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Prüfs chaltung für Ho chsp annungsstromrichter Es ist im allgemeinen
nicht oder nur sehr schwer möglich, Hochspannungsstromrichter für höhere Leistungen
im Prüffeld in ihrer normalen Betriebsschaltung mit annähernd der vollen Leistung
zu prüfen, da es einerseits unwirtschaftlich wäre, lediglich für solche Prüfzwecke
Stromerzeuger der erforderlichen Leistung zur Verfügung zu halten, und außerdem
meist keine Möglichkeit besteht, die mit hoher Spannung in Form von Gleichstrom
anfallende Prüfenergie nutzbringend zu verwerten. Man müßte sie vielmehr in Belastungswiderständen
vernichten, wozu wider umfangreiche Anlagen und Betriebsmittel notwendig wären.
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Die Erfindung betrifft eine Prüfschaltung, die es gestattet, die
Stromrichterelemente bei einem Stromrichter mit Entladungsstrecken, also dessen
Entladungsstrecken, unter praktisch den gleichen Spannungs- und Stromverhältnissen
zu prüfen, wie sie nachher im normalen Betrieb vorhanden sind, ohne daß dabei die
obengenannten Schwierigkeiten in Kauf genommen zu werden brauchen. Hierfür wird
bei einer Prüfschaltung für Hochspannungsstromrichter, wobei die zu prüfenden Entladungsstrecken
in zwei Stromkreise eingeschaltet sind, von denen der eine mit hoher Spannung, aber
geringem Strom und der andere mit niedriger Spannung, aber hohem Strom arbeitet,
erfindungsgemäß die Anordnung derart getroffen, daß während der Brennzeit der zu
prüfenden Entladungsstrecken beide Stromkreise über diese Entladungsstrecken geschlossen
sind und nach Erlöschen
der Gefäße das eine Gefäß unmittelbar mit
einer der höheren Prüfspannung entsprechenden negativen Sperrspannung beaufschlagt
wird, während das andere Gefäß während der Sperrzeit eine im wesentlichen positive
Spannungsbeanspruchung erfährt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen
Prüfschaltung besteht darin, daß zwei mehrphasige Stromrichteranordnungen gleicher
Phasenzahl, insbesondere in Nullpunktschaltung, vorgesehen werden, die je einen
besonderen Transformator und einen besonderen Belastnngswiderstand enthalten und
von denen die eine für hohe Spannungen und niedrigen Belastungsstrom, die andere
für niedrige Spannung und hohen Belastungsstrom ausgelegt ist.
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Diese beiden Stromrichteranordnungen werden derart zusammengeschaltet,
daß in bezug auf den Niederspannungskreis jede Entladungsstrecke des Niederspannungsstronrrtchters
mit einer entsprechenden Entladungsstrecke des Hochspannungsstromrichters gleichsinnig
hintereinandergeschaltet ist.
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Ein dieser Ausführungsform entsprechendes Schaltbild ist in Fig.
I der Zeichnung dargestellt. Die eine Stromrichteranordnung wird gebildet durch
den Transformator I mit den sekundären Phasen U, V, W, den kathodenseitig untereinander
verbundenen Entladungsstrecken , v, w und dem Belastungswiderstand R. Zur Glättung
des Stromes im Gleichstromkreis dient die Induktivität Lg. Der Transformator I möge
so ausgelegt sein; daß er auf seiner Sekundärseite die volle betriebsmäßige Spannung
für die Stromrichterröhren «, v, bzw liefert. Die zweite, für niedrige Spannung,
aber etwa den vollen Betriebsstrom der Entladungsstrecken ausgelegte Stromrichteranordnung
umfaßt den Transformator 2 mit den Sekundärphasen X, Y, Z, die Entladungsstrecken
x, y, z und den Widerstand r. Jede Entladungsstrecke des Niederspannungssystems
ist in bezug auf den durch den Widerstand r gebildeten Belastungskreis mit je einer
Entladungsstrecke des anderen Stromrichtersystems in Reihe geschaltet.
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So liegt beispielsweise die Entladungsstrecke x in Reihe mit der Entladungsstrecke
6. Es ist hier angenommen, daß die Entladungsstrecken mit Gittersteuerung ausgerüstet
seien, obwohl selbstverständlich auch andere Steuerungsarten in Betracht kommen,
wie überhaupt die erfindungsgemäße Prüfschaltung nicht auf die Prüfung von Entladungsstrecken
beschränkt ist, sondern auch beispielsweise bei Kontaktstromrichtern sinngemäß Anwendung
finden kann.
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Die Steuerkreise sind nur schematisch angedeutet, und es ist unter
Fortlassung aller Isoliertransformatoren und sonstiger Schaltungsteile nur der für
die Verschiebung der Steuerspannungen erforderliche Drehtransformator 4 und der
zur Erzeugung spitzer Spannungsstöße dienende Steuersatz 5 dargestellt.
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Bezogen auf den Hochspannungstransformator I weist die Anordnung
der Entladungsstrecken beider Stromrichter eine gewisse Übereinstimmung mit der
bekannten Graetzschaltung auf. Es sollen daher, bevor die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Prüfschaltung näher erläutert wird, zunächst einmal die Spannungsverhältnisse an
den Entladungsstrecken einer dreiphasigen Graetzschaltung näher betrachtet werden.
In Fig. 2 ist eine solche Graetzschaltung dargestellt. Die gemeinsame Kathodenverbindung
der Entladungsstrecken u, v, w bildet dabei den Pluspol und eine gemeinsame Anodenverbindung
der Entladungsstreckenx, y, z den Minuspol des Gleichstromkreises.
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In Fig. 3 a sind die Spannungskurven der drei Transformatorphasen
U, V, W kurvenmäßig dargestellt.
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Betrachtet man jetzt die Entladungsstrecken «, v, w, so erkennt man
zunächst, daß das gemeinsame Kathodenpotential bestimmt ist durch die jeweils brennende
Entladungsstrecke. Solange 6 brennt, liegen die Kathoden aller drei Entladungsstrecken
an der Phase U, und zwischen der Anode und der Kathode der Entladungsstrecke «6
herrscht nur die Brennspannung. Wird X von v abgelöst, so liegen die Kathoden an
der Phase V, und die Spannung an der Entladungsstrecke X ist gleich der Differenz
zwischen den Spannungen der Phasen U und V: Wird schließlich v von w abgelöst, so
liegen die Kathoden an der Phase W, und die Ventilspannung an X ist gleich der,
Spannungsdifferenz U - W. Diese Verhältnisse gelten in den negativen Halbwellen
sinngemäß für die Entladungsstrecken x, y, z. Die Brennzeiten der Entladungsstrecken
sind in Fig. 3 a dadurch angedeutet, daß die entsprechenden Stücke der Spannungskurven
ausgezogen dargestellt sind. Die Spannung an der Entladungsstrecke X liegt also,
wie das in Fig. 3 a durch senkrechte Schraffur dargestellt ist, während des überwiegenden
Teiles der Periode in Sperrichtung, während eine Sperrbeanspruchung in positiver
Richtung, wie durch die horizontale Schraffur angedeutet, nur während des Zündverzögerungswinkels
a, der hier zu 30° angenommen ist, auftritt. In Fig. 3b ist die Spannungsbeanspruchung
der Röhre X noch einmal gesondert herausgezeichnet. Man erkennt, daß die Spannungsbeanspruchung
der Röhren , v, w grundsätzlich in ihrem Verlauf nur durch die Kommutierungsvorgänge
zwischen diesen Röhren bedingt ist und daß die Röhren x, y, z der anderen Gruppe
nur infolge der Transformatorstreuung einen indirekten und unwesentlichen Einfluß
darauf haben können.
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Dasselbe gilt nun wegen der gleichartigen Schaltung auch für die
Röhren «, v, w der Prüfschaltung nach Fig. 1, SO daß die bezüglich der Graetzschaltung
angestellten Betrachtungen auch hier volle Gültigkeit haben. Die Steuerung der Röhren
erfolgt so, daß die beiden in bezug auf den Niederspannungskreis hintereinandergeschalteten
Röhren gleichzeitig gezündet werden. Es wird also z. B. Röhre x gleichzeitig mit
Röhre « gezündet. Die Röhre X führt in der Prüfschaltung während ihrer Brennzeit
den Gesamtstrom J,, r + i2, wobei io der kleine, dem Hochspannungstransformator
I entnommene, i, der hohe, dem Niederspannungstransformator 2 über dieRöhrex zugeführte
Stromanteil ist. Während der Sperrzeit ist aber die an der Röhre X auftretende Spannungsbeanspruchung
lediglich durch die von dem Hochspannungstransformator I zugeführte Spannung bestimmt.
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Es mögen nun die Röhren x, y, z betrachtet werden.
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Während ihrer Brennzeit führen sie die Ströme i2, i,, bzw. iz, die
von dem Niederspannungstransformator 2
geliefert werden. Während
der Sperrzeit sind kleine negative Spannungen an den Anoden wirksam, die ebenfalls
von dem Transformator 2 herrühren. Zu diesen addieren sich jedoch hohe positive
Spannungen, die von dem Transformator I geliefert werden, so daß sich für die Röhrenx,
y, z insgesamt hohe Sperrspannungen in der Durchlaßrichtung ergeben. So gilt, wie
aus Fig. I zu entnehmen ist, für die Spannung e" an der Röhre x kurz nach deren
Erlöschen eO, = + Ex - eg + Eu + Eg.
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Darin bedeutet Ex die Spannung der Phase X des Transformators 2,
Eu die Spannung der Phase U des Transformators I, e" die Spannung an dem Belastungswiderstand
r im Niederspannungskreis und Eg die Spannung an dem Belastungswiderstand R im Hochspannungskreis.
Da in diesem Bereich eg gleich Er und Eg gleich Ev ist, so ergibt sich e, = - (Ex
t- Ey) + (Eu+Ev) = Ey) = Eo - =Euv-Ex Das heißt aber, daß nach dem Erlöschen von
Rohr x an diesem eine positive Anodenspannung im Betrage der Differenz der verketteten
Spannungen Euv des Transformators I und Exy des Transformators 2 auftritt. Diese
Verhältnisse sind kurvenmäßig in Fig. 4 dargestellt, wobei Fig. 4 a die Transformatorspannungen
U, V, W, X, Y und Z und Fig. 4 b die Spannungen zwischen der Anode und der Kathode
der Röhre x zeigt.
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Nach dieser Überlegung wäre angesichts der Tatsache, daß nach dem
Erlöschen des Rohres x die Spannung an ihm auf einen hohen positiven Wert springen
würde, eine Kommutierung von x nach y überhaupt nicht möglich. Der Strom i j, müßte
vielmehr, sobald das Rohr X erloschen ist, in dem Stromkreis Phasen, Rohr x, Phase
U, Phase V, Rohr v, Widerstandr kurzschlußartig ansteigen. Eine Kommutierung von
x nach y ist folglich nur möglich, solange das Rohr X noch brennt, oder, anders
ausgedrückt, die Kommutierung von x nach y muß früher vollzogen sein als die von
u nach v.
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Um dies zu erreichen, gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten,
von denen im folgenden einige angegeben werden: I. Der Transformator 2 wird für
wesentlich kleinere Streuung ausgelegt als der Transformator I. Kleinerer Streuung
entspricht bekanntlich eine raschere Kommutierung.
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2. Die Streuung des Transformators I wird durch zusätzliche Drosseln
auf der Primär- oder der Sekundärseite erhöht.
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3. Die SekundärphasenX, Y, Z des Transformators 2 werden gegenüber
den Sekundärphasen U, V, W des Transformators I in voreilendem Sinne verschoben,
so daß bei gleichzeitiger Zündung der jeweils hintereinandergeschalteten Röhren
die Zeitpunkte der Röhren x, y, z, bezogen auf die Phasen X, Y, Z, verzögert werden.
Auch dies hat eine Verkürzung der Kommutierungszeiten in dem Niederspannungskreis
zur Folge, da bei Zündverzögerung im Kommutierungskreis höhere Kommutierungsspannungen
wirksam sind. Wird die Voreilung der Phasen X, Y, Z genügend groß gemacht, so tritt
im Niederspannungskreis lückenloser Betrieb auf, wodurch dann jede Kommutierungsschwierigkeit
behoben ist. Diese Phasenverdrehung des Transformators 2 gegenüber dem Transformator
I kann in bekannter Weise entweder durch Wahl verschiedener Schaltungsgruppen für
die beiden Transformatoren oder durch Vorschaltung eines Schwenktransformators vor
einen von beiden Transformatoren erzielt werden.
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4. Parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 2 werden kommutierungsbeschleunigende
Glieder geschaltet, die, wie in Fig. 1 angedeutet, aus Widerständen 6 und Kondensatoren
7 bestehen können.
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5. Im Hochspannungsgleichstromkreis wird in Reihe mit dem Belastungswiderstand
R eine Glättungsdrossel Lg geschaltet, die eine wesentliche Glättung des Gleichstromes
Jg bewirkt. Dadurch wird erreicht, daß jeweils ein hoher Gleichstromwert kommutiert
werden muß, was eine Verlängerung der Brennzeiten der Röhren ß, v, w hervorruft.
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Die beschriebenen Maßnahmen können beliebig kombiniert werden, wobei
insbesondere eine Kombination von 3 und 4 bzw. von 3, 4 und 5 oder von 4 und 5 in
Betracht kommt.
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Im folgenden sollen die Strom- und Spannungsverhältnisse an Hand
von Fig. 5 noch einmal näher betrachtet werden, und zwar unter folgenden Voraussetzungen:
Die Phasen X, Y, Z mögen den Phasen U, V, W um 15" el vorauseilen. Die von dem Transformator
2 gelieferten Sekundärspannungen Ex, Ez und Ez seien ein Fünftel der Phasenspannungen
Eu, Ev und Ew, die von dem Transformator 1 herrühren.
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Dabei ist dieser Wert nur gewählt, um eine gute Darstellungsmöglichkeit
zu erhalten, während man in Wirklichkeit mit wesentlich größeren Spannungsverhältnissen,
beispielsweise 1 : 20 oder 1: 30, arbeiten wird. Die Normalströme des Transformators
2 seien umgekehrt fünfmal so groß wie die des Transformators I. Es sei also beispielsweise
Jx = 5 Ju.
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Die Transformatoren I und 2 besitzen dann die gleiche Typenleistung.
Schließlich sei angenommen, daß die Glättungsdrossel Lg so groß sei, daß der Gleichstrom
im Hochspannungskreis Jgpraktisch oberwellenfrei ist.
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Fig. 5 zeigt die unter diesen Voraussetzungen für die Röhren X und
x maßgebenden Strom- und Spannungsverhältnisse, und zwar auf der linken Seite bei
einer Zündverzögerung der Röhren zur v, w von a, = 30°, während die rechts gezeichneten
Diagramme für volle Aussteuerung, d. h. für a, = Null, gelten. Unter der früher
gemachten Voraussetzung, daß die beiden miteinander in Reihe liegenden Entladungsstrecken
jeweils gleichzeitig gezündet werden, ergeben sich für die Röhren X, Y, Z wegen
der Voreilung ihrer Anodenspannungen um 150 Aussteuerungswinkel von a2 = 45° auf
der linken Seite bzw. a, = I5" auf der rechten Seite.
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Die oberen Kurven zeigen die Phasenspannungen U, V, W des Transformators
I und X, Y, Z des Transformators 2. Die während der Brennzeit wirkenden Spannungsabschnitte
sind stark eingetragen und ergeben durch Aneinanderreihen den Verlauf der Gleich-
spannungen
Eg und eg. Bei der Gleichspannung Eg im Hochspannungskreis sind Kommutierungszeiten
von der Größe 81 berücksichtigt, und zwar ist auf der linken Seite 61 zu 120, auf
der rechten, entsprechend der höheren Aussteuerung, ö zu 200 angenommen.
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Das sind normale Werte bei üblichen Transformatorstreuungen. Die Gleichspannung
eg zeigt im links dargestellten Fall Lücken, während in dem rechts dargestellten
Betriebsfall lückenloser Betrieb vorhanden ist. Die Kommutierungszeiten für die
Röhren x, y, z wurden zu Null angenommen, unter der Voraussetzung, daß parallel
zum Transformator geschaltete Widerstandskondensatorglieder eine augenblickliche
Kommutierung ermöglichen.
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Die mittleren Kurven zeigen zunächst den Gleichstrom,, der verhältnismäßig
klein und durch die große Glättungsdrossel vollkommen geglättet ist. Der Gleichstrom
g im Niederspannungskreis ist dagegen groß und völlig ungeglättet. Links lückt i,,
rechts ist ig lückenlos. Der Strom i, der Röhre x dauert von dem Zeitpunkt t1 bis
t3. Der Strom J, der Röhre u, der sich zusammensetzt aus dem von dem Transformator
I herrührenden Strom io und dem Strom i, der Röhre x, dauert stets von t, bis t4
und zeigt bei t3 nach dem Erlöschen von x eine Stufe, da der Phasenstrom io des
Transformators I bis zum Zeitpunkt t4 über die Röhre X weiterfließt. Die Röhre x
erlischt also um den Zeitbetrag t4 - t3 vor der Röhre «. Dieser Zeitbetrag beträgt
in dem linken Betriebsfall p2 = 27O, in dem rechten Fallß2 = 20°.
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Die unteren Kurven zeigen den Verlauf der Spannungen an den Röhren
X und x. Die Röhre X (Spannung e,,) ist vorwiegend. in Sperrichtung, die Röhre x
(Spannung e2) dagegen vorwiegend in Vorwärtsrichtung beansprucht. Der Verlauf von
e" ist praktisch identisch mit dem-in normalem Gleichrichterbetrieb auftretenden
Spannungsverlauf (vgl. Fig. 3). Dagegen ist der Verlauf der Spannung efi,, am Rohr
x ziemlich ähnlich demjenigen, wie er bei Wechselrichterbetrieb auftritt. Der Verlauf
der Spannung eg zeigt Entionisierungswinkel von ß2 = 27 bzw. 200. Das sind Werte,
die den Kommutierungsreserven im Wechselrichterbetrieb sehr nahe kommen.
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Daraus ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Prüfschaltung die Möglichkeit
bietet, die eine Gruppe der Röhren, «, v, w, im Gleichrichterbetrieb und gleichzeitig
die andere, x, y, z, im Wechselrichterbetrieb zu prüfen, was ein wesentlicher Vorteil
ist.
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Der von dem Normalbetrieb etwas abweichende Anodenstromverlauf hat
auf die Ventilbeanspruchung keinen merklichen Einfluß. Für die Strombeanspruchung
einer Quecksilberkathodenröhre ist in erster Linie der Mittelwert des Anodenstromes
maßgebend.
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Sein Höchstwert ist erst von sekundärer Bedeutung.
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Der übrige Verlauf des Anodenstromes, insbesondere sein Abklingen,
spielt für die Ventilbeanspruchung keine Rolle, da sich das Lichtbogenplasma den
Stromänderungen mit einer Zeitkonstanten anpaßt, die um ein bis zwei Größenordnungen
kleiner ist als die Zeitkonstante des Stromverlaufes.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der in Fig. I dargestellten Prüfschaltung
besteht darin, daß die Rollen der beiden Röhrengruppen«, v, w und x, y, z vertauscht
werden können, ohne daß es hierzu umfangreicher Umschaltungen bedarf. Man braucht
zu diesem Zweck nur die Kathoden der Röhren , v, w auseinanderzuschalten, die Anoden
der Röhren x, y, z miteinander zu verbinden und den Niederspannungstransformator
an die Kathoden der Röhren , v, w anzuschließen. Der Widerstand r wird zwischen
den Nullpunkt des Niederspannungstransformators und die gemeinsame Anodenverbindung
der Röhren x, y, z und der Widerstand R zwischen diese gemeinsame Anodenverbindung
und den Nullpunkt des Hochspannungstransformators geschaltet. An jedem Widerstand
braucht also nur eine Klemme umgelegt zu werden. Das Ergebnis dieser Umschaltung
zeigt Fig. 6. In Fig. 6 ist dent Niederspannungstransformator 2 noch ein Schwenktransformator
3 vorgeschaltet, um eine Voreilung der Spannungen X, Y, Z gegenüber den Spannungen
U, V, W zu erreichen. Um die Isolationsbeanspruchung des Niederspannungstransformators
2 möglichst klein zu halten, ist dessen Sternpunkt, wie ebenfalls in Fig. 6 dargestellt,
geerdet.
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Man kann statt dessen auch, wie in Fig. I dargestellt, den positiven
Pol der Widerstände r und R an Erde legen. Ferner sind in Fig. 6 noch Überspannungsableiter
8 vorgesehen, die parallel zu den Sekundärwicklungen des Transformators 2 liegen
und diesen Transformator gegen Uberspannungen schützen.