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Verfahren zur Erzeugung einer möglichst oberwellenfreien Gleichspannung
durch über 1Vlehrphasentransformatoren gespeiste Vakuum-Gleichrichter Die Spannung
auf der Gleichstromseite eines über einen Mehrphasentransformator gespeisten Gleichrichters
zeigt stark ausgeprägte Oberwellen, welche sich in verschiedener Weise störend bemerkbar
machen. Einen besonders nachteiligen Einfluß üben sie auf den Betrieb benachbarter
Telephonnetze aus, weil sie teils durch direkten Übertritt, teils durch Induktionswirkungen
Ströme in den Telephonleitungen hervorrufen, welche die Ursache von Störungsgeräuschen
sind und welche unter Umständen jede telephonische Verständigung unmöglich machen.
Aber auch der Betrieb von Starkstromapparaten und Maschinen leidet unter der Wirkung
der Oberwellen des Gleichrichterstromes, so daß schon verschiedene Mittel versucht
worden sind, diese zu unterdrücken und ihre Wirkung abzuschwächen.
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So hat man bereits dem Gleichstromnetz Drosselspulen vorgeschaltet,
in welchen eine der Oberwellenspannung entgegengerichtete Spannung entsteht und
welche daher den Gleichrichterstrom ebnet. Aber derartige Drosselspulen fallen sehr
groß aus, weil sie durch die große Gleichstromkomponente des Gleichrichterstromes
magnetisiert werden und weil dadurch das Wechselfeld der Oberwellenfrequenz sich
diesem Gleichstromfeld überlagern muß. Will man, um dabei Magnetisierungsunsymmetrien
zu vermeiden, Vorsorge treffen, daß nur der gerade Teil der Sättigungskurve der
Drosselspule beansprucht wird, dann muß das Eisen dieser Drosselspule mit großen
Luftspalten versehen werden, was aber wieder einen großen Magnetisierungsstrom der
Oberwellenfrequenz bedingt und dazu führt, daß die Ebnung des Gleichrichterstromes
nur eine unvollkommene ist. Denn eben dieser Magnetisierungsstrom stellt den Oberwellenreststrom
dar, welcher bei dem vorbeschriebenen Verfahren in das Gleichstromnetz gelangt.
Es sind noch andere Methoden bekannt geworden, welche die Aufgabe zu lösen 'versuchen,
die in der sekundären Gleichrichterspannung vorhandene Oberwellenspannung durch
in dem Sekundärnetz wirkende Mittel unschädlich zu machen.
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Im Gegensatz hierzu soll durch den Gegenstand der Erfindung die Aufgabe
gelöst werden, das Auftreten der Oberwellenspannungskomponente in der sekundären
Gleichrichterspannung überhaupt zu vermeiden, und zwar durch Mittel, die nicht im
Sekundärnetz, sondern im Primärnetz oder in einem besonderen, mit dem Primärstromkreis
des Transformators induktiv gekoppelten Hilfsstromkreis wirksam sind.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Erzeugung einer
möglichst oberwellenfreien Gleichspannung durch über Mehrphasentransformatoren gespeiste
Gleichrichter, nach welchem mit Hilfe von dem Transformatorfeld künstlich aufgedrückten,
es zusätzlich erregenden Oberwellenströmen der ungeraden Harmonischen dieses Feld
eine
derart spitze Kurvenform erhält, daß die in den einzelnen Phasenwicklungen
induzierten elektromotorischen Kräfte eine trapezförmige Kurvenform aufweisen, so
daß die Spannung an der jeweils stromführenden Anode des Gleichrichters über die
Zeit, in welcher sie Strom führt, annähernd eine Gleichspannung ist. Um die Kurve
der induzierten Spannung abzuflachen, kommen als zusätzliche Erregerströme nur Oberwellenströme
in Betracht, deren Frequenz ein ungerades Vielfaches der Grundfrequenz ist, weil
nur derartige Ströme geeignet sind, der Feldkurve eine spitze Form zu geben. In
erster Linie und im allgemeinen praktisch ausreichend ist aber die Verwendung eines
zusätzlichen Erregerstromes der dritten harmonischen Oberwelle, weil, falls die
Amplitude dieser Oberwelle etwa 13 °4 von der der sinoidalen Grundwelle
ist, bei entsprechend gewählter Phasenlage der Ströme zueinander die Abflachung
der Spannungskurve über die Zeit von '-j'" der Periode eine derartige ist, daß die
Abweichung von einem absolut konstanten Wert nur Bruchteile von einem Prozent beträgt.
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Es ist nun bekannt, daß bei Dreiphasentransformatoren die Ströme und
Felder der dritten Oberharmonischen in den drei Phasenwicklungen bzw. in den drei
Schenkeln des Magnetgestells parallel verlaufen, daß demnach ein Strom der dritten
Harmonischen in einer in Stern geschalteten Wicklung nur fließen kann, wenn er über
einen Nulleiter abgeleitet ist, und daß auch Felder der dritten Oberwelle nur dann
sich in den drei Schenkeln des Transformators voll ausbilden können, wenn ein vierter
Kern als Rückschluß für diese die drei Schenkel parallel durchsetzenden Felder vorhanden
ist. Im andern Falle wird der Rückschluß für das Gesamtfeld der dritten Oberwelle
durch den die beiden Jochstücke des Transformatoreisens verbindenden Luftweg gebildet.
Ist ein vierter Kern vorhanden, dann kann die Erregerwicklung für die dritte Harmonische
auf den vierten Kern oder auf den anderen Kernen derart angeordnet werden, daß das
Feld dieser Oberwelle die drei Phasenwicklungen des Transformators parallel durchsetzt.
Natürlich können in ebenfalls an sich bekannter Weise an Stelle eines Dreiphasentransformators
mit viertem Kern drei Einphasentransformatoren verwendet werden, von denen jeder
eine Wicklung für den dritten harmonischen Erregerstrom trägt, wobei diese drei
Erregerwicklungen miteinander derart in Reihe geschaltet sind, daß sich in ihnen
die von der Grundwelle induzierten Spannungen aufheben. Es wäre auch die Frage zu
erörtern, wie der Erregerstrom der erforderlichen Oberwellenfrequenz erhalten werden
kann. Es bieten sich hierfür mehrere Möglichkeiten. In einfacher Weise kann der
zusätzliche oberharmonische Erregerstrom von einem Hilfsgenerator geliefert werden,
welcher von einem am Gleich- oder Wechselstromnetz liegenden Motor angetrieben wird.
Da der Generator eine Wechselspannung liefern soll, kann er nach Art eines Synchrongenerators,
dessen Feld durch Gleichstrom erregt wird, ausgebildet sein, oder aber er kann ein
Kollektorgenerator sein, dessen Feld mit einem relativ kleinen Strom der gewünschten
Frequenz erregt wird. Im erstgenannten Falle muß der Antriebsmotor des Synchrongenerators
ein Synchronmotor sein, im zweiten Fall ist die Art des Antriebsmotors nebensächlich;
es kann z. B. ein Synchronmotor, ein Asynchronmotor oder ein Gleichstrommotor sein.
Sind Generator und Motor Synchronmaschinen, dann bestimmt die Stellung der Wicklungsachse
ihrer miteinander gekuppelten Läufer die Phasenlage des Oberwellenstromes. Diese
Phasenlage kann durch relative Verstellung dieser Achsen oder durch andere bekannte
Mittel, wie z. B. durch Einschaltung von Widerstand, Kapazität usw. in den Stromkreis
des Oberwellenstromes, geändert werden. Ist der Generator eine Kollektormaschine,
dann wird die Phasenlage des Oberwellenstromes durch die Phase des Erregerstromes
des Kollektorgeneratars bestimmt. Die Änderung der Phasenlage des Oberwellenstromes
erfolgt durch Änderung der Phase des Erregerstromes oder durch die bereits erwähnten
Mittel, durch welche die Phase eines Wechselstromes beeinflußt werden kann.
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Ein anderes Verfahren, einen Strom der dritten Oberwelle zu erzeugen,
besteht darin, daß man einen Dreiphasenhilfstransformator mit viertem Eisenkern
an das Dreiphasenprimärnetz anschließt, welcher so bemessen ist, daß in seinem Eisen
eine sehr hohe Sättigung eintritt. Diese hohe Sättigung bedingt, daß das Feld dieses
Transformators eine flache Kurvenform aufweist, d. h. aber, daß es eine stark ausgeprägte
dritteOberwelle besitzt, welche sich über den vierten Kern schließt. Bringt man
nun auf dem vierten Kern eine Wicklung an, so wird in dieser eine Spannung der dritten
Oberharmonischen induziert, welche zur Erregung eines dritten Oberfeldes im Haupttransformator
verwendet werden kann. An Stelle dieser Wicklung auf dem vierten Kern können auch
hier wieder Wicklungen auf den drei anderen Kernen vorgesehen werden, welche miteinander
derart in Reihe geschaltet sind, daß sich in ihnen die von der Grundwelle induzierten
Spannungen aufheben.
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In welcher Weise nun aber auch der Strom
der dritten
Oberwelle erzeugt wird, es kommt für die Vermeidung der Oberwelle in der Gleichrichterspannung
noch ein weiterer Umstand hinzu, dem unbedingt Rechnung getragen werden muß. Es
handelt sich um die Rückwirkung des Belastungsgleichstromes auf das Feld der dritten
Oberwelle. Es ist klar. daß der die Sekundärwicklung des Transformators durchfließende
Belastungsstrom in der Primärwicklung einen entsprechenden Belastungsstrom hervorruft,
derart, daß die sekundären Amperewindungen in jedem Moment durch die primären Amperewindungen
kompensiert werden. Da nun aber bei der Entnahme eines reinen Gleichstromes der
Strom jeder Sekundärphase des Transformators eine Komponente der dritten Harmonischen
besitzt, diese dritte Harmonische aber in der in Stern geschalteten Primärwicklung
nicht fließen kann, so muß die Kompensation dieser dritten oberharmonischen Stromkomponente
des Belastungsstromes durch einen Strom erfolgen, welcher in der Erregerwicklung
für das dritte oberharmonische Feld entsteht. Dieser Strom schwächt aber infolge
seiner Streuung und des durch ihn bedingten 'Spannungsabfalles das zusätzliche Oberfeld,
und es ist daher notwendig, die Stromquelle des Oberwellenstromes zu kompoundieren.
In einfacher Weise läßt sich diese Kompoundierung bei Verwendung eines Synchrongenerators
erreichen, weil man ihm eine vom Belastungsgleichstrom durchflossene Kompoundwicklung
hinzufügen kann. Schwieriger ist es bei einem Kollektorgenerator, weil man den Belastungsgleichstrom
auf einem Umwege (z. B. mit Hilfe von gittergesteuerten Elektronenröhren) in einen
ihm proportionalen Strom der Oberwellenfrequenz verwandeln und diesen so erhaltenen
Oberwellenstrom zur Kompoundierung des Kollektorgenerators verwenden müßte.
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Auch bei Verwendung eines hochgesättigten Hilfstransformators ist
eine Kompoundierung möglich, wenn man die Sättigung in Abhängigkeit vom Belastungsgleichstrom
steigert. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man den Belastungsgleichstrom zur
zusätzlichen Magnetisierung des Hilfstransformators verwendet und durch das entstehende
Gleichstromfeld den Sättigungszustand erhöht. 'Nur muß man dabei berücksichtigen,
daß in dieser Kompounderregerwicklung eine Spannung der dritten Oberwelle induziert
wird, wenn man nicht in einer Weise verfährt, wie sie an späterer Stelle an Hand
eines Ausführungsbeispiels gezeigt werden soll.
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Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes dienen die Fig.
r bis 3 und die Ausführungsbeispiele der Fig. d. und 5. Es sei vorausgeschickt,
daß sich das vorliegende Verfahren in erster Linie für Sechsphasengleichrichter
eignet, wenn als zusätzliche Erregung ein Strom der dritten harmonischen Oberwelle
verwendet wird.
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Fig.r zeigt in der stark ausgezogenen Linie die bekannte Gleichstromspannungskurve
E, eines sechsphasig gespeisten Gleichrichters. Jede Anode führt in einem Zeitteil
t jeder Periode den Belastungsgleichstrom. Die im Belastungsstrom enthaltene Oberwelle
ist von sechsfacher Frequenz.
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Fig. 2 zeigt, wie aus der Kombination der sinoidalen Spannungskurve
E, mit einer Spannungskurve der dritten Harmonischen E3 eine Spannung E,. erhalten
werden kann, deren Verlauf derart flach ist, daß sie über eine Zeit % t nahezu als
konstant betrachtet werden kann.
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Fig.3 zeigt in der stark ausgezogenen Linie, wie sich die Gleichstromspannungskurve
E,.' des Gleichrichters gestaltet, wenn die an den Phasenwicklungen des Transformators
auftretenden Spannungen eine Kurvenform entsprechend E,. der Fig. 2 besitzen. Man
erkennt, daß nahezu eine vollkommene Gleichspannung erreicht wird.
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Fig. d. stellt ein Ausführungsbeispiel der Anwendung des beschriebenen
neuen Verfahrens dar. Es bedeutet X ein Dreiphasennetz mit den Netzleitern I, 1I
und III. P ist die in Stern geschaltete Primärwicklung des Transformators T, dessen
Magnetgestell einen vierten Kern besitzt, welcher die zusätzliche Erregerwicklung
C besitzt. O ist die sechsphasige Sekundärwicklung des Transformators T, deren Klemmen
mit den Anoden A des Gleichrichters G verbunden sind, dessen Kathode k den Plusleiter
L (-E-) des Gleichstromnetzes speist. Der Minusleiter L (-) dieses -Neues ist mit
dem Sternpunkt der Wicklung O verbunden. D ist ein Synchrongenerator, welcher die
Wicklung C mit einem Strom der dritten Oberwellenfrequenz speist. Die Erregerwicklung
E dieses Generators erhält ihren Strom vom Gleichstromnetz des Gleichrichters über
den Regelwiderstand R. J ist der Antriebsmotor von D. Er ist ebenfalls als
Svnchronmaschine auszuführen und wird vom Primärnetz ?4' gespeist.
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Der die Wirkung C durchfließende Erregerstrom der dritten Harmonischen
erzeugt irn Eisen des Transformators T ein Feld 'gleicher Frequenz, welches die
drei Hauptschenkel parallel durchsetzt und in der Primärwicklung Spannungen der
dritten Oberwelle erzeugt. Bei entsprechender Wahl der Phase dieses Zusatzfeldes
zeigt die an den Phasenwicklungen auftretende resultierende Spannung einen flachen
Verlauf, wie er an den Fig. 2 und 3 erläutert ist.
In Fig.4 ist
H die Kompoundwicklung des Generators D. Diese Wicklung ist vom Belastungsgleichstrom
durchflossen. Sie vergrößert die Erregerspannung der dritten Oberwelle in dem Maße,
in welchem das Feld der dritten Harmonischen durch die Rückwirkung des Belastungsstromes
verkleinert wird.
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Fig.5 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Fall, daß
der Strom der dritten Harmonischen durch einen hochgesättigten Transformator erzeugt
wird. In dieser Figur bedeutet N ein Dreiphasennetz,welches sowohl den Haupttransformator
T, als auch einen Hilfstransformator T. speist. P ist die Primärwicklung, O die
Sekundärwicklung, Z eine in offener Dreieckschaltung angeordnete dritte Wicklung
des Haupttransformators T,. U ist die Primärwicklung, V die ebenfalls in
offener Dreieckschaltung angeordnete Sekundärwicklung des Hilfstransformators T;.
Das Magnetgestell 111, des Haupttransformators wie auch das Magnetgestell J11:;
des Hilfstransformators besitzt einen vierten Eisenkern. X ist eine auf dem vierten
Kern von T, angeordnete Kompoundwicklung, R ein Ohmscher Widerstand, D eine Drosselspule.
Die übrigen Bezeichnungen sind die gleichen wie in Fig. q.. Das Eisen des Hilfstransformators
T., sei hoch gesättigt. Ein Feld der dritten Harmonischen schließt sich infolge
der hohen Sättigung von T. über den vierten Kern dieses Transformators und erzeugt
in der Wicklung V eine Spannung der dritten Oberwelle. Da nun die Wicklung h auf
die Wicklung Z geschaltet ist, fließt in diesem Stromkreis ein Strom der dritten
Oberwelle, welcher die Feldkurve im Eisen des Haupttransformators spitzer macht
und bewirkt, daß die an jeder Phasenwicklung dieses Transformators auftretenden
Spannungen eine flache Kurvenform aufweisen.
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Die Wicklung X, die Drosselspule D und der Widerstand R dienen zur
Kompoundierung der Hilfsstromquelle T.. Wie aus der Fig.5 ersichtlich, liegen diese
drei Hilfseinrichtungen (X, D, R) im Hauptstromkreis des Gleichstromnetzes,
und zwar wird der Gleichstrom dem Mittelpunkt der Wicklung X zugeführt und dem Mittelpunkt
der Drosselspule D entnommen. Er teilt sich in zwei parallele Teile, von denen der
eine unmittelbar von X nach D, der andere aber von X
über den
Widerstand R nach D fließt. Wäre der Widerstand R nicht vorhanden, dann wären die
beiden parallel verlaufenden Stromteile gleich und die Wicklung X würde keine Gleichstromerregung
des Kernes von T= bewirken, weil sich die Amperewindungen der beiden Wicklungshälften
von X kompensieren. Der Widerstand R jedoch bewirkt, daß sich der Netzgleichstrom
ungleich auf die beiden parallelen Zweige verteilt, so daß also die in der Wicklung
'X fließenden Gleichströme im Transforinatoreisen ein Gleichstromfeld erzeugen,
welches proportional dem Netzgleichstrom ist. Dadurch wird aber der Sättigungszustand
des Hilfstransformators eine Funktion der Gleichrichterbelastung, und dementsprechend
nimmt die EMK der dritten Oberwelle mit zunehmender Gleichrichterbelastung zu. Die
in der Wicklung X induzierte Spannung der dritten Harmonischen gelangt aber nicht
in das Gleichstromnetz, weil die Zu- und Abführungspunkte des Netzstromes in
X und D Neutralpunkte in bezug auf die induzierte Spannung der dritten
Oberwelle sind.
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Diese Kompoundierungseinrichtung hat aber noch den Nachteil, daß das
Hinaufschieben des Wechselfeldes auf den gekrümmten Teil der Gleichstromsättigungskurve
eine Ungleichheit der positiven und negativen Amplituden des Wechselfeldes bedingt,
was eine unsymmetrische Spannungskurve zur Folge haben würde. Es kämen dadurch wieder
andere höhere Harmonische in die Spannungskurve des Gleichrichters hinein, welche
das Erreichen eines oberwellenfreien Gleichstromes verhindern. Dieser Nachteil läßt
sich vermeiden, wenn man zwei hochgesättigte Hilfstransformatoren TZ' und T." mit
in Reihe geschalteten Primärwicklungen U' und U" verwendet, die durch den Gleichrichtergleichstrom
in der angegebenen Weise Gleichstromfelder erhalten, wobei aber die Richtungen der
Gleichstromfelder in den beiden Hilfstransformatoren in bezug auf den Primärstrom
um zso° gegeneinander verstellt sind. Während also für eine Halbwelle des Wechselfeldes
der Grundfrequenz der eine Transformator TJ hochgesättigt ist, ist für die andere
Halbwelle dieses Wechselfeldes der andere Transformator T." hochgesättigt. Auch
die Wicklungen V der beiden Hilfstransformatoren sind in Reihe geschaltet. Diese
Einrichtung zeigt bei Steigerung des Gleichstromfeldes stets eine symmetrische Spannungskurve
der Oberwellenfrequenz, auch wenn das betreffende Wechselfeld sich von einem beliebigen
Punkt der Sättigungskurve des Gleichstromfeldes aus bilden muß.
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Wie in Fig. 6 dargestellt, lassen sich die beiden Hilfstransformatoren
TZ' und T," zu einem einzigen Transformator vereinigen. Die Wicklungshälften von
X werden je aus mindestens zwei Spulen gebildet, die auf den beiden vierten Schenkeln
miteinander untermischt aufgebracht sind.
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An Stelle eines Dreiphasentransformators mit viertem Kern lassen sich
auch für den
Hilfstransformator T, drei Einphasentransforniatoren
verwenden, die zur Erzielung eines Effektes gemäß der Einrichtung nach Fig.6 als
dreischenklige Transformatoren ausgeführt werden, wobei jeweils der Mittelschenkel
die Gleichstromerregung, die beiden äußeren Schenkel die Wicklungen U' und U" (desgl.
I" und I"') in Reihenschaltung tragen.