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Umrichter.
Der Name Umrichter hat sich neuesten für Einrichtungen eingebürgert, die unter Zuhilfenahme von gesteuerten Entladungsstrecken Ein-oder Mehrphasenstrome einer Frequenz beliebig in Ein-oder
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Ringschaltung ausgeführt ist und dass je Anzapfung dieser Wicklung und je Leiter des Sekundärsystems zwei gegensinnig parallel geschaltete Ventile vorgesehen sind.
Es ist zwar sowohl die Ringsehaltung bei Umrichtern, die mit einem mehranodigen Entladungsgefäss und Sekundärtransformator arbeiten, bekannt als auch die Verwendung von zwei gegensinnig parallel gesciialteten Entladungsgefässen je Leiter des Sekundärsystems und je Anzapfung der Ringwieklung bei einem als Gleich-und Wechselrichter arbeitenden Stromrichter, nicht aber die Anwendung letzterer Schaltung zur Vernichtung. Dabei tritt der neuartige Vorteil auf, dass bei guter Ausnutzung der Transformatorwieklung und guter Kurvenform der Spannung kleinerer Periodenzahl eine elastische Umrichtung ermöglicht wird.
Als Nachteil der Verwendung einer Ringschaltung für Gleich-oder Wechselrichter gegenüber Gleich-oder Wechselrichteranordnung mit ausgeprägtem Nullpunkt wird allgemein die Verwendung getrennter Gefässe angeführt, deren jedes eine eigene Kathode besitzt, wohingegen bei Sternschaltungen die Verwendung von mehranodigen Gefässen vom Quecksilberdampfgleichrichter-Typus möglich ist. Es war naheliegend, die gleichen Überlegungen auch auf die Beurteilung von Umrichterscha1tungen auszudehnen, und dies ist der Grund, warum bisher für Umrichterschaltungen vorzugsweise Schaltungen angegeben wurden, die einen ausgeprägten Nullpunkt besitzen-also Stern-oder daraus abgeleitete Gabelsehaltungen, etwa nach Schema Fig. 2.
Als besonderer Vorteil für diese Anordnung wurde insbesondere die Möglichkeit hingestellt, mit Gefässen, bei denen mehrere Anoden einer einzigen Kathode zugeordnet sind, auszulangen und dadurch den konstruktiven Aufbau des Umrichters sehr einfach zu halten.
Der wesentliche Unterschied zwischen Gleich-bzw. Wechselrichter-und Umrichtersehaltungen liegt nun darin, dass bei den ersteren auf der Gleichstromseite von vornherein rechteckige bzw. angenähert rechteckige strom-und Spannungsimpulse verlangt werden, wohingegen bei Umrichterbetrieb möglichst weitgehende Anpassung an sinusförmige Spannungen auf beiden Seiten des Systems verlangt werden müssen. Es kommt daher, hinausgehend über Gleich-und Wechselrichter, für Umrichtersehaltungen die Notwendigkeit hinzu, die einzelnen nacheinander wirkenden Impulse gegeneinander abzustufen.
Die bekannteste Anordnung hiezu ist in Fig. 3 dargestellt, wo die Wicklungen der einzelnen Phasen eines 6-Phasen-Systems nach einem Sinusgesetz abgestuft sind und auf diese Weise eine Sekundärspannung von angenäherter Sinusform ergeben. Durch die Unsymmetrie der einzelnen Wicklungsteile zueinander ergibt sich jedoch eine feste Bindung zwischen Primär- und Sekundärphasenlage, was als starre Kupplung bezeichnet wird.
Da nun in vielen Fällen Elastizität der Kupplung sowohl hinsichtlich der Frequenz, als auch hinsichtlich der momentanen Phasenlage gefordert wird, können derartige starre Einrichtungen nur einen sehr engen Verwendungsbereich finden, und es sind bereits verschiedene Vorschläge erfolgt, um durch zusätzliche meistens kompliziert rotierende Einrichtungen eine Elastizität in die Kupplung hineinzubringen.
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im nachstehenden näher beschriebenen Gesetzmässigkeiten der Steuerung.
Die prinzipielle Anordnung der Ventile für einen Umrichter nach der gegenständlichen Erfindung zeigt die Fig. 4, wobei die Wicklung mit den gleichmässig verteilten Anzapfungen 1-8 versehen ist. Bei Fehlen von Induktivitäten in den Zuleitungen zu den Ventilen wird, wenn nicht die Steuerung dies verhindert, immer das Ventilpaar mit maximaler Durchmesserspannung in Betrieb stehen ; bei ungerader Zahl der Anzapfungen wirkt jeweils das Ventilpaar mit maximaler Sehnenspannung. Die hier geschilderte Anordnung mit je einem Ventilpaar in der Zu-und Ableitung der geschlossenen Wicklung gibt einerseits dadurch, dass die Transformatorwieklung nicht nur von Strömen eines einzigen, sondern aller Ventile durchflossen wird, einen guten Ausnutzungsfaktor ;
ausserdem weist sie den besonderen Vorteil für höhere Spannungen auf, dass immmer zwei Ventile in Serie geschaltet sind und damit die Spannungsbeanspruchung eines einzigen Ventils auf die Hälfte herabgesetzt ist. An jeder Anzapfung liegen zwei in ihrer Wirkung gegeneinandergerichtete Ventile parallel.
Zur Erläuterung der für die Steuerung der Ventile erfindungsgemäss erforderlichen Gesetzmässigkeiten möge Fig. 5 dienen, die als vereinfachtes Modell der erfindungsgemässen Umrichtersehaltung dienen kann. Die Analogie der angezapften Ringwieklung mit einer geschlossenen Trommelwicklung, wie sie für Gleicbstrommaschinen verwendet wird, ergibt sich von selbst. Die Anzapfungen sind dann durch die entsprechenden Kollektorlamellen zu ersetzen. Ein mit der Kreisfrequenz Mi umlaufendes Drehfeld 0 ergibt dann eine im System umlaufende Wechselspannung, deren Maximalwert entsprechend V1 ebenfalls mit #1 im System umläuft.
Sieht man von der bei Wechselstromsystemen möglichen Phasenver- schiebung zwischen Strom und Spannung ab, so kann eine noch grösserer Anschaulichkeit dienende weitere Vereinfachung des Modells nach Fig. 5, wie folgt, vorgenommen werden.
Die ringförmig geschlossene, stark gezeichnete Linie L bedeutet dann einen homogenen Wider-
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Es herrscht dann immer an jenen Punkten des Widerstandsringes, wo die Bürsten Ba und B# gerade aufliegen, die maximale Potentialdifferenz. Bewegen sich die Bürsten mit der Kreisfrequerenz 001 im Sinne
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Die Achse dieser Sekundärspannung, gegeben durch die Bürstenrichtung B,.-B, möge weiterhin mit V2 bezeichnet werden.
Die Verbindung des vorangeführten Modells mit der erfindungsgemässen Umnrichterschaltung ist durch folgende Überlegungen gegeben :
1. Die Achse der Maximalspannung Vi entspricht dem Maximalwert der von dem Primiirnctz aufgedruckten, in einer Ringwieklung mit der Kreisfrequenz des Primärnetzes umlaufenden Maximal spannung.
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in Fig. 4 mit l'und s bezeichnet.
3. Die Achse V2 gibt einerseits durch ihren Schnittpunkt mit der Ringwieklung die freizugebenden Anzapfungen an und anderseits durch ihren Pfeilsinn die durch Öffnung der Ventilgruppen anzusehliessenden Selundärphasen.
Aus diesem Grunde soll weiterhin die Kreisfrequenz #s als ,,Umlauffrequenz der Steuerung" bezeichnet werden.
Bei der praktischen Ausführung mit gesteuerten Ventilen ist natürlich aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen eine derart weitgehende Anzahl von Anzapfungen, wie es dem vergleichsweise herangezogenen Widerstandsring entspricht, nicht möglich, sondern man wird sich mit einer möglichst beschränkten Anzahl von Anzapfungen bzw. Ventilen begnügen. Selbstverständlich wird dadurch die resultierende Spannungskurve der Sekundärseite ihren glatten Verlauf mehr oder weniger einbüssen.
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frequenz der Primärspannung beträgt, erhält man unter Wahrung der natürlichen Kommutierung einen Spannungsverlauf nach Fig. 7 mit einer Sekundärfrequenz, die ein Drittel der Primärfrequenz ist.
Hier ist die Spannungskurve unter Annahme einer Ringwicklung mit sechs Anzapfungen konstruiert. Die
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in Fig. 7 angegebene Kurvenform weicht nun von der für die meisten Zwecke gewünscirten möglichst sinusförmigen Spannungsform zu weit ab, um in dieser Anordnung die Schaltung bereits für den praktischen Betrieb geeignet zu machen. Ohne von dem Prinzip der natürlichen Kommutierung abzugehen, lässt sich nun unter Beibehaltung des Grundprinzips nach Schaltung 4 eine weitgehende Anpassung an die Sinusform dadurch erzielen, dass z. B. bei einer Schaltung nach Fig. 4, ausgehend von einem bestimmten Anzapfungspunkt, z.
B. ?, nicht sofort die elektrisch diametral gegenüberliegende Anzapfung 5, sondern erst die ganz unmittelbar benachbarte Anzapfung 2, dann Anzapfung. 3 usw. bis zum Erreichen der Durchmesserspannung freigegeben wird, worauf immer im Sinn der natürlichen Kommutierung fortschreitend die verschiedenen Durchmesser bzw. auch Maximalsehnen bis 6 durchlaufen werden. Dann erfolgt das weitere Zuschalten der Ventile entsprechend den immer kurzer werdenden Sehnen, so dass eine Abstufung der Spannung genau so wie beim Aufbau der Halbwelle erfolgt. Die auf diese Weise gewonnene Halbwellenform zeigt Fig. 8.
Auch zur Veranschaulichung dieser Steuerung kann die Fig. 5 zweckmässig herangezogen werden ; man muss sich hiezu den Pfeil V2 halbiert denken, derart, dass das Stück or das die Freigabe der Ventilgruppen für die Phase l'bestimmt, bzw. das zweite Stück os während einer einzigen Sekundärperiode gegeneinander zuerst vor und dann zurück verdreht werden, so dass, über die ganze Periode gerechnet, die Achse der Umlauffrequenz wieder unverändert bleibt.
Es liegt nun im Interesse einer guten, sekundärseitig resultierenden Spannungsform, einen möglichst sinusförmigen Verlauf derselben zu erhalten. Mit der Anwendung des Erfindungsgedankens der Ringschaltung lässt sich dies einfach dadurch erzielen, dass in den Verlauf der Spannungsimpulse, wie sie der natürlichen Kommutierung entsprechen und wie sie sich aus den einzelnen Durchmessern bzw. Sehnen ergeben, noch Pausen eingeschaltet werden, um die Grundharmonisehe der resultierenden Spannungskurve des sekundärsystems ein Optimum werden zu lassen. So ergibt sich z. B. für die in Fig. 4 angegebene
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wenn zwei Pausen in den Verlauf der Spannungsimpulse eingeschaltet werden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist.
Soweit bis jetzt die Gesetzmässigkeit der Steuerung unter Verwendung der Fig. 5 erläutert worden ist, ergibt sich immer noch eine starre Kupplung des Primär- und Sekundärnetzes, was dadurch charakterisiert ist, dass der Pfeil V2 seine Umlauffrequenz 00, beibehält.
Unter elastischer Kupplung zweier Netze versteht man bekanntlich ein Nachfolgen der vom Umrichter abgegebenen Spannung nach dem Sekundärnetz von anderer Seite aufgedrüekten Änderungen sowohl hinsichtlich der Phasenlage als auch der Frequenz. Eine nachträgliche Veränderung der Phasenlage der Sekundärspannung gegenüber der anfänglichen entspricht in Diagramm 5 einer Achse V3, die ebenso wie V2 mit ws umläuft, jedoch gegenÜber V2 einen Winkel tp einschliesst, der gleich der betriebsmässigen Phasenverschiebung der Sekundärspannung ist.
Die hiezu notwendige Verschiebung der Steuerungsachse V3 von der Anfangslage V2 auf die spätere Betriebslage V3 lässt sich durch ein kurzzeitiges Verzögern und nachträgliches Beschleunigen der Steuerungsumlaufgesehwindigkeit in jedem beliebigen Umfang erzielen.
Eine Änderung der Sekundärfrequenz ergibt sich durch Veränderung der"Steuerumlauf-
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erzielen lässt. Die einzelnen aufeinanderfolgenden Frequenzen sind, wenn symmetrische Kurvenform und natürliche Kommutierung zugrunde gelegt wird, durch die Anzahl der Anzapfungen an der Ringwieklung bestimmt.
Ist nämlich 0) die Frequenz des zugeführten Stromes und a die Anzahl der Anzapfungen an der Ringwicklung, so sind unter den obigen Voraussetzungen die möglichen Sekundärfrequenzen gegeben durch den Ausdruck
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in welchem Ausdruck n jeden beliebigen ganzzahligen positiven Wert annehmen kann.
Die Berücksichtigung dieser Einschränkung in der Anzahl der verfügbaren Frequenzen ist deswegen besonders zu beachten, da bekanntlich in den verschiedenen Netzen die Frequenzen nicht mehr starr gehalten werden, sondern sich zeitweilig um einige Prozente ändern. Die bei einer solchen Abweichung der Frequenz von dem Normalwert sich ergebenden Verhältnisse sollen der Einfachheit halber an einem Zahlenbeispiel auseinandergesetzt werden. Ist z. B. die Umrichtung von 50 auf 16 % Hz beabsichtigt und besitzt die Ringwicklung acht Anzapfungen, so erhält man, wie in Fig. 8 angegeben, eine Sekundärfrequenz von 16 % dz für n = 8, genau so wie gefordert.
Bleibt nun aber das Primärnetz in seiner Frequenz konstant auf 50 Hz und verschiebt sich aus irgendwelchen Gründen das Sekundärnetz auf 16 Hz, so lässt sich diese Frequenz nicht mit der angegebenen Bingwieklung mit acht Anzapfungen erzielen.
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Umrichter möglichen Frequenzen Gangunterschiede von 3'75 bzw. 4#35%, d. s. also, bezogen auf die Frequenz von 16 Hz, 13#5 bzw. 15-5 .
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zwischen aufgedrückter Spannung und Spannung des Sekundärsystem am Ende jeder zweiten Welle dem Sollwert entsprechen, während für die dazwischenliegenden Wellen eine zusätzliche Verschiebung der vorerwähnten Grösse vorhanden ist.
Die diesbezüglichen Verhältnisse sind in Fig. 10 der Anschaulichkeit halber etwas verzerrt an-
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ketten. Die eine ist die ganz allgemeine, wo die geschlossene Wicklung durch ein Drehfeld induziert wird.
Man erzeugt dann so wie im Stator einer Drehstrommaschine mittels einer Stabwicklung ein Drehfeld, das man auf das im gleichen Eisenkörper eingebaute Sekundärwicklungssystem einwirken lässt. Selbstverständlich entfällt dabei jeder Luftspalt. Dabei kann das Sekundärwicklungssystem entweder als Ring- oder zweckmässiger als Trommelwicklung-ebenfalls als Stabwieklung-eingebaut werden.
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Spannungspolygone auf der Sekundärseite erzielen.
Die andre Möglichkeit basiert auf der Verwendung von Mehrphasentransformatoren bekannter Bauart, bei denen an Stelle der Ringwicklung ein geschlossencs Vieleck tritt. In Fig. 11 ist eine solche Schaltung für ein Drehstromnetz angegeben, wo in den Polygonen 12 Anzapfungen vorhanden sind.
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nissen der Umrichterschaltungen angepasst werden kann.
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