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Anordnung zur Gittersteuerung für elastische Umrichter mit gittergesteuerten Dampf-oder Gas- entladungsstrecken.
Beim Betrieb von mit gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstreeken arbeitenden elastischen Umrichtern ergeben sich bekanntlich verschiedene Eigentümlichkeiten. Unter diesen herrscht diejenige vor, dass die Entladungsstreeken derart zu steuern sind, dass jederzeit Energie sowohl aus dem Primärnetz, das normalerweise die höhere Frequenz aufweist, an das Sekundärnetz als auch I in umgekehrter Richtung geliefert werden kann. Das bedeutet, dass stets die eine Gruppe von Ent- ladungsstrecken in Gleichrichterbereitschaft. die andere Gruppe von Entladungsstreeken in Wechsel- richterbereitschaft zu halten ist, wobei die Art der Bereitschaft von Halbwelle zu Halbwelle der niederen
Frequenz wechselt.
Es ist nun bereits erkannt worden, dass bei solchen Betriebsverhältnissen innere Kurzschlussmöglichkeiten bestehen, die man beispielsweise mit einer stromabhängigen Verriegelungs- , steuerung beherrschen kann. Diese wirkt in der Weise, dass die jeweils stromführende Gruppe von Entladungsstrecken die andere Gruppe von Entladungsstreeken gesperrt hält. also eine mögliche be- stehende Arbeitsbereitschaft nicht zulässt. Man kann auch. wie neuerdings vorgeschlagen worden ist (vgl. Patentschrift Nr. 146422), den Betrieb noch besser beherrschen, indem man das Einsetzen der
Entladung in den Entladungsstrecken bei Gleichrichterbetrieb mit einer Phasenverschiebung ver- zögert, die dem Betrag nach gleich gross ist wie die Phasenvoreilung des Beginnes der entsprechenden
Weehselrichterkommutierung.
Diese Steuerungsmöglichkeiten kann man für starre Umrichter als ausreichend ansehen.
Beim Betrieb von elastischen Umrichtern ist die Arbeitsweise jeder Entladungsstrecke nicht wie beim starren Betrieb genau festlegbar. Hier ergeben sich die verschiedenartigsten Steuerungs- möglichkeiten, die man im allgemeinen betriebssicher nur beherrschen kann. wenn man mehrere sich gegenseitig ausschliessende Steuerwege vorsieht (vgl. österr. Patentschrift Nr. 144861). Dennoch bringt' es die Eigentümlichkeit des elastischen Betriebes selbst bei Vorhandensein sämtlicher, bei starren Um- richtern vollkommen ausreichender Schutzmassnahmen mit sich. dass innere Kurzschlussströme ent- stehen können.
Dies beruht darauf, dass die Wechselrichterkommutierung mit einer nennenswerten
Phasenvoreilung, meist mehr als 30 bezogen auf die höherfrequente Periode, vor der entsprechenden
Gleiehrichterkommutierung stattfinden muss.
Bekanntlich können von einem Umrichter, wie er erfindungsgemäss verwendet wird. zwei ver- schiedene Kurvenformen geliefert werden, die an anderer Stelle schon c, ; und % genannt wurden (vgl.
Fig. 2). Dabei arbeitet der Teilumriehter, der die Kurvenform ea liefert. ohne Sternpunktsentladungs- strecke, der andere eb mit Sternpunktsentladungsstrecke. Jeder Teilumrichter liefert dabei abwechselnd die Kurvenform ea und eb. Die Kommutierung der zyklisch sich folgenden Phasen muss für den Wechsel- richterbetrieb vor dem entsprechenden Spannungsschnittpunkt und für den Gleichrichterbetrieb nach diesem erfolgen. Diese Vor-bzw. Nacheilung kann bis zu 303bezogen auf die höhere Frequenz der
Teilspannungen und vom Spannungsschnittpunkt aus gerechnet-betragen. Die Steuerung der Ent- ladungsstrecken erfolgt sowohl von der Primär- (höherfrequenten) Seite wie von der Sekundär- (nieder- frequenten) Seite.
Die vom Primärnetz gelieferten Impulse sind zweckmässig solehe, spitzer Wellenform (vgl. Fig. 3). Es sei dabei der Einfachheit halber angenommen, dass die Entladungsstrecken bei dieser
Gittervorspannung mit Sicherheit ansprechen. Ändert sich nun innerhalb des durch die Vor-und Nach- eilung der beiden Kommutierungen gegebenen Intervalls die Phasenlage der sekundären Spannung,
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so muss, um dieser Lagenänderung Rechnung zu tragen, z. B. bei dem betreffenden Teilumrichtersystt, von der Kurve eb auf die Kurve ea übergegangen werden. In der Fig. 3 ist der kritische Bereich @ einzeln ausgezeichnet.
Der Steuerplan für die Gittersteuerung der Phase 1 enthält die mit 10)'bezeich- neten Wechselrichterimpulse und die mit gr bezeichneten Gleiehrichterimpulse. Die einzelnen Steuerspannungen es teilen sich auf in solche für den grossen Spannungswert (Index g) und solche für den kleinen Spannungswert (Index k). Diese Impulse können von der Primär (pr. ) wie von der Sekundär- seite (sek) erteilt werden. Es ergeben sich somit acht Steuerkurven für die zwei Spannungswerte der
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punkt der Kurven 5 und 1 liegt zur Zeit tl, also vor dem Schnittpunkt der ursprünglichen Kurvenform.
Tritt nun innerhalb des Phasenintervalls zwischen den beiden Kommutierungen die besagte Phasen- änderung ein, dann ist der Impuls 1")' (ea/ ; prim.), der Wechselrichterimpuls für die kleinere Phasenspannung der Phase 1, erteilt worden, aber es folgt auf ihn nicht der zugehörige Gleiehrichterimpuls gr (eu/ ; prim. ), sondern der Gleichrichterimpuls j'Cp prim. ). Das bedeutet also, dass an derselben Phase an der Anzapfung mit niederem Spannungswert ein Gefäss im Wechselrichterbetrieb, an der Anzapfung mit höherem Spannungswert eines im Gleiehrichterbetrieb arbeitet. Es ist nun mit den bisherigen Mitteln nicht möglich, ein Einsetzen einer Entladungsstrecke eines falschen Spannungswertes zu verhindern.
Auch eine Verkleinerung des sekundären Gittersteuerungsimpulses-der im allgemeinen gleich der Brenndauer einer Phase gewählt werden dürfte, führt nicht zum Ziel, da ein derartig genaues Einsetzen dieser Blockbreiten innerhalb des Zeitintervalles . Z--das der Verschiebung des Spannungsschnittpunktes entspricht # nicht erreicht werden kann. In Fig. 4 sind schematisch die Phase 1 des Transformators sowie die zugehörigen Entladungsstrecken angegeben. Zur Verdeutlichung wurden die Entladungsstrecken durch Pfeile dargestellt, dabei gleichzeitig die Stromdurchlassrichtung andeutend. Man erkennt hieraus, dass bei einer Steuerung, wie sie in Fig. 3 gezeigt wurde, bei der also k im Wechselrichterbetrieb und g im Gleichrichterbetrieb arbeiten, sich ein Kurzschluss entsprechend dem Verlauf der Pfeillinie ausbilden kann.
Die arbeitende Spannung hiebei entspricht der Differenz der beiden Phasenspannungen. Auch bei andern als der hier angewendeten Schaltung ergibt sich dieser Kurzschlussstrom im elastischen Betrieb.
Die Erfindung bezweckt nun eine Vermeidung solcher dem elastischen Betrieb abträglichen Kurzschlussmöglichkeiten, u. zw. wird dies erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Steuerung für den Gleichrichterbetrieb in vorbestimmte Abhängigkeit zu der Steuerung für den Weehselriehterbetrieb gebracht ist, u. zw. derart, dass das Einsetzen der Entladung gemäss den Bedingungen des Gleichrichterbetriebes nur dann ermöglicht wird. wenn ein das Einsetzen der Entladung ermöglichende Steuerimpuls der entsprechenden Wechselrichterkommutierung gegeben wird. Hiedurch wird im inneren Kurzsehlusskreis Spannungsgleichgewicht zwischen den beiden die beiden Halbwellen liefernden Speisesystemen erreicht.
Eine grundsätzliche Ausführungsmöglichkeit ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt, u. zw. beispielsweise für einen Umrichter, bei dem eine derartige Anordnung der die Umformung durchführenden Hauptentladungsstreeken getroffen ist, dass sie alle gemeinsames Kathodenpotential aufweisen, d. h. in einem einzigen mehranodigen Entladungsgefäss mit gemeinsamer Kathode zusammengefasst werden können. Von den Hauptstromkreisen der gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstreeken ist im vorliegenden Falle nur die Quecksilberkathode 4 eines mehranodigen Eisengefässes dargestellt.
Es ist weiterhin angenommen, dass jede der beiden Gruppen von Entladungsstrecken nur je drei Entladungsstrecken mit den Gittern 1', 2', 3'bzw. 1", 2", 3"enthält, und ferner ist für jeden Gitterkreis zur Erleichterung der Übersicht nur ein Steuerweg angegeben, u. zw. für die eingestrichenen Entladungsstrecken die Steuerung für Wechselriehterbetrieb, für die zweigestrichenen Entladungsstrecken die Steuerung für Gleichrichterbetrieb. Für sämtliche Gitterkreise ist eine negative Vorspannung 5 vorgesehen, die über die Widerstände 51', 52'und 51//, 52//den Gittern zugeführt wird und sperrend wirkt. Das Einsetzen der Entladung in den Entladungsstrecken wird durch zusätzliche Steuerimpulse. die mittels Hilfsentladungsstrecken 10', 20', 30' und 10", 20", 30" geliefert werden, ermöglicht.
Für die Hilfsentladungsstreeken werden ebenfalls wie für die Hauptentladungsstrecken gittergesteuerte Entladungsstrecken mit im wesentlichen lichtbogenförmiger Entladung verwendet. Als Anodenspannung wird eine aus dem höherfrequenten Netz entnommene und mittels eines Transformators 6'bzw. 6" zugeführte Wechselspannung geeigneter Phasenlage verwendet. Ebenso erhalten die Gitterkreise der Hilfsentladungsstreeken ausser gegebenenfalls erforderlichen Vorspannungen 50 eine Steuerwechselspannung spitzer Wellenform, die mit passender Phasenlage ebenfalls dem höherfrequenten Netz entnommen wird. Die Erzeugung der spitzen Wellenform geschieht im nicht bezeichneten gesättigten Gittertransformator selbst, der zweckmässig mit freiem magnetischem Rückschluss zu versehen ist.
In die Zuleitungen zu den Primärwicklungen der beiden Gittertransformatoren sind Drosselspulen zur Aufrechterhaltung eines möglichst sinusförmigen Erregerstromes für die Gittertransformatoren eingeschaltet. Ferner werden die Hilfsentladungsstrecken 10', 20', 30'zusätzlich im Takt der niederen
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Frequenz gesteuert, u. zw. im vorliegenden Fall gruppenweise durch eine als Schalter 7'angedeutete Schaltwalze (Kommutator).
Jedoch ist diese Art der Steuerung von dem niederfrequenten Netz aus nicht wesentlich für die Durchführung der Erfindung, sondern man kann auch an Stelle des mechanischen Schaltorgans eine gittergesteuerte Hilfsentladungsstrecke, sei es mit im wesentlichen reiner Elektronenentladung, sei es mit im wesentlichen lichtbogenförmiger Entladung, vorsehen, deren Anoden-und Gitterkreis je durch eine aus dem niederfrequenten Netz abgeleitete Wechselspannung passender Phasen-
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form, vorzugsweise eine solche mit unsymmetrisch ausgebildeten Halbwellen. zu verwenden. Es steht jedoch nichts im Wege, die dem niederfrequenten Netz zugeordnete Steuerkomponente auch direkt in die Gitterkreise von 10', 20',-W'einzufügen. (Bezüglich der Einzelheiten bei solchen Steuerungen sei auf das österr.
Patent Nr. 144861 verwiesen.)
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Sie enthalten also ausser den bereits erwähnten V orspannungen. 50 Wicklungen eines gesättigten Gittertransformators, der nicht bezeichnet ist, mit Drosselspulen in den Zuleitungen. Hiezu tritt eine neue Steuerkomponel1. te, die von den Hilfsentladungsstrecken der ändern Gruppe von Hauptentladungsstrecken abgeleitet ist. Sobald nämlich das Gitter l'einen das Einsetzen der Entladung ermöglichenden Steuerimpuls von der Hilfsentladungsstrecke 10'erhält, wird gleichzeitig von dieser Hilfsentladungsstrecke über einen Stromwandler 9 ein Steuerimpuls in den Gitterkreis der Hilfsentladungsstrecke 10" gegeben.
Diese Hilfsentladungsstrecke ist in den Stromkreis des Gitters 1" geschaltet. l'und 1" gehören aber nun zu einander entsprechenden Hauptentladungsstrecken, d. h. der Strom fliesst in dem in Frage kommenden Zeitteilchen entweder durch die eine oder durch die andere Hauptentladungsstrecke. Die
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derart, dass-abweichend von den Verhältnissen bei den eingestrichenen Hilfsentladungsstrecken-die aus dem höherfrequenten Netz entnommene Steuerwechselspannung spitzer Wellenform für sich allein ein Einsetzen der Entladung in der Hilfsentladungsstrecke 10"noch nicht ermöglicht, sondern erst in Verbindung mit der durch den Stromwandler 9 gelieferten Steuerspannung.
Zur Erzielung richtiger Steuerspannungsverhältnisse wird man vorteilhaft Glimmröhren 8, gegebenenfalls mit parallelgeschaltetem, nicht bezeichnetem Widerstand, in den Gitterkreis einfügen. Besonders hat dies Bedeutung für die Sekundärwicklung des Stromwandlers 9.
Wie bereits bei Beginn des vorangehenden Absatzes gesagt wurde, ist zwecks übersichtlicher Darstellung für das Gitter jeder Hauptentladungsstrecke nur ein Steuerweg angegeben worden. Im vorliegenden Fall müsste die Anordnung nach Fig. 1 noch derart ergänzt werden, dass für die eingestrichene Gruppe von Hauptentladungsstrecken noch eine weitere in derselben Weise wie 10//, 20//, 30// geschaltete Gruppe von Hilfsentladungsstrecken vorzusehen ist. Diese muss in der gleichen Weise in Abhängigkeit gebracht werden zu einer weiteren Gruppe von Hilfsentladungsstrecken, die den Gittern 1", 2", 3"zugeordnet, aber im übrigen in gleicher Weise wie 10'. 26',. 3' geschaltet ist.
Mithin sind für jedes Gitter einer Hauptentladungsstrecke mindestens zwei Steuerwege vorzusehen, wobei der dem Gleichrichterbetrieb entsprechende Steuerweg durch den dem Wechselrichterbetrieb entsprechenden Steuerweg der entsprechenden andern Hauptentladungsstrecke verriegelt und mitgesteuert wird.
Gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann man die Verriegelung noch weiterführen, wie nachstehend an Hand eines Doppelumrichters mit abgestuften Phasenspannungen erläutert werden soll. Der Doppelumrichter besteht, wie aus Fig. 5 der Zeichnung zu erkennen ist, aus zwei Teilumrichtern I und II, die im vorliegenden Fall zwei gleirhfrequente Spannungen (In und eh gleicher Phasenlage, aber verschiedenartiger Kurvenform liefern. die in Fig. 6 dargestellt sind. Die Zusammensetzung der beiden Teilspannungen erfolgt mit Hilfe der beiden Transformatoren 102 und 202.
Gebildet werden die Teilspannungen mit Hilfe der in mehranodigen Gefässen 101 und 201 untergebrachten gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstreeken aus vier dreiphasigen Speisesystemen, wobei für jedes Speisesystem insgesamt sieben Entladungsstrecken vorgesehen sind, die die gleiche Bezifferung haben mögen, wie sie an den Speisesystemen beigeschrieben ist.
Ein Ausführungsbeispiel für die Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in Fig. 7 der Zeichnung angegeben, u. zw. bezieht es sich auf einen Doppelumrichter nach Fig. 5. Zwecks Vereinfachung
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Steuerung gemäss den Bedingungen des Wechselriehterbetriebes angegeben, d. h. in Wirklichkeit müsste die Ausbildung der Steuerung entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1 vervollständigt werden. Man weiss nun vom Doppelumrichter gemäss Fig. 5, dass jede Entladungsstrecke sehr verschiedenartig arbeiten kann und infolgedessen auch entsprechend gesteuert werden muss. So muss die Entladungsstrecke112' in die Lage versetzt werden können, einen Strom sowohl von der Entladungsstreeke 151'als auch von der Entladungsstrecke 152'übernehmen zu können.
Die Entladungsstrecke 111'ist derart zu steuern, dass sie Strom sowohl von den beiden bereits genannten Entladungsstrecken 151'und 152'als auch von der Sternpunktsentladungsstrecke 100'übernehmen kann, d. h. die Entladungsstrecke 111'muss drei an sich verschiedenen Steuerbedingungen genügen.
Entsprechendes gilt auch für die Entladungsstrecken der übrigen Phasen. Bezüglich der Sternpunktsentladungsstreeke 100'sind ebenfalls drei
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Steuerbedingungen zu erfüllen, nämlich die Übernahme des Stromes entweder von 111'oder von 1. n' oder von 151'. Genau wie bei Fig. 1 sind die der niederfrequenten Spannung zugeordneten Steuerorgane durch als Schalter angedeutete Schaltwalzen (Kommutatoren) angedeutet, u. zw. 722'für die Steuerung bei Übernahme des Stromes von 152' auf 112' usw., 712' bei Übernahme des Stromes von 1 -' auf 112' usw. Entsprechende Zusammenhänge ergeben sich für die Schaltwalzen 70', 710', 711'und 7'.
Im Sinne der Weiterbildung der Erfindung werden grundsätzlich die Entladungsstrecken mit den
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die beispielsweise durch die Schaltwalze 721'gesteuert wird, wird bei passenden Phasenverhältnissen den das Einsetzen der Entladung in der Hilfsentladungsstrecke ermöglichenden Spannungsstoss uur erhalten, der seinerseits das Einsetzen der Entladung in der zugehörigen Hauptentladungsstreeke ermög-
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Diese Steuerspannung wird in ähnlicher Weise wie bei Fig. 1 durch einen Stromwandler 9.'21'geliefert, u. zw. ist dieser in den Stromkreis einer Hilfsentladungsstreeke geschaltet, die die an dem höheren Spannungswert derselben Speisephase liegende Hauptentladungsstrecke steuert. Es ergibt sich mithin für die dem niederen Spannungswert der Speisephase zugeordnete Hilfsentladungsstrecke unter Berück- sichtigung der an sich vorhandenen negativen Vorspannung ein Verlauf 11s für die Kurve der Steuerspannung. Entsprechend sind für die durch die Schaltwalze 711'und 710'gesteuerten Hilfsentladungsstrecken Stromwandler 911' bzw. 910' vorgesehen.
Eine Verriegelung zwischen den zu den Sehaltwalzen M' und 722'gehörigen Hilfsentladungsstrecken ist an sich auch denkbar, wird aber im allgemeinen nicht erforderlich sein, da die der niederfrequenten Spannung zugeordneten Steuerkomponenten eine genügend genaue Einhaltung der Steuerbedingungen gewährleisten. Gleiches gilt auch für die zu den Schaltwalzen 701', 711' und 721' gehörenden Hilfsentladungsstrecken untereinander. Für die Sternpunktsentladungsstrecke 100' ist eine doppelte Schaltwalze 710' vorgesehen, wobei in der einen Halbwelle der niederfrequenten Spannung das eine Kontaktstück, in der andern Halbwelle das andere Kontaktstück die Steuerung bewirkt.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen einige der verschiedenen Möglichkeiten vorbestimmter Beeinflussung, d. h. einerseits Verriegelung, anderseits Mitsteuerung einzelner Steuerwege durch andere Steuerwege. Es steht nichts im Wege, ausser den Verriegelungen gemäss der Erfindung
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beiden Gruppen von Hauptentladungsstrecken oder andere Verbesserungen (vgl. Patent Nr. 146422).
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Anordnung zur Gittersteuerung bei elastischen, mit gittergesteuerten Dampf-oder Gasentladungsstrecken arbeitenden Umrichtern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Entladungsstrecken für den Gleichrichterbetrieb derart in Abhängigkeit zu der Steuerung der entsprechenden Entladungsstrecken für den Wechselrichterbetrieb gebracht ist, dass das Einsetzen der Entladung gemäss den Bedingungen des Gleichrichterbetriebes nur dann ermöglicht wird, wenn der entsprechenden Entladungsstrecke für den Wechselrichterbetrieb ein das Einsetzen der Entladung ermöglichender Steuerimpuls gegeben wird.