Anordnung zum Betrieb von Stromriehtern, bei denen eine Stromlireisunterbrechung auf mechanischem Wege erfolgt. Ein Nachteil der bekannten Q,uecksilber- dampfgleichrichter ist der Lichtbogenabfall von etwa 10 bis etwa 30 V, je nach Grösse des Entladungsgefässes. Dieser Lichtbogen abfall vermindert den Wirkungsgrad gerade bei kleinen Spannungen erheblich. Bei einer Gleiehrichteranlage für 5000 A und 25 V Lichtbogenabfall gehen beispielsweise dauernd 25 . 5000 =125 kor verloren, die nutzlos in Wärme umgesetzt werden und die Wirt schaftlichkeit bei kleinen Spannungen in Frage stellen.
Mit einem besseren Wirkungs grad im Bereich kleiner Spannungen arbeiten die Stromrichter, bei denen eine Stromunter brechung auf mechanischem Wege erfolgt. Dabei ist es gleichgültig, ob die Elektroden in Luft oder in einer Flüssigkeit (Elektro lyt) getrennt werden oder ob die bewegte Elektrode selbst ein Flüssigkeitsstrahl ist. Schwierigkeiten beim Betrieb der Strom- richter mit Stromunterbrechung auf mecha nischem Wege ergeben sich durch Abnut zung und Verschmutzung der Elektroden und sind in erster Linie durch die Unter brechung des Stromes bedingt.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesse rung des Betriebes von Stromrichtern, bei denen eine Stromunterbrechung auf mechani schem Wege erfolgt. Erfindungsgemäss ge lingt dies dadurch, dass der Stromrichter schaltungsmässig in n-phasenverschobene Teil stromrichter mit je mindestens zwei in zyklischer Reihenfolge arbeitenden Phasen unterteilt ist, von denen jeweils höchstens eine Phase Strom führt, und dass zwischen die Teilstromrichter Drosselspulen bezw. Transformatoren geschaltet sind, die magne tisch derart beschaffen sind,
und an deren Klemmen eine Spannung mit derartiger Be schaffenheit hinsichtlich Frequenz und Kur- venform liegt, dass in gewissen Zeitteilchen der Strom auf n-Strombahnen verteilt wird, und dass in andern Zeitteilchen der Strom von weniger als n-Strombahnen übernommen wird. Dadurch gelingt es, sowohl die ein gangs geschilderten Schwierigkeiten zu be heben als auch die Stetigkeit des Energie- flussec, wie sie bei mehrphasigen Gleich- und Wechselrichtern gefordert wird, sicher zustellen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Dieses bezieht sich auf eine sechsphasige Gleichrichteranlage, die das Gleichstromnetz 1 speist. Von dem speisenden Haupttransfor mator sind der Anschluss an das Wechsel stromnetz sowie die Primärwicklung nicht dargestellt. In der Zeichnung angegeben ist die in zwei dreiphasige Steuerwicklungen 2' und 2" unterteilte Sekundärwicklung des speisenden Haupttransformators. An jede der Phasenwicklungen 21 ... 26 ist eine Kon taktbahn angeschlossen, die von einer umlau fenden Bürste 20' bezw. 20" bestrichen wird.
Man erkennt, dass die den einzelnen Phasen wicklungen zugeordneten Kontaktbahnen auf elektrische Verhältnisse bezogen weniger als 120' lang sind, dass in dem der Zeichnung zugrunde liegenden Zeitpunkt die Bürste 20' stromlos ist und die Bürste 20" den Ge samtstrom führt. Etwa<B>10'</B> später läuft die Bürste 20' auf die zur Phasenwicklung 21 gehörende Kontaktbahn auf. Die Bürste 20' übernimmt nun einen steigenden Anteil des Laststromes, bis nach spätestens weiteren 40 die Bürste 20" stromlos wird und während weiterer 20' die Bürste 20' den Gesamt strom führt.
Erreicht wird dieses Arbeiten durch eine Drosselspule bezw. Transforma tor 3, die magnetisch derart beschaffen ist, und an deren Klemmen eine Spannung mit derartiger Beschaffenheit hinsichtlich Fre quenz und Kurvenform liegt, dass in gewis sen Zeitteilchen der Strom auf zwei Strom bahnen verteilt wird, und dass in andern Zeit teilchen der Strom von einer Phasenwicklung der andern Sternwicklung allein übernom men wird. Bei Zugrundelegung des Schalt- Bildes gemäss Fig. 1 ergeben sich die Strom verhältnisse gemäss Fig. 2: Im 1 obern Teil sind die Phasenspannungen 21<B>...</B> 26 darge stellt.
Darunter ist der durch die Bürste 20' fliessende Strom ä\ und unten der durch die Bürste 20" fliessende Strom ä" dargestellt. Man erkennt, dass i' einen Grösstwert an nimmt, wenn i" jeweils den Wert Null hat, und dass für i" das gleiche gilt.
Die Drosselspule bezw. Transformator 3 unterliegt schaltungsmässig gleichen Bedin gungen wie bekannte Anordnungen, unter scheidet sich aber hiervon wirkungsmässig. Zieht man beispielsweise den Saugtransfor mator zum Vergleich heran, so ergibt sich dort,
dass der Saugtransformator den Last strom - abgesehen vom Magnetisierungs- strom - in jedem Zeitteilchen auf beide Teilstromrichter gleichmässig unterteilt. Ver gleicht man aber die Anordnung gemäss der Erfindung mit dem Transformator zur Ein fügung von Kommutierungsharmonischen, so ergibt sich,
dass im bekannten \alle - ab gesehen vom Kommutierungsvorgang -stets nur eine Entladungsstrecke Strom führt. Zwar liegt in allen drei Fällen an der Dros selspule bezw. Transformator 3 eine Span nung dreifacher Frequenz, aber hinsichtlich Phasenlage und Kurvenform sind alle drei. Fälle verschieden.
Vergleicht man eine An ordnung gemäss der Erfindung (Fig. 2a) mit dem Saugtransformator (Fig. 2b), so haben die beiden Spannungen Ui, und Us im Falle gleicher Phasenlage auch annähernd gleiche Kurvenform. Strommüssig besteht der Unter schied, dass bei der Saugdrossel der Anoden strom, z.
B. i23; mindestens 1i20 dauert, und zwar von dem Schnittpunkt der Phasenspan nungen 21 und 23 bis zum Schnittpunkt der Phasenspannungen 23 und 25, dass hingegen bei einer Anordnung gemäss' der Erfindung die Stromdauer jeder Phase weniger als 120 beträgt, und zwar wegen des Zu- und Ab schaltens im stromlosen Zustand im Zeit punkt t23' bezw. t23" mit<B>301</B> Phasennach- eilung gegenüber der bekannten Anordnung.
Eine Drosselspule für die Zwecke der Erfin dung erfordert gegenüber einem Saugtrans- formator weniger aktives Material, dafür aber einen wesentlich höheren Magnetisie- rungsstrom. Da dieser sich dem Laststrom überlagert,
ergeben sich die verschiedenarti gen Kurvenformen gemäss Fig. 2a und 2b. Hinsichtlich ihrer Kurvenform unterscheidet sich die hier vorgeschlagene Spannung UD von der mehr spitzen Kurvenform UI" einer Kommutierungsharmonischen (Fig. 2c), ausser dem aber noch durch die Phasenlage, die im bekannten Falle veränderlich, im vorliegen den Fall aber fest ist. Ausserdem aber arbei tet im bekannten Falle jede Phase (vergl. z. B. den Anodenstrom i23) nur<B>60,'.</B>
Arbeitet der Stromrichter mit veränder licher Last, so ist es zweckmässig, die für die Drosselspule bezw. Transformator erforder liche Spannung fremd zu erzeugen. Arbeitet jedoch der Stromrichter mit praktisch unver änderlicher Last, so ist die Fremderzeugung nicht notwendig; in diesem Falle kann man die gewünschte Wirkung durch entspre chende Bemessung des Kupfers und Eisens (gegebenenfalls auch des Luftspaltes und eines etwaigen magnetischen Nebenschlusses) für die Drosselspule bezw. Transformator erreichen.
In manchen Fällen ist es zwecks besserer Ausnutzung der Wicklungen des Haupt transformators günstig, an Stelle mehrerer Sternwicklungen eine Vieleekwicklung für den Haupttransformator zugrunde zu legen. Dieser Fall ist schematisch in Fig. 3 an gedeutet. Erforderlich sind hierbei zwei Drosselspulen bezw. Transformatoren 3 und zwei Bürstensätze 20' und 20", nämlich je einen für jede Gleichstromleitung.
Die Erfindung hat nicht nur Bedeutung für Stromrichter, bei denen die Elektroden trennung in Luft oder in einer Flüssigkeit (Elektrolyt) erfolgt, sondern auch für Strom richter, bei denen die bewegte Elektrode selbst ein Flüssigkeitsstrahl ist. Eine der artige Ausführungsmöglichkeit ist in Fig. 4a und 4b der Zeichnung dargestellt, und zwar in einem senkrechten und horizontalen Schnitt.
In einem Behälter 10 befindet sich eine Zentrifuge 11, die von der Welle 12 mittels eines nicht dargestellten Synchron motors angetrieben wird. In. der Mitte im besonders vertieften Mittelboden des Behäl ters befindet sich eine leitende Flüssigkeit 13, z. B. Quecksilber, die durch die Zentri- fugenrohre 11 nach oben gesaugt wird, an deren Spitze austritt und dann die in den Fig. 1 und 31 dargestellten Kontaktbahnen 14 bestreicht.
Die Zahl der Zentrifugalrohre und ihre gegenseitige Lage ist genau so zu bemessen, als wenn die bei Fig. 1 und 3 dar gestellten Bürsten benutzt würden. Bei der konstruktiven Durchbildung wird man vor teilhaft die beim Bau von Turbinen gewon nenen Erkenntnisse anwenden. Beispielsweise ist es günstig, die feststehenden Kontakt bahnen als Umleitschaufeln auszubilden, wie bereits in Fig. 4b angedeutet ist, und ebenso die Austrittsdüse für den Flüssigkeitsstrahl so einzurichten, dass die Austrittsgeschwin digkeit der Flüssigkeit möglichst klein ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er findung ist in Fig. 5 der Zeichnung schema tisch veranschaulicht. An den äussern Enden der Drosselspule bezw. Transformator 3 sind die Bürsten 20' und 20" angeschlossen, fer ner ein Widerstand 4.
In diesem fliesst ein Strom Jw, der von der an der Drosselspule bezw. Transformator 3 liegenden Wechsel spannung hervorgerufen wird. U, in Fig. 6 ist die Differenzspannung zwischen den bei den Teilstromrichtern. In dem obern Teil der Fig. 6 ist durch die schraffierte Fläche die Spannung an der halben Drossel angedeutet.
Ohne den Widerstand 4 würden die Bürsten 20' und 20", die die den einzelnen Phasen wicklungen zugeordneten Kontaktbahnen be streichen, je die Hälfte des Gleichstromes, also 1/2 Jg., führen. Fliesst jedoch ausserdem der Wechselstrom J, und ist seine Ampli tude mindestens gleich dem halben Gleich stromwert, also 1/2 Jg., so überlagern sich J, und Jg. in den zu den Bürsten 20' und 20" führenden Leitungen. Man sieht in Fig. 6, dass die durch die Bürsten 20' und 20" flie ssenden Ströme J' und J" abwechselnd zu Null werden.
Wird<B>J</B> zu Null, so lösen sich die Kurven der Phasenspannungen 21 und 23 funkenlos mit der Bürste 20' ab. Entspre chendes gilt für J".
Die vorstehenden Ausführungen gelten N für den Fall, dass J" konstant oder nur wenig veränderlich ist, und dass stets die Ampli tude von Jw mindestens gleich der Hälfte des Gleichstromes, also 1/s Jg, ist. Ändert sich J. stärker, so muss auch J, geändert werden, i was beispielsweise mittels Kohledruckreglers erfolgen kann.
Man kann auch die elektrische Mitte des Widerstandes 4 mit der Mitte der Drossel spule bezw. Transformators 3 verbinden. Dann fliesst ein Teil von J, im Verhältnis der Ohmschen Widerstände der Schaltele mente 3 und 4 über den Widerstand 4. Die Gleichstrombelastung der Drosselspule bezw. Transformators wird geringer, der Effektiv wert des durchfliessenden Stromes steigt je doch, da jetzt auch dem Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert ist. Durch Kurz schlusswindungen oder verlustreiches Eisen blech kann man J, in der Drossel auch un mittelbar erzeugen.
Die im Widerstand 4 auftretenden Ver luste (Uw. J,) werden; da Uw mit der Pha senzahl kleiner wird, mit steigender Phasen zahl kleiner. Diese Verluste kann man - un abhängig von der Phasenzahl - fast völlig vermeiden, wenn man die Drosselspule bezw. Transformator mit einer laststromabhängi- gen Zusatzlast versieht. Diese kann beispiels weise ein für die Frequenz der Drossel be messener Synchronmotor sein, der vorteilhaft mit der an das Drehstromnetz angeschlos senen Maschine für den Antrieb des umlau fenden Schalters auf einer Welle sitzt.
Diese Maschine entnimmt alsdann dem Drehstrom netz keine Energie, sondern gibt Energie in das Netz zurück, die ihr durch den an der Drossel liegenden Synchronmotor mechanisch zugeführt wird. Auch für diesen Fall gilt, abgesehen von den Magnetisierungsströmen, die Synchronmotor und Drossel aufnehmen, Fig. 6 angenähert.
Die in der Spannungs kurve vorhandene dritte Harmonische beein- trächtigt nicht das betriebliche Verhalten, des Synchronmotors. Die Unabhängigkeit von der Belastung kann durch eine magnetische Kupplung oder dergleichen erzielt werden, die, vom Gleichstrom J# durchflossen, die Be- dingung zwischen J, und J,;
durch Verstel lung des Polrades bei allen Belastungen auf rechterhält.
Man kann die wechselweise Stromver drängung zur funkenlosen, mechanischen Stromumformung nicht nur schaltungsmässig, sondern auch durch Bemessung der Drossel spule bezw. Transformators erzielen. Es wird hierdurch der Magnetisierungsstrom Jm so gesteigert, dass sein Höchstwert stets gleich 1/s J" ist.
Da J. jedoch der Spannung Uw um etwa 90 ; bezogen auf die Frequenz an der Drossel, nacheilt, so müssen die Kontakte etwa 90 später geöffnet und geschlossen werden. Hierdurch verändert sich zwar die Spannungskurve U" beträchtlich (siehe die schraffierten Teile der Mg. ?), ohne jedoch die Stromkurven J' und J", die die Summe von 1/s J" und J. darstellen,
wie in dem untern Teil der Fig. 7 gezeigt ist, für den gewünschten Zweck unbrauchbar zu machen. Lösen sich die Spannungskurven 21 und 23 ab, so herrscht zwischen ihnen eine gewisse Spannung; da jedoch kein Strom in diesem Augenblick fliesst, so ist die Schaltleistung Null. Diese Spannung vermindert sich ausser dem mit steigender Phasenzahl.
Fügt man in die Drossel beiw. Transfor mator einen Streukern, also einen freien magnetischen Rücksehluss mit Luftspalt ein, so heben sich die Gleichflüsse der beiden, nicht zusammenliegenden Wicklungshälften nicht mehr auf, sondern schliessen sich über den Streukern.
Der linke und rechte Schen kel werden mit steigender Gleichstromlast vormagnetisiert, wodurch sich die Induktivi- tät der Drossel erheblich vermindert. J. steigt annähernd proportional mit J" an.
Je- i doch in der Nähe des Leerlaufes nimmt die Drossel bei sehr geringem Gleichstrom einen Strom auf wie jeder leerlaufende Transfor mator. Durch Parallelschalten eines Konden sators kann man den Lrlaufstrom auf- heben.
Die Bedingung 1/s J, gleich Höchst wert von J., lässt sich somit für einen grossen Bereich von Belastungswerten erfüllen. Än dert sich die zugeführte Transformatorspan- nung, um die Gleichspannung zu verändern, so müssen die Windungszahlen an der Dros sel entsprechend verändert werden. Man kann auch die Gleichstromvormagnetisierung ver ändern, wenn man beispielsweise statt eines festen Streukernes einen tauchbaren vorsieht.
Belastet man in Fig. 5 die Spannung an der Drossel bezw. Transformator 3 statt durch einen Widerstand 4 mit einem Gleich richter beliebiger Art, so lässt sich auch für verschiedene Gleichspannungen und für ver schiedene Belastungen die Bedingung der Stromfreiheit während des Wechsels der Elektroden erreichen.
Verwendet man bei spielsweise einen zweianodigen Quecksilber dampfgleichrichter hierfür, und führt man nach entsprechender Umspannung seine Last parallel dem zu speisenden Gleichstromnetz gemeinsam mit dem mechanischen Haupt gleichrichter zu, so übernimmt dieser bei einer der Spannungskennlinie des Haupt gleichrichters angepassten Spannungskenn- linie einen dem Gleichstromwert proportiona len Anteil.
Es ist klar, dass man durch bekannte Mit tel, z. B. Drosseln, die Stromkurven der Fig. 6 an der Spitze nach Möglichkeit ab flacht, um den Nullwert des Stromes auf möglichst lange Zeit zu erhalten. Auch bei Belastung durch einen Gleichrichter muss man diese Bedingung anstreben.