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Anordnung zur Umformung von Gleichstrom in hochfrequenten Wechselstrom
mittels gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken Bekanntlich kann die
Frequenz eines mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitenden
Wechselrichters nicht beliebig gesteigert werden, sondern es gibt für jeden Wechselrichter
eine Grenzfrequenz, bei der er kippt, Diese Tatsache findet ihre Ursache hauptsächlich
in den Entionisierungsschwierigkeiten in den Entladungsstrecken, die vor allem darin
bestehen, daß bei höheren Frequenzen die Anodenspannung wiederkehrt, bevor die Ionenbeladung
der Entladungsstrecke schon wieder so weit abgeklungen ist, daß das Gitter auch
bei relativ hoher negativer Vorspannung den Einsatz einer neuen Entladung verhindern
kann.
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Es sind nun Anordnungen .bekanntgeworden, bei welchen mindestens drei
Wechselrichter in Reihenanordnung derart kombiniert werden, daß äufeinanderfolgende
Halbwellen des erzeugten Wechselstromes in verschiedenen Einheiten entstehen, derart,
daß der Speicherkondensator jedes Einzelwechselrichters nach der Ladung bzw. der
Entladung jeweils über mindestens eine volle Periode der erzeugten Wechselspannung
hinweg seine Spannung behält, und damit die an den .Elektroden der gerade gelöschten
Entladungsstrecke auftretende Anodenspannung für die gleiche Zeit unter dem Wert
der Brennspannung bleibt, eine Zündung also nicht einsetzen kann. Eine solche Vergrößerung
der zur Entionisierung verfügbaren Zeit ist beim Wechselrichter in Parallelanordnung
infolge der Eigenart seiner Schaltung nicht möglich. Infolgedessen schien es zunächst
so, als seieine SteigerungderFrequenz des Parallelwechselrichters in einer der eben
beschriebenen Art entsprechenden Weise nicht möglich. Denn wenn beispielsweise zwei
Parallelwechselrichter in Parallelschaltung so betrieben werden sollen, daß aufeinanderfolgende
Halbwellen nicht vom gleichen Wechselrichter übernommen werden, so wird trotzdem
an jeder Entladungsstrecke sofort während der ersten Halbperiode nach der Löschung
die Anodenspannung auf Werte ansteigen, die nach den bisherigen Anschauungen zur
Wiederzündung der Entladungsstreckeund damit zum Isurzschluß des Wechselrichters
führen müssen.
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Es wurde nun aber durch Messungen festgestellt, daß die zum Freiwerden
des Gitters notwendigen Zeiten, d. h. die Zeiten, welche vor dem Wiederauftreten
positiver Anodenspannung verstreichen müssen, damit eine
praktisch
tragbare negative Vorspannung am Gitter zur Verhinderung eines Entladungseinsatzes
ausreichen soll, kleiner sind als die Zeiten, die sich rechnungsmäßig aus der Grenzfrequenz
eines mit den gleichen Entladungsstrecken und mit den gleichen Gitterspannungen
betriebenen normalen Wechselrichters ergeben. Als.Ursache dieser scheinbaren Unstimmigkeit
wurde festgestellt, daß die Erreichung der Freiwerdezeit allein noch nicht ausreicht,
um einen stabilen Wechselrichterbetrieb zu ermöglichen. Durch die verlangten kurzen
Zeiten zwischen Löschung und nächster Zündung einer Entladungsstrecke im Zusammenhang
mit der notwendigen relativ hohen negativen Sperrspannung werden nämlich sehr große
Steilheiten der Steuerspannungen bedingt, die praktisch kaum erreichbar sind. Vor
allein ist es bei derartig steil verlaufenden Spannungen unmöglich, bei geringfügigen
Schwankungen der Steuerspannung bzw. der physikalischen Verhältnisse im Rohr, z.
B. der Temperatur, mit Sicherheit zu verhindern, daß in einzelnen Perioden im Augenblick
des Nulldurchgangs der Anodenspannung nach positiven Werten die negative Sperrspannung
nicht ausreichend hoch ist. Ein einziger derartig verfrühter Entladungseinsatz führt
aber zum Kippen des Wechselrichters, so daß dieser sog. instabile Fall auf die rechnerische
Bestimmung der Grenzfrequenz ohne Einfluß ist. Das bedeutet aber, daß die praktisch
erreichbare Frequenzgrenze tiefer liegt als die durch die Freiwerdezeit gegebene
natürliche Grenze.
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Es ist nun bereits eine Anordnung zur Umformung von Gleichstrom in
höherfrequenten Wechselstrom mittels gittergesteuerter Dampf-oder Gasentladungsstrecken
mit im wesentlichen lichtbogenartiger- Entladung vorgeschlagen worden, deren Kennzeichen'
darin besteht, daß mindestens zwei bezüglich der beiden Netze parallel geschaltete
Gruppen von je mindestens zwei Entladungsstrecken vorgesehen sind, die unter Mitwirkung
von Kommutierungsmitteln derart gesteuert werden, daß .die einzelnen Gruppen cyclisch
arbeiten, so daß die Stromführung immer von einer Entladungsstrecke der einen Gruppe
auf eine Entladungsstrecke der anderen Gruppe übergeht. Die Erfindung bezieht sich
auf eine weitere Ausgestaltung dieses Vorschlages. Erfindungsgemäß wird den Steuergittern
außer einer Steuerspannung von kleinerer Frequenz als die des erzeugten Wechselstromes
eine Steuerspannung der erzeugten Frequenz zugeführt.
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Aufbau und Wirkungsweise sollen an Hand der Zeichnung gezeigt werden.
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In Abb. i der Zeichnung ist ein mit vier Entladungsstrecken arbeitender
selbstgesteuerter Doppelwechselrichter in Parallelanordnung dargestellt. Man kann
sich die Schaltung zunächst aufgebaut denken aus zwei Wechselrichtern i und :2 in
Parallelanordnung mit dem Unterschied, daß statt der Wechselrichtertransformatoren
mittelangezapfte Drosseln 13 bzw. 23 vorgesehen sind und daß die zwischen die Anoden
der Entladungsstrecken i i und 12 bz-w. 21 und 22 eingeschalteten Kondensatoren
io bzw. 2o nicht mehr die Funktion von Löschkapazitäten zu erfüllen haben, sondern
unter Umständen sogar entbehrlich sind. Die Mittelanzapfungen der Drosseln 13 bzw.
23 sind mit der Primärwicklung 31 des Wechselrichtertransforinators 3 und dem zu
dieser parallel geschalteten Löschkondensator 4. verbunden. Das Gleichstromnetz
7 ist mit dem positiven Pol über die Gleichstromdrossel 5 mit der Mittelanzapfung
der Wicklung 31 verbunden, während das Wechselstromnetz bzw. der Wechselstromverbrauches
8 an die Wicklung 32 des Transformators 3 angeschlossen wird. Jedes Steuergitter
der Entladungsstrecken i i, 12, 21, 22 ist über einen Widerstand 14, 15 bzw. 24,
25 an die Anode einer Entladungsstrecke der jeweils anderen Wechselrichtergruppe
angeschlossen. Weiter sind die Gitter jeder Gruppe von Entladungsstrecken getrennt
über je eine Parallelanordnung von Widerstand 16, 17 bzw. 26, 27 und Kondensator
18, 19 bzw. :28,:29 mit je einem Ende einer dritten Wicklung 33 des Transformators
3 verbunden, deren Mittelpunkt, gegebenenfalls über eine Gittervorspannungsquelle
6, mit den an den Minuspol des Gleichstromnetzes 7 angeschlossenen Kathoden der
Entladungsstrecken verbunden ist. Die Gitterspannung setzt sich also aus einer Steuerspannung
von kleinerer Frequenz als der des erzeugten Wechselstromes und einer Steuerspannung
der erzeugten Frequenz zusammen.
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Um die Wirkungsweise der Anordnung näher zu betrachten, sei zunächst
vorausgesetzt, daß die Kondensatoren io und 2o fehlen, und angenommen, däß die Entladungsstrecke
i i gerade brenne. Durch die Transformatorwirkung der Induktivitäten 13 und 31 erhalten
die Anoden der Entladungsstrecken 12, 21 und 2-a relativ hohes positives Potential.
Wegen der Verbindung mit diesen Anoden werden die Kondensatoren 18, ig und 28 sich
aufzuladen suchen. Die Wicklung 33 des Transformators 3 ist nun derart geschaltet,
daß die in ihr erzeugte Spannung in dem betrachteten Augenblick im Gitterkreis des
Wechselrichters i als negative, in dem des Wechselrichters 2 als positive Gitterzusatzspannung
auftritt. Bei geeigneter Bemessung dieser Spannungsamplitude sowie der Zeit= konstantender
Kondensatorladungskreise kann
man daher erreichen, daß, solange
das Rohr i i brennt, das Gitterpotential der Entladungsstrecke 2i stets um so viel
höher liegt, als das der Strecke i2, daß die Strecke 21 zuerst zündet und vermöge
des Kondensators q. das Rohr i i löscht.
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Die eben beschriebenen Vorgänge spielen sich nun inentsprechenderWeise
zwischendemRohr 2i unddem.Rohr 12 ab;dann zwischen 12 und22, dann zwischen 22 und
i i, worauf der Vorgang von neuem beginnt. Vom Zündendes Rohres i i bis zum Löschen
des Rohres 22 vergehen zwei volle Perioden des erzeugten Wechselstromes, wobei jedes
Rohr der Gruppe i mit jedem Rohr der Gruppe 2 zusammen in wechselnder Aufeinanderfolge
als Parallelwechselrichter arbeitet, und zwar zusammen mit dem Transformator 3 und
dem Kondensator q.. Dadurch wird erreicht, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende
Halbwellen gleichen Vorzeichens von verschiedenen, zur gleichen Phase der Wechselspannung
gehörigen Entladungsstrecken übernommen werden. Die Gruppen i und 2 können als mit
der halben Frequenz arbeitende, mit go° Phasenverschiebung gesteuerte Wechselrichter
angesehen werden, die jedoch keine üblichen Wechselrichter mehr sind insofern, äls
die Lichtbogenlöschung durch ein außen liegendes Element q. erfolgt und die Drosseln
13 bzw. 23 in erster Linie den Zweck haben, ein richtiges Arbeiten der Gittersteuerung
zu gewährleisten. Falls die Kondensatoren io bzw. 2o vorgesehen sind, sind sie so
zu bemessen, daß nach der Zündung eines Rohres (z. B. i i) die Spannung an der Anode
des anderen Rohres der gleichen Gruppe 12 rasch genug ansteigt, daß die Gitterspannung
des nächstzuzündendenRohres 2 i den Entladungseinsatz so zeitig bewirken kann, daß
keine Gefahr einer Vorzündung des Rohres i2 der ersten Gruppe besteht, die ein Versagen
des Wechselrichters zur Folge hätte. Die Kondensatoren können gegebenenfalls auch
zusammen mit den Drosseln derart bemessen werden, daß sie einen Schwingungskreis
der gewünschten Eigenfrequenz bilden, dem dann die Steuerspannung für die andere
Gruppe von Entladungsstrecken entnommen wird.
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Der Gegenstand der Erfindung läßt sich auch durch eine einfache Anordnung
verwirklichen, wie sie in dem Ausführungsbeispiel der Abb. 2 unter Benutzung eines
vierarmigen Entladungsgefäßes mit Quecksilberkathode dargestellt ist. Übereinstimmende
Teile sind in Abb. i und 2 gleich beziffert. Der positive Teil des Gleichstromnetzes
7 ist wie in Abb. i mit dem Transformator 3 verbunden; an den Transformätor sind
jetzt aber jeweils zwei Anoden ii und 12 bzw. 2i und 22 unmittelbar angeschlossen,
d. h. die entsprechenden Arme sind unmittelbar parallel geschaltet. Die Kathode
des Entladungsgefäßes liegt am negativen Pol des Netzes 7, die Erregeranoden 70,
71, deren Schaltung nicht näher angegeben ist, werden in bekannter Weise mit einer
Erregerspannung versorgt. Der Wechselrichter ist in diesem Falle fremdgesteuert.
Es ist eine Gitterwechselspannungsquelle 9 vorgesehen, deren zwei Wicklungen gi
und 92 zwei um go° phasenverschobene Spannungen liefern. Die Wicklungen gi und 92
sind mittelangezapft und die Mittelpunkte mit den Enden der dritten Wicklung 33
des Transformators 3 verbunden. Der Mittelpunkt der Wicklung 33 ist über eine Gleichvorspannung
6, 6o an die Kathode des Entladungsgefäßes ioo angeschlossen. Die Enden der Wicklung
gi sind, gegebenenfalls über Strombegrenzungswiderstände 41 und q.2, mit den Gittern
der Anoden 1i, 12, die Enden der Wicklung 92, gegebenenfalls über Vorschaltwiderstände
5i, 52, mit den Gittern der Anoden 21,22 verbunden. Den Gittern wird also eine Spannung
zugeführt, die sich unter der nur bedingt zutreffenden Annahme rein sinusförmiger
Teilspannungen aus den Kurven der Abb. 3 ergibt, von denen jede für Beine der Anoden
i i, 12, 2 1, 22 gilt. In, Abb.3 ist es die Gittergleichspanr nung und es" die dem
Transformator 3 entnommene Spannung mit der gewünschten Frequenz, während e91 und
e92 die von der Spannungsquelle 9 gelieferten Spannungen der halben Frequenz sind.
Die vier verschiedenen Gitterspannungskurven egii, eg12, eg21, eg22 sind nach den
vier Entladungsstrecken beziffert, deren: Gittern sie zugeführt werden. Es ist beispielsweise
angenommen, daß der Entladungseinsatz in jedem Arm bei Erreichung des Gitterpotentials
Null erfolge. Die mit dieser Annahme eingezeichneten Zündpunkte Z1, Z2, Zg, Z4 liegen
gegeneinander jeweils um i8o° der erzeugten Frequenz phasenverschoben, und während
zweier voller Perioden wird in jeder Entladungsstrecke nur einmal die Zündbedingung
erfüllt.
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Die in Abb. q. dargestellten Kurven von Strom a und Spannung
b einer Entladungsstrecke, beispielsweise des Armes i i, zeigen, daß jeder
Arm nur während höchstens einer Halbperiode der erzeugten Wechselspannung c brennt
und dann drei Halbperioden lang gesperrt ist. Da etwa eine Halbperiode nach dem
Löschen dieser Entladungsstrecke i i jeweils die zu ihr parallel geschaltete, 12,
zur Zün-.dung gebracht wird, (Stromkurve d), sieht die Kurve b der Anodenspannung
des Armes i i genau so wie die des Armes 12, aus und unterscheidet sich nicht von
der Kurve, die auftreten würde, wenn statt i i und 12 nur eine einzige Entladungsstrecke
mit doppelt so schneller Aufeinanderfolge die Stromstöße übernähme.
Gerade
in der Kurve b der Abb. d. ist deutlich zu erkennen, daß bei den beschriebenen Anordnungen
keine Erleichterungen der Eiltionisierungsbedingungen hinsichtlich der Anodenspannung
auftreten. Die Erleichterung liegt vielmehr lediglich darin, daß kurz nach dein
Löschen noch keine Neuzündung verlangt wird, sondern erst eine Periode später.
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Diese Verhältnisse sind in Abb. 5 andeutungsweise dargestellt. Kurve
a stellt hier die Anodenspannung einer Entladungsstrecke dar. Bis zur Zeit t1 hat
eine Entladung gebrannt, die im Moment t1 durch Löschkondensator gelöscht worden
ist. Das Anodenpotential springt demzufolge auf negative Werte, um darauf mit fortschreitender
Umladung des Kondensators wieder positiv zu werden. Ausgehend von der normalen Zündcharakteristik
VgZ = f (Va) der Entladungsstrecke W g, = Gitterzündpotential beim Anodenpotential
Va, bezogen auf die Kathode), deren `"erlauf in Abb. 5 a dargestellt ist, ergäbe
sich ein zeitlicher Verlauf des statischen Gitterzündpotentials nach Kurve b (Abb.
5), :deren Existenz. im Augenblick t. beginnt. Da jedoch bis dahin die Raumladung
in der Entladungsstrecke noch nicht abgeklungen ist, kann das Gitter zu den Zeiten.
kurz nach t., nur durch bedeutend größere negative Potentiale gesperrt werden. Die
tatsächlich kritische Gitterpotentialkurve liegt also tiefer als die statische,
nähert sich dieser jedoch mit der Zeit, d. 1i. mit zunehmender Entionisierung, ascmptotisch
und wird beispielsweise durch Kurve c dargestellt. Bei dieseln Verlauf und in Anbetracht
der in Frage kommenden kurzen Zeiten ist etwa in dem durch die Schraffur angedeuteten
Zeitabschnitt kein stabiler Schnitt der Gitterspannungskurve mit der Kurve c erzielbar,
weil die hierzu notwendige Steilheit nicht mehr mit genügender Präzision bzw. überhaupt
schwer zu erhalten ist. Ist z. B. d ein Stück der Gitterspannungskurve, so leuchtet
ein, daß eine kleine zufällige Erhöhung des Gitterpotentials dazu führen kann, daß
die Kurven c und d sich nicht nur im Punkt P1, sondern auch bei P." und -zwar instabil,
schneiden, und somit der Wechselrichter kippt. Abgesehen davon ist, Neigung der
Kurve d als größtmögliche Steilheit angenommen, eine stabile Wiederzündung frühestens
zur Zeit t3 möglich und damit die Frequenz nach oben enger begrenzt, als technisch
noch möglich wäre.
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Diese Nachteile sind in einer Anordnung, wie sie durch die Abb. i
und .-beispielsweise dargestellt wird, vermieden. Wie aus Abb. hervorgeht, ist die
tatsächliche kritische Gitterpotentialkurve c nach drei Halbperioden, d. h. wenn
die gleiche Entladungstrecke wieder stabil zündbar sein soll, schon s
s
so «weit an die statische Zündpotentialkurve b herangekommen, daß auch mit
einem wenig steilen, schaltungsmäßig leicht erzielbaren Anstieg der Gitterspannungskurve
eine stabile Zündung der Entladungsstrecke möglich ist, selbst in Bereichen, welche
(in der entsprechenden Periode] dem Zeitraum t,-t., in Abb.5 entsprechen.
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Der Erfindungsgegenstand erlaubt aber außerdem noch eine besondere
Steigerung der Frequenz durch vollständige Ausnutzung der Eigenschaften hochentionisierender
Gitter, die an sich vorteilhaft verwendet werden, um den Anfangsast der Kurve c
(Abb.5) nicht allzu tief nach negativen Potentialen zu drücken. Bekanntlich erhöhen
nämlich stark entionisierende Gitter merklich die Brennspannung und erwärmen sich
daher während der Brennzeit stark. Insofern diese Erwärmung die Grenze darstellt
für das den Gittern zumutbare Entionisierungsmaß, so kann dieses Maß bei der vorliegenden
Anordnung bei gleicher zulässiger Erwärmung gesteigert werden, da der einzelne Arm
bzw. die einzelne Entladungsstrecke ja thermisch entlastet wird. Das bedeutet, daß
noch stärker entionisierende Gitter eingebaut werden können, um eine noch kürzere
Freiwerdezeit zu erreichen, oder um bei gleicher Freiwerdezeit, d.h. gleicher Lage
der Kurve c (Abb. 5), eine Leistungssteigerung zu erzielen.
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Der lriindungsgedanke kommt somit vor <allem für Entladungsgefäße
mit stark entionisierenden, d.li. engmaschigen und großflächigen Gittern zur Anwendung
und ererlaubt damit u. U. eine Verkürzung der Freiwerdezeit, die beim normalen Parallelwechselrichter
unmöglich wäre wegen der zu starken Erwärmung. Er ist im übrigen nicht beschränkt
auf Parallelschaltung von je zwei Armen. Es können auch mehr als zwei Entladungsstrecken
für die Erzeugung aufeinanderfolgender gleichnamiger Halbwellen verwendet werden.
Im allgemeinen werden jedoch zwei Zweiergruppen von Entladungsstrecken genügen,
da nach drei Halbperioden die Kurve c (Abb. 5) meist bereits flach genug
verläuft, um eine stabile Zündung zu gewährleisten. Das bedeutet hinsichtlich des
Aufbaues und der Kosten einen Vorzug gegenüber den eingangs erwähnten Anordnungen
mehrerer Reihenwechselrichter, bei denen mindestens sechs Entladungsstrecken benötigt
werden.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu erblicken, daß die vorliegende Anordnung
ohne weiteres die Zusammenfassung sämtlicher Entladungsstrecken, auch bei Schaltungen
zur Erzeugung mehrphasiger hochfrequenter Wechselspannungen, in einem einzigen Gefäß
mit gemeinsamer
Kathode erlaubt, beispielsweise einem Glasgefäß
mit Quecksilberkathode (s. Abb. a).
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Statt der beschriebenen Arten der Gittersteuerung kann natürlich jede
geeignete bekannte Art, beispielsweise unter Verwendung gesättigter Drosseln usf.,
zur Anwendung gelangen.