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Verfahren zur Verbesserung des Betriebes von Umrichteranlagen Umrichteranlagen,
d. h. Stromrichteranlagen zur unmittelbaren Erzeugung eines Wechselstroms bestimmter
Frequenz aus einem solchen anderer Frequenz, insbesondere zur Erzeugung von Einphasenwechselstrom
niederer Frequenz (Bahnstrom) aus Drehstrom höherer Frequenz, arbeiten stets mit
zwei Gruppen von steuerbaren Entladungsstrecken, die die beiden Teilsysteme der
Umrichteranlage bilden und in denen je eine Halbwelle des durch Umrichtung gewonnenen
Einphasenwechselstromes fließt.
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Fig. i zeigt einen solchen Umrichter mit den beiden Teilsystemen I
und II. Jedes System wird von einer Sekundärwicklung 7 bzw: 8 eines Transformators
9 gespeist, der primärseitig an ein Drehstromnetz io angeschlossen ist.
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Ferner ist jedem Umrichterteilsystem ein Stromrichtergefäß ii bzw.
12 zugeordnet. Die Kathode des ersten Stromrichtergefäßes ist mit dem Sternpunkt
der Sekundärwicklung des anderen Stromrichtergefäßes, beispielsweise in der bekannten
Achterschaltung, verbunden. An der Ausgangsseite der Umrichteranlage wird über einen
in der Zeichnung nicht wiedergegebenen Transformator der Wechselstrom von gewünschter
Frequenz, beispielsweise ein Einphasenwechselstrom von der Frequenz i62/3 Perioden,
entnommen. Dabei liefert jedes Umrichterteilsystem volle Spannungswellen, führt
aber naturgemäß immer nur Strom einer einzigen Richtung.
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Diese mit zwei Teilsystemen arbeitenden Umrichter, von denen in Fig.
i ein Ausführungsbeispiel gezeigt ist, haben die Eigenschaft; daß in ihrem inneren
Stromkreis Ausgleichsströme fließen können, die eine unerwünschte Belastung sowohl
der Stromrichtergefäße als auch der Transformatoren der Anlage bedeuten.
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In das Zustandekommen dieser Ausgleichsströme soll die Fig. 2 Einblick
gewähren. In ihr kommt die Wirkungsweise eines sogenannten Steuerumrichters zum
Ausdruck, d. h. eines Umrichters, bei dem die gewünschte niederfrequente Halbwelle
durch Aneinanderreihung von Stromführungsabschnitten der einzelnen Entladungsstrecken
eines Umrichterteilsystems gewonnen wird. Das Mittel zu dieser Aneinanderreihung
bildet eine entsprechende Gittersteuerung der einzelnen, an amplitudengleichen Spannungen
liegenden Anoden. Die in der Folge sich ergebenden Überlegungen hinsichtlich des
Auftretens und der Behinderung von inneren Ausgleichsströmen in Umrichtern gelten
sinngemäß für alle Arten von Umrichtern.
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In der Fig.2 stellt EI die beispielsweise vom Umrichterteilsystem
I gelieferte nackenförmige Spannungskurve dar, deren Mittelwert EI die gewünschte
andersfrequente
Wechselspannungskurve wiedergibt. Das Umrichterteilsystem
II liefert dann die zackenförrnige Spannungskurve EI, mit dem Mittelwert
EII . Wie das Diagramm erkennen läßt, treten Überschneidungen der ZackenkurvenEl
und EI, auf. Den von diesen Überschneidungen eingeschlossenen, durch Schraffur
hervorgehobenen Flächenteilen entsprechen Differenzspannungen, die Ausgleichsströme
in dem Achterkreis der Umrichteranlage hervorrufen. Bei dem wiedergegebenen Beispiel
treten die Ausgleichsströme intermittierend auf, doch kann bei weiterer gegenseitiger
Annäherung der Spannungskurven EI und FIT" ein kontinuierlicher Ausgleichsstromfluß
sich ausbilden, der sich schädlich auf die Anlage auswirkt. Zur besseren Übersicht
ist in der Fig. 2 die Lage beider Spannungswellen auf den gleichen Punkt bezogen.
Tatsächlich ist jedoch infolge der Achterschaltung der Nullpunkt des einen Umrichterteilsystems
auf das Kathodenpotential des- anderen Umrichterteilsystems bezogen, mit anderen
Worten, die Spannungswelle EI,' hat dort ein Wellental, wo die Spannungswelle
EI einen Wellenberg besitzt, und umgekehrt: Die Fig.2 zeigt ferner, daß die schraffierten
Überschneidungsflächen, deren Flächeninhalt die Größe der Ausgleichsströme bestimmt,
um so kleiner sind, je größer der gegenseitige Abstand der beiden Mittelwertskurven
Ei, EII , auch Respektabstand genannt, ist.
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Von dieser Erkenntnis ausgehend, gibt die Erfindung ein Verfahren
zur Verhinderung von Ausgleichsströmen in Umrichteranlagen an, das in seiner Einfachheit
und Zweckmäßigkeit eine mit vielen Vorzügen verknüpfte Verbesserung des Betriebes
von Umrichtern darstellt.
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Erfindungsgemäß werden in Abhängigkeit vorn Umrichterarbeitsström
die Entladungsstrecken des nichtstromführenden wie auch die Entladungsstrecken des
stromführenden Umrichterteilsystems derart :gesteuert, daß ein zur Verhinderung
von Ausgleichsströmen genügender Respektabstand der beiden Umrichterspannungskurven
erzeugt wird.
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Indem ferner erfindungsgemäß ein solcher Respektabstand insbesondere
dadurch gewonnen wird, daß die Zündzeitpunkte der Entladungsstrecken des nichtstromführenden
Umrichterteilsystems zeitlich rück- und die Zündpunkte der Entladungsstrecken des
stromführenden Umrichterteilsystems zeitlich vorverlegt werden, gelangt das Verfahren
nach, der Erfindung zu einer sicheren Beherrschung der Kommutierungsvörgäuge beim
Umrichterbetrieb. .
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Im allgemeinen erfüllen nämlichUmrichteranlagen die Forderung nach
der Fähigkeit; Blindströme und damit im Fälle der Mehrphasen-Einphasen-Umformung
Leistung vom Einphasen- ins Drehstromnetz zu übertragen. Blind- und Rückleistungslieferung
setzen aber voraus, daß die Anoden der Stromrichtergefäße auch dann Strom führen,
wenn die zugehörigen Anodenphasenspannungen negativ sind. Dabei sind es weitere,
im Gesamtstromkreis wirksame EMKe, die dafür sorgen, daß während der Stromlieferungszeit
die betreffende Anode auch bei negativer Phasenspannung positiv gegen die Kathode
ist. Einer sicheren Kommutierung stehen nun in diesem Rückarbeitsgebiet des Umrichters
erhebliche Schwierigkeiten entgegen. Dies sei an Hand der Fig. 3 auseinandergesetzt.
Sie zeigt die Strom- bzw. Spannungsdiagramme für einen Steuerümrichter. Das Umrichterteilsystem
I der Fig. i liefere hier die Spannungswelle EI und sei mit einem Strom TI belastet.
Beispielsweise führt dabei die Anode 2 dieses Systems einen Strom 1h; sie wird in
dem Punkte A angeschlagen und brennt bis zum Zeitpunkt D. Infolge der Streuung des
Anodenkreises 2 gegen den Kreis der vorher brennenden Anode i wird der Ström beim
Anschlagen der Anode 2 in dem Zeitpunkt A nicht augenblicklich einsetzen, sondern
allmählich ansteigend verlaufen. Ebenso wird infolge der Streuung des Anodenkreises
2 gegen den Kreis der nachfolgend brennenden Anode 3 der Strom 1I_ nicht augenblicklich
erlöschen, sondern allmählich vom Punkte C bis zum Punkte D absinken. Damit nun
die Anode :2 in dem dargestellten Arbeitsbereich nicht durchzündet, d. h. den Lichtbogen
nicht noch führt, wenn ihre Spannung gegenüber der nachfolgend zu zündenden Anode
3 wieder positiv geworden ist, muß die Anode: vor dem Zeitpunkt E erlöschen. Dabei
ist zu berücksichtigen, daß es einer bestimmten Zeitspanne bedarf, bis dieEntladungsstrecke
derAnode2 entionisiert ist, daß also das Anschlagen der nachfolgend zu zündenden
Anode 3 um diese Zeitspanne vor den Zeitpunkt E zu legen ist: Die zum Stromübergang
von der, Anode 2 zu der Anode 3 benötigte Zeitspanne wird Kommutierungszeit genannt.
Der soeben beschriebene Kommutierungsvorgang gilt dann, wenn das Umrichterteilsystem
I einen Strom von der Größe TI abgeben soll. Wird aber von diesem ein größerer Ström,
beispielsweise Ti , verlangt, so läßt die Fig. 3 klar erkennen, daß die Anode: im
Punkte ,E noch Strom führt, daß mithin die entsprechende Entladungsstrecke noch
nicht entionisiert ist; es wird also mit Rücksicht darauf, daß über den Zeitpunkt
E hinaus die Spannung der Anode :2 gegenüber der der Anode 3 wieder positiv wird,
zu einer Durchzündung der Anode 2 L-,ommen. Hiernach hängt die Kommutierungszeit
außer
von der Streuung der miteinander kommutierenden Phasen und außer von der Größe des
die Kommutierung betreibenden Spannungsunterschiedes der einander ablösenden Phasen
(je größer der Spannungssprung ist, mit dem die nachfolgende Phase einsetzt, desto
rascher erfolgt die Kommutierung) maßgeblich noch von der Belastung der Umrichterteilsysteme
ab.
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Die aus dieser Lastabhängigkeit sich ergebenden Kommutierungsschwierigkeiten
überwindet die Erfindung mit Sicherheit dadurch, daß sie zwecks Gewinnung eines
zur Verhinderung von Ausgleichsströmen genügenden Respektabstandes die Zündpunkte
der zum stromführenden Umrichterteilsystem gehörenden Entladungsstrecken in Abhängigkeit
vom Umrichterarbeitsstrom zeitlich vorverlegt. Sie erreicht aber dadurch nicht nur
eine Behebung der Kommutierungsschwierigkeiten im Gebiete der Umrichterrückarbeit,
sondern führt auch im Gebiete der Umrichtervorwärtsarbeit, d. h. bei positiven Anodenphasenspannungen
zu einem vielfach erwünschten Ausgleich des durch die Kommutierung bedingten Spannungsabfalles.
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Bei dem angegebenen Weg zur Gewinnung eines ausreichend großen Respektabstandes
ist die lastabhängige Zündpunktvorverlegung der Entladungsstrecken des stromführenden
Umrichterteilsystems mit einer gleichzeitigen Zündpunktrückverlegung der Entladungsstrecken
des nichtstromführenden Umrichterteilsystems verknüpft. Werden nämlich erfindungsgemäß
und zwecks Erreichung der soeben auseinandergesetzten Verbesserungen des Umrichterbetriebes
die Zündzeitpunkte des stromführendenUmrichterteilsystems, beispielsweise des Umrichterteilsystems
I, belastungsabhängig vorverschoben, so bedeutet dies, daß die Amplitude der in
Fig. a dargestellten negativen Spannungswelle EI"'
kleiner wird. Das erste
Ziel der Erfindung, nämlich die Gewinnung eines ausreichend großen Respektabstandes,
macht es alsdann erforderlich, daß die Zündzeitpunkte der dem Umr ichterteilsystem
II entnommenen positiven Spannungswelle Elf,' rückverschoben werden. Bei
Belastung des Umrichterteilsystems II ist die Verschiebung der Zündzeitpunkte der
einzelnen Spannungswellen umgekehrt vorzunehmen. Die Steuerung der Anlage wird demgemäß
derart betätigt, daß bei Belastung des Systems I die Anodenzündpunkte des Umrichterteilsystems
I vor- und die des Umrichterteilsystems II rückverschoben werden, während bei Belastung
des Systems II die Zündzeitpunkte des Umrichterteilsystems II vor- und die des Umrichterteilsystems
I rückverschoben werden. Das Verfahren nach der Erfindung bewirkt demnach ein gleichzeitiges
periodisches Heben und Senken der beiden ausgesteuerten Spannungswellen EI und
EI,
der beiden Umrichterteilsysteme I und II in dem Sinne, daß bei belastetem
Entladungsgefäß die Zündpunkte in Abhängigkeit vom Umrichterarbeitsstrom vor- und
bei unbelastetem Entladungsgefäß rückverschoben werden, wobei die Lage der beiden
Systemspannungswellen zueinander nicht geändert wird. Dabei kann es in dem einen
Falle zweckmäßig sein, die Zündpunktsverschiebung in Abhängigkeit von den in den
Umrichterteilsystemen fließenden Strömen, im anderen Falle in Abhängigkeit vom Gesamtstrom
der Anlage, d. h. von beiden Umrichterteilstromwellen; vorzunehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 4. wiedergegeben.
In dieser sind die der Fig. i entsprechenden Teile mit deren Bezugszeichen versehen.
Den Steuergittern 14 der Entladungsgefäße werden über Transformatoren 15 Steuerspannungen
zugeführt, die sich aus Komponenten von der Frequenz des Drehstromnetzes io und
aus Komponenten von der Frequenz des vom Umrichter zu speisenden Netzes, beispielsweise
eines Einphasennetzes mit der Frequenz 162e Perioden, zusammensetzen. Die Einführung
einer belastungsstromabhängigen Spannungskomponente in die Steuerkreise gemäß der
Erfindung erfolgt hier über die Transformatoren 16 und die Widerstände 17.
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Unter Umständen kann es erwünscht sein, die stromabhängige Steuerung
der Zündzeitpunkte in bestimmten Steuerungsteilgebieten aufzuheben. Ein solches
Gebiet stellt insbesondere das der Umrichtervorwärtsarbeit dar. Hier würde es sich
darum handeln, die lastabhängige Vorverlegung der Zündzeitpunkte ganz oder teilweise
während jenes Zeitabschnittes zu unterbinden, in dem die Anodenphasenspannungen
positiv sind. Eine solche zeitweilige Ausschaltung der laststromabhängigen Zündpunktsverschiebung
wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß in den Steuerkreis jedes Umrichterteilsystems
mehrere, vorzugsweise zwei, laststromabhängige Steuerglieder gelegt werden, und
zwar derart, daß jedes dieser Steuerglieder nur von einer bestimmten Halbwelle des
Umrichterstromes .oder von einem Bruchteil einer solchen erregt wird.
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Die Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen Anordnung nach
der Erfindung, und zwar bezieht sich dasselbe auf den vorerwähnten Fall der Unterbindung
der laststromabhängigen Zündpunktsverschiebung im Gebiete der Umrichtervorwärtsarbeit.
Der Steuerkreis eines jeden Umrichterteilsystems enthält hier als laststromabhängig
beeinflußte Steuerglieder der beiden Widerstände 17 und
18. Damit
in diesen eine laststromabhängige Spannungsausbildung nur als Folge der Erregung
durch eine ganz bestimmte Halbwelle des Umrichterstromes erfolgt, sind die an den
Transformator 16 angeschlossenen Widerstände in einander entgegengesetzten Richtungen
durch je eine Ventilstrecke eindeutiger Stromdurchlaßrichtung überbrückt.
Als geeignete Ventilstrecken können dabei Trockengleichrichter benutzt werden, Der
Widerstand 18 ist außerdem mit Hilfe eines zusätzlichen steuerbaren Schaltgliedes,
hier einer gittergesteuerten Gas- oder Dämpfentlädungsstrecke, auch in der anderen,
der Durchlaßrichtung der primären Ventilstrecke entgegengesetzten Richtung überbrück-
oder kurzschließbar. Der Steuerelektroden-Kathodenkreis dieser zusätzlichen Ventilstrecke
ist an die eine Wicklung eines Transformators angeschlossen, dessen zweite und dritte
Wicklung beziehentlich in den Steuerkreis des betreffenden Umrichterteilsystems
geschaltet und von einer Spannung gespeist sind, die dem Umrichterausgangsström
frequenzglech ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß den Steuergittern der
zusätzlichen Ventilstrecke die Speisespannung des Umrichters aufgedrückt und sie
selbst für die Zeitabschnitte positiver Anodenphasenspannungen des Umrichters leitend
wird. Das heißt- aber nichts anderes, als aß die laststromabhängige Zündpunktsverschiebüng
im Gebiete der Umrichtervorwärtsärbeit aufgehoben ist. Um diese Aufhebung nur in
einem Teil des Gebietes der Umrichtervorwärtsarbeit wirksam werden zu lassen, bedarf
es nur einer entsprechenden Bemessung des Dreiwicklungstransforznätors (übersetzungsverhältnis).
In ähnlicher Weise läßt sich die Laststromabhängige Zündpunktsverschiebüng auch
in anderen Zeitabschnitten ausschalten. So kann beispielsweise, um die Zündpunktsrückverlegüng
aufzuheben, auch dem Widerstand 17 eine zusätzliche steuerbare Ventilstrecke parallel
geschaltet werden; deren Durchlaßrichtüng der des primär zu 17 gehörenden Ventils
entgegengesetzt gerichtet ist.