-
Anordnung zur Speisung von mit Lichtbogen arbeitenden Stromverbrauchern
Für den Anschluß von Gleichrichtern an ein mehrphasiges Wechselstromnetz ist eine
Transformatoranordnung vorgeschlagen worden, über .die der Gleichrichter mit trapezförmigen
Anodenspannungen gespeist werden kann. Diese Anordnung hat die Eigenschaft, daß
der primäre elektrische Sternpunkt des im Sättigungsgebiet arbeitenden Speisetransformators
für die dreifache Netzfrequenz frei beweglich ist und daß sich die jeder Anode des
Gleichrichters zugeführte Spannung aus n um je
versetzten Phasenspannungen des speisenden Wechselstromnetzes zusammensetzt. Die
freie Beweglichkeit des primären Sternpunktes wird dabei entweder durch einen oder
mehrere zusätzliche bzw. überzählige Schenkel des Speisetransformators oder auch
.dadurch erzielt, daß der Transformator aus mehreren Einphasentransformatoren besteht.
Der Vorteil .dieser Transformatoranordnung liegt darin, daß denn angeschlossenen
Apparat, also im vorliegenden Fall dem Gleichrichter bzw. den Gleichrichteranoden,
eine annähernd rechteckförmige Wechselspannung zugeführt wird.
-
Diese Transformatoranordnung wird nun zur Speisung von mit Lichtbogen
arbeitenden Stromverbrauchern verwendet, bei denen also der Lichtbogen der Verbraucherwiderstand
ist. Zu diesem Zweck wird bei einer Anordnung zur Speisung von mit Lichtbogen arbeitenden
Stromverbrauchern erfindungsgemäß zwischen die Verbraucher und ein mehrphasiges
Wechselstromnetz eine Speisetransformatoranordnung geschaltet, bei der der primäre
elektrische Sternpunkt der im Sättigungsgebiet arbeitenden Transformatoranordnung,
die entweder aus einem Mehrphasentransformator mit einem oder mehreren überzähligen
Schenkeln oder aus mehreren Einphasentransformatoren besteht, für die dreifache
Netzfrequenz frei beweglich ist und sich weiterhin die Verbraucherspannung aus n
um je
versetzten Phasenspannungen des mehrphasigen Wechselstromnetzes zusammensetzt. An
die Stelle des Gleichrichters und des Gleichstromverbrauchers der obererwähnten
vorgeschlagenen Anordnung tritt somit ein Lichtbogengerät; solche Geräte sind beispielsweise
Schweißgeräte, Bogenlampen, Hochdruckdampflampen (Natrium- oder Quecksilberdampflampen),
Lichtbogenöfen und ähnliche. Durch die Anwendung der für Gleichrichter vorgeschlagenen
Anordnung für diese Geräte erreicht man den Vorteil, daß der Lichtbogen
nahezu
während der ganzen Periode mit konstantem Strom arbeitet, so daß die Strom-und Energiepausen
sehr kurz sind, was wiederum bewirkt, daß keine zu hohe Zündspannungsspitze nach
dem Erlöschen des Lichtbogens zum Neuzünden erforderlich ist: Auch wird das Flimmern
der Bogenlampen und Hochdruckdampflampen weitgehend herabgesetzt.
-
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Fig. i zeigt die Speisung eines Schweißlichtbogens mit annähernd rechteckförmiger
Spannung. An das Wechselstromnetz mit den Phasen R, S. T sind die im Sättigungsgebiet
arbeitenden Transformatoren f, 11, 11I, IV, V und VI angeschlossen. Die Transformatoren
I, III und V bilden den einen, die Transformatoren 1I, IV und VI den zweiten Satz.
An Stelle dreier Einphasentransformatoren kann auch ein Dreiphasentransformator
mit einem oder mehreren überzähligen Schenkeln treten. Die Primärwicklungen 21,
22, 23, 2.1, 25 und 26 der Transformatoren sind in Zickzack geschaltet, und zwar
derart, daß die Grundwellen der Flüsse in je zwei übereinanderliegenden Transformatorensätzen
um 30° gegeneinander versetzt sind. Die Unterteilung der Wicklungen und der Anschluß
an das Drehstromnetz muß also so erfolgen, daß gegenüber einer positiven Richtung
die Flüsse in den oberen Transformatoren I, IIT und V um i5° nach der einen, die
Flüsse in den unteren Transformatoren 1I, IV und VI um 15' nach der anderen
Seite verdreht sind. Statt alle Transformatoren in Zickzack-Zickzack- zu schalten,
könnte man auch den einen Satz in Stern- und den anderen Satz mit 30° Zickzackschaltung
schalten.
-
Jeder Transformator erhält eine Sekundärwicklung 11, 12,
13, 14, 15 bzw. 16. Die Sekundärwicklungen sind in Reihe geschaltet
und speisen den Schweißlichtbogen 17. Die Wicklungen 13 und 14 sind gegenüber
den anderen Sekundärwicklungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn angeschlossen.
Da jeder Transformator zwei Teilspannungen liefert, eine positive und eine um i8o°
versetzte negative, so setzt sich also die Gesamtspannung aus sechs um je 30° gegeneinander
versetzten positiven und sechs um je 30° gegeneinander versetzten negativen Teilspannungen
zusammen.
-
In Fig. 2 sind diese Teilspannungen, die mit i bis 12 bezeichnet sind,
dargestellt. Der Transformator i liefert die Teilspannungen i und 7,. der Transformator
II liefert die Teilspannungen 2 und 8 usw. Da die von den Transformatoren III und
IV gelieferten Teilspannungen um i8o° in :der Phase verschoben sind, so schließen
sich die Spannungen 3 und :4 an die Spannungen i und 2 in der Weise an, wie es in
der Figur dargestellt ist.
-
Auf ,den Schweißlichtbogen wirkt daher @::ene Spannung ein, die nahezu
rechteckg ist. Dadurch wird erreicht, daß auch ';c,`t^ Strom nahezu rechteckförmig
wird.
-
der Anordnung nach Fng. i war angenommen worden, daß alle Transformatoren
eine gleich große Spannung liefern. Für Schweißlichtbogen, aber auch für die anderen
obengenannten Geräte, kann es vorteilhaft sein, ,die Spannungen verschieden groß
zu machen, um einen schroffen Nulldurchgang von Strom und Spannung zu erzwingen.
Wie bekannt, neigt der Lichtbogen stets dazu, den Stromdurchgang durch Null zu verzögern,
um dadurch eine erhöhte Zündspannungsspitze für die nächste Halbwelle zur Verfügung
zu erhalten. Diese erhöhte Zündspannung kann man nun durch entsprechend erhöhte
Windungszahlen derjenigen Transformatorwicklung, welche zur Zeit nach dem Nulldurchgang
der Verbraucherspannung den Spannungsbetrag liefert, erzwingen, so daß der Strom
sehr scharf durch Null hindurchgeht. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise bei
der Anordnung nach Fig. i die Windungszahl des Transformators I gegenüber,den Windungszahlen
der übrigen Transformatoren erhöhen. Wie sich die resultierende Spannung dann gestaltet,
zeigt die
Fig.3, in welcher die Spannung, welche auf den Lichtbogen einwirkt,
dargestellt ist, wenn die vom Transformator I gelieferten Spannungen größer sind
als die von den übrigen Transformatoren gelieferten Spannungen. Unter Umständen
kann es vorteilhaft sein, auch den Spannungsbetrag vor dem Nulldurchgang zu erhöhen.
-
Es ist auch möglich, unsymmetrische Spitzen, d. h. Teilspannungen,
die eine steil ansteigende und flach abfallende bzw. eine flach ansteigende und
steil abfallende Form besitzen, zu verwenden.
-
Ein Beispiel einer, solchen Zusammensetzung von unsymmetrischen Spitzen
zeigt die Fig. q.. Die Teilspannungen, welche die Transformatoren I, III und V liefern,
besitzen einen steilen Anstieg und einen flachen Abfall, die Spitzen, die die Transformatoren
1I, IV und VI liefern, einen flachen Anstieg und steilen Abfall. Außerdem ist noch
bei der Anordnung nach Fig.4 durch entsprechende Wahl der Windungszahlen dafür gesorgt,
daß
die Teilspannungen der Transformatoren I
und VI eine höhere Amplitude
besitzen. Zur Erzeugung dieser unsymmetrischen Spitzen kann man für alle sechs Transformatoren
einen gemeinsamen Eisenkern verwenden, der zweimal sechs Schenkel und ein Mitteljoch
besitzt. Auf die ersten beiden oberen Schenkel
werden die Wicklungen
des Transformators I aufgebracht, auf den ,dritten und vierten oberen Schenkel die
Wicklungen des Transformators III und auf den fünften und sechsten .die Wicklungen
des Transformators V. Auf .den ersten und- zweiten unteren Schenkel werden die Wicklungen
des Transformators 1I, auf den dritten und vierten unteren die Wicklungen des Transformators
IV und auf den fünften und sechsten unteren die Wicklungen .des Transformators VI
aufgebracht. Die Transformatoren I, III und V sind in offenem Stern, die Tranform:atoren
II, IV und VI in Zickzack geschaltet. Wählt man bei dieser Anordnung das Mitteljoch
so, daß im ungesättigten Gebiet sein magnetischer Widerstand nicht mehr gegenüber
.dem der Schenkel im ungesättigten Gebiet zu vernachlässigen ist, dann treten unsymmetrische
Spitzen in der Phasenspannung der einzelnen Transformatoren auf, und zwar sind die
Spannungen der Transformatoren I, III und V in der Form gleich, besitzen aber die
entgegengesetzte Unsymmetrie wie die untereinander formgleichen Spannungen der Transformatoren
II, IV und VI. Welche von beiden Gruppen eine steil ansteigende Spannung besitzt
und welche eine flach ansteigende, hängt von der Phasenfolge, in welcher die Transformatoren
erregt werden, ab. Wesentlich ist, daß in dem gemeinsamen Weg, in dem die um 30°
versetzten Flüsse von zwei Transformatoren auftreten, ein beiden Transformatoren
gemeinsamer Amperewindungsverbrauch auftritt, der gegenüber dem Amperewindungsverbrauch
des übrigen Teiles des magnetischen Kreises nicht mehr zu vernachlässigen ist. In
Fig. 4 wurde angenommen, .daß dieTransformatoren I, III und V ,eine steil ansteigende
Spannung besitzen.
-
Es ist nicht erforderlich, zur Erzeugung der unsymmetrischen Spitzen
allen Transformatoren einen gemeinsamen Eisenkern zu geben, sondern es .genügt,
daß zwei Transformatoren, deren Flüsse um 30° gegeneinander versetzt sind, einen
Teil des magnetischen Kreises gemeinsam haben, dessen Widerstand gegenüber dem Widerstand
der Schenkel im ungesättigten Teil nicht mehr zu vernachlässigen ist.
-
Die für die Stabilisierung des Lichtbogens erforderlichen Widerstände
oder Induktivitäten sind im Ausführungsbeispiel in Serie mit den Primärwicklungen
der Transformatoren geschaltet. Diese Drosselspulen sind im Ausführungsbeispiel
mit 18, i9 und 2o bezeichnet. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, die Widerstände
bzw. die Drosselspulen auf die Sekundärseite, also unmittelbar in Reihe mit dem
Lichtbogen zu legen. Wenn man in diesem Fall der Spannung eine Kurvenform gibt,
wie sie in Fig.3 dargestellt ist, so erhält man einen rechteckförmigen Strom. Untersucht
man nämlich, wie bei einem Lichtbogen mit einer Vordrossel die Spannung. bei annähernd
rechteckförmigem Strom verlaufen muß, so findet man, daß beim Nulldurchgang des
Stromes eine hohe Spitze in der Spannung auftritt. Sorgt man .daher dafür, -daß
wie bei der Anordnung nach Fig. 3 diese Spitze in der Spannung vorhanden ist, so
wird der Strom rechteckförmig.
-
Es ist nicht erforderlich, :besondere Vorwiderstände oder Vordrosseln
zu nehmen. Man kann auch dasselbe erreichen, wenn man den Transformator mit Streuung
zwischen Primär- und Sekundärwicklung ausbildet, wie es bei .dem Transformator III
durch Anbringung eines Mittelschenkels mit Luftspalt angedeutet ist. Die übrigen
Transformatoren werden entsprechend .ausgebildet. Sättigt man bei einer derartigen
Anordnung nur den Schenkel, auf welchem die Primärwicklung liegt, so wirkt der magnetische
Nebenschluß so, als ob eine Drossel in dem Lichtbogenkre?s läge. Sättigt man nur
den Schenkel, auf welchem die Sekundärwicklung liegt, so wirkt die Anordnung so,
als ob eine Drosselspule in Reihe mit der Primärwicklung läge.
-
An Stelle eines Schweißlichtbogens können auch, wie bereits erwähnt,
andere Geräte treten, bei denen der Licht-bogen den Verbraucherwiderstand bildet.
Insbesondere ist die Anordnung nach der Erfindung geeignet, für Bogenlampen normaler
Konstruktion und für Hochdruckbogenlampen (Quecksilberdampf- und Natriumlampen),
weil man durch den nahezu rechteckförmigen Strom, den man durch eine derartige Anordnung
erreichen kann, das Flimmern der Lampen auf ein Mindestmaß herabsetzen kann.
-
Im Ausführungsbeispiel wurden zur Erzeugung der rechteckförmigen Spannung
sechs Transformatoren verwendet und die resultierende Spannung aus sechs positiven
und sechs negativen Spitzen zusammengesetzt, die um 3o° gegeneinander verschoben
sind. Man kann aber auch eine annähernd rechteckförmige Spannung bereits bei Verwendung
von drei Transformatoren erzielen, deren Grundwellenflüsse um izo° gegeneinander
versetzt sind.
-
Es ist aber auch möglich, eine größere Anzahl von Transformatoren
als sechs zu verwenden. Die Flüsse werden dann entsprechend um einen geringeren
Betrag versetzt.