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Anordnung zur Stabilisierung eines Wechselrichters Für .den Betrieb
von Wechselrichtern, d. h. Einrichtungen zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom
oder Drehstrom, eist es bekanntlich erforderlich, auf der Wechsel-bzw. Drehstromnetzseite
einen Taktgeber vorzusehen, da anderenfalls Frequenz- und Spannungshaltung, insbesondere
bei dem selbsterregten Wechselrichter, große Schwierigkeiten bereiten. Erfindungsgemäß
wird die Stabilisierung von Wechselrichtern, welche betriebsmäßig dauernd ohne,
takthaltende Maschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen sind, dadurch erreicht,
daß in einer Parallelschaltung aus Kondensator und gesättigter Induktivität auf
der Wechselstromseite des Wechselrichters die resultierende Kapazität und die gesättigte
Induktivität bei gegebener Frequenz und Spannung der Wechselstromseite des Wechselrichters
derart bemessen sind daß die Stromkennlinie der Kapazität [-Jo= f (Ü)] die Stromkennlinie
der InduktiVität [JL= f (U)] in einem Punkt schneidet, der wesentlich oberhalb des
Knickpunktes -der Kennlinie,der Induktivität liegt, wobei dieser Schnittpunkt dem
Leerl:aufbetriebspunkt des Wechselrichters entspricht.
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Die bisher bekanntgewordenen selbstgeführten Wechselrichteranordnungen,
d. h. solche Wechselrichter, bei denen die zur Kommutierung erforderliche Spannung
an der die stromführende Strecke ablösenden Anode aus dem Energieinhalt des Eigensystems
und. nicht von einer Fremdspannungsquelle geliefert wird, haben bisher dadurch Schwierigkeiten
verura.cht, daß die Höhe der Kommutierungsspannung von der Belastung des Wechselrichters
durch Wirk- oder Blindströme in starkem Maße abhängig ist. Dadurch neigen die Wechselrichter
leicht zu Betriebsstörungen, und Frequenz und Spannung ändern sich
außerdem
bei veränderlicher Belastung in sehr weiten Grenzen. Bei dem netzgeführten Wechselrichter,
bei dem die Wechselspannung vom Wechselrichter selbst nicht oder nur in geringem
Maße beeinflußt wird, treten diese Schwierigkeiten nicht auf. Der vorliegende Vorschlag
zielt darauf ab, die gleichen Eigenschaften auf einen selbstgeführten Wechselrichter
dadurch zu übertragen, daß eine Schwingkreisanordnung mit gesättigter Induktivität
vorgesehen wird, welche die Eigenart hat, auch bei veränderlicher Blindbelastung
die Spannung nahezu konstant zu halten. Der erfindungsgemäß auf der Wechselstromseite
des Wechselrichters angeordnete Parallelkreis aus gesättigter Drosselspule und Kondensator
stellt einen Energiespeicher dar, der ähnlich wie ein starres Netz wirkt und dadurch
sowohl die Kommutierung sicherstellt als auch Schwankungen in der abgegebenen Spannung
des Wechselrichters unabhängig von Wirk- und Blindbelastung weitgehend herabzumindern
vermag.
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Wechselrichteranordnungen, bei denen auf der Wechselstromseite eine
Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer gesättig-' ten Induktivität vorgesehen
ist, sind an sich bekannt. Der Grund für die Verwendung dieser Parallelschaltung
ist jedoch bei den bekannten Anordnungen ein völlig anderer als bei der Erfindung.
Bei den bekannten Anordnungen ist davon ausgegangen, daß der Wechselrichter betriebsmäßig
mit einem taktgebenden Generator zusammenarbeitet. Die Hilfsmaßnahmen, welche mit
dem Wechselrichter verhunden werden sollen, beziehen sich bei den bekannten Anordnungen
auf Iden nur als Störungsfall, also nicht als normalen Betriebsfall anzusehenden
Ausnahmezustand, daß der taktgebende Generator ausfällt und daß dann durch diesen
Generator die Spannung des Wechselstromnetzes nicht mehr konstant gehalten wird.
Im Gegensatz dazu liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wechselrichter ohne
jeden taktgebenden Generator dauernd betriebsmäßig arbeiten zu lassen. Der Wechselrichter
soll die Eigenschaft haben, daß unabhängig von :der Belastung, also auch bei Leerlauf,
der Wechselrichter in einem nur von ihm gespeisten Netz !, die Spannung halten kann.
Aus diesem Unterschied in der Problemstellung folgt auch, d.aß bei der bekannten
Anordnung die Bemessung der aus Kondensator und gesättigter Induktivität bestehenden
Parallelschaltung nicht den für die Erfindung oben angegebenen Forderungen entspricht.
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In der Zeichnung ist in Fig. i die Schaltang einer Wechselrichteranordnung
darge-.tellt, bei der die Erfindung angewendet ist. Das Entladungsgefäß i eines
Wechselrichters, der aus einer Gleichstromquelle 2 -espeist wird, ist über einen
Transformator 3 an die Sammelschienen .4 für den Wechselstromverbraucherkreis angeschlossen.
Parallel zum Transformator 3 liegt an den Sammelschienen q. eine hochgesättigte
Drosselspule 5 und ein Kondensator 6. Die Parallelschaltung aus der Drosselspule
5 und dem Kondensator 6 bildet erfindungsgemäß die Stabilisierungsanordnung für
den Wechselrichter. Drosselspule und Kondensator sind so bemessen, daß ihre resultierende
Blindstromspannungskennlinie einen voreilenden Blindstrom ergibt, der mit wachsender
Spannung abnimmt. Der größte resultierende Blindstrom der Stabilisierungsanordnung
muß dabei größer sein als der höchste Blindstrom, der von .den an -den Wechselrichter
angeschlossenen Verbrauchern verlangt wird.
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Die Blindstromkennlinien JU = f (U) der Stabilisierungsanordnung
nach der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 ,dargestellt. In Fig. ist der Induktivitätsblindstrom
JL und der Kapazitätsblindstrom -Jc in Abhängigkeit von der Wechselspannung U des
Wechselrichters aufgetragen. Fig. 3 zeigt den resultierenden Blindstrom JL - Jc.
Die Kennlinie der Fig. 3 hat die für die erfindungsgemäße Stabilisierungsanordnung
geforderte Eigenschaft, daß in dem in Fig. 3 zwischen den Punkten A und B liegenden
Bereich der voreilende Blindstrom mit wachsender Spannung abnimmt. In diesem Bereich
arbeitet der Wechselrichter nach der Erfindung. Die Stabilisierungsanordnung nach
der Erfindung ist dabei, wie bereits erwähnt wurde, so zu bemessen, daß der höchste
Blindstrom der Verbraucher des Wechselrichters nicht über den durch den. Punkt B
begrenzten Betriebsbereich hinausgeht. Da, wie sich im weiteren zeigen wird, die
Neigung des Sättigungsastes der Kennlinie einen wesentlichen Einfluß auf die Betriebseigenschaft
des Wechselrichters, d. h. auf die Anderung von Spannung bzw. Frequenz bei veränderlicher
Belastung, ausübt, -so ist es vorteilhaft, wenn Frequenz bzw. Spannung möglichst
unveränderlich sein sollen, für eine flach verlaufende Kennlinie .im Bereich der
Punkte A und B Sorge zu tragen. Hierzu ist es vorteilhaft, die Eisensorte und die
Höhe der Sättigung der Drosselspule so zu wählen, daß der relative Anstieg der Sättigungskennlinie
möglichst gering ist. Man kann aber auch einen gegebenen Anstieg dadurch flacher
machen, daß man einen Kondensator in Reihe zur gesättigten Drosselspule oder auch
in Reihe zu der Parallelschaltung von gesättigter Drosselspule und Kondensator einfügt,
dessen kapazitiver Widerstand bei der Betriebsfrequenz derart gewählt wird, daß
er den induktiven Widerstand, der dem Anstieg der -Sättigungskenn-
Linie
bzw. der resultierenden Kennlinie entspricht, ganz oder teilweise ausgleicht.
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Bei der Schaltung nach Fig. i wird der nacheilende Blindstromanteil
der Stabilisierungsanordnung von einer besonderen Drosselspule 5 mit gesättigtem
Eisenkern übernommen. Das gleiche Ziel läßt sich, ohne an dem Erfindungsprinzip
etwas zu ändern, auch dadurch erreichen, daß der Wechselrichter transformator so
hoch gesättigt wird, daß sein Magnetisierungsstrom ganz oder zum Teil den Blindstrom
mit der Kennlinie nach den Fig. 2 und 3 aufnimmt. Der gesättigte Transformator wird
dann als Drosselspule mitverwendet. Es besteht auch die Möglichkeit, daß ,:in an
den Wechselrichter angeschlossener Verbraucher im Eisenkern mit so hoch gesätcigtemEisen
ausgeführt wird, daß sein Magnetisierungsstrom ganz oder zum Teil den für die Stabilisierungsanordnung
erforderlichen Blindstrom entsprechend der Kennlinie der Fig. 2 übernimmt.
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Ein Resonanzkreis mit eisengesättigter Induktivität ergibt im allgemeinen,
wenn die Oberwellen, die notwendig im Magnetisierungsstrom hochgesättigter Eiisendrosselspulen
auftreten, ihren Weg über den äußeren Stromkreis nehmen, wesentlich von der Sinus,form
abweichende Spannungskurven,die sowohl für die Kommutierung ,des Wechselrichters
als auch für die Kurvenform der abgegebenen Wechselspannung ungünstig sind,. Erfindungsgemäß
wird daher idie aus gesättigter Drosselspule und Kondensator bestehende Stabilisierungsanordnung
derart ausgebildet, d!aß die durch ,die Eisensättigung bedingten Oberwellen von
.dem Wechselrichter ferngehalten sind. Das kann z. B. ida;d;urch geschehen, daß
man den Kondensator in mehrere Teilkapazitäten aufspaltet und diesen einzelne auf
die verschiedenen störenden Oberwellen abgestimmte Drosselspulen vorschaltet, welche
zusammen mit dien Kondensatorteil als Oberwellenkurzschluß wirken. Bei Wechselrichtern,
die in einem breiteren Frequenzbereich betrieben werden sollen, isst eine solche
Anordnung nicht verwendbar, Eine allgemein verwendbare Oberwellenkömpensation bei
(hochgesättigten Eisendrosseln ergibt sich für alle Mehrphasensysteme durch Verwendung
von mehreren F.llußsystemen, ,die sich symmetrisch auf die ganze Periode in ihrer
PhasenJaige idurch (gegenseitige F.lußversetzunig verteiilen, .wobei jede Flußphasenlage
wegen der wechselstromsymmetrischen Beanspruchung .des Eiisens durch zwei um i8o°
gegeneinander versetzte Komponenten darzustellen ist. Z. B. ergeben je zwei Drehstromeinheiten
mit um 30° arnegeneinander versetzten Flußsystemen eine Aaslöschung aller Oberwellen
unterhalb ;der elften Oberwelle. Für diesle Fllußversetzung sind verschiedene Schaltungen
in undereäm Zus:ammerthange Bei einer \Vechselrichteranordnung, :bei der erfindungsgemäß
der Wechselrichtertransiformator Iden Magnetisiierunigsstrom der Stabilisierungsanord'nung
aufnimmt, besteht eine vorteilhafte Möglichkeit für @d,i,e Auglöschung der Magnetisierungsoberwellen
darin, daß ebenso viele gesättigte, in ihrer Phasenlage symmetrisch über die Periode
verteilte Eisenflußsysteme vorgesehen, sind, wie Anodenpaare vorhanden sind, und
daß diese gesättigten Eisenschenle.l gleichzeitig die Anodenwicklungen des Wechselrichters
tragen. Dine -dabei erforderliche Flußversetzung ,kann ,beispielsweise durch eine
kombinierte Sterndreieckwickliung der Ausgangsseite des Wechseilrichtertransformators
erreicht werden, deren Windingsverhältnis so abgestimmt ist, ,diaß ;in jedem Teiltransformator
das Flußsystem um i5° gegenüber dem gemeinsamen Spannungssystem versetzt ist und
der Drehwinkel beider Flußsystemedurch unterschiedliche Phasenfolge entgegengesetzt
gerichtet wird.
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In Fig. d: ist ein Ausführungsbeispiel für eine Wechselrichterschaltung
(dargestellt, bei ,dem die Wicklung des Wechselrichtertransfonmators nach vorstehenden
Bedingungen aufgebaut ist. Dias Entl,a!dungs"-lefäß des Wechselrichters besitzt
bei der Schaltung mach Fig. q. zwölf Anoden i bis 12, @di,e an zwei Dreh.strenitransformatoren
angeschlossen sind, ,deren Priim,ärwicklu:ngen ,in üblicher Weise sechsphasig ausi,-ebi@tdiet
und über eine Suugdrossel miteinander verbunden sind:. Die freien Enden dieser Wicklungen
tragen die ,gleichen Ziffern wie die ,zugeordneten Anoden. Auf der Sekundärseite
der beiden Teiltransformatoren,des Wechselrichters ist eine kombinierte Sterudreieckwicklung
vorgesehen, um .die oben erläuterte Ftußversetzun,g für :die Au.slöschunig .der
Magnetiisierumgsoberwell.en zu erreichen. Dias Winidun;gsverhältnis der kombinierten
Sterndreieckwicklung ,ist so abgestimmt, daß in jedem Teiltransformator,das Fliußsys,tem
um r5° gegenüber dem gemeinsamen Spannungssystem versetzt ist. Durch die aus :dein
Schaltungsschema ersichtliche unterschiedliche Phmenfolge wird erreicht, daß der
Drehwinkel der beiden F.lußsysteme entgegengesetzt ,gerichtet ist, so diaß eine
Geeamtphasenversetzung vbn 30° entsteht, mit der idie sechs Schenkelflüsse sich
symmetrisch über ,die ,ganze Periode verteilen. Die kombinierte Sterndreieckschaltung
hat gegenüber anderen möglichen Ausführungsformen den besonderen Vorteil, d(aß ,sie
mit einem Minimum an Kupferaufwand die erforderliche Winkelversetzung zugleich mit
:der Fernhaltung der ,durch ,die hohe Sättigung bedingten
erheblichen
Magnetisierungsob,erwellen. dreifacher Frequenz von dem Wechsielrichter ermöglicht.
Es sei jedoch bemerkt, d'aß die Ge-
samtschaltung, welche in Fig. 4 für den
Wechselrichter bzw. den W.echselrichtertran:sformator dargestellt ist, nur als eine
Ausführungsmöglichkeit anzusehen ist. Das Wesentliclie für den Aufbau der Wicklung
des Wechselrichtertransform.ators besteht in jedem Falle darin, daß man die als
Ofb:erwellenquel.len zu behandelnden gesättigten Eisenkerne in ihrer Zahl und gegeniseitigen
Phasenlage gleichmäßig über die ganze Periode wie die Anoden eines Gleich- oder
Wechselrichters selbst verteilt und dementsprechend eine AusilÖschung der Oberwellen
auf der Wechselstromseite nach der gleichen Gesetzmäßigkeit erzielt wie bei vielanodigen
Gleich- oder Wechselrichteranordnu.ngen. Die in der Fig.4 dargestellte Anordnung
eines Doppeltransformators mit sechs :gesättigten Schenkeln wirkt demnach in ihrer
Oberwellienl.i:eferung auf die Drehstromseite wie ein z,wölfanodiges Gefäß. Bei
höherer Zahl der gesättigten Schenkel und entsprechender Winkelversetzung kann man
durch Unterdrückung höherer Oberwellen, z. B. auch der i i. und 13- Oberwelle, die
erzielte Strom- bzw. Spannungskurve der Sinusform weiter annähern.
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Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, :bei dem vorzugsweise die Zahl
der für den Wechselrichter vorgesehenen Anodenpaare mit der Zahl der gesättigten
Schenkel des Transformators übereinstimmt. Man kann aber auch unterschiedliche Zahlen
von Anodenpaaren und Schenkeln vorsehen. Eine vorteilhafte Anordnung für die Speisung
eines sechsanodigen Gefäßes aus einem dreischenkligen Transformator ergibt sich
dadurch, daß man in an sich bekannter Weise die Oberwellen 5. und 7. Ordnungszahl
des gesättigten Dreischenkeltransformators dadurch zum Verschwinden bringt, daß
man durch Hilfsschenkel oder Aufspaltung der joche ein zweites eisengesättigtes
symmetrisches Fl.ußsystem im gleichen Transformator bildet, das gleiche Oberwellen
der 5- und 7fachen Ordnungszahl erzeugt und dessen Phasenlage gegenüber dem Flußsystem
der drei Hauptschenkel wiederum um 30° versetzt ist. In diesem Falle tragen die
Jochteile bzw. Hilfsschenkel in an sich bekannter Weise nur Magnetisierungshilfswicklungen,
welche für die erforderliche Flußversetzung bzw. für die Unterdrückung störender
Oberwellen durch drei teilbarer Ordnungszahl sorgen. Ein solcher Transformator enthält
dann sechs -esättigte Eisenflußsvsteme symmetrisch verteilter Phasenlage für die
Speisung eines Gefäßes mit nur drei Anodenpaaren.
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Es wurde bereits erwähnt, daß die Rolle der ztt der Stabilisierungsanordnung
gehörigen hochgesättigten Eisenkerndrosselspule auch ganz oder zum Teil von einem
Verbrauchergerät übernommen werden kann, welches von dem Wechselrichter gespeist
wird-. Es ist in diesem Falle vorteilhaft, die `'Wicklung des Verbrauchergerätes,
also beispielsweise die I@ Wicklung eines an den Wechselrichter angeschlossenen
Elektromotors, unmittelbar von den Anoden des `Wechselrichters speisen ztt lassen.
Ebenso wie bei Transformatoren und Drosselspulen kann man bei Maschinen, deren aktives
Eisen Sättigungsoberwellen erregt, für eine Kompensation dieser Oberwellen nach
außen Sorge tragen, indem man einerseits eine möglichst hohe Zahl symmetrisch über
die Periode verteilter phasenversetzter Flüsse hervorruft und bzw. oder andererseits
davon Gebrauch macht, daß die in den Zähnen einer :Maschine erregten Sättigungsoberwellen,
vorzugsweise 5. und 7. Ordnungszahl, in entgegengesetzter Richtung in den Außenkreis
treten als diejenigen, die von der Sättigung der joche herrühren. Man kann daher
durch geeignete Abstimmung der Magnetisierungsstrombeiträge von Zähnen und Jocheisen
der Maschine für einen weitgehenden Oberwellenausgleich sorgen.
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Die bei Wechselrichteranordnungen der behandelten Art erforderlichen
Kondensatoren erfüllen eine dreifache Aufgabe. Beim Überleiten des Lichtbogens oder
Schalterstromes von einer Kontakt- bzw. Gasstrecke auf die nächste erfüllen sie
die für die Konimutierung erforderliche Aufgabe, den Strom der erlöschenden Strecke
beim Einsetzen des Stromes in der Nachbarstrombahn schnell zum Verschwinden zu bringen.
Für die gesättigte Drosselspule übernehmen sie dieAufrechter'haltung ges Energieinhaltes
im System während der Schwingungsperiode, und schließlich müssen die Kondensatoren
bei induktiver Belastung des Wechselrichters denjenigen Überschuß an Blindleistung
bereitstellen, der erforderlich ist, um zu verhindern, daß bei induktiver Belastung
der Wechselrichter betriebsunfähig wird. Aus dieser dreifachen Aufgabe ergibt sich,
daß die Wahl des Anschlußpunktes für die Kondensatoren nach verschiedenen Gesichtspunkten
erfolgen kann. Schaltet man z. B. die Kondensatoren auf die Wechselstromanschlußseite
des \`'echselrichters, wie das in Fig. i dargestellt ist. so wird bei induktiver
Blindbelastung dieser Blindstrom die Wicklungen des Transformators nicht durchfließen,
und demnach wird die Belastung des Transformators geringer sein, als wenn man die
Kondensatoren beispielsweise an eine andere Wicklung des Transformators anschließt.
Man vermeidet also damit unnötige Transformierung dieses Teils
der
Belastung. Andererseits wird die Ablösung des Stromes einer Anode durch die nächstfolgende
bei der in Fig. z gezeigten Schaltung verzögert, .da. zwischen, je zwei Anoden die
Streureaktanz des Transformators als stromverzögerndes Glied eingeschaltet ist.
Für eine schnelle Kommutierung wird es duh,er günstiger sein, den Kondensator nicht,
wie in Fig. z gezeichnet, an die Ausgangsklemmen des Wechselrichters zu legen, sondern,
wie in Fig.4 gezeichnet, zwischen je zwei Anoden zu schalten, die einander ablösen
sollen. Dadurch entsteht von selbst eine Kondensatorenpolygonschaltung, welche bei
Direktbetrieb ein einziges über alle Anoden geschlossenes Polygon ergeben, bei Saugdrosselbetrieb
zweckmäßig in so viele Polygone aufgespalten werden, wie selbständig arbeitende
Anodengruppen durch die Saugdrosselschaltung gebildet werden. In Fig.4 sind z. B.
zwei sechsphasige Anodensysteme gebildet und dementsprechend zwei sechseckige Kondensatorenpolygone
für jedes Anodensystem vorgesehen. An Stelle der in Fig.4 angegebenen Polygonschaltung
der Kondensatoren kann auch eine Sternschaltung dieser Kondensatoren treten, bei
der die den einzelnen Entladungsstrecken zugeordneten Kondensatoren einer Anodengruppe
einerseits an die Anode und andererseits an einen gemeinsamen Sternpunkt angeschlossen
sind. Dieser Sternpunkt kann entweder starr oder über eine Drosselspule mit der
Kathode verbunden werden.
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Für die Speicherwirkung des Kondensators in Zusammenarbeit mit der
gesättigten Drossel ist die AnschaItung grundsätzlich an jeder beliebigen Wicklung
und in jedem beliebigen Übersetzungsverhältnis zulässig. Es kommt lediglich auf
die Blindleistung der Kondensatoren an, die den bereits im Eingang erläuterten Grundanforderungen
des Stabilisierungsgerätes genügen müssen. Infolgedessen kann man die Kondensatoren,
wenn man für Regelzwecke ihre wirksame Kapazität ändern will, an verschiedene Spannungen
des Wechselrichtertransformators anlegen, wobei nur die Gesamtsymmetrie gewahrt
zu werden braucht, die einzelnen Kondensatoren aber in beliehiger Phasenlage erregt
werden dürfen. Es ist z. B. auch möglich, zum Zwecke der Änderung der Kondensator-Leistung
die Kondensatoren auf die verschiedensten Sektorspannungen des Anodenspannungspolygons
umzuschalten, um hierdurch besondere Wicklungsanzapfungen am Transforrnator zu sparen.
Da das Überschalter eines Kondensators von einer Stufe auf eine andere unter Umständen
den Wechselrichterbetrieb in dem Augenblick, wo ein Teil der Kondensatoren abgeschaltet
ist, gefährden kann, so wird man vorzugsweise Anordnungen vorsehen, die entweder
eine Momentanumschaltung innerhalb von Bruchteilen einer Wechselstromperiode ermöglichen
oder einen stetigen Übergang von einer Stufenstellung auf eine andere unter Vermittlung
von vorzugsweise stetig arbeitenden Spannungsteilertransformatoren erlauben. So
kann man z. B. im Anodenspannungspolygon ein Polygon stetig arbeitender Spa-nnunggsteilertransformatoren
vorsehen, mit denen je ein Anschlußpunkt *der einzelnen Kondensatoren cyelisch im
Anodenpolygon herumgeführt werden kann, während der andere Anschlußpunkt z. B. jeweils
anodenfest bleibt.
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Die Freiheit, die die Anordnung nach der Erfindung für die Lage der
Kondensatoren läßt, ermöglicht besondere Vorteile, die über das Verhalten eines
netzgeführten Wechselrichters noch hinausgehen. Während beim netzgeführten (oder
durch einen rotierenden Phasenschieber stabilisierten) Wechselrichter die Kommutierung
stets durch" die Streuung des Transformators bzw. der Maschinenwicklung verzögert
und dadurch wesentlich an Betriebssicherheit bei kritischen Belastungszuständen
des Wechselrichters verloren wird, ermöglicht die Anordnung wenigstens eines Teiles
der Kondensatoren, der zweckmäßig unverändert im Anodenpolygon liegenbleibt, eine
praktisch momentane Kommutierung unter allen Umständen sicherzustellen. Daraus ergibt
sich, daß es auch vorteilhaft sein kann, die erforderliche -Gesamtlzapazität nach
den verschiedenen aufgeführten Aufgabenkreisen aufzuteilen und beispielsweise denjenigen
Teil, der zur Netzblindleistungskompensation dienen soll, netzseitig, einen Teil,
der zur Kommutierung verwendet wird, im Anodenpolygo@ri, und einen dritten Teil
für Regelzwecke umschaltbar anzuordnen.
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Wechselrichteranordnungen nach der Erfindung können entweder so betrieben
werden, daß die für die Steuerung erforderlichen Spannungen, beispielsweise die
Gitterspannungen steuerbarer Lichtbogenentladungsstrecken, einem Hilfsstromkreis
entnommen -werden, dessen Frequenz unabhängig von der Belastung des Wechselrichters
festgelegt bzw. willkürlich geändert werden kann, oder man kann die Steuerspannungen
für den Wechselrichter dem Stabilisierungskreis selbst entnehmen, d. h. z. B. bei
steuerbaren Lichtbogenentladungsstrecken die Gitter über bekannte Gittertransformatoren,
die vorzugsweise steil ansteigende Spannungskurven geben, in wählbarer Phasenlage
an die Wechselstromseite des Wechselrichters anschließen. Wird die Frequenz von
außen erzwungen, so ändert sich die Phasenlage zwischen Anoden-und Gitterspannung
des Wechselrichters je
nach der Belastung von selbst, wobei die
Spannung mit zunehmender Wirk- und/oder induktiver Blindbelastung etwas abnimmt.
Im umgekehrten Falle fester Phasenwinkelzuordnung zwischen Gitter- und Anodenspannung
bleibt auch die Wechselspannung in erster Näherung in festem Verhältnis zur angelegten
Gleichspannung, dafür steigt aber die Frequenz mit zunehmender Wirk- bzw. induktiver
Blindbelastung an.
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Die Größe der erwähnten Änderungen der Spannung bzw. der Frequenz
hängt wesentlich mit der Steilheit der Sättigungskennlinie des Stabilisierungsgerätes
zusammen. Sie lassen sich daher nicht nur, wie bereits erwähnt, durch Reihenkondensatoren
praktisch zum Verschwinden bringen, sondern auch umgekehrt, z. B. zum Zwecke der
Regelung, durch Erhöhung des Anstiegs der Sättigungskennlinie durch Zusatzdrosseln
fast beliebig weit steigern. Da Wirk- und Blindbelastung gleichartige Änderungen
der Spannung hervorrufen, wobei eine große Wirkbelastung ebensov iel Spannungs-
bzw. Frequenzänderungen verursacht wie eine verhältnismäßig kleinere Blindbelastung,
so sieht man, daß insbesondere die Wirklasteinflüsse leicht durch entsprechend entgegenlaufende
Blindlastregelungen ausgeglichen werden können. So kann man z. B. bei einem Wechselrichter
mit fremder Gitterspannungsführung die durch die Belastung hervorgerufene Spannungssenkung
durch -Verminderung einer induktiven Zusatzlast oder Erhöhung der kapazitiven Blindleistung
wieder ausgleichen. Dieser Ausgleich kann auch vorteilhaft selbsttätig vollzogen
werden, `nenn man ein stetig arbeitendes Blindleistungsregelglied einführt, das
abhängig vom Wirkstrom, d. h. abhängig vom Gleichstrom des Wechselrichters, gesteuert
wird. Besonders eignet sich hierzu eine mit Gleichstrom vormagnetisierte Drosselspule,
deren induktive Blindleistung mit steigender Wirklast herabgesetzt werden muß. Fig.5
erläutert ein solches Regelschema. Der aus Wechselrichtergefäß r, Transformator
3, Kondensator 6 bestehende Wechselrichter, der von der Spannungsquelle 2 gespeist
wird, ist durch eine Drosselspule 7 zusätzlich belastet. Diese Drosselspule enthält
zwei Gleichstromvormagnetisierungswicklungen 8 und 9, die in entgegengesetzter Richtung
auf die Erregung eines Gleichstromfeldes in der Drosselspule wirken. Die Wicklung
8 ist unabhängig von der Belastung des Wechselrichters erregt und kann auch von
außen willkürlich in ihren wirksamen Amperew-indungen verstellt werden. Die Wicklung
9 wird vom Gleichstrom des Wechselrichters erregt und schwächt die Amperew indungen,
die von Wicklung 8 herrühren, dergestalt, daß mit zunehmendem .Wirkstrom des Wechselrichters
eine Verminderung der wirksamer, Zusatzbelastungsinduktivität gerade von solcher
Stärke eintritt, daß die Spannungssenkung in Abhängigkeit von der Wirklast wieder
selbsttätig ausgeglichen ist. Um auch Rückwirkungen veränderlicher Blindbelastung
auf die Spannung bzw. die Frequenz auszugleichen, kann man den Einstellwiderstand
im Irreis der Wicklung 8 durch an sich bekannte Regelvorrichtungen von Spannung
und bzw. oder Frequenz so abhängig machen, daß der Wechselrichter ein allen Betriebsanforderungen
entsprechendes Verhalten nach Frequenz und Spannung zeigt. Die als Beispiel angeführte
Drosselsteuerung kann auch unter Fortlassung der Gegenkompoundwicklung zur ausschließlich
unabhängigen Regelung -\'erwendung finden, wobei man insbesondere für die Drehzahlregelung
von Motoren vorteilhaft die Kennlinie der gesättigten Drossel durch eine bereits
erwähnte Einfügung von Reihendrosseln mit Luftspalt so steil legt, daß sich bereits
mit geringen Blindlaständerungen weitgehend Drehzahländerungen hervorrufen lassen.
Um in diesem Falle bei Belastungskennlinien der angetriebenen Maschinen, die mit
steigendem Drehmoment abfallendeDrehzahl verlangen, Stabilitätsstörungen zu verhüten,
kann aber auch bei diesen Anordnungen von der erwähnten Lastkompoundierung vorteilhaft
Gebrauch gemacht werden.
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Ebenso wie die gesättigte Drossel der Stabilisierungsanordnung läßt
sich auch die soeben beschriebene Steuerdrossel sowohl in den Wechselrichtertransformator
wie in die gesättigte Stabilisierungsdrossel oder deren Zusammenfassung sowie in
ein angeschlossenes Verbrauchsgerät mit hineinlegen. Besonders vorteilhaft ist es,
einen als gesättigte Drosselspule mitbenutzten Motor, vorzugsweise mit Kurzschlußanker
oder Wirbelstromläufer, dadurch in seiner Drehzahl zu steuern, daß man seine Blindstromaufnahme
zusätzlich durch eine Gleichstromvormagnetisierung seines Ständereisens steuert.
Diese Vormagnetisierungswicklung kann z. B. so angeordnet werden, daß sie das ringförmige
Ständerpaket als geschlossene Ringbewickhzng so umgreift, daß im Joch des Ständers
ein tangential gerichteter ringförmiger Gleichfluß entsteht, mit dem im wesentlichen
der für die jochmagnetisierung erforderliche Anteil des Magnetisierungsstromes erhöht
werden kann.
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Für die Beseitigung der Oberwellen, die durch Gleichstromsättigung
erregt werden, gilt im Grunde das gleiche wie für die gesättigte Hauptdrossel, mit
dem Unterschied, daß für den Ausgleich der mit entstehenden geradzahligen Frequenzen
in an sich bekannter
Weise eine Doppelanordnung vorgesehen werden
kann, deren Teile auf der Wechselstromseite in Reihe oder parallel geschaltet werden,
deren Gleichstromseite aber mit entgegengesetztem Vorzeichen der -Gleichstromsteueramperewindungen,
bezogen auf die Wechselstromamperewindungen, erregt wird.
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Da bei Wechselrichtern, deren Gitterspannung vom Stabilisierungskreis
geliefert wird, die entstehende Wechselrichterfrequenz abhängig von dem gewählten
Phasenwinkel zwischen diesen beiden Spannungen ist, so kann man auch durch willkürliche
Linderung dieses Winkels beliebige Frequenzregeleinflüsse ausüben. -Will man abhängig
von Wirk- oder Blindlaständerungen des Wechselrichters eine selbsttätige Verstellung
des Steuerwinkels vornehmen, so kann man in an sich bekannter Weise Kompoundierungsschaltungen
vorsehen, durch welche wirk- oder blindstromproportionale Spannungskomponenten senkrecht
zur ursprünglichen Steuerspannung eingefügt werden, durch welche wählbare Winkeldrehungen
zur Erzeugung aller möglichen erwünschten Selbststeuereinflüsse hervorgerufen werden
können. Soweit die erforderlichen Einflüsse hierbei nichtlinearer Natur sind, z.
B. wenn bei kleinen Strömen verhältnismäßig große Winkeldrehungen erforderlich sind,
die mit wachsendem Strom kleiner werden sollen, so kann man von beliebigen nichtlinearen
Widerständen- zur Erzeugung der erforderlichen Zusatzspannungen Gebrauch machen.
Vorzugsweise eignen sich auch hierzu Drosselspulen mit gesättigtem Eisen, deren
Spannung bei kleinen Strömen steil und höheren Strömen nur noch langsam zunimmt
und die eine Anpassung an weitgehend beliebige Steuererfordernisse durch zweckentsprechende
Wahl von Luftspalt, Streuinduktivität und Höhe der Eisensättigung erlauben.
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Bei Regelungen in weitem Winkelbereich steigt und fällt die Spannung
des Wechselrichters in erster Näherung proportional mit der Frequenz, so, daß sich
eine ausschließliche Gitterregelung vorzugsweise für diejenigen Fälle eignet, in
denen Verbrauchsgeräte von dem Wechselrichter gespeist werden sollen, die mit zunehmender
Frequenz eine zunehmende Betriebsspannung benötigen. Insbesondere gilt dies für
alle Geräte, in denen ein möglichst gleichbleibendes Wechselfeld unabhängig von
der Frequenz aufrechterhalten werden soll, wie beispielsweise bei Motoren, deren
Drehmoment sonst mit zunehmender Frequenz abnehmen würde. Infolgedessen kann man
mit eirein solchen Wechselrichter einen Motor allein durch Verstellung des Steuerwinkels
zwischen Gitter- und Anodenkreis des Wechselrichters in seiner Drehzahl in weiten
Grenzen ändern, ohne daß der Motor dabei an Drehmoment einbüßt. Läßt man bei einem
solchen Regelvorgehen die Kondensatoren unverändert parallel an den Wicklungen des
Wechselrichtertransformators, so steigt die kapazitive Blindleistung anstatt, wie
es erwünscht wäre, linear mit der Frequenz, mit ihrer dritten Potenz. Infolgedessen
ist es zweckmäßig, bei Regelung eines Motors bzw. der Frequenz in sehr weiten Grenzen
die Kondensatorleistung mit wachsender Frequenz entsprechend zu vermindern. Eine
günstigste Ausnutzung,des aktiven Kondensatormaterials ergibt sich dann, wenn man
bei veränderlicher Frequenz den Kondensator in bereits beschriebener Weise an verschiedene
Spannungen des Wechselrichtertransformators z. B. so anlegt, daß die Kondensatorspannung
im ganzen Regelbereich möglichst gleichbleibt. Dadurch ändert sich, wie gefordert,
die Kondensatorbdindleistung mir noch proportional mit der Frequenz. Bezogen auf
die Diagrammdarstellung der Fig. 3 bedeutet eine solche Regelung, daß der kapazitive
Blindstrom umgerechnet auf die frequenzproportional veränderte Klemmenspannung des
Wechselrichters konstant bleibt. Dadurch wird das Maximum des voreilenden Blindstromes,
das der Wechselrichter liefern kann, unabhängig von der Frequenz gleichgehalten,
und auch der Magnetisierungsstrom der hochgesättigten Drossel bzw. des Transformators
bleibt im ganzen Regelbereich so weit konstant, daß unnötige Überdimensionierungen
vermieden werden.
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Die vorstehend beschriebenen Anordnungen zur Regelung bzw. Kompoundierung
können sinngemäß auch verwendet werden, um den Wechselrichter gegen kurzschlußartige
überlastungen oder auch gegen Überlastungen durch zu große Blindströme zu schützen.
Da bei einem Wechselrichter zu spät gestellte Zündung eine Kurzschlußgefährdung
für die Anlage bedeutet, so wird zweckmäßig der mögliche Verstellw inkel am Spannungsregler
sowohl als auch bei den Steuerdrosseln begrenzt. Ferner wird zweckmäßig der Ruh:espannungswinkel
gegen den spätest möglichen Zündpunkt etwas vorgeschoben, um Spielraum für induktive
Belastung zu behalten. Um insbesondere bei induktiven Belastungsstößen, z. B. Fernkurzschlüssen
im Drehstromnetz, ein Durchschlagen des Wechselrichters zu vermeiden, wird auch
hier zweckmäßig von der Eisensättigung zur Begrenzung der dem Blindstrom proportionalen
Zusatzspannung Gebrauch gemacht. Es sei bemerkt, daß derartige Schutz- bzw. Regelmaßnahmen
auch für den im Gitter fremdgesteuerten Wechselrichter angewendet werden können;
denn
wegen der Eigenträgheit des Schwingungskreises ist dort eine vorüberge:ltende Winkeländerung
möglich.
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Um einen Wechselrichter der vorbeschriebenen Art in Betrieb zu setzen,
kann man zunächst den Stabilisierungskreis von einer beliebigen Wechselspannungsquelle
aus erregen, wobei das Gitter des Wechselrichters an die gleiche Spannungsquelle
angeschlossen wird, und kann dann den Gleichstromkreis .bei passend gewählter Phasenlage
zwischen Gitter- und Netzwechselspannung unmittelbar auf den Wechselrichter schalten.
Trennt man hiernach nur den Stabilisierungskreis vom Wechselstromnetz ab, läßt aber
den Gitterkreis am Netz liegen, so ergibt sich ein vom Netz nur noch in der Frequenz
abhängiger, im übrigen aber selbständiger Wechselrichterbetrieb. Demgegenüber führt
die feste Parallelschaltung zwischen Gitter und Stabilisierungskreis und gemeinsame
Abschaltung vom Netz auf einen frequenzfreien Wechselrichterbetrieb. Bei einem solchen
Anlaßverfahren ist eine Hilfswechselspannung erforderlich, die stark genug sein
muß, um den Stabilisierungskreis wenigstens im Leerlauf auf Spannung zu bringen.
Wenn auch die Leistung eines solchen Anfahraggregates nur wenige Prozent der Wechselrichterleistung
zu betragen braucht, so kann es doch von Vorteil sein, eine weitere Beschränkung
der Anfahrleistung dadurch zu erzielen, daß man den Wechselrichter ausschließlich
im Gitterkreis von einer Hilfsspannungsquelle vor dem Einschalten des Gleichstromes
erregt, den Gleichstrom aber dann unmittelbar auf den Wechselrichter schaltet. Um
bei diesem Vorgehen Einschaltüberlastungen bzw. Fehlzündungen zu vermeiden, ist
es vorteilhaft, den Wechselrichter über einen Vorwiderstand einzuschalten. Dieser
Vorwiderstand kann wie ein Mo-to,ranfahrwiderstand stetig oder stufenweise die Spannung
am Wechselrichter steigern. Man kann aber auch mit nur einer einzigen Vorschaltstufe
in zwei kurz aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen den Wechselrichter auf das Gleichstromnetz
schalten, wobei man voTzugsweise die Vorstufe so, wählt, daß der durch den Vorwiderstand
begrenzte Wechselrichterstrom den Stabilisierungskreis eben über das in Fig. 3 ersichtliche
Maximum .der Blindstromaufnahme bis etwa zum Punkte B hinweghebt. Hierzu können
z. B. normale Schalter mit Vorkontaktwiderstand und auf die Erfordernisse des Wechselrichters
passend abgestimmter Schaltgeschwindigkeit Verwendung finden. Will man einen Wechselrichter,
der frequenzfrei mit wählbarem Steuerwinkel betrieben werden soll, einschalten,
so kann man zweckmäßig den Gitterkreis des Wechselrichters erst von einer Fremdspannungsquelle
über einen erregen und nach der zuvor beschriebenen Anschaltung an das Gleichstromnetz
dadurch von der Anfahrfrequenz unabhängig machen, daß man, sobald der Stabilisierungskreis
auf Spannung gekommen ist, den Gitterkreis ohne Strombegrenzungswiderstand unmittelbar
auf den Stabilisierungskreis schaltet und hiernach die Verbindung zwischen Hilfsspannungsquelle
und Stabilisierungskreis, die über die Strombegrenzungswiderstände noch hergestellt
ist, auftrennt.
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Man kann einen vollkommen freien Wechselrichter der beschriebenen
Art aber auch durch Gitteranstoß eines willkürlich wählbaren Gitters oder auch z.
B. mit einer Schaltung von einem oder mehreren Hilfsrelais oder mit einer Zündmaschine
nach Art eines Kurbelinduktors mit Kontaktverteiler durch aufeinanderfolgenden Anstoß
mehrerer Gitter in Betrieb bringen.
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Die den Gegenstand der Erfindung bildende Anordnung zur Stabilisierung
eines Wechselrichters ist in ihrer Bedeutung nicht auf Wechselrichter beschränkt,
welche mit steuerbaren Vakuumlichtbogenentladungsstrecken, beispielsweise gittergesteuerten
Quecksilberdampfentlad@un:gsstrecken, arbeiten. Die Erfindung kann mit Vorteil auch
für andere. an sich bekannteWechselrichteranordnungen verwendet werden, bei denen
zum periodischen Ein- und Ausschalten der Verbindung zwischen der Gleichstromquelle
des Wechselrichters und seiner Wechselstromseite andere Schaltmittel verwendet werden.
Als derartige Schaltmittel kommen in Betracht: Mechanische Schalter, deren synchroner
Antrieb an die Stelle der Gittersteuerung einer Quecksilberd'ampfentladungsstrecke
tritt, ferner steuerbare Lichtbogenstrecken, die eine unbeheizte Kathode aus festem
Material besitzen und daher keine Ventilwirkung haben wie Quecksilberdampf- oder
Glühlzatbodenventilgeräte, die gewöhnlich unter vermindertem Druck arbeiten. Zu
den mechanischen Wechselrichtern, bei denen die Erfindung anwendbar ist, gehören
auch solche mit Flüssigkeitskontakten, wie Elektrolytscha.lter oder Ouecksilberturbinenschalter
oder Ouecksilberstrahlscbalter. Die Notwendigkeit einer Kormnutierungsspannung ist
nämlich bei allen derartigen Schaltgeräten in grundsätzlich gleichartiger Form vorhanden
wie bei den Ouecksilberdampfventilen, da es nur durch das Zuschalten der Kommutierungsspannung
im richtigen Augenblick gelingt, den Stromnttlldurch,ang in der abzuschaltenden
Strombahn in demjenigen Zeitpunkt zu erzwingen, in dem der Kontakt unterbrochen
werden soll.
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Um insbesondere bei Gasentladungsventile.n die Brenndauer .des Anodenstromes
zu
beeinflussen bzw. den zugeführten - Gleichstrom hinreichend
zu glätten, sind auch bei Wechselrichtern der beschriebenen Art Kathodendrosseln
vorteilhaft. Um die Rückwirkungen der Kommutierungsoberwellen auf den Gleichstrom
zu vermindern, kann von beliebigen Sperrschaltungen mitParallelkondensatoren und
Reihendrosseln auf der Gleichstromseite Gebrauch gemacht werden. Zur Vermeidung
von Überspannungen an diesen Drosseln können Überspannungsschutzeinrichtungen, wie
Kathoden£alla@bleiter, Schutzkondensatoren oder Schutzgleichrichter, in bekannter
Weise Verwendung finden.
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Die Anwendung der Erfindung bringt besondere Vorteile auch für die
Drehstromübertragung mit Gleichstromzwischenkrzis; wobei .auf der Gleichstromseite
alle Schalter fortfallen können. Der neue Wechselrichter erscheint dem durch rotierenden
Phasenschieber geführten gegenüber dadurch besonders vorteilhaft, daß man ihn von
der den Gleichstromzwischenkreis speisenden Drehstromseite durch Gittersteuerung
mit gleichbleibender Frequenz hochfahren kann, ohne daß eine besondere Synchronisierung
des Phasenschiebers erfärderlich ist. Die Erfindung eignet sich weiter auch für
den Betrieb von Motoren, die mit netzfremden Frequenzen gespeist werden müssen,
wie insbesondere hochtourigen Motoren für die Zwecke der Holzbearbeitungsindustrie,
für Ringspannmaschinenantriebe und ähnliche Fälle; ferner für Motoren in rauhen
'Betrieben, die in der Drehzahl "regelbar sein müssen, wie z. B. in Betrieben der
chemischen Industrie, im Bannbetrieb, Rollgangantrieben von Walzwerken usf., wie
überhaupt an allen Stellen, an denen die Anwendung von Kollektoren durch gittergesteuerte
Entladungsgefäße ersetzt werden soll. Durch Verbindung der Regelschaltungen nach
der Erfindung mit Polumschaltung derMotoren lassen sich auch sonst nur schwer erreichbare
Drehzahlbereiche stufenlos überdecken. Aber auch für die Speisung ruhen-,der Geräte,
wie Induktionsöfen, oder für den Anschluß beliebiger Drehstro@mgeräte an Gleichstromnetze
kann von den vorstehend beschriebenen Vorschlägen Gebrauch gemacht werden.