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Anordnung zur Gittersteuerung bei mit gittergesteuerten Dampf- oder
Gasentladungsstrecken arbeitenden Umrichtern Umrichter dienen zur unmittelbaren
Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom anderer Frequenz. Am meisten
kommen sie für die Umformung von Drehstrom von 5o Hz in Einphasenstrom von i62/3
Hz in Betracht. Der Betrieb eines Umrichters, insbesondere mit stark schwankender
Belastung und vor allen Dingen mit stark schwankendem Leistungsfaktor, erfordert,
daß die Gittersteuerung verschiedene Bedingungen erfüllen muß, und das bedeutet,
daß jede Entladungsstrecke in der einen Halbwelle der niederfrequenten Spannung
entsprechend den Bedingungen des Gleichrichterbetriebes, in der anderen Halbwelle
der niederfrequenten Spannung entsprechend den Bedingungen des Wechselrichterbetriebes
zu steuern ist. Die bisher bekanntgewordenen Steuerungen, die ein ordnungsmäßiges
Arbeiten sicherstellen, erforderten viel Aufwand, insbesondere an Hilfsentladungsstrecken.
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Die Erfindung setzt sich zum Ziel, den Aufwand für die Steuerung bei
starren Frequenzuntersetzungen zu verringern. Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch,
daß eine Steuerspannung der doppelten niederen Frequenz mit einer Komponente der.
einfachen niederen Frequenz vorgesehen ist.
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In Fig. i der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das sich auf einen starren Trapezkurvenumrichter (5o Hz: Z623 Hz) bezieht, dargestellt,
von dem nur die Gittersteuerung für die Entladungsstrecken 14, 24 und 34 des mehranodigen
Entladungsgefäßes i dargestellt ist. Jeder Gitterkreis enthält zunächst die gemeinsame
negative Vorspannung 2 und die Widerstände 1i, 12 bzw. 21, 22
bzw.
31, 32. Die das Einsetzen der Entladung ermöglichende Steüerspannung wird den Gitterkreisen
durch die Hilfsentladungsstrecken 13, 23 und 33 zugeführt. Anoden- .und Gitterkreise
dieser Hilfsentladungsstrecken erhalten Spannungen von den Steuerspannungsgeneratoren
3 und 4 über die Transformatoren 5 und 6. Für den Antrieb der Steuerspannungsgeneratoren
ist der vom 5o-Hz-Netz gespeiste Drehstrommotor 7 mit drei Polpaaren vorgesehen.
Falls der Umrichter nicht allein auf das I62/3 Netz arbeiten sollte, ist es erforderlich,
den später in Betrieb genommenen Umformer bzw. Umrichter zu synchronisieren.
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ZurErläuterung derWirkungsweise mögeFig.2 dienen. Zunächst ist die
Trapezkurve uo,die von denEntladungsstrecken 14, 24 und 34 der einen Gruppe bzw.
von den äquivalenten Entladungsstrecken 15, 25 und 35 der anderen Gruppe geliefert
wird, dargestellt. Dabei ist angenommen, daß der Umrichter gerade eine Belastung
mit einem Leistungsfaktor etwa gleich i hat. Nun erfordert aber ein Betrieb mit
stark schwankendem Leistungsfaktor, daß jede Entladungsstrecke in beiden Halbwellen
der niederfrequenten, Spannung strombereit zu halten ist. Wenn also Anode 24 dem-Gleichrichterbetrieb
unterliegt, muß Anode 25 dem Wechselrichterbetrieb unterliegen. Die Anodenkreise
der Hilfsentladungsstrecke 13 und der nicht dargestellten, zur Anode 25 gehörenden
Hilfsentladungsstrecke erhalten vom Generator 3 eine 33l/3 Hz-Spannung u1. Die Gitterkreise-beider
Hilfsentladungsstrecken erhalten ebenfalls vom Generator 3 eine 331/,-Hz-Spannung
u2, aber eine solche mit einer Phasenverschiebung von 9o° oder, anders ausgedrückt,
einer solchen Phasenlage, daß der Nulldurchgang dieser Spannung zeitlich mit dem
Schnittpunkt der zu den Anoden 14 und 24 bzw. 15 und 25 gehörenden Phasenspannungen
zusammenfällt. Überlagert wird dieser Spannung u2 eine vom Generator 4 gelieferte
162/,-Hz-Spannung u3' bzw. u3". In der positiven Halbwelle von u, geht die Summenspannung
u2 -f- u3" früher als u2 durch Null und kann daher zur Festlegung der Zündung von
25 beim Wechselrichterbetrieb dienen. In der negativen Halbwelle von u2 geht die
Summenspannung u2 + u3" später als u2 durch Null und kann daher zur Festlegung der
Zündung von 25 beim Gleichrichterbetrieb dienen. Entsprechendes ergibt sich bezüglich
der Summenkurve u2 und u3' bei der Anode 24. Da gleiche Impulsbreiten für Gleichrichter-
und Wechselrichterbetrieb erwünscht sind; empfiehlt es sich, in die Anodenkreise
der Hilfsentladungsstrecken außer der 331/,-Hz-Spannung eine zusätzliche 162/3-Hz-Spannung
u4' bzw. u9" einzufügen. In der positiven Halbwelle von u, liefern u4 eine Verlängerung,
u4" eine Verkürzung des Impulses, und man kann somit die gewünschte Impulsbreite
durch entsprechende Bemessung von Größe und Phase von u4' bzw. u4" erhalten.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Umrichtern mußten bei Steuerung mit
der niederen Frequenz, vorzugsweise in Verbindung mit einer solchen der höheren
Frequenz der Speisespannung, mindestens zwei Steuerwege vorgesehen werden. Verlangt
man gleiche Güte für die -Steuerung, so ist es betrieblich von großem Vorteil, nur
einen Steuerweg zu benötigen, besonders dann, wenn jeder Steuerweg mit einer Hilfsentladungsstrecke
ausgerüstet ist.
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Die Erfindung gibt darüber hinaus die Möglichkeit, von der Verwendung
von Hilfsentladungsstrecken ganz abzusehen. Beispielsweise kann man die Hilfsentladungsstrecken
durch gesättigte Drosseln oder Transformatoren ersetzen. Benutzt man gesättigte
Drosseln, so bleibt die Schaltung ungeändert, und die Spannungen u1 und u4' bzw.
u4" liegen an der Reihenschaltung von Drossel 13 bzw. 23 bzw. 33 und Widerstand
12 bzw. 22 bzw. 32. Durch geeignete Bemessung der gesättigten Drossel und Anpassung
an die Spannungen u1 und u,' bzw. u4" gelingt es, die Sättigung der Drossel in den
gewünschten Zeitpunkten zu erreichen und damit eine blockartige Steuerspannung,
wie sie Hilfsentladungsstrecken liefern, dem Widerstand 12 bzw. 22 bzw. 32 zuzuführen.
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In Fig. 3 der Zeichnung ist beispielsweise am Gitterkreis der Hauptentladungsstrecke
14 veranschaulicht, wie man eine Steuerung mittels gesättigten Transformators durchführt.
Die Steuerspannungen 3 und 4 liefern über ungesättigte Drosseln 30 und 40
praktisch sinusförmige Magnetisierungsströme dem Transformator 16. Wenn die Steuerspannungen
3 und 4 eine Phasenlage wie u1 und u,' haben, so haben die Magnetisierungsströme
etwa eine solche wie u2 und u3'. Der Transformator 16 wird daher in der positiven
Halbwelle der niederfrequenten Trapezkurve kurz nach dem Spannungsschnittpunkt,
in der negativen Halbwelle der niederfrequenten Trapezkurve kurz vor dem Spannungsschnittpunkt
entsättigt sein und schmale positive Impulse liefern. Der außerdem während der Arbeitszeit
der Entladungsstrecken 14 und 15 auftretende negative Impuls beeinträchtigt im allgemeinen
nicht den Betrieb. Erforderlichenfalls kann er durch ein gleichrichtendes Element,
z. B. Trockengleichrichter 17, kurzgeschlossen werden. Die übrigen Bezugszeichen
der Fig. 3 entsprechen denen der Fig. i.
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Es ist zu beachten, daß der Sättigungsvorgang von der Größe und Frequenz
der angelegten Spannung abhängig ist. Der Umformer, der die Spannungen vön 33l/3
Hz und 162/3 Hz für die Gittersteuerung erzeugt, muß demnach so ausgeführt werden,
daß bei konstanter Frequenz auch die abgegebene Spannung konstant ist. Sinkt die
Frequenz aus irgendwelchen Gründen, so muß auch proportional die Spannung kleiner
werden, damit eine winkeltreue Zündung der Anoden erreicht wird. Man muß also den
Umformer auf konstanten Polfluß eingestellt haben, d. h. der Erregerstrom muß konstant
gehalten werden.
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Die beiden Generatoren 3 und 4 wird man mehrphasig ausbilden, da jede
Anode Steuerspannungen anderer Phasenlage benötigt. Zwecks bequemer Einstellung
der Phasenlage empfiehlt es sich, entweder die Transformatoren 5 und 6 (Fig. i)
oder bei unmittelbarem Anschluß der Steuerkreise an die Generatoren die Generatoren
3 und 4 mit einer in Sechseck geschalteten Wicklung zu versehen, damit man in bequemer
Weise die Steuerspannungen gewünschter Phasenlage abgreifen kann. Dabei kann man,
besonders wenn man noch Mittelanzapfungen bei den sechs Wicklungen vorsieht, Wechselspannungen
mit
einer Phasendifferenz von etwa 15° abgreifen, wobei die Größen
dieser Wechselspannungen nur wenig voneinander abweichen. Falls noch weitere Unterteilung
der Phasendifferenz erwünscht ist, kann man einzelne oder alle sechs Wicklungen
mit weiteren Anzapfungen versehen.
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In vielen Fällen ist es erwünscht, den Beginn der Kommutierung lastabhängig
zu verstellen. Vorteilhaft ist es, bei Leerlauf Spannungsgleichgewicht für Gleichrichter-
und Wechselrichterbetrieb vorzusehen und bei beiden den Beginn der Kommutierung
lastabhängig vorzuve:schieben. Bei Belastungen, deren Leistungsfaktor nur geringfügig
schwankt, wird man eine zusätzliche stromabhängige Komponente in Reihe mit der vom
Generator 4 gelieferten Steuerspannung von z62/3 Hz schalten. In den Fällen, in
denen der Leistungsfaktor größeren Schwankungen unterliegt, wird man zweckmäßig
die stromabhängige Komponente zunächst gleichrichten und diesen gleichgerichteten
Strom zur Steuerung der Größe eines Wechselstromes weitgehend konstanter Phasenlage,
z. B. mittels gleichstromvormagnetisierter Drosselspule, benutzen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 beim
Gitterkreis der Anode 14 des mehranodigen Entladungsgefäßes i dargestellt. Hier
wird die Summe von doppelt niederfrequenter Spannung und einfach niederfrequenter
Spannung in einer einphasig gespeisten Gleichrichtervollwegschaltung 18 erzeugt
und diesem Gleichrichter eine vorbereitete Spannung zugeführt. Auf der Wechselstromseite
des Gleichrichters IS ist eine Reihenschaltung von gesättigter Drossel i9 und Widerstand
2o vorgesehen. Ist der Vormagnetisierungsstrom Null, so tritt je Halbwelle eine
blockartige Spannung auf, und diese blockartigen Spannungen folgen einander im Abstand
von 18o°, d. h. der Gleichrichter 18 liefert eine doppelt niederfrequente Spannung
ohne zusätzliche einfach niederfrequente Spannung. Führt man der gesättigten Drossel
i9 eine Gleichstromvormagnetisierung zu, so wird der Sättigungspunkt in der einen
16'/,-Hz-Halbwelle zeitlich nach vorn, in der anderen 162/,-Hz-Halbwelle zeitlich
nach hinten verschoben. Diese gleichgerichtete Spannung weist dann außer der vorherrschenden
Spannung von doppelter Niederfrequenz auch eine Komponente von einfacher Niederfrequenz
auf. Gegenüber Fig. 3 besteht wie bei Fig. i der Vorteil, daß keine negativen Spannungsimpulse,
die erforderlichenfalls kurzzuschließen wären, auftreten. Die übrigen Bezugszeichen
der Fig. -4 entsprechen denen der Fig. i.
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Wie bisher schon bei Umrichtern üblich war, wird man weiterhin eine
stromabhängige Sperrsteuerung vorsehen. Diese bewirkt, daß während der Stromführung
der einen Gruppe von Entladungsstrecken die andere Gruppe von Entladungsstrecken
trotz Vorhandenseins der normalen, ein Einsetzen der Entladung ermöglichenden Steuerspannung
gesperrt gehalten wird. In Fig. 5 ist veranschaulicht, wie eine solche zusätzliche
Sperrspannung in einfacher Weise ohne Hilfsentladungsstrecken verwirklicht werden
kann. In den niederfrequenten Stromkreis ist ein Stromtransformator ioo geschaltet,
der sekundärseitig zwei Wicklungen aufweist, von denen jeweils wegen der gleichrichtenden
Elemente ioi und iii nur eine Wicklung belastet ist. Beispielsweise möge die obere
Wicklung Strom über das Element ioi an den Widerstand 102 liefern. Sobald die Spannung
an diesem Widerstand einen vorbestimmten Wert erreicht, spricht die Glimmlampe 103
an, und damit wird die Sperrsteuerung für die nicht stromführende Gruppe von Entladungsstrecken
wirksam. 'Zur Begrenzung der Höhe der stromabhängigen Sperrspannung ist die Glimmlampe
io6 mit dem vorgeschalteten Widerstand 105 vorgesehen. Die Spannung an der Glimmlampe
io6 dient als negative Sperrspannung und wird den Gitterkreisen der gesperrt zu
haltenden Gruppe von Entladungsstrecken zugeführt. Bei Stromführung dieser Gruppe
wird die zweite Gruppe von Entladungsstrecken mittels der Elemente iii
... 116 gesperrt gehalten.
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In den Fig. 6 und 7 ist veranschaulicht, wie man die Steuerung bei
einer Schaltung nach Fig. i lastabhängig beeinflussen kann. In den Gitterkreis der
Hilfsentladungsstrecke 13 wird mittels des Stromtransformators 13o eine Spannung
eingeführt, die dem erzeugten niederfrequenten Wechselstrom proportional ist. Die
Richtung dieser Spannung ist so gewählt, daß, wenn der Strom in der zugehörigen
Gruppe von Entladungsstrecken 14, 24, 34 usw. fließt, der Steuerimpuls nach vorn,
wenn er dagegen in entgegengesetzter Richtung fließt, der Steuerimpuls im Sinne
der Nacheilung verschoben wird. Man erkennt, daß in dieser Anordnung die Verschiebung
unabhängig davon erfolgt, ob die betreffende Gruppe von Entladungsstrecken im Gleichrichter-oder
im Wechselrichterbetrieb arbeitet. Sie bewirkt bei Wechselrichterbetrieb durch die
größere Voreilung die Sicherstellung der Kommutierung und im Gleichrichterbetrieb
eine Ausregelung des Spannungsabfalls. Wenn bei einer nicht stromführenden Entladungsstrecke
bzw. Gruppe von Entladungsstrecken der Gleichrichterimpuls nach hinten verschoben
wird, wird dies bewirken, daß der zwischen zwei Entladungsstrecken infolge der Wechselrichtervoreilung
auftretende Ausgleichstrom sicher zu Null wird. Eine Verschiebung des Wechselrichterimpulses
nach hinten, auch über den natürlichen Phasenablösungspunkt hinaus, kann ebenfalls
nicht zu Schwierigkeiten führen, wenn die zugehörige Gruppe von Entladungsstrecken
stromlos ist, eine Wechselrichterkommutierung also nicht erfolgt. Als Vorteil ist
aber festzustellen, daß durch die Rückverschiebung der Wechselrichterkommutierung
die Ausgleichströme verkleinert werden und schließlich sogar gänzlich wegfallen.
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In manchen Fällen dürfte es zweckmäßig sein, bei gleichem Strom die
Vorverschiebung größer als die Rückverschiebung zu wählen. Ein Beispiel für eine
derartige Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt. Hier sind im Gitterkreis der zugehörigen
Hilfsentladungsstrecke zwei Widerstände 131 und 132 vorhanden, zu denen jeweils
ein gleichrichtendes Element 133 und 134 in entgegengesetzter Richtung parallel
geschaltet ist. In den Widerständen wird deshalb der Strom in der durch die Pfeile
gekennzeichneten Richtung
fließen. Man erkennt; däß es durch geeignete
Wahl der Widerstände möglich ist, den, Einfluß der Stromabhängigkeit beliebig zu
gestalten.