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Einrichtung zur Kommutierung von gittergesteuerten Dampf- oder Gasentlädungsstrecken
Die gebräuchlichen gesteuerten Entladungsstrecken mit Ventilwirkung haben bekanntlich
die Eigenschaft, daß. man mittels der Gittersteuerung zwar die Entladung willkürlich
zünden, al)er nicht willkürlich löschen kann. Infolgedessen kann der Übergang des
Lichtbogens von einer Entladungsstrecke zur folgenden, d. i. die Kommutierung, nur
dann stattfinden, wenn die Folgeanode gegenüber dem gemeinsamen Kathodenpunkt ein
höheres positives Potential hat als die abzulösende Anode.
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Will man die Kommutierung auch dann herbeiführen, wenn die Folgeanode
weniger positiv ist als die abzulösende Anode; so muß man bei den heutigen Gefäßen
durch eine zusätzliche äußere Schaltung -- im folgenden kurz Kommutierungseinrichtun`
genannt -dafür sorgen, daß die Folgeanode im gewünschten Zeitpunkt zumindest kurzzeitig
höher positiv ist als die abzulösende Anode.
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Die bekanntgewordenen Kommutierungseinrichtungen arbeiten nun derart,
daß man außer den Hauptentladungsstrecken noch Hilfsentladungsstrecken anordnet,
denen Hilfsspannungen zugeordnet werden. Dabei wird zuerst von der abzulösenden
Hauptentladungsstrccke auf die höher positive Hilfsentladungsstrecke kommutiert.
Sobald diese Korninutierung beendet ist, fällt das Potential der betreffenden Hilfseiitladungsstreclle
so stark ab, daß die im Arbeitszyklus folgende Hauptentla.dungsstrecke gegenüber
der Hilfsentladungsstrecke positiv wird und nun die Kommutierung von dieser Hilfsentla@dungsstrecke
auf die folgende Hauptentladungsstrecke durchgeführt werden kann. Die bisher verwendeten
Anordnungen gestatten es nicht, bei einer Umformung von Gleich- in Wechselstrom
beliebiger Energierichtung einen ununterbrochenen Wechselstrom fließen zu lassen,
da die Kominutierungse@inrichtung nicht in der Lage ist, während des Kommutierungsv
organfies die Stromlieferung der abzulösenden Phasen zu übernehmen, sondern eine
Stromlieferung: für die an der Kommutieruüg nicht beteiligten Phasen vornimmt.
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Die erzwungene Kommutierung hat nun ganz besondere Bedeutung für Wechsel-
und Umrichter. Die bekanntgewordenen Anordnungen haben, abgesehen von dem bereits
weiter oben geschilderten Nachteil, auch stets noch eine große Typenleistung der
Kommutierungseinrichtung besessen. Meist ist die Typenleistung eines derartigen
Kommutier rungskondensators größer als die vom Stromrichter abgegebene Scheinleistung.
Die vorliegende Erfindung beschreibt nunmehr eine Kommutierungseinrichtung, die
sowohl in der Lage ist, die Kominutierung bei jedem von t abweichenden Leistungsfaktor
als auch
mit einer recht kleinen Typenleistung sicherzustellen.
Der Erfindungsgedanke verwendet einen aus einem Kondensator und einer Drossel gebildeten
Schwingkreis als Kommutierungsenrichtung, die während der Koin-' mutierung die Stromlieferung
der abzulösenden Phasen übernimmt. Erfindungsgemäß wird dieser Schwingkreis über
eigene Hilfsentladungsstrecken unmittelbar oder transformatorisch erst im Augenblick
der Kommutierung zugeschaltet bzw. wirksam gemacht. Diese Anordnung besitzt gegenüber
den bekannten Anordnungen recht wesentliche Vorteile. Während der Zeit zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen ist der Schwingkreis außer Tätigkeit; abgesehen
.davon, daß dadurch der Schwingkreis in seiner Bemessung kleiner werden kann, werden
unnötige Kömmutierungsströme bzw. -spannurigen von den Hauptstromwegen, das sind
der Haupttransformator und die Hauptentladungsstrecken, ferngehalten, und somit
die Typenleistungen der in den Hauptstromwegen enthaltenen Schaltelein ente durch
die Kommutierungseinrichtung nur unwesentlich vergrößert.
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Ein weiterer Erfindungsgedanke gestattet es nunmehr, die Typenleistung
der Kommatierungseinrichtung weiterhin dadurch herabzusetzen, daß eine einzige Kommutierüngseinrichtung
durch geeignete periodische Umschaltung der Reihe nach die Kommutierung an den einzelnen
Phasen bzw. Teilstromrichtern bewirkt. Es besteht ferner aber auch die Möglichkeit,
sowohl bei der Zuordnung einer Konrmutierungseinrichtüng für jede Phase bzw. jeden
Teilstromrichter als auch bei derZuordnüng nur einerKommutierungseinrichtung für
alle Phasenströme oder Tei1-stromrichter die Eigenfrequenz des Kömmutierungsschwingkreisesheraufzusetzen.
Durch diese Maßnahme kann man die Typenleistung weiterhin verkleinern.
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Der Erfindungsgedanke werde an Hand der dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Abb. i zeigt zunächst einen einphasigen Wechselrichter bekannter
Bauart. Das Gleichstromnetz i speist den Wechselrichtertransformator 2 über die
gesteuerten Wirklastgefäße 3 und d. und die angesteuerten Blindlastgefäße 5 und
6. An den Transformator 2 ist sekundär das zu speisende Wechselstromnetz 7 angeschlossen.
Die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung, d. i: die Spannung an den Netzklemmen
7, ist in Abb. ä als Kurve 8 dargestellt. Sie ist, eine Rechteckspannung von der
Höhe U. Der Übergang von -[- U auf - U, d. i. zugleich der Übergang
von der linken Röhrengruppe 3, 5 auf die rechte Röhrengruppe ¢, 6, mit anderen Worten,
die Kommutierung, wird durch den zur Last 7 parallel geschalteten Schwingkreis mit
dem Kondensator 9 und der Drossel io bewirkt. Dieser Schwingkreis liegt zu den Hauptstromwegen
parallel, d. h. es handelt sich um eine Stromkommutierung.
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@Abb.2 zeigt ferner den Verlauf der übrigen Größen: Kurve i i stellt
den Laststrom, Kurve 12 den Strom des Schwingkreises 9, io und Kurve 13 den resultierenden
Strom, bestehend aus Last- und Schwingkreisstrom, dar; der in der Sekundärwicklung
des Transformators 2 fließt.
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Die Erfindung besteht nun darin, an Stelle dieses urigesteuerten Schwingkreises
9, io einen gesteuerten Schwingkreis 14,15 zu verwenden, wie er in Abb. 3 angegeben
ist. In Abb. 3 haben die entsprechenden Schaltangsteile dieselben Ziffern wie in
Abu. i. Neu hinzugekommen sind die beiden gesteuerten Entladungsstrecken 16 und
17, mittels deren der Schwingkreis zu- oder abgeschaltet werden kann.
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Abu. q. zeigt die Strom- und Spannungskurven, die bei der Anordnung
der Abb.3 auftreten. Die vom Wechselrichter erzeugte Wechselspannung 8 sowie der
Laststrom i i sind unverändert. Dagegen besteht der Schwingkreisstrom 18 nicht mehr
aus zwei regulären: Halbwellen, sondern nur noch aus zwei unzusammenhängenden Stromstößen,
deren zeitliche Lage durch die Steuerung der Entladungsstrecken 16,17 beliebig verschoben
werden kann.
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Die Steuerung geht folgendermaßen vor sich: Die Gitter der Entladungsstrecken
3, .I werden im Takt der Wechselspannung geöffnet und geschlossen, d. h. während
der positiven Halbwelle der Wechselspannung 8 ist z. B. Entladungsstrecke 3 freigegeben
und Entladungsstrecke 4 gesperrt. Während der negativen Halbwelle ist .I offen und
3 gesperrt. Mit Bezug auf Abu. d. wird somit zur Zeit T3 das Rohr d. freigegeben
In der Zeit T@-Ti sind die Entladungsstrecken 16 und 17 gesperrt, d. h. der Schwingkreis
1d., 15 ist abgeschaltet. Zur Zeit T". wird mittels des- Gitters die Entladungsstrecke
16 geöffnet. Dadurch kommt- der positive Stoß des Schwingkreisstromes i8 zustande.
Da zur Zeit T4 der Schwingkreisstroni 18 seine Richtung wechseln will, die Entladungsstrecke
17 jedoch gesperrt ist, setzt der Schwingkreisstrom aus, so lange, bis zur Zeit
T,, das Rohr 17 geöffnet wird.
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Die Größe der Schwingkreisstrornstöße hängt ab von der Voreilung T3-T@,
d. h. wieviel früher das Offnen des Kommutierüngsgefäßes 16 bzw. 17 vor dein Öffnen
des Wirkgefäßes 3 bzw. d. erfolgt. Abb. 5 zeigt, wie die Form der Kommutierungsstromstöße
i8 gei verschiedener Voröffnung der Entladungsstrecken
16 bzw.
17 vor den Hauptentladungsstrecken sich ändert. Der Beginn der KommutierungsstromstÖße
ist mit T2 , T." und T2"' bezeichnet. T3 bezeichnet den Arbeitsbeginn des Rohres
4. Variiert man somit durch Gittersteuerung .:der Voreilzeiten T3-T2 bzw. T6-T5
(Abb. ¢), so kann man damit die Größe der Kommutierungsstromstöße regeln.
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Die durch die Kurve 18 dargestellten Kommutierungsstromstöße (Abb.
4.) müssen in jedem Falle größer sein als der Augenblickswert des Laststroms zur
Zeit der Kommutierung. Da der Kommutierungsstrom bei plötzlichen Änderungen der
Voreilzeiten T3-T2 bzw. T6-T5 sich nicht plötzlich, sondern allmählich auf die in
Abb.5 angegebenen stationären Werte einschaukelt, empfiehlt es sich, den Kommutierungsstrom
immer genügend; größer als den jeweiligen Laststrom zu machen, damit nicht bei plötzlicher
Lastzunahme die Kommutierung vereitelt wird.
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In den Zeiten T.-T,., T5-T4 usw. (Abb. q.) ist der Schwingkreis abgeschaltet.
Wie schon oben erwähnt, kann man bei mehrphasigen Wechselrichtern diesen abgeschalteten
Schwingkreis in der Zwischenzeit für die Kommutierung in den anderen Phasen verwenden.
Abb.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines derartigen dreiphasigen Wechselrichters.
Der dreiphasige Wechselrichter ist aus drei einphasigen Wechseltrichtern nach Abb.
3 zusammengesetzt. Die den Entladungsstrecken von Abb. 3, entsprechenden Anoden
der Phase R haben dieselben Ziffern, wie in Abb. 3; z. B. entspricht Anode 3 in
Abb. 6 der zur Lieferung von Wirkleistung dienenden Entladungsstrecke 3 in Abb.
3 usw. Die Anoden der Phase S sind mit 3', q.` usw., die Anoden der Phase T mit
3", q." usw., der Transformator mit 2o bezeichnet.
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Gegenüber der einphasigen Anordnung ist neu hinzugekommen, der Verteilertransformator
19, der über die Anoden 16, i6', 16"
und 17, i7',
17" den Schwingkreisstrom den einzelnen Phasen zuführt. Die erzeugten Phasenspannungen
sind, wie beim Einphasenweehselrichter, Rechteckspannungen (Kurve 8, Abb. q.). Die
verkettete Drehstromspannung, die infolge der Sternschaltung der Sekundärwicklung
des Drehstromtransformators 20 entsteht, ist dementsprechend die Differenz von zwei
Rechteckspannungen, wie sie in Abb.7 mit uR-us angegeben ist, wo uR bzw. us jeweils
die in einer Phase der Transformatorprimärwicklung erzeugte Spannung ist.
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Durch Hintereinanderschalten derartiger phasenverschobener Rechteckspannungen
gelingt es, als resultierende Wechselspannung Treppenkurven zu erhalten, die sich
weitgehend der Sinusform nähern.
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Die gesteuerte Stromkommutierung, die soeben beschrieben wurde, läßt
sich sehr gut auch auf den Umrichter anwenden. Abb. 8 zeigt die Schaltung eines
derartigen Drehstromeinphasenumrichters und Abb. 9 die vom Umrichter gelieferte
Einphasenspannung.
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In Abb. 8 ist 2o das speisende Drehstromnetz, welches über das Gefäß
21 mit den sechs Hauptanoden 22 bis 27 ein beispielsweise niederfrequentes Einphasennetz
30 speist. Im Umrichtergefäß sind außerdem noch zwei Kommutierungsanoden
28 und 29 angeordnet, durch welche der Kommutierungsschwingkreis 1q., 15 transformatorisch
auf die beiden Phasen der Einphasensekundärseite umgeschaltet wird. In Abb. 9 ist
die erzeugte Einphasenspannung dargestellt. Wie ein Vergleich mit Kurve 8 der Abb.
q. zeigt, erhalten wir für den Schwingkreis praktisch dieselben Verhältnisse wie
beim einphasigen Wechselrichter (Abb. 3), nur daß jetzt die Rechteckspannung eine
durch die Gleichrichtung des Drehstromes bedingte Welligkeit aufweist.
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Die Abb. 9 zeigt ferner noch den. Zusatzstrom des Kommutierungsschwingkreises
i4., 15. Die einzelnen Stromstöße in positiver bzw. negativer Richtung sind mit
28 bzw. 29 bezeichnet, entsprechend den Anoden 28 und 29 der Abb.8, über die die
entsprechenden Stromstöße fließen. Strom und Spannung auf der Einphasenseite sowie
der Strom des Kommutierungsschwingkreises stimmen weitgehend mit dem Verlauf der
Kurven der Abb. q. für den Wechselrichter überein.
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Will man die Welligkeit der erzeugten Einphasenspannung glätten, so
kann man mehrere Umrichter nach Abb.8 hintereinanderschalten, wobei die einzelnen
Umrichterspannungen gegeneinander so phasenverschoben sind, daß sich die einzelnen
Oberwellen gegenseitig aufheben.
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Abb. io zeigt als Ausführungsbeispiel die Schaltung von drei vom Netz
20 gepeisten, ausgangseitig hintereinandergeschalteten Umrichtern mit den Spannungen
U1, U2, US, die genau wie der dreiphasige Wechselrichter, nur einen einzigen gemeinsamen
Kommutierungsschwingkreis benötigen.
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Abb. i i zeigt, wie durch die Hintereinanderschaltung der Einphasenspannungskurven
U1, U2 und U3 die Gesamtspannung U1 + U2 U3 verbessert wird.
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Die angeführten Beispiele sollen die vielseitiges Anwendung der Kommutierungseinrichtung
bei Umrichter wie Wechselrichterschaltungen zeigen. In allen Fällen, wo eine Zwangskommutierung
erforderlich ist, läßt sich der gesteuerte Schwingkreis verwenden.
Insbesondere
möge hervorgehoben werden, daß man von einer Spannung führenden Anode auf eine Nullanode
kommutieren kann; wie dies das Ausführungsbeispiel der Abb. r2 für den einphasigen
Umrichter zeigt; die Schaltung stimmt bis auf die Nullanoden 31
und 32 mit
der Schaltung der Abb. 8 überein. Die erzeugte Spannung (Abb. 13) enthält außer
der positiven und der negativen gleichgerichteten Spannung Zwischenstücke, das sind
die Zeiten, während deren die Nullanoden 31 und 32 brennen. Durch das Einfügen
der Nullanoden ist die erzeugte Spannung des einphasigen Umrichters der Sinusform
mehr angenähert.
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Die in Abb. 1q. dargestellte Anordnung zeigt einen einphasigen Wechselrichter
mit abgestuften Transformatorspannungen, bei denen ebenfalls der abschaltbare Schwingungskreis
als Kommutierungseinrichtung dient. Die Schaltung entspricht im übrigen dem einphasigen
Wechselrichter nach Abb.3. Die erzeugte Wechselspannung, die sich der Sinusform
recht gut anschmiegt, ist in Abb. 15
dargestellt.
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In allen Fällen handelt es sich um eine Schaltung mit Stromkommutierung,
bei der somit die Kommutierungseinrichtung parallel 'I zum Hauptkreis liegt. Allen
Fällen läßt sich eine Spannungskommutierung zuordnen, bei der die Kommutierungseinrichtung
in Reihe mit dem Hauptstromkreis liegt. Steuert man dabei den Schwingkreis gemäß
der Erfindung, so ergibt sich immer der Vorteil, einen einzigen Schwingkreis höherer
Frequenz der Reihe nach für die Kommutierung mehrerer aufeinanderfolgenden Phasen
verwenden zu können.