DE643776C - Anordnung zur Verringerung der Sperrspannungsbeanspruchung von Entladungsstrecken inHochspannungsgleichrichtern - Google Patents

Description

Bekanntlich können zum Aufbau von Hochspannungsgleichrichtern für sehr hohe Spannungen Entladungsstrecken verwendet werden. Soweit die auftretenden Spannungsbeansprudrangen größer sind als die zulässige Sperrspannung der Entladungsstrecken, werden mehrere Entladungsstrecken, in Reihe angeordnet oder geeignete Kaskadenschaltungen angewandt. Derartige Schaltungen bedingen eine sehr große Anzahl von Entladungsstrecken, wenn es sich um Spannungen von mehreren Hundert kV handelt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Stufenanordnung, welche die Erzeugung möglichst hoher Gleichspannung mit möglichst wenig Entladungsstrecken, d.h. mit möglichst wenig Stufen, erlaubt, so daß der Aufbau solcher Gleichrichteranlagen vereinfacht und ihre Kosten verringert werden.

Es sind schon Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen die Sperrspannungsbeanspruchung von den Entladungsstrecken durch sog. Synchrontrenner, d. h. mechanische Schaltanordnungen, ferngehalten wird, solange die Entladungsstrecken keinen Strom zu führen brauchen. Auch mit diesen Anordnungen kann natürlich die Anzahl der Stufen weitgehend verringert werden. Sie besitzen gegenüber Einrichtungen mit ausschließlich ruhenden Anlageteilen jedoch den Nachteil, daß stromführende, mechanisch dauernd bewegte Teile vorhanden sind, die erstens eine entsprechende dauernde Wartung verlangen und außerdem für ihren Betrieb besondere Maßnahmen erfordern, welche für genaue Einhaltung der Schaltzeiten sorgen, damit ein ordnungsmäßiges Zusammenarbeiten mit den Entladungsstrecken überhaupt möglich ist. Derartige Einrichtungen können sich in ihren Vorteilen bezüglich der Herabsetzung der Stufenzahl infolgedessen erst dann auswirken, wenn es sich um relativ sehr hohe Spannungen bzw. um große Einheiten handelt. In vielen Fällen dagegen ist es erwünscht, eine möglichst hohe Gleichspannung zwar mit möglichst herabgesetzter Stufenzahl, jedoch anderseits unter ausschließlicher Verwendung ruhender Apparateteile, also von Entladungsstrecken und Transformatoren, aufzubauen. Gerade bei kleinen Anlagen sind auf diese Weise beispielsweise die Kosten weniger hoch als bei Verwendung eines allen Anforderungen genau so entsprechenden Synchrontrenners, und außerdem erlaubt der Fortfall jeglicher Wartung gerade für solche Anlagen die Verwendung in einem viel weiter gezogenen Anwendungsbereich, da die Einrichtung betrieblich viel einfacher ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Speisung der einzelnen Transformatoren nicht aus einer

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

Dr. Frits Hamacher in Berlin-Spandau.

Spannungsquelle mit rein sinusförrniger Spannungskurve, sondern mit einer Spannung, die sich aus einer sinusförmigen Spannung der Grundfrequenz und einer sinusförmigen Span-¹ Hung der zweiten Oberwelle der Grundwerte zusammensetzt. Beide Spannungskompoiienipii', besitzen etwa die gleiche Amplitude, und die Phasenlage der zweiten Oberwelle bezüglich der Grundwelle wird derart gewählt, daß die ίο mit Bezug auf die Anode der angeschlossenen Entladungsstrecke positiven Scheitelwerte der zweiten Harmonischen jeweils mit den positiven oder negativen Scheitelwerten der Grundwelle zusammenfallen. Für die angeschlossene Entladungsstrecke hat diese den Erfindungsgedanken verkörpernde Anordnung zur Folge, daß die Amplitude der zweiten Oberwellen sich zur positiven Amplitude der Grundwelle addiert, während der Scheitelwert der negativen Halbwelle der resultierenden Spannung an der Entladungsstrecke nur etwa gleich der Amplitude der Grundwelle ist.

Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens und seiner Anwendungsmöglichkeiten mögen die beiliegenden Zeichnungen dienen, in denen auch einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

Die Abb. 1 zeigt die grundsätzliche Zusammensetzung der beiden Spannungskomponenten. Kurve 1 stellt die Grundwelle, Kurve 2 die zweite Oberwelle dar, während Kurve 3 die resultierende, an der Entladungsstrecke liegende Anodenspannung darstellt. Die zur Erzeugung der Gleichspannung maßgebende positive Halbwelle derselben steigt bis zum Scheitelwert .V₀ an, während der Scheitelwert U₁ der negativen Halbwelle etwa gleich dem Amplitudenwert einer der beiden Teilspannungen wird. Die genaue Einhaltung der Amplitudengleichheit der Teilspannungen ist nicht erforderlich, da bei kleinen Änderungen des Amplitudenverhältnisses die Sperrspannungsbeanspruchung nur unwesentlich beeinflußt wird. Die größte, während der Sperrhalbperiode an der Entladungsstrecke Hegende Spannungsdifferenz besitzt also den Wert .V₀ -j- U₁. Das bedeutet, daß die Entladungsstrecken nur mit dem etwa 1,5 fach en Wert der Gleichspannung beansprucht weiden statt mit dem etwa doppelten Wert der Gleichspannung, wie es bei den normalen Anordnungen mit sinusförmiger Anodenspannung der Fall ist. Das bedeutet, daß durch die Anwendung des Erfindungsgedankens in Gleichrichteranlagen für hohe Spannungen mindestens von je vier Entladungsstrecken, d. h. aber auch Spannungsstufen, eine erspart werden kann.

Wie aus dem Spannungsverlauf der Abb. 1 hervorgeht, läßt sich die gemäß der Erfindung umgebildete Spannungskurve nicht wie eine sinusförmige Spannungskurve ohne weiteres zur Vollweggleichrichtung verwenden. . Vielmehr muß die überlagerte Spannung der ' doppelten Frequenz für die Gleichrichtung ■ der einen Halbwelle der betreffenden Phasenwicklung mit einer Phase zugeführt werden, welche gegenüber der Phase in der Wicklung zur Gleichrichtung der anderen Halbwelle um i8o° verschoben ist. Diese Verhältnisse sind in Abb. 2 schematisch dargestellt. Das obere Diagramm zeigt den gleichen Spannungsverlauf wie die Abb. 1. Die resultierende Spannung (Kurve 3) möge an der Entladungsstrecke 10 der Abb. 2a liegen. Die Entladungsstrecke 11 muß, um ein symmetrisches Arbeiten des Doppelweggleichrichters zu erzielen, eine Spannung erhalten, wie sie durch die Kurve 3 im unteren Diagramm der Abb. 2 dargestellt ist. Die positiven und negativen Richtungen der dargestellten Spannung sind jeweils in bezug auf die betreffende Entladungsstrecke dargestellt, woraus sich unmittelbar ergibt, daß die Spannung 1 im oberen und unteren Diagramm die gleiche ist, während die Spannung 2 des unteren Diagramms gegenüber der Spannung 2 im oberen Diagramm um 18o°, bezogen auf die Frequenz der Spannung 2, in der Phase verschoben ist.

Eine derartige zweckentsprechende Zusam- go mensetzung der beiden Spannungen läßt sich auf verschiedenartige Weise erzielen.

Abb. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer derartigen in Doppelweggleichrichterschaltung arbeitenden Spannungsstufe. Der Transformator mit Mittelanzapfung, wie er normalerweise vorgesehen ist, wird in zwei einzelne Transformatoren 4 und 5 aufgeteilt. Die Sekundärwicklungen dieser beiden Transformatoren sind in Reihe geschaltet. Die Verbindungsleitung ist mit dem einen Gleichstrompol, die freien Enden mit den Anoden der Entladungsstrecke 10 bzw. 11 verbunden. Die beiden Primärwicklungen der Transformatoren 4 und 5 liegen parallel an der Spannungsquelle für die Spannung der Grundwelle, wobei jedoch jeder Primärwicklung die Sekundärwicklung eines Transformators 2 bzw. 3 vorgeschaltet ist. Die Transformatoren 2 und 3 übertragen die Zusatzspannung n₀ doppelter Frequenz, und zwar derart, daß die in Abb. 2 dargestellte gegenseitige Phasenlage der Spannungen in den beiden Transformatoren 4 und 5 erzielt wird.

Die Ausführungsbeispiele der Abb. 4 und 5 uj dienen dem gleichen Zweck, erreichen dies aber mit einem etwas einfacheren Aufbau. In Abb. 4 sind ebenfalls getrennte Transformatoren 4 und 5 für die Speisung der Entladungsstrecken ι ο und 11 vorgesehen. Die no Zusatzspannung wird jedoch über einen einzigen Transformator 6 zugeführt, dessen

Sekundärwicklung mittelangezapft ist. . Diese Mittelanzapfung ist mit dem einen Pol der GrundwellenspanHungsquelle verbunden.

Abb. 4a gestattet eine weitere Vereinfachung, nämlich die Benutzung eines mittelangezapften Haupttransformators 4. Dies wird ermöglicht dadurch, daß die Zusatzspannung doppelter Frequenz oberspannungsseitig, d.h. auf der Sekundärseite des Haupttransformators 4, zugeführt wird. Zu diesem Zweck wird die Sekundärwicklung des Zusatztransformators 6 in Reihe mit dem Gleichstromkreis geschaltet und an die Mittelanzapfung des Grundwellentransformators 4 angeschlossen.

In dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 5 ist zwar der Grundwellentransformator in zwei Transformatoren 4 und 5 aufgeteilt. Jedoch kann ein besonderer Übertragungstransformator für die Spannung doppelter Frequenz vermieden werden, wenn die Spannungsquelle doppelter Frequenz 8 mit einer Mittelanzapfung versehen und unmittelbar den Primärwicklungen der Transformatoren 4 und 5 vorgeschaltet wird.

Die Erfindung läßt sich nicht bloß bei einfachen Einweg- oder Vollweggleichrichteranordnungen verwirklichen, sondern auch beispielsweise bei Vervielfachungsschaltungen.

Abb. 6 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Vervielfachungsschaltung nach Greinacher. Die Zusatzspannung doppelter Frequenz wird vorteilhaft über einen mittelangezapften Transformator 6 zugeführt. Der sekundärseitigen Mittelanzapfung dieses Transformators ist die Sekundärwicklung des Haupttransformators 4 angeschlossen, während die freien Enden des Zusatztransformators mit der Kathode der Entladungsstrecke 10 bzw. der Anode der Entladungsstrecke 11 verbunden sind.

Die weiteren Ausführungsbeispiele nach Abb. 7 und 8 zeigen die Anwendungsmöglichkeit des Erfindungsgedankens für mehrphasige Gleichrichteranordnungen. Die Zusatzspannung doppelter Frequenz wird dem Gleichrichter dreiphasig zugeführt. Bei dem dreiphasigen Gleichrichter der Abb. 7 ist zu diesem Zweck in Reihe mit der Primärwicklung des Haupttransformators 4 der dreiphasige Zusatztransformator 6 eingefügt. Bei dem Dreiphasen -.Graetzgleichrichter nach Abb. 8 werden die Spannungen der Grundwelle und der zweiten Oberwelle vorteilhaft oberspannungsseitig, d. h. im Sekundärkreis des Haupttransformators 4, zusammengesetzt. Zu diesem Zweck sind drei Zusatztransformatoren 6', 6" 'und &" mit je einer mittelangezapften Sekundärwicklung vorgesehen. Die Sekundärwicklung ist jeweils mit der Anode bzw. der Kathode der beiden an eine Phase der Grundspannung angeschlossenen Entladungsstrecke 10', 11' bzw. 10", 11" usf. verbunden, während die Mittelanzapfung an das betreffende Ende der Sekundärwicklung des Haupttransformators 4 angeschlossen ist. Die Wicklungen des Zusatztransformators 6 können auf einem gemeinsamen, mehrschenkligen Eisenkern angeordnet werden, wodurch der Aufbau der Anordnung unter Umständen vereinfacht wird.

Auf diese Weise ist es stets möglich, Haupt- und Zusatzspannung in der dem Erfindungsgedanken entsprechenden Weise zusammenzusetzen und damit die gewünschte Erhöhung der auf die erzeugte Gleichspannung bezogenen Sperrspannungsfestigkeit zu erzwingen.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   r. Anordnung zur Verringerung der Sperrspannungsbeanspruchung von Entladungsstrecken in Hochspannungsgleichrichtem, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzwicklungen vorgesehen sind, vermittels deren den Entladungsstrecken außer der sinusförmigen Grundspannung 8g eine sinusförmige Zusatzspannung doppelter Frequenz und etwa gleicher Amplitude zugeführt wird, wobei die gegenseitige Phasenlage der beiden Teilspannungen eine derartige ist, daß die Scheitelwerte beider Spannungen jeweils zeitlich zusammenfallen und die Zusatzspannung sich jeweils zu der in bezug auf die gespeiste Entladungsstrecke positiven Halbwelle der Grundspannung addiert, von der negativen Halbwelle der Grundspannung dagegen subtrahiert.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Einfügung der Zusatzspannung auf der Primärseite des Haupttransformators in den Wechselstromkreis des Gleichrichters.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden für Vollweggleichrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Grund-Wellenspannung über zwei getrennte, sekundärseitig in Reihe geschaltete Transformatoren zugeführt wird, deren Primärwicklungen in Reihe mit je einer die Spannung doppelter Frequenz liefernden Zusatzwicklung an die Spannungsquelle angeschlossen sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch die Einfügung der Spannung doppelter Frequenz ng über Zusatztransformatoren.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfügung der Spannung doppelter Frequenz unmittelbar durch einen mittelangezapften Spannungserzeuger bewirkt wird, dessen Wicklung zwischen die

   Primärwicklungen der Haupttransformatoren eingefügt und dessen Mittelanzapfung an die Spannungsquelle der Grundfrequenz angeschlossen ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch die Einfügung der Zusatzspannung auf der Sekundärseite des Haupttransformators.
7. J. Anordnung nach Anspruch ι und 6, gekennzeichnet durch die Einfügung der Zusatzspannung doppelter Frequenz in Reihe in den Gleichstromkreis des Gleichrichters.
8. 8. Anordnung nach Anspruch ι und 6 für Vervielfachungsschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung unmittelbar zwischen Anode und Kathode je zweier zusammenarbeitender Entladungsstrecken eingefügt und daß die Mirtelanzapfung der Zusatzwicklung an die Sekun- »₀ därwicklung des Haupttransformators angeschlossen ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen