DE645330C - Gittergesteuerter Lichtbogengleichrichter - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß die Verlustlosigkeit der Gleichrichtersteuerung eine erhebliche Verschlechterung des Leistungsfaktors (cos φ) im speisenden Wechselstromnetz mit sich bringt. Durch die Regelung der Spannung eines gleichrichtergespeisten Netzes mit Hilfe der im Geichrichter befindlichen Steuergitter werden zwar besondere Regelapparate, wie Zusatztransformatoren mit beweglichem Sekundärteil usw., entbehrlich, die sonst einen nennenswerten Teilbetrag der Gesamtleistung führen. Diesem Vorteil steht der Nachteil gegenüber, daß der Gleichrichtertransformator mehr oder weniger gegen die Spannungen nacheilende Ströme aus dem speisenden Netz aufnimmt, so daß der Leistungsfaktor im Netz entsprechend verschlechtert wird. Die nachstehend beschriebene Erfindung bezieht sich auf solche Gleichrichter, die eine um beispielsweise nur +10 °/₀ regelbare Gleichstromspannung abzugeben haben, ohne den Netzleistungsfaktor nennenswert zu vermindern. Man hat bereits vorgeschlagen, bei solchen Gleichrichtern mehrere von verschiedenen Transformatorspannungen gespeiste gittergesteuerte Anodengruppen vorzusehen und die von dem Gleichrichter abgegebene Spannung mit Hilfe der Gittersteuerung dadurch kontinuierlich von Null bis zum Höchstwert zu regeln, daß man den mit einer Gittersteuerung ausgerüsteten Anodensatz niedriger Spannung allmählich aussteuert, sodann diese Entladungsstrecke schließt und die nächstfolgende, an höherer Spannung liegende Entladungsstrecke aussteuert. Bei einer solchen Schaltung tritt eine wesentliche Verbesserung des Leistungsfaktors im speisenden Netz dadurch auf, daß die an die niedrigere Spannung angeschlossene Anodengruppe höher ausgesteuert wird, als man bei Vorhandensein nur einer, dann an die höchste Spannung angeschlossenen Anodengruppe diese aussteuern müßte, um den gleichen Spannungsbetrag zu erhalten.

Häufig ist eine kontinuierliche Regelungsmöglichkeit der abgegebenen Gleichspannung nur in einem kleineren Spannungsbereich erforderlich. Es werden daher erfindungsgemäß zwei oder mehr Anodengruppen vorgesehen, von denen die an die höheren Transformatorspannungen angeschlossenen gittergesteuert, die an die niedrigste Transformatorspannung angeschlossene ungesteuert sind. Die zugehörigen Transformatorspannungen sind dabei so bemessen, daß die Differenz der von der an die höchste Spannung angeschlossenen gittergesteuerten Anodengruppe bei voller Aussteuerung abgegebenen Spannung

^Λ) Von dem P at ent sucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Max Bosch in Berlin-Reinickendorf und Dipl.-Ing. Dr. Jürgen von Issendorff in Berlin-Sieniensstadt.

und der von der ungesteuerten Anodengruppe abgegebenen Spannung gleich dem Spannungsbereich ist, innerhalb dessen eine kontinuierliche Spannungsregelung möglich sein soll. Hierdurch wird eine wesentliche Vereinfachung des Aufbaues und damit eine Erhöhung der Betriebssicherheit der Anlage erzielt.

In den Fig. ι bis 4 ist die durch die An-Ordnung erzielte Leistungsfaktorverbesserung veranschaulicht und zugleich in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.

In Fig. ι wird das Schema der normalen Schaltung eines dreiphasigen Steuergleichrichters gezeigt. In den Zuleitungen 1, 2 und 3 zum Transformator 4 liegt ein Leistungsfaktormeßgerät 5. Der mit den den Anoden 6, 7 und 8 zugehörigen Gittern 9, 10 und 11 versehene Gleichrichter 12 speist ein Gleichstromnetz 13 über eine Glättungsdrossel 14. Die Spannung E des Gleichstromnetzes 13 soll durch Verlegung des Zündpunktes der Anodenlichtbögen, beispielsweise zwischen dem Höchtsbetrag E_max und einem Bruchteil 0,6 · E_max dieser Höchstspannung, geregelt werden. Die Spannung E_max wird vom Gleichrichter abgegeben, wenn man ihn wie einen ungesteuerten Gleichrichter betreibt, also etwa an die Gitter dauernd eine positive Spannung vom Zündspannungswert legt.

Fig. 2 zeigt den Verlauf λόιι cos φ in dem geforderten Regelbereich, wenn die normale Schaltung nach Fig. 1 vorliegt. Als Abszisse

ist das Verhältnis -=. gewählt, so daß der

£-max

geforderte Regelbereich zwischen den Grenzen 0,6 und ι liegt. Sieht man von den Verlusten im Lichtbogen und von der Streuung des Transformators ab, die im Verhältnis zur Gesamtleistung des Gleichrichters gering sind,

so verhält sich cos φ genau proportional-=—

^r £-max

mit dem Proportionalitätsfaktor 1. Daraus erkennt man, daß der Betrieb des Steuergleichrichters um so mehr Blindströme benötigt, je mehr die Spannung E sich ihrer unteren Grenze nähert.

Fig. 3 stellt nun eine Schaltung gemäß der Erfindung dar, und zwar liegt wieder in den Zuleitungen 1, 2 und 3 zum Transformator 4 ein Leistungsfaktormeßgerät 5. Die Anoden 15, 16 und 17 sind an die Phasen 18, 19 und 20 der Sekundärwicklung des Transformators 4 und die Anoden 21, 22 und 23 an Punkte niedrigerer Spannung der entsprechenden Phasen 18, 19 und 20 angeschlossen. Die an Punkten niedrigerer Spannung liegenden Anoden 21, 22 und 23 besitzen jedoch keine Steuergitter, sondern nur die an höherer Spannung angeschlossenen Anoden 15, 16 und 17. Der Gleichrichter 12 speist wieder ein Gleichstromnetz 13 über eine Glättungsdrossel 14.

In Fig. 4 zeigt cos φ in beiden Grenzlagen *5 ·

0,6 und ι für

den Betrag 1 und zwischen den Grenzen etwa als niedrigsten Wert 0,97, weil bei Beteiligung der gittergesteuerten Anoden an der Stromführung die unge- 7« steuerten Anoden ebenfalls Strom führen. · Der weitere Verlauf des Leistungsfaktors, den man erhalten würde, wenn die Anodengruppe der niederen Spannung ebenfalls steuerbar wäre und durch fortschreitende Zündverzögerung schließlich zur völligen Sperrung gebracht würde, ist gestrichelt eingetragen. Der in der Figur ausgezogene Verlauf des Leistungsfaktors wird durch die Formel

cos ψ — -τ===--

V E_max · E -\- Emin · E —

wiedergegeben, in welcher E die abgegebene Gleichspannung und E_max und £_m>n die Grenzspannungen bedeuten. Diese Formel gilt für Einphasengleichrichter und angenähert für Mehrphasengleichrichter. Durch den Magnetisierungsstrom des Gleichrichtertransformators und durch die Stromverschiebung infolge der Kommutierung zwischen den Anoden kann der berechnete Wert von cos φ noch mn etwa 5 °/₀ verkleinert werden. Die durch die Erfindung erzielte Herabsetzung der Blindleistung gegenüber der Blindleistung, die bei der Schaltung nach Fig. 1 auftritt, ist offensichtlich ganz bedeutend.

Für größere Spannungsunterschiede zwischen zwei an benachbarte Transformator? 100 anzapfungen angeschlossenen Anodengnippen ist es zur Erzielung eines hohen cos φ günstig, der mit der niedrigeren Spannung betriebenen eine geringe Phasennacheilung zu erteilen. Diese wird gemäß vorliegender Erfindung dadurch hergestellt, daß an den Anzapf punkt jeder Transformatorsekundärphase eine mit der zeitlich folgenden Phasenwicklung phasengleiche Wicklung angeschlossen wird; an den Endpunkten dieser zusätzlichen »»ο Wicklungen liegen die mit der kleineren Spannung betriebenen Anoden. Hierdurch werden auch noch die auf den Leistungsfaktor sich ungünstig auswirkenden Kommutierungszeiten auf das kleinstmögliche Maß be- schränkt. Eine derartige Schaltung der Transformatorsekundärwicklung mit den Phasenspannungen e_t bis ei"" und e_t bis e_t""', die für einen 6 phasigen Gleichrichter gilt, ist in Fig. 5 dargestellt. Die Bemessung der den im Anoden zuzuführenden Spannungen wird zweckmäßig durch eine geometrische Kon-

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struktion vorgenommen, wie sie in der Fig. 6 dargestellt ist.

Fig. 6 zeigt einen Teil eines um den Punkt M geschlagenen Kreises t. Die Basis 5 oder Sehne dieses Kreisbogens ist der Vektor e_x der Phasenspannung einer höher gespannten Anode. Der Spitzenwinkel <x, den der Vektor e₂ der etwas nacheilenden Phasenspannung der zugehörigen niedergespannten Anode mit der Verbindungslinie der Vektorenpunkte einschließt, ist aus geometrischen Gründen, unabhängig von allen Größen des Vektors e«, konstant. Ist p die Phasenzahl

i8o° einer Anodengruppe, so gilt α = αο°-| .

Durch den Spitzenwinkel« und die Länge des Vektors e₂ ist damit der Nacheilwinkel -ψ festgelegt.

In Fig. 7, die den Verlauf der Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit t darstellt, ist die derart ermittelte Lage von e₂ erklärt. Die ausgezogenen Sinushalbwellen e_± und e₂ weisen die Phasendifferenz ψ auf. Dann muß der Schnittpunkt von e₂ mit der folgenden HaIbwelle e₂ der folgenden Anode der niedergespannten Gruppe auf dem abfallenden Ast von i?! liegen. Dadurch wird erreicht, daß bei einer mittleren Steuerlage, in der beide betrachteten Anodengruppen in Tätigkeit sind, abwechselnd ein abfallender Ast von e_t bzw. ei, e_t" usw. und ein ansteigender Ast von e₂, e₂", e₂'" usw. an der Stromabgabe beteiligt sind und infolgedessen die Nacheilung des Stromes der Anode e_x und die Voreilung des Stromes der Anode e₂ sich zugunsten des Leistungsfaktors zum Teil aufheben.

Den Betrieb der gesteuerten Entladungsstrecken wird man zur Erzielung möglichst gleichmäßiger Belastungen so zu gestalten suchen, daß die gesteuerte Gleichspannung annähernd in der Mitte zwischen den Grenzen Emax und Emin. liegt, indem man die Transformatorübersetzung dementsprechend wählt.

Es wird zweckmäßig sein, die Glättungsdrossel 14 in den gemeinsamen Gleichstromkreis sämtlicher Entladungsstrecken einzuschalten, weil nur hierdurch die Herabsetzung der Blindleistung auf das kleinstmögliche Maß erreicht wird.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   ι . Gittergesteuerter Lichtbogengleichrichter zur Abgabe einer innerhalb eines vorbestimmten Bereiches mittels der Gittersteuerung stetig regelbaren Gleichspannung mit mehreren von verschiedenen Transformatorspannungen gespeisten Anodengruppen, dadurch gekennzeichnet, daß die an die niedrigste Transformatorspannung angeschlossene Anodengruppe ungesteuert ausgeführt ist und die Transformatorspannungen so bemessen sind, daß die Differenz der von der an die höchste Transformatorspannung angeschlossenen gittergesteuerten Anodengruppe bei voller Aussteuerung abgegebenen Spannung und der von der ungesteuerten Anodengruppe abgegebenen Spannung gleich dem Spannungsbereich ist, innerhalb dessen eine kontinuierliche Spannungsregelung möglich sein soll.
2. 2. Gittergesteuerter Lichtbogengleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenspannung einer mit niedrigerer Spannung betriebenen Anode durch zwei Wicklungen erzeugt wird, von denen die eine ein Teil der Phasenwicklung der zugehörigen, an eine höhere Transformatorspannung angeschlossenen Anode und die andere eine mit der Phasenwicklung der nächstfolgenden Anode phasengleiche Wicklung ist.
3. 3. Gittergesteuerter Lichtbogengleichrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenspannungen einer Anodengruppe gegenüber den Phasenspannungen der an die nächsthöhere Transformatoranzapfung angeschlossenen Anodengruppe um einen g₀ Winkel nacheilend gewählt sind, dessen günstigstes Maß aus der Vektordarstellung mit Hilfe eines Apolloniuskreises ermittelt werden kann, welcher die Vektoren zweier phasenähnlicher Anoden verschiedener Gruppen als Sehnen enthält und für einen konstanten Spitzenwinkel

   « = 90° -\ konstruiert ist (p = Phasenzahl).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen