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Anordnung zur unsymmetrischen Steuerung von mit gittergesteuerten
Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitenden Stromrichtern Es ist bekannt, Stromrichiter
zur Verbesserung des Leistungs-fakto-rs ,bei der Spannungsregelung mittels der Gittersteuerung
unsymmetrisch auszusteuern (vgl. Patentschrift 729 76d.). Es wird also bei Verringerung
der Gleichspannung vorerst nur eine b!estimmte Gruppe von Phasen gesteuert (Vorsteuerung),
und erst wenn idiese vollständig stromlos s i d, wird mit der Steuerung der
anderen Phasen in t' begonnen (Nachsteuerung). Hierdurch tritt auch nur ider Blindleistungsanteil,dieser
gesteuerten Teilsysteme in Erscheinung, und der gesamte Leistungsfaktor wird entsprechend
vergrößert. Um nun idie einzelnen Anoden und Phasen gleichmäßig zu .belasten, werden
die unterschiedlich ausgesteuerten Phasen in regelmäßigen Abständen vertau-scht.
Dies bedeutet, daß die Gitter der einzelnen Anoden in zeitlich aufeinanderfolgenden
Perioden unterschiedlich gesteuert werden. Dies sei eingehender an Hand der Fig.
r der Zeichnung erläutert, die eine sechsphasige Saugd'rosselschaltung mit zwei
Parallelsystemen A und B darstellt, bestehend aus je zwei dreiphasigen
Transformaxorwicklungen und einem mehranodi,gen Entladungsgefäß Ga bz.w. Gb. Die
Last L kann beispielsweise ein Motor -sein. Für ;die Gittersteuerung ist der aus
Motor M und Generator G bestehende Synchron-Synchron-Umformer vorgesehen. Es wird,-
wie bereites erwähnt, :die Steuerung so vorgenommen, da,ß im Mittel alle Anoiden
gleichmäßig belastet werden und also die Vorsteuerung und Nachsteuerung der einzelnen
Anoden zwischen den Systemen A und B .wechselt. Es ist dann von zwei parallel
arbeitenden Phasen der beiden Teilsysteme A und B immer eine Phase, z. B. A I, vorgesteuert
und
die andere Anode, B I, nachgesteuert. Bei der Kommutierung auf die nächste Phase
III werden die Rollen vertauscht, und nunmehr ist AIII nachgesteuert und BIII vor;gesteuert.
Dies bedingt, daß zwei ,getrennte Gitter.steuerungseinrichtungen für Vor- und Nachsteuerung
vorhanden sein müssen, die Steuerimpulse mit der halben Netzfrequenz erzeugen, wobei
:das Gitter jeder Anode abwechselnd von den Steuerimpulsen beider Geräte beaufsch-lagt
wird, :so daß in zwei aufeinanderfolgenden 5@o-Hz-Perioden abwechselnd ein Vor-
iund Nachsteuerimpuls auf Idas Gitter gegeben werden.
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Fig. 2 der Zeichnung zeigt (die positiven SteuerimputIse der Phasen
I bis III der .bei:den Teilsysteme A und B. Man erkennt, id,aß (der
Anode A I die Impulse I A der Vorsteuerungen und der Nachsteuerung zugeführt werden.
Die hierzu negativen Impulse I B, :die um if;o°, auf 25 Hz bezogen, verschoben sind,
werden dem Teilsystem B zugeführt. Es ergibt sich somit -das in Fig. i dargestellte
Schema der Gittersteuerung, wobei eine Steuerung mit Mu-Drosseln Mu zugrunde gelegt
wird. Die Netztransformatoren der Gittersteuerung werden vom einem Synchron-Synchron-Umformer
über eine Phasendreheinrichtung gespeist.
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Oben@genannte Anordnung hat folgende Nachteile: a) Die Phasenlage
der 25-Hz-Spannung relativ zur 5o-Hz-Spannung ist nicht eindeutig, -da hier sowohl
die Polradwinkel des Motors als auch des Generators eingehen. Der Polradwinkel ändert
sich mit der Erregung der Maschinen, der Netzspannung auf der 5o-Hz,Seite und der
Belastung. Der Polradwinkel des Generators tritt außerdem mit dem Faktor 2 (25 Hz)
in der Steuerung in Erscheinung. Um diese Einflüsse weitmöglichst zu verringern,
sind die Maschinen entsprechend reichlich zu bemessen oder sonst Maßnahmen zur Kompensation
der Winkeländerung zu treffen.
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b) Bei Frequenzänderungen und plötzlichen Phasenspirüngen der Netzspannung
kann der Synchron-Synchr.on-Umformer nicht sofort folgen, so daß auch hier Phasenabweichungen
in der Steuerung auftreten -.können.
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c) Der Synchron-Synchron-UTnfo-rmer stellt ein elast,i,sches .Glied
zwischen .dem Netz und der Steuerung dar, das auch zu Pendelungen Anlaß gelben kann,
insbesondere wenn die Netzleistungen klein sind und merkliche Spannungs- und Phasenänderungen
auf der 5,o,-Hz-Seite sich durch die Stromri.chterbelastung ergeben.
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.d) Unsymmetrien in d=er 25-Hz-Spanmun.g des Generators des Synchron-Synchron-Um@fo@rmers
wirken sich mit dem doppelten Betrag in der Steuerung aus.
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e) Spannungsoberwellen des Generators, die bei kleinen Maschinen oft
erhebliche Werte annehmen können, wirken sich unangenehm autf die Steuerung aus
und können ebenfalls die Symmetrie stören.
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f) Es sind außergewöhnliche Steuergeräte, für 25 H%z notwendig, die
speziell für diese Zwecke entwickelt werden müssen und alsmagnetische Steuerungen
wegen der niedrigen Frequenz -einen größeren apparativen Aufwand als 5o-Hz-Steuerungen
erfordern.
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g) Die Phasenungenauigkeit der Steuerung ist, insbesondere bei Umkehrantrieben,
die, ,zeitweise im Wechselrichterbetrieb arbeiten, nachteilig. Aber auch im Gleichrichterbetrieib
kann bei schmalen St'euerimpulisen durch eine Im:puls,gabe vor dem Phasenschnittpunkt
die Gleichspannung durch Aussetzung der Zündung erheiblich absinken.
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Diese Nachteile obigen ,Steuerverfahrens (können erfindungsgemäß ,dadurch
vermieden werden, daß ,man :die 25-,Hz=Spannung nicht @di-rekt zur Erzeugung -der
Steuerimpulse verwendet, sondern nur zur Unterdrückung einer Periode der 5-o-Hz-Steuerimpulse.
Wie noch gezeigt wird, werden zur Unterbringung der 25-Hz-Impulse keine besonders
hohen Anforderungen an ,die Symmetrie und Phasengenauigkeit .der 2-5-Hz=Sp@annung
gestellt, so d-aß hierfür ein normaler Synchron-;Syrnch:ron-Umformer kleinerer Leistung
verwendet werden kann. Als großer Vorteil ist zu bewerten, .daß die 5o-Hz-@Spannung
eine definitive feste Phasenlage zur Netzspannung und somit zur Anodenspannung .der
Stro#mrichtgefäße hat und normale 5o-Hz-Steuergeräte verwendet werden können.
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In Fig. 3 der Zeichnung :sind wiederum für den Fall; voller Aussteuerung
die Steuerimpulse der Phasen A I und der um iSo° (5-o Hz) versetzten Phase A IV
idarge.stellt. Der erste Steuerimpuls I A -des 5,o-;Hz-,Steuersatzes i wird der
Anode A I zugeführt, der eine Halb-welle später liegende negative Impuls 'kann -zur
,Steuerung der Anode A IV .dienen (in Fi,g.3 voll .ausgezogen). Die 'bei-den in
der nächsten 5o-Hz-Periiode auftretenden Impule IA und LVA (in Abb. 3) schraffiert)
müssen unterdrückt wenden, -da hier die .Steuerimpulse .des 5,o-Hz-Steuersatzes
2 wirksam werden sollen. Zur Unterdrückung dieser Impulse können zahlreiche Wege
.beschritten werden. Es muß entweder piaral,1e-1 zu dem S-to:ßwiderstand der Gittersteuerung,
an dem der Steuerimpuls abgenommen wird, ein Kurzschluß eingeleitet werden oder
in Reihe mit ,dem .Stoßwi:derstarnd ein zusätzlicher induktiver oder Ohm-scher Widerstand
eingefügt werden, der den von dem Steuergerät erzeugten Impuls aufnimmt. Diese Impulsunterdrückung
muß mit 25 Hz erfolgen,: da ju nur in jeder zweiten Periode die beiden Impulse verschwinden
sollen. Hierfür können steuerbare Ohmsche oder induktive Widerstände, z. B. Röhren,
Trockengleichrichter oder magnetische Glieder mit Vormagnetisierungssteuerung, verwendet
werden. In Fig. q. ist beispiels-,wei;se eine Schaltung mit Trockengleichrichtern
,dargestellt. Die Impulsunterdrückung wird so. vorgenommen, daß parallel zu den
Stofwiderständen R Trockengleichrichter V, liegen, die von einer 25-Hz-Spannung
des Synchron-Synchron-Umformers gespeist werden. Von to bis t1 ist diese Spannung
entgegen der D urchlaßrichtung .des Ventils h1 gerichtet. Da diese Spannung außerdem
größer als die Impulsspannung UIA an R ist, kann kein .Strom über das Ventil TVi
fließen. Von t. bis t2 ist diese 25-H7,-*Spannung so gerichtet, daß :sich ein Strom
über
V1, h2 ergibt, der durch den Widerstand R' begrenzt wird. Beim Auftreten des zweiten
Impulses (schraffiert) der 5o-Hz-Steuerung ist dieser daher über den Trockengleichrichaer
V2 kurzgeschlossen, da der Vorwärtsstrom von der 25-Hz-Seite größer gewählt als
der Impulsstrom von der 5o-Hz-Seite wird. Der Impulsstrom wird durch den Widerstand
R" begrenzt. Es verlagert sich also .gewissermaßen die Impulsspannung von ,dem Stoßwiderstand
R auf R". Derselbe Vorgang wiederholt sich beim .Steuersatz 2 mit einer um 180'
(25 Hz) versetzten 25-Hz-Spannung. Bei den negativen Impulsen der 5o-Hz-Stetierung,
die für die um n80° (5,o Hz) versetzte Phase IV verwendet werden, wird ebenfalls
wieder ein Impuls durch eine Um 9':o0 (25 HZ) versetzte 25-Hz-@Spannun..g unterdrückt.
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Die Schaltung mach Fig. .4 hat den Nachteil, daß jeder zweite 5,o-Hz-I@m@puls
unterdrückt und somit für die .Steuerung nicht ausgenutzt wird. Es sind also insgesamt
sechs derartige zweiphasige Steuersätze notwendig.
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Dieser Nachteil kann durch eine Schaltung gemäß Fig. 5 vermieden werden.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist ähnlich der in Fig. ,#l. Tritt z. B. von dem
Steuersatz i ein positiver Steuerimpuls auf (I A), so gelangt dieser über die Trockengleichrichter
h3A und V,A zu dem Stoßwiderstand RA, an dem :die Steuerspannung u1A für
die Anode A1 abgegriffen wird. Die parallel zu VJA liegende 25-Hz-Spannung itA ist
so, gerichtet, daß V, A stromführend ist. Falls ;der 25-.Hz-Strom ,größer als der
Impulsstrom ist, kann dieser also über das Ventil zum ,Stoßwiderstand gelangen.
In dem Parallelkreis .mit h3B, Tliß ist die 25-Hz-Spannung itB entgegengesetzt gerichtet,
V1ß ist stromlos und Ader Impuls über V.B abgeriegelt, da die 25-Hz-Spannung größer
als die Impulsspannung ist. Mit dem um 18o°' :(5o Hz) versetzten negativen Impuls
IVt1 wird entsprechend verfahren. Nunmehr wird der nächste positive Impuls des .Steuersatzes
I auf den Widerstand RB geführt, da die 2@5-Hz-Spannungen itA, UB sich -inzwischen
Umgepolt haben.
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Die von dem Steuersatz 2 ankommenden Impulse werden ebenfalls, wie
aus .dem Schema Fig. 5 hervorgeht, durch die 25-Hz-Spannung awf die jeweiligen Stoß@-#viderstände
geschaltet.
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Der Unterschied :dieser Anordnung gegenüber der von Fig.:I besteht
also darin, daß der .Stoßwiderstand nicht im 25-Hz-Takt kurzgeschlossen und der
Steuerimpuls damit unwirksam gemacht wird, sondern durch Abriegeln _bzw. Freigabe
des Stoßwiderstandes (Impulsweiche) ,der Impuls auf .die beiden parallel liegenden
Stoßwiderstände uringeschaltet wird. Es sind nunmehr nur noch zwei dreiphasige 5io-Hz-Steuersätze
notwendig.
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Auch bei dieser Schaltung können zur Abriegelung der Impulse andere
Schaltelemente, z. B. Drosseln mit ausgeprägtem Sättigungsknick, die im 2,5-Hz-Rhythmus
magnetisiert werden, verwendet "verden. Diese stellen im ungesättigten Zustand einen
hohen induktiven Widerstand dar und riegeln den Impuls ab. Nach der Sättigung ist
der induktive Widerstand praktisch Null, und der Impuls kann zu dem Stoßwiderstand
gelangen.
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Bisher wurde in den Abhil.dung-en immer vorausgesetzt, daß die Impulse
in dem .Scheitelwert der 25-Hz-Spannung liegen. Nun ist aber zu .bedenken, d@aß
die Steuerimpulse sich !bei der Regelung der Gleichspannung verschieben. Diese Phasenverschiebung
der Steuerimpulse der Vorsteuerung und Nachsteuerung hat bei den einzelnen Leerlauf-Gleichspannungen
Eg, auf 5o Hz bezogen, folgende Werte:
| Eg . . . . . . . . . . . . . . . 1001/0 5,0010
0 0/a -83 0/0 |
| Vorsteu -erung . . . , 0 0 12o0 15 0 0
150° |
| Nachsteuerung ... o° o° 9o° 2100 |
Hierbei ist ein Wechselrichterzündwin'kel von 3-0° zugrunde gelegt. Außerdem kommt
hinzu, daß die Nachsteuerung eine Impulsbreite von mehr als 6o0 (5,o Hz) aufweisen
muß bzw. aus zwei um 6,o0 versetzten Steuerimpulsen bestehen muß. Dies ist aus Fig.
6 zu erkennen, die die Gleichspannung des dreiphasigen Teilsystems r11. . . <d111
bei Aussteuerung auf halbe Gleichspannung und die zugeordneten Steuerimpulse zeigt.
Man erikennt, :daß eine Phase vollkommen ausfällt. Der Impuls IIIA der Phase III
ist für eine etwas höhere .Gleichspannung bei einer Phase nochmals vergleichsweise
gestrichelt in Fig. 6 eingetragen. Unmittelbar vorher zündet die Phase V in t1 (Impuls
VA), in t2 zündet III und im Phasenschnittpunkt wiederum: V. Für die Phase
V @b,zw. für die gesamte Nachsteuerung muß also eine zweimalige Zündung in einem
Abstand von 6o0 erfolgen -(Impulse TVA und V'A). D'ies bedeutet lediglich, daß für
:die Nachsteuerung noch ein zweites um 6o0 versetztes I@mpuls,gerät notwendig ist,
das auf ,denselben Stoßwiderstand arbeitet, bzw. daß der Steuerimpuls entsprechend
breit gemacht wird. Für die hier zur Erörterung stehenden Fragen ist dies ohne Belang.
Es ist lediglich zu berücksichtigen, ,daß für die Impulse der Nachsteuerung mit
einer wirksamen Breite von rund 70° gerechnet werden muß.
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Die Fig.7 und 8 zeigen die Impulslagen bei maximaler Gleichspannung,
Gleichspannung Null und :maximaler Wechselrichtergegenspannung. Für die Vorsteuerung
ergibt sich dann bei einer Impulsbreite von ro° ein gesamter Bereich von 15o -1-
1o = 16o0, auf 5o Hz bezogen, in dem eine positive Gitterspannung auftreten kann.
Bei der Nachsteuerung würden sich entsprechend 21o -f- 6o -I- no = 28o° ergeben.
Nun ist es aber unwichtig, ob der zweite um 6o0 nacheilende Impuls bei größerer
Aussteuerung verschwindet, da dieser nur in dem Bereich zwischen ioo und 50% Gleichspannung
von Bedeutung ist. Man kann also für die Nachsteuerung mit einem Bereich von 2:0o°
rechnen.
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Die 25-;Hz-Spannung würde nun eine Halbwelle lang (3;6o0 auf 50 IIz
;bezogen) die 5o-Hz-Impulse freigeben und eine Halbwelle lang sperren. Da der maximale
Verschiebungsbereich der Impulse nur 220' beträgt, so ergibt sich noch ein Übersch:uß
von 1q:00 (5o Hz). Wählt man :die Amplitude der
25-Hz-Spannung gleich
dem dreifachen des positiven ,Steuerimpulses, so ergeben ,sich gemäß Fig.. 9 bei
2eio° Verschiebungsbereich zulässige Winkelfehler der 2@5-Hz-Spannu,ng von ± 30'°,
auf 5o Hz bezogen. Nun ist es ohne weiteres möglich, die Wicklung :des 25-tHz-iGenerators
ides Synchron-Synchron-Umformers .so auszubilden, daß dieser eine starke Oberwelle
enthält und die Generatorspannung sich mehr der Rechteckform nähert. In Fig. 9 ist
z,. B. angenommen, daß eine stark ausgeprägte dritte Oberwelle vorhanden ist. Macht
man den Scheitelwert der Grundwelle doppelt so groß wie den Steuerimpuls (gestrichelte
Kurve), so ergibt sich nunmehr ein zulässiger Winkelfehler von ± q.5°. Damit dürfte
selbst bei erheblichen Winkelaibweichun.gen der Spannung des Synchron-Synchron-Umformers
eine Beeinflussung der Steuerimpulse vermieden werden.
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Eine weitere Möglichkeit, den zulässigen Winkelfehler zu vergrößern,
besteht darin, daß man die 25-Hz-iSpannung :gemeinsam mit der 5,o-Hz-Spannung -der
Phasenschwenkschaltung verschiebt, indem man beispielsweise auch für .die 2'5-Hz-Spqnnung
eine Phase.uschwenkschaltung nach dem gleichen Prinzip vorsieht. Der Vormagnetisier.un,gsstrom
müßte dann sowohl die 5,o-(Hz-Drosseln als auch die 25-Hz Drosseln. ,dur.chfließen.
Es wäre idamit möglich, den Scheitelwert ider 25-#Hz-Spannung und somit auch die
auf der 25-Hz-Seite notwendige Leistung zu verringern.
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Das vorgeschlagene Steuerverfahren hat nicht nur für die unsyinmetrisc'he
Steuerung Bedeutung, sondern überall dort, wo man die Steuerimpulse mit einer von,der
Netzfrequenz abweichenden Frequenz benötigt, deren Phasenlage zu der Netzspannung
in einer eindeutigen Beziehung stehen muß.