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Anordnung zur Herabsetzung der Welligkeit bei der Spannungsregelung
-von Umformungseinrichtungen mit Entladungsstrecken Bei den neuzeitlichen Umformungseinrichtungen
mit gesteuerten Entladungsstrecken kann man eine Reihe von Aufgaben mit Sehr einfachen
Mitteln lösen. Insbesondere gilt dies für die mit gittergesteuerten Dampf- oder
Gasentladungsstrecken arbeitenden Stromrichter. Für !die Lösung der meisten dieser
Aufgaben ist allein die Einrichtung für die Steuerung, insbesondere die Gittersteuerung,
hinzugekommen, ohne, daß eine Änderung für die Hauptstromkreise erforderlich war.
Bei der Ausbildung der Umformungseinrichtungen ist nun aber häufig -den eigentlichen
Hauptstromkreisen wenig Beachtung geschenkt worden, und es sind beispielsweise wegen
der Schroffheit der Steuerung Unstetigkeiten in den Hauptstromkreisen in Kauf genommen
worden, die in der Starkstromtechnik sonst nicht üblich sind.
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Die Erfindung bezweckt nun eine Vermeidung bzw. wesentliche Verringerung
der geschilderten Unstetigkeiten. Erfindungsgemäß sind zusätzliche, vorzugsweise
hinsichtlich Phasenlage und/oder Größe regelbare stromunabhängige Zusatzspannungen
vorgesehen, deren Frequenz ein ganzes Vielfaches der Netzfrequenz bildet und die
den Spannungen in den Entladungsstromkreisen derart überlagert werden, daß im gewünschten
Zeitpunkt der Ablösung zweier Entladungsstrecken die Augenblickswerte der resultierenden
Spannungen in den beiden sich ablösenden Entladungsstromkreisen gleich oder annähernd
gleich sind.
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Es wird bemerkt, daß es bereits bekannt ist, Zusatzspannungen in die
Anodenkreise von Stromrichtern einzuführen, um damit in jedem Zeitpunkt der Periode
Kommutierungen erzwingen zu können. Hiermit sind Spannungssprünge an den Entladungsstrecken
zu den Zeitpunkten der Kommut%erungen. @ebenso verbunden, wie solche Spannungssprünge
auftreten, wenn. bei einem gewöhnlichen. Stromrichter Spannungsregelung mit Hilfe
der Gittersteuerung vorgenommen ,Wird.
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Für das Verständnis der Erfindung dürfte es zweckmäßig sein, zunächst
noch einmal die bekannte Spannungsregelung eines sechsphasigen, mit gittergesteuerten
Dampf- oder Gasentladungsstrecken
arbeitenden Gleichrichters zu
erläutern. Bekanntlich erfolgt die Regelung der Gleichspannung des Gleichrichters
in der Weise, daß der Zündzeitpunkt der einzelnen Phasenspannungen gegenüber dein
frühest möglichen Arbeitszeitpunkt der Phasenspannungen zeitlich verzögert wird..
Durch dieses Anschneiden der Phasenspannungen, das mit Hilfe der Gittersteuerung
erreicht wird, wird aber der Stromübergang von einer Anode zur anderen wesentlich
verändert. Während bei voll geöffnietem Gleichrichter die Kommutierung dann beginnt,
wenn beide Anodenspannungen gleiche Augenblickswerte haben also sprunglos einsetzt,
wird bei stärkerem Anschneiden der Phasenspannungen die Kominutierung erst in dem
Augenblick möglich, in dem die Sperrung der Folgeanode durch das Gitter aufgehoben
wird. Je nach dem Ausstenerungsrad sind aber die Potentiale der beiden Anoden stark
oder sogar sehr stark untereinander verschieden; beim Koininutieren "verden also
Anoden, die verschiedene Augenblickswerte haben, plötzlich zusammengeschaltet, so
daß während der Kommutierung die zwischen ihnen bestehende Differenzspannung kurzgeschlossen
ist. Unter dein Einfluß dieser mehr oder minder großen Spannung geht die Kommutierung
sehr rasch vor sich, d. h. der Strom wechselt plötzlich aus der einen Phase in die
andere Phase. Unmittelbar nach Beendigung der Kommutierung entsteht an der Entladungsstrecke
der abgelösten Phase sprungartig eine relativ hohe wiederkehrende Spannung. Diese
Unstetigkeiten sind in den Entladungsstromkreisen unerwünscht, denn die steil wiederkehrende
Spannung stellt eine starke Gefäßbeanspruchung dar, und der plötzliche Stromübergang
hat Ströme von sehr ausgeprägter Rechteckforin zur Folge, die von dem Primärnetz
vielfach nicht störungsfrei aufgenommen werden können. Schließlich ist noch hervorzuheben,
daß die Genauigkeit der Regelung ganz von der Genauigkeit der Gittersteuerung abhängt,
d. h. einerseits von der Genauigkeit der Gitterspannungskurven andererseits von
der Konstanz der Zündcharakteristik der Entladungsstrecken. In Abb. i der Zeichnung
sind die Verhältnisse veranschaulicht. In Abb. i" ist der Gleichrichter voll geöffnet.
Die Phasenspannungen i bis 6 liefern dann die größtmögliche Gleichspannung eg. Mit
zunehmender Zündverzögerung nimmt die vom Gleichrichter gelieferte Gleichspannung
ab, wie aus Abb. i b bis i d hervorgeht. Abb. i e veranschaulicht den Fall e, =
o. Es ist ange n:)minen, daß im Gleichstromkreis eine große Glättungsdrossel eingeschaltet
ist.
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In Abb. 2 der Zeichnung sind die Verhältnisse veranschaulicht, die
sich bei Anwendung des Erfindungsgedankens ergeben. Den sinusförmigen Phasenspannungen
i bis 6 sind Zusatzspannungen beispielsweise dreifacher Frequenz überlagert, und
zwar ist im vorliegenden Falle die Größe dieser Zusatzspannung gleich der halben
größtmöglichen Spannungsdifferenz zweier Phasenspannungen gewählt. In Abb. 2 a bis
2 e sind sowohl die Phasenspannungen i bis 6 als auch die aus Phasenspannung und
Zusatzspannung bestehenden resultierenden Spannungen i' bis 6' gezeichnet. Die stark
ausgezogene Kurve ist die Gleichspannung Zu jeder der Abb.2a bis 2 e ist noch schematisch
gezeichnet, welche Phasenlage die Zusatzspannung ez zur Phasen-Spannung ep hat und
wann die Entladungsstrecke Strom führt (durch einen dicken Strich angedeutet). In
der durch den dicken Strich angedeuteten Zeit darf also die Steuerung, insbesondere
die Gittersteuerung, nicht sperrend wirken. Wie man Abb. -2 entnehmen kann, lösen
sich zwei Anodenspannungen stets sprunglos ab. Das gilt auch für den Fall. (!, =
o, wo die beiden Anodenspannungen sich gerade berühren;- an die Stelle des großen
Spannungsvorsprunges bei der bisherigen Spannungsregelung (vgl. Abb. i) tritt jetzt
der sanfte Stromübergang anschließend an den Berührungspunkt der beiden Phasenspannungen.
Die Gleichspannungskurve für diese _1ussteuerung besteht im Gegensatz zu der oben
gezeigten scharfen sägezahnartigen Kurve jetzt aus einer sinusähnlichen Wellenlinie
von geringer Amplitude.
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Die gemäß der Erfindung eingefügte Zusatzspannung von Oberwellenfrequenz
ermöglicht aber nicht nur für diesen einen Grad der Aussteuerung den angestrebten
verbesserten Gleichrichterbetrieb, sondern bringt die bezweckte Vermeidung der LTnstetigkeiten
für sämtliche Aussteuerungsgrade des Gleichrichters. Die verschiedenen Aussteuerungen
werden dadurch erzielt, daß die Oberwellenspannung in ihrer Lage zur Grundwelle
in allen Phasen gleichmäßig verschoben wird. So sind die in den Abb. 2a,
2b, 2c, 2d, 2.e dargestellten Wellenbilder entständen. Beim Heraufregeln
der Spannung von Null auf den Größtwer t tritt, wenn man konstante Oberwellenbeträge
beibehält, ein überschneiden der Anodenspannungskurven auf, beispielsweise in d
und c. Dennoch bleibt die Kommutierung sprunglos. Die Welligkeit der Gleichspannung
nimmt jetzt beim Heraufregeln all=mählich zu und ist auch für die volle Spannung
größer, als wenn keine Zusatzspannungen angewendet würden. Andererseits ist der
Gleichspannungsbetrag erheblich größer als die Gleichspannung beim voll geöffneten
normalen Gleichrichter. Die Welligkeit der Gleichspannung läßt sich aber nach dem
vorgeschlagenen
Verfahren auch ohne weiteres für alle Aussteuerungsgrade
annähernd konstant halten, und zwar dadurch, daß :die Amplitude der Zusatzspannung
beim Regeln von der Gleich-Spannung Null bis zur vollen Gleichspannung von ihrem
Größtbetrage etwa entsprechend einer Sinusfunktion auf Null herabgeregelt wird.
Dies kann in einfachster Weise mit einem Drehregler durchgeführt werden, und dieser
Fall ist Abb. 3 a bis 3 e zugrunde gelegt, deren Bezugzeichen mit denen .der Abb.
2 a bis 2 d übereinstimmen.
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In Abb. 2 ist bereits angedeutet worden, in welcher Zeit die einzelnen
Phasen den Strom führen. Daraus ist zu ersehen, daß hinsichtlich des Leistungsfaktors
der Grundwelle keine nennenswerte Änderung gegenüber dem normalen gittergesteuerten
Sechsphasengleichrichter erzielt ist. Mit Hilfe des durch die Erfindung angegebenen
Verfahrens ist es aber auch möglich, ° einen Gleichrichter mit kapazitivem Leistungsfaktor
zu betreiben und auf die Spannung Null herabzuregeln. Dieser Fall ist in Ab'b. q.
veranschaulicht. Zu-"runde gelegt ist dieselbe Schaltung wie für Abb. 2 und dieselbe
Zusatzspannung, die den Phasenspannungen überlagert wird. Für die volle Gleichspannung
-ist Abb. q.a mit der Abb.2a identisch. Zum Herabregeln der Gleichspannung wird
jetzt aber die höherfrequente Zusatzspannung vorverschoben, so daß sich die Abb.
q.b bis 4e für die verschiedenen Aussteuerungen ergeben. Die so entstehenden Kurven
sind vollkommen spiegelbildlich zu denen der Abb. 2. Das gleiche gilt für die Benutzungsdauer
der einzelnen Phasen, die jetzt bei herabgeregelter Spannung entsprechend kapazitiv
wird. Auch jetzt erfolgt die Kommutierung entsprechend dem Hauptgedanken: der Erfindung
sprunglos. In einer Hinsicht jedoch ist die Kommutierung nach der Abb. g. von der
der-Abb. 2 wesentlich verschieden. Während bei Abb. 2 mit Hilfe der Gittersteuerung
die Anodenspannung gesperrt gehalten werden muß, bis die neue Anode die Stromführung
dbernimmt, muß bei Abb. q. die Anodenspannung der abgelösten Phase gesperrt gehalten
werden, wenn die Folgephase den Strom übernommen hat. Aus diesem Grunde muß dafür
gesorgt werden, daß sich die Anodenspannungen überschneiden, damit der Stromübergang
sichergestellt ist und die nötige Zeit für ;1i' Entionisierung der Strecke zur Verfügung
steht. Es muß also beispielsweise in der Abb. q. e die Größe der Zusatzspannung
gegenüber der mit nacheilender Gleichrichtersteuerung etwas erhöht werden, damit
die Kominutierung, die ihrer Art nach eine Wechselrichterkommutierung ist, sicher
verläuft. Die Gegenüberstellung der Abb. 2 und 4 läßt er-' kennen, daß ein und derselbe
Gleichrichter mit einer und derselben Zusatzspannung entweder mit induktivem oder
kapazitivem Leistungsfaktor herabgeregelt werden kann, i wenn man das durch die
Erfindung angegebeng Verfahren verwendet. Im Falle der Abb. 2 muß die Zusatzspannung
so verschoben werden, wie es in den unteren Bildern Abb. 2 b bis 2 e) dargestellt
ist, und die Gittersperrung hat nach dem dort ebenfalls gezeigten Schema zu erfolgen.
In Abb..I muß die Phase der Zusatzspannung nach der anderen Seite verschoben werden
(Abb.. q b bis ¢e) und die Steuerung entsprechend dem Wechselrichterbetrieb, wie
dort angezeichnet, erfolgen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann man zwei
gleichartige Umformungseinrichtungen in an sich bekannter Weise parallel arbeiten
lassen und dabei die eine mit nacheilenderr@ Leistungsfaktor, die andere mit voreilendem
Leistungsfaktor aussteuern. Bei gleicher Charakteristik und gleichem Aussteuerungswinkel
erhält man dann über den gesamten Regelbereich einen Leistungsfaktor gleich i. Es
sei noch hervorgehoben, daß an die Genauigkeit der Gittersteuerung nicht mehr so
hohe Anforderungen gestellt zu werden brauchen wie bei der bisher üblichen Art der
Spannungsregelung durch Gittersteuerung. Dies ist dadurch erreicht, daß immer ein
sprungloser Kommutierungsbeginn erzielt wird, also die Spannungen der Hauptstromkreise
der Entladungstrecken und nicht die der Gitterkreise den Kommutierungsbeginn bestimmen,
während die Gitterspannung nur ein fälschliches Ansprechen durch die Abriegelungder
Anoden zu den Zeiten, in denen sie nicht brennen dürfen, zu verhindern hat. In ge`vissen
Bereichen braucht das Gitter überhaupt nicht sperrend zu wirken, d. h. dort trägt
es zur Regelung überhaupt nichts bei. Dies gilt z. B. für Abb. 2a und 2b sowie Abb.
q.a und 4:b. Ferner ist noch zu bemerken; daß eine in den Gleichstromkreis eingefügte
Glättungsdrossel im Gegensatz zu der Steuerung nach Abb. i verhältnismäßig klein
gehalten werden kann.
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Bezüglich der Kommutierungsvorgänge ergibt sich an Hand der Abb. 5
folgendes: Wenn beispielsweise wie in Abb.ve die beiden Anodenspannungen sich berühren,
so können die Entladungsstrecken sich nach den Bedingungen des Gleichrichterbetrie'bes
ablösen (vgl. Abb. 5a, Spannungen i und 2). Sollen sich jedoch wie in Abb. ,.,e
zwei Entladungsstrecken gemäß den Bedingungen des Wechselrichterbetriebes ablösen,
so dürfen sie sich nicht berühren. Man erhält dann. durch Vergrößerung der Zusatzspannung
die Verhältnisse, wie sie in Abb.5b dargestellt sind.
Schaltungsmäßig
läßt sich der Erfindungsgedanke, wie er an Hand der Abb. 2 bis 4. erläutert ist,
in verschiedener Weise verwirklichen. In Abb. 6 wird beispielsweise den an die Wicklungen
i bis 6 angeschlossenen Anoden ro bis 6o die Zusatzspannung dreifacher Frequenz
durch einen Transformator mit der erforderlichen Anzahl von Sekundärwicklungen zugeführt,
in Abb. 7 ist die sechsphasige Sternwicklung i bis 6 in zwei dreiphasige Sternwicklungen
aufgelöst und der Transformator 7 zwischen die beiden Sternpunkte geschaltet, in
Abb. 8 sind die Entladungsstrecken ro, 20, 30, .4o, 5o, 6o in zwei mehränodigeGefäße
unterteilt, und derTransformator 7 ist zwischen die beiden Kathoden geschaltet.
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Der Erfindungsgedanke ist nicht nur bei Gleichrichtern, sondern auch
bei Wechselrichtern und Umrichtern anwendbar. Ebenso ist auch der Erfindungsgedanke
nicht an mehrphasigeSchaltungengebunden. Beispielsweise kann man ihn bei einem Zweiphasengleichrichter
mit Sternpunktsentladungsstrecke anwenden; als Zusatzspannung kommt in diesem Falle
eine Wechselspannung doppelter Frequenz in Betracht.