DE640591C - Vorrichtung zur Bestimmung des Zuendeinsatzpunktes von elektrostatisch gesteuerten Lichtbogenentladungen - Google Patents

Description

Die Erfindung" betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung des Zündeinsatzpunktes von mit Mehrphasenwechselstrom betriebenen elektrostatisch gesteuerten Lichtbogenentladungen, sogenannten Stromrichtern.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Stromrichter mittels elektrostatisch wirkender Steuerelektroden (Gitter, Beläge) in der Weise zu steuern, daß den S teuer elektroden über einen mechanisch bewegten Kontaktapparat in solchen Zeitpunkten ausreichend hohe positive Spannungen, z. B. Gleichspannungen, zugeführt werden, in welchen die betreffenden Lichtbögen gezündet bzw. angelassen werden sollen. Die Steuerung der Stromrichter wird dann durch beliebiges Vor- bzw. Zurückverlegen des Zeitpunktes der Zündung im allgemeinen durch Verschiebung eines Schleifkontaktes (Bürsten) auf dem sich be-

ao wegenden Kontaktträger vorgenommen.

Will man nun die Stromrichter dazu verwenden, um aus ihnen einen pulsierenden Gleichstrom von sinusförmig verlaufenden Strom- bzw. Spannungsstößen zu gewinnen, so ist es notwendig", in einem bestimmten Takte die Zeitabstände der Zündeinsatzpunkte jeder einzelnen primärseitig zugeführten Anodenwechselspannung zu verschieben. Zu diesem Zweck ist es bekannt, dem Steuerorgan jeder einzelnen Entladungsstrecke der Stromrichteranordnung zwei einander überlagerte Spannungswellen verschiedener Frequenz aufzudrücken. Gibt man nämlich der einen Steuerspannungswelle die Frequenz des der Stromrichter anordnung zugeführten Wechselstromes und der anderen Steuerspannungswelle die Frequenz eines gegenüber dem speisenden Wechselstrom niederfrequenten Wechselstromes, so wird der Zündeinsatzpunkt innerhalb eines Phasenwinkels von i8o° der höherfrequenten Wechselstromwelle derart vor- und zurückverlegt, daß aus der Stromrichteranordnung ein Wechselstrom niederer Frequenz, als die des Speisewechselstromes ist, entnommen wird.

Gegenstand der Erfindung ist nun die Ausbildung einer mechanisch wirkenden Gittersteuerung für Stromrichteranordnungen, die zur Frequenzumformung von Wechselströmen dienen, und die derart gesteuert werden, daß aus ihnen ein möglichst sinusförmiger Wechselstrom gewonnen wird.

Gemäß der Erfindung wird der Zündeinsatzpunkt von mit Mehrphasenwechselstrom betriebenen, elektrostatisch gesteuerten Lichtbogehentladungen mittels eines die Steuer-

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

Dipl.-Ing. Dr. W. Jürgen v. Issendorff in Berlin-Siemensstadt.

elektroden speisenden Kontaktapparates derart bestimmt, daß der in jeder Periode des speisenden Wechselstromes wiederkehrend' Zündzeitpunkt des Einzellichtbogens durch entsprechende Bewegungserteilung eines oder beider Kontaktapparateteile oder durch efitr sprechende Kontaktverteilung auf dem Kontaktträger innerhalb eines Phasenwinkels von l8o° der speisenden Spannungswelle derart ίο vor- und zurückverlegt wird, daß ein pulsierender Gleichstrom von sinusförmig verlaufenden Strom- bzw. Spannungsstößen abgegeben wird. Erteilt man beispielsweise dem Kontaktträger eine rotierende und dem Kontaktabnehmer (Bürstenträger) eine pendelnde Bewegung, so muß die Mittellage der zeitlichen Pendelung so gelegt werden, daß der Gleichrichter Strom- bzw. Spannungsimpulse vom Verlauf einer Sinushalbwelle abgibt. 2p Die entgegengesetzte Halbwelle des zu erzeugenden Wechselstromes wird vorteilhaft von einem anderen, ähnlich ausgeführten Stromrichter geliefert.

Die Erfindung wird nachstehend an einigen ag Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Auf einer Kontaktwalze 1 befinden sich am Umfange in gleichmäßiger Winkeleinteilung ebensoviel Kontakte 2, als der Gleichrichter 3 Anoden 4 besitzt (Fig. 1). Die Kontakte sind gegeneinander in axialer Richtung verschoben und kommen bei jeder Umdrehung je einmal mit einer Schleifbürste 5 in leitende Berührung. Die Kontaktwalze rotiert mit solcher (synchroner) Drehzahl, daß jede Bürste, die jeweils mit einer Steuerelektrode 6 des Gleichrichters verbunden ist, innerhalb einer Halbperiode, gerechnet vom frühest möglichen Zündpunkt an, des speisenden Wechselstromes je einmal in leitende Berührung mit einem Kontakt kommt. Die Phasenlage der Kontaktmomente der Bürsten kann dann in üblicher Weise durch Verschiebung des Bürstenträgers 7 erzielt werden. Erfindungsgemäß wird diese Verschiebung schwingend ausgeführt, indem z. B. der Bürstenträger mechanisch durch eine Kurbelwelle 8 und Pleuelstange 9 hin und her bewegt wird in einem solchen Takt, der der Frequenz des abzugebenden Wechselstromes entspricht.

Als weitere Ausführungsmöglichkeit kommt in Frage, daß der Bürstenträger selbst stillsteht und eine Schwingung von der gewünschten Frequenz der Rotationsbewegung der Kontaktwalze überlagert wird. Das ist beispielsweise durch Benutzung einer biegsamen Welle zwischen Antriebsmotor und Kontaktwalze möglich, welche elastische Schwingungen dieser beiden Körper gegeneinander begünstigt oder in Verbindung mit dem Eingriff eines periodisch veränderten Drehmomentes eine entsprechend wechselnde Drehgeschwindigkeit der Kontaktwalze erlaubt.

.■'-;.- Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann für bestimmte Fälle mit besonderem Vorteil Verwendung finden, nämlich da,· :wo das Verhältnis der speisenden und der abgegebenen Frequenz dauernd ein konstantes, vorzugsweise" ganzzahliges ist. Beispielsweise ist die Frequenzumformung von 50 Hertz auf i6²/₃ Hertz für den Wechselstrombahnbetrieb wichtig, und ein solches Beispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann man auf schwingende Bewegungen entweder des Bürstenträgers oder der Kontaktwalze im Takt der i6²/_s Perioden verzichten, wenn man eine Vielzahl von Kontakten jeder Bürste zuordnet und durch Wahl bestimmter Teilungswinkel am Umfange der Kontaktwalze die gewünschten- Früh- und Spätzündungen der einzelnen Anodenlichtbögen der Entladungsgefäße erzielt.

In Fig. 4 ist eine Abwicklung einer derartigen Kontaktwalze wiedergegeben, die 8g deutlich die Zusammendrängung der Kontaktwalze auf den beiden Seiten und die Auseinanderrückung in der Mitte der Abwicklung entsprechend dem Minimum δχ und dem Maximum δ₂ des Teilungswinkels zeigt. Fig. 5 zeigt eine Stirnansicht der Kontaktwalze, in der diese Teilungswinkel und ihre Verteilung über den Umfang der Walze klar zu erkennen sind. Die Abweichungen von der gleichmäßigen Winkelteilung haben eine bestimmte Gesetzmäßigkeit, die bedingt wird durch die Aufgabe, einen gut sinusförmigen Wechselstrom zu erzeugen. Insbesondere ist die Gesetzmäßigkeit abhängig von der Anodenphasenzahl der Entladungsgefäße und von der Ausnutzungshöhe der Anodenphasenspannungen. Wie in Fig. 3 zum Ausdruck gebracht ist, werden durch die gesetzmäßige Anordnung der Kontakte auf der Walze Zündeinsatzpunkte der Anodenspannungshalb- 10g wellen in solchen Abständen voneinander erzielt, daß der resultierende Strom einen annähernd sinusförmigen Verlauf nimmt, leichzeitig geht aus dem vorgenannten Ausführungsbeispiel hervor, daß eine der Rotationsbewegung überlagerte Schwingung durch diese Maßnahme ersetzt wird.

Die Kontaktwalze (Fig. 2) wird angetrieben von einem Synchronmotor mit drei Polpaaren, der vom soperiodigen Drehstromnetz angetrieben wird und daher i6²/₃ U/s ausführt. Durch Verschiebung der Bürstenhalter am Umfang wird die Betriebsstellung derselben gefunden, in welcher die von den zur Umformung dienenden Steuergleichrichtern, sogenannten Umrichtern, erzeugten Halbwellen sich in einem Niederfrequenztransfor-

mator zu einem vollständigen Wechselstrom zusammensetzen. Zur Abschaltung der Vorrichtung kann unter Umständen eine gemeinsame Verschiebung beider Bürstenhalter im Sinne der Drehrichtung genügen, durch welche beide Stromhalbwellen durch verspätete Zündung der Einzellichtbögen beliebig verkleinert werden.

Naturgemäß können zur weiteren Vervollkommnung der beschriebenen Anordnungen auch negative Gitterspannungen in den Zwischenzeiten zwischen den Kontaktgaben vorgesehen werden, um die Sperrung des Stromdurchganges durch die Entladungsstrecken zu den betreffenden Zeiten zu sichern. Ferner kann durch die Antriebsweise der mit der Frequenz des abzugebenden Wechselstromes schwingenden Teile des Kontaktapparates erreicht werden, daß deren Bewegung nicht eine rein harmonische, sqndern eine derart verzerrte ist, daß z. B. die Übergänge zwischen dem Maximum b₂ und dem Minimum S₁ der Teilungswinkel verschieden schnell erfolgen, wie sich das aus einer genauen Analyse der Steuervorgänge ergibt. Endlich ist nicht unbedingt eine rotierende Bewegung des Kontaktapparates erforderlich, man kann z. B. an Stelle einer rotierenden und einer schwingenden Bewegung auch zwei schwingende Bewegungen der beiden genannten Frequenzen kombinieren.

Die in der Einleitung der Beschreibung erwähnte elektrische Steuerung für Frequenzumformereinrichtungen, bei der den Steuergittern zwei einander überlagerte Steuerwechselspannungen aufgedrückt werden, arbeitet nämlich nach folgender Gleichung: E₁' sin 3 ωί +£₂'sino)i = o; in dieser Gleichung bedeuten .E₁ und E₂ die Amplitudenwerte der Steuerwechselspannungen. Da aber eine Schwingungsbewegung ebenfalls den Sinusgesetzen gehorcht, gilt für die vorstehend erwähnte mechanische Kontaktsteuereinrichtung, bei der die beiden Kontaktteile schwingende Bewegungen ausführen, die Gleichung: S₁ · sin 3 ω t — ,S₂- sin ωί = ο. S₁ und S₂ sind die jeweiligen Amplitudenwerte der Schwingungen. Das Minuszeichen in der letzten Gleichung ist dadurch bedingt, daß hier die Differenz der beiden Schwingungsgrößen maßgebend ist. Dies kann dadurch kompensiert werden, daß bei der mechanisch schwingenden Kontakteinrichtung die niederfrequente Schwingungswelle gegenüber der niederfrequenten Spannungswelle bei der elektrischen Gittersteuerung um i8o° verschoben wird. Es sei erwähnt, daß der Zündspannungswert gleich Null gesetzt ist, da angenommen ist, daß er durch eine entsprechende Vorspannung auf den Wert Null gebracht werden kann.

Praktisch könnte eine Kontakteinrichtung, bei der beide Kontaktteile schwingende Bewegungen ausführen, beispielsweise so ausgebildet werden, daß durch Kurbelwellen einmal die Kontaktträger und das andere Mal die Kontaktbürsten bewegt werden. Die beiden Kurbelwellen haben verschiedene Umdrehungsgeschwindigkeiten, und die Kröpfungen der höhertourigen Kurbelwelle sind gegeneinander um einen Winkel versetzt, der sich durch Teilung von 360⁰ durch die Anzahl der Steuergitter ergibt. Die Kröpfungen der niedertöurigen Kurbelwelle können in einer Ebene und in einer Richtung liegen.

Zur weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung können noch einige von den Maßnahmen dienen, die bereits für diejenigen Umrichteranordnungen vorgeschlagen wurden, welche durch Überlagerung von sinusförmigen Gitterspannungen zweier verschiedener Frequenzen gesteuert werden, insbesondere, auch die Erzeugung von niederfrequentem Mehrphasenstrom durch Kombination mehrerer Umrichtergefäße (zum Zwecke der Steuerung von Wechselstrommaschinen) und die Abhängigmachung der Steuervorgänge von den jeweiligen Betriebszuständen (Automatisierung) .

Die gesteuerten Entladungsstrecken können an sich voneinander getrennt sein, jedoch ist es vorteilhafter, weil einfacher, möglichst viele derselben in einem Gefäß zu vereinigen, insbesondere nach einejr solchen Umrichterschaltung, wie bereits unter Hinweis auf 95 · Fig. 2 beschrieben, in welcher alle Kathoden miteinander elektrisch verbunden sind, so daß gegebenenfalls nur ein einziges Gefäß mit einer Kathode und einer genügenden Zahl von Anoden erforderlich ist. Dann genügt natürlich auch ein einziger Kontaktapparat zur direkten Steuerung, wenn man diesem zwei Bürstengruppen in einem gegenseitigen Abstand von 180 el. Graden, bezogen auf die Periode des abzugebenden Wechselstromes, zuordnet. Anderenfalls ist ein einziger Kontaktapparat nur dann zu verwenden, wenn die zur Zündung führenden Spannungsstöße auf induktivem oder kapazitivem Wege auf die Steuerelektroden der Entladungsgefäße übertragen werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Vorrichtung zur Bestimmung des Zündeinsatzpunktes von mit Mehrphasenwechselstrom betriebenen, in einer der Phasenzahl des speisenden Mehrphasenwechselstromes entsprechenden Anzahl vorhandenen und einzeln gesteuerten Entladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung und lichtbogenförmiger Entladung mittels eines die Steuerelektro-

   den speisenden Kontaktapparates, dadurch gekennzeichnet, daß der in jeder Periode des speisenden Wechselstromes wiederkehrende Zündzeitpunkt des Einzellichtbogens durch einen gleichmäßigen Umlauf des Kontaktträgers oder der Kontaktbürste bei ungleichmäßiger Verteilung der Kontakte auf dem Kontaktträger oder durch unterschiedliche Bewegungserteilung beider Kontaktapparateteile derart innerhalb des Phasenwinkels von i8o° der speisenden Spannungswelle vor- und zurückverlegt wird, daß die Mittelwertskurve der von den einzelnen Entladungsstrecken gelieferten Spannungsstöße möglichst sinusförmig verläuft.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktapparat aus einem gleichförmig im Takt der Frequenz des speisenden Wechselstromes rotierenden Teil und einem im Takt der Frequenz des abzugebenden Wechselstromes schwingenden Teil besteht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktapparat aus einem feststehenden Teil und einem im Takt der Frequenz des speisenden Wechselstromes rotierenden sowie zusätzliche Schwingungen im Takt der Frequenz des abzugebenden Wechselstromes ausführenden Teil besteht.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktapparat aus einem feststehenden Teil und einem im Takt der Frequenz des speisenden Wechselstromes rotierenden Teil besteht, dessen einzelne Kontaktstücke im voreilenden bzw. nacheilenden Sinne von einer Mittellage derart verschoben sind, daß durch diese Verschiebung eine zu überlagernde Schwingung im Takt der Frequenz des abzugebenden Wechselstromes ersetzt wird.
5. 5. Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 bei zwei Gruppen von Entladungsstrecken in Umrichterschaltung, wobei gegebenenfalls dem rotierenden Teil des Kontaktapparates zwei feststehende Teile (Bürstenträger) zugeordnet sind, von welchen die Ströme für je eine der abwechselnd arbeitenden Gruppen von Steuerelektroden entnommen werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen