DE657384C - Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

C) "

AUSGEGEBEN AM
3. MÄRZ 1938

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d 2 GRUPPE 12 ω

Allgemeine Elektncitäts-Gesellschaft in Berlin

Entladungsstrecken

Patentiert im Deutschen Reiche vom 29. September 1932 ab

ist in Ansprach genommen.

Die

Erfindung

bezieht sich auf Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, für die vorzugsweise gittergesteuerte Dampf- oder Gasentladungsstrekken Verwendung finden. Bekanntlich kann man mittels gesteuerter Entladungsstrecken Wechselstrom in Gleichstrom umformen (Gleichrichter), Gleichstrom in Wechselstrom umformen (Wechselrichter) und Wechselstrom 'in Wechselstrom umformen (Umrichter). Der nachstehend beschriebene Erfindungsgedanke hut vorzugsweise Bedeutung für Gleichrichter und Wechselrichter.

Bekanntlich ist beim Betrieb von Umformungseiiirichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken, eine Steuerung des Leistungsfaktors nur in beschränktem Umfange möglich, wenn man

ao nicht, wie bereits vorgeschlagen worden ist. mit Hilfe von zusätzlichen Kondensatoren in den Hauptstromkreisen den Kommutierungszeitpunkt mehr oder weniger willkürlich verk'gt und damit den Leistungsfaktor verändert. Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht· nun auf einem anderen Wege in bequemer Weise eine beliebige Steuerung fies Leistungsfaktors.

Erfindungsgemäß werden bei Umfonnungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken, die erforderlichen Kommutierungsspannungen, die zweckmäßigerweise mittels eines Zwisehenphasentransformators in die einzelnen Stromkreise eingefügt werden, einer Zusatzumformungseinrichtung entnommen, die von einem Wechselstromnetz derselben Frequenz oder einer anderen Wechselspannung mit synchron verlaufender Frequenz gespeist wird. Diese Zusatzumformungseinrichtung ist ähnlich wie die Hauptumformungseinrichtung aufgebaut und durch den Zwischenphasentransformator, der gleichzeitig auch der Hauptumformuugseinrichtung angehört, mit dieser, gekoppelt. Die Gitter der Entladungsstrecken der Hauptumformungseiiirichtung werden im wesentlichen gleichphasig mit den Entladungsströmen der Zusatzumformungseinrichtung gesteuert. Die Wicklung des Zwischeuphasentransformators der Hauptumformungseinrichtuug wird mit der von der Zusatzumformuugseinrichtung gelieferten Zwischenphasenspannung gespeist, die die richtige Phasenlage hat, um eine Kommutierung des Belastungsstrom.es zwischen den einzelnen Entladuugsstrcckeu bei belie-

bigem Leistungsfaktor durchführen zu können. Handelt es sich um Wechselstrom-Wechselstrom-Umformungen zwischen Netzen gleicher oder verschiedener Frequenz und gegebenenfalls verschiedenem Leistungsfaktor, so ist die Zusatzumformungseinrichtung mit der Hauptumformungseinrichtung derart verkettet, daß die von der Zusatzumformungseinrichtung gelieferte Spannung für die ίο Taktgebung insbesondere zur Lieferung der Magnetisierungsscheinleistung der Hauptumformüngseinriclitung verwendet werden kann. In Abb. ι der Zeichnung ist eine als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitende, in Graetz-Schaltung ausgeführte dreiphasige Umformungseinrichtung dargestellt, die an ein Gleichstromnetz ίο und an ein dreiphasiges Wechselstromnetz ii angeschlossen ist. Die Umformungseinrichtung umfaßt drei so Paare in Reihe angeordneter gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken bzw. -ge^- fäß.e 12 und 13, 14 und 15, ,16 und 17. Zwischen die beiden Gefäße jedes Paares ist eine Wicklung 18 bzw. 19 bzw. 20 eines dreiphasigen Zwischenphasentransformators 21 geschaltet. Jede dieser Wicklungen hat eine Mittelanzapfung, an die eine Phase des Wechselstromnetzes ii angeschlossen ist. Weisen Gleichstrom- und Wechselstromnetz abweichende Spannungsverhältnise auf, so sind die Mittelanzapfungen des Zwischenphasentransformators an eine besondere Umspannung heranzuführen. Für die Erzeugung periodischer Kommutierungsspannungen beim Arbeiten mit beliebigem Leistungsfaktor, bezogen auf das·Wechselstromnetz ir, dient eine Zusatzumformungseinrichtung, die ebenfalls in Graetz-Schaltung ausgeführt ist und die Gefäßpaare 22 und 23, 24 und 25, 20 und 27 enthält. Diese Zusatzumformungseinrichtung ist mit der Hauptumformungseinrichtung " durch den Zwischenphasentransformator 21 verkettet, und zwar sind hierfür die Wicklungen 28, 29 und 30, die je ebenfalls mit einer Mittelanzapfung versehen sind, vorgesehen. Die Mittelanzapfungen dieser Wicklungen sind an ein Hilfswechselstromnetz 33 geführt. Die als ungesteuerter Gleichrichter .ausgeführte Zusatzumformungseinrichtung so enthält auf der Gleichstromseite 31 einen Belastungswiderstand 32; erforderlichenfalls kann jedoch die Zusatzumformungseinrichtung auf das Gleichstromnetz 10 rückarbeiten, so daß in diesem Falle die Energieverluste vermieden werden können. Die Gefäße 12 bis 17 der Hauptumiormungseinrichtung werden, wie bereits ausgeführt ist, durch Gitter gesteuert. Diese Gittersteuerung bestimmt das Verhältnis von Gleichspannung 10 zu Wechselspannung 11 und damit auch den Leistungsfaktor, bei dem die Umformung vor j sich geht. Nimmt man an, daß die Hauptumformungseinrichtung als Wechselrichter arbeitet, so gibt es zwei Möglichkeiten: entweder enthält das Wechselstromnetz 11 einen Taktgeber, dann wird die Zusatzumformungseinrichtung aus dem Wechselstromnetz 11 über einen Drehtransformator 34 gespeist, oder das Wechselstromnetz 11 enthält keinen Taktgeber, dann wird die für die Zusatzumformungseinrichtung erforderliche Speisewechselspannung in einer besonderen Spannungsquelle erzeugt. Die Gitter der Gefäße 12 bis 17 werden mittels eines Gittertransformators 3 5 von der Wechselspannung des Netzes 33 gesteuert. Zweckmäßigerweise sieht man in den Gitterkreisen Strombegrenzungswiderstärtde 36 vor.

Es sei zunächst kurz die Arbeitsweise der Hauptumformungseinrichtung erläutert. Sieht man von den Steuerreaktanzen ab, so dienen die einzelnen Zwischenphasenwicklungen 18, 19 und 20 entsprechend 28, 29 und 30 dazu, die gesamte magnetomotorische Kraft jedes der drei Schenkel des Kernes 21 auf einem konstanten Wert zu halten. Damit diese Bedingung und die weitere Bedingung, daß die Summe der von dem einen Gleichstromleiter gelieferten Ströme gleich der Summe der an den anderen Gleichstromleiter gelieferten Ströme ist, erfüllt ist, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, daß jedes der Gefäße während 240⁰ der Periode leitend ist und die einzelnen Gefäße in vorbestimmter Reihenfolge einander ablösen. Enthält das Wechsel-Stromnetz 11 einen Taktgeber, so sind bei Wechselrichterbetrieb Kommutierungskondensatoren nicht erforderlich. Trotz der verschiedenen Vorzüge weist die Hauptumformungseinrichtung gemäß Abb. ι den Xachteil auf, daß eine beliebige Steuerung des Leistungsfaktors nicht möglich ist. Eine solche wird jedoch ermöglicht, wenn man eine Zusatzumformungseinrichtung vorsieht. Im vorliegenden Falle ist die Zusatzumformungseinrichtung als ungesteuerter Gleichrichter ausgeführt, der einen verhältnismäßig hochohmigen Widerstand 32 bei einem Leistungsfaktor angenähert 1 speist. Die durch Eutladungsströme der Zusatzumformungseinrichturig gelieferte Magnetisierung für den Kern 21 induziert in den Wicklungen 18 bis 20 Spannungen, die gleich und entgegengesetzt den Spannungen an- den entsprechenden Wicklungen der Zusatzumformungseinrichtung sind. Dadurch, daß man die Gitter der Gefäße 12 bis 17 mit der gleichen Wechselspannung speist, die den Hilfsgleichrichter versorgt, nämlich mit der Spannung des Netzes 33, wird erreicht, daß die Entladungsströme der Gefäße 12 bis 17 im wesentlichen gleichphasig sind mit der Spannung des Netzes 33

und mit den. Entladungsströmen der Zusatzumformungseinrichtung. Es hat sich herausgestellt, daß die in den Wicklungen 18 bis 20 induzierten Spannungen eine solche Phasenlage haben, daß sie die Kommutierung zwischen den einzelnen Gefäßen der Gruppe 12 bis 17 in den durch die Gittersteuerung bestimmten Zeiten durchführen können. Aus vorstehendem ergibt sich somit, daß die Phasenbeziehungen zwischen den Strömen der Gefäße 12 bis 17 und den Spannungen des Wechselstromnetzes 11 unwesentlich sind, da sich die Phase der durch die Zusatzumformungseinrichtung erzeugten periodischen Kommutierungsspannungen in Abhängigkeit von der Phase der Ströme der Hauptumformungseinrichtung ändert und der Scheitelwert der Kommutierungsspannung stets im Augenblick der Kommutierung verfügbar ist.

Betrachtet man noch einmal die einzelnen Betriebsmöglichkeiteu, so ergibt sich folgendes: Arbeitet die Hauptumformungseinrichtuug als Wechselrichter auf ein Wechselstromnetz mit Gegenspannung, so wird mittels des Drehtransformators 34 ein Arbeiten bei beliebigem Leistungsfaktor ermöglicht. Arbeitet die Hauptumformungseinrichtung als Wechselrichter auf ein Wechselstromnetz, das keine taktgebende Spannung aufweist, so ist der Leistungsfaktor der Umformung durch die Konstanten des Belastungskreises bestimmt, und in diesem Falle muß die für die Gittersteuerung und die Zusatzumformungseinrichtung erforderliche Wechselspannung einer besonderen Spannungsquelle entnommen werden. Arbeitet die Hauptumformungsein- . richtung als Gleichrichter, so kann mittels des Drehtransformators 34 einerseits die Gleichspannung und anderseits der Leistungsfaktor im Wechselstromnetz gesteuert werden, und zwar voreilend oder nacheilend je nach der Stellung des Läufers des Drehtransformators. Jn allen diesen Betriebsmöglichkeiten liefert die Zusatzumformungseinrichtung eine ausreichende Kommutierungsspannung, deren Scheitelwert infolge der Änderung ihrer i 'hase in Abhängigkeit von der Phasenlage des Belastungsstromes im Augenblick der Kommutierung zur Verfügung steht.

Abb. 2 der Zeichnung gibt eine andere Ausführungsmöglichkeit für den Ernndungsgedankeii an. Es wird aus einem AVechsel-.-.tromnetz 40 bei verhältnismäßig hohem Leistungsfaktor Leistung an ein Wechselstromnetz 41 gleicher oder niedriger Frequenz bei beliebigem Leistungsfaktor geliefert. Die dem Wechselstromnetz 40 entnommene Leistung wird zunächst mittels eines Transformators mit der Primärwicklung 42 und der Sekundärwicklungen 43 und 44 sowie der urigesteuerten Gefäße 47 bis 52 und eines Zwischenphasentransformators 45 in Gleichstromleistung überführt. Diese Gleichstromleistung wird mittels gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsgefäße 57 bis 62 und eines Transformators mit den Wicklungen 53, 54 und 56 sowie eines Zwischenphasentransformators 55 mit Mittelanzapfung wieder in Wechselstromleistung umgeformt, die dem Wechselstromnetz 41 zugeführt wird. Die beiden Zwischenphasentransformatorwicklungen 45 und 55 sind auf gemeinsamem Kern angeordnet. Die Gitter der Gefäße 57 bis 62 erhalten ihre Steuerspannungen über den Widerstand 64 aus dem Steuertransformator 63, der entweder an das Wechselstromnetz 40 oder an den Generator 66 eines Synchronumformers angeschlossen ist. Der Motor 65 dieses Generators steht mit dem Wechselstromnetz 40 in Verbindung. Ist das Wechselstromnetz 41 an eine vom Xetz 40 unabhängige Spannung angeschlossen, so wird der Gittertransformator in ähnlicher Weise wie in Abb. 1 über eine phasendrehende Vorrichtung mit dem Wechselstromnetz 41 verbunden. Es wird noch bemerkt, daß auch die Gefäße 47 bis 52 mit Gittersteuerung versehen sein können, wobei die Steuerspannungen dem gleichen Steuerkreis entnommen werden, so daß die in der Wicklung 55 induzierte Kornmutierungsspannung die für den Kommutierungsvorgang erforderliche richtige Phasenlage hat.

Für die Erläuterung der Wirkungsweise wollen wir annehmen, daß das Netz 41 synchron mit dem Xetz 40 arbeitet, so daß ein Frequenzumformer, bestehend aus Synchronmotor 65 und Synchrongenerator 66, nicht erforderlich ist. Dann erfolgt die Umformung bei einem Leistungsfaktor angenähert 1, bezogen auf das Wechselstromnetz 40. An der Wicklung 45 tritt dabei, wie bekannt ist, eine Spannung auf, deren Größe sich aus der Differenz der Ströme der jeweilig an der " Stromführung beteiligten Phasen der Wicklungen 43 und 44 ergibt. Da die Gitter der Gefäße 57 bis 62 im wesentlichen gleichphasig mit den Strömen der Gefäße 47 bis 52 erregt werden, weist die in der Wicklung 55 induzierte Spannung, die gleich, aber entgegen- 1Ί0 gesetzt derjenigen an der Wicklung 45 ist, zu allen Zeiten eine derartige Richtung auf, daß eine Kommutierung zwischen den einzelnen Gefäßen 57 bis 62 erfolgen kann; dabei sind die Phasenbeziehungen derart, daß die Kornmutierungsspannung im Augenblick der Kommutierung ihren Scheitelwert aufweist. Ximmt man an, daß die Phasenverhältnisse zwischen den Xetzen4O und 41 festliegen, so wird der Leistungsfaktor, bei dem die Energielieferung an das X'etz 41 erfolgt, dadurch gesteuert, daß die Phase der den Gittern der

Gefäße 57 bis 62 aufgedrückten Wechselspannung gesteuert wird. Gleichzeitig wird dem Netz 40 Energie entnommen bei einem Leistungsfaktor angenähert 1. Arbeitet das Xetz 41 mit einer Frequenz, die ein Bruchteil der Frequenz des Netzes 40 ist, so ist die Arbeitsweise im wesentlichen die gleiche. Es ergibt sich nur, daß nicht jeder Impuls der in der Wicklung 55 induzierten Kommutierungs spannung verwendet wird, sondern nur ein Bruchteil der Impulse. Ist beispielsweise das Frequenzverhältnis von Netz 40 zu Netz'41 gleich 2 :1, so wird nur jeder zweite Impuls der Kommutierungsspannung verwendet. Entsprechend ergibt sich, daß bei einem Frequenzverhältnis 3 : ι nur jeder dritte Impuls Verwendung findet.

Bei beiden Ausführungsbeispielen handelt es sich also darum, daß die Gitterspannungen der Hauptumformungseinrichtung, die mit demjenigen Wechselstromnetz verbunden ist, dessen Leistungsfaktor gesteuert werden soll, im wesentlichen in Phase mit den Entladungsströmen der Zusatzumformungseinrichtung sind, so daß die von der Zusatzumformungseinrichtung erzeugten Kommutierungsspannungen die richtige Phasenlage zu den zugeordneten Stromkreisen der Hauptumformungseinrichtung haben.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   I. Anordnung zum Kommutieren bei L'mformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerteu Dampf- oder Gasentladungsstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzumformungseinrichtung mit gegebenenfalls gesteuerten Entladungsgefäßen vorgesehen ist, die eine solche in Abhängigkeit von der Phasenlage der Ströme gesteuerte Kommutierungsspannung liefert, daß der Kommutierungsvorgang in jedem gewünschten Äugenblick einer Wechselstromperiode stattfinden kann.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zusatzumformungseinrichtung entnommene Kommutierungsspannung mittels eines Zwischenphasentransformators der Hauptumformungseinrichtung zugeführt wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzumformungseinrichtung ein ungesteuerter Gleichrichter verwendet wird, dessen Phasenspannungen entsprechend dem gewünschten Leistungsfaktor in ihrer Phase gegenüber den Phasen der Hauptumformungseinrichtung verschoben sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden bei Wechselstrom-Wechselstrom-Umformungseinrichtungen mit Gleichstromzwischenkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Entladungsstromkreise des als Zusatzumformungseinrichtung wirkenden Gleichrichters mit den einzelnen Entladungsstromkreisen des AVechselrichters durch einen Zwischenphasentransformator mit je einem dem Gleichrichter und dem Wechselrichter zugeordneten Wicklungsteil verkettet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen