Verfahren zum Umwandeln von Mehrphasenstrom gegebener Frequenz in Wechselstrom anderer Frequenz und umgekelut. Um Mehrphasenstrom gegebener Fre quenz (z. B. 50 Per.) in Wechselstrom an derer Frequenz (z.
B. 16'/3 Per.) mit Hilfe zweier gittergesteuerter Mehrphasengleich- richter umzuformen, ist bereits vorgeschlagen worden, die beiden Gleichrichtersysteme so zu verbinden, dass die Kathode jedes Gleich richters mit dem Sternpunkt der speisenden Wicklung des jeweils andern Gleichrichters unmittelbar verbunden ist, und dass zwischen den Kathoden die Spannung der Sekundär frequenz dadurch erzeugt wird, dass während einer Halbperiode der Sekundärfrequenz (16@/;
Per.) die Anodengitter des einen Gleichrichters .so erregt sind, dass sie den Stromdurchgang durch diesen Gleichrichter in zyklischer Phasenfolge freigegeben, wäh rend die Anodengitter des zweiten Gleich richters in dieser Zeit den Stromdurchgang durch diesen Gleichrichter sperren, während für die andere Halbperiode in analoger Weise der Stromdurchgang für den zweiten Gleiehrichter freigegeben und für den ersten gesperrt ist.
Diese Einrichtung: arbeitet ein wandfrei, wenn es sich um rein: Ohmsehe Be lastung handelt, weil indem, einen sogenann ten ,Achterkreis" (liegende 8)! darstellenden Stromkreis (- Nullpunkt<B>0"</B> Gleichrichter 1, -Kathode K1, -Nullpunkt Ozr Gleichrich ter 2, -Kathode gz, -Nullpunkt 0, -) (Fig. 1) wegen der Sperrung jeweils eines der beiden Gleichrichter ein Kurzschluss- strom nicht zustande kommen kann.
Anders liegt aber der Fall, wenn das Netz der Sekundärfrequenz induktiv belastet ist (Fig. 1a), weil dann die im jeweiligen Zyklus letzte Anode, zum Beispiel 6, den Strom noch in der Zeit t,-t, führt, in welcher be reits der andere Gleichrichter Gz.,durch die Gittersteuerung für die Stromführung frei gegeben ist. Die Spannungsrichtung in der,. .die noch stromführende Anode 6 speisenden Phase des ersten Gleichrichters G,_ ist zwar bereits umgekehrt, also. gegen den Strom ge- richtet, dieser wird jedoch durch die. EMK der Selbstinduktion der Sekundärbelastung aufrecht erhalten.
Solange die Gegenspan nung der strombelasteten, letzten Phase 6 ,des ersten Gleichrichters noch grösser ist, als die vorwärtsgerichtete Spannung der ersten Phase 4' des zweiten Gleichrichters, kann ein Kurzschlussstrom im Achterkreis nicht zustande kommen, Zeitintervall t,-t,. Dies ändert sich aber indem Moment, in welchem die auf Vorwärtsstrom gerichtete Spannung der ersten Phase des zweiten Gleichrichters über den Wert der fallenden Spannung der letzten Phase des ersten Gleichrichters ge stiegen ist (Zeitintervall tl-t3). Beträgt der Überschuss der Vorwärtsspannung den dop pelten Wert des Lichtbogenabfalles im Geichrichter,
dann setzt ein Kurzschluss- strom im Achterkreis ein, welcher ,den Be trieb der Anlage unmöglich macht.
Dieser Nachteil soll erfindungsgemäss da durch beseitigt werden, dass die Stromfüh rung,der letzten Phase der Gleichrichter auch bei phasenverschobenen Strömen auf die Zeit beschränkt wird, in welcher der Kurzschluss- strom im Achterkreis nicht einsetzen kann. Nach der Erfindung wird dies dadurch er reicht, däss jeweils mit den Anodengittern des einen Gleichrichters die Anodengitter der Gegenphase des andern Gleichrichters gleichzeitig und gleichsinnig gesteuert wer den.
In :dem vorbetrachteten Falle wird da durch erreicht, dass mit der Freigabe der Stromführung für die ersten Phasen 4' des zweiten Gleichrichters, auch hie Stromfüh rung der Gegenphase 1 im ersten Gleichrich ter @in :dem Moment freigegeben wird, in wel chem deren gegen den .Strom gerichtete Spannung noch Null ist, oder noch einen sehr kleinen Wert besitzt.
Das hat zur Folge, dass der an der Anode der letzten Phase noch brennende Lichtbogen dieses Gleichrichters auf die Anode,der gerade frei gegebenen Gegenphase überspringt und die längst vorhandene Gittersperrung der Anode der letzten Phase wirksam wird. Der Grund des Übergehens .des Lichtbogens auf die Anode der Gegenphase ist folgender. So- wohl die Spannungsrichtung der noch bren nenden letzten Phase, wie auch die Span nungsrichtung der Gegenphase ist gegen den Strom, also: auch gegen die treibende Kraft der Selbstinduktion des Sekundärkreises ge richtet.
Im erster. Moment im Zeitintervall t,-t2 ,der Freigabe des Stromdurchganges an ,der Anode der Gegenphase ist jedoch die Spannung .dieser Gegenphase kleiner als die der letzten Phase, so dass auf den Anoden stromkreis der Gegenphase eine grössere trei bende resultierende Spannung einwirkt als auf den Anodenstromkreis der letzten Phase. Da nun im Achterkreis -die Summe,der Span nungen einer Phase (4') und ihrer Gegen phase (1) in jedem Moment 0 ist, kann ein Kurzschlussstrom im Achterkreis auch dann nicht zustande kommen, wenn das Sekundär netz rein induktiv (oder kapazitiv) belastet ist.
Die Erfindung sei anhand der Ausfüh rungsbeispiele der Fig. 1 bis 4 näher erläu tert.
In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Um wandlung von Dreiphasenstrom von 50 Per. in Einphasenstrom von 162/3 Per. mit Hilfe zweier gittergesteuerter Gleichrichter G1 und G2 dargestellt.
Es bedeutet N, das drei phasige Primärnetz von 50 Per., T einen Transformator mit einer an N1 angeschlos senen dreiphasigen Primärwicklung und zwei getrennten, mit den Sternpunkten o1 und o2 versehenen sechsphasigen Sekundär wicklungen, welche die Anoden 1, 2, 3, 4, 5, 6 bezw. 1', 2', 3', 4', 5', 6' der beiden Gleich richter speisen. Mit g sind die Anodengitter, mit lel und k2. -die Kathoden der Gleichrich ter bezeichnet.
An diese Kathoden sind. die Netzleiter -des Sekundäarnetzes N2 von 162'/3 Per. angeschlossen. U1 und Ü, bedeuten zwei gleichgebaute, synchron mit der Frequenz von 2. 162/3 = 331/3 Per.
umlaufende Um- schalter. Der Umstand, dass diese Umschal ter mit der doppelten Sekundärfrequenz um laufen, und dass die Kontakte von U, den. Kontakten von Uz in der in der Figur er sichtlichen Weise einander zugeordnet sind, hat zur Folge, dass immer wenn der Licht- bogendurchgang für den einen Gleichrichter in zyklischer Phasenfolge im Vorwärtssinne freigegeben wird, gleichzeitig auch die Sper rung für die entsprechenden Gegenphasen im andern Gleichrichter aufgehoben wird.
Dies ermöglicht, dass in jedem Moment im Sekun därnetz ein Strom beliebiger Richtung flie ssen kann und damit ist die Möglichkeit gegeben, das Sekundärnetz induktiv oder kapazitiv zu belasten, ohne dass Störungen des Betriebes sich einstellen. Ein Kurz schlussstrom im Achterkreis ol-Gl-ki- o..-G2-k._-ol tritt nicht auf, weil, wie be reits an früherer Stelle gezeigt, .in diesem Stromkreis in jedem Moment die Spannung der Phase des einen Gleichrichters gleich gross und entgegengesetzt gerichtet ist der Spannung der Gegenphase des andern Gleich richters. Eine wirksame Gittersteuerung er gibt sich hierbei in folgender Weise.
Die Gitter sind über die Widerstände 11' mit dem -Pol der Batterien B1 bezw. B2, deren Mit ten an die Kathode k1 bezw. k, angeschlos sen sind, dauernd verbunden, da sie gegen über der zugehörigen Kathode negativ auf geladen sind. Ohne den Einfluss des Um schalters wären somit die Gleichrichter dauernd für den Stromdurchgang gesperrt.
Der rotierende Kontaktarm des Umschalters legt nun aber die Gitter in zyklischer Folge an den -I- Pol der zugehörigen Batterie, so dass das Potential jedes Gitters in gewissen Geiten höher als das der Kathode ist, wo durch die Zündung der betreffenden Ano den frei gegeben ist. Es ist vorteilhaft, die Verbindung des Gitters mit dem Ohmschen Widerstand dabei nicht zu lösen, damit keine Unterbrechung der Gitterladung stattfindet. Die Halbwelle der Sekundärspannung wird bei dieser Einrichtung, wie Fig. la zeigt, aus sechs Halbwellen der Primärspannung, die sieh überlappen, gebildet.
Um einen mehr sinusförmigen Verlauf der sekundären Span nungshalbwelle zu erhalten, können die Spannungsamplituden. der Primärphasen durch Wahl der Sekundärwindungszahlen auf dem Transformator T in der Weise un gleich gemacht werden, derart, dass für den Gleichrichter G1 die unter sich gleich grossen Phasenwicklungen 1 und 6 weniger, die un ter sich gleich grossen Phasenwioklungen '3 und 4 mehr Windungen erhalten als die un ter sieh gleichen Phasenwicklungen 2 und 5, für :
den Gleichrichter G, dagegen sollen dann die Wicklungen für Phase 4' und 3' weniger, die Wicklungen für Phase 1' und 6' mehr Windungen als die Wicklungen für Phase 2' und 5' haben. Auch in diesem Falle sind die Spannungen der Phase des einen Gleich richters und die Spannung der Gegenphase im andern Gleichrichter in jedem Moment gleich gross, aber im Achterkreis entgegen gerichtet.
Eine ausserordentlich günstige, der Sinusform sehr nahe kommende Kurven form erhält man, wenn,die Windungszahlen .der Phasen (1, 6 bezw. 4, 3), (2, 5) und (4, 3 bezw. 1, 6) sich verhalten wie ,sin 40' : sin <B>60'</B> : sin <B>80'</B> also etwa wie 0,655 : 0a88 : 1. Die aus diesem Verhältnis sieh ergebende Kurvenform zeigt im wesentlichen nur eine geringe dreizehnte Oberharmonische.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung zeigt Fig. 2. In Fig. 2 sind die bei ,den Gleichrichter in einem Gehäuse G ver einigt und haben eine gemeinsame Kathode, dafür aber wird ein Transformator TZ mit zwei im Punkte m verbundenen Primärwick lungen P1 und P2 verwendet, deren Sekundär wicklung Q der Strom der .Sekundärfrequenz von 162e Per. entnommen werden kann.
Die Bedeutung der Buchstaben ist im übrigen in der Fig. 2 die gleiche wie in Fig. 1. Der Strom in der Primärwicklung P1, P, ,des Transformators T, fliesst je nach seiner Richtung über den Nullpunkt o1 oder 02 duroh den Gleichrichter G, unabhängig davon, wie die Spannungsrichtung in,den für den Durchlass freigegebenen Anodenstrom kreisen ist.
Würde nicht in jedem Moment in beiden Anodengruppen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 1', 2', 3', 4', 5', 6' ein Liehtbogenweg freigege ben, dann würde die Stromrichtung in den Primärwicklungen des Transformators TZ nicht beliebig sein können.
Es. wäre aber nicht zulässig, den Durchlass für gleiche Phasen in beiden Systemen zu öffnen, weil dann in den beiden Wicklungen P, und P.- entgegengerichtete Ströme fliessen würden, ,die sich in magnetischer Beziehung kompen sieren, und damit ein Kurzschluss des ganzen Systems herbeigeführt wäre.
Dieser Zustand tritt auch ein, wenn die jeweils letzte Phase des einen ,Sytems noch Strom führt, wenn .der Anodendurchgang einer auf Vorwärts strom gerichteten Phase des andern Systems bereits freigegeben ist, ein Fall, :der zum Bei spiel bei rein induktiver Belastung des Sekun därnetzes eintritt. Aus diesem Grunde soll auch hier erfindungsgemäss jeweils mit -den Anodengittern des einen Systems die Ano dengitter der Gegenphase des andern Systems gleichzeitig und gleichsinnig ge steuert werden.
Bei dem Ausführungsbei spiel der Fig. 2 ist hierzu nur ein Umschalter nötig, der genau nach Art des Umschalters der Fig. 1 gebaut ist und ebenfalls mit der Frequenz von 2. 16% Per. = 33'/a Per. ro tiert. Diese Vereinfachung ist dadurch mög lich, da.ss man -das Gitter 1 mit dem Gitter 4', 2 mit 5', 3 mit 6', 4 mit 1', 5 mit 2' und 6 mit 3' unmittelbar verbindet und zu :den Kontakten des Umschalters führt.
Bei der beschriebenen Einrichtung ist also die Möglichkeit gegeben, dass der die Gleichrichtersysteme durchfliessende Strom gegen die Spannung der mit den Anoden ver bundenen Sekundärwicklungsphasen gerich tet sein kann.
Dieser Fall ist auch dann ge geben, wenn die DMK des Sekundärnetzes grösser ist, als die dem Gleichrichter vom Primärnetz zugeführte Spannung, das heisst aber, dass .die Richtung des Energieflusses nicht mehr abhängig ist von der Ventilrich tung eines Gleichrichters, sondern an sich unbestimmt ist. Über die Richtung des Stromes entscheidet die Grösse der Spannun gen im Primär- und Sekundärnetz. Die Steuerung der Gitter bleibt in beiden Fällen die gleiche, ob nun das Netz von 50 Per. Energie in das Netz von 1.6'/;, Per. sendet oder umgekehrt.
Auch im Falleder Fig. 2 kann .die Win- dungszahl der Phasenwicklungen ungleich gemacht werden, wie es an früherer Stelle beschrieben worden ist, uni die Kurve der Sekundärspannung möglichst sinusförmig zu gestalten.
Für die Erfindung ist es ohne Belang, ob die Steuerung der Phasen und Gegenphasen genau oder nur angenähert gleichzeitig: er folgt. In jedem Falle wird die Freiheit ,der Stromrichtung im System dadurch erzielt, dass in dem gerade gesperrten Gleichrichter der Stromweg derjenigen Phase freigegeben wird, deren Spannung in dem durch beide Gleichrichter sich schliessenden Kurzschluss- kreis der Spannung der gerade stromführen den Phase entgegengerichtet und ihr wenig stens annähernd grössengleich ist.
In den bisher gewählten Ausführungs beispielen, in denen es sich um die Umwand lung von dreiphasigem Strom von 50 Per. in Einphasenstrom von 16'/2. Per. handelt, waren Gittersteuerschalter verwendet, die während einer Halbperiode .des sekundären Wechselstromes,der Reihe nach die Zündung der sechs Phasen der Gleichrichter freigeben.
Jede Halbwelle der Sekundärspannung setzt sich demnach aus sechs Halbwellen der Span nung der Primärfrequenz zusammen, die sich zum grössten Teil in der Weise überdecken, dass die Anoden der mittleren Phasen nur während des sechsten Teils einer Periode Strom führen, während die Anoden der ersten und letzten Phase über einen grösseren Zeitteil stromführend sind.
Jenes Verfahren ermöglicht es aber, dass auch phasenverscho bene Ströme die Einrichtung durchfliessen können, und wenn man voraussetzt, dass das Sekundärnetz rein induktiv belastet ist, dann fliesst durch jeden der Gleichrichter auch dann noch ein gleichgerichteter Strom, wenn die Spannung der den Gleichrichter speisen den Wicklung dem Strom bereits entgegen gerichtet ist, also wenn die Richtung der Spannung in der im Zyklus letzten Phase bereits negativ geworden ist.
Wird nun mit .der ersten Phase des jeweils andern Gleich richters die entsprechende Gegenphase in dem noch Strom führenden Gleichrichter für den Stromdurchgang freigegeben, dann springt der Lichtbogen von der Anode der letzten Phase auf die Anode der gerade frei gegebenen Gegenphase über. Das bedeutet aber einen Spannungssprung (z. B. Fig. 1a) in der Spannung des Sekundärnetzes, weil die Gegenphase bei Übernahme des Licht bogens eine viel geringere Gegenspannung besitzt, als die im Zyklus letzte Phase des Gleichrichters.
Dieser Spannungssprung kann aber vermieden werden, wenn die Ge genphase zur ersten Phase des jeweils andern Gleichrichters gleichzeitig die letzte Phase im Zyklus des jeweils ersten Gleichrichters ist.
Dies lässt sich dadurch erreichen, da3 je der Zyklus mit der gleichen Phase beginnt und endigt, und es ergibt sich so eine Ein richtung, bei welcher ein (bezw. zwei) Um schalter die Anodengitter der sechs- (bezw. 6n) phasigen Gleichrichter (n = ganze Zahl) zyklisch in der Weise steuert, dass die Span nungskurve des Netzes niederer Frequenz sich aus verschiedenphasigen Spannungen des Netzes der höheren Frequenz zusammen setzt, und bei welcher jeder Umschalter eine Kontaktbahn besitzt, bei der ,
sich der Reihe der Kontakte für die Steuerung der Anoden gitter von Phase 1 bis 6 (bezw. 6n) noch ein weiterer Kontakt für das Gitter der Phase 1 anschliesst derart, dass die Spannungshalb welle der niederen Frequenz sich aus 6 -i- 1 (bezw. 6n + 1) Halbwellen der höheren Frequenz zusammensetzt, wobei der Beginn der Halbwelle der niederen Frequenz mit dem Beginn einer Halbwelle für die erste Phase der höheren Frequenz, das Ende :der Halbwelle der niederen Frequenz mit dem Ende einer Halbwelle für,die erste Phase der höheren Frequenz zusammenfällt.
In Fig. 3 bedeutet G einen der beiden zur Umformung verwendeten sechsanodigen Gleichrichter. Mit a, bis a, sind die Anoden, mit g, bis g" ,die Anodengitter, mit K ist die Kathode bezeichnet. S stellt den Steuerschal ter für die Gitter dar. Man erkennt, dass S nicht mehr, wie bisher sechs, sondern sieben Kontakte für die Phasenfolge der Gitter 1-2-3-4-5-6-1 besitzt.
Der erste und letzte Kontakt steuert also das Gitter der gleichen Phase (1) und es ist daher zulässig, ,diese beiden Kontakte durch einen Kontakt streifen zu verbinden, wie es gestrichelt an gedeutet ist. Die Steuerung selbst erfolgt in der beschriebenen Weise mit Hilfe der rotie renden, mit dem Pluspol der\ Batterie B ver bundenen Bürste b. Der Mittelpunkt der Bat terie ist fest mit der Kathode K verbunden, während an dem Minuspol über Widerstände W die Kontakte 1 bis 6 und damit die ihnen zugeordneten Gitter g, bis g, dauernd ange schlossen sind.
Wenn man nun die Ampli tuden der den Anoden des Gleichrichters in der beschriebenen Weise .derart steigend und fallend wählt, dass sie sich - bezogen auf die niederfrequente Welle - verhalten wie die Sinusse der zwischen ihnen und dem An fangspunkt der Welle liegenden Winkel, dann ergibt sich das Bild der Fig. 4, in wel chem gezeigt ist, wie sich die niederfrequente Welle aus Halbwellen der höheren Frequenz zusammensetzt. Dabei ist die zweite Halb welle, im Gegensatz zu Fig. ja, umgeklappt, wie dies ihrer Richtung im Netz N2 ent spricht.
Gleichzeitig sind durch die ge strichelten Linien die Halbwellen der mit den Phasen gleichzeitig gesteuerten Gegen phasen des jeweils andern Gleichrichters ein gezeichnet. Man .erkennt, dass die negative Halbwelle der letzten Phase des ersten Gleichrichters (also -1) gleichzeitig die Gegenphase der der ersten Phase (-i- 4') - des zweiten Gleichrichters ist, so dass der Licht bogen nicht erst den Sprung von Phase (-6) auf (-1) machen muss. Um weitere derar tige Spannungssprünge beim Übergang des Lichtbogens von Phase (-1) auf (-2) und von (-2) auf (-3) abzudämpfen, ist es vor teilhaft, in an sich bekannter Weise den Ka thoden vorgeschaltete Drosselspulen D zu verwenden.
Es ist in Fig. 3 die Gittersteue- rung nur eines der beiden Gleichrichter dar gestellt. Es ist selbstverständlich, dass die Gittersteuerung,des andern Gleichrichters, in analoger Weise erfolgt und dass, wenn ein zweiter Steuerschalter verwendet wird, -er in gleicher Weise ausgeführt ist, wie der dar gestellte. Die Umdrehungszahl der Steuer- bürste entspricht bei der gezeichneten (zwei poligen) Ausführung der Steuerschalter dem zweifachen Wert der Sekundärfrequenz, hier also 33'-j3 Perioden.
Wird die gezeichnete Kontaktbahn auf den halben Umfang des Kollektors beschränkt und auf der andern Hälfte des Kollektors wiederholt (vierpolige Ausführung), dann entspricht die Touren frequenz des Steuerschalters genau der Sekundärfrequenz, also 162/3 Perioden.