DE656273C - Anordnung zur Steuerung elastischer Umrichter - Google Patents

Description

Bei - Umrichtern, d. h. Einrichtungen zur unmittelbaren Frequenzumformung mittels gesteuerter Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken, muß man den verschiedenartigen Betriebsverhältnissen Rechnung tragen. Das bedingt im allgemeinen, daß jede Entladungsstrecke in der einen Halbwelle der niederfrequenten Spannung gemäß den Bedingungen des Gleichrichterbetriebes, in der anderen Halbwelle der niederfrequenten Spannung gemäß den Bedingungen des Wechselrichterbetriebes zu steuern ist. Um ein genaues Arbeiten zu erzielen, ist es bei Verwendung gittergesteuerter Entladungsstrecken zweckmäßig, die Gitterspannung möglichst mit rechteckförmigen Spannungen zu steuern.

Ehe das Wesen der Erfindung erläutert wird, sei kurz das Wichtigste über Umrichter an Hand der Schaltung nach Abb. 1 geschildert. Der Umrichter enthält einen Mehrphasentransformator 6 mit einer Vieleckwicklung, die an das höherfrequente Drehstromnetz angeschlossen ist, und mit zwei mit den beiden Gruppen von gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken 1' ... 3' und 1" ... 3" verbundenen Sternwicklungen und einen mit dem niederfrequenten Einphasennetz verbundenen Transformator 7. Wie man erkennt, kann man die Entladungsstrecken zu einem mehranodigen Entladungsgefäß 8 mit gemeinsamer Kathode zusammenfassen. Die Einrichtung 5 mit den zusätzlichen Entladungsstrecken 4' und 4" möge zunächst außer Betracht bleiben. Die Steuerbedingungen für die Entladungsstrecken 1'... 3' und 1" ... 3" sollen nunmehr in Verbindung mit Abb. 2 erläutert werden. Im oberen Teil sind bei Zugrundelegung einer trapezförmigen oder rechteckförmigen Spannungskurve die Steuerverhältnisse für nicht ausgezeichneten Betrieb angegeben. Man erhält einen Kurvenverlauf G für die niederfrequente Einphasenspannung. Die schraffierten Bereiche mit den zugehörigen Ziffern stellen die Zeiten dar, in denen die betreffenden Entladungsstrecken gemäß dem Gleichrichterbetrieb arbeitsbereit gehalten werden. Die nur einmal gezeichnete Linie K soll das Bezugspotential der Kathode darstellen, während die Linie O ein durch eine Vorspannung geliefertes Potential ist, das für eine Sperrung ausreicht. Im mittleren Teil ist der entsprechende Kurvenlauf W für Wechselrichterbetrieb mit den ähnlichen schraffierten Zeitteilchen für die zweigestrichene Gruppe von Entladungsstrecken dargestellt. Da nun die Kurvenverläufe G und W sich spiegelbildlich nicht decken, ergeben sich bekanntlich be-

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

Josef Erlach f in Berlin.

triebsmäßig innere Kurzschlußströme, die zur Folge haben, daß die Gesamtspannung den Kurvenverlauf E annimmt. Beim starren Umrichter, bei dem das Frequenzverhältnis konstant ist, lassen sich sämtliche Arbeiiibe¹ dingungen, insbesondere auch die Kun^R form der Gitterspannung, genau festlegen¹* Beim elastischen Umrichter hingegen, bei dem das Frequenzverhältnis gerade nicht konstant ist, lassen sich die Arbeitsbedingungen nicht beliebig genau festlegen. So kann es vorkommen, daß der Nulldurchgang der sekundären, niederfrequenten Spannung und damit das Ende der Gleichrichter- und Wechselrichterimpulse mit dem Ende einer der Impulse, beispielsweise für 1'... 3', nicht zusammenfällt. Beim elastischen Umrichterbetrieb ergibt sich somit als neue Forderung, daß die Gleichrichter- bzw. Wechselrichterimpulse einer Gruppe von Entladungsstrecken jederzeit plötzlich aussetzen können.

Vorliegende Erfindung bezweckt einen elastischen Umrichterbetrieb, der alle betrieb- - liehen Forderungen möglichst genau erfüllt, und sieht die Verwendung zweier verschiedenartiger Gattungen von Entladungsstrecken vor. Die Erfindung soll nächstehend erläutert werden, wobei zunächst auf Abb. 1 Bezug genommen wird. Man erkennt, daß in Verbindung mit einem aus Induktivität und Kapazität bestehenden Schwingungskfeis zwei gittergesteuerte Dampf- oder Gasentladungsstrecken 4' und 4" vorgesehen sind, die den Kommutierungsvorgang im Nulldurchgang der sekundären, niederfrequenten Spannung beeinflussen. Wie im einzelnen aus Abb. 2 und 3 zu ersehen ist, wird eine bestimmte Zeit, bevor die SpannungE durch Null durchgeht, entweder dieEntladungsstrecke 4'oder 4" freigegeben und damit der Schwingungskreis eingeschaltet. Beispielsweise mögen eben die Entladungsstrecken i' .. . 3' . gemäß dem Gleichrichterbetrieb gearbeitet haben. Dann übernimmt der Schwingungskreis mittels der Entladungsstrecke 4' die Last, und die zuletzt brennende Entladungsstrecke der eingestrichenen Gruppe erlischt. Ist nach dieser Lastübernahme genügend Zeit verstrichen, so daß auch die zuletzt brennende Entladungsstrecke entionisiert ist, wird die Gleiclirichtersteuerung der zweigestrichenen Gruppe und die Wechselrichtersteuerung der eingestrichenen Gruppe eingeschaltet und damit die neue Halbwelle- der niederfrequenten Spannung erzeugt.

Sobald also die Kommutierungsentladungsstrecke 4' eingeschaltet wird, muß die Gleichrichtersteuerung von .der eingestrichenen Gruppe weggenommen werden, da nun die Stromlieferung auf den Schwingungskreis übergeht. Gleichzeitig müssen aber auch die oben beschriebenen betriebsmäßigen Kurzschlüsse zwischen den beiden Gruppen von Entladungsstrecken unterbunden werden, da sonst der Schwingungskreis nicht in der Lage ,':ist, die Last zu übernehmen. Um dies zu erweichen, werden zugleich mit dem Einschalten ?^;'äes Schwingungskreises über Entladungsstrecke 4' die Wechselrichterimpulse der Entladungsstrecken 1", 2" und 3" etwas verschohen, so daß sie mit den Gleichrichterimpulsen von Anode 1', 2' und 3' in Phase sind. Die so entstandenen Kommutierungsimpulse der Anoden 1", 2" und 3" sind in Abb. 2 angegeben und mit i"_K, 2,'\ und z'\ bezeichnet.

Beide Gruppen von Entladungsstrecken werden demnach der Reihe nach von drei Arten von Impulsen erregt: von Gleichrichter-, Wechselrichter- und Kommutierungsimpulsen. Abb. 3 zeigt, wie sich die verschiedenen Impulsarten der Reihe nach ablösen. Die Steuerung der zweigestrichenen Gruppe ist gegenüber der Steuerung der eingestrichenen Gruppe sozusagen um i8o° in der Phase verschoben. Abb. 3 zeigt noch die Steuerung der beiden Schwingungskreisentladungsstrekken 4' und 4", die in der Zeit vor dem Nulldurchgang die Last übernehmen. Durch die Kurvenverläufe der Abb. 2 und 3 ist somit festgelegt, wie die Steuereinrichtung arbeiten muß. Im folgenden wird gezeigt, wie sich dies mit Hilfe zw^reier verschiedenartiger Gattungen von Entladungsstrecken durchführen läßt.

Abb. 4 zeigt die eingestrichene Gruppe von Entladungsstrecken nebst der Steuereinrichtung für die zu den Anoden i', 2' und 3' gehörigen Gitter. Zu jedem Gitter der Hauptentladungsstrecken gehört" ein Steuerkreis, bestehend aus Gasentladestrecke und Widerstand, z.B. gehört zu Gitter 1'Gasentladungsstrecke 10' und Widerstand 11'. Die Gitter dieser Hilfsentladungsstrecken sind negativ vorgespannt und können über die Steuertransformatoren 12', 22' und 32' kurzzeitig positiv zur Kathode gemacht werden. Außerdem ist noch ein vierter gesteuerter Röhrenkreis 50', 51' und 52' angeordnet, der an kein Gitter der Hauptentladungsstrecken angeschlossen ist. Die Kathoden der vier Hilfsentladungsstrekken sind durch die vier Kondensatoren K₁' ... K/ miteinander verbunden. Wenn das Steuerrohr 10' allein brennt, entsteht im Widerstand 11' ein Spannungsabfall, der das Gitter der Hauptanode i' positiv gegen die Kathode macht. Steuerrohr 10' gibt somit Anode i' frei. Wird anschließend durch Erregen des Steuertransformators 22' das Gitter des Steuerrohres 20' kurzzeitig positiv, so ündet Rohr 20' und ermöglicht den Entladungseinsatz zur Anode 2 des Hauptgefäßes. Durch den Stromstoß, der beim Einschalten

von Rohr 20 über Kondensator K₂ auf das Rohr 10' gelangt, wird der Strom in Rohr 10' unterbrochen. Bei nicht erregtem Steuertransformator 12' wird durch das Zünden von Rohr 20' das Rohr 10' gelöscht.

Der Steuertransformator 22' gibt durch seinen Impuls nicht nur die Anode 2' frei, sondern nimmt gleichzeitig vom Gitter der Hauptanode i' die positive Spannung weg.

Werden die Steuertransformatoren 12', 22' und 32' der Reihe nach kurzzeitig erregt, so erhalten die Hauptentladungsstrecken über die Hilfsentladungsstrecken 10', 20' und 30' eine Impulsfolge, wie sie in Abb. 2 dargestellt ist. Sollen die Impulse der, Hauptentladungsstrecken plötzlich verschwinden, so wird der Steuertransformator 52' erregt. Es zündet Steuerrohr 50', das über die Kondensatoren K₁ ... K/ die übrigen Steuerrohre zum Erlöschen bringt und damit sämtliche Steuerimpulse wegnimmt. Da die Steuergefäße 10', 20' und 30' an Gleichspannung liegen, sind die Steuerimpulse an keine bestimmte Phasenlage gebunden, d. h. man kann mit der Schaltung sowohl Gleichrichter- als auch Wechselrichter- und schließlich Kommutierungsimpulse auf die Gitter der Hauptentladungsstrecken 1' ... 3' geben.

Für die Erregung der Gittertransformatoren der Steuerrohre 10', 20' bedient man sich vorteilhaft einer xA.nordnung mit Elektronenröhren, deren Schaltung Abb. 5 zeigt. Mit den Ziffern 12', 22' und 32' sind dieselben Steuertransformatoren bezeichnet wie in Abb. 4.

Diese Transformatoren liegen primär in den Gitterkreisen der Steuerrohre von x\bb. 4 und werden sekundär vom Anodenstrom der Elektronenröhren 13', 23' und 33' von Abb. 5 durchflossen.

Zur Steuerung der zweigestrichenen Gruppe von Entladungsstrecken gehört eine gleichartig geschaltete Gruppe von gasgefüllten Steuerröhren nach Abb. 4, deren Steuertransformatoren 12", 22" und ■ 32" ebenfalls in Abb. 5 angegeben sind. Abb. 5 enthält somit die komplette Steuerung für beide Gruppen von Hauptentladungsstrecken.

Die Elektronenröhren 13', 23', 33', 13", ²3"> 33" enthalten im Anodenkreis je einen Steuertransformator 12', 22' usw. und liegen gemeinsam an einer Gleichspannung. Die Gitter aller Röhren sind über Widerstände R an eine negative Vorspannung gelegt, die so groß ist, daß in den Elektronenröhren kein Strom fließt. Um die Gitter positiv zu machen, liegen parallel zu den Widerständen R drei in Reihe geschaltete Spannungen, nämlich die Spannung der Sekundärwicklungen W₂ ... W₅ eines Drehstromtransformators mit der Primärwicklung W₁, die ihrerseits überdenDrehregler D vom Drehstromnetz RST gespeist wird, ferner die Spannung am Widerstand R₁ bzw. R₂, die über den Transformator A vom Einphasennetz t/Fgeliefertwird, und drittens die Spannung am Widerstand R₃ bzw. R₄, die über die Elektronenröhren S₁ und S₂ dem Gleichstromnetz entnommen wird. Jedes Gitter der Röhren 13', 23' usw. ist mit zwei Transformatorwicklungen des Drehstromtransformators verbunden. Die Spannung dieser Transformatorwicklungen ist um i8o° in der Phase verschoben, z. B. liegt am Gitter der Entladungsstrecke 13' die Phase R von Wicklung W₂ und die negative Phase R von Wicklung W₃. Damit diese an dasselbe Gitter angeschlossenen Transformatorwicklungen keinen Kurzschluß ergeben, sind nicht bezifferte Trockengleichrichter dazwischengeschaltet. Die Spannungen der Wicklungen W₃ und Wr, sind größer als die Spannungen der Wicklungen W₂ und W₄. Sind die Spannungen an den beiden Widerständen R₁ und R₃ Null, so ergibt sich z. B. für die Gitterspannung der Entladungsstrecke 13' die Kurve U gemäß Abb. 6, die sich aus der Aneinanderreihung der gleichgerichteten Spannungen von Wicklung W₂ Phase R und Wicklung W₃ Phase R zusammensetzt. Die Halbwelle W₃ ist, wie bereits erwähnt, etwas größer als die Halbwelle W₂.

Kurve / in Abb. 6 zeigt den Anodenstrom der Entladungsstrecke 13'. Sobald die Gitterspannung U einen bestimmten Wert U₀ überschreitet, setzt der Anodenstrom steil ein. Der rasche Stromanstieg des Anodenstromes überträgt sich über den Steuertransformator 12 auf das Gitter des Steuerrohres io' (vgl. Abb. 4), das durch diesen Impuls zum Zünden kommt. Wenn Rohr io' einmal gezündet hat, wird es durch den Steuertransformator 12 nicht mehr beeinflußt. Infolgedessen hat bei gezündetem Rohr 10' die absteigende Flanke des Anodenstromes / gemäß Abb. 6 keinen Einfluß auf Rohr 10' mehr. In Abb. 6 ist ferner die Anodenspannung U_a der Anode 1' des Hauptgefäßes angegeben. Dadurch, daß die Spannung W₃ größer ist als die Spannung W₂, wird der Abstieg des Stromes / in der Phase verschoben. Wie ein Vergleich mit Abb. 2 zeigt, ergeben die durch PF₂ hervorgerufenen Stromstücke / die Gleichrichterimpulse und die durch W₃ hervorgerufenen Impulse/ die Wechselrichterimpulse für Anode 1. Um zu erreichen, daß Anode i' während der positiven Halbwelle der Einphasenspannung nur die Gleichrichterimpulse, während der negativen Halbwelle nur die Wechselrichterimpulse erhält, ist in Reihe zu den Wicklungen W₂ .. . W₅ des Drehstromtransformators die am Widerstand R₁ bzw. R₂ liegende Spannung geschaltet. Diese Spannung entspricht den verschiedenen Halbwellen der Einphasen-

spannung und bewirkt, daß die Anode i' im Takt der Einphasenspannung abwechselnd entweder nur die Gleichrichter- oder nur die Wechselrichterimpulse hält. Diean den Entladungsstrecken 13', 10'und 1' dargestellten Verhältnisse gelten sinngemäß auch für die übrigen einander zugeordneten Entladungsstrecken. Abb. 5 zeigt, wie diese einzelnen Entladungsstrecken zu verschiedenen Gruppen zusammengefaßt werden, die gemeinsam durch die negative Spannung an den Widerständen R₁ bzw. R₂ abwechselnd ausgeschaltet werden.

Die dritte Spannung, an der die Gitter der Elektronenröhren 13', 23' usw. liegen, dient dazu, vor dem Nulldurchgang die Gleichrichterimpulse wegzunehmen und die Wechselrichterimpulse in der Phase nacheilend zu verschieben, d.h. aus den Wechselrichterimpulsen Kommutierungsimpulse zu machen. Dies geschieht dadurch, daß der Spannung IT₀ gemäß Abb. 6 noch eine zusätzliche negative Spannung U₂ aufgedrückt wird, wie in Abb. 7 angegeben ist. Durch die Zusatzspannung U₂ rücken die Halbwellen der Wechselspannung IF₂ so stark ins Negative, daß sie keinen Anodenstrom / auslösen.. Die Halbwellen W₃ rücken ebenfalls ins Negative und erzeugen einen Strom I_K, der gegenüber dem in Abb. 6 in der Phase verschoben ist. U₂ wird so eingestellt, daß der Anstieg von /^, hervorgerufen durch IF₃, dieselbe Phasenlage zur Hauptspannung U_a hat wie vorher die Gleichrichterimpulse von Halbwelle IF₂. Durch die Zusatzspannung U₂ gelingt es somit, einerseits die Gleichrichterimpulse zum Verschwinden zu bringen und andererseits die Wechselrichterimpulse so in der Phase zu verschieben, daß sie zu Kommutierungsimpulsen geworden sind.

Um die Zusatzspannung U₂ an den Widerständen R₃ und i?4 herzustellen, sind die Widerstände mit den Elektronenröhren S₁ und S.₂ in Reihe geschaltet. Die Elektronenröhren werden mittels Gitter¹ gesteuert, deren Steuerspannung von der sinusförmigen Einphasenspannung UV abgenommen wird. Da gegenüber UV eine bestimmte Phasenvoreilung er forderlich ist, liegt der Steuertransformator B So an einer Brücke, gebildet aus Widerstand R_B und Kondensator C_B. Die sinusförmige Steuerspannung würde an sich einen Anodenstrom bedingen, der aus den positiven Sinuswellen der Einphasenspannung bestünde. Um diese Halbwellen mehr der Rechteckform anzupassen, liegen die Sekundärwicklungen des Steuertransformators B über hochohmige Widerstände R₅ und R₆ an den Gittern der Röhren^ und S₂. Sobald der Transformator B den Gittern gegenüber der Kathode eine bestimmte schwach negative bzw. positive Spannung gibt, beginnt ein kräftiger Gitterstrom zu fließen, der verhindert, daß die Gitter zu stark positiv werden.

Abb. 8 zeigt die Einphasenspannung U_e und dazu phasenrichtig den Verlauf der Spannungen an den Widerständen R₁, R₂, R₃ und i?₄ sowie den resultierenden Spannungsverlauf an R₁ und R₃ bzw. R₂ und i?₄. Durch das Ansteigen von U^₃ bzw. U_Ri werden die Gleichrichterimpulse von den Steuerröhren gemäß Abb. 4 weggenommen. Es genügt aber nicht, nur die Gitter der Steuerrohre negativ zu machen. Vielmehr müssen die Steuerrohre, die die Gleichrichterimpulse dem Hauptgefäß übermitteln, selbst erlöschen. Um diese Rohre zum Löschen zu bringen, wird gleichzeitig mit dem Ansteigen von U^₃ bzw. U_Ri das Steuerrohr 50' bzw. 50" gezündet. Durch das Zünden von 50' bzw. 50" wird, wie oben beschrieben, das vorher brennende Rohr, das den Gleichrichterimpuls an das Hauptgefäß übermittelte, gelöscht. Um beim Anstieg von U_R3 bzw. U_Ri gleichzeitig die Entladungsstrecke 50' bzw. 50" zünden zu können, liegt parallel ■ zum Widerstand R₃ bzw. i?₄ ein Steuertransformator Έ bzw. F, dessen Sekundärwicklung 52' bzw. 52" beim Einsetzen des Anodenstromes von S₁ bzw. S₂ das Steuerrohr 50' bzw. 50" zum Zünden bringt. .>.-..'

Abb. 3 zeigt die Zeiten, zu denen die Kominutierungsanoden 4' bzw. 4" freizugeben sind. Der Beginn der Freigabe fällt zusammen mit dem Anstieg von U^₃ bzw. U^. Aus diesem Grunde werden die Gitter der gasgefüllten Steuerrohre 40' und 40", die die Anoden 4' bzw. 4" einschalten, ebenfalls mittels der Steuertransformatoren E und F gesteuert. Die Steuerrohre 40' und 40" liegen ioo nicht wie die übrigen Hilfsentladungsstrecken gemäß Abb. 4 an Gleichspannung, sondern an der Einphasenspannung UV. Dadurch wird in einfacher Weise erreicht, daß ■die Impulse dieser Steuerrohre von selbst erlöschen. Die Impulse haben die in Abb. 3 gezeichnete Form 4' und 4".

Durch die Erfindung wird also erreicht, daß die normalen Steuerbedingungen für Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb sichergestellt werden und außerdem in jedem gewünschten Zeitpunkt die niederfrequente Wechselspannung durch Null gehen kann, d. h. die Erfindung ermöglicht eine stetige Veränderung des Nulldurchganges der niederfrequenten Spannung.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Steuerung elastischer Umrichter, dadurch gekennzeichnet, daß außer den üblichen Steuereinrichtungen für Gleich- und Wechselrichter-

   ^betrieb solche für die Kommutierung der Ausgangsseite vorgesehen sind, die einerseits die Gleich- und Wechselrichtersteuerung zu beliebig wählbarem Zeitpunkt zu beeinflussen gestatten, andererseits den Nulldurchgang der niederfrequenten Spannung jederzeit ermöglichen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die die

   ίο Gleich- und Wechselrichteraussteuerung bewirkenden Steuerspannungen im Sinne einer Kurzschlußkreisstrombegrenzung von der Kommutierungssteuereinrichtung beliebig, beispielsweise in ihrer Phasenlage, abgeändert werden.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsentladungsstrecken unmittelbar die Gitter der Hauptentladungsstrecken steuern und zu Gruppen zusammengeschlossen sind, wobei sich die Entladungsstrecken einer Gruppe untereinander derart beeinflussen, daß bei Freigabe eines Gitters einer Hauptentladungsstrecke das Gitter der vorher freigegebenen Entladungsstrecke zwangsläufig negativ gemacht wird.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen der Hilfsentladungsstrecken nach Art eines Wechselrichters arbeiten und die zeitlich vorher arbeitenden Entladungsstrecken von den nachfolgenden mittels Löschkondensators zum Erlöschen gebracht werden.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen der Hilfsentladungsstrecken noch eine weitere Entladungsstrecke besitzen, mit deren Hilfe alle den Gittern der Hauptentladungsstrecken zugeführten Impulse zugleich weggenommen werden können.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 2 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein und dieselben Gruppen von Hilfsentladungsstrecken den Gittern der Hauptentladungsstrecken abwechselnd Gleich- und Wechselrichterimpulse erteilen.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 2 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Hilfsentladungsstrecken den Gittern der Hauptentladungsstrecken dreierlei Impulse erteilen: Gleichrichter-, Wechselrichter- und Kommutierungsimpulse.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse der Gruppen der Hilfsentladungsstrecken in regelmäßigen Abständen abgeschaltet werden (Abb. 3).
9. 9. Anordnung nach Anspruch 3 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen der Hilfsentladungsstrecken ihrerseits durch Entladungsstrecken mit im wesentlichen reiner Elektronenentladung ausgesteuert werden.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Dauer, Phasenlage und Aufeinanderfolge der verschiedenen Impulse von nur einer Spannung, z. B. der Einphasenspannung, abhängig gemacht wird (Abb. 5).

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen