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Verfahren zum Speisen und Nutzbremsen von Gleichstrommaschinen mittels
gesteuerter gas- oder dampfgefüllter Entladungsstrecken Für die wechselseitige Energieübertragung
zwischen einem Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz durch gesteuerte Gas-
oder Dampfentladungsstrecken ist bereits die sogenannte Kreuzschaltung oder Achterschaltung
bekanntgeworden, bei der zwei Gruppen von gesteuerten Entladungsstrecken parallel
und zueinander entgegengesetzt geschaltet sind. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, diese Kreuzschaltung gesteuerter Gas- oder Dampfentladungsgefäße auch
für die Lösung des Problems der Regelung und Nutzbremsung eines aus einem Wechselstromnetz
gespeisten Gleichstrommotors brauchbar zu machen. Diese Aufgabe wurde bei Verwendung
von gesteuerten Dampfentladungsstrecken zur Gleichrichtung nur in sehr unvollkommener
Weise gelöst. Man hatte bisher zu diesem Zweck nur eine Gruppe von Entladungsstrecken
vorgesehen, deren Anschlüsse an die Gleichstrommaschine beim Übergang vom Motor-
zum Nutzbremsbetrieb bei laufender Maschine oder für den Fall, daß die auf konstanter
Drehzahl zu haltende Arbeitsmaschine die Richtung ihres Drehmomentes wechselte,
umgeschaltet werden mußten, wobei der Gleichrichter vollständig gesperrt blieb.
Während dieser Umschaltzeit war dann die Gleichstrommaschine sich selbst überlassen,
und es bestand die Gefahr des Durchgehens oder einer für den Arbeitsvorgang nachteiligen
Drehzahländerung. Bis zu einem gewissen Grade können bei einer solchen Anordnung
mechanische oder sonstige Verlust- (Groß-) Bremsen den Betrieb sichern. Dieses Betriebsverfahren
ist jedoch immer unsicher und erfordert außerdem umfangreiche Zusatzeinrichtungen.
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Gemäß der Erfindung wird nun das Verfahren zum Speisen und Nutzbremsen
von Gleichstrommaschinen unter Verwendung von zwei Gruppen gesteuerter gas- oder
dampfgefüllter Entladungsstrecken, die parallel und zueinander entgegengesetzt geschaltet
sind, so getroffen, daß die Gitterspannungen der beiden Entladungsstreckengruppen
derart in zwangsläufiger Abhängigkeit voneinander gesteuert werden, daß mit zunehmender
Zündvorverlegung der Steuerimpulse der einen Gruppe eine zunehmende Rückverlegung
der Zündimpulse der anderen Gruppe eintritt.
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Die bisher gemachten Vorschläge zur Verwendung der Kreuzschaltung
für den wechselseitigen Energieaustausch zwischen zwei Netzen gingen stets davon
aus, daß die Spannungen beider Netze, insbesondere bei konstanter Wechselspannung
die Spannung des Gleichstromnetzes, nahezu unveränderlich blieben. Für den Betrieb
und die Nutzbremsung eines Regelmotors, z. B. eines Fördermotors,
bei
dem die Spannung an den Klemmen des Motors sowohl mit dein einen als auch mit dem
arideren Vorzeichen von Null bis zum Nennwert regelbar sein muß und bei dem jederzeit
bei jeder eingestellten Spannungsstufe ein übergang vom Motor- zum Generatorbetrieb
möglich sein muß, sind die bekannten Anordnungen mithin unbrauchbar. Durch die Erfindung
erhält jedoch die Kreuzschaltung eine Steuerfähigkeit; die sie hinsichtlich ihres
betrieblichen Verhaltens dem bekannten rotierenden Leonard-Urnformer vollständig
gleichwertig macht.
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Die Erfindung möge an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. In
Fig. t sind ein großer Gleichrichter i bzw. eine Entladungsstreckengruppe und ein
kleiner Gleichrichter 2 bzw. eine zweite Entladungsstreckengruppe über die Transformatoren
3 und q. an das Drehstromnetz 3 angeschlossen. Mit 6 ist eine fremderregte Gleichstrommaschine
bezeichnet, der die Kathoden 7 und 8 der Gleichrichter z und 2 einerseits und die
Nullpunkte der Sekundärwicklungen der Transformatoren ,4 und 3 andererseits angeschlossen
sind. Mit 9 sind Drehtransformatoren bezeichnet; als solche kann man kleine festgebremste
Asynchronmotoren verwenden, deren Läuferfeld im Drehsinne entgegengesetzt ist: Wie
aus der Figur ersichtlich ist, sind die Drehtransformatoren so erregt, daß die Drehfelder
der beiden auf einer Welle sitzenden Drehtransformatoren entgegengesetzte Richtung
haben.
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Hierdurch wird erreicht, daß. die zur Beeinflussung der Gitter verwandten
beiden Transformatorenspannungen bei Betätigung eines durch ein Handrad io angedeuteten
Regelapparates in der Phasenlage in bezug auf die zugehörigen Anodenspannungen verschoben
werden, und zwar in zueinander entgegengesetztem Sinne.
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Die Regelapparate für die Gittersteuerspannungen können nun entsprechend
der Verwendung der Einrichtung gemäß der Erfindung verschiedene Einstellungen- erhalten,
die sich je nach Verwendung der Einrichtung als besonders vorteilhaft erweisen.
Zur Beurteilung der Frage, welche der einzelnen Regelapparatbeteiligungen bzw. Einstellungen
für den einzelnen Betriebsfall besonders günstig sind, sei zunächst auf die Wirkungsweise
der Einrichtung gemäß der Erfindung eingegangen: Die Kurve der von einem gesteuerten
Gleichrichter abgegebenen Spannung weist einen sägeförmigen Verlauf auf, der dadurch
gebildet `wird, daß in der zeitlichen Darstellung der Anodenspannungen von jeder
derselben ein bestimmtes Teilstück, beginnend mit dem sogenannten Zündpunkt und
endigend im Zeitpunkt der Zündung der folgenden Anode, herausgeschnitten und dieses
Teilstück sowie die anderen Teilstücke der folgenden Anodenspannungshalbwelle aneinandergereiht
werden. Die von der sägeförmigen Kurve und der Nullinie des Diagrammes eingeschlossene
Fläche ist ein Maß für die gesteuerte Gleichspannung. Da es sich in dem vorbeschriebenen
Falle um eine Gleichrichtung handelt, arbeitet das Entladungsgefäß vorwiegend im
Gebiete positiver Anodenspannungen. In entsprechender Weise ist zur Bestimmung der
Energiefläche eines Wechselrichters zu verfahren, jedoch ist hierbei zu berücksichtigen,
daß die Fläche vorwiegend im negativen Gebiete der Anodenspannungen liegt. Auch
hier entsteht also eine sägeförmige Kurve als Verlauf der vom Wechselrichter aufzunehmenden
Gleichspannung. Bei dieser Darstellung sind die inneren Spannungsverluste der Entladungsgefäße
unberücksichtigt geblieben, da sie im Verhältnis zur Gesamtspannung klein sind und
wegen ihrer Konstanz keinen Einfluß auf das Prinzip der beschriebenen Arbeitsweise
haben.
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Um in einem Diagramm zum Ausdruck zu bringen, daß die Gleich- und
Wechselrichter parallel und zueinander entgegengesetzt geschaltet sind, kann man
die Gleichspannungskurve des Wechselrichters um die Bezugsnullinie umklappen; d.
h. spiegeln,: wie dies in Fig.2 dargestellt ist. In dieser ist der Verlauf der mittleren
Gleichspannung Eg in Abhängigkeit von dem Zündverzögerungswinkel a aufgetragen.
Die Linie a1 stellt die Steuerkennlinie des in Fig. i dargestellten Entladungsgefäßes
i als Gleichrichter und als Wechselrichter dar- Die Steuerkennlinie a.. des in Fg.
i wiedergegebenen Entladungsgefäßes 2 verläuft in entsprechender Weise jedoch in
entgegengesetztem Sinne wie die Steuerkennlnie a1. Diese Darstellung der beiden
Steuerkennlinien läßtnunerkennen, daß die beiden Statoren der Drehtransformatoren
9 auf der Welle in einer derartigen Zwangsläufigkeit zueinander stehen, daß die
Zündverzögerungswinkel der beiden Entladungsgefäße sich etwa zu i8o° ergänzen. Wenn
z. B. die beiden Entladungsgefäße den Zündverzögerungswinkel a = 9o° erhalten, so
wird weder dem Motor Spannung zugeführt noch von der Maschine Energie über das andere
Entladungsgefäß an das Netz zurückgegeben; Ein innerer Kurzschluß in den beiden
Entladungsgefäßen kann ebenfalls in dieser Stellung der beiden Steuerdrehtransforrnatoren
nicht auftreten, weil ein solcher Strom noch die Spannungsgefälle der Lichtbögen
in den beiden Gefäßen zu überwinden hätte. Falls man diese Tatsache im Diagramm
berücksichtigt, ist eine Korrektur der beiden Kenn-
Linien in der
Weise erforderlich, daß die Kennlinie a1 um den Betrag des Spar_nungsgefälles in
dem einen Entladungsgefäß vertikal nach unten, die Kennlinie a. um den Betrag des
. Spannungsgefälles nach oben verschoben wird. Dadurch wird der Schnittpunkt der
korrigierten Steuerkennlinie ai und a2 auf der Abszissenachse nach links, also nach
kleineren Werten des Verzögerungswinkels a verlegt. Das hat zur Folge, daß beispielsweise
bei der Stellung a1 = 6o° und a. = 12o° der Drehtransformatoren 9 der Wert Eg des
als Wechselrichter arbeitenden Gefäßes a höher liegt als der Wert E, des
als Gleichrichter arbeitenden Gefäßes i. Die Differenz der Eg Werte nennt man auch
Respektabstand, da der Gleichrichter wegen seiner zu kleinen Spannung verhindert
ist, Strom an den Wechselrichter abzugeben. Der Respektabstand kann durch anders
gewählte Blockierstellungen der Statoren der beiden Drehtransformatoren 9, durch
die die Summe der beiden Verzögerungswinkel vergrößert oder verkleinert wird, naturgemäß
vergrößert oder verkleinert werden.
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Es ist nun zu beachten, daß der Gleichrichter nur dann Energie abgeben
kann, wenn die Gegenspannung (Gegen-EMK) im Gleichstromkreis kleiner ist als der
Mittelwert der Gleichrichterspannung, wohingegen die Arbeitsfähigkeit des Wechselrichters
dadurch hedingt ist, daß die EMK der angeschlosserien Gleichstromquelle größer ist
als die Gleichspannung des Wechselrichters. Ist nun in der Darstellung der Betriebszustand
so gewählt, daß die Gleichrichterspannung wesentlich kleiner als die Wechselrichterspannung
ist, so kann ein Energieaustausch zwischen beiden Gefäßen nicht stattfinden. Ebensowenig
findet ein Energieaustausch beider Gefäße mit der Maschine statt, wenn deren Spannung
ihrer Größe nach zwischen den beiden Spannungen der Gefäße liegt. Da die Maschine
innerhalb dieser Grenzen keine Energie aus dem Gleichrichter entnehmen noch an den
Wechselrichter abgeben kann, kann man diesen Zustand der Steuerung als toten Gang
bezeichnen. Ein derartiger Zustand kann. aus Sicherheitsgründen erwünscht sein,
um dem Bedienungsmann das Regeln der Gleichstrommaschine zu erleichtern oder, -mit
anderen Worten, um einen gewissen Unempfindlicblceitsgrad der Einrichtung zu schaffen.
Zur Verkleinerung des toten Ganges müssen die Zündzeitpunkte einer der beiden oder
beider Gefäßgruppen, etwa durch Phasendrehung in der gemeinsamen Zuleitung zu den
Reglern 9, vorverlegt werden. Hierbei tritt eine Annäherung der beiden sägeförmigen
Kurven und schließlich stellenweise eine Überlappung der einander zugekehrten Spitzen
derselben ein. Das bedeutet aber, daß während der Zeiten, die durch die entstehenden
Überlappungsflächen dargestellt sind, Ströme in den von den beiden Entladungsgefäßen
unter sich gebildeten Kreis (in Form einer liegenden 8, daher Achterkreis. genannt)
zu fließen beginnen. Da jedoch diese Flächen zunächst nur klein im Vergleich zu
den ihnen folgenden Flächenlücken sind, wirken sich die infolge der Überlappung
auftretenden Ausgleichsströme noch nicht allzu schädlich aus, da sie überdies nur
einen pulsi#2renden Charakter aufweisen. Sie können vielmehr als ein Warnungszeichen
dafür angesehen werden, daß bei einer weiteren fortschreitenden Aussteuerung in
dem genannten Sinne ein vollkommener innerer Kurzschluß der Anordnung auftritt,
der zur Beschädigung oder gar Zerstörung der Gefäße führen kann. Vorteilhaft kann
deshalb- dieser Zustand der Aussteuerung der Entladungsgefäße dazu verwandt werden,
Schutzeinrichtungen ansprechen zu lassen, durch die beispielsweise die Steuergitterspannungen
so beeinflußt werden, daß die Lage der Zündzeitpunkte der beiden Entladungsgefäßgruppen
derart verschoben werden, daß die Einrichtung aus dem Gefahrenbereich des vollkommenen
inneren Kurzschlusses herausgebracht wird. Andererseits stellt der beschriebene
Zustand der Aussteuerung, in dem bereits pulsierende Gleichströme geringeren Ausmaßes
in dem Achterkreis auftreten, den Fall der höchstmöglichen Genauigkeit der Steuerung
in der Einrichtung dar, d. h.. schon eine geringfügige Änderung der Beeinflussung
der Regelapparate für die Gittersteuerung der Entladungsgefäße hat ein sofortiges
Ansprechen eines der beiden Entladungsgefäße zum Energieaustausch mit der Gleichstrommaschine
zur Folge oder, mit anderen Worten, die Einrichtung zeigt einen hohen Empfindlichkeitsgrad.
Vorteilhaft wird die Steuereinrichtung derart mechanisch oder elektrisch, gegebenenfalls
in Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen ausgelegt werden, daß durch getrennte
Beeinflussung der Verschiebungswinkel der Steuergeräte 9 über dem ganzen Regelbereich
der Grad der Überlappung bzw. die Größe des toten Ganges den gewünschten Wert aufweist.
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Wirtschaftliche Vorteile können noch durch verschieden große Bemessung
der Gleichrichter erzielt werden, wenn etwa die Durchschnittsbelastung eines der
beiden wesentlich überwiegt. Das trifft gelegentlich bei Förderanlagen zu. Bei derartigen
Anlagen wird durch die neue Anordnung erst die erforderliche Sicherheit für den
Steuergleichrichterbetrieb erreicht. Als Beispiel ist hier der Fall anzuführen,
wo bei fehlendem Unterseil während der Abwärtsfahrt der Förderkorb Übergewicht
bekommt.
Hier kann das Anziehen der mechanischen Bremsen durch die Erfindung vermieden und
der Motor ohne weiteres abgefangen werden. Erst durch diese neue Anordnung werden
Steuergleichrichter als Ersatz für die Leonard-Schaltung brauchbar.