Anordnung zur Speisung und Nutzbremsung von Gleichstrommaschinen mittelst gittergesteuerter Entladungsgefässe. Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Speisen und Nutzbremsen von Gleich strommaschinen mittelst gittergesteuerter <U>E</U>ntladungsgefässe, insbesondere Quecksilber- dampf gleichrichter.
Beim Betrieb von Gleichstrommaschinen, die von gesteuerten Gleichrichtern gespeist werden, hat es sich als Übelstand heraus gestellt, dass beim Übergang vom Treiben zum Nutzbremsen oder für den Fall, dass die angetriebene Arbeitsmaschine die Richtung ihres Drehmomentes wechselt, eine Umschal tung vorgenommen werden muss, wobei der Steuergleichrichter vollständig gesperrt bleibt. Während dieser Umschaltzeit ist also die Maschine sich selbst überlassen, und es besteht die Gefahr, dass sie durchgeht oder ihre Drehzahl doch in einer für den Arbeitsvorgang nachteiligen Weise ändert.
Bis zu einem gewissen Grade werden hier bei mechanische oder sonstige Verlust-Gross- bremsen den Betrieb sichern können, doch ist dieses Verfahren natürlich immer um ständlich und unvollkommen.
Erfindungsgemäss wird die Anordnung zum Speisen und Nutzbremsen von Gleich strommaschinen mittelst gesteuerter Gas- oder Dampfentladungsstrecken, insbesondere Quecksilberdampfgleichrichter, so getroffen, dass zwei Gruppen von Entladungsstrecken mindestens jedoch zwei Gleichrichter, zu der zu betreibenden Maschine entgegengesetzt parallel geschaltet sind, und dass die Steuer spannungen der beiden Entladungsstrecken gruppen bezw. Gleichrichter derart in zwang läufiger Abhängigkeit voneinander stehen,
dass mit zunehmender Zündvorverlegung der Steuerimpulse der einen Gruppe eine zuneh mende Rückverlegung der Zündimpulse der andern Gruppe eintritt.
In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ein grosser Gleichrichter 1 und ein kleiner Gleichrichter 2 sind über die Transformatoren 3 und an das Drehstromnetz 5 angeschlossen. Mit 6 ist eine fremderregte Gleichstrommaschine bezeichnet, die an die Kathoden 7 und 8 der Gleichrichter 1 und 2 einerseits und an die Sekundärwicklungen der Transformato ren<B>3</B> und 4 anderseits angeschlossen ist. Mit 9 sind Drehtransformatoren bezeichnet. Als solche kann man kleine festgebremste Asynchronmotoren verwenden, deren Läufer feld im Drehsinne entgegengesetzt ist.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Dreh transformatoren so erregt, dass die Drehfel der der beiden auf einer Welle sitzenden Drehtransformatoren entgegengesetzte Rich tung haben. Die Drehtransformatorspannun- gen, die den Gittern aufgedrückt werden, erhalten dadurch einander entgegengesetzte Phasenverschiebungen. Die betriebene Ma schine kann nun je nach der Drehrichtung der Maschine als Motor und als Generator arbeiten. Setzt man voraus, dass die Erre gung der an die Entladungsgefässe ange schlossenen Maschine nicht geändert wird, so ist die Stromrichtung gleichbedeutend mit dem Sinne oder der Richtung des Dreh momentes, das von der Maschine entwickelt wird.
Bei Linksdrehmoment ist also die eine Entladungsgefässgruppe, bei Rechtsdreh moment die andere Entladungsgefässgruppe in Tätigkeit. Bei Linkslauf und Linksdreh moment arbeitet die Maschine als Motor, ebenso bei Rechtslauf und Rechtsdreh moment. Haben Drehrichtung und Dreh- =moment verschiedene Richtung, zum Beispiel Linksdrehmoment und Rechtslauf, so tritt Generatorbetrieb bezw. Bremswirkung der Maschine ein.
In der Fig. 1 sind die Strom- verläufe für die einzelnen Betriebsarten und Drehrichtungen der Maschine eingetragen. Arbeitet das Entladungsgefäss 1 als Gleich richter und dreht sich die Maschine 6 im Rechtssinne, so fliesst ein Strom in Richtung des ausgezogenen Pfeils. Überschreitet die EMK der im Rechtslauf befindlichen Ma schine die EMg des Entladungsgefässes 1, so fliesst ein Strom in Rielitung des gestri chelten Pfeils durch das Entladungsgefäss 2.
Dreht sich die Maschine hingegen im Links sinne, so wird ihr der hierzu erforderliche Motorstrom von dem Entladungsgefäss 2 in Richtung des strichpunktierten Pfeils gelie fert und arbeitet bei gleichbleibendem Dreh sinne die Maschine als Generator, so fliesst ein Strom in Richtung des striehdoppelpunk- tierten Pfeils durch das Entladungsgefäss 1. Es sei erwähnt, dass infolge des Ventil charakters der Entladungsgefässe 1 und 2 der Strom stets seine Richtung durch die Entladungsgefässe beibehalten muss.
Hin gegen wird eine Spannungsumkehr bei Rück gang der Maschine vom Motorbetrieb zum Generatorbetrieb einsetzen und an den Trans formatorwicklungen eine EMK zur Folge haben, die entgegengesetzt der vom Wech selstromnetz 5 den Transformatorwicklungen aufgedrückten EMK gerichtet ist und somit einen Energieübertritt aus dem Gleichstrom kreis -in den Wechselstromkreis ermöglicht.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtungen gemäss der Erfindung können die in den Fig. 2 bis 8 wiedergegebenen Diagramme dienen. In den Fig. 2 bis 7 ist die allmähliche Aussteuerung eines beispiels weise sechsanodigen Entladungsgefässes dar gestellt. Wie aus diesen Zeichnungen zu er kennen ist, wird der Zündverzögerungsw in- kel zwischen 0 und 180 variiert. Dadurch werden bestimmte Werte der mittleren Gleichrichterspannung <B>E.,</B> erhalten.
Diese Werte für Es haben für die in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Fälle der Aussteuerung die in folgender Aufstellung gegebenen Grössen:
EMI0002.0039
Fig. <SEP> 2 <SEP> Fig. <SEP> 3 <SEP> I <SEP> Fig. <SEP> <U>4-1</U> <SEP> Fig.5 <SEP> I <SEP> Fig. <SEP> 6 <SEP> I <SEP> Fig. <SEP> 7
<tb> Zündwinkel <SEP> a <SEP> = <SEP> I <SEP> 0 <SEP> <SEP> <B><U>1</U></B><U> <SEP> 30 <SEP> <B>0</B> <SEP> I <SEP> <B>600 <SEP> 1 <SEP> 900</B> <SEP> I</U> <SEP> 1200 <SEP> - <SEP> <U>I <SEP> <B>1500</B></U>
<tb> Gleichspannung:
<SEP> e . <SEP> I <SEP> eo <SEP> # <SEP> <U>3 <SEP> '</U>
<tb> eo <SEP> # <SEP> 0 <SEP> -eo <SEP> # <SEP> 2 <SEP> .I--eo <SEP> # <SEP> <U>3 <SEP> #@@3</U>
<tb> ,@ <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 7r <SEP> 2 <SEP> @r
<tb> Eg <SEP> I <SEP> = <SEP> 0,955eo <SEP> = <SEP> 0,827eo <SEP> I <SEP> = <SEP> 0,478e <SEP> o <SEP> = <SEP> 0 <SEP> =- <SEP> 0,478eo <SEP> ' <SEP> _- <SEP> 0,827eo Unter e. ist hierbei der Scheitelwert der Anodenphasenspannung verstanden, und bei dieser Aufstellung sind die Verluste im Lichtbogen und im Transformator vernach lässigt. Die Rubrik a = 180 ist fortgelas sen, da sie die genaue Umkehrung der Ru brik a = 0 enthalten würde.
Es sei nun darauf hingewiesen, dass ein Gleichrichter eine elektrische Anordnung darstellt, die nur dann Strom abgeben kann, wenn seine EMIi im Mittel grösser ist als die EMK des Ver brauchers, hingegen kann ein Gleichrichter nur dann Energie aus dem Gleichstromkreis in das Wechselstromnetz zurückgeben, also als Wechselrichter arbeiten, wenn die EMIL des Gleichstromkreises grösser ist als die Fleh des Wechselrichters.
Auf die Fig. 2 bis 7 übertragen bedeutet dies, dass die mitt lere Grenzlinie Ey des schraffierten Span nungsgebietes stets höher liegen muss als die Linie E"" der fremden Gleichstrom-EME, die im Sternpunkt des Gleichrichters an geschlossen gedacht ist. Es sei darauf hin gewiesen, da,ss die Induktivität der Gleich strommaschine als Energiespeicher im Gleich stromkreis wirkt.
Durch die Anordnung von zwei Gleichrichtern oder Gleichrichtergrup- pen, derart, dass sie bezüglich des äussern Gleichstromkreises entgegengesetzt parallel geschaltet sind, wird, wie anhand der Fig. i ersichtlich ist, ermöglicht, dass die Gleich sfrommaschine bei ein- und derselben Dreh richtung sowohl als Motor, als auch als Ge nerator arbeiten kann.
Trägt man nun den Verlauf von E i o Abbängigkeit von dem Zündverzögerungs- winkel a auf, so erhält man das in Fig. 8 dargestellte Diagramm. In diesem Dia gramm stellt die Linie a, die Steuerkenn- iinie des in Fig. 1 dargestellten Entladungs gefässes 1 dar. Die Steuertrennlinie a. ver läuft in. der gleichen Weise wie die Steuer kennlinie a,.
Um jedoch die Tatsache, dass die beiden Statoren der Drehtransformatoren 9 auf der Welle derart blockiert sind, dass die Zündverzögerungswinkel der beiden Ent ladungsgefässe sich stets zu<B>180'</B> ergänzen, in dem Diagramm zum Ausdruck zu brin- gen, ist diese Steuerkennlinie a2 des Gleich richters 2 als Spiegelbild der Steuertrenn linie des Entladungsgefässes 1 dargestellt, und zwar derart, dass die Steuertrennlinie a@ über dem Winkel 180 bis 0 aufgetragen ist. Bei dieser Darstellung ist die Spannung jedes Gleichrichters auf den zugehörigen Transformatorsternpunkt bezogen.
Es muss nun berücksichtigt werden, dass die Ent ladungsgefässe 1 und 2 in bezug auf den äussern Gleichstromkreis entgegengesetzt pa rallelgeschaltet sind. Diese Schaltung ist aus führbar, wenn die Gitterspannungen beider Entladungsgefässe so gesteuert werden, dass der eine Gleichrichter gesperrt wird, wenn der andern Strom führt. Wenn die beiden Entladungsgefässe den Zündverzögerungs- winkel a = 90 erhalten, so wird weder der Maschine über das eine Entladungsgefäss Spannung zugeführt, noch von der Maschine Energie über das andere Entladungsgefäss in das Netz zurückgegeben.
Ein innerer Kurz schluss in den beiden Entladungsgefässen kann ebenfalls in dieser Stellung der beiden Steuerdrehtransformatoren nicht auftreten, weil ein solcher Strom noch die :Spannungs gefälle der Lichtbögen in den beiden Ge fässen zu überwinden hätte. Um die Span nungsgefälle der Lichtbögen in dem Dia gramm der Fig. 8 zu berücksichtigen, muss in bezug auf die beiden Kennlinien a, und a2 roch eine Korrektur in der Weise vorgenom men werden, dass beide Kennlinien a, und a= um den Betrag des Spannungsgefälles in den Entladungsgefässen vertikal nach unten ver schoben werden.
Das hat zur Folge, dass beispielsweise bei der Stellung a = 60 der Drehtransformatoren 9 der absolute Wert E'g. des als Wechselrichter arbeitenden Gefässes grösser ist als der absolute Wert E, des als Gleichrichter arbeitenden Gefässes 1. Die Differenz der absoluten R. -Werte nennt man auch Respektabstand, da das als Gleichrich ter arbeitende Gefäss wegen seiner zu klei nen Spannung verhindert ist, Strom an das als Wechselrichter arbeitende Gefäss abzu geben. Der Respektabstand kann durch an ders gewählte Blockierstellungen der Stato- ren der beiden Drehtransformatoren 9 ver grössert oder verkleinert werden.
Die obengenanute Voraussetzung, dass die beiden Zündverzögerungswinkel ,der Ent ladungsgefässe sich zu 180 ergänzen, wird, wie bereits erwähnt, dadurch erfüllt, dass die beiden Statoren der Drehtransformatoren in entsprechender Weise gegeneinander blok- kiert sind. Wird eine Verdrehung der Ro toren, die auf der gleichen Welle angebracht sind, vorgenommen, so hat dies zur Folge, dass der Zündverzögerungswinkel des einen Gefässes in dem gleichen Masse wächst,
wie der Zündvergrösserungswinkel des andern Entladungsgefässes abnimmt. Die mittlere Regelstellung,<B>901</B> der beiden Steuerdreh transformatoren, stellt nun ein ganz beson deres charakteristisches Gebiet des Aus steuerungsbereiches der beiden Entladungs gefässe dar, wie :
die Fig. 8 erkennen lässt. Bei Überschreiten dieses Zündverzögerungs- winkels wird nämlich der Mittelwert der Gleichspannung des als Gleichrichter arbei tenden Entladungsgefässes negativ oder mit andern Worten, dieses Gefäss arbeitet dann als Wechselrichter. Es setzt dies jedoch vor aus, dass die von dem Gleichstromkreis ge lieferte EMg grösser ist als die Gegen-EMg des betreffenden Entladungsgefässes.
Der Steuerbereich in der Nähe von<B>90'</B> wird bei spielsweise eingestellt, wenn die zu betrei benden Maschinen aus dem Stillstand heraus angefahren werden sollen.
Die vorstehenden Ausführungen gelten dann, wenn die Voraussetzung erfüllt ist, dass der jeweilige Gleichspannungswert kon stant ist oder mit andern Worten, dass eine vollkommene Glättuug der den Entladungs gefässen entnommenen .Spannung vorhanden ist. Praktisch wird dies jedoch nicht in dem Masse. erreicht, wie es wohl erwünscht wäre, sondern die erzeugten Gleichspannungskur- ven werden noch in abgeschwächter Form einen Verlauf zeigen, wie er in den Fig. \? bis 7 dargestellt ist.
Die sich dementspre chend in der Praxis ergebenden sägeförmi- gen Gleichspannungskurven haben nun zur Folge, dass bei bestimmten Einstellungen der Statoren der Drehtransformatoren die für die beiden Entladungsgefässe geltenden Arbeits flächen sich überlappen. Das bedeutet aber, dass nun eine treibende Spannung von dem Betrage der sich überlappenden Arbeitsflä chen vorhanden ist, die einen Gleichstrom in dem von den beiden Entladungsgefässen ge bildeten greise (in Form einer liegenden 8, deshalb Achterkreis genannt) hervorruft.
Diese Gleichströme in dem Achterkreis wer den nun zu Beginn einer Überlappung der Arbeitsflächen nur intermittierend auftre ten. Wird aber die Einstellung der Statoren der Drehtransformatoren in dem gleichen Sinne fortgesetzt, so bildet sich aus den an fangs intermittierend auftretenden Aus gleichströmen ein ständig fliessender Kurz schlussstrom in dem Achterkreis aus, der zu Beschädigungen bezw. zur Zerstörung der Entladungsgefässe führen kann.
Das Auftre ten von Ausgleichströmen in dem Achter kreis bedeutet deshalb ein Warnungszeichen für den Grad der Aussteuerung und kann somit zur Inbetriebsetzung von :Signalen oder Schutzeinrichtungen verwendet werden.
Eine solche auf ein übermässiges An wachsen der Ausgleichströme ansprechende Schutzeinrichtung für die Anordnung wird man vorteilhaft so ausführen, dass die Steuer- gitterspannungen einer oder beider Gruppen durch die Schutzeinrichtung mittelbar oder unmittelbar so beeinflusst werden. dass die Phasenlage der Zündzeitpunkte verzögert wird, um durch Verkleinerung bezw. voll kommene Vermeidung der Ausgleichströme die Anordnung aus dem Gefahrzustande her auszubringen.
Der Grad der Aussteuerung der Entladungsgefässe, bei dem Ausgleich ströme auftreten, stellt aber gleichzeitig den Zustand des kleinsten Respektabstandes bezw. der höchsten Empfindlichkeit der Steuereinrichtungen dar, @a eine gering fügi ge Veränderung der Verdrehung eines Stators allein oder beider Statoren im Sinne voreilender Zündung ein Anwachsen der Ausgleichströme in beiden Entladungsgefä ssen zur Folge hat.
Wird deshalb die For derung gestellt, zeit Hilfe 'der Anordnung gemäss der Erfindung eine Maschine so zu regeln, bezw. so ihre Tourenzahl zu halten, dass bei einer verhältnismässig kleinen Er höhung der Tourenzahl, die eine Erhöhung der EMIi der Maschine zur Folge hat, so dass die als Wechselrichter arbeitende Ent- ladungsstrecl-zenbruppe anspricht, so wird durch diese Belastimb die Gleichstrom maschine in ihrer Tourenzahl wieder ab gebremst.
Ein Absinken der Tourenzahl unter das vorgeschriebene Mass ist ebenfalls unmöglich, weil bei Absinken der EMg des Gleichstromkreises unter das der vorbe stimmten Tourenzahl entsprechende Mass die als Gleiehrichter arbeitende Entladungs- streckengruppe der Maschine Energie zu führt und so ihre Tourenzahl wieder auf den gewünschten Zustand bringt.
Bei einer solchen hochempfindlichen Regelanordnung wird man deshalb die Steuerorgane der Ent ladungsgefässe so beeinflussen, dass bereits im Leerlauf bei abgeschalteter Gleichstrom maschine die besteuerten mittleren Gleich stromspannungen der beiden Gruppen bei beliebiger Stellung des Regelapparates so weit einander genähert liegen, dass pulsie rende Gleichströme im greis der beiden Gruppen fliessen.
Bei der normalerweise verlangten Regel genauigkeit von Maschinenanordnungen wird man jedoch auf eine derartige kochempfind liche Steuerung verzichten können und daher die Steuerorgane der Entladungsgefässe der art beeinflussen, dass bei beliebiger Klem menspannung beim Übergang vom Treiben zum Nutzbremsen der betriebenen Gleich strommaschine eine gleichzeitige Stromlosig- keit beider Gruppen nur in einem sehr klei nen Intervall des Einstellungsbereiches des Regelapparates eintritt (Toter Gang).
Anderseits kann es für verschiedene Ver wendungszwecke der mit Hilfe der An ordnung gemäss der Erfindung betriebenen Maschine wünschenswert sein, den Respekt abstand verhältnismässig gross zu wählen, bezw. einen solchen Zustand der Aussteue rung der Entladungsgefässe einzustellen, dass pulsierende Ausgleichströme in dem Achter- kreis im ganzen Einstellungsbereich des Regelapparates noch nicht auftreten.
Eine solche Betriebsweise der Anordnung kann beispielsweise für Förderanlagen von Vorteil sein, um bei der Regelung .dem Bedienungs mann der Anlage das Einstellen der Steue- i-ing zu erleichtern; denn bei einer solchen Ausbildung der Steuerapparatur hat er bei spielsweise zum .Stillsetzen der Gleichstrom maschine nicht mehr das Handrad in eine bestimmte, vorher genau festgelegte Einstel lung, sondern nur in die Nähe dieses Ein stellpunktes zu bringen.
Ein solcher Steuerzustand der Anordnung wird dadurch erreicht, dass die Zündverzöge- rung der Zündimpulse einer der beiden Gruppen von Entladungsstrecken so gross ge wählt ist, dass diese sich bei beliebiger Klem menspannung der betriebenen Gleichstrom maschine nicht an der Stromführung betei ligen kann.
Wirtschaftliche Vorteile können noch durch verschieden grosse Bemessung der Ent ladungsgefässe erzielt werden, wenn etwa die Durchschnittsbelastung eines der beiden we sentlich überwiegt. Das trifft gelegentlich bei Förderanlagen zu. Bei derartigen Anlagen wird durch die neue Anordnung erst die er forderliche Sicherheit für den @Steuergleich- richterbetrieb erreicht. Als Beispiel ist hier der Fall anzuführen, wo bei fehlendem Un terseil während .der Abwärtsfahrt der För derkorb Übergewicht bekommt. Hier kann das Anziehen der mechanischen Bremsen durch die Erfindung vermieden und der Mo tor ohne weiteres abgefangen werden.
Erst durch diese neue Anordnung werden ge steuerte Entladungsgefässe als Ersatz für die Leonard=Schaltung brauchbar.