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Verfahren zur Umformung einer gegebenen Spannung in eine Spannung
anderer, jedoch beliebig wählbarer Kurvenform unter Verwendung von Gas- oder Dampfentladungsstrecken
Es ist bekannt, daß gas- oder @ dampfgefüllte Entladungsgefäße, welche mit zündpunktgesteuerten
Entladungsstrecken arbeiten, für Umformungseinrichtungen, wie Gleichrichter, Wechselrichter
oder Umrichter, verwendet werden können. Allen diesen Umformungseinrichtungen ist
das Merkmal gemeinsam, daß die Kurvenform der Spannung auf der einen Seite der Umformungseinrichtung
aus Teilstücken der Spannungswellen gebildet wird, die an die Entladungsstrecken
der Umformungseinrichtung angeschlossen sind. Die sich dabei ergebenden Kurvenformen
weichen von der gewünschten Zielform, z. B. bei Gleichrichtern von einer möglichst
glatten Gleichspannung, bei Wechsel- und Umrichtern von einer möglichst guten Anpassung
an die Sinusform, mehr oder weniger stark ab. Es sind daher Glättungseinrichtungen
und andere Hilfsmittel notwendig, um die im praktischen Betrieb gestellten Anforderungen
zu erfüllen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Umformung einer gegebenen
Spannung in eine Spannung anderer, jedoch beliebig wählbarer Kurvenform, bei dem
ebenfalls Gas- oder Dampfentladungsstrecken verwendet werden, jedoch unter der Voraussetzung,
daß diese Entladungsstrecken durch Gittersteuerung sowohl gezündet als auch gelöscht
werden können. Gemäß der Erfindung wird die Entladung jeder einzelnen Entladungsstrecke
während der Dauer ihrer Stromführung derartig oft eingeleitet und kurze Zeit darauf
wieder gelöscht, daß unter Berücksichtigung der Zeitkonstante des Verbraucherkreises
der Wert der Ausgangsspannung zwischen zwei vorbestimmten Grenzen schwankt, und
daß der Mittelwert der Spannungsschwankungen die gewünschte Zielform ergibt. Die
Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Umformungseinrichtung unmittelbar diejenige
Zielform der Spannung erreicht wird, die gewünscht ist, und daß daher keine besonderen,
außerhalb der Umformungseinrichtung liegenden Zusatzmittel notwendig sind, um die
von der Umformungseinrichtung gelieferte Kurvenform zu glätten oder in anderer Weise
der gewünschten Zielform anzupassen. Wesentlich bei der Erfindung ist es, daß der
natürliche Anstieg und Abfall der Spannung der Entladungsstrecken nach dem Zünden
und Löschen des Lichtbogens, welcher durch die Induktivität und Kapazität des Stromkreises
bestimmt ist, in Verbindung mit dem darauf abgestimmten
Rhythmus
der Zündung und Löschung zum Aufbau der gewünschten Spannungsform verwendet wird.
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Das Erfindungsprinzip sei an Hand der-,
Fig. i näher erläutert,
in der der Arbeit abschnitt einer Anode eines Gleichrichkiä' dargestellt ist. Die
Bedingungen für dic: Steuerung der Entladungsstrecke durch Zündung und Löschung
des Lichtbogens ist folgende: Wenn die Phasenspannung auf der Eingangsseite Ep den
Wert Ui, erreicht hat, wird der Lichtbogen gelöscht. Der darauf einsetzende Abfall
der Spannung auf der Ausgangsseite ist hinsichtlich seiner Steilheit und Form bestimmt
durch die Induktivität und Kapazität des Stromkreises. Bei Erreichen der Spannung
U2 wird der Lichtbogen neu gezündet,- worauf die Spannung wieder ansteigt, und zwar
ebenfalls mit der durch die Induktiyität und Kapazität des Stromkreises bestimmten
Form und Steilheit. Dieser Vorgang wiederholt sich im Arbeitsabschnitt der betrachteten
Anode so oft, bis die Spannung Ep unter den Wert U2 gesunken ist und den Lichtbogen
an die nächste Anode abgibt. An der zweiten und dritten Anode spielen sich die gleichen
Vorgänge im Rhythmus der Frequenz der speisenden Drehspannung ab, so daß auf diese
Weise eine Gleichspannung mit dem Mittelwert Uzn und einer überlagerten Wechselspannung
mit verhältnismäßig kleiner Amplitude und einem Vielfachen der speisenden Frequenz
erzeugt wird. Die Einfügung einer verhältnismäßig kleinen Induktivität in den Stromweg
zum Verbraucherkreis erlaubt, aus dieser schwachwelligen Gleichspannung eine praktisch
geradlinige Strom- und Spannungsform im Verbraucherkreise zu gewinnen.
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Durch entsprechende Verlagerung der Lösch- bzw. Zündpunkte Ui bzw.
U2 nach unten oder oben mit Hilfe des Steuergerätes kann die Gleichspannung geregelt
werden.
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Sollten bei den Lösch- und Zündvorgängen, welche bei dem erfindungsgemäßen
Umformungsverfahren erforderlich sind, an den Entladungsstrecken oder an im Stromkreis
dieser Entladungsstrecken liegenden Schaltungselementen Überspannungen auftreten,
so lassen sich diese dadurch beherrschen bzw. für den Betrieb unschädlich machen,
daß in an sich bekannter Weise Kondensatoren parallel ;geschaltet werden. Die Kapazität
dieser Kondensatoren braucht nur verhältnismäßig klein zu sein; da die Lösch- und
Zündvorgänge mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz aufeinanderfolgen.
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Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele für die Ausbildung von
Steuergeräten angegeben und u. ä. gezeigt, daß mit Hilfe des Verfahrens nach der
Erfindung bei Wechselrichtern und Umrichtern weitgehend sinüsförmige Zielformen
erreicht werden können.
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In Fig. - ist ein Steuergerät für einen als Teichrichter arbeitenden
Stromrichter dargestellt, dessen Gleichspannung auf einem am Widerstand i einstellbaren
Wert konstant gehalten wird und der außerdem bei Kurzschluß im Gleichstromkreis
oder bei Rückzündungen gelöscht wird. Das Steuergerät arbeitet wie folgt: Die Steuerimpulse
für das Zünden und Löschen des Stromrichterlichtbogens werden von den Gleichstromquellen
2 geliefert unter Zwischenschaltung eines Glühkathodenrohres 3 für die Zündung und
eines weiteren Rohres 4 für die Löschung. Diese beiden Rohre- werden durch die von
dem Stromrichter 5 gelieferte gleichgerichtete Spannung gesteuert, und zwar erfolgt
die Zündung jedes Rohres in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dieser gleichgerichteten
Spannung und einer konstanten, am Widerstand i einstellbaren Spannung. Um das zu
erreichen, können die Gitterspannungstransformatoren der Rohre 3 und 4 mit hoher
Sättigung ausgeführt werden, oder es können in Reihe mit ihren Primärwicklungen
Ventile geschaltet werden. Übersteigt nun beispielsweise die gleichgerichtete Spannung
die in dem Stromkreis der Primärwicklung des zum Löschrohr 4 gehörigen Gittertransformators
wirksame, am Widerstand i abgegriffene Gleichspannung um einen bestimmten Betrag,
d. h. erreicht sie die Leitspannung Ui, so wird durch Flußumkehr im hochgesättigten
Transförmatöreisen bzw. bei Verwendung eines Ventils durch plötzliches Entstehen
eines Stromes in der Primärwicklung des Gitterspannungstransformators dem Gitter
des Rohres 4 ein Spannungsstoß zugeführt; durch den das Rohr gezündet wird. In gleicher
Weise wird das Zündrohr 3 gezündet, sobald die Gleichrichterspannung die untere
Spannungsgrenze U2 erreicht hat, d. h. die in der Primärwicklung des zugehörigen
Gittertransformators wirksame, ebenfalls am Widerstand abgegriffene Gleichspannung
um einen gewissen Betrag unterschritten hat: Die Löschung des Zündrohres 3 erfolgt
durch einen parallel zum Rohr liegenden Schwingungskreis 7, dessen Kondensator,
wenn das Rohr 3 erloschen ist, mit der Summe der Spannungen der beiden Batterien
2 aufgeladen wird. Wird das Rohr 3 nun gezündet, so entlädt sich der Kondensator
über dieses Rohr und kehrt seine Polarität infolge der energiespeichernden Wirkung
der mit ihm in Reihe geschalteten Drosselspule um und bringt bei der nun folgenden
Entladung das Rohr zum Erlöschen.
Das Rohr 3 erlischt also vom Zeitpunkt
der Zündung ab gerechnet nach einem durch die Dimensionen des Schwingungskreises
7 festgelegten Zeitintervall von selbst. Zur Löschung des Rohres 4 dient der Kondensator
ä, der bei brennendem Löschrohr 4, aber erloschenem Zündrohr 3 aufgeladen wird und
sich nach Zündung des Zündrohres 3 über die das Rohr 4 speisende Batterie entlädt,
so daß sein Ladestrom den durch das Rohr q. fließenden Strom zeitweilig zum Verschwinden
bringt und damit ein Erlöschen des Rohres q. bewirkt. Die Steuerimpulse werden der
jeweils arbeitsfähigen Anode 9a, 9b oder 9a durch eine Kontaktscheibe ro zugeleitet.
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Die Aufgabe der Kontaktscheibe kann auch durch eine ruhende Einrichtung,
beispielsweise von einem Hilfsgleichrichter nach Fig.2a, ausgeführt werden. Die
den Anoden g eines Ouecksilberdampfentladungsgefäßes zugeordneten Steuergitter i
1 und 15 sind über Widerstände 12 und ein mehranodiges Hilfsentladungsgefäß an die
beiden Steuerleitungen angeschlossen, welche abwechselnd positives und negatives
Steuerpotential liefern. Die Steuerleitungen sind in der Zeichnung durch Pfeile
und durch <las Vorzeichen des von ihnen zu liefernden Steuerpotentials gekennzeichnet.
Das Hilfsentladungsgefäß wird von einer geeigneten mehrphasigen Wechselspannungsquelle
über die Sekundärwicklung eines Transformators gespeist, wobei der Stromkreis über
einen Widerstand geschlossen ist, der zwischen dem Nullpunkt dieses Transformators
und der Kathode des Entladungsgefäßes liegt. Über die drei Anoden des Hilfsentladungsgefäßes
werden die Steuergitter 1i und 15 nacheinander an die positiven und negativen Steuerleitungen
angeschlossen. Die drei Anoden des Hilfsentladungsgefäßes wirken demnach genau so
wie die drei Kontaktsegmente des Kontaktapparates io in der Schaltung der Fig. z.
Bei der Schaltung der Fig. 2 a ist, wie ersichtlich, das linke Ende des Widerstandes
des im Stromkreis des Hilfsentladungsgefäßes liegenden Widerstandes, d. h. der negative
Pol dieses Widerstandes, dauernd über Widerstände an die Steuergitter i i bzw. 15
angeschlossen. Dadurch werden die Steuergitter der jeweils nicht stromführenden
Anoden an ein negatives Sperrpotential angeschlossen.
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Die für die Löschung des Lichtbogens zu bewirkende zeitliche Auftrennung
in zwei Impulse wird so erreicht, daß in die Zuleitung zum Steuergitter i ia (1
ib, i ie) ein Widerstand i2a (12b, i.2c) gelegt und zwischen Widerstand und Gitter
ein Kondensator 13a (13b, 139 mit seinem einen Pol angeschlossen, während der andere
Pol mit der Kathode 14 verbunden ist. Beim Eintreffen der negativen Ladung wird
diese dem Hilfsgitter 15a (,5b, 159 ohne Zeitverzögerung zugeführt, während der
hinter dem Widerstand I2 liegende Kondensator 13 die Spannung zunächst auf das Potential
der Kathode bringt und dann gemäß seiner Ladecharakteristik von Null aus bis zum
höchsten Wert ansteigen läßt, so daß das Steuergitter i 1 den negativen Impuls um
einen von der Kapazität des Kondensators und der Größe des Widerstandes 12 abhängige
Zeitspanne später erhält. Da es zweckmäßig ist, daß die den Gittern des Stromrichtergefäßes
5 zugeführten Löschstromimpulse einen möglichst hohen Anfangsbetrag haben und dann
auf einen geringeren Wert abklingen, ist in den Anodenstromkreis des Löschrohres
4 ein Widerstand mit einem parallel geschalteten Kondensator geschaltet. Dieser
Kondensator bildet im Augenblick des Zündens des Rohres einen Kurzschluß für den
Widerstand, während er, nachdem er geladen ist, keinen Strom mehr durchläßt.
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In Fig. 2 ist zu dem Widerstand i, an dem die Vergleichspannungen
für die Steuerung der Hilfsrohre 3 und 4 abgenommen werden, ein Stromkreis parallel
geschaltet, dessen Widerstand verändert werden kann. Der Widerstand besteht in dem
Ausführungsbeispiel aus einem steuerbaren Entladungsgefäß 16. Der Steuerstromkreis
dieses Entladungsrohres kann, wie in der Zeichnung angedeutet ist, an die Wechselstromseite
des Hauptentladungsgefäße.s 5 angeschlossen werden, ufn die Steuerung des Entladungsgefäßes
16 von dem Strom des Hauptentladungsgefäßes 5 abhängig zu machen. Bei Kurzschlüssen
oder ähnlichen Störungen des Hauptgefäßes kann dadurch mit dem Entladungsgefäß 16
ein widerstandsarmer Parallelstromkreis zu dem Widerstand geschaffen werden, durch
den die Steuer- oder Leitspannungen dieses Widerstandes und damit die von dem Hauptentladungsgefäß
5 abgegebene Spannung herabgesetzt werden.
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Als Wechselrichter arbeitende Stromrichter können nach dem beschriebenen
Verfahren so gesteuert werden, daß in den Wicklungen. des Stromrichtertransforrnators
auf der Ausgangsseite mit großer Annäherung sinusförmige Wechselspannungen erzeugt
werden. Die Leitspannungen sind in diesem Fall zwei i gegen den Nullpunkt-Pluspol
der speisenden Gleichspannung um den Betrag
gehobene bzw. gesenkte Wechselspannungen von der gewünschten Frequenz. In Fig.3
1 ist die Schaltung zur Erzeugung eines einphasigen Wechselstromes dargestellt.
Die
Primärwicklungen 25 und 26 des Ausgangstransformators werden über die Drosselspule
22, die Kathode 21, den Lichtbogen des Stromrichters 2o und die Anoden 23 und 24
aus dem Gleichstromnetz gespeist. Mit 27 sind die Steuergitter bezeichnet; mit 28
die Hilfsgitter. Die Kontaktscheibe 29, die im Rhythmus der gewünschten Frequenz
gedreht wird, schließt jeweils die richtige Anode an das Steuergerät an. An den
Widerstand 30 ist die in Fig. 3 a dargestellte Gleichspannung (Ul, U@) angelegt
und in seiner Mitte die über die Kontaktscheibe 29 zu den Anoden führende Verbindung
angeschlossen. Diesen gegenüber dem Anschlußpunkt in der Mitte des Widerstandes
30 positiven bzw. negativen Spannungen
wird eine Wechselspannung der gewünschten Form und Frequenz durch den Zwischentransformator
31 überlagert, so daß von der Kombination 30, 31 die Spannungen Ui und U2
geliefert werden, die den in Fig. 3 a dargestellten zeitlichen Verlauf haben. An
den Wicklungen 34, 3 5 liegt nunmehr die Differenz der Phasenspannung des Haupttransformators
und der Spannung Ui bzw. U2. Durch die Übertragerspule 34, 35 werden diesen
Spannungen als Vergleichsspannungen der Phasenspannung des Transformators gegenübergestellt
und mit Hilfe von Löschrohr und Zündrohr mit den gleichen Steuerungsmitteln, wie
bei Fig.2 ausführlich beschrieben, in Lösch- und Zündimpuls verwandelt, die den
Leitspannungen Ui und U2 folgend über die Kontaktscheibe 36 auf die Steuergitter
27a und 27a und die Hilfsgitter 28a und 28b zugeleitet werden. Nach dem gleichen
Verfahren kann durch drei solche je um 120 elektrische Grade versetzt arbeitende
Einrichtungen Drehstrom erzeugt werden. Zu Fig. 3 sei noch bemerkt, daß die Widerstände
37a und 37b den Widerständen 12a und 12b in Fig. 2 entsprechen. Ferner
entsprechen die Kondensatoren 38a und 38b in Fig. 3 den Kondensatoren
13' und 13b in Fig. 2.
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Das in der Fig.3 angegebene Verfahren zur Herstellung sinusförmiger
Leitspannungen ist in gleicher Weise auch für die Umrichtung anwendbar. Die Umrichtung
von Drehstrom in Drehstrom oder Wechselstrom anderer Frequenz kann durch die Verbindung
eines ungesteuerten Gleichrichters mit einem nach obigem Verfahren arbeitenden Wechselrichter
erreicht werden.
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Die in Fig:2 dargestellte Schaltung kann vereinfacht werden, wenn
man auf die von der Leitspannung U2 abhängige Zündung verzichtet und statt dessen
die Zündimpulse mit einer gewissen zeitlichen Nacheilung auf die Löschimpulse folgen
läßt, wenn man also die Zündung des Stromrichtergefäßes nicht vornimmt, sobald die
gleichgerichtete Spannung eine Leitspannung tl2 unterschritten hat, sondern wenn
man das Gefäß stets um ein bestimmtes Zeitintervall nach erfolgter Löschung wieder
von neuem zündet. Die Genauigkeit der erzielten Spannungsformen erleidet hierdurch
eine gewisse Einbuße. Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel eine derartige Schaltung.
Parallel zu dem nur noch allein vorhandenen Löschrohr liegt ein Schwingungskreis,
bestehend aus einem Kondensator und einer Drosselspule, der eine Löschung des Löschrohres
nach Verlauf einer bestimmten Zeit nach der Zündung dieses Rohres bewirkt. Die Wirkung
dieses Schwingungskreises ist die gleiche wie die des in Fig.2 zu dem Zündrohr 3
parallel geschalteten Schwingungskreises. Wenn das Löschrohr erloschen ist, liegt
die Spannung der Zündbatterie an den Gittern des Hauptstromrichtergefäßes, so daß
dieses gezündet wird. Durch die Dimensionen des Schwingungskreises wird" also die
Zeit festgelegt, die zwischen Zünden und Löschen des Löschrohres bzw. zwischen Löschen
und Zünden des Stromrichtergefäßes vergeht.
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Man kann auch noch eine andere Vereinfachung treffen, wenn man entsprechend
der Schaltung nach Fig. 5 den beim Überschreiten der Leitspannung durch die gleichgerichtete
Spannung in der Sekundärwicklung des Transformators gr induzierten Spannungsstoß
direkt zur Löschung des Stromrichtergefäßes benutzt, wobei der Transformator wiederum
hoch gesättigt sein kann oder unter Zwischenschaltung eines Ventils auf der Primärseite
arbeitet. Die Löschimpulse werden den Gittern des Stromrichtergefäßes ebenso wie
bei der Schaltung nach Fig. 2 über eine Kontaktscheibe 53 zugeführt. Die Übersetzung
des Transformators 51 ist so gewählt, daß den Gittern des Stromrichtergefäßes die
Löschimpulse mit der erforderlichen Spannung zugeführt werden.
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In Fig. 6 ist eine Schaltung angegeben, mit Hilfe deren insbesondere
bei kleineren Leistungen mit einfachen Mitteln eine praktisch verlustlos regelbare
Gleichspannung entweder aus einer Wechsel- oder aus einer höheren Gleichspannung
hergestellt werden kann. Das Rohr 6o hat eine Anode 61, an der die speisende Wechsel-
oder Gleichspannung angeschlossen ist. 62 ist die Kathode, die über die Drosselspule
63 an den positiven Pol des Verbraucherkreises angeschlossen ist. Parallel zu der
Drossel 63 liegt ein veränderlicher Schwingungskreis, der aus der verstellbaren
Spule 64 und dem Kondensator 65 besteht. Die Spüle 74 erhält ihre Spannung von der
Spule bq. und ist mit dem Steuer-
Bitter 69 verbunden. Auf diese
Weise arbeitet das Rohr 6o mit einer durch den Stromfluß in der Drosselspule 63
bewirkten und mit Hilfe des Schwingungskreises 64 und 65 verstellbaren Selbststeuerung.
Nimmt man zum Beispiel an, das Rohr 6o wird gezündet, so tritt im ersten Augenblick
an der Drosselspule 63 ein gewisser Spannungsabfall auf, wodurch dem Schwingungskreis
6q., 65 Energie zugeführt wird. Dieser Spannungsabfall an der Drosselspüle 63 verschwindet
allmählich. Der Kondensator 65 entlädt sich über die Wicklung 6q., wodurch in der
mit ihr gekoppelten Wicklung 74 ein Spannungsstoß induziert wird, der die Löschung
des Rohres bewirkt. Durch Schwingungsumkehr des Schwingungskreises wird kurze Zeit
darauf in der Wicklung 74 eine Spannung mit umgekehrten Vorzeichen induziert, die
die Zündung des Rohres bewirkt. Das Rohr 6o wird also in bestimmtem, durch dxe Dimensionen
des Schwingungskreises festgelegten Zeitintervall fortwährend gezündet und wiederum
gelöscht. Zur Aufnahme der Energieimpulse, die von dem Rohr 6o geliefert werden,
sind die Kondensatoren 70, 71
und die Drosselspulen 72 und 73 in den Verbraucherstromkreis
eingeschaltet. Es sei bemerkt, daß der Widerstand 67 in Fig. 6 den Widerständen
z2 in Fig. 2 entspricht und der Kondensator 68 in Fig. 6 den Kondensatoren 13 in
Fig. 2.
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Das Kennzeichen dieser Schaltung ist der Aufbau der Spannungsform
und Spannungshöhe aus Energiequanten, die in Drosselspulen und Kondensatoren in
einem vom Strombedarf bestimmten Rhythmus in Wechselwirkung gespeichert und an den
Verbraucherstromkreis abgegeben werden.