DE687868C - n denen eines konstante Spannung, das andere konstanten Strom fuehrt, ueber eine Wechselrichter-Gleichrichter-Anordnung - Google Patents

Description

Es sind bereits Einrichtungen zur Leistungsübertragung zwischen zwei Gleichstromnetzen bekanntgeworden, von denen das eine eine Konstantstromcharakteristik besitzt. Diese Übertragungseinrichtungen verwenden als Energiespeicher im allgemeinen mehrschenklige Reaktanzen, deren Schenkel mit jeweils einer Induktionswicklung versehen sind, denen zumindest teilweise Kapazitäten parallel liegen, damit die magnetomotorische Kraft des Eisenkerns bzw. die der einzelnen Schenkel auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. Man hat die einzelnen Schenkel solcher Reaktanzen auch jeweils mit mehreren Induktionswicklungen mit parallel geschalteten Kondensatoren versehen.

In besonderen Fällen, in denen aus dem Konstantstromkreis induktive Lasten, beispielsweise elektrische Motoren, gespeist werden, erscheint es nun zweckmäßig, die Übertragungseinrichtung mit einer hierfür besonders geeigneten Steuereinrichtung zu versehen, die die Einstellung einer gewünschten Arbeitskennlinie gestattet. Dieses Problem tritt z. B. bei elektrischen Triebwagen mit mehreren Motoren auf, die aus einem Gleichspannungs-Hochspannungs-Netz gespeist werden sollen.

Es wird daher im folgenden gemäß vorliegender Erfindung eine Übertragungseinrichtung beschrieben, die zwei Gleichstromnetze miteinander kuppelt, von denen

das eine konstante Spannung und das andere konstanten Strom führt, und bei der die Übertragung über eine Wechselrichter-Gleichrichter-Anordnung mit gittergesteueften Dampf- oder Gasentladungsstrecken erfolgt, die vorzugsweise in einem mehranodigen Gefäß mit gemeinsamer Kathode untergebracht sind, wobei in den Wechselrichterteil eine Kondensator-Transformator-Anordnung (Boucherot-Kreis) eingeschaltet ist. Diese Übertragungseinrichtung weist gegenüber den bekannten Anordnungen gewisse Vorteile und Verbesserungen auf und läßt sich insbesondere in Abhängigkeit von der im Konstantstromkreis herrschenden Spannung steuern. Für diesen Zweck, d. h. zur Regelung der übertragenen Leistung, wird ein hinsichtlich seiner Drehzahl veränderbarer, umlaufender Umformer vorgesehen, der zur Speisung der Gitterkreise dient.

Der Erfindungsgedahke sei an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die Abbildung zeigt eine Anordnung zur Leistungsübertragüng zwischen einem Gleichstromnetz konstanter Spannung und einem Gleichstromnetz mit konstanter Stromcharakteristik. Die Leistungsübertragung erfolgt aus dem Konstantspannungskreis io nach dem Konstant-Stromkreis ii, aus dem eine aus mehreren Motoren 12 bestehende Last gespeist wird. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem dreischenkligen, auf jedem Schenkel 14, 15 und 16 mit jeweils zwei Induktionswicklungen 17, 18; 19, 20; 21, 22 versehenen Eisenkern 13, der in Verbindung mit drei den Primärwicklungen 17, 19, 21 parallel liegenden Kondensatoren 23, 24, 25 zur Leistungsspeicherung und Übertragung dient. Die Induktionswicklungen 17, 19 und 21 liegen dabei mit einem Ende über die Drossel, 26 und den Schalter 27 an der einen Seite des Gleichstromnetzes 10, während die Induktionswicklungen 18, 20 und 22 mit jeweils einem Ende über die Drossel 28 an einer Seite des Gleichstromnetzes 11 liegen. Für die Wicklungen 17 bis 22 sind in dem mehranodigen, vorzugsweise dampf- oder gasgefüllten Entladungsgefäß 29 gesteuerte Entladungsstrecken vorgesellen. In der Abbildung ist jede der Induktionswicklungen 17 bis 22 mit einer der Anoden 30 bis 35 des Entladungsgefäßes 29 verbunden, dessen Kathode mit den freien Enden der Netze ro und 11 in Verbindung steht. Die Steuerspannungen für die Gitter der Anoden 30, 32 und 34 werden dem Wechselstromgenerator 36 über die Phasenschieberanordnung 37 und die Primär- und Sekundärwicklungen 38 und 39 eines in Stern-Dreieck geschalteten Steuertransformators entnommen. Die Steuerelek troden der übrigen Anoden 31, 33 und 35 er halten ihre S teuer spannungen aus der gleichen Wechselstromquelle 36, aber über die Primär- und Sekundärwicklungen 40 und 41 " eines weiteren in Stern-Dreieck geschalteten Transformators. Die Sternpunkte der Sekundärwicklungen 41 und 39 sind mit der Kathode des Entladungsgefäßes 29 verbunden, und zwar im Fall der Wicklung 41 unmittelbar und im Fall der Wicklung 39 über den Widerstand 42. Die Bedeutung des Widerstandes 42 wird in der Beschreibung der Wirkungsweise der Anordnung näher erläutert werden. Der Antrieb des Wechsel-Stromgenerators 36 erfolgt durch den aus dem Gleichstromnetz 44 gespeisten Motor 43 mit den beiden Feldwicklungen 45 und 46, von denen die Wicklung 45 eine mit den Widerständen 47 und 48 in Reihe liegende Nebenschlußwicklung ist. Die Drehzahl des Motors 43 läßt sich mit Hilfe des veränderbaren Widerstandes 47 einstellen. Die Feldwicklung 46 wird über die Zuführungen 49 und über das Relais 50 aus dem Stromkreis 11 gespeist. Der Widerstand 48 kann mit Hilfe des Relais 51 kurzgeschlossen werden. Die beiden Relais So und 51 liegen hintereinander und werden durch einen gewöhnlichen, bei elektrischen Triebwagen üblichen Steuerschalter betätigt. Die negative Seite des Gleichstromkreises 44 steht mit dem einen Ende des Widerstandes 42 über die Zuführung 52 in leitender Verbindung. Das andere Ende des Widerstandes ist mit jeweils einem Kontakt des Relais 53 und 54 verbunden, wobei das Relais 53 über die Leitungen 49 aus dem Gleichstromnetz 11 gespeist wird und so eingerichtet ist, daß es bei einer vorbestimmten, im Gleichstromnetz 11 auftretenden Spannung in Tätigkeit tritt. Die Stromversorgung des Relais 54 erfolgt über den gleichen Steuerschalter wie die der Relais 50 und 51. Jedes der beiden Relais 53 und 54 verbindet den positiven Pol des Gleichstromkreises 44 über die Leitung 55 mit der an der Kathode des Entladungsgefäßes 29 liegenden Seite des Widerstandes 42 und beaufschlagt auf diese Weise die Steuergitter der Anoden 30, 32 und 34 mit einer hohen negativen Vorspannung, welche zur Sperrung dieser Entladungsstrecken ausreicht.

Die Wirkungsweise der Stromrichteranordnung sei zunächst unter Außerachtlassung der Reihenfolge der Arbeitsgänge der Relais im Steuerkreis näher beschrieben. Wenn wir im Betrieb von den Reaktanzverlusten zwischen den Induktionswicklungen der einzelnen Schenkel des Kernes 13 absehen, dienen diese Wicklungen mit den ihnen parallel geschalteten Kapazitäten dazu, die magnetomotorischen Kräfte der einzelnen

Schenkel des Eisenkerns 13 auf einem bestimmten konstanten Wert zu halten. Die einzelnen Entladungsstrecken des mehranodigen Stromrichters 29 mit den Anoden 30 bis 35 und der gemeinsamen Kathode sind in jeder Periode jeweils während 120⁰ leitend und führen den Strom mit der Frequenz des Wechselstromgenerators 36 in einer vorbestimmten Reihenfolge.

Bei Inbetriebsetzen der Anordnung muß die Phasenlage der Gitterspannungen der Entladungsstrecken 30, 32 und 34 bzw. 31, 33 und 35 so sein, daß die mit den Wicklungen des Konstantstromkreises verbundenen Entladungsstrecken vor den mit den entsprechenden Wicklungen des Konstantspannungskreises verbundenen Entladungsstrecken leitend werden. Die Größe des Voreilwinkels zwischen der Zündung zweier entsprechender Entladungsstrecken, z. B. der Entladungsstrecken 30 und 31, kann zwischen Null und i8o° liegen. Diese Phasenbeziehung wird mit Hilfe des Phasenschiebers 37 eingestellt und kann als ein Maß für die zwischen den beiden Gleichstromkreisen übertragene Energie angesehen werden. Ganz allgemein hängt das Verhältnis der Spannungen und die Größe der zwischen den beiden Gleichstromkreisen übertragenen Energie von dem Verhältnis der beiden auf jedem Schenkel des Eisenkerns 13 aufgebrachten Windungszahlen der Induktionswicklungen, von der Größe de'r Kapazitäten 23 bis 25, weiterhin von der Phasenlagenbeziehung der Zündung in den Steuerelektrodengruppen der Anoden 30, 32, 34 und 31,33,35 und schließlich von der Frequenz der den Steuergittern zugeführten, dem Wechselstromgenerator 36 entnommenen Wechselspannung ab. Welche Rolle der dreischenklige Eisenkern 13 sowie die Wicklungen 17, 19 und 21 mit den entsprechenden Kapazitäten 23, 24 und 25 spielen, ergibt sich vielleicht am deutlichsten aus dem folgenden Beispiel einer Arbeitsperiode in den Ent- *⁵ ladungsstrecken zwischen den Anoden 30 und 31 und der Kathode der Stromrichteranordnung 29. Wenn wir z. B. annehmen, daß die den Gittern der Anoden 30 und 31 zugeführten Steuerspannungen in ihrer Phase um einen Winkel von 120⁰ gegeneinander versetzt sind, ist die Anode 31 während 120⁰ stromführend und in der gleichen Zeit die Anode 30 gesperrt. Es wird· angenonimen, daß der Kondensator 23 vorher bis zu einer gewissen Spannung aufgeladen war und daß nun eine Entladung in die Wicklung 17 erfolgt und der Anode 31 durch eine magnetische Kupplung mit der Wicklung 18 zugeführt wird. Sobald die Anode 31 das Ende ihrer leitenden Periode erreicht, um dann während der darauffolgenden 240⁰ gesperrt 1 zu bleiben, übernimmt die Anode 30 die Stromführung und lädt während ihrer leitenden Periode den Kondensator 23 auf. Am Ende der leitenden Periode der Anode 30 geht der Strom auf eine der Anoden 32 oder 34 über, während die Anoden 30 und 31 nunmehr für die folgenden 120⁰ gesperrt sind. In dieser Sperrperiode entlädt sich der Kondensator 23 in die Transformatorwicklung 17, um darin die erforderliche magnetomotorische Kraft aufrechtzuerhalten. Dabei polt sich die Ladung des Kondensators um und erhält damit eine Polarität, die ihn befähigt, an die Anode 31 Energie zu liefern, sobald diese wieder leitend wird. Im übrigen ist es klar, daß die Kapazitäten 23, 24 und 25 nicht nur die Kommutierungsspannungen für die Kommutierung zwischen den Anoden 30, 32 und 34 liefern, sondern auch als Energiespeicher dienen, um die Anoden 31, 33 und 35 mit Strom zu versorgen.

Im folgenden sei die Wirkungsweise der Anordnung unter besonderer Berücksichtigung der Relais 50, 51, 53 und 54 sowie des erwähnten Steuerschalters näher erläutert. Zunächst sei angenommen, daß der Triebwagen stillsteht. Beim Anfahren werden dann zuerst einmal die Motoren 12 hintereinandergeschaltet und mit dem Gleichstromnetz 11 verbunden. Um den Motoren ein t starkes Anzugsmoment zu geben, werden den Gittern der Anoden 30,32 und 34 Steuerspannungen höherer Frequenz zugeführt, als dies im Normalfall nötig wäre. Sobald der Steuerschalter eingeschaltet wird, öffnet das Relais 54 seine Kontakte, wodurch von den Steuerelektroden der Anoden 30, 32 und 34 eine hohe negative Sperrspannung abgeschaltet wird und diesen Steuerspannungen aus ·°° dem Wechselstromgenerator 36 zugeführt werden können.

Zu gleicher Zeit wird das Relais 50 geschlossen und damit die Feldwicklung 46 an das Gleichstromnetz 11 gelegt, während das Relais 51 seine Kontakte öffnet und hiermit den Widerstand 48 mit der Feldwicklung 45 in Reihe schaltet. Die dabei erfolgende Schwächung des Feldes bewirkt eine Vergrößerung der Drehzahl des Motors 43. Ist «o die Drehzahl des Motors 43 beispielsweise fünfmal so groß wie im Normalfall, so beträgt die Frequenz der den Steuergittern zugeführten Steuerspannungen auch das Fünffache der Normalfrequenz, wobei eine Vergrößerung des normalen Ausgangsstromes des Stromrichters um 40 bis 200 Prozent eintreten kann. Würde man diese hohe Steuerfrequenz beibehalten, so bliebe auch der Strom 200 Prozent über dem Normalwert, und die an den Motoren 12 befindliche Spannung würde ansteigen. Um

zu verhindern, daß diese Spannung einen bestimmten vorgegebenen Wert übersteigt, wird das Feld der Feldwicklung 46 im Gleichstromkreis 11 in Abhängigkeit von SpannungsVergrößerungen in diesem Kreis gesteuert, um die Drehzahl des Motors 43 herabzusetzen. Es ist also so, daß die Motoren 12 zunächst anlaufen und dabei die Frequenz des Wechselstromgenerators 36 all-

1.0 mählich verkleinert wird, damit der Stromrichter bei Normallauf der hintereinandergeschalteten Motoren 12 in der gewünschten normalen Weise arbeitet. Erreicht hierbei die Spannung im Wechselstromkreis einen vor-

bestimmten Wert, der als Normalwert angenommen sei, so schließt das Relais 53 seine Kontakte, um an den Widerstand 42 die Spannung der Spannungsquelle 44 zu legen und damit die Anoden 30,32 und 34 zu sperren. Daraufhin wird der Steuerschalter des Triebwagens in die nächstfolgende Stellung gebracht, wobei die Motoren 12 teils parallel, teils hintereinandergeschaltet werden und die Relais 50, 51 und 54 wieder in der gleichen Reihenfolge arbeiten, so daß in dieser Parallel-Reihenschaltung im Gleichstromnetz 11 ein hoher Stromwert erreicht wird, der kleiner wird, sobald die Motoren 12 auf ihre neue Drehzahl kommen. Ist der neue Drehzahlwert erreicht, so ist die Spannung am Gleichstromnetz 11 wieder so groß, daß das Relais 53 anspricht und damit dem Maschinisten anzeigt, daß er den Steuerschalter wiederum weiterdrehen muß, wobei die Motoren 12 alle parallel geschaltet werden. Die Relais und der Gleichstrommotor arbeiten wieder in der gleichen Weise, bis die Spannung am Gleichstromkreis so groß geworden ist, daß das Relais S3 anspricht und von nun an seine Kontakte abwechselnd öffnet und schließt, um die Spannung am Gleichstromkreis Ii in bestimmten Grenzen zu halten. "

Beim Anhalten des Triebwagens bzw. einer Verringerung seiner Geschwindigkeit wird durch eine rückläufige Bewegung des Steuerschalters das Relais 54 zum Ansprechen gebracht, wodurch die Anoden 30, und 34 gesperrt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Kupplung zweier Gleichstromnetze, von denen eines konstante Spannung, das andere konstanten Strom führt, über eine Wechselrichter-Gleichrichter-Anordnung mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken, die vorzugsweise in einem mehranodigen Gefäß mit gemeinsamer Kathode untergebracht sind, wobei in den Wechselrichterteil eine Kondensator-Transformator-Anordnung (Boucherot-Kreis) eingeschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der übertragenen Leistung ein hinsichtlich seiner Drehzahl veränderbarer, umlaufender Umformer für die Speisung der

. Gitterkreise vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den rotierenden, die Steuerspannungen liefernden Umformer antreibende Motor zwei Erregerwicklungen besitzt, von denen die eine eine Nebenschlußwicklung ist, während die andere (Zusatzerregerwicklung) von der Sekundärgleichspannung gespeist wird.

4. Verfahren zur Steuerung der Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlassen das Motorfeld des Antriebsmotors nach Anspruch 2 geschwächt wird und von den Entladungsstrecken der Primärseite eine negative Sperrspannung weggenommen wird.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen