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Gleichrichterschaltung mit wenigstens zwei in Gegentaktschaltung betriebenen,
steuerbaren gas- oder dampfgefüllten Gleichrichtern Die Erfindung bezieht sich auf
eine Gleichrichterschaltung mit wenigstens zwei in Gegentaktschaltung betriebenen,
steuerbaren gas- oder dampfgefüllten Gleichrichtern, die mit Hilfe einer gemeinsamen,
auch den Steuerorganen zugeführten regelnden Gleichspannung und einer dieser überlagerten
Wechselspannung gesteuert werden, wobei die Regelgleichspannungsquelle andererseits
mit dem neutralen Punkt des Speisetransformators der Gleichrichter verbunden ist,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter zu ihrer Speisung, mit den
Kathoden voneinander getrennt, mit einem Autotransformator derart verbunden sind,
daß die Kathoden je gegenüber dem neutralen Punkt des Autotransformators an einer
gegenseitig wenigstens nahezu gleich großen, in der Phase entgegengesetzten Wechselspannung
liegen und daß die Steuerorgane der Gleichrichter je an eine mit der Regelgleichspannung
und der dieser überlagerten Wechselspannung kombinierten Ausgleichswechselspannung
angelegt sind, mittels welcher die Spannung zwischen den Kathoden und dem erwähnten
neutralen Punkt, die eine unerwünschte Wechselspannung zwischen den Steuerorganen
und den Kathoden erzeugen würde, ausgeglichen wird.
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Die vorerwähnte überlagerte Wechselspannung ist im vorliegenden Fall
eine sinusförmige Wechselspannung von gleicher Frequenz wie die Speisewechselspannung.
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Diese Gleichrichterschaltung hat den Vorteil, daß durch die Anwendung
eines Autotransformators eine
viel wirtschaftlichere Ausbildung
entsteht. Der scheinbare Nachteil, daß die Kathoden an einer Wechselspannung liegen,
so daß sich das Kathodenpotential und somit die Zündkennlinie dauernd ändern, wodurch
eine genaue Zündung an einem gewünschten Punkt der Zündkennlinie unter Anwendung
einer normalen üblichen Steuerung der Gitterspannung, die an einen Punkt festen
Potentials gebunden ist, nicht verbürgt wäre, wird von der im Steuerkreis wirksamen
Ausgleichswechselspannung behoben. Der Vorschlag, daß die Kathoden und nicht die
Anoden an den Autotransformator angeschlossen werden sollen, beruht auf der Erkenntnis,
daß im letztgenannten Fall die Kathoden, die z. B. gemeinsam über die Belastung
an die Mitte des Autotransformators angeschlossen sind, im allgemeinen nicht an
Erde gelegt werden können, da eine der Netzleitungen oder der neutrale Punkt des
Autotransformators bereits geerdet ist, so daß die Kathoden somit die Spannung der
Welligkeit der Gleichrichter haben, die praktisch nicht mit einfachen Mitteln ausgeglichen
werden kann, wodurch eine genaue Steuerung nicht möglich ist.
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Die Regelgleichspannung kann z. B. von der Belastung zur Regelung
auf konstante Spannung bei veränderlicher Strombelastung abgeleitet sein, insbesondere
z. B. zur Regelung von Gleichstrommotoren.
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An Hand der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele wird die
Erfindung näher erläutert.
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In Fig. i sind die Netzspannungsklemmen i und 2 mit einem Autotransformator
3 verbunden, dessen Enden mit den Kathoden 4 der steuerbaren gas- oder dampfgefüllten
Gleichrichterröhren 5 in Einphasengegentaktschaltung verbunden sind. Die Anoden
6 dieser Röhren sind an die Belastung 7, z. B. einen zu regelnden Gleichstrommotor,
angeschlossen, deren anderer Anschluß in ganz üblicher Weise mit dem neutralen Punkt
A des Autotransformators 3 verbunden ist. Parallel zur Belastung 7 ist über den
Punkt 8 (und A) ein für das verfolgte Ziel geeignetes Regelgerät g angeschlossen,
an dessen Klemmen io und ii eine Regelgleichspannung entsteht, die von den an die
Belastung 7 gestellten Spannungsanforderungen abhängig ist. Diese Regelspannung,
die im vorliegenden Beispiel 2 V beträgt (die Gleichspannung an der Klemme ii kann
gegenüber dem Punkt io positiv oder negativ sein), ist über die beiden Hälften des
Autotransformators einerseits mit den Kathoden 4 und andererseits über einen Phasenschieber
mit den Gittern 12 verbunden. Der Phasenschieber besteht aus einem Widerstand 13,
einem Kondensator 14, einem Widerstand 15 und einem Kondensator 16.
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Gegenüber dem neutralen Punkt A des Autotransformators 3 liegen die
Kathoden 4 somit an einer Wechselspannung.
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In Fig. 2 ist dies schematisch durch die Wechselspannung AK, die zwischen
den Punkten A, K (Fig. i) herrscht, dargestellt. Angenommen, daß sich die Zündkennlinie
der Gleichrichter mit dem Kathodenpotential deckt, stellt die Linie A-K also zugleich
die Zündkennlinie gegenüber dem Punkt A dar. Die halbe Transformatorspannung AK
des Autotransformators 3 wird im vorliegenden Fall vom Phasenschieber, um etwa go°
in der Phase gedreht, den Gittern 12 zugeführt, was in einem gesonderten Vektördiagramm
(Fig.3) veranschaulicht ist. In Fig. 2 ist die Wechselspannung AK also um
go° in der Phase gegen die zwischen den Punkten G, K (Fig. i) herrschende Wechselspannung
GK, d. h. die Spannung zwischen dem Gitter G (12) und der Kathodenleitung K (4),
verschoben dargestellt. Gegenüber dem Punkt A können die beiden Spannungen AK und
GK summiert werden, da sie beide im Gitterkreis 12, 15, 13, E, ii, io, A, K, 4 wirksam
sind. Diese Summierung liefert die Spannung AKG. Im vorliegenden Fall tritt
dann Zündung desjenigen Gleichrichters auf, dessen Anodenspannung gegenüber der
Kathode positiv ist, und zwar am Punkt X, wenn dieser Vorgang aus dem neutralen
Punkt A betrachtet wird. Wird der Zündzeitpunkt, wie üblich, gegenüber der Kathodenleitung
K (4) betrachtet, so tritt Zündung am Punkt X' auf, der sich jedoch in bezug auf
den Zeitpunkt mit X deckt, was mit der senkrechten, gestrichelten Linie angedeutet
ist. Indem nunmehr die summierte Spannung AKG mit Hilfe der Regelgleichspannung
-j- Y oder - V hinauf- oder herabgeschoben wird, kann die betreffende Gleichrichterröhre
voll ausgesteuert werden, d. h. theoretisch mit einer Phasenverschiebung von o bis
18ö°. Beträgt die Regelspannung nämlich -f- V gegenüber der Nulllinie, gemäß der
Figur, so kann die summierte Spannung mit AKG' bezeichnet werden, und es
erfolgt die Zündung am Punkt Y zu Beginn der positiven Halbwelle. Der Gleichrichter
liefert dann die Maximalspannung. Wird die Regelspannung bis auf - Y herabgemindert,
so sinkt die summierte Spannung bis auf AKG", und es erfolgt die Zündung
am Ende der für die Anode des Gleichrichters positiven Halbperiode; d. h. am Punkt
Z. Wie erwähnt, erfolgt die wirkliche Zündung gegenüber der Kathode 4 (K) am Schnittpunkt
der phasenverschobenen Wechselspannung GK und der Nullinie, wobei die Spannung GK,
die ebenfalls der Regelgleichspannung + V bzw. - V überlagert ist, auch Zündungen
an Y bzw. Z ergibt.
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Bei der Schaltung nach Fig. i sind die Spannungen derart gewählt,
daß die Speisewechselspannung von jedem der Gleichrichter, d. h. die Spannung
AK selbst, als Ausgleichsspannung für das Gitter wirksam ist, und zwar in
umgekehrter Richtung, d. h. KA im Gitterkreis, was auch dadurch erreicht
wird, daß die Gitterwechselspannung an G durch Phasendrehung von KA abgeleitet ist.
Im Gesamtgitterkreis sind somit die Ausgleichsspannung KA, die AK als Speisespannung
dient, die Gleichspannung io, ii und die Gitterwechselspannung an G wirksam.
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Aus der Figur geht hervor, daß die Scheitelspannung von GK etwa gleich
der Spannung V sein sollte, um eine volle Aussteuerung zu ermöglichen. Tatsächlich
kann diese Scheitelspannung etwas kleiner als Y sein, da der Gleichrichter nicht
über die ganzen 18o°, sondern z. B. über 165 bis 175° gesteuert wird. Einfachheitshalber
wird jedoch angenommen, daß
in effektiver Spannung ausgedrückt.
Fig. 3 stellt in einem Vektordiagramm
die Wechselspannung und die Phasenverschiebungen dar. Der Spannungsvektor GK (über
den Kondensator 16 in Fig. i) steht senkrecht zum Vektor GD (über den Widerstand
15 in Fig. i). Die resultierende Spannung DK steht wieder senkrecht zum Vektor
DE
(über den Widerstand i3). Da die Gleichspannung io ii nicht vektoriell
dargestellt ist, kann der Punkt E auch gleich dem Punkt A angenommen werden, so
daß der Vektor KE = KA der halben Autotransformatorspannung entspricht (Fig.
i), von der GK stammt.
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Aus dem Vektordiagramm folgt
in (q.) substituiert wird, ergibt sich
gelegt ist. Das Vektordiagramm dieser Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Es entspricht
im wesentlichen demjenigen nach Fig. 3 und unterscheidet sich von diesem nur durch
den zugesetzten Vektor EC, der gleich der halben Spannung der Gesamthilfswicklung
17 ist. Auf ähnliche Weise, wie oben geschildert, ergibt sich wieder Da KE
= KA (Fig. 3), bedeutet dies, daß, wenn die halbe Transformatorspannung gleich
dem
der halben Regelgleichspannung ist, der richtige Ausgleich erfolgt. Ist somit z.
B. die Netzspannung 2o V, so ist KA - iio V. Ist die Regelgleichspannung
von + V bis - V = 2 V = i56 V, so ist V=78, und V
ist auch iio V, so daß die Bedingung (5) erfüllt wird.
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Es kommt jedoch häufig vor, daß die zur Verfügung stehende Netzspannung
einen anderen Wert hat oder daß die Regelgleichspannung nicht dem Wert 2 V = 156
V entspricht und es nur mit Hilfe eines viel verwickelteren Regelgerätes 9 (Fig.
i) möglich wäre, diese Spannung zu erzielen.
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In diesem Fall ist bei dem geschilderten Schaltbild kein hinreichender
Ausgleich möglich, da die Bedingung der Formel (5) nicht erfüllt wird.
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Gemäß der Erfindung wird in solchen Fällen die Ausgleichsspannung
auch mit Hilfe einer Hilfstransformatorwicklung erzielt, die vorzugsweise aus einer
auf dem Autotransformator angeordneten Hilfswicklung besteht. Da die Hilfswicklung
nur für geringe Leistung bemessen zu sein braucht, z. B. o,i W bei einer Gleichrichterleistung
von ioo W, geht die Ersparnis einer Hauptwicklung infolge der Verwendung eines Autotransformators
als Speisetransformator nicht wieder verloren.
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Fig. q. stellt die gleiche Schaltung wie in Fig. i dar, mit dem Unterschied
jedoch, daß eine Ausgleichshilfswicklung 17 zwischen den beiden Widerständen 13
angeordnet und die Regelspannung an die Mitte C
Hier ist jedoch die halbe Spannung der Hilfswicklung EC = KC - KE
(6)
oder
und da die Wechselspannung KC auch gleich KA ist, wird
Beträgt die Netzwechselspannung z. B. 38o V und die Gesamtregelgleichspannung z.
B. ioo V, so wird
Die Hilfswicklung muß dann eine Gesamtspannung von ioo V liefern.
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Beträgt die Netzwechselspannung wieder 38o V und die Regelgleichspannung
Zoo V, so wird
Die Hilfswicklung muß dann 18o V liefern und soll umgekehrt angeschlossen werden,
da EC negativ ist. Das Vektordiagramm entspricht dann der schematischen Darstellung
nach Fig. 6.
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Ist die Netzspannung 220 V und die Regelgleichspannung 156 V, so wird
mit anderen Worten, die Hilfswicklung kann weggelassen werden, so daß die Anordnung
nach Fig. i verbleibt.
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Wenn aus irgendeinem Grunde ein anderer Phasenschieber erwünscht ist,
kann z. B. eine Schaltung nach Fig. 7 verwendet werden, bei der die Phasendrehung
mit Hilfe einer Selbstinduktion 18 mit Mittelanzapfung, eines Regelwiderstandes
i9 und eines Kondensators 2o erfolgt. Die Spannung an der Hilfstransformatorwicklung
17 soll dann entsprechend der Größe der Selbstinduktion 18 größer gewählt werden.
Im dargestellten Fall wird die Regelvorrichtung 9 von Hand eingestellt.
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Bei einer Dreiphasengleichrichterschaltung gemäß der Erfindung kann
die Schaltung gemäß Fig: 8 ausgebildet werden.
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Die Netzspannungsklemmen, an die der Dreiphasenautotransformator 24
angeschlossen ist, sind mit 21, 22 und 23 bezeichnet. Die Gleichrichterröhren 25
sind mit Gittern 26 versehen, die je an eine Hilfswicklung 27, deren Spannung um
i2o° gegenüber der Kathodenspannung an 24 in der Phase verschoben ist, und an den
Hilfstransformator 28 angeschlossen sind,
der in Reihe mit der Wicklung
27 liegt. Die Enden der Wicklung 28 liegen am Regelgerät 9, mit dem die Gleichspannung
eingestellt wird, die wieder mit dem neutralen Punkt des Autotransformators verbunden
ist. Die Wicklung 28 trägt zum Ausgleich bei, während die Wicklung 27 die Phasenverschiebung
von i2o° für die Röhre 25 liefert. Auch die anderen Gleichrichter sind auf ähnliche
Weise angeschlossen. Der Steuerkreis der in der Fig. 8 links dargestellten Röhre
ist einfachheitshalber weggelassen. Das Vektordiagramm dieser Schaltung ist in Fig.
9 dargestellt. Eine Schaltung für das eigentliche Regelgerät 9, die besonders zur
Kombination mit der Schaltung gemäß der Erfindung geeignet ist, ist im Prinzip in
Fig. io dargestellt. Die Spannung an der Belastung 7 wird einem Steuergerät 29 zugeführt;
durch das die Gitterspannung der Hilfsgleichrichterröhre 3o beeinflußt wird. Die
Kathode dieser Röhre ist über eine Stabilisierungsröhre 31 mit der Dritte A des
Autotransformators 3 verbunden. Die Hilfsröhre 30 wird aus einem Hilfstransformator
32 gespeist und hat als Belastung einen Widerstand 33, zu dem zur Glättung ein Kondensator
34 parallel geschaltet ist. Die Kathode der Röhre 3o hat infolge der Zwischenschaltung
der Stabilisierungsröhre 31 z. B. eine Spannung von 4- 8o V gegenüber dem
Punkt A. Wenn die Spannungen im Regelgerät 9 derart gewählt sind, daß sich die Spannung
am Widerstand 33 unter dem Einfluß des Regelgerätes 29 am Gitter der Röhre 3o von
o bis zu -16o V ändern kann, wird die Spannung am Punkt ii von + 8o bis -8o V geändert,
was die vorerwähnte Regelgleichspannung von -f- V bis - Vergibt.
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Wie oben erwähnt, ist die Schaltung des Regelgerätes 9 besonders geeignet
zur Anwendung bei der Schaltung nach der Erfindung, da der Hilfstransformator 32
mit der Hilfstransformatorwicklung 17 vereinigt werden kann, die zum Ausgleich beiträgt.
Eine solche Kombination ist in Fig. ii dargestellt, in der einander entsprechende
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Nach der Erläuterung der Wirkungsweise
des Schaltbildes nach Fig. io wird die Wirkungsweise des Schaltbildes nach Fig.
ii klar sein. Bei diesem Schaltbild ist die Ausbildung durch Verwendung einer Hilfstransformatorwicklung
17, die sowohl einen Teil der Ausgleichsspannung als auch die Anodenspannung für
das Regelgerät liefert, noch weiter vereinfacht und auch wirtschaftlicher. Die übrigen
Bezugszeichen der Fig. ii entsprechen denen der vorher erläuterten Schaltbilder.