DE658917C - Anordnung zum Betrieb von stabil brennenden Gleichstromlichtboegen - Google Patents

Description

Zum Betrieb von Gleichstromlichtbögen benötigt man eine Gleichspannung, die mit zunehmendem Strom stark abfällt und einer plötzlichen Stromänderung unverzüglich oder nahezu unverzüglich folgt. Die Erreichung einer solchen Spannungscharakteristik bedingt hohe Betriebs- oder Anlagekosten, sei es nun, daß man mit einem energieverzehrenden Vorschaltwiderstand arbeitet, oder mit einem Gleichrichter, in dessen Wechselstromkreis eine Drosselspule geschaltet ist, die viel Blindleistung verbraucht, oder mit einem gegenkompoundierten Generator, bei dem in vielen Fällen die magnetische Trägheit zu Kostspieligen Sondermaßnahmen zwingt.

Erhebliche Vorteile in der Größe der Anlage und im Energieverbrauch werden nun durch die Erfindung erzielt, bei der der Lichtbogen über einen Gleichrichter gespeist wird, ao dessen Spannung zwecks Stabilisierung des Lichtbogens vom Lichtbogenstroin oder von der Lichtbogenspannung mittels in der Umgebung der Anoden befindlicher Gitter selbsttätig gesteuert wird, die ein vom Lichtbogen beeinflußtes Potential besitzen, das ihnen durch eine trägheitslos oder nur mit geringer Trägheit arbeitende Steuereinrichtung aufgedrückt wird. Gegenüber dem bisherigen Lichtbogenbetrieb mit Gleichrichter liegt ein wesentlicher Vorteil dieser Betriebsart mit einer durch Steuerung erreichten Stromspannungscharakteristik darin, daß trotz beliebiger Steilheit der Charakteristik die Spannung bei Entlastung nicht wesentlich über die Betriebsspannung anzusteigen braucht und daß dementsprechend nicht nur die Isolation der Anlage geringer gehalten, sondern auch die Anlage mit gutem cos φ betrieben werden kann. Es sind verschiedene Anordnungen bekannt, um die von einem Gleichrichter gelieferte Spannung durch Anlegen einer Gitterspannung in weiten Grenzen zu regeln, und je nach der Wahl dieser Anordnungen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Stabilisierung des Lichtbogens gemäß der Erfindung durch selbsttätige Gittersteuerung durchzuführen.

Eine bekannte Anordnung der Spannungsbeeinflussung beruht darauf, daß die Zündung einer Gleichrichteranode erst dann erfolgen kann, wenn die Anode ein positives Potential gegenüber der Kathode hat und wenn außerdem das zugehörige Gitter ebenfalls eine positive Spannung führt, die größer ist als die sog. Zündspannung, die zur Zündung des Gitters gegen die Kathode notwendig ist. In bekannter Weise kann die Erreichung der Gitterzündspannung und damit die Einleitung der Zündung der betreffenden Anode zu einem bestimmten Zeitpunkt dadurch bewirkt werden, daß als Gitterspannung eine Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung dient. Immer dann, wenn die Summenspannung

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Jng. Karl Krapp in Mannheim, Dr. Paul Baumann in Baton Rouge, V. St. Α., Dr. Heinrich Schilling in Ludwigshafen, Rhein, und Dr. Robert Stadler in Heidelberg.

gleich der Zündspannung wird, erfolgt die Zündung der Anode. Durch Veränderung der Gleichspannung kann der Zündzeitpunkt verschoben werden. Durch die Wahl des Zünd-Zeitpunktes bestimmt man dieBrenndauer der betreffenden Anode während jeder Periode und die· mittlere Spannungsamplitude während dieser Brenndauer und regelt dadurch die Gleichspannung des Gleichrichters. ίο Nach der Erfindung wird das Gleichspannungsglied der Gitterspannung vom Lichtbogenstrom oder von der Lichtbogenspannung selbsttätig so gesteuert, daß der Bogen hierdurch stabilisiert wird. Die Gesetzmäßigkeit der Stabilisierung des Lichtbogens wird üblicherweise mit Hilfe der Stromspannungscharakteristiken des Lichtbogens und der speisenden Stromquelle erläutert, wobei die Bedingung der Stabilität dadurch ausgedrückt ist, daß im Schnittpunkt der Charakteristiken, also im Arbeitspunkt, die Charakteristik der speisenden Anlage steiler sein muß als die Lichtbogencharakteristik. Hierbei ist zu beachten, daß die Charakteristik der speisenden Anlage nur so weit für die Stabilisierung in Frage kommt, als sie praktisch ohne Zeitverzögerung zwischen Strom und Spannung eingehalten wird, oder, mit anderen Worten, daß für die Aufrechterhaltung der Stabilität nicht die statische, sondern die dynamische Charakteristik der Stromquelle maßgebend ist. Bei der Stabilisierungsart durch Gittersteuerung ist übrigens die bildliche Darstellung durch Charakteristiken nur sehr unvollkommen, weil ja die Steuerung hier nicht stetig, sondern nur in Intervallen von beispielsweise ¹Z₆ Periode erfolgen kann und die Einhaltung einer Charakteristik mir für diese einzelnen Zeitpunkte gelten kann. Zur Aufrechterhaltung der Stabilität ist es notwendig, daß jede zufällige Stromzunahme bzw. Spannungsabnahme des Bogens bei jeder Anodenzündung sofort zu einer stärkeren Verminderung der Gleichspannung führt, als der Lichtbogen-' charakteristik entspricht, und daß jede zufällige Stromabnahme bzw. Spannungszunahme des Bogens bei jeder Anodenzündung sofort zu einer höheren Steigerung der Gleichspannung führt, als der Neigung der Lichtbogencharakteristik entspricht.·

Bei der oben geschilderten Art der Gittersteuerung bedeutet dies, daß jede Stromzunahme und Spannungsabnahme des Bogens selbsttätig zu einer Verringerung, jede Stromabnähme und Spannungszunähme selbsttätig zu einer Vergrößerung der Gitterspannung führen muß.

Benutzt man als regelnde Größe die Bogen-

spannung, so kann die Steuerung der Gitterspannung in der Art durchgeführt werden, daß ein Teil der Lichtbogenspannung zur Steuerung der Gitterspannung einer Elektronenröhre dient, deren Anodenspannung durch Einschalten eines dem inneren Widerstand der Elektronenröhre angepaßten Wider-Standes in den Anodenkreis in weiten Grenzen veränderlich gestaltet ist, und als Gleichspannungskomponente der Steuerspannung des Gleichrichters benutzt wird. Eine derartige Anordnung ist im Beispiel 1 'gezeigt. Man kann hierbei die Stromänderung des Bogens mit benützen, indem man dem Bogen eine kräftige Drosselspule vorschaltet, die bewirkt, daß jede Stromabnahme von einer kurzen zusätzlichen Spannungszunahme begleitet ist, die den Steuerungsimpuls verstärkt. Entsprechendes gilt bei einer Stromzunahme. Man kann auch die Steuerung nur vom Strom beeinflussen, "indem man z.B. seinen Spannungsabfall in einem in dem Lichtbogenstromkreis eingeschalteten Widerstand zur Steuerung einer Elektronenröhre benutzt, die in gleicher oder ähnlicher Anwendung wie in Beispiel 1 zur Steuerung der Gleichrichtergitterspannung dient, oder indem man den Lichtbogenstrom oder einen Teil davon zur Erregung eines Steuergenerators benutzt, dessen Spannung als Steuerspannung oder als Teil der Steuerspannung des Gleichrichters dient. Die einfachste derartige Anordnung sieht einen Gleichstromgenerator vor, dessen Erregerwicklung vom Lichtbogenstrom durchflossen wird und dessen Ankerspannung als Gleichspannungsanteil der Steuerspannung dient. Zweckmäßig führt man einen solchen Generator in allen Eisenteilen aus lameliiertem Blech aus und trifft auch sonst alle Maßnahmen, um eine Zeitverzögerung zwischen Ankerspannung und Erregerstrom zu vermeiden. Durch geeignete Gestaltung der Spannungscharakteristik des Steuergenerators hat man die Möglichkeit, den Verlauf der Stromspannungscharakteristik des Gleichrichters zweckentsprechend zu beeinflussen, um günstige Arbeitsbedingungen und vor allem einen günstigen cos φ im Lichtbogenbetrieb zu erreichen.,

Beispiel }

In Abb. ι ist das Schaltbild einer über leichrichter gespeisten Lichtbogenanlage schematisch gezeichnet, bei der der Lichtbogen durch Gittersteuerung in Abhängigkeit von der Lichtbogenspannung stabilisiert wird, ι ist das Drehstromnetz, an das der Gleichrichtertransformator 2 angeschlossen ist, von dessen sekundärer Sechsphasenwicklung der Gleichrichter 3 gespeist wird. Von den sechs (oder zwölf) Anoden sind nur zwei Anöden 4.

«zeichnet, in deren Umgebung die Steuergitter 5 angebracht sind. Der Lichtbogen 7 st mit der Gleichrichterkathode 6 mit dem

o-Punkt der Sekundärwicklung des Transformators 2 verbunden. In den Gleichstromkreis kann eine Drosselspule 8 eingeschaltet sein. Den Steuergittern 5 wird vom Transformator 9 über die Widerstände 10 ein Wechselpotential aufgedrückt, dessen Phasenlage relativ zur Phase der Anodenspannung durch passende Schaltung des Transformators 9 bestimmt werden kann. Die Potentialhöhe der o-Linie der Steuerwecbselspannung relativ zur Gleichrichterkathode wird bestimmt und gesteuert durch das Potential der Anode der Elektronenröhre 11. Diese wiederum wird bestimmt durch die positive Gleichspannung, die sich ergibt aus der Spannung der Heizbatterie 12 und der Anodenbatterie 13 und dem Spannungsabfall des Anodenstroms im Widerstand 14. Die Steuergleichspannung ändert sich also mit dem Anodenstrom der Vakuumröhre und ist um so höher, je geringer der Anodenstrom ist. Dieser aber wird gesteuert durch das Gitterpotential der Röhre, das sich zusammensetzt aus der konstanten positiven Spannung der Batterie 15 und der negativen Teilspannung des Lichtbogens, die am Spannungsteilerwiderstand 16 abgenom-. men wird. Diese Schaltung bewirkt also, daß eine Zunahme der negativen Lichtbogenspannung in eine Zunahme der positiven Steuer-

.30 gleichspannung des Gleichrichtersteuergitters verwandelt wird. Die Batterie 17 ermöglicht auch eine negative Steuergleichspannung·.

Zum vollständigen Verständnis der Schaltanordnung ist in Abb. 2 die an sich bekannte

"35 Wirkungsweise erläutert, wie die Veränderung der Gittergleichspannung den Zündpunkt und dadurch die Gleichrichterspannung beeinflußt. B_a ist die Anodenspannung, E₂ die Zündspannung des Gitters, E'_s und E"_s sind zwei verschiedene Steuerspannungen, die sich nur durch die verschiedenen Gleichspannungsanteile E'_ss und E"_sg unterscheiden. Die Zündung erfolgt, wenn E_s den Wert der Zündspannung E₂ erreicht. Wenn die Steuerspannnng gleich E'_s ist, erreicht sie den Wert E₇, nur zur Zeit B₁ zu dieser Zeit wird aber die Anodenspannung E_a = 0, so daß keine Zündung mehr erfolgt; die vom Gleichrichter gelieferte Gleichspannimg ist also 0. Steigert man die Steuergleichspannung E_sg, so rückt der Schnittpunkt zwischen E'_s und E₂ nach links, die Zündung erfolgt früher, und wenn E's = E"_s ist, erfolgt sie zur Zeit A. Die Anode brennt dann während der Zeit A bis B, woraus sich die effektiv wirksame Anodenspannung ergibt.

Eine andere bekannte Art, die Zündung des Gleiclirichterbogens einzuleiten, besteht darin, daß das Steuergitter im allgemeinen auf nega ■■ tivem Potential gehalten und periodisch kurzzeitig auf positives Potential genügender Höhe gebracht wird. Die Zündung erfolgt im Augenblick der Umschaltung auf positives Potential. Mittels eines synchron mit der Netzfrequenz umlaufenden Kontaktgebers kann die periodische Umschaltung eingeleitet und damit die Zündung bewirkt und reguliert werden. Bei diesem Arbeitsprinzip erfordert die Durchführung der selbsttätigen Stabilisierung eines Lichtbogens, daß der Zeitpunkt des Anlegens der Gitterspannung praktisch unverzögert vom Lichtbogenstrom oder von der Lichtbogenspannung gesteuert wird, was auf verschiedenen Wegen erreicht werden kann. Man kann den synchron umlaufenden Kontakthebel über eine bewegliche Trommel oder Scheibe gleiten lassen, die eine der Anodenzahl entsprechende Anzahl Kontakte besitzt und sich unter der Einwirkung des Lichtbogenstroms oder der Spannung dreht und damit den Zeitpunkt der Kontaktgebung ändert. Um die Massenträgheit möglichst auszuschalten, müssen diese Teile klein und leicht sein und werden zweckmäßig nur zur Betätigung von Relais benutzt. Bei empfindliehen Lichtbogen kann es nötig sein, Trägheitswirkungen noch mehr zu vermeiden. In diesem Fall kann man die trägheitslose oder nahezu trägheitslose Steuerung der Gitterspannung durch optisch betätigte Relais, z. B. durch Photozellen, erreichen, wobei der Zeitpunkt der optischen Relaisbetätigung dadurch beeinflußt werden kann, daß eine mit Schlitzen versehene Scheibe oder ein Spiegel oder Spiegelsystem in Abhängigkeit vom Lichtbogenstrom oder von der Lichtbogenspannung gedreht wird und dadurch ein rotierender Lichtstrahl früher oder spater das optische Relais belichtet. Die Anwendung dieses Prinzips geschieht unter Ausnutzung der trag- toc heitslosen Relaiswirkung der Elektronenröhren etwa in der Weise, daß als Steuerspannung die durch einen genügend hohen Widerstand im Anodenstromkreis in weiten Grenzen veränderlich gestaltete Anodenspannung einer Elektronenröhre dient, deren Gitterspannung mit Hilfe eines optisch, mechanisch oder elektrisch betätigten Relais derart wechselt, daß die Anodenspannung beim Ansprechen des Relais sofort auf die Zündspannung des Steuergitters des Gleichrichters ansteigt.

_c Beispiel 2

Als zweites Beispiel ist in Abb. 3 eine An-Ordnung der vorerwähnten Art gezeichnet. Die Hauptapparate sind die gleichen wie in Beispiel 1 ; Drehstromnetz 1, Gleichrichtertransformator 2, Gleichrichter 3, Anoden 4, Steuergitter 5, Kathode 6, Lichtbogen 7. Das Potential des Steuergitters ergibt sich aus der Summe der negativen Gleichspannung der

Batterie 9 und der Wechselspannung hoher Frequenz, die im Transformator 10 übertragen wird. Mit dem Einsetzen der hochfrequenten Wechselspannung erfolgt die Zündung am Steuergitter. Die Primärwicklung des Transformators 10 ist zwischen die Anodenbatterie 11 und die Anode der Verstärkerröhre 8 geschaltet, und der sie durchfließende Wechselstrom ist bestimmt durch die Gitterspannung der Röhre 8. Im Gitterkreis wirkt eine hochfrequente Wechselspannung, die durch den Transformator 12 induziert wird, und eine Gleichspannung, die sich aus dem Zusammenwirken der Batterie 13 und 14, der Photozelle 15 und des Widerstandes 16 ergibt. Diese sind so gewählt, daß bei unbelichteter Photozelle die Gittergleichspannung so stark negativ ist, daß die Röhre die dem Gitter aufgedrückte Wechselspannung praktisch nicht mehr überträgt; bei belichteter ■Photozelle wächst die Gitterspannung so, daß die Röhre im steilsten Teil ihrer Charakteristikarbeitet und die Gitterwechselspannung verstärkt auf den Anodenkreis übertragen wird. Belichtung der Photozelle führt zu sofortiger Zündung der Gleichrichteranode.

Claims (7)

1. Patentansprüche:
2. i. Anordnung zum Betrieb von stabil brennenden Gleichstromlichtbögen unter Verwendung von Gleichrichtern zum Durchführen chemischer Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen über einen Gleichrichter gespeist wird, dessen Spannung zwecks Stabilisierung des Bogens vom Lichtbogenstrom oder von der Lichtbogenspannung mittels in der Umgebung der Anoden befindlicher Gitter selbsttätig gesteuert wird, die ein vom Lichtbogen beeinflußtes Potential besitzen, das ihnen durch eine trägheitslos oder nur mit geringer Trägheit arbeitende Steuereinrichtung aufgedrückt wird. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Lichtbogenspannung oder der Spannungsabfall des Lichtbogenstroms in einem in den Lichtbogenstromkreis eingeschalteten Widerstand zur selbsttätigen Steuerung der Gitterspannung einer Elektronenröhre dient, deren Anodenspannung durch Einschalten eines dem inneren Widerstand der Elektronenröhre angepaßten Widerstandes in den Anodenstromkreis in weiten Grenzen veränderlich gestaltet ist und als Gleichspannungskomponente der Steuerspannung des Gleichrichters benutzt wird.
3. "3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenstrom oder ein Teil davon zur Er- regung eines Steuergenerators benutzt wird, dessen Spannung als Steuerspannung oder als Teil der Steuerspannung des Gleichrichters dient.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Gleichrichterspannung durch periodisches kurzzeitiges Anlegen einer Gleichspannung oder Wechselspannung von genügend hoher Frequenz an die Anodengitter erfolgt und daß der Zeitpunkt des Anlegens dieser Spannung durch den Lichtbogenstrom oder die Lichtbogenspannung bestimmt wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die trägheitslose oder nahezu trägheitslose Steuerung der Gitterspannung durch optisch betätigte Relais erfolgt, wobei der Zeitpunkt der optischen Relaisbetätigung dadurch bestimmt wird, daß eine mit Schlitzen versehene Scheibe, ein Spiegel oder ein Spiegelsystem in Abhängigkeit vom Lichtbogenstrom oder von der Lichtbogenspannung gedreht wird und dadurch das Relais vom rotierenden Lichtstrahl belichtet wird.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung die durch einen hohen Widerstand im Anodenstromkreis veränderlich gestaltete Anodenspännung einer Elektronenröhre dient, deren Gitterspannung mit Hilfe eines optisch, mechanisch oder elektrisch betätigten Relais derart wechselt, daß die Anodenspannung beim An- sprechen des Relais sofort auf die Zündspannung des Steuergitters des Gleichrichters ansteigt.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung eine Spannung hoher Frequenz dient, die in einem Transformator induziert wird, dessen Primärwicklung im Anodenkreis einer Elektronenröhre liegt, deren Gitterspannung aus einer transformatorisch induzierten Wechselspannung hoher Frequenz und einer Gleichspannung besteht, die mit Hilfe eines optisch, mechanisch oder elektrisch betätigten Relais derart wechselt, daß die Elektronenröhre je nach der Höhe dieser Gleichspannung entweder in einem sehr unempfindlichen flachen oder in einem sehr empfindlichen steilen Teil ihrer Charakteristik arbeitet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen