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Anordnung zur Stromumformung, insbesondere Gleichrichtung, mittels
gegebenenfalls gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken Die Erfindung
bezieht sich auf Anordnun, gen zur Stromumformung (Gleichrichter, Wechselrichter,
Umrichter) mittels Dampf-oder Gasentladungsstrecken, also Entladungsstrecken mit
im wesentlichen lichtbogenförmiger Entladung, und ist darauf gerichtet, den Betrieb
der Entladungsstrecken bei möglichst hohen Spannungen zu ermöglichen, und zwar bei
Sperrspannungen von einen Betrage, der oberhalb der für die Entladungsstrecken zulässigen
Sperrspannung liegt. Es handelt sich demnach darum, aus sehr hohen Wechselspannungen
sehr hohe Gleichspannungen oder umgekehrt mittels Entladungsstrecken zu erzeugen,
deren zulässige Sperrspannung (Sperrspannungsgrenze) unterhalb der Spannung liegt,
die in der Sperrzeit der betreffenden Entladungsstrecke an dieser als Gegenspannung
anliegen würde. Diese Sperrspannung hat bekanntlich einen Größtwert etwa gleich
dem doppelten Wert der Gleichspannung und ist bei Gleichrichtern negativ, d. h.
die Anode besitzt negatives Potential gegenüber der Kathode; und bei Wechselrichtern
positiv, d. h. die Anode besitzt positives Potential gegenüber der Kathode.
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Bekanntlich kann man Stromumformungen mittels Entladungsstrecken durchführen,
deren zulässige Sperrspannung unterhalb der im Betrieb auftretenden Sperrspannung
liegt. Dies gelingt dadurch, daß man Synchrontrenner vorsieht; das sind in den Hauptstromkreisen
(Anodenleitung oder Kathodenleitung) der Entladungsstrecken angeordnete synchron
betätigte Schalter, durch die die betreffende Entladungsstrecke beim Eintreten der
Sperrzeit, also im stromlosen Zustand, abgeschaltet wird und abgeschaltet bleibt,
bis die Entladungsstrecke wieder die Stromführung übernehmen muß. Infolge dieser
Abschaltung der Entladungsstrecke durch den Synchrontrenner steht sie während der
Sperrzeit nicht mehr unter der hohen, im Betrieb auftretenden Sperrspannung. Diese
Spannung verteilt sich vielmehr im umgekehrten Verhältnis der Kapazität zwischen
den Schaltkontakten des Synchrontrenners zu der Kapazität zwischen Anode und Kathode
der Entladungsstrecke. Die erste Kapazität ist im Vergleich zur zweiten sehr klein,
und sie nimmt daher praktisch die gesamte Sperrspannung auf. Gegebenenfalls kann
zur Verstärkung dieser Wirkung ein Kondensator parallel zu jeder Entladungsstrecke
geschaltet sein.
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Die Erfindung bezweckt eine weitere Erhöhung der Spannungen bei Entladungsstrecken
mit vorgegebenen Sperrspannungsgrenzen.
Erfindungsgemäß sind Mittel
zur Herabsetzung der bei Beendigung des Kommutierungsvorganges auftretenden Sprungspannung
vorgesehen.
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Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, soll
kurz der Kommutierungsvorgang bei einem dreiphasigen Gleichrichter erläutert werden.
In Abb. i der Zeichnung ist zunächst oben der Verlauf der drei Phasenspannungen
ei, e2 - und es zu erkennen; die stärk ausgezogene Linie ist die vom Gleichrichter
gelieferte Gleichspannung, und zwar unter Berücksichtigung der Kömmutierungsvorgänge.
Im mittleren Teil von Abb. i sind die Anodenströme il, i2 und i, unter der Annahme
einer großen Gleichstromdrossel gezeichnet. Im unteren Teil der Abb. i ist der Verlauf
der Sperrspannung s1 der Entladungsstrecke i dargestellt. Bekanntlich verläuft der
Kommütierungsvörgang in folgender Weise: Im Zeitpunkt t1, in dem die Anöde i gegenüber
der stromführenden Anode 3 positives Potential annimmt, beginnt der Strom il der
Anode i anzusteigen. Gleichzeitig beginnt der Strom i3 der Anode 3 abzufallen. Die
Kommutierungsdauer ist durch die Streuinduktivität des Gleichrichtertransformätörs
und die Größe des Belastungsstromes bestimmt. Im Zeitpunkt t2 ist der Kommutierungsvorgang
beendet. Von t2 bis t3 führt nunmehr Anode i allein den Strom. Im Zeitpunkt t3 nimmt
die Anode 2 gegenüber der stromführenden Anode i positives Potential an; infolgedessen
beginnt der Strom i2 der Anode 2 anzusteigen und der Strom il der Anode z abzufallen.
Der Kommutierungsvörgang ist im Zeitpunkt t4 beendet. Während des Kommutierungsvorganges,
d. h. also während der Zeit t3 bis t4, ist der Augenblickswert der Gleichspannung
gleich % (ei + e2). Mit dem Erlöschen des Stromes il ändert sich der
Augenblickswert der Gleichspannung unstetig; im gleichen Zeitpunkt tritt an der
Entladungsstrecke i die Sprungspannung sio auf. Diese Sprungspannung ist um so größer,
je länger die Kommutierungsdauer ist. Ergibt sich eine Kommutierungsdauer; wie sie
z. B. in Abb. i angenommen ist, so stellt die Sprungspannung siä bereits einen beachtlichen
Bruchteil des Höchstwertes der Sperrspannung dar. Die Entladungsstrecken müssen
also hinsichtlich ihrer Sperrspannung so gebaut sein, daß sie wenigstens die Sprungspannung
s1, ohne Beeinträchtigung aushalten können, denn der Svnchrontrenner kann erst nach
dem Zeitpunkt t4 geöffnet werden, da er nur im stromlosen Zustand geschaltet werden
soll.
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Aus der vorangegangenen Darstellung ergibt sich daher, daß der Anwendbarkeit
des Synchrontrenners durch die infolge des Kommutierungsvorganges auftretende Sprungspannung
Grenzen gesetzt sind. Die darin liegende Beschränkung läßt sich weitgehend beseitigen,
wenn man Mittel zur Herabsetzung der bei Beendigung des Komriiutierungsvorganges
auftretenden Sprungspannung vorsieht. Geht man beispielsweise von einer sechsphasigen
-Gleichrichterschaltung mit einer Kommutierungsdauer von i i ° ,4o' aus, so kann
man mittels Entladungsstrecken mit 2o kV Sperrspannung und Synchron -trennern eine
Gleichspannung von ioo kV erzeugen. Das Verhältnis von Sperrspannung zu Gleichspannung,
der Vervielfältigungsfaktor, ist demnach z : 5. Wird die Sprungspannung gemäß der
Erfindung herabgesetzt, so wird eine erhebliche Erhöhung des Vervielfachungsfaktors
erreicht. Bei .dem betrachteten Beispiel .läßt sich bei einer Kommutierungsdauer
von 6° mittels Entladungsstrekken mit 2o kV Sperrspannung und Synchrontrennern eine
Gleichspannung von Zoo kV erzeugen, so daß der Vervielfachungsfaktor i : i o beträgt.
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Die Herabsetzung der Sprungspannung kann dadurch erfolgen, daß die
Kommutierungsdauer herabgesetzt wird, oder dadurch, daB bei Annahme einer bestimmten
Komnmutierungsdauer@ der Kommutierungsvorgang vorverlegt wird, oder dadurch, daß
beide Möglichkeiten in Verbindung miteinander angewendet werden.
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Wie bereits gezeigt würde, ist die Kornmutierungsdauer durch die Streuinduktivität
des Gleichrichtertransformators und die Größe des Belastungsstromes bestimmt. Man
kann eine Herabsetzung der Sprungspannung erreichen, indem man bei gegebenen Transformatorverhältnissen
die Entladungsstrecken nur teilweise belastet und zur Aufnahme des vollen Laststromes
mehrere Stromrichter (Gleichrichter, Wechselrichter, Umrichfer) mit je einem Transformator
vorsieht. Es ist vorteilhaft, die einzelnen parallel arbeitenden Stromrichter nicht
dauernd parallel arbeiten zu lassen, sondern nur eine den jeweiligen Belastungsverhältnissen
entsprechende Zahl von Einheiten in Betrieb zu - halten. Man erreicht dadurch, daß
die Kommutierungsdauer und damit auch die Sprungspannung im großen und ganzen konstant
bleibt.
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Eine Herabsetzung der Kommutierungsdauer gelingt auch dadurch, daß
man an Stelle von ungesteuerten Entladungsstrecken oder gittergesteuerten Entladungsstrecken
üblicher Bauart gittergesteuerte Entladungsstrecken solcher Beschaffenheit verwendet,
daß das Gitter die Entladung nicht nur einleiten, sondern auch in jedem Augenblick
(selbst bei Gleichspannung als speisender
Spannung) sperren kann,
indem die Anordnung so getroffen und insbesondere das Gitter derart (vor allem bezüglich
seiner Maschenweite und Anordnung, dicht vor der Anode, im Anodendunkelraum) ausgebildet
ist, daß die Steuerung durch Änderung der Ionenschichtdicke am Gitter bzw. dessen
Maschendrähten erfolgt (französische Patentschrift 588:275). Es kann dadurch erreicht
werden, daß der Anodenstrom der abzulösenden Anoden in dem Augenblick der Spannungsgleichheit
den Wert Null annimmt. Auf diese Weise kann ebenfalls die Sprungspannung herabgesetzt
und insbesondere der gemäß der Erfindung bevorzugte Zustand erreicht werden, daß
die Kommutierungsdauer und die Sprungspannung den Wert Null besitzen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn man Zusatzspannungen in die verschiedenen
Entladungsstromkreise einfügt. Mit diesen Spannungen kann man eine Herabsetzung
der Kommutierungsdauer oder eine Vorverlegung des Kommutierungsvorganges oder beides
erzielen.
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Im einfachsten Falle kann man eine Zusatzspannung durch die Entladungsströme
selbst erzeugen, indem in die Anodenleitungen ein oder mehrere Kondensatoren transformatorisch
eingefügt werden. Dabei kann mit dem Kondensator ein veränderlicher Widerstand in
Reihe geschaltet sein, um den Wert der übertragenen Kapazität bequem einstellen
zu können. Um nicht . für jede Phase bzw. Anodenleitung einen besonderen Kondensatör
zu benötigen, kann die Ankoppelung auch so erfolgen, daß nur ein einziger Kondensator
für die mehrphasige Anordnung erforderlich ist. Für einen sechsphasigen Gleichrichter
mit den sechs einanodigen Entladungsgefäßen r bis 6 und den zugehörigen, schematisch
gezeichneten Synchrontrennern zz bis 16 und den beiden dreiphasigen Wicklungen 7
und B eines Transformators, dessen Primärwicklung nicht dargestellt ist, ergibt
sich beispielsweise die Schaltung gemäß Abb. 2, bei der durch einen mittelangezapften
Transformator g der Kondensator zo allen Entladungsstromkreisen zugeordnet ist.
An dem Kondensator liegt eine dreieckförmige Spannung dreifacher Frequenz. Diese
Spannung überlagert sich beim Kommutierungsvorgang den Wechselspannungen der beiden
Entladungsstromkreise, und zwar in dem Sinne, daß das wirksame Anodenpotential der
ablösenden Anode erhöht und das der abzulösenden Anode verringert wird.
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An Stelle einer solchen die Kommutierungsdauer verkürzenden Zusatzspannung,
die von den die verschiedenen Entladungsstrecken durchfließenden Strömen erzeugt
wird, kann man auch von einer besonderen Spannungsquelle her eine Zusatzspannung
in die verschiedenen Anodenleitungen einfügen und erhält dann ebenfalls die gewünschte
Verkürzung der Kommutierungsdauer. Man hat dadurch eine größere Freiheit bezüglich
der Gestaltung der Zusatzspannung, insbesondere hinsichtlich ihrer Kurvenform. Man
kann beispielsweise vorteilhaft Spannungen mit spitzer Wellenform oder rechteckförmigem
Verlauf verwenden. Die Auswahl der Zusatzspannung erfolgt dabei zweckmäßig so, daß
die wirksame Ausgangsspannung der ablösenden Entladungsstrecke wenigstens bei Beginn
des Kommutierungsvorganges steiler ansteigt als die sinusförmige Phasenspannung
allein. Verwendet man eine Schaltung gemäß Abb. ä, so ist außerdem erreicht, daß
die wirksame Ausgangsspannung der abzulösenden Entladungsstrecke wenigstens bei
Beginn des Kommutierungsvorganges steiler abfällt als die sinusförmige Phasenspannung
allein. In Abb. 3 ist zunächst noch einmal veranschaulicht, wie die Gleichspannung
eines sechsphasigen Gleichrichters aussieht. Man erkennt, daß die Kommutierungsdauer
mehr als 2o° beträgt. Fügt man nun in den Entladungsstromkreis mit der Phasenspannung
e;,, die Zusatzspannung z2 ein, so wird sie beim Arbeitsbeginn der zu e2 gehörigen
Entladungsstrecken additiv, beim Arbeitsende subtraktiv hinzugefügt. Der, gleiche
Sachverhalt ergibt sich bezüglich der Phasenspannung es der Zusatzspannung z3. In
Abb. 3 (unten) ist das Zusammenwirken von e2, e2 und z2, z3 gezeigt. Man erreicht
bei den dargestellten Verhältnissen eine Verkürzung der Kommutierungsdauer auf weniger
als die Hälfte und damit auch eine etwa gleiche Verringerung der Sprungspannung.
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Wie weiter oben bereits angegeben wurde, kann die Sprungspannung auch
durch Vorverlegen des Kommutierungsvorganges herabgesetzt werden. Unter Vorverlegen
des Kommutierungsvorganges ist dabei zu verstehen, daß die Kommutierung bereits
in einem Zeitpunkt beginnt, der vor dem Zeitpunkt der Gleichheit der beiden Phasenspannungen
(von ablösender und abzulösender Anode) liegt. Dieses frühzeitigere Eintreten der
Kommutierung erreicht man durch Einfügen geeigneter Zusatzspannungen. In Abb.4 ist
veranschaulicht, wie, beispielsweise unter Zugrundelegung einer Schaltung nach Abb.2,
der Beginn des Kommutierungsvorganges infolge Einfügung einer dreieckförmigen Spannung
dreifacher Frequenz um fast ro ° vorverlegt wird. Gleichzeitig wird infolge des
steileren Anstiegs der einen wirksamen Ausgangsspannung und des steileren Abfalls
der
anderen wirksamen Ausgangsspannung die Kommutierungsdauer herabgesetzt.
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Es ergibt sich somit, daß man es in der Hand hat, durch Zusatzspannungen
passend gewählter Größe, Phasenlage und Kurvenform die Kommutierungsdauer herabzusetzen,
und zwar auf einen sehr kleinen Wert, oder den Kommutierungsvorgang vorzuverlegen
oder beide Möglichkeiten in Verbindung miteinander anzuwenden.
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Als Entladungsstrecken kommen in erster Linie Entladungsgefäße mit
Quecksilberkathode rund dampf- oder gasgefüllte Entladungsgefäße- mit Glühkathode
in Betracht. Bei Verwendung einanodiger Entladungsgefäße ergibt sich der besondere
Vorteil, daß man mit einer Synchrontrenneranordnung, vorzugsweise in Scheibenform,
für alle Entladungsgefäße (einer Stromrichtung) auskommt.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Mittel zur Herabsetzung der
Sprungspannung in Abhängigkeit von der Veränderlichkeit der die Kommutierungsdauer
beeinflussenden Faktoren, beispielsweise bei Änderung des Belastungsstromes, selbsttätig
zu- ändern, so daß zwangsläufig eine vorgeschriebene Kom-"mutierungsdaüer erhalten
bleibt oder in vorgeschriebener Weise die Kommutierungsdauer geändert und den jeweiligen
Verhältnissen angepaßt wird.