DE642117C - Einrichtung zur Steuerung oder Regelung von gittergesteuerten Entladungsstrecken - Google Patents

Description

Es sind Einrichtungen zur Gittersteuerung von Gas- oder Dampfentladungsstrecken mit lichtbogenartiger Entladung bekanntgeworden, bei denen in den Gitterkreis der einzelnen S Steuergitter der Entladungsstrecken Gittertransformatoren geschaltet sind, welche mit mehreren Wicklungen ausgerüstet sind. Eine dieser Wicklungen ist in die Verbindungsleitung zwischen das Steuergitter und die Kathode der Entladungsstrecke, meist unter Zwischenschaltung einer negativen Vorspannung, geschaltet. Zwei weitere Erregerwicklungen sind an eine Wechselströmquelle angeschlossen, und zwar derart, daß die in den beiden Wicklungen fließenden Erregerströme in der Phase um einen vorbestimmten, während des ganzen Steuervorganges gleichbleibenden Winkel gegeneinander verschoben sind. Der Magnetkreis ist so hoch gesättigt, daß nur beim Nulldurchgang der resultierenden Erregung kurzzeitig eine Flußänderung auftritt, die in der im Gitterkreis liegenden Spule einen Spannungsstoß zur Folge hat. Läßt man die Amplituden des Erregerstromes einer der beiden Wechselstromerregerwicklungen über den ganzen Steuerbereich konstant und ändert die Amplitude des Erregerstromes der anderen Erregerwicklung, so verschiebt sich der Zeitpunkt, in dem die resultierende Erregung durch Null geht, in seiner Phase gegenüber der Phase der beiden Wechselstromerregungen. Die Phasenlage dieser Erregung bleibt, was für die Verwertbarkeit der Steuerungseinrichtung von Bedeutung ist, während des ganzen Steuervorganges konstant. , Nur durch Änderung der Amplitude einer Erregerkomponente wird der Spannungsstoß in der Gitterspule zeitlich verschoben.

Zur Erläuterung des Folgenden ist in der Zeichnung in Fig. 1 das Schaltungssehema einer Ausführungsform der Steuerung nach dem Hauptpatent dargestellt. Das Entladungsgefäß ι, beispielsweise ein Quecksilberdampf-' gleichrichtergefäß, ist an ein Drehstromnetz 2 angeschlossen. Jedem der Steuergitter ist ein Transformator 3 zugeordnet, welcher mit einer im Gitterkreis liegenden Spule 31 und mit zwei Wechselstromerregerwicklungen 32 und 33 ausgerüstet ist. Diese beiden Erregerwicklungen sind über einen Transformator 4 an das Drehstromnetz 2 angeschlossen, wobei in die Verbindungsleitung zweckmäßig ein Schutzrelais 5 geschaltet ist, durch das der Stromkreis der beiden Wechselstromerregerwicklungen unterbrochen oder auch kurzgeschlossen werden kann, wenn, wie beispielsweise bei Rückzündüngen oder Kurzschlüssen, die Steuerung des Entladungsgefäßes abgeschaltet werden soll. Der Erregerstrom der Wicklungen 33 ist über den ganzen Steuerbereich konstant, während der Erregerstrom der Wicklungen 32 in seiner Amplitude verändert wird. In den Stromkreis der Wicklungen 32 sind daher außer den

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

. Erwin lanetschke in Berlin-Charlottenburg.

Widerstandene Drosselspulen6 geschaltet, deren Gleichstromvormagnetisierung durch Einstellung des Regelwiderstandes 7 geändert werden kann. Die Gleichstromwicklungen der Drossel-spulen 6 können auch an andere für den Regeln Vorgang maßgebende Gleichspannungsquelleii|# beispielsweise an Tachometerdynamos oder än^;i Gleichstrommeßwiderstände, angeschlossen werden. Die Steuerungsanordnung eignet sich ganz besonders gut für alle selbsttätigen Steuerungen und Regelungen, da lediglich durch Änderung der Größe einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes, nicht dagegen durch Phasenänderung eines Wechselstromes der Zündzeitpunkt verschoben werden kann.

Für die Steuerung von Entladungsstrecken ist es nun vielfach von Bedeutung, daß mit der für die Gittersteuerung gewählten Steuerungseinrichtung ein möglichst großer Bereich der Zündpunktverschiebung einstellbar ist. Dieser Bereich hängt von den Konstanten des Stromkreises ab.

Wählt man beispielsweise für die in den Wicklungen 32 und 33 fließenden Erregerströme eine Phasenverschiebung von cc = 90 °, so ergibt sich das in Fig. 2 dargestellte Steuerdiagramm. Der Vektor J₀ entspricht dem in der Spule 33 fließenden, während der Steuerung konstant bleibenden Erregerstrom, während die veränderlichen Vektoren J_v dem Erregerstrom der Wicklung 32 entsprechen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß der maximal erreichbare Steuerwinkel ψ kleiner ist als 90 °.

Wählt man einen Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden Strömen J₀ und J_v von α == 150 °, so erhält man das Diagramm der 'Fig. 3. Der Steuerwinkel ψ ist bei dieser Anordnung wesentlich größer und erreicht Werte von etwa 150 °. Wollte man zur weiteren Vergrößerung des Winkels ψ die Phasenverschiebung zwischen den Strömen J₀ und /„ noch weiter vergrößern, so würde der Nachteil entstehen, daß bei verschiedenen Steuerwinkeln sich resultierende Erregerströme ergeben, welche in der Amplitude sehr stark voneinander abweichen. Diese Erscheinung ist unerwünscht, . da die Sperrspannung im Gitterkreis für die Höhe der niedrigsten Zündspannungsstöße bemessen werden muß; es kann daher bei bestimmten Steuerwinkeln ψ, wo höhere Zündspannungsstöße induziert werden, eine Einleitung der Entladung in unrichtigen Zeitpunkten hervorgerufen werden.

Ein weiterer Grund dafür, daß der Winkel ψ der Steuerungsanordnung beschränkt ist, liegt darin, daß bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung im Wechselstromkreis der Drosselspulen 6 Vorschaltwiderstände 8 oft vorteilhaft sind, damit auch bei kleinen Impedanzwerten der Drosselspulenwicklung noch ein genügend großer Widerstand außerhalb des Gittertransformators

vorhanden ist, d. h. damit der Höchstbetrag des veränderlichen Erregerstromes in den Wicklungen 32 der Gittertransformatoren begrenzt !•ist. Damit nun die Reaktanz der Drosseln 6 d Widerstände 8 nicht zu groß bemessen brauchen, muß dafür gesorgt werden, der veränderliche Strom J₁, in den Wicklungen 32 nicht ganz bis auf den Wert Null heruntergeregelt werden kann, woraus eine Einschränkung für den größten Wert, den ■ψ annehmen kann, und damit für den Steuerbereich folgt.

Um bei gegebener Steuerungsanordnung den Winkel ψ vergrößern zu können, ist vorgeschlagen worden, die Phasenverschiebung zwischen den Strömen J₀ und /,, von Voreilung auf Nacheilung bzw. umgekehrt umschaltbar zu machen. Die beiden Wicklungen 33 und 32 können, wenn es sich um Drehstromanlagen handelt, zu dem Zweck auf verschiedene Phasen des Drehstromnetzes umschaltbar sein. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der Winkel -ψ nicht über den ganzen durch die Phasenumschaltung an sich verdoppelten Steuerbereich kontinuierlich geändert werden kann, sondern daß beim Umschalten ein Sprung entsteht, der dadurch bedingt ist, daß der veränderliche Erregerstrom /,, nicht ganz auf Null heruntergeregelt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Winkel ψ über die in den Diagrammen der Fig. 2 und 3 angegebenen Werte hinaus zu vergrößern, ohne daß es dazu notwendig ist, daß die Wicklungen, in denen der veränderliche Erregerstrom fließt, umgeschaltet werden. Gemäß der Erfindung besteht die veränderliche Erregerkomponente des im Gitterkreis liegenden Magnetkreises aus einem unveränderlichen Anteil und einem in entgegengesetzter Richtung veränderlichen Anteil, wobei der Größtwert des veränderlichen Anteils größer ist als der unveränderliche Anteil.

Das Steuerdiagramm der Steuerungseinrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. In einer der beiden Erregerwicklungen der Gittertransformatoren fließt wiederum der über den ganzen Steuerbereich konstante Strom J_c. Der Strom in der anderen Wicklung, bei der Schaltung nach Fig. 1 in der Wicklung 32, setzt sich aus einem unveränderlichen Anteil J_cl und einem veränderlichen Anteil /;, zusammen. Der Strom /„ ist dabei zwischen einem Kleinstwert und einem Größtwert veränderlich, derart, daß der Größtwert erheblich größer ist als der unveränderliche Anteil J₀₁. Das Steuerdiagramm zeigt, daß der Winkel ψ gegenüber dem Diagramm der Fig. 2 unter der Voraussetzung eines Phasenverschiebungswinkels α = 90 ° erheblich vergrößert ist. Wichtig ist dabei, daß diese Vergrößerung erreicht wird, ohne daß die veränderliche Komponente /,, bis auf Null

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heruntergeregelt zu werden braucht. -Man kann also die in Fig. ι dargestellte Schaltung beibehalten, und mit einem Winkel α von 90 ° lassen sich bereits Steuerwinkel ψ erreichen, die wesentlich größer sind als 90°.

Der in Fig. 4 im Steuerdiagramm dargestellten Steuerung haftet noch der Nachteil an, daß der resultierende Erregerstrom des Magnetkreises bei verschiedenen Steuerwinkeln ψ

ίο verschieden groß ist. Dieser Nachteil kann gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung dadurch beseitigt werden, daß der Strom/_c nicht für alle Steuerwinkel gleichbleibt, sondern vielmehr ebenfalls verändert wird. Auch für diese Veränderung kann die für die andere Wicklung vorgeschlagene Zusammensetzung des veränderlichen Stromes aus zwei entgegengesetzt gerichteten Komponenten gewählt werden, von denen die eine konstant und die andere veränderlich ist.

In dem Diagramm der Fig. 5 ist gezeigt, daß man mit einer derartigen Steuerung einen Winkel φ von 90 ° erreichen kann, ohne daß die Amplitude des resultierenden Erregerstromes sich wesentlich ändert.

Die Steuerungsanordnung, für die das Steuerdiagramm der Fig. 5 gilt, läßt sich schaltungstechnisch noch dadurch vereinfachen, ■ daß man die unveränderlichen Anteile der beiden Erregerachsen zu einer Resultierenden zusammenschließt, so daß man insgesamt mit einer unveränderlichen und zwei veränderlichen Erregerkomponenten des Gittertransformators auskommt.

In Fig. 6 ist das Schaltungsschema für die Steuerung dargestellt. Es ist dabei angenommen, daß ein Gleichstrommotor 10 über einen steuerbaren Gleichrichter mit dem Gefäß 11 gespeist wird und daß die Zündpunkteinstellung von der Spannung einer Tachpmeterdynamo 12 abhängig ist. Die: Gittertransformatoren 13 sind außer mit der im Gitterkreis liegenden Spule mit drei Erregerwicklungen versehen, von denen die Wicklung 14' von einem konstanten Erregerstrom durchflossen wird, während die Wicklungen 15 und 16 über Drosselspulen 17 und 18 an das den Gleichrichter speisende Wechselstromnetz angeschlossen sind. Je nach der Größe der von der Tachometerdynamo gelieferten Gleichspannung werden die Drosselspulen mehr oder weniger vormagnetisiert, und es werden dadurch die in den Wicklungen 15 und 16 fließenden Wechselströme ihrer Amplitude nach geändert. Die Wechselstromwickhingen 15 und 16 müssen dabei an solche Drosseln gelegt sein, daß sich die sie durchfließenden Wechselströme bei Änderungen der Spannung der Tachometerdynamo im entgegengesetzten Sinne ändern. Die einander entgegengesetzte Wirkung der Drosseln 17 und 18 wird z. B. dadurch erzielt, daß nur die Drosseln 18 eine konstante zusätzliche Gleichstrommagnetisierung erhalten, die von der durch die Tachometerdynamo gespeisten Erregung, die in entgegengesetzter Richtung wirkt, geschwächtwird. Der Größtwert des Stromes in der Wicklung 15 entspricht dann dem Kleinstwert des Stromes in der Wicklung 16 und umgekehrt, und man erhält somit das in Fig. 5 dargestellte Steuerdiagramm.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung ist angenommen, daß die beiden veränderlichen Komponenten der Erregung des Gittertransformators 13 gleichzeitig verändert werden. Der Steuerwinkel ψ läßt sich gegenüber dieser Anordnung noch vergrößern bis auf Winkel von etwa 180 °, wenn die beiden veränderlichen Erregerkomponenten nicht gleichzeitig, sondern im wesentlichen nacheinander verändert werden.

Sollen die veränderlichen Erregerkomponenten der beiden Wicklungen 15 und 16 der Schaltung nach Fig. 6 nacheinander verändert werden, so läßt sich dies bei Drosselspulenregelung durch entsprechende Dimensionierung der Windungszahlen oder des Eisenquerschnittes oder der Blechsorte der Drosselspulen erreichen. Es liegt jeweils eine der Drosselspulen im Anfang ihres Sättigungsbereiches, wenn bei der zweiten Drosselspule bei Erhöhung des Gleichstromes schon keine Impedanzänderung mehr eintritt.

Es ergibt sich dann das in Fig. 7 dargestellte Steuerdiagramm. Es ist dabei angenommen, daß zuerst nur in einer Achse der Erregung zwischen den Punkten I und II und danach in der anderen Achse zwischen den Punkten II und III geregelt wird. Wendet man bei dieser Steuerungseinrichtung Drosselspulenregelung entsprechend den Schaltungen nach Fig. 1 und 6 an, so werden die Endpunkte des Vektors der resultierenden Erregung in der Nähe des Steuerpunktes II auf einer Kurve verlaufen, die in dem Diagramm punktiert angedeutet ist. Diese Erscheinung rührt daher, daß die Sättigung in dem zweiten Regelgebiet sich schon bemerkbar macht, wenn in dem ersten Gebiet der gesättigte Endzustand noch nicht ganz erreicht ist. Diese Wirkung ist günstig, da sie verhindert, daß die Spannungsspitzen in der Mitte des Regelbereichs zu groß werden.

Je nach den besonderen Bedingungen, nach denen der an das Entladungsgefäß angeschlossene Stromverbraucher gesteuert oder geregelt werden soll, kann bei gleichem Änderungssinn einer Gleichspannung, beispielsweise der Spannung einer Tachometerdynamo, die Impedanz der Drosselspulen in dem einen oder anderen Sinne geändert werden. Man läßt zu dem Zweck entweder die Spannung der Tachometerdynamo direkt auf den Gleichstromkreis der Drosselspulen einwirken oder schaltet in den Gleichstromkreis eine konstante Hilfsspannung,

so daß die Differenz zwischen dieser Spannung und der Spannung der Tachometerdynamo für die Gleichstrommagnetisierung der Drosselspule wirksam wird.

5 In Fig. 8 ist noch ein weiteres Schaltungsschema als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Unterschied der Schaltung im Gitterkreis besteht darin, daß die Drosselspulen 20 und 2i, welche dem Gittertransfor-ο mator 22 eines Steuergitters des Entladungsgefäßes 23 zugeordnet .sind, mit ihren veränderlichen Strom führenden Gleichstromwicklungen nicht unmittelbar mit der Tachometerdynamo 24 hintereinandergeschaltet sind, sondern daß in die Stromkreise dieser Gleichstromwicklungen Trockengleichrichter 25 und 26 geschaltet sind, durch die, je nach der Drehrichtung des Motors 27, entweder die eine oder die andere der beiden Gleichstromwicklungen der Drosselspulen 20 und 21 von Strom durchflossen wird. Es wird dadurch bei der einen Drehrichtung des Motors 27 in einer der beiden Erregerachsen des Regeldiagramms gesteuert, während bei der anderen Drehrichtung in der anderen Erregerachse gesteuert wird. Das gleiche Ziel kann auch dadurch erreicht werden, daß ein Umschalter in Abhängigkeit von der Strom- oder Spannungsrichtung der Tachometerdynamo betätigt wird, der die eine oder andere Gruppe von Drosselspulen zur Wirkung bringt. Die Anordnung von Trockengleichrichtern oder 'ähnlichen Ventilen ist jedoch zweckmäßiger. Sollen besondere .Änderungscharakteristiken mit dem Steuervorgang erzielt werden, so können in der Schaltung noch Mittel vorgesehen werden, durch die bei beispielsweise gegebener Drehzahlcharakteristik eines Motors eine von dieser Charakteristik abweichende, auf den Gitterkreis einwirkende Spannung erreicht wird. Man kann zu diesem Zweck Tachometerdynamos mit verschiedenen Charakteristiken wählen. Man kann die Tachometerdynamo außer mit Fremderregung noch mit einer Reihenschlußerregung versehen, die bei der einen Richtung feldschwächend, bei der anderen feldverstärkend wirkt. Weiter können durch Einschaltung von spannungs- oder stromabhängigen Widerständen in die Steuerkreise verschiedene Charakteristiken für. den Regel-Vorgang eingestellt werden.

Die Erfindung wurde in vorstehendem unter besonderer Berücksichtigung einer Steuerungs-• einrichtung geschildert, bei der der Gittertransformator mit mehreren Wechselstromerregungen ausgerüstet ist. Das der Erfindung zugrunde liegende Steuerungsprinzip, nämlich die Zusammensetzung der veränderlichen Erregerkomponenten eines für den Steuerungsvorgang maßgebenden Magnetkreises, kann aber auch für andere Steuerungsanordnungen verwendet werden. Es gibt außer der in den

Figuren als Ausführungsbeispiel behandelten Steuerungseinrichtung noch eine Mehrzahl von ruhenden Steuerungseinrichtungen, bei denen in den Gitterkreis Magnetkreise geschaltet sind, 65 denen eine oder mehrere veränderliche Erregerkomponenten aufgedrückt werden. So kann man beispielsweise die in Fig. 1 dargestellte Steuerungseinrichtung dahingehend abändern, daß der Gittertransformator 3 nicht zwei Wech- 7° selstromerregungen erhält, die in der Phase gegeneinander verschoben sind, sondern daß eine Wechselstromerregung und eine Gleichstromerregung vorgesehen wird und daß die letztere ihrer Größe nach veränderlich ist. Auch 75 bei dieser Anordnung läßt sich der maximal erreichbare Steuerwinkel ψ durch Anwendung des Steuerprinzips nach der Erfindung vergrößern. Weiterhin kann die Erfindung auch bei Steuerungseinrichtungen angewendet werden, 80 die mit umlaufenden Apparaten, beispielsweise mit Kontaktapparaten, arbeiten, welche im Synchronismus mit der Anodenwechselstromfrequenz betrieben werden. Schaltet man in den Primärkreis von zum Antrieb der Kontakt- 85 apparate dienenden Synchronmotoren einen Magnetkreis und verändert, ähnlich wie dies an Hand der Fig. 1 beschrieben wurde, eine oder mehrere Komponenten seiner Erregung, so kann dadurch die Synchrohlage des Motors 90 und damit der Zündzeitpunkt der zu steuernden Entladungsstrecke geändert werden. Auch bei dieser Anordnung führt die Anwendung des Steuerprinzips nach der Erfindung zu einer Vergrößerung des insgesamt erreichbaren Steuer- 95 winkeis.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Steuerung oder Regelung von gittergesteuerten Entladungsstrekken, bei denen zum Zwecke der Einstellung des Zündzeitpunktes die Wechselstromerregerkomponenten eines im Gitterkreis liegenden, die Gitterspannung liefernden Magnetkreises geändert werden und bei denen diese Komponenten aus einem konstanten und einem veränderlichen Anteil bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Anteil gegenüber dem konstanten Anteil in entgegengesetzter Richtung veränderlich ist und daß sein Größtwert größer ist als der konstante Anteil.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die resultierende Erregung des Magnetkreises aus mehreren, insbesondere zwei Komponenten zusammensetzt, von denen jede wiederum aus einem konstanten Anteil und einem in entgegengesetzter Richtung veränderlichen Anteil besteht.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konstanten Erre-

   gungsanteile mehrerer Komponenten zu einem .allen Komponenten gemeinsamen Erregungsanteil vorbestimmter Größe und Richtung zusammengefaßt sind,
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch eine Steuerung der veränderlichen Anteile der Erregungskomponenten, derart, daß die Größe der resultierenden Erregung stets konstant bleibt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung verschiedener Erregungskomponenten zeitlich nacheinander erfolgt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5 für Steuerung des Zündzeitpunktes mittels durch Gleichstrom vormagnetisierter Drosselspulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromwicklungen .der Drosselspulen in Reihe geschaltet sind und daß die Drosselspulen bei verschiedenen Werten des Erregergleichstromes gesättigt sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch

   gekennzeichnet, daß die Steuerstromkreise von zwei verschiedenen Erregungskomponenten, beispielsweise die Erregerstromkreise von mittels Gleichstromes vormagnetisierten Drosselspulen, über je ein elektrisches Ventil mit solcher Durchlaßrichtung an eine für die Steuerung maßgebende Spannungsquelle angeschlossen sind, daß bei jeder Spannungsrichtung der Spannungsquelle nur ein Erregerstromkreis Strom führt.
8. 8. Anwendung der Einrichtung nach Anspruch ι oder folgenden für die Gittersteuerung von Gas- oder Dampfentladungsstrecken, bei denen die Erregung von in den Gitterkreisen liegenden, die Gitterspannungen liefernden Magnetkreisen durch zwei in der Phase gegeneinander um einen konstant bleibenden Winkel verschobene Wechselströme erfolgt, von denen der eine kon- , stant, der andere der Größe nach veränderbar ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen