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Einrichtung zur unmittelbaren Frequenzumformung mehrphasiger Wechselströme
Bei der Frequenzumformung von Wechselströmen mit Hilfe steuerbarer Entladungsstrecken
pflegt man diese in bestimmte Gruppen zusammenzufassen. Der Grund hierfür ist die
Eigenschaft der benutzten Entladungsstrecken, Ströme nur in einer einzigen Richtung
,durchzulassen. Handelt es sich um die F requenzumformung eines Mehrphasenwechselstromes
in einen Einphasenwechselstrom, so sind die Entladungsstrecken in zwei Gruppen angeordnet,
von denen die eine die positive und die andere die negative Halbwelle des Einpha@senwechselstromes
führt. Die beiden Entlad.ungsstreckengruppen sind dabei mit um r8o° gegeneinander
versetzten Zündstößen, bezogen auf die Einphasenfrequenz, gesteuert. Für all diese
gruppenmäßigen Zusammenfassungen von Entladungsstrecken ist es kennzeichnend, daß
die Entladungsstrecken zwischen verschiedenen vom umzuformenden Wechselstrom gespeisten
Leitern Stromwege nur in einer Richtung schließen.
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Es ist bekannt, daß bei der Frerluenzumform.ung mit steuerbaren Entladungsstrecken
verschiedenphasige vom umzuformenden Wechselstrom gespeiste Leiter über die gesteuerten
Entladüngsstrecken miteinander auch so verbunden werden können, daß Stromwege entgegengesetzter
Richtung zwischen den verschiedenen Phasenleitern: geschlossen werden. Diese Art
der Schaltung hat gegenüber der anderen Schaltung eine Reihe von Vorteilen, von
denen insbesondere die bessere Ausnutzung
des Transformators, die
Möglichkeit des unmittelbaren Anschlusses der Entladungsstrecken an die beiden Wechselstromnetze,
die bessere Welligkeit der erzeugten Spannungskurve und die verminderte Spannungsbeanspruchung
der Entladungsstrecken genannt seien.
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Die Schaltung kann mit Entladungsstrecken einseitiger oder zweiseitiger
Durchlaßrichtung arbeiten. In jedem Fall liegen in einem geschlossenen Stromweg
zwei Entladungsstrecken hintereinander. Sämtliche Entladungsstrecken, die einer
Phase des zu erzeugenden Wechselstromes zugeordnet sind, besitzen einen gemeinsamen.
Leitungszweig, in den .der Verbraucher unmittelbar oder auch über einen Transformator
geschaltet ist.
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In die Zubringerleitung des umzuformenden Wechselstromes, also zwischen
dessen Netz und die Umrichteranordnu,ng, ,sind zweckmäßig Mittel zur Begrenzung
etwaiger Kurzschlußströme; beispielsweise Drosselspulen, geschaltet. Die Verwendung
ähnlicher Mittel auf der Ausgangsseite -des Umrichters, .d. h. indem allen Entladungsstrecken
gemeinsamen Stromzweig, erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn der
Umrichter auf ein auch von anderen Stromerzeugern gespeistes Netz arbeitet. Im letzteren
Fall kann ;zu diesem Zweck auch ein Ausgangstransformator mit erhöhter Streuinduktivität
vorgesehen werden.
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In Fig. i ist der Aufbau :dieser bekannten Schaltung dargestellt.
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Das Netz i des umzuformenden Dreiphasenwechselstromes speist einen
Transformator 2, dessen in Dreieck oder Stern geschaltete Sekundärwicklung 3 mit
ihren Klemmen an die beiderseits des Verbrauchers 6 angeordneten steuerbaren. Entladungsstrecken
4, 5 zweiseitiger Durchläßrichtung angeschlossen ist. Die Andeutung eines Doppelgitters
für jede Entladungsstrecke soll deren Aussteuerbarkeit in beiden Durchlaßrichtungen
verianschaulichen. Mit jeder Klemme der Sekundärwicklung 3 ist je eine Entladungsstrecke
4 und je eine Entladungsstrecke 5 verbunden. Der Ausbildunder einen Halbwelle des
erzeugten Einphasen- !, r# ~vechselstro@mes liegt folgendes Stro@rnführungsschema
der Entladungsstrecken zugrunde: -. a-5 b; 4 a-5 e, 4 b-5 c, ,4 b-5 a,
4 c-5 a, 4 c-5 b In ähnlicher Weise kann die Ausbildung ,der anderen Halbwellen
des Einphasenwechsel.stromes durch das folgende Stromführungsschema wiedergegeben
werden: 5a-4b, 5 a-4 c, 5b-4c, 5b-4a, 5C-4a, 5c-4b. Bei der in Fig. 2 :dargestellten
Schaltung ist von dem gleichen Prinzip Gebrauch gemacht. Der Unterschied gegenüber
der Schaltung der Fig. i besteht darin, daß Entladungsstrecken einseitiger Durchlaßrichtung
verwendet und einzelne dieser Entladungsstrecken in einem gemeinsamen. Entladungsgefäß
zusammengefaßt sind. Bei der Schaltung nach Fig. 2 ist das Netz i i des umzuformenden
Drehstromes: unmittelbar mit den. Entladungsstrecken verbunden. Dabei sind die Entladungsstrecken
in zwei Entladungsgefäßen 8 mit je drei Anoden und in drei Entladungsgefäßen 9 mit
je zwei Anoden zusam-mengefaßt. Gegenüber der Verwendung von einanodigen Entladungsgefäßen
mit einer einzigen Entladungsstrecke bietet diese Zusammenfassung konstruktive Vorteile
und ermöglicht eine symmetrische Anodenanordnung mit dadurch herabgesetzter Rückzündungsgefahr.
Je drei verschiedenen Entladungsgefäßen g angehörende Anoden sind untereinander
und mit der Kathode des einen bzw. :des anderen dreiano,digen Entladungsgefäßes
8 verbunden. .-#nschluß.leitungen stellen Verbindungen zwischen je einem Phasenleiter
des umzuformenden Wechselstromes und der Kathode je eines Entladungsgefäßes 9 her.
Ebenso besteht eine leitende Verbindung zwischen je einem Phasenleiter des umzuformenden
Drehstromes und je einer Anode der beiden Entladungsgefäße B. Der Verbraucher io
ist wiederum unmittelbar in den allen Entladungsstrecken gemeinsamen Stromzweig
geschaltet. Kennzeichnet man die Anoden der einzelnen Entladungsstrecken in der
angegebenen .Weise mit kleinen Buchstaben a., b. c usw., so liegt der Ausbildung
einer Halbwelle des Einphasenwechselstromnetzes ein Leitendwerden der Entladungsstrecken
entsprechend dem nachfolgenden Schema ,zugrunde: 8 a-9 b; 8 a-9 c, 8 b-9 c, 8
b-9 a, 8 c-9 a, 8 c-9 b.
Die Ausbildung der anderen Halbwelle des Einphasenwechselstromes
läßt sich dann .durch das weitere Schema wiedergeben: 8 d-9 e, 8 d-9 f,
8 e-9 f, 8 e-9 d, 8 f-9 d, 8 f-9 e. Gegenstand der Erfindung ist eine
Verbesserung und weitere Ausb staltung.der vorstehend beschriebenen, an sich bekannten
Schaltungen. (Gemäß der Erfindung sind bei .der Frequenzumformung eines Dreiphasenwechselstromes
die Entladungsstrecken von den sechs verketteten Spannungen eines an das Primärnetz
angeschlossenen Transformators gespeist, wobei sich die sechs verketteten Spannungen
aus zwei gegeneinander um 30° verschobenen Dreiphasenspannungssystemen zusammensetzen.
Diese Schaltung hat den Vorteil, daß eine Zwölfphasenwelligkeit für die ausgesteuerte
Spannungskurve erreicht wird. Die Spannungskurve wird dementsprechend besser an
eine bestimmte Zielfarm, beispielsweise an die Sinusform, angeglichen.
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Bei einer bekannten Umrichterschaltung mit der gleichen. Art der Verbindung
zwischen .den beiden Wechselstromnetzen über steuerbare Entladungsgefäße, von der
auch die Erfindung ausgeht, besitzt der Transformator der höherfrequenten. Umrichterseite
als Sekundärwicklung eine Ringwicklung, an deren Anzapfungen die Entladungsstrecken
angeschlossen sind. Für den Fall einer sechsphasigen Anordnung hat diese Ringwicklung
sechs in gleichmäßigem Abstand am Umfang verteilte Anzapfungen, die somit um je
6o° gegeneinander in der Phase verschoben sind. Hinsichtlich der Kurvenform :der
erzeugten Spannung ist diese Wicklung einer Wicklungsanordnung gleichzusetzen,
bei
der zwei Dreiphasensysteme um 6o') gegeneinander versetzt sind. Diese Wicklungsanordnung
führt zu einer Kurvenform, deren Welligkeit einer normalen Sechsp'hasenstromrichteranordnung
entspricht. Sie hat die gleiche Welligkeit wie zwei Dreiphas-enanordnungen, die
um 6o° gegeneinander verschoben sind. Anders liegen hinsichtlich der Kurvenform
die Verhältnisse, wenn man gemäß der Erfindung die beiden Dreiphasensysteme nicht
um 6o°, sondern nur um 30° in der Phase gegeneinander versetzt. Nur bei dieser gegenseitigen
Phasenversetzung erhält man. unter gleichzeitiger Anwendung .der besonderen. Art
einer Verbindung zwischen den Phasen und dem vom Umrichter zu speisenden Netz bzw.,dem
Verbraucher über die steuerbaren Entladungsgefäße eine Welligkeit der erzeugten
Spannungskurve, .die der Welligkeit einer zwölfphasigen Stromrichterschaltung entspricht.
Das bedeutet eine -,vesentliche Verbesserung gegenüber der bekannten Schaltung,
die mit der gleichen Anzahl von Ventilen nur die Welligkeit einer sechsphasigen
Stromrichterschaltung erreicht.
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Zur Erzielung der um 30° verschobenen Spannungssysteme wird zweckmäßig
die Sekundärwicklung des Eingangstransformators, dessen Primärwicklung in Stern
oder Dreieck geschaltet sein kann, in ein stern- und ein dreiec'kgescha.ltetes System
aufgelöst. Als ein in vielen Fällen noch zweckmäßigerer Weg zur Gewinnung der beiden
Spannungssysteme :stellt es sich dar, wenn: erfindunigsgemäß die Sekundärwicklung
des Eingangstransformators aus einer Grundwicklung in Dreieck- oder Sternform und
aus zusätzlichen Teilwicklungen aufgebaut ist, die so angeordnet und mit der Grundwicklung
verbunden sind, daß die an den Zusatzwielclungen abgenommenen Spannungen um ± 15°
gegenüber denen der Grundwicklung verschoben sind. In besonders vorteilhafter Weise
kann eine Transformatorwicklung von dem soeben geschilderten Aufbau unmittelbar
in Sparschaltung an das Netz des umzuformenden Drehstromes angelegt werden. Eine
Primärwicklung kommt damit in Fortfall. Der An,schluß des Primärnetzes erfolgt dabei
an den Stern- oder Dreieckpunkten der Grundwicklung.
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In Fig.3 ist veranschaulicht, wie sich bei den geschilderten drei
Ausführungsbeispielen für den Eingangstransformator die von den einzelnen Wicklungen
erzeugten Spannungen zusammensetzten. Bezüglich des zweiten und dritten Ausführungsbeispieles
ist dabei angenommen, daß die rTrundwicklung in Stern geschaltet ist. Wie die Diagramine
B und C ohne weiteres erkennen lassen, s t I e zen sich die von der
Grundwicklung und den Zusatzwicklungen erzeugten Spannungen in der Tat zu zwei Spannungssystemen
zusammen, die gegeneinander um 30° verschoben sind.
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In Fig. 4. ist ein Ausführungsbeispiel für diejenige Transfor mators.chaltung
wiedergegeben, die zu einem Spannungsdiagramm nach 3 B führt. Es ist die Primärwicklung
P in Dreieckschaltung ausgelegt. Der Ausbildung des sekundären Hauptspannungssternes
dienen .die Teilwicklungen a', b' und c'. Sie sind auf den drei verschiedenen Schenkeln
des Eisenkerns der Sekundärwicklung S aufgebracht und in Sternschaltung miteinander
verbunden. Außer der Wicklung a' oder b' oder c' weist jeder Schenkel noch
zwei einander gleiche Zusatzwicklungen mit den herausgeführten Anschlußklemmen 11
bis 16 auf. Diese Zusatzwicklungen sind mit den iGrundwic klungen a', b'
und c' im Zickzack verbunden, und zwar so, daß jede Grundwicklung mit zwei Zusatzwicklungen
in Verbindung steht, die von anderen und unter sich ver-,schiedenen Schenkeln getragen
sind. An die Klemmen 11 bis 16 werden die Entladungsstrecken angeschlossen. Bei
dem Anschluß des Transformators in Sparschaltung fällt die Primärwicklung P weg,
und die Phasenleiter des umzuformenden Wechselstromes werden an die Anschlußklemmen
I, II und III geführt.
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Bei Heranziehung einzeln angeordneter Entladungsstrecken einseitiger
Durchlaßrichtung sind zur Erreichung einer Zwölfphasenwelligkeit der erzeugten Einphasenwechselspannung
erfindungsgemäß die Entladungsstrecken paarweise in gegensätzlicher Parallelschaltung
zusammengefaßt. Je sechs solcher Paare sind beziehentlich mit den Sekundärklemmen
des Eingangstransformators und zusammen mit dem einen Ende eines allen Entladun;g:sstrecken
gemeinsamen, Stromzweiges verbunden. Eine weitere Gruppe von sechs, Entladungsstreckenp:aaren
steht zusammen mit dem anderem Ende des allen Entladungsstrecken gemeinsamen Stromzweiges
in Verbindung. Werden erfindungsgemäß an Stelle von Entladungsstrecken einseitiger
Durchlaßrichtung solche zweiseitiger Durch'laßrichtung verwendet, ,so tritt an die
Stelle eines Entladungsstreckenpaares einseitiger Durchlaßrichtung je eine Entladungsstrecke
zweiseitiger Durchlaßrichtung.
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Fig. 5 zeigt ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ,der
Erfindung für den Fall, daß bei der Frequenz-umformung eines Dreiphasenstromes in
einen Einphasenwechselstrom eine Zwälfplhasenwelligkeit der erzeugten Einphasenspannung
hervorgerufen werden soll.
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Das Netz 17 des umzuformendenWechselstromes speist den in Sparschaltung
ausgelegten Transformator 18; dessen Sekundärklemmen stehen. unmittelbar mit steuerbaren
Gas- oder Dampfentladungsstrecken einseitiger Durcnlaßrichtung in Verbindung. Dabei
sind die Entladungsstrecken. in einer sehr zweckmäßigen Art in zwei Entladungsgefäße
1g mit je sechs Anoden und in sechs Entladungsgefäße 2o mit je zwei Anoden zusamrnengefaßt.
Der Verbraucher .21 liegt unmittelbar zwischen den Kathoden der Entladungsgefäße
1g. je eine Anode des rechten wie des linken Entladungsgefäßes 1g ist an je eine
Sekundärklemme des Eingangstransformators 18 gelegt. Ebenso ist jedes der sechs
Entladungsgefäße 2o kathodenseitig an je eine Sekundärklemme von 18 angeschlossen.
Von jedem Entladungsgefäß 20 ist eine Anode zu einer gemeinsamen Verbindungsleitung
geführt, die
ihrerseits mit der Kathode des einen bzw. des anderen
s.echsanodigen Entladungsgefäßes i9 in Veer-Bindung steht.
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Die Augbildung der einen Halbwelle des Einphasenstromes wird von den
einzelnen Entladungsstrecken nach folgendem Schema übernommen: iga-2ob, igd-2oe,
iga-2oc, igd-20f, igb-2öc, ige-2of, igb-2oa, ige-2od, igc-2oa, igf-zod. i.9 c-Lo
b, i9 f-2o e.
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In ähnlicher Weise vollzieht sich der Aufbau der anderen Halbwelle
.des Einphasenwechselstromes. Zu einer weiteren Verbesserung der Transformatorausnutzung
wie auch zu einer verringerten Belastungsbeanspruchung der Entladungsstreckenanoden
kommt es erfindungsgemäß dadurch, daß in die Stromkreise der Entladungsstrecken
Hilfseinrichtungen, wie Saudrosselspulen oder Stromteilerspulen, geschaltet sind,
welche die Brenndauer der Entladungsstreckenanoden vergrößern. Dabei kann es in
bestimmten Fällen zweckmäßig sein, die Hilfseinrichtungen derart in die Umri.chteranlage
einzufügen, daß sie sowohl von den Entladungsstreckenströmen, die zur Ausbildung
der .einen, als auch von .den Entl adun;g sstreckenströmen erreg t werden, :die
zur Ausbildung der anderen Halbwelle des zu erzeugendem Wechselstromes führen. Ein
solcher Fall ist von dem in Fig.6 dargestellten Ausführungsbeispiel der Einrichtung
nach der Erfindung erfaßt. Es bezieht sich wiederum auf die Frequenzumformung eines
Dreiphasenwechselstromes in einen Einphasenwechselstrom unter Benutzung von Entladungsstrecken
zweiseitiger Durchlaßrichtung und unter Wahl eines Zwölfphasenbetriebes. Es sind
die gittergesteuerten Entladungsstrecken 22 bis 33 über einen Transformator 34 oben
geschilderter Sparschaltung aus dem Netz 35 des umzuformenden Wechselstromes gespeist.
Die EntladungSstrecken sind einer Dreiergruppierung unterworfen, wobei die einzelnen
Dreiergruppen beziehentlich zu dem einen oder dem anderen der beiden speisenden
Spannungssysteme zugeordnet sind. Die beiden Spannungssysteme sind auch hier gegeneinander
um 3o° verschoben. Je zwei von den verschiedenen Spannungssystemen gespeiste Dreiergruppen
stehen über die Außenenden einer Saugdrosselspule 3.6', 36" miteinander und über
deren Mittenänzapfung mit dem Verbraucher 37 in Verbindung. Es sind damit solche
Entladungsstrecken über eine Saugdrossel miteinander verbunden, die in der gegenseitigen
Beziehung einer Stromführungs-abgabe und Übernahme !stehen; es wechselt nämlich
in den beiden Dreiergruppen, die auf einer Seite des Verbrauchers angeordnet sind,
die Stromführung stets von der .Entladungsstrecke einer Dreiergruppe zu einer Entladungsstrecke
der anderen Dreiergruppe über; die Wirkung der Saugdrossel besteht darin, daß sie
bei Zündung einer neuen Entladungsstrecke an der gerade brennenden Entladungsstrecke
eine Hilfsspannung erregt, die deren Brenndauer verdoppelt. An die Stelle der verbraucherseitigen
Drosselspulen können auch speiseseitige Stromteilerspulen treten. In anderen Fällen
wird es dagegen zweclimäßi" sein, die Einschaltung der Hilfseinrichtungen in die
Stromkreise der Entladungsstrecken so vorzLinehmen, daß die von ihnen erzeugten
Hilfsspannungen nur an jener, einer bestimmten Halbw;11z des erzeugten Stromes zugeordneten
Entladungsstrecken:gruppe wirksam werden, auf deren Stromführung ihre Entstehung
zurückzuführen ist. Der Ausführung -dieses Erfindungsgedankens dienen di.e in den
Fig. 7 bis 9 gezeigten Schaltungen. In allen drei Figuren sind sämtliche Entladungsstrecken
als gesteuert und von einseitiger Durchlaßrichtung angenommen. Wie in den Fig. 5
und: 6 handelt es sich dabei um die Frequenzumformung eines Dreiphasenwechselstromes
in einen Einphasenstrom unter Zugrundelegung eines Zwölfpliasenbetriebes. Der Einfachheit
halber sind diejenigen Schaltglieder fortgelassen, die der Verbindung der Entladungsstrecken
mit dem Netz des, umzuformenden Drehstromes .dienen. Die in den Fig. 7 und 8 gezeigten
Schaltungen unterscheiden sich dadurch voneinander, daß die Hilfseinrichtungen 3$
zur Verlängerung der Anodenbrenndauer, hier Stromteilersp@ulen, einmal in die primärseitigen
Anodenzweige und das andere Mal in die primärseitigen Kathodenzweige der Entladungsstrecken
geschaltet sind. Dabei sind :die zu einer Richtung des Einphasenstromes gehörenden
Spulen von einem gemeinsamen Kern -getragen. Die Schaltung nach Fing. 9 zeigt die
Einfügung der Hilfseinrichtungen 38, hier Saugdrosselspulen, in die sekundärseitigen
Anodenzweige der Entladungsstrecken. In allen drei Figuren ist der Verbraucher durch
39 wiedergegeben. Für die dargestellten Ausführungsbeispiele ist es kennzeichnend,
daß in die Stro-mivege hintereinandergeschalteterEntladungsstrecken nur eine dieser
Hilfseinrichtungen eingegliedert ist.
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Die Erklärung hierfür ist folgende: Werden im Steuerz3#l,zlus der
Entladungsstrecken zwei in Reihliegende Entladungsstrecken neu gezündet, so teilt
sich die dadurch von den Hilfseinrichtungen erzeugte Hilfsspannung nicht nur .der
einen der gerade brennenden und in Reihe liegenden Entladungsstrecken mit, sondern
wegen der zwischen diesen noch bestehenden leitenden Verbindung selbsttätig auch
.der zweiten. Es wird also selbsttätig die Brenndauer der beiden gerade brennenden
und in Reine liegenden Entladungsstrecken verdoppelt. In allen. Ausführungsbeispielen
der Fig. 7 bis 9 ist die Anordnung der Hilfseinrichtungen so getroffen"daß sich
die Hilfsspannung, die zur Zündung einer neuen Entladungsstrecke mittels der Hilfseinrichtungen
hervorgerufen wird, an den gerade brennenden Entladungsstrecken auswirkt. Die im
Ausführungsbeispiel der Fig.9 gewählte Anordnung der Hilfseinrichtungen ist insofern
besonders vorteilhaft, als sie einen höchst einfachen Aufbau der benutzten Hilfseinrichtung
gestattet. Verschiedentlich kann es zweckmäßig sein, die Drosselspulen der Fig.9
auf einen gemeinsamen Kern aufzubringen.
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Die Entladungsstrecken können mit voller Aussteuerung arbeiten, beispielsweise
durch Gitterbeaufscblagung
in der Frequenz des zu erzeugenden Stromes.
Sie können aber auch in Teil- und in Staffelsteuerung, letztere zwecks Erzielung
einer sinwsförmigen Ausgangsspannung, betrieben werden. Ein Beispiel für :den Betrieb
mit Staffelsteuerung wäre die gleichzeitige Git:terbeaufschlagung in der Frequenz
des zu erzeugenden und in der Frequenz des umzuformenden Wechselstromes. Schließlich
können mehrere der beschriebenen Teilumrichter zwecks Gewinnung eines Meh rphasenwechselstromes
miteinander vereinigt werden.