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Umformereinrichtung mit zwei ihrer stromrichtenden Wirkung nach in
Reihe geschalteten Stromrichtern Die Erfindung bezieht sich auf Stromrichteranordnungen
zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen einem Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz.
Eine vollkommene Lösung des Problems der wechselseitigen Energieübertragung wird
mit Hilfe von zwei Gas- oder Dampfentladungsgefäßen erreicht, die beide ständig
mit dem Gleichstromnetz in Verbindung stehen und von denen in . jedem Augenblick
eins als -Gleichrichter und das andere als Wechselrichter arbeitsbereit ist, sö
daß ein Übergang von der einen Energierichtung zu der anderen jederzeit. ohne weiteres
möglich ist. Welches der beiden Gefäße jeweils als Gleichrichter und welches als
Wechselrichter ausgesteuert wird, hängt dabei nur von der Polarität des Gleichstromkreises,
bei der Speisung eines Gleichstrommotors also von dessen Drehrichtung ab. Bei dieser
Schaltung der Entladungsgefäße ist die Kathode jedes Entladungsgefäßes mit dem Transformatornullpunkt
des anderen Entladungsgefäßes verbunden; es ergibt sich somit ein geschlossener
Stromkreis, in dein die beiden Entladungsgefäße mit gleicher Durchlaßrichtung hintereinandergeschaltet
sind.
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Diese Tatsache bringt es mit sich, daß in dem so gebildeten inneren
Stromkreis der Stromrichteranlage unter gewissen Voraussetzungeri Ausgleichsströme
zustande kommen können, die unter Umständen eine für den Betrieb störende Größe
annehmen können. Es sind bereits eine ganze Reihe von Mitteln bekanntgeworden, die
der Bekämpfung dieser sog. Kreisströme dienen sollen. Da diese Kreisströme daran
gebunden sind, daß in dein Kurzschlußkreis eine resultierende Spannung in Richtung
der stromrichtenden Wirkung der hintereinandergeschalteten Entladungsgefäße vorhandenist,
so hat man bereits vorgeschlagen, die Entladungsgefäße in Abhängigkeit voneinander
so- zu steuern, daß die Anodenspannung des Gleichrichtergefäßes stets kleiner ist
als die Anodenspannung des Wechselrichtergefäßes. Hierbei ergibt sich jedoch die
Schwierigkeit, daß beim Übergang vom Gleichrichterbetrieb auf den Wechselrichterbetrieb
oder umgekehrt ein unter Umständen recht erheblicher Spannungssprung in Kauf genommen
werden muß, der die Vorteile der beschriebenen Stromrichteranordnung wieder in Frage
stellt. Ähnliches gilt für ein weiterhin bekanntgewordenes Mittel zur Bekämpfung.
der Kreisströme, das därin besteht, dem Wechselrichtergefäß mit Hilfe eines Transformators
von vornherein eine höhere Wechselspannung zuzuführen als dem Gleichrichtergefäß.
Ein dritter Vorschlag, der ebenfalls bekanntgeworden ist, geht schließlich dahin,
in
dem Kurzschlußkreis Drosselspulen vorzusehen, dm durch die erhöhte Induktivität
dieses Kreises bei gegebener treibender Spannung den auftretenden Kreisstrom klein
zu halten. Für eine nennenswerte Herabsetzung des Kreisstromes wäre aber eine sehr
große fuduktivität nötig, die dann auch den zu dem Verbraucherkreis fließenden Strom
in unerwünschter Weise beeinflussen würde.
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Die genannten Schwierigkeiten bei der Unterdrückung der Kreisströme
in Stromrichteranlagen mit zwei ihrer stromrichtenden Wirkung nach in Reihe geschalteten
Stromrichtern werden gemäß der'Erfindung durch im Reihenstromkreis wirksame Mittel
vermieden; die auf dem gemeinsamen Grundgedanken beruhen, einem beide Stromrichter
hintereinander durchfließenden Strom einen sehr großen, dem dem Gleichstromnetz
zufließenden Strom dagegen einen praktisch vernachlässigbaren Widerstand entgegenzusetzen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. i der Zeichnung
dargestellt. Es sei dabei angenommen, daß es sich um eine Kreuzschaltung handelt,
bei der auf einen Drehrichtungswechsel des gespeisten Motors 6 verzichtet wird,
bei der also die beiden Entladungsgefäße ihre Rollen nicht zu vertauschen brauchen.
Auf der linken Seite möge sich das Gleichrichtergefäß, auf der rechten Seite das
Wechselrichtergefäß befinden. Mit 9 ist derjenige Knotenpunkt bezeichnet, in dem
der eine - Pol des Verbrauchers 6 mit der Kathode -des Gleichrichtergefäßes und
dem Transformatörnullpunkt des Wechselrichtergefäßes zusammengeschlossen ist. Diese
Verbindung-erfolgt über drei -Drosselwicklungen -io,. ir und 12, die auf einem gemeinsamen
Eisenkern 13 angeordnet sind. Der Wicklungssinn der Spulen ist so gewählt,
daß sich bei Speisung des Verbrauchers 6 aus dem an die- Wicklung io angeschlossenen
Gleichrichter die magnetischen Wirkungen der beiden ,Spulen io und ii bezüglich
des Eisenkernes aufheben, däß dagegen bei einem Strom, der von links aus dem Gleichrichtergefäß
über die Wicklung io, den Knotenpunkt 9 und die Wicklung 12 nach dem Wechselrichtergefäß
hin fließt; der Eisenkern 13 von den beiden Wicklungen. io und i2 in gleichem
Sinne magnetisiert -wird. Im ersteren Fall wird daher dem gleichgerichteten Ström
nur ein verhältnismäßig geringer Widerstand entgegengesetzt, während ein über die
Wicklungen io und 12 von dem gleichen Gefäß zu dem Wechselrichtergefäß fließender
Kreisstrom einen erheblichen induktiven Widerstand vorfindet. Beim Bremsen, d. h.
also, wenn Strom vom Verbraucher 6 zu dem Wechselrichtergefäß fließt, sind allerdings
die magnetischen Wirkungen der Spulen i i und 1z ebenfalls in gleichem Sinne gerichtet.
Durch geeignete Wahl der Abmessungen kann man es jedoch erreichen, daß durch die
hierbei entstehende magnetische Erregung der Eisenkern bereits gesättigt ist, so
daß für den Bremsstrom keine nennenswerte Induktivität mehr vorhanden ist. - Im
übrigen tritt j a der Wechselrichterbetrieb im allgemeinen sehr viel seltener auf
als der Gleichrichterbetrieb, so daß eine etwa noch vorhandene Restinduktivität
nicht sonderlich schaden würde.
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Ein weiteres; auf dem gleichen Erfindungsgedanken beruhendes Mittel
zur Vermeidung von Kreisströmen -besteht darin, daß in dem Reihenstromkreis Schalteinrichtungen
vorgesehen werden, welche ihn teilweise oder ganz unterbrechen. Man kamt zu diesem
Zweck an sich beliebige' Schalteinrichtungen verwenden, jedoch dürften hierfür gittergesteuerte
Entladungsgefäße besonders zweckmäßig sein. Die Gittersteuerungseinrichtungen dieser
Entladungsgefäße werden dann vorteilhaft von den Betriebszuständen der Stromrichterschaltung
abhängig gemacht, beispielsweise in der Art, daß sie je nach der Stellung des Steuerhebels
mehr oder weniger freigegeben werden. Je nachdem der Hebel nach der einen oder der
anderen Seite ausgelegt wird, j e nachdem also die Gleichstrommaschine als Motor
oder Generator betrieben werden soll, wird entweder die Verbindung zwischen Gleichstrommaschine
und Gleichrichter öder die Verbindung zwischen Gleichstrommaschine -und Wechselrichter
freigegeben. Der Steuerhebel -wird zweckmäßig als Kniehebel ausgebildet, damit der
Übergang von der einen Betriebsweise zur anderen möglichst schnell vonstatten geht
und damit der von Motorbetrieb auf Bremsbetrieb umgeschaltete Gleich- i strommotor
durch den über den Wechselrichter fließenden generatorischen Strom abgebremst wird.
Bei dieser Steuerungsart braucht naturgemäß auf die sonst erforderliche gegenseitige
Abhängikeit der Zündpunkteinstellung der beiden Stromrichter weniger Rücksicht genommen
zu werden. Der Zündwinkel des Wechselrichters kann so bemessen werden, daß er von
der Größe der in= düzierten Spannung des Gleichstrommotors abhängig ist und bei
jedem Wert dieser induzierten Spannung einen Bremsstrom liefert, der einerseits
keine unzulässig hohe Belastung des Gleichstrommotors darstellt, andererseits aber
auch zur Erzeugung des notwendigen Bremsdrehmomentes ausreichend ist.
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Fig.2 der Zeichnung zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, dessen
Wesen .darin besteht, daß die Gittersteuerungen der beiden Stromrichter -in gegenseitige
-Abhängigkeit voneinander gebracht sind; und zwar derart, daß jeweils der Gleichrichter
oder der Wechselrichter
vollständig gesperrt ist. Nur einer der
beiden Stromrichter wird daher jeweils gesteuert, so daß auch in jedem Zeitpunkt
nur einer von beiden Strom führen kann.
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Die beiden Stromrichter a1 und 22 sind über Transformatoren 23 und
24 an ein Wechselstromnetz 25 angeschlossen. Der eine Pol der Gleichstrommaschine
26 ist mit der Kathode des Entladungsgefäßes 21 sowie mit dem Nullpunkt des Transformators
24, der andere Pol mit der Kathode des Entladungsgefäßes 22 sowie mit dem Nullpunkt
des Transformators 23 verbunden.
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Die Steuergitter der beiden Stromrichter 1, 22 sind in üblicher Weise
an Hilfsgleichstromqttellen 27 und 28 unter Zwischenschaltung von Potentiometerwiderständen
angeschlossen. Der negative Pol der Gleichstromquelle liegt über Vorschaltwiderstände
29 und 30 unmittelbar am Gitter, während in die Verbindungsleitung zwischen
dem positiven Pol der Gleichstromquelle und dem Gitter außer den -Vorschaltwiderständen
31 und 32 noch synchron umlaufende .Kontaktapparate 33 und -34 geschaltet sind,-
die durch Synchronmotoren 35 und 36 angetrieben werden.
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An Stelle dieser Steuereinrichtungen kann natürlich auch irgendeine
andere der bekannten- Steuerungsarten zur Einstellung des Zündpunktes der Entladungsgefäße
verwendet werden.
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Wie aus dem Schaltungsschema ersichtlich ist, sind die Verbindungsleitungen
zwischen dein positiven Pol der Gleichstromquelle 27 bzw. 28 und den Steuergittern
der Stromrichter noch Relaiskontakte eines Waagebalkenrelais 40 geschaltet. Das
Relais hat dein Zweck, die beiden Stromrichter 21 und 22 gegenseitig zu sperren
bzw. zu verhindern, daß ihre Gitter gleichzeitig ausgesteuert werden. Das Relais
ist. mit Spulen 41 und 42 ausgerüstet, von denen die erstgenannte Spule an einen
Steuerwiderstand So angeschlossen ist, während @ die- Spule 42 an den Klemmen der
Gleichstrommaschine 26 liegt. Der Strom in der.Spule 41 hängt von der Einstellung
des Steuerwiderstandes So ab und damit von der Zündpunkteinstellung der beiden Stromrichter-21
und a2; denn essoll angenommen sein, daß mit der Veränderung des Steuerwiderstandes
5o in geeigneter Weise auch die Zündpunkteinstellung verbunden ist. Der Einfachheit
halber sind für diese Abhängigkeit in dem Schaltungsschema keine besonderen Schaltungen
angegeben. Die Anordnung kann beispielsweise so getroffen sein, daß zusammen mit
dem Widerstand 5o die Phasenlage der Erregung der beiden Synchronmotoren 35 und
36 geändert wird und damit die Synchronlage dieser beiden Motoren, die bekanntlich
für die Ziindpunkteinstellung des Stromrichters maßgebend ist. Die Motoren erhalten
zu dem Zweck Erregerwicklungen, die in, verschiedenen Achsen liegen.
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Die Zugkraft der Relaisspule 41 des Waagebalkenrelais 40 wirkt der
Zugkraft der Relaisspule 42 entgegen. Die Stellung des Relais hängt somit von der
Größe der Ankerspannung der Gleichstrommaschine 26 in, Verhältnis zur Einstellung
des Anlaßwiderstandes So ab. In der Verbindungsleitung zwischen den Relaiskontakten
43 und 44 und den -Kontakteinrichtungen 33 und 34 der beiden Stromrichter liegen
noch Umschalter 51, welche zwangsläufig mit dem Steuerhebel- des Anlaßwiderstandes
So derart gekuppelt sind, daß sich sämtliche Steuerhebel jeweils in gleicher Lage
befinden. Die Umschalter 51 haben den Zweck, von den beiden Relaiskontakten 43 und
44 ,jeweils den einen dein als Gleichrichter arbeitenden Stromrichter und den.anderen
dein als Wechselrichter arbeitenden Stromrichter zuzuordnen. In dem Schaltungsschema
der Fig. z ist angenommen, daß der Stromrichter 2,1 als Gleichrichter und der Stromrichter
22 als Wechselrichter arbeitet, wenn der Anlaßwiderstand So nach links bewegt wird.
Die Relaiskontakte 43 des Relais 40 sind dann in den Gitterkreis des Stromrichters
2i geschaltet, während die Relaiskontakte 4.4. in dem. Gitterkreis des Stromrichters
22 liegen. Bei Bewegung des Anlaßwiderstandes So nach rechts arbeitet umgekehrt
der Stromrichter 21 .als Wechselrichter und der Stromrichter 22 als Gleichrichter
bei entsprechender Umschaltung der beiden Relaiskontakte 43 und 44.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist unter der Annahme,
daß die Gleichstrommaschine 26 als Motor arbeitet und angelassen werden soll, folgende:
Der Widerstand So wird aus, einer Nullstellung nach links ausgelegt. Die Relaisspule
¢1 erhält Strom; das Relais 40 schließt die Kontakte 43. Je nach der Stellung des
Widerstandes So wird der Zündpunkt des Stromrichters 21 mehr oder weniger verzögert
und dem. Gleichstrommotor 26 eine entsprechende Gleichspannung zugeführt. Der Kontakt
43 des Relais 4o bleibt so lange geschlossen, wie die Zugkraft der Spule 41 diej
enige der Spule 42 überwiegt, deren Erregerstrom von der Ankerspannung des Motors
26 abhängig ist. Das Relais möge so bemessen sein, daß bei normaler Belastung des
Motors die Zugspannung der Relaisspule 41 noch etwas überwiegt, so daß das Relais
die Kontakte 43 geschlossen hält.
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Ändert sich während des Betriebes die Erregung der beiden Spulen 41
und 4a des Relais 4o derart, daß die Zugkraft der Spule 42 überwiegt, so werden
die Kontakte 43 geöffnet
und die Kontakte 44 geschlossen;
d: h. der Gleichrichter 2,1 wird gesperrt und der Wechselrichter 22 ausgesteuert.
Es kann dies aus verschiedenen Gründen eintreten. Wird beispielsweise der Steuerhebel
des Anlaßwiderstandes 5o zum Zwecke einer Drehzahlverininderung des Motors- nach
rechts bewegt, so wird die Zugkraft der Spule 41 zunächst stärker abnehmen als diejenige
der Spule 42; weil die Ankerspannung des Motors 26 wegen der zunächst noch nicht
oder nicht in genügendem Maße abnehmenden Drehzahl des Motors nur wenig von ihrem
vorhergehenden Wert abweicht. Das Relais 40 schließt dann sofort die Relaiskontakte
44 und sorgt dafür, daß der Motor als Generator arbeitet und daher abgebremst
wird. Sobald die neue IDrehzahl des Motors der geänderten Einstellung des Relaiswiderstandes
5o sich ängepaßt hat, kann das Relais 40 wieder- nach der anderen Seite ausschlagen
und die Kontakte 43 schließen, so daß der normale Motorbetrieb, bei dem der Stromrichter
21 als Gleichrichter arbeitet, wiederhergestellt ist.
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Eine andere Möglichkeit für Änderungen der Erregerverhältnisse des
Relais 4c ist dann gegeben, wenn die Belastung des Motors 26 sich während des Betriebes
ändert. Verwendet man den Motor beispielsweise zum Antrieb einer Fördermaschine,
so kann bei niedergehender Last zunächst ein motorisches Drehmoment der Gleichstrommaschine
26 notwendig sein, um die Last in Bewegung zu setzen, während kurz darauf der Haspelmotor
durch die Last als Generator angetrieben wird, so daß dann ein generatorisches Bremsmoment
notwendig wird. In diesem Falle wird das Relais 4o zunächst die Kontakte 43 und
beim übergang vom motorischen auf den generatorischen Betrieb die Kontakte 44 schließen.
Wird der Widerstand So nach der entgegengesetzten Seite bewegt, so bleiben die vorstehend
beschriebenen Wirkungen genau die gleichen, nur mit dem Unterschied, daß die Kontakte
43 jetzt dem Stromrichter 22 und die Kontakte 44 dem Stromrichter 21 zugeordnet
sind.
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Das Relais 40 wird zweckmäßig so ausgebildet, daß es nicht in der
Mittellage stehenbleibt, sondern daß stets entweder die Kontakte 43 oder die Kontakte
44 geschlossen sind. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß in der
Nullstellung des Umschalters 51 und des Widerstandes 5o eine bestimmte Mindesterregung
der Spule 41 eingehalten wird.
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Es wurde bereits erwähnt, daß die Verstellvorrichtung des Anlaßwiderstandes
5ö sowohl mit der Hilfssynchromnaschine 35 des Stromrichters 21 als auch mit der
Hilfssynchronmaschine 36 des Stromrichters 22 in Verbindung steht. Diese doppelseitige
Abhängigkeit hat den Zweck, die Zündpunkteinstellungen der beiden Stromrichter 21
und a2 gleichzeitig zu ändern. Je größer die Aussteuerung des beispielsweise als
Gleichrichter arbeitenden Stromrichters 21 ist, um so größer kann auch der Zündverzögerungswinkel
des Wechselrichters sein, denn mit zunehmender Aussteuerung des Gleichrichters wächst
die zugehörige Spannung des Gleichstrommotors 26 und damit die für den Strom des
Wechselrichters-maßgebende Differenz zwischen der Spannung des Gleichstrommotors
und der Spannung des Wechselrichtertransformators.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist angenommen worden, daß das
Relais, welches die gegenseitige Abhängigkeit der Gittersteuerung der beiden Stromrichter
2r und 22 überwacht, von der Spannung des Gleichstrommotors 26 abhängig ist. Das
gleiche Ziel kann auch dadurch erreicht werden, daß für die Stellung des Relais
andere Betriebsgrößen der Gleichrichteranordnung, beispielsweise der von dem Motor
aufgenommene Strom oder die Drehzahl, maßgebend sind. Das Wesen der Steuerung liegt
in jedem Fall darin, daß Gleichrichter und Wechselrichter stets dann durch Aussteuerung
zur Verfügung stehen sollen, wenn sie betriebsmäßig gebraucht werden, und daß außerdem
verhindert wird, daß in dem aus den beiden Stromrichtern gebildeten Reihenstromkreis
ein unnützer Kurzschlußstrom fließt.