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Anordnung zur kurvengetreuen Frequenzerniedrigung Es ist bekannt,
durch die Überlagerung zweier sinusförmig verlaufender Vorgänge (beispielsweise
Ströme, Spannungen oder Schallwellen) angenähert gleicher Frequenz eine resultierende
Kurve zu erhalten, deren Frequenz das arithmetische Mittel aus der Summe der Frequenzen
der erzeugenden Kurven ist. Die Amplituden dieser resultierenden Kurven können durch
einen Kurvenzug um-
Hierbei ist E der Augenblickswert der beispielsweise elektrischen Größe (Spannung),
E" und Eb der der beiden, erzeugenden, Ea, v
der der resultierenden. co ist
die Kreisfrequenz und A die Amplitude der erzeugenden Größen. Dieser Ausdruck
besagt, daß die resultierende Kurve von einem Kurvenzug .Eu umgrenzt werden kann,
der sich cosinus- bzw.-sinusförmig ändert, und zwar mit der,Frequenz 0)'
2 * 0)2 und-bald den Wert ZA, bald den Wert Null hat. Der Umgrenzungskurvengrenzt
werden, der sich sinusförmig ändert und dessen. Frequenz gleich der halben Differenz.
der erzeugenden Kurven ist. Voraussetzung für die Erzeugung derartiger sinusförmiger
Umgrenzungskurven ist es, daß die Amplitude, der bei der Überlagerung bzw. Addition
mitwirkenden beiden Größen gleich groß ist. Die Addition vollzieht sich gemäß der
folgenden Formel: zug Eu stellt eine Frequenzverminderung gegenüber den erzeugenden
Größen dar. Dieser Umgrenzungskurvenzug wird im allgemeinen als Schwebung bezeichnet;
die dadurch gegebene Möglichkeit der Frequenzverminderung hat bisher nur in wenigen
Fällen in, der Schwachstromtechnik Anwendung gefunden. Diese Form der Frequenzüntersetzung,
bezogen auf die erzeugenden Größen, besitzt nämlich den wesentlichen Nachteil, daß
große Energielücken vorhanden sind. Man entnimmt der Abb. r; daß bei der
Betrachtung
der Umgrenzungskurve E" diese gewissermaßen nur während der Zeiten t., t4 usw: von
der resultierenden Spannung 1-a, f, gestützt wird. Während der Zeiten ti, t3,
t;
usw. tritt, betrachtet für die obere Utngrenzungslinie E,l, eine Energielücke
auf. Zur Leistungslieferung im Sinne der Starkstromtechnik sind daher derartige
Kurvenformen, bei denen. man große zusätzliche Energiespeicher benötigen würde,
unbrauchbar. Die Anforderungen an derartige Energiespeicher sind noch dazu recht
mannigfacher Art; insbesondere muß der Energiepuffer mit einer der halben Summe
der den erzeugenden Größen entsprechenden Frequenz puffern, gleichzeitig aber auch
das Maß der Pufferung
Gegenüber den Gleichungen i sind die eingestrichenen Ausdrücke und die zweigestrichenen
Ausdrücke jeweils für eine andere Phase der miteinander zu addierenden Spannungen
gedacht. Als mittlere Frequenz «o. ist die halbe Summe der erzeugenden Frequenzen
angenommen worden, als cod die halbe Differenz. Die weiterhin auftretenden Winkelbezeichnungen
q#a und Pb bezeichnen diejenige Phasenverschiebung, die jede einzelne Phasenspannung-gegenüber
dem zu Null angenommenen Anfangspunkt besitzt. Wie die tatsächlichen Verhältnisse
bei einer derartigen Spannungsaddition nun liegen, zeigen, die Abbildungen 2a bis
-2c und 3. Die Abb. 2a bis : c unterscheiden sich voneinander dadurch, daß die Spannungen
Ea, EJ, E"" und die Spannungen EI" Eb; , EE; ' gegeneinander
um i-2o° versetzt sind. Die Additionen der Momentanwerte E, und EU ergeben mit dem
entsprechenden Vorzeichen den Momentanwert Ea, h. Die Umgrenzungslinie E,, tritt
dabei bei allen Spannungsadditionen der Abb. 2 a bis 2 c auf, wobei diese in Größe
und Phasenlage allen Kurven E", b bis E", J ' gemeinsam ist. Das Gesamtbild der
beiden addierten. dreiphasigen Systeme E" und EU ist aus der Abb. 3 ersichtlich.
Man erkennt gleichzeitig, daß zu den Zeiten to, t1, t. usw. bei einem Spannungspaar
(E, und Et,) der Momentanwert der Einzelspannung Null beträgt, demzufolge
auch der Wert der resultierenden Spannung E", v. Bei den übrigen Spannungen E"',
Eb; bzw. E"", mit der Differenz der erzeugenden Frequenzen ändern. Ganz besonders
schwierig werden die Verhältnisse, wenn sich hierbei noch Belastungsschwankungen
einstellen.
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Daher ist für die Zwecke der Starkstromtechnik bereits eine mehrphasige
Addition bekanntgeworden, wodurch erreicht wird, daß lediglich abhängig von der
verwendeten Phasenzahl eine beliebig große Kontinuität in der Leistungslieferung,
insbesondere in bezug auf die Umgrenzungskurve E, gewährleistet wird. Bei dem in
der Praxis hauptsächlich interessierenden dreiphasigen Fall der Addition von sinusförmigen
Größen lauten die mathematischen Formeln: EL" sind die Momentanwerte zwar nicht
gleich Null, jedoch gleich groß und einander entgegengesetzt gerichtet, so daß der
resultierende Wert E", b' bzw. E'a, Ü' zu den Zeiten to, ii, t. usw. ebenfalls gleich
Null wird. Daß diese Bedingungen auch in der mathematischen Ableitung zu erkennen
sind, geht daraus hervor, daß das dafür maßgebliche Glied in den Gleichungen 2 die
Cosinusfunktion ist. Diese Funktion wird nur dann für alle drei Phasen Ea, G, Ea,
L', Ea, v ' identisch, wenn die Differenzen der Phasenwinkel rpa und (Pb
Null oder für alle Phasen gleich groß werden. Daraus folgt die Bedingung, daß, bezogen
auf den jeweiligen Frequenzmaßstab, die Verschiebung der einzelnen, mehrphasig miteinander
addierten Spannungen in jedem System die gleiche sein muß.
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Die weiter oben genannte Formel 2 gibt aber auch noch einen weiteren
Hinweis, um nach Art von mehrphasigen Systemen gegeneinander versetzte Umgrenzungskurven
Eu zu
erhalten. In den Gleichungen :2 tritt jeweils auch das Glied cPd auf.
Dieses Glied bezeichnet die Differenz der an der Spannungsbildung beteiligten Einzelspannungen
gegenüber dem Anfangswert. Sorgt man dafür, daß sich die Werte (p" und (A voneinander
um bestimmte Winkelbeträge unterscheiden, d. h. also im Gegensatz zu der vorhin
aufgestellten Forderung der Gleichheit, so können Umgrenzungskurven erhalten werden,
die eine andere Phasenlage besitzen. Um also beispielsweise ein
einem
Zweiphasensystem ähnliches System von Umgrenzungskurven zu erhalten, genügt es,
eines der beiden erzeugenden Spannungssysteme in seiner Phasenlage um i8o° zu verschieben;
es wird sich dann die Phasenlage der erzeugten Umgrenzungskurve um 9o0 verändern.
-Die eben geschilderten Verhältnisse liegen der Abb. q. zugrunde. Das Spännungssystem
Ea' mit den Einzelspannungen E", EJ, E"" und das Spannungssystem Ebo
mit den Spannungen Eb, Eti , und Eb ' ergibt das im vierten: Kurvendiagramm
dargestellte Spannungsbild mit der Umgrenzungskurv e Eu. Vereinigt man das Spannungssystem
Ezo mit den Spannungssystemen E", das gegeneber dem Spannungsbild Ebo um iSo' phasenverschoben
ist, so entsteht das im 5. Diagramm dargestellte Spannungskurvenbild mit der Umgrenzungskurve
E"',. das in seiner Phasenlage um 9o9 gegenüber dem der Spannungskurve Eu verschoben
ist. Es ändert sich an dem grundsätzlichen Bildungsgesetz dieser Spannungen nichts,
wenn anstatt der Spannung Ebo bzw. Ego die Spannung Eao um 18o° in der Phasenlage
verschoben wird. Die beschriebene Möglichkeit der Erzeugung von gewissermaßen mehrphasigen
Umgrenzttngskurven ist keineswegs auf den in Abb. 4 gezeigten zweiphasigen Fall
beschränkt, sondern gilt, wie auch im weiteren Verlauf noch ge-E" - A #
f (o,)" # t) ; Eb = A # f (60b # t) - (3)
Die Funktion
f (cot) sthvvankt dabei mit der Kreisfrequenz a) zwischen den Werten + i
und -i; A bedeutet die Amplitude, die für beide Systeme die gleiche ist. Die Verformung
gegenüber der Sinusform wird berücksichtigt, indem man die Funktion in eine Fourierreihe
entwickelt, deren Koeffizienten (a für das System mit der Frequenz coa, b für
Diese einfache Form -ergibt sich, da voraussetzungsgemäß die Oberwellen gegenüber
der Grundwelle keine Phasenverschiebung aufweisen dürfen. Stellt män diese Reihen
für die beiden. erzeugenden Funktionen auf, so unterscheiden sich diese nur in den
Kreisfrequenzen (Oa und cob und im den Phasenwinkeln (p" und 99b, dagegen nicht
in den .Größen
zeigt werden wird., ganz allgemein für alle mehrphasigen Fälle.
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Nachdem die grundsätzlichen Fragen der bekannten mehrphasigen Spannungsaddition
an Hand von sinusförmigen Vorgängen gezeigt wurden, sei nur noch darauf eingegangen,
daß der Grundsatz der Mehrphasigkeit auch für nicht sinusförmige Vorgänge bzw. Ströme
und Spannungen gilt. Man kann es nämlich erreichen, daß sich alle nicht sinusförmigen
Kurvenformen bei entsprechender Addition in ähnlicher Form in der Umgren zungslinie
wieder abbilden. Hierfür sind nur die Forderungen zu stellen, daß alle Oberwellen
gegenüber der Grundwelle keine Phasenverschiebung, bezogen auf den Nulldurchgang
der Grundwelle, aufweisen: dürfen, und daß beide erzeugenden Systeme in jeder Phase
untereinander und gegenseitig gleiche mittensymmetrische Kurvenformen aufweisen.
In den Abb. 5, 6 sind die Möglichkeiten der Addition derartiger, nicht sinusförmiger
Span-. nungen dargestellt, und zwar für eine dreieckige und eine trapezförmige Kurvenform.
Für die mathematische Darstellung des Kurvenverlaufes ergibt sich folgende Entwicklung:
Jeder einzelnen Phase eines der beiden erzeugenden Systeme -wird eine Zeitfunktion
zugrunde gelegt, die der Formel entspricht: das System mit der Frequenz Wb) derartige
Werte annehmen, daß dadurch den Einzelwerten E" bzw: Eb für die verschiedenen Zeitteilchen
die den Werten der Dreiecks- oder Trapezkürve entsprechende Werte gegeben werden.
Man erhält dann Reihen., die die folgende form annehmen: der Fourierkoeffizienten
a1 bis a" und b1 bis b". Diese Forderung heißt, anschaulich dargestellt, daß die
Kurvenform der beiden erzeugenden Systeme mit Ausnahme des Zeitmaßstabes übereinstimmen
muß. Führt man die Addition der beiden Systeme durch Addition der Einzelwerte E"
und Eb durch, so erhält man folgende Formel
Faßt man die ersten und letzten Glieder der resultierenden Spannungen (Eu, b bis
E, b") zusammen, so ergeben. sich Spannungen, die als Umhüllende Cosinusfunktionen
mit der Frequenz cv,t und ihrem Vielfachen haben und einen zugehörigen Phasenwinkel
T"l und dessen Vielfache aufweisen. Die Zusammensetzung der einzelnen Umhüllenden
erfolgt dann in gleicher Weise wie bei der Grundfunktion E" bzw. Ev. Die mittleren
Glieder, die Sinusfunktionen, bezeichnen den Verlauf der resultierenden Spannung
zwischen den Umhüllungslinien. Wie bereits gesagt, werden einwandfrei in der Kurvenform
den Erzeugenden ähnliche Kurvenformen nur dann erhalten, -wenn auch die Erzeugenden
untereinander ähnliche Formen aufweisen, da sonst die Fourierkoeffizienten a1 bis
a." und bl bis b, voneinander verschieden sein würden und die Addition der einzelnen
Oberwellen entweder nicht durchgeführt werden kann oder bei einem Nulldurchgang
der Grundwelle nicht ebenfalls den Wert Null ergibt. Aus diesen Gleichungen geht
also hervor, daß man, um eine Ausgangskurve einer bestimmten K-urvenform zu erhalten,
die gleichen Oberwellen, bezogen auf den Frequenzmaßstab, bereits in jeder der erzeugenden
Spannungskurvenform vorsehen muß.
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Die durch die Addition von Spannungssystemen erhaltenen resultierenden:
Spannungen, deren Amplitudenumgrenzungslinie in! der oben angegebenen Weise sich
periodisch ändern, können in der mannigfachsten Weise in der Starkstromtechnik angewendet
-werden. In der einfachsten Form kann man, -wie das Odie Abb.7 zeigt, für die Herstellung
eines solchen amplitudenveränderlichen mehrphasigen Systems eine Reihenschaltung
von Transformatoren. vorsehen. Der Transformator ist an däs Drehstromnetz i mit
der Frequenz tu angeschlossen. Er besitzt eine in Stern geschaltete, dreiphasige
Sekundärwicklung 3. Vom gleichen Drehstromnetz wird ein Motorgenerator .I, 5 angetrieben,
der dein Transformator 6 mit der aufgelösten Sekundärwicklung 7 eine Spannung der
Frequenz / liefert. Durch die Reihenschaltung der entsprechenden Wicklungen von
3 und 7 werden in dein dreiphasigen Netz 8 Spannungen erhalten, die denen der Abb.
2 a bis :2c bzw. 3 beispielsweise entsprechen. An das Netz kann nun z. B. ein Drehstrommotor
angeschlossen -werden, dessen Drehmoment sich dann im Takte des Frequenzunterschiedes
der beiden addierten Spannungen ändert. Und zwar geht die Differenz. der Frequenzen
unmittelbar ein, da das Drehmoment proportional dem Quadrat der Spannung bzw. dein
des Stromes ist. Auszulegen ist der Motor, -wie aus der oben abgeleiteten Formel
i zii erkennen ist, für eine Betriebsfrequenz, die gleich dein arithmetischen Mittel
aus der Summe der Frequenzen der erzeugenden Spannung ist. Sind die Massen des Motors
und der finit ihin umlaufenden Teile genügend klein in, Verhältnis zu den wirksamen
Kräften, so erfolgt die Drehzahländerung im Takte der Differenzfrequenz der beiden
zugeführten Spannungen. Derartige Motoren können zweckmäßigerweise Anwendung finden
bei allen sogenannten Antrieben mit Pilgerschrittverfahren und sonstigen Antrieben,
die eine ungleichförmige Bewegung erfordern, beispielsweise auch beim Antrieb von
Schüttelsieben und bei gewissen Vorschubbewegungen des Nahtschweißverfahrens.
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Die Erfindung bezieht sich nun darauf, unter Verwendung der mehrphasigen
Addition aus mehrphasigen Netzen höherer Frequenz ein- oder mehrphasige niederfrequente
Netze zu speisen bzw. derartige Netze zu kuppeln. Wegen der Nachteile der rotierenden
Maschine ist man in letzter Zeit. dazu
übergegangen, ruhende Umformungseinrichtungen
zu bevorzugen. Mit Hilfe der Erfindung gelingt es nun in einfachster Weise, allen
Anforderungen des Umformungsbetriebes bzw. des Kupplungsbetriebes gerecht zu werden.
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur kurvengetreuen Frequenzerniedrigung
-gegenüber einer erzeugenden Wechselspannung, bei der die Frequenz .der erzeugten
Spannung gleich der halben Differenz der Frequenzen der beiden Ausgangsspannungen
ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß Spannungen, die aus winkelsymmetrischen,
drehsinn- und.angenähert amplitudengleichen Systemen abgeleitet sind, und die in
ihrer Kurvenform einander gleich, mitten-und halbwellensymmetr isch sind, mehrphasig
addiert werden, und daß diese Spannungen zwei Gruppen von gesteuerten Entladungsstrecken,
vorzugsweise gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken, speisen, die die
Bildung der beiden einphasigen SpannungshäIbwellen übernehmen.
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An sich ist die mehrphasige Addition zweier Systeme bekannt und z.
B. zur Steuerung von Motoren verwendet worden. Im Gegensatz hierzu werden bei der
Erfindung Teile der bei der mehrphasigen Addition entstandenen Spannungen herausgeschnitten
und zu einer neuen oWechselspannung zusammengesetzt. Gegenüber den; bekannten unmittelbaren
Frequenzumformungen mittels Entladungsstrekken (Umrichtern), bei denen die Verbesserung
der Kurvenform durch einen Transformator mit abgestuften Phasenspannungen oder durch
entsprechende Aussteuerung der einzelnen Entladungsstrecken (im, Sinne von verschieden
langen Brenndauern) erreicht wurde, ergibt sich bei Anwendung der Erfindung der
bisher nicht erzielbare Vorteil, daß allen Anforderungen bezüglich einer elektrischen
Kupplung bei beliebig guter Annäherung an die gewünschte Kurvenform entsprochen
werden kann.
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Aus der Abb. 3 ist bereits die Frequenzverminderung in bezug auf die
erzeugenden Spannungen. deutlich, die dann gegeben ist, wenn man die Umhüllungskurve
Eu betrachtet. Es ist für den Umrichterbetrieb also die Aufgabe zu lösen, die positiven
und negativen Amplitudenmaxima sowohl der resultierenden Spannung, wie damit gleichzeitig
auch die Halbwellen der Umgrenzungslinien durch entsprechendes Umschalten in einen
reinen Wechselstrom überzuführen. Man wird die mehrphasigen resultierenden. Spannungen
als Speisespannung den Entladungsstrecken des Umrichters zuführen und hierbei für
die Erzeugung der positiven wie auch negativen Halbwelle je eine Gruppe von Entladungsstrecken
vorsehen. Den Aufbau eines derartigen Umrichters zeigt die Abb. B. Der dort dargestellte
Umrichter enthält zwei Gruppen von gesteuerten Entladungsstrecken i', 3', 5' bzw.
i", g", 5", die in einem gemeinsamen Gefäß q. untergebracht sind. Diesen Entladungsstrecken
werden von der Sekundärwicklung 6' und 6" bzw. 7' und 7" Spannungen zugeführt, die
den in Abb. 2 a bis 2 c und 3 gezeichneten Verlauf haben. Unter der Annahme, daß
eine niederfrequente Spannung der Frequenz f" - i62/3 Hz am Einphasentransformator
ii, der an den Umrichter über die Drossel io angeschlossen ist, erzeugt werden soll,
wird dem Transformator 9 eine Spannung der Frequenz f" = 5o Hz und dem Transformator
8 eine Spannung der Frequenz fb = 831/3 Hz zugeführt werden. Diese Verhältnisse
wurden bereits den Abb: 2 a bis 2 c und 3 zugrunde gelegt, so daß die Spannungen
E", b bis E", b' unmittelbar die an den Entladungsstrecken i' bis 5' bzw. i" bis
5" liegenden Spannungen darstellen.
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Der Umrichter besteht bekanntlich im wesentlichen aus zwei im Arbeitszyklus
nacheinander die Stromlieferung übernehmenden Gleichrichtern. Für den Gleichrichterbetrieb
gilt stets, daß diejenige Entladungsstrecke die Stromführung übernehmen will, deren
Spannung gegenüber der Kathode am höchsten ist. Die Spannungsbildung bei einem Umrichter
gemäß Abb. 8 wird also zunächst (vgl._Abb. 3, Zeitpunkt t1) mit dem positiven Anstieg
der Kurve E,, b " beginnen (Entladungsstrecke i') ; dann folgen, sich zyklisch
ablösend, die Entladungsstrecken 3', 5', i', 3' usw., was dem stark ausgezogenen
Kurvenverlauf der Einzelkurvenstücke Eab, Eaä , Eati ", .Eub usw. entspricht.
Gemäß den; Bedingungen des Umrichterbetriebes ist jeweils die entsprechende andere
Gruppe von Entladungsstrecken im Wechselrichterbetrieb auszusteuern. , Im praktischen
Fall des Aufbaues eines Umrichters wird man nun so vorgehen (vgl. Abb. 9 a), daß
einer der beiden Transformatoren 8 oder 9 unmittelbar von dem dreiphasigen Versorgungsnetz
i2, der andere über einen Synchron-Synchron-Umformer 13, i4., der
den Dreiphasenstrom der Frequenz 5o Hz in solchen der Frequenz 831/3 Hz umformt,
gespeist wird. Für die Bildung der resultierenden Spannungen an den einzelnen Entladungsstrecken
ist dabei gleichgültig, ob die Wicklungen 7' und 7" oder die Wicklungen 6' und 6"
von der Spannung höherer Frequenz gespeist werden. Gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung kann man auch so vorgehen, wie das die Abb. g b, zeigt, bei der
die Primärwicklung des höherfrequenten Transformators entfällt und die Wicklungen
6' und 6" bzw. 7' und 7" mit denen des Synchron-Synchron-Umformungsaggregats
13, 1q. zusammengezogen
werden. Es dürfte sich dann empfehlen,
hierfür die in Stern geschalteten Wicklungen 7' und 7" heranzuziehen, da sich derart
geschaltete Wicklungen auf einem Generator besser anbringen lassen.
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Es ist bekannt, daß die Gruppe der unmittelbaren Umrichter nicht auf
eine Schaltung beschränkt ist, wie sie in Abb.8 dargestellt wurde. Auch die vorliegende
Erfindung ist keineswegs auf eine derartige Schaltungsart angewiesen, sondern kann
in jeder der anderen bekannten Schaltungen zur Anwendung gebracht werden. Die Abb.
io, i i und 12 zeigen derartige Anordnungen, bei denen die Bezifferungen die gleichen
sind, wie in den Abb. 8 ff. Die Abb. io zeigt eine Kreuzschaltung. Diese Anordnung
kann entweder, so wie dargestellt, unmittelbar den Verbraucher 15 speisen oder aber
mit dem einphasigen Verbraucher über einen entsprechenden Einphasentransformator
gekuppelt werden. Abb. i i zeigt die Anordnung gemäß der Erfindung mit gegensinnig
parallel geschalteten Entladungsstrecken. Da die einzelnen Entladungsstrecken kein
gleiches Kathodenpotential haben, verwendet man zweckmäßigerweise Einzelgefäße.
Die Abb. 12 zeigt einen Umrichter mit der Spannungsbildung gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Schaltung, die es ermöglicht, bei einer Vervielfachung von Entladungsstrecken
eine Einsparung an Transformatorwicklungen zu erhalten, die sich für viele Fälle
günstig auswirkt.
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Wie weiter oben bereits ausgeführt wurde, werden bei jedem unmittelbaren
Umrichter die einzelnen Spannungshalbwellen voll je einer Gruppe von Entladungsstrecken
geliefert. Bei den bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Steuerung derartiger Umrichter
mußte finit Hilfe der Gittersteuerung eine Auswahl aus den zur Verfügung stehenden
Anodenspannungen getroffen werden, insbesondere dann, wenn Wert auf eine gute Annäherung
der Ausgangsspannung an die Sinusform gelegt wurde. Eine der bekanntgewordenen Anordnungen,
die in Abb. 13 dargestellt ist, verwendet einen Transformator, der Spannungen
liefert, die in einem gewissen Verhältnis abgestuft sind. Der Abb. 13 elrtnimmt
man, daß die Spannungshalbwellen einander derart folgen, daß dann, wenn einzelne
Entladungsstrecken nicht mit Hilfe der Gitterspannung zu bestimmten Zeitpunkten
gesperrt gehalten werden, die Erzeugung eines Wechselstromes unmöglich ist. Das
kommt daher, weil zu keiner Zeit die Spannung an einer Entladungsstrecke sich dem
Wert Null nähert, ohne daß nicht gleichzeitig eine andere vorhanden wäre, die ein
von Null verschiedenes Potential besitzt. Das gilt für die stärk ausgezogene positive
Halbwelle der Einplrasenspannung ganz besonders in dein dargestellten kritischen
Bereich h und h' am Anfang und Ende jeder niederfrequenten Halbwelle.
Um einen Wechselstrom zu erzeugen, ist es daher notwendig, mindestens während des
Bereiches k bzw. k' einzelne Entladungsstrecken :2' und 3' bzw. z" und 3" zu sperren.
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Etwas ähnliches wie für den bekannten Umrichter finit abgestuften
Phasenspannungen der Abb. 13 gilt auch. für die Umrichter, die zwar mit gleich großen
Phasenspannungen, aber verschieden langen Brenndauern und Aussteuerungsgraden arbeiten
(vgl. Abb. 14). Es müssen dort stets Entladungsstrecken, die nicht an der Stromführung
beteiligt sein sollen, gesperrt gehalten werden. Man erreicht das im allgemeinen
durch Anwendung von zwei Steuerspannungen, wie in den unteren Zeilen der Abb.
13 und 14 dargestellt, von denen die eine aus dein niederfrequenten Netz
entnommen wird und die andere, zweckmä ß igerweise phasenverschobene, dein höherfrequenten
Netz zugeordnet ist. Alle diese Schwierigkeiten fallen beim Umrichter gemäß der
vorliegenden Erfindung fort. Es ist nämlich, wie weiter oben bereits gesagt wurde.
ein Kennzeichen der mehrphasigen Addition, daß zu den Zeiten to, tr, i. usw. (Abb.
3) nicht jeweils nur eine, sondern alle Phasenspannungen durch Null gehen. Aus dieseln
Grunde kann man die Steuerung der einzelnen Entladungsstrecken der ein- oder zweigestrichenen
Gruppen (Abb. 8) bei Ohmächer Belastung zusammenfassen und gemeinsam durchführen.
und zwar mit einer Steuerspannung, die der im Transformator i i erzeugten niederen
Frequenz entspricht (vgl. hierzu die Abb. i5).
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Unter gewissen Umständen, insbesondere dann, wenn die Belastung nicht
rein ohmisch, sondern induktiv wird, kann- es sich empfehlen, Sternpunkts- oder
Nullpunktseirtladungsstrekken vorzusehen, die für den Beginn der Spannungshalbwelle
die Stromführung übernehmen. Die Anwendung dieser Entladungsstrecken wird sich auch
dann empfehlen, wenn man bei einer einfachen Steuerungsart im Sinne der obengenannten
Auswahlsteuerung verbleiben will. Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, da!-) gegenüber
den bekannten Umrichterverfahren ii, bezug auf @-@'elligkeit und Anzahl der zur
Anwendung gelangenden Entladungsstrecken beim hier genannten Umrichter insofern
ein wesentlicher Vorteil zu verzeichnen ist, als, wie auch ohne weiteres der Abb.
3 entnonintetl «-erden kann, das Spannungsbild bezüglich der Annäherung an die Sinusform
und der Frequenz der Oberwelligkeit (Anzahl der an der Umformung beteiligten Entladungsstrekken
je Halbwelle) für den dreiphasig gezeigten Fall im wesentlichen das gleiche ist
wie
bei einem sechsphasigen Umrichter mit abgestuften Phasenspannungen (vgl. Abb.
13,
wo sich i' bis 6' und wieder i' in einer Halbwelle folgen). Beim Umrichter
gemäß der Abb.8 bis i2 hingegen sind nur drei Entladungsstrecken j e Gruppe vorgesehen,
von denen jede mindestens zweimal während einer Halbwelle stromführend ist. Es ist
dabei noch darauf hinzuweisen, daß also, betrachtet für eine Halbwelle der niederfrequenten
Spannung, eine lange Brenndauer der einzelnen Entladungsstrecken und damit eine
gute Ausnutzung des Transformators erfolgt. Gleichzeitig aber ist die Entladungsstrecke
selbst nur intermittierend in Betrieb, was sich seinerseits für die thermische Beanspruchung
und der Vermeidung einer Rückzündttngsgefahr günstig bemerkbar macht.
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Will man nun die Welligkeit der niederfrequenten Spannung noch verbessern,
so kann man die Addition, anstatt wie bisher dargestellt, dreiphasig, auch sechsphasig
vornehmen. Vorteilhafterweise wird man jedoch die Ausgangsspannung des Umrichters
aus mehreren Teilspannungen zusammensetzen, die entweder gleiche oder auch voneinander
verschiedene Phasenlage aufweisen: Man entnimmt der Abb. 3, daß bei der mehrphasigen
Spannungsaddition, je nachdem ob die obere oder untere Umgrenzungskurv e betrachtet
wird, zwei Kurvenformen der resultierenden SpanAungen bestehen. Bezeichnet man die
eine mit ua, die andere mit ub, so, wird ein günstiger Umrichterbetrieb mit Teilspannungen
dann erzielt, wenn der eine Teilumrichter die Spannung ua, der andere die Spannung
uv liefert.
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Die hier gezeigten Verhältnisse bei einem Umrichter gemäß der Erfindung
haben nun nicht nur dann Gültigkeit, wenn die beiden vorhandenen und "zu kuppelnden
Netze starr verbunden werden sollen. Der elastische Betrieb mit den bisher bekanntgewordenen
Umrichterschaltungen war immer mit großen Nachteilen verknüpft. Einzig und allein
der sogenannte Steuerumrichter (Spannungsbildung gemäß Abb. 14) war in der Lage;
einen einwandfreien elastischen Betrieb ohne zusätzlichen Aufwand in den. Starkstromkreisen
durchzuführen. Zufolge der ungleichmäßigen Brenndauern der einzelnen Entladungstrecken,
insbesondere wegen der unsymmetrischen Lage dieser Brenndauern in bezug auf die
zugehörige Anodenspannung ist jedoch der Verschiebungsfaktor, d. h. also eine im
Drehstromnetz auftretende Blindleistung, sehr groß. Gleichzeitig ist auch bei einer
mittleren normalen Phasenzahl die Welligkeit der erzeugten Spannung sehr groß. Die
Trapezkurvenumrichter und die Umrichter, die mit abgestuften Phasenspannungen arbeiten,
sind überhauet nicht in der Lage, einen einwandfreien elastischen Betrieb aufrechtzuerhalten,
da sie stets, auch bei einer großen, wirtschaftlich untragbaren Anzahl von Entladungsstrecken
und`Lransformatorwicklungen, Phasensprünge der Sekundärspannung aufweisen. Um dem
abzuhelfen, hatte man vorgeschlagen, Zwangskommutierungen vorzusehen und die Spannungskurven
aus Einzelteilen der zwangskommutierten Spannungen zusammenzusetzen. Eine derartige
Zwangskommutierung verteuert jedoch die Anlage, und die Annäherung an die Sinusform
mit Hilfe mehrerer Teilumrichter bedeutet auch eine Verteuerung der Gesamtkosten.
Ganz besondere Vorteile gegenüber diesen Anordnungen lassen sich -mit einem Umrichter,
gemäß der Erfindung, im elastischen Betrieb erreichen. Zu diesem Zweck braucht nur
eine der beiden in Reihe geschalteten Spannungen in ihrer Frequenz geändert zu werden.
Vorteilhaft verwendet man hierzu die, vom Umformer 1q., 15 der Abb. 9 ff.
gelieferte Wechselspannung der höheren Frequenz. Diese Regelung des elastischen
Betriebes kann sehr feinfühlig erfolgen, da zufolge der Gleichung
einer einfachen Änderung der niederfrequenten Seite eine doppelte der höherfrequenten
Spannungen entspricht. Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß die
Frage der Frequenzhaltung eines oder der beiden zu kuppelnden Netze keineswegs kritisch
ist, da für die Frequenzumformung stets nur die halbe Differenz der Frequenzen konstant
bleiben muß ; eine Forderung, die auch bei stark schwankenden Frequenzen der erzeugenden
Spannungen verhältnismäßig leicht regeltechnisch erfüllt werden kann. Beim elastischen
Betrieb bleiben nun, im Gegensatz zu den: bekanntgewordenen Umrichteranordnungen,
alle günstigen Steuerbedingungen und Verhältnisse in bezug auf Verzerrungsleistung
und Verschiebungsfaktor die gleichen wie beim starren Betrieb, da eine stetige Änderung
der erzeugten Frequenz möglich ist. Es gibt nämlich bei diesem Umrichter auch beim
starren. Betrieb keineswegs nur ganz bestimmte; von der Phasenzahl und dem Frequenzübersetzungsverhältnis
abhängige, diskrete Phasenlagen, wie beispielsweise beim Umrichter mit abgestuften
Phasenspannungen, sondern jede gewünschte Phasenlage kann von der Ausgangsspannung
des Umrichters eingenommen werden. Maßgeblich hierfür ist nur die relative Phasenlage
der erzeugenden Systeme gegeneinander. Das geht im übrigen auch schon aus den weiter
oben gemachten Betrachtungen bezüglich der Erzeugung von soge- i nannten mehrphasigen
Umgrenzungsspannungen hervor.
Aber nicht nur gegenüber dem Umricllterbetrieb,
sondern auch gegenüber einem rein mechanischen Betrieb besitzt die elastische Kupplung,
die hier oben beschrieben wurde, wesentliche Vorteile. Verwendet man zur
Kupplung
einen Motorgenerator allein, so kann man durch Regelung im Feldkreis des Motors
lediglich einen untersynchronen Betrieb bewältigen. Werden sowohl Unter- wie Übersynchronbetrieb
gefordert, so müssen bekanntlich Hintermaschinen eingefügt werden und gegebenenfalls
die am Motor oder Generator abgenommene Schlupfleistung Stromrichteranordnungen
zugeführt werden. Dabei ergeben sich häufig recht umfangreiche und nicht immer stabil
arbeitende Anlagen. Bei allen diesen Maschinenumformern bleibt aber der Nachteil
bestehen, daß der Generator für die niedrige Frequenz, im Bahnbetrieb also i6=/3
Hz, ausgelegt werden muß und daß der geregelte Motor die volle Leistung der Frequenzumformung
aufbringen muß. Beim hier beschriebenen elastischen Umrichter hingegen wird ein
Generator für die Erzeugung einer Spannung gefordert, der erstens nur die halbe
im Einphasennetz geforderte Leistung bereitstellen muß und außerdem für eine hohe
Frequenz (in den hier behandelten Beispielen 831/s Hz) auszulegen ist.
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Zu der Frage der Leistungsaufteilung, die sich, wie eben gesagt wurde,
je zur Hälfte auf die beiden Transformatoren 8 und g der Abb. g verteilt, ist noch
zu bemerken, daß auch der Verschiebungsfaktor (Leistungsfaktor der Grundwelle) im
vorliegenden Fall besonders günstige Werte annimmt. Die oben bereits erwähnten Nachteile
des Steuerumrichters (großer Verschiebungsfaktor) fallen alle beim Umrichter gemäß
der Erfindung fort, da im wesentlichen die Scheitelwerte der erzeugten resultierenden
Spannung Eut, usw. und damit auch im wesentlichen die Scheitelwerte der Einzelspannungen
E" und Eb, symmetrisch zum Stromfluß liegen.
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Gegenüber einem Umrichter mit abgestuften Phasenspannungen ergibt
sich insbesondere eine Verringerung der Verzerrungsleistung, da die Hälfte der Umrichterleistung
generatorisch bzw. motorisch, d. h. also ohne jede Verzerrungsleistung vom speisenden
Netz bezogen wird. Der Antriebsmotor des Umformungsaggregats 1q., 15 kann
so ausgebildet werden, daß er in der Lage ist, einen Teil der vom anderen Transformator
:2 vom Drehstromnetz bezogenen Verzerrungsleistung zu kompensieren, gegebenenfalls
unter Anwendung von weiteren Energiespeichern im Drehstromsystem.
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Es war bereits davon die Rede, daß so,-,enannte mehrphasige Systeme
von Umgrenzungslinien erzeugt werden können. Besondere Bedeutung gewinnt diese Tatsache
beim Umrichterbetrieb, wenn es gilt, ausgangsseitig inehrpliasige Systeme niederer
Frequenz zu schaffen. Man braucht dann, wie schon gesagt wurde, keineswegs für jede
zu speisende Phase eine getrennte Einrichtung, sondern kann finit geringem Mehraufwand
gegenüber der einphasigen Speisung mehrphasige Verbrancher beliefern. All dem Beispiel
voll einem sogenannten zweiphasigen Uingrenzungssystein (Abb..I) wurde bereits gesagt,
daß es genügt, eine der beiden Spannungssysteme in ihrer Phaseillage um i 8o = zu
verschieben. Die daraus entstehende Unigrenzungsspannung ist dann in der Phasenlage
gegenüber der ursprünglichen Spannung um go- verschoben. In der Abb. 16 ist der
Fall einer Zweiphasenspeisting durch einen Umrichter dargestellt worden. Wie man
sieht, sind die Wicklungen 7' und 7" nur einfach vorhanden, während entsprechend
die denn Transformator 8 zugeführten 1L@icklungen 6 in it-eiteren je zwei Gruppen
6ä u:nd 6, ' i)z@t-. 6b' und 6b" vorgesehen werden. Da nur eine der beiden erzeugenden
Spannungen in der Phasenlage verschoben werden muh, kann das andere Spannungssyskem
doppelt ausgenutzt werden. Die von den Transformatoren iiQ und 11b gespeisten Wechselstromwicklungen,
die einen um go° verschobenen Zweiphasenstroni führen, können auch einen sogenannten
Scott-Transformator speisen, so dafl die Allordnung zur Lieferung von Drelipliasenströinen
Verwendung finden kann.
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Dieser Fall gilt, wie bereits gesagt, nicht nur für die Erzielung
von Zweipliasenstroin auf der Ausgangsseite, sondern auch in gleichem Maße für alle
anderen mehrphasigen Anordnungen. Es ist daher in Abb. 17 eine für die Lieferung
von drei- oder sechsphasigen Umgrenzungssystemen verwendbare Transformatoranordnung
angegeben worden. Im Umrichterbetrieb kann die in der Abb. 17 dargestellte Transformatorkombination
nur für die Lieferung einer positiven oder negativen Halbwelle benutzt werden und
ist daher, wie bekannt, zu verdoppeln. Durch Bezugszeichen ist angedeutet worden,
wie die Transformatorwicklungen den einzelnen Entladungsstrecken des Umrichterbetriebes
zuzuordnen sind. Die Abb. 18 zeigt den in Abb. 17 geschilderten Fall in der der
Abb. 12 entsprechenden Schaltung, wobei die beiden, an sich dreiphasigen Systeme,
die für die Lieferung jeder der beiden Halbwellen notwendig sind, zu einem einzigen
sechsphasigen System mit einer entsprechenden Anzahl von Entladungsstrecken zusammengezogen
werden. Der Ausgangstransformator i i wird dann entsprechend vielphasig, und es
kann ein jeder beliebiger niehrpliasiger Verbraucher auf der Sekundärseite
des
Transformators i i angeschlossen werden. (Der Übersicht halber wurden nur die Verbindung
für die Entladungsgefäße und 4" " eingezeichnet. Die übrigen ergeben sich sinngemäß.)
Die Aufgabe, mehrphasige Verbraucher mit Hilfe eins Umrichters zu speisen, tritt
insbesondere im Bahnbetrieb (mehrere Strecken, Hin- und Rückleitungen) auf. Man
bezeichnet das als Blockspeisung. Die dann zur Anwendung gelangenden mehrphasigen
Anordnungen besitzen noch den weiteren Vorteil, daß sowohl die Einphasenleistungspulsationen,
die immer bei der Lieferung von Einphasenlasten aus mehrphasigen Systemen in diesen
auftreten, und zwar mit der doppelten Frequenz, «wie auch gewisse Anteile der Verzerrungsleistung
durch die gleichzeitige Zusammenfassung der mehrfachen Einphasenspeisungen zu einem
mehrphasigen Umrichter sich gegenseitig kompensieren. Und zwar erfolgt ein vollständiger
Ahsgleich wegen der seitlichen Versetzung der drei Systeme der Abb. 18 um je i2o°
bzw. 6o0, wenn der Umrichter sekundärseitig auf allen Phasen gleich hoch belastet
wird.