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Umrichter zum Umformen von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom
kleinerer Frequenz Bei der Umformung von mehrphasigem Wechselstrom einer Frequenz
in einphasigen Wechselstrom anderer Frequenz muß der Umrichter abwechselnd Halbwellenströme
in der einen und der anderen Stromrichtung abgeben. Der Umrichter muß also zwei
unter sich gleiche Gruppen von Ventilen oder Entladungsgefäßen enthalten. Bei der
allgemein vorhandenen Blindleistung des Verbrauchernetzes ist der Strom im Verbraucher
gegenüber der Spannung phasenverschoben, so daß die Stromrichtung in jedem Punkt
der Spannungskurve nicht eindeutig ist. Somit kann in jedem Punkt der Spannungskurve
je nach Größe und Vorzeichen der Phasenverschiebung q@ der Strom und damit der Momentanwert
der Leistung im Umrichter die eine oder die andere Richtung aufweisen. Da aber je
nach der Energierichtung die Gittersteuerung der Entladungsgefäße für Gleich- oder
Wechselrichterbetrieb einzustellen ist, muß die Gittersteuerung der Entladungsgefäße
von der Phasenverschiebung 99 des an den Verbraucher abgegebenen Stromes
abhängig gemacht werden. Da die Richtung, der vom Gleich- oder Wechselrichter abgegebenen
Spannung im Takt der Sekundärfrequenz des Umrichters sich ändert, muß jede Gruppe
von Entladungsgefäßen periodisch ihre Betriebsart ändern.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Umrichter zum Umformen einer
gegebenen Frequenz in Wechselstrom kleinerer Frequenz unter Verwendung von mindestens
zwei Gruppen von mit Gittersteuerung
versehenen Entladungsgefäßen,
welche Gruppen abwechselnd als Gleich- oder als Wechselrichter arbeiten und ihre
Funktion bei jedem Richtungswechsel der Sekundärwechselspannung vertauschen, während
die beiden Gruppen über eine Drossel mit einer den einen Pol des Verbraucherkreises
bildenden Mittelanzapfung verbunden sind, bei welchem erfindungsgemäß die Gittersteuerungseinrichtung
die Entladungsgefäße so steuert, daß sie unabhängig vom Leistungsfaktor des Verbrauchers
ausschließlich in Abhängigkeit von der Richtung des Momentanwertes der sekundären
Wechselspannung derart arbeiten, daß jeweils die eine Gruppe als Gleichrichter und
gleichzeitig die andere Gruppe als Wechselrichter gesteuert ist, und daß ferner
die Differenz zwischen der Gleichrichter- und derWechselrichterspannung derheiden
Gruppen so gewählt ist, daß in dem durch die beiden Gruppen gebildeten Stromkreis
dauernd ein Trägergleichstrom fließt, welcher mindestens gleich der halben Amplitude
des Verbraucherstromes ist, so daß jederzeit mindestens je ein Entladungsgefäß jeder
Gruppe Strom führt.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung erläutert, in welcher Fig.
i das Prinzipschema des Umrichters gemäß der Erfindung und Fig.3 ein vereinfachtes
Schaltschema für die Ausführung zeigt; Fig. 2 und 4 zeigen Strom- und Spannungsdiagramme;
in Fig. 5 ist ein vollständiges Schalt- und Steuerschema der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt einen Umrichter für die Umformung von Dreiphasenstrom
von 5o Perioden aus dem Netz P in Einphasenstrom von 16 2/s Perioden zur Speisung
des Verbrauchers V in dem Verbrauchernetz S. Der Umrichtertransformator T besitzt
die Sekundärwicklungen t1, t2, welche über die beiden Gruppen von Entladungsgefäßen1171,
M2 den Verbraucher h in Brückenschaltung speisen. Die Entladungsgefäße der beiden
Gruppen sind bezüglich des Verbrauchers gegensinnig geschaltet. Als Entladungsgefäße
kommen solche mit Gas- oder Dampfentladungsstrecke und mit den Anoden vorgelagerten"Steuergittern
in Betracht. Mit Rücksicht auf die Erleichterung des Verständnisses der folgenden
Erläuterung der Wirkungsweise des Umrichters sind in Fig. r die die Gruppen von
Entladungsgefäßen speisenden Sekundärwicklungen ti und t2 getrennt voneinander dargestellt.
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Die von den beiden abwechselnd als Gleich- oder Wechselrichter arbeitenden
Entladungsgefäßen M1, 1V12 abgegebenen Spannungen sind wohl in ihren Mittelwerten,
nicht aber in ihren Momentanwerten gleich. Zufolge der Gegenschaltung der Spannungshalbwellen
in den den Verbraucher V speisenden Stromkreisen mit den beiden Gruppen von Entladungsgefäßen
M1, M2 bleibt in dem über die letzteren unter Umgehung des Verbrauchers sich schließenden
äußeren Stromkreis eine freie: Oberwellen-EMK übrig; welche in diesem Kreis einen
Ausgleichswechselstrom erzeugt. Infolge der mit der notwendigen Kommutierungsreserve
für den Wechselrichter verbundenen Zündvoreilung würde dieser Ausgleichstrom unzulässig
hohe Werte annehmen, so daß er durch eine Drossel D,. begrenzt werden muß-. Diese
widersetzt sich jeder Änderung ihrer Durchflutung. Im vorliegenden Fall bedeutet
dies, daß der aus dem Verbraucherkreis im Mittelpunkt der Drossel D,. zufließende
Wechselstrom je zur Hälfte durch "die beiden Wicklungszweige der Drossel D,. fließen
möchte. Fehlt diese Möglichkeit; so stellt die Drossel einen unerwünschten großen
Blindleistungsträger dar. Daraus erwächst die Aufgabe, dem Verbraucherwechselstrom
trotz der Ventilwirkung der Entladungsgefäße den Weg in den beiden Zweigen frei
zu machen. Dies gelingt dadurch, .daß dem über die Entladungsgefäße geführten Verbraucherstrom
ein Trägergleichstrom überlagert wird, welcher mindestens so groß ist wie die halbe
Amplitude des Verbraucherwechselstromes. Auf diese Weise ist erreicht, daß den Wechselströmen
in den beiden Gruppen mit den Entladungsgefäßen der Weg über die Drossel frei gemacht
ist und daß letztere keinen unerwünschten Blindleistungsträger bildet. Der Trägergleichstrom
ist im Schema (Fig. i) durch die Pfeile a, b, c, d angedeutet. Der Strom
im Verbraucher; der sich diesem Trägergleichstrom überlagert, ist für die eine Gruppe
mit den Entladungsgefäßen mit den Pfeilen e, f, g und für die andere Gruppe
mit den Pfeilen h, i, k angedeutet. Damit ergeben sich die in Fig.2 dargestellten
Spannungs- und Stromverhältnisse. Die Kurve a zeigt die Form der Wechselspannung
ei = e2 in den beiden Stromkreisen mit den Entladungsgefäßen und im Verbraucher;
die Kurve ß zeigt den Wechselstrom im Verbraucher, und 'die Kurven y bzw. 8 zeigen
die Ströme in den aus den beiden Gruppen von Entladungsgefäßen M1 bzw. M2 gespeisten
Stromkreisen. Die Darstellung bei Fig. i ist- so gewählt, daß im betrachteten Zeitintervall
die Richtung für die Halbwelle des Verbraucherstromes gemäß den Pfeilen
e, f und h, i als positiv angenommen wurde. Weiter ist angenommen,
daß derTrägergleichstrom gleich der halben Amplitude des Verbraucherwechselstromes
sei. Bezüglich des Trägergleichstromes arbeitet dann in dem für die Fig. i angenommenen
Zeitintervall, wo die angegebene Spannung am Verbraucher von oben nach unten wirkt,
d. h. - die Sekundärspannungen ei und e2 positiv gerichtet sind, die Gruppe mit
dem Entladungsgefäß M1 als Wechselrichter und die Gruppe mit M2 als Gleichrichter.
Bezüglich des abgegebenen. Verbraucherwechselstromes aber arbeiten im Abschnitt
x beide Gruppen als Gleichrichter, im" Abschnitt y als Wechselrichter. Da aber der
resultierende Strom in den Entladungsgefäßen immer die Richtung des Gleichstromes
hat, so arbeitet im betrachteten Zeitintervall die Gruppe mit M1 als Wechselrichter;
die GruppemitM2 als Gleichrichter, und zwar während der ganzen Dauer der betrachteten
positiven Spannungshalbwelle, unabhängig von der Phasenverschiebung 9p des Verbraucherstromes.
Während der nächstfolgenden negativen
Spannungshalbwelle bleibt
die Richtung des Trägergleichstromes unverändert, so daß die beiden Gruppen ihre
Funktionen vertauschen. Die beiden Gruppen führen dabei nicht nur alternativ, sondern
dauernd Strom. Auf diesem Weg gelingt es, die Magnetisierung der Drossel D, durch
den Belastungsstrom zu umgehen, gleichzeitig den durch die Ungleichheit der Momentanwerte
der gezündeten Gleichrichter- und Wechselrichter-Wechselspannung entstehenden Ausgleichswechselstrom
im System in erträglichen Grenzen zu halten und damit auch für den Zündpunkt dieser
beiden Spannungen eine gewisse Freiheit offenzuhalten.
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Der Ausgleichswechselstrom ist um so größer, je größer die Zündvoreilung
bzw. -nacheilung der Wechselrichter- bzw. Gleichrichtergruppe ist, wobei für die
erstere eine gewisse Kommutierungsreserve für Schwankungen der ankommenden Netzspannung
von 5o Perioden bei Parallelbetrieb mehrerer Umrichter und für die Entionisierung
der Gitter bereitzustellen ist. Diese Reserve ergibt einen Überschuß der gezündeten
Gleichrichterspannung gegenüber der gezündeten Wechselrichterspannung. Da dieser
Überschuß in den beiden Gruppen immer in gleicher Richtung, und zwar in der Richtung
des Trägergleichstromes, wirkt, ist er für die Aufrechterhaltung dieses letzteren.
erwünscht und geeignet. Dieser Überschuß ist indessen für diesen Zweck noch zu groß
und muß durch eine Verzögerung des Zündpunktes des als Gleichrichter arbeitenden
Systems korrigiert werden. Der ohmsche und der induktive Spannungsabfall im Kreise
des Trägergleichstromes sind der Summe der Ströme im Gleichrichter und Wechselrichter,
also dem Trägergleichstrom selbst, proportional und daher vom Verbraucherstrom unabhängig.
Somit ergibt eine feste Einstellung des Gleichrichter- und des Wechselrichterzündpunktes
auch einen eindeutigen Wert des Trägergleichstromes.
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Die Anordnung gemäß Fig. i gestattet sowohl die Verwendung von einanodigen
wie auch mehranodigen Entladungsgefäßen. Sowohl der Verbraucherstrom als auch der
Trägerstrom durchfließen dabei die Transformatorsekundärwicklungen t1, 41 Zur Herabsetzung
der spezifischen Scheinleistung und der Verluste der Anlage muß versucht werden,
den Stromkreis des Verbraucherstromes wie auch des Trägerstromes möglichst kurz
zu gestalten und dieTransformatorwicklungen bestmöglich auszunutzen. Dieses Ziel
läßt sich unter Heranziehung von Einanodenstromrichtern am besten erreichen. Vertauscht
man unter Verwendung von Einanodenstromrichtern in der einen Gruppe die Reihenfolge
von Transformatorwicklung und Stromrichter, so lassen sich die beiden Transformatorwicklungen
t1, t2 zu einer einzigen Wicklung vereinigen, wie in Fig. 3 dargestellt.
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Bei dieser Schaltung ist die Länge des Trägergleichstromkreises reduziert,
er umfaßt nur noch die Entladungsgefäße und die Drossel. Nur in der Zeitspanne zwischen
der Wechselrichter- und der Gleichrichterkommutierung fließt derTrägergleichstrom
durch die Transformatorwicklung, so daß auch deren spezifische Scheinleistung und
die Verluste beträchtlich reduziert werden.
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Bei dem an sich bekannten Aufbau der Spannungskurve der abgegebenen
Wechselspannung von 162/s Perioden aus Bruchteilen der ankommenden Wechselspannung
von 5o Perioden muß der Oberwellengehalt der abgegebenen Spannung gegenüber dem
Leistungsfaktor abgewogen werden. Je geringer, also je günstiger der erstere gewählt
wird, um so geringer, also um so ungünstiger wird der letztere. Ein vernünftiger
Kompromiß ergibt sich beim Aufbau der sekundären Spannungshalbwelle aus fünf um
30° gegeneinander verschobenen Ausschnitten gemäß Fig, 4. Hier sind die Amplituden
der aufeinanderfolgenden Spannungskurven von 50 Perioden im Verhältnis der
im Abstand von 3o° aufeinanderfolgenden Momentanwerte einer Sinuskurve abgestuft,
also im Verhältnis 0,5 : o,866: i : o,866: o,5. Die zugehörige Schaltung der Sekundärwicklung
des Trafos T ist in Fig. 5 dargestellt. Sie zeigt, daß die Sekundärwicklungen aller
drei Säulen aus Abschnitten gleicher Länge (Win.dungszahl) zusammengesetzt sind
und Ströme in beiden Richtungen führen.
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An Hand der Fig. 4 und 5 sei die Art der Steuerung der Entladungsstrecken
4 bis i i der beiden Gruppen Ml, M2 von Entladungsgefäßen erläutert. Gemäß dem Erfindungsgedanken
arbeitet zu jeder Zeit von jeder der beiden Gruppen Ml, M2 mindestens je eine Entladungsstrecke,
weil über die Drossel D, dauernd der Trägergleichstrom fließen muß. Die stark ausgezogene
Kurve in Fig. 4 a bezeichnet die vom Umrichter abgegebene Leerlaufspannung, während
die stark gestrichelte Kurve den geglätteten Belastungsstrom mit der Phasenverschiebung
darstellt. Dieser Strom zerlegt sich zufolge, der Wirkung der Drossel in zwei Ströme,
welche die beiden Hälften der Drossel D,. im Gegensinn durchfließen und dem Trägergleichstrom
sich überlagern. In Fig. 4b und 4c ist der Trägergleichstrom I. als positiv nach
oben eingezeichnet; die gestrichelten Kurven stellen den resultierenden Strom in
den beiden Hälften der Drossel D, dar.
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Der Strom in der linken Hälfte der Drossel wird nacheinander von den
Entladungsstrecken 4, 5, 6, 7, derjenige der rechten Hälfte der Drossel von den
Entladungsstrecken 8, 9, 1o, 11 geliefert. Während der positiven Spannungshalbwelle,
welche an den Klemmen 43 des Verbraucherkreises von links nach rechts gerichtet
ist, arbeitet somit die Gruppe Ml als Gleichrichter, die Gruppe M2 als Wechselrichter.
Kehrt in der nächsten Spannungshalbwelle die Spannungsrichtung uni, so vertauschen
die beiden Gruppen Ml, M2 ihre Funktion, und so fort. Das bedeutet, daß die beiden
Gruppen Ml, M2 abwechslungsweise als Gleich- und als Wechselrichter, aber gegeneinander
um eine Halbwelle verschoben, arbeiten. Abgesehen von den Zeitunterschieden im Kommutierungsbeginn
arbeiten also die Entladungsstrecken 4 und 8 bzw. die Entladungsstrecken 5 und 9
usw. gleichzeitig. Entsprechend der verschiedenen Funktion der beiden Gruppen Ml,
M2 in einem betrachteten Zeitpunkt und mit Rücksicht
auf die Größe
des Trägergleichstromes I muß die Kommutierung zweier Entladungsstrecken auf der
Gleichrichterseite etwas nach dem Schnittpunkt der zugehörigen Spannungskurve erfolgen,
auf. der Wechselrichterseite dagegen etwas vor diesem Schnittpunkt, wie aus den
Fig. 4b, 4c ersichtlich, wo die verschiedene Funktion der beiden Gruppen mit GR
und WR bezeichnet und die Zeit der Ablösung zweier Anoden ohne Berücksichtigung
der Überlappung durch die vertikalen gestrichelten Linien angegeben ist.
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Die Gittersteuerung der Entladungsstrecken der Gruppen M1, M2, derart,
daß jede Entladungsstrecke im Takt der abgegebenen Spannung abwechselnd als Gleich-
oder als Wechselrichter wirksam ist, kann beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 5
dargestellten Kontaktapparatur durchgeführt werden. In dieser Figur ist wieder der
Umrichtertransformator mit T bezeichnet. M1, M2 sind die beiden Gruppen mit den
Entladungsgefäßen 4 bis 7 und 8 bis =I. Die Gitter der Entladungsstrecken werden
über die Widerstände 24 bis 31 und die Isolierwandler 34 bis 41 aus der Gitterspannungsquelle
44 gesteuert; sie sind aus den Gitterspannungsquellen 16 bis 23 negativ aufgeladen.
Mit 14 und 15 sind Kontaktapparate für die periodische Zündung der Entladungsstrecken
bezeichnet, die von dem Synchronmotor 13 betrieben werden, der durch Transformator
I2 am Netz P liegt. Der Synchronmotor 13 treibt die über die Kontaktbahn der Kontaktapparate
rotierenden Bürsten =4a, =5a so an, daß die Bürsten während einer Periode der abgegebenen
Wechselspannung je eine volle Umdrehung machen. Die Kontaktbahnen der Kontaktapparate
14, 15 bestehen aus. einer Anzahl von gegeneinander isolierten Kontaktlamellen.
Die Winkelteilung x1 bis x5 der Lamellen der Kontaktbahnen der Kontaktapparate 14,
15 entspricht den elektrischen Winkelgrößen zwischen den Schnittpunkten der aufeinanderfolgenden
Anodenspannungen der Entladungsstrecken über eine Halbwelle der abgegebenen Wechselspannung
(vgl. Fig. 4a). Je zwei diametral gegenüberliegende Kontaktlamellen der Kontaktapparate
sind leitend verbunden.
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Die Zündung einer Anode und damit einer Entladungsstrecke wird durch
einen dem zugehörigen Gitter aufgedrückten Steuerimpuls eingeleitet, der durch die
Lage der rotierenden Bürste auf den diametral verbundenen Lamellen der Kontaktapparate,
bestimmt ist. Die Lamellen der oberen Hälfte des Umfanges der Kontaktbahn des Kontaktapparates
14 und die Lamellen der unteren Hälfte des Umfanges der Kontaktbahn. 15 werden
während der positiven Spannungshalbwell:e von den Bürsten =4a# 15" bestrichen, die
untere Hälfte der Kontaktbahn 14 und die obere Hälfte der Kontaktbahn 15 dagegen
während der negativen Spannungshalbwelle. Damit bestimmungsgemäß in der positiven
Spannungshalbwelle die Gruppe M1 als Gleichrichter arbeitet, müssen die isolierenden
Trennstellen zwischen den Lamellen der oberen Hälfte des Umfanges des der Gruppe
M1 zugeordneten Kontaktapparates 14 gegenüber der durch x, bis x5 gegebenen Winkelteilung
so weit verschoben sein, daß die Gittersteuerimpulse zeitlich nachlaufen.
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Nach Ablauf der positiven Spannungshalbwelle, also während der negativen
Spannungshalbwelle müssen die Gitter derselben Gruppe M1 als Wechselrichter gesteuert
werden. Zu diesem Zweck sind die zu isolierenden Trennstellen der Lamellen auf der
unteren Hälfte des Umfanges des Kontaktapparates 14 im Gegensinn zur Drehrichtung
der Bürsten =4a verschoben. Das gleiche gilt für den Kontaktapparat 15 zur
Steuerung der Gruppe M2, mit dem Unterschied, daß die Bürste 15" gegenüber der Bürste
=4a um =8o° versetzt angeordnet ist.