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Anordnung zurWechselstromumformung von hoher in niedrige Frequenz
Zur Erzielung möglichst -sinusförmiger Ausgangsspannungen bei der Umformung von
Wechselströmen vorgegebener Frequenz in solche niedrigerer Frequenz mittels elektrischer
Ventile sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden.
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Nach dem einen Verfahren werden den Ventilapparaten untereinander
gleiche Anodenspannungen von der Frequenz des umzuformenden Wechselstromes zugeführt
und aus diesen durch eine bestimmte gesetzmäßige Steuerung der Ventilanordnungen
Stücke herausgeschnitten, die sich zu einer angenähert sinusförmigen Ausgangsspannung
zusammensetzen.
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Ein anderes Verfahren besteht darin, die Stromkreise der einzelnen
Ventilapparate mit voneinander abweichenden transformatorischen Übersetzungen arbeiten
zu lassen derart, daß jeweils ein Teilstück einer der an die Ventilapparate gelegten
Spannungen mit der angestrebten Sinuskurve der Ausgangsspannung nach Höhe und Richtung
angenähert übereinstimmt.
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Bei einem dritten Verfahren wird endlich so vorgegangen, daß unter
Wahl gleicher transformatorischer Übersetzungen der Ventilstromkreise volle Teilspannungen
von der Frequenz des umzuformenden Wechselstromes aneinandergereiht werden und die
auf diese Weise entstehende Spannungskurve von Rechteckform durch Überlagerung mit
einer Sinusspannung von Primärfrequenz dem Sinusverlauf nähergebracht wird. Dabei
sind zwei Ventilapparate so geschaltet, daß der eine nur die positiven und der andere
nur die negativen Halbwellen der niederfrequenten Spannung liefert. Die zu überlagernde
Spannung wird unmittelbar dem Netz des umzuformenden Wechselstromes entnommen und
transformatorisch in den Sekundärstromkreis eingeführt.
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In Fig. i ist grundsätzlich dargestellt, wie sich dieses Verfahren
auswirkt, und zwar für die eine Halbwelle der Spannung von niedrigerer Frequenz.
Es mögen i bis 6 die Anodenspannungen einer gewöhnlichen Sechsphasengleichrichteranlage
sein. Der Gleichrichter ist durch gleichmäßige Beaufschlagung mit positiven Gitterspannungen
so gesteuert, daß nacheinander die Anoden i bis 6 und hieran anschließend wieder
die Anode i die Stromführung in voller Aussteuerung übernimmt. Nach Durchlaufung
der dafür erforderlichen Zeitspanne wird der Gleichrichter durch Anlegung einer
negativen Spannung an sämtliche Gitter gesperrt. Während des Bestehens seines leitfähigen
Zustandes gibt er eine Spannung
ab, die aus den Kuppen aneinandergereihter
Anodenspannungen aufgebaut ist und ein nahezu rechteckförmiges Trapez darrstellt.
Dieser noch unvollkommen geformten. Spannung wird die dem Primärnetz entnonil> mene
Spannung in geeigneter Höhe und Pha senlage überlagert. In der Fig. i ist di@w letztere
durch die Kurve i' wiedergegeben. Bei der Zusammensetzung der vom Gleichrichter
erzeugten Spannung mit der dem Primärnetz unmittelbar entnommenen und dem Sekundärstromkreis
transformatorisch zugeführten Spannung von Sinusform entsteht die Spannungskurve
E; ihr Verlauf läßt ohne weiteres eine erheblich bessere Annäherung an die Sinusform,
gestrichelt eingezeichnet, erkennen als die ursprüngliche Spannungskurve von Trapezform.
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Die Erfindung geht von dem zuletzt beschriebenen Verfahren zur Erzielung
sinusförmiger Ausgangsspannungen bei der Frequenzumformung von Wechselströmen aus.
Dementsprechend bezieht sie sich auf eine Anordnung zur Wechselstromümformung von
hoher in niedrige Frequenz mittels elektrischer Ventile, bei der eine sinusförmige
Ausgangsspannung durch Überlagerung der ausgesteuerten niederfrequenten Spannung
mit einer Zusatzspannung von Primärfrequenz erzielt wird. Sie ist ausgezeichnet
durch eine mit einfachsten Mitteln erreichte und über den bisher erzielten Annäherungsgrad
hinausgehende Angleichung der Ausgangsspannung an die Sinusform.
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Erfindungsgemäß ist die Zusatzspannung in die Sternpunktverbindungen
eines Teiles der sekundären Phasenwicklungen des Umrichtereingangstransformators
eingeführt. Damit ist erreicht, daß diejenigen Anodenspannungen von der Überlagerung
durch die Zusatzspannung ausgenommen sind, die bei einer Übernahme eines Teilstückes
der anzustrebenden Sinüskurve dieser bereits so nahe kommen, daß erwähnte Überlagerung
nur zu einer Verschlechterung des Annäherungsgrades führen würde. In vorteilhafter
Weise wird sie an einer Hilfswicklung des Umrichtereingangstransformators abgenommen,
auch kann sie einem besonderen Zusatztransformator entnommen werden.
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In Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die
beiden Ventilgefäße U1 und U2, die beziehentlich der Erzeugung der positiven und
der negativen Halbwellen der zu gewinnenden Niederfrequenzspannung dienten, sind
anodenseitig über die Sekundärwicklungen W1 und W2 des Eingangstransformators TE
aus dem Drehstromnetz gespeist. Die gewonnene niederfrequente Spannung wird an.
der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators TA abgenommen. Die der Angleichung
an die Sinusform .dienende Zusatzspannung wird von den Zusatztransformatoren 2 geliefert,
die an eine Phase des Drehstromnetzes angeschlossen .sind. Der Anschluß der Sekundärwicklungen
." won Z an die Sternpunktverbindungen der Se-:,ndärwicklungen W, und W. ist so
getroffen, @daß nur die Wicklungen 1, 2, q. und 6 und damit auch nur die von deren
EMKen erzeugten Gleichstromspannungen mit der Zusatzspannung in Beziehung treten.
Bei den Wicklungen 3 und 5 ist dies nicht der Fall. Dernentsprechend bleiben in
dem Kurvenbild der Fig. 3; das die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 veranschaulicht,
die Sinusbögen 3 und 5 gegenüber der Zusammensetzung von Anodenspannungen und Zusatzspannung
ungeändert.
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Das Kurvenbild der Fig. 3 läßt genau wie das der Fig. i erkennen,
daß innerhalb einer Arbeitsperiode des Umrichters die Anode i zweimal benutzt wird.
In gleicher Weise ist bei einem Umrichter mit 12 Phasen zu verfahren. Nachdem hier
mit Hilfe der Gittersteuerurig des Umrichters die Phasen i bis i2 durchlaufen sind,
wird nochmals die Phase i freigegeben. Hierdurch wird, wie leicht ersichtlich, die
Kurvenform insbesondere in der Nähe des Nulldurchganges der gewünschten niederfrequenten
Spannungskurve verbessert und der Sinuskurve noch mehr angenähert.
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Die Annäherung an die Sinüsförm kann noch dadurch weitergetrieben
werden, daß die Windungszahlen der einzelnen Transformatorphasen verschieden groß
gewählt werden. Dabei besitzt das hier vorgeschlagene System den Vorzug, daß diese
Verschiedenheiten in den Windüngszahlen der Transformatoren gegenüber denen beim
einleitend an zweiter Stelle beschriebenen Verfahren nur gering zu sein brauchen,
da die Hauptangleichung bereits durch die Sternpunkteinführung der Primärspannung
vollzogen ist. Es können daher - alle Transformatorenkerne fast gleichmäßig gut
bewickelt oder die Zusatzwindungen auch auf einem gesonderten, außerhalb des Haupttransformators
gelegenen, sehr kleinen Zusatztransformator angeordnet werden.
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Zur Schließung der zwischen den Übergängen der einzelnen Anodenspannungen
noch bestehenden Lücken kann man auf dem Eingangstransformator außer den nach gleichen
Phasenwinkeln verteilten Wicklungen noch eine oder mehrere zusätzliche Wicklungen
anbringen, die Spannungen anderer Phasenlage erzeugen.
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Zeichnet man entsprechend der Umformung von 5operiodigem in 162[speriodigen
Wechselstrom diejenige Kurve der 162[3-Periodenspannung auf, die man durch Zusammensetzung
einer zwölfphasigen Gleichrichter-
Spannung mit der Sinusspannung
von Grundfrequenz erhält, so zeigt sich, daß die so gewonnene Kurve noch eine starke
5. Harmonische enthält. Diese kann man dadurch schwächen, daß die Windungszahlen
der Phasen entsprechend den Differenzen der Spannungskurve gegenüber der wahren
Sinuskurve abgeändert werden. Handelt es sich beispielsweise um einen Gleichrichter
mit zwölf Phäsen, so kann man folgendermaßen vorgehen: Die Phase i erhält etwas
weniger Windungen, die Phase 2 die normale Anzahl von Windungen. Die Phasen 3 und
4. erhalten wieder etwas mehr Windungen, die Phase 5 dagegen die normale Anzahl
von Windungen. Den Phasen 6, 7 und 8 erteilt man etwas weniger Windungen, der Phase
9 eine normale Anzahl von Windungen, den Phasen io und i i wieder eine geringere
Anzahl und der Phase i2 wieder die normale Anzahl von Windungen.
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Die Abweichungen der Windungszahlen gegenüber der oben als Normalwert
bezeichneten WinMungszahl sollen erfindungsgemäß zwar beliebig sein, damit man u.
U. auch mit Absicht eine Kurve erreicht, die nicht ganz sinusförmig ist und erst
durch den Betrieb und die Belastung mit Strom der Sinusform angenähert wird. Besteht
aber diese Absicht nicht und wünscht man bereits die Leerlaufkurve möglichst der
Sinusform anzunähern, so ist beispielsweise, wenn unter normaler Windungszahl der
Wert ioo°/o verstanden wird, die von der Primärseite zugeführte Spannung von Grundfrequenz
im Betrage von 33,3 Windungen zuzuführen; während die Windungszahlen, um die die
einzelnen obengenannten Phasen vermindert bzw. vermehrt werden, etwa 201/p der normalen
Windungszahl betragen. Diese Prozentsätze können selbstverständlich zwecks Erzielung
einer noch genaueren Sinusform je nach .der Lage der einzelnen Phasenspannungen
zur Gesamtspannung in noch geringeren Prozentsätzen, z. B. 5 bis io °/o, abgestuft
werden. Die Grundzahlen 100°/o, 33,39, und 2o01, ergeben sich aus der bekannten
Zerlegung einer Kurve von Rechteckform in einzelne Sinuskurven. In Befolgung dieses
Grundsatzes kann die gegenseitige Abstufung der einzelnen Phasen noch weitergetrieben
werden, um weitere höhere Harmonische, wie beispielsweise die 7. und 9., zu beseitigen.
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Diejenigen Wicklungen, welche die Beseitigung der 5., 7. und höheren
Harmonischen bewirken, können auch einem besonderen Zusatztransformator angehören.