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Anordnung zur Gittersteuerung von gittergesteuerten Entladungsgefäßen,
vorzugsweise mit Dampf- oder Gasfüllung Es ist bereits eine Anordnung zur Gittersteuerung
von gittergesteuerten Entladungsgefäßen, vorzugsweise mit Dampf- oder Gasfüllung,
bei der unmittelbaren Frequenzumformung, insbesondere bei der Umformung von Wechselstrom
höherer Frequenz in Wechselstrom niederer Frequenz, vorgeschlagen worden, bei der
die Gitter eine von den Frequenzen beider Netze abhängige Steuerspannung erhalten
und einzeln gesteuert werden. Dabei ist die Gitterspannung von den Augenblickswerten
sowohl der Spannung des Primärnetzes als auch der Spannung oder des Stromes oder
beider des Sekundärnetzes bepinflußt, und zwar derart, daß jeweils diejenige Entladungsstrecke
Strom führt, deren Primärphase für die Dauer der Stromführung gegenüber dem Augenblickswert
der sekundären Spannungskurve die kleinste Abweichung aufweist. Beim Betrieb von
solchen unmittelbaren Frequenzumformungen, die man abkürzenderweise Umrichter nennt,
ergeben sich nun die verschiedenartigsten Arbeitsbedingungen, und dementsprechend
müssen die Steuerbedingungen angepaßt werden. Zunächst einmal sind die Steuerbedingungen
für den Betrieb mit beliebiger Scheinleistung einzurichten. Man muß dabei, wie bereits
an anderer Stelle vorgeschlagen und erläutert ist, jede Entladungsstrecke in der
einen Halbwelle der niederfrequenten Spannung gemäß den Bedingungen des Gleichrichterbetriebes,
in der anderen Halbwelle der niederfrequenten Spannung gemäß den Bedingungen des
Wechselrichterbetriebes steuern. Bei elastisch arbeitenden Umrichtern ergeben sich
noch weitere Bedingungen. Beispielsweise wird bei einem Umrichter mit annähernd
trapezförmiger Wechselspannung in einem Zeitteilchen die eine Primärphase, in einem
anderen Zeitteilchen, beispielsweise io Perioden später, eine andere Primärphase
eine bevorzugte Stellung einnehmen. Gleiche Gesichtspunkte gelten auch für andere
elastisch arbeitende Umrichter, beispielsweise bei Umrichtern mit mehrfach angezapftem
Haupttransformator, wo die an die einzelnen Anzapfungen angeschlossenen Entladungsstrecken
verschiedenartig arbeiten können.
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Vorliegende Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Gittersteuerung
bei Umrichtern und hat besondere- Bedeutung für elastisch arbeitende Umrichter.
Erfindungsgemäß sind für die Gitterkreise wenigstens eines Teiles der Entladungsstrecken
mindestens zwei sich gegenseitig ausschließende Steuerwege vorgesehen.
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Der Erfindungsgedanke soll nachstehend
an einem Umrichter,
der Drehstrom höherer Frequenz in Einphasenstrom niederer Frequenz umformt und eine
annähernd trapezförmige Wechselspannung liefert, beispielsweise erläutert werden.
Dieser Wechselspannung kann gegebenenfalls eine Zusatzwechselspannung dreifacher
Frequenz mit derart gewählter Phasenlage überlagert werden, daß sich eine resultierende
Wechselspannung mit angenähert sinusförmigem Kurvenverlauf ergibt. Wie aber bereits
v vorher angedeutet worden ist, hat der Erfindungsgedanke grundsätzlich überall
dort Bedeutung, wo die Erzeugung der Wechselspannung durch verschiedene Primärphasen,
aber mit wesentlichen Unterschieden hinsichtlich der Arbeitsdauer der einzelnen
Phasen bzw. jeder einzelnen Phase erfolgt.
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In Abb. i der Zeichnung ist eine trapezförmige sekundäre Wechselspannung
e angenommen, die durch Aneinanderreihung von durch die zugehörigen Primärphasen
i bis 6 (vgl. z. B: Abb. z und 3) gelieferten Teilspannungen e1+, e2+.
. . e,+, ei-, e2- usw. entsteht, und zwar ist eine Frequenzuntersetzung von
3 : i, z. B. 5o Hz auf 1621s Hz; angenommen. In der in Abb. i betrachteten Periode
sind die Arbeitszeiten der Phasen :2 bis 6 einander gleich; bezögen auf die Sekundärfrequenz
beträgt die Arbeitszeit jeder dieser Phasen, bei Vernachlässigung des Einflusses
von Kommutierung und Überlappung, 2o', nämlich von t,2 bis t..", dann von t22 bis
t34 usw. in der positiven Halbwelle und dann entsprechend in der negativen Halbwelle
von t12"-bis t23' usw. Die Phase i ist eine wesentlich längere Zeit an der Stromführung
beteiligt, nämlich von to' bis t1," und von toi bis to" in der positiven Halbwelle;
d. h. während 8o° gegenüber je 2o° der Phasen2 bis 6. Es wird noch bemerkt; daß
bei asynchroner Umformung die Phase mit der längsten Stromführung im allgemeinen
nicht, jedenfalls nicht für längere Zeit, festliegt. So kann z: B. in einem wesentlich
späteren Zeitpunkt, vielleicht- ioo Perioden später, die Phase 2 an Stelle der Phase
i die ausgezeichnete Phase sein. In Anlehnung an einen früheren Vorschlag sollen
die Entladungsgefäße 13' bis 18' als Plusgefäße, die Entladungsgefäße 13" bis 18"
als Minusgefäße bezeichnet werden. Liefert der Umrichter nur Wirkleistung an das
Sekundärnetz i i, dann arbeiten, in der positiven Halbwelle die Plusgefäße und in
der negativen: Halbwelle die Minusgefäße. Wird vom Umrichter eine Scheinleistung
mit einem sekundärseitigen Leistungsfaktor von etwa 0,7 verlangt, vgl. z.
B. die der Einfachheit halber sinusförmig eingezeichnete Stromkurve i; dann arbeiten
in der positiven Halbwelle von t$ bis zum Nulldurchgang von i die Minusgefäße 13"
und 1q.". Dabei erfolgt der Übergang der Entladung von z3" auf 1q." kurz vor t12
entsprechend der Kommutierung beim Wechselrichter: Vom Nulldurchgang des Stromes
an arbeiten die Plusgefäße 1q.' bis i8' und 13', wobei der Übergang der Entladung
von einem Gefäß auf das andere entsprechend der Kommutierung beim Gleichrichter
erfolgt. Für die negative Halbwelle der sekundären Wechselspannung gelten entsprechende
Stromführungen bzw. Brenndauern. Es ergibt sieh somit, daß für die Steuerung der
der ausgezeichneten Primärphase (im vorliegenden Falle Phase i) zugeordneten Entladungsgefäße
13`, 13" andere Bedingungen gelten als für die nicht ausgezeichneten Primärphasen
2 bis 6; da infolge der Elastizität des asynchronenUmrichters jedePhäseals ausgezeichnete
Phase in Frage kommen kann, ist daher die Steuerung sämtlicher Entladungsgefäße
derart durchzubilden, däß die zugehörige Phase sowohl als ausgezeichnete . Phase
als auch als nicht ausgezeichnete Phase Strom führen kann, d. h: die Entladungsgefäße
müssen sowohl in der Zeit des Maximums (il,' bis toi bzw. t12" bis t"" in
Abb. i) als auch in der Zeit des Nulldurchganges der Spannung (to,' bis t12" in
Abb: i) arbeitsfähig sein: Da beideBedingungen nicht gleichzeitig auftreten können,
wird man, vgl. das grundsätzliche Schaltbild in Abb. q., verschiedenartige Steuerspannungen
eg"" für nicht ausgezeichnete Stromführung und ega für ausgezeichnete Stromführung
verwenden, die je nach der geforderten Arbeitsbedingung durch einen taktmäßig gesteuerten
Umschalter U dem bzw. den Gitterkreisen zugeführt werden. Zur Festlegung des Arbeitspunktes
des Gitterkreises und damit auch zur Sperrung derEntladungsstrecke in den Zeiten,
in .denen sie nicht arbeiten darf, möge eine im allgemeinen negative Vorspannung
eg, dienen.
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Wie eine solche Steuerung grundsätzlich durchzubilden ist, ist unter
Zugrundelegung der Kurvenverläufe e und i und der Teilspannungen ei und ei usw.
aus den Verläufen der dem Primärnetz (p) bzw. dem Sekundärnetz (s) zugeordneten
Teilsteuerspannungen eg"a und eää zu ersehen. Dabei soll der Einfachheit
halber angenommen sein, daß die Entladung in en die Umformung bewirkenden Entladungsgefäßen
bei der Gitterspannung Null einsetzt. Ist also eine der Teilsteuerspannungen egna(s)
oder eb"a(p) negativ, so kann die betreffendeEntladungsstreckenicht leitend werden.
Der Platzersparnis wegen sind ferner sämtliche den Primärphasen zugeordneten Teilsteuerspannungen
unter Beifügung der Phasenordnungsnummer und unter Abkürzung auf den zeitlichen
Abschnitt, der eine Entladung
ermöglicht, in einem Schaubild mit
gemeinsamer Nullinie dargestellt. Die Indizes - und - deuten, unter Zugrundelegung
einer Schaltung nach Abb.2, darauf hin, ob es sich jeweils um die positive oder
negative Halbwelle der betreffenden Spannung handelt. Im Bereich BC ist die wirksame
Steuerspannung e" "a(+) - e" " a(p+) + e" na's+)
, im Bereich CD
e @x(-) - e" a'p-) + eg"($-), im Bereich
DE
esna(-@ = eg"a(p-) + e"iia('r--) und schließlich im Bereich EF genau
wie im Bereich AB
e""(+) - ega(p+) + e"a(r+).
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Die grundsätzliche Steuerung mit e,4"",(+), und eri;,a'-) unter Verwendung
von Schaltwalzen (Kommutatoren) ist in Abb.5 veranschaulicht, wobei lediglich der
Unterschied besteht, daß die ein Einsetzen der Entladung ermöglichende Spannung
sich nicht aus zwei Teilspannungen zusammensetzt, sondern aus einer Gleichspannung
e"@ unter Mitwirkung der beiden hommutatorsätze gebildet wird; die erzielte Steuerwirkung
ist jedoch die gleiche. Das Hauptgefäß, z. B. rq.' und ebenso auch das zugehörige
Gefäß 1q." seien dauernd durch eine Vorspannung e"" gesperrt. Das jedesmalige Einsetzen
der Entladung wird durch eine Zusatzgleichspannung e"1 unter Mitwirkung zweier Schaltwalzen-Sätze
I+, II+ und I-, Il- bewirkt, von denen der erste den.positiven Halbwellen der beiden
Spannungen, der zweite den negativen Halbwellen der beiden Spannungen zugeordnet
ist. I+ und I- werden vom Primärnetz mit .der richtig eingestellten Phasenlage angetrieben
und können starr miteinander gekuppelt werden. II+ und II- werden entsprechend vom
Sekundärnetz angetrieben und können ebenfalls miteinander gekuppelt sein. Dieser
Kommutatorsatz kann allen Gitterkreisen zugeordnet werden. Ebenso können auch alle
den einzelnen Primärphasen zugeordneten Kommutator Sätze I+, I- von einem Motor,
aber mit dem vorschriftsmäßigen Phasenabstand, angetrieben werden. Entsprechende
hommutatorsätze müßten noch für ega(+) und e",(-) vorgesehen werden, so daß abwechselnd
vier Steuerspannungen, die aus e"i mit Hilfe von I+, II+; I-, Il- usw. abgeleitet
sind, in den bzw. die Gitterkreise eingeschaltet werden und damit die Sperrvorspannung
e"" in den in Frage kommenden Zeitabschnitten unwirksam machen.
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Die in Abb. 5 veranschaulichte elektromechanische Steuerung hat, wie
auch die noch weiter unten erläuterte rein elektrische Steuerung, den Grundgedanken,
daß jeder Gitterkreis auf mindestens zwei sich gegenseitig ausschließenden Wegen
gesteuert wird. Dies gilt sowohl für die ausgezeichnete und die nicht ausgezeichnete
Phase als auch für jeden dieser beiden Betriebsfälle selbst (vgl. z. B. Abb. 5).
Die sich ausschließenden Wege haben, unter Zugrundelegung .der Normalschaltung ,gemäß
Abb. 2, im Falle der nicht ausgezeichneten Phase die Entladungseinsätze in den vorgeschriebenen
Bereichen zu steuern, also z. B. I+ und II+ dann, wenn sowohl die primäre Speisephase
als auch die Sekundärspannung in der Nähe ihrer positiven Scheitelwerte sind, I-
und II- dann, wenn sowohl die primäre Speisephase als auch die Sekundärspannung
in der Nähe ihrer negativen Scheitelwerte sind. Durch diese sich gegenseitig ausschließenden
Wege wird verhindert, daß ein Gefäß leitend wird, wenn zwei Teilbedingungen mit
entgegengesetztem Vorzeichen, z. B. I+ und II-, auftreten. Die beiden Steuerwege
für die ausgezeichnete Phase, die also die Entladungswege während des Nulldurchganges
der Sekundärspannung beeinflussen, berücksichtigen die Lage der Tangenten der zugehörigen
Spannungen, d. h. nur die Phase darf Strom führen, bei der die Tangente der Spannungskurve
im Nulldurchgang angenähert gleich der Tangente der Sekundärspannung ist. Es wird
noch bemerkt, daß bei der Einteilung und Einstellung der Arbeitsteilbereiche der
einzelnen Phasen die bei beliebiger Scheinleistung zu beachtenden Kommutierungsbedingungen
einzuhalten sind.
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Wie eine rein elektrische Steuerung unter Verwendung von gittergesteuerten
Hilfsentladungsgefäßen, ebenfalls vorzugsweise mit Dampf- oder Gasfüllung, durchgeführt
werden kann, zeigt Abb. 6. Die Hilfsentladungsgefäße Hl und H2 ersetzen dabei die
Steuerung für die nicht ausgezeichnete Phase gemäß Abb. 5, wobei das eine Gefäß,
z. B. Hl, die +-[ -Steuerung, das andere Gefäß H2 die ---Steuerung bewirkt. Entsprechend
bewirken die Hilfsentladungsgefäße H3 und H., die Steuerung für die jeweils ausgezeichnete
Phase. Zweckmäßigerweise wird man für die Anodenspannung der Hilfsentladungsgefäße
die Spannung des höherfrequenten Netzes (3o in Abb. 7) und für die Gitterspannung
die Spannung des niederfrequenten Netzes 3 r wählen. Dabei kann man zwecks Erhöhung
'der Steuerungsgenauigkeit dem Gitterkreis zusätzlich eine höherfrequente Steuerwechselspannung
konstanter Phasenlage 32 einfügen. Da bei dieser Anordnung die Steuerwirkung im
Gitterkreis des Hauptgefäßes 1q.' noch stark stromabhängig ist, wird man vorteilhaft
für den Widerstand R1 stromabhängige bzw. spannungsabhängige Widerstände verwenden,
z. B. Entladungsstrecken mit konstantem Spannungsabfall (vgl. Ventil V,,
Abb.8),
insbesondere Dampf- oder Gasentladungsgefäße. Man kann dabei parallel zu diesem
Gefäß T>>, einen vorzugsweise hocholimigen Widerstand Ri, anordnen, um eine
eindeutige
Festlegung der Potentiale des Gitterkreises des Hauptgefäßes zu erreichen. Wie eine
solche Steuerung der Hauptentladungsgefäße 14! und i4" mit dem Hilfsgefäß Hl unter
Zugrundelegung der Spannungsbeziehungen der Abb. i arbeitet, ist aus Abb. 9 zu ersehen,
wo ei die betrachtete Phasenspannung, 30 die mit richtiger Phasenlage eingestellte
Anodenwechselspannung des Gefäßes Hl, 32 die höherfrequente konstante Steuerwechselspannung
und 31 die dem Sekundärnetz zugeordnete Steüerwechselspannung ist. Dann ist 33 die
am Hilfsgefäß Vit liegende, ein Einsetzen der Entladung im Hauptgefäß i4' bzw. i4"
ermöglichende Zusatzspannung. Es wird noch bemerkt, daß die Spannungen 3i und 32
Steuerspannungen sind, die sich aus einer Gleichspannung und einer Wechselspannung
verzerrter Kurvenform zusammensetzen. Die Erzeugung von solchen verzerrten Wechselspannungskurvenformen
für die Gittersteuerung gelingt z. B. mittels gleichstromvormagnetisierter Drosselspulen
oder Transformatoren.
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Die vorliegende Erfindung, die, wie bereits erläutert wurde, vorzugsweise
Bedeutung für Umrichter hat, die eine angenähert trapezförmige Wechselspannung liefern,
kann aber auch bei anderen Umrichtern angewendet werden, z. B. bei Umrichtern mit
mehreren Gruppen von Entladungsstrecken. Im letzten Fall würde die Steuerung der
die trapezförmige Grundwelle liefernden Entladungsstrecken in der weiter oben beschriebenen
Weise erfolgen. Die Steuerung der die dritte HarmonischelieferndenZusatzspannungwürde
in analoger Weise erfolgen wie die Steuerung der ausgezeichneten Phase und der zugehörigen-
Entladungsstrecken; und zwar die Auswahl in .der Weise erfolgen, daß, unter Zugrundelegung
beliebiger Scheinleistung, die beiden Entladungsgefäße, bei denen die Größe der
zugehörigen Phasenspannung durch Null geht und andererseits die Tangente dieser
Phasenspannung entgegengesetztes Vorzeichen hat wie die Tangente der Grundwelle
im Nulldurchgang.