DE967598C - Anordnung zur Steuerung von Schaltungs- und Stromwendungsvorgaengen bei Gleich- und Wechselstrom mit Hilfe gittergesteuerter Stromrichter - Google Patents

Description

Bei Entladungsgefäßen (Stromrichtern) besteht bekanntlich die Möglichkeit, durch das Mittel der Gittersteuerung den Beginn der Stromübernahme durch die Anoden willkürlich zu bestimmen, solange sie höheres Potential gegenüber den anderen Anoden haben, und man kann diese Eigenschaft für die verschiedensten Regelvorgänge benutzen. Dagegen ist es mit der Gittersteuerung nicht möglich, den Strom der einmal angeschlagenen Anode auch wieder zu unterbrechen. Erst wenn die treibende Spannung einer

anderen, nicht gesperrten Anode ein höheres Potential gegenüber der Kathode gibt, geht der Strom auf diese Anode über und erlischt auf der zuvor stromführenden Anode. Das Erlöschen des Lichtbogens auf einer Anode ist daher von der Betriebsfrequenz abhängig. Darin liegt ein Nachteil des gittergesteuerten Stromrichters, was z. B. bei der Herabregelung der Spannung eine unerwünschte Blindleistung im Wechselstromnetz zur Folge hat. Infolge dieser Eigenschaft der Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz ist auch eine Verwendung

709 782/52

des gittergesteuerten Stromrichters in solchen Fällen nicht möglich, wo eine vorzeitige Löschung des Lichtbogens notwendig ist.

Es sind Anordnungen bekannt, bei denen dieser Nachteil dadurch beseitigt wird, daß den im Takt der Betriebsfrequenz brennenden Anoden ein Strom höherer Frequenz überlagert wird, durch den die stromführenden Anoden auch bei freigegebenen Gittern im Takt der Hochfrequenz gezündet und gelöscht ίο werden. Bei den bekannten Anordnungen dieser Art ist jedoch der Stromkreis für den Überlagerungsstrom über Teile des Verbrauchers geschlossen, so daß ein Teil des Verbrauchers vom Überlagerungsstrom durchflossen wird.

Gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch behoben, daß der Überlagerungsstrom jeder Stromrichterphase über zwei für den Betriebsstrom gleichphasige, einer gemeinsamen Kathode zugeordnete Anoden zugeführt wird. Zweckmäßig sind hierbei die beiden für den Betriebsstrom gleichphasigen Anoden durch die Zweitwicklung eines Umspanners (Überlagerungsumspanners) verbunden, dem der Betriebsstrom über eine Mittelanzapfung zugeführt und dessen Erstwicklung mit der Überlagerungsfrequenz gespeist wird. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann für die Umkehr des Betriebsstromes ein zweiter Stromrichter in Kreuzschaltung vorgesehen werden. Die den beiden Stromrichtern zugeordneten Überlagerungsumspanner können dann zu einem gemeinsamen Umspanner vereinigt sein.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung wird die normale Stromführungsdauer einer Anode in eine ganze Anzahl stromführender und stromloser Zeiten unterteilt. Durch die Frequenz des Hochfrequenzstromes kann die stromlose Zeit so gewählt werden, daß sie zur Entionisierung der Gasstrecke ausreicht und die Gittersteuerung wirksam wird, bevor die der normalen Frequenz entsprechende Brenndauer beendet ist. Dadurch ist eine vorzeitige Löschung des Lichtbogens erreicht, und die Sperrwirkung des Stromrichters setzt zu beliebigen Zeiten ein. Die eingangs erwähnten Nachteile werden dadurch vermieden; daneben aber läßt sich das Anwendungsgebiet des gittergesteuerten Stromrichters ungemein erweitern. Man kann damit z. B. Gleichstrom ab- und zuschalten. Ferner kann man ihn mit besonderem Vorteil zur Steuerung von Stromwendungsvorgängen bei Gleich- und Wechselstrom verwenden, die sich mit den bisherigen Eigenschaften des gittergesteuerten Stromrichters nicht erzielen ließen. Da es sich bei Stromwendungsvorgängen stets darum handelt, ohne Unterbrechung des Stromes und ohne Funkenbildung von einer Anzapfung auf die andere überzuschalten, wird man dem auf die vorgenannte Weise gesteuerten Umrichter diese Aufgabe des Uberschaltens zuweisen, während das Weiterschalten durch stromlos arbeitende Kontakte oder Schalter erfolgt. Man erreicht auf diese Weise eine Aufteilung der Stromwendung in Trennschaltung und Leistungsschaltung, wobei der Stromrichter dieAufgabe des Leistungsschalters übernimmt und nur für die Leistung einer Stufe zwischen zwei Trennschaltern zu bemessen ist. Der zum Stromrichter gehörende Umspanner wirkt dabei im Hauptstromkreis bald wie eine unendlich große Drosselspule, bald wie ein kurzgeschlossener Umspanner. Ist der große Wert wirksam, 6g so ist der zugehörige Trennschalter so gut wie stromlos und kann in diesem Zustand weitergeschaltet werden. Bei kurzgeschlossenem Umspanner führt dagegen der zugehörige Trennschalter den vollen Strom. Der Umspanner ermöglicht ferner, den Stromrichter für die günstigsten Werte zu bemessen, unabhängig von den Verhältnissen im Hauptstromkreis. Man erreicht auf diese Weise bis zu den größten Leistungen alle Möglichkeiten der Umformung, Umrichtung, Drehzahl- und Frequenzregelung sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom, ohne daß die Nachteile der bisherigen Stromwendungsmittel (Stromwender, gesättigte Drosselspulen usw.) auftreten. Man kann natürlich die von dem Stromrichter gesteuerte Schaltdrosselspule ganz entbehren, wenn man zwei. Gefäße in Kreuzschaltung unmittelbar in die Strombahn einschaltet.

An Hand der Fig. 1 bis 15 sei die Erfindung erläutert. Zunächst sei an Hand der Fig. 1 bis 4 grundsätzlich gezeigt, wie der von einer Gleichspannung oder von einer einphasigen Wechselspannung gespeiste Scheinwiderstand allgemeiner Art 1 durch den als Schalter wirkenden Stromrichter 2 zu beliebigen Zeiten, die nicht von der Frequenz der speisenden Spannung abhängig sind, ab- und zugeschaltet werden kann. In Fig. ι wird der Scheinwiderstand 1 aus einem Gleichstromnetz gespeist, wobei es bekanntlich möglich ist, den Stromkreis mit einem normalen gittergesteuerten Stromrichter zu schließen, aber nicht wieder zu unterbrechen. In den Fig. 2, 3 und 4 wird der Scheinwiderstand 1 aus einem Wechselstromnetz gespeist. Im Beispiel der Fig. 2 sind statt des einen Gefäßes zwei Gefäße 2 α und 2 δ in Kreuzschaltung vorgesehen, damit sich beide Halbwellen des Wechselstroms ausbilden können. In den Fig. 3 und 4 ist der Stromrichter 2 nicht unmittelbar, sondern über den Umspanner 3 mit dem Schemwiderstand 1 in Reihe geschaltet. Der Umspanner 3 wirkt demnach als gesteuerte Schaltdrosselspule. Die Überlagerung des für die Löschung des Lichtbogens erforderlichen Stromes höherer Frequenz erfolgt durch den Umspanner 4 (Uberlagerungsumspanner). Damit der Betriebsstrom in diesem Umspanner keine magnetischen Wirkungen verursacht, sind in den Beispielen der Fig. ι bis 4 zwei Anoden je Phase angeordnet, die über eine Zweitwicklung des Überlagerungsumspanners oder der Schaltdrosselspule verbunden sind. Der Betriebsstrom wird an einer Mittelanzapfung zugeführt. Vor sämtlichen Anoden sind Gitter angeordnet. Über die Wirkungsweise ist folgendes zu lagen:

In Fig. ι sei die Erstwicklung des Überlagerungsumspanners 4 zunächst noch offen. Solange die Gitter gesperrt sind, ist der Widerstand 1 stromlos. Werden die Gitter zur Zeit t₀ beaufschlagt, so entsteht der Strom/ (vgl. Fig. 5). Dieser Strom verteilt sich zu Reichen Teilen /₆ und J₁ auf die beiden Hälften der 'weitwicklung von 4 bzw. die beiden Anoden 6 und 7. Der Strom J₄ in der Erstwicklung des Überlagerungsumspanners ist noch Null. Der Überlagerungsum- spanner werde nun zur Zeit t_x an eine Wechselspannung

gelegt. Während bis dahin die beiden Anodenströme J₆ und J₁ gleich waren, ändern sie sich nun im Takt der Frequenz des Wechselstromes, /₆ nimmt z. B. zu, erreicht eine Zeitlang den vollen Wert des Betriebsstromes /, während dieser Zeit ist J₁ Null. Alsdann beginnt J₁ zuzunehmen, während J₆ abnimmt und zu Null wird. Der Verlauf der Anodenströme ist in Fig. 5 a eingetragen. Während der Zeit t_e ist demnach die Anode 6 stromlos und während der Zeit I₁ die Anode 7.

Fig. 5 b zeigt den Verlauf des Erststromes J_i des Überlagerungsumspanners. Werden nun zur Zeit t₃ die Gitter gesperrt, so hat die Anode 7 keine Möglichkeit mehr, neu zu zünden; der Strom J₁ bleibt daher schon von der Zeit i₂ ab Null. Die Anode 6 brennt noch weiter, bis der Strom J₆ zur Zeit i₄ seinen natürlichen Nulldurchgang hat. Da als treibende Spannung für J₆ hierbei die Netzspannung U wirkt, muß der Überlagerungsumspanner, wenigstens vorübergehend, eine dieser Spannung entgegenwirkende Spannung entwickeln können, damit der Strom J₆ zum Erlöschen kommt.

Fig. 2 zeigt den Fall einer Wechselstromspeisung des Widerstands 1. Die Wirkungsweise entspricht der von Fig. i. Wegen der beiden Halbwellen des Stromes sind jedoch zwei Gefäße 2 a und 2 δ vorgesehen. Die positive Halbwelle schließt sich z. B. über das Gefäß 2 a mit den Anoden 6 und 7 und kann ebenso wie der Gleichstrom in Fig. 1 zu beliebigen Zeiten gelöscht werden. Während dieser Zeit bleibt das Gefäß 2 b völlig gesperrt. Während der negativen Halbwelle ist das Umgekehrte der Fall. Der Überlagerungsumspanner besitzt zwei Zweitwicklungen, die abwechselnd von den zugehörigen Halb wellen durchflossen werden. Bei der Anordnung nach Fig. 3 dient als Schalter die Schaltdrosselspule 3. Diese ist wie ein normaler Umspanner mit möglichst gutem magnetischem Leitwert, d. h. ohne Luftspalt, ausgeführt. Die Zweitwicklung ist in Stromrichterschaltung auf den Stromrichter 2 geschaltet, durch den die Zweitwicklung geöffnet und kurzgeschlossen werden kann. Bei offener Zweitwicklung stellt die Drosselspule einen sehr großen Widerstand dar. Die ganze Netzspannung legt sich nur an die Drosselspule, zu deren Erregung ein äußerst kleiner Strom genügt, am Widerstand 1 liegt so gut wie gar keine Spannung. Wird nun die Zweitwicklung durch den Stromrichter kurzgeschlossen, so ist der Widerstand der Drosselspule nahezu Null, und die volle Spannung liegt am Widerstand 1. Demgemäß wird auch der Widerstand vom vollen Strom durchflössen. Um den Stromrichter unabhängig von der Netzfrequenz zu beliebigen Zeiten zünden und löschen zu können, wird ihm durch den Überlagerungsumspanner 4 ein Wechselstrom höherer Frequenz überlagert. Der Stromrichter besitzt zwei Anodenpaare 6, 7 und 8, 9. Jedes Anodenpaar ist an eine Zweitwicklung des Überlagerungsumspanners 4 angeschlossen, deren Mittelpunkte in der dargestellten Weise an die Endpunkte der Zweitwicklung der Drosselspule 3 führen. Wenn alle Gitter freigegeben sind, dann wirkt die Drosselspule wie ein Kurzschluß, die eine Halbwelle kann sich über das Anodenpaar 6,7, die andere über das Paar 8,9 schließen. Im Überlagerungsumspanner hebt sich jede Halbwelle auf, wenn ein Anodenpaar, z. B. 8,9, brennt, wie dies aus den eingetragenen Pfeilen hervorgeht. Solange die Erstwicklung von 4 noch nicht angeschlossen ist, ist über eine Halbwelle der Netzfrequenz das eine Anodenpaar stromführend und über die andere Halbwelle das andere Paar. Wird nun zur Zeit t₀ der Überlagerungsumspanner zugeschaltet, bei zunächst noch freigegebenen Gittern, so bleibt die Drosselspule 3 nach wie vor im Kurzschluß. Die Hochfrequenzspannung U_i bewirkt jedoch, daß ein Anodenpaar nicht mehr über die ganze Halbwelle des Stromes / gleichmäßig Strom führt, die beiden Anoden eines Paares wechseln sich vielmehr in der Stromführung ab. Für den in Fig. 3 dargestellten Augenblick sei die eine Halbwelle des Stromes / von Grundfrequenz in der Zweitwicklung der Drosselspule von der Mittelanzapfung weg nach oben gerichtet. Dieser Strom verteilt sich gleichmäßig auf die beiden Anoden 8 und 9, wie durch die Pfeile dargestellt ist. Die Halbwellen des Überlagerungsstromes seien durch Pfeile mit Kreis und Kreuz gekennzeichnet. Die nach oben gerichtete Halbwelle dieses Stromes verstärkt den Strom der Anode 9 und bringt den Strom der Anode 8 zum Erlöschen. Die nach unten gerichtete Halbwelle verstärkt den Strom der Anode 8 und löscht den von 9. Der zeitliche Verlauf ist in Fig. 6 a dargestellt. In der positiven Halbwelle ist z. B. erst die Anode 6 stromführend, dann die Anode 7 usw., in der negativen gilt das gleiche für die Anoden 8 und 9. Der Wechselstrom in der Erstwicklung des Umspanners 4 zeigt dabei den Verlauf nach Fig. 6 c. Auch wenn die Spannung CT₄ einen gleichmäßigen Verlauf nach Fig. 6 b hat, wird dies auf den Verlauf des Stromes /₄ keinen wesentlichen Einfluß haben, weil der Hauptstromkreis des Widerstandes 1 nur diese Stromanteile durchläßt, während die Ausbildung anderer Stromformen infolge der hohen Frequenz schon bei geringen vorhandenen Induktivitäten verhindert wird. Da demnach die Anoden eines Paares innerhalb der Dauer einer Halbwelle der Grundfrequenz taktmäßig mit und ohne Strom arbeiten, kann die Gittersteuerung wirksam werden. Werden die Gitter zur Zeit t_s gesperrt, so kommt die Anode 9 nicht mehr neu zum Zünden, die Anode 8 brennt noch bis zur Zeit i₄. Von da ab bleibt die Zweitwicklung der Drosselspule 3 offen, der große induktive Widerstand der Drossel tritt plötzlich in Erscheinung, und der Strom/ geht nahezu auf Null herab. Die Sinuskurve des Stromes / reißt demnach zur Zeit i₄ plötzlich ab. Ebenso kann sie zur Zeit t₈ wieder neu gezündet und zur Zeit t₉ wieder gelöscht werden, so daß die zwischen t₈ und t₉ liegende Stromform zustande kommt. Wählt man die Überlagerungsfrequenz genügend groß gegenüber der Grundfrequenz, so kann man fast jedes beliebige Stück aus der Stromkurve der Grundfrequenz herausschneiden.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist der Überlagerungs-Umspanner 4 mit nur einer Zweitwicklung, die Drosselspule 3 dagegen mit zwei Zweit wicklungen ausgeführt. Die augenblickliche Stromverteilung sei wieder durch Pfeile angedeutet. Von der einen Halb welle der Grundfrequenz herrührend würden die beiden Anoden 8 und 9 gleichmäßig brennen. Die durch einen Kreuzpfeil

gekennzeichnete Halbwelle des Hochfrequenzstromes verstärkt den Strom der Anode 8 und löscht den Strom der Anode g. Das Gegenteil ist der Fall durch die mit einem Kreispfeil gekennzeichnete Halbwelle. Im übrigen ist die Wirkungsweise grundsätzlich die gleiche wie bei der Anordnung nach Fig. 2. Bei mehrphasiger Ausführung bietet diese Anordnung den Vorteil, daß nur ein einziger Überlagerungsumspanner mit zwei Wicklungen, gegebenenfalls sogar mit nur einer einzigen Wicklung, benötigt wird.

Die Speisung des Überlagerungsumspanners muß mit einer Frequenz erfolgen, die genügend groß gegenüber der Netzfrequenz ist, damit die Löschung des Lichtbogens in den beabsichtigten kurzen Zeiten möglich ist. Man wählt deshalb zur Speisung des Uberlagerungsumspanners zweckmäßig eine Hochfrequenzmaschine. Diese wird mit Vorteil spannungs- und stromabhängig, z. B. in der bekannten Gleichrichterstromschaltung, erregt, damit ihr Erregerstrom ao stets den vom Überlagerungsumspanner zu liefernden Strom- und Spannungswerten entspricht.

Mit besonderem Vorteil kann der Stromrichter nach vorliegender Erfindung als Überschalt- und Stromwendungsmittel für die Zwecke der Umformung, Umrichtung, Drehzahl- und Frequenzregelung verwendet werden, wofür im folgenden einige Ausführungsbeispiele gebracht werden sollen.

In Fig. 7 dient der mit Fremdlöschung arbeitende Stromrichter 2 als Überschaltmittel für die stromlos schaltenden Kontakte eines Kontaktumformers. 11 bedeutet den sechsphasigen Kontaktumformer mit den Kontakten u, v, ze», x, y, z, der über die Schaltdrosselspule 3 an das Drehstromnetz 12 angeschlossen sei. Der Stromrichter ist in der dargestellten Weise an die sechsphasig geschaltete und mit Nullpunkt versehene Zweitwicklung der Schaltdrosselspule angeschlossen. Der Stromrichter besitzt je Phase zwei Anoden, die mit U₁, u₂, V₁, v₂ usw. bezeichnet sind. Jedem Anodenpaar ist ein Überlagerungsumspanner 4„, 4„, 4_W usw. zugeordnet. Die Zweitwicklungen dieser Umspanner besitzen Anzapfungen in der Mitte, die mit den sechs Anschlüssen der Zweitwicklung der Schaltdrosselspule 3 verbunden sind. Die Erstwicklungen aller Überlagerungsumspanner sind parallel geschaltet und werden gemeinsam von der Hochfrequenzmaschine 13 gespeist. Wenn die Kontakte des Kontaktumformers mit synchroner Drehzahl angetrieben werden, kann an den Klemmen 14 und 15 Gleichstrom abgenommen werden.

Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Es sei der Augenblick festgehalten, in dem die Phase u den Höchstwert führt, der über die beiden Phasen y und ζ zurückfließt. Demgemäß müssen die Anoden U₁, U₂, y_x, y₂ und Z₁, Z₂ von ihren Gittern freigegeben sein, während die übrigen Anoden gesperrt bleiben. Während der Dauer dieses Augenblicks würden unter dem Einfluß der Hochfrequenzmaschine 13 abwechselnd die Anoden U₁, y_lt Z₁ und U₂, y₂, Z₂ stromführend sein. Nach einer !/^-Periode würde der Strom in der Phase y zu Null geworden sein und der Strom in den Phasen u und ζ sich auf 86% des Höchstwertes geändert haben. Die Gitter vor den Anoden y_lt y₂ werden jedoch schon vorher gesperrt, und zwar, während die durch einen Kreispfeil gekennzeichnete Halbwelle des Hochfrequenzstromes wirksam ist. Bis zum Ende dieser Halbwelle führen alle drei Anoden U₂, Z₂, y_% Strom. Wird nun die durch einen Kreuzpfeil gekennzeichnete Halbwelle wirksam, so geht der Strom von M₂ auf U₁ und von Z₂ auf Z₁ über, y₁ kommt dagegen nicht mehr neu zum Zünden, weil diese Anode gesperrt ist. Die durch einen Kreuzpfeil gekennzeichneten Überlagerungsströme von den Anoden % und Z₁, die sich nach dem Erlöschen der Anoden U₂ und z₂ nicht mehr über diese schließen können, stürzen sich auf die noch den Betriebsstrom führende Anode y₂ und bringen diesen Strom zum Erlöschen. Die Kreuzpfeil-Halbwelle in der Erstwicklung des Überlagerungsumspanners 4„ bestimmt diesen Verlauf der überlagerten Anodenströme von U₁ und Z₁. Mit dem Stromloswerden der Anode y₂ wird auch der zugehörige Kontakt y am Kontaktumformer stromlos. Der geringe Erregerstrom der Schaltdrosselspule kann durch Kondensatoren parallel zu den Kontakten oder auch parallel zu den Wicklungen der Schaltdrosselspule aufgenommen werden. Die Schaltdrosselspule muß einen vierten Ausgleichschenkel besitzen, damit jeder Schenkel unabhängig von den anderen durch den Stromrichter kurzgeschlossen und geöffnet werden kann. Weil das Verhalten der Schaltdrosselspule durch den Stromrichter gesteuert wird, kann ihr magnetischer Kreis aus normalen Blechen bestehen. Lediglich ihr Leerlauferregerstrom soll möglichst klein sein. Statt der sechs Überlagerungsumspanner kann auch ein einziger vorgesehen werden mit einer Erstwicklung und sechs Zweitwicklungen. gs

Fig. 8 zeigt im wesentlichen die gleiche Anordnung. Der Überlagerungsumspanner ist nur mit einer einzigen Zweitwicklung versehen, die an die beiden Nullpunkte der Schaltdrosselspule angeschlossen ist. Im übrigen ist die Wirkungsweise die gleiche wie in Fig. 7. Die Steuerung der Gitter erfolgt zweckmäßig von der Drehzahl des Kontaktumformers bzw. einer verhältnisgleichen Größe aus.

Fig. 9 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung auf eine Maschine mit Stromwender, bei der dieser jedoch nur mehr die Aufgabe eines Trennschalters hat, während die Stromwendung, das Überschalten von einem Stromwendersteg auf den anderen, außerhalb der Maschine durch einen Stromrichter mit Fremdlöschung nach vorliegender Erfindung erfolgt. Ale Beispiel ist ein Einphasenreihenschlußmotor gewählt, doch könnte es ebensogut auch eine andere Maschinenart sein. 12 bedeutet das Wechselstromnetz, 16 die Reihenschlußerregerwicklung, 17 eine etwa vorhandene Kompensationswicklung und 18 die Ankerwicklung mit sechs Stromwenderstegen 19 bis

24. Zu- und Ableitung erfolgen über je ein Bürstenpaar

25, 26 und 27, 28. Die Bürsten eines Paares sind über je ein Stromrichterpaar in Kreuzschaltung verbunden. Die Stromrichter sind als Zweianodenröhren dargestellt. Zwei Röhren je Bürste sind deshalb notwendig, weil beide Halbwellen über die Bürsten fließen müssen. So gehören zum Bürstenpaar 25, 26 die Gefäße 2«-2d und zum Bürstenpaar 27, 28 die

efäße 2£-2Ä. Jedem Röhrenpaar ist wieder ein Überlagerungsumspanner 4 zugeordnet, die von der

Hochfrequenzmaschine gespeist werden. Mit Hilfe der Gittersteuerung, die in geeigneter Weise von der Drehzahl der Maschine abhängig zu machen ist, kann nun j ede Bürste, bevor sie ihren j eweiligen Stromwendersteg verläßt, stromlos gemacht werden und in diesem Zustand auf den folgenden Stromwendersteg auflaufen. Der äußere Strom wird dabei niemals unterbrochen, weil ihm stets zwei Bürsten zur Verfügung stehen. Die Größe der von den Stromrichtergefäßen ίο zu sperrenden Spannung richtet sich nach der zwischen zwei Stromwenderstegen auftretenden Spannung, deren Größe durch Vermehrung der Stegzahl beliebig klein gehalten werden kann. In ähnlicher Weise könnte die Maschine auch als Gleichstromnebenschlußmaschine betrieben werden. Wenn hierbei nur Motoroder nur Generatorbetrieb in Frage kommt, genügt die halbe Gefäßzahl. Auch alle bekannten Stromwendermaschinen für Gleich- oder Wechselstrom lassen sich sinngemäß in dieser Weise betreiben. Man kann noch einen Schritt weitergehen und auch den Stromwender, der nur noch die Aufgabe eines Trennschalters hat, durch ruhende Kontakte ersetzen, die durch eine umlaufende Welle im richtigen Takt gesteuert werden. Fig. io zeigt eine solche Anas Ordnung auf einen Repulsionsmotor angewendet, ia bedeutet wieder das Einphasenwechselstromnetz und 29 den Motor mit der feststehenden Ständerwicklung 29« und der einachsig kurzgeschlossenen Läuferwicklung 30. Die Ständerwicklung besitzt sechs Anzapfungen. Jede Anzapfung ist an je ein Kontaktsystem 31, 32, 33, 34 geführt, die zu je einem Röhrenpaar gehören, z. B. 31 zu 2« und 2δ usw. Die Hochfrequenzmaschine 13 sichert über die Überlagerungsumspanner 4 wieder das rechtzeitige Stromloswerden der weiterschaltenden Kontakte. Die Anschlußpunkte des Netzes werden nun fortwährend von einer Anzapfung auf die andere geschaltet, so daß die Ständerwicklungsachse im Raum umzulaufen scheint und der kurzgeschlossene Läufer sich mit seiner Achse in die Ständerachse einzustellen versucht. Die Kontaktsysteme 31 bis 34, die z. B. wie die Kontakte eines Kontaktumformers angeordnet sein können, sind zweckmäßig mit dem Läufer zu kuppeln. Durch Verstellen des Kupplungswinkels kann der Winkel zwischen Ständer- und Läuferachse nach Belieben eingestellt werden, so daß der Motor das bekannte Verhalten eines Repulsionsmotors aufweist.

Fig. 11 zeigt eine Abänderung dieser Schaltung, bei der jeder Anzapfung der Ständerwicklung 29« je ein Röhrenpaar 2 zugeordnet ist, die in der dargestellten Weise an zwei Kontaktsysteme 31 und 32 angeschlossen sind, die den Anschluß an die beiden Netzphasen herstellen. Diese Anordnung erfordert nur zwölf Kontakte, dagegen zwölf Röhren, während die Anordnung nach Fig. 10 vierundzwanzig Kontakte und acht Röhren erfordert.

Fig. 12 zeigt den Erfindungsgedanken angewendet, um einen Kurzschlußankermotor aus einem Netz 35 konstanter Spannung und Frequenz mit regelbarer Spannung und regelbarer Frequenz zu speisen. Der Zusatzumspanner 36 ergänzt zunächst das dreiphasige Netz 35 zu einem sechsphasigen. 37 bedeutet den Kurzschlußankermotor, dessen Wicklung in offener Schaltung ausgeführt ist. Die Anfänge führen zu einem Kontaktsystem 38, die Enden zu einem zweiten System 39. Beide sind über eine stetig verstellbare Kupplung 40 miteinander gekuppelt und werden gemeinsam von dem Motor 41 mit veränderlicher einstellbarer Drehzahl angetrieben. Jedes Kontaktsystem besteht aus achtzehn Kontakten, je sechs Kontakte gehören zu einem Anschluß der Ständerwicklung des Motors, so daß jeder Anschluß auf jede Phase des Netzes geschaltet werden kann. Das Ab- und Zuschalten erfolgt zwangläufig durch die Kontaktsysteme 38 und 39, ihre Drehzahl bestimmt die Zeitdauer, während der eine Motorphase mit einer Netzphase verbunden bleibt. Diese Zeitdauer bestimmt die Frequenz. Das Überschalten einer Motorphase von einer Netzphase auf die andere erfolgt wieder mit Hilfe eines gittergesteuerten Stromrichters mit Fremdlöschung. Zu jedem Kontaktsystem gehört eine Schaltdrosselspule 3 mit Stromrichter 2 und Überlagerungsumspanner 4. Die Hochfrequenzmaschine 13 kann für beide Systeme gemeinsam sein, desgleichen auch der Überlagerungsumspanner 4. Die Schaltdrosselspulen 3 besitzen auch auf der Zweitseite so viel Wicklungen wie auf der Erstseite; aus Gründen der einfacheren Darstellung ist auf der Zweitseite jedoch nur eine Phase angedeutet, desgleichen auch bei den Stromrichtern, von denen jeder für das gewählte go Ausführungsbeispiel mit zwölf Anoden zu versehen ist. Gegebenenfalls können auch eine Schaltdrosselspule und ein Stromrichter für beide Kontaktsysteme gemeinsam vorgesehen werden. Durch jedes Kontaktsystem wird aus der Netzspannung konstanter Frequenz eine gleich große Spannung veränderlicher Frequenz herausgeschnitten. Werden beide Spannungssysteme mit Hilfe der verstellbaren Kupplung 40 gegeneinander verdreht, so erhalten die Wicklungen des Motors nur die Differenz der beiden Spannungen. Die Regelung erfolgt also ähnlich wie bei einem Motor, der durch einen asynchronen Einankerumformer mit regelbarer Frequenz und Spannung gespeist wird (Fig. 13). Hier bedeutet 42 den asynchronen Einankerumformer, der durch den Motor 43 mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird. Den Schleifringen wird konstante Netzspannung und konstante Netzfrequenz zugeführt. Werden die Bürstensätze gegeneinander verstellt, so ändert die am Stromwender abgenommene Spannung ihre Größe, während die Frequenz durch die Drehzahl des Antriebsmotors bestimmt ist. Mit der geregelten Spannung wird der Kurzschlußläufer 44 gespeist.

Fig. 14 zeigt noch, wie sich die Änderung der Frequenz bei einem Kontaktfrequenzumformer nach Fig. 12 vollzieht. Die Sinuskurven der einzelnen Netzphasen — es sei ein Sechsphasennetz von 50 Hz angenommen — sind mit u, υ, w, x, y, ζ bezeichnet. Werden die Kontakte mit synchroner Drehzahl angetrieben, so beträgt ihre Schaltdauer 6o°, der Umformer liefert dann Gleichstrom. Wird die Drehzahl auf das Doppelte erhöht, so erstreckt sich die Schaltdauer nur noch über 30⁰. Die Frequenz beträgt dann Hz. Bei einer Schaltdauer von 42° beträgt die Frequenz 21,5 Hz und die Drehzahl 143 % der synchronen, und bei einer Schaltdauer von 48° hat die

709 782/52

Frequenz den Wert von 12,5 Hz bei einer Drehzahl von 125% der synchronen. Die Frequenzerhöhung findet also in Fig. 14a durch Verkürzung der Schaltdauer bzw. durch Erhöhung der Drehzahl statt. In Fig. 14b ist dargestellt, wie auch durch Verlängerung der Schaltdauer, d. h. durch Verminderung der Drehzahl, eine Frequenzerhöhung stattfindet. Fig. 15 zeigt den Verlauf der Frequenz und der Schaltdauer über der Drehzahl. Es ergibt sich ebenso wie bei der Asynchronmaschine eine einfache Beziehung zwischen Drehzahl η und Frequenz f, wenn n_s die synchrone Drehzahl und f₀ die Frequenz bei Stillstand bezeichnen.

— Tn'S

mit s=l —

Für die Schaltdauer erhält man, wenn a_s die Schaltdauer bei Synchronismus bezeichnet

1—s

Bemerkenswert bei diesen Kurven (Fig. i4aund 14b) ist, daß die Schaltdauer für die gleiche Frequenz bei allen Phasen stets gleichbleibt und daß auch im aufsteigenden Ast der Spannungskurve ein Übergang auf eine andere Phase möglich ist, deren Potential niedriger ist als das der gerade stromführenden. Die Spannungsdifferenz wird eben durch die Hochfrequenzmaschine überbrückt. Die Zahl der benötigten, stromlos zu schaltenden Kontakte hängt von dem Produkt der Phasenzahl auf beiden Seiten ab. Sie beträgt bei Sechsphasenschaltung auf beiden Seiten sechsunddreißig insgesamt, bei Dreiphasenschaltung im Netz und Sechsphasenschaltung am Motor achtzehn insgesamt. Bei dreiphasigem Netz und vierphasigem Motor werden zwei Kontaktsysteme von je sechs Kontakten benötigt. Bei Umformung von 50 Hz Drehzahl in i6²/₃ Hz Einphasenstrom kommt man sogar mit nur sechs Kontakten aus. Da die gesteuerten Kontakte den Strom nach beiden Richtungen durchlassen, kann Energie nach beiden Richtungen übertragen werden.

Die Anwendung des Erfindungsgedankens als Überschaltmittel für Stromwendungsvorgänge ist nicht auf Berührungskontakte begrenzt. Bei hohen Spannungen und Leistungen können gegebenenfalls Lichtbogen an die Stelle der Berührungskontakte treten. Der mit Fremdlöschung arbeitende Stromrichter würde hierbei das Erlöschen des Lichtbogens unabhängig von der treibenden Spannung bewirken.

Wenn man den für die Überschaltung erforderlichen Stromrichter nur mit so viel Anoden ausführt, als für die jeweils gleichzeitig in der Stromwendung begriffenen Stromzweige benötigt werden, die in stromlosem Zustand auf die weiteren Stromzweige übergeschaltet werden, kann man die Anodenzahl wesentlich verkleinern und kommt auf diese Weise mit einem kleineren Stromrichter aus.

Claims (18)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Steuerung von Schaltungsund Stromwendungsvorgängen bei Gleich- und Wechselstrom mittels gittergesteuerter Stromrichter, deren Anoden außer dem Strom von Betriebsfrequenz noch ein Wechselstrom von wesentlich höherer Frequenz (Überlagerungsfrequenz) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlagerungsstrom jeder Stromrichterphase über zwei für den Betriebsstrom gleichphasige, einer gemeinsamen Kathode zugeordnete Anoden zugeführt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei für den Betriebsstrom gleichphasigen Anoden durch die Zweitwicklung eines Umspanners (Überlagerungsumspanners) verbunden sind, dem der Betriebsstrom über eine Mittelanzapfung zugeführt und dessen Erstwicklung mit der Überlagerungsfrequenz gespeist wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umkehr des Betriebsstromes ein zweiter Stromrichter in Kreuzschaltung vorgesehen ist, der mit dem ersten einen gemeinsamenÜberlagerungsumspanner habenkann.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 für Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter in den Wechselstromkreis über die Erstwicklung einer Schaltdrosselspule eingeschaltet ist, deren Zweitwicklung durch den Stromrichter beliebig kurzgeschlossen und geöffnet werden kann.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdrosselspule je Wechselstromphase neben einer Erstwicklung eine Zweitwicklung aufweist, deren Mittelanzapfung mit der Kathode des Stromrichters verbunden ist und deren Enden über die Mittelanzapfungen je einer Zweitwicklung des Überlagerungsumspanners an je ein Anodenpaar des Stromrichters führen.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdrosselspule je Wechselstromphase neben einer Erstwicklung zwei Zweitwicklungen aufweist, deren Enden an je eine Anode und deren Mittelanzapfungen an die Enden der Zweitwicklung des Uberlagerungsumspanners führen, deren Mittelanzapfung mit der Kathode des Stromrichters verbunden ist.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsfrequenz bei mehrphasiger Ausführung des Stromrichters einer einzigen Stromquelle entnommen wird.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsfrequenz durch eine Hochfrequenzmaschine geliefert wird.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzmaschine abhängig von den Werten für Spannung und Strom im Betriebsfrequenzstromkreis erregt wird.
10. 10. Die Anwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Mittel für unterbrechungsfreie Leistungsschaltung in Verbindung mit stromloser Trennschaltung bei zwangläufiger Abhängigkeit zwischen Gittersteuerung und Trennschaltung, insbesondere für wiederkehrende Schaltvorgänge (Stromwendungsvorgänge) bei Gleich- und Wechselstrom.
11. 11. Anordnung nach Anspruch io für einen Kontaktumformer, bei dem den durch eine umlaufende Welle zwangläufig gesteuerten Kontakten die stromlose Trennschaltung zufällt und der Stromrichter die unterbrechungsfreie Leistungsschaltung übernimmt.
12. 12. Anordnung nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß die in Brückenschaltung arbeitenden Kontakte des Kontaktumformers an ein Ein- oder Mehrphasennetz über eine Schaltdrosselspule angeschlossen sind, deren Zweitwicklung einerseits mit dem Sternpunkt an die Kathode, andererseits mit den Phasenanschlüssen über eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Überlagerungsumspannern, deren parallel geschaltete Erstwicklungen aus einer einzigen Stromquelle gespeist werden und die auch zu einem einzigen Umspanner zusammengefaßt werden können, an je ein Anodenpaar des Stromrichters geführt ist.
13. ao 13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Brückenschaltung arbeitenden Kontakte des Umformers an ein Ein- oder Mehrphasennetz über eine Schaltdrosselspule angeschlossen sind, die je Phase zwei Zweitwicklungen besitzt, die zu je einer Gruppe zusammengefaßt sind, deren Phasenanschlüsse an die zugehörigen Anoden führen und deren Sternpunkte über die Zweitwicklung des Überlagerungsumspanners verbunden sind, deren Mittelanzapfung an die Kathode führt.
14. 14. Anordnung nach Anspruch 10 zum Betrieb einer Stromwendermaschine für Gleich- oder Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromwenderanschluß aus zwei Bürsten besteht, die über eine Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 miteinander verbunden sind und einen durch zwangläufige Abhängigkeit zwischen Gittersteuerung und Läuferdrehung gesicherten, stromlosen Übergang jeder Teilbürste von einem Stromwendersteg auf den folgenden ermöglichen.
15. 15. Anordnung nach Anspruch 10 zum Betrieb einer Maschine mit der Wirkungsweise eines Repulsionsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß im Läufer eine einachsig kurzgeschlossene Wicklung angeordnet ist und jeder Ständeranschluß über außerhalb der Maschine angeordnete, durch eine umlaufende Welle gesteuerte, stromlos weiterschaltende Kontakte und über eine Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10

    an j ede Netzphase eines Ein- oder Mehrphasennetzes angeschlossen werden kann, derart, daß zwischen Ständerwicklungsachse und Läuferwicklungsachse auch im Lauf ein gleichbleibender, nach Belieben einstellbarer Winkel bestehenbleibt, der durch zwangläufige Abhängigkeit zwischen Läuferdrehung und Steuerung der Kontakte und Gitter gesichert wird.
16. 16. Anordnung nach Anspruch io zur Umformung einer konstanten Frequenz in eine stetig veränderliche von gleicher Spannung mittels durch eine umlaufende Welle gesteuerter, stromlos schaltender Kontakte bzw. mittels gesteuerter Lichtbogenstrecken in Verbindung mit einer Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche ι bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Phasenzahl des Zweitnetzes entsprechende Anzahl von Kontaktgruppenzwangläufigmiteinandergekuppelt und regelbar fremd angetrieben werden, von denen jede Gruppe aus einer der Phasenzahl des Erstnetzes entsprechenden Anzahl von Kontakten besteht, die zu gleichen Phasen parallel geschaltet und gemeinsam über eine Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 unter zwangläufiger Zuordnung von Gittersteuerung und Drehung der Kontaktwelle an das Erstnetz angeschlossen sind.
17. 17. Anordnung nach Anspruch 16 zur unabhängigen Regelung von Frequenz und Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kontaktgruppenanordnung mit zugehöriger Stromrichteranordnung auf der Erstseite an das gleiche Netz angeschlossen ist und auf der Zweitseite in Reihe mit der ersten Anordnung das Zweitnetz z. B. einen Kurzschlußankermotor großer Leistung speist, derart, daß zur Erzielung der gleichen Frequenz die Kontaktwellen der beiden Anordnungen zwangläufig mit der gleichen Drehzahl betrieben werden mit der Möglichkeit, zur Erzielung einer stetig veränderlichen Spannung beide Kontaktwellen auch im Lauf stetig gegeneinander verdrehen zu können.
18. 18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerungsfrequenz für beide Anordnungen der gleichen Hochfrequenzquelle entnommen wird.

    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschriften Nr. 501402, 544 993, 916.

    Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

    ©7097S2/52 11.57