Verfahren zur Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom anderer Frequenz, insbesondere zur Umformung von Drehstrom der Frequenz f in Einphasen strom der Frequenz f/3. Es sind bereits zahlreiche Verfahren mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugs weise gittergesteuerten Dampf- oder Gas entladungsgefässen, zur Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechsel strom anderer Frequenz, insbesondere zur Umformung von Drehstrom von 50 Hz in Einphasenstrom von 16 2/;" Hz, vorgeschlagen worden. Unter diesen interessieren im Zu sammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Verfahren, bei denen durch Zusammen setzen von Spannungen die gewünschte Kur venform, insbesondere Sinusform, erzielt wird.
Setzt man eine im wesentlichen recht- eckförmige Wechselspannung voraus, so be steht die notwendige Zusatzspannung im we sentlichen aus einer dritten Harmonischen für die Einphasenspannung und entspricht damit in ihrer Frequenz der Periodenzahl des Drehstromnetzes. Es ist nun bereits vorge schlagen worden, diese Zusatzspannung aus dem Drehstromnetz zu beziehen und über einen Drehregler in das Einphasennetz ein zuführen.
Die Unabhängigkeit der Phasen lage zwischen den Vektoren des Drehstrom- und Einphasennetzes wird durch die 1VIög- lichkeit sichergestellt, die Phasenlage der zu gesetzten dritten Harmonischen durch Dre hen des Drehreglers beliebig zu ändern.
Die ses Verfahren hat jedoch verschiedene Nach teile, die sieh besonders aus der mechanischen Regelung' der Phasenlage ergeben. Diese Nachteile werden durch das Verfahren ge mäss der Erfindung dadurch vermieden, dass .die Sekundärspannung aus mindestens zwei Teilspannungen gebildet wird, die je mittelst gesteuerter Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungs- gefässe, aus dem Primärnetz entnommen wer den.
Besonders zweckmässig ist eine Zusam mensetzung, bei der die eine Teilspannung als Grundwelle mit etwa rechteckiger Kur- venform, die andere Teilspannung als dritte Harmonische mit etwa sinusförmiger Kur venform auftritt. Die Vorteile, die die Er findung bietet, bestehen nicht nui. in der Ver meidung der umständlichen Regelorgane für den mechanischen Antrieb des Drehreglers, sondern auch vor allem in der Möglichkeit, die Phasenlage der Zusatzspannung träg heitslos. der Phasenlage des Spannungsvek tors im Einphasennetz anzupassen.
Zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung können beispielsweise die in der Zeichnung veranschaulichten Anordnungen verwendet werden. Fig. 1 zeigt ein Schalt bild für eine solche Anordnung. Der vom Drehstromnetz 1 erregte Transformator be sitzt ausser der Primärwicklung 2 vier in Stern geschaltete Sekundärwicklungen 3<B>...</B> 6, von denen beispielsweise die Wicklungen 4 und 3 über Entladungsgefässe 7 und 8 hin tereinander geschaltet sind und die eine Halbwelle der Sekundärspannung liefern,
während die Wicklungen 5 und 6 in Serien schaltung mit den Entladungsgefässen 9 und 10 die andere Halbwelle der Einphasenspan- nung liefern. Das Sekundärnetz ist durch den Verbraucher 13 dargestellt. Die Arbeits weise geht im einzelnen aus der Darstellung in der Fig. 2 hervor.
Die Wicklung 4 mit dem Entladungsgefäss 7 arbeitet mehrphasig und liefert die aus den Phasen I, II <B>...</B> VI zusammengesetzte, fast rechteckförmige Grundwelle a der Sekundärspannung. Die )Vicklung 3 arbeitet nur einphasig, und zwar so, dass die Phase freigegeben wird, die von Null zu negativen Werten wächst, wenn die erste Phase der Wicklung 4, die die Grund welle liefert, von Null zu positiven Werten wächst.
Im gezeichneten Fall wird also die Phase IV' der Wicklung 3 freigegeben. Wählt man das Verhältnis der Spannungen in den Wicklungen 3 und 4 so, dass in der Wicklung 3 etwa ein Drittel der in der Wicklung 4 erzeugten Spannung zugesetzt wird, so erhält man einen fast sinusförmigen Verlauf der gesamten erzeugten Einphasen spannung (Kurve b). Die andere Halbwelle der .Sekundärspannung wird analog durch die Wicklungen 5 und 6 mit den zugehörigen Entladungsgefässen 9 und 10 erzeugt.
Bleibt die Spannung im Einphasennetz hinter der Spannung des Drehstromnetzes zurück, so wird es beispielsweise notwendig sein, von der Wicklung 4 eine Phase zu überspringen und erst die nächste Phase zu zünden. Man wird dann auch bei der Wicklung 3 wieder die entsprechende Phase zünden, um die in der Wicklung 3 zugesetzte Spannung in der richtigen Phasenlage zu der von der Wick lung 4 gelieferten Spannung zu erhalten. Die Elastizität der Anlage ist daher nur noch von den durch die beschränkte Phasenzahl der Wicklungen entstehenden Sprüngen, die bei sechsphasiger Anordnung nur 5 % von der gesamten Einphasenwelle ausmachen, ab hängig.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung lässt sich noch modifizieren, wie es in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. In der Fig. 3 sind wieder die Sekundärwicklungen 4 und 5 des Transformators, die mehrphasig arbeiten, dargestellt und zu einem einzigen Gefäss ge führt, dessen Kathode mit nur einer Wick lung für die einphasige Zusatzspannung ver bunden ist. Die Gefässe 11 und 12 verteilen die Spannung im gewünschten Sinne auf die einphasige Belastung. Die Wicklung 4 ar beitet mit Gefäss 12, Wicklung 5 mit Gefäss 11 zusammen.
Die Anordnung nach Abb. 4 bringt eine weitere Vereinfachung, die die mehrphasige Wicklung nur einmal erforder lich macht, und wobei nur die kleineren, ein phasig arbeitenden Wicklungen zweimal auf treten. Eine noch weitergehende Verein fachung wird möglich, wenn man eine Schaltanordnung nach Fig. 5 wählt. In die sem Fall genügen zwei mehranodige Gefässe, eine mehrphasig arbeitende und zwei einpha sig arbeitende Transformatorwicklungen. Da bei wird aber ein Sekundärtransformator 14 benötigt.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungs möglichkeit veranschaulicht, bei der nur eine in Stern geschaltete Transformatorspeise- wicklung erforderlich ist. Dies wird erreicht, indem man für die die eine Spannung lie fernden Entladungsstrecken, beispielsweise die die Grundwelle liefernden Entladungs strecken, einanodige Entladungsgefässe 15... 26 vorsieht. In der Wirkungsweise ergeben sich keine Besonderheiten gegenüber Fig. 1 und z. Bei Beginn einer Halbwelle möge also, wie in Fig. 2, die Phase I mit der Ent ladungsstrecke 28 den Stromfluss beginnen.
Gleichzeitig wird die Anode des Gefässes 79 freigegeben, die an der der Phasenspannung IV' in Fig. 2 entsprechenden Teilspannung liegt, und zwar ist dies die Anode, die an die Anzapfung der Phase I angeschlossen ist. Diese Anode führt während der Halbwelle Strom. Die Entladungsstrecken der Grund welle, also zum Beispiel die Gruppe von Ent ladungsstrecken 21 ... 26, lösen sich inner halb der zugehörigen Halbwelle zyklisch ab. Entsprechend übernehmen die Entladungs strecken 15<B>...</B> 20 während der darauffolgen den Halbwelle die Stromführung.
Zu den Steuerungsvorgängen wird noch folgendes bemerkt, wobei vorausgesetzt ist, dass gittergesteuerte Dampf- oder Gasentla- dungsgefässe verwendet werden: Die Steue rung der die Grundwelle liefernden Ent ladungsgefässe wird, wie bereits bekannt ist, in der Weise erfolgen, dass die Gitterspan nung sich aus zwei dem Primärnetz und dem Sekundärnetz zugeordneten Teilsteuerspan- nungen zusammensetzt.
Hinsichtlich der die Zusatzspannung (dritte Harmonische) lie fernden Entladungsgefässe ist bereits weiter oben darauf hingewiesen worden, dass die Entladungsstrecke, deren Phase von Null zu negativen Momentanwerten übergeht, leitend wird, wenn die Grundwelle von Null zu posi tiven Momentanwerten anwächst, das heisst die Auswahl unter den die Zusatzspannung liefernden Entladungsstrecken wird in ähn licher Weise bewirkt, wie bei den die Grund welle liefernden Entladungsstrecken, das heisst ebenfalls durch eine vom Primärnetz und Sekundärnetz abhängige Gitterspan nung. Die Gittersteuerung kann durch gom- mutatoren (Schaltwalzen) oder Transforma toren erfolgen.
Hinsichtlich der Arbeitsweise der vorste hend beschriebenen Umformungseinrichtung ergibt sich doch, da,ss die die Zusatzspannung liefernde Entladungsstrecke bei Beginn jeder Halbwelle des erzeugten Wechselstromes lei tend gemacht wird. Ändert sich das Fre- quenzverhältnis nicht, so wird diese Ent ladungsstrecke längere Zeit allein Strom füh ren, beispielsweise über mehrere Perioden. Dies bedingt, dass jede dieser Entladungs strecken praktisch für die volle Dauerleistung bemessen sein muss.
Man kann nun vorteil haft die Stromführung der die Zusatzspan nung liefernden Entladungsstrecken unter teilen, so da.ss infolgedessen die Entladungs strecken nicht mehr für die volle Dauer leistung bemessen werden müssen. Diese Un terteilung kann man vornehmen, indem man mindestens zwei Entladungsstrecken, gege benenfalls unter Mitwirkung eines Strom- teilers oder einer Saugdrosselspule, parallel arbeiten lässt oder. innerhalb einer Bezugs periode, wobei zweckmässigerweise die nied rigere Frequenz als Massstab dienen möge, mehrfach die Entladungsstrecken wechselt.
Zunächst soll das an zweiter Stelle ge nannte Mittel zur Verringerung der Be lastung der Zusatzentladungsstrecken an dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert werden. Der die Zusatzspannung liefernde Umformerteil enthält das mehr- anodige Gefäss 80 und die Transformator wicklung<B>36,</B> die im vorliegenden Fall dop pelt so viel Phasen enthält wie die die Grundwelle liefernde Transformatorwicklung 45.
Man kann nun, wie in Fig. 8 gezeigt ist, den Strom zwischen drei benachbarten Pha sen der die Zusatzspannung liefernden Trans formatorwicklung während jeder halben Pe riode der Wechselspannung b kommutieren. Zwischen t, und t" arbeitet beispielsweise die Wicklung pz, deren Spannung um 180 versetzt ist gegen die Spannung der die Grundwelle liefernden Phase, die mit ihr bei t" gleichzeitig durch Null geht und die Ein phasenhalbwelle einleitet.
An der .Stelle t, wird dann auf die vorhergehende Phase p.1 kommutiert, die den Strom während der Zeit t, bis t3 übernimmt. Von t3 bis t4 führt die auf die Phase p2 folgende Phase p3 Strom und von t, ab wieder die zu Anfang der Ein phasenhalbwelle brennende Entladungsstrecke der Phase p2.
In Fit' o-. 8 sind ausser den nach den Pha- sen p1, p2 und p3 benannten Zusatzspannun gen noch die Grundwelle a und die Summe der beiden Spannungen, also die erzeugte Einphasenspannung b, abgebildet.
Es ergibt sich, dass gegenüber den Ausführungsmög lichkeiten gemäss Fig. 1 bis<B>-6</B> die vorliegende Spannung b noch geringere Oberwellen ent hält.
Bei der soeben beschriebenen Ausfüh rungsmöglichkeit, bei der der die Zusatz spannung liefernde Umformerteil mehr Pha sen hat als der die Grundwelle liefernde Um formerteil, können daher die einzelnen Pha sen des Transformators und damit auch die Entladungsstrecken für kleinere Dauerlei stung ausgelegt werden. Beispielsweise wer den bei dem dargestellten Ausführungsbei spiel die Wicklungen 36 des Transformators, die konphas mit den die Grundwelle liefern den Wicklungen 45 liegen, bei einem Lei stungsfaktor zwischen 1 und 0,7 schwächer belastet als die dazwischen liegenden Wick lungen.
Für die Kommutierung zwischen den Phasen der Wicklungen 36 ist zu beachten dass während der einen Halbwelle der Ein phasenspannung nach dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der abzulösenden Pha sen- kommutiert werden kann, dagegen wäh rend der andern Halbwelle bereits vor die sem Augenblick die nächstfolgende Phase freigegeben werden muss. Es wird bemerkt, dass der Entladungsübergang zwischen belie big vielen Phasen der Wicklung 36 durch geführt werden kann.
Die Anwendung von .Stromteilern, ins besondere solchen, die ungleichphasige Ent ladungsströme nach Art der Saugdrossel spule koppeln, hat einerseits den Vorteil, dass die Belastung der einzelnen Entladungsstrek- ken verringert wird, und anderseits, dass die Anpassung an die gewünschte Phasenlage mit grösserer Genauigkeit möglich ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er findung erhält man durch eine Anordnung, bei der nur in gleicher Richtung liegende Teilspannungen addiert werden. Hierdurch lässt sich, wie im einzelnen aus den nachste henden Erläuterungen zu ersehen ist, eine besonders günstige Ausnutzung der einzel nen Anlageteile, insbesondere der Transfor- matorwicklungen, und in manchen Fällen eine noch bessere Annäherung an die Sinus form erreichen.
Fig. 9 der Zeichnung stellt ein solches Ausführungsbeispiel dar, und zwar bezieht sich die Anordnung auf eine Umformung von Drehstrom in Einphasenstrom bei einem starren Frequenzverhältnis von 1:2. Das primäre Drehstromnetz 1 speist den Trans formator 2, der eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen 2' und 2" auf weist. Die Sekundärwicklung 2' besitzt vier gleich grosse, um je<B>60'</B> versetzte Phasen, an die zwei gittergesteuerte, mehranodige Dainpfentladungsgefässe 31' und 31" ange schlossen sind.
Jedes der beiden Gefässe ar beitet auf eine Hälfte der Primärwicklung des Einphasentransformators 14, deren Mit telpunkt mit einem Ende der einphasigen Wicklung 2" des Primärtransformators 2 verbunden ist. Beide Enden der Wicklung 2" führen zu den Anoden eines zweianodi- gen Entladungsgefässes, dessen Kathode mit dem Sternpunkt der Wicklung 2' verbunden ist. Bei Leistungsfaktoren auf der Sekundär seite, die nicht unterhalb 0,7 liegen, brauchen nur die beiden mehranodigen Gefässe 31' und 31." gesteuert zu werden.
Die Arbeitsweise dieser Umformungsein richtung geht aus dem Schaubild der Fig.10 hervor. Es mögen e1 die von den Phasen der Wicklung 2' gelieferte Spannung und e2 die von der Wicklung 2" gelieferte Span nung darstellen. Wird während der einen Stromhalbwelle des Einphasenstromes bei spielsweise das Gefäss 31' leitend gemacht, so drückt es der zugeordneten Sekundärwick- lung des Einphasentransformators 14 die tra- pezförmige Spannung e1 auf.
Die Phasenlage der Wicklung 2" ist nun so gewählt, dass die von ihr zu liefernde Teilspannung e2 sym metrisch zur erzeugten Einphasenspannung liegt, und zwar so, dass die positive Halb welle in die Symmetrieachse der positiven Halbwelle der Einphasenspannung fällt. Dann wird, solange die .Spannung der Wick lung 2" negativ ist, der Strom über die Anode fliessen, die unmittelbar mit dem Mit telpunkt der Primärwicklung des Einphasen transformators 4 verbunden ist.
In der Zeit, in der die Wicklung 2" positive Spannungen führt, übernimmt die andere der beiden an der Wicklung 2" liegenden Anoden die Stromführung, und es wird dann zu der von der Wicklung 2' erzeugten Grundspannung e, die Spannung e. mit gleichem Vorzeichen hinzugefügt. Bei richtiger Bemessung der Spannungen e1 und e2 erhält man eine Span nung e, die von der in der Fig. 10 gestri chelt gezeichneten Sollspannung e nur un wesentlich abweicht.
Dieselbe Anordnung kann durch Erwei terung der Wicklungen 2' und 2" um die symmetrisch liegenden, negativen Phasen für den Betrieb bei Leistungsfaktoren kleiner als 0,7, das heisst bis 0, erweitert werden. Wei ter kann durch mehrphasige Ausbildung der Wicklung 2" und durch entsprechende Steue rung der Gefässe 31' und 31" auch eine ela stische Umformung durchgeführt werden.
Ähnliche Anordnungen lassen sich auch für andere Frequenzverhältnisse angeben. So ist in Fig. 11 beispielsweise das Spannungs bild einer auf ähnliche Weise zustande- bekommenen Wechselspannung gezeichnet, deren Frequenz zur Primärfrequenz im Ver hältnis 1 : 1,66 steht. Auch hier kann man durch geeignete Wahl der Spannungsgrössen eine weitgehende Annäherung an die Sinus form erreichen.
Wird das Frequenzverhältnis grösser, etwa 1 : 3, wie es im Bahnbetrieb vorkommt, so lässt sich auf einfache Weise, das heisst durch Addition zweier Teilspannungen, der gewünschte Effekt nicht mehr verwirklichen, da eine Zusammensetzung von zwei .Span- nungen keine hinreichende Annäherung an die Sinusform ergibt. Doch lässt sich das Ziel erreichen, wenn man beispielsweise eine Schaltung nach Fig. 12 vorsieht.
Zu dieser Schaltung gehören zunächst zwei mehrano- dige Gefässe 31' und 31", die, wie bei der Schaltung in Fig. 9, die trapezförmige Grund welle e1 liefern. In gleicher Richtung lie gende Zusatzspannungen liefern die Trans formatorwicklungen 2" und 2"' mit den zu gehörigen Entladungsgefässen 32 und 33, von denen jedes der beiden Systeme in vor bestimmten Zeiten seine Spannung zu der trapezförmigen Grundspannung zusetzt.
Bei spielsweise wird 32 so gesteuert, dass es (vergl. Fig. 13) in der Zeit t,'. <I>. .</I> t2' eine Zusatzspannung liefert und in den Zeiten, in denen es keine Spannung liefern soll, den Strom durch die mit seinem Wicklungspunkt verbundene Anode durchlässt.
Zur Vervoll- sländigung des Spannungsbildes liefert das System 2"", 33 symmetrisch zur Einphasen spannungswelle in der Zeit t,'. <I>. .</I> t3" eine Zusatzspannung e3, deren Grösse wieder so bemessen ist, .dass eine möglichst gute An näherung an die Sinusform erreicht wird.
Dieses Zusatzsystem braucht bei starrer Um formung 1 : 3 Zusatzsystem zweiphasig zu sein und daher nur drei gesteuerte Entladungsstrecken aufzuweisen, von denen zwei der- positiven bezw. negativen Wicklungshälfte und die dritte dem Mittelpunkt des Zusatzsystems zugeordnet sind. Bei geeigneter Steuerung kann wieder der Umformer für die Lieferung von Wirk- und Blindlast beliebiger Zusam mensetzung eingerichtet werden und ferner durch Erweiterung des Zusatzsystems 2"', 33 auf die volle Phasenzahl der beiden an dern Systeme 2', 31', 31" und 2", 32 für elastische Umformung angewendet werden.
Wenn die Zusammensetzung zweier Span nungen in der beschriebenen Form nicht ge nügt, lassen sich durch Abstufung der Wick lungen oder auch geeignete Phasenfolge, die mit der Phasenfolge des Hauptsystems nicht identisch zu sein braucht, unter Umständen noch bessere Spannungsformen erreichen. So ist in Fig. 14 gezeigt, wie man bei einem Frequenzverhältnis von 1 : 2 zu der trapez- förmigen, vom Grundsystem gelieferten Spannung e, eine Zusatzspannung von einem System hinzufügt, das eine weit höhere Pha senzahl aufweist, und dessen einzelne Pha sen verschieden gross bemessen sind.
Hier durch kann ebenfalls eine Spannungskurve mit guter Annäherung an die Sinusform er reicht werden. Auch bei dieser Anordnung kann bei starrer Umformung die Steuerung einzelner Entladungsstrecken entbehrt wer den.