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Anordnung zur Gittersteuerung von einer insbesondere in Wechselrichterschaltung
betriebenen Entladungsstrecke Zusatz zum Patent 920 435 Das Patent 920 435
bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung eines periodisch sich wiederholenden
Potentialsprunges zwischen den Phasen zweier in Reihe geschalteter Wechselspannungen
mit Hilfe rein elektrischer Schaltmittel. Diese Anordnung ist vorzüglich zur Gittersteuerung
von Entladungsstrecken geeignet und kann, wie im Hauptpatent beschrieben ist, in
vorteilhafter Weise zur Gittersteuerung von mehrphasigen Gleichrichtern verwendet
werden. Zur Gittersteuerung von mehrphasigen Wechselrichtern ist diese Schaltanordnung,
wie weiter unten gezeigt werden soll, nicht ohne weiteres anwendbar. Das Ziel der
Erfindung ist, die Einrichtung so zu treffen, daß die im Hauptpatent beschriebene
Anordnung auch zur Gittersteuerung von mehrphasigen Wechselrichtern angewendet werden
kann.
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Die im Hauptpatent beschriebene Schaltanordnung ist nicht ohne weiteres
zur Gittersteuerung von mehrphasigen Wechselrichtern verwendbar, weil im Wechselrichterbetrieb
im Gegensatz zum Gleichrichterbetrieb der Bereich, in dem die Spannung zwischen
einer Anode und der Kathode positiv ist, sehr groß ist. An Hand der Abb. r, die
für eine
Entladungsstrecke den Spannungsverlauf Anode gegen Kathode
für den Fall des Gleichrichter- und den des Wechselrichterbetriebes zeigt, sei dieses
im folgenden näher erläutert.
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Der Spannungsverlauf einer Anode gegen die Kathode ergibt sich unter
Vernachlässigung des Spannungsabfalles im Lichtbogen ganz allgemein als Differenz
der Stromrichtertransformatorspannung mit der Kathodenspannung, wobei beide Spannungen
gegen die Spannung des Transformatorsternpunktes gemessen sind. Die Stromrichtertransformatorspannung,
die gleich der Spannung der Anode gegen den Sternpunkt dieses Transformators ist,
ist eine feste Sinusspannung. In der Abb. i ist diese mit 51 bezeichnet. Die Kathodenspannung,
die gleich der Spannungsdifferenz der Kathode gegen den Sternpunkt des Transformators
ist, zeigt bei hoher Phasenzahl, was im vorliegenden Fall vorausgeFktzt ist, den
Verlauf einer reinen Gleichspannung. Beim Übergang vom Gleichrichterbetrieb zum
Wechselrichterbetrieb geht diese Spannung von einem positiven Wert, z. B. dem Wert
52 in Abb. i, zu einem negativen Wert, beispielsweise dem Wert 53, über. Die Größe
dieser positiven bzw. negativen Gleichspannung ist von dem Grad der Aussteuerung
abhängig. Die aus der Differenz der Transformatorspannung 51 und der Kathodenspannung
52 bzw. 53 sich ergebende resultierende Spannung, die, wie schon erwähnt, gleich
der Spannung der Anode gegen Kathode ist, zeigt die Kurve 54 für den Fall des Gleichrichterbetriebes
und die Kurve 55 für den Fall des Wechselrichterbetriebes.
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Die mit 56 bzw. 56' und 57 bezeichneten Bereiche entsprechen den Brennbereichen
der betreffenden Anode. Da hohe Phasenzahl vorausgesetzt ist, ergibt sich für jede
Anode eine geringe Brenndauer.
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Der Verlauf der Kurve 54 zeigt,: daß bei Gleichrichterbetrieb die
Spannung einer Anode gegen die Kathode vorwiegend im Negativen verläuft. Im Grenzfall,
wenn die Gleichrichterspannung Null geworden ist, umfaßt der positive Bereich der
Spannung i8o° e1. (36o° e1. entsprechen einer Periode der gleichzurichtenden Wechselspannung.)
Größer als 18o° e1. kann im Gleichrichterbetrieb der positive Bereich der Spannung
einer Anode nicht werden. Dementsprechend genügt im Gleichrichterbetrieb einer Entladungsstrecke
eine Gitterspannung, die am Ende des Regelbereiches in eine sinusförmige Spannung
mit i8o° e1. breitem negativem Bereich übergeht, den gestellten Anforderungen. Die
im Hauptpatent beschriebene Schaltungsanordnung erfüllt diese Bedingung.
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Wie die Kurve 55 zeigt, verläuft dagegen im Wechselrichterbetrieb
die Spannung einer Anode gegen die Kathode vorwiegend im Positiven. Im Grenzfall
tiefster negativer Gleichspannung ist eine Gitterspannung erforderlich, die nur
im Stromführungsbereich der zugehörigen Anode positiv sein kann, im übrigen Bereich
(innerhalb einer Periode der Wechselspannung) jedoch negativ sein muß. Diesen Anforderungen
genügt die im Hauptpatent beschriebene Schaltanordnung nicht. Um nun die im Hauptpatent
beschriebene Schalt-' anordnung zur Erzeugung eines periodisch sich wiederholenden
Potentialsprunges zwischen den Phasen zweier in Reihe geschalteter Wechselspannungen
mit Hilfe rein elektrischer Schaltmittel auch für in Wechselrichterschaltung betriebene
Entladungsstrecken anwenden zu können, wird erfindungsgemäß zu der zwischen dem
Verbindungspunkt B der beiden Drosseln oder dem diesem Verbindungspunkt entsprechenden
Punkt 8' und dem Verbindungspunkt der beiden Wechselspannungen u1 und u2 auftretenden
Spannung (Gittersteuerspannung) eine zusätzliche Spannung in Reihe geschaltet, deren
Größe und deren zeitlicher Verlauf innerhalb einer Periode der Wechselspannung so
gewählt sind, daß die resultierende Gittersteuerspannung mit Ausnähme des Stromführungsbereiches
der zugehörigen Anode im ganzen Bereich innerhalb einer Periode der Wechselspannung
negativ ist.
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Die zusätzliche Spannung kann beispielsweise von einer pulsierenden
negativen Gleichspannung oder einer besonderen Wechselspannung, die beispielsweise
sinusförmigen oder dreieckförmigen Verlauf aufweist, abgeleitet werden. Die Zuschaltung
einer pulsierenden negativen Gleichspannung kann in einfacher Weise z. B. mittels
eines an die Gitterzuleitung geschalteten Widerstandes geschehen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die zur
Gittersteuerung für in Wechselrchterschaltung betriebene Entladungsstrecken notwendige
zusätzliche Spannung von den negativen Halbwellen der aus den beiden Wechselspannungen
u1 und zc2 resultierenden Wechselspannung u1 - u2 gebildet. u1 und u2 sind
die beiden Wechselspannungen, zwischen deren Phasen die periodisch sich wiederholenden
Potentialsprünge vor sich gehen. Ausführungsbeispiele dieser Art sind in den Abb.
2 bis q. dargestellt.
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An Hand dieser Ausführungsbeispiele soll das Wesen der Erfindung näher
erläutert werden. In Abb.2 ist mit i bis g eine Anordnung bezeichnet, die der in
Abb. i des Hauptpatentes dargestellten Anordnung vollkommen entspricht. Es bedeuten
im einzelnen i und 2 die beiden in Reihe geschalteten Wechselspannungen u1 und
U2, 3 und :I die beiden in Reihe geschalteten Drosseln, 5, 6 und 7 der Gleichstromvormagnetisierungskreis
der Drossel q., 8 der Verbindungspunkt der Drosseln 3 und ¢ und g der Verbindungspunkt
der beiden Wechselspannungen i und 2. Mit Hilfe einer derartigen Anordnung lassen
sich, wie in Abb. 8 des Hauptpatentes dargestellt ist, periodisch sich wiederholende
Potentialsprünge zwischen den Phasen der beiden Wechselspannungen u1 und zig erzeugen.
Die beiden in Reihe geschalteten Wechselspannungen u1 und u2 sind nun, außer mit
der Reihenschaltung der beiden Drosseln 3 und q., zum Zweck der Zuführung der negativen
Halbwelle der resultierenden Spannung u1 - u2 mit der Primärwicklung i i
eines Transformators io verbunden. Die Sekundärwicklung 12 dieses Transformators
liegt
an der Reihenschaltung eines Gleichrichters 13 und eines ohmschen Widerstandes 14.
Der Verbindungspunkt 15 von Gleichrichter 13 und Widerstand 14 ist mit dem Verbindungspunkt
8 der beiden Drosseln 3 und 4 verbunden. Die mit der Klemme 16 des Widerstandes
14 verbundene Leitung 17 führt über den Widerstand 18 (Gitterwiderstand) zum Gitter
der zu steuernden Entladungsstrecke. Durch die beschriebene Schaltung wird zu der
in der Reihenschaltung der beiden Drosseln 3 und 4 im Punkt 8 auftretenden Spannung
noch die Spannung, die längs des Widerstandes 14 auftritt, hinzugefügt. Längs dieses
Widerstandes 14 tritt nur dann ein Spannungsabfall auf, wenn der Gleichrichter 13,
für den vorzugsweise ein Trockengleichrichter verwendet wird, durchlässig ist. Durch
entsprechende Polung des Gleichrichters 13 kann also erreicht werden, daß nur während
der negativen Halbwellen der resultierenden Spannung u1 - 2c2 eine zusätzliche Spannurig
auftritt. Der Verlauf der resultierenden Spannung soll an Hand der Abb. 6, die sich
auf ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht, näher erläutert werden.
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Ein sicheres Arbeiten der in Abb. 2 dargestellten Anordnung verlangt,
daß der Widerstand 14 klein gegen den Widerstand 18 ist, was eine verhältnismäßig
große Leistung für die Zusatzschaltung bedingt. Dieser Nachteil wird bei der in
Abb. 3 dargestellten Anordnung vermieden, bei welcher die zusätzliche Spannung als
Spannungsabfall bzw. als Sperrspannung an einem Gleichrichter, insbesondere an einem
Trockengleichrichter, erzeugt wird. Unterschiedlich zu der Schaltanordnung nach
Abb.2 wird hier die zum Gitter führende Leitung 17 nicht mit der einen Klemme des
Widerstandes 14, sondern im Punkt i9 mit der einen Elektrode des Gleichrichters
13 verbunden. Ein besonderer Gitterwiderstand erübrigt sich hier bzw. der Gitterwiderstand
kann verhältnismäßig klein bemessen werden. Im übrigen entspricht diese Schaltung
vollkommen der in Abb. 2 dargestellten. Die Bezugzeichen i bis 17 entsprechen denen
der Abb. 2.
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Bei der in Abb. 4 dargestellten Schaltung ist die Einrichtung so getroffen,
daß der bei den Anordnungen nach Abb. 2 und 3 erforderliche zusätzliche Transformator
io vermieden wird. Die Reihenschaltung von Gleichrichter 13 und Widerstand 14 ist
nämlich hier unmittelbar an die resultierende Spannung u1 - u2 angeschlossen.
Über eine Wicklung 2o, die mit der Drossel 3 magnetisch verkettet ist, wird die
an dem Gleichrichter 13 auftretende Spannung (Sperrspannung) in die zum Gitter der
Entladungsstrecke führende Zuleitung 17 eingeschleift. Die Verbindung des Punktes
8 der Reihenschaltung der beiden Drosseln 3 und 4 mit der Gitterzuleitung 17 kommt
hierbei in Fortfall (vgl. hierzu auch die Abb. 5 des Hauptpatentes). Dem Punkt 8
entspricht hier der' eine Endpunkt 8' der zusätzlichen Wicklung 2o. Gleich wie bei
den Abb. 2 und 3 ist auch hier mit i bis 9 die Grundschaltung zur Erzeugung der
periodisch sich wiederholenden Potentialsprünge bezeichnet. Die Abb. 5 zeigt schließlich
die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung bei einem dreiphasigen Wechselrichter,
bei dem die zusätzliche zur Gitterspannung notwendige Spannung nach der in Abb.3
dargestellten Methode in die Gitterzuleitung eingeschleift ist. Die dargestellte
Schaltung entspricht, von der Zusatzschaltung zur Erzeugung der zusätzlichen Gittersteuerspannung
einmal abgesehen, der Schaltung nach Abb. 7 des Hauptpatentes, welche die Steuerung
eines dreiphasigen Stromrichters in Gleichrichterschaltung zeigt. Um diese Übereinstimmung
zum Ausdruck zu bringen, sind deshalb für die Stromrichterschaltung und für den
Grundteil der eigentlichen Steuerschaltung, der zur Erzeugung der periodisch sich
wiederholenden Potentialsprünge dient, die gleichen Bezugzeichen wie in Abb.7 des
Hauptpatentes gewählt worden. Es beziehen sich gleich wie in Abb. 7 des Hauptpatentes
die Positionen 22 und 33 auf die Bestandteile der an sich bekannten Stromrichterschaltung,
die Positionen 34 und 45 auf die des Grundteiles der Steuerschaltung. Wir verweisen
wegen Einzelheiten auf den entsprechenden Beschreibungsteil des Hauptpatentes. Unterschiedlich
von der Abb. 7 des Hauptpatentes tritt hier lediglich an Stelle des in den Kreis
31 eingeschalteten Verbrauchers 32 eine Gleichstromquelle 32.
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Je zwei aufeinanderfolgende Phasen des Gittertransformators 34 sind
nun außer mit der' Reihenschaltung zweier Drosseln 35 und 36 über je einen Transformator
58 mit der Reihenschaltung von je einem Trockengleichrichter 59 und je einem Widerstand
6o verbunden. Hierbei entsprechen die Transformatoren 58 dem Transformator io, die
Gleichrichter 59 dem Gleichrichter 13 und die Widerstände 6o dem Widerstand 14 in
Abb. 3. Zwischen den Endpunkten 61, 62 und 63 der Reihenschaltung von je einem Widerstand
59 und je einem Gleichrichter 6o und dem Sternpunkt 37 des Gittertransformators
34 werden die Gittersteuerspannungen abgenommen. Der Übersichtlichkeit halber ist
nur die Verbindung des Gitters 27 der Anode 24 mit dem Anschlußpunkt 61 der Steuerschaltung
eingezeichnet.
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Den Verlauf der mit der dargestellten Schaltung erzielten Gittersteuerspannung
zeigt Abb. 6 für das Gitter 27 der Anode 24. Von vornherein ist darauf hinzuweisen,
daß während im Gleichrichterbetrieb die Sekundärspannungen von Stromrichtertransformator
30 und Gittertransformator 34 in Phase miteinander sind, im Wechselrichterbetrieb
die Sekundärspannungen dieser beiden Transformatoren um 9o° in der Phase gegeneinander
verschoben sind. Diese Phasenverschiebung ist deshalb notwendig, weil der mögliche
Zündbereich jeder Kathoden-Anoden-Strecke, der in beiden Fällen 9o° el. umfaßt,
im Wechselrichterbetrieb sich an den möglichen Zündbereich im Gleichrichterbetrieb
anschließt, d. h. die beiden Zündbereiche sind um 9o° in der Phase gegeneinander
verschoben. Der mögliche Zündbereich im Fall des Wechselrichter-Betriebes ist in
der Abb. 6 (links unten) angedeutet.
Die dünn ausgezogenen Kurven
Ui und U2 geben den zeitlichen Verlauf der zwischen den Punkten 43 und 37 bzw. 45
und 37 des Gittertransformators auftretenden Spannung wieder. Die der Anode 24 zugeordnete
Transformatorspannung ist mit Ui' bezeichnet. Diese Spannung ist um go° gegen die
Spannung Ui in der Phase voreilend. In Abb. 5 ist diese Phasenverschiebung durch
die unterschiedliche Orientierung der Wicklungen des Stromrichtertransformators
und des Gittertransformators angedeutet. Die Phasenverschiebung zwischen Gittertransformator
und Stromrichtertransformator kann auf die verschiedensten Weisen erreicht werden.
Beispielsweise kann zu diesem Zweck der Gittertransformator inDreieck-Stern-Schaltung
angeordnet und mit der Sekundärseite des Stromrichtertransformators verbunden werden.
Bei geeigneter Auswahl der Phasen sind dann die Sekundärspannungen von Stromrichtertransformator
und Gittertransformator um go° el. phasenverschoben.
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Weiter ist in diesem Diagramm die Spannung U1 - U2 dünn ausgezogen
eingetragen. Da nur die negativen Halbwellen dieser Spannung einen Beitrag zur Gittersteuerspannung
liefern, sind nur diese in dem Diagramm eingezeichnet.
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Ohne Zuschaltung der negativen Halbwellen der Spannung U1- U2 erhält
man bei einer bestimmten Gleichstromvormagnetisierung der Drossel 36 einen
Potentialverlauf, wie ihn die strichpunktierte Kurve 47 zeigt (vgl. die entsprechende
Kurve 47 in Abb. 8 des Hauptpatentes). Man erkennt, daß die Gitterspannung, wie
sie die Kurve 47 zeigt, nicht in dem gesamten Bereich außerhalb des Brennbereiches
der Anode 2.4 negativ ist. Die Hinzuschaltung der negativen Halbwellen der Spannung
U1 - U2 liefert den mit So bezeichneten, gestrichelten Kurvenverlauf. Außerhalb
des Brennbereiches der Anode 24 ist die Gittersteuerspannung nun innerhalb einer
Periode der Wechselspannung U1' überall negativ. Eine Änderung des ursprünglichen
Gitterspannungsverlaufes tritt nur in dem Bereich der negativen Halbwellen der Spannung
U1 - U2 auf. In diesem Bereich verläuft die resultierende Gittersteuerspannung
entweder wie U1 -h (U1 - U.,) = 2 U1 - U2 oder wie U2 -l- (U1
- U2) = U1. Zu beachten ist, daß die periodisch sich wiederholenden Potentialsprünge
nach wie vor zwischen den Phasen der beiden Wechselspannungen U1 und U2 vor sich
gehen (vgl. Punkt 47' und 47"). Ein entsprechender Kurvenverlauf ergibt sich für
die Gitterspannungen der Gitter 28 und 29.
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Bei der in Abb. 5 dargestellten Anordnung für den Wechselrichterbetrieb
eines dreiphasigen gittergesteuerten Stromrichters kann man selbstverständlich an
Stelle ,einer Zusatzschaltung nach Abb. 3 auch die Zusatzschaltungen nach den Abb.
2 und 4 verwenden. Die zusätzlichen Spannungen braucht man nicht unbedingt unmittelbar
von dem Gittertransformator 34 abzuleiten, sondern für diese Spannungen können auch
besondere Spannungsquellen vorgesehen sein.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Zusatzschaltung ist selbstverständlich
nicht auf dreiphasige, in Wechselrichterschaltung betriebene Stromrichteranordnungen
beschränkt. Die erfindungsgemäße Zusatzschaltung kann auch bei Stromrichtern mit
beliebiger Phasenzahl verwendet werden. Durch Wahl der Größe und des zeitlichen
Verlaufes der zusätzlichen Spannung und der Phasenverschiebung der Sekundärspannungen
von Stromrichtertransformatoren und Gittertransformatoren läßt sich stets erreichen,
daß die resultierende Gittersteuerspannung außerhalb des Brennbereiches der zugehörigen
Anode negativ ist.
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Die erfindungsgemäße Zusatzschaltung kann weiter mit Vorteil auch
bei der Gittersteuerung von in Gleichrichterschaltung betriebenen Entladungsstrecken
angewendet werden. Hier ist zwar an und für sich keine zusätzliche Spannung notwendig,
wenn die Steuerung nach der im Hauptpatent beschriebenen Weise vorgenommen wird.
Zur Unterdrückung von Rückzündungen kann aber auch eine zusätzliche Spannung in
der vorliegend geschilderten Weise in die Gitterzuleitungen eingeschleift werden.
Die positiven Spitzen der Gitterspannung, die unter Umständen Anlaß zu Rückzündungen
geben, sind dann vermieden.