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Einrichtung zur Umformung von Gleichstrom gegebener Spannung in Gleichstrom
anderer Spannung mit Hilfe von Entladungsgefäßen Es ist bekannt, Gleichstrom gegebener
Spannung in Gleichstrom anderer Spannung mit Hilfe von Entladungsgefäßen mit Gas-oder
Dampffüllung und von Mehrphasenwicklungen, die die Entladungsgefäße speisen und
auf einen gemeinsamen, mit beliebig wählbarer Frequenz fremderregten Transformator
liegen, umzuformen. Es wurden hierfür zwei Entladungsgefäße verwendet, welche mit
je einer auf dem gemeinsamen Transformator liegenden Mehrphasenwicklung leitend
verbunden sind, und es wurde die gegebene Gleichspannung mit dem Pfuspol an den
Sternpunkt der einen Mehrphasenwicklung, mit dem Minuspol an die Kathode des mit
dieser Wicklung verbundenen Entladungsgefäßes angeschlossen, während der Minuspol
der erzeugten Gleichspannung mit dem Sternpunkt der anderen Mehrphasenwicklung und
der Plusleiter dieser Spannung mit der Kathode des zweiten Entladungsgefäßes verbunden
war. Das Entladungsgefäß für die gegebene Gleichspannung besitzt dabei Anodengitter,
die im Takte der Erregerfrequenz des Transformators derart gesteuert werden, daß
der Gleichstrom der gegebenen Spannung in cyclischer Folge die Phasenwicklungen
der dieser Spannung zugeordneten Mehrphasenwicklung durchfließt. In der Mehrphasenwicklung
rotieren die durch den Gleichstrom erzeugten Amperewindungen also mit der Erregerfrequenz.
Sie werden durch einen in der zweiten Mehrphasenwicklung induzierten Mehrphasenstrom
kompensiert, der in normaler Weise mit Hilfe des zweiten, nicht steuerbaren Entladungsgefäßes
wieder in Gleichstrom umgewandelt wird. Das Verhältnis der Spannung des erzeugten
Gleichstroms zur gegebenen Gleichspannung ist im wesentlichen durch das Verhältnis
der Windungszahlen der beiden Mehrphasenwicklungen auf dem Transformator bestimmt.
Diese Einrichtung gestattet ohne weiteres, Energie aus dem gegebenen (primären)
Gleichstromnetz auf das sekundäre Gleichstromnetz zu übertragen, nicht aber ist
es möglich, den Energiefluß umzukehren, also das sekundäre Netz zum primären, das
primäre zum sekundären zu machen. Hierzu müßten nicht nur die Plus- und Minusleiter
in jedem der beiden Netze miteinander vertauscht werden, es müßte auch das zweite,
zunächst nicht steuerbare Entladungsgefäß steuerbar gemacht werden, während die
Steuerung des ersten Entladungsgefäßes unterbleiben könnte. Alle diese Maßnahmen
sind aber umständlich und während des Betriebes nicht ausführbar. Ein -Zurückarbeiten
des sekundären Netzes auf das primäre ist mit der bekannten Einrichtung somit nicht
ohne weiteres möglich.
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Erfindungsgemäß wird dies aber dadurch erreicht, daß sowohl dem primären
als auch dem sekundären Gleichspannungsnetz ein Satz von zwei Mehrphasenwicklungen
und zwei Entladungsgefäßen zugeordnet wird, die in an sich bekannter Weise in der
Schaltung einer liegenden 8 miteinander verbunden sind, wobei mindestens eines der
beiden Entladungsgefäße
mit Steuergittern versehen ist. Dadurch
wird die Umkehrbarkeit der Stromrichtung in beiden Gleichstromnetzen, also auch
das Zurückarbeiten des Sekundärneues auf das Primärnetz, erreicht.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine Einrichtung zur Umwandlung
von Gleichstrom gegebener Spannung in Gleichstrom anderer Spannung mit Hilfe von
Entladungsgefäßen mit Gas- oder Dampffüllung und von Mehrphasenwicklungen, die die
Entladungsgefäße speisen ünd auf einem gemeinsamen, mit beliebig wählbarer Frequenz
fremderregten Transformator liegen, bei welcher sowohl der primären als auch der
sekundären Gleichstromspannung je zwei Mehrphasenwicklungen gleicher Windungszahl
und zwei Entladungsgefäße zugeordnet sind, die unter sich in der Weise verbunden
sind, daß der Nullpunkt der das eine Entladungsgefäß speisenden Wicklung mit der
Kathode des zweiten Entladungsgefäßes und der Nullpunkt der das zweite Entladungsgefäß
speisenden Wicklung mit der Kathode des ersten Entladungsgefäßes verbunden ist,
und -wobei ferner die beiden Verbindungsleitungen zwischen den Nullpunkten der Mehrphasenwicklungen
und den Kathoden der Entladungsgefäße zweckmäßig unter Zwischenschaltung von Drosselspulen
an die betreffende Gleichspannung gelegt sind und mindestens eines der beiden Entladungsgefäße
jedes Systems durch Anodengitter im Takte der- Erregerfrequenz des Transformators
derart gesteuert wird, daß der Gleichstrom die Phasen dieses Entladungsgefäßes und
der das Gefäß speisenden Mehrphasenwicklung im Takte der Erregerfrequenz cyclisch
abwechselnd durchläuft, -wobei die Steuerung der Entladungsgefäße der beiden Gleichstromsysteme
synchron und gleichphasig miteinander erfolgt.
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Wenn es auch nicht unbedingt erforderlich ist, daß das zweite Entladungsgefäß
jedes Systems mit Gittersteuerung versehen ist, so kann dies zur Sicherung des Betriebes
unter Umständen erwünscht sein. Es müßte dann in beiden Systemen mit jeder Phase
des ersten Entladungsgefäßes die gegen sie um r8o° verschobene Phase des zweiten
Entladungsgefäßes gleichzeitig und :gleichsinnig gesteuert werden, wobei sowohl
die ersten als auch die zweiten Entladungsgefäße beider Systeme synchron und gemeinsam
miteinander gesteuert werden.
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Die Erfindung sei an J#iand des Ausführungsbeispieles der Figur näher
erläutert.
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In der Figur stellen Q1, Q2, 03, O4 vier Sechsphasenwicklungen
dar, die auf einem gemeinsamen dreischenkligen Eisenkern aufgebracht sind, in welchem
durch die dreiphasige Erregerwicklung P ein Dr eiphasenfeld einer wählbaren Frequenz
erzeugt wird. Dieses Feld induziert in den Wicklungen Q1, 02, Q3, O4 Drehstromspannungen,
deren @'rröße von den Windungszahlen dieser Wichlungen abhängt. Nun ist die Windungszahl
von Q1 und C32 gleich so hoch gewählt, daß zwischen dem Sternpunkt der Mehrphasenwicklung
Q1 bzw. 02 und der Kathode eines von dieser Mehrphasenwicklung gespeisten Entladungsgefäßes
G1 bzw. G2 eine der Spannung E,1 gleiche Spannung herrscht. In gleicher Weise ist
die Windungszahl von 03 und 04 gleich und so hoch gewählt, daß zwischen dem Sternpunkt
der Mehrphasenwicklung 03 bzw. 04 und der Kathode eines von dieser Mehrphasenwicklung
gespeisten Entladungsgefäßes G3 bzw. G4 eine der Spannung Egg gleiche Spannung herrscht.
Die Anordnung zerfällt also in zwei Gruppen von Wicklungen und Entladungsgefäßen,
von denen jeder eine Gleichstromspannung Egl bzw. Es. zugeordnet ist. In jedem System
des in der Zeichnung gezeigten Umformers ist ein Entladungsgefäß Gil bzw.
Gly steuerbar, indem es Anodengitter besitzt, denen durch Steuereinrichtungen St,
bzw. St. im Takte der Erregerfrequenz des Transformators Steuerspannungen zugeführt
werden können, derart, daß der Stromdurchgang durch das Entladungsgefäß für die
aufeinanderfolgenden Phasen in cyclischer Folge freigegeben bzw. gesperrt wird.
Nun ist in jedem System der Sternpunkt der einen Wicklung Q1 bzw. 03 mit der Kathode
der von deren anderen Wicklung 02 bzw. O4 gespeisten Entladungsgefäßes GI, bzw.
Glv und der Sternpunkt der anderen Wicklung 02 bzw. Q4 mit der Kathode des von der
ersten Wicklung 01 bzw. Q3 gespeisten Entladungsgefäßes G, bzw. Gill verbunden.
Die Stromkreise Q1, GI, Verbindungsleitung, 02,
Gil, Verbindungsleitung, Q1
(bzw. Q3, G",, Verbindungsleitung, Q4, Glv, Verbindungsleitung, Q3) haben die Form,
einer liegenden 8, und sie würden einen Kurzschluß für die in den Mehrphasenwicklungen
induzierten Spannungen bedeuten, wenn in beiden dem Stromkreis zugehörigen Entladungsgefäßen
der Stroindurchlaß für gleiche Phasen freigegeben wäre. Nur wenn dieser Stromdurchgang
in dem gesteuerten Entladungsgefäß jeweils nur für diejenige Phase freigegeben wird,
in welcher die induzierte Spannung gerade nach dem Sternpunkt zu gerichtet ist,
ist die angegebene Verbindung der Wicklungen und Enfladungsgefäße unter Vermeidung
eines Kurzschlusses möglich, und in Rücksicht auf diesen Umstand ist die Phase der
Steuerspannungen der gesteuerten Entladungsgefäße GI, und Gly zu wählen.
Wenn also die
Richtung der 'induzierten Spannung gerade die in der
Figur durch Pfeile dargestellte ist, wäre der Stromdurchgang in den Entladungsgefäßen
Gli und Glv für die am weitesten links gezeichneten Anoden freigegeben. Die äußeren
Stromkreise mit den Spannungen E,1 und 42 sind unter Zwischenschaltung von Drosseln
Dl und D2 an die entsprechenden Verbindungsleitungen (bzw. Kathoden) angeschlossen.
Bei der gezeichneten Richtung der Spannung Egi erfolgt, wenn Eg, größer ist als
die induzierte Spännung E",1, der Stromdurchgang durch das Entladungsgefäß Gl, entgegen
der Richtung der induzierten Spannung E,1, die hier also eine Gegen-EMK bedeutet.
Das heißt aber, daß das Gleichstromnetz mit der Spannung Egi Energie abgibt, die
nach Transformation über die Wicklung Q3 und das Entladungsgefäß G,11 in das Netz
Egg fließt. Dieser sekundäre Gleichstrom fließt somit dem Netzgleichstrom finit
der Spannung E92 entgegen, was aber bedeutet, daß sie in diesem Stromkreis die Gegen-EÄ4K
darstellt, welche von der Spannung E",2 überwunden wird. E,2 wird sich also
entsprechend kleiner als E",., einstellen. Natürlich ist die Stromrichtung umgekehrt,
wenn Ea_ vergrößert und Etil verkleinert wird. Das Dreiphasennetz N stellt zunächst
nur ein Erregernetz dar, welches von der Er regermaschine S, die hier als Synchrönmaschine
dargestellt ist, gespeist wird. Es ist aber ohne weiteres möglich, jedes beliebige
gegebene Dreiphasennetz als Erregernetz zu verwenden oder die Synchronmaschine S
mit Energie abgebenden oder aufnehmenden Maschinen zu kuppeln. In diesem Falle kann
eines oder beide Gleichstromnetze Egl, Egg je nach Wahl der Spannungsgröße über
den Transformator T auch Energie in das Dr eiphasennetz senden oder von ihm Energie
empfangen. Die Frequenz des Dreiphasennetzes spielt dabei eine nur untergeordnete
Rolle. Es ist aber vorteilhaft, diese Frequenz so hoch wie möglich zu wählen, weil
dadurch der Transformator Z' kleine Abmessungen und Gewichte erhält, also leichter
und billiger wird. Bei relativ hoher Frequenz co gestaltet sich die Steuerung der
Gitter durch mechanisch bewegte Einrichtungen (Kollektor, Bürsten) praktisch schwierig,
weil man zu außerordentlich hohen Drehgeschwindigkeiten kommt. Hier ist es viel
vorteilhafter, die Steuerung durch Funkenüberschlag auf die Gitter zu bewirken,
weil man sich dabei ruhender Einrichtungen (Hilfsgleichrichter, Induktorien) bedienen
kann. Die beschriebene Einrichtung gestattet aber auch die Entnahme regelbarer Gleichspannungen
trotz des festen Windungsverhältnisses zwischen den Wicklungen 01 bzw. 02 und 03
bzw. 04. Es ist nur erforderlich, in an sich bekannter Weise die Phase der Gitter
steuerspannungen gegen die Phase der Anodenspannungen so zu verschieben, daß die
Zündung der Lichtbogen verspätet erfolgt und damit die Brenndauer der Lichtbogen
verkürzt wird. Je nach der Phasenlage der Zündmomente ergibt sich eine größere oder
kleinere (effektive) Gleichspannung. Sind die Gittersteuerspannungen aus einer Gleich-
und einer Wechselspannung zusammengesetzt, dann kann die Regelung der erzeugten
Gleichspannung, E" bzw. E,2
durch Regelung der Gleichstrom- oder Wechselstromkbmponente
oder beider Komponenten der Steuerspannungen erfolgen, wie es für gewöhnliche Gleichrichter
bereits vorgeschlagen worden ist. Geschieht die Steuerung durch Funkenüberschlag,
dann wären zum gleichen Zweck Regeleinrichtungen vorzusehen, welche eine Verschiebung
der Zeitpunkte,des Funkenüberschlages auf die Gitter ermöglichen.
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Eine gewisse Vereinfachung und Verbilligung der Einrichtung gläßt
sich dadurch erzielen, daß ein Leiter des einen Gleichstromsystenas mit dein Plus-
oder Minusleiter des anderen Gleichstroinsysteins vereinigt wird, weil dann die
beiden Entladungsgefäße, z. B. G , und -GII, bzw. Gl, und Glv,
.deren Kathoden dadurch unmittelbar leitend verbunden sind, ein gemeinschaftliches
Gefäß erhalten können.
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Die beschriebene Einrichtung ist voll großer Bedeutung für den Betrieb
-und die Speisung von Gleichstromlokomotiven von einem Fahrleitungsnetz hoher Gleichstromspannung.
Die Lokomotive enthält z. B. eine der Figur entsprechende Einrichtung. E" stellt
die hohe Spannung der Fahrleitung, E,.2 die niedrige Spannung zur Speisung der Triebmotoren
dar. Die Umformung erfolgt unmittelbar in im wesentlichen ruhenden Apparaten. Zur
Regelung der Motorgeschwindigkeit können Steuerschalter Sti, Sti, dienen. Auch in
allen Fällen, wo Gleichströme sehr niedriger Spannung gebraucht werden, z. B. für
chemische Zwecke, lassen sich diese auf dem angegebenen Wege erzeugen.
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Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich auch zum beliebigen
Energieaustausch zwischen den Gleichstromnetzen und dein Wechselstromnetz N. Auch
bei Netzkupplungen dieser Art können also nach der Erfindung an Stelle rotierender
Energieumformer ruhende Einrichtungen treten.