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Umformer zur Kupplung von Wechselstrom- und Gleichstromnetzen Es ist
bekannt, daß zur Kupplung eines Gleichstromnetzes mit einem Wechselstromnetz Stromrichteranordnungen
verwendet werden können, die aus zwei Gruppen von-steuerbaren Entladungsstrecken
bestehen, die in entgegengesetztem Sinn an das Gleichstromnetz angeschlossen sind.
Diese Schaltung wird vielfach als Kreuzschaltung bezeichnet und kann nicht nur zum
wechselseitigen Energieaustausch zwischen einem Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz,
sondern mit Vorteil auch zum Betrieb von Gleichstrommotoren angewendet werden, die
wie, b:ei:spielsweise bei Förderanlagen oder Umkehrwalzwerken in der Drehrichtung
umgesteuert werden und beim Bremsen Energie in das Wechselstromnetz zurückliefern.
Als steuerbare Entladungsstrecken werden bei dieser Str omrichteranordnung mit Vorteil
gas- oder dampfgefüllte Entladungsgefäße, beispielsweise gittergesteuerte Quecksilberdampfentladungsgefäße;
verwendet.
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Ein wesentliches Merkmal der Kreuzschaltung besteht darin, daß die
beiden Gruppen von Entladungsstrecken mit gleicher Durchlaßrichtung in einem inneren
Stromkreis in Reihe liegen, so daß außer den Nutzströmen in der Stromrichteranordnung
noch Ausgleichströme, sogenannte Kreisströme, fließen können, die sich nur über
den inneren Reihenstromkreis schließen, ohne dabei den Stromkreis des Gleichstromverbrauchers
zu durchfließen. Mit diesen Kreisströmen hat sich die Elektrotechnik schon wiederholt
beschäftigt. Im allgemeinen hat man sie als schädlich angesehen, da sie naturgemäß
einen gewissen ständigen Leistungsverlust bedingen. Es ist infolgedessen versucht
worden, sie durch besondere Maßnahmen zu bekämpfen oder zumindest in ihrer Größe
herabzusetzen; zu diesem Zweck hat man beispielsweise in den Reihenstromkreis Drosselspulen
eingeschaltet. Es sind aber auch schon Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen
die Kreisströme nutzbringend verwendet worden sind. So hat man bei einer Kreuzschaltung,
bei der der Gleichrichter mit einer Saugdrossel ausgerüstet ist, die durch die Kreisströme
bedingte ständige Vorbelastung des Gleichrichtergefäßes dazu benutzt, um den bei
Saugdrosselschaltungen bekanntlich sonst auftretenden Leerlaufspannungsanstieg zu
verhüten.
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Die Erfindung verwendet ebenfalls die Kreisströme in nutzbringender
Weise, und zwar zur Lösung des folgenden Problems: Mit Rücksicht auf die Oberwellen,
welche der von den Entladungsstrecken gelieferten Gleichspannung überlagert sind,
müssen bekanntlich bei der Kreuzschaltung, ebenso wie bei anderen mit Stromrichtern
arbeitenden Wechselstrom
-Gleichstrom-Umformern, G:ättungsinduktivitäten
in den Nutzstromkreis der Gleichstromverbraucher eingeschaltet werden. Die in dem
Verbraucherstrom enthaltene Gleichstromkomponente erzeugt dann in diesen Glättungsinduktiv
itäten einen Spannungsabfall, und dieser Spannungsabfall muß durch entsprechende
Bemessung der Glättungsinduktivitäten so groß sein, daß er die in der gleichgerichteten
Spannung enthaltene Wechselspannungskomponente nahezu aufhebt. Damit an den' Glättungsinduktivitäten
eine hinreichend große Wechselspannung auftritt, ist aber ein bestimmter magnetischer
Wechselfluß erforderlich, und dieser setzt wiederum das Vorhandensein einer bestimmten
Mindeststromstärke voraus: Wird diese Stromstärke bei abnehmender Belastung des
Verbrauchers unterschritten, so reicht sie nicht mehr aus; um die Glättungsinduktiv
itäten hinreichend zu magnetisieren, und die glättende Wirkung läßt nach: Dieses
Problem wird nun durch die Erfindung unter Benutzung einer an sich bekannten Schaltung,
bei der die Glättungsinduktivitäten so liegen, daß sie ebenfalls von dein Kreisstrom
durchflossen werden, in der Weise gelöst, daß die Glättungsinduktivitäten so bemessen
werden; daß der an ihnen durch den im Reihenstromkreis fließenden Strom hervorgerufene
Spannungsabfall gleich oder angenähert gleich der von dem Umformer dem Gleichstromnetz
aufgedrückten Wechselspannüngskomponente ist. In der Nähe des Leerlaufes wird also
der für eine genügende Magnetisierüng der Glättungsinduktivitäten nicht mehr ausreichende
Nutzstrom durch den über die beiden in Reihe geschalteten Entladungsgefäße fließenden
Kreisstrom ersetzt.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die bei der Kreuzschaltung
im Reihenstrotnkreis der Entladungsstrecken fließenden Ströme hauptsächlich Wechselströme
sind. Schaltet man nun die Glättungsinduktivitäten derart in den Stromkreis der
Entladungsstrecken, daß sowohl die Nutzströme der Gleichstromverbraucher als auch
die Reihenströme diese Induktivitäten durchfließen, so «erden auch die Reihenströme
ihrer Größe nach von den Glättungsinduktivitäten abhängig. Je größer die Induktivitäten
gemacht werden, um so kleiner sind diese Kreisströme: Die Glättungsinduktivitäten
bestimmen mithin die Amplitude der Ausgleichsströme. Die Beziehungen zwischen den
Kreisströmen und den Magnetisierungsströmen der Glättungsinduktivitäten einerseits
und der Größe dieser Induktivitäten andererseits werden gemäß der Erfindung dadurch
ausgenutzt, daß die Größe der Glättungsspulen beiden Stromgrößen angepaßt wird.
Die Glättungsinduktivitäten w:rdett so bemessen, daß die Kreisströme gerade ausreichend
sind, um die zur Erzielung eines hinreichenden Spannungsabfalles erforderlichen
Magnetisierungsströme zu decken. Es wird dabei außerdem noch. die Erkenntnis ausgenutzt,
daß auch die FredUenzen der Kreisströme und der Nutzströme einander gleich sind.
Bei einer 6phasigen Stromrichteranordnung haben die für die Glättungsinduktivitäten
erforderlichen Magnetisierungsströme die sechsfache Frequenz wie das speisende Wechselstromnetz,
und das gleiche gilt auch für die zwischen den Entladungsstrecken fließenden Kreisströme.
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Die Erfindung hat nicht nur den Vorteil, daß die Reihenströme, welche
man bisher für schädlich hielt; nutzbringend als Magnetisierungsströme für die Glättungsinduktivitäten
verwendet werden, sondern verbessert in entscheidendem Maße auch das Betriebsverhalten
der Stromrichteranordnung.
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Stromrichter, die ohne besondere Hilfsmaßnahmen in der Kreuzschaltung
betrieben werden, haben die Eigenschaft, da.ß die Stromspannungskennlinien des Gleichrichter-Betriebes
nicht kontinuierlich in die Kennlinien des Wechselrichterbetriebes übergehen und
umgekehrt, sondern daß an der übergängsstelle, d. h. beim Energierichtungswechsel,
mehr oder weniger starke Spannungssprünge auftreten. Für Förderanlagen und ähnliche
Antriebe ist diese Eigenschaft sehr unerwünscht, weil sprunghafte Drehzahländerungen
damit verbunden sind. Zur Beseitigung dieser Erscheinung sind mehrfach Hilfsmaßnahmen
vorgeschlagen worden, von denen nur Steuerungsanordnungen genannt seien, die im
Bereich geringer Belastung auf die Aussteuerung der Gefäße im Sinne einer belastungsabhängigen
Spannungsänderung einwirken.
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Durch die Erfindung werden derartige Hilfsmaßnahmen überflüssig; denn
die Reihenströme; welche erfindungsgemäß den Magnetisierungsströmen der Glättungsinduktivitäten
gleich sind; liefern für die Entladungsstrecken gerade diejenige Grundbelastung,
welche erforderlich ist, um für einen kontinuierlichen Übergang der Kennlinien aus
dem Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb und umgekehrt zu sorgen. Die
Erfindung beseitigt somit Schwierigkeiten, denen man bisher glaubte, nur durch mehr
oder weniger umständliche Hilfsmaßnahmen j begegnen zu können, dadurch, daß Induktivitäten,
die ohnehin zur Glättung des Gleichstromes erforderlich sind, in ihrer Schaltanordnung
und Bemessung dem gegenseitigen Verhältnis zwischen den Reihenströmen und i den
für die Glättung erforderlichen Magnetisierungsströmen angepaßt werden.
Es
sei noch darauf hingewiesen, daß die `Größe der Reihenströme nicht nur von den Glättungsinduktivitäten,
sondern auch noch von anderen im Reihenstromkreis wirksamen Induktivitäten und insbesondere
von der Streuinduktivität der Transformatoren der Entladungsstrecken abhängig sind.
Andererseits sind für die Glättung auch die Induktivitäten des Gleichstromkreises,
beispielsweise die Ankerinduktivitäten von Gleichstrommotoren, zu berücksichtigen.
In beiden Stromkreisen, d. h. im Nutzstromkreis der Gleichstromverbraucher und im
Reihenstromkreis der Entladungsstrecken, sind die insgesamt wirksamen Induktivitäten
so zu bemessen, daß die vorstehend geschilderten Bedingungen für die Beziehungen
zwischen den Reihenströmen und den Magnetisierungsströmen erfüllt sind. Eine besonders
vorteilhafte Schaltung erhält man, wenn die insgesamt für die Glättung des Gleichstromes
vorgesehene Induktivität in zwei Drosselspulen aufgeteilt wird, von denen je eine
zwischen die Kathode der einen Gruppe von Entladungsgefäßen und den Anschlußpunkt
des Gleichstromverbrauchers bzw. des Gleichstromnetzes an den Reihenstromkreis geschaltet
ist.
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Es sei noch bemerkt, daß die Stromrichteranordnung erfindungsgemäß
dadurch verbessert werden kann, daß die Phasenzahl der beiden zu der Kreuzschaltung
gehörigen Gruppen von Entladungsstrecken möglichst hoch, und zwar höher als die
des Wechselstromnetzes gewählt wird; denn dann kann man mit wesentlich kleineren
Drosselspulen auskommen.