DE705021C - Steuereinrichtung fuer mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitende Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitende Wechselrichter, insbesondere auf solche, die zur Energieübertragung zwischen einem Gleichstromnetz konstanter Stromstärke und einem Wechselstromnetz konstanter Spannung dienen.

Es ist bereits bei Wechselrichtern bekanntgeworden, zwischen Gleichstromnetz und Wechselstromausgangsnetz mehrere Hochfrequenzzwisohenkreise und einen Niederfrequenzzwischenkreis einzufügen. Die Erfindung betrifft eine Verbesserung derartiger Wechselselrichter, und zwar schließen erfindungsgemaß die Hochfrequenzzwischenkreise außer Drosselspulen und Kondensatoren die die L'mformung bewirkenden gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken ein, deren Steuergitter eine niederfrequente Steuerspannung und eine aus den Hochfrequenzzwischenkreisen abgeleitete hochfrequente Steuerspannung erhalten. Dabei sollen die Entladungsstrecken der Hochfrequenzschwingerkreise so gesteuert werden, daß sie gleichzeitig Strom führen, wenn dem Wechselstromnetz keine Energie entnommen wird. Bei Energieentnahme aus dem Wechselstromlastnetz werden die Zündzeitpunkte dieser Entladungsstrecken dagegen abwechselnd so verzögert, daß dem Niederfrequenzstromkreis Energie zufließt. Für die Konstanthaltung der Spannung im Wechselstromkreis sind besondere Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe die periodische Verzögerung der Zündzeitpunkte in Abhängigkeit von dieser Spannung geregelt wird.

Im einzelnen ergibt sich der Erfindüngsgegenstand aus den beiliegenden Zeichnungen.

Die Fig. ι stellt in einfachster Weise ein solches Umformungssystem zur Energieübertragung zwischen einem Konstant-Gleichstromnetz und einem Wechselstromnetz konstanter Spannung dar. Die Fig. 2 zeigt die Anwendung des Errindungsgedankens auf ein Umformungssystem zwischen einem Gleichstromkreis und einem Mehrphasenwechselstromnetz. Die Wirkungsweise dieser Anordnungen ergibt sich aus den Charakteristiken der Fig. 3 und 4.

Die in der Fig.i dargestellte Umformungseinrichtung besteht aus einem Konstantstrom-Gleichstromkreis 10 und einem durch die Last 11 dargestellten Wechselstromkreis konstanter Spannung. Die aus dem Gleichstromnetz 10 gelieferte Energie wird zunächst von den zwei Hochfrequenzschwingkreisen, die die beiden. Entladungsstrecken 12 bzw. 13 enthalten, übernommen, wobei in dem Schwingkreis mit der Entladungsstrecke 12 die Induktivität 14 und die Kapazitäten 15 und 16 und in dem Hochfrequenzschwingkreis mit der Entladungsstrecke 13 die Kapazitäten 16 und 17 und die Induktivität 18 liegen. Die Kapazitäten und Induktivitäten dieser Schwingkreise sind dabei so gewählt, daß die Resonanzfrequenz dieser Schwingkreise im Vergleich zur Frequenz des Wechselstromkreises 11 verhältnismäßig groß (beispielsweise 1000 Hz) ist. Zwischen den Hochfrequenzkreisen und dem Wechselstromnetz 11 liegt der Xiederfrequenzstromkreis mit der Drossel 19. Parallel zu dieser Induktivität ist die Kapazität 38 geschaltet, die zu der Niederfrequenzdrossel 19 einen Hochfrequenznebenschluß bildet. Es ist natürlich möglich, die beiden Kapazitäten 15 und 17 der Hochfrequenzschwingkreise von vornherein so auszulegen, daß sie die Aufgabe der Kapazität 38 mit übernehmen können.

Wenn wir jetzt annehmen, daß die Hochfrequenzschwingkreise mit den Entladungsstrecken 12 und 13 so ausgebildet sind, daß ihre Resonanzfrequenz 1000 Hz beträgt, so ist es vorteilhaft, diese Entladungsstrecken mit einer kleineren Frequenz zu betreiben, um denselben genügend Zeit zur Entionisierung zu geben. Die aus dem Gleichstromnetz 10 über die Kapazitäten 15 und 17 erfolgende Aufladung der Kapazität 16 ruft in dem Gleichstromnetz 10 Oberwellen verhältnismäßig hoher Frequenz hervor, die jedoch unter der Resonanzfrequenz der Hochfrequenzschwingkreise mit den Entladungsstrecken 12 und 13 liegt. Sie beträgt beispielsweise 500 Hz. Parallel zum Gleichstromnetz 10 liegt ein Spannungsteiler 20 und eine Gittervorspannungsbatterie 21. Mit Hilfe des Spannungsabgriffes 22 kann am Spannungsteiler 20 eine geeignete Spannung abgenommen und den Gitterkreisen der Entladungsstrecken 12 und 13 zugeführt werden. Um der Steuerspannungskomponente eine gewünschte Kurvenform zu geben, ist zwischen dem verschiebbaren Spannungsabgriff 22 und den miteinander verbundenen Kathoden der Entladungsstrecken ein Kondensator 23 eingefügt. Wie üblich, sind in den einzelnen Gitterzuführungen der Entladungsstrecken strombegrenzende Widerstände 24 und 25 vorgesehen. Den Gittern der Entladungsstrecken 12 und 13 wird außer der erwähnten Gleichstromkomponente eine weitere aus dem Wechselstromkreis 26 hergeleitete Spannungskomponente zugeführt, deren Frequenz der Frequenz des Wechselstromnetzes 11 entspricht, also 50 Hz beträgt. Das Wechselstromnetz 26 ist von dem Spannungsteiler 27 überbrückt, an dem eine einstellbare Spannung abgegriffen und gleichzeitig der sättig- βο baren Drossel 28 und der Primärwicklung des Gittertransformators 29 zugeführt wird, dessen Sekundärwicklung mit den Steuergittern der Entladungsstrecken 12 und 13 verbunden ist. Parallel zu dieser Sekundärwicklung sind zwei gleichrichtende Elemente 30 und 31 vorgesehen, die den Strom nur in der in der Abb. ι angegebenen Weise (Spitze-Platte) durchlassen. Über diese gleichrichtenden Elemente wird den Gittern der Entladungs- 9" strecken 12 und 13 die negative Halbwelle der in der Sekundärwicklung des Gittertransformators auftretenden Spannung zugeführt, die dann zwischen Steuergitter und der entsprechenden Kathode der Entladungsstrecken 12 und 13 wirksam ist. Nehmen wir an, daß das linke Ende der Sekundärwicklung des Gittertransformators 29 positiv ist, dann verbindet der Gleichrichter 30 den verschiebbaren Abgriff 22 direkt mit dem Gitterwiderstand 24, wodurch dem Gitter der Entladungsstrecke 12 nur eine 500-Hz-Spannungskomponente zugeführt wird. Da nun außerdem das Gleichrichterelement 31 mit derartiger Durchlaßrichtung vorhanden ist, daß zwischen der Kathode und dem Gitter der Entladungsstrecke 13 außer der 500-Hz-Spannungskomponente auch eine negative Halbwelle der von dem Wechselstromkreis 26 gelieferten 50-Hz-Frequenz wirksam ist, bleibt die Entladungs- «<« strecke 13 in der Zeit, in der die Entladungsstrecke 12 leitend ist, infolge dieser aus dem 50-Hz-Netz über die Gleichrichter 30 und 31 in den Gitterkreis gelieferten negativen Spannungskomponente stromlos. i«5

Die Spannung im Wechselstromnetz 11 läßt sich innerhalb vorbestimmter Grenzen mit Hilfe der Drossel 28 konstant halten, deren Induktivität in Abhängigkeit von der im Wechselstromnetz 11 herrschenden Span- i»o nung durch Verändern ihrer Sättigung geregelt wird. Die Drossel 28 bildet für die

Primärwicklung des Gittertransformators einen Nebenschluß und eine Änderung des Scheinwiderstandes dieser Drossel, die durch Änderung ihrer Sättigung hervorgerufen S wird, verursacht auch eine Änderung der Spannung der Primärwicklung des Transformators 29 und damit schließlich auch eine Änderung der den Gitterkreisen zugeführten 50-Hz-Spannungskomponente. Der Stromkreis, mit dessen Hilfe die Regelung der sättigbaren Drossel 28 vorgenommen wird, besteht aus einem Transformator 32, dessen Primärwicklung parallel zur Last 11 liegt und dessen Sekundärwicklung zu dem Graetzpolygon 33 führt. Die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Graetzpolygons 33 und der Gleichspannungsquelle 34 bildet den Strom, der durch die sättigbare Drossel 28 fließt. Parallel zu der Ausgangsspannung des Graetzpolygons 33 liegt ein Glättungskondensator 35 sowie ein Widerstand 36. In die Verbindungsleitung zwischen dem Graetzpolygon und der Gleichstromquelle 34 ist ein Ventil 37 mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung eingefügt, um in diesem Stromkreis im Augenblick der ersten Inbetriebnahme der Umformungseinrichtung eine Stromumkehr zu vermeiden.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Anordnung wollen wir zunächst den Augenblick des Arbeitsbeginnes betrachten. Beim Einschalten des Gleichstromkreises 10 fließt zunächst der Strom von der positiven Stromschiene durch die Drossel 19 über jede der Kapazitäten 15 und 17 und über die Kapazität 16 zur anderen Seite des Gleichstromnetzes 10. Dieser Stromfluß dauert so lange an, bis die Kapazität 16 auf einen vorbestimmten Spannungswert aufgeladen ist, bei dem die Entladungsstrecken 12 und 13 beide leitend werden, so daß sich der Kondensator 16 über die Schwingkreise dieser Entladungsstrecken wieder entladen kann. Es sei angenommen, daß diese Entladung mit einer Frequenz von 500 Hz erfolgt. Diese 500-Hz-Spannungskomponente überlagert sich der Gleichspannung de's Gleichstromnetzes 10 und wird über den Spannungsteiler 20 den Gitterkreisen der Entladungsstrecken 12 und 13 zugeführt. Sind die beiden Entladungsstrecken 12 und 13 zu gleicher Zeit stromführend, dann liegt an der Niederfrequenz drossel 19 und daher auch an der Last 11 keine Spannung. Zündet aber die Entladungsstrecke 12 zuerst, während die Zündung der Entladungsstrecke 13 um einen Bruchteil einer Sekunde (Vio 000 Sekunde) später erfolgt, dann bildet sich an der Drossel 19 augenblicklich eine Spannung aus. In der dargestellten Anordnung ändert sich die Zündverzögerung der Entladungsstrecke 13 während einer Zeit von Y₁₀₀ Sekunde sinusförmig von Null bis zu einem Maximalwert von V₁₀OOo Sekunde, während in der darauffolgenden ¹Z₁₀O Sekunde keinerlei Zündverzögerung auftritt. In dieser Zeit erfährt die Entladungsstrecke 12 eine sich sinusförmig von Null bis zu einem Maximalwert von etwa V10000 Sekunde sich ändernde Zündverzögerung. Die Zündzeitverzögerung der Entladungsstrecken 12 und 13 wird mit Hilfe der jeweils an den gleichrichtenden Elementen 30 und 31 auftretenden negativen Halbwellen der 50-Hz-Wechselstromfrequenz erzeugt, die aus dem Wechselstromnetz 26 geliefert wird. Die Gitter der Entladungsstrecken erhalten also in dem einen Zeitabschnitt von Vioo Sekunde nur eine 500-Hz-Wechselspannung, während ihnen in dem Zeitabschnitt der darauffolgenden Y₁₀₀ Sekunde außer der 500-Hz-Wechselspannung noch die negative Halbwelle der 50-Hz-Wechselspannung zugeführt wird. Damit die 50-Hz-Frequenz mit der 500-Hz-Frequenz gut zusammenwirken, muß die letztere eine runde Wellenform haben, damit die kritischen Spannungen an den entsprechenden Entladungsstrecken in den gewünschten Zeitpunkten erreicht werden. Diese Wellenform wird mit Hilfe des Kondensators 23 erzeugt. Zum besseren Verständnis haben wir bisher als go Resonanzfrequenz für die Hochfrequenzschwingkreise 1000 Hz und als Arbeitsfrequenz für die Entladungsstrecken 500 Hz angenommen. Es ist selbstverständlich, daß man natürlich auch andere, insbesondere noch höhere Frequenzen wählen kann.

In der Fig. 3 stellt die obere Kurve den Verlauf des Auflade- und Entladestromes J₀ des Kondensators 16 dar und die untere Kurve den Verlauf der an diesem Kondensator auftretenden Spannung E_c. Die aus dem Gleichstromnetz 10 über den Spannungsteiler 20 den Gitterkreisen zugeführte 500-Hz-Komponente hat natürlich die gleiche Kurvenform. In der Fig. 4 gibt uns die Linie A die _los kritische Spannung an, die zwischen Gitter und Kathode der Entladungsstrecken liegen muß, damit dieselben zünden. Die Spannungskurve E_{g 12} stellt die der Entladungsstrecke 12 zugeführte 500-Hz-Komponente dar, die in dieser einen Strom mit dem in der Kurve J₁₂ gezeigten Verlauf hervorruft. Die Dauer des Stromflusses ist hierbei größer als in der anderen Entladungsstrecke 13. Diese Spannung E_sl2 wird wegen des Gleichrichterelementes 30 von der 50-Hz-Komponente nicht beeinflußt. Die der Entladungsstrecke 13 zugeführte 500-Hz-Spannungskomponente dagegen ist infolge der an dem Gleichrichterelement 30 auftretenden negativen 50-Hz-Halb-Wellenkomponente, die in der Fig. 4 mit E₃₁ bezeichnet ist, in seiner Amplitude nach unten

verschoben. Infolgedessen übersteigt die Spannungskurve E₁₁₁₃ die Zündspannung A erst zu einem späteren Zeitpunkt als die Spanuungskurve E_sl2, und die Entladungsstrecke 13 iührt daher auch nur während einer kürzeren Zeit Strom als die Entladungsstrecke 12, wie aus dem Verlauf der Stromkurve J_n hervorgeht. In der nächsten Halbwelle der die negative Vorspannung liefernden Wechsel_t0 spannung 20 liegen die Verhältnisse natürlich genau umgekehrt. Dann wird die Entladungsstrecke 13 zuerst leitend, während die Entladungsstrecke 12 erst später gezündet wird. Diese abwechselnd in den Entladungsstrecken 12 und 13 auftretenden Zündverzögerungen bewirken, daß au der Drossel iy eine Wechselspannung entsteht, die in dem Wechselstromkreis ι χ einen Strom hervorruft, dessen Amplitude, Frequenz, Phase und Wellenform der aus dem Stromkreis 20 über den Transformator 29 gelieferten 50-Hz-Wechselspanmtng entsprictn. Der am Spannungsteiler 20 verschiebbare Abgriff 22 gestattet es, bei der Inbetriebnahme der Anordnung, die aus dem _?r Gleichstromkreis abgeleitete 500-Hz-Spaunungskomponente geeignet zu wählen. Alit Hilie des verschiebbaren Abgriffes an dem Widerstand 27 läßt sich die Große der den Gitterkreisen zugeführten 50-Hz-Wechselspannungskomponente und damit die gesamte Ausgangsspannung bzw. Ausgangsleistung der V\ echselrichteranordnung regeln. Sind im Wechselstromkreis χ χ irgendwelche elektrische Größen, z. B. die Spannung, vorge-'■is ö^e^^en> ^so lassen sich diese mit Hilfe des den 1 ransformator ^2, das Graetzpolygon ^^, den Gleichrichter ^7, die Gleichstromquelle 34 und die Sättigungswicklung der sättigbaren Drossel 28 umfassenden Regelkreises sowie mit Hilfe der den Gittern der Entladungsstrecken zugeführten Wechselspannungskomponente weitgehend konstant halten. Übersteigt z. B. die Wechselspannung im Wechselstromkreis ι χ einen vorbestimmten Wert, dann übersteigt auch die au dem Widerstand 36 liegende Spannung, die der im Wechselstromkreis xi herrschenden Spannung proportional. ist, die konstante Vergleicusspannung 34, so daß durch das Gleictirichterelement 37 und durch die Sättigungswicklung der sättigbaren Drossel 28 ein Gleichstrom fließt. Dieser Gleichstrom bewirkt eine Sättigung der Drossel 28 und setzt damit deren Weehselstromwiderstand herab; für die Primärwicklung des Transformators 29 bildet sie dann einen Nebenschluß von geringerem Widerstand und setzt hierdurch die an der Sekundärwicklung des Transformators 29 herrschende 50-Hz-Wechsel spannung herab, wodurch die Ausfin gangsleistung der gesamten Wechselrichteranordnuug so stark vermindert wird, daß sich die Ausgangsspannung wieder auf den vorbestimmten Wert einstellt.

In dem bisher beschriebenen Beispiel wurden gittergesteuerte Entladungsstrecken mit Dampf- oder Gasfüllung verwendet. An deren Stelle können natürlich auch andere geeignete steuerbare Entladungsstrecken verwendet werden. Ebenso kann der Steuerkreis, der die 50-Hz-S teuer wechselspannung in Abhängigkeit von der im Wechselstromausgangsnetz 11 herrschenden Spannung regelt, anders ausgebildet sein.

In der Fig. 2 ist eine Anordnung angegeben, die die Anwendung des vorliegenden Erriiulungsgedankens auf eine Wechselrichtereinrichtung darstellt, die zur Energieübertragung zwischen einem Gleichstromkreis 40 konstanter Stromstärke und einem dreiphasigen Wechselstromnetz 41 konstanter Span- g₀ nung dient. Das Gleichstromnetz 40 liefert seine Energie zunächst an die drei Hochfrequenzschwingkreise rait den entsprechenden Entladungsstrecken 42, 43 und 44, die jeweils mit den Induktivitäten 45, 49 und 51, den Kapazitäten 46 und 47, 47 und 48, sowie 47 und 50 versehen sind. Der Niederfrequenzkreis der diese Hochfrequenzschwingkreise mit dem Wechselstromnetz 41 verbindet, besteht aus einem Transformator mit der Primärwicklung 52 und der Sekundärwicklung 53, wobei die Primärwicklung 52 mit den Hochfrequenzschwingkreisen und die Sekundärwicklung 53 mit dem Wechselstromnetz 41 in Verbindung stehen. Die drei Enden der in Stern geschalteten Primärwicklung 52 sind über die Kondensatoren 54, 55 und 5<j miteinander verbunden, die ihrerseits für die Hochfrequenzkomponenten der Hochfrequenzschwingkreise jeweils einen Neben- ,_oo schluß darstellen. Ganz entsprechend wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 werden hierbei die Entladungsstrecken 42, 43 und 44 abwechselnd mit einer gewissen Verzögerung gezündet und hierdurch in der Primärwicklung 52 eine verhältnismäßig niederfrequente Wechselspannung erzeugt. Da der Steuerkreis für die Entladungsstrecken 42, 43 und dem der Fig. 1 voll und ganz entspricht, ist er im einzelnen nicht weiter dargestellt, no Es sind nur die Gleichrichterelemente 57, 58 und 59 eingezeichnet, die auf der Sekundärseite des Gittertransformators Oo eingefügt sind und den Strom nur in Richtung nach dem gemeinsamen Verbindungspunkt: zu M₅ durchlassen. Diese Gleichrichterelemente erhalten ihre Spannungen aus einer der in Dreieck geschalteten Sekundärwicklungen 60 des Gittertransformators, dessen Primärwicklung aus einer geeigneten Wechselspannungsquelle gespeist wird. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Gldchrichterelemente -57,

58 und 59 führt zu dem Abgriff 22, der sich auf einem dem Widerstand 20 in Fig. 1 entsprechenden Widerstand verschieben läßt. Über diese Gleichrichtereinrichtung wird zwei der gittergesteuerten Entlädungsstrecken eine negative Halbwelle zugeführt, während die dritte Entladungsstrecke stromdurchlässig ist. Während sich die bisherigen Erläuterungen alle auf Einrichtungen zur Energieübertragung zwischen einem Gleichstromnetz konstanter Stromstärke und einem Wechselstromnetz konstanter Spannung beziehen, kann der vorliegende Erfindungsgedanke natürlich auch auf Umformungseinrichtungen zur Energie-

•5 übertragung zwischen einem Gleichstromnetz konstanter Spannung und einem Wechselstromnetz konstanter Spannung angewendet werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Steuereinrichtung für mit gittergesteuerten· Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitende Wechselrichter, bei denen zwischen Gleichstromnetz und Wechselstromausgangsnetz mehrere Hochfrequenzzwischenkreise und ein Niederfrequenzzwischenkreis eingefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzzwischenkreise außer Drosselspulen und Kondensatoren die die Umformung bewirkenden gittergesteuerten Dampfoder Gasentladungsstrecken einschließen, deren Steuergitter eine niederfrequente Steuerspannung und eine aus den Hochfrequenzzwischenkreisen abgeleitete hochfrequente Steuerspannung erhalten.
2. 2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündzeitpunkte der Entladungsstrecken in Abhängigkeit einer vorgegebenen elektrischen Größe des Wechselstromnetzes, z. B. der Spannung, verstellt werden.
3. 3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derartige Beeinflussung der Gittersteuerung, daß bei Leerlauf die Entladungsstrecken gleichzeitig leitend werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen