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Verfahren zur Zündung von Lichtbogenstromrichtern (Marx-Stromrichtern)
Die Ventilwirkung eines Lichtbo:genstromrichters (Marx-Stroimrichters) beruht bekanntlich
darauf, daß nur in jeder zweiten Halbperiode der an den lieg nden Wechselspannung
ein Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden gezündet wird, der verlischt, sobald
der Strom am Ende der Brennhalbperiode durch Null geht. Da es grundsätzlich gleichgültig
ist, ob der Hauptlichtbogen während einer positiven oder negativen Halbwelle der
Spannung brennt, folgt, daß die Lichtbogenkammer für beide Stromrichtungen verwendbar
ist.
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Wird die Lichtbo:genkammer nur für eine Stromdurchlaßrchtung verwendet,
so wird der Hauptlichtbogen in bekannter Weise durch einen Hilfslichtbogen eingeleitet,
der nvischen der als Kathode wirkenden Hauptelektrode i (Abt. i) und der als Zündelektrode
dienenden benachbarten Schirmelektrode 3 gezündet und vom axial durch die Kammer
fließenden Gasstrom zur gegenüberliegenden, als Anode wirkenden Hauptelektrode z
geblasen wird. Für eine schnelle Zündweg des Hauptlichtbogens sind damit alle Voraussetzungen
erfüllt. Die Gasstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden ist ionisiert, und das
für seinen Bestand notwendige Kathodenfallgebiet ist durch dasjenige des Hilfslichtbogens:,
dessen einer Fußpunkt an der kathodischen Haupt-.,t, bereits gegeben. Der überelektrode
lieg schlagende Hauptlichtbogen bat demnach an der gegenüberliegenden Hauptelektrode
lediglich das Anodenfallgebiet aufzubauen, was wegen der leichten Beweglichkeit
der das Anodenfallgebiet bildenden Elektronen leicht möglich ist.
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Wesentlich anders liegen die Verhältnisse, wenn, wie bereits anderweitig
vorgeschlagen worden ist, der Hilfslichtbogen von derjenigen Hauptelektrode ausgeht,
die dieAnode ist. Diese Net«vendigkeit ergibt sich zwangsläufig, wenn die Stromrichtung
im Entladungsgefäß umgekehrt werden soll. Abgesehen hiervon kann aber auch sonst
eine Zündung von der Anodenseite aus zweckmäßig sein, da sich hierbei beträchtliche
betriebliche Vorteile @ergeben. Nach der in bekannter Weisse trfo:lgten Einleitung
des Hilfslichtbogens, der zur nunmehr kathodischen Hau:ptelektro-de 2 hinübergeblasen
wird, findet der nachfolgende Hauptlichtbogen zwar die ionisierte Gasstrecke und
ein durch den Fußpunkt des Hilfslichtbogens an der Hauptelektrode i aufgebautes
Anodenfallgebiet vor. Er@ muß sich jedoch an der Kathode 2 eine Stelle erst selbst
schaffen. Zu diesem Zweck muß vor der neu zu .bildenden Kathode 2 eine positive
Raufnladung .aufgebaut werden. Wegen der verhältnismäßig großen Masse der. Ionen
ist dies wesentlich schwieriger als zuvor der Aufbau des Anodenfallgebietes. Es
sind daher
ziemlich hohe Anodenspannungen notwendig, um eine Entstehung
des Raumladtingsgebiet2s zu gewährleisten, wobei immer noch die Möglichkeit zu einem
Zündverzug und zu Fehlzündtuigen (Au!s.setzttngen) besteht.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile bei Lichtbogenstromrichtern
(Marx-Stromrichtern), bei denen der Hauptlichtbogen durch einen auf der Anodenseite
gezündeten Hilfslichtbogen eingeleitet wird, dadurch, d,aß die Bildung des Hauptlichtbogens
durch den Hilfslichtbogen dadurch erleichtert wird, daß die als Kathode dienende
Hauptelektroddurch zusätzliche Mittel, beispielsweise durch Aufheizung, emissionsfähig
gemacht wird, so da.ß die Bildung eines Kathodenfußpunktes durch den Hilfslichtbogen
nicht erfo.rde-rli:ch ist.
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Im Gegensatz zu bekannten Verfahren und Einrichtungen, bei denen eine
Kathodenemission zur Ionisierung der Funkenstrecke und damit unmittelbar zur Zündung
des Hauptlichtbogens verwendet wird, dient also gemäß der Erfindung die Kathodenemission
dazu" die Bildung des zuletzt zu bildenden Fußpunktes des Hauptlichtbogens leichter
herb; izuführen.
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Einrichtungen zurr Durchführung des erfindungsgemät3en Verfahrens
sind beispielstveise in den Abb. 2 bis 5 veranschaulicht.
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Bei der Einrichtung der Abb.2 wird die erhöhte Bereitschaft zur Bildung
des Fußpunktes des Hauptlichtbogens auf der Iiathode 2 durch Glühemission :erzielt.
Der dem Abbrand unterworfene und aus einem Material von guter Wärmeleitfähigkeit
bestehende Einsatz 5 der Hauptelektrode 2 wird durch die ihn umgebende, beispielsweise
in eine hitzebeständige keramische Masse eingebettete Heizwicklung 6 mit den Anschlüssen
8 auf so hohe Temperaturen gebracht,- bis die erforderliche Elektronenemission stattfindet.
Zwecl'-mäßigerweise wird bei der Wahl des Materials für den Einsatz 5 neben der
guten Wärmeleitfähigkeit auf kleine lonisierungsarbeit Wert gelegt. Lm Wärmeverluste
:einzuschränken Lind die Wärme möglichst auf den Einsatz 5 zti konzentrieren, ist
die Heizwicklung 6 mit einem wärmeisolierenden Mantel ? umgehen.
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Die Abb.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem die Bildung des Kathodenlichtbogenfußpunktes ebenfalls durch Wärmeemission erleichtert
wird. Bei der Anordnung der Abb.3 befindet sich der zu erhitzende Einsatz 5 im magnetischen
Feld einer Spule 9, die über die Anschlüsse i i mit Wechselstrom vorzugsweise höherer
Frequenz gespeist wird. Die Feldstärke der Spule hzw. die Frequenz des Wechselstromes
werden derart bemessen, daß der Einsatz 5 infolge der in ihm gebildeten Wirbelströme
zum Glühen kommt und so die erforderliche Emission stattfindet. Auch hei der Anordnunb
der Abb. 3 ist es zweckmäßig, einen wärmeisolierenden Schutz io anzuwenden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens sind in sinngemäßer Weise auch anwendbar, wenn der Einsatz 5 in and.erwcitig
vorgeschlagener Weise in Form eines Elektrodenstalhs in azial.er Richtung beweglich
angeordnet ist. In diesem Falle wird man nach Abb. 4. die Heizlvicklung bzw. die
induzierende Spule 12 nur um das dem Abbrand unterworfene Ende des Elektrodenst.abes
13 herum anordnen., und zwar ebenfalls jenen den Elektrodenkörper 2 durch einen
wärmeisolierenden Schutz 11 allgeschirmt.
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In allen Fällen kann es nützlich sein. zu.-mal, wenn für den Einsatz
5 hzw. den Elelktrodenstab 13 aus anderen Gründeo ein. Material mit hoher Elektrodenaustrittsarncit
verwendet werden muß, die Liclitbogenkammer mit* einem leicht ionisierbaren Gas
ztt hctreiben.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen zur Durchführung des erfindungsäeniäf.,:eii
Verfahrens wurden die Kathoden von außen her auf die für die Glühemission erforderlichen
Temperaturen gebracht. Es ist jedoch auch möglich, die Kathode durch den Anodenstrem
selbst aufzuheizen, sofern man entweder darauf verzichtet, die Bildung des ersten
KathodenhauptlichthogenfußpL,n1,tes durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erleichtern,
oder zur Erleichterung der Bildung dieses ersten Kathodenh.nuptlichtbogenfußpunktes
kurzzeitig eine besondere Stromquelle zur Aufheizung der Kathode vorsieht. Voraussetzung
für die Anfheizmig der Kathode durch den Anodenstrom selbst ist, daß die Kathode
vorwiegend aus :einem Werkstoff besteht, der neben einem hohen Schmelzpunkt eine
kleine Wärmeleitfähigkeit und einen möglichst kleinen Dampfdruck besitzt. Geeignete
Werkstoffe sind beispielsweise Wolfram, Tontal. Bogenlampenkohle, Carbid und Oi@-de.
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Die Zündbereitschaft -der Hauptelektrode im Sinne der Erfindung läßt
sich ferner mit Hilfe einer Glühentladung herstellen, wofür die Abb.5 ein Ausführungsbeispiel
zeit. 111 der eigentlichen Hauptelektrode befindet sich, von dieser durch :einen
Belag 15 aus feuerfestem Material isoliert, der dem Ahllrand unterworfene Einsatz
16. Dieser Einsatz kann, wie anderweitig bereits vorgesclil.agen worden ist, in
axialer Richtung beweglich angeordnet sein. Die Spitze des Elektrodenkörpers 2 kann
zur Verminderung der Abnutzung beispielsweise mit einer Kappe 17 aus schwelschmelzbarem
Metall überzogen werden. Zwischen dem Einsatz bzw. Elektrodenstab i 6 und der Elektrode
2 bzw. der Kappe 17 liegt übe:-ciiieii
Schutzwiderstand iS eine
Spannungsquelle ig von ge°igneter Größe, um eine Glimmentladung zwischen der- Elektrodenspitze
a und dem Einsatz 16 zu unterhalten. Dabei erhält zrveckmäßigenveise der Einsatz
16 katliodisches Potential gegenüber der Spitze a. Die auf diese Weise erzielte
Glimmentladung sorgt für die B:ereitsfiellung der zum raschen Aufbau des Kathodenfußpunktes
des I-i.chtbogeis zwischen den Hauptelektroden erforderlichen Ladungsträger.
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In .der Abb. 5 ist als Stromquelle ig für die Glimmentladung eine
Gleichstromquelle gezeichnet. Es kann hierfür aber auch eine Wechselstromquelle
vorgesehen werden, deren Wechselspannung zweckmäßigerweise synchron zu der Wechselspannung
liegt, die durch die Lichtbogenkammer gleichgerichtet (Gleichrichterbetrieb) bzw.
rriit der Lichtbogenkammer erzeugt (Wecliselrichterbetrieb) wird. Sofern der Abbrand
des Einsatzes 16 nicht durch axiale Verschiebung kompensiert wird, so, daß mit zunehmendem
Abbrand ein Aussetzen der Glimmentladung zu hefürchten ist, richtet man die Spannungsquelle
ig oder den Widerstand iS oder beide zweckmäßigerw ,eise regulierbar ein, so daß
bei wachsendem Elektrodenabstand durch entsprechende Erhöhung der Spannung ein Weiterbestehen
der Glimmentladung gewährleistet ist. Falls der damit verbundene höhere Leistungsverlust
und Abbrand nicht ins Gewicht fällt, kann auch zwischen der Elektrodenspitze a und
dein Einsatz 16 ein Lichtbogen für den gleichen Zweck gezündet werden.
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Die betrieblichen Vorteile, die sich durch die sichere Ermöglichung
der bereits anderweitig vorgeschlagenen Zündung des Hauptlichtbogens von der Anodenseite
aus ergeben, sind sehr zahlreich. Durch die gegenüber der bisher üblichen Anordnung
abgeänderte Gasführung kann die Anode, an der bekalultermaßen der größte Energieumsatz
stattfindet, wesentlich besser gekühlt werden, da nun das kalte Gas an der Anode
iii die Lichtbogenkammer einströmt. Die bessere Kühlung der Anode sorgt dafür, @
daß mit Sicherheit vermieden wird, daß der Hauptlichtbogen als Dampfbogen brennt.
Es entsteht somit keinerlei Abbrand an der Anode und damit also keine Veränderung
des Anodenteiles. Das bedingt, daß der Zündeinsatz des Hilfslichtbogens während
des Betriebes unverändert bleibt. Da an der Anode kein nennenswerter Materialv=erlust
auftritt, können kleine Elektrodenteilchen in den Entladungsraum vom Gasstrom nicht
mitgerissen werden. Außerdem findet kein Transport von Ladungsträgern, die von glühenden
Teilen der Kathode austreten, durch den Gasstrom in den Entladungsraum hinein stakt.
Als letzter Vorteil ist noch anzusehen, daß der leicht bzwegliche Anodenfußpunkt
durch den von der Anode zur Kathode fließenden Gasstroh auf der Anode sicher festgehalten
wird.