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Verfahren zur Inbetriebnahme von als Gleichrichter oder als Wechselrichter
arbeitenden Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken Bei Umformungseinrichtungen
mit solchen Entladungsstrecken, be-i denen .die Steuerung nur das Einsetzen der
Entladung bestimmt, kann man ohne zusätzliche Maßnahmen keinen beliebigen Betrieb
durchführen. So kann man bei mit derartigen Entladungsstrecken, insbesondere gittergesteuerten
Dampf- oder Gasentladung sstrecken,. arbeitenden Gleichrichtern das Wechselstromnetz
nur induktiv belasten; bei Wechselrichtern ist nur eine Speisung kapazitiver Verbraucher
möglich. Diese betrieblichen Beschränkungen kann man dadurch vermeiden, daß man
zusätzliche Kommutierungsspannungen vorsieht. Obwohl in derartigen Fällen auch umlaufende
Maschinen zur Lieferung von Kommutierungsspannungen dienen können, bevorzugt, man
doch ruhende Einrichtungen. Insbesondere verwendet man häufig Speicher (Kondensatoren,
Schwingungkreise `o. d@gl.), die entweder von der erzeugten Spannung oder von dem
die Umformungseinrichtung durchfließenden Strom gespeist werden.
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Vor Inbetriebnahme einer derartigen- Umformungseinrichtung (Stromrichter)
ist der Speicher noch nicht aufgeladen; infolgedessen kann er bei Inbetriebnahme
noch nicht ordnungsgemäß wirken. Man kann diese Schwierigkeit umgehen, indem man
den Speicher vor Inbetriebnahme durch eine Hilfsstromquel-le auflädt. Zur Inbetriebnahme
von Wechselrichtern, insbesondere solchen, die Verbraucher speisen, deren Widerstand
im Einschaltaugenblick wesentlich geringer ist als im Betriebe, ist es bekanntgeworden,
in den Verbraucherkreis zusätzliche
Widerstände einzufügen, die
nach erfolgter Inbetriebnahme kurzgeschlossen werden. Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Inbetriebnahme von als Gleichrichter oder Wechselrichter
arbeitenden Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, insbesondere
gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken, bei denen ein Speicher (Kondensator,
Schwingungskreis o. dgl.) zur Lieferung der zusätzlichen Kommutierungsspannungen
vorgesehen ist. Nach der Erfindung wird die Umformungseinrichtung beim Einschalten
zuwächst mit derartigen Zündwinkeln der Entladungsstrecken betrieben, daß auch ohne
die zusätzliche Kommutierungsspannung ein einwandfreier Betrieb möglich ist, und
die Zündzeitpunkte der Entladungsstrecken werden mit dem Wirksamwerden derKommutierungseinrichtung
selbsttätig in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Umformungseinrichtung in
den endgültigen Arbeitsbereich übergeführt.
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Der Erfindungsgedanke wird nachstehend an einem Gleichrichter beschrieben,
der mit Voreilung ausgesteuertwird und gleichstromseitig über die vorhandene Gleichstromdrossel
kurzgeschlossen ist. Derartige Gleichrichter werden vorteilhaft als Phasenschieber
verwendet. Ein Schaltbild für einen sechsphasigen Gleichrichter, bei dem ein mit
den Entladungsstrecken transformatorisch in Reihe geschalteter Kondensator die zusätzliche
Kömmutierungsspannung liefert, ist in Abb. i der Zeichnung dargestellt. Ein Haupttransformator,
dessen nicht dargestellte Primärwicklung den Anschluß an das Wechselstromnetz vermittelt,
weist zwei .dreiphasige Sternwicklungen 3 und q. auf, an die .die sechs Anoden 31
bis 33 und 41 bis 43 des mehranodigen Entladungsgefäßes i angeschlossen sind. Der
kurzgeschlossene Gleichstromkreis enthält die Drossel5. Der mit den Entladungsstrecken
in Reihe geschaltete Kondensator 7 ist über einen Spartransformator 6 mit Mittelanzapfung
mit sämtlichen Entladungsstromkreisen verbunden.
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Schaltet man den Gleichrichter gemäß Abb. i ein, so werden sich dann
keine Schwierigkeiten ergeben, wenn die Steuerung der Entladungsstrecken auf höchste
Gleichspannung eingestellt ist. Diese Gleichspannung hat den in Abb. 2 als Kurve
A dargestellten Verlauf. Infolge der Tatsache, daß der Gleichstromkreis kurzgeschlossen
ist, wird der Gleichstrom mit einer Geschwindigkeit ansteigen, die durch die Gleichspannung
und die Induktivität der Drossel 5 bestimmt ist. Mit zunehmendem Gleichstrom wird
auch der Wechselstrom, der durch den Kondensator 7. fließt, ebenfalls zunehmen.
Der Kondensatorstrom ik und die Kondensatorspannung zsk sind ebenfalls in Abb. 2
dargestellt. Die Kondensatorspannung dient nun in bekannter Weise dazu, ,das Potential
der Folgeanode gegenüber der brennenden anzuheben. Dadurch wird eine vorzeitige
Kommutierung ermöglicht. In Abb. 3 sind zwei Fälle eines Betriebes mit vorzeitiger
Kommutierung dargestellt, und zwar gibt der Fall B in seiner stark gezeichneten
Gleichspannungskurve das Maß der notwendigen Kommutierungsspannung in Form. der
Ordinate b an. In Wirklichkeit wird also die Gleichspannungskurve .durch die zusätzliche
Kommutierungsspannung umgebildet. Während für den Fall B eine Vorverlegung der Kommutierung
um 6o ° angenommen ist, betrifft der Fall C mit der Ordinate c als- Maß der Kommutierungsspannung
-die Vorverlegung der Kommutierung um 9o °, wie sie praktisch für den Phasenschieber
in Betracht kommt. Wie man erkennen kann, wird die erforderliche Kommutierungsspannung
mit größerer Voreilung ebenfalls größer, und zwar ändert sie sich als Sinusfunktion
in Abhängigkeit vom Voreilwinkel ß. In Abb. q. der Zeichnung ist die Kommutierungsspannung
Uk, die für den Betrieb mindestens erforderlich ist, in Abhängigkeit vom Voreilwinkel
ß dargestellt. Zwecks Erleichterung des Verständnisses ist noch durch die Bezeichnungen
G und W angedeutet, daß dort der normale Gleichrichter - oder Wechselrichtertrieb,
d. h. ohne zusätzliche Kommutierungsspannung, herrscht. Der Bereich ZK ist der Bereich,
der nur mit zusätzlicher Kommutierungsspannung durchgeführt werden kann.
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In Abb. 5 der.Zeichnung ist veranschaulicht, wie man die Steuerung
gemäß der Erfindung ausbilden kann. Die Steuerung des Gitters einer der Hauptentladungsstrecken
erfolgt durch eine Hilfsentladungsstrecke 31o, die vorteilhaft ebenfalls eine gittergesteuerte
Dampf- oder Gasentladungsstrecke ist. Gespeist wird der Anodenkreis von einer Wechselspannung
3i0¢, die beispielsweise einer Transformatorwicklung 3oo entnommen sein kann. Im
Anbdenkreis befinden sich eine Drossel 311 und ein Widerstand 312. An der Drossel
311 wird die Steuerspannung 31, abgegriffen und dem Gitterkreis der in Betracht
kommenden Hauptentladungsstrecke zugeführt. Dabei ist die Zeitkonstante von 311
und 312 klein gegenüber der Brennzeit einer Hauptentladungsstrecke zu wählen. Beim
Einsetzen der Entladung im Hilfsgefäß 310 entsteht an 311 ein Spannungsstoß,
der zur Steuerung des Gitters der Hauptentladungsstrecke dient, aber entsprechend
der Zeitkonstante schnell genug abklingt. Dem Gitterkreis, des Hilfsentladungsgefäßes
31ö
wird eine Wechselspannung 310, zugeführt, die um beispielsweise 120' hinter der
Anodenspannung 3,10Q nacheilt. Diese Steuerspannung 310, kann einer Transformatorwicklung
301 entnommen werden. Sie stellt nach Größe und Phasenlänge eine proportionale Nachbildung
der Spannung dar, die in Abb. q. mit umgekehrtem Vorzeichen als notwendige Kommutierungsspannung
Uk angegeben ist. Außerdem ist in den Gitterkreis eine Spannung 3rod eingefügt,
die ein getreues Abbild der am Kondensator 7 (Abb. i) liegenden Wechselspannung
ist. Im allgemeinen wird man außerdem noch einen Strombegrenzungswiderstand 317
und eine Vorspannung_31Se vorsehen.
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Bezüglich der .,,Wirkungsweise sei unter Bezugnahme auf Abb.6 folgendes
ausgeführt: Betrachtet man die stark r gezeichnete Phasenspannung 3,i8, die an einer
der -Hauptentladun.gsstrecken liegt, so muß das Einsetzen des Stromes bei der Inbetriebnahme
im Zeitpunkt-GR,-also im Spannungsschnittpunkt, erfolgen. Durch die Steuerung gemäß
der Erfindung muß sie bis zum Zeitpunkt PhS vorverlegt. werden. Den Bereich zwischen
diesen beiden Zeitpunkten muß also die Steuerung nach der Erfindung bestreichen.
Die gleichzeitig wirkenden Spannungen 310" und 310, sind daruntergezeichnet. Dabei
betrifft der Fall A einen Zustand, in dem noch keine zusätzliche Kommutierungsspannung
vorhanden ist, also praktisch zur Zeit- der Inbetrieb-. nahm.,. Der Fall B zeigt
bereits einen Betriebszustand, bei dem eine nennenswerte Spannung 31o" am Kondensator
7 _(Abb. i) vorhanden ist. Der Fall C betrifft dann den idealisierten stationären
Zustand, bei dem mit 96' Vorverlegung der Kommutierung gearbeitet wird. In
Wirklichkeit kann man mit Rücksicht auf die Verluste nicht ganz an diesen Wert herangehen.-
Man erkennt also, daß durch die Zusammensetzung der Spannung 310, und der während
des Anlaßvorganges hinsichtlich Größe und Phasenlage veränderlichen Spannung 3zod
der Zündzeitpunkt des Hilfsentla:dungsgefäßes 310 - für den als Zündlinie die Nullinie
angenommen sei - vorverlegt wird. Da die Spannung 310, ein getreues Abbild der notwendigen
Kommutierungsspannung Uk und 310d ein Abbild der vorhandenen Kommutierungsspannung
darstellt, so erfolgen hier die Zündungen immer genau dann, wenn die vorhandene
Kommutierungsspannung gleich der notwendigen ist. .
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Da es für :die einwandfreie Durchführung der Kommutierung im Hauptstromkreis
erforderlich ist, daß die zu zündende Anode nicht nur die Spannung Null, sondern
einen gewissen, vom Strom -abhängigen, positiven Betrag vor der Zündung erreicht
hat und daß außerdem nach jeder Brennzeit eine Entionisierungszeit reit negativer
Anodenspannung zur Verfügung steht, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
einerseits den Gitterwechselspannungen noch eine Gleichspannung 310, überlagert,
die die Zündungen etwas verzögern - diese Gleichspannung gestattet eine Einstellung
eines bestimmten,. im ganzen Regelbereich gleichen, positiven Spannungswertes ,der
Hauptanode im Zündaugenblick -, und andererseits zweckmäßig die Kondensatorspannung
im Gitterkreis der Hilfsentladungsstrecke im Verhältnis zu Uk (vgl. Abb. q.) zu
klein abgebildet, so daß mit steigender Kondensatorspannung,- d. h. mit steigendem
Strom, eine steigende Verspätung der Zündung gegenüber der weiter oben beschriebenenArbeitsweise
erfolgt. Die Sprungspannung steigt dann von einem durch die Gleichspannung eingestellten
Grundwert mit steigendem Strom um ein ebenfalls einstellbares Maß an.
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Eine Regelung des Phasenschiebers gemäß Abb. i ist durch weitere Erhöhung
der erwähnten Zusatzgleichspannung 310e möglich, ebenfalls durch Änderung- der Größe
des Kondensators ,~. Wenn besondere Maßnahmen" z. B. gesteuerte Entladungsstrecken,
vorgesehen werden, die das Zuschalten weiterer Kondensatoren zum bereits eingeschalteten
Kondensator während der eigentlichen Kommutierungszeiten vermeiden, kann die Umschaltung
an den Kondensatoren oder eine an sich gleichwertige Änderung des übersetzungsverhältnisses
de's Transformators 6 im Betrieb erfolgen, weil die Steuerung- trägheitsfrei erst
dann eine Hauptanode freigibt, wenn die notwendige Kommutierungsspannung erreicht
ist. Das Abschalten eines Teiles des Kondensators 7 ist aus dem gleichen Grunde
ebenfalls im Betrieb möglich: Sieht man für den Umformer gemäß Abb, i eine höhere
Phasenzahl, z. B. zwölf Phasen, vor, so macht es zunächst einige Schwierigkeiten,
denn -infolge der höheren Kommutierungsfrequenz- wird dann die der sinusförmY-,gen
Gitterspannung 310, überlagerte Spannung 310d sehr häufig ihr Vorzeichen wechseln
und unerwünschte aufsteigende Nulldurchgänge der Gitterspannung in dem kritischen
Gebiet h (vgl. Abb. 6) hervorrufen. Diese-Nulldurchgänge bringen entweder einen
vorzeitigen Zündimpuls oder wegen der zu kleinen Anodenspannung des Hilfsgefäßes
in diesem Bereich überhaupt keinen ausreichenden Spannungsstoß. Legt man Gleich=
richterbetrieb zugrunde, so wird die zugehörige Hauptanode überhaupt nicht zünden,
weil sie noch negatives Potential aufweist. Eine Zündung der Hauptanode erfolgt
nur,
wenn die Hilfsentladungsstrecke beim richtigen, also vorschriftsmäßigen
aufsteigenden Nulldurchgang gezündet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann man diese Schwierigkeit
in verschiedener Weise umgehen. Zunächst kann die Hilfsentladungsstxecke als Entladungsgefäß
mit zwei Gittern ,ausgerüstet sein, dessen zweites Gitter zur Sperrung im kritischen
Gebiet benutzt wird. Ferner kann man im Steuerkreis des Hauptentladungsgefäßes zwei
Hilfsentladungsstrecken in Reihe schalten, von denen die eine im kritischen Gebiet
gesperrt bleibt. Schließlich kann man auch die Gitterspannung derart verformen,
daß zwar in dem benutzten Regelbereich die notwindige Kommutierungsspannung richtig
nachgebildet wird - im vorliegenden Falle zwischen GR und PhS -, daß aber
im kritischen Gebiet eine negative Spanung überlagert wird, die unerwünschte Zündungen
verhindert.
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Diese dritte Möglichkeit ist bereits in Abb.5 berücksichtigt worden.
Der Gitterkreis des Hilfsentladungsgefäßes 310 erhält nämlich noch eine weitere
Wechselspannung 310b über die Widerstände 314. und 315 in Verbindung mit einem gleichrichtenden
Ventil 216, beispielsweise einem Trockengleichrichter, und zwar derart, daß die
positive Halbwelle von 31o6 unwirksam gemacht wird, so daß nur die negative Halbwelle
von 31o6 an das Gitter von 310 gelangt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist
es vor-, teilhaft, die Spannung 310b um 90 0 gegenüber der Spannung
310, voreilen zu lassen. In Abb, 7 sind zunächst die Spannungsverläufe von
310e und der negativen Halbwellen von 31o6, die gleichzeitig die Spannung an dem
Ventil 316 darstellen,. angegeben. Darunter ist .die Summenspannung 31o, plus 316
aufgezeichnet; diese Summenspannung liegt am Gitter des Hilfsentladurigsgefäßes
310, Ein anderes Ausführungsbeispiel, das einen besonders einfachen Aufbau hat,
ist in Abb. 8 der Zeichnung veranschaulicht. Das Hauptgefäß 1 enthält sechs Anoden.
Beispielsweise soll die Steuerung der Anode 32 beschrieben werden. Anode 32 ist
wie bei Abb. i an die dreiphasigeTransformatorwicklung 3 angeschlossen. Die Anodenspannung
der Hauptentladungsstrecke wird über den Widerstand 327 dem Gitter des dampfgefüllten
Hilfsgefäßes 320 zugeführt. Die Anodenspannung 320, des Hilfsgefäßes
wird aus einer Transformatorwicklung 30o entnommen, deren Spannung gegenüber der
Spannurig in 3 um 6o ° voreilt. Die Vorspannung 32e und die an der Wicklung 32-1
abgegriffene Spannung 32, sind in Reihe geschaltet und steuern das Gitter
der Hauptentladungsstrecke. Die Gleichspannung 320, erteilt dem Gitter des
Hilfsgefäßes eine negative Vorspannung.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Wegen der Gleichspannung 320e kann
-das Hilfsgefäß 32o erst dann zünden, wenn die Anodenspannung der Hauptanode 32
einen gewissen. positiven Wert erreicht hat. Dann erfolgt der Einschaltvorgang im
Anodenkreis des Hilfsgefäßes 320, und zwar liegt bei genügend kleiner Aufbauzeit
der Entladung im Gefäß 320 an der Wicklung 321 im Zündaugenblick praktisch
der gesamte Augenblickswert der Spannung 320a. Die Spannung an 321 klingt rasch
ab, die Spannung am Widerstand 322 steigt entsprechend an. In dem Transformator
321 entsteht auf diese Weise ein Spannungsstoß, der über das Gitter die Hauptanode
32 freigibt. Diese zündet, und es entsteht eine Gleichspannung im Hauptstromkreis
und damit ein Gleichstrom in der Drossel 5, und der Kondensator 7 wird über die
Wicklung 6 in einer Richtung aufgeladen. Da die Folgeanode wiederum erst dann freigegeben
wird, wenn sie eine positive Spannung ungefähr von der Größe der Gleichspannung
320e erreicht hat, so würde ohne die Kommutierungseinrichtung ein normaler Gleichrichterbetrieb
mit geringer Zündpunktverzögerung folgen. Durch die Kondensatorspannung erreicht
jedoch die Folgeanode bereits früher den kritischen positiven Wert und wird daher
früher gezündet. Das Hilfsgefäß 32o- wird im Laufe einer Periode zur nächsten Zündung
bereit, weil der Anodenstrom beim Nulldurchgang der Anodenspannung langsam erlischt.
Mit steigendem Ström in der Gleichstromdrossel 5 wird die Spannung am Kommutierungskondensator
7 ebenfalls größer. Die Steuerung paßt sich der Größe der vorhandenen Kommutierungsspannurig
selbsttätig an, indem jede Anode immer dann gezündet wird, wenn sie einen positiven
Spannungswert erreicht hat, der demjenigen der Spannungsquelle 32o, entspricht.
Dieser Sprung tritt in fast gleicher Größe als negative Sprungspannung an der gerade
gelöschten Anode auf und sorgt dort für die Entionisierung. Beim Phasenschieber
tritt nun kurz nach der Brennzeit an der Anode wiederum eine positive Spannung auf,
die keine Zündung hervorrufen darf. Da jedoch die Anode des Hilfsgefäßes 32o bereits
durch den ersten positiven Anodenspannungswert gezündet war und als Dampfentladungsgefäß
weiter brennt, erfolgt kein neuer Steuerimpuls, vielmehr muß das Steuerrohr zunächst
im weiteren Verlauf der Periode infolge des NTulldurchganges der Anodenspannung
erlöschen, um dann wiederum beim ersten positiven Spannungswert an der Hauptanode
einen Zündimpuls zu erzeugen.
Die gleiche Steuerung kann beim Wechselrichterenwendung
finden, indem die Anodenspannung des Hauptgefäßes mit umgekehrtem Vorzeichen in
den Gitterkreis des Steuergefäßes eingefügt wird, so daß eine Zündung beim Unterschreiten
des eingestellten positiven Anodenspannungswerfes erfolgt. Dann wird mit wachsender
Kommutierungsspannung die Zündung stetig verspätet; zweckmäßigerweise werden zusätzliche
Maßnahmen vorgesehen, die ein dauerndes Steigen des Stromes verhindern. Die übrigen
Bezugswichen der Abb. 8 entsprechen denjenigen. der Abb. i.
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Der Erfindungsgedanke ist zunächst sehr ausführlich an Hand von Umformungseinrichtungen
erläutert worden, bei denen ein mit den Entladungsstrecken transformatorisch in
Reihe liegender Kondensator zur Lieferung der zusätzlichen Kommutierungsspannung
vorgesehen ist. Hierauf ist er jedoch nicht beschränkt;.beispielsweise ist er auch
bei solchen Umformungseinrichtungen anwendbar, bei denen mit Hilfe eines nicht oder
nicht ständig vom Belastungsstrom .durchflossenen Kondensators und weiterer zur
Steuerung der Spannung des Kondensators dienender Entladungsstrecken die zusätzliche
Kommutierungsspannung bereitgestellt wird. In einem derartigen Falle wird man zweckmäßig
nicht die am Kondensator liegende Spannung, sondern eine andere. Betriebsgröße,
z. B. den Belastungsstrom selbst, zur Überführung in den endgültigen Arbeitsbereich
verwenden.
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Für die Durchführung des Erfindungsgedankens ist es auch möglich,
die zusätzliche Kommutierungsspannung in einer Hilfseinrichtung gleichzurichten
und die entstehende Gleichspannung gemäß einem der bekannten Verfahren, beispielsweise
Veränderung der Phasenlage durch Sättigen einer Wechselstromdrossel, mit Hilfe der
Gittersteuerung in den endgültigen Arbeitsbereich zu verschieben. Bisher wurde die
Anwendung der Erfindung bei Verfahren zur Inbetriebnahme von Stromrichtern beschrieben.
Die Erfindung kann aber auch bei jeder Inbetriebnahme, beispielsweise auch bei Störungen,
die eine kurzzeitige Abschaltung des Stromrichters durch die Gittersteuerung bewirkt
haben, angewendet werden.