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Anordnung zur Regelung von selbstgeführten Umrichtern und Wechselrichtern
Bei der Erzeugung von Wechselströmen mit Stromrichtgefäßen in Wechsel- oder Umrichterschaltung
ist es bei den üblichen Anordnungen und bei Verwendung von zündpunktgesteuerten
Gefäßen erforderlich, daß der stromführenden Entladungsstrecke jeweils nach Ende
ihrer Stromführungszeit eine gewisse Zeit zur Entionisierung zur Verfügung steht
(Freiwerdezeit), damit ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Anordnung sichergestellt
ist, d. h. damit das sogenannte Kippen des Wechsel- oder Umrichters vermieden wird.
Diese Anforderung ist besonders dann schwer zu erfüllen, wenn der Stromrichter mit
stark schwankender Belastung betrieben wird, also insbesondere in den Fällen, in
denen ein Wechsel- oder Umrichter einen einzelnen Verbraucher stark wechselnder
Lastaufnahme, z. B. einen Induktionsofen oder Härteeinrichtungen, mit Strom versorgt.
Ein wesentlicher Grund zur Verwendung höherfrequenter Wechsel- oder Umrichter für
derartige Aufgaben besteht darin, daß bei diesen insbesondere induktive Lastschwankungen
nicht nur durch Zu-oder Abschalten von Kondensatoren ausgeglichen werden können,
wie dies bei Umformungsaggregaten üblich ist, sondern auch durch entsprechende Frequenzänderung.
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Gerade bei der Speisung von Induktionsöfen und Ähnlichem hat man im
Gegensatz zu anderen Verbrauchern die Möglichkeit, ohne besondere Betriebserschwerungen
die Frequenz in relativ erheblichen Grenzen verändern zu können: Während bei der
Speisung von Bahnnetzen oder Spezialantrieben die Frequenzschwankungen selbst bei
Einzelversorgung der Verbraucher gewöhnlich nicht über ganz enge Grenzen hinausgehen
dürfen, damit keine störenden
Drehzahlabweichungen usw. entstehen,
kann man beim Ofenbetrieb und bei Härteanlagen die Frequenz ohne weiteres in Grenzen
von i : z und unter Umständen auch i : 3 ändern, ohne daß eine wesentliche Beeinflussung
der Technologie des Prozesses stattfindet. Auf der anderen Seite ist die Ausnutzung
dieser großen Frequenzänderung durchaus wünschenswert, weil gerade dieser Verbraucher
durchaus dadurch gekennzeichnet ist, daß sich besonders während der Einschaltung
die Wirk- oder Blindkomponente im Belastungskreis sehr stark verändert.
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Es ist nun eine Reihe von Anordnungen bekanntgeworden, bei denen ein
Regler auf die Frequenz eines Wechsel- oder Umrichters derart einwirkt, daß immer
ein resonanznaher Zustand in der Art erhalten wird, daß die induktiven Blindwiderstände
der Belastung, z. B. des Ofens, durch die dazu parallel geschalteten Kondensatoren
stets mehr oder weniger weit überkompensiert sind. Dabei wird die Frequenz auf einen
solchen Wert eingestellt, daß eine Phasenverschiebung vorgeschriebener Größe zwischen
Belastungsstrom und -spannung besteht. Durch die erforderliche Freiwerdezeit der
Gefäße ist dann die Größe der mindestens erforderlichen Phasenverschiebung ein für
allemal festgelegt.
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Diese bekannten Anordnungen zeigen dann erhebliche Nachteile, wenn,
wie oben geschildert, der Regler einen großen Frequenzhub durchführen muß. Verhalten
sich beispielsweise die Frequenzen in den beiden Reglerendstellungen wie i : 3,
dann entsprechen gleichen Phasenverschiebungswinkeln Werte der Ruhezeit des Gefäßes,
die bei der höchsten Frequenz dreimal kleiner sind als bei der niedrigsten. Da aber
der Wechsel- oder Umrichter in diesem Falle auch bei der höchsten Frequenz voll
betriebsfähig sein muß, muß man bei den niedrigsten Frequenzen mit äußerst großen
Ruhezeiten und damit unter ungünstigen Betriebsbedingungen arbeiten und Kondensatoren,
Drossel sowie Netz- und Stromrichtertransformatoren großer Typenleistung installieren.
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Die Erfindung sieht nun Mittel und Wege vor, die bei den bekannten
Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten zu beseitigen und eine einfache und technisch
brauchbare Reglerkonstruktion zu schaffen, welche die betriebstechnischen und die
technischphysikalischen Anforderungen besonders von der Gefäßseite her bei allen
Frequenzen voll erfüllt. Sie betrifft eine Anordnung zur Regelung von selbstgeführten
Umrichtern und Wechselrichtern, insbesondere zur Speisung von Induktionsöfen, Härteanlagen
usw. Nach der Erfindung wird bei betriebsmäßigen Änderungen des Belastungswiderstandes
durch Ausnützung eines möglichst hohen, durch die technologischen Aufgaben und die
elektrische Auslegung bedingten Frequenzhubes die Ausgangsfrequenz des Stromrichters
selbsttätig derart beeinflußt, daß die Entladungsgefäße stets mit einem vorgegebenen
Wert der Ruhezeit arbeiten.
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In Fig. i ist die grundsätzliche Anordnung einer Umrichteranlage für
höhere Frequenzen dargestellt. Das Stromrichtergefäß i formt den von dem Dreiphasentransformator
2 mit Netzfrequenz, z. B. 5o Hz, gelieferten Drehstrom über den Umrichtertransformator
3 mit drei Primärwicklungen q. und einer Sekundärwicklung 5 in Einphasenstrom geeigneter
Frequenz um, beispielsweise zwischen 4oo und i2oo Hz. je zwei Anoden des Stromrichtgefäßes
i arbeiten dabei abwechselnd über jeweils etwas mehr als iao° e1. der Netzfrequenz,
wobei die Kommutierungen zwischen den jeweils zusammenarbeitenden beiden Anoden
durch die auf der Primär- und Sekundärseite des Transformators q. angeschlossenen
Kondensatoren 6 und 7 sichergestellt werden. Aus konstruktiven Gründen wird man
dabei die an die Primärwicklungen angeschlossenen Kondensatoren gewöhnlich fest
lassen, während die auf der Sekundärseite angeschlossenen Kondensatorgruppen vorteilhaft
stufenweise zu- oder abgeschaltet werden können. je nach der Ausbildung der Anlage
können auch sämtliche Kondensatoren nur auf der Sekundärseite des Transformators
angeschlossen sein. Mit 8 ist die im Kathodenkreis liegende Glättungsdrossel bezeichnet.
In Fig. i ist weiter dargestellt; daß der Umrichter einen Belastungskreis speist,
dessen gewöhnlich in weiten Grenzen veränderliche Wirk- und Blindkomponenten durch
die beiden Widerstände 9 und io angedeutet sind. In der Praxis können diese durch
einen Induktionsofen oder Härtespulen mit Vortransformatoren und Ähnlichem gebildet
werden.
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Über die Steuerbedingungen für die Steuergitter des Umrichtgefäßes
ist darauf hinzuweisen, daß man vorteilhaft in an sich bekannter Weise Spannungskomponenten
der Netzfrequenz und der zu erzeugenden Frequenz im Steuerkreis zur Wirksamkeit
kommen läßt. Für die Wirkungsweise eines Reglers nach der vorliegenden - Erfindung
ist lediglich die Steuerkomponente der zu erzeugenden Frequenz wesentlich. Sie wird
gewöhnlich einem sogenannten Steuersender (ii in Fig. i) entnommen und den Gitterkreisen
des Hauptgefäßes in geeigneter Form zugeführt. An Stelle eines Steuersenders mit
Röhren können auch Wechselrichter, Maschinen und ähnliche Anordnungen verwendet
werden. Die Kurvenform der Steuerspannung weist vorteilhaft eine steile Front auf,
um von Änderungen der Steuercharakteristik des Gefäßes im Betrieb unabhängig zu
sein.
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Gemäß der Erfindung wird die Frequenz des Steuersenders von einem
Regler beeinflußt, der in Abhängigkeit von den Größen des Lastkreises arbeitet.
Dazu wird der Regler über Strom- und Spannungswandler an den Transformator des Umrichters
angeschlossen, wie dies in Fig. z dargestellt ist. Der Spannungswandler i2 erfaßt
die Sekundärspannung des Umrichters, die in gleicher Weise am Lastkreis 9, io und
am Kompensationskondensator 7 liegt. Der Stromwandler 13 wird von dem Strom durchflossen,
der der Parallelschaltung des Kondensators mit dem Lastkreis zugeführt wird, also
z. B. im Resonanzfall nur die Wirkkomponente der Stromgrundwelle und i die Oberwellen
des Stromes enthalten würde. Da die letzteren die Wirkungsweise des Reglers unter
Umständen stören können, kann eine geeignete Kurvenumbildung mit einfachen Mitteln
hinter dem Stromwandler, für die Spannungskurve entsprechend a hinter dem Spannungswandler
vorgenommen werden.
Zur Lösung der Aufgabe, die Frequenz des Steuersenders
durch den Regler so beeinflussen zu lassen, daß der Umrichter bei allen Frequenzen
mit einer konstanten Ruhezeit arbeitet, bestehen verschiedene Möglichkeiten. Zunächst
wird z. B. nach der in Fig. 2 dargestellten Anordnung der Winkel a, zwischen Strom
und Spannung in einen elektrischen Wert A umgesetzt, dessen Größe proportional a,
ist. Zwischen a, und der Ruhezeit to besteht die Beziehung ao:2n=to: f, demnach
ist
Der Umrichter arbeitet dann mit konstanter Ruhezeit to, wenn sich der Voreilwinkel
a, linear mit der Frequenz verändert. Im folgenden werden zwei Möglichkeiten zur
Erfüllung dieser Forderung näher beschrieben. In einem Falle wird die obenerwähnte
elektrische Größe A, die proportional dem Voreilwinkel a, ist, mit einer linear
mit der Frequenz wachsenden anderen elektrischen Größe verglichen; im anderen Falle
wird durch Multiplikation der Größe A mit einer der Frequenz umgekehrt proportionalen
elektrischen Größe, beispielsweise in einer Mehrgitterröhre, eine neue elektrische
Größe gebildet, die dann unmittelbar proportional der Ruhezeit to ist und mit einem
konstanten Sollwert verglichen wird. Auf jedem dieser Wege läßt sich eine Frequenzregelung
des Umrichters bzw. Wechselrichters auf konstante Ruhezeit erreichen.
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In beiden Fällen werden zunächst, wie das Ausführungsbeispiel der
Fig. 2 zeigt, die Strom- und Spannungswerte hinter dem Wandler 13 bzw. 14 durch
zwei geeignete Spezialverstärker 14 und 15 in die in Fig. 3 in der ersten und zweiten
Zeile dargestellten Rechteckspannungen verwandelt. Diese Rechteckspannungen werden
dann entweder dem Gitter- und Anodenkreis eines Hochvakuumrohres oder, wie in dem
gezeigten Beispiel, einer dampf- oder gasgefüllten Entladungsstrecke 16 zugeführt,
oder sie werden den Gittern eines Doppelgitterrohres zugeleitet. In allen Fällen
entstehen im Anodenkreis Ströme, die dem Produkt der beiden Rechteckkurven in Fig.3
entsprechen, wie dies dort in der dritten Zeile dargestellt ist. Diese Impulse,
deren Höhe H sei und deren negative Teile unterdrückt sind, entsprechen sowohl in
ihrer Einzeldauer als auch bei einer einfachen
(Fig. 3), in ihrem Mittelwert der Größe des Phasenverschiebungswinkels ao zwischen
Strom und Spannung.
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Der arithmetische Mittelwert A dieser dem Winkelan entsprechenden
Impulsreihe kann nun nach der zweiten, obenerwähnten Möglichkeit z. B. einem Gitter
eines Doppelgitterrohres oder dem Gitter eines Dreielektrodenrohres zugeleitet werden,
bei dem im letzteren Falle im Anodenkreis, im ersteren Falle am zweiten Gitter eine
Spannung wirksam ist, die sich in dem in Frage kommenden Bereich umgekehrt proportional
mit der Frequenz ändert. Durch diese Multiplikation wird erreicht, daß die dem Phasenwinkel
a, proportionale elektrische Größe in eine der Zeit to zwischen Strom- und Spannungsnulldurchgang
proportionale elektrische Größe umgewandelt wird. Naturgemäß kann diese doppelte
Multiplikation auch in einem einzigen Dreigitterrohr unmittelbar vorgenommen werden,
wobei dann dem ersten und zweiten Gitter die durch die Verstärker 12 und 13 umgebildeten
Strom- und Spannungswerte des Umrichterlastkreises und dem dritten Gitter eine der
Frequenz umgekehrt proportionale Spannung zugeleitet wird. Die Erzeugung der letzteren
Spannung ist z. B. durch Maschinenumformer oder auch durch Röhrenanordnungen, Kipp-
oder Phasenschieberkreise usw. ohne Schwierigkeiten möglich und braucht hier nicht
näher erläutert zu werden. Die oben beschriebene Anordnung liefert an ihremAusgang
eine elektrische Größe, die der den Entladungsgefäßen zur Verfügung stehenden Ruhezeit
genau entspricht.
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Diese Größe kann dann einem einfachen Ein- und Ausschaltregler, z.
B. einem Relais mit Federspannung, zugeleitet werden und bringt dieses bei Überschreiten
des durch die Federspannung gegebenen Sollwertes in der einen Richtung, bei Unterschreiten
in der anderen Richtung zum Ansprechen. Hierdurch kann dann eine Verstellung an
dem in Fig. i schematisch dargestellten Steuersender bewirkt werden, die eine Frequenzänderung
so lange zustande bringt, bis der gewünschte Sollwert erreicht ist, so daß das Relais
in seine Ruhestellung zurückkehrt.
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Der Mittelwert dieser der Ruhezeit proportionalen elektrischen Größe
kann auch rein elektrisch mit einem Sollwert verglichen werden, indem ihm eine bestimmte,
gegebenenfalls veränderbare Spannung oder ein entsprechender Strom entgegengeschaltet
wird. Der Unterschied der beiden elektrischen Größen kann dann entweder über ein
Relais oder auf direktem Wege zur Beeinflussung der Frequenz des Umrichters verwendet
werden. Die Wirkungsweise entspricht der oben beschriebenen Relaisanordnung.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel für diesen Sollwertvergleich zeigt
die Fig. 2. Es wird dort in der j schon beschriebenen Weise und durch Gleichrichtung,
17, und Glättung, 18, eine vom Winkel a, proportionale Gleichspannung aus der Impulsreihe
nach Fig.3 abgeleitet. Diese Gleichspannung wird der Spule eines polarisierten Relais
i9 zugeführt. Die Größe des Gleichstromes in der Relaisspule ist dann proportional
A und damit proportional dem Phasenwinkel an. Die Sollwertfestlegung geschieht hier
durch Kompensation des beim Sollwert auftretenden Gleichstromes. Hierbei muß der
Kompensationsstrom, dessen Höhe durch einen veränderbaren Widerstand 2o einstellbar
ist, eine der Frequenz proportionale Größe besitzen. Dieser Strom wird im vorliegenden
Falle in einfacher Weise aus der Steuerspannung über einen entsprechend dimensionierten
Phasenschieberkreis aus Kondensator 21 und Widerstand 22 über einen Gleichrichter
23 erhalten.
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Aus den Unterschieden bei der Kompensation ergeben sich stetig ansteigende,
in der Richtung verschiedene Gleichströme, die vorteilhaft zu einer rein elektrischen
Frequenzregelung verwendet werden
können. Wirken die Differenzströme
z. B. in einer Gleichstromvormagnetisierungswicklung einer Induktivität im Steuerkreis
des Steuersenders, so ergibt sich eine stetige Frequenzänderüng. Derselbe Effekt
läßt sich erreichen, wenn eine als Blindwiderstand wirksame Elektronenröhre (Schieberrohr)
parallel zum Gitterkreis des Steuersenders geschaltet und die Vorspannung dieser
Röhre durch eine Spannung, die aus dem obenerwähnten Differenzstrom gewonnen werden
kann, verändert wird. Mit der Vorspannung des Rohres ändert sich die Steilheit der
Kennlinie im Arbeitspunkt.
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Bei diesen Anordnungen, z. B. der nach Fig. 2, besteht ferner noch
die Möglichkeit, den Sollwert der Ruhezeit von geeigneten Größen des Lastkreises,
z. B. von dem Belastungsstrom des Gefäßes oder von der Temperatur des Dampfraumes
oder von anderen Größen abhängig zu machen. Derartige Beeinflussungen sind für andere
Zwecke schon beschrieben worden, so daß hier eine nähere Erläuterung nicht erforderlich
ist.
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Erfolgt die Kompensation über die Spule eines polarisierten Relais
mit Mittelstellung (entsprechend Fig.2), dann ergibt sich entsprechend den Unterschieden
der Ströme ein Ansprechen aus der Ruhelage in der einen oder der anderen Richtung.
Mit diesem Relais lassen sich dann bestimmte Schaltaufgaben ausführen. So kann beispielsweise
dadurch die Umsteuerung eines Motors bewirkt werden, der eine mechanische Verstellung
einer Induktivität im Steuerkreis bewirkt, die dann wieder eine Frequenzänderung
im gewünschten Sinne ergibt. Auf die Ausnutzung des stetigen Anstieges des Stromes
im Relais ist hierbei verzichtet worden.
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Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dort
dargestellte Anordnung arbeitet im Prinzip ähnlich wie die Anordnung nach Fig. 2.
Durch eine Röhrenanordnung wird eine dem Phasenwinkel a, proportionale Größe abgeleitet
und diese bereits vor ihrer Ausbildung durch einen frequenzproportionalen Sollwert
kompensiert.
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Die Spannung des Umrichters wird auch hier durch einen Spezialverstärker
14 in eine Rechteckform verwandelt, und diese dann über den Transformator 24 und
den Gleichrichter 25 den Anodenkreisen zweier gas- oder dampfgefüllter Entladungsstrecken
26 und 27 zugeführt. In die Gitterkreise dieser Röhren wird eine von dem Strom abgeleitete
Größe eingeführt, von der jedoch lediglich die Phasenlage von Bedeutung ist. Diese
wird durch einen an den Stromwandler 13 über einen Weichentransformator
28, der mit dem parallel geschalteten Kondensator 29 auf die im Mittel beim
Umrichter auftretende Frequenz abgestimmt ist, angeschlossenen Kreis aus Kapazität
30 und veränderbarem Widerstand 31 so beeinflußt, daß sie erstens
beim Sollwert gegenüber der Umrichterspannung phasengleich ist, also den Wert C
= ao besitzt, und daß zweitens die Größe des Winkels C proportional der Frequenz
verändert wird. Die Fig. 5 zeigt die vektorielle Lage der Spannungen im 'Phasenschieberkreis
30, 31. Sind J und U Umrichterausgangsstrom und -spannung, so bilden diese beim
Sollwert den Winkel a.. Denselben Winkel C = a, bildet hierbei die um 1$o' gedrehte
Steuerspannung Ug gegenüber der vom Strom J abgeleiteten Spannung. Nach dem Diagramm
ergibt sich dann für kleine Werte. von
Die so erhaltene Steuerspannung wird über den Wandler 32 einem weiteren Phasenschieberkreis,
bestehend aus Kondensator 33 und Widerstand 34, zugeführt. Hierbei ist der kapazitive
Widerstand hoch gegenüber dem Ohmschen Widerstand gewählt. Dadurch erhalten die
beiden Steuerspannungen eine kleine ungefähr konstante Phasenverschiebung b.
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Die Wirkungsweise der Anordnung, insbesondere das Arbeiten der in
die Anodenkreise geschalteten Relais 35 und 36, sei an Hand der Kurvenverläufe der
Fig.6 erläutert. Die Rechteckkurven stellen die Anodenspannungen und die Sinuskurven
die entsprechenden Gitterspannungen an den Röhren 26 und 27 dar. Da die Gitterspannungen
gegeneinander um den Winkel B verschoben sind, sprechen die beiden Gefäße 26 und
27 gemäß den Kurvenverläufen beim Sollwert (Fig. 6a) verschieden an. Es ist hierbei
das eine Gefäß gesperrt, das andere voll geöffnet, d. h. das eine Relais 35 bzw.
36 ist in Ruhelage angezogen, das andere stromlos. Bei induktiver Last eilt der
Strom der Spannung um einen Winkel a gegenüber der Sollage nach (Fig. 6b). Beide
Gefäße führen Strom, und beide Relais sind damit angezogen. Die Fig. 6 c zeigt die
entsprechenden Verhältnisse bei kapazitiver Verschiebung gegenüber der Sollage,
wobei dann beide Gefäße bis auf kleine Restströme gesperrt sind, also keins der
Relais anspricht.
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Aus diesen Unterschieden in der Öffnung der Gefäße bzw. dem Ansprechen
der Relais lassen sich ohne Schwierigkeiten durch entsprechende Schaltungen die
für den Steuersender erforderlichen Befehle ableiten, z. B. wieder die Umsteuerung
eines Motors bewirken, der eine Induktivität im Steuersender verstellt.
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Die Einstellung des Sollwertes bei der Anordnung nach Fig. 4 wird
durch die Bemessung der Elemente 3o und 31 des Phasenschieberkreises und durch Verstellen
des Widerstandes 3= vorgenommen. Natürlich kann auch hier zusätzlich eine lastabhängige
Verstellung des Sollwertes, z. B. in Abhängigkeit vom Gefäßstrom, eingefügt werden.
Die Ansprechempfindlichkeit des Reglers, die bei der Ausführung nach Fig. a durch
die mechanischen Daten des Relais festgelegt ist, wird bei der Anordnung nach Fig.
4 durch Einstellen des Winkelfehlers 8 vorgenommen.