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Anordnung zum Sperren von Ionenventilen in Stromrichterschaltungen
bei Überlastung oder Rückzündung Um mit Steuergittern versehene Ionenventile in
Stromrichteranlagen bei einer überlastung oder Rückzündung zu schützen, wurde wiederholt
vorgeschlagen, mittels Relais den Gittern eine Sperrspannung aufzudrücken, so daß
sämtliche Anoden .baldigst erlöschen. Es wurde auch vorgeschlagen, ,als derartige
Relais besondere Elektronen- oder Ionenventile mit eigenen Gefäßen zu verwenden.
Reine Elektronenrelais (sogenannte harte Relaisröhren) sind jedoch aus mehreren
Gründen für derartige Zwecke wenig geeignet, und Ionenventilröhren (sogenannte weiche
Glühkathodenröhren mit Edelgasfüllung), die während längerer Zeit in Bereitschaft,
d. h. mit «-armer Kathode, gehalten werden müssen, ohne in Wirksamkeit zu treten,
zeigen eine ausgeprägte \?eigung zum Erhärten, d. h. sie verlieren ihre Edelgasfiillung,
weshalb ihre Wirkung ausbleiben kann, wenn sie nötig ist.
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Andererseits bietet ein Relais der Ionenventiltype den Vorteil gegenüber
.einem mechanischen Relais, daß wegen des Fehlens beweglicher Massen seine Wirkung
viel schneller einsetzt. Um diesen Vorteil auszunutzen und gleichzeitig die mit
besonderen Ionenventilröhren verbundenen Übelstände zu vermeiden, verwendet man
erfindungsgemäß als Relais eine oder mehrere Hilfsventilstrecken im Gefäß des Hauptventils.
Hierbei läßt sich allerdings nicht die gewöhnliche Schaltung benutzen, bei der die
Relais-bzw. Ventilstrecke die Gitter mit einem Punkt negativen Potentials verbindet,
denn die Ventilistrecken des Hauptgefäßes enden immer, an der Kathode, die man als
Nullpunkt zu bezeichnen pflegt. Erfindungsgemäß ist deshalb in Verbindung mit der
im Hauptgefäß angeordneten Hilfsventilstrecke oder -strecken eine Spannungsquelle
derart eingeschaltet, daß ihr negativer Pol an den Anodengittern und ihr positiver
an der oder den gittergesteuerten Hilfsventilstrecken liegt, so daß .beim Leitendwerden
der Hilfsstrecken diese die Gitter im Verhältnis zur Kathode negativ machen.
Drei
'Ausführungsformen der Erfindung sind in der Ze:iclinung in Abb. i bis 3 scheinatisch
dargestellt.
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In sämtlichen Abbildungen bedeuten i die Kathode des Ionenventils,
'a seine Hauptanoden und 3 deren Gitter. In Abb. i si:id die letzteren teils an
einzelne Leiter 4. angeschlossen, durch welche beispielsweise Steuerspannungen für
verschiedene Zwecke aufgedrückt werden können, teils über Glimmlampen 5 mit einer
Gittersammelschiene 6 verbunden, auf die eine für sämtliche Gitter gemeinsame Sperrspannung
aufgedrückt werden kann. Die kritische Spannung der Glimmlampen 5, unterhalb welcher
sie als große Widerstände wirken, soll so hoch im Verhältnis zu den .einzelnen Steuerspannungen
liegen, claß diese gewissermaßen unabhängig Voneinander wirken können. Die auf die
Gittersamnielschiene aufgedrückte Sperrspannung muß dagegen höher als die kritische
Spannung der Glimmlampen sein, da nur der Unterschied zwischen diesen Spannungen
als wirksame Sperrspannung auf die-Gitter wirkt.
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Die auf die Schiene 6 aufgedrückte Spannun- wird in dieser Ausführungsform
einer welcher beim Spanntuigszusaninienbrucl während einer gewissen Zeit die Spannung
auf dieseln Teil aufrechterhält. so daß der untere Anschlußpunkt des Kondensators
und deshalb auch der Anschlußpunkt des Gitters 8 zum Widerstand eine positive Spannung
erhalten. Falls die Bauart des Gitters und die Betriebsverhältnisse im X-entilgefäß
derartig sind, daß die Anode bei Nullpotential des Gitters freigegeben wird, kann
der Kondensator 1a gegebenenfalls in Fortfall kommen.
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Wenn die Anode g freigegeben wird, drückt sie, wie erwähnt, den Hauptgittern
ein negatives Sperrpotential auf und löscht dadurch nach und nach die Hauptanoden.
Sobald dies geschehen ist, hören jedoch auch die Gitter auf, einen Strom zu führen,
aber um das Sperrpotential noch so lange zu erhalten, daß die Verhältnisse im Ventil
sich für den fortgesetzten .ungestörten Betrieb stabilisieren können (Entionisieren
eintreten usw.), soll die Anode g noch eine gewisse Zeit brennen. Dies wird durch
den Widerstand io ermöglicht, der dann die Hilfsventilstrecke geniigend zum Aufrechthalten
des Lichtbogens belastet. Gleichstromquelle entnommen, die als eine Batterie 7 angedeutet
ist, deren Minuspol finit der Sammelschiene 6 über ein im folgenden näher beschriebenes
Relais 13 verbunden ist: während ihr Pluspol an die mit einem Gitter 8 versehene
Hilfsanode g des Hauptventilgefäßes angeschlossen ist. Die Gittersainmelschiene
ist auch über einen großen Widerstand io mit der Kathode verbunden. Während es normalen
Arbeitens ist die Anode g durch ihr Gitter 8 gesperrt, weshalb die Gittersaminelschiene
6 auf Kathodenpotential gehalten wird. Die Anode g erhält bei ihrer Freigabe beinahe
Kathodenpotential (welches im folgenden in gebräuchlicher Weise als Nullpunkt gerechnet
wird), und die Schiene 6 erhält dann (bei ansprechendem Relais 13) ein der Spannungsquelle
7 entsprechendes negatives Potential, welches voraussetzungsgemäß hinreichend ist,
um das Wiederzünden der Hauptanoden zu verhindern, wenn ihre Spannungen auch einen
hierfür sonst hinreichenden Wert erreichen.
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Die Freigabe des Gitters 8 erfolgt in dieser Ausführungsform infolge
eines Spannungsrückganges auf der Gleichstromseite des Ionenventils, wenn die Spannung
hier infolge eines Kurzschlusses oder einer Rückzündung zusammenbricht. Zwischen
den Gleichstrompolen liegt ein Widerstand i i, von welchem das Gitter 8 während
des normalen Betriebes eine gewisse, für die Sperrung hinreichende negative Spannung
erhält. Parallel zu einem dem Minuspol benachbarten Teil dieses Widerstandes liegt
ein Kondensator 12, Sobald die Verhältnisse in den Hauptventilstrecken wieder normal
geworden sind, soll die Hilfsventilstrecke gelöscht werden, und dies erfolgt mit
Hilfe des vorliergenannten Relais 13. Letzteres erhält seinen Strom i durch eine
Verbindung von einer Gruppe von Stromwandlern 14., deren Primärwicklungen in den
Wechselstrornwicklungen des Stromrichters liegen, und in den Sekundärkreisen der
Stromwandler liegenden Kleingleichrichtern 15, die zusammen einen dem gesamten Belastungsstrom
im wesentlichen proportionalen Gleichstrom in der Relaisspule hervorrufen. Das Relais
soll so eingestellt sein, daß es für etwa 1/4 des Nennstromes anspricht. Unterhalb
dieser Belastungsgrenze treten praktisch keine Rückzündungen ein, weshalb die Anode
g dann nicht in Wirksamkeit zu treten braucht. Wenn sämtliche Hauptanoden erloschen
sind, sinkt der Wechselstrom bis auf Null, und das Relais 13 unterbricht dann den
Strom, so daß auch die Anode c) erlischt. Dies soll jedoch mit etwas Verzögerung
erfolgen, welche durch einen zur Relaisspule parallel geschalteten Kondensator 16
bewirkt werden kann, der auf die an den Spulenkleminen herrschende Spannung aufgeladen
wird und sich durch die Spule entlädt, wenn der Strom von den Stromwandlern aufhört.
Damit derselbe Kondensator das Ansprechen des Relais nicht verzögert, falls die
Belastung beispielsweise schnell von unterhalb 1J4 Last bis auf einen Wert steigt,
der eine Gefahr für Rückzündung Hervorruft, ist ein Kleingleichrichter i7 mit
| ":l,ollst:indi@@cr \'enti1wirkung derart in |
| ;" ille tnit (lern l\-oii(lcnsator 16 geschaltet. |
| 1-t1.1 er zwar ritt schnelles Entladen, aber nur |
| sirr laligi<Lllte: Aufladen des I`onden.sators
z_u- |
| :al.it. |
| l.-in bestm#iercr Vorteil der erwähnten Ail- |
| #@r(@t@tlllg erlies stroniabhangrgen Relais ilii |
| Ililfsvelltilki-ei; besteht darin, daß die Sperr- |
| vorrichtun- iii (lern Belastungsbereich nicht |
| in \\.,irksanikeit treten kann, wo ein einziges |
| vorhandotrcs Ionenventil erlöschen würde. |
| Hin lerartiges Erlöschen verursacht nämlich |
| wit# vin hurzschluß oder eine Rückzündung |
| \u#rschwinden der Spannung auf der |
| t iit-icii>trolnseite, aber da das Relais 13 dann |
| .IL-11 Stromkreis durch die Anode () unter- |
| brochen hält, tritt trotzdem keine Gitter- |
| ein. |
anoden erloschen sind und ihre Gitter deshalb keinen nennenswerten Strom hehr führen.
Statt dessen ist eine besondere Anordnung vorgesehen, uni während einer gewissen
Zeit nachher die positive Spannung auf dein Gitter 8 aufrechtzuerhalten. Das Ergebnis
wird dasselbe, denn eine solche Spannung auf dem Gitter bedeutet, (1a13 die Anode
9 in leitender Verbindung mit dem ionisierten Dampf gehalten wird und also ein nennenswertes
positives Potential nicht annehmen kann, und infolge der zwischengeschalteten Spannungsquelle
(Kondensator 2o) werden dann die Hauptgitter negativ gehalten. Die Anordnung zum
Aufrechthalten der positiven Spannung auf den Gittern 8 besteht im wesentlichen
aus einem Transformator
27,
dessen Primärwicklung in der Leitung zur Anode
9, vorzugsweise parallel zu einem Widerstand 28, eingeschaltet ist, während die
Sekundärwicklung parallel zu einem Kondensator 29 zwischen der Kathode und dein
Gitter 8 liegt. Wenn die Anode 9 aus dem Kondensator 2o Strom aufnimmt, wird gleichzeitig
durch den Transformator ? j der Kondensator 29 geladen,, worauf er durch einen Gleichrichter
29a daran gehindert wird, sich über denselben Weg zu entladen. Er entlädt sich deshalb
statt dessen über das Gitter 8 und soll so bemessen sein, daß er das Gitter während
einer solchen Zeit positiv halten kann, wie sie für die Abhilfe der Nachwirkungen
der Störung erforderlich ist. Der Gleichrichter 29a soll so viel Rückstrom durchlassen,
da13 er die negative Ladung des Gitters 8 von der Spannungsquelle 26 her im normalen
Betriebe nicht verhindert. Gegebenenfalls kann der Transformator 2; statt dessen
so geschaltet sein, daß er den Kondensator 29 beim Abnehmen des Stromes der Axiode
9 auflädt, in welchem Falle der Widerstand 28 durch eine Induktanz ersetzt werden
soll, die in den Transformator eingehen kann.
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In Abb. 3 sind drei Hilfsanoden 9 vorhanden und an die Gitters ainmelschiene
6 über einen dreiphasigen Transformator 30 angeschlossen, der als Spannungsquelle
für die Sperrspannung der Hauptgitter 3 dient. Die Gitter 8 der Hilfsanoden 9 sperren
ini normalen Betrieb durch ihren Anschluß an einen Potentiometerwiderstand 31 auf
der Gleichstroniseite, von welchem sie ein negatives Potential erhalten, die Hilfsanoden
9. Sie erhalten ihren auslösenden Spannungsimpuls von der Wechselstromseite her
bei dort auftretendem Überstrom. Der Wechselstrom wirkt nämlich durch eine Kombination
von Stromwandlern 14 und Gleichrichtern 15 derselben Art wie nach Abb. r auf einen
Belastungswiderstand 32 ein, der in Reihe mit einer Glimmlampe 33 zwischen .(1e1
Kathode r Iii Abb. 2 kommt keine Einzelsteuerung ,irr Hauptgitter 3 vor, weshalb
besondere Spannungssperren zwischen den Gittern und irr Gittersammelschiene 6 unnötig
sind. . Als @I)annungsquelle für die Hilfsventilstrecke :node 9-Kathode t dient
ein Kondensator =o. welcher durch einen Transformator 21 in 1\'.eilie tnit einem
Gleichrichter 22 aufgeladen -elialten wird. Zwischen den Klemmen des Transformators
kann auch ein großer Belastungswiderstand 23 zum Ausgleich der Spannung liegen.
Der Auslöseimpuls für das Gitter 8 der Anode 9 wird hier von der !\'ecliselstromseite
.als eine Folge der schnel-:vn Spannungsänderung in positiverRichtung :.l-lialtt'n,
die eine rückzündende Anode erfährt, indem sie von einem negativen Potential, gewöhnlich
in der \älie des Höchstwertes, auf beinahe Kathodenpotential übergelit. Uni dies
zu bewirken, ist das Gitter tuit einer Sammelschiene 24 verbunden, die über Kondensatoren
25 an die Zuleitungen sämtlicher Hauptanoden angeschlossen ist. -Normal wird (las
Potential des Gitters dadurch bestimmt, daß es an den Minuspol einer Gleichspannungsquelte
26, beispielsweise einer Batterie, angeschlossen ist, deren positiver Pol mit der
Kathode verbunden ist. Das Gitter erhält also ein schwach negatives Potential, und
die kapazitive Verbindung mit den im zeitlichen Mittel mehr negativen als positiven
Anoden kann dieses Potential nicht ändern. Bei einer Rückzündung, wenn (las Potential
wenigstens einer Anode von einem 1\!ert nahe des negativen Maximums in positiver
Richtung bis zu einem Wert nahe des Kathodenpotentials verschoben wird, entlädt
sieh der entsprechende Kondensator über das Gitter 8 und drückt dabei diesem ein
positires Potential auf.
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In dieser Abbildung ist keine Vorrichtung dargestellt, um den Strom
durch die Hilfsanode 9 aufrechtzuerhalten, wenn die Haupt-und
den
Gittern 8 liegt. Der Unterschied zwischen der Spannung ain Widerstand 3= «n(1 der
von der GIi1111111<t111pe 33 aufgenomineiten Spannung wird also auf die Gitter
auigedrückt, und die Anordnung wird so beinessen. daß dieser Unterschied für die
Freigabe der Anoden g erst dangt hinreicht, wenn @ler @t`echselstrom den zuliissigen
Wert iibeischreitet. Ein Kondensator 3d. kann parallel zum Widerstand und zur Glimmlampe
liegen, um die Spannung auf den Gittern aufrechtzuerhalten, selbst nachdem der Wechselstrom
durch die Sperrwirkung der Hauptgitter gesunken ist.
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Die verschiedenen, in den Ausführungsbeispielen Abb. r bis 3 dargestellten
Schaltungsanordnungen zur Erzielung des primären Gitterspannungsimpulses, der Spannung
der Hauptgitter, zum Aufrechthalten und schlie131ichen Erlöschen des Stromes in
der Hilfsventilstrecke können natürlich miteinander in anderer @@'eise als in den
beschriebenen verbunden werden. Ebenso kann natürlich die Anordnung zur Einzelsteuerung
der Hauptgitter in Verbindung mit irgendwelcher der sonst beschriebenen Anordnungen
vorkommen. , Ein besonderer Vorteil der Anordnung der Hilfsventilstrecke oder -strecken
im Gefäß des Hauptventils, außer dein schon erwähnten,. ist, daß die Bedingungen
der Zündung der Hilfsanode vom Strom der Hauptanoden gewissermaßen abhängig werden.
So kann man z. B. durch entsprechende Abschirmung der Hilfsanode bewirken, daß sie
selbst bei einer gewissen positiven Gitterspannung nicht zündet, falls die Hauptanoden
finit niedriger Belastung arbeiten. Hierdurch erhält man eine freiere Wahl der Spannungsquelle
des Gitters der Hilfsanode, da eine unbeabsichtigte Auslösung bei niedriger Belastung,
welche sonst infolge einer Unstetigkeit des Lichtbogens gegebenenfalls eintreten
kann, jedenfalls finit Sicherheit vermieden wird. Man kann sogar unter gewissen
Bedingungen die Steuerspannung des Gitters oder Schirmes der Hilfsanode ganz fortlassen,
indem die genannte Anode ausschließlich durch die bei einer Störung (Rückzündung
oder Oberbelastung) erhöhte Ionisation im Gefäß gezündet werden kann. Es ist nämlich
bekannt, daß die Zündspannung einer mit einem Schirm versehenen Anode eine Funktion
nicht nur des Potentials des Schirines, sondern auch der Temperatur und Ionisationsstufe
des leitenden gasförtnigen Mittels ist, welche Größen ihrerseits teils von der Stromstärke
angrenzender Anoden, teils von der Abschirmung gegen diese abhängen. Durch zweckmäßige
Anordnung dieser Abschirinung kann nian bei konstanter Gitterspanntnig oder sogar
ohne 1lrson@lei-e aufge-(lrÜckte Gitterspannung die Hilisanode gesperrt halten,
solange der Gesanitstrorn ini Gefäß sich unterhalb eifites ge«-is:en zu@üssige11
G@'ei-tes ltült, oder sie sc)bsttätig freig;ebeil, sobald dieser Wert überschritten
wird. Die Hilfsanode oder -anoden sollen 111 solchem Falle in inehranodigen Gefäßen
vorzugsweise svninietrisch zti den Hauptanoden. beispielsweise in der Mitte des
Gefäßes, angebracht sein.
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Abgesehen von der besonderen Anordnung der Hilfsano,_le ini Gefäß
kann es iibrigeii; noch erwünscht seile daß sie auf höherer Temperatur als der Sättigungstemperatur
des leitenden Dampfes bei höchstem vorhandenem Druck gehalten wird, so daß eine
Kondensation auf ihre Oberfläche vermieden wird. Zn diesem Zweck kann sie in der
unmittelbaren Nähe einer Erregeranode, beispielsweise in einer finit dieser gemeinsamen
Hülse angebracht sein. Sie kann z. B. von einer ringförmigen Erregeranode konzentrisch
umgeben sein, von welcher sie jedoch durch eine besondere Hülse abgeschirmt sein
soll.