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Einrichtung zur Verbesserung der Arbeitsweise von Stromrichtern Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verbesserung der Arbeitsweise von Stromrichtern
und ist auf alle Arten von Stromrichtern, gleiciWül.tig ob.diese mit Ventilen oder=
mit mechanischen, Schaltkontakten arbeite-, anwendbar. Alle Stromrichter haben bekanntlich.
die Eigentümlichkeit, daß sie in dem Wechselstromnetz, an das sie angeschlossen
sind, Oberwellen erzeugen. Die Oberwellen treten. bereits auf, wenn der Stromrichter
voll .ausgesteuert ist, und sind auch bei Teilaussteuerung in praktisch gleicher
Größe vorhanden. Wenn ein Stromrichter, wie das bisher üblich ist, mit der Primärseite
seines Transformators .an ein Wechselstrom- bzw. Drehstromnetz angeschlossen wird;
welches an der Primärwicklung des Transformators eine sinusförmi.g verlaufende Spannung
aufrechterhält, so. nimmt der Stromrichter demgemäß einen Strom auf, der außer der
Grundwelle noch höhere Harmonische enthält, deren Ordnungszahl sich-nach der Phasenzahl
des Stromrichters richtet. Man ist bei den bisherigen Anlagen stets davon ausgegangen,
daß die Oberwellenströme, die der Stromrichter beim Anschluß an eine sinusförmige
Spannung aufnimmt, zu seinem Betrieb erforderlich seien. Wenn man daher zur Vermeidung
von Störungen, die die von dem Stromrichter herrührenden Oberwellen in dem Netz
oder anderen daran angeschlossenen Apparaten hervorrufen können, Schutzeinrichtungen
vorgesehen: hat, so waren diese stets so beschaffen, daß dem Stromrichter die Oberwellenströme
ungehindert zufließen konnten. Diese Oberwellenströme würden dann lediglich von
den anderen Netzteilen ferngehalten. - Hierzu hat man beispielsweise auf die Oberwellen
abgestimmte 'Resonanzkreise so geschaltet,
daß sie für die Oberwellenströme
einen Kurzschluß darstellen und ein Eindringen der Oberwellen in das Netz verhindern.
Dabei wurde an den Klemmen des Stromrichtertransform.ators stets eine zumindest
argenäherte sinüsförmige Spannung aufrechterhalten.
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Gemäß der Erfindung wird nun. in Abzveichung von dieser bisher üblichen-Betriebsweise
von Stromrichtern der Primärwicklung des Stromrichtertransformatörs ein im wesentlichen
sinusförm.iger Strom aufgezwungen, und zwar geschieht dies dadurch, daß der Widerstand
der Verbindung zwischen dem Stromrichtertransformator und dem Netz durch Zwischenschaltung
von Sperrkreisen für die hauptsächliche bzw. die hauptsächlichen; Stromoberwellen,
deren Frequenzen der Gleichung y = n # p -I-- z (p = Phasenzähl,
n- eine ganze Zahl) genügen;, unendlich groß gemacht wird. Es sei bemerkt, daß Betriebszustände;
bei äenen der 'Primärstrom des Stromrichtertransform.ators sich der Sinusforzn näherte,
schon beobachtet worden sind. In diesen Fällen wirkte nämlich die gesamte Reaktanz
des speisenden Netzes infolge ihrer ungewöhnlichen Größe sehr stark abschleifend
auf die Stromoberwellen. Im Netz, d: h. auf Geräte und andere an das Netz angeschlossene
Verbraucher, wirken sich solche Verhältnisse naturgemäß aber sehr störend aus, da
die Spannung, weil j a der Primärstrom des Strornrichtertransformators praktisch
sinusförmig ist; bereits in der Nähe der Generatoren, die j a einen großen Teil
der Netzreaktanz in sich schließen, stark verzerrt wird. Im Gegensatz Hierzu wird
bei der Erfindung die sinusartige Form des Stromrichterprimärstromes jedoch mit
Mitteln erzwungen:, die keinerlei Störungen im Netz zur Folge haben können. Durch
die Abriegelung sämtlicher von dem Transformator herrührenden Stromoberwellen vom
Netz können im Netz keinerlei nichtsinusförmige Spannungsabfälle entstehen. Die
vom Generator gelieferte praktisch sinusförmige Spannung bleibt also überall im
Netz erhalten. Erst hinter den Sperrkreisen, d. h. am Eingang des Stromrichtertransformators,
ist die Spannung stark verzerrt, und zwar folgt das daraus, daß der Stromrichter
j a einen Verbraucher darstellt, der bei sinusförmiger Spannung starke Strömoberwellen
aufnimmt, so daß dementsprechend, wenn ihm ein sinusförmiger Strom aufgezwungen
wird, die Spannung an dem Stromrichtertransformator nichtsinusförmig sein kann.
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Wie im nachfolgenden auseinandergesetzt werden 'soll, - ergeben sich
durch die erfindungsgemäße Maßregel eine Reihe für die innere Arbeitsweise des Stromrichters
sehr wesentlicher Vorteile. Zunächst einmal wird ohne besondere Hilfsmittel, wie
etwa Saugdrosseln oder Stromteiler, eine verlängerte .Stromführung der einzelnen
Anoden. erreicht. Vor allem aber findet der Anodenstrom nach Ablauf einer bestimmten
Zeit innerhalb der Periode von selbst sein natürliches Ende, ohne daß hierzu erst
durch Zündung bzw. Einschaltung der Folgephase der bekannte Kurzschlußkreis zwischen
den einander ablösenden Phasen gebildet zu werden braucht. Um den Strom in; der
abzulösenden Phase zum Erlöschen zu bringen, ist also keine zeitliche Überlappün:g
der einander ablösenden Phasen mehr erforderlich. Vielmehr geht das Erlöschen ganz
von selbst vor sich. Aus diesem Grunde ist die erfindungsgemäße Einrichtung auch
besonders vorteilhaft für Kontaktstromrichter, bei denen bekanntlich die Unterbrechung
des Stromes in der abzulösenden Phase wegen der Neigung zur Funkenbildung große
Schwierigkeiten bereitet. Durch die Erfindung ist es möglich, bei einem Kontaktstromrichter
mit wesentlich kleineren Kommutierungshilfseinrichtungen, wie Schaltdrosseln usw.,
zu arbeiten. Wie schon' erwähnt, werden in Durchführung des Erfindungsgedankens
dem Stromrichter zweckmäßig mehrere Sperrkreise vorgeschaltet, die auf die hauptsächlichsten
Stromoberwellen abgestimmt sind.
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Eine derartige Schaltung ist in Fig. z als Ausführungsbeispiel der
Erfindung wiedergegeben. I ist das speisende Drehstromnetz mit sinusförmi,ger Spannung.
In die Zuleitung von diesem Drehstromnetz z zu dem Stromrichtertransformator q.,
der auf der Primärseite in Dreiphasendreieck, auf der Sekundärseite in Sechsphasenstern
geschaltet i sein möge, sind zwei Sperrkreise :2 und 3 eingeschaltet, von denen
beispielsweise der eine auf die fünfte, der andere auf die siebente Harmonische
im Strom abgestimmt sein. mang. An den Gleichstromkreis, der durch den Stromrichter
5 gespeist wird, ist parallel zur Belastung 8 - hier durch eine Induktivität und
eine Batterie gebildet - noch ein Saugkreis, bestehend aus der Kapazität 6 und der
Induktivität 7, geschaltet, der zweckmäßig auf die p-te (p = Phasenzahl),
in diesem Fall also .die sechste Oberwelle abgestimmt ist und die Aufgabe hat.,
eine zusätzliche Verzerrung der Primärspannung des Stromrichters durch die Induktivität
im Gleichstromkreis zu verhindern.. Inwiefern eine solche zusätzliche Verzerrung
zustande kommen kann, soll weiter unten auseinandergesetzt werden. Mit dieser Einrichtung
erhält man eine Unterdrückung der fünften und siebenten Stromoberwelle im Drehstromnetz,
also eine z2phasi:ge Rückwirkung der Anlage auf das spreizende Netz
bei
rein 6phasiger Schaltung des Stromrichters.
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Um die Verhältnisse, die sich bei der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung
ergeben, überblicken zu können, ist es zunächst einmal zweckmäßig, sich über die
Vorgänge im Stromrichtertransformator Klarheit zu verschaffen. Wie schon oben erwähnt,
lautet die Gesetzmäßigkeit für die Ordnungszahl derPrimärstromoberwellen von Stromrichteranlagen
v-n.1@-f-y während die Größe dieser Oberwellen dem Gesetz
folgt. Diese beiden Gesetzmäßigkeiten enthalten, wie man sieht, lediglich die Phasenzahl
p als willkürlich Veränderliche. Die besondere Schaltung des Stromricbtertransformators,
oder mit anderen Worten, die Axt und Weise, wie man die Vi.elphasigkeit der Anlage
erreicht, sind demnach ohne Einfloß auf die Oberwellen. Man kann sich daher bei
der Ableitung der Oberwellengrundgesetze von der besonderen Schaltung des Stromrichtertransform;ators
freimachen. Man betrachtet zweckmäßig einen nach Art einer elektrischen Maschine
ausgebildeten Transformator, nämlich in Form eines zweipoligen Drehtransformators.
Für einen so ausgebildeten Transformator gelten die Fig. 2 a und 2 b der Zeichnung.
Die Wicklungen der drei Primärphasen seien als Drehstromwicklungen um 12o0 und die
p Sekundärphasen entsprechend um den Winkel 36o°/p räumlich gegeneinander versetzt,
angeordnet. Die p Sekundärphasen werdn durch eine Seite ihrer mittleren Windungen
s1, s2 . . . sp und ebenso entsprechend die drei Primärphasen durch p1, p2, p3 gekennzeichnet.
Ferner mögen die einzelnen Wicklungen, beispielsweise durch geeignete Sehnung, sinusförmig
über den Umfang verteilt sein, so daß. jede Phasenhälfte über' eine ganze Polteilung
ausgebreitet ist und jede Phasendurchflutung@ für sich einen sinusförmigen Strombelag
liefert. Über die gegenseitige Lage der Primär- und Sekundärwicklungen besteht keinerlei
Vorschrift.
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Diese Transformatorform gestattet es, mit nur einem magnetischen Drehfeld
0 und einer elektrischen Drehdurchflutung für die Primärseite (0p) und für die Sekundärseite
(O,) zu arbeiten, an Stelle der verschiedenen V6'echselfelder und Wechseldurchflutuugen
des Mehrschenkeltrausformators.
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Zunächst sei zum späteren Vergleich auf Jen Betrieb des Transformators
als gewöhnlicher Leistungstransformator kurz eingegangen. Induktionsfluß und Strombelag
sind dabei sinusförmig über den Umfang verteilt. Beide Wellen laufen mit synchroner
Drehzahl n, im Raum um und haben eine feste Lage zueinander. Bei einer Leistungsübertragung
mit cos p = 1 müssen sich Induk tionsfluß und Strornbelagwelle decken, denn in den
Windungen, die augenblicklich den Höchstwert des Stromes führen und an der Stelle.
höchsten Strombelages liegen, muß gleichzeitig die höchste Spannung induziert werden;
sie befinden sich somit auch an der Stelle des Höchstwertes der magnetischen -Induktion:
Bei reiner Blindleistung dagegen sind die bei den Wellen um 1/4 Wellenlänge gegeneinander
versetzt.
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Man pflegt nun die Induktion- und Strombelagwelle durch Vektoren 0
bzw. O darzustellen und so die elektromagnetischen Verhältnisse von Drehstromm.aschinen
nicht nur durch zeitliche, sondern auch durch räumliche Vektordiagramme zu beschreiben.
Der Induktionsflußvektor hat den Betrag .des gesamten Indul@tionsflusses j e Pal
und die radiale Richtung des Höchstwertes der magnetischen Induktion irn Luftspalt.
Die Vektoren der primären und sekundären Durchflutung 0p und 0s haben den Betrag
der gesamten elektrischen Durchflutung je Pol herrührend von: den drei Primär- bzw.
p Sekundärwicklungen; sie zeigen in Richtung der Achse eine Windung, welche durch
ein Leiterpaar an den Stellen der beiden Höchstwerte des Strombelages gebildet wird;
hierbei sind Vektor- und Stromrichtung bekann= teeweise einander zugeordnet.
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Unter Vernachlässigung der iriagnetischen Streuung und des Magnetisierungsstromes
kann man die Leistungsverhältnisse des gewöhnlichen Leistungstransformators lediglich
durch die beiden mit synchroner Drehzahl umlaufenden. Vektoren für Indüktionsfluß
0 und die Primärdurchflutung 0p darstellen Der Induktionsfloß ist ein Maß für die
Spannung und 0p ein Maß für den Primärstrom. Bei reiner Wirkleistung' stehen die
beiden Vektoren senkrecht aufeinander; bei reiner Blindleistung dagegen sind sie
gleichgerichtet. Zum Verständnis des Folgenden ist es weiter zweckmäßig, sich die
Wicklungen des Transformators gegen das Drehfeld im Raum mit synchroner Drehzahl
rotierend zu denken. Man erreicht dadurch, daß das magne- 1 tische Feld und die
Strombelagwelle und da-
mit das Vektorpäar 0, 0p im Raum stillstehen. Damit
ist das räumliche Vektordiagramm für den Betrieb des Tranformato-rs als gewöhnlicher
Leistungstransformator mit i sinusförmigen Strömen und Spannungen in seiner einfachsten
Form (Fig. 2 a) gegeben.
Was nunmehr die Strombelastung der Wicklungen
.anbetrifft, so führt der Eigenart des Stromrichters entsprechend jeweils nur eine
Sekundärphase Strom, und zwar Gleichstrom; während die anderen Sekundärphasen gleichzeitig
stromlos sind. Die Einschaltdauer einer Sekundärphase während einer Netzperiode
beträgt ß = 36o 0/" gemessen in elektrischen Graden. Während der Einschaltdauer
werden die Wicklungen infolge ihrer synchronen Drehgeschwindigkeit, wie in Fig 2b
dargestellt, um denselben Winkel ß gedreht. Die sinusförmig über den Umfang verteilte
Sekundärdurchflutung 0S der stromführenden Phase und damit gleichzeitig die kompensierende
Primärdurchflutung 0p sind daher im Raum nicht stillstehend, wie dies beim gewöhnlichen
Leistungstransformator der Fall wäre, sondern sie drehen sich mit synchroner Winkelgeschwindigkeit
um den Brennwinkel ß, um dann augenblicklich beim Erlöschen der Anode zu verschwinden
und beim Zünden, der nächsten Phase in der Ausgangslage wieder zu. erscheinen und
denselben Sektor von neuem zu bestreichen. In Fig. 2b ist das eben beschriebenePrimärdiagramm
0, O, des Stromrichtertran.sformators dargestellt. Es unterscheidet sich vom Diagramm
des normalen Leistungstransformators dadurch, d@aß die Vektoren d), OP keine feste
Lage zueinanderhaben, sondern ep beschreibt beim Stromrichtertransformator einen
Sektor.
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Im folgenden seien nun die Verhältnisse betrachtet, die sich bei dererfindungsgemäßen
Anordnung ergeben. Dabei sei der Einfachheit halber angenommen, daß der Widerstand
der Verbindung zwischen dem Stromrichtertransformator und dem Netz für sämtliche
vorkommenden Stromöberwellen unendlich groß sei. Bei Strorriresonanz für sämtliche
Oberwellen kann sich daher keine einzige Oberwelle im Primärstrom ausbilden. Der
Primärstrom -muß daher frei von Oberwellen und rein s:inüsförrnig sein. Es liegt
der ungewöhnliche Fäll vor, daß für die Anlage nun die Form des Primärstromes vorgeschrieben
ist, während dies üblicherweise für die Primärspannung zutrifft: Für das räumliche
Vektordiagramm der Fig.3 bedeutet rein sinusförmiger Primär-Strom, daß der Vektor
der Primärdurchflutung 0, im Raum stillsteht, denn die Primärwicklung ist von reinem
Drehstrom durchflossen. Dies hat zur Folge, daß nunmehr zwei S ekundärphasen .gleichzeitig
Strom führen müssen, derart, daß der Summenvektor der beiden mit synchroner Drehgeschwindigkeit
umlaufenden Sekundärdurehflutungen dauernd den konstanten Betrag und die konstante
Richtung von - 0p hat, sofern man denMagnetisi.erungsstromvernachlässigt.
Für die Sekundärströme ist ferner die Bedingung zu beachten, däß sie infolge des
Stromrichterbetriebs nur im Sternpunkt nach den Phasenenden fließen können. In Fi;g.
3 sind die Verhältnisse wieder für einen sechsphasigen Stromrichter dargestellt.
Die beiden Sekundärdurchfiutungen 0s1 und O" sind räumlich um gegeneinander versetzt.
Es ist leicht
einzusehen, daß der Eckpunkt A des Durchflutungsdreiecks sich auf einen Kreis bewegen'
muß, da der Winkel y = z 2o ° und die gegenüberliegende Dreieckseite 0p konstant
sind.
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Aus dem vorher Gesagten ergibt sich, daß die Vektoren OSl und O, einen
zeitlichen Sektor mit der Öffnung beschreiben. Die Anodenbrenndauer
hat sich also gegenüber den beim normalen Stromrichterbetrieb vorliegenden Verhältnissen
verdoppelt. Es brennen stets zwei Anoden gleichzeitig. Der Anoden- bzw. Phasenstrom
hat nicht mehr die beim gewöhnlichen Stromrichter vorhandene Rechteckform, sondern
wird durch die aufsteigende und die abfallende Flanke zweier sich schneidender Sinuslinien
gebildet. Dieser Stromverlauf ist in Fig. q. kurvenmäßig dargestellt. Man erkennt
aus Fig. d:, daß sich die Ströme der einzelnen Phasen jeweils um die Zeit überlappen.
Wesentlich ist vor allen Dingen,
daß der Strom einer Phase, beispielsweise der Strom 1", von selbst wieder bis auf
Null herabsinkt, so daß der Strom J,s" beginnen kann, ohne daß es hierzu irgendeines
Konimutierungsvorganges, beispielsweise einer zeitlichen Überl@ppung der beiden
Phasen., bedürfte. Der Strom jeder Phase geht also auf natürlichem Wege aus, und
die nächste Phase wird erst anschließend daran gezündet.
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Der Gleichstrom des Stromrichters ist offenbar der algebraischen Summe
von Qs, und O" verhältnisgleich. Bei vollkommener Stromresonanz ist, wie aus den
Fig. 3 und d: zu entnehmen ist, die Form der Gleichstromes erzwungen unabhängig
von den auf der Gleichstromseite etwa vorhandenen Induktivitäten. Der Gleichstrom
besteht als Summe der einzelnen Phasenströme aus zeitlich aneinandergereihten Kuppen
von sinüsförmigen netzfrequenten Strömen= wobei jede Kuppe die Breite
besitzt.
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Da nur zwei benachbarte Sekundärphasen gleichzeitig Strom führen,
so sind sowohl deren Anfänge :über den Lichtboden als ,auch deren: Enden über den
Transformatorstern- i pünkt zwangsweise potentialgleich gemacht. Die in den beiden
Wicklungen induzierten
Spannungen müssen infolgedessen während des
gemeinsamen Einschaltzeit zwangsweise gleich groß sein. Andererseits ist die Form
der sekundären Phasenspannung während der Einschaltzeit durch den Verlauf der Gleichspannung
gegeben. In dem Beispiel des Betriebs der Anlage auf Gegenspannung E und Induktivität
L,. wie er bei Stromrichteranlagen für Gleichstrommaschinen und für Elektrolyseanlagen
üblicherweise vorhanden ist, ist die Phasenspannung während der Einschaltzeit gegeben
aus der Summenspannung, aus Gegenspannung E und induktiver Spannung an der Induktivität
Entsprechend der Welligkeit des Gleichstroms besteht die induktive Spannung
die der Stromdurchgang durch die Induktivität L erfordert, aus zwei 6o° el breiten
Flanken einer netzfrequenten sinusförmigen Spannung. In Fig.5 ist die Form der Phasenspannung
während der Einschaltzeit (iao° e1) aufgetragen. Bei einem näheren Eingehen auf
die magnetischen Verhältnisse des Stromrichtertransformiators läßt sich der weitere
Verlauf einer Periode der Phasenspannung ergänzen. Es ergibt sich die in Fig. 5
dargestellteForm.
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Mit dem Verlauf der sekundären Phasenspannungen ist auch der Verlauf
der Primärspannung bekannt, die in Fig. 6 dargestellt ist. Es ist interessant, zu
sehen, wie die Primärspannung sich aus zwei Teilen zusammensetzt. Sie besteht einmal
aus einem gestrichelt gezeichneten Anteil, der durch die Gegenspannung E bestimmt
ist und der vollkominen übereinstirmnt mit der Stromform, die bei Speisung der Anlage
mit sinusförmiger Spannung vorhanden wäre. Der andere Spannungsanteil, der durch
die Gleichstromindgktdvität bedingt ist, ruft,. wie man, sieht, eine zusätzliche
Verzerrung der Primärspannung hervor; er ist proportional der Induktivität.
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Eine Glättun:gtsinduktivität im Gleichstromkreis wäre also bei der
erfindungsgernüßen Anordnung ohne E:influß auf die Form des Gleichstroms und würde
im Gegenteil nur noch eine weitere Verzerrung der Primärspann.ung hervorrufen. Man
wird infolgedessen von einerGlättungsin.duktivität zweckmäßig absehen, sofern man
dazu für der Lage ist. Um Verzerrungen der Primärspannung .durch die unvermeidlichen
Induktivitäten des Gleichstromkreises zu verhindern, kann man, wie dies in F'ig.
i gezeigt ist, einen oder mehrere an sich bekannte Saugkreise parallel zu den Gleichstromklemmen
schalten, die auf die hauptsächlichsten Frequenzen der Gleichstromo#berwellen abgestimmt
sind.
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Ein sehr wichtiger Vörtel der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht
noch darin, daß die Form des Gleichstromes und der Wechselstromdurchflutung auch
dann erhalten bleibt, wenn der Beginn: oder das Ende der Stromführungsdauer der
einzelnen Phasen: durch Gittersteuerung oder ähnlich wirkende Mittel verändert wird.
Eine derartige Steuerung wirkt sich in dem Diagramm nach Fig.3 lediglich so .aus,
daß die Primärdurchflutung im Sinne einer Phasenverspätung, d. h. im Sinne des Umlaufs
der Wicklungen, verschoben wird, ohne daß die Form der Sekundärdurchflutun;gen dadurch
beeinflußt werden kann. Der Primärstrom hat also nach wie vor, wie das ja auch Voraussetzung
ist, reine Sinusform. Für die Primär- und Sekundärspannungen bedeutet dies, daß
sie ebenfalls in ihrer typischen, voh der Art der Belastung abhängigen Form erhalten
bleiben und vor allem, daß im Gegensatz zum gewöhnlichen Stromrichterbetrieb die
Grundwellen von Strom und Spannung in Phase miteinander bleiben. Die Änderung der
übertragenen Leistung, beispielsweise .bei Zündzeitpunktverzögerung, kommt dann
dadurch zustande, daß sich die Größe der Grundwellenspannung an den Stromrichtersammelschienen
vermindert, so daß schließlich bei derWirkleistungsübertragung Null nur noch die
Oberwellen der Spannung übrigbleiben. -Wie schon erwähnt, sind Saugdrosseln oder
sonstige Mittel zur Verlängerung der Stromdauer der Phase nicht erforderlich. Sollten
trotzdem in der Anlage eisenschlossene Saugdrosselspulen vo,rh,anden sein, so, geht
deren Wirkung infolge magnetischer Übersättigung verloren, da die Gleichstromdurchflutungen
der beiden Spulenhälften einander nicht mehr kompensieren.
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Während hier der Fall betrachtet wurde, daß sämtliche Stromoberwellen
restlos unterbunden werden, dürfte es in der Praxis im allgemeinen genügen, nur
die wichtigsten Oberwellen durch Sperrkreise .abzuriegeln und die kleineren; Stromoberwellen
zuzulassen. Neben den bereits erwähnten Vorteilen zeichnetsich die erfindungsgemäße,
Anordnung auch noch dadurch aus, daß sie eine sehr einfache Transformatorschaltung
ohne Zickzackwicklungen usw. gestattet, so daß sie auch aus diesem Grunde für hohe
Spannungen besonders geeignet sein dürfte. Bei Hochspannung wird. dann auch der
Aufwand für die Sperrkreiskondensatoren entsprechend i gering.