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Anordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei der Spannungsregelung
von Stromrichtern Unter den bekannten Möglichkeiten zur schaltungstechnischen Verbesserung
des Leistungsfaktors bei der Spannungsregelung von Stromrichtern sind grundsätzlich
zwei Arten zu unterscheiden: Bei der ersten Art werden die üblichen Vielphasensysteme
mit gleich großen Phasenspannungen verwandt und die Anoden durch besondere Steuereinrichtungen
derart gesteuert, daß je nach der gewünschten Spannungshöhe in einem bestimmten
Steuerzyklus ein, zwei oder mehrere Anoden gesperrt und während der Übergänge nur
eine Anode in bekannter Weise durch Zündverzögerung geregelt wird. Bei der zweiten
Art handelt es sich um die Anwendung von abgestuften Phasenspannungen; dabei wird
die Gleichspannung in der Weise geregelt, daß jeweils nur die Anoden der gewünschten
Spannungsstufe oder -stufen geiiffnet sind und der Übergang zwischen zwei Spannungsstufen
durch Zündverzögerung einer oder mehrerer Arbeitsanoden herbeigeführt wird. Beide
Verfahren ergeben in den Stellungen mit voll geöffneten und voll gesperrten Anoden
als Leistungsfaktor der Grundwellen cos p = i und während des Überganges
zwischen zwei Spannungsstufen einen Leistungsfaktor, der um so weniger von Eins
abweicht, je kleiner die Spannungsänderung zwischen den beiden Stufen ist: Die Erfindung
bezieht sich auf die zweite Möglichkeit. Sie betrifft eine Anordnung zur Verbesserung
des Leistungsfaktors bei der Spannungsregelung
von Stromrichtern
mit Hilfe der Steuerung ihrer Entladungsstrecken und ist dadurch gekennzeichnet,
daß drei oder mehr gleichartige Einphasenstromrichter in Reihen- oder Parallelschaltung
zu einem symmetrischen Mehrphasen-System zusammengesetzt sind, wobei in jedem Einphasenstromrichter
zu beiden Seiten und unsymmetrischen zum Gleichstromanschluß der Transformatorwicklung
und an den Gleichstromanschluß (Nullpunkt," selbst Entladungsstrecken angeschlossen
sind.
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Fig. i zeigt die übliche Doppelwegschaltung bei Einphasenbetrieb mit
den beiden Spannungsstufen i ... i' und 2 ... 2'. Sie benötigt mithin
für zwei (cos g@ = i) -Stufen vier Anoden und vier Anzapfspannungen oder fünf Anoden
bei Verwendung einer Nullanode o zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei Übergang
der unteren Spannungsstufe i ... i' auf Null: eine Anode ergibt demnach o,5
bzw. 0,4 Spannungsstufen.
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Zunächst unterscheiden sich die Anordnungen nach der vorliegenden
Erfindung grundsätzlich dadurch von der Schaltung nach Fig. i, daß die Anzapfanoden
nicht symmetrisch zu dem Nullpunkt o der Phasenspannungen angeordnet sind und die
Nullanode o nicht nur den Zweck hat, den :Leistungsfaktor der letzten Spannungsstufe
bei Übergang auf Null zu verbessern, sondern bei einer größeren Zahl der Spannungsstufen
betriebsmäßig benötigt wird, also unentbehrlich ist.
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Der Unterschied gegenüber dem Bekannten ist aus der Schaltung nach
F ig. 2 zu erkennen, das einen Einphasenstromrichter nach der Erfindung darstellt.
Der Einphasentransformator zeigt die Primär- und Sekundärwicklungen I und Il; letztere
mit dem Verkettungspunkt o und den unsymmetrisch verteilten Anschlüssen i bis 4.
Der Einfachheit halber sei angenommen, daß die Zahlen der Anzapfstellen den zugehörigen
Phasenspannungen, bezogen auf den Verkettungspunkt o; verhältnisgleich sind, daß
also, wenn die Phasenspannung von i mit U bezeichnet wird, die Spannungen der anderen
Anzapfstellen 2 U, 3 U, 4 U usw. betragen. Die Unterteilung der Spannungsstufen
ist ohne grundsätzliche Bedeutung für die Arbeitsweise, sie wird, abgesehen von
anderen Zweckmäßigkeitsgründen, @-orzugsweise nach dem Gesichtspunkt vorgenommen,
mit den verfügbaren Entladungsstrecken das Maximum an (cos 9p = i)-Stufen zu erzielen.
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Nach der vorliegenden Erfindung (Beispiel Fig.2) kann jede der Anzapfanoden,
wenn eine Nullanode vorgesehen wird, bei Sperrung der übrigen Anoden (die auf der
gleichen Seite gelegenen Anoden niederer Spannung wirken selbstsperrend) für isich
allein arbeiten, und zwar als Einweggleichrichter mit praktisch lastunabhängiger
(bei Vernachlässigung der Verluste und Stromüberlappung) Gleichspannung und bei
Einfügen einer ausreichenden Kathodendrossel 8 ohne größere Stromwelligkeit. Die
freigegebene Anode führt nur während der positiven Spannungshalb-\velle Strom: sie
wird bei ,Beginn der negativen Halbwelle stromlos (vgl. Fig. 9 a). In diesem Augenblick
wird auch der Transformator stromlos und der Gleichstrom von der spannungslosen
Nullanode o übernommen.
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`Vährend der negativen Spannungshalbwelle wird der Gleichstromkreis
aus dem in der vorhergehenden Spannungshalbwelle gespeicherten Energievorrat der
Kathodendrossel 8 gespeist. Ohne die \ullanade würde die Gleichspannung durch die
Kathodendrossel gedrosselt werden und mit steigender Belastung schnell absinken.
Die Nullanode hat ferner die Wirkung, daß die Gleichspannung, statt, wie sonst bei
9o° Aussteuerung, erst bei a = 18o° auf Null zurückgeht. Für die Gleichspannung
der Schaltung nach Fig. 2 gilt
| Ugn = Un (i -j- cos a) 1 |
| mit dem Höchstwert (i) |
| U a ' Un für a = o |
| gno y# = |
U, = eff. Phasenspannung der ya-ten Stufe. Werden die Anoden z. B. rechts von der
Nullanode (4 in F ig. 2) gesperrt gehalten, so arbeitet links, selbst wenn mehrere
Anoden geöffnet sind, ieweils nur die Anode mit der höchsten Phasenspannung (vgl.
U2 in F.ig.9a). Bei gleichzeitigem Offnen einer rechten und einer linken Anode arbeiten
diese zusammen in unsymmetrischer Doppelwegschaltung mit einer zeitlichen Verschiebung
von iSo°, wobei sich ihre nach (i) bestimmbaren Gleichspannungen addieren (vgl.
U1,
U2 in Fis. 9c). Das Schaltbeispiel nach Fig. 2 ergibt somit bei vier
Anoden (Nullanode nicht mitgezählt) sieben Spannungsstufen mit cos 9p = i, nämlich
U1 . . . U4 = i
... 4
x d U (mit
d U =Spannung zwischen zwei
benachbarten Stufen) bei Einzelarbeit der Anoden und U5
... U;
= U4 -I- (U1
...
U3)
= 5 ... 7 x d U bei Zusammenarbeit
von je einer Linksanode mit der rechten Anode 4. Statt o,5 wie im Fall der Schaltung
nach Fig. r ergibt daher die neue Schaltung 7/4 =
1,75 Spannungsstufen je
Anode..
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Die grundsätzlichen Vorteile der Schaltung lassen sich besonders einfach
zeigen, wenn man eine gesetzmäßige Abstufung z. B. nach einer arithmetischen Reihe
voraussetzt. Wird dann die Verteilung der Anoden so gewählt, daß bei :einer gesamten
Anodenzahl z (Nullanode nicht mitgerechnet) z1
= ia
- z Anoden mit
der Spannungsdifferenz je Stufe von
A U2 = (z1 -f- i)
AU,
(=
-f- i)4 U1 auf der anderen Seite der Nullanode an den Transformator angeschlossen
werden, so berechnet sich die mit der Schaltung erreichbare Gesamtzahl von cos gp
= i Stufen zu
| (falls z geradzahlig) |
| s8 = 1/4 [(z +:2) 2 - 41, |
| (falls z ungeradzahlig) (2) |
| S" = 1/4 [(z + 2) 2-5], |
dabei sind die Anoden zu beiden Seiten der Nullanode wie folgt
zu verteilen:
| (falls z geradzahlig) |
| 2l = z2 = 1/2 z, (3i |
| ) |
| (falls z ungeradzahlig) |
| zi = 1/2 (z + i) z2 = z - zi, |
während die übliche Schaltung nach Fig. i für jede zusätzliche (cos q@
= i) -Stufe zwei weitere Anoden erfordert, steigt die Stufenzahl bei der
neuen Schaltanordnung angenähert quadratisch mit der Anodenzahl. Der Unterschied
ist durch die Gegenüberstellung der mit der alten, a., und neuen Schaltung b erreichbaren
Zahl von cos p = i Stufen in Abhängigkeit von der Anodenzahl in Fig. 4 veranschaulicht;
dabei ist die b-Linie aus (2) berechnet. Man erkennt, daß die neue Schaltung z.
B. beiz = 6 und z= io eine 5- bzw. 7fach höhere Zahl von (cos p = i) -Stufen ergibt.
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Je größer S bei gegebener Anodenzahl z, je feiner also die (cos
99 = i)-Abstufung, um so kleiner der Verbrauch an Blindleistung bei dem Übergang
von einer Stufe zur nächsten und damit um so größer die Annäherung der Gitterregelung
an eine stetige Spannungsregelung zwischen Null und Voll ohne Blindleistungsverbrauch.
Bei der Spannungsabstufung nach einer arithmetischen Reihe. wie bei dem vorbehandelten
Beispiel angenommen wurde, beträgt die untere Grenze des Leistungsfaktors während
des Überganges von der (n-i)-ten Regelstufe auf die n-te:
Hierbei ist angenommen, daß die Regelung des Überganges von einer Stufe zur anderen
in einer Weise erfolgt, daß man den Zündeinsatz der höheren Spannung zwischen o
und i8o° verstellt i,vgl. Fig. 9a).
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Wie aus Gleichung (4) hervorgeht, sinkt der Leistungsfaktor schon
beim Übergang von der ersten zur zweiten Stufe (ia. =:2) nicht unter 94,30/0. Fig.
5 zeigt den Verlauf .des Leistungsfaktors in Abhängigkeit von der Stufenzahl oder
der geregelten Spannung mit den nach Gleichung (4) berechneten Minimalwerten von
cos (p. Von der dritten Stufe ab beträgt der untere Grenzwert des Leistungsfaktors
bei den Übergängen bereits über 99%, also praktisch Eins für den ganzen übrigen
Regelbereich.
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Die in Fig. 3 veranschaulichte Schaltanordnung bedeutet eine Erweiterung
der Erfindung. Hierbei lassen sich die Transformatorwicklung und -stufen doppelwegig
ausnutzen, mit einer zeitlichen Spannungsverschiebung von i8d°. Zu dem Zweck ist
ein zweites Gefäßsystem von der gleichen Anodenzahl, jedoch mit entgegengesetzter
Durchlaßrichtung vorgesehen, das nach Art einer Brückenschaltung mit dem ersten
(Kathoden-) System in Reihe arbeitet.
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Die Anordnung arbeitet in diesem Fall wie folgt: Sind von sämtlichen
Anoden beispielsweise nur die drei Anoden i, o und o' oder die drei Anoden i', o
und o' geöffnet, so verhält sich der Stromrichter wie ein einphasiger Einweggleichrichter
der Schaltung nach Fig. 2, und zwar mit der niedrigsten Spannungsstufe des Transformators
oder der niedrigsten Gleichspannung d U entsprechend Gleichung (i). Der Unterschied
besteht lediglich darin, daß während der negativen Spannungshalbwelle zwei Anoden
als Nullanoden arbeiten.
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Werden alle vier Anoden (i, i', o, o') voll geöffnet, so arbeitet
diese Stufe der Anordnung wie eine normale Brückenschaltung als Doppelweggleichrichter
mit der doppelten Gleichspannung, also 2 AU.
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Die Überleitung von der ersten (AU) zur zweiten Stufe
(2 AU) wird durch allmähliche Zuschaltung der bis dahin gesperrten
vierten Anode (i' oder i bei obigem Beispiel) bewirkt. Es läßt sich zeigen, daß
während dieses Überganges die untere Grenze des Leistungsfaktors dem Wert der für
die Einwegschaltung gültigen Gleichung (4) entspricht, wenn hierzu n=2 gesetzt,
also die Spannung ebenfalls von d U auf 24 t1 erhöht wird.
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Um die Spannung (nach Fig. 3) auf die nächste Doppelstufe, also die
dritte und vierte (cos 99 = i)-Stufe überzuschalten, werden jetzt die Anoden
2 und 2' wie bei der ersten Doppelstufe nacheinander durch die Steuerung ihrer Gitter
freigegeben, wobei die Anoden i und i' nacheinander zum Erlöschen kommen. In dieser
Weise lassen sich alle (cos g) = i)-Stufen der Doppelwegschaltung ebenso erfassen
wie in dem vorbehandelten Fall der Einwegschaltung. Auch die mit einer vorgegebenen
Anodenzahl z erreichbare Zahl von (cos 99 = i)-
Stufen ist in beiden
Fällen praktisch die gleiche.
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Die Doppelwegschaltung bietet u. a. den Vorteil, daß die Transformatorwicklung
besser ausgenutzt und die Zahl der Ausführungen wesentlich verringert wird, da nur
halb so viele Anzapfungen benötigt werden.
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Ferner ist die Doppelwegschaltung insofern der Einwegschaltung gegenüber
im Vorteil, als die Gleichstromvormagnetisierung jedenfalls für die (cos
99 = i)-Stufen, bei denen die Anordnung als Brückenschaltung arbeitet, vollkommen
fortfällt. Sie tritt in den Fällen auf, wo eine Anode oder ein Anodenpaar als Nullanode
mitarbeitet und die Amperewindungen der Sekundärwicklungen, bezogen auf den Anschluß
der Nullanode, sich innerhalb einer Periode nicht aufheben. Bei der Doppelwegschaltung
(Fig. 3) ist die Nullanode nicht auf ein bestimmtes Anodenpaar, z. B. o, o', beschränkt:
so bildet z. B. i, i' die Nullanode, wenn die Stufe 1' 2 in Einwegschaltung benutzt
wird.
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Außer der Gleichstromvormagnetisierung besitzen die bisher gekennzeichneten
Anordnungen noch den Nachteil, daß die vor der Kathodendrossel gemessene Kathodenspannung
je nach Steuerung und Stufenzahl (vgl. Fig. 9 a und 9 b) stark löckt und daß auch
bei nicht löckender Spannung die Halbwellen (Ui, U2 in Fig. 9 c) ungleich verlaufen.
Die
Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß mehrere Einphasensysteme der
vorbeschriebenen Art durch Parallel- oder Reihenschaltung in der nachstehend gekennzeichneten
Weise zusammengesetzt werden.
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Die Einphasenanordnungen werden zu symmetrischen Mehrphasensystemen
so zusammengesetzt und so verkettet; daß stets alle Einphasensysteme gleichzeitig
Strom führen. Letztere Bedingung wird erfüllt, wenn die Einphasensysteme in Reihe
betrieben werden; bei Parallelschaltung der Einphasensysteme sind diese durch drei-
oder mehrphasige Saugdrosseln oder in anderer bekannter Weise miteinander zu verketten.
Die Einphasensysteme werden bis auf die durch die Phasenteilung gegebene zeitliche
Verschiebung gleichmäßig gesteuert, so daß sie jeweils auf der gleichen Spannungsstufe
arbeiten. Die zwischen zwei benachbarten Anzapfungen gelegenen Wicklungen der Einphasensysteme
sind dabei so auf zwei oder mehr Schenkel des Transformators verteilt, daß der Mittelwert
der Amperewindungen aller auf einem Schenkel angebrachten Teilwicklungen über eine
Periode gerechnet Null ergibt.
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Bei der Wahl der Mehrphasensysteme werden solche mit ungerader Phasenzahl
p, insbesondere p = 3, bevorzugt; sie ergeben eine 2 p-phasige Welligkeit und daher
einen entsprechend kleineren Oberwellengehalt.
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Fig.6 und 7 zeigen Beispiele einer derartigen Anordnung mit Parallelschaltung
von Ein- und Doppelwegsystemen in dreiphasiger Ausführung. Fig.8 die entsprechende
Anordnung mit Reihenschaltung von Einwegsystemen. Die Wicklungsachse der Einphasensysteme
kennzeichnet gleichzeitig die gegenseitige Phasenlage ihrer Spannungen. Als Mittel
zur Erzwingung des gleichzeitigen Arbeitens der drei Einphasensysteme bei Parallelschaltung
ist eine dreiphasige Saugdrossel 9 angedeutet. Während bei der Parallelschaltung
nach Fig.6 alle Kathoden das gleiche Potential besitzen und daher für sämtliche
Anoden ein einziges mehranodiges Gefäß mit gemeinsamer Kathode genügt, erfordert
die gleiche Anordnung bei Reihenschaltung drei mehranodige Gefäße. Bei der Doppelwegschaltung
werden für die zusätzlichen Anoden cinanodige Gefäße benötigt.
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Die Reihenschaltung (nach Fig. 8) wird vorzugsweise für höhere Spannungen
in Frage kommen. für die ohnehin die Sperrfestigkeit einer einzigen Anode keine
genügende Sicherheit bietet und der mehrfache Lichtbogenspannungsabfall weniger
ins Gewicht fällt.
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Es läßt sich nun zeigen, .daß sowohl die Einwegwie Doppelwegeinphasensysteme
der gekennzeichneten Art bei Vereinigung zu einem -symmetrischen Mehrphasensystem
von drei und mehr Phasen in Reihen- oder Parallelschaltung in jeder möglichen (cos
99 = i) -Stellung einen lückenlosen Spannungsverlauf ergeben, der dem einer symmetrischen
Vielphasenschaltung entspricht, und zwar mit einer p-phasigen oder einer 2p-phasigen
Welligkeit, je nachdem, ob die Zahl p der zu einem Mehrphasensystem vereinigten
Einphasensysteme gerad-zahlig oder ungeradzahlig ist.
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Wird der Verlauf der beiden Spannungshalbwellen einer beliebigen Spannungsstufe
eines Einphasensys.tems durch die Gleichungen ausgedrückt:
| u1 = Uh ", # sin $ |
| uz = y - UI", # sin (8 - @) (5) |
(Uh" und -rUhn Scheitelwerte der ersten und zweiten Spannungshalbwelle
der betreffenden Spannungsstufe); so erhält man als resultierenden Verlauf der Gleichspannung
beispielsweise für p = 3 den eines sechsphasigen symmetrischen Ersatzsystems mit
der Anfangsphase bei Parallelschaltung (nach Fig. 6 und 7)
| u1 n = I Unn (i -i- y) sin (8 -f- 6o°) |
| 3 |
| und bei Reihenschaltung (nach Fig. 8) : (6) |
| ulR = Uh" # (i +. r) sin (8 -f- 6o°) |
also ein Sechsphasensy stein, dessen Achse gegenüber u1 um 6o° voreilt.
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Die entsprechenden Gleichungen bei Schaltung mit vier Einphasensystemen
lauten wobei :die Phasenzahl der symmetrischen Ersatzsystene vier beträgt.
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Als Beispiel für eine Anordnung der oben gekennzeichneten Art, welche
die volle Spannungsregelung ohne Gleichstromvormagnetisierung des Transformators
ermöglicht, sei auf Fig. io verwiesen, wobei für das Wicklungsschema eine der Fig.
6 entsprechende Anordnung zugrunde gelegt ist. Der Transformator besteht aus drei
Schenkeln A, B, C mit den drei sekundären Phasenwicklungen R, S, T.
Jede der letzteren umfaßt die Spannungsstufen i, 2; 3 und q., 5 in zwei Wicklungsgruppen,
die, bezogen auf den Verkettungspunkt o; um i8o° gegeneinander versetzt sind. Jeder
zwischen zwei benachbarten Anzapfungen liegende Wicklungsabschnitt ist in zwei Hälften
unterteilt, die entgegengesetzt geschaltet auf zwei Schenkeln untergebracht sind,
wobei die Schenkel entsprechend den drei Phasen zyklisch vertauscht werden. Die
durch Zahlen bezeichneten Anzapfungen bilden die-Anschlüsse für dieAnodenzuleitungen,
die der Übersichtlichkeit halber fortgelassen sind. Die denAnzapfungen entsprechenden
Anoden des i8anodigen Gefäßes sind unten angedeutet.
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Die Richtung der in den einzelnen Sekundär-Wicklungen fließenden Anodenströme
ist durch Pfeile gekennzeichnet; daraus geht hervor, daß für jeden Schenkel die
Mittelwertsumme der Amperewindungen während einer Periode Null ergibt, mithin sämtliche
Spannungsstufen ohne Gleichstromvormagnetisierung arbeiten. Man kann selbst-
verständlich die einzelnen Wicklungsabschnitte noch in anderer
Weise auf die Schenkel bzw. auf drei getrennte Kerne verteilen, sofern die Bedingung
erfüllt wird, daß die Amperewindungen der auf einen Schenkel bzw. Kern untergebrachten
Wicklungen, über eine Periode summiert, Null ergeben.
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Was bisher Tiber die Arbeitsweise der Anordnung als Gleichrichter
ausgeführt worden ist, gilt sinngemäß auch für ihren Betrieb als Wechselrichter,
bei dem die Polarität der Gleichspannung sich umkehrt. In den Stellungen, wo die
Nullanoden mitarbeiten, müssen diese bei Wechselrichterbetrieb durch Gitter gesteuert,
also beim Arbeiten anderer Anoden gesperrt und umgekehrt beim Erlöschen der letzteren
freigegeben werden. Dabei sind hinsichtlich der Vorzündung die Steuerbedingungen
des normalen Wechselrichterbetriebes zu beachten.