DE972413C - Anordnung zur Steuerung einer betriebsmaessigen Schutzeinrichtung fuer Stromrichtergefaesse mit Metalldampfentladung und Anordnung hierzu - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 16. JULI 1959

S 31927 VIII c12ig

und Anordnung hierzu

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer betriebsmäßigen Schutzeinrichtung für Stromrichtergefäße mit Metalldampfentladung unter Benutzung der im Gefäßraum bestehenden Entladungsverhältnisse.

Betriebsmäßige Schutzeinrichtungen können z. B. eine Kühleinrichtung des Stromrichtergefäßes, eine Signaleinrichtung oder eine Schalteinrichtung sein. Für Kühlanordnungen ist es beispielsweise üblich, die Intensität der Kühlung entweder in Abhängigkeit von der Temperatur eines Teiles des Gefäßes oder von der Belastung des Gefäßes zu steuern. Eine stromabhängige Steuerung der Kühlung hat jedoch den Nachteil, daß bei kurzen Belastungsstößen die Kühlwirkung zu stark erhöht wird, so daß die Gefahr einer Unterkühlung des Gefäßes besteht. Nach Fortfall einer Dauerlast hört hingegen die Kühlung sofort auf, während an sich noch eine weitere Kühlung erwünscht wäre, damit eine nachteilige Nacherwärmung vermieden wird. Bei der bekannten temperaturabhängigen Steuerung der Kühleinrichtung wird außerdem die Änderung der Temperatur eines Teiles der Gefäßwandung für die Steuerung der Kühleinrichtung ausgenutzt, während tatsächlich die Dampfdichte im Anodenraum für die Ventilwirkung des Gefäßes maßgebend ist. Ferner entsteht eine oft unerwünschte Abhängigkeit zwischen der Raum- bzw. Außentemperatur und

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der Temperatur des Gefäßes, die sich in nachteiliger Weise bei der temperaturabhängigen Steuerung der Kühlung auswirkt.

Für elektrische Entladungsgefäße ist es auch bekanntgeworden, vom Metalldampf im Gefäß bestrichene Kühlteile selbsttätig in Abhängigkeit vom Dampfdruck im Gefäß inneren oder einer anderen Größe an ein gegenüber der Kathode negatives Potential zu legen, um auf diese Weise einen unselbständigen Strom positiver Ionen zu diesen Kühlteilen hin zu erzeugen und dadurch den Ouecksilberdampfstrom und damit auch den Wärmeaustausch wirksam zu vergrößern. Es ist in diesem Zusammenhang auch vorgeschlagen worden, die negative Aufladung der Kühloberfläche im Stromrichtergefäß gegenüber der Kathode mit Hilfe einer Spannungsquelle vorzunehmen. Die negative Aufladung wird hierbei in Abhängigkeit von der Gefäßbelastung, der Spannung, dem Vakuum bzw. ao dem Dampfdruck im Gefäß oder auch in Abhängigkeit von der Temperatur des Gefäßes gesteuert. Hierbei findet also lediglich eine Änderung des Wärmeüberganges aus dem Metalldampf auf die Kondensationswand durch Ausschaltung des Ein-Busses einer positiven Ladung dieser Flächen statt. Es ist ferner geläufig, zur Überwachung eines Gefäßes gegen unzulässige Erwärmung oder Belastung abhängig von der Temperatur von Teilen des Gefäßes oder dem Belastungsstrom Signal- oder Schalteinrichtungen zu steuern. Auch hierbei können sich Mängel ergeben.

Weiterhin ist es zum Schutz gegen Rückzündungen an Entladungsgefäßen bekannt, die störungsbedingte Umkehr der Polarität zwischen Gefäßwand und Kathode dem Gitter einer Hilfsröhre zuzuführen und damit das Gitter der im Stromkreis der Sicherheitseinrichtung liegenden Röhre zu sperren.

Bei einer anderen bekannten Anordnung wird die belastungsabhängige Spannungsdifferenz zwischen der Kathode und dem Kessel des Stromrichtergefäßes als einem elektrisch leitenden Element, das mit dem Entladungsraum zwischen der Kathode und den einzelnen Anoden in Berührung steht, in Reihe zur steuernden Gitterwechselspannung zur selbsttätigen belastungsabhängigen Regelung der vom Stromrichter gelieferten Gleichspannung benutzt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist im Gegensatz zu einer rein belastungsabhängigen Regelung seiner Ausgangsspannung die Steuerung einer Schutzeinrichtung einer Stromrichteranordnung, die außer der Belastung auch die jeweiligen Temperaturverhältnisse im Entladungsgefäß unter Beachtung des Dampfdruckes berücksichtigt.

Daher wird zur Steuerung einer betriebsmäßigen Schutzeinrichtung für Stromrichter gefäße mit Metalldampfentladung unter Benutzung der im Gefäß bestehenden Entladungsverhältnisse gemäß der Erfindung im Anschluß an die Brennzeit einer Entladungsstrecke während deren betriebsmäßiger Entionisierung über eine im Bereich dieser Entladungsstrecke liegende und für diese speziell vorgesehene Sonde ein Ionenstrom aus deren Entladungsraum entnommen und dem Eingangsglied einer Steuereinrichtung für die betriebsmäßige Schutzeinrichtung zugeleitet.

Das Verfahren nach der Erfindung benutzt die elektrischen Änderungen im Ionisierungszustand einer Entladungsstrecke. Die Entionisierung nach dem Löschen einer Anode hängt von der Belastung der Anode und der Temperatur des Gefäßes ab. Durch diese beiden Einflüsse wird nämlich die Dampfdichte im Gefäß erhöht. Je größer nämlich diese Erhöhung ist, desto langsamer geht die Entionisierung vor sich. Ist im Bereich des abklingenden Plasmas eine Sonde untergebracht, über die ein entsprechender Sonderstrom fließen kann, so wird sich dieser mit dem Verlauf der Entionisierung zeitabhängig ebenfalls ändern. Dieser Sonderstrom bildet somit gemäß der Erfindung ein Maß für den inneren Zustand des Entladungsgefäßes.

Es empfiehlt sich, die Dampffüllung durch das Eingangsglied der Steuereinrichtung auf ihren Dichtzustand zu überwachen. So kann als Eingangsglied der Steuereinrichtung ein Ionisationsmanometer in der Dampffüllung vorgesehen werden.

Soweit im'Rahmen der Erfindung vorgeschlagen worden ist, die Änderung des Sondenstromes auszunutzen, die sich durch eine Änderung des Ionisationszustandes der Dampffüllung des Gefäßes bzw. des sogenannten Plasmas ergibt, kann als Sondenelektrode entweder eine am Gefäß an sich vorgegebene Elektrode benutzt werden, wie z. B. ein Steuergitter oder ein sinngemäß elektrisch beaufschlagter Anodenschutzzylinder, oder es kann auch eine besondere Auffangelektrode lediglich für die Zwecke der Erfindung vorgesehen werden.

Im einfachsten Falle ist die Erfindung bei einem Mehranodensystem in der Form anwendbar, daß die Plasmaänderung im Bereich einer Anode für die Steuerung nutzbar gemacht wird. Zweckmäßiger wird es jedoch sein, die Bereiche mehrerer oder aller Anoden für die Lieferung eines Sondenstromes auszunutzen, wobei dann erstens eine Summenwirkung der verschiedenen Sondenströme nutzbar gemacht wird und zweitens bei dem eventuellen Ausfall einer Anode die übrigen für die Steuerung benutzten Anoden für den gewünschten Effekt wirksam bleiben. Gegebenenfalls können im Bereich einer Anode auch mehrere Sonden benutzt werden.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung soll in der Anwendungsform, daß Änderungen im Ionisationszustand der Metalldampffüllung für Steuerzwecke ausgenutzt werden, zunächst kurz auf den physikalischen Vorgang dieser Entionisierung eingegangen werden. Er wird veranschaulicht an Hand der Fig. 1 bis 4 der Zeichnung.

In den Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 sind über der Zeitachse t jeweils der Anodenstrom J_A und der entsprechende auf eine negative Auffangelektrode treffende Sondenstrom /_s wiedergegeben. In der Fig. 2 ist ein Beispiel gezeigt bei verhältnismäßig geringer Belastung der betreffenden Anode, in Fig. 3 ein Beispiel, wonach die Anode wesentlich

höher belastet ist und der Dampfdruck im Gefäß demzufolge einen höheren Wert hat. Man erkennt aus beiden Bildern, daß der Mittelwert des Sondenstromes Jg nach Erlöschen der betreffenden Anode im Falle der Fig. 4 einen mehrfach größeren Wert als in dem Betriebsfall der Fig. 2 hat. Dieser Unterschied im Sondenstrom während der Sperrzeit der Anode läßt sich gemäß der Erfindung ausnutzen. Da für die Steuerung im wesentlichen nur der mittlere Sondenstrom wert in dieser Sperrzeit interessant ist, wird vorzugsweise der Sondenstrom während der Brenndauer der Anode unwirksam gemacht, also beispielsweise entweder kompensiert oder unterdrückt. Im Falle der Unterdrückung wird die Wirkung des Sondenstromes in dem Steuersystem der Überwachungs- bzw. Kühleinrichtung erst übernommen oder freigegeben mit dem Erlöschen der betreffenden Anode. Im Falle der Kompensation ist die Anordnung derart getroffen, daß der Mittelwert des Sondenstromes während der Brennzeit der betreffenden Anode kompensiert wird, so daß nur der ihn überschießende Mittelwert des während der Sperrzeit fließenden Sondenstromes für die Steuerung wirksam bleibt. Zur näheren Erläuterung der Erfindung an einer Anode eines Gefäßes wird auf die Ausführungsbeispiele in der Zeichnung Bezug genommen. In Fig. 5 bezeichnet 1 ein Entladungsgefäß mit den beiden Anodenarmen 2 und 3 ^und der Kathode 4. 5 bezeichnet eine Anode des Gefäßes, 6 das dieser zugeordnete Steuergitter. In der beispielsweisen Anordnung wird der Sondenstrom über dieses Steuergitter 6 ausgenutzt. Das Steuergitter 6 ist über einen Gitterstrombegrenzungswiderstand 7 und eine Leitung 8 an den Steuersatz für die Beaufschlagung des Gitters angeschlossen. In der Zuleitung 9 zur Anode 5 ist ein Wandler 10 angeordnet. Dessen Sekundärwicklung liegt über eine als Vorspannungsbatterie 18 dargestellte Gleichspannungsquelle und einen Widerstand 19 für die Begrenzung des Gitterstromes an der Gitterkathodenstrecke des Hilfsentladungsgefäßes 11. Im Anodenkreis dieses Hilf sentladungsgefäßes liegt über die Leitung 12 der Verstärker 13, an dessen Ausgang ein Strom für die Steuerung der Vormagnetisierung der Drossel 14 geliefert wird, die zur Regelung der Drehzahl des Motors 15 dient,- der den Lüfter 16 antreibt. 17 bezeichnet die Speiseleitung des Motors.

so In der Figurenfolge 6 ist in der Fig. 6 a der Anodenstrom J_A über die Anode 5 in Abhängigkeit von der Zeit t wiedergegeben. In Zuordnung zu diesem Anodenstrom ergibt sich ein über das Steuergitter 6 verlaufender Gitterstrom J_g, z. B. gemäß Fig. 6 b. Auf diesen Gitterstrom kann einge-

wirkt werden mittels der Änderungen—-^-des über

die Anode 5 fließenden Stromes, welche in den Zeitpunkten der Zündung und der Löschung der Entladungsstrecke für diese Anode auftreten. Über den Wandler 10 werden diese Stromänderungen als Spannungsimpulse I und II gemäß Fig. 6 c an die Gitterkathodenstrecke des Gefäßes 11 geliefert. Die Spannungsspitze I erhöht nur die durch die Gleichspannungsquelle 18 vorgegebene negative Vorspannung am Steuergitter des Gefäßes 11, während die im Löschaugenblick der Entladungsstrecke über die Anode 5 auftretenden Spannungsimpulse II eine Zündung des Gefäßes 11 herbeiführen, welches in Reihe mit dem Eingang des Verstärkers 13 dem Widerstand 7 parallel liegt. Von diesem Zeitpunkt an fließt also ein Teil des Sondenstromes /§, der in Fig. 6d durch die schraffierte Fläche veranschaulicht ist, über das Gefäß 11 und führt über die Elemente 13 und 14 der Anordnung eine entsprechende Steuerung der Kühleinrichtung 15-16 herbei.

Wie bereits im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 erläutert wurde, ändert sich der Sondenstrom in Abhängigkeit von der Belastung und Temperatür des Gefäßes gleichsinnig mit diesen Größen, so daß eine sinngemäße Änderung der Wirkung der Intensität der Kühleinrichtung in Abhängigkeit von diesem Sondenstrom stattfindet.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben für die Kompensation des Sondenstromes während der Brenndauer einer Anode. Die Bezugszeichen ι bis 9 und 13 bezeichnen wieder die entsprechenden, bereits in Fig. 5 erläuterten Teile. Statt des Hilfsentladungsgefäßes mit dem Steuertransformator 10 und der Vorspannbatterie 18 ist. nunmehr eine Gleichspannungsquelle vorhanden, bestehend aus dem an eine konstante Wechselspannungsquelle angeschlossenen Transformator 20, der über die Ventil- vorzugsweise Trockengleich-"ichterbrücke 21 den Widerstand 22 speist. Über einen einstellbaren Abgriff 22_a am Widerstand 22 sind die am Widerstand 22 eingestellte Vergleichsspannung und die durch den Sondenstrom am Widerstand 7 entstehende Spannung gegeneinander in Reihe geschaltet. Sind die Mittelwerte beider Spannungen gleich, so ist die am Verstärkereingang wirksame Steuerspannung Null. Das veranschaulichen die Schauhilder nach Fig. 8.

In Fig. 8 a ist wieder zeitabhängig über der Abzissenachse t entsprechend der Fig. 6 a in Richtung der Ordinatenachse der Strom J^, der über die Anode 5 fließt, aufgetragen. Fig. 8 b veranschaulicht den bei kleinster Last des Gefäßes entstehenden Strom über das Steuergitter 6. Durch n₀ Einstellung einer Kompensationsspannung Uκ am Widerstand 22 läßt sich erreichen, daß über einen Zyklus Brenndauer plus Sperrdauer der Anode der Mittelwert der Spannung am Widerstand 7, abhängig vom Gitterstrom und bezogen auf die um Ur nach unten verschobene Zeitachse Z₁, Null wird. Der Gitterstrom J_g ist also dann in seiner Wirkung auf den Eingang des Verstärkers 13 kompensiert. Mit einer gesteigerten Belastung des Gefäßes entstehen z. B. ein Stromverlauf über das Steuergitter 6 und ein entsprechender Spamtungsverlauf gemäß den Kurven nach Fig. 8 c. Der Mittelwert der Spannungskurve am Widerstand 7 über einen Zyklus Brenndauer plus Sperrdauer der Anode 5 hat jetzt den Wert (U_K + AU), wobei der k überschießende Betrag A U auf den zufolge der

Belastung des Gefäßes langsamer verlaufenden Entionisierungsvorgang zurückzuführen ist.

Um bei vollkommenem Leerlauf des Gefäßes, wenn also überhaupt keine Ionenstromkomponente auftritt, eine umgekehrt wirksame Steuerspannung durch die Spannung vom Widerstand 22 bzw. die Vergleichsspannung am Verstärker 13 zu vermeiden, kann ein Einwegventil, ζ. B. ein Trockengleichrichterelement, im Verstärker als Sperre vorgesehen werden.

Es kann sich im Zusammenhang mit der Erfindung als zweckmäßig erweisen, außerdem noch eine zusätzliche, temperaturabhängig nach Abschaltung des Gefäßes wirkende Steuerung der Kühl- oder Überwachungseinrichtung zu benutzen. Diese schützt dann also auch noch nach Abschalten des Gefäßes die temperaturgefährdeten Teile des Gefäßes vor einer unzulässigen Nacherwärmung. Eine gleichartige bzw. ähnliche Wirkung würde sich gemäß der Erfindung auch erreichen lassen, indem nach dem Abschälten des Gefäßes statt der wärmeabhängigen Steuerung eine reine zeitabhängige Steuerung der Kühlung benutzt wird. Die Kühleinrichtung bleibt dann noch über einen gewissen

as Zeitwert hinaus wirksam, nachdem das Gefäß abgeschaltet worden ist.

Zweckmäßig wird eine solche zusätzliche Steuerung, die die Plasmazustandsänderungen ausnutzt, nicht nur abhängig gemacht von einer Abschaltung oder dem Wegfall der Belastung des Gefäßes, sondern auch von einem Ausfall bzw. Fehlerhaftwerden der plasmaabhängigen Steuereinrichtung. Es bleibt im letzteren Falle somit immerhin eine Kühlung oder Überwachung wirksam, die gegebenenfalls dann rein temperaturabhängig gesteuert sein kann.

Claims (21)

PATENTANSPBÜCHE;

1. Verfahren zur Steuerung einer betriebsmäßigen Schutzeinrichtung für Stromrichtergefäße mit Metalldampfentladung unter Benutzung der im Gefäß raum bestehenden Entladungsverhältnisse, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Brennzeit einer Entladungsstrecke während deren betriebsmäßiger Entionisierung über eine im Bereich dieser Entladungsstrecke liegende und für diese speziell vorgesehene Sonde ein Ionenstrom aus deren Entladungsraum entnommen und dem Eingangsglied einer Steuereinrichtung für die betriebsmäßige Schutzeinrichtung zugeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampffüllung auf ihren Dichtezustand durch das Eingangsglied überwacht wird.

3. Anordnung in Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangsglied der Steuereinrichtung ein Ionisationsmanometer in der Dampffüllung vorgesehen ist.

4. Anordnung in Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangsglied der Steuereinrichtung ein oder mehrere Steuergitter des Gefäßes oder ein oder mehrere als Sonden wirkende vorgegebene Konstruktionsteile, z. B. der oder die Schutzschirme für die Anoden, benutzt sind.

5. Anordnung in Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangsglied der Steuereinrichtung eine oder mehrere in dem Gefäß angeordnete besondere Hilfselektroden benutzt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Entionisierungsvorgang im Anodenraum für die Steuerung benutzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der während der Sperrzeit der Anode über die Auffangelektrode fließende Ionenstrom für die Steuerung benutzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Ionenstrom verhältnisgleicher Spannungswert für die Steuerung benutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem über die Elektrode fließenden Gesamtstrom der innerhalb der Sperrzeit der betreffenden Anode des Hauptgefäßes fließende Strom als Nutzstrom für die Zwecke der Steuerung herausgeblendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dem benutzten Ionenstrom verhältnisgleiche Spannungswert als Anodenspannung eines Hilfsgefäßes für die Steuereinrichtung benutzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung des Hilfsgefäßes gesteuert wird durch die Änderung des betreffenden Anodenstromes im Löschmoment der Anode.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenstrom des Hilfsgefäßes für die Steuerung benutzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 4 oder einem der folgenden bis Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung des Sondenstromes, welcher während der Brennzeit der Anode über die Elektrode fließt, kompensiert wird für die Herauslösung des Ionenstromes, welcher während der Sperrzeit der Anode fließt, für die Steuerung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompensationseinrichtung ein von dem Sondenstrom hervorgerufener Gleichspannungswert verglichen wird mit einem für die Kompensation einstellbaren Gleichspannungswert, der gegebenenfalls aus einer Wechselspannungsquelle über Gleichrichter, wie Trockengleichrichter, gewonnen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch ein Sperrglied, welches für • die Steuerung richtungsabhängig nur einen positiven Differenzbetrag aus dem Vergleich von sondenstromabhängigem Spannungswert und

Kompensationssnannungswert wirksam werden läßt.

16. Anordnung in Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einwegventilsystem, z. B. ein Trockengleichrichter, als Sperrglied vorgesehen ist

17. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch die abhängig von den Metalldampfänderungen erzeugte elektrische Größe, gegebenenfalls über einen Verstärker, eine Kühl-, Signaloder Schalteinrichtung oder mehrere derselben gesteuert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichstromvormagnetisierte Regeldrossel gesteuert wird in der Speiseleitung des in seiner Drehzahl zu regelnden Elektromotors, welcher den Kühlmittelstrom für das Stromrichtergefäß erzeagt.

19. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem

der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Steuerung der Kühlung des Gefäßes abhängig von Zustandsänderungen in dessen Metalldampf noch eine Steuerung der Kühlung benutzt wird, die nach Wegfall oder Ausfall der ersten Steuerung wirksam wird und vorzugsweise die Kühleinrichtung auf einen Grundbetrag steuert.

20. Anordnung in Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß 3<> die zusätzliche Steuerung abhängig von der Erwärmung eines Teiles des Gefäßes arbeitet.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Steuerung abhängig von einem eingestellten Zeitwert wirksam bleibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 559 503, 641 135, 663.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©M» 548/396 6.56 (909 554/8 7.59)