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Umformeranordnung mit zwei ihrer stromrichtenden Wirkung nach in Reihe
geschalteten Gruppen von Entladungsstrecken zum wechselseitigen Leistungsaustausch
zwischen einem Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz Es sind Umformeranordnungen
bekanntgeworden, welche mit gittergesteuerten Stromrichtern, beispielsweise gas-
oder dampfgefüllten Entladungsstrecken, arbeiten und welche zum wechselseitigen
Leistungsaustausch zwischen einem Gleichstromnetz und einem Wechselstromnetz dienen.
Eine besonders zweckmäßige Schaltung besteht aus zwei Gruppen von Entladungsstrecken,
welche ihrer stromrichtenden Wirkung nach in Re:lie geschaltet sind. Die eine Gruppe
der Entladungsstrecken wirkt jeweils als Gleichrichter zur Umformung von Wechselstrom
in Gleichstrom, während die andere Gruppe von Entladungsstrecken als Wechselrichter
zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom verwendet wird. Will man beispielsweise
einen,Gleichstromnebenschlußmotor, der zum Antrieb einer Förderhaspel oder einer
ähnlichen Arbeitsmaschine dient, je nach den Belastungsverhältnissen der Haspel
sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten lassen, so benutzt man dazu die
beiden Gruppen von Entladungsstrecken derart, daß die eine als Gleichrichter die
motorisch arbeitende Gleichstrommaschine speist, während die andere als Wechselrichter
die während des generatorischen Betriebes durch die Gleichstrommaschine ' erzeugte
Energie ins Wechselstromnetz zurückliefert.
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In Fig. i ist das Schaltungsschema für zwei zum Betrieb eines Gleichstrommotors
dienende Stromrichter dargestellt. i und 2 sind zweianodige Entladungsgefäße, die
über Transformatoren 3 und 4. an ein Wechselstromnetz 5 angeschlossen sind. Der
Nullpunkt des Transformators q. ist mit der Kathode des Stromrichters i und der
Nullpunkt des Transformators 3 mit .der Kathode des Stromrichters 2 elektrisch leitend
verbunden. Mit Bezug auf den durch diese Verbindungsleitungen gebildeten Stromkreis
sind beide Entladungsgefäße in Reihe geschaltet, denn d,ie stromrichtende Wirkung,
die von der Anode zur Kathode hin gerichtet ist, ist mit Bezug auf diesen Stromkreis
bei beiden Entladungsgefäßen die gleiche. Zwischen den Verbindungsleitungen liegt
am Punkt g der Anker eines fremderregten GleIchstrominotors 6, der zum Antrieb irgendeiner
Arbeitsmaschine, beispielsweise einer Haspel, bestimmt ist. Nimmt man an,-daß der
Pfeil 7 die Stromrichtung :der Gleichstrommaschine bei motorischem Betrieb in einem
bestimmten
Drehsinn angibt und der Pfeil ä diejenige bei generatorischem
Betrieb und gleichem Drehsinn, so liefert der Stromrichter r als Gleichrichter Energie
aus dem Wechselstromnetz 5 in den Motor 6, während der Stromrichter 2 als Wechselrichter
Energie aus der als Generator arbeitenden Gleichströmmaschine 6 in das Wechselstromnetz
zurückliefert: Handelt es sich um eine Arbeitsmaschine, bei der motorischer und
generatorischer Betrieb in unbestimmter Folge mehr oder weniger häufig abwechseln,
so kann dieser Forderung nur dann genügt werden, wenn beide Energiewege .dauernd
betriebsbereit zur Verfügung stehen. Die Bedingung iäß.t sich aber nur erfüllen,
wenn die beiden Stromrichter, wie aus .dem Schaltschema ersichtlich ist, ihrer stromrichtenden
Wirkung nach in Reihe geschaltet sind oder wenn; was dasselbe ist, die Gleichstrommaschine
und der als Wechselrichter arbeitende Stromrichter 2 -in Parallelschaltung an den
Stromrichter i angeschlossen sind.
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Die Tatsache, daß bei der beschriebenen Schaltung die beiden Strömrichtergefäße
mit gleicher Durchlaßrichtung hintereinander in einemgeschlossenenStromkreis liegen;
bringt es mit sich, daß in diesem Stromkreis unter gewissen Voraussetzungen innere
Kurzschlußströme zustande kommen, die unter Umständen eine für den Betrieb lästige
Größe annehmen können. Es sind bereits Mittel be-
kanntgeworden, um dieser
Kreisströme Herr zu werden. So hat man beispielsweise vorgeschlagen, in dein Kurzschluß-stromkreis
Drosseln anzuordnen, .die für den Kreisstrom einen höhen induktiven Widerstand darstellen
und auf diese Weise einen großen Teil der in der Stromdurchlaßrichtung wirksamen
Spannung vernichten. Weiterhin hat man durch geeignete Schaltungen dafür gesorgt,
ciaß die Anodenspannung des als Wechselrichter arbeitenden Gefäßes stets Größer
ist als die Anodenspannung des Gleichrichtergefäßes, um auf diese Weise das Entstehen
ciner in der Stromdurchlaßrichtung wirksamen Spannung überhaupt zu vermeiden. Beiden
Anordnungen haften jedoch schwerwiegende Nachteile an. Durch eine Erhöhung des im
Kurzschlußstromkreis wirksamen Widerstandes läßt sich zwar eine Herabdrosselung,
niemals aber eine völlige Unterdrückung der Kreisströme erzielen. Eine Erhöhung
der Spannung des Wechselrichters gegenüber der des Gleichrichters ist nur in sehr
begrenztem Umfange möglich, da anderenfalls beim Übergang von der einen auf die
andere Energierichtung jedesmal ein unzulässiger Spannungssprung entstehen würde.
Als weitere Maßnahme zur Bekämpfung der Kreisströme ist es bereits. bekanntgeworden;
die Zündzeitpunkte des Wechselrichtergefäßes stets gegenüber denen des Gleichrichtergefäßes
in ganz bestimmter Weise zu verschieben. Es ist jedoch in vielen Fällen störend,
auf diese Weise bereits in der Wahl der Zündzeitpunkte beider Gefäße festgelegt
zu sein und so nicht mehr sie Möglichkeit zu haben, die Steuerung anderen Betriebserfordernissen
anzupassen.
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Durch die Erfindung lassen sieh nun die Kreisströme völlig unterdrücken,
ohne daß die geschilderten Nachteile auftreten. Gemäß der Erfindung wird der im
Reihenstromkreis liegende elektrische Widerstand so groß bemessen bzw. so beeinflußbar
gemacht, daß die in Richtung der stromrichtenden Wirkung liegende resultierende
Spannung stets kleiner ist als der durch die Wechselstromkomponente des Belastungsstromes
hervorgerufene Spannungsabfall im Reihenstromkreis. Die Erfindung geht dabei von
der Erkenntnis aus, daß die Kreisströme imReihenstromkreis die gleiche Frequenz
aufweisen, wie die dem gleichgerichteten, dem Verbraucher zugeführten Strom überlagerte
Wechselstromkomponente. Auf diese Weise läßtsich durch den Verbraucherstrom an den
Widerständen im Reihenstromkreis stets ein Spannungsabfall hervorrufen, der der
resultierenden Spannung im Kreisstromkreis gerade entgegengesetzt gerichtet und
größer als diese ist.
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Diese Verhältnisse mögen an Hand des in der Fig. 2 dargestellten Diagramms
erläutert werden: Im oberen Teil des Diagramms sind von der Nullinie I ausgehend
die Anodenspannungen eines Sechsphasenstrotnrichters gezeichnet. Es sind in üblicher
Weise sinusförmige Spannungen angenommen, welche jeweils gegeneinander um 6o° in
der Phase verschoben sind. Dieser Teil des D,agramins soll für den als Gleichrichter
arbeitenden Stromrichter r der Schaltung nach Fig. z gelten. Durch Gittersteuerung
des Entladungsgefäßes, d. h. durch Zündung vier Strombahn der einzelnen Anoden zu
einem bestimmten Zeitpunkt während einer Wechselstromhalbperiode, kann bekanntlich
die mittlere Spannung, welche dem Gleichstrommotor 6 zugeführt wird, geregelt werden.
In dem Diagramm ist der Spannungsverlauf für einen Steuerwinkel 91 von etwa 6o°,
gerechnet vom Nulldurchgang einer Wechselspannung, eingezeichnet. Die dem Motor
6 zugeführte Spannung hat die bekannte zacken-oder sägeblattartige Form.
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Der untere Teil .des Diagramms gilt für den als Wechselrichter arbeitenden
Stromrichter 2 der Schaltung nach Fig: r. Auch in diesem Teil sind von der Nullinie
II ausgehend für den sechsphasigen Stromrichter
die einzelnen Anodenspannungen
als Sinuslinien eingezeichnet. Die Steuerwinkel des Gleichrichters i rechnen, bezogen
auf die Zeitlinie, in entgegengesetztem Sinne wie diejenigen des Wechselrichters
2; denn der als Gleichrichter .dienende Stromrichter arbeitet in den positiven Halbwellen,
der als Wechselrichter dienende Stromrichter ,dagegen in den negativen Halbwellen.
Entsprechend ist auch in Fig. 2 der obere Teil des Diagramms oberhalb und der untere
Teil des Diagramms unterhalb der zugehörigen Nullinie gezeichnet. Es sei darauf
hingewiesen, daß der Übergang vom Gleichrichterbetrieb zum Wechselrichterbetrieb
im allgemeinen nicht mit dem Nulldurchgang einer Anodenwechselspannung identisch
ist. Die Verschiebung ist im wesentlichen durch die in :dem Arbeitsstromkreis liegenden
Induktivitäten, insbesondere die Induktivitäten der elektrischen Maschinen, bestimmt
und von diesen abhängig.
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Es sei angenommen, daß der Wechselrichter 2 mit einem Zünidwinkel
q,2 gesteuert wird. Durch die Anode, deren Wechselspannung nach der mit a bezeichneten
Sinuslinie verläuft, kann demnach, vorn dem Nulldurchgang b an gerechnet, Strom
fließen, sobald der Zündw inkel (p2 bzw. die diesen Winkel entsprechende Zeit verstrichen
ist. Die den Strom in dem Wechselrichterkreis treibende Spannung hängt dabei von
der Resultierenden aller in dem Stromkreis wirkenden Spannungen ab, mithin im vorliegenden
Falle von der Differenz zwischen der Spannung des Gleichrichters i und der Spannung
des Wechselrichtertransformators 4., die der Gleichrichterspannung mit Bezug auf
die stromrichtende Wirkung des Wechselricliters 2 entgegengerichtet ist. Die Spannungen
des Gleichrichters seien mit El, die Spannungen des Wechselrichters mit E2 und die
Differenzspannungen mit Ed bezeichnet. Für den gegenüber (dem Zeitpunkt b und den
`'Winkel (12 verschobenen Zeitpunkt c sind diese Werte in dem unteren Teil des Diagramms
eingetragen. Die Differenzspannung Ed hat in diesem Zeitpunkt einen endlichen Wertund
ist nach unten gerichtet. Sie liegt demnach in der gleichen Richtung wie ddeSpannungEl
des Gleichrichters i, oderandersausgedrückt: sie hat die .gleiche Richtung wie die
stromrichtende Wirkung der beiden Stromrichter i und 2; in dem Reihenstromkreis
fließt demnach im Zeitpunkt c Strom. Der Gleichstrommotor 6 wird durch den Wechselrichter
überbrückt; infolgedessen wird der Gleichrichter höher belastet, als es der von
der Gleichstrommaschine 6 entnommenen Belastung entspricht. Der Kurzschlußstrom
bleibt bestehen, solange die Spannung Ed einen endlichen Wert behält. Da die Spannung
Ei durch die Kurv e d und die Spannung E2 durch die Kurve a gegeben ist, wird in
dem Zeitpunkt e die Spannung Ed zu I\TUll. In dem gleichen Zeitpunkt erlischt der
Wechselrichter 2, weil seine der stromrichtenden Wirkung entgegengerichtete Transformatorspannung
größer ist als die mit der stromrichtenden Wirkung gerichtete Spannung El des Gleichrichters
i. Durch die sehr affierten Flächen/ sind in dem unteren Teil des Diagramms die
Zeiten angegeben, in denen der Kurzschlußstrom fließt und gleichzeitig die Spannungswerte,
die für den Strom maßgebend sind.
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Wie schon oben erwähnt, könnte man an sich den Zeitverzögerungswinkel
(r2 des Wechselrichters so wählen, :daß die Differenzspannung Ed nicht mehr auftritt;
das wäre dann erfüllt, wenn der Winkel T, mindestens den Wert 972 erreicht. Die
durch Schraffur angegebene Stromfläche f würde dann verschwinden. Man erkennt, daß
in diesemFall ein sehr beträchtlicher Unterschied zwischen der Aussteuerung des
Gleichrichters und der des Wechselrichters erforderlich wäre, der in vielen Fällen
sehr unerwünscht sein würde. Das Diagramm zeigt aber, daß die in dem gleichgerichteten
Belastungsstrom vorhandene Wechselstromkomponente genau die gleiche, gegenüber der
Frequenz des Wechselstromnetzes erhöhte Frequenz besitzt wie die treibende Spannung
für die Kreisströme. Es ist infolgedessen immer möglich, durch den Belastungsstrom
in Widerständen des Reilienstroinkreises einen Spannungsabfall zu erzeugen, welcher
der durch die Überdeckung der Spannungskurven des Gleichrichters und des Wechselrichters
zustande kommenden Spannung entgegengesetzt gerichtet ist, so daß bei richtiger
Wahl der Widerstände die schließlich resultierende Spannung in dein Reihenstromkreis
der stromrichtenden Wirkung entgegengesetzt gerichtet ist und keine Kreisströme
mehr hervorrufen kann.