DE677783C - Anordnung zur Spannungsregelung bei mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitenden Umformungseinrichtungen - Google Patents

Description

Gegenstand des Patents 624 491 ist eine Anordnung zur Spannungsregelung bei der Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt mittels gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken mit Lichtbogenentladung und eindeutiger Stromdurchlaßrichtung mit mindestens zwei Gruppen von Entladungsstrecken, die ebenso vielen Gruppen von Windungszahlen der Transformatorphasen zugeordnet sind, und zwar sind mindestens zwei Regelbereiche vorgesehen, innerhalb deren die Spannungsregelung stetig durch Ändern der Gitterspannung jeweils einer Gruppe von Entladungsstrecken erfolgt.

Dadurch, daß man bei dieser Anordnung die an derselben Phase liegenden .Anoden in einzelnen Teilen des Regelbereiches gemeinsam arbeiten läßt — in einzelnen Zeitteilchen arbeiten die an der kleineren Wechselspannung liegenden Anoden, in anderen Zeitteilchen arbeiten die an der größeren Wechselspannung liegenden Anoden—, erreicht man eine Verbesserung des Betriebes, insbesondere eine Verbesserung des Leistungsfaktors.

Die vorliegende Erfindung bezweckt eine weitere Verbesserung des Betriebes derartiger mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitenden Umformungseinrichtungen. Erfindungsgemäß werden hierbei nicht nur Gruppen von Entladungsstrecken, 3<> die vorbestimmten Wechselspannungen zugeordnet sind, verwendet, sondern auch Entladungsstrecken, die an den Sternpunkt der Transformatorwicklungen oder der Saugtransformatoranordnung angeschlossen sind. Sie sind also derart geschaltet, daß ein Stromfluß unter Umgehung der Phasenspannungen des Wechselstromnetzes stattfinden kann. Es empfiehlt sich, diese zusätzlichen Entladungsstrecken stets zu steuern, und zwar auch dann, wenn es sich um Gleichrichteranlagen handelt. Es sei darauf hingewiesen, daß die sogenannten Sternpunktsentladungsstrecken bereits vorgeschlagen worden sind, und zwar in Verbindung mit einer Gruppe von an einer Wechselspannung liegenden Entlastungsstrecken. Man erreicht dadurch zwar auch eine Verbesserung des Leistungsfaktors, nicht aber eine so weitgehende wie bei vorliegender Erfindung.

In Abb. ι der Zeichnung ist der Erfindungsgedanke an einer als Gleichrichter oder als

Wechselrichter arbeitenden Umformungseinrichtung veranschaulicht, die unter der Bezeichnung doppelt-dreiphasiger Gleichrichter oder Wechselrichter mit Saugdrossel bekannt ist. Die Umformungseinrichtung verbindet' das Gleichstromnetz io mit dem Wechselstromnetz 30 über einen Haupttransformator mit einer an das Wechselstromnetz angeschlossenen Dreieckwicklung 31 und zwei dreiphasigen, mit den Entladungsstrecken verbundenen Sternwicklungen 32 und 33. Je Phase sind zwei an verschiedenen Spannungswerten liegende Entladungsstrecken vorgesehen. Zwischen die Sternpunkte von 32 und

¹S 33 ist in bekannter Weise der einphasige Saugtransformator 34 geschaltet und außerdem je eine Entladungsstrecke an den Sternpunkt von 32 bzw. 33. Wie vielfach üblich, sind sämtliche Entladungsstreckeri zu einem mehranodigen Entladungsgefäß 35 mit gemeinsamer Kathode zusammengefaßt. In den Gleichstromkreis ist eine genügend große Glättungsdrossel 18 zur Aufrechterhaltung des Stromflusses geschaltet. DieUmformungseinrichtung möge beispielsweise zur Speisung einer Gleichstrombahn dienen, bei der Netzbremsung vorgesehen sei. Dann wird die Umformungseinrichtung zeitweilig als Gleichrichter, zeitweilig als Wechselrichter arbeiten.

Bei der Betrachtung der Arbeitsweise als Gleichrichter ist es zweckmäßig, zunächst noch einmal von der Wirkungsweise eines üblichen dreiphasigen Gleichrichters, dessen Anoden durch Gitter gesteuert werden, auszugehen. In Abb. 3 ist angenommen, daß die Anoden infolge der Gittersteuerung erst in der Phasenlage 120⁰ zünden, also das Einsetzen der Entladung gegenüber dein ungesteuerten Betrieb um 90⁰ verzögert wird.

Enthält nun der Gleichstromkreis keine Induktivität, so brennt jede Anode bis zum Nulldurchgang der zugehörigen Phasenspannung, d, h. also während 6o°, so daß abwechselnd 6o° Stromführung und 66° Stromlücken bestehen. Fügt man eine Glättungsdrossel ein, so erlischt der Anodenstrom nicht im Nulldurchgang der zugehörigen Phasenspannung; die Glättungsdrossel hält nämlich den Strom auch bei negativen Augenblickswerten der Phasenspannung aufrecht, und zwar um so langer, je größer die in der Glättungsdrossel aufgespeicherte magnetische Energie ist. Ist die Glättungsdrossel sehr groß, so erhält man für die betrachtete Zündverzögerung von 90⁰ die stark ausgezogene Kurve, d. h. gleich große positive und negative Spannungsflächen und mithin als Gleichspannung den Wert Null. Schließt man eine Anode an den Sternpunkt an, so wird der von der Glättungsdrossel aufrechterhaltene Strom nicht mehr bei negativen Augenblickswerten von Phasenspannungen fließen, sondern im Nulldurchgang der Phasenspannung auf die Sternpunktsanode übergehen, da diese höheres Potential hat. Das erfolgt bei dem Nulldurch-'gang jeder Phasenspannung, d. h. die Stern-■ptmktsanode muß beim dreiphasigen Gleichrichter dreimal während der Zeit T einer Periode des Wechselstromnetzes Strom führen. An sich ist es bei Gleichrichtern nicht erforderlich, die Sternpunktsanode durch ein Gitter zu steuern; dies ist jedoch vorteilhaft, da man dadurch ein sicheres Zünden in der vorgesehenen Phasenlage erreicht: Steuert man das Gitter mittels einer Wechselspannung, so muß sie beim dreiphasigen Gleichrichter dreiphasige Frequenzen aufweisen, allgemein bei #-phasigen Schaltungen eine Wechselspannung ji-phasiger Frequenz. Eine derartige Steuerspannung kann man beispielsweise aus dem Wechselstromnetz erzeugen, indem man einen dreiphasigen bzw. w-phasigen Hilfsgleichrichter vorsieht; die in der Gleichspannung enthaltene erste Oberwelle dient dann zur Steuerung der Sternpunktsanode. Es ist möglich, den Entladungseinsatz der Sternpunktsanode stetig im nacheilenden Sinne zu verschieben. Dabei verringert sich die von der Umformungseinrichtung abgegebene Gleichspannung wegen der nunmehr wieder auftretenden negativen Spannungsflächen. Bei festgehaltener Steuerung der Hauptanoden ergibt sich demnach der Größtwert der Gleichspannung dann, wenn keine negativen Spannungsflächen auftreten, also die Sternpunktsanode jeweils im Nulldurchgang jeder Phasenspannung den Strom übernimmt.

Betrachtet man nunmehr das Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1, so genügt es, beispielsweise nur den der Sternwicklung 32 zugeord- too neten dreiphasigen Gleichrichter zu erläutern, da bekanntlich der Saugtransformator lediglich das Parallelarbeiten mindestens zweier phasenverschoben gespeister Gleichrichter sicherstellt, aber auf die Arbeitsweise des einzelnen Gleichrichters keinen Einfluß hat. Zunächst werden die an dem kleineren Spannungswert liegenden Anoden ausgesteuert, wobei gleichzeitig die an dem höheren Spannungswert liegenden Anoden gesperrt zu hai- iw ten sind, und zwar beginnend mit 150⁰ Zündverzögerung gegenüber dem ungesteuerten Betrieb. Der Zündvorgang wird allmählich mittels der Gittersteuerung vorverlegt, durchläuft dabei u. a. den Fall der bereits in Abb. 3 "5 dargestellten Zündverzögerung von 90 °, wobei jedoch wegen der Beteiligung der Sternpunktsanode an der Stromführung die negativen Spannungsflächen unterdrückt werden und nur die positiven Spannungsflächen wirksam sind. Bei einer Zündverzögerung von 30° gegenüber dem ungesteuerten Betrieb (vgl.

Abb. 4) kann sich die Stenipunktsanode nicht mehr beteiligen, denn es geht nunmehr unmittelbar der Strom von einer Phase zur anderen über. Verlegt man den Zündvorgang weiter nach vorn, so erreicht man den Fall, bei dem die an dem kleineren Spannungswert liegenden Anoden wie ein ungesteuerter Gleichrichter arbeiten. Will man nun weiter die Gleichspannung erhöhen, so muß man die an der vollen Phasenspannung liegenden Anoden hinzunehmen, und zwar beginnt man mit einer solchen Zündverzögerung, daß der Augenblickswert der vollen Phasenspannung noch größer ist als der Augenblickswert der von der folgenden Phase gelieferten Teilspannung. Bei stetiger Vorverlegung des Zündeinsatzes durchläuft man den in Abb. 5 dargestellten Fall, dem eine Zündverzögerung der mit voller Spannung arbeitenden Anoden um qo° gegenüber dem ungesteuerten Betrieb zugrunde liegt. Die stark ausgezogene Kurve ist wie bei Abb. 3 und 4 die Gleichspannung, und man sieht, daß in einzelnen Zeitteilchen die an dem kleineren Spannungswert liegenden Anoden, in anderen Zeitteilchen die an dem größeren Spannungswert liegenden Anoden den Strom führen. Den größten Wert für die Gleichspannung erhält man, wenn die an dem größeren Spannungswert liegenden Anöden wie ein ungesteuerter Gleichrichter arbeiten.

Arbeitet das Ausführungsbeiepiel gemäß Abb. ι als Wechselrichter, so nimmt man wiederum an, daß die Gleichspannung veränderlich, die Wechselspannung jedoch hinsichtlich ihrer Größe unveränderlich ist, so werden bei kleineren Gleichspannungswerten die Sternpunksanode und die an dem kleineren Spannungswert liegenden Anoden die Strom-,40 führung bewirken. Bei größeren Gleichspannungswerten erfolgt die Stromführung sowohl durch die an dem kleineren Spannungswert liegenden Anoden als auch durch die an der vollen Phasenspannung liegenden Anoden.

Sind Gleichspannung und Wechselspannung konstant, so bedeutet eine Verlängerung der Brenndauer der an dem kleineren Spannungswert liegenden Anoden, was gleichzeitig eine Verkürzung der Brenndauer der an der vollen

So Phasenspannung liegenden Anoden zur Folge hat, eine Erhöhung der vom Gleichstromnetz an das Wechselstromnetz abgegebenen Wirkleistung, ohne daß der Leistungsfaktor des Wechselstromnetzes wesentlich beeinträchtigt wird. Es ist noch zu bemerken, daß beim Wechselrichterbetrieb die Sternpunktsanode gesteuert werden muß, da sie zeitweilig gesperrt zu halten ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 2 der Zeichnung dargestellt, und zwar betrifft es einen Umrichter, der Energie aus einem einphasigen Wechselstromnetz 40 an ein einphasiges Wechselstromnetz 41 liefert. Hierfür sind zwei Gruppen von Entladungsstrecken vorgesehen, von denen die eine Gruppe, nämlich 45 und 46 nebst Zusatzanoden 47 und 48, während der positiven Halbwelle der höherfrequenten Spannung und die andere Gruppe, nämlich 50 und 51 nebst Sternpunktsanoden 52 und 53, während der anderen Halbwelle arbeitet. Ferner ist ein Haupttransformator 43 mit den Wicklungen 42, 44 und 49 vorgesehen. Bei einer starren Umformung von Wechselstrom höherer Frequenz in Wechselstrom niederer Frequenz kann man die Bedingungen für die Gittersteuerung enfacher gestalten, und so ist es beispielsweise möglich, die Gitter nur vom niederfrequenten Wechselstromnetz, zweckmäßigerweise unter Mitwirkung einer Hilfsphase, über geeignete phasendrehende Vorrichtungen, z. B. Drehregler, zu speisen. Um die Zeichnung nicht zu unübersichtlich zu gestalten, sind bei beiden Gruppen von Entladungsstrecken die Anoden, die an dem kleineren Spannungswert liegen, nicht dargestellt worden, so daß nur die an der vollen Phasenspannung liegenden Anoden 45, 46 und 50, 51 und die Sternpunktsanoden 47, 48 und 52, 53 erkennbar sind. Abweichend von Abb. 1 sind je Sternpunkt zwei Zusatzanoden vorgesehen, die mit der einfachen Frequenz gesteuert werden und somit abwechselnd arbeiten. Die Gitter der an der vollen Phasenspannung liegenden Entladungsstrecken 45, 46 und 50, 51 werden durch einen Gittertransformator 58 gespeist, der über einen Drehtransformator 54 an das Wechelstromnetz 41 angeschlossen ist. In ähnlicher Weise sind die Gitterkreise der Sternpunktsentladungsstrecken 47, 48 und 52, 53 mit einem Gittertransformator 55 verbunden, dessen Primärwicklung über einen anderen Drehtransformator 56 ebenfalls am Netz 41 liegt. Vorzugsweise sind die Gittertransformatoren 55 und 58 als gesättigte Transformatoren ausgebildet.

Nimmt man beispielsweise an, daß eine starre Frequenzumformung im Verhältnis 3 :1 vorliegt, so kann man mit der Gittersteuerung erreichen, daß bei voller Spannung entweder die Entladungsstrecken 45 und 5° oder die Entladungsstrecken 46 und 51 den Strom führen. Fängt also beispielsweise Entladungsstrecke 45 mit Beginn der positiven Halbwelle der niederfrequenten Spannung an (vgl. Abb. 6), so folgt Entladungsstrecke 50 während der nächsten Halbwelle der höherfrequenten Spannung, bis Entladungsstrecke 45 die positive Halbwelle der niederfrequenten Spannung beendet. Entsprechend bildet Entladungsstrecke 51 Anfang und Ende der negativen Halbwelle der niederfrequenten

Spannung und Entladungsstrecke 46 den Mittelteil. Innerhalb jeder Halbwelle der niederfrequenten Spannung kann nun in der gleichen Weise, wie bereits in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1 gezeigt worden ist, die Spannung unter Beteiligung der Sternpunktsanoden geregelt werden. Die Einstellung der gewünschten Spannungswerte erfolgt durch die Drehtransformatoren.

Beim Betrieb von Umrichtern, insbesondere bei der Spannungsregelung, kann es — zumindest während kurzer Zeitteilchen — vorkommen, daß innere Kurzschlüsse auftreten.

; Zur Begrenzung der inneren Kurzschlußströme kann man die Stromkreise der beiden Gruppen von Entladungsstrecken durch eine Drosselanordnung 57 miteinander verketten. Die beiden Wicklungen dieser Drosselanordnung magnetisieren den gemeinsamen Kern in demselben Sinne, so daß eine resultierende . Gleichstrommagnetisierung entsteht. Eine solche Drosselanordnung hat also die Wirkung, daß etwaige Kurzschlußströme nicht

steil, sondern verzögert ansteigen. Der Kurzschlußstrom kann demnach nicht bis zur vollen Größe anwachsen.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Spannungsregelung bei mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitenden Umformungseinrichtungen, insbesondere bei der _; Umformung von Wechselstrom in Gleich- _: strom oder umgekehrt, bei der mindestens : zwei Gruppen von Entladungsstrecken vorgesehen sind, die ebenso vielen Gruppen von Windungszahlen der Transformatorphasen zugeordnet sind, nach Patent 624491, dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt der Transfortmatorwicklungen oder der Saugtransformatoränordnung mit der Anode (Sternpunktsanode) einer gittergesteuerten Entladungsstrecke verbunden ist, deren Kathode an die Kathode der Hauptentladungsstrecken angeschlossen ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Sternpunkt eine der Phasenzahl der betreffenden Transformatorwicklung gleiche Zahl von gittergesteuerten Sternpunktsentladungsstrecken angeschlossen ist, die mit der Frequenz des Wechselstromnetzes gesteuert wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen