-
Freier selbstgeführter Wechsel-Gleichrichter Unter einem freien selbstgeführten
Wechsel-Gleichrichter wird im Sinne der Erfindung ein Stromrichter verstanden, der
in bezug auf den Energieaustausch zwischen einem Gleichstromnetz und einem Wechselstromnetz
beliebiger Frequenz bzw: bei Reihenschaltung von zwei freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichtern
zwischen zwei Wechselstromnetzen gleicher oder verschiedener Frequenz praktisch
in -der gleichen Weise arbeitet wie ein normaler Umspanner.
-
Der freie selbstgeführte Wechsel-Gleichrichter hat nach dieser Erklärung
u. a. folgende Forderungen zu erfüllen: Unabhängigkeit der Spannungsübersetzung
von der r'inderung sowohl der Lastgröße wie der Lastart, also einerlei, ob es sich
um Änderungen von Wirk- oder Blindleistung handelt und wie schnell auch immer die
Änderung der Lastverhältnise erfolgt. Der freie selbstgeführte Wechsel-Gleichriohter
soll sich wie der Umspanner den Betriebsschwankungen anpassen, ohne daß besondere
Reguliergriffe erforderlich sind, bzw. sind derartige Reguliereingriffe auf die
Erzielung einer verfeinerten An-Passung (Naahregulieren von Verlustspannung, vorbestimmte
Wirk- oder Blindfastverschiebung o. dgl.) beschränkt.
-
Der Einfachheit halber wird für die Beschreibung durchweg die Einphasendoppelwegschaltung
,gewählt; der einphasige, freie selbstgeführte Wechsel-Gleichrichter läßt sich jedoch
ebenso yvie ein normaler zu einem Vielphasenstromrichter zusammenfassen unter Beachtung
der dabei erzielbaren Ersparhisse an Gefäßen (rnehranodigen Gefäßen),' Umspannern
(Mehrphasenumspanner), Leitungen, Steuereinrichtungen usw.
-
Die Abb. r und 2 lassen grundsätzlich den derzeitigen Stand der Technik
auf dem Weg zurLäsungdes freien selbstgeführtenWechsel-Gleichrichters- erkennen.
-
Die in Abb. z dargestellte Anordnung besteht aus einem Gleichrichter
GR mit den Entladungsstrecken G1 und G2 sowie der Drossel DG und einem Wechselrichter
WR mit den Entladungsstrecken WI und W2 sowie der Drossel Dw. Sie ist wechs-elstromseitig
über den Transformator T an das Netz mit der Spannung Ew, gleichstromseitig an ein
Netz
mit der Spannung F0 angeschlossen und unterscheidet sich von dem bekannten Umkehrstromrichter
in Kreuzschaltung zum Antrieb von Gleichstrommotoren nur durch den Zusatz eines
Kondensators C zum Wechselrichter WR. Dieser Kondensator ermöglicht es, den Wechselrichter
in bekannter Weis beschränkt selbst geführt zu betreiben, so daß unter gewissen
Voraussetzungen auch dann Leistung von dem Gleichstromnetz in das Wechselstromnetz
übertragen werden kann, wenn wechselstromseitig keine Führungsmaschine angeschlossen
ist.
-
Die Einschränkung der Anwendbarkeit dieses Stromrichters ist wesentlicher
Art. Er gestattet weder die Blindleistungsübertragung aus dem Gleichstromnetz ins
Wechselstromnetz noch umgekehrt. Zwischen Blind- und Wirkleistung besteht kein Art-,
sondern nur ein Formunterschied insofern, als unter Blindleistung eine Wirkleistung
verstanden wird, die periodisch entsprechend der Netzfrequenz (also bei f = 5o hundertmal
je Sek:.) die Leistungsrichtung wechselt, während der Richtungswechsel der Wirkleistung
(z. B. bei Fördermaschinen mit Stromrücklieferung) meist unregelmäßig und wesentlich
langsamer vor sich geht. Setzen daher die Kathodendrosseln Dg. und D" in Abb. i,
die bei jedem Richtungswechsel der Leistung ihren Strom zwischen Null und Voll verändern,
der Wirkleistungsumkehr kein besonderes Hindernis in den Weg, so bedeuten sie bei
hundertmaligem Wechsel ihres Stromes in der Sekunde, wie sie die Blindleistungsübertragung
für f=50 erfordert, einen derartigen Wiederstand, daß der Blindstromausgleich praktisch
unterbunden wird.
-
Aber auch die Blindleistungslieferung an das Wechselstromnetz, z.
B. durch Einbau von Kondensatoren, also durch Vergrößerung von C in Abb. i, erfüllt
nicht die Bedingung des freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichters. Um bei veränderlicher
Blindlast die Spannung konstant zu halten, ist man gezwungen, den Kondensator C
zu regulieren, was betriebstechnisch Schwierigkeiten bereitet und der vom freien
selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter verlangten einfachen Ärbeitsweise widerspricht.
-
Als Mittel zur Beseitigung der Drosselwirkung der beiden Kathodendrosseln
Dg und Dtv in Abb. i bei Blindleistungsübertragung ist (vgl. Elektrische Bahnen
1932, S. 51, Bild .4 und 1d) vorgeschlagen worden, die beiden Drosseln durch eine
Umkehrdrossel zu ersetzen, wie sie in Abb. 2 dargestellt ist. Die Bezugszeichen
der Abb. 2 entsprechen denen der Abb. i. Hierbei sind die beiden Drosselwicklungen
auf einem gemeinsamen Eisenkern untergebracht, also eng magnetisch miteinander verkettet.
Man erkennt, daß bei dieser Ausführung Leistungsumkehr durch Wechsel zwischen Gleich-
und Wechselrichterbetrieb ;;eine Flußänderung in der Drossel erfordert, Andern lediglich
eine Änderung in der Verteilung der A. W. auf die beiden Wicklungen Dg und D", und
daher keinen Spannungsverlust durch Drosselwirkung hervorruft.
-
Trotzdem ist es in den ,Jahren seit Bekanntwerden dieser Drossel nicht
gelungen, damit einen freien selbstgeführten Wechsel.-Gleichrichter für größere
Leistungen herzustellen. Der Grund ist folgender: die Umkehrdrossel dient wie jede
Kathodendrossel als Puffer gegenüber der Verschiedenheit des Spannungsverlaufs des
Gleich- und Wechselstromsystems; dieser Unterschied äußert sich an den Klemmen der
Drossel -als Wechselspannung. Wie aus Abb. 2 zu ersehen ist, vermag die Drossel
wohl eine Gegen-EMK in Richtung a-,ö auszuüben, jedoch nicht in umgekehrter Richtung,
da sie in letzterem Fall über die Gefäße W1, G1 bzw. W=, G2 (bis auf den Lichtbogenabfall
der Gefäße) kurzgeschlossen ist. Von der während der positiven Spannungshalbwelle
/3 gespeicherten Feldenergie wird daher in der negativen Halbwelle zunächst nur
ein verhältnismäßig geringer Betrag verbraucht, mit der Wirkung, daß ein Umlaufstrom
zwischen Drossel und Gefäßen entsteht, der sich dem normalen Betriebsstrom überlagert
und auf einen solchen Wert ansteigt, daß die zweite Halbwelle der Drosselspannung
durch die Verluste im Umlaufkreis aufgezehrt wird. Ein solcher Betrieb erfordert
aber erhebliche zusätzliche Verluste und eine wesentliche Vergrößerung der verschiedenen
Anlageteile, so daß die der Abb. 2 entsprechenden Schaltungen schon aus diesem Grunde
für größere Leistungen nicht in Frage kommen.
-
Die Erfindung vermeidet die bisher erwähnten Mängel und kommt zu einer
umfassenden Lösung des freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichters, dessen Gleichrichterteii
mit dem Wechselrichter über eine Unkehrdrossel gekuppelt ist, dadurch, daß sie den
Gleichrichter- und den Wechselrichterteil nicht wie bisher unmittelbar, d. h. bei
gleicher Klemmenspannung, sondern über einen Umspanner mit Anschlüssen verschiedener
Spannungswerte derart parallel schaltet, daß die Umkehrdrossel bei Rückarbeitung
den durch diese Schaltung bedingten Spannungsunterschied zu überwinden hat und ihreEnergie
praktisch ohne Verluste ins Netz zurückliefern kann. Dabei wird die Spannungsabstufung
für die Anschlüsse von Gleich- und Wechselrichter so gewählt, daß einerseits bei
der Kommutierurig die nötige Entionisierungszeit zur Verfiigung steht und andererseits
der zum
Wechselrichten vorgesehene Kommutierungskondensator klein
wird.
-
Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes soll im folgenden an
Hand einiger Ausführungsbeispiele für die Schaltmöglichkeiten näher erläutert werden.
-
Die in Abb.-3 dargestellte Schaltung unterscheidet sich von der Schaltung
der Abb.2o lediglich dadurch, daß die Stromrichterwicklung des Umspanners die beiden
zusätzlichen Anzapfungen d und b' enthält, die zwischen den Außenklemmen
a und b_ (vg1. auch Abb. i und 2) liegen, deren Wechselklemmenspannung mithin um
einen vorgegebenen Betrag kleiner ist als - die Klemmenspannung zwischen
a und b.
-
Ist beispielsweise das Gefäß WI geöffnet und überwiegt die Gleichspannung
E, die im Wechselstromkreis (zu dem auch der Kondensator- und Magnetisierungsstromkreis
des Umspanners zu rechnen sind) wirksame Gegenspannung (Wechselrichterbetrieb),
so wird in der Umkehrdrossel Energie gespeichert. Die Spannung der Drossel ist in
ß positiv gegenüber a; die Klemmenspannung der Umspannerwicklung zwischen den Anschlußpunkten
a und a' ist während dieser Zeit wirkungslos für die Drossel.
-
Steigt die Gegenspannung des Wechselstromkreises anschließend über
die Gleichspannung, so wechselt die Klemmenspannung an der Drossel ihre Richtung;
sie sucht ihre Speicherenergie bei praktisch unverändertem Strom über den Stromweg
a, G1, ä , a, W1, ß zu entladen und hat hierbei die Gegenspannung
zwischen den Anschlußklemmen a und ä der Umspannerwicklung zu überwinden. Die Energie,
welche die Drossel hierbei abgibt, wird autotransformatorisch in das Netz zurückgegeben;
der Stromrichter wirkt während' dieser Zeit als Gleichrichter. Durch die Wahl der
Anzapfung d hat man es in der Hand, die Gegenspannung für die Drossel mindestens
so groß zu wählen, daß die während des Wechselrichtens gespeicherte Energie beim
Arbeiten als Gleichrichter vor Eintritt des Leistungswechsels,aufgebraucht ist und
demnach keine Feldenergie übrigblei'bt, um einen frei laufenden Umlaufstrom hervorzurufen.
-
Die Abb. q. stellt einen freien selbstgeführten Gleich-Wechselrichter
in Kreuzschaltung dar, die bekanntlich -den Vorteil bietet, daß das Kathodenpotential
sowohl der Gleich- wie der Wechselrichterphasen zusammengelegt und demgemäß .beide
Stromrichterhälften mit mehranodigen Gefäßen betrieben werden können. Stromrichterseitig
ist die Umspannerwicklung zu diesem Zweck in zwei Wicklungen unterteilt, und zwar
derartig, daß die Gleichrichterwicklung mit einer um a, d bzw. b, b' kleineren Windungszahl
ausgeführt wird, deren Betrag wiederum so bemessen ist, daß die während der positiven
Spannungshalbwelle von der Drossel gespeicherte Energie in der folgenden Halbwelle
ins Netz zurückgeliefert wird. Denn auch bei dieser Schaltung ist leicht zu erkennen,
daß ohne diese Abstufung der Wicklungen sich ein freier Umlaufstrom, über die Drossel,
z. B. auf dem Wege a, ß, a, W1, ,a', G1, a, ausbilden würde,
da die Wicklungshälften hierbei jeweils entgegengesetzt vom Strom durchflossen werden
und daher praktisch keine Gegen-EMK hervorgerufen.
-
Die Abb. 3 zeigt ein Beispiel eines freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichters
in i8o° Zweiphasenbrückenschaltung, also bei zweianodiger " Arbeitsweise mit den
bekannten Vorteilen der besseren Ausnutzung des Umspanners und der verlängerten
Brenndauer der Anoden bei Mehrphasenbetrieb. Auch in diesem Falle wird erfindungsgemäß
die Ausbildung freier Umlaufströme bei einseitiger Spannungsbeanspruchung der Drossel,
z. B. auf dem Wege a1, ß1, G2, ia', a, W., a1, durch die Gegenspannung in den abgestuften
Teilen a, ä und b, b' der Umspannerwicklung verhindert.
-
Die für diese Schaltung benötigten beiden Umkehrdrosseln sind zu einer
einzigen Drossel D mit gemeinsamem Kern vereinigt. Die Drossel weit in diesem Fall'
zwei getrennte Wicklungen mit Mittelanzapfung auf, von denen je eine dem Plus- bzw.
Minuspol der Gleichspannung vorgeschaltet ist.
-
Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß man durch Zusammensetzung mehrerer
einphasiger freier selbstgeführter Wechsel-Gleichrichter in den obenerttAhnten Grundschaltungen
einen Mehrphasen-Wechsel-Gleichrichter herstellen kann, indem man die einzelnen
Wechsel-Gleichrichter mit der vom Mehrphasensystem verlangten Phasenversetzung steuert.
-
In Abb. 6 ist ein Schaltbeispiel für einen dreiphasigen freien selbstgeführten
Wechsel-Gleichrichter in Brückenschaltung dargestellt. Das Auftreten einer Gleichspannung
an der Drossel wird wieder dadurch vermieden, däß Gleichrichter- und Wechselrichtergefäße
an verschieden hohe Spannungen des Drehstromnetzes angeschlosen sind. Die Bezugszeichen
dieser beiden Abbildungen entsprechen ebenso wie diejenigen der folgenden sinngemäß
denen -der vorhergehenden Abbildungen.
-
Die Abb. 7 stellt einen sechsphasigen selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter
in Sternschaltung dar, bei der, anstatt für jede einzelne Phase bzw. für je zwei
um i8o° versetzte Phasen eine Umkehrdrossel anzuwenden, die Umkehrdrosseln zu einer
Drossel vereinigt sind. Dies bedeutet nicht nur eine Vereinfachung, sondern gleichzeitig
eine Verkleinerung
der zur Glättung aufzuwendenden Drosselleistung,
da bekanntlich bei gleichem Glättungsgrad und gleicher Nutzleistung die Drosselleistung
mit der Phasenzahl schnell zurückgeht.
-
Die .ebb. S zeigt ein Beispiel zur Anwendung der Erfindung bei einer
Schaltung mit Saugdrosseln SDo und SDW, bei der sowohl die Kathoden der Gleich-
wie Wechselrichter zu einem gemeinsamen Potential vereinigt sind und infolgedessen
für beide Stromrichterarten statt einanodiger Gefäße inehranodige (G, IY)
verwandt werden können.
-
In den folgenden Beispielen sind Schaltmöglichkeiten für Umrichter
bzw. zur Kupplung von Ein- und Mehrphasenwechselstroinnetzen angegeben, die sich
aus den Grundschaltungen des Wechsel-Gleichrichters . ableiten.
-
In Abb.9 ist eine Kupplung zweier Einphasennetze finit den Spannungen
EW, und EWtr beliebiger Frequenz dargestellt. Sie besteht sekundär aus zwei einphasigen,
freien selbstgeführtenWechsel-GleichrichternAundE, die abwechselnd arbeiten und
deren Umschaltung im Takte der Wechselspannung Et", vorgenommen wird. Alle Gefäße
sind hierbei mit Steuergittern zu versehen.
-
Die Anordnung gemäß 21b. io ist aus Abb. 5 abgeleitet und zeigt einen
freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter in Brückenschaltung. Hierbei ist die
Gefäßzahl verdoppelt.
-
Die Kupplung von Mehrphasennetzen läßt sich grundsätzlich in der Weise
herstellen, daß man jedes Mehrphasennetz in mehrere Einzelphasen zerlegt und die
Einzelphasen über mehrere Stromrichter nach Abb. 9 einzeln kuppelt. So zeigt z.
B. die Abb. z i die Kupplung zweier Zweiphasennetze EW1, EW« über Scott-Transformatoren
Ti, T2; SR bedeutet hierbei jeweils einen freien selbstgeführten Gleich-Wechselrichter
gemäß Abb. g.
-
Der Aufwand an Umspannern, Drosseln und Gefäßen läßt sich wesentlich
verringern, wenn man die Schaltungen nach Abb. 5 bzw. i o unmittelbar zu Mehrphasenschaltungen
erweitert, wie das aus den Abb. 1a und 13
hervorgeht.
-
In der Anordnung nach Abb. 12 ist ein Drehstromnetz Eblf, mit einem
Einphasennetz EW,1 (Umrichter) gekuppelt. Die Drossel D
hat hier drei getrennte
Wicklungen, die Gefäßzahl ist gegenüber,der Einphasenkupplung gemäß Abb. io nur
um die Hälfte vermehrt. Die Steuerung der Gefäße ergibt sich durch sinngemäße Erweiterung
der Steuerung nach Abb. i o.
-
Die Abb. 13 zeigt die Kupplung zweier Drehstromnetze über ,eine
dreiphasige Umkehrdrosel und 36 einanodige Gefäße. Sämtliche angeführten Schaltungen
lasen sich natürlich in bekannter Weise durch Vermehrung der Umspannerwicklungen
in Schaltungen mit mehranodigen Gefäßen, Saugdrosseln usw. überführen. Hierbei kann
auch die Wicklungszahl auf der Umkehrdrossel vermindert werden, ohne daß dadurch
ihre grund-,sätzliche Wirkung verändert wird.
-
In gewissen Fällen ist es zweckmäßig, die Gegenspannung zur Ausnutzung
der gespeicherten Feldenergie der Umkehrdrossel verstellbar einzurichten. Dies kann
in einfacher Weise dadurch geschehen, daß an der Umspannerwicklung regelbare Anzapfungen
vorgesehen werden, die in bekannter Weise von Hand oder selbstätig geregelt werden.
-
Die Steuerung der Gefäße erfolgt nach dem aus der allgemeinen Stromrichtertechnik
bekannten Verfahren. Bei Selbstführung des freien selbstgeführten Gleich-Wechselrichters
wird für die Steuerung ein Taktgeber für die Frequenzhaltung oder Frequenzregelung
vorgesehen, z. B. eine regelbare Frequenzmaschine, einregelbarer Schwingungskreis,
Kippschwingungsgeräte o. dgl. Falls der Wechselrichter in ein Netz mit eigenem Kraftwerk
speist, wird die Steuerung in der Regel von dessen Frequenz und Phasenlage geführt
werden.
-
Es besteht die Möglichkeit, die mit der Anzapfung der Umspannerwicklung
erzielte Wirkung der Unterdrückung der Umlaufspannung teilweise oder ganz durch
Gittersteuerung zu ersetzen, indem auch die Gleichrichtergefäße mit Steuerung versehen
und die Steuerwinkel von Gleich- und Wechselrichter derart gegeneinander versetzt
werden, daß zwischen beiden die gewünschte Gegenspannung zur Unterdrückung des Umlaufstromes
bzw. Nutzbarmachung der in der Umkehrdrossel gespeicherten Feldenergie erreicht
wird.
-
Von den vielfachen Anwendungsmöglichkeiten des freien selbstgeführten
Wechsel-Gleichrichters seien besonders folgende hervorgehoben: Verlustlos regelbarer
umsteuerbarer Antrieb von Induktionsmotoren mit Stromrückgewinnung für Fördermotoren,
Walzwerks- und Schiffsantrieb, Kupplung und Leistungsaustausch zwischen synchron
oder asynchron betriebenen Wechselstromnetzen, Umrichten von einem beliebig phasischen
System beliebiger Frequenz in ein anderes System von beliebiger Phasen- und Frequenzzahl,
Gleichstrom-Hochspannungsübertragungmit Wirk-undBlindleistungsaustausch über die
Gleichstromleitung. -