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Einrichtung zur Regelung der von steuerbaren Lichtbogenentladungsstrecken
abgegebenen Spannung Die Erfindung betrifft die Steuerung 'von Lichtbogenentla-dungsstrecken,
wie sie in Gleichrichtern, Wechselrichtern oder Umrichtern verwendet werden und
bei denen die Steuerung darauf beruht, daß die Phasenlage der Steuerspannung gegenüber
der die Entladungsstrecke speisenden Wechselspannung geändert wird. Die Erfindung
ist von besonderer Bedeutung für gittergesteuerte Quecksilberdampfgleichrichter.
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Als Mittel zur Veränderung .der Phasenlage der Gitterspannung sind
Brückenschaltungen bekanntgeworden welche .an eine konstante Wechselspannung angeschlossen
sind, .die vorzugsweise dem den Steuergleichrichter speisenden Wechselstromnetz
entnommen wird. Die einfachste Form einer solchen Brückenanordnung besteht in einem
an die Wechselspannung angeschlossenen Transformator, dessen Sekundärklemmen über
die Reihenschaltung aus einer Induktivität und :einem Ohmschen Widerstand miteinander
verbunden sind. Die phasenveränderbare Steuerspannung wird zwischen einer Mittelanzapfung
.der Sekundärwicklung des Transformators oder der Mittelanzapfung eines an den Transformator
angeschlossenen Spannungsteilers und dem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität
und dem Widerstand .abgegriffen. Ihre Phasenlage ändert sich, wenn der Widerstand
oder die Induktivität geändert werden. Die Ortskurve des Steuerspannungsvektors
ist dabei ein Halbkreis über dem Vektor der Sekundärspannung des Transformators.
Ein Nachteil dieser bekannten Brückenschaltung liegt darin, daß keine lineare Beziehung
zwischen der Änderung des in ,dem einen Brückenzweig liegenden Widerstandes und
der von dem
Gleichrichter abgegebenen Spannung besteht. Anders ausgedrückt
hat diese bekannte Brückenschaltung die Eigenschaft, daß sich der Phasenwinkel nicht
linear mit dem Brückenwiderstand verändert.
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Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß eine in
einem Brückenzweig willkürlich ausgelöste Änderung des Widerstandsverhältnisses
zwangläufig mit einer von der ersten Änderung abhängigen Änderung des zweiten Brückenzweiges
derart gekoppelt ist, daß die beiden Endpunkte des Steaerspannungsvektors sich in
gegenläufiger Richtung auf ihren Ortskurven bewegen. Es gelingt dadurch, eine praktisch
lineare Beziehung zwischen der Änderung von in der Brückenschaltung liegenden Widerständen
und der von dem .Gleichrichter abgegebenen Spannung zu erreichen.
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Brückenschaltungen, bei denen zwei verschiedene Brückenzweige an eine
konstante Wechselspannung angeschlossen sind, sind bekannt. Soweit -bei diesen Brückenschaltungen
eine Änderung von Widerständen in verschiedenen Zweigen vorgesehen ist, fehlt die
für die Erfindung wesentliche Kopplung zwischen den Änderungen des Widerstandsverhältnisses
in den Brückenzweigen. Außerdem fehlt die Anweisung, diese Kopplung derart auszubilden,
daß die beiden Endpunkte des Steuerspannungsvektors sich in gegenläufiger Richtung
auf ihren Ortskurven bewegen.
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Fernerhin ist eine Brückenschaltung vorgeschlagen worden, durch die
das Problem der Regelung in Abhängigkeit von zwei Bestimmungsgrößen gelöst werden
soll. Der Vorschlag besteht darin, daß jeder dieser Bestimmungsgrößen ein veränderlicher
Widerstand zugeordnet und einer dieser Widerstände in einem Brückenzweig, der andere
dagegen in einem anderen Brückenzweig liegt. Die Änderung,der beiden Widerstände
erfolgt unabhängig voneinander, je nachdem es die beiden Bestimmungsgrößen erfordern.
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Erfindung um die Steuerung in Abhängigkeit
von nur einer Bestimmungsgröße bzw. um nur eine Steuerbewegung, welche gleichzeitig
zwei Brückenzweige beeinflußt.
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Nähere Einzelheiten über die Wirkungsweise der Steuerungseinrichtung
nach der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
und den zugehörigen Diagrammen.
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Die Fig. i und 2 zeigen die Abhängigkeit zwischen der Größe eines
zur Brückenschaltung gehörigen Widerstandes und der vom Gleichrichter abgegebenen
Spannung bzw. dem Phasenwinkel der Steuerspannung. In Fig. i ist als Abszisse die
Größe des Widerstandes R und als Ordinate die vom Gleichrichter abgegebene Spannung
U aufgetragen. Die Kurve i gibt die Kennlinie für die o'benerwähnte einfachste Form
der Brückenschaltung. Die Kennlinie 2 gilt für die Steuerungseinrichtung nach der
Erfindung. In Fig. 2 ist als Ordinate der Widerstand R und als Abszisse der Phasenverschiebungswinkel
#p zwischen der Anodenspannung und der Gitterspannung aufgetragen. Die Kurve 3 gilt
hier für die bekannten Brückenschaltungen, die Kurve q. dagegen für die Regeleinrichtung
nach der Erfindung.
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Fig. 3 zeigt das Vektordiagramm für die Brückenschaltung der Erfindung.
Über der Strecke A-B, die der die Brückenschaltung speisenden Wechselspannung entspricht,
ist ein Halbkreis gezeichnet, der die Ortskurve des einen Endpunktes des Steuerspannungsvektors
darstellt. Die Gerade A-B ist die Ortskurve des anderen Endes des Steuer$pannungsvektors
unter der Voraussetzung, daß der entsprechende Brückenzweig aus Ohmschen Widerständen
besteht. In dem Diagramm sind zwei verschiedene Steuerzustände eingezeichnet. Für
den Steuerwinkel p1 ist der Steuerspannungsvektor U, durch die Verbindung zwischen
den beiden Punkten Cl und Dl gegeben. Für den Steuerwinkel #p2 gelten die Endpunkte
C2 und D2 des Steuerspannungsvektors. Der Übergang von den Punkten Cl nach C2 bzw.
von Dl nach D2 entsteht dadurch, daß sich erfindungsgemäß die Endpunkte des Steuerspannungsvektors
in gegenläufiger Richtung auf den beiden Ortskurven, d. h. auf,der Geraden A-B und
dem Halbkreis über dieser Geraden bewegt. Bei richtiger Wahl der Widerstandsverhältnisse
der Brückenschaltung gelingt es, eine Kennlinie nach Art der Kurve q. in Fig. 2
für den Steuerwinkel q@ in Abhängigkeit von einem zur Brückenschaltung gehörigen
Ohmschen Widerstand zu erreichen.
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In Fig. q. ist die Schaltung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
dargestellt. Die an die Wechselspannung U angeschlossene Brückenschaltung besteht
aus einer Induktivität L und den Widerständen R1, R2, R, Die Steuerspannung Ug,
d. h. die Gitterspannung eines Steuergleichrichters, wird zwischen den Punkten D
und E abgenommen. Die Phasenlage dieser Gitterspannung soll ausschließlich dadurch
geändert werden, daß ein Anzapfpunkt des Widerstandes R2 zwischen den Endpunkten
E und G dieses Widerstandes verschoben wird. Die Induktivität L der Brückenschaltung
besitzt eine Gleichstromvormagnetisierung, welche von zwei verschiedenen Erregerwicklungen
geliefert wird. Die Erregerwicklung 5 ist an eine Gleichstromquelle 6 ,angeschlossen,
die Erregerwicklung 7 liegt an der gleichen Stromquelle, wobei jedoch ein Teil des
Widerstandes R2 mit dieser Wick-
Jung in Reihe geschaltet ist. Bei
den Erregerwicklungen 5 und 7 ist durch Pfeile angedeutet, daß ihr Erregerstrom
die Gleichstromvormagnetisierung der Induktivität L in entgegengesetztem Sinne beeinflußt.
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Die Wirkungsweise der durchVerschiebung des Anzapfpunktes F bewirkten
Regelung ist folgende: Liegt der Punkt F in der Nähe des Endpunktes G des Widerstandes
R2 oderganz an diesem Ende, so heben sich die Amperewindungsdrücke der beiden Erregerwicklungen
5 und 7 der Iniduktivität L gegenseitig auf, die Vormagnetisierung ist gering, die
Induktivität entsprechend groß. Das bedeutet, daß der auf .dem Halbkreis liegende
Endpunkt ,des Steuerspannungsvektors (s. Fig. 3) nach rechts verschoben ist. Das
andere Ende D des Steuerspannungsvektors (Fig. 3) ist auf der Geraden A-B nach links
verschoben. Dabei ist vorausgesetzt, daß erfindungsgemäß der Widerstand R2 der Brückenschaltung
erheblich größer ist als der Widerstand R, Die äußerste linke Lage des Punktes D,
auf der Geraden A-B entspricht dem Verhältnis zwischen der Größe der beiden Widerstände.
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Bewegt man jetzt den Anzapfpunkt F des Widerstandes R2 nach links,
so vergrößert sich der Widerstand im Stromkreis der Erregerwicklung 7, die Vormagnetisierung
der Irnduktivität. L nimmt zu, weil -die Gegenwirkung der Erregerwicklung 7 allmählich
abnimmt. Das hat zur Folge, daß .die Induktivität L kleiner wird und der auf dem
Halbkreis liegende Endpunkt des Steuerspannungsvektors nach links wandert, d. h.
bei dem Diagramm der Fig. 3 von Cl nach C2. Der andere Endpunkt D des Steuerspannungsvektors
wandert in entgegengesetzter Richtung auf der Geraden A-B der Fig. 3, weil der Widerstand
R2 kleiner wird. Die Wanderungsgeschwindigkeit hängt dabei von .dem Größenverhältnis
der beiden Widerstände R3 und R2 ab. Wenn, wie oben bereits ,angedeutet, erfindungsgemäß
der Widerstand R3 wesentlich kleiner ist als der Widerstand R2, wird mit zunehmender
Verschiebung des Anzapfpunktes nach links ,der Punkt D auf der Geraden A-B
in Fig. 3 zunächst langsam und erst mit weiterer Verschiebung schneller von links
nach rechts wandern. Durch richtige Abgleichung der beiden Widerstände R3 und R2
und der zugehörigen Widerstände R1 und L in der Brückenschaltung gelingt es, Kennlinien
zu erreichen, die den Kurven 2 und q. in .den Fig. r und 2 entsprechen. Wesentlich
ist es, daß diese Änderung bei der Regelanordnung nach Fig. q. durch Änderung nur
eines einzigen Widerstandes erreicht wird und daß außerdem dieser Widerstand linear
gewickelt werden kann.
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In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung .dargestellt,
welches nach. . a dem gleichen Prinzip wie die Brückenschaltung der Fig. q. aufgebaut
ist, dieser gegenüber jedoch den Vorteil hat, daß die Schaltung wesentlich einfacher
ist und daß nur zwei Widerstände und eine unveränderliche Induktivität ,dazu erforderlich
sind. Die Brückenanordnung besteht aus einer Induktivität L und den beiden Widerständen
R4 und R5. Die Wechselspannung U wird einerseits an .den Verbindungspunkt H zwischen
der Induktivität L und dem Widerstand RS und andererseits an einen verschiebbaren
Anzapfpunkt K des Widerstandes R4 angeschlossen. Die phasenveränderliche Steuerspannung
Ug wird an den Endpunkten l11 und N des Widerstandes R4 abgenommen. Der Widerstand
R4 ist gleichmäßig gewickelt und besitzt einen wesentlich größeren Widerstandswert
als der Widerstand R5. Kennlini.en nach Art der Kurven 2 und .4 in -den Fi.g. i
und 2 ergeben sich beispielsweise, wenn der Widerstand R4 etwa den vierfachen Widerstandswert
besitzt wie der Widerstand RS und dieser etwa dem induktiven Widerstandswertder
Induktivität L entspricht.
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Je nach der Stellung des Anzapfpunktes K des Widerstandes. R4 ergeben
sich Vektorlagen des Steuerspannungsvektors U8, dieden Punkten Cl D1 bzw. - C2 D2
des Diagramms der Fig. 3 entsprechen. Die Punkte Cl Dl. ,gelten für den Fall, daß
der Anzapfpunkt K in der Nähe des Endpunktes N -des Widerstandes R4 liegt. Die Punkte
C2 D2 gelten dagegen für den Fall, daß .der Anzapfpunkt K nach dem entgegengesetzten
Ende M des Widerstandes R4 verschoben ist. In diesem Falle ist der Widerstandsvektor
UR (Fig. 3) groß gegenüber dem Vektor UL, weil der größte Teil des Widerstandes
R4 mit der Induktivität L in Reihen- i schaltung an der Wechselspannung U liegt.
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Die Brückenanordnung .der Fig. 5 hat ebenso wie die Brückenschaltung
der Fig. q. die vorteilhafte Eigenschaft, -daß .die Kennlinien 2 und q. der Fig.
i und-:2 durch Veränderung i nur eines einzigen Widerstandes erreicht werden. Außerdem
ist dieser Widerstand linear, d. h.,auf seiner ganzen Länge gleichmäßig gewickelt.
Ein Vorteil der Schaltung nach F19. 5 gegenüber der Schaltung nach Fig. q. besteht
jedoch, wie bereits erwähnt wurde, darin, daß der Schaltungsaufbau der Fig. 5 wesentlich
einfacher ist. Es sei noch erwähnt, daß bei einer Schaltanordnung der Fig. 5 die
gleiche Wirkung auch dadurch erreicht werden kann, daß der Anzapfpunkt K des Widerstandes
R4 festgehalten wird, während die' beiden Punkte M und N gleichzeitig auf
-dem Widerstand R4 verschoben werden. Ein gewisser Nachteil dieser Ausführungsform
besteht jedoch darin, daß die Verstellvorrichtungen für die beiden Anzapfungen mechanisch
miteinander gekuppelt
werden müssen und daß zur Erzielung bestimmter
Kennlinien die Anzapfungen noch mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegt werden
müssen.