Mit Wechsel- oder Umrichtern arbeitende .Anlage. Im schweiz. Patent Nr. 205659 wird ein Beispiel der Kommutierung von Umrichtern beschrieben, die mit Gleichstrom-ZwiscUen- stufe arbeiten und die ohne eine die Kur venform bestimmende Leitermaschine auf der sekundären Wechselstromseite arbeiten kön nen. Eine erzwungene Kommutierung erfolgt dabei von einer wechselrichtenden zu einer 'gleichrichtenden Ventilstrecke, wenn bei un veränderter Stromrichtung die Spannung auf der Wechselstromseite ihr Vorzeichen ändern soll.
Es hat sich nun gezeigt, dass dieses Beispiel einer erzwungenen Kommutierung nur einen Sonderfall einer sehr allgemeinen Regel für Kommutierung bei solchen Um- oder Wechselrichtern darstellt, welche ohne eine leitende Spannungskurve auf der empfan genden Wechselstromseite sollen arbeiten können, und welche so ausgedrückt werden kann, dass eine erzwungene Kommutierung zu einer Ventilstrecke mit gegenüber der ab gelösten verschiedenem Anschluss auf der Gleichstromseite<U>immer</U> dann erfolgt,
wenn die von der Gleichstrom- zur Wechselstrom seite (bezw. bei Umrichtung von der speisen den zu der empfangenden Netzseite) über führte Augenblicksleistung .durch die Kom- mutierung erniedrigt wird, gegebenenfalls auf einen negativen Wert.
Diese Regel, auf welcher die vorliegende Erfindung gegrün det ist, ist derjenigen gerade entgegengesetzt, die für die Ausnützung einer leitenden Wech- selspannungskurve gilt, nach welcher Regel nämlich eine erzwungene Kommutierung immer dann nötig wird, wenn die dem Wech selstromnetz zugeführte Augenblicksleistung erhöht bezw. die dem Gleichstromnetz zuge führte Leistung durch die Kommutierung er niedrigt werden soll.
Dies entspricht nämlich bei Wechselrichtung der nacheilenden und bei Gleichrichtung der voreilenden Phasenlage des Stromes, in welchen beiden Fällen be kanntlich eine. erzwungene Kommutierung er forderlich ist. Die gegebene Kommutierungsregel gilt bei mehrphasigen sowohl wie bei einphasigen Wechselrichtern und auch bei direkten Um richtern. Die verschiedenen Anschlüsse der einander ablösenden Ventilstrecken auf der Gleichstromseite entsprechen dabei verschie denen Umrichtergruppen, die in verschiede nen Weisen an das primäre Wechselstrom netz angeschlossen sind.
Inder Patentschrift Nr. 205659 bestehen die verschiedenen Anschlüsse der einander ablösenden Ventilstrecken an das Gleich stromnetz darin, dass ein Teil davon eine wechselrichtende und ein anderer Teil eine gleichrichtende Wirkung hat, oder mit andern Worten, dass die Gleichspannung im Verhältnis zu den Ventilstrecken von vollem Plus- zu vollem Minuswert umgekehrt wird. Allgemein können auch alle zwischenliegen den Werte zur Verwendung kommen, das heisst während gewisser Zeitabschnitte eine niedrigere Gleichspannung als die maximale und auch der Wert Null, was bedeutet, dass eine Ventilgruppe, die zeitweise den Strom führt, im Kurzschluss arbeitet.
In dieser Weise kann auf der Wechselstromseite eine abgestufte Spannungskurve erhalten werden, welche durch Glättungsmittel verhältnis mässig kleine Kapazität annähernd zur Sinus form ausgeglichen werden kann. Vorzugs weise werden die Zeiträume für die verschie denen Anschlüsse an die Gleichstromseite bezw. an die speisende Netzseite so gewählt, dass eine Spannungskurve ohne dritte oder eine andere höhere Überwelle erhalten wird.
Die einzelnen Ventilstrecken können in sogenannten Einweg- oder Zweiwegsehaltung liegen. Im ersten Fall kann jede Ventilstrecke an eine Transformatorwicklung oder es kön nen eine Mehrzahl von Ventilstrecken an eine Transformatorwicklung angeschlossen sein. Bei der Zweiwegschaltung können die beiden Netze gegebenenfalls direkt über die Ventil strecken verbunden sein.
Vier verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Fig. 1 bis 4 auf der beigefügten Zeichnung schematisch darge stellt, während Fig. 5 ein den Fig. 1 bis 3 entsprechendes Strom- und Spannungsdia gramm zeigt.
In Fig. 1, die die einfachste Ausführungs- form der Erfindung zeigt, ist 1 das die Lei stung abgebende Gleichstromnetz und 2 das die Leistung empfangende Wechselstromnetz, das in diesem Falle ein Einphasennetz ist. Zwischen die beiden Netze ist ein Wechsel richter eingeschaltet, der zwei an je eine \Vicklung auf demselben Transformator 3 angeschlossene Ventilgefässen 4, 5 aufweist.
Das Ventilgefäss 4 ist mit der Kathode 40 an den negativen Gleichstrompol angeschlos sen, während seine Anoden 41, 42 an die Endpunkte einer Wicklung 34 auf dem Transformator 3 angeschlossen sind, deren Nullpunkt an den positiven Gleichstrompol angeschlossen ist. Dieses Ventilgefäss ist in der bei Wechselrichtern normalen Weise aus geführt und eingeschaltet. Seine Steuerorgane sind nur schematisch angedeutet.
Das andere Ventilgefäss 5 ist mit seinen Hauptanoden 51., 52 an die Endpunkte einer ähnlichen Wicklung auf dem Transformator 3 angeschlossen, welche Wicklung der Ein fachheit halber vorzugsweise dieselbe Win- dungszahl wie die. Wicklung 34 hat. Der Nullpunkt dieser Wicklung ist an die Ka thode 50 des Ventilgefässes unmittelbar ange schlossen, so dass dieses Ventilgefäss im Kurz schluss mit der Gleichspannung = 0 arbeitet.
Eines dieser Gefässe kann ausser den jetzt: ge nannten Hauptanoden eine Anzahl der Kom- mutierung dienender Hilfsanoden enthalten, welche beispielsweise im wesentlichen nach der Patentschrift: Nr. 206300 geschaltet sein und arbeiten können. Die Sekundärwicklung 32 des Transformators 3 ist an das Wechsel stromnetz 2 über einen Resonanzkreis 8 an geschlossen, während parallel mit dem Netz ein Kondensator 9 liegt. Zwischen den Polen des Gleichstromnetzes liegt ein Kondensator 7 zum Ausgleich der Belastung der Strom quelle, welche beispielsweise ein Gleichrichter sein kann.
Die soeben beschriebene Anordnung wirkt. in der folgenden, in Fig. 5 in ihren Haupt zügen dargestellten Weise. Während eines gewissen Teils t,-t, der Periode fliesst der ganze Gleichstrom über die Anode 41, und zwischen den Enden der Sekundärwicklung 32 des Transformators 3 herrscht dann, falls sie der Einfachheit halber dieselbe Win- dungszahl wie die Hälfte der Wicklung 34 hat und die Spannungsabfälle vernachlässigt werden, die ganze Gleichspannung E.
Dieser Periodenteil <I>t,- t2</I> entspricht im dargestellten Beispiel einem "elektrischen Winkel" von 120 , wenn die ganze Periode to-ts = 360 gesetzt wird, wodurch die dritte tberwelle in der Spannung eliminiert wird. Unter der Voraussetzung eines sinusförmigen Stromes und reiner Wirkbelastung des Einphasen netzes folgt sowohl der Wechselstrom wie der Gleichstrom während dieser Zeit der Kurve To.
Während der genannten Zeitperiode ti-tx hat die Anode 41 negative Spannung gegenüber ihrem Wicklungsnullpunkt, und in Analogie hiermit hat die Anode 51 negative Spannung gegenüber ihrem Wicklungsnull- punkt, das heisst gegenüber der Kathode 50. Sie kann deshalb nicht zünden, und die bei den übrigen Anoden 42 und 52 werden durch ihre Gitter gesperrt gehalten.
Am Ende der genannten Zeitperiode zündet man zuerst eine Übergangsanode wahlweise im Gefäss 4 oder 5 und danach die Hauptanode 51, die durch die Übergangsanode positiv gegenüber der Kathode 5 gemacht worden ist, wobei die Anode 41 inzwischen gesperrt wurde, alles innerhalb eines Zeitraumes, der im Vergleich mit den in dem Diagramm dargestellten als kurz betrachtet werden kann und der des halb nicht eingezeichnet worden ist, um das Diagramm nicht unnötig zu komplizieren.
Die eine Hälfte der Trausformatorwicklung 35 wird nun kurzgeschlossen und die Span nung zwischen den Klemmen der Wicklung 32 sinkt bis auf Null, wie Fig. 5 zeigt.
Der Strom auf der Wechselströmseite wird vor läufig durch die Induktanz im Netz aufrecht gehalten, und ein Strom geht deshalb in dem kurzgeschlossenen Gleichstromkreis zwi schen der Kathode 50 und dem Nullpunkt der Wicklung 35; dagegen geht kein Strom zwischen den Klemmen des Kondensators 7 und dem Ventilgefäss 4, weshalb die Strom kurve in Fig. 5 während der nächstfolgen den Zeitperiode gestrichelt gezeichnet wurde.
Nach 30J - der ebengenannten Zeitperiode geht der Wechselstrom durch Null, und eine Kommutierung erfolgt dann von selbst von der Anode 51 zu der Anode 52, da die Sper rung der beiden Anoden vorzugsweise gleich zeitig aufgehoben wurde.
Nach weiteren 30 wird die Anode 42 freigegeben, und eine Kommutierung erfolgt dann von selbst zu dieser Anode, die das Potential des positiven Gleichstrompols hat. Zwischen. den Klem men der Transformatorwicklung 32 wird dann die ganze Gleichspannung in entgegen ges,etzter Richtung gegen vorher herrschen, und der ganze beschriebene Verlauf wird wäh ren der nächsten Halbperiode in. entgegen gesetzter Richtung wiederholt.
Die resultie rende Spannung der Wicklung 32 wird des halb eine abgestufte Wechselspannung, die den Höchstwert während 2 X 120' und den Wert Null während 2 X<B>60'</B> einer Periode hat. Sie kann zu einer sinusförmigen Span nung Eg durch Überlagerung gewisser über wellen, insbesondere der fünften, mittels des Resonanzkreises 8 und durch den Konden sator 9, geglättet werden. Auf der Gleich stromseite fliesst zu dem Wechselrichter der Strom I., von welchem im grossen und gan zen der Mittelwert Im von dem Netz 1 ge liefert wird,
während der Hauptteil der Pul sationen dem Kondensator 7 entnommen wird.
Bei induktiv phasenverschobenem Strom, entsprechend etwa tos <B>99</B> = 0,87, erhält man die Stromkurve I, in Fig. 5. Diese Kurve geht wie die Kurve<B>1,</B> durch Null, während der Kurzschlussperiode, und die Stromkommutie- rung erfolgt deshalb auch in diesem Falle von selbst zwischen den Anoden 51 und 52 in dem kurzgeschlossenen Wechselrichter 5.
Falls die Phasenverschiebung bei induktiver Last 30 , entsprechend cos (p = 0,87, über steigt, so dass der Strom beispielsweise der Kurve I, in Fig. 5 folgt, und falls man immer den kurzgeschlossenen Wechselrichter während 60 in jeder Halbperiode arbeiten lassen will, soll man mit der in Fig. 1 ge zeigten Anordnung einen Gleichrichter nach der Patentschrift Nr. 204997 oder 205659 kombinieren. Man erhält dann die in Fig. 2 dargestellte Schaltung.
Das Weehselrichter- gefä.ss 4 und das kurzgeschlossene Ventilge fäss 5 in dieser Schaltung entsprechen den selben in Fig. 1, und ihre Einzelheiten sind in entsprechender Weise bezeichnet. Das Gleichrichtergefäss ist mit 6, seine Kathode mit 60, die Anoden mit 61 und 62 und die Tra.nsformatorwicklung mit 36 bezeichnet.
Eine erzwungene Kommutierung wird in diesem Falle von der Anode 41 zu 51, wie in Fig. 1, und weiter von der Anode 51 zu der Anode 61, erforderlich, wenn die Kurz schlussperiode aufhören soll, weil dann auch die Transformatorwicklung 36 als kurzge schlossen betrachtet werden muss und die Anode 61 deshalb das Potential des Null punktes, das heisst des Minuspols, hat, wäh rend die Kathode dasjenige des Pluspols hat.
Nachdem letztgenannte Kommutierung be endigt ist, hat die Spannung auf dem Wech selstromnetz ihr Vorzeichen geändert, aber der Strom 1, geht infolge der Induktanz des Netzes vorläufig in derselben Richtung wie vorher (Fig. 5).
Das Gleichstromnetz, das heisst in erster Linie der Kondensator 7, wird nun gezwungen, diesen Strom über die Anode 61 zu empfangen, setzt aber demselben eine praktisch konstante Spannung entgegen und erniedrigt deshalb den Strom allmählich bis auf Null. ZVenn der Strom danach in ent gegengesetzter Richtung zu fliessen anfängt, das heisst in der von der Spannung bestimm ten Richtung, geht er auf die Anode 42 über, und diese Kommutierung erfolgt von selbst. weil die Anode 42 das Potential der Kathode 40 bereits besitzt und ihr Potential weiter erhöht wird, sobald der Strom über die Anode 61 erlischt.
Während der nächsten Halb periode erfolgt die Kommutierung in entge gengesetzter Richtung, so dass bei der angege benen Belastungsart zwei erzwungene und eine spontane Kommutierung während jeder Halbperiode vorkommen. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung hat wie in Fig. 1 nur eine Wechselrichtergruppe und eine kurzgeschlossene Ventilgruppe für je ein Einphasennetz und ist deshalb be stimmt, nur mit einer Stufe und mit einem cos (p von wenigstens - 0,87 zu arbeiten.
Sie unterscheidet sich von Füg. 1 einerseits darin, dass die Ventilgruppen in sogenannte Zwei wegschaltung ohne Transformator direkt ver bunden sind, anderseits darin, dass zwei ver schiedene Einphasennetzevorhanden sind, wel che beispielsweise mit gegeneinander 90 pha senverschobenen Spannungen gespeist werden können, um einen gewissen Ausgleich der Be lastung auf dem Gleichstromnetz zu bewir ken. Diejenigen Hauptventilstrecken, die auf der Kathodenseite direkt miteinander ver bunden sein können, sind in gemeinsamen Gefässen zusammengeführt.
Man erhält auf diese Weise für jedes Einphasennetz zwei Ventilgrefässe, nämlich für das Einphasennetz 10 die Ventilgefässe 11 und 12 und für das Einphasennetz 20 die Ventilgefässe 21 und 22, und ausserdem ein für beide Einphasennetze gemeinsames Ventilgefäss 15. Im folgenden wird nur die eine Einphasengruppe in Ein zelheiten beschrieben, weil die andere in damit vollständig analoger Weise angeordnet. ist und auch gleichartig arbeitet.
In jedem Ventilgefäss 11 und 12 sind zwei Hauptanoden 111 und 112 bezw. 121 und 122 und eine Übergangsanode 113 bezw. 123 (gegebenenfalls mehrere, um Belastungs schwankungen Rechnung zu tragen, wie in der Patentschrift Nr. 206300 beschrieben wurde). Die Anoden 111 und 122 sind an den positiven Gleichstrompol, die Anoden 112 und 121 dagegen an die Kathode 120 bezw. 110 des andern Gefässes angeschlossen. Die Übergangsanoden 113 und 123 sind unter einander verbunden und teils über einen Kon densator 130, teils über eine Induktanz 131.
in Reihe mit einer Ventilstrecke 132 und gegebenenfalls über eine Gleichstromquelle 133 in Reihe mit einer zweiten Ventilstrecke 134 mit einem geeigneten Punkt, beispiels weise dem positiven Gleichstrompol verbun den. Das Ventilgefäss 15 hat zwei Anoden für jedes Einphasennetz; von denen die dem Netz 10 angehörigen 151 und 152 an je eine der Kathoden 110 und 120 -angeschlossen sind. Diese Kathoden bilden gleichzeitig die beiden Pole des Einphasennetzes 20. Die Ka thode 150 des Ventilgefässes ist schliesslich an den negativen Gleichstrompol angeschlos sen.
Die Glättungsmittel auf der Gleich strom- und auf der Wechselstromseite sind die gleichen wie in Fig. 1 und in entspre chender Weise bezeichnet.
Während des in Fig. 5 dargestellten Periodenteils t,-t, fliesst der Strom vom Pluspol über die Anode 111, die Kathode 110, das Einphasennetz, die Anode<B>151</B> und die Kathode 150 zum Minuspol. Nach etwa 120 erfolgt mittels der Übergangsanode 113 er zwungene Kommutierung zu der Anode 112, so dass das. Einphasennetz über das Ventil gefäss 11 kurzgeschlossen wird. Gegebenen falls kann man gleichzeitig alle übrigen Hauptanoden sperren, so dass das Potential des Einphasennetzes "freischwebend" wird.
Die Stromkommutierung zur Anode 122 und die folgende Spannungskommutierung zur Anode 112 erfolgen von selbst, wie in Fig. 1. Das andere Einphasennetz arbeitet in dersel ben Weise, nur mit<B>90'</B> Phasenverschiebung gegen das jetzt beschriebene.
In Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, in welcher eine niedrigere Gleichstromspannung, die jedoch nicht Null ist, abwechselnd mit der höchsten Spannung dem Wechselstrom transformator aufgedrückt wird, so dass man in dieser Weise eine Zwischenstufe in der Spannungskurve erhält. Das Gleichstromnetz mit der höheren Spannung ist mit 1 und das Gleichstromnetz mit der niedrigeren Span nung mit 16 bezeichnet. Der Pluspol ist als beiden Netzen gemeinsam dargestellt und an den Nullpunkt der Wechselrichterwicklung 34 des Transformators 3 angeschlossen, und die Endpunkte dieser Wicklung sind in die sem Falle an Anoden in zwei getrennten Ven tilgefässen 17, 18 angeschlossen, eines für jede Gleichspannung.
Gegebenenfalls kann man statt dessen den Minuspol gemeinsam machen, in welchem Falle getrennte Wechselrichter- Wicklungen auf dem Transformator erforder- lieh sind, aber ein gemeinsames Wechselrich- tergefäss verwendet werden kann.
In dieser Schaltung wird, sobald eine Phasenverschie bung zwischen Strom und Spannung eintritt, wenigstens ein besonderes Gleichrichtergefäss 19 immer erforderlich, aber so lange die Pha senverschiebung sich innerhalb gewisser Grenzen hält, entsprechend der Zeit für die niedrigere Spannungsstufe, genügt ein solches Gleichrichtergefäss, das an die niedrigere Gleichspannung angeschlossen ist, wie die Figur zeigt.
Als Glättungsmittel sind in die ser Figur nur Kondensatoren 7 auf den bei den Gleichstromnetzen dargestellt, aber übri gens können die gleichen Glättungsmittel wie in Fig. 1 bis 3 verwendet werden.
Die Kom- mutierung muss bei der beschriebenen Be- lastungsart immer dann erzwungen werden, wenn sie von einer höheren auf eine niedri gere Spannung, das heisst vom Gefäss 17 an das Gefäss 18 geht, oder sobald die Spannung bei beibehaltener Stromrichtung ihr Vorzei chen wechselt, das heisst vom Gefäss 18 an das Gefäss 19.
Dagegen geht die Kommutierung spontan vom Gefäss 1.9 an das Gefäss zurück, wenn der Strom sein Vorzeichen wechselt, und vom Gefäss 18 an das Gefäss 17, wenn die Spannung durch Freigabe der betreffenden Anode in dem letzteren erhöht wird.
Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung kann selbstverständlich durch das Einführen eines besonderen kurzgeschlossenen StromricUter- gefässes mit zugehöriger Wicklung, entspre chend dem Gefäss 5 mit der Wicklung 35 in Fig. 1 oder 2, ergänzt werden. In diesem Falle erhält man drei Spannungsstufen auf der Gleichstromseite, die über die entspre chenden Ventilgefässe oder Transformator wicklungen angeschlossen sind.
Je nach der Phasenverschiebung muss man für eine grö ssere oder kleinere Anzahl dieser Spannungs stufen besondere Gleichrichtergefässe, ent sprechend dem Gefäss 19, einführen.
Bei der Anwendung der Erfindung für die Speisung von mehrphasigen Netzen kommt nur eine angemessene Anzahl Ventil strecken und Wicklungsphasen in dem ge- gebenenfalls vorkommenden Ventiltransfor mator hinzu. Die erzwungene Kommutierung bedeutet in- diesem Falle die Überführung des Stromes an eine Ventilstrecke, die an eine andere Phase des @,#Techselstromnetzes ange schlossen ist, und an eine andere, niedrigere oder entgegengesetzte Gleichspannung.
Bei direkter Umrichtung werden die be schriebenen verschiedenen Gleichstromnetze durch an gleichrichtende Ventilstrecken ange schlossenen Ventilwicklungen mit verschie dener Spannung ersetzt.