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Anordnung zur Steuerung von Umrichtern mittels Hilfsentladungsstrecken
Zusatz zum Patent 656 273
Gegenstand des Hauptpatents ist eine Einrichtung
zur Steuerung von Umrichtern. Jeder Hauptentladungsstrecke des Umrichters ist dabei
eine Hilfsentladungsstrecke, ein sogenanntes Steuerrohr, zugeordnet. In den Arbeitsstromkreisen
dieser Hilfsentladungsstrecken liegen Widerstände, deren Spannungsabfall zur Steuerung
der Hauptentladungsstrecken dient und diesen galvanisch oder mittels einer kapazitiven
oder induktiven Kopplung zugeführt wird. Beim starren Umrichterbetrieb erfolgt die
Speisung der Steuerstrecken einer derartigen Einrichtung vorteilhaft mit Wechselstrom.
Für den Betrieb eines elastischen Umrichters muß es jedoch mit Rücksicht auf die
beliebige Lage des Kommutierungszeitpunktes der Spannungswelle möglich sein, die
Steuerimpulse in jedem beliebigen Augenblick zu- oder abzuschalten bzw. umzuschalten.
Gleichwohl müssen die Impulse auch dann lückenlos aneinander anschließen. Es muß
daher in jedem Falle noch eine zusätzliche Einrichtung vorgesehen sein, welche eine
Löschung der Steuerstrecken einer Gruppe in beliebigen Augenblicken gestattet. Die
Schaltung wird dann wesentlich einfacher, wenn, wie bei der Anordnung des Hauptpatents,
die Hilfsentladungsstrecken mit Gleichstrom gespeist sind. Die Steuerstrecken arbeiten
dann untereinander nach Art mehrphasiger Wechselrichter ohne taktgebende Spannung,
wobei die Kommutierung der Steuerströme von einer Entladungsstrecke auf die nächste
durch Löschkondensatoren bewirkt wird. Um eine einwandfreie Steuerung zu erreichen,
sind beim Hauptpatent die Belastungs- bzw. Steuerwiderstände jeweils zwischen den
Kathoden und dem negativen Pol der gemeinsamen Spannungsquelle eingeschaltet, so
daß jeweils für die Brenndauer einer Steuerstrecke auch das Gitter der zugehörigen
Hauptentladungsstrecke des Umrichters freigegeben wird.
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Die im Hauptpatent angegebene Steuerung hat nun die Eigentümlichkeit,
daß das Potential der Kathoden der Steuerstrecken dauernd Sprünge macht, da diese
bei gelöschtem Rohr das negative Potential der Spannungsquelle und bei brennendem
Rohr dagegen fast das volle Potential annehmen.
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Da die Steuergitter der Hilfsentladungsstrecken bei gelöschtem Rohr
sperrfähig sein müssen, bedeutet dies, daß entweder für jedes Rohr gesonderte, gesondert
schaltbare Vorspannungsquellen vorhanden sein müssen, oder, da dies praktisch nicht
durchführbar ist, daß die umschaltbare Vorspannungsquelle mit einem Pol an dem negativen
Pol der Speisespannungsgleichstromquelle angeschlossen wird und daß damit aber bei
brennendem Rohr, wo das Gitter
praktisch das Potential der Anoden
annimmt, am Gitterwiderstand ein Spannungsabfall auftritt, der größer ist als die
Betriebsgleichspannung der Hilfsentladungsstrecken. Dieser große Spannungsabfall
kann zu unerwünscht großen Steuerströmen führen und die Steuerung erschweren.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung dieser Gegentaktkommutierungssteuerung
mit gleichstromgespeisten Steuerstrecken. Gemäß der Erfindung sind die Steuerwiderstände
vor die Anoden der zugehörigen Steuerentladungsstrecken geschaltet und die Kathoden
der Hilfsentladungsstrecken einer Gruppe unmittelbar miteinander verbunden. Es zeigt
sich allerdings, daß bei dieser Anordnung die Anoden der Steuerstrecken, an denen
jeweils das Gitterpotential der Hauptentladungsstrekken abgegriffen wird, bei gelöschter
Steuerstrecke positiv und bei brennender Steuerstrecke negativ gegenüber der Kathode
der Häüptentladungsstrecke sind, daß also die Umrichterentladungsstrecken im Gegensatz
zu der Steuerung des Hauptpatents durch die Löschung der zugehörigen Steüerentladungsstrecke
j eweils freigegeben werden: Die Entladungsstrecken werden gemäß der Erfindung daher
derart gesteuert, daß bei einer dreiphasigen Gruppe beispielsweise jede Steuerstrecke
über =2o ° gelöscht ist und über 240' brennt; d. h. daß stets nur eine Entladungsstrecke
gelöscht ist, die -beiden anderen aber gleichzeitig brennen. Bei n-phasigen Steuergruppen
müssen stets (n-1) Entladungsstrecken gleichzeitig brennen, die Brennzeit einer
Steuerstrecke beträgt dann
. 36o'.
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Die Steuerbedingung für die regelmäßige zyklische Aufeinanderfolge
der Impulse fördert im n-phasigen System, daß das jeweils zündende Rohr nur ein
einziges von den ff-1 übrigen, gerade brennenden Rohren löscht. Zur Erfüllung dieser
Forderung kann man die Kommutierungseinrichtung oder die Steuerung der Hilfsentlastungsstrecken
oder beide heranziehen. Will man die Steuerstrecken mit negativer Vorspannung betreiben
und die Zündung lediglich durch kurze positive Spannungsstöße bewirken, dann muß
man beispielsweise durch Vorschalten von Trockengleichrichtern vor die zwischen
die Anoden der einzelnen Entladungsstrecken geschalteten Löschkondensatoren und
durch entsprechendeBemessung der letzteren.dafür sorgen, daß beim Zünden einer Steuerstrecke
immer nur die im Zyklus nachfolgende gelöscht wird. Die Bedingung aber, daß die
Impulse für die Umrichterstrecken beliebig zu- und abgeschaltet und ebenso in der
Phase umgeschaltet werden können, läßt sich nur bei gleichzeitiger Beeinflussung
der Steuerimpulse der Steuerstrecken, also durch Kombination mit dem folgenden Verfahren,
erfüllen: Die Steuerung der Steuerstrecken erfolgt entsprechend der Kommutierungsbedingung
in einem n-phasigen System sowohl bei der zyklischen Aufeinanderfolge als auch bei
allen Impulsumschaltungen hinsichtlich der Phase so; ,daß bei jeder Zündung jedes
Rohres alle Steuerstrecken außer der, die gerade gelöscht werden soll; positives
Gitterpotential haben.
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Zur Erfüllung der Forderung der beliebigen Zu- und Abschaltbarkeit
sowie der- Umschaltbarkeit hinsichtlich der Phasen wird eine zusätzliche, in die
Kommutierung mit einbezogene Hilfsentladungsstrecke vorgesehen und so betrieben,
daß sie während des Arbeitens der den Hauptentladungsstrecken zugeordneten Steuerstrecken
dauernd brennt und während der geforderten Abschaltzeit für die Impulse der betreffenden
Gruppe erloschen ist, wobei sie durch Zündung der letzten nicht brennenden Steuerstrecke
gelöscht wird und schließlich am Ende der Abschaltperiode zündet und dadurch die
dann fällige Steuerstrecke löscht.
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Die Steuerung der Entladungsstrecken erfolgt dabei derart, daß z.
B. zur Abschaltung der Impulse die Gitter aller Steuerentladungsstrecken positiv
gemacht werden und- gleichzeitig durch Anlegen einer Sperrspannung die zusätzliche
Hilfsentladungsstrecke gelöscht wird. Während der Abschaltdauer brennen dann sämtliche
Steuerentlädungsstrecken. Beim Wiedereinschalten der Impulse wird durch Zünden der
zusätzlichen Hilfsentladungsstrecke diejenige Steuerstrecke gelöscht, deren zugehörige
Umrichter-Hauptentladungsstrecke als nächste freigegeben werden soll.
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Es ist ein Vorteil der den Erfindungsgedanken verkörpernden Steuerung,
daß mangelnde Sperrfähigkeit eines Gitters einer Steuerstrecke nur zum Brennen aller
Steuerstrecken und damit zum Abschalten einer Umrichterhälfte führen kann.
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Will man zur Erfüllung der Steuerbedingungen den Kommutierungskreis
und die Steuerung gemeinsam heranziehen, so kann man bei kurzzeitigen Spannungsstößen
auf die Gitter der Steuerstrecken die zyklische Reihenfolge im z Arbeiten der Gefäße
durch Polygonschaltung der Löschkondensatoren mit vorgeschalteten Gleichrichtern
erreichen. Zum Ausschalten der Impulse erhalten alle Gitter der Steuerstrecken positive
Spannung. Zum Aus- und Wiedereinschalten der Impulse ist ein Löschrohr vorgesehen,
das jedoch durch eine getrennte Entladungsstrecke löschbar sein muß und auf Grund
stärkerer Belastung mit einer Sternschaltung von Kondensatoren jedes andere Rohr
zwar löschen kann; aber von keiner der Steuerstrecken beeinfiußbar ist.
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Der Erfindungsgedanke möge an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert werden: Abb. i zeigt eine dreiphasige Steuergruppe
für die Steuerung der entsprechenden Entladungsstrecken
im Umrichtergefäß
g. Die Steuerstrecken i, 2 und 3 sind mit den vorgeschalteten Steuerwiderständen
5, 6 und 7 in Parallelschaltung an die Gleichspannungswelle ii angeschlossen. Das
Potential der Steuereinrichtung gegenüber der Kathode des Hauptgefäßes 9 wird vermittels
eines einstellbaren Potentiometers io eingestellt. Die Steuergitter des Gefäßes
9 sind jeweils zwischen der Anode der zugehörigen Steuerstrecke und dem zugehörigen
Steuerwiderstand angeschlossen. Parallel zu den Steuerstrecken liegt an der Gleichspannungsquelle
ii über einen Strombegrenzungswiderstand 8 eine weitere Hilfsentlastungsstrecke
q., mittels deren die An- und Abschaltung sämtlicher Impulse der betreffenden Gruppe
bewirkt werden kann. Um beim Zünden einer Steuerstrecke stets eine andere löschen
zu können, sind Kommutierungskondensatoren 21 bis 2¢ vorgesehen, über welche die
Steuerstrecken i, 2, 3 mitsamt der Hilfsentladungsstrecke q. im Ring geschaltet
sind. Durch-entsprechende Steuerung und gegebenenfalls durch unsymmetrische Bemessung
der einzelnen Kondensatoren läßt sich stets erreichen, daß betriebsmäßig die drei
Steuerstrecken einander zyklisch ablösen, während die Entladungsstrecke q. dauernd
brennt, daß bei gelöschter Entladungsstrecke q. die drei Steuerstrecken sämtlich
leitend sind, und daß durch die Einleitung der Entladung in der Strecke q. die im
Arbeitszyklus folgende Steuerstrecke gelöscht wird.
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Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit im Grunde gleichartiger Schaltung.
Lediglich die Kommutierungskondensatoren 2i';22', 23'und 2q.' sind in Stern angeordnet
und dabei möglichst gleich bemessen, wenigstens für die Kommutierung der Steuerstrecken
untereinander. Der Kondensator 2q.' kann bei dieser Schaltung auch ganz weggelassen
werden, ohne daß an der Arbeitsweise etwas geändert wird.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit bietet die Vereinigung von im
Vieleck bzw. in Stern geschalteten Kommutierungskondensatoren, wobei z. B. Kondensatoren
21, 22, 23 zwischen den Anoden der Steuerstrecken i, 2, 3 zur betriebsmäßigen Steuerung
vorgesehen sind, während weitere Kondensatoren 21, , 22', 23' jeweils zwischen den
Anoden der Steuerstrecken i, 2, 3 und der Anode der Entlastungsstrecke q. zur Steuerung
der Gesamtimpulse vorgesehen sind. Bei einer derartigen Schaltung können ferner,
wie oben schon erwähnt wurde, gleichrichtende Elemente, z. B. Trockengleichrichter,
jeweils in Reihe mit den in Dreieck geschalteten Kondensatoren 21, 22, 23 vorgesehen
sein, um die zyklische Folge der Steuerstrecken in jedem Falle sicherzustellen.
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Zur Darstellung der Arbeitsweise der Einrichtung möge Abb. 3 dienen.
Die Kurven a1, a2, a. und a4 stellen jeweils den Verlauf der Anodenspannung an den
Entladungsstrecken i, 2, 3, 4. dar, während die Kurven gl, g3, g4 beispielsweise
den Verlauf der Steuerimpulse . angeben. Durch die Steuerung der Entladungsstrecke
q. wird beispielsweise eine Sperrung der Umrichtergruppe während der Zeit T bewirkt.
Im Augenblick t wird die Steuerstrecke 3 vermöge ihrer Gittersteuerung gelöscht,
die im Arbeitszyklus fällig ist. Der Augenblick t, -(Ende der Sperrperiode) braucht
nicht mit dem Beginn der normalen Arbeitsperiode der .Entladungsstrecke 3 zusammenzufallen,
er kann auch später -liegen, so daß dann die erste löschende Entladungsstrecke (im
Beispiel Entladüngsstrecke3) nur für eine entsprechend kürzere Zeit gelöscht bleibt.
Wie die Kurven zeigen, löschen zwar in bestimmten Zeitpunkten stets alle zwei Steuerstrecken
zur gleichen Zeit für einen kurzen Augenblick, da sämtlichen Entladungsstrecken
von der gerade zündenden Entlastungsstrecke her das Löschpotential über die Löschkondensatoren
aufgedrückt wird. Betrachtet man aber, daß das Potential der Kathode des Umrichtergefäßes
g etwa nach der Geraden ek verläuft, wie sie in Abb. 3 bei Kurve a2 eingezeichnet
ist, und daß die dargestellten Kurven a1, a2, a3 in bezug auf diese Gerade ek nichts
anderes darstellen als den Verlauf der entsprechenden Gitterimpulse der Häuptentladungsstrecken,
so erkennt man, daß diese an sich nicht beabsichtigte kurzzeitige Löschung nur eine
zusätzlich negative Gitterspannungsspitze zur Folge hat, die jedoch die Steuerung
nicht nachteilig beeinflußt.
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Der Erfindungsgedanke erlaubt somit, insbesondere für elastische Umrichter,
eine sichere und einfache, rein elektrisch arbeitende Steuerung vorzusehen.