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Verfahren zur Regelung der Stromstärke imVerbraucherkreis ven gittergesteuerten
Gas- oder Dampf-Lichtbogenentladungsstrecken Die Steuerung von elektrischen Entladungsstrecken,
insbesondere Ionenentladungsstrekken, in welchen nur das Einsetzen des Entladungsstromes,
nicht aber das Aussetzen desselben geregelt werden kann, wurde bisher durch Anlegen
von Wechsel- oder Wellenspannungen. andas Steuergitter vorgenommen, die
in ihrer Lage und Größe, verglichen mit denAnodenspannungen,veränderlichsind.
Dabei war es je nach den Eigenarten der Schaltungen zweckmäßig, entweder
reine Wechselspannungen, die nach Größe und Phase veränd:erlich- sind, oder auch
zusammengesetzte Wellenspannungen, bei denen sowohl der Wechselstrom sowie auch
der Gleichstromanteil veränderlich, gemacht werden kann, zu verwenden. Alle diese
Schaltungen benötigen jedoch umständliche Regelapparaturen, z.B. besonders gewickelte
Transformatoren, Kontaktsteuerapparate usw.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerung von Ionenentladungsstrecken
mit Hilfe von Steuergittem, diß die genannten Schwierigkeiten in vorteilhafter Weise
vermeidet. Sie stellt ein Verfahren zur Regelung der Stromstärke im Verbraucherkreis
von gittergesteuerten. Gas- oder Dampf-Lichtbügenentladungsstrecken, insbesondere
von Umformungseinrichtungen, durch Verschiebung des Einsatzpunktes der Entladung
dar, bei dem erfindungsgemäß die St-euergitter der w.äU-rend der Sperrzeit stromlos
'bleibenden Entladungsstrecken durch eine von der verfügbaren Steuerspannung in
ihrem Verlauf abweichende Spannung, die in wählbarem Maß durch ei-neu Ausgleichsvorgang
verzerrtwerden kann, auf die Zündspannung gebracht werden. Die Steuergitter werden
vorzugsweise durch Ladung oder Entladungeines Kondensators, dessen Ladekreis außerhalb
der zu steuernden Entladungsstrecke verläuft, auf die Zündspannung gebracht. Die
Gitterspannung ,erhält hierbei ohne Benutzung der zu steuernden Entladungsstrecke
zunächst einen vorbestimmten negativen Wert, wird dann mit regelbarer Anstiegsgeschwindijkeit
bis zum
Zündspannungswert gesteigert und spätestens bis zum Beginn
der nächsten positiven Anodenspannungshalbwelle wieder auf den nega. tiven A:nfangswert
zurückgeführt. Die Steilheit der Lade- oder Entladekurve oder beider Kurven des
Kondensators ist regelbar. Die Gitter können u.a. durch Änderun- der Zeitkonstante
des angeschlossenen Ausgleichsstromkreises ', etwa durch Änderung der Ohmschen
Widerstandskomponente der darin liegenden Impedanzen, gesteuert werden.
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Während die bisherigen Steuerverfahren für Ionenentladunasstrecken
darauf ausgingen, mit besonderen Mitteln die Phasenlage der Gitterspannung gegen
die der Anodenspaiinun- zu verändern, besteht das Wesen der vorliegenden Erfindung
darin-, dem Gitter ,eine Spannung aufzudrücken, die den Zündspannungswert durch
einen veränderbaren Ausgleichsvorgang zu verschiedenen Zeiten innerhalb der Anodenspannungshalbwelle
erreicht ', ohne daß hierzu der Anfangspunkt des Ausgleichsvorganges verschoben
werden muß. Durch die Steuerung der Gitter ohne Benutzung der zu steuernden Entladungsstrecke
während der Sperrzeit -werden Fehlzündungen und sonstige Störungen des gewünschten
Entladungsvorganges, vermieden.
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An Hand der Fizg. i sei das vorstehende Verfahren näher erläutert.
Die LinicE stellt den Verlauf der Anodenspannung dar. die im PunkteA die Nullinie
schneidet, und die stark aus-ezogene Linie BP,-CDB' gebe die dem Steuergitter aufgedrückte
Spannung wieder. Die Gerade 0-0 bedeutet das Kathodenpotential der Entladungsstrecke
i (Fig 2). Die Linie, bei deren Erreichen bzw. Durchschreiten durch die Steuergitterspannungeine
Entladung in der Entladun-sstrecke einsetzt, ist mit _F, bezeielmet. Erfindungsgemäß
wird dem Gitter zunächst eine Spannung von der HölicE, aufgedrückt, die auch in
bezug auf den geringsten, zur Herbeiführung einer Zündung erforderlichen SpannungswertE-.
ne-ativ ist-, und im Verlauf einer positiven Halbwelle an einer Anode läßt man dann
die Steuerspannung am Gitter nach einem vorgeschriebenen veränderlichen Zeitgesetz
ansteigen. In dem PunkteP, ist die zur Zürldung erforderliche Spannung am Gitter
erreicht, und die Arbeitsentladun# setzt zwischen der Kathode und der betreffenden
Anode während des durch die stark ausgezogene C
Linie wiedergegebenen Verlaufs
der Anodenspannungshalbwelle ein. Nachdem die Zündung der Arbeitsentladun- erfol-t
ist, läßt man die Spannung am Gitter wieder etwa nach der Linie P,-CDB' auf den
anfänglich Z,
negativen Wert absinken, so daß der Stromdurchgang durch den
Arbeitskreis der Entladungsstrecke für eine entsprechende, neu eintrefiende positive
Halbwelle, wieder ge-
sperrt ist bzw. die Entladungsstrecke für eine neue
Einstellung des Zündmom-entes schaltbereit ist. Der ZündnionientP, wird also eine
Funktion des Winkelsco sein, der von den beiden Linien BPI und BD' gebildet
#vird. je nachdem der Schenkel BP, des-Winkels q7 mehr oder weniger
zu der Linie, BB' geneigt ist, -u,-ird der Zündpunkt auf der Linie E, später oder
früher erreicht, so daß dadurch die Möglichkeit ge-eben wird, be-
liebige
Kurventeile aus der Halbwelle der Anodenspannung herauszuschneiden. Eine Anzahl
dieser Möglichkeiten ist durch gestrichelte Linien mit den entsprechenden Zündpunkten
P- Pj, und P, in der Fig. i dergegeben. Es ist jedoch keinesfalls
erforderlich, daß der Anstieg der Zündspannung am Gitter in einer Geraden verläuft.
sondern durch entsprechende Vorrichtungen kann diesein zeitlichen Verlauf z. B.
auch die Form einer Exponentialkurve gegeben werden. Im folgenden werden einige
der vielen unter Anwendung des vorstehenden Erfindungsgedankens, möglichen Schaltungen
wiedergegeben.
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In der Fig. 2 ist eine Schaltung gezeigt, bei der die Funktion, nach
welcher die Steuerspannung zeitabhängig verläuft, linear ist. In dieser Schaltung
bedeutet i die zu steuernde Entladungsstrecke mit der Kathode 2, der Anode
3 und dem Gitter 4, in deren Anodenstromkreis der GüneratorW und der Verbraucher
V liegen.. In die Gitterzuleitung ist ein Widerstand 8 und eine negative
VorspannungsquelleL#, beispielsweise eine Batterie, eingefügt. Der Kondensator
6 mit dem Parallelwiderstand ". ist über die Leitung 9 und
.eine gleichrichtende Entladungsstreckc io mit ZD C einer Wechselspannungsquelle
i i verbunden. deren anderer Pol an die Kathode der Entladungsstrecke i geführt
ist. Der Parallel-ZD b
-,viderstand 7 besteht z. B. ebenfalls aus einer
<gleichrichtenden Entladungsstrecke, welcheim Sättigungsgebiet arbeitet. Die
mit dein Gitter Z, z5
verbundene Kondensatorbelegung wird durch die gleichrichtende
Entladungsstrecke io, die ebenso ivie die Entladungsstrecke 7 so wirkt wie
ein nur in einer Richtung durchlässiger Widerstand und ebenfalls im Sättigungsgebiet
arbeitet, mit einem vorbestimmteii Sättigungsstromwert aufgeladen. Wird die Heizstromstärke
der Entladungsröhre io geändert ', so ändert sich diese konstante Auflades:tromstärke
des Kondensators und damit zugleich die Anstiegsgeschuindigkeit der am Gitter liegenden
Kondensatorspannung. Wenn die Zündspannung erreicht ist, kann die Spannung am Gitter
nicht mehr ansteigen, und sobald die Ladewelle, welche aus der Wechselspannungsquelle
i i über die Entladungsstrecke io läuft, zu Ende ist, entlädt sich der
Kondensator
über den Widerstand konstanter Stromstärke 7 ebenso, linear, wie er sich
linear aufgeladen hat.- Die Entladung muß bis zu dem Augenblick beendet sein, wo
die Aufladungsgerade vom PunkteB an wieder be-
ginnen soll. Es ist nvar
- gleichgültig, nach welcher Kurvenform der Gitterspannungs-23 kondensator
sich entlädt, jedoch ist der Widerstand 7 in diesem Beispiel deswegen als
Widerstand konstanter Stromstärke gewählt, damit auch der A7nstieg der Entladung
des Kondensators linear bleibt, weil ja auch während der Ladezeit des Kondensators
der Widerstand 7 eine Ableitung* bedeutet. Die Entladungsröhren io und
7 können selbstverständlich auch durch- andere Vorrichtungen ersetzt werden,
die Ströme, einer bestimmten Richtung und konstanten Stärke hindurchlassen, so z.
B. durch einen gegebenenfalls mechanischen Schalter, der synchron mit dem Arbeitsstrom
betätigt wird und aus einer Gleich- oder W.echselspannungsuqelle gespeist wird.
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Die Fig. 3 zeigt eine Schaltung, bei der deir Anstieg der Zündspannung
am Gitter den Verlauf einer Exponentialkurve hat. Die zu steuernde Entladungsstrecke
ist wieder entsprechend der Fig- 2 mit i, die Kathode mit 2, die Anode mit
3 und das Gitter mit 4 bezeichnet. V und W sind der Verbraucher und der Generator
im Anodenstromkreis. Das Gitter 4 ist mit einem elektrischen Kreis verbunden, in
dem in Reihe mit einem Kondensator 6 ein Gleichrichter i i und die Sekundärw
icklung eines übersättigten Transformators 13 liegt. Der andere Anschluß der Sekundärwicklung
ist zur Kathode 2 geführt. Die Primärwicklung des TransformatOTS 13 wird über die
konstante Induktivität 12 von ,einer der Arbeitsspannung frequenzgleichen Wechselspannung
gespeist. Gleichzeitig ist das Gitter mit einer positiven Gleichspan--nungE über
einen regelbaren hohen Widerstand R verbunden. Der Gleichrichter i i ist derart
geschaltet, daß er nur Ströme solcher Richtung hindurchläßt, durch welche die mit
dem Gitter 4 verbundene Belegung des Kondensators 6 negativ gegenüber
- der anderen Belegung aufgeladen wird. Der Gitterspannungskondensator erhält
die positive Gleichspannun- über den hohen Widerstandl?, die notwendige negative
Aufladung aber vor dem Zeitpunkt, von dem ab der Zündspannungsanstieg mit regelbarer
Steillieit einsetzen soll, durch die negative Halbwelle aus dem Kreis: Transformator
13 und Gleichrichter ii, so daß, nachdem der negative Ladungsstoß aus dem Kreise
beendet ist, die Spannung am Gitter 4 bis auf die konstante Gleichspannun- +E ansteigen
kann -und auf diesem Wege die notwendige Zündspannung erreicht wird. Dieser Zeitpunkt
ist nun abhängig von der Anstiegsgeschwindigkeit, welche durch die Größe des -hohen
Widerstandes R oder die Größe des Kondensators 6 bestimmt ist.
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Ferner kann der Zündz#eitpunkt der zu steuernden'Entladungsstrecke
i bzw. die Anstiegsgeschivindigkeit der Steuerspannung dadurch geändert werden,
daß die Höhe der mit dem Entladungswiderstand R für den Gitterspannungskondensator
in Reihe liegenden, SpannungsquelleE geändert wird. Eine solche Steuerung erweist
sich deshalb als besonders vorteilhaft, weil hierdurch eine Änderung der Steilheit
der Gitterspannungskurve erzielt wird, so daß alsdann durch Veränderung des Entladewiderstandes
-eine empfindlichere Steuerung der Entladungsstrecke i ermöglicht wird. Ferner wird
bei einer solchen - Anordnung der Vorteil erzielt, die Steuerung auf einfachste
Weise mehrphasig auszuführen, da in diesem Falle lediglich, eine einzige Spannungsquelle
erforderlich ist, über die sich die den einzelnen Steuerkreisen zugeordneten Kondensatoren
entladen können.
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Die Fig. 4 gibt ein Dia,-ramm wieder, das den Verlauf der Spannungen
gemäß der Schaltung in Fi-. 3 veranschaulicht. E be-
zeichnet wieder
den Verlauf einer Anodenspannungswelle, die im ZeitpunktA die Nulllinie schneidet.
Die Gleichspannung ist durch die Linie + E, die erforderliche Zündspannung
durch die LinieE, und die negative kondensatorspannung durch die Linie--E, angedeutet.
Der Verlauf der Gimrsteuerspannung xvird durch die Kurve E, dargestellt,
die, von der Linie - E, im Punkt A ausgehend und in Form einer
- Exponentialkurve anstdigend, die Linie E_. in dem Punkte P trifft, in dem
die Zündung der Arbeitsentladung in der gesteuerten Entladungsstrecke ,einsetzt.
Durch die gestrichelten Linien werden verschiedene Werte der Anstiegsgeschwindig
gkeit der Gittersteuerspannung dargestellt, und zwar werden diese Exponentialkurven
je
nach der Einstellung des Widerstandes R ,einen steileren oder weniger steilen
Verl. » Luf nehmen. Der von dem gesättigten Transformator hervorgerufene
Ladungsstoß, der diepositive Ladung am Ende des Vorganges auf die negative Anfangsladung
bringt, wird durch die Kurve ED", wiedergegeben. Der in dem Diagramm gestrichelt
gezeichnete Ladungsstoß ED,b -wird durch den Gleichrichter i i unterdrückt.
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In der Fig. 5 ist eine Schaltung gezeigt, Z> e bei der
dem Gitter der mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 versehenen Entladungsstrecke
i durch einen von einem plötzlichen Spannungsstoß angeregten Schwingungskreis eine
Spannungswelle in Form einer gedämpften Schwingung aufgedrückt
wird.
je nach der Einstellung der regelbaren Kapazität 6 oder der regelbaren
Induktivität L C
wird die Steilheit der Spannungswelle des ausschwingenden
Schwingungskreises inihrem ersten aufsteigende- g n Ast geändert, so daß die Gittersteuerspannung
früher oder später die Zündspannungslinie E, (Fio-. 6) erreicht.
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Die dieser Schaltung entsprechenden Spannungsverläufe sind in Fig.
6 mit den vorigen Figuren entsprechenden Bezugszeichen wiedergegeben. Sobald
die Gittersteuerungsspannun- die ZündspannungE, überschreitet. wird die Arbeitsentladun-
in der zu steuernden Entladungsstreckne i eingeleitet. Durch den in der Entladungsstrecke
i mit der Anode 3,
der Kathode 2 und dem Gitter 4 fließenden Gitterstrom wird
der Kondensator 6 bis auf den kleinen, der Spannung an der Teilent-Iadungsstrecke
Gitter 4 - Kathode 2 entsprechenden Wert U entladen. Dieser Wert bleibt
annähernd erhalten, bis der Kondpnsator durch einen neuen Spannungsstoß aus dem
Transformator 13 über das Ventil i i negativ aufgeladen wird. Diese Entladung
des Kondensators durch den Gitterstrom ist notwendig, um Schwebungen zwischen der
Arb.eitsfrequenz und der Steuerkreiseigenfrequenz (6, L) beim Arbeiten der
Entladungsstrecke zu vermeiden.
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Eine besonders einfache Schaltung stellt die Fig- 7 dar. In
dieser ist die Wechselstromquelle W unter Zwischenschaltung des Verbrauchers V an
die Anode 3 der Entladungsstrecke i angeschlossen. Der andere Pol der Wechselspannungsquelle
ist mit der Kathode 2 verbunden. Das Gitter 4 ist über einen hohen Widerstand R,
der ein Anwachsen des Gitterstromes übereinen vorbestimmten Wert hinaus verhindern
soll, an einen Kondensator 6 angeschlossen. Dieser Kondensator
6 wird durch die negative Halbwelle der von der Spannungsquell#e W
ge-
lieferten Wechselspannung über den Gleichrichter i i auf ein
' en negativen WertE, aufgeladen (Fig. 8). Die positive Aufladung
des Kondensators kann nur über den veränderbaren Widerstand R2 erfolgen, weil in
di--ser Stromrichtung der Gleichrichter i i sperrt. je nach der Größe des Widerstandes
R., wird die Kondensatorspannung mehr oder weniger schnell von dem negativen WertE,
auf ihren positiven Zünds annungswert E, ansteigen.
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p l# 11 Damit wird aber auch die Gitterspannung, welche gleich der
Kondensatorspaimung ist, mit verschiedener Anstiegsg-jeschwindigkeit verlaufen.
Das Gitter erhält also wiederum vor dem Augenblick, von dem ab der regel-C ZD bare
Anstieg der Gitterspannung einsetzen C l# soll, eine -negative Aufladung.
Der Verlauf der Spannung entsprechend dieser Schaltung ist in Fig. 8 dargestellt,
für welche die gleie ZD chen Bezugszeichen wie in den früheren Figuren gewählt
sind.
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Als Hilfsgleichrichter für die -negative Ladung des Gitterspannungskondensators
kann bei der Anordnung gemäß der Erfindung ein beliebiger Gleichrichter., z. B.
ein Trockeneichrichter oder ein Glühkathodengleichrichter, vorgesehen werden. Bei
Verwendung einer gleichrichtenden Entladungsstrecke kann unter Umständen der Hilfsgleichrichter
vorteilhaft räumlich mit dem Hauptentladungs-"efäß vereinigt werden. Zur Entladung
des Gitterspannungskondensators kann ferner eine gittergesteuerte Entladungsstrecke
dienen, die von der Wechselspannung, die den Umformer speist oder 'beim Wechselrichterbetrieb
vom Wechselrichter geliefert -wird, - steuert wird. t' - ge In diesem
Falle ist eine selbsttätige Einstellung der von dem Umformer abgegebenen Spannung
bzw. Leistung möglich.
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Die beschriebenen Steuerungen eignen sich zur Regelung von Motoren,
deren Tourenzahl den eweiligen Betriebsverhältnissen be-Jastungsabhängig anzupassen
ist., z. B. bei Antrieben für Hebezeuge, Walzwerke, Fahrxeuge, Werkzeugmaschinen,
zur Regelung elektrischer öfen usw., ganz allgemein für solche Verbraucher.. bei
denen eine Regulierung des Strommittelwertes erforderlich ist. Dcr Wirkungsgrad
bleibt bei allen Drehzahlen bzw. Strommittehverten gut, da der geringe Verlust in
den Steuerungseinrichtungen vollständig züi vernachlässigen ist. Selbstverständlich
kann durch geeignete Vorrichtungen, z. B. Relais, Widerstandsregler usw.. die Regelung
der von den gesteuerten Entladungsstri#cken abgegebenen Leistung mittels der Gitterst#euerung
auch selbsttätig vorgenommen werden.
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Besondere Vorteile besitzen diese Steuerungsanordnun-en für ferngesteuerte
Anlagen. Nach Einleitung der Hilfsentladung in den zu steuernden Entladungsstrecken,
z. B. durch einen Stromstoß, kann in einfacher Weise mit Hilfe der ,Änderung eines
Widerstandes im Steuerkreis durch eine Steuerfeinleitung der Gitterspannungsverlauf
und damit der Mittelwert des Stromes im Arbeitskreis ferngeregelt werden.
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Es sei auch an dieser Stelle bemerkt, daß es für die Ausübung des
Verfahrens gleich-Zgültig ist., ob die zu steuernden Entladungsstrec'I,;en mit flüssiger
Metallkathode oder mit fester Glühkathode ausgerüstet sind. Die Steuerverfahren
und die Vorrichtungen zu ihrer Ausübun- sind in vorteilhafter Weise zum Zwecke der
Gleichrichtung, Wecbselrichtun-. Umrichtung o. d-l. verwendbar.