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Schaltung zur Umformung von Drehstrom in Einphasenstrom niederer Frequenz
Es sind Umrichteranlagen bekannt und praktisch erprobt, in denen Drehstrom von 5o
Hz in Einphasenstrom von 16 2/3 Hz mittels mehranodiger Gasentladungsgefäße umgeformt
wird. Die zugehörigen Drehstromtransformatoren sind sekundär in mindestens sechsphasiger
Nullpunktanordnung geschaltet und weisen eine im Verhältnis zur Nutzleistung große
Typenleistung auf. Sie werden besonders kompliziert, wenn bei einer starren Frequenzumformung
die gebildete Einphasenspannungskurve möglichst sinusförmig gestaltet werden soll
(Hüllkurvenprinzip).
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Weiter wurde vorgeschlagen, einanodige Gasentladungsgefäße in Drehstrom-Graetzschaltung
zu verwenden und auf eine streng sinusförmige Ausgangsspannungskurve zu verzichten.
Bei Abgabe einer trapezförmigen Ausgangsspannung würde der Drehstromtransformator
mit nur drei Sekundärphasen besonders einfach werden. Ein derart vereinfachter starrer
Umrichter ist jedoch zur Abgabe eines Einphasenstromes nur bei ohmscher Last oder
einem Verschiebungsfaktor cos 99 > o,8 befähigt, weil bei größerer Phasenverschiebung
der Strom im Bereich negativer Phasenspannungen nicht mehr ohne weiteres kommutiert
(Wechselrichterbetrieb). Die Stromkommutierungen von einem Gefäß auf das zeitlich
folgende werden in diesem Falle durch Frühzündung des letzteren mittels der Gittersteuerung
bewirkt. Würde man diese Gittersteuerung bei sämtlichen Gefäßen anwenden, um jede
Art von Blindstrom zu beherrschen, so würde allerdings eine wesentliche Verschlechterung
des Drehstromleistungsfaktors und eine geringere Spannungsausnutzung des Drehstromtransformators
die Folge sein. Auch würden erhebliche innere Ausgleichströme in der Umrichterschaltung
fließen, welche die Drehstromblindleistung weiter erhöhen.
Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltung zur Umformung von Drehstrom in Einphasenstrom niederer
Frequenz mittels über einen Drehstromtransformator gespeister gittergesteuerter
Entladungsröhren, von denen stets je zwei in Reihe geschaltet vom gleichen Laststrom
durchflossen werden (Graetzschaltung). Ihr Kennzeichen besteht darin, daß der Drehstromtransformator
zwei gleichartige; aber galvanisch voneinander getrennte dreiphasige Sekundärwicklungen
enthält, von welchen jede eine Gruppe von Entladungsröhren derart in einheitlicher
Richtung speist, daß die eine Sekundärwicklung nur die positiven, die andere Sekundärwicklung
nur die negativen niederfrequenten Stromhalbwellen führt.
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Die Umrichterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist von den
vorher genannten Nachteilen weitgehend frei, weil durch die Aufteilung der Sekundärwicklung
des Drehstromtransformators und durch sparsamen Gebrauch der Gittersteuerung die
gegenseitigen Überschneidungen der Gleichrichter-und der Wechselrichterspannungskurven
auf ein Mindestmaß beschränkt werden können. Die durch solche Überschneidungen verursachten
Ausgleichströme lassen sich dementsprechend weitgehend vermeiden. Außerdem bewirkt
die Aufteilung der Sekundärwicklung in beispielsweise zwei gleiche Wicklungen, daß
der Widerstand der von den wenigen verbleibenden Ausgleichströmen durchflossenen
inneren Kurzschlußkreise verdoppelt wird und vorgeschaltete Drosselspulen die Ausgleichströme
doppelt so stark drosseln wie den Nutzstrom. Ferner kann die Kurvenform der Einphasenspannung,
soweit sie von den im Gleichrichterbetrieb stehenden Entladungsröhren gebildet wird,
durch Benutzung von Anzapfungen der Transformatorsekundärwicklungen verbessert werden.
Die Spannungsausnutzung des Drehstromtransformators ist dem Optimum angenähert,
weil in der Mitte der Einphasenspannungshalbwelle, wo betriebsmäßig keine Blindstrombelastung
vorliegt, der Wechselrichterbetrieb gesperrt und der Gleichrichterbetrieb voll ausgesteuert
wird. Die hier vorgeschlagene Umrichterschaltung eignet sich besonders für Frequenzverhältnisse
(3 -;- n)13, wo n eine positive ganze Zahl bedeutet, also bei 5o Hz Drehstrom für
37,5, 30, 25, 21,4, 18,8, 16,7, 15 ... Hz Einphasenstrom (einfachste Schaltungen
in Fettdruck).
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Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele, die in den Fig. i bis
7 dargestellt sind, näher erläutert. Fig. i zeigt ein besonders einfaches Schaltungsbeispiel.
i ist das speisende Drehstromnetz, an welches der Umrichtertransformator 2 angeschlossen
ist. Der Transformator 2 besitzt zwei gleichartige Sekundärwicklungen mit den Anschlußklcmmen
u, v, w bzw. u', v', w', die im Dreieck geschaltet sind. An jeder von diesen
ist eine Dreiphasen-Graetzschaltung von gesteuerten Gleichrichterelementen, beispielsweise
gittergesteuerten Entladungsgefäßen, angeschlossen, die mit 2i, 22 bzw. 23,
31, 32, 33 bzw: 41, 42, 43 und 51, 52, 53 bezeichnet sind. Außerdem sind
die sekundärseitigen Transformatorphasenwicklungen zi-w, ii -w' je mit vorzugsweise
in der Mitte liegenden Anzapfungen versehen, die über zusätzliche Ventile 24, 34,
44 54 mit den Gleichstrompolen der Graetzschalteng verbunden sind. Der Zweck dieser
an die mittleren Anzapfungen angeschlossenen zusätzlichen Gleichrichterelemente
besteht in der Verbesserung der Kurvenform der umgerichteten Spannung. Die j Gleichrichterelemente
sind nach Gruppen in der Weise zusammengefaßt, daß z. B. die Gleichrichterelemente
21 bis 24 und 41 bis 44 einerseits, 31 bis 34 und 51 bis 54 andererseits an die
Sammelschienen 2o und 40 bzw. 30 und 5o angeschlossen sind, welche paarweise
über Drosselspulen 6 und 7 bzw. 8 und g an ein Einphasenwechselstromnetz io angeschlossen
sind.
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Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung unterscheidet sich von der Schaltung
in Fig. i im wesentlichen durch eine Variante des Transformators 2, der hier sekundär
im Stern geschaltet ist. Primär ist eine Dreieckverbindung gewählt, jedoch kann
statt deren auch eine Sternverbindung mit zusätzlichem tertiärem Dreieck Anwendung
finden. Hier sind mindestens zwei Sekundärphasen mit den Anzapfungen mu und m?"
bzw. m"' und na"; zu versehen, die aber nur an Einzelventile 34 und 24 bzw. 54 und
44 angeschlossen sind. Da hier die Ausgleichströme völlig vermeidbar sind, können
die Ausgleichsdrosseln 6 bis 9 fortfallen. Im übrigen entsprechen die Bezeichnungen
denen der Fig. x.
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Die Gleichrichterelemente werden durch eine hier nicht dargestellte
Einrichtung periodisch freigegeben und gesperrt. Die Gesetzmäßigkeit, der diese
Freigaben und Sperrungen in der Schaltung der Fig. i unterliegen, ist an Hand der
Fig. 3 bis 6 erläutert. Die Auswahl der dabei jeweils benutzten Halbwellen kann
durch an sich bekannte periodisch arbeitende Steuerorgane, z: B. nach einem vorgegebenen
Steuer-Programm, bewirkt werden.
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Von den obengenannten Frequenzverhältniszahlen sind im folgenden diejenigen
näher erläutert, für die die Kennziffern die Werte 3, 4, 5 und 6 hat (vgl. Fig.
3, 4, 5 und 6). Von diesen haben insbesondere die Erzeugung der Frequenz 25 in Fig.
3 und i62/3 in Fig. 6 eine praktische Bedeutung. In jeder Figur sind auf der linken
Bildhälfte die Sekundärspannungen der Phasen u, v, w des Transformators 2 in üblicher
Weise 1 zeitlich dargestellt, welche beispielsweise die positive Halbwelle der Einphasenspannung
bilden, während in der rechten Bildhälfte die Phasenspannungen u', v', w',
welche die negative Halbwelle bilden; dargestellt sind. Das Steuerprogramm ist so
getroffen, daß aus der i Phasenfolge der Sekundärspannungen so viel Teilwellen ausgewählt
werden, daß die im Einzelfall gewünschte Frequenz der Einphasenspannung erhalten
wird. Durch Schraffur sind die hierbei wirksamen Spannungen hervorgehoben. Die aus
dem schraffierten Teil der dargestellten Dreiphasenspannungen abzulesenden Spannungen
sind im unteren Teil jeder Figur besonders dargestellt, um hieraus die Kurvenform
des zeitlichen Verlaufs zu veranschaulichen. Aus diesen letzten Darstellungen geht
hervor, daß die Kurvenform weitgehend der Sinusform angenähert werden kann. Die
erhaltene Einphasenfrequenz ist also, wie die Figuren zeigen, einfach dadurch festgelegt,
wieviel Teilwellen der Drehstromspannungen mittels der Steuerung ausgewählt und
zusammengefaßt werden. Die Einphasenfrequenz ist dementsprechend um so kleiner,
je mehr
Halbwellen der Drehstromspannung aneinanderschließend zusammengefaßt
werden. Am Anfang und am Ende der Einphasenhalbwellen ist jeweils von der Anzapfung
einzelner Sekundärphasenwicklungen des Transformators 2 Gebrauch gemacht, indem
dort die Halbwellen der vollen Spannung gesperrt und dafür die zugehörigen Halbwellen
der Teilspannung freigegeben werden. Wie in Fig.3 durch zusätzliche horizontale
Schraffur hervorgehoben ist, würde sich ohne die erfindungsgemäßen Anzapfspannungen
eine etwa trapezförmige Kurve der Einphasenspannung ergeben müssen. Die Erfindung
ermöglicht also, eine übermäßig mit Oberwellen behaftete umgerichtete Spannung zu
vermeiden und dafür eine für praktische Verhältnisse genügend angenäherte Sinuslinie
zu erreichen. Geringe Verbesserungen können je nach Bedarf noch durch Verlagerung
der Anzapfungen an den Sekundärwicklungen von der Mittellage erreicht werden. Der
Vergleich der Figuren untereinander zeigt, daß beispielsweise für Fig. 3 und 6 Anzapfungen
an einer einzigen Phase ausreichen, um die Kurvenform in der genannten Weise der
Sinusform anzunähern. Dagegen erfordern Fig. 4 und 5 Anzapfungen an allen drei Sekundärphasen
und zusätzliche Ventile. Hieraus wird ersichtlich, daß von den aufgezählten Frequenzverhältnissen
diejenigen, deren Kennziffern durch 3 teilbar ist, sich durch eine besondere Einfachheit
der Schaltung auszeichnen.
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Die Anzapfungen der Sekundärwicklung des Transformators, die, wie
erwähnt, die schroffen Flanken der Trapezkurve abflachen, bieten noch den weiteren
Vorteil, daß der Abstand zwischen der Gleichrichter-und der Wechselrichterkurve,
den man auch den Respektsabstand nennt, erheblich vergrößert werden kann, indem
man gleichzeitig die an die volle Transformatorspannung angeschlossenen Ventile
alsWechselrichter, die an die angezapfte Spannung angeschlossenen Ventile gleicher
Stromrichtung als Gleichrichter betreibt.
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In Fig. 7 ist ein Ausschnitt des zeitlichen Verlaufs der umgerichteten
Spannung während einer Drehstromhalbwelle gezeichnet, wobei die Schaltung der Fig.
2 zugrunde gelegt ist. Im oberen Teil der Fig. 7 ist als Bezugspotential das der
Sternpunkte 0 und 0' gewählt, die an sich voneinander unabhängig sind. Die Spannungskurven
u', v' und w' sind mit den Ventilen 51, 42 und 43 im Wechselrichterbetrieb
gesteuert, wobei 42 etwa um 30° frühgezündet wird. Die Teilspannungskurven m. und
m" sind mit den Ventilen 34 und 24 im Gleichrichterbetrieb gesteuert. Die gebildeten
Flächen sind für die Wechselrichterspannung horizontal, für die Gleichrichterspannung
vertikal schraffiert. An der Stelle, wo die Wechselrichterspannung kleiner als die
Gleichrichterspannung wird, nämlich in dem schwarz angelegten Gebiet, könnte ein
Ausgleichstrom fließen, wenn die Sternpunkte verbunden wären. Da aber die Sternpunkte
erfindungsgemäß voneinander getrennt sind, verlagern sich die Spannungsflächen in
dem zur Verfügung stehenden Respektsabstand, soweit dieser es zuläßt. Im unteren
Teil der Fig.7 ist veranschaulicht, daß bei den gewählten Verhältnissen der Anzapfungshöhe
und des Zündwinkels keine Überschneidung und daher kein Ausgleichstrom entsteht.
Die Nullinie der unteren Bildhälfte ist wie bei den Fig. 3 bis 6 der eine Pol des
Einphasennetzes.