DE544107C - Einrichtung zur Stromumformung mittels Entladungsgefaesse - Google Patents

Description

Es sind bereits Einrichtungen zur Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt mittels nur in einer Richtung stromdurchlässiger, gittergesteuerter Entladungsgefäße bekannt geworden, bei denen das Verhältnis der Gleichspannung zur Wechselspannung in weiten Grenzen geändert werden kann. Zu diesem Zwecke sind in der Nähe der Anoden der Entladungsgefäße Steuerelektroden angeordnet, welche mit einer Wechselspannug gleicher Frequenz wie die Anodenspannung erregt werden.

In derartigen Anlagen muß bei Energierichtungswechsel die Polarität der Gleich-

iS stromseite umgekehrt werden, da die Richtung des Gleichstromes innerhalb des Entladungsgefäßes immer die gleiche bleiben muß, nämlich von der Anode zur Kathode. Diese Umpolung bereitet betriebliche Schwierigkeiten beim Umschalten normaler Haupt- und Nebenschlußmaschinen vom Motorbetrieb auf den Generatorbetrieb, da Belastungs- und Entlastungsstöße auftreten.

Dieser Nachteil läßt sich erfindungsgemäß bei solchen Anlagen, bei welchen die Phasenlage der Steuerspannung gegenüber der Anodenspannung beliebig einstellbar ist, dadurch vermeiden, daß ein Umschalter, der beim Wechsel der Energierichtung die An-Schlüsse der Gleichspannungszuleitungen zu den Klemmen der Gleichstrommaschine oder eines Teiles der Maschine vertauscht, mit dem Phasenregler derartig gekuppelt ist, daß die Umschaltung nur bei Phasenopposition von Steuer- und Anodenspannung möglich ist. Hierdurch wird erreicht, daß der Energierichtungswechsel ohne Belastungs- und Entlastungsstöße vor sich geht. Die hier vorgeschlagene Anordnung eignet sich insbesondere für Bahnbetriebe mit Nutzbremsung. Sie kann jedoch mit Vorteil allgemein in Anlagen mit Energierückgewinnung verwendet werden, z. B. auch in Walzwerks- oder Förderanlagen.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar beziehen sich die Abb. 1 bis 4 auf solche Ausführungen, bei denen sich die Umformeranlage auf dem Fahrzeug selbst befindet, während Abb. 5 eine Anordnung zeigt, bei der die Umformeranlage ortsfest angeordnet ist und ein Gleichstromnetz speist, dessen Spannung unabhängig von der Größe und der Richtung der übertragenen Leistung selbsttätig konstant gehalten wird.

In Abb. ι wird die Ankerwicklung 2 einer Gleichstromnebenschlußmaschine 1 von einer Phase eines Mehrphasennetzes 3 über einen Transformator 4 und einen gittergesteuerten Quecksilberdampfgleichrichter 5 mit Anoden

18 und ig, Steuerelektroden 20 und 21 und einer Quecksilberkathode 14 gespeist. In den Ankerkreis ist eine Drosselspule 6 und ein Umschalter 7 eingefügt. Die Feldwicklung 8 der Maschine 1 liegt an derselben Phase des Netzes 3 über den Transformator 4 und einen Quecksilberdampfgleichrichter 9. Die Steuergitter 20 und 21 liegen über Widerstände 22 und 23 an den Klemmen 24 und 25 der Sekundärwicklung des Transformators 26, deren Mittelanzapfung mit der Kathode 14 des Gefäßes 5 verbunden ist. Die Primärwicklung des Transformators 26 wird über einen Phasenschieber 28 von dem Mehrphasennetz 3 erregt. Durch Verändern der Stellung des Läufers 29 kann man die Phase der Steuerspannung gegenüber der Anodenspannung beliebig verschieben und hierdurch das Verhältnis der Gleichspannung zur Wechselspannung ändern. Eilt die Gitterwechselspannung der Anodenspannung nach, so wird bei einer Phasenverschiebung zwischen ο ° und i8o° Leistung aus dem Wechselstromnetz in das Gleichstromnetz übertragen. Beträgt die Phasenverschiebung i8o°, so findet kein Stromdurchgang durch das Entladungsgefäß statt. Legt man den Umschalter 7 um und läßt man die Phasenverschiebung kleiner werden als i8o°, so wird nunmehr Leistung von der Gleichstromseite an das Wechselstromnetz zurückgeliefert.

Damit beim Übergang vom Motor auf den Generatorbetrieb keine Stromstöße auftreten, verbindet man den Läufer 29 des Phasen-Schiebers 28 und den Umschalter 7 zweckmäßigerweise so, wie es in Abb. 2 schematisch dargestellt ist. Hierdurch wird erreicht, daß der Schalter 7 nur dann betätigt wird, wenn Gitter- und Anodenspannung entgegengesetzt sind und der Stromfluß zwischen dem Transformator 4 und der Maschine 1 infolgedessen unterbrochen ist.

In Abb. 2 ist ein um den Punkt 33 drehbar gelagerter Kontakthebel 32 vorgesehen, der aus zwei voneinander isolierten Kontaktstücken besteht. Das obere Kontaktstück des Hebels kann die Kontakte 34 und 35 bzw. 36 und 37 miteinander verbinden, während das untere zwischen den Kontakten 38 und 39 bzw. 40 und 41 eine Verbindung herstellt. Der Kontakt 34 ist mit dem Kontakt 36 verbunden und der Kontakt 35 mit dem Kontakt 40. Ferner ist der Kontakt 38 mit dem Kontakt 37 und der Kontakt 39 mit dem Kontakt 41 verbunden. An die Kontakte 35 und 38 sind außerdem noch die Leitungen 42 und 43 angeschlossen, durch die der Maschine 1 Strom zugeführt wird. Der Kontakthebel 32 ist so angeordnet, daß er bestrebt ist, in der Offenstellung zu verharren. Um dies zu erreichen, ist eine Feder 44' vorgesehen, die mit dem Kontakthebel 32 durch eine über die Rolle 45 laufende Schnur 44 verbunden ist. Die Schnur 44 ist außerdem noch über die an dem Rotor 29 angebrachte Rolle 46 geleitet. Bei Änderung der Phasenverschiebung zwischen Gitter- und Anodenspannung wird der gekuppelte Kontakthebel 32 den Schalter 7 geschlossen halten. Wird jedoch Phasenopposition erreicht, so geht der Kontakthebel 32 in die Offenstellung.

Nimmt man an, daß sich der Kontakthebel 32 in der gezeichneten Stellung befindet und der Phasenunterschied zwischen Gitter- und Anodenspannung mittels des Rotors 29 auf i8o° eingestellt ist, so läuft die Maschine 1 als Motor an, sobald man den Hebel 32 nach rechts legt. Hierdurch wird die Maschine mit der Sekundärwicklung des Transformators 4 über das Entladungsgefäß 5 verbunden. Die Phase der Gitterspannung ändert sich dabei selbsttätig oder von Hand in Abhängigkeit von dem Anwachsen des Drehmomentes der Maschine. Sobald man den Kontakthebel in die Mittelstellung bringt, wird die Stromzuführung zu der Maschine 1 unterbrochen, da der Ankerstrom sowohl in dem Entladungsgefäß 5 als auch in dem Umschalter 7 unterbrochen wird. Soll die Maschine als Generator arbeiten und Strom an das Netz 3 liefern, so muß man den Kontakthebel 32 nach links bewegen. Hierdurch werden die Ankerverbindungen der Maschine ι umgeschaltet, und der Phasenunterschied zwischen Gitter- und Anodenspannung des Gefäßes 5 nimmt ab, so daß die Maschine nunmehr bei gleichbleibendem Drehsinn über die Umformeranlage auf das Wechselstromnetz zurückarbeitet.

Bei der Anordnung gemäß Abb. 3 wird die Feldwicklung 8 der Maschine 1 mittels eines in Reihe mit dem Transformator 4 liegenden Transformators 52 erregt. Die Felderregung ist also dem Ankerstrom der Maschine 1 proportional. Um den Übergang auf den Generatorbetrieb zu erleichtern, ist ein Kondensator 53 oder eine andere geeignete Vorrichtung an die Sekundär spannung des Transformators 4 angeschlossen. Hierdurch wird erreicht, daß die Feldwicklung 8 auch dann noch erregt ist, wenn der Ankerstrom Null ist. Die Stärke der Erregung ist von der Größe des Kondensators 53 abhängig.

Bei der in Abb. 4 dargestellten Anordnung werden das Feld und die Ankerwicklungen von einem Einphasenwechselstromnetz 47 über ein Entladungsgefäß 54 und einen Transformator 55 gespeist, der zwei Sekundärwicklungen 56 und 57 besitzt. Zur Erzeugung eines Drehfeldes im Phasenschieber 28 werden zwei Hilfsphasen mittels eines Kondensators 58 und einer Drosselspule 59 ge-

bildet. Die Steuergitter 20 und 21 sind mit der Läuferwicklung 30 des Phasenschiebers 28 verbunden. Außerdem ist an die Sekundärwicklung 57 noch die Feldwicklung 8 über die Leitungen 65 und 66, das Gefäß 54 und die Leitungen 62, 67, 68 und 69 angeschlossen. Die Ankerwicklung 2 dagegen ist mit der Sekundärwicklung 56 des Transformators 55 verbunden, und zwar über die Leitungen

ία 6o und 61, das Gefäß 54, die Leitung 62, Umschalter 7, Leitung 63, Drosselspule 6 und Leitung 64. Soll die Maschine 1 mit Reihencharakteristik arbeiten, so muß man die Leitungen 65 und 66 anstatt an die Wicklung 57

j 5 an einen Reihentransformator anschließen, ähnlich wie es in Abb. 3 dargestellt ist.

Bei der in Abb. 5 gezeichneten Anordnung findet der Stromaustausch zwischen einem Mehrphasemvechselstromnetz 70 . und einem Gleichstromnetz 71 statt, und zwar über Transformatoren 72 und 73, das Gleichrichterentladungsgefäß 74, die Drosselspule 75, den Umschalter 76, die Steuerspule yj eines polarisierten Relais 78 und einen Zwischentransformator 79, der zwischen den Mittelpunkten der Sekundärwicklungen der Transformatoren 72 und 73 liegt, so daß er eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen diesen beiden Transformatoren bewirkt. Ferner ist noch ein Phasenschieber 80 vorgesehen, der aus einer Mehrphasenstatorwicklung 81, die an dem Netz 70 liegt, und einem Mehrphasenrotor 82 besteht, der über die Transformatoren 83 und 83' an die Steuerelektroden 84, 85, 86 und 87 angeschlossen ist. Der Phasenschieber 80 dient dazu, die Steuerspannung zu regeln in der gleichen Weise, wie es bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Der Phasenschieber 80 wird durch einen Motor 88 verstellt, der an das Gleichstromnetz über den Umschalter 89, den Widerstand 90 und die Batterie 91 angeschlossen ist. Die Batterie dient dazu, den Motor 88 und damit den Phasenschieber 80 so anzutreiben, daß die Spannung der Gleichstromseite auf einem konstanten Wert gehalten wird, der von der Batteriespannung abhängig ist. Das polarisierte Relais 78 steuert die Kontakte 93, 94, 95, 96. Es besitzt zu diesem Zweck einen Kontakthebel 97, der mit den Kontakten 93 bis 96 zusammenarbeitet. Die Kontakte steuern die Erregerstromkreise der Solenoide 99 und 100, die ihrerseits die Schalter 89 und 76 betätigen. Ferner ist noch ein Verriegelungsschalter 101 vorgesehen, der durch den Motor 88 gesteuert wird. Durch diesen Schalter wird bewirkt, daß die Umschalter 89 und 76 nur dann umgelegt werden können, wenn die Spannungen der Gitter und der Anoden des Gefäßes 74 entgegengesetzt gerichtet sind. 102 ist ein im Gleichstromkreis des Gefäßes 74 liegender Widerstand, der als Hilfsbelastung dient und das Ansprechen des polarisierten Relais 78 erleichtert, wenn die Stromübertragung von dem Netz 71 zu dem Netz 70 eingeleitet werden soll. 103 ist ein Triebfahrzeug, das von dem Gleichstromnetz 71 gespeist wird oder auf dieses zurückarbeitet. Das Triebfahrzeug ist von der ortsfest angeordneten Umformeranlage unabhängig und besitzt die gewöhnlichen Steuereinrichtungen, wie sie bei Gleichstrombahnen mit Nutzbremsung üblich sind. Es können natürlich beliebig viele Triebfahrzeuge bzw. Stromverbraucher an das Gleichstromnetz angeschlossen sein, die im gleichen Zeitpunkt teils Leistung aufnehmen, teils solche liefern. Die Umformeranlage hält in jedem Falle die Netzspannung selbsttätig konstant und gleicht dem Energiebedarf bzw. Energieüberschuß des Gleichstromnetzes aus, wie im nachstehenden erläutert werden soll.

Es sei zunächst angenommen, daß sich die Schalter 89 und 76 und der Kontakthebel 97 in der linken Stellung befinden. Ferner soll das Gleichrichterentladungsgefäß 74 durch Einlegen des in der Zeichnung nicht dargestellten Hauptschalters seine Tätigkeit begonnen haben. Sobald die gleichgerichtete Spannung von der Batteriespannung nach oben oder unten abweicht, fließt Strom durch die Ankerwicklung des Motors 88, so daß sich der Motor zu drehen beginnt und den Phasenschieber 80 so einstellt, daß die gleichgerichtete Spannung gleich der Batteriespannung ist. Sobald dies der Fall ist, steht der Motor 88 still.

Solange das Gleichstromnetz aus dem Wechselstromnetz Energie aufnimmt, wird also die Gleichstromspannung auf der gleichen Höhe wie die Batteriespannung gehalten. Wenn dagegen im Gleichstromnetz ein Energieüberschuß auftritt, so wird die Spannung höher als die der Batterie 91. Es fließt dann ein Strom von dem Netz 71 über den Widerstand 102 zu der Steuerspule yj des Relais 78. Infolgedessen bewegt sich der Kontakthebel 97 nach rechts und verbindet den Kontakt 95 mit dem Kontakt 96. Außerdem fließt ein Strom von dem Netz 71 durch den Umschalter 89, den Widerstand 90 und die Batterie 91 zu der Ankerwicklung des Motors 88, der den von ihm gesteuerten Verriegelungsschalter 101 in Berührung mit seinen Gegenkontakten bringt. Der Widerstand 90 begrenzt die Entladung der Batterie 91 während der Zeit, in der die Spannung des Gleichstromnetzes kleiner als die der Batterie ist. .

Solange die Schalter 89 und 76 sich in der Linksstellung befinden, kann kein Strom von

dem Gleichstromnetz ji über das Enladungsgefäß 74 in das Wechselstromnetz 70 fließen. Sobald aber der Verriegelungsschalter 101 seine Kontakte schließt, wird das Solenoid 99 von dem Netz 71 aus erregt. Infolgedessen werden die Schalter 89 und j6 nach rechts umgelegt und nehmen die gezeichnete Stellung ein. Hierdurch werden die Verbindungen zwischen dem Gleichrichterentladungsgefäß 74 und dem Gleichstromkreis 71 so umgeschaltet, daß ein Strom von dem Netz 71 zu dem Netz 70 fließt. Die Spannung dieses Stromes hängt von der Spannung der Batterie 91 ab.

Wenn im Gleichstromnetz 71 der Energieüberschuß verschwindet, so sinkt die Netzspannung ab. Infolgedessen wird die Spule Jj von der Batterie 91 aus über die Feldwicklung des Motors 88 gespeist und der Kontakthebel 97 nach links umgelegt, so daß die Kontakte 93 und 94 geschlossen sind. Reicht der Strom nicht sicher aus, um das Relais 78 zu betätigen, so sieht man zweckmäßig eine Feder 98 vor, die die Bewegung des Kontakthebels 97 unterstützt. Zu der gleichen Zeit wie der Spule Jj wird auch dem Motor 88 Strom zugeführt, und zwar derart, daß der Verriegelungsschalter 101 seinen Kontakt schließt. Infolgedessen wird das Solenoid 100 erregt und bringt die Umschalter 89 und 76 in die Linksstellung. Hierdurch ist wieder der ersterwähnte Betriebszustand hergestellt, bei dem das Gleichstromnetz Leistung über die Umformeranlage aufnimmt.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Speisung von Gleichstrommotoren, die zeitweise als Generatoren laufen, aus einem Wechselstromnetz mittels nur in einer Richtung stromdurclilässiger, gittergesteuerter Entladungsgefäße, bei welchen die Phasenlage der Steuerspannung gegenüber der Anodenspannung mit Hilfe eines Phasenreglers beliebig einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter, der beim Wechsel der Energierichtung die Anschlüsse der Gleichspannungszuleitungen zu den Klemmen der Gleichstrommaschine oder eines Teiles der Maschine vertauscht, mit dem Phasenregler derartig gekuppelt ist, daß die Umschaltung nur bei Phasenopposition von Steuer- und Anodenspannung möglich ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Anschlüsse an die Ankerklemmen des Motors vertauscht werden, während die Erregung durch eine weitere Gleichstromquelle, beispielsweise durch einen zweiten Gleichrichter (9 in Abb. 1) oder weitere Anoden (65 und 66 in Abb. 4) des Hauptgleichrichters (54), aufrechterhalten wird.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Erzielung einer Reihenschlußcharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß Anker und Feld des Motors über Gleichrichter aus primärseitig in Reihe geschalteten Transformatoren (4 und 52 in Abb. 3) gespeist werden und durch einen von einem Kondensator (53) gebildeten Nebenschluß zu dem den Anker speisenden Transformator (4) der Stromdurchgang durch den die Erregerwicklung speisenden Transfermator (52) und durch letztere bei verschwindendem Ankerstrom aufrechterhalten wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung und die Einstellung des Phasenreglers auf Phasenopposition selbsttätig in Abhängigkeit vom Strom oder der Spannung bei Umkehrung der Energierichtung erfolgt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Anwendung eines polarisierten Relais (78) für die Betätigung des Umschalters und des Phasenreglers.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen