<B>Elektrische</B> Gleichrichteranlage Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Gleichrichteranlage, insbesondere für die Gleichrichtung von Hochspannung.
Es ist bekannt, dass in Gleichrichteranlagen dieser Art an den Kondensatorklemmen eine Spannungswellig keit auftritt, deren Amplitude vom Ladestrom und der Anzahl der in der Anlage vorhandenen Stufen abhängig ist. Es ist auch 'bekannt, dass die Ausgangsspannung solcher Anlagen zu fallen tendiert, wenn der Ladestrom ansteigt, wobei der Betrag des Spannungsrückganges im allgemeinen um einen Wert schwankt, der nahezu proportional ist zur dritten Potenz der in der Anlage vorhandenen Stufen.
Gleichrichteranlagen dieser Art sind entweder durch eine einphasige Wechselstromquelle oder über zwei oder mehr Leiter gespiesen, die in Gegen- oder Mehrphasen beziehung zueinander stehen. Der erstgenannte Anlage typ mit einphasiger Wechselstromanspeisung hat den Vorteil relativer Einfachheit, hat aber auch den Nachteil relativ hoher Spannungswelligkeit, sowie der relativ schlechten Regulierbarkeit mangels eines anderen Rück- fliesspfades für den Wechselstrom als über die ver schiedenen Speicherkondensatoren.
Sind die letzteren in einem geschlossenen Schaltkreis angeordnet, d. h. bei Gegen- oder Mehrphasenspeisung, so wird ein solcher Rückfliesspfad gebildet und es wurde festgestellt, dass dadurch eine wesentlich reduzierte Spannungswelligkeit auftritt, weil die Ladeströme die unteren Speicherkon densatoren der Säule nicht durchfliessen müssen, so dass eine Regulierungscharakteristik erzielbar ist, die etwa viermal besser ist als bei der einfachen Anordnung.
Das Ziel der Erfindung ist, eine Gleichrichteranlage zu schaffen, welche die grundsätzlichen Vorteile der letztgenannten Art besitzt, aber wesentlich einfacher ist. Erfindungsgemäss ist eine solche Gleichrichteranlage gekennzeichnet durch eine Anzahl zu einer Säule in Kaskade zusammengeschalteter Gleichrichtereinheiten, und mindestens einen, zu mindestens einem Teil der Säule parallel geschalteten Speicherkondensator, wobei mindestens eine bzw. zwei der Wechselstrom- bzw.
Drehstrom-Anschlussklemmen mit zugeordneten Ver-' bindungsstellen von Gleichrichtereinheiten über einen Kopplungskondensator verbunden sind, um eine ausrei chende Gleichstromisolierung zwischen den Gleichrich- tereinheiten herzustellen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Beispie len und der Zeichnung erläutert, in welcher Fig. 1 eine bekannte Gleichrichterbrückenanordnung zeigt.
Fig. 2 zeigt die Anordnung nach Fig. 1 aufgeteilt in zwei parallele Stromkreise; Fig. 3 zeigt die beiden Teilstromkreise nach Fig. 2 in einer Serieschaltung zur Verdoppelung der Spannung und Halbierung des Stromes gegenüber der ursprüngli chen Anordnung nach Fig. 1, als eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Gleichrichteranlage;
Fig. 4 zeigt eine zweite vereinfachte Form der erfindungsgemässen Anlage, in welcher zwei der Gleich richter nach Fig. 3 in einem Gleichrichter äquivalenter Leistung zusammengefasst sind, und auch zwei Spei cherkondensatoren durch einen einzigen von äquivalen tem Wert ersetzt sind.
Weiter zeigt Fig. 5 eine aus zwei Einheiten nach Fig. 3 aufgebau te Säule; Fig. 6 eine aus zwei Einheiten nach Fig. 4 aufgebau te Säule; Fig. 7 eine Anordnung, in welcher die Wechsel stromanspeisung einer Schaltung nach Fig. 5 über die Wechselstromklemmen einer Gleichrichterbrücke er folgt, deren Ausgang in Serie zum Ausgang der Anord nung nach Fig. 5 geschaltet ist.
Fig. 8 zeigt eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 5 dargestellt, die durch einen Transformator mit Mittel- Anzapfung gespeist ist; Fig. 9 eine Abänderung der Schaltung nach Fig. 5, wobei die obere Stufe der Schaltung in Gegenphase zur unteren Stufe betrieben wird, wodurch sich die Amplitu de der Spannungswelligkeit reduziert und ihre Grundfre quenz verdoppelt wird; Fig. 10 eine bekannte dreiphasige Gleichrichter schaltung;
Fig. 11 eine Aufteilung der bekannten dreiphasigen Gleichrichterschaltung nach Fig. 10 in drei gleich geschaltete Abschnitte; Fig. 12 als weitere erfindungsgemässe Anlage die drei Abschnitte der Fig. 11, wobei jedoch deren Ausgän ge in Serie geschaltet und die Eingänge von einer Dreiphasen-Wechselstromquelle angespeist sind.
Fig. 13 zeigt die einstufige Einheit nach Fig. 12 und die Anschlusspunkte für weitere gleiche Stufen in einer mehrstufigen Säule, und Fig. 14 eine gemäss Fig. 13 aufgebaute Säule.
Ferner zeigt Fig. 15 eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher ein induktiv-kapazitiver Serie-Resonanzkreis, der im wesentlichen auf die Frequenz der Anspeisung abgestimmt ist, im Wechselstromeingang liegt, und wobei die Gleichrichtersäule zwei in Serie geschaltete Speicherkondensatoren aufweist;
Fig. 16 zeigt eine andere der Fig. 15 ähnliche Ausführungsform, wobei die Kondensatorschaltung einen einzigen Kondensator aufweist, und Fig. 17 eine in Kaskade geschaltete Säule von Einheiten nach Fig. 15.
Fig. 18 eine in Kaskade geschaltete Säule von Einheiten nach Fig. 16.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Gleichrichterbrückenan- ordnung, in welcher ein Speicherkondensator C während beiden Halbwellen durch eine Wechselstromquelle auf geladen wird. Der Strom fliesst durch R2A und R,$ während der einen Halbwelle, und durch R,A und R,$ während der anderen Halbwelle. Eine solche Anordnung ermöglicht eine vorzügliche Spannungsregulierung durch Belastung und eine geringe Welligkeit; es sind wie ersichtlich vier Gleichrichter notwendig, um eine Leer laufspannung zu erzielen, die gleich der Scheitelspan nung der Wechselspannung ist.
Fig. 2 zeigt die gleiche Schaltung, wobei jedoch der Speicherkondensator in zwei Kondensatorkomponenten C, und C2 aufgeteilt ist, die je einer Schaltungshälfte zugeteilt sind und so zusammen verbunden sind, dass eine zur Fig. 1 äquivalente Schaltung entsteht. Der zusätzliche Kondensator C.#, der in Serie zur Wechsel stromanspeisung liegt, hat einen vernachlässigbaren Ein- fluss, wenn er einen grossen Kapazitätswert aufweist.
Ist er dagegen klein, so wirkt er mehr als kapazitiver Seriewiderstand.
In Fig. 3 sind die beiden Schaltungshälften nach Fig. 2 in Serie geschaltet, so dass sich eine Verdoppelung der Betriebsspannung und eine Halbierung des Ausgangs stromes gegenüber der vorangehenden Ausführung er gibt. Am Kondensator C; liegt nun die Scheitelspannung der Anspeisung und die totale Welligkeit der Spannung weist die vierfache Amplitude und die halbe Frequenz der ursprünglichen Schaltung auf. Beim Verhältnis der Spannungswelligkeit zur Ausgangsspannung ergibt sich somit nur eine Verdoppelung.
Die Schaltung nach Fig. 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Gleichrichteranlage. Ihre Ar beitsweise ist folgende: Unter der Annahme, dass der Kondensator Cs, bereits geladen ist, fliesst ein Strom über Cl, R2 A, C9, C, und R" i, um die Kondensatoren C,, C.> während jener Halbwelle, in der die linksseitige Klemme positives Potential hat, zu laden, wobei die Energie teils aus der Anspeisung und teils aus dem Kondensator Csl stammt.
Während der anderen Halbwelle fliesst ein Strom von der Anspeisung durch R,,\, R=,; und C, und ersetzt die dem Kondensator C, während der vorangegangenen Halbwelle entzogene Energie.
Es ergibt sich daraus, dass eine der Eingangsfre quenz entsprechende Welligkeitsfrequenz auftritt und C, und C= während der zweiten Halbwelle nicht geladen werden.
Nach dieser Darstellung ist es klar, dass nicht zur gleichen Zeit ein Strom durch C-_> und C, und durch R,A und Rm fliessen kann, weshalb auf die Verbindung A verzichtet werden kann, ohne die Wirkungsweise der Schaltung zu verändern. Dadurch folgt weiter, dass C2 und C, zu einem einzigen äquivalenten Kondensator C, und in gleicher Weise R,,, und R_>,; zu einem einzigen Gleichrichter Re zusammengefasst werden können.
Eine solche Anordnung geht aus Fig. 4 hervor, und ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäs- sen Gleichrichteranlage.
Eine Anzahl solcher Schaltungen (gleicher Type) kann leicht zu einer Säule zusammengebaut und in Kaskade betrieben werden, wobei die Anspeisung durch eine einzige Stromquelle erfolgt. Dadurch, dass ihre Ausgänge in Serie geschaltet sind, ergibt sich eine totale Ausgangsspannung, die im wesentlichen proportional zur Anzahl der in Kaskade geschalteten Stufen ist. Solche Säulen, die je zwei in Kaskade geschaltete Einheiten umfassen, zeigen die Fig. 5 und 6, wobei die erstere zwei Stufen aus Einheiten nach Fig. 3 und letztere zwei Stufen aus Einheiten der vereinfachten Form nach Fig. 4 aufweist.
Die beiden Anordnungen sind gleich leistungsfähig. Die Wahl zwischen beiden hängt von den zur Verfügung stehenden Kondensatoren und Gleichrichtern und eher von Überlegungen mechanischer als elektrischer Natur ab.
Bei allen beschriebenen Anordnungen ist es für die Wellenform der Anspeisung zweckmässig, die Anspei- sung der linken und rechten Schaltungsseiten symme trisch vorzusehen, was auf verschiedene Weise erfolgen kann. Am einfachsten und deshalb vorzuziehen ist, einen zusätzlichen Gleichrichter Rr einzusetzen, der in Fig. 5 strichliert gezeigt ist. Dieser Gleichrichter führt nur einen vernachlässigbaren Strom, hat jedoch eine Span nung zu sperren, die der Scheitelspannung der Wechsel- stromanspeisung entspricht.
Ein solcher Gleichrichter hat hauptsächlich die Aufgabe, zu verhindern, dass die linksseitige Anschlussklemme negativ wird, genau wie dies R"; an der rechtsseitigen Klemme bewirkt, wodurch jede Klemme im Takt positiv wird.
Eine andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, die Wechelstromanspeisung über eine komplette Gleich richterbrückenschaltuna, wie in Fig. 7 gezeigt ist, vorzu sehen, um die oben erwähnte Symmetrie zu erzielen und zusätzlich die Gleichspannung der Brückenschaltung zu liefern. Daher ist ein zusätzlicher Kondensator Cx erforderlich, um einen internen Kurzschluss zu verhü ten.
Ein Transformator mit Mittelanzapfung kann eben falls eine symmetrische Wechselstromanspeisung si chern. Eine solche Schaltung geht aus Fig. 8 hervor. Auch diese Schaltung bedingt einen zusätzlichen Kon densator C--. Diese Schaltung ist indessen weniger zweckmässig, weil nur ein Transformator mit geerdetem Mittelpunkt für diese Schaltung geeignet ist.
Es wurde erwähnt, dass die Ausgangsspannungswel- ligkeit der Grundschaltungseinheiten mit der Speisefre quenz identisch ist und dass genau symmetrische Schal tungen eine Vollweggleichrichtung vorsehen, deren Grundwelligkeitsfrequenz das Doppelte der Speisefre quenz beträgt. Daher ergibt sich, dass auch für irgendei ne Speicherkapazität der beschriebenen Schaltungen die Welligkeitsamplitude das Doppelte der Speisefrequenz der mehr komplex genauen Anordnungen ist.
In Anwen dungsfällen, wo dieses Merkmal wichtig ist, kann das in Kaskade-Schaltern der Grundeinheiten modifiziert wer den, um identische Welligkeitscharakteristiken zu erzie len. Dies kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, indem die eine Hälfte der Stufen in Gegenphase zur anderen Hälfte betrieben wird, wodurch sich die Wellenphasen der beiden Hälften überlagern , so dass eine Ausgangswellung mit doppelter Frequenz gegen über der Eingangsfrequenz und der halben Amplitude gegenüber Anordnungen gemäss den Fig. 5 und 6 erzielbar sind.
Eine solche modifizierte Einheit ist in der Zweistufenanordnung in der Fig. 9 dargestellt. Diese Anspeiseart kann selbst verständlich für die Hälften irgendeiner geraden Stufenzahl vorgesehen sein. Es ist nur wesentlich, in welcher Weise die Anspeisung ver tauscht wird. Am einfachsten ist es, wenn die untere Hälfte einer Säule in der einen Phase und die obere in Gegenphase betrieben werden.
Die vorangehende Beschreibung bezieht sich aus nahmslos auf Anordnungen, die eine positive Ausgangs spannunG an der oberen Klemme liefern. Indessen ist die Erfindung nicht auf solche Ausführungsformen be schränkt und alle Gleichrichter können auch umgekehrt gepolt sein, so dass an der oberen Klemme ein negatives Potential auftritt.
Die oben erwähnten Ausführungsformen basierten hauptsächlich auf Grundschaltungseinheiten nach den FiG. 3, die in den Figuren 5, 7, 8 und 9 in Kaskade geschaltet sind. Anordnungen mit der Grundschaltung nach Fig. 4 besitzen eine kleinere Anzahl von Kompo nenten als diejenigen nach der Fig. 3, wobei jedoch in jedem Fall das gleiche Ergebnis erzielbar ist. Die Fig. 6 benützt eine Grundschaltung nach Fig. 4 und ist bezüglich Leistung äquivalent der Schaltung nach Fig. 5.
Gleich wie Wechselstrom-Gleichrichter herkömmli cher Art durch Mehrphasenstrom gespeist werden kön nen, kann dies auch bei Gleichrichteranlagen nach der vorliegenden Erfindung erfolgen. So zeigt z. B. Fig. 10 eine bekannte Dreiphasen-Gleichrichterbrückenschal- tung und Fig. 11 zeigt diese Anordnung in gleicher Weise aufgeteilt, wie dies Fig. 2 bezüglich der Anord nung nach Fig. 1 darstellt. Auch im Falle der Fig. 11 liegen die Teilschaltungen parallel zueinander.
Werden deren Ausgänge in Serie geschaltet, so ergibt sich eine Verdreifachung der Ausgangsspannung und ungefähr eine Drittelung des Stromwertes. Bei Speisung dieser Anordnung durch eine Dreiphasen-Stromquelle sind mindestens zwei in Serie geschaltete Kondensatoren erforderlich, um die Gleichstromisolierung zu sichern. Eine entsprechende einstufige Anordnung geht aus Fig. 12 hervor, während Fig. 13 die gleiche Anordnung mit Anschlusspunkten für weitere gleiche Stufen in einer mehrstufigen Säule zeigt. Fig. 14 zeigt eine solche Säule, die aus zwei Einheiten gemäss Fig. 11 besteht.
Während die Schaltungen gemäss den Figuren 13 und 14 eine Dreiphasenspeisung vorsehen, können selbstverständlich auch andere Mehrphasenanspeisungen vorgesehen werden, so z. B. eine Sechsphasenanspei- sung.
In Fig. 15, die eine Modifikation auf Fig. 3 darstellt, besitzt der Speicherkondensatorkreis zwei Kondensato ren C, und C22, die in Serie geschaltet sind wobei die angelegte Gleichspannung verdoppelt wird.
Der Gleichrichterkreis umfasst die Gleichrichter R113, R,.@, RAR und R2A. Diese sind in Serie geschaltet und alle in derselben Richtung gepolt. Die ersten zwei Gleich richter liegen parallel zu C, und die letzten zwei parallel zu C'.
Die Wechselstromanspeisung erfolgt über einen Se rieresonanzkreis mit einer Induktivität LR und dem Kondensator CR an die Gleichrichterverbindungsstellen. Die obere Wechselstromzuleitung ist an der Verbin dungsstelle zwischen R.>,, und R._,1; und die untere an der Verbindungsstelle zwischen R, @ und R"3 angeschlos sen.
Wie bereits erwähnt, kann in einer solchen Schaltung die Gleichrichtung praktisch verlustfrei bei guter Regu- lierbarkeit erfolgen.
Fig. 16 zeigt eine Modifikation der Fig. 4 und ist eine Variante zur Schaltung nach Fig. 15. In Fig. 16 sind die zwei in Serie geschalteten Kondensatoren C, und C_ in Fig. 15 durch einen einzigen Speicherkonden sator C, ersetzt und daher auch nur drei Gleichrichter in der Einheit vorhanden.
Die Wechselstromspeisung erfolgt über einen Serieresonanzkreis an den in der Mitte liegenden Gleichrichter Re. Der Gleichrichter Re muss den Gleichrichtern R,.@ und R-_@,; äquivalent sein (Fig. 15), und gleichzeitig muss C" ein kapazitives Äquivalent zu den in Serie geschalteten Kondensatoren C, und C.2 bilden.
Fig. 17 zeigt zwei der Schaltungseinheiten nach Fig. 15 in Kaskadenschaltung zur Erzielung eines hochge spannten Gleichstromausganges. Die Speicherkondensa toren C, bis C; sind aus dem gleichen Grund alle in Serie geschaltet. Es ist ersichtlich, dass drei Seriereso- nanzkreise bestehen.
Der erste, bestehende aus LR, und CRI ist an der Verbindungsstelle der Gleichrichter gegen über C. angeschlossen, derjenige aus LR_ und CR2 ist an den Verbindungsstellen der Gleichrichter gegenüber C, und C3, und der dritte Serieresonanzkreis LR3, CR3 ist an den Verbindungsstellen der Gleichrichter gegenüber C2 und C3 angeschlossen.
Fig. 18 zeigt in ähnlicher Weise eine in Kaskade geschaltete Anordnung von zwei der Schaltungseinheiten nach Fig. 16, wobei nur ein einziger Speicherkondensa tor in jeder Stufe vorhanden ist.
Es sei festgehalten, dass obschon die Fig. 17 und 18 nur je zwei Schaltungseinheiten in einer Säule aufweisen, die erfindungsgemässe Gleichrichteranlage nicht auf diese Anzahl begrenzt ist und jede geeignete Anzahl Schaltungseinheiten entsprechend der gewünschten Aus gangsspannung vorgesehen sein können.
Während die Schaltungseinheiten nach den Fig. 15 und 16 normalerweise mit sinusförmigem Wechselstrom anzuspeisen sind, kann bei Kaskadenschaltungen nach den Fig. 17 und 18 eine bemerkenswerte Steigerung des Strombereiches erzielt werden, über welchen eine im wesentlichen einwandfreiA Regulierbarkeit erreichbar ist, wenn die Wechselstromanspeisung mit Rechteckwellen erfolgt.
Obschon die oben erwähnten Anordnungen einpha sige Wechselstromanspeisungen vorsehen, sind selbstver ständlich auch mehrphasige Anspeisungen, z. B. Drei phasenanspeisungen möglich. In diesem Falle sind die Phasen stufenweise an den Gleichrichterverbindungsstel- len längs der Säule anzuschliessen, und die Seriereso- nanzkreise sind vorzugsweise je zwischen zwei Phasen angeordnet.