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Selbstgeführter, mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken
arbeitender Wechselrichter in Parallelanordnung Es sind bereits Einrichtungen zur
Umformung von Gleichstrom in ein- oder mehrphasigen Wechselstrom mittels gesteuerter
Entladungsstrecken, insbesondere gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken,
bekanntgeworden, die nicht auf ein taktgebendes Netz arbeiten, wobei den einzelnen
Entladungsstrecken besondere Gegenspannungen zugeführt werden, mit deren Hilfe die
jeweils brennende Entladungsstrecke am Ende der Durchlaßzeit durch den Entladungseinsatz
einer anderen Entladungsstrecke zum Erlöschen gebracht wird. Zur Erzeugung dieser
Gegenspannung benutzte man im allgemeinen besondere Kondensatoren, die insbesondere
bei fremdgesteuerten Wechselrichtern in gewünschter Weise arbeiten. Sie besitzen
jedoch den Nachteil, ,daß sie verhältnismäßig groß sein müssen und daher vor allem
bei Wechselrichtern für hohe Spannungen mit ihren bedeutenden Anschaffungskosten
sehr ins Gewicht fallen.
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Bei selbstgeführten Wechselrichtern reicht ein derartiger Löschkondensator
aus Gründen der Betriebssicherheit nicht aus. Ferner ist hei normalen selbstgeführten
Wechselrichtern das Abschalten nicht durch die Gittersteuerung, sondern nur mittels
Schalter auf der Gleichstromseite möglich, wodurch eine verhältnismäßig lange Abschaltzeit
erforderlich ist, die sich besonders im Kurzschlußfalle (z. B. Kippen des Wechselrichters)
nachteilig auswirkt.
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Im folgenden wird deshalb eine Schaltung für selbstgeführte Wechselrichter
beschrieben, die sich bei Vermeidung der bisherigen Nachteile sowohl für ein- wie
für mehrphasige Schaltungen eignet. Dabei wird jeder Entladungsstrecke in einer
in anderem Zusammenhang bereits bekanntgewordenen Weise ein aus einem Kondensator
und einer Drosselspule bestehender Schwingungszweig parallel geschaltet. Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die Ladung und Entladung des in. jedem Schwingungszweig
vorhandenen Kondensators derart gesteuert, daß die der Kathode der Entladungsstrecke
zugewendete Belegung des Kondensators während der Ruheperiode der Entladungsstrecke,
bezogen auf das Anodenpotential, negativ geladen ist, bei Stromdurchgang aber durch
die Hauptentladungsstrecke von deren Kathode aus über eine gesteuerte oder ungesteuerte
Hilfsent-Ladungsstrecke und die Schwingungszweigdrossel auf eiwa das doppelte Potential
der Anode positiv geladen wird. Anschließend wird zur Löschung der Hauptentladungsstrecke
mit Umgehung der Drossel eine zweite,
mit umgekehrter Stromdurchlaßrichtung
in bezug auf die erstgenannte Hilfsentladungsstrecke in den Kondensatorkreis geschaltete,
gesteuerte Hilfsentladungsstrecke zur Entladung gebracht. Die betriebsmäßige Auf-Ladung
des Kondensators erfolgt hierbei im Takt der geforderten Frequenz. Dadurch, daß
der Löschkondensator des Schwingungskreises lediglich zum Löschen der betreffenden
Entladungsstrecke des. Wechselrichters und nicht zum Kommutieren der Folgephase
verwendet wird, sind seine Leistung und Spannung verhältnismäßig klein. Das Steuerventil,
beispielsweise ein gittergesteuertes Glühkathodengefäß, das den Löschkondensator
zur Unterbrechung des Stromes in der zugehörigen Entladungsstrecke freigibt, kann
den Steuerimpuls beispielsweise in Abhängigkeit von der Flußdiehte des Wechselrichtertransformators
erhalten. Dadurch erfolgt die Steuerung des Wechselrichters zwangsläufig Lind ohne
Zuhilfenahme zusätzlicher elektrischer oder mechanischer Steuerorgane. Mit Hilfe
der Gittersteuerung der Hauptentlädungsstrecken und der Steuerventile kann ferner
der Wechselrichter in einfacher Weise abgeschaltet werden, sei es im normalen Betriebe
oder zwangsläufig, z. B. im Kurzschlußfalle: Zum Anlassen des Wechselrichters sind
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als einfache zusätzliche Mittel Anlaßwiderstände
vorgesehen, über welche der Steuerkondensator jeweils erstmalig aus dem Gleichstromnetz
unmittelbar aufgeladen wird.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. i ein Einphasenwechselrichter
dargestellt. Die Schaltung besteht aus zwei symmetrischen Hälften I und II. Jede
Hälfte ist für j sich betriebsfähig; es soll daher zunächst nur das System I der
Schaltung erläutert werden. E Es bedeuten i und 2 das speisende Gleichstromnetz,
3 ein gesteuertes Ventil, beispielsweise eine gittergesteuerte Dampf- oder Gasentladungsstrecke
oder eine Lichtbogenkam- I mer, q. eine gegensinnig parallel zur Errt- j Ladungsstrecke
3 geschaltete, gesteuerte oder ! üngesteüerte Entladungsstrecke; die dem Blindleistungsaustausch
dient, 9 eine Drosselspule, 13 den Wechselrichtertransformator j und 14 einen gegebenenfalls
vorhandenen zusätzlichen Kondensator zur Unterstützung der Kommutierung. Mit 17
ist der Wechselstromverbraucherbezeichnet,derdetnWechselrichter sowohl Wirk- wie
Blindstrom entnehmen möge. Der eigentliche Steuerkreis besteht aus dem Kondensator
5, der Steuerdrossel c 6, der ungesteuerten Hilfsentladungs-Strecke 7, beispielsweise'
einem Dampf- oder Gasentladungsgefäß, der gesteuerten Hilfs entladungsstrecke 8,
dem hochohmigen Anlaß-, widerstandio und dem Schaltern. Ferner I sind vorgesehen
ein Impulsgeber 15 für die Wechselrichterentladungsstrecke 3 und ein Impulsgeber
16 für die Steuerentladungss trecke B.
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@-or Inbetriebsetzung des Wechselrichters werden die gesteuerten Entladungsstrecken
3 und 8 gesperrt; darauf wird der Schalter i i geschlossen, wodurch sich der Löschkondensator
5 mit der gestrichelt angedeuteten Polarität auf die Spannung des Gleichstromnetzes
1, z lädt. Nun wird die Entladungsstrecke 3 freigegeben, wodurch das aus dem Kondensator
5 und der Steuerdrossel 6 bestehende schwingungsfähige Gebilde über die Gefäße 7
und 3 geschlossen wird. Nach einer Halbperiode, bezogen auf die Frequenz des Schwingungskreises,
wird die Schwingung unterbrochen, da die Gefäße i und 3 eine Umkehr des Stromes
nicht zulassen. Am Ende dieser Zeit hat sich der Kondensator 5 in der durch ausgezogene
Vorzeichen angedeuteten Weise umgeladen. Während das Potential seiner einen Belegung
durch den Anschluß an den positiven Pol des Gleichstromnetzes festgehalten wird,
hat die andere nach der Um-Ladung nahezu doppelt so großes, positives Potential
angenommen.-Indessen fließt infolge der Freigabe des Wechselrichtergefäßes 3 Strom
von i über 3, 9 und 12 nach 2. Der Magnetisierungs ; Strom durch die Wicklung 12
des Wechselrichtertransformators 13 steigt dabei zunächst linear an, bis der von
dieser Wicklung umfaßte Kräftfluß nach Ablauf einer Halbperiode des Wechselstromes
einen vorbestimmten,, positiven Wert erreicht hat. Dadurch erhält die Steuerentladüngsstrecke
8 z. B. über einen bereits anderweitig vorgeschlagenen Impulsgeber 16 den Freigabeimpuls
und zündet. Die positive Ladung des Kondensators 5 liegt dann unmittelbar an der
Kathode der zuvor gesperrten Wechselrichterentladunrisstrecke 3 und bringt deren
Strom zum Verlöschen. Der Kondensator 5 kehrt seine Polarität um und erreicht dabei
eine Glättung der vom Wechselrichter gelieferten Spannungskurve. Das kann unter
gewissen Umständen die Komtnutierung, d. h. den ÜUbergang von der positiven nach
der negativen Halbwelle der Spannung, oder umgekehrt, unterstützen. Der so beschriebene
Vorgang wiederholt sich jeweils nach Ablauf einer weiteren Iialbperiode; ohne daß
eine vorherige Aufladung des Monden-Bators 5 über den Widerstand io notwendig wäre.
Der Schalter i i kann somit nach dem Anlassen des Wechselrichters geöffnet werden.
Der Kondensator 14. dient dazu, eine inögliehst stoßfreie Kominutierüng herbeizuführen;
er ist entbehrlich,: wann hinsichtlich der Oberwelligkeit des Gleich- bzw.-Wechselstromes
keine
strengen Anforderungen gestellt werden und die Induktivitäten des Gleichstromkreises
entsprechend groß sind. Beim Wechselrichten ohne Stromrücklieferung, d. h. ohne
Entladungsstrecken q. und 4.', kann er ferner die Kompensation des vom Verbraucher
17 verlangten Blindstromes übernehmen.
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Während der zweiten Halbperiode spielt sich der beschriebene Vorgang
in- gleicher Weise im System II ab, dessen gestrichene Bezugszeichen den angestrichenen
des Systems I entsprechen. Der Löschkondensator, 5' wird über den Hochohmwiderstand
to' bei geschlossenem Schalter ii' geladen und darauf das gesteuerte Wechsf@lrichterentladungsgefäß
3' freigegeben. - Infolge der vorgeschalteten Steuerdrossel 6' lädt sich der Kondensator
5' in der gekennzeichneten Weise um und behält wegen der Ventilwirkung des vorgeschalteten
Gefäßes 7' diese Ladung, bis mittels des Impulsgebers 16' bei einer vorbestimmten,
negativen Flußdichte der Wicklung 12' des Transformators 13 das Steuergefäß 8' freigegeben
wird, wodurch die Ladung des Kondensators 5' den Strom im Wechselrichtergefäß 3'
zum Verlöschen bringt. Darauf wiederholt sich der Vorgang im System I u. ff. Dadurch,
daß der Zeitpunkt der Freigabe bzw. der Unterbrechung der Entladung der Systeme
beliebig einstellbar ist, läßt sich die Frequenz der abgegebenen Wechselspannung
einerseits und ihre Spannung andererseits in weiten Grenzen ändern.
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In der Schaltung nach Abb. i sind noch zwei angesteuerte Entladungsgefäße,
bzw. q' vorgesehen, die in Tätigkeit treten, sofern der Wechselstromv erbraucher
17 dem Wechselrichter Blindstrom entnimmt, wobei die Energierichtung zwischen dem
Gleichstromnetz 1, 2 und dem Verbraucher 17 in jeder Periode viermal ihr Vorzeichen
wechselt. Die Drosselspule 9 bzw. 9' soll dabei verhindern, claß sich die Ladung
des Kondensators 5 bzw. 5' nach Freigabe des Gefäßes 8 bzw. 8' über das Gefäß q.
bzw. 4' ausgleicht. Es ist aber natürlich auch möglich, das Gefäß q. bzw. q' mit
einer Steuerung zu versehen, die zweckmäßigerweise zwangsläufig das Gefäß' 1. bzw.
.a.' sperrt, solange das Gefäß 3 bzw. 3' Strom führt. Um ein einwandfreies Arbeiten
des Wechselrichters zu erreichen, müssen ferner die Steuerungen der Gefäße von System
i und 1I so gegeneinander verriegelt sein, daß entweder nur das Gefäß 3 oder das
Gefäß 3' freigegeben wird. Dies kann, wie in Abb. i beispielsweise angedeutet, dadurch
geschehen, daß der Impulsgeber 15 bzw. 15' für das Gefäß 3 bzw. 3', wie oben beschrieben,
von der Kraftflußdichte des Wechselrichtertransformators abhängig gesteuert wird,
und zwar der Geber 15 abhängig vom Kraftfluß der Wick-Jung i2' und der Geber 15'
abhängig vom Kraftfluß der Wicklung 12.
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Auch die Steuerungen der Entladungsstrecken 3 und 8 bzw. 3.' und 8'
sind zwangsläufig gekuppelt, so daß beispielsweise die Entladungsstrecke 3 erst
freigegeben werden kann, nachdem die Entladungsstrecke 8 ihre volle Sperrfähigkeit
erlangt hat. Dadurch, daß die Entladungsstrecken 3 und 3' in einem beliebigen, vorbestimmten
Zeitpunkt gelöscht werden können, ergibt sich eine bequeme Regelung der Größe der
erzeugten Wechselspannung ohne Beeinflussung der Frequenz. Zum Abschalten des Wechselrichters
werden lediglich die Gefäße 3 und 3' gesperrt. Das kann bei Überlastung bzw. im
Kurzschlußfalle auch zwangsläufig, beispielsweise mittels der Impulsgeber 15 und
15', :erfolgen.
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Selbstverständlich können an Stelle der genannten Impulsgeber auch
andere, beispielsweise mechanische Steuereinrichtungen treten.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 2 die Schaltung
eines dreiphasigen Wechselrichters angegeben. Da jedes der in Abb. i beschriebenen
Systeme I und II für sich betriebsfähig ist, genügen für den Aufbau des dreiphasigen
Wechselrichters 3 einander entsprechende Systeme I und II und 111, die gemäß
Abb.2 zusammen geschaltet werden. Die Bezugszeichen der drei Systeme entsprechen
einander, nur sind diejenigen des Systems I angestrichen und diejenigen der Systeme
II und III mit einem bzw. zwei Strichen versehen. Es bedeuten in Abb. 2 i und 2
das speisende Gleichstromnetz, 3, 3' und 3" gesteuerte Entladungsstrecken, 4., und
4" gegebenenfalls gesteuerte, den vorgenannten gegensinnig parallel geschaltete
Entladungsstrecken und 5, 5' und 5" Löschkondensatoren. Diese werden in der zuvor
beschriebenen Weise über die Steuerdrosselspulen 6, 6' und 6" aufgeladen, wobei
die angesteuerten Hilfsentladungsstrecken 7, 7' und 7" ein Zurückfließen der Ladung
verhindern. Die gesteuerten Hilfsentladungsstrecken 8, 8' und 8" geben die Ladungen
der Kondensatoren 5, 5' und 5" zum Löschen der Entladungsstrecken 3, 3' und 3" in
Zeitpunkten frei, die mit Hilfe geeigneter Impulsgeber z. B. in Abhängigkeit von
der Größe der von den Transformatorwicklungen 12, 12' und 12" umfaßten Kraftflüsse
bestimmt werden. Die hochohmigen Widerstände to, io' und to" mit den zugehörigen
Schaltern i i, i i' und i i" dienen zum Anlassen des Wechselrichters. Die Drosselspulen
9, g und g' geringer Induktivität verhindern ein Abfließen der Ladangen der Kondensatoren
5, 5' und 5" über die Blindstromentladungsstrecken ¢,4 und 4": sind die Gefäße q.,
q.' und 4' steuerbar, gegebenenfalls in gleicher Weise wie bei der Anordnung
nach
Abb. i, so s:nd diese Drosseln bei entsprechender Einstellung der Zündung dieser
Gefäße entbehrlich. An die Sekundärwicklungen des Wechselrichtertransformators 13
können zusätzliche Kondensatoren 1q., i4.' und 14" angeschlossen sein, die zur-
Unterstützung der Kommutierung dienen; bei 17 wird der Drehstrom für den Verbraucher
abgenommen. Die z. B. in Abhängigkeit von der Flußdichte des Transformators 13 gesteuerten
Impulsgeber für die Entladungsstrecken 8, S' und 8" bzw. 3, 3' und 3" und 4, 4'
und 4" sind der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet; sie werden in entsprechender
'\@Teise, wie zu Abb. i erläutert, so geschaltet, daß jedes System des Wechselrichters
bis zu % Periode stromdurchlässig ist: Dabei werden im allgemeinen die zusammengehörigen
Gefäße 3 und q. bzw. 3' und @ bzw. 3" und q_" gleichzeitig freigegeben. Ebenso gilt
über die Verriegelung der Steuerungen, das Abschalten des Drehstromwechselrichters,
die Blindstromabgabe sowie die Regelbarkeit der Spannung sinngemäß das hierüber
in der Erläuterung zu Abb. i Gesagte.
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Die Schaltung ist in sinngemäßer Weise auf Wechselrichter beliebiger
Phasenzahl anwendbar. Zur Verbesserung der Kurvenform auf der Wechselstromseite
wird man zweckmäßigerweise in der von Gleichrichterschaltungen her bekannten Art
die Phasenzahl möglichst groß wählen. Um den Oberwellenstrom der Phasen klein iu
halten und einen Ausgleich für Restamperewindungen des Wechselrichtertransförmätors
zu schaffen, lassen sich für diesen die bekannten Mittel wie Polygonschaltung der
Sekundärwicklung oder :Anwendung einer Tertiärwicklung benutzen.