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Anordnung zur regelbaren Bestimmung des Zündzeitpunktes eines Lichtbogenstromrichters
Die Erfindung bezieht sich auf die regelbare Bestimmung des Zündzeitpunktes einer
Lichtbogenentladungsstrecke, die zu einer Stromrichteranordnung, beispielsweise
einem Gleich= richter oder Wechselrichter oder Umrichter, gehört. Die Erfindung
ist vorzugsweise an-«-endbar für gittergesteuerte Lichtbogenentladungsstrecken mit
Quecksilberdampffüllung und flüssiger Ouecksilberkathode oder Glühkathode, kann
jedoch auch für andere bekannte Arten von Lichtbogenentladungsstrecken verwendet
werden, bei denen der Zündzeitpunkt oder gegebenenf alls auch derLöschzeitpünktder
Lichtbogenentladung willkürlich steuerbar ist. Von besonderer Bedeutung ist die
Erfindung für Stromrichteranordnungen, bei denen die Entladungsstrecken in Stromkreisen
liegen, welche mit sehr hohen Spannungen betrieben werden. Als Beispiel seien Energieübertragungen
mit Gleichstromhochspannungsleitungen genannt, bei denen die Stromrichter zur Umformung
von Wechselstrom in hochgespannten Gleichstrom und umgekehrt von hochgespanntem
Gleichstrom wiederum in Wechselstrom bzw. Drehstrom dienen.
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Gemäß derErfindungwerden sämtlicheHilfsspannungen, die für eine Lichtbogenentladungsstrecke
des Stromrichters erforderlich sind, beispielsweise die Heizspannung, die Sperrspannung
so-,v ie die für die Zündung erforderlichen Spannungen, von einem Hilfsgenerätor
geliefert, dessen mechanische Kupplung mit dem Antriebsmotor der Betriebsspannung
des Stromrichters entsprechend isoliert ist, und außerdem sind die im Steuerstromkreis
der Lichtbogenentladungsstrecken
liegenden :Mittel zur Veränderung
des Zündzeitpunktes finit auf niedrigem Potential befindlichen Betätigutigsinitteln
derart gekup--. gelt, daß eine elektrische "Trennung zwischen den Betätigungsmitteln
und dein auf hohem Potential befindlichen Steuerstromkreis besteht. Die Erfindung
betrifft eine neuartige Form der Verbindung zwischen den auf niedrigein Potential
und den auf hohem Potential befindlichen Teilen der für den Betrieb und die Steuerung
der Entladungsstrecken erforderlichen Hilfseinrichtungen. Nach der Erfindung wird
gleichzeitig eine isolierte Kupplung zwischen dein Antriebsmotor eines Hilfsgenerators
für Hilfsspannungen und eine elektrische Trennung zwischen den Betätigungsmitteln
der Steuerung und dem auf hohem Potential befindlichen Steuerstromkreis vorgesehen.
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Bei bekannten Stronirichteranordnungen, die finit höheren Spannungen
arbeiten, sorgt ein Isoliertransformator für die Trennung zwischen Erdpotential
und Hochspannung. Durch diesen Isoliertransformator werden außerdem auch die Betätigungsmittel
für den Steuerstromkreis der hohen Betriebsspannung entsprechend isoliert. Die Erfindung
hat den Vorteil, daß Isoliertransformatoren, welche die Anlage bei höheren Spannungen
empfindlich verteuern, vollständig vermieden werden. Durch die gleichzeitig vorgesehene
elektrische Trennung zwischen den Betätigungsmitteln für die Steuerung und dein
auf hohem Potential befindlichen Steuerstromkreis sorgt die Erfindung dafür, daß
diejenigen Teile der Steuerung, bei denen regeltechnische Eingriffe erforderlich
sind, trotz der hohen Betriebsspannung der Entladungsstrecken auf niedrigem Potential
gehalten «-erden können.
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Um die auf hohem Potential befindlichen Steuerstromkreise elektrisch
-von den Betätigungsmitteln -zu trennen, wird vorzugsweise die an sich bekannte
Steuerung mit Hilfe von strahlungsempfindlichen Zellen, vorzugsweise Lichtzellen,
verwendet.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß es bei einer Gleicbstromhochspannungsanlage,
bei der Kondensatoren über Glühkatliodenentladungsgefäße geladen und entladen werden,
bekanntgeworden ist, den Heizstromkreis der auf hohem Potential befindlichen Glühkathodenentladungsgefäße
an einzelne Generatoren anzuschließen, von -denen jeder gegcniiber einem auf Erdpotential
befindlichen Antriebsniotor für diejenige Spannung isoliert ist, welche dem Potential
der jeweils zu heizenden Entladungsröhre entspricht.
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Es ist vorteilhaft, zum Antrieb des die Steuerstromkreise speisenden
Hilfsgenerators einett Asvnclirornnotor zu verwenden, da die Sebaltanlage darin
besonders einfach wird, weil besondere Anlaf- oder Svilclirottisier%-orriclitungen
nicht erforderlich sind. Der Hi,lfs--f,@;nerator erzeugt - bei dieser Ausführungsforte
der Erfindung ini Hilfsstromkreis der zu steuernden Entladungsstrecken lediglich
Gleichspannungen, also Spannungen, die nicht :in Synchronismus finit der Frequenz
der Anodenspannung der zu steuernden Eiitiadungsstrecken gebunden sind. Die Zündimpulse
der Entladungsstrecken werden dabei vorzugsweise finit Hilfe von gittergesteuerten
I-Iilfsentladungsgefäßen in Wechselrichterschaltung erzeugt. Der Synchronismus zwischett
den Steuerimpulsen und der die Entladungsstrecken speisenden Wechselspannung wird
dadurch hergestellt, daß die Strahlungsquelle, welche die strahlungsempfindliche
Zelle im Steuerstromkreis beeinflußt, elektrisch mit der \ iederspannungsseite der
Haupttransforinatoren der zu steuernden Entladungsstrecke -verbunden ist.
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N ältere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
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Es sei angenommen, dali ein Lichtbogenentladungs-ef-il;, i (Fig. i),
welches als Glühkathodenentladungsgefäß ausgebildet ist, über einen Transformator
2 an ein Drehstromnetz 3 angeschlossen ist. Zwischen. dem sekundärseitigen Sternpunkt
des Transformators z und der Kathode des Entladungsgefäßes i liegt irgendein Stromverbraucher
.a. in Reihe mit einem Schalter 5. Das Drehstromnetz 3 wird mit üblichen Werten
von Frequenz und Spannung, beispielsweise mit 220 Volt und 5o Perioden, betrieben,
während auf der Sekundärseite,des Transformators 2 sehr holte Spannungen herrschen
sollen.
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Sämtliche Hilfs-und Steuerspannungen für den Betrieb des Lichtbogenentladungsgefäßes
i liefert ein Drehstromgenerator 6, der Tiber eine für hohe Spannung isolierte Kupplung
oder durch eine Isolierwelle finit einette Asvnclironniotor 8 gekuppelt ist. Der
Motor 8 ist über einen Schalter 9 an das Drelistroinnetz 3 angeschlossen. Von der
Sammelschiene io de: Hilfsgenerators 6 werden die für den Betrieb des Lichtbogengefäßes
i erforderlichen Hilfs-und Steuerspannungen abgenommen. Dazu gehört zunächst der
Heizstromkreis des Entladungsgefäßes, der über einen Transformator an die Sarmnelschiene
io angeschlossen ist. Ein Transformator i i und eine Trockengleicbrichteranordnung
12 liefern eine konstante Vorsparinung bz_w. Sperrspannung für den Gitterkreis des
Entladungsgefäßes i. Ein «-eiferer Transformator 13 finit zugehöriger Gleichrichteranordnung
14 erzeugt an einem Spamiungsteilerwiderstand 15 . Hilfsgleichspannungen, welche
zur regelbaren Zündarg des Entla<hingsgefä ßes i dienen.
Zur
Steuerung der positiven Steuerspannungsimpulse des Entladungsgefäßes i dient ein
gittergesteuertes Lichtbogenentladungs_igefäß 16, welches einen zwischen Gitter
und Kathode des Entladungsgefäßes i liegenden `'Widerstand 17 periodisch an eine
Teilspannung des Widerstandes 15 anschließt. Ein weiteres gittergesteuertes Lichtbogenentladungsgefäß
IS ist vorgesehen, um das Entladungsgefäß 16 zu löschen und dadurch die positiven
Steuerimpulse zu beenden. Die Kathoden der Entladungsgefäße 16 und IS sind über
einen Kondensator i9 nach Art der bekannten Wechselrichterschaltung miteinander
verbunden und an die Gleichspannung des `'Widerstandes 15 angeschlossen. Im folgenden
sei das Entladungsgefäß 16 als Zündrohr und das Entladungsgefäß IS als Löschrohr
bezeichnet.
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Das Steuergitter des Zündrohres 16 steht unter dem Einfluß einer lichtelektrischen
Zelle 2o, deren Impulse durch ein Elektronenrohr 21 verstärkt und über einen Übertrager
22 auf den Gitterkreis des Zündrohres 16 übertragen, werden. Die Anodenspannung
des Verstärkerrohres 21 wird an-dem Spannungsteilerwiderstand 15 abgegriffen. Die
lichtempfindliche Zelle 2o wird von einer Lichtquelle 23 belichtet,. deren Strahlen
durch einen Spiegel 24 umgelenkt werden. Der Spiegel 24 ist in der von einem Schleifenoszillographenher
bekannten Form beweglich angeordnet (Stromschleife 32)_ und steht unter dem Einfluß
der Wechselspannung, die einem Drehtransformator 25 entnommen wird.
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Mit dem Zündrohr 16 und dem zugehörigen Löschrohr IS steht noch ein
weiteres gittergesteuertes Hilfsrohr 26 in Verbindung, durch das die, bezogen auf
den Gitterkreis des Rohres 16 positiven Impulse der Sekundärwicklung des Übertragers
22 kurzgeschlossen werden können. Die Steuerspannung des Löschrohres IS wird einem
Stromzweig entnommen, der aus der Reihenschaltung eines Kondensators 27 und eines
regelbaren Widerstandes 28 besteht und zu dem Widerstand 17 im Gitterkreis
des Entladungsgefäßes i parallel geschaltet ist: Ein für die Steuerung des Hilfsrohres
26 dienender Stromzweig besteht in gleicher Weise aus einem Kondensator -29 und
einem regelbaren Widerstand 3o und ist zu einem Widerstand 31 im Anodenkreis des
Löschrohres IS parallel geschaltet. .
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt daß auch die Heizspannungen
der Hilfsentladungsgefäße 16, IS und 26 sowie des Verstärkerrohres 21 an der Sammelschiene
io des Hilfsgenerators 6 abgenommen werden.
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Die Wirkungsweise der Steuerungsanordnung des Entladungsgefäßes i
der Fig. i sei ,an Hand der in Fig. 2 dargestellten Diagramme näher erläutert. In
Fig. 2 sind untereinander in Teildiagrammen a bis g folgende Spannun--:gen dargestellt:
a) Anodenspannung des Entladungsgefäßes 1, b) '\recliselspannung des Drehtransformators
25 bzw. der Oszillographenschleife 32 des Spiegels 24, c) Spannungsimpulse der lichtempfindlichen
Zelle 2o verstärkt durch die Verstärkerröhre 21, d) Gitterspannung am Zündrohr 16,
e) Gitterspannung am Löschrohr IS, f) Gitterspannung am Hilfsrohr 26, g) Gitterspannung
am Hauptentladungsgefäß i. Es sei angenommen, daß der Lichtbogen des Entladungsgefäßes
i im Zeitpunkt ti, d. h. mit einer Pliasenv erschiebung (p gegenüber dem Nulldurchgang
der Anodenspannung, gezündet werden soll. Durch den Drehtransformator 25, welcher'
primärseitig an das Drehstromnetz 3 angeschlossen ist und daher mit der gleichen
Frequenz wie der Transformator des Hauptentladungsgefäßes i betrieben wird, wird
der Oszillographenschleife 32 eine Spannung zugeführt, die im Zeitpunkt t1 durch
Null geht (Diagramm 2b)-. Der durch den Spiegel 24 umgelenkte Lichtstrahl der Lichtquelle
23 trifft in diesem Augenblick die lichtempfindliche Zelle 2o und erzeugt an der
Primärwicklung des Übertragers 22 einen Spannungsimpuls (Diagramm 2 c). Der gleiche
Impuls wird -auf den Gitterkreis des Zündrohres 16 übertragen und schaltet über
dieses Rohr den Widerstand 17 im Gitterkreis des Hauptentladungsgefäßes i ein. An
diesem Widerstand entsteht die positive Steuerspannung entsprechend dem Diagramm
2 g.
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Durch die Spannung des Widerstandes 17 wird über den regelbaren Widerstand
28 der Kondensator 27 allmählich aufgeladen, und dementsprechend steigt die zwischen
dem Widerstand 28 und dem Kondensator 27 abgenommene Gitterspannung des Löschrohres
IS (Diagramm 2e). Im Zeitpunkt t. erreicht diese Gitterspannung den Zündwert des
Löschrohres i8. Dieses Rohr zündet und schaltet den Widerstand 31 an die Gleichspannung
des Spannungsteilerw iderstandes 15. Infolge der Parallelschaltung des Löschrohres
iS zu dem Zündrohr 16 entlädt sich der Kondensator i9 über das Zündrohr 16 und löscht
dessen Lichtbogen. Die Spannung am Widerstand 17 verschwindet (Diagramm 2g). Am
Gitter des Hauptentladungsgefäßes i wird die Sperrspannung der Gleichrichteranordnung
12 wirksam.
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Im Zeitpunkt t@ erhält das Hilfsrohr 26 positive Gitterspannung, weil
das Gitter dieses
Rohres über den Kondensator 29 an den über das
Löschrohr i,, an den positiven Pol des Widerstandes 15 angeschlossenen positiven
Pol des Widerstandes 31 angeschlossen ist. Mit zunehmender Aufladung des Kondensators
29 über den Regelwiderstand 3o nimmt dieses positive Potential des Hilfsrohres 26
allmählich ab. Solange das Gitter des Rohres 26 sich auf positivem Potential befindet,
ist die Sekundärwicklung des Übertragers 22 über das Rohr 26 kurzgeschlossen. Das
hat zur Folge, daß der im Zeitpunkt t3 eintreffende Steuerimpuls derI_iclitzelle2o
(Diagrainn12c) nicht zur Zündung des Zündrohres 16 führen kann. Dieser Impuls der
Lichtzelle 20 entsteht dabei dadurch, daß die Spannung des Drehtransformators 25
ini Zeitpunkt ts durch Null geht und daß dementsprechend in diesem Zeitpunkt der
von der Lichtquelle 23 ausgehende Lichtstrahl auf die Lichtzelle 20 auftrifft. Der
Stromkreis des Regelwiderstandes 30 und des Kondensators 29 muß so bemessen
sein, daß das Hilfsrohr 26 bis zu einem Zeitpunkt t., (Diagramm 2f) positiv
bleibt, der um ein genügendes Maß später liegt als der Zeitpunkt t3. Andererseits
muß das positive Potential des Rohres 26 im Zeitpunkt t, -wieder so -reit negativ
geworden sein daß der in diesem Zeitpunkt eintreffende nächste Steuerimpuls der
Lichtzelle 2o zur Zündung des Zündrohres 16 führen kann. Der Zeitpunkt t5 entspricht
dem Zeitpunkt ti, und von da an -wiederholt sich das oben geschilderte Spiel der
einzelnen Steuerphasen von neuem. Durch Veränderung der Stellung des Drehtransforinators
25 kann der "Zündzeitpunkt für das Hauptentladungsgefäß i genau so verschoben -werden,
als sei die Sekundärwicklung des Drehtransformators 2 i unmittelbar an den Gitterkreis
des Hauptentladungsgefäfies angeschlossen.
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Die Lichtzellensteuerung, bei der der Lichtstrahl der Lichtzelle niit
Hilfe einer Oszillographenschleife periodisch bewegt wird, ist zwar besonders vorteilhaft
für Stromrichteranordnungen; bei denen -wie bei der Schaltung nach Fig. i die Steuerstromkreise
elektrisch von den übrigen Teilen der Anlage völlig getrennt sind: sie kann jedoch
auch für andere Stroinrichteranlagen, beispielsweise Umrichter, angewendet -werden,
bei denen es auf eine solche Trennung nicht unbedingt ankommt, d. h. für Stromrichteranlagen
normaler Spannungen. Diese Steuerung kann auch dann angewendet -werden, wenn .an
Stelle des Umförniersatzes 6 bis 8 der Schaltung nach Fig. i ein Isoliertransformator
verwendet wird. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lichtz_ellensteuerun- liegt darin,
dall in dein Stromkreis der Oszillograplienschleife 32, an der der Umlenkspiegel
2.4 befestigt ist, alle bisher für die Steuerung von gittergesteuerten Lichthogenentladungsgefäßen
entwickelten Steuerungseinrichtungen angewendet werden können. An Stelle des Drelitransforinators
25 können dab1--i auch Steuerungen verwendet werden, die lediglich finit ruhenden
Apparaten arbeiten, also beispielsweise Steuerungen, bei dene-i hochgesättigte Magnetkreise
mit mehreren Gleichstrom- oder Wechselstronierregungen verwendet «-erden. Für das
Entladungsgefäß ist die Wirkung dabei stets genau so, als sei die der Oszillographenschleife
32 zugeführte Wechselspannung (vgl. das Diagramm b der Fig. =) unmittelbar dein
Gitterkreis zugeführt.
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Es sei noch erwähnt, daß es zweckmäßig ist, parallel zu der Oszillographenschleife,
wie in I# ig. i angedeutet, eine Glimmlampe 33 zu schalten, damit die an der Schleife
32 wirksame Wechselspannung einen bestimmten Maximalwert der Amplitude nicht überschreiten
kann. Durch diese 1laßnahme wird ein sehr steiler Übergang der Steuerspannung von
negativen zu positiven Werten und damit eine genaue Bestimmung des Zündzeitpunktes
erreicht.
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An Stelle der in Fig. i für das Hauptentladungsgef.iP, i vorgesehenen
Steuerungsanordnung. die mit gittergesteuerten Hilfsentladungsgefäßen 16, i und
26 arbeitet, können auch andere in anderem Zusammenhang entwickelte Steuerungsanordnungen
verwendet -werden. -welche geeignet sind, einen von einer Lichtzelle ausgelösten
Steuerimpuls auf den Gitterkreis des Hauptentladungsgefiißes i zu übertragen. Die
im Ausführungsbeispiel gewählte Wechselrichterschaltung hat nur den Vorteil, daß
finit Steuerimpulsen geringer Leistung, -wie sie dein übertrager 22 zugeführt -werden,
praktisch unbegrenzt große Steuerleistungen auf den Gitterkreis des Hauptentladungsgefäßes
i übertragen -werden können.
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An Stelle der im Ausführungsbeispiel der Fig. i gewählten lichtelektrischen
Zelle 2o können auch andere strahlungsempfindliche Zellen vorgesehen werden, mit
denen es gelingt, Strom- und Spannungsänderungen in einem an die Niederspannungsseite
der Stronirichtertransformatoren angeschlossenen Steuerstromkreis ohne elektrische
Verbindung auf den Steuerstromkreis des zu steuernden Hauptentladungsgefäßes zti
übertragen. Als Beispiel sei auf Wärmestrahlen hingewiesen.