-
Anordnung zur Erzielung bzw. Erhöhung der Stabilität des Betriebes
eines selbsterregten Wechsel- oder Umrichters Es ist bekannt, die Spulen von Induktionsöfen
mittels Zuordnung einer Parallelkapazität zu einem Schwingungskreis zu ergänzen
und diesen zumZwecke eines wirtschaftlichen Betriebes aus einer Wechselspannungsquelle
zu speisen, deren Frequenz mit der Frequenz des Schwingungskreises übereinstimmt.
Benutzt man nun zur Speisung solcher Induktionsofenanlagen einen selbstgeführten
Wechsel- oder Umrichter, so beobachtet man Störungen des Wechsel- oder Umrichterbetriebes,
die schließlich dazu führen, daß der Wechsel-oder Umrichter außer Tritt fällt. Das
gleiche gilt allgemein dann, wenn ein selbstgeführter Wechsel- oder Umrichter auf
einen Schwingungskreis arbeitet, der eine Parallelanordnung aus Induktivität und
Kapazität enthält. Man hat es dann in .dem an den Wechsel-oder Umrichter angeschlossenen
System mit freien Schwingungen zu tun. Der Grund zu dem Außertrittfallen ist darin
zu suchen, daß die von selbstgeführten Wechsel- oder Umrichtern erzeugten Spannungskurven
sich zwar der Sinusform annähern, diese jedoch niemals vollkommen erreichen. Vielmehr
ist ihre Spannungskurve mehr rechteckig abgeflacht oder dreieckig zugespitzt, d.
h. aber, daß die vom Wechsel- oder Umrichter abgegebene Wechselspannung nicht einfach
periodisch ist, sondern sich aus einer Reihe von harmonischen Schwingungen zusammensetzt,
also durch eine Fouriersche Reihe darstellbar ist. Schließt man an einen solchen
Erzeuger vieler periodischer Einzelspannungen einen Parallelkreis aus Induktivität
und Kapazität an, so wird dieser Parallelkreis zu einfach periodischen Schwingungen
angeregt, die in Rückwirkung auf den Wechsel- oder Umrichter diesen mitzuführen
suchen. In diesem auf den Wechsel- oder Umrichter ausgeübten Zwang liegt die Ursache
der erwähnten Störungen, da der selbsterregte Wechsel-oder Umrichter seiner Natur
nach eben nicht harmonisch schwingen kann, sondern ausschließlich mit kippschwingartigen
Vorgängen arbeitet. Die bisher bekanntgewordenen Mittel und Verfahren, zu einer
Entkoppelung zwischen Wechsel- bzw. Umrichterkreis und verbraucherseitigem Schwingungskreis
zu gelangen, führen insofern nicht oder in höchst unbefriedigender Weise zum Ziel,
als sie entweder einen zu großen Aufwand an
Schaltmittel erfordern
oder die Stabilität des Wechsel- bzw. Unirichterbetriebes infolge Anwendung von
Maßnahmen, die auch auf Teile der Wechselrichter- bzw. Umrichter-Schaltung zurückwirken,
gefährden und die Eieergiezufulir zum Verbraucher ip un7uverlässiger Weise drosseln.
-
Die Erfindung besteht nun für selbstgeführte Wechsel- oder Umrichter,
die einen Wechselstroinverbraiicher mit Kapazität und Induktivität in Parallelanordnung,
insbesondere Induktionsöfen, speisen, in einer Anordnung zur Erzielung bzw, Erhöhung
ihrer Betriebsstabilität, die unter Verwendung sparsanester Mittel (las genannte
Ziel in vorteilhafter und vollkommener Weise erreicht.
-
Ertindungsgernäß geschieht dies dadurch, tlaß zwischen den Wechsel-
oder Umrichter und den Verbraucher eine Induktivität, beispielsweise eine Drosselspule
mit oller ohne Eisenkern, geschaltet wird, die größenordnungsmäßig der Induktivität
des Verbrauchers gleich ist. Mit der Einschaltung einer solchen Induktivität zwischen
Wechsel-oder Umrichter und dem Verbraucher werden Ströme höherer Harmonischer (leg
Arbeitsfrequenz unterdrückt, die sonst infolge der Differenz zwischen den Spannungskurven
von Wechsel- oder Umrichter und Verbraucher fließen würden.
-
Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde: Bei Verbrauchern,
die einen komplexen Widerstand mit vorwiegender Selbstinduktion besitzen, wie dies
beispielsweise bei Induktionsöfen der Fäll ist, wird die Arbeitsfrequenz infolge
der bei solchen Anlagen vorgesehenen Parallelkapazität nur durch die Resonanzfrequenz
bestimmt. Die gemäß der Erfindung dem Verbraucherkreis vorgeschaltete Induktivität
wird deshalb so bemessen, daß der von dieser mit der Parallelkapazität des Verbrauchers
gebildete Schwingungskreis gegenüber den ungeraden Harmonischen des vom Wechsel-
oder Umrichter abgegebenen Wechselstromes verstininit ist. Mit dieser Verstinnnung
wird verhindert, daß die Oberharmonischen des Wechselrichterkreises eine Stärke
erreichen, die die Stabilität des Wechsel- oder Umrichterbctri,ebes in dem Sinne
gefährdet, (laß ein hühriin-szwandurch die Oberwelle auftritt. Weben der dabei hauptsächlich
in Betracht kommenden Oberwellen ist eine Verstimmung zu wühlen. die in bezug auf
die Größe (leg l)rosselspuleninduktivität über die Größenordnung (leg Ofensliulenin(ltil<tivitiit
nicht hinausgeht. Wie Versuche zeigten, wird (las "Ziel, Verbraucher, insbesondere
Ofen- und, Wechselrichterkreis, zti entkoppeln bzw. das Außertrittfallen des Wechsel-
oder Unirichters zu verhindern, dafinit weitgehend erreicht. Andererseits ist mit
einer solchen Größenwahl der Drossel-' induktivität der große Vorteil verknüpft
bzw. der Nachteil vermieden, daß zwischen XVecliselricliteraiiscliluß und Verbraucherkreis
ein hoher Leistungsverlust entsteht. Ferner wird der Schaltungsmittelaufwand klein
gehalten. Die Induktivität wird aus weiter unten sich ergebenden Gründen regelbar
ausgebil det.
-
Bei der Regelung der'von dein Wechselb7w. Umrichter abgegebenen Frequenz
kann unter Uinstä nden eine sehr schroffe Stromänderung beim Durchgang durch Resonanzpunkte
auftreten; deshalb wird vorteilhaft ein Dämpfungswiderstand, beispielsweise ein
Ohmsclier Widerstand, in dein Wechselrichterkreis vorgesehen. Dieser Widerstand
kann auch gleichzeitig zur Inhetriebnahnie des Wechselstromverbrauchers, beispielsweise
zur Ingangsetzung von Induktionsöfen, benutzt werden und wird zti diesem Zwecke
veränderbar ausgebildet.
-
In den Fig. i und 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. 2 dient der Erläuterung (leg Stromvorgänge in dem Beispiel nach Fit;. I.
-
In i bedeutet 21 ein Drehstromnetz, 22 einen daran angeschlossenen
Transforniator finit leerausgeführtem sekundärem Nullpunkt 23, der finit dem primären
\eutralpunkt 24 eines Transformators 2> verbunden ist.. An die Sekundärklemmen des
Transformators 22 sind die Anoden zweier Gleichrichtergefäße 26 und 27 angeschlossen,
deren Kathoden an die Primärklemmen des Transformators 25 gelegt sind. Zwischen
die Kathoden der Gefäße 26 und 27 ist ein Löschkondensator 28 geschaltet. Mit den
Sekundärklemmen des Transformators 25 sind eine Drossel 29, ein Kondensator
30 und ein Widerstand 31 in Reihenschaltung verbunden. Parallel zum
Kondensator 30 liegt ein Induktionsofen 32. Der zugeführte Wechsel-Strom J, und
der Ofenwechselstrom J= werden finit den gleichbenannten Stromzeigern gemessen.
Das Verhalten beider Ströme in Abhängigkeit von der Frequenz f bei konstant gehaltener
Spannung an den Sekundärklemmen des Transformators 25 ist in der Fig. z veranschaulicht.
J, erreicht in dein die I-1,esonanzfrequenz einschließenden Gebiet, insbesondere
bei der Frequenz fo, einen sehr kleinen Mindestwert, was gleichbedeutend finit einer
Bliinlstronientlastung (Ios Transformators :23 ist. J.= steigt finit wachsender
Frequenz uni so steiler an, je größer die Induktivität 29 gewählt ist. Wie nian
sieht, ist eine Entkopplang von Weclisclrchter- und «Verbraucherin einem- sehr holten
Grade durch die vorgcselialtete Induktivität möglich.
Die Induktivität
der Drossel 2,9 ist ungefähr gleich der Induktivität des Ofens 32 zu wählen, weil
hierdurch das Ziel, die Entkopplung des Wechselrichters und des Ofenkreises oder,
mit anderen Worten, die Verhinderung der Abgabe hochfrequenter Ladeströme an den
Kondensator 30 weitgehend erreicht wird. Als höhere Harmonische würden bei
Fortlassung der Induktivität 29 vor allem die dritte, aber auch weitere ungerade
Harmonische auftreten. Da die dritte Harmonische die Grundwelle des Stromes J, am
ein Mehrfaches übertreffen kann, so würde von ihr auf den Wechselrichter ein Führungszwang
ausgeübt werden, der zum Verlust der Stabilität führen müßte. Infolgedessen muß
die Induktiv ität der Drossel 29 so bemessen werden, daß sie in Verbindung mit der
Kapazität des Kondensators 3o keinen Resonanzkreis für die ungeraden Harmonischen
ergibt. Hierbei ist die Streuinduktivität des Transformators 25, die sich zu derjenigen
der Drossel 29 addiert, mit zu berücksichtig i'. Eine solche Verstimmung ist nicht
nur beim Induktionsofenbetrieb, sondern allgemein dann vorzunehmen, wenn auf einen
induktiven Verbrau-' eher mit Parallelkapazität gearbeitet wird.
-
Mit dem Dämpfungswiderstand 31 kann die Schärfe der jeweiligen Resonanzlage
geinildert werden; er dient damit gleichfalls der Erzielung bzw. der Erhöhung der
Stabilität des Wechsel- oder Umrichterbetriebes. Außerdem ist er als Anlaßwiderstand
von großem Nutzen, da im allgemeinen die Schwingungsenergie dem Verbraucher nicht
augenblicklich zugeführt werden darf. Vielmehr würde der Wechsel- oder Umrichter
bei schneller Anschaltung des Verbrauchers außer Tritt fallen. Zur Vermeidung .des
Außertrittfallens muß der Verbraucher ähnlich wie ein Gleichstrommotor durch den
Widerstand 31 angelassen werden.
-
Das in der F ig. 3 wiedergegebene Ausführungsbeispiel der Erfindung
bezieht sich auf den' Fall der Speisung einer Async.hronmaschine aus einem Wechselrichter.
Nun ist von den Asynchronmaschinen bekannt, daß sie stets Blindlast verbrauchen.
Würde man bei der Wechsel- oder Umrichterspeisung solcher Maschinen zur Kompensation
des Blindlastverbrauchs den Löschkondensator des Wechsel- oder Umrichters heranziehen,
so hieße das, dessen Ausgangstransformator mit dem entsprechenden Blindstrom belasten.
Der Ausgangstransformator müßte also entsprechend groß ausgelegt werden. Um dieses
zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, bei der Speisung von Asynchromnaschinen
aus einem Wechsel- oder Umrichter der Maschine einen Kondensator parallel zu schalten.
Der Blindlastverbrauch der Maschine wird dann von diesem kompensiert; der Ausgangstransformator
des speisenden Wechsel- oder Umrichters ist entsprechend entlastet, kann also ,wesentlich
kleiner ausgelegt werden. Diese Maßnahme hat sich besonders in dem Falle als vorteilhaft
erwiesen, wo es sich um die Speisung bei Frequenzen von 5o Per. und darüber handelt.
-
In Fig.3 ist der Strom einer Gleichspannungsquelle i über eine Glättungsdrossel
2 zum Mittelpunkt 3 der Primärwicklung eines Transformators q. geführt. Von den
Klemmen 5 und 6 der Primärwicklung fließt der Strom abwechselnd über die gittergesteuerten
gas- oder dampfgefüllten Glühkathodenrohre 7 und ß zur Gleichstromquelle i zurück.
An die Klemmen 5 und 6 ist ferner der Löschkondensator 9 angeschlossen. Mit den
Klemmen der Sekundärwicklung io sind eine Induktivität i i und ein Kondensator 12
in Reihenschaltung verbunden. Parallel zu dem Kondensator 12 liegt ein Asynchronmotor
13, der mit einer Anwurfvorrichtung oder einer Hilfsphase versehen sein kann.
-
Zum Anlassen des Motors müssen Frequenz und Motorklemmenspannung,
von kleinen Werten anfangend, gesteigert werden. Zweckmäßig werden deshalb die Induktivität
i i oder die Kapazität 12 oder beide gemeinsam während des Anlassens verändert,
und zwar in dem Maße verkleinert, wie die Frequenz und die Klemmenspannung ansteigen.
Das kann durch stufenweises Schalten oder auch stetig geschehen, beispielsweise
durch zunehmende Gleichstromvorsättigung der Drossel ii oder durch Anwendung eines
Elektrolytkondensators 12, welcher mit zuneliinender Spannung eine Kapazitätsverminderung
erfährt. Diese Regelung kann nun entweder von Hand aus oder vorteilhaft selbsttätig
in Abhängigkeit von Regelgrößen des Verbrauchers geschehen. Bei einer derartigen
Abstimmung ist noch zu berücksichtigen, daß auch der Motor 13 einen mit steigender
Drehzahl oder fortschreitendem Anlaßvorgang sinkenden Anteil der Parallelkapazität
12 zur Kompensation seiner Blindleistung in Anspruch nimmt. Schließlich kann durch
Anordnung von Dämpfungswiderständen die Resonanzschärfe abgeschwächt werden.