DE661087C - Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken - Google Patents

Description

.5Q JUL. 193b

AUSGEGEBEN AM 10. JUNI1938

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d ² GRUPPE 12 O₃

.A 67160 VIII'dl2id* Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents: 19. Mai 1938

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin

Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken

Zusatz zum Patent 639 359

Patentiert im Deutschen Reiche vom 17. September 1932 ab
Das Hauptpatent hat angefangen am 11. Oktober 1931.

Die Priorität der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 1. Oktober 1931

ist in Anspruch genommen.

Gegenstand des Patents 639 359 bildet eine Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefäßen. Duuren Einfügung zusätzlicher Energieträger wird es gemäß dem Hauptpatent' ermöglicht, Anodenströme zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt zu unterdrücken und den Kommutierungsvorgang in jedem gewünschten Augenblick einer jeden Wechselstromperiode stattfinden zu· lassen. Es wurde ferner bereits im Hauptpatent angegeben, daß die zusätzlichen Energieträger über weitere zusätzliche Entladungsstrecken zu den gegebenen Zeitpunkten zu- und abgeschaltet werden können. Die Anordnungen nach dem Hauptpatent weisen aber noch den Nachteil auf, daß der von der ■ Zusatzspannung erzeugte Strom nicht nur

ao über die kurzgeschlossenen Entladungsgefäße, sondern auch über den Verbraucher fließt. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die zusätzlichen Entladungsstrecken mit den die eigentliche Umformung bewirkenden Entladungsstrecken in Reihe geschaltet, und die Einfügung der zusätzlichen Kommutierungsspannung erfolgt in der Weise, daß dem durch die Zusatzspannung erzeugten Strom der Weg über den Verbraucher gesperrt und nur der Weg über;die die Kommutierung bewirkenden Entladungsstrecken freigegeben wird. Wie man im einzelnen der nachfolgenden Beschreibung entnehmen kann, kann der Erfindungsgedanke in verschiedenartiger Form angewendet werden.

In Abb. ι der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar handelt es sich um eine Umformungseinrichtung, die als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitet und Energie aus dem Gleichstromnetz 10 an das Wechselstromnetz 11 liefert, oder umgekehrt. Die Umformungseinrichtung enthält einen Haupttransformator 12, dessen in die Entladungsstromkreise eingefügte Wicklung 14 mit einer Mittelanzapfung versehen ist. An die äußeren Klemmen der Wicklung 14 sind je zwei in Reihe geschaltete Entladungsgefäße 17 und 19 bzw. 18 und 20 angeschlossen. Zwischen die Verbindungen der beiden Paare von in Reihe geschalteten Gefäßen ist ein Kommutierungskondensator 21 geschaltet. Die Entladungsgefäße 19 und 20 können ungesteuert sein. Obwohl an sich auch andere gesteuerte Entladungsstrecken verwendet werden können. sollen doch vorzugsweise Entladungsgefälie

mit Dampf- oder Gasfüllung, d. h. mit ionisierbarem Medium, Verwendung finden. Im vorliegenden Falle erfolgt die Steuerung der Umformungsvorgänge nur mittels der Gitter der Gefäße 17 und 18, wodurch zugleich auch eine Steuerung des Leistungsfaktors im Wechselstromnetz erreicht wird und außerdem die Frequenz bestimmt wird, falls das Wechselstromnetz nicht an eine taktgebende Wechselspannung angeschlossen ist. Die Steuerspannung wird den Gittern der Gefäße 17 und iS von einer Steuerspannungsquelle 25 über einen Gittertfansformator 22 zugeführt. Die Gitterkreise enthalten ferner einen Strombegrenzungswiderstand 23 und eine im allgemeinen negative Vorspannungsbatterie 24. Die Steuerspannung 25 wird, wenn das Netz 11 eine taktgebende Spannung aufweist, diesem Netz über eine passende Phasenein-Stellvorrichtung entnommen.

Läßt man zunächst die Hilfsgefäße 1.9 und 20 außer Betracht, und nimmt man an, daß die Umformungseinrichtung als Wechselrichter arbeitet, d. h. Energie vom Gleichstromnetz 10 an das Wechselstromnetz 11 überträgt, so arbeiten abwechselnd die Gefäße

17 und 18 während je einer Halbwelle der erzeugten Wechselspannung. Bekanntlich kann ein solcher Wechselrichter, wenn man keine besonderen Vorkehrungen trifft, nur einen voreilenden Leistungsfaktor liefern; denn bei nacheilendem Leistungsfaktor kann nämlich nicht von einem Gefäß mit höherem Anodenpotential auf ein Gefäß mit niederem Anodenpotential kommutiert werden. Trifft man jedoch eine Anordnung, .wie sie in Abb. 1 dargestellt ist, so wird der Kondensator 21 bei der vollen Spannung der Wicklung 14 (Scheitelwert)'geladen, und der Kondensator 21 be-

hält" seine volle Ladung bis zum Augenblick der Kommutierung. Wenn beispielsweise Gefäß 17 Strom führt und Gefäß 18 leitend gemacht wird, so wird die rechte Klemme der Kapazität 21 ein positives Potential solcher Größe annehmen, das dem größten Augenblickswert der Wicklung 14 entspricht. Infolge des Einsetzens der Entladung im Gefäß

18 wird sich der Kondensator 21 entladen und dabei den im Gefäß 17 bestehenden Entladungsstrom zum' Erlöschen bringen. Der -Belastungsstrom fließt zunächst durch das Gefäß 19, den Kondensator 21 und das Gefäß 18, aber der Kondensator 21 lädt sich sehr schnell auf eine solche Spannung auf, daß der Belastungsstrom gezwungen ist, gegen die Gegen-EMK der Wicklung 14 durch die Gefäße 20 und 18 zu fließen. Mit einer solchen Anordnung kann man den Kommutierungsvorgang um annähernd 90⁰ in bezug auf den Nulldurchgang der Gegen-EMK der Wicklung 14 verzögern. Wird dann das Gefäß 18

leitend gemacht, so steht eine ausreichende ■ Kommutierungsspannung solcher Größe und Polarität zur \^rerfügung, daß die Entladung betriebssicher vom Gefäß 17 auf das Gefäß 18 überführt werden kann, d. h. die Umformungseinrichtung kann eine Scheinleistung bei einem Leistungsfaktor annähernd Null nacheilend liefern.

Die Wirkungsweise der Umformungseinrichtung bei Gleichrichterbetrieb mit voreilendem Leistungsfaktor soll an Hand der ' Abb. 5 und 6 erläutert werden. In Abb. 5 bedeuten die Kurven α die Spannungen der beiden Halbwellen der Wicklung 14. Verschiebt man die Gitterspannungen der Gefäße 17 und 18 in bezug auf die zugehörigen Anodenspannungen um einen Winkel c voreilend, so bedeuten die Kurven b die Zeiten der Stromführung der beiden Gefäßgruppen. Nimmt man an, daß die Gefäße 17 und 18 derart gesteuert werden, daß sie im Punkt ο leitend werden und daß das Gefäß 17 als erstes die Stromführung übernimmt, so wird während des Intervalls c der Kondensator 21 durch die Gefäße 20 und 17 geladen werden. Während dieses Zeitabschnittes wird kein Laststrom fließen, da das Gefäß 18 gesperrt ist und das linke Wicklungsende von 14 negativ ist. Wenn die Spannung der Wicklung 14 das Vorzeichen wechselt, so wird der Belastungsstrom durch die Gefäße 17 und 19 im. Zeitabschnitt d fließen. Am Ende dieses Intervalles wird das Gefäß 18 leitend, wodurch der Kommutierungsvorgang eingeleitet wird. Die Kommutierung selbst wird durch die in der Kapazität 21 während des Zeitabschnittes c aufgespeicherte Energie zwischen den Gefäßen 17 und 18 durchgeführt. Die Spannung an der Gleichstromdrossel 16 erzwingt ίο« alsdann, daß der Belastungsstrom durch die Gefäße 18 und 20 gegen die Gegen-EMK der Wicklung 14 während des Zeitabschnittes d' fließt. Während dieses Zeitabschnittes wird der Kondensator 21 mit umgekehrtem Vor- ">5 zeichen durch die Gefäße 19 und 18 geladen. Der Kondensator behält seine Ladung bis zum Ende des Zeitabschnittes rf', wo der Belastungsstrom erneut kommutiert wird. In dieser Weise wird dieKommutierung zwischen den beiden Gefäßen 17 und 18 mit i8o° Phasenabstand durchgeführt und zugleich das Wechselstromnetz n voreilend belastet.

Bei ordnungsgemäßem Betrieb bereitet es Schwierigkeiten, die Entladung genau im Zeitpunkt« einsetzen zu lassen. Wenn andererseits das Einsetzen im Zeitpunkt / stattfindet, so wird ein Strom in dem nunmehr leitenden Gefäß 17 fließen für den liest der Halbwelle, da noch keine Anfangsladung des Kondensators 21 besteht, die den Strom vom Gefäß 17 auf das Gefäß 18 am Ende des Ab-

schnittes d überführt. Da beide Gefäße 17 und 19 während der vollen Halbwelle leitend sind, wird während des Abschnittes d' der Kondensator nicht geladen werden, und die Umformungseinrichtung arbeitet wie ein gewöhnlicher Vollweggleichrichter mit voreilender Gitterspannung.

Enthält der Gleichstromkreis Induktivitäten, so wird die vom Gleichrichter gelieferte Gleichspannung Werte annehmen, wie sie in Abb. 6 für verschiedene Phasemvinkel der Gitterspannung durch die gestrichelte Kurve k erläutert ist. Enthält der Belastungskreis weniger Induktivität, so ergibt sich für den nacheilenden Quadranten die Kurve Λ Wird die Gitterspannung durch den nacheilenden Quadranten weiter verzögert, bis sie in Phasenopposition steht, so wird kein Strom durch die Umformungseinrichtung geliefert. Läßt man die Gitterphase weiter nacheilen, bis die Gitterspannung den voreilenden Quadranten erreicht, so wird die vom Gleichrichter gelieferte Spannung durch die · Kurve m dargestellt. Diese Arbeitsweise folgt daraus, daß

25. bei Phasenopposition der Gitterspannung der Kondensator 21 während jeder vollen Halbwelle mit umgekehrter Polarität geladen wird, so daß die Abschnitte c und d' bis zur vollen Halbwelle verlängert werden können. Dann muß der Kondensator 21 die größte Kommu; tierungsspannung liefern. Wird nunmehr die Gitterspannung noch mehr im nacheilenden Sinne verschoben, so gelangt sie wieder in den nacheilenden Quadranten, und es befindet sich eine Anfangsladung auf dem Kondensator 21, die die Kommutierung zwischen den Gefäßen bei Beginn jedes Intervalls c, d' usw. ermöglicht. Dadurch kann die Umformungseinrichtung derart gesteuert werden, daß sie voreilende Scheinleistung aus dem Wechselstromnetz bei beliebigem Leistungsfaktor entnimmt. Die untere Grenze hinsichtlich der Intervallänge c) d' usw. ergibt sich aus dem Umstand, daß der. Kondensator 21 immefeine solche Ladung aufweisen muß, daß seine Spannung die Spannungsabfälle der betreffenden Gefäße überwinden kann, d. h. im wesentlichen mindestens den doppelten Betrag des Spannungsabfalles jedes Gefäßes. Dies ist in Abb. 6 durch den Winkel η dargestellt. Die beschriebene Umformungseinrichtung ist also in der Lage, dem Wechselstromnetz eine Scheinleistung bei beliebigem Leistungsfaktor zu entnehmen.

In Abb. 2 der Zeichnung ist der Erfin-Jungsgedanke bei einer mehrphasigen Umformungseinrichtung veranschaulicht, und zwar bei einer Sechsphasenschaltung. Die Umformungseinrichtung enthält einen mehrphasigen Transformator 31 mit einer in Stern geschalteten, an das Wechselstromnetz 30 angeschlossenen Wicklung 32 und einer sechsphasigen Wicklung 33 mit den Phasenwicklungen 34 bis 39, die mit dem Gleichstromnetz 10 über mehrere Entladungsgefäße gekoppelt ist. Die Anordnung ist derart getroffen, daß für sämtliche Gefäße 40 bis 45 lediglich zwei besondere Gefäße 17 und 18 und ein Kommutierungskondensator 21 verwendet werden. Die Aufteilung der Stromlaufe ist dabei derart, daß an die Anode des Gefäßes 17 die Kathoden der Gefäße 40 bis 42, an die Anode des Gefäßes 18 die Kathoden der Gefäße 43 bis 45 angeschlossen sind. Die Gitter der Gefäße 40 bis 45 sind mit den Sekundärwicklungen 46 eines Drehtransformators 47 verbunden, der entweder unmittelbar aus dem Wechselstromkreis 30 oder, wenn das Netz 30 keine taktgebende Spannung aufweist, von einer besonderen Steuer-Spannungsquelle gespeist wird. In die Gitterkreise der Gefäße 40 bis 42 ist ferner ein Strombegrenzungswiderstand 48, in die Gitterkreise der Gefäße 43 bis 45 ein Strombegrenzungswiderstand 49 eingeschaltet. Zweckmäßigerweise erhalten die Gitterkreise eine S teuer spannung spitzer Wellenform. Diese kann man z. B. mittels gesättigter Transformatoren erzeugen. Wie bereits erläutert, sind für die eigentlichen Hauptgefäße 40 bis 4S nur zwei Zusatzgefäße 17 und 18 vorgesehen. Wie ersichtlich ist, werden diese beiden Gefäße mit einer Frequenz gesteuert, die dreimal so groß ist wie die Frequenz der Steuerspannungen.der Gefäße 40 bis 45. Diese dreifache Frequenz kann man sich beispielsweise mittels eines Synchronumformers 50 erzeugen, der motorseitig an dieselbe Spannungsquelle angeschlossen ist, die den Drehtransformator speist. Der für die Gefäße 17 und 18 vorgesehene Gittertransformator 22 ist seinerseits an die Sekundärwicklung 52 eines weiteren Drehtransformators 51 angeschlossen. Die Läufer der Drehtransformatoren 47 und 51 sind miteinander durch ein Getriebe S3 verbunden, das eine Übersetzung 1 : 3 hat. Diese Kupplung ist notwendig für die Steuerung des Leistungsfaktors, der den Umformungsvorgängen zugrunde gelegt wird, denn es ist erforderlich, bei einer Änderung der χ Phase der Gitterspannung der Gefäße 40 bis 45 um einen bestimmten Betrag die Phase der Gitterspannung der Gefäße 17 und 18 um den dreifachen Betrag zu ändern.

Hinsichtlich seiner Arbeitsweise unterscheidet sich diese Umformungseinrichtung nicht wesentlich von der Ausführungsform gemäß Abb. 1. Auch in diesem Falle ist eine Gleichstromdrossel 16 vorhanden, und es muß der Kondensator 21 die Kommutierungsspannung für die Gefäße 17 und 18 liefern, und die Kommutierung zwischen diesen· beiden

Gefäßen hat gleichzeitig zur Folge, daß der Strom von einem der Gefäße 40 bis 42 auf eines der Gefäße 43 bis 45 übergeführt wird. Dieser Kommutierungsvorgang hat die dreifache Frequenz. Ebenfalls wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1 ist es möglich, einen Gleichrichterbetrieb mit voreilendem Leistungsfaktor und einen Wechselrichterbetrieb mit nacheilendem Leistungsfaktor durchzuführen.

Abb. 3 der Zeichnung enthält eine besonders zweckmäßige Gittersteuerungsanordnung. Wie ersichtlich ist, ist die Anordnung der Hauptstromkreise die "gleiche wie in Abb. 2. Die Gitterkreise und die Durchbildung der Steuerung unterscheiden sich jedoch von der Aus füh rungs form gemäß Abb. 2. Für sämtliche Gefäße 40 bis 45 ist lediglich ein einziger Gittertransformator vorgesehen, dessen Primärwicklung 60 an die Steuerspannung 61 in bekannter Weise angeschlossen ist, z. B.- über einen Drehtransformator. Der Gittertransformator enthält zwei in Stern geschaltete Sekundärwicklungen 62 und 63 mit um 180 ° versetzten Phasenspannungen. Wie bei der Ausführungsform gemäß Abb. 2 wird man zweckmäßigerweise für die Gitterkreise der Gefäße 40 bis 45 eine Steuerwechselspannung spitzer Wellenform verwenden. Die Sternpunkte der beiden Sekundärwicklungen sind über Wicklungen 64 und 65 des Gittertransformators 22 der Gefäße 17 und 18 und über Strombegrenzungswiderstände 48 • und 49 mit den Kathoden der beiden Gefäßgruppen 40 bis 42 und 43 bis 45 verbunden. Die Durchbildung dieses Steuerkreises ist weitgehend identisch mit einem Seehsphasengleichrichter, wobei jedes der Gitter als Anode wirkt. Infolgedessen wird der Gittertransformator 22 durch die Teilströme der einzelnen Gitterkreise der Hauptgefäße mit dreifacher Frequenz erregt, und diese dreifache Frequenz wirkt phasenrichtig auf die .. Gefäße 17 und 18 ein. Dadurch ist gewährleistet, daß die Entladung in einem der. Gefäße 17 und 18 und in einem der Gefäße 40 bis 45 gleichzeitig einsetzt; Die übrigen Schaltungselemente und die Bezugsziffern stimmen mit denen der Abb. 2 überein. In Abb. 4 der Zeichnung ist eine Ausführungsform dargestellt, die einen als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitenden Um- " former in Graetzschaltung betrifft. In diesem Falle sind zwei Kommutierungskondensatoren 21 und 21' vorgesehen, ferner zwei Kommutierungsdrosseln 66 und 66', deren Mittelanzapfung je an einen Gleichstromleiter 10 angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform wird jeder der beiden Kondensatoren mit einer Spannung geladen, die proportional dem Belastungsstrom ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Kommutierungsspannung der beiden Kondensatoren selbsttätig mit der Phase des Belastungsstromes -geändert, so daß die erforderliche Kommutierungsspannung stets in jedem gewünschten Augenblick zur Verfugung steht. Für die Kommutierung sind ferner in ähnlicher Weise wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen Gefäße 17 und 18 bzw. 17' und 18' vorgesehen. Durch die Einfügung dieser Gefäße wird erreicht, daß die Umformungseinrichtung bei sehr kleinen Frequenzen arbeiten ■■ kann, ohne daß Gefahr besteht, daß sich die Kondensatoren über die- Drosselspulen 66 und 66' entladen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zum Kommutieren bei Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise ■. gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefäßen, bei denen nach Patent 639 359 zusätzliche Energieträger über zusätzliche Entladungsstrecken gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusätzlichen Entladungsstrecken in Reihe mit den die eigentliche Umformung bewirkenden Entladungsstrecken angeordnet sind, und die vom zusätzlichen Energieträger, insbesondere einem Kondensator, gelieferte Zusatzspannung zwischen die · • Verbindungen von zwei Paaren in Reihe geschalteter Entladungsstrecken geschaltet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrphasigen Um-

   • formungseinrichtungen, insbesondere be'i Gleichrichtern und Wechselrichtern, die die eigentliche Umformung bewirkenden

   • Entladungsstrecken in zwei Gruppen (40 bis· 42 und 43' bis 45)- unterteilt sind, denen je eine Entladungsstrecke (17 bzw.

   ; 18) vorgeschaltet' ist, die mit einer der Phasenzahl der zugehörigen Gruppe entsprechenden erhöhten Frequenz gesteuert · wird. . -
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derartige Verkettung der Gitterkreise ider beiden Gefäßgruppen (40 bis 42, 43 bis 45) mit den Gitterkreisen der zusätzlichen Gefäße (17 bzw. 18), daß die Teilgitterströmc der Hauptgefäße das Einsetzen der Entladung in den Zusatzentladungsgefäßen steuern.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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