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Elektrischer Umformer Zusatz zum Patent 84'7, 0'36 Das Patent
847 036 betrifft einen elektrischen Umformer, bei dem die Stromumformung
mittels magnetischer Schalter unter Verwendung von mindestens einer Schaltdrossel
und einem Ventil bewirkt wird. Im Patent 847036 sind in Reihe mit der Schaltdrossel
und parallel zum Ventil ein oder mehrere magnetisch betätigte Schalter angeordnet,
wobei die Einschaltung kurz nach Einsetzen des `'orwärtsstromes in dem parallel
liegenden Ventilkreis, die Ausschaltung hingegen innerhalb der durch die Schaltdrossel
erzeugten stromschwachen Stufe erfolgt.
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Im Hauptpatent wurde angegeben, wie eine derartige Anordnung auch
für regelbare Gleichrichter durch Teilaussteuerung und als Wechsel- und Umrichter
benutzt werden kann, indem beispielsweise in Reihe mit den Ventilen eine regelbare
Spannungsquelle eingeschaltet wird, deren innerer Widerstand höchstens von der Größenordnung
des Ventilwiderstandes in Vorwärtsrichtung ist. Wirkt diese Spannung der treibenden
Spannung entgegen, so verspätet sich die Einschaltung; die Anordnung arbeitet als
Gleichrichter mit kleinerer mittlerer Gleichspannung. Wirkt jedoch diese Spannung
im gleichen Sinne wie die treibende Spannung, so erfolgt die Einschaltung verfrüht;
das Svstem kann in dieser Anordnung, insbesondere bei mehrphasiger Ausführung, als
netzgesteuerter Wechselrichter betrieben werden.
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Eine andere im Hauptpatent erwähnte Steuermöglichkeit erhält man dadurch,
daß die magnetischen Schalter mit einer zusätzlichen Einschaltspule
versehen
werden, welche von Stromimpulsen gespeist wird, die aber vor Einsetzen der stromschwächen
Stufe wieder abgeklungen sein müssen. Wirken diese Stromimpulse der magnetisierenden
Wirkung, hervorgerufen durch den Vorwärtsstrom der Ventile, entgegen, so verspätet
sich die Einschaltung; im umgekehrten Fall tritt sie vor dem Moment der Spannungsgleichheit
ein, so daß die Anordnung ebenfalls wieder als Wechselrichter verwendet werden kann.
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Da für eine funkenfreie Kommutation die Spannung an den Schaltkontakten
während der Unterbrechung unterhalb etwa io V gehalten werden mußte, fanden als
Ventile mit besonderem Vorteil Trockengleichrichter wegen ihres kleinen Spannungsabfalles
Verwendung.
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Es hat sich inzwischen gezeigt, daß ein befriedigender Betrieb mit
Trockengleichrichter wohl möglieh ist bei Sperrspannungen bis zu etwa ioo V, daß
dagegen bei höheren Sperrspannungen, insbesondere einigen iooo V, verschiedene Nachteile
auftreten. Eine derart höhe Sperrspannung bedingt die Reihenschaltung einer größeren
Anzahl von Gleichrichterplatten, wodurch nicht nur der Spannungsabfall bei Vorwärtsstrom,
sondern auch-die Induktivität und Kapazität des Ventilkreises in einem hinsichtlich
der gewünschten funkenfreien Kommutation unzulässigen Maße erhöht wird. Außerdem
sind Trockengleichrichter für hohe Sperrspannungen teuer und benötigen viel Platz.
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Die vorliegende Erfindung stützt sich sowohl auf den heutigen Stand
der Technik im Gebiete der Metalldampfgleichrichterröhren als auch auf inzwischen
entwickelte Schaltungsanordnungen zur Kompensation der Spannung an den Schaltkontakten.
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Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß bei einem Umformer
gemäß dem Patent 847 036 als Ventil eine Gleichrichterröhre verwendet ist,
deren Sperrwirkung mindestens beim Ausschalten des magnetischen Schalters durch
Erhöhung der Anodenspannung aufgehoben wird.
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Die moderne Röhrentechnik hat Gleichrichterröhren geschaffen, welche
sich für den vorliegenden Zweck in besonderem Maße eignen. Sie zeichnen sich aus
durch kleine Zünd- und Brennspannung; hohe Sperrspannung und lange Lebensdauer.
Die kleine Brennspannung solcher Röhren ermöglicht die Kommutation des am Kontakt
aufgerissenen Stromes auf den Ventilkreis mit genügend kleiner Kontaktwanderung,
sofern eine vormagnetisierte Schaltdrossel mit möglichst rechteckförmiger Hysteresisschleife
verwendet wird, welche den Stufenstrom genügend klein hält, beispielsweise unter
o,2 A. Eine Anodenbatterie ist im Gegensatz zu früheren Ausführungsformen nicht
notwendig: Zu diesem Zweck eignen sich vorzugsweise Gleichrichterröhren mit Metalldampffüllung,
deren Zündspannung höchstens io V beträgt. Insbesondere haben sich Glühkathodenröhren
mit Alkalidampffüllung, und zwar sowohl solche mit Oxydals auch solche mit Adsorptionskathode
sehr gut bewährt. Die niedrigsten Zünd- und Brennspannungen werden mit caesiumdampfgefüllten
Glühkathodenröhren mit Adsorptionskathoden erreicht. Bei solchen Röhren kann die
Zündspannung kleiner als 4 V,_ die Brennspannung kleiner als 2 V gehalten werden,
bei einer Sperrspannung von mehr als iooo V.
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!, Durch Anwendung einer Schaltungsanordnung zur Kompensation der
Spannung an den Schaltkontakten, die darin bestehen kann, daß eine von der Schaltdrossel
abgeleitete Hilfsspannung in den Ventilstromkreis eingeführt und während des Schaltvorganges
so gerichtet ist, daß die Spannung an den Schaltkontakten herabgesetzt ist; wird
es möglich, als Ventile auch Gleichrichterröhren mit einer Zünd- und Brennspannung
von über io V zu verwenden. Denn die Hilfsspannung kann so gewählt werden; daß die
Spannung an den Schaltkontakten in den Schaltmomenten unabhängig von der Spannung
am Ventil genügend klein gehalten werden kann. Außer den obengenannten Gleichrichterröhren
sind mit dieser Schaltungsanordnung auch Elektronenröhren, insbesondere solche mit
einer Sättigungsstromstärke von mindestens i A brauchbar. Für hohe Sperrspannungen
eignen sich außerdem Quecksilberdampfröhren mit Flüssiglceits- oder Glühkathode.
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Mit der genannten Kompensationsschaltung kann ferner erreicht werden,
daß der Strom in den Schaltkontakten während der stromschwachen Stufe unabhängig
von dem durch die Schaltdrossel gegebenen Stufenstrom derart klein ist, daß die
Kontaktwanderung in zulässigen Grenzen bleibt. Es lassen sich demzufolge gescherte
Schaltdrosseln oder vormagnetisierte Schaltdrosseln mit weniger hochwertigen Materialien
verwenden.
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Derartige Gleichrichterröhren können auch mit Steuergitter versehen
sein, so daß sich neben den eingangs-- erwähnten Schaltungsanordnungen zur Spannungssteuerung
des Umformers weitere Möglichkeiten zu diesem Zweck durch Anwendung einer geeigneten
Gittersteuerung ergeben.
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In der Zeichnung ist ein elektrischer Umformer schematisch dargestellt,
bei dem das den Schaltkontakten parallel liegende Ventil eine gittergesteuerte Gleichrichterröhre
ist, deren Zündung beim Einschalten durch Ansteigen des Gitterpotentials und beim
Ausschalten durch Erhöhung der Anodenspannung erfolgt.
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Fig. i zeigt die Schaltung und Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der wichtigsten
Betriebsgrößen.
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Mit i ist die Wechselstromquelle mit der Spannung e bezeichnet. 2
ist eine Schaltdrossel, deren magnetischer iKreis einen Luftspalt 21 aufweist. 3
ist der magnetische Schalter mit dem Magnetkreis 31, bestehend aus zwei durch die
Luftspalte 32 und 33 gegeneinander elektrisch isolierten Sehenkein 34" und 34b und
den zugleich die feststehenden elektrischen Kontakte bildenden Polen 35"
und 35b. 36 ist ein prismatisch ausgebildetes Schaltelement mit dreieckförmigem
Querschnitt, das zugleich als Schaltbrücke dient und an der Feder 37 befestigt und
durch diese in der Offnungsstellung
gehalten ist. Die Feder 37
ist ihrerseits zwischen Isolierstücken 38 an den Schenkeln 34" und 34b starr befestigt.
38a ist ein Anschlag für das Schaltelement. Mit 39 ist die vom zu schaltenden Strom
gespeiste Erregerspule bezeichnet. Als Gleichrichterröhre dient eine den feststehenden
Schalterkontakten 35a und 35b parallel geschaltete Triode.. Die Belastung ist mit
5 bezeichnet. Die Spannungssteuerung des Umformers erfolgt in bekannter Weise durch
Wahl des Zündeinsatzes der Triode ,4.. Zu diesem Zweck ist ein an der Wechselspannung
e liegender Phasenschieber 6 vorgesehen, dessen Sekundärspannung über eine Batterie
7 an das Gitter und die Kathode der Triode 4 geführt ist. Das Gitter wird durch
die Batterie positiv vorgespannt. Zur Erleichterung der Kommutation beim Öffnen
der Schaltkontakte ist in den Ventilkreis eine von der Sekundärwicklung 22 der Schaltdrossel
:2 erzeugte Hilfsspannung über das Hilfsventil 8 und den Begrenzungswiderstand 9
eingeführt. Um die schädliche Wirkung der Induktivität der Sekundärwicklung 22 auszuschalten,
ist sie durch den Kondensator io überbrückt. Zur zusätzlichen Erleichterung der
Kommutation ist den feststehenden Kontakten 35" und 35b in bekannter Weise
ein Kondensator i i parallel geschaltet.
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Die Wirkungsweise dieses Umformers wird an bIand der Fig. 2 wie folgt
erklärt: Am Ende der Sperrphase ist die Anodenspannung bereits derart hoch, daß
die Röhre 4. beim Ansteigen des Gitterpotentials in der Gegend des Potentialnulldurchganges
(Zeitpunkt t1) zündet. Es beginnt nun ein Strom zu fließen von der Wechselstromquelle
i über die Belastung 5, die Röhre 4., das Hilfsventil 8, den Schenkel 34a
des Magnetkreises, die Erregerspule 39 und die Schaltdrossel :2 zurück zur Wechselstromquelle
i. Die Schaltdrossel 2 bewirkt zunächst eine stromschwache Stufe bis zum Zeitpunkt
t., innerhalb welcher der Ansprechwert des Schalters 3 liegt. Beim Erreichen dieses
Stromwertes überwiegt die durch die Erregerspule 39 erzeugte magnetische Kraft jene
der Feder 37, und das Schaltelement 36 überbrückt die feststehenden Kontakte 35a
und 35b. Dabei wird die Röhre 4. über (las Hilfsventil 8 kurzgeschlossen und die
Entladung unterbricht.
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Durch geeignete Wahl der Batteriespannung eB wird erreicht, daß die
Gitterspannung e, der Röhre 4 während des Ausschaltvorganges immer noch positiv
ist. Der Strom i tritt zunächst in die stromschwache Stufe zum Zeitpunkt t." und
erreicht innerhalb derselben den Abfallwert des Schalters 3. Während der stromschwachen
Stufe wird in der Sekundärwicklung 22 der Schaltdrossel 2 eine Spannung induziert,
welche am Hilfsventil 8 die Hilfsspannung eh erzeugt. Die Hilfsspannung eft
ist dabei so gerichtet, daß die Röhre 4 zündet. Von diesem Moment an fließt ein
Kompensationsstrom iK über die Schaltkontakte entgegen dem abklingenden Stufenstrom.
Der resultierende Strom in den Schaltkontakten ist daher beim Öffnen derselben (Zeitpunkt
t4) so klein, daß schädliche ;Kontaktwanderung vermieden wird. Der Strom i wird
auf diese Weise vom Schalter auf die Röhre 4 kommutiert und unterhält eine Entladung
bis angenähert zu seinem Nulldurchgang im Zeitpunkt t..