten liegenden Entladungsstrecken für den Wechselrichterbetrieb derart in Abhängigkeit zu der Steuerung der an den höheren Spannungswerten liegenden Entladungsstrecken für den Wechselrichterbetrieb gebracht ist, daß das Einsetzen der Entladung nur dann ermöglicht wird, wenn nicht bereits den an den höheren Spannungswerten liegenden Entladungsstrecken ein das Einsetzen der Entladung ermöglichender Steuerimpuls gegeben wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Hauptentladungsstrecken Hilfsentladungsstrecken vorgesehen sind, bei denen die dem Wechselrichterbetrieb entsprechende Hilfsentladungsstrecke den Steuerweg der in Gleichrichterbetrieb arbeitenden entsprechenden Hauptentladungsstrecke mitsteuert bzw. verriegelt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gittersteue-' rung der Hilfsentladungsstrecken für den Gleichrichterbetrieb durch Stromwandler (9 bzw. 921', 911', 910' usw.), die in den Hauptstromkreis der Hilfsentladungsstrecken für den Wechselrichterbetrieb geschaltet sind, erfolgt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Stromwandler (9 bzw. 921', 911', 910' usw.) gelieferten Gittersteuer spannung eine dem höherfrequenten Netz entnommene Steuerwechselspannung spitzer Wellenform, die für sich allein ein Einsetzen der Entladung in der Hilfsentladungs- n₀ strecke noch nicht ermöglicht, überlagert wird.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen