DE639960C - Anordnung zum Betrieb von als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitenden Umformungseinrichtungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 21. DEZEMBER 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d ² GRUPPE 12

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin

Umformungseinrichtungen

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. September 1932 ab

ist in Anspruch genommen.

Bei der Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt mittels gesteuerter Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken, ist es üblich, Entladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung zu verwenden. Wenn man eine solche Umformungseinrichtung zeitweilig als Gleichrichter, zeitweilig als Wechselrichter arbeiten läßt, müssen daher die Gleichstromzuführungsleitungen der Umformungseinrichtung miteinander vertauscht werden.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Anordnung zum Betrieb von als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitenden Umformungseinrichtungen, die für jede der beiden Energierichtungen eine Gruppe von gesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung enthalten. Erfindungsgemäß sind hierbei einerseits zusätzliche, auf den Kommutierungsvorgang einwirkende Schaltmittel vorgesehen, andererseits ist die Steuerung der Entladungsstrecken derart durchgebildet, daß die Größe der aufgenommenen oder abgegebenen Scheinleistung in vorbestimmter Weise festgelegt ist. Der Energiedurchgang in der Umformungseinrichtung bestimmt sich dann auf Grund der Spannungsverhältnisse in beiden Netzen. Dadurch wird es auch ermöglicht, einen Wechselrichter auf einen induktiven Verbraucher arbeiten zu lassen.

Da bei dem Betrieb solcher Umformungseinrichtungen sehr häufig plötzliche Laständerungen eintreten, was gleichbedeutend mit einer Änderung der Gegen-EMK des Verbrauchernetzes ist, so empfiehlt es sich, gemäß einer Weiterbildung des vorliegenden Erfindungsgedankens eine Drosselspule in die Stromkreise beider Gruppen von Entladungsstrecken einzuschalten und die beiden Teildrosselspulen so miteinander zu koppeln, daß beim Auftreten einer plötzlichen Laständerung in einem der beiden Netze die Energieänderung eine entsprechende Energieänderung in der Drossel zur Folge hat.

'Bei der Durchführung des Erfindungsgedankens wird man vorteilhaft sowohl die die. Wechselrichtung bewirkenden Entladungs strecken als auch die die Gleichrichtung bewirkenden Entladungsstrecken durch Gitter steuern. Die Gittersteuerung beider Gruppen ermöglicht es, die Spannung· in bequemer Weise zu regeln. Es empfiehlt sich, den Gitterkreisen leine phasenveränderliche Steuerwechselspannung· zuzuführen, und zwar kann

die Phasenlage von der Richtung und der Größe des Belastungsstromes abhängig gemacht werden.

In Abb. ι der Zeichnung ist eine Umformungseinrichtung im Sinne vorliegender Er^. findung dargestellt. Ein dreiphasiges Wechselstromnetz io und ein Gleichstromnetz ii, das z. B. eine Spannungsquelle veränderlicher Gegen-EMK aufweist, sind über die Transformatorprimärwicklung 13, die sechsphasige Transformatorsekundärwicklung 14 und zwei Gruppen gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken 15 bis 20 und 21 bis 26 miteinander gekuppelt. Jede Phase der Transformatorwicklung ist über zwei gegensinnig parallel geschaltete Entladungsstrecken mit dem Gleichstromnetz verbunden. Der eine Gleichstromleiter ist unmittelbar an den Sternpunkt der Transforma-ao torwicklung geführt. Der andere Gleichstromleiter ist an die Mittelanzapfung einer Drosselspule 31 angeschlossen, an deren Enden die Stromaufteilung innerhalb jeder der beiden Gruppen von Entladungsstrecken erfolgt. Jede Gruppe ist nun ihrerseits weiter in zwei Untergruppen unterteilt, die über je eine Kommutierungswicklung 27 bzw. 28 und einen Kommutierungskondensator 29 bzw. 30 miteinander gekuppelt sind. Die Gitterkreise der einzelnen Entladungsstrecken erhalten durch einen Gittertransformator mit den Wicklungen 33 und 35 über eine Phaseneinstellvorrichtung, z. B. einen Drehtransformator 34, eine Steuerwechselspannung, der man zweckmäßigerweise eine wenigstens annähernd spitze Wellenform gibt. In die Gitterkreise sind ferner Strombegrenzungswiderstände 36 eingefügt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet sechsphasig, d. h. jede Entladungsstrecke führt höchstens während 6o° Strom.

Es sei zunächst angenommen, daß die Umformungseinrichtung als Gleichrichter arbeitet, d. h. es wird Energie vom Wechselstromnetz 10 an das Gleichstromnetz 1,1 geliefert. Es arbeiten dann die Entladungsstrecken 21 bis 26. Für den Kommutierungsvorgang zwischen je zwei Entladungsstrecken, beispielsweise 21 und 22, ergibt So sich folgende Wirkung der Kommutierungsdrossel 28 und des Kondensators 30: Läßt man die Streureaktanz der Wicklung 28 außer Betracht, so liegt der Kondensator 30 in Reihe mit dem Entladungsstrom und wird geladen. Die Ladespannung entspricht dem Belastungsstrom. Wird das Gefäß 22 leitend, so entlädt sich der Kondensator 30 und ermöglicht bzw. unterstützt den Kommutierungsvorgang zwischen diesen beiden Entladungsstrecken. Während der Stromführung der Entladungsstrecke 22 wird der Konden-I sator 30 mit entgegengesetztem Vorzeichen aufgeladen, so daß die am Kondensator liegende Spannung die dreifache Frequenz hat in bezug auf den Wechselstrom des Netzes 10. Durch Einstellen der Phase der Gitterwechselspannung mittels des Drehtransformators 34 kann man den Punkt in der Wechselstromperiode einstellen, bei dem die einzelnen Entladungsgefäße leitend werden. Hierdurch kann man den Leistungsfaktor beim Gleichrichterbetrieb in weiten Grenzen steuern. Es wird noch bemerkt, daß infolge der beschriebenen Lastabhängigkeit der Kondensatorspannung stets eine ausreichende Kommutierungsspannung zur Verfügung steht, und zwar auch dann, wenn von einer Anode höheren Potentials auf eine Anode niederen Potentials kommutiert werden soll.

Ändert sich die Gegen-EMK der Maschine 80 ' 12 infolge Laständerung o. dgl., steigt sie z. B. infolge Entlastung über den von der Umformungseinrichtung gelieferten Wert der Spannung, so kann keine Energie mehr vom Netz 10 an das Netz 11 abgegeben werden. Vielmehr wird die Energierichtung sich umkehren, wobei der Stromfluß über die linke Hälfte der Wicklung 31, die Kommutierungsdrossel 2,7 und den Kommutierungskondensator 29 im Zusammenwirken mit den Ent- 90' ladungsstrecken 15 bis 20 erfolgt. Auch beim Wechselrichterbetrieb kann durch Ändern der Gitterspannung ebenfalls der Leistungsfaktor gesteuert werden.

Tritt eine plötzliche Laständerung an der Maschine 12 ein, z.B. infolge Öffnens des Schalters 32, so wird die Drosselspule 31, und zwar der in den Gleichrichterkreis eingeschaltete Teil, versuchen, den Belastungsstrom aufrechtzuerhalten, und erzeugt dabei eine Überspannung am Schalter 32, die zu vermeiden ist. Infolge der Kopplung der beiden in den' Gleichrichterkreis und in den Wechselrichterkreis geschalteten Wicklungsteile 31 ruft eine plötzliche Laständerung im Gleichstromkreis 11, die eine Überspannung im Gleichstromkreis zur Folge hätte, eine ähnliche Spannung im linken Teil der Wicklung 31 hervor. Diese Spannung treibt einen Strom durch die Entladungsstreckengruppe 15 bis 20 und liefert dadurch die aufgespeicherte Energie an das Wechselstromnetz 10 zurück. Überspannungen auf der Gleichstromseite werden somit vermieden.

In Abb. 2 der Zeichnung ist der Erfindungsgedanke bei einer Graetzschaltung angewendet. Diese Umformungseinrichtung weist außerdem eine solche Anordnung auf, daß ein zirkulierender Strom innerhalb der Umformungseinrichtung erzeugt wird, um die Kommutierungsspannungen auch bei sehr

kleiner Belastung und schlechtem Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten. Mit zirkulierendem Strom ist dabei in der Folge stets ein Strom gemeint, der von einer Spannung gctrieben wird, welche in der zwischen den gerade kommutierenden Entladungsstrecken liegenden. Teilwicklung erzeugt wird, und der sich innerhalb der Umformungseinrichtung schließt, ohne in den äußeren Gleichstromkreis zu gelangen. Zu dem Gleichrichterkreis gehört die Transformatorwicklung 14 und die beiden Entladungsstreckengruppen 21 bis 26 und 21' bis 26', außerdem die Kommutierungswicklungen 28 und 28' mit den parallel geschalteten Kondensatoren 30, 30'. Der Wechselrichterkreis enthält außer den Transformatorwicklungen 14 und 13 die beiden Entladungsstreckengruppen 15 bis 20 und 15' bis 20', außerdem die Kommutierungswicklungen 27 und 27' mit den parallel geschalteten Kondensatoren 29, 29'. Die die Gleichrichtung bewirkenden Entladungsstrecken sind mit gleichem Phasenabstand an Anzapfungen 37 der Transformatorwicklung 14 angeschlossen, entsprechend die die Wechselrichtung bewirkenden Entladungsstrecken an Anzapfungen 38. Die einzelnen Wicklungsabschnitte 37-38 der Transformatorwicklung sind jeweils zwischen entsprechende Entladungsstrecken der beiden Gruppen derart geschaltet, daß die in ihnen erzeugte Spannung bei geeigneter Steuerung einen zirkulierenden Strom über je eine Entladungsstrecke jeder Gruppe treibt. Zwecks Vereinfachung der Darstellung sind im vorliegenden Falle die Gitterkreise der einzelnen Entladungsstrecken nicht dargestellt. Die Steuerung erfolgt in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1.

Wird bei der beschriebenen Umformungseinrichtung Energie zwischen den beiden Netzen mit einem Leistungsfaktor 1 übertragen, so hat die EMK der Transformatorwicklung 14 längs der Achse der Stromverteilung ihren größten Wert, und da Wicklungsteile 37-38 zwischen zwei kommutierenden Entladungsstrecken im wesentlichen 90° Phasenverschiebung in bezug auf die jeweilige Richtung der Stromachse aufweisen, wird ein zirkulierender Strom nicht bestehen können. Gleichgültig, ob die Umformungseinrichtung als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitet, ist die zwischen benachbarten Entladungsstrecken bestehende EMK der Transformatorwicklung zu den Zeitpunkten der Kommutierung im wesentlichen Null, so daß die für den Kommutierungsvorgang erforderliche Spannung nur etwas größer zu sein braucht als die Spannungsabfalle der beiden Entladungsstrecken. Diese Kommutierungsspannung kann z. B. ohne weiteres durch den Laststrom in den Kommutierungskondensatoren und den zugehörigen Kommutierungsdrosseln 27, 27'/ 28, 28' in ähnlicher Weise wie in Abb. 1 erzeugt werden. Betrachtet man dagegen den anderen Extremfall eines Arbeitens der Umformungseinrichtung bei einem Leistungsfaktor Null, so ist die EMK der Transformatorwicklung 14 im wesentlichen um 9°° gegen die Achse der Stromverteilung in der Phase verschoben, so daß die zwischen benachbarten Entladungsstrecken bestehende EMK der Transformatorwicklung annähernd den Größtwert hat und dem Kommutierungs-Vorgang entgegenwirkt, wenn es sich um Gleichrichterbetrieb mit voreilendem Leistungsfaktor oder um Wechselrichterbetrieb mit nacheilendem Leistungsfaktor handelt. In diesen Fällen hat die zwischen den in der Stromführung sich ablösenden Entladungsstrecken bestehende Spannung der Wicklungsteile 37-38 ihren Größtwert und -ruft einen zirkulierenden Strom hervor, der über die Kommutierungswicklungen 27, 27', 28 und 28' sowie über die Drosselspulen 31 und 31' fließt. Dieser zirkulierende :Strom erzeugt eine Spannung an den angeschlossenen Kondensatoren, die die Kommutierung zwischen den beteiligten Entladungsstrecken gegen die EMK der Transformatorwicklung bewirkt. Auf diese Weise ist es möglich, die Umformungseinrichtung bei sehr schlechtem Leistungsfaktor und sehr kleiner Belastung arbeiten zu lassen. Nimmt man z. B. an, daß die Umformungsejnrichtung als Gleichrichter mit 90⁰ Phasenvoreilung arbeitet, die Phasendrehung im Sinne des Pfeiles erfolgt und anfänglich die Entladungsstrecken 21 und 24' leitend sind, so ergibt sich, daß der Laststrom durch die Transformatorwicklung 14, durch die Entladungsstrecke 21, den rechten Teil der Kommutierungswicklung 28, den rechten Teil der Drosselspule 31, den rechten Teil der Drosselspule 31', den rechten Teil der Kommutierungs wicklung 28' und die Entladungsstrecke 24' fließt. Stellen bei diesen Leistungsfaktorverhältnissen die Ab- ' stände der einzelnen Wicklungen der Transformatorwicklung 14 die Phasenabstände der ¹^⁰ Spannungen -der zugehörigen Wicklungen dar,, so wird die EMK der Transformatorwicklung 14 im wesentlichen längs der horizontalen Diagonale der Transformatorwicklung 14 liegen, d.h. während der Stromführung der Entladungsstrecken 21 und 24' liegt ,der Scheitel wert der Spannung praktisch in der horizontalen Diagonalen. Es wird also im wesentlichen die volle Spannung des zwischen den Anzapfungen 37-38 liegenden Teiles der Vieleckwicklung den Entladungsstrecken 21 und 15 aufgedrückt, und

es wird ein zirkulierender Strom durch diesen Teil der Vieleckwicklung, die Entladungsstrecke 2i, den rechten Teil der Kommutierungswicklung 28, die Drosselspule 31, den rechten Teil der Kommutierungswicklung 27 und die Entladungsstrecke 15 fließen. Ein ähnlicher zirkulierender Strom wird durch die Entladungsstrecken 18' und 24' sowie die Drosselspule 31' fließen. Diese zirkulierenden Ströme erzeugen Kommutierungsspannungen an den Kondensatoren 29, 29', 30 und 30' auch bei sehr kleiner Wirklast. Diese Spannungen sind für die Kommutierung des Stromes von der Entladungsstrecke 21 auf die Entladungsstrecke 15' bzw. von der Entladungsstrecke 24' auf die Entladungsstrecke 18 ausreichend. Dieser zirkulierende Strom ändert sich mit dem Leistungsfaktor, und zwar wird er größer, wenn sich der Leistungsfaktor verschlechtert. Auf diese Weise wird die Kommutierungsspannung selbsttätig geregelt.

Ein weiteres Beispiel ist in Abb. 3 der Zeichnung' dargestellt. Bei dieser Umformungseinrichtung, die mit dem Gleichstromnetz 11 in- Verbindung steht und über den Transformator 14, 13 mit dem Wechselstromnetz 10 verbunden ist, sind die entsprechenden Entladungsstrecken der Gruppen 15 bis 20 und 21 bis 26 miteinander durch Wick-■ lungen 39 bis 44 verbunden. 27 und 28 sind Kommutierungsdrosseln, die durch je einen Kondensator 29 bzw. 30 überbrückt werden. Ferner ist noch eine Wicklung 31 vorhanden, welche die Mittelpunkte der Wicklungen 27 und 28 miteinander verbindet. Die Wicklungen 39 bis 44 können von einer passenden Wechselstromquelle gespeist werden, aber vorzugsweise sind es zusätzliche Wicklungen, die auf dem Gittertransformator angeordnet sind.- Vom Gittertransformator ist nur die Primärwicklung 33 dargestellt, die wie bei der Anordnung nach Abb. 1 vom Wechselstromnetz 10 über eine Phaseneinstellvorrich- *5 tung 34 gespeist wird. Infolge dieser Anordnung ändert sich die Phase der den Wicklungen 39 bis 44 zugeführten Wechselspannungen selbsttätig im gleichen Sinne wie die Phase der Gitter spannungen der einzelnen Entladungsstrecken. Während der Zeit der Stromführung der einzelnen Entladungsstrecken ist stets die größte Spannung der Wicklungen 39 bis 44 bereit und ermöglicht die Erzeugung eines zirkulierenden Stromes und damit eine Kommutierung bei beliebigem Leistungsfaktor.

In Abb. 4 ist eine Anordnung mit Entladungsstrecken 15 bis 26 dargestellt, die selbsttätig eine vorbestimmte Regelung der Spannungen des Gleichstromnetzes 11 und des über die Transformatorwicklung 13 angeschlossenen Wechselstromnetzes 10 gestattet. Diese Regelung kann man erzielen, indem man zu der Erregung der Primärwicklung 33 des Gittertransformators 35 eine hinsichtlich ihrer Größe veränderliche Wechselspannungs.komponente, die sich entsprechend den Lastbedingungen ändert, hinzufügt. Diese veränderliche Komponente kann man mittels zweier Drosselspulen 45 und 46 sowie zweier gesättigter Drosselspulen 47 und 48, die mit S ättigungswicklungen 49 und 50 versehen sind,, erzeugen. Die Sättigungswicklungen 49 und 50 verbinden die Mittelpunkte der Kommutierungswicklungen 27 und 28 miteinander über die Spule 31. Die eine Diagonale der Brückenanordnung 45 bis 48 wird durch die am Kondensator 30 liegende Spannung, die, wie bereits beschrieben, die dreifache Frequenz der Grundfrequenz des Wechselstromes aufweist, gespeist. Die andere Diagonale der Brückenanordnung ist an die Primärwicklung des Transformators 51 angeschlossen, dessen drei Sekundärwicklungen in Reihe mit den verschiedenen Phasenwicklungen der Primärwicklung 33 des Gittertransformators liegen. Die Steuergitter der Entladungsstrecken sind über Widerstände 36 und die Sekundärwicklungen des Gittertransformators 35 mit den zugehörigen Kathoden verbunden.

Bei einer solchen Anordnung ruft jede Laständerung eine Verstimmung der Brückenanordnung hervor, und zwar bedingt der Laststrom ejne Änderung der am Kondensator 30 liegenden Spannung, während der zirkulierende Strom in ähnlicher Weise die Drosselspulen 47 und 48 beeinflußt. Diese selbsttätige Steuerung berücksichtigt also Größe und Richtung des Belastungsstromes ^lt>0 und die Phasenlage entsprechend dem Leistungsfaktor, der für den Umformungsvorgang in Frage kommt. Bei einem Leistungsfaktor ι wird die dritte Harmonische im wesentlichen um 90⁰ mit der Grundwelle pha- ϊ°5 senverschoben sein, so daß Änderungen der Größe der Harmonischen eine Änderung des Zeitpunktes zur Folge haben, bei welchem die aufgedrückte Gitterspannung die kritische Gitterspannung schneidet, d. h. im wesent- "⁰ liehen des Zeitpunktes, bei dem die betreffende Entladungsstrecke leitend wird. Anders ausgedrückt besagt dies, daß die Phasenlage der Gitterspannung sich entsprechend der Belastung ändert. Eine Änderung der Phasenlage der Gitterspannung hat eine Änderung der Spannungsbeziehung zwischen Gleichstromnetz und Wechselstromnetz zur ' Folge. Durch geeignete Auswahl der Konstanten der Kreise kann jede vorbestimmte Regelung erzielt werden. Wenn zwar die Phaseneinstellvorrichtung, wie sie bei den

Abb. i und 3 angewendet wurde, fortgelassen worden ist, so dürfte es dennoch klar sein, daß die Anwendung einer Phaseneinstellvorrichtung auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein kann, da man dadurch die Regelcharakteristiken der Umformungseinrichtung weitgehend beeinflussen kann.

In bezug auf die Wirkungsweise der Drossei 31 bei Energieänderungen, wie sie z.B. weiter oben an Hand der Abb. 1 für Abschaltungen im Gleichstromkreis bei Gleichrichterbetrieb erläutert war, sei noch folgendes ergänzt: Die Drosselspule 31 behält ihre

*5 grundsätzliche Wirksamkeit bei .der Kupplung eines Gleichstromnetzes mit einem Wechselstromnetz im Sinne vorliegender Erfindung, und zwar allgemein dann, wenn eines der Netze eine veränderliche Gegen-EMK aufweist. Dies trifft z. B. auf einen Wechselrichter mit rein induktiver Belastung zu, denn beim Zerlegen der Umformungsvorgänge in energetischer Hinsicht ergibt sich bei Zugrundelegung einer konstanten EMK des Gleichstromnetzes, daß in einer Viertelperiode die Gegen-EMK des Wechselstromnetzes kleiner, in der nächsten größer ist als die EMK des Gleichstromnetzes.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zum Betrieb von als Gleichrichter oder Wechselrichter arbeitenden Umformungseinrichtungen, die für jede der beiden Energierichtungen eine Gruppe von gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits zusätzliche, auf den Kommutierungsvorgang einwirkende, in Abhängigkeit von der Größe des Leistungsfaktors gesteuerte Schaltmittel in den Hauptstromkreisen vorgesehen sind, andererseits die Steuerung der Entladungsstrecken derart durchgebildet ist, daß die Größe der aufgenommenen oder abgegebenen Scheinleistung der Umformungseinrichtung in vorbestimmter Weise festgelegt ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Gleich-Stromkreise der beiden Gruppen von Entladungsstrecken Kommutierungsinduktivitäten in Parallelschaltung mit Kondensatoren eingeschaltet sind, die untereinander verkettet sind und die Kopplungsglieder des Stromrichters mit dem Gleichstromnetz bilden.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gleichrichtung und die die Wechselrichtung bewirkenden Entladungsstrecken an getrennte Phasenwicklungen einer vorzugsweise in Vieleck geschalteten Transformatorwicklung angeschlossen sind.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen