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Schaltungsanordnung für aus wenigstens zwei Zwei- oder Mehrphasen-Gleichrichteranordnungen
bestehende Gleichrichter mit steuerbaren gas-oder dampfgefüllten Gleichrichtern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für Gleichrichter mit steuerbaren
gas- oder dampfgefüllten Gleichrichtern, die aus wenigstens zwei an die gleiche
Speisetransformatorwicklung und an gesonderte Gleichstrombelastungen angeschlossenen
Zwei- oder Mehrphasen-Gleichrichteranordnungen bestehen, wobei die Gleichrichter
von wenigstens einer der Zwei- oder Mehrphasen-Gleichrichteranordnungen kathodenseitig
an die erwähnte Speisetransformatorwicklung angeschlossen sind, so daß diese Kathoden
gegenüber der Wicklungsmitte des Transformators an einer Wechselspannung liegen.
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Bei ähnlichen Gleichrichteranordnungen ist es bekannt, die Größe,
Richtung und Zeitdauer des. dem Verbraucher von einer Speisewechselspannungsquelle
unmittelbar zugeführten Stromes und der Spannung allein durch die willkürlich oder
selbsttätig erfolgende Beeinflussung der Gitter mindestens zweier Gruppen gittergesteuerter
Dampfentladungsgefäße zu bestimmen, von denen höchstens eine einer möglichen Richtung
entsprechende Gruppe leitend ist. Dabei werden die zu der jeweils leitenden Gruppe
gehörenden gittergesteuerten Dampfentladungsgefäße einzeln gesteuert, während alle
übrigen Gefäße gesperrt sind. Die Entladungsgefäße können dabei durch eine phasenveränderliche
Gitterwechselspannung gesteuert werden. Es ist aber auch möglich, sämtliche Gruppen
von Entladungsgefäßen in Abhängigkeit von einer einzigen veränderbaren Gleichspannung
zu steuern. Die veränderbare Gleichspannung kann den einzelnen Gruppensteuerkreisen
hierbei
mit verschiedenem Vorzeichen zugeführt werden; und außer der veränderbaren Gleichspannung
kann auch eine Wechselspannung konstanter Amplitude und Phase in bezug auf die zugehörige
Anodenspannung den Gitterkreisen zugeführt werden.
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Liegt nun die Aufgabe vor, zwei oder mehr Gleichstromverbraucher aus
der Gleichrichterschaltung zu speisen, so würde sich bei dieser bekannten Schaltungsanordnung
ein erheblicher Aufwand ergeben, da praktisch alle Schaltelemente in doppelter Anzahl
vorgesehen sein müßten.
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Nach der Erfindung wird dieser Nachteil vermieden, und diese betrifft
eine Schaltungsanordnung für aus wenigstens zwei an die gleiche Speisetransformatorwicklung
und an gesonderte Gleichstrombelastungen angeschlossenen Zwei- oder Mehrphasen-Gleichrichteranordnungen
bestehende Gleichrichter mit steuerbaren gas- oder dampfgefüllten Gleichrichtern,
wobei die Gleichrichter von wenigstens einer der Zwei- oder Mehrphasen-Gleichrichteranordnungen
kathodenseitig an die erwähnte Speisetransformatorwicklung angeschlossen sind, so
daß diese Kathoden gegenüber der Wicklungsmitte des Transformators an einer Wechselspannung
liegen. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß das Steuerorgan eines -jeden
der letztgenannten Gleichrichter mit der Wicklungsmitte des Transformators über
eine gemeinsame Regelgleichspannung, eine dieser überlagerte Wechselspannung und
eine Ausgleichswechselspannung verbunden ist, mittels der die Spannung zwischen
der j eweiligen Kathode und der Wicklungsmitte ausgeglichen wird, die eine unerwünschte
Wechselspannung zwischen den Steuerorganen und den Kathoden herbeiführen würde.
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Die vorerwähnte, überlagerte Wechselspannung ist im vorliegenden Fall
eine sinusförmige Wechselspannung gleicher Frequenz wie die Speisewechselspannung.
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Diese Gleichrichterschaltunghat also den Vorteil, daß wenigstens zwei
der Zwei- oder Mehrphasen-Gleichrichteranordnungen j e an eine gesonderte, ungleich
zu regelnde Belastung angeschlossen sein können. Würde man .für .diesen Fall alle
Anoden mit dem Speisetransformator verbinden, während bei Zweiphasenschaltungen
die Kathodenpaare je über eine gesonderte Belastung an den neutralen Punkt des Transformators
angeschlossen sind, so könnte nur ein einziges Kathodenpaar geerdet werden. Da der
neutrale Punkt des Transformators dann nicht mehr geerdet werden kann, ist der neutrale
Punkt an die veränderliche Gleichspannung der zu regelnden Belastung angeschlossen,
die mit den geerdeten Kathoden verbunden ist. Das zweite Kathodenpaar ist über die
zweite Belastung an diesen spannungsveränderlichen neutralen Punkt angeschlossen,
so daß eine genaue Regelung der zweiten Belastung nicht weiter möglich ist. Der
die zweite Belastung durchfließende Strom ist dann ja ebenfalls von der Spannung
am neutralen Punkt abhängig, der den einen Pol der Belastung bildet. Der Nachteil,
daß wenigstens das eine Kathodenpaar an eine Wechselspannung angeschlossen ist,
wird von der über den Steuerkreis vorhandenen Ausgleichswechselspannung behoben.
Anstatt eines üblichen Transformators ist auch ein Autotransformator verwendbar.
Die Regelgleichspannungkannz. B. von derBelastung abgeleitet werden zur Regelung
auf konstante Spannung bei veränderlicher Belastung, insbesondere zur Regelung von
Gleichstrommotoren.
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An Hand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele
wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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In Fig. i sind die Netzspannungsklemrnen i und 2 mit einem Transformator
3 verbunden, dessen Sekundärwicklung mit den Kathoden q. der steuerbaren gas-oder
dampfgefüllten Gleichrichterröhren 5 in Doppelwegschaltung verbunden ist. Die Anoden
6 dieser Röhren sind an die Belastung 7 (z. B. die Feldwicklung eines zu regelnden
Gleichstrommotors) angeschlossen, deren anderer Anschluß in üblicher Weise mit dem
geerdeten neutralen Punkt A des Transformators 3 verbunden ist. Parallel zur Belastung
7 ist über den Punkt 8 (und A) ein für das verfolgte Ziel geeignetes Regelgerät
g angeschlossen; das den Klemmen zo und ii eine Regelgleichspannung zuführt, die
von den an die Belastung 7 gestellten Spannungsanforderungen abhängig ist. Diese
Regelspannung, die im vorliegenden Fall 2 V beträgt (die Gleichspannung an der Klemme
ii kann positiv oder negativ gegenüber dem Punkt io sein), ist über die Sekundärwicklung
des Transformators einerseits an die Kathoden q. und andererseits über einen Phasenschieber
an die Gitter 12 angeschlossen. Der Phasenschieber besteht aus einem Widerstand
13, einem Kondensator 1q., einem Widerstand 15 und einem Kondensator 16.
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Gegenüber dem neutralen Punkt A des Transformators 3 liegen die Kathoden
q. somit an einer Wechselspannung. Dies ist in Fig. 2 schematisch durch die Wechselspannung
AK angedeutet. Angenommen, daß die Zündkennlinie der Gleichrichter sich mit dem
Kathodenpotential deckt, stellt die Linie AK also gleichzeitig die Zündkennlinie
gegenüber dem Punkt A dar. Die halbe Transformatorspannung AK des Transformators
3 wird im vorliegenden Fall vom Phasenschieber um etwa go° in der Phase verschoben,
den Gittern 12 zugeführt, was in einem gesonderten Vektordiagramm (Fig. 3) dargestellt
wird. In Fig. 2 ist die Wechselspannung AK somit um go° in der Phase gegenüber der
Wechselspannung GK verschoben dargestellt, also der Spannung zwischen dem Gitter
G (i2) und der Kathodenleitung K (q.). Gegenüber dem Punkt A können die beiden
Spannungen AK und GK summiert. werden, da diese beiden im Gitterkreis i2-i5-i3-E-ii-io-A-K-4
auftreten. Die Summierung liefert die Spannung AKG. Im dargestellten Fall
tritt dann Zündung desjenigen Gleichrichters auf, dessen Anodenspannung gegenüber
der Kathode positiv ist, und zwar am Punkt X, wenn dies von dem neutralen Punkt
A aus betrachtet wird. Wird der Zündzeitpunkt, wie üblich, gegenüber der Kathodenlinie
K (q.) 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 in Fig.
2 angedeutet ist. Indem nunmehr die summierte Spannung AKG mit Hilfe der
Regelgleichspannung oder - V herauf- oder herabgeschoben wird, kann die betreffende
Gleichrichterröhre voll ausgesteuert werden, d. h. theoretisch mit einer Phasenverschiebung
von
o bis i8o°. Beträgt die Regelspannung -f- V gegenüber der Nullinie, entsprechend
der Fig. 2, so kann die summierte Spannung mit AKG' bezeichnet werden, und
es erfolgt die Zündung am Punkt Y am Anfang der positiven Halbwelle. Der Gleichrichter
liefert dann die Maximalspannung. Wird die Regelspannung bis auf - V herabgemindert,
so sinkt die summierte Spannung auf AKG" zurück, und es findet Zündung am
Ende der für die Anode des Gleichrichters positiven Halbperiode statt, d. h. am
Punkt Z. Wie auseinandergesetzt findet die tatsächliche Zündung gegenüber der Kathode
4 (K) am Schnittpunkt der phasenverschobenen Wechselspannung GK und der Nullinie
statt, wobei die Spannung GK, die gleichfalls der Regelgleichspannung + V bzw. -
V überlagert ist, auch Zündungen bei Y bzw. Z liefert.
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Bei der Schaltung nach Fig. i sind die Spannungen derart gewählt,
daß die Speisewechselspannung eines jeden Gleichrichters, d. h. die Spannung
AK selbst als Ausgleichsspannung für das Gitter dient, und zwar in umgekehrter
Richtung, also KA über den Gitterkreis, was weiter dadurch erreicht wird,
daß die Gitterwechselspannung über G, nach Phasenverschiebung, von KA stammt. Im
Gesamtgitterkreis sind also die Ausgleichspannung KA (die als AK als Speisespannung
dient), die Gleichspannung io, ii und die Gitterwechselspannung über G vorhanden.
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Aus der Fig.2 ist ersichtlich, daß die Scheitelspannung von
GK, GK etwa gleich der Spannung V sein muß, um eine Vollaussteuerung zu ermöglichen.
Tatsächlich kann diese Scheitelspannung etwas geringer als V sein, da der Gleichrichter
nicht über die ganzen 18o°, sondern z. B. über 165 bis z75° gesteuert wird. Einfachheitshalber
wird jedoch angenommen, daß
in Effektivspannung ausgedrückt.
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In Fig. 3 sind in einem Vektordiagramm die Wechselspannungen und die
Phasenverschiebungen dargestellt. 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 13). 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 gleich der halben Transformatorspannung (Fig. i) ist, von der GK abgeleitet
wird.
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Aus dem Vektordiagramm folgt:
und DK = 1/2 KE j/2 (3) oder
KE = 2 GK. (q )
Indem (i)
in (4) substituiert wird, hat man
Da KE = KA (Fig. 3), bedeutet dies, daß, wenn die halbe Transformatorspannung gleich
dem 1/2-fachen der'halben Regelgleichspannung ist, der richtige Ausgleich entsteht.
Ist z. B. die Netzspannung 22o V, so ist KA = iio V. Beträgt die Regelgleichspannung
von + V bis - V = 2 V = 156V, so ist V=78 ' und V f-2 gleichfalls
iio V, so daß die Bedingung (5) erfüllt ist.
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An die Enden der Sekundärwicklung des Speisetransformators 3 ist noch
eine zweite Doppelweggleichrichterschaltung angeschlossen, deren Gleichrichter 17
mit den Anoden 18 an den Transformator angeschlossen sind. Die Steuerung dieser
Gleichrichter erfolgt mittels der gesättigten Transformatoren ig, die zwischen den
Gittern 2o und den Kathoden 21 liegen. Die Kathoden sind über eine zweite zu regelnde
Belastung 22 mit dem geerdeten Punkt A verbunden und haben also gegenüber A eine
veränderliche Gleichspannung, die für die Steuerung dieser Röhren unbedenklich ist.
Die Belastung 22 kann z. B. der Anker des Gleichstrommotors sein, dessen Feld die
Belastung 7 bildet. Die Belastung 22 ist regelbar, indem die spitzen Spannungen
der Transformatoren ig mit Hilfe von an sich bekannten Mitteln in der Phase verschoben
werden. Die Anwendung von spitzen Spannungen ermöglicht bekanntlich eine besonders
genaue Spannungsregelung. Braucht die Regelung nicht so genau zu sein, so kann zur
Steuerung der Gleichrichter 17 ebenfalls eine einer veränderlichen Gleichspannung
überlagerte Wechselspannung verwendet werden, wodurch eine wirtschaftlichere Apparatur
entsteht, da die gesättigten Transformatoren ig unwirtschaftlicher als eine Regelgleichspannungsquelle
g sind. In diesem Fall können auch die Gleichrichter 17 mit den Kathoden an die
Transformatorwicklung angeschlossen und entsprechend den Gleichrichtern 5 mit einem
Steuergerät versehen werden, wobei die Kathodenwechselspannung ebenfalls und in
ähnlicher Weise ausgeglichen wird. Eine solche Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt.
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Anstatt des Transformators 3 kann auch ein Autotransformator in der
gleichen Schaltung verwendet werden.
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Es kann vorkommen, daß die zur Verfügung stehende Regelgleichspannung
nicht dem vorerwähnten Wert 2 V = 156 V entspricht und nur mit einem viel verwickelteren
Regelgerät g (Fig. i) diese Spannung erzielbar ist.
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In diesem Fall wäre kein hinreichender Ausgleich möglich.
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Gemäß der Erfindung wird in solchen Fällen die Ausgleichspannung auch
mit Hilfe einer Hilfstransformatorwicklung erhalten, die zweckmäßig aus einer Hilfswicklung
auf dem Speisetransformator besteht. Da die Hilfswicklung nur eine geringe Leistung,
z. B. o,i Watt bei einer Gleichrichterleistung von ioo Watt, zu haben braucht, ist
dies ganz unbedenklich.
Fig. 5 stellt die gleiche und im wesentlichen
gleich bezeichnete Schaltung wie Fig. i dar, mit dem Unterschied, daß einAutotransformator
mit einer Ausglechswicklung 23 zwischen den beiden Widerständen 13 angeordnet und
die Gleichspannung an die Mitte C angeschlossen ist. Das Vektordiagramm dieser Schaltung
ist in Fig. 6 dargestellt. Es entspricht im wesentlichen demjenigen nach Fig. 3,
und der Unterschied besteht nur im zusätzlichen Vektor EC, der gleich der halben
Spannung der Gesamthilfswicklung 23 ist. Auf ähnliche Weise wie vorerwähnt, hat
man, wieder
Nunmehr ist jedoch die halbe Spannung der Hilfswicklung EC = KC
- KE (6)
oder
und da die Wechselspannung KC auch gleich K4. ist, ist
Beträgt die Netzwechselspannung z, B. 38o V und die gesamte Regelgleichspannung
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 i8o V lieferrf und soll umgekehrt angeschlossen werden,
da FC negativ ist. Das Vektordiagramm wird dann, Wie schematisch in .Fig. 7 dargestellt
ist.
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Ist die Netzspannung 22o V und die Regelgleichspannung 156 V, so wird
mit anderen Worten, die Hilfswicklung kann entfallen, wodurch grundsätzlich die
Schaltung nach Fig. i verbleibt, jedoch mit einem Autotransformator. Wenn aus irgendeinem
Grunde ein anderer Phasenschieber erwünscht ist, kann z. B. eine Schaltung nach
Fig. 8 verwendet werden, bei der die Phasendrehung mittels einer Selbstinduktion
24 mit Mittelanzapfung eines regelbaren Widerstandes 25 und eines Kondensators 26
erzielt wird. Die Spannung über die Hilfstransformatorwicklung 23 soll dann entsprechend
dem Werte der Selbstinduktion 24 größer gewählt werden. Im dargestellten Fall wird
die Regelvorrichtung 9 von Hand eingestellt.
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`Bei einer"Dreiphagengleichrichterschaltung gemäß der Erfindung kann
die Schaltung entsprechend Fig. 9 ausgebildet werden.
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Die Netzspannungsklemmen sind mit 27, 28 und 29 bezeichnet, an die
der Dreiphasenautotransformator 30 .angeschlossen ist. Die Gleichrichterröhren 31
sind mit Gittern 32 versehen, die j e an eine Hilfswicklung 33, deren Spannung i2o°
-Phasenverschiebung gegenüber der Kathodenspannung an 3o aufweist, und an die in
Reihe mit- der Wicklung 33 liegende Hilfstransformatorwicklung 34 angeschlossen
sind. Die Enden der Wicklung- 34 liegen am Regelgerät 9, mit dem die Gleichspannung
eingestellt wird, die wieder an dem neutralen Punkt A des Autotransformators liegt.
Die Wicklung 34 trägt zum Ausgleich bei, während die Wicklung 33 die i2o° Phasenverschiebung
für die Röhre 31 liefert. Auch die anderen Gleichrichter sind auf ähnliche Weise
angeschlossen. Der Steuerkreis der in der Fig. 9 lins dargestellten Röhren ist einfachheits--halber
weggelassen. Die -Gleichrichter 35 der zweiten Gleichrichterschaltung sind mit ihren
Anoden an den Transformator 3o angeschlossen und können z. B. entsprechend Fig.
i gesteuert werden. Das Vektordiagrämm dieser Schaltung mit den Röhren 31 ist in
Fig. io 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. ii dargestellt. Die Spannung an der Belastung 7 wird einem Steuergerät 36
zugeführt, mit dem die Gitterspannung der Hilfsgleichrichterröhre 37 .beeinflußt
wird. Die Kathode dieser Röhre ist über eine Stabilisierungsröhre 38 mit der Mitte
A des Autotransformators 3 verbunden. Die Hilfsröhre 37 wird aus einem Hilfstransformator
38" gespeist und hat als Belastung einen Widerstand 39, zu dem zur Glättung ein
Kondensator 40 parallelgeschaltet ist. Die Kathode der Röhre 37 hat infolge der
Zwischenschaltung der Stabilisierungsröhre 38 z. B. +8o V gegenüber dem Punkt A.
Wenn die Spannungen im Regelgerät g derart gewählt sind, daß sich die Spannung am
Widerstand 39 unter dem Einfluß des Regelgerätes 36 am Gitter der Röhre 37 von o
bis -16o V ändern kann, wird sich der Punkt ii somit von +8o V bis -8o V ändern,
was die vorerwähnte Regelgleichspannung von +V bis -V ergibt.
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Wie erwähnt, eignet sich die Schaltung des Regelgerätes 9 vorzüglich
zur Verwendung bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, da der Hilfstransformator
38a mit der Hilfstransformatorwicklung 23 in Fig. 5 kombiniert werden kann, die
zum Ausgleich beiträgt. Eine solche Kombination ist in Fig. 12 dargestellt, in der
entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Nach der Erläuterung
der Wirkungsweise des Schaltbildes nach Fig. ii dürfte die Wirkungsweise des Schaltbildes
nach Fig. 12 klar sein. Bei diesem Schaltbild ist die Ausbildung durch Verwendung
einer Hilfstransformatorwicldung 23, die sowohl einen Teil der Ausgleichspannung
als auch die Anodenspannung für die Regelapparatur liefert, noch einfacher und wirtschaftlicher.