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Anordnung zur Steuerung von Stromrichtern Um bei einer guten Ausnutzung
der Transformatorwicklungen zugleich eine gute Kurvenform der erzeugten Spannung
zu erhalten, unterteilt man Stromrichter, insbesondere Wechselrichter und Umrichter,
häufig in eine Reihe von Teilstromrichtern. Man kann dadurch auch eine Verringerung
der .Belastung der einzelnen Entladungsstrecken erzielen, bzw. man muß sogar bei
sehr großen Belastungen diesen Weg wählen. Diejenige Seite des Stromrichters, die
eine oberwellenfreie Spannung, aber Oberwellenströme aufweist, wird im folgenden
Primärseite, die andere, die die vom Stromrichter erzeugte Spannung und den im allgemeinen
oberwellenarmen Strom führt, Sekundärseite genannt. Es ist bekannt, Teilstromrichter
dadurch zu steuern, daß die Gittersteuerung der einzelnen Teilstromrichter von der
Primär- und -der Sekundärseite beeinflußt werden. Die vorliegende Erfindung will
ein gutes Zusammenarbeiten der einzelnen Teilstromrichter dadurch gewährleisten,
daß die erzeugten einzelnen Gitterspannungen, die, wie allgemein üblich, auch hier
von der Priinär- wie auch von der Sekundärseite her beeinflußt werden, für alle
Teilstromrichter im wesentlichen von einer einzigen Spannung abgeleitet werden,
wodurch eine sonst nicht zu erzielende einheitliche Steuerung erreicht wird; außerdem
können dadurch alle Regelaufgaben leicht durchgeführt werden, weil die Regelung
-nur auf diese eine maßgebende Spannung einzuwirken braucht. (Es sei noch bemerkt,
daß der Erfindungsgedanke auch dann anwendbar ist, wenn nur ein Teilstromrichter
vorhanden ist; es erfolgt auch dann eine Nachbildung der sekundärseitigen Netzspannung
durch die Stromrichterausgangsspannung, allerdings nur in erster Annäherung und
sehr grob.) Die einzelnen Steuerspannungen für die Gitter der Entladungsstrecken
eines jeden Teilstromrichterswerden nun, insbesondere in Abhängigkeit von der beliebig
gestalteten sekundärseitigen Spannung, so umgeformt und umgebildet, daß die einzelnen
Gittersteuerspannungen in der vorbestimmten Art und Weise entstehen. Eine Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, daß die von der Steuerspannung an die Gittersteuerung abzugebende
Leistung gering ist.
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Steuert man mehrereTeilstromrichter durch eine gemeinsame Steuerspannung,
so genügt es im allgemeinen nicht, die den einzelnen Teilstrornrichtern zugeordneten
Impulse einfach entsprechend zu vermehren, sondern man wird die Impulse so erzeugen,
daß ein möglichst günstiges Zusammenarbeiten aller Teilstromrichter in den verschiedenen
Betriebsfällen ermöglicht wird.
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Die folgenden Beispiele sind dem Umrichtergebiet entnommen. Sie sollen
den Erfindungsgedanken näher erläutern und können
entsprechend für
den Wechselrichter bzw. für den Gleichstromtransformator abgewandelt werden. Abb.
i stellt einen Teilumrichter dar, der das 5o-Hz-Drehstromnetz i mit einem Einphasennetz
beliebiger Frequenz koppelt. Von diesem Einphasennetz ist in Abb. i nur die Primärwicklung
:2 des Einphasentransformators angedeutet. Zum Herbeiführen der Zwangskommutierung
ist noch der über die Gefäße 3 und 4 gesteuerte Kondensator 5 angeordnet. Die Steuerung
der Hauptanoden 6' bis 8' sowie 6" bis 8" geschieht über die beiden Steuertransformatoren
g und io, deren Arbeitsweise bereits Gegenstand des Patents 664 595 bildet. Das
Umschalten der beiden Wicklungshälften ii und 12 vom Transformator io über die Dampfentladungsgefäße
13 und 14 ist ebenfalls bereits in dieser Erfindung angegeben. Da der betrachtete
Teilumrichter nicht nur rein rechteckförmige Spannungen, sondern auch Rechtecke
mit dazwischenliegenden Nullstücken erzeugen soll, sind in Abb. i noch die Nullanoden
15' und 15" angeordnet, deren gemeinsame Gitterspannung vom Steuerrohr 16, ebenfalls
einem Dampfentladungsgefäß, erzeugt wird.
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Gemäß der Erfindung sollen alle vom Sekundärnetz, im Falle- der Abb.
i somit vom Einphasennetz, abhängigen Gitterspannungen von einer gemeinsamen Steuerspannung
abgeleitet werden. Diese gemeinsame Ausgangsspannung wird in Abb. i der Primärseite
des Transformators 17 zugeführt. Von diesem Transformator aus werden die beiden
Hauptanodengruppen 6' bis 8' und 6" bis 8" über die beiden Steuerrohre 13 und 14.
gesteuert, die beiden Nullanoden 15' und 15" über das Steuerrohr 16 und der Kommutierungskondensator
5 über die beiden Entladestrecken 3 und 4.. In Abb. 2 sind die einzelnen Gitterspannungen
aufgezeichnet. Kurve 18 stellt die dem Steuertransformator 17 (Abb. i) zugeführte
gemeinsame Steuerspannung dar. Diese Steuerspannung ist sinusförmig angenommen und
möge die Frequenz des Sekunclärnetzes besitzen. Sie kann entweder unmittelbar dem
Sekundärnetz entnommen sein oder gesondert erzeugt werden. Kurve i g stellt die
in den verschiedenen Sekundärwicklungen des Steuertransformators 17 induzierte Spannung
dar. Die Spannung gemäß Kurve 19 kann z. B. dadurch erreicht werden, daß
der Transformator 17 in bekannter Weise als Sättigungswandler ausgebildet ist. Kurve
2o zeigt die Gitterspannung des Steuerrohres 13, die der Kurve ig entspricht, aber
infolge der Batterievorspannung von Rohr i3 ins Negative verschoben ist. Man erkennt,
daß das Gitter von Rohr 13 in der Zeit t1 bis t= positiv ,-egenüber der Kathode
ist. Kurve 21 stellt die Steuerspannung des Rohres 14. dar. Diese Spannung ist gegenüber
Kurve ig um 1801 phasenverschoben und öffnet das Rohr 14 in der Zeit t3 bis t;4.
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Kurve 22 stellt die Gitterspannung des Rohres 16 dar, das die Nullanoden
15' und 15" steuert. Diese Kurve entsteht durch Gleichrichten der Kurve ig mittels
der beiden Trockengleichrichter 23 und 24 (-AM. i) und einer entsprechenden negativen
Gittervorspannung. Das Steuerrohx für die Nullanoden wird somit in der Zeit t4 bis
t1 und t. bis t3 freigegeben. Die Kurven 25 und 26 stellen die Steuerspannungen
der Gefäße 3 und 4, die der Kondensatorsteuerung dienen, dar. Diese Spannungen stimmen
bis auf die Batter ievorspannung mit den Kurven 2o und 21 überein. Durch die Sperrung
des Gefäßes 3 bzw. 4 in der Zeit t1 bis t. bzw. t3 bis t4 wird erreicht, daß in
der Zeit zwischen zwei Kommutierungen kein unnötiger Köndensatorstrom infolge der
Oberwelligkeit der erzeugten sekundären Teilspannung fließt.
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Durch -die soeben beschriebenen Steuerspannungen werden der Reihe
nach die Steuerrohre 13, 16 und 14 freigegeben, die bei ihrem Zünden das jeweils
vorher brennende Gefäß über die Kondensatoren 27 und 28 löschen. Ist Steuerrohr
13 eingeschaltet, so ist die linke Hälfte i i des Steuertransformators io in Betrieb.
Die Hauptanoden 6' bis 8' bzw. 6" bis 8" werden so ausgesteuert, daß z. B. die positive
Hälfte der Einphasenspannung entsteht.
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Kann man bei dem betrachteten Teilumrichter mit Sicherheit damit rechnen,
daß er unter allen Regelbedingungen Rechtecl:spännungen mit Nullzwischenstücken
liefert, so kann, wie in Abb. i angegeben ist, zweckmäßig auf einen Kommutierungskondensator
zwischen den Rohren 13 und 14 verzichtet werden, da immer das Rohr 16 das gerade
brennende Rohr 13 oder 14 löscht, nie aber eine Löschung von 13 bzw. 14 durch 14
bzw. 13 bewirkt wird.
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Wird nun Rohr 16 eingeschaltet. so fließt über Widerstand 29 und Batterie
30 ein Strom, die beiden -Nullanoden 15' und 15" werden freigegeben. Die
Kommutierung von den Hauptanoden auf diese Nullanoden wird durch den Kondensator
5, der gleichzeitig über Gefäß 3 (bzw. _.) freigegeben wird, bewirkt. Da während
der Brennzeit von Steuerrohr 16 die beiden Rohre 13 und i4 gesperrt sind, haben
sämtliche Hauptanoden durch Batterie 3o eine negative Gitterspannung. Anschließend
wird Rohr 1.4 geöffnet und damit clie Kommutierung von den Nullanoden auf die negative
Halbwelle der Einphasenspannun,- eingeleitet.
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Die Steuerrohre 13, 14. und 16 können auch Hochvalcuunirohre sein.
In diesem Falle können
die Kommutierungskondensatoren 27 und
28 wegfallen. Die den Transformatoren 9 und 10 entnommenen Steuerspannungen
für die Hauptanoden, ferner die dem Steuerrohr 16 entnommene Spannung für die Nullanode
sowie die dem Transformator 17 unmittelbar entnommene Steuerspannung für die Kommutierungsanodenwerden
zweckmäßig nicht, wie in Abb. i der Einfachheit halber dargestellt, unmittelbar
den einzelnen Gittern, sondern zunächst Vakuumröhren bzw. Dampfentladegefäßen zugeführt.
Abgesehen davon, daß dabei die Kurvenform der Gittersteuerspannungen für die Hauptanoden
verbessert wird, erhält man bei kleiner Eingangsleistung eine größere Ausgangsleistung
der Steuerung-Dies hat insbesondere den Vorteil, daß die dem Sättigungswandler zugeführte
Leistung klein sein kann, was insbesondere für Regelzwecke vorteilhaft ist. Wenn
man die dem Sättigungswandler zugeführte Spannung erhöht, so nimmt die Blockbreite
der vom Sättigungswandler gelieferten Spannung i9 ab. Damit nimmt, wie man den Steuerkurven
(Abb. 2) entnehmen kann, auch die vom Umrichter selbst gelieferte Sekundärspannung
ab.
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Abb. 3 zeigt eine andere Art, wie man eine Spannungsform gemäß Kurve
i9 (Abb. 2) erzeugen kann. Die sinusförmige Steuerspannung wird dem Transformator
3, zugeführt, der sekundär die Gitterspannungen für die beiden Vakuumröhren
32 und 33 erzeugt. An den Anoden der beiden Vakuumröhren ist Transformator 17 angeschlossen,
der mit dem Transformator 17 (Abb. 2) übereinstimmt, nun aber kein Sättigungswandler
zu sein braucht. Durch Verändern der dem Transforinator 31 zugeführten Spannung
sowie durch Verändern der Vorspannung von Batterie 34. kann man in bekannter Weise
die Blockbreite der Ausgangsspannung des Transformators 17 und damit derLTinrichterausgangsspannung
ändern.
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Eine weitere Ausbildung dieser Schaltung zeigt Abb. 4.. Die dem Transformator
31 zugeführte Spannung wird in den Trockenplattengleichrichtern gleichgerichtet
und dann zusaininen mit einer positiven Vorspannung 34. dem Gitter von Vakuumrohr
35 zugeführt. Diese dein Vakuumrohr zugeführte Spannung hat somit den in Abb. 5
mit 36 bezeichneten Verlauf. Zweckinäßigerweise verwendet man ein Rohr finit sehr
steiler Kennlinie, so daß man mit der Gittersteuerungsainplitude jeweils zwischen
Sperrung und Sättigungsgebiet hin und her pendelt und so die Spannung am Widerstand
37 bzw. am Transformator 17 den in Abb.5 mit 38 bezeichneten Verlauf hat.
Dieser stimmt nun nicht mehr mit Kurve i9, sondern mit Kurve 22 in Abb. 2 überein.
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Die Spannung 38 kann man deshalb ohne Umformung dem Steuerrohr 16
(Abb. i) zuführen. Um die für die Rohre 13 und 14. erforderliche Steuerspannung
entsprechend Kurve 2o und 21 (Abb. 2) zu erzeugen, wird sekundär der. Spannung des
Transformators 17 noch eine sinusförmige Einphasenspannungskomponente eingefügt
mittels des Transformators 39. Die resultierende Steuerspannung an den Klemmen 4.o
und 4.1 (Abb. ¢) ist in Abb. 5 ebenfalls mit ,4o und 41 bezeichnet. Diese Kurven
entsprechen in ihrer Steuerrichtung den Kurven 20 und 21 (Abb. 2). Durch Verändern
der Größe der zugeführten Spannung wie der Vorspannung von Batterie 34. kann man
wiederum in einfacher Weise die Blockbreite der Steuerspannung und damit die der
Umrichterausgangsspannung variieren.
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Die bisherigen Beispiele bezogen sich auf Ausführungen, bei denen
die sekundäre gemeinsame Steuerspannung auf einen einzigen Teilumrichter wirkt.
Im folgenden sollen Beispiele beschrieben werden, wie die gemeinsame Steuerspannung
gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung mehreren Teilumrichtern zugleich nutzbar
gemacht werden kann. Abb.6 zeigt eine Schaltung, die eine Verdoppelung der Schaltung
der Abb. 3 darstellt. Die gemeinsame Steuerspannung liegt an den beiden Transformatoren
31 und 31'. Durch verschiedene Übersetzung dieser beiden Transformatoren sowie durch
verschiedene Vorspannung der Batterien 3.4 und 3-h kann man es erreichen, daß die
zu den zwei Teilumrichtern gehörigen Ausgangsspannungen der Transformatoren 17 und
17' und damit die Ausgangsspannung der beiden Teilumrichter den in Abb. 7 gezeichneten
Verlauf haben. Kurve 4.2 stellt die Spannung des Transformators 17, Kurve,:l3 die
Spannung des Transformators 17' -und Kurve 4.4. dementsprechend die resultierende
Spannung der beiden Teilumrichter dar. Will man eine Anordnung haben, bei der die
Teilspannungen der beiden Teilumrichter gleich groß sind und die 'anfallende Leistung
ungefähr gleichmäßig auf beide Teilumrichter verteilt wird, so muß man die Schaltung
der Abb. 6 entsprechend der Abb. S ändern. Die dein Transformator 31 zugeführte
Spannung setzt sich in Abb. S aus der zugeführten sinusförmigen Steuerspannung (Kurve
4.6 in Abb. 9) und der. durch den Transformator 45' zugeführten Zusatzspannung zusammen.
Diese Zusatzspannung entspricht in ihrer Kurvenform der Spannung des Transformators
17' und kann infolgedessen rückgekoppelt dein Transfurinator 17' entnommen werden.
Dementsprechend hat die Gitterspannung des Vaktiunirohres 32' die Form der Kurve
4.7 (Abb. 9). Bei der Bildung der Gitterspannung des Vakuumrohres
32
kommt zu der dem Transformator 31 zugeführten sinusförmigen Steuerspannung (Kurve
46 in Abb. 9) noch die dem Transformator 45 entnommene, in zwei Trokkenplattengleichrichtern
gleichgerichtete Zusatzspannung hinzu, so daß die Gitterspannung des Rohres 32 den
Verlauf der Kurve 48 (Abb. 9) aufweist. Die Spannungen der Batterien 34 und 34'
sind so eingestellt, daß dieVakuumrohre 32 bzw. 32' in den PunktenP bzw. P' (Abb.
9) leitend werden. Die Spannung des Transformators 17 entspricht dann der Kurve
49, die des Transformators 17' der Kurve 5o. Diese beiden Kurven stimmen mit den
von den Teilumrichtern gelieferten Ausgangsspannungen überein, so daß Kurve
51
die vom Mehrfachumrichter gelieferte resultierende Spannung darstellt.
Die Steuerkurve 48 soll zweckmäßigerweise keine Zacken aufweisen, sondern leicht
abgerundet sein, wie das in Abb. 9 durch die gestrichelten Linien angedeutet wurde.
Diese Abschleifung der Kurve kann durch irgendeines der bekannten Mittel erfolgen.
In Abb. 8 ist z. B. ein Kondensator 52 parallel zur Zusatzspannung des Transformators
45 angedeutet. Denselben Kurvenverlauf (49, 50 und 51) könnte man erhalten,
wenn man die gemeinsame Steuerspannung mittels irgendeiner der bekannten Methoden
in zwei phasenverschobene Teile aufspalten und diese Teile zwei untereinander vollkommen
übereinstimmenden . Steuereinrichtungen entsprechend Abb.3 zuführen würde. Die an
Hand von Abb. 6 bis 9 beschriebenen Weiterbildungen der Abb. 3 lassen sich wenigstens
sinngemäß auch beim Sättigungswandler 17 der Abb. i sowie bei der Anordnung nach
Abb. 4 durchführen.
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Die soeben beschriebenen Verfahren ergeben die Möglichkeit, die treppenförmige
resultierendeAusgangsspannung der verschiedenen Teilumrichter so zu steuern, daß
diese Treppenkurven ein genaues Abbild der gemeinsamen, der Sekundärsteuerung zugeführten
Spannung werden. Dies möge an Hand der Abb. io näher beschrieben werden. Die Kurve
45 sei die der Sekundärsteuerung zugeführte gemeinsame Steuerspannung. Durch die
Vorspannung der Batterie 34 (Abb. 3) sowie durch geeignete Übersetzung des Transforinators
31 wird erreicht, daß der Teilumrichter i beim Erreichen des Spannungswertes U1
(Abb. io) von der Nullanode auf die positive Spannung kommutiert, daß er somit die
Rechteckspannung i liefert. Bei Erreichen der Spannung U. wird Teilumrichter 2 eingeschaltet
usw. Da die Neigung der Kurve 45 bei großen Werten abnimmt, ist es zweckmäßig, die
Ausgangsspannungen der zuletzt zugeschalteten Umrichtertreppen kleiner zu wählen
als bei den anfänglichen Treppen. Zweckmäßig verwendet man einen Aufbau der Teilumrichter
entsprechend Abb. 6. Sinkt die dem Umrichter zugeführte Steuerspannung 45 so weit
ab, daß der Wert U,, nicht mehr erreicht wird, so braucht der fünfte Teilumrichter
gar nicht eingeschaltet zu werden. In Abb. -io sind die von den einzelnen Umrichtern
gelieferten Spannungen in Form von Rechtecken eingezeichnet. In Wirklichkeit ist
die Annäherung der Treppen an Kurve 45 noch besser, da infolge der Kommutierung
die Spannung nicht plötzlich, sondern verlaufend ansteigt, wie das Abb. i i z. B.
für Teilumrichter i zeigt. Man erkennt, daß durch die Abschrägung zufolge der Kondensatorumladung
während der Kommutierung sich die Ausgangsspannung gegenüber dem Rechteck etwas
nacheilend verschiebt. Will man diese Nacheilung der vom Umrichter erzeugten Spannung
gegenüber der zugeführten Steuerspannung vermeiden, so muß man einerseits beim Ansteigen
der Spannung 45 den Wert der Ansprechspannung Ui (Abb. 12) kleiner wählen als die
halbe-Höhe der vom Teilumrichter i zu liefernden Spannung 53, andererseits beim
Absinken der Spannung 45 einen etwas höheren Wert, Ui', wählen, so wie das in Abb.
12 angegeben ist. Diese verschiedenen Ansprechspannungen Ui und Ui' kann man schaltungsmäßig
z. B. dadurch herstellen, daß man in Abb. 3 der zugeführten Steuerspannung eine
zusätzliche Komponente der sekundären Grundwelle aufdrückt, die der Steuerspannung
um 9o° voreilt.
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Der Erfindungsgedanke ist nicht auf diese Beispiele beschränkt. Insbesondere
kann die zugeführte Steuerspannung von der Kurvenform der sekundären Netzspannung
abweichen, so daß man den Umrichter derart steuern kann, daß die ursprünglich von
Sinusform abweichende Sekundärspannung besser dieser Kurvenform angenähert werden
kann. Auch ist es nicht notwendig, daß die von den Teilumrichtern erzeugten positiven
und negativen Spannungshalbwellen symmetrisch sind. Weichen diese Halbwellen voneinander
ab, so kann man erreichen, daß die Typenleistung der einzelnen Teilumrichter entweder
möglichst gleich wird oder daß man mit nur zwei Arten von Teilumrichtern, mit sehr
großer und sehr kleiner Typenleistung auskommt.