Rückzündungs- und Überstrom-Schutzanordnung für Umformungseinrielitungen mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefässen. Beim Betrieb von Umformungseinrich- tunben mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefässen, insbesondere Gleich- riehtern und Umrichtern, wird häufig ein schnelles Abschalten, beispielsweise bei Über lastungen oder Rückzündungen, mittelst der Gittersteuerung gefordert.
Die im allgemei nen hierfür bisher vorgeschlagenen Mass nahmen befriedigten nicht immer die be trieblichen Erfordernisse, teils wegen mecha nischer Trägheiten, teils wegen der ungün stigen Zusammensetzung; der Steuerspan nungen.
Die vorliegende Erfindung gibt nun einen neuen einfachen Weg an, der die erwähnten Nachteile nicht aufweist. Erfindungsgemäss erfolgt das Abschalten der Umformungsein richtung in der Weise, dass der Arbeitspunkt der Magnetisierungskurve des Steuer- bezw. Gittertransformators in das stark gesättigte Gebiet verlagert und die am Transformator liegende Spannung verringert wird. In be- sonders einfacher Weise kann man dies vor teilhaft durch eine Gleichstromwicklung er reichen, die im normalen Betrieb entweder stromlos ist oder einen nur kleinen Strom betrag führt. Vorzugsweise hat der Erfin dungsgedanke Bedeutung für Schaltungen, bei denen die Gitterkreise eine Wechsel spannung spitzer Wellenform erhalten.
In Fig.1 der Zeichnung ist der Erfin dungsgedanke an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das einen gittergesteuerten Gleichrichter in Vollwegschaltung betrifft. Die Gleichrichteranlage wird von einem Wechselstromnetz 1 über einen Transforma tor 2 gespeist und arbeitet auf das Ver brauchernetz 3.
Die gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefässe 4 und 5 werden in an sich bekannter Weise mittelst eines Gittertransformators 6 gesteuert, zum Bei spiel durch Verändern der Phasenlage der Gitterwechselspannung, wozu eine Phasen einstellvorricUtung (Drehtransformator) 7 dient. In die Gitterkreise sind eine Vor spannungsbatterie 8 und Strombegrenzungs- widerstände 9 und 10 eingefügt.
Die Gitter steuerung wird durch eine Steuerspannung spitzer Wellenform vorgenommen, die mit Hilfe des gesättigten Transformators 6 und einer Drosselspule 11 erzeugt wird. Der Steuertransformator 6 enthält nun eine wei tere Wicklung 12, die im Falle einer 'Gi ber- la.stung des Gleichrichters von Gleichstrom solcher Grösse durchflossen wird, dass der Transformatorkern vollkommen gesättigt ist und in seinen Wicklungen praktisch keine Spannung induziert wird.
Infolgedessen wird die Gitterspannung derart geändert, dass kein Entladungsgefäss mehr leitend wird. Der Hilfsgleichstrom- wird zweckmässigerweise durch ein besonderes gittergesteuertes Dampf- oder Gasentladungsgefäss 13 eingeschaltet, sobald die Belastung des Gleichrichters eine vorgeschriebene Grösse überschreitet. Hierfür dient ein in den Gleichstromkreis ein geschalteter Widerstand 14. Die Abschal tung erfolgt sofort ohne jede Verzögerung, da die Zeitkonstante des Hilfskreises beliebig klein gehalten werden kann.
Man kann statt des Widerstandes 1:1 im Gleichstromkreis einen Stromwandler in den Wechselstromkreis des Gleichrichters legen und so die Gleichrichteranlage selbst in den Schutz einbeziehen. Das hat ausserdem den Vorteil, dass man durch geeignete Bemessung des Wandlers der Spannung des Gitter- kreises des Hilfsentladungsgefässes 13 eine genügende Grösse geben kann.
Ist der Span nungsabfall am Widerstand 14 im Gleich stromkreis nicht ausreichend oder wird er un wirtschaftlich gross, so lässt sich die für die Steuerung des Entladungsgefässes 13 erfor derliche Spannung durch Zwischenschaltung eines weiteren Entladungsgefässes, vorzugs weise einer Elektronenröhre, in der ge wünschten Weise verstärken.
Die Schutzschaltung kann ohne Schwie rigkeiten überall da angewendet werden, wo der Wechselstrom des Steuertransformators durch die Gleichstrommagnetisierung keine unzulässige Grösse erreichen kann. Dies ist der Fall in den Schaltungen, die zur Er zeugung einer spitzen Wellenform dienen. So wird der Strom bei Anwendung gesättig ter Transformatoren durch .die Drosselspule und bei Anwendung von Glimmlampen durch Kondensatoren oder Widerstände begrenzt.
Es wird noch bemerkt, dass bei dem Aus führungsbeispiel das Entladungsgefäss 13 durch eine Gleichspannung gespeist wird und im Anodenkreis ausser der Wicklung 12 noch ein Widerstand 16 angeordnet ist. Je doch lässt sich die Schutzschaltung auch in der Weise abändern, dass an Stelle einer Gleichspannung eine Wechselspannung ver wendet wird. Zur Einstellung des richtigen Arbeitspunktes des Entladungsgefässes 13 kann man zweckmässig gewählte Vorspan- nungen, eine Gleichspannung 17 oder eine Wechselspannung, wählen.
Es empfiehlt sich, eine derartige Anord nung für die Gleichstromwicklung zu tref fen, dass die infolge der zeitlichen Änderung des in der Gleichstromwicklung fliessenden Stromes auftretende Spannung als zusätz liche negative Spannung in den bezw. die Gitterkreise eingefügt wird. Trifft man eine solche Anordnung, so werden schon im Be ginn des Abschaltvorganges die Gitter eine zusätzliche negative Spannung erhalten und dadurch die Entladungsgefässe nicht mehr von neuem leitend werden.
Hierzu wird noch bemerkt, d ass bei Einführung dieser zusätz lichen Spannung mit entgegengesetztem Vor zeichen der Abschaltvorgang erst beginnt, wenn sich die Gleichstrommagnetisierung praktisch fertig aufgebaut hat. Besondere Bedeutung hat dies für solche Steueranord nungen, bei denen jedem Gitterkreis ein ge sonderter magnetischer Weg für die transfor- matorische Übertragung der Steuerwechsel spannung zugeordnet ist. In Fig. 2: der Zeich nung ist die Durchbildung für eine solche Steueranordnung mit einem dreischenkligen Transformatorkern schematisch veranschau licht.
Auf den einen ,Schenkel sind die dem einen Gitterkreis zugeordneten Wicklungen 21p und 21s, auf den andern Schenkel die dem andern Gitterkreis zugeordneten Wick- Lungen 22p und )#m gewickelt. Der mittlere Schenkel enthält die Gleichstromwicklung 23. Dabei sei angenommen, dass die Wick lungen 2,1s und 22s die Gitterkreise zweier Entladungsgefässe speisen, die mit 180 1-Pha- senverschiebung gesteuert werden.
Die An ordnung der Wicklungen 21s und 22s zuein ander und zu der Wicklung 23 und zu der Gleichstrommagnetisierung ist derart getrof fen, dass mit dem Einsetzen des Gleich stromes in der Wicklung 23 die dadurch her vorgerufene Änderung des magnetischen Flusses als zusätzliche negative Spannyin- auf dem Wege über die Wicklungen 21s und 22s in die Gitterkreise eingefügt wird. Wie bereits am Anfang dieses Absatzes an gedeutet wurde, tritt diese zusätzliche nega tive Spannung nur auf in dem Zeitteilchen, in dem sich die Gleichstrommagnetisierung aufbaut.
Die Zusammenfassung von mehre ren magnetischen Wegen in einem Kern mit freiem magnetischem Rückschluss, der die Gleichstromwicklung aufnimmt, ist günstiger als die ebenfalls mögliche Anordnung, die zwei getrennte Transformatoren mit je einer. Gleichstromwicklung verwendet.
Weiter ist es vorteilhaft, für die Gleich stromwicklung mindestens I zwei gitterge- steuerte Dampf- oder Gasentladungsgefässe vorzusehen, die gegebenenfalls in normaler Gleichrichterschaltung - bei zwei Gefässen also in Zweiweggleichrichterschaltung - an geordnet sind. Gegenüber einer Anordnung gemäss Fig. 1 der Zeichnung ergeben sich da bei verschiedene Vorteile.
Zunächst einmal kann dadurch die besondere Gleichspan nungsquelle ersetzt werden durch eine Wech- selstromquelle und dabei doch eine wirkliche Gleichstrommagnetisierung erzielt werden.
'"Viehtiger ist jedoch, dass bei Verwendung eines Stromwandlers die Genauigkeit der Steuerung erhöht wird, da gegenüber der bis herigen Steuerung mit nur einem Gefäss innerhalb einer Periode nur einmaliger Ein satz, bei Anwendung der vorliegenden Aus führung aber ein Entladungseinsatz in jedem Augenblick innerhalb einer Periode erfolgen kann, mithin eine Verzögerung von etwa <B>180',</B> wie sie bei der bereits beschriebenen Steuerung vorkommen kann, unmöglich ist, In Fig. 3 der Zeichnung ist eine Anord nung veranschaulicht, wie sie zum Beispiel bei Volliveggleichrichteranlagen in Frage kommen kann.
Der Stromwandler 14', der in die Speiseleitung des Gleichrichters ein geschaltet ist, beeinflusst die Gitterkreise der Hilfsentladungsgefässe 13' und 13", die ihrer seits auf die Steuerung der Hauptentladungs- gefässe mittelst der Gleichstromwicklung 12 einwirken.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das be sondere Bedeutung für mehrphasige Anlagen hat, ist in Fig. 4 dargestellt. In diesem Falle ist in jede Phase des Wechselstromnetzes ein Stromwandler 14' bezw. 14" bezw. 14"' ein geschaltet, die die Hilfsentladungsgefässe 13' bis 13"' steuern. Nimmt man an, dass das Drehstromnetz symmetrisch' belastet wird, so wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Schutzsteuerung ohne Zeitverzögerung ansprechen. Anderseits wird aber durch diese besondere Anordnung eine Schutzwirkung für alle drei Phasen erzielt.
Sollten die An sprechzeiten noch nicht genügend klein sein, zum Beispiel bei einphasigen Erdschlüssen, so wird man die Steuerung in Fig. 4 in der selben Weise wie in Fig. 3 durchführen, das heisst je zwei Hilfsentladungsgefässe für jede Phase.
Im Sinne einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens kann man neben der Verlagerung des Arbeitspunktes der Magne- tisierungskurve des Steuer- bezw. Gitter transformators und der Verringerung der Wechselspannung auch eine Vergrösserung der negativen Vorspannung vornehmen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt Fig. 5 der Zeichnung, und zwar betrifft das Ausfüh rungsbeispiel eine Gleichrichteranlage mit Haupttransformator 2 und mehranodigem Gefäss 4.
Die Schaltungsanordnung arbeitet in folgender Weise: Mit langsam zunehmendem Gleichstrom wachsen die Primärströme des Gleichrichter transformators in allen drei Phasen gleich- mässig. Bei plötzlichen Belastungsänderungen steigen zunächst die Anodenströme der ge rade stromführenden Anoden, so dass auch die Zunahme der Primärströme zuerst in den einzelnen Phasen verschieden gross ist. Um die Ansprechzeit gering zu halten, findet eine Überwachung in allen drei Primär phasen statt. Bei Rückzündungen tritt meist eine noch stärkere plötzliche unsymmetrische Zunahme der Primärströme auf, so dass eine Einrichtung, bei der nur ein Primärstrom überwacht würde. auch zum Abschalten von Rückzündungen eine zu grosse Ansprechzeit besitzen würde.
Es sind deshalb bei der vorliegenden An ordnung in allen drei Primärleitungen 1 Stromwandler 14', 14" und 14"' vorgesehen, deren Sekundärwicklungen durch die Wider stände 14w', 14w" und 14w"' belastet sind. Die an diesen Widerständen auftretenden Spannungen wirken durch geeignete Reihen sehaltung so zusammen, dass mit zunehmen den Strömen die Summenspannung zunimmt. Sie ist das Mass für die Belastung des Gleichrichters. Die Abschaltung des Gleich richters mit Hilfe der Gittersteuerung beruht darauf, dass, sobald diese Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet, die Ampli tude der Gitterwechselspannung des Gleich richters wesentlich verkleinert, die negative Gittervorspannung sehr vergrössert wird.
Eine Periode später wird der Gleichrichter abgeschaltet sein, weil sofort jedes weitere Zünden von Anoden verhindert wird.
Die Gitterwechselspannung wird, wie üblich, über einen Isoliertransformator 70, der auch die Hilfsbetriebe, wie Heiztrans- formatoren 71 und 72, Pumpen., Zündung und Erregung speisen kann, und einen Drehregler 7 dem Hauptnetz, sowie drei Einphasen transformatoren 61, 62 und 63 entnommen. Durch Verschiebung der Phasenlage der Gitterwechselspannung gegenüber der Ano denspannung kann die Gleichspannung des Gleichrichters stetig in bekannter Weise ge regelt werden.
Die bei höheren Gleichspan nungen meist erforderliche negative Gitter- vorspannung könnte grundsätzlich einer zwi- sehen die verbundenen Sternpunkte der drei Gittertransformatoren und die Kathode ge schalteten Batterie entnommen werden. Wegen der geringen Lebensdauer solcher Batterien wird vorgeschlagen, statt dessen einen eben falls aus dem Hauptnetz gespeisten Gleich richter mit dem Transformator 8' und den Quecksilberdampf - Glühkathodenröhren 8" und 8"' zu benutzen, dessen Gleichspannung durch den Kondensator 8IV geglättet wird.
Während des normalen Betriebes liegt nicht die ganze an den Widerständen 8V, 8V1 und 8VII auftretende Gleichspannung dieses Gleichrichters, sondern der auf den Wider stand 8V entfallende Teil über den Wider stand 8w zwischen der Kathode und den vereinigten Sternpunkten der Gittertransfor matoren zur Begrenzung des Gitterstromes, und zum Schutz dienen die Widerstände 9' und die Sicherungen 9".
Die Abschaltung wird durch Zünden des gittergesteuerten Quecksilberdampf - Glüh- kathodenrohres 13 bewirkt. Bezieht man alle Potentiale auf das der Kathode, so tritt be kanntlich bei genügend hoher positiver Ano denspannung (mehr als 15V) Zündung ein, sobald die Gitterspannung nicht mehr ge nügend negativ ist. Bei der vorliegenden Schaltung liegt zwischen Anode und Kathode ein grosser Teil der Spannung des Wider standes 8VI, während das Gitter über die Widerstände 8VII und 813 die negative, am Widerstand 8VII und dem Glättungskonden- sator 8c auftretende Spannung liegt.
Das Gleichrichterrohr 13 bleibt so lange gesperrt, bis am Widerstand 8VII eine genügende, der negativen Spannung entgegengerichtete Span nung erzeugt wird. Wenn wir diese Span nung durch Gleichrichtung mittelst des Hoch vakuumgleichrichters 26 und des Transfor mators 25 von der eingangs erwähnten sekun dären Summenspannung der Stromwandler 14 gewinnen, so wird dieses Zünden erst bei einer bestimmten Belastung des Gleichrich ters bezw. bei einer bestimmten Belastung der drei Primärphasen auftreten, weil diese gleichgerichtete Spannung mit zunehmender Summenspannung wächst.
Die genaue Ein- stellung des Ansprechstromes kann durch den Spannungsteiler 27, die Ansprechverzöge- rung durch den Kondensator 28 geregelt wer den. Der Anodenstrom des Gleichrichter rohres 13 fliesst in den Hilfswicklungen c der Gittertransformatoren 61 bis 63 und be wirkt plötzlich eine sehr hohe Sättigung ihres Eisens. Dadurch nehmen ihre Primär ströme stark zu, so dass wegen der Wider stände 29 und 31 die Primärspannung an den Gittertransformatoren (Wicklung a) und damit die Sekundärspannung (Wicklung b) plötzlich abnimmt.
Gleichzeitig wird bei passender Wahl der Widerstände 8V, 8VI 130, 8w und 9' die negative Vorspannung etwa um die an 8V I liegende Gleichspannung vergrössert. Mit der Sperrung des Haupt- ;#leichrichters wird also tatsächlich sofort begonnen.
Das Wiedereinschalten besorgt das Zeit relais 32, dessen Schalter im stromlosen Zu stand offen ist. Sobald dieser Schalter ge schlossen ist, wird der über den Widerstand 33 entladene Kondensator 34 kurzzeitig den bisher durch das Gleichrichterrohr 13 fliessen den Strom ganz aufnehmen. Da die Summen spannung der Stromwandler sofort nach der Sperrung des Gleichrichters zu Null wurde, liegt gleichzeitig am Gitter von 13 eine nega tive Spannung, die noch durch die bei Stromdurchgang am Widerstand 130 auf tretende negative Spannung vergrössert wird. Der Ladestromstoss des Kondensators 34 be wirkt daher die Löschung des Rohres 13.
Dann wird auch die Spule 3? des Zeitrelais nahezu stromlos, so dass der Schalter in seine offene Ruhelage zurückzukehren beginnt.
Der Strom in den Wicklungen c der Gittertransformatoren nimmt wegen der Ladezeit des Kondensators 34 nur langsam ab, so dass die Gitterwechselspannung nur langsam wächst und auch die vergrösserte negative Gittervorspannung nur langsam ver kleinert wird. Nach dem Wiedereinschalten wird also zunächst nur ein Teil der vor der Überlastung oder der Rückzündung mit dem Drehregler 7 eingestellten Gleichspannung auftreten. Selbsttätig steigt sie dann rasch auf den alten Wert. Diese Geschwindigkeit kann durch die Zeitkonstante des Kreises, besonders durch den Kondensator 34 stark beeinflusst werden. .
Falls der Gleichrichter durch eine Stö rung im Belastungskreis auch nach kurz zeitigem Abschalten noch kurzgeschlossen wäre, so würde die Sperrung des Rohres 13 sofort wieder aufgehoben werden, weil die Summenspannung der Stromwandler wieder sehr hohe Werte annehmen würde. Durch das Zünden des Rohres 13 würde die Gitter vorspannung des Hauptgleichrichters wieder vermehrt, die Gitterwechselspannung vermin dert, der Gleichrichter somit abermals ge sperrt werden. Durch passende Wahl der Zeitkonstante des Kreises 33, 34 oder der mechanischen Ausschaltverzögerung des Zeit xelais 32, dessen Schalter nötigenfalls mit einem längeren Gleitkontakt 35 versehen werden kann, lässt sich erreichen, dass in diesem Fall das Rohr 13 nicht wieder ge löscht wird, der Hauptgleichrichter also dauernd gesperrt bleibt.
Entweder würde nämlich der Kondensator 34 noch nicht ge nügend weit wieder entladen sein oder der Schalter von 32 würde überhaupt noch gar nicht wieder geöffnet sein.
Das Zeitrelais 32 einschliesslich Schalter lässt sich übrigens in einfacher Weise durch ein weiteres gittergesteuertes Quecksilber dampf-Glühkathodenrolir ersetzen, bei dem durch passende Kondensatoren und Wider stände im Gitterkreis die erforderliche Zeit verzögerung erzielt wird.
Da mit wachsendem Primärstrom wegen der ohmschen und induktiven Spannungs abfälle in den Zuleitungen und im Genera tor meist auch die Primärspannung etwas sinkt, nimmt bei Überstrom und Rück zündungen auch die negative Vorspannung des Rohres 13 ab, weil sie auch aus dem Hauptnetz entnommen wird. Die Wirkung der Stromwandlersummenspannung wird also unterstützt. Die Ansprechzeit dieses Vor ganges kann durch dreiphasige Ausführung des Vorspannungsgleichrichters noch verklei nert werden.