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Einrichtung zur Überlagerung von Wechselstromenergieverteilungsnetzen
mit Schwachströmen netzfremder Frequenz Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Wechselstromenergieverteilungsnetz, welches von Stromerzeugern mit einer Spannung
gegebener Grundfrequenz gespeist wird, mit Schwachströmen netzfremder, höherer Frequenz
zu überlagern. Erfindungsgemäß wird zu dem Zweck der Zündpunkt von an das Wechselstromnetz
angeschlossenen Entladungsgefäßen, insbesondere Gleichrichtern, derart gesteuert,
daß im Wechselstromkreis der Entladungsgefäße Wechselströme der gewünschten Frequenz
und Phase entstehen. Die Erfindung nutzt die Eigenschaft der Entladungsgefäße aus,
welche darin besteht, .daß im Wechselstromkreis .der Entladungsgefäße je nach der
Betriebsart und Schaltung der Gefäße Wechselströme bestimmter, von der Netzfrequenz
abweichender Frequenz auftreten, und daß Amplitude und Phase dieser Wechselströme
durch Änderung der Aussteuerung der Entladungsgefäße verändert werden können. Unter
der Voraussetzung vollkommener Glättung auf der Gleichstromseite eines mit elektrischen
Entladungsventilen arbeitenden Gleichrichters verschiebt sich beispielsweise die
Phasenlage einer bestimmten Oberwelle, beispielsweise der 5. und 7. Oberwelle, gegenüber
der Grundwelle um einen ebenso großen Winkel, wie der Steuerwinkel bzw. die Zündpunktverzögerung
des Gleichrichters gegenüber derVollaussteuerung verschoben wird. Der Erfindung
liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine physikalische Eigenschaft der Entladungsgefäße,
welche für den Betrieb der Wechselstromnetze unerwünscht ist, vorteilhaft ausgenutzt
werden kann, wenn die Steuerung von an das Wechselstromnetz angeschlossenen Entladungsgefäßen
bewußt auf die Erzeugung von Wechselströmen bestimmter Frequenz und Phase in den
Wechselstromkreisen der Entladungsgefäße abgestellt wird.
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Die Erfindung kann mit Vorteil zum Ausgleich der durch den Betrieb
von Entladungsgefäßen bedingten Oberwellen verwendet werden. Es ist bekannt, daß
beidem Betrieb von elektrischen Umformereinrichtungen, welche mit gittergesteuerten
Entladungsstrecken arbeiten und zur Gleichrichtung, Umrichtung, Wechselrichtung
-dienen, in dem Wechselstromnetz, an welches die Entladungsgefäße angeschlossen
sind, Wechselströme mit von
der Netzfrequenz abweichender Frequenz
auftreten. Diese meist als Oberwellen oder Unterwellen bezeichneten Wechselströme
sind für den Betrieb der Wechselstromverteilunge4 anlagen vielfach unerwünscht.
Um ihre Asts'-', Wirkung auf das speisende Wechsel.stromnel?z möglichst auszugleichen,
werden daher für'.? die die Entladungsgefäße speisenden Transformatoren besondere
Kunstschaltungen angewendet, welche die Entstehung einer oder mehrerer der besonders
unerwünschten Ober-«-ellen verhindern. Das erfindungsgemäß zum Ausgleich. der Oberwellen
verwendete Mittel weicht grundsätzlich von den bisher verwendeten Einrichtungen
ab; denn die Erfindung nutzt die physikalische Eigenschaft der Entladungsgefäße;
welche die Ursache für die Entstehung der Oberwellen ist, bewußt aus, um die durch
diese Eigenschaft bedingten Störungserscheinungen zu beseitigen.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Erfindung ist die Überlagerung
von Tonfrequenzen über Wechselstromstarkströmnetze und deren Ausnutzung zur Signalgebung,
beispielsweise zur Betätigung von Schaltrelais, die auf die Tonfrequenzen abgestimmt
sind. Ein Entladungsgefäß; beispielsweise ein Gleichrichter, über den einem Stromverbraucher
Energie aus dem Wechselstromnetz zugeführt wird, erhält zu dem Zweck erfindungsgemäß
eine Zusatzregeleinrichtung, durch die der Ziindverzögerungswinkel kurzzeitig auf
die für dieSignal:gebung bestimmte netzfremde Frequenz ein.gestellt@wird.
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In den nachfolgenden Erläuterungen der Erfindung sind die Betriebsverhältnisse
besonders berücksichtigt, welche vorliegen, wenn die Erfindung zum Ausgleich von
Oberwellen verwendet wird, es sei jedoch betont, daß die nachfolgend beschriebenen
Ausführungsformen der Erfindung auch angewendet werden können, wenn die dem Wechselstromnetz
überlagerten Wechselströme netzfremder Frequenz zu anderen Zwecken als zur Beseitigung
von Oberwellen verwendet werden.
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Die Entladungsgefäße, mit deren Hilfe die dem Wechselstromnetz überlagerten
Wechselströme erzeugt werden, müssen belastet sein und speisen zweckmäßig gleichzeitig
irgendwelche Verbraucher, denen aus dem Wechselstromnetz Energie zugeführt werden
soll, und formen' diese Energie in die von den Verbrauchern verlangte Form um. Man
wird dabei meist vermeiden, daß,die Oberwellen in einem größeren Abschnitt ,des
Wechselstromverteilun,gsnetzes wirksam. werden und deshalb mehrere Verbraucher,
die an das Netz angeschlossen sind, zu einer Gruppe zusammenfassen und deren Oberwellen
durch verschiedeneAussteuerung der .denVerbrauchern zugeordneten Entladungsgefäße
untereinander ausgleichen. Arbeiten beispielsweise in einem Betrieb zwei Gleichstrommotoren
nebenein-.-.ander und werden diese Motoren stets gleicheingeschaltet, so können
die die Motui'en speisenden Gleichrichter derart gesteu-;1, @j-t werden, .daß jeweils
die von dem einen "Gleichrchter erzeugten Oberwellen, beispielsweise die 5. oder
7. Oberwelle, von dem benachbarten Gleichrichter ausgeglichen und von dem speisenden
Wechselstromnetz ferngehalten werden. Die Gleichrichter sind in diesem Falle nur
Wechselstromseitig parallel geschaltet. Sind durch den Betrieb der Entladungs-gefäße
mehrere besonders ausgeprägte Oberwellen bedingt, so werden zweckmäßig mehr als
zwei Entladungsgefäße zu einer Gruppe zusammengefaßt; und die Erzeugung der einzelnen
Oberwellen wird jeweils einem der zu der Gruppe gehörigen Entladungsgefäße zugeteilt.
Die Erfindung erstreckt sich nicht nur auf Entladungsgefäße, die als Gleichrichter
arbeiten, sondern kann auch bei Wechselrichtern und Umrichtern angewendet werden.
Mit Umrichter:schaltün.gen ist es insbesondere auch möglich, Wechselströme zu erzeugen,
deren Frequenz kleiner ist als die Frequenz des Wechselstromnetzes, an das der Umrichter
angeschlossen ist.
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Im. folgenden seien die Verhältnisse geschildert, welche auftreten,
wenn zwei gittergesteuerte Gleichrichter und die durch sie gespeisten Verbraucher
zu einer Gruppe züsammengefäßt sind und die Aussteuerung dieser Gleichrichter auf
den Ausgleich der Oberwellen abgestimmt ist. Die Erläuterungen beziehen sich dabei
im besonderen auf die 5. und 7. Oberwelle, weil diese in Gleichrichteranlagen eine
besondere Rolle spielen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf irgendeine besondere
Oberwelle beschränkt, es ist vielmehr gerade ein wichtiger Vorzug der Einrichtung
nach her Erfindung, .daß praktisch jede beliebige höhere Harmonische durch Aussteuerung
nach Phase und Amplitude auf einen bestimmten gewünschten Wert eingestellt werden
kann, und daß es im besonderen auch in dem Bericht von der a z. und 13. Oberwelle
an aufwärts ohne weiteres möglich ist, das gleiche Steuerverfahren anzuwenden: In
diesem Bereich stößt man bekanntlich bei Transformatorkunstschaltungen auf erbebliche
Schwierigkeiten, zumindest werden die für diesen Bereich bestimmten Transformatoren
verhältnismäßig teuer.
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In dem Diagramm der Fig. a -sind die AmplitudenAder 5. (Kurve V) und
7. (Kurve VII) Oberwelle aufgetragen, welche entstehen; wenn zwei Gleichrichter
parallel arbeiten, von denen der eine voll ausgesteuert, der andere dagegen teilausgesteuert
ist. Als Ordinaten sind in dem Diagramm von der Nullinie ausgehend
nach
oben und unten die Amplituden der Oberwellen ihrer Größe und Richtung nach aufgetragen,
und zwar in Abhängigkeit, von der mittleren Gleichspannung (Abscissen) des teilausgesteuerten
Gefäßes. Die Amplituden der Oberwellen sind in Prozenten des für ioo °/o Gleichspannung
geltenden Wertes aufgetragen. .
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Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß die Amplituden der 5. und 7.
Oberwelle schon bei geringer Teilaussteuerung erheblich kleiner «-erden, und daß
die 7. Oberwelle bei etwa go °/o Gleichspannung, die 5. Oberwelle bei etwa 80 °/o
Gleichspannung zu Null werden. Bei weiterer Teilaussteuerung nehmen die Amplituden
der beiden Oberwellen in entgegengesetzter Richtung wieder zu. Läßt man somit zwei
Gleichrichter wechselstroms:eiti;g parallel arbeiten und betreibt den einen der
beiden Gleichrichter -mit einer Teilaussteuerung entsprechend 9o % Gleichspannung,
so ist die 7. Oberwelle mit Bezug auf die Wechselstromseite der beiden Entladungsgefäße
vollständig kompensiert. Das gleiche gilt für die 5. Oberwelle bei einer Gleichspannung
von 80 °/o.
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Das Diagramm der Fi,g. 2 ,gilt ebenfalls für zwei parallel arbeitende
Gleichrichter, von denen der eine Gleichrichter voll ausgesteuert, der andere dagegen
teilausgesteuert ist. Als Ordinaten sind wiederum die Amplituden der 5. bzw. 7.
Oberwelle, als Abscissen in diesem Falle der Steuerwinkel des teilausgesteuerten
Gefäßes angegeben. Die Amplituden beider Oberwellen nehmen mit zunehmendem Steuerwinkel
zunächst ab, und zwar bis zu Steuerwinkeln von 25 bzw. 36°. Darüber hinaus nehmen
!die Amplituden der beiden Oberwellen wieder zu, jedoch in entgegengesetzter Richtung.
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Aus den Diagrammen der Fig. i und a ergibt sich, daß man es durch
Wahldes Steuerwinkels eines der beiden parallel arbeitenden Gefäße in der Hand hat,
die Amplitude der Oberwellen mit Bezug auf das speisende Wechselstromnetz zu regeln.
Ähnliche Verhältnisse lassen sich naturgemäß auch für andere Oberwellen entwickeln.
In jedem Falle entspricht eine bestimmte mittlere Gleichspannung eines gittergesteuerten
Gleichrichters bzw. ein bestimmter Steuerwinkel einem bestimmten Wert für Richtung,
Arnpl:itude und Phasenlage der verschiedenen Oberwellen. Diese Eigenschaft der Entladungsgefäße
bewußt auszunutzen, ist das wesentliche Merkmal der Erfindung.
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Wenn, wie dies für die Diagramme nach den Fig. z und -2 angenommen
wurde, mehrere Entladungsgefäße zu einer Gruppe zusammengefaßt und bezüglich der
Oberwellen aufeinander abgestimmt sind, können noch zusätzliche Steuermittel vorgesehen
werden, um trotz der voneinander abweichenden Aussteuerung,der Gefäße bei Gleichrichterbetrieb
auf der Gleichstromseite über den ganzen Regelbereich etwa gleichbleibende Spannung
zu erhalten. Die den Entladungsgefäßen zugeführte Spannung wird somit in Abhängigkeit
von der Aussteuerung, d. h. der Zündpunkteinstellung der Entladungsgefäße verändert.
Diese Regelanordnung wird beispielsweise dann angeordnet, wenn zwei Gleichrichter
in Parallelschaltung auf ein und denselben Verbraucher, beispielsweise ein elektrochemisches
Bad geschaltet sind.
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Der durch die Teilaussteuerung bedingte Unterschied zwischen den Gleichspannungen
der beiden Gefäße kann durch verschiedene Bemessung der die Gefäße speisenden Transformatoren
ausgeglichen werden. Soll beispielsweise bei zwei Entladungsgefäßen die 5. Oberwelle
beseitigt werden, so muß gemäß Fig. 2 eines der beiden Gefäße mit einem Zündverzögerungswinkel
von 36° arbeiten. Der Transformator dieses Gefäßes wird daher so -bemessen, @daß
bei diesem Gefäß auf der Gleichstromseite bei 36° Zündverzögerungswinkel die :gleiche
Spannung auftritt, wie in dem anderen Gefäß bei voller Aussteuerung. Solange die
Gleichspannung des Verbrauchers nicht geregelt zu werden braucht, bleibt der Zündv
erzögerungswinkel des teilausgesteuerten Gefäßes der gleiche. Soll dagegen die Gleichspannung
:geändert werden, so müssen nunmehr beide Entladungsgefäße gesteuert werden. Die
Steuerwinkel, welche dabei eingehalten werden müssen, .bzw. die Steuerwinkeldifferenz
zwischen den @ bei.den Entladungsgefäßen ergibt sich aus dem Diagramm der Fig.3.
Als Ordinaten sind die Steuerwinkel (Zündverzögerungswinkel W), als Abszissen die
mittleren Gleichspannungen der Entladungsgefäße aufgetragen. Die obere Kurve a gilt
für das Gefäß, welches schon bei voller Gleichspannung auf 36° ausgesteuert ist,
die Kurve b für ras andere Gefäß, welches bei ioo °/o Gleichspannung voll ausgesteuert
ist. Aus dem Kurvenverlauf ist ersichtlich, daß die Differenz zwischen den Zündverzögerungswinkeln
der beiden Gefäße mit abnehmender Gleichspannung abnimmt. Die Regeleinrichtung für
die Steuerung der beiden Gefäße -wird daher zweckmäßig so ausgebildet, -daß stets
die dein Diagramm entsprechende Winkeldifferenz entsteht. Es sei bemerkt, daß eine
solche Steuereinrichtung nur dann notwendig ist, wenn unbedingt die gleiche Gleichspannung
für beide Gefäße verlangt wird. In einem Teil des Regelbereiches kann man mit praktisch
genügender Ge- i nauigkeit ohne Änderung der Zündwinkeldifferenz arbeiten; denn
das Diagramm der
Fig. 3 zeigt, daß in ;gewissen begrenzten Regelbereichen,
beispielsweise zwischen 6o und 8o °A der Gleichspannung, auch bei gleichbleibender
Differenz zwischen den Zündverzögerungswinkeln die Unterschiede in den Änderungen
der beiden Gleichspannungen noch tragbar sind.
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In Fig.4 ist eine Regeleinrichtung im Prinzip dargestellt, mit Hilfe
deren die vorstehend entwickelte Bedingung für die Differenz zwischen den Zündwinkeln
der beiden Entladungsgefäße erfüllt werden kann. Die beiden Steuerhebel i und 2
dienen zur Zündpunkteinstellung der beiden Gefäße. Ihre Winkellage gegenüber der
Achse x-x :sei ein Maß für die Größe des Zündverzögerungs-Winkels. In der Stellung
für volle Gleichspannung, für die die Regeleinrichtung in Fig. q. gezeichnet ist,
besteht eine Winkeldifferenzaz-,vischen den beidenSteuerhebelni und 2. Für den Ausgleich
der 5. Oberwelle beträgt dieser Winkel 36° (vgl. Fig. 2): Der Steuerhebel i ist
mit einem zweiten Hebel 3 durch eine Führungschi-ene 4 verbunden, und zwar derart,
daß die Schiene 4 bei einer Drehungdes Steuerhebels i parallel zu sich selbst verschoben
wird. An dem Steuerhebel 2 ist eine Rolle 3 oder eine ähnliches Gleitstück befestigt,
welches sich gegen die Schiene 4 legt. Auf diese Weise wird mit dem Hebel i auch
der Hebel 2 verstellt. Der Winkel a. zwischen den beiden Hebeln bleibt jedoch während
der Verstellung nicht konstant, sondern nimmt mit zunehmender Abweichung des Hebels
i von der Richtung x-x, d. h. bei Drehung des Hebels r im. Ubrzeigersinne, ab. Wenu
beide Hebel auf Sperrung der ihnen zugeordneten Gefäße eingestellt sind, ist dieWinkeldifferenz
zwischen ihnen Null geworden. Die Befestigung der Rolle 5 auf der Schiene 2 wird
zweckmäßig verstellbar eingerichtet, damit verschiedene Winkel a eingestellt werden
können.
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Die Veränderung der Steuerwinkeldifferenz zwischen den beiden parallel
arbeitenden Entladungsgefäßen kann vermieden werden, wenn die Spannungscharakteristiken
der beiden Gefäße so gewählt werden, daß ihr Abstand über den ganzen Steuerbereich
etwa konstant bleibt. Erfindungsgemäß werden zu dem Zweck in den Gleichstromkreis
der Entladungsgefäße Induktivitäten geschaltet, welche verschieden groß sind. Dies
hat zur !, Wirkung; daß die Steuerwinkel, bei denen die Gleichspannung der beiden
Gefäße Null wird, nicht einander gleich sind, sondern um ein bestimmtes Maß voneinander
abweichen. Eine in den Gleichstromkreis beschaltete Induktivität hat bekanntlich
die Wirkung, daß die Gleichspannung erst bei einem größeren Zündverzögerüngswinkel
gleich Null wird, als dies. bei rein Ohmscher Belastung der Fall sein würde.
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Handelt es sich im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Einrichtungen
um Entladungsgefäße; die auf voneinander unabhängige Verbraucher arbeiten, so kann
auf eine unbedingt zwangsläufige Abhängigkeit zwischen den Reglerstellungen verzichtet
werden; man wird vielmehr nur dafür sorgen, daß bestimmte bevorzugteZündverzögerungswinkel
nicht oder doch nur kurzzeitig @einstellbar sind, damit diejenigen Verzögerungswinkel
vermieden werden, bei denen die Amplituden der Oberwellen ein bestimmtes Maß überschreiten.
An Hand von Diagrammen, die entsprechend den in den Fig: i und 2 dargestelltenDiagrammen
zu entwickeln sind, können diese Zündverzögerungswinkel ohne weiteres ermittelt
werden. Die zur Einstellung des Zündwinkels dienenden Regler werden dabei zweckmäßig
mit Rasten o. dgl: versehen, um die Bedingung bezüglich der Einstellung der Zündwinkel
bzw. der Zündwinkeldifferenz zwischen den Entladungsgefäßen einzuhalten.
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In Anlagen, in denenEntladungsgefäße mit Steuerungseinrichtungen nach
der Erfindung ausgerüstet ,sind, werden zweckmäßig frequenzabhängige .Anzeige- oder
Meßgeräte verwendet; an denen die von den Entladungsgefäßen erzeugten Wechselströme
nach Frequenz und Phase erkennbar sind. Die für die Einstellung des Zündzeitpunktes
der Entladungsgefäße dienenden Vorrichtungen können in Abhängigkeit v an diesen
Geräten auch selbsttätig gesteuert werden, um bestimmte Bedingungen bezüglich der
Erzeugung der dem Netz überlagerten Oberwellen einhalten zu können.