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Einrichtung zur Verhinderung der Überlastung eines Metalldampfgleichrichters,
dessen Anoden an den Seiten eng von einem zylindrischen Anodenschutzrohr umgeben
sind Bei Metalldampfgleichrichtern, deren Anoden an den Seiten eng von einem Anodenschutzrohr
umgeben sind, besteht die Gefahr, daß durch ungleichmäßige Verteilung des Lichtbogenstromes
auf die parallel geschalteten Anoden oder Anodenteile bei großer Stromstärke eine
Überlastung eintritt. Diese Überlastung kann, solange der Strom einen bestimmten
Wert nicht überschreitet, durch gleichmäßige Verteilung des Gesamtstromes auf alle
zur Stromführung geeigneten Teile der Anoden vermieden werden. Das Ziel dieser Maßnahme
ist, örtliche Überhitzungen, die zum Schmelzen oder Verdampfen bzw. zum Brüchigwerden
der überlasteten Anodenteile führen, zu verhindern. Die örtliche Überlastung einzelner
Anodenteile hat zudem den Nachteil, daß wegen der durch die hohe Temperatur begünstigten
Elektronenemission des Anodenmaterials und der auf den Anoden durch Materialtransport
im Lichtbogen stets vorhandenen Verunreinigungen die Rückzündungsgefahr vergrößert
wird. Es ist deshalb gebräuchlich, für die Gleichrichter großer Stromstärke Anodenzahl
und Abmessungen zu vergrößern. Dem Parallelschalten von Anoden und auch dem starken
Vergrößern der Anoden steht jedoch die fallende Stromspannungskennlinie des Lichtbogens
entgegen, die das Vorschalten von so großen Ohmschen oder induktiven Widerständen
vor jede der an dieselbe Transformatorphase angeschlossenen Anoden erforderlich
macht, daß diese Reihenschaltung von Widerstand und Lichtbogen eine steigende Stromspannungskennlinie
hat. Dieses komplizierte Verfahren hat vor allem außer dem großen Aufwand an Kupfer
und dem großen Platzbedarf den Nachteil, daß der Gleichrichter mehr vakuumdichte
Stromeinführungen benötigt. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, diese Widerstände
dadurch in das Vakuumgefäß hineinzuverlegen, daß die Anode unterteilt wird und je
ein Widerstand einerseits mit dem allen Teilen gemeinsamen Stromdurchführungsleiter,
andererseits mit je einem dieser Anodenteile verbunden ist. Selbst wenn der spez.
Widerstand des Anodenmaterials sehr groß ist, so daß durch einfaches Einfräsen tiefer
Schlitze und Spalten in die Anode die den Oberflächenelementen vorgeschalteten Widerstände
aus dem Anodenmaterial selbst in einfacher Weise gewonnen werden, haftet diesem
Verfahren ein Mangel an, dessen Beseitigung der Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist.
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Bei der Anordnung gemäß. der Erfindung wird der Widerstand in die
Gsstrecke gelegt. Es wird eine Anordnung gewählt, die im Gegensatz zu anderen Vorschlägen
sich durch besondere Einfachheit und Betriebssicherheit auszeichnet.
Es
ist nämlich vorgeschlagen worden; unmittelbar angrenzend an die Anodenoberflache
ein System von parallel geschalteten Röhrchen aus Isoliermaterial vorzusehen, die
die Anodenoberfläche berühren und so eng sind, daß sie den Rückzündungsstrom, der
nur durch einen der Kanäle fließt, auf ein erträgliches Maß einschränken. Diese
Anordnung hat den Nachteil, daß die Anode in unmittelbarer Berührung mit Isoliermaterial
steht, das bekanntlich in erwärmtem Zustand in besonders hohem Maße die Einleitung
von Rückzündungen begünstigt. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Anode
mit einer Anzahl von tiefen Bohrungen zu versehen und die Anodenstirnflache mit
Isoliermaterial zu überziehen, so daß der Lichtbogen nur auf der Innenseite der
Bohrungen ansetzen kann. Auch diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Rückzündungsgefahr
wegen des unmittelbaren Kontaktes zwischen der Anode und dem Isoliermaterial erheblich
gesteigert wird. Es ist andererseits auch vorgeschlagen worden, im Anodenschutzrohr
in größerem Abstand von der Anode ein System von konzentrischen Rohren anzuordnen,
durch die eine weitgehende Entionisierung der Entladungsstrecke während der Sperrperiode
erzielt wird. Die bekannte Einrichtung eignet sich jedoch nicht dazu, eine gleichmäßige
Verteilung des Stromes auf die Anodenoberfläche zu erzwingen. Dazu ist erstens ihr
Abstand von der Anode zu groß, und zweitens ist sie nicht aus radialen Führungsflächen
zusammengesetzt, sondern aus zueinander konzentrischen Rohren. Diese Anordnung hat
jedoch den Nachteil, daß die inneren Rohre infolge der schlechten Wärmeableitung
an das Anodenschutzrohr eine bedeutend höhere Temperatur als bei der Anordnung gemäß
der Erfindung annehmen. Die radialen Führungsflächen können nämlich ohne Schwierigkeit
in guten wärmeleitenden Kontakt mit dem bedeutend kühleren Anodenschützrohr gebracht
werden.
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Erfindungsgemäß werden deshalb im Anodenschutzrohr mit Abstand vor
der Anodenstirnflache angeordnete radiale Führungsflächen nach Breite, Länge und
Abstand von der Anodenstirnfläche derart bemessen, daß der Lichtbogen bei geringer
Belastung des Gleichrichters praktisch von einem der durch die Führungsflachen gebildeten
Kanäle und der ihm entsprechenden Anode bzw. dem ihm entsprechenden Anodenteile
übernommen wird und erst, wenn der Lichtbogenstrom einen Wert erreicht hat, der
in der Nähe der maxifinal zulässigen Belastung dieser Anode bzw. dieses Anodenteiles
liegt, bei weiter steigendem Strom der Lichtbogen auch auf andere mit ihr bzw. mit
ihm parallel geschaltete Anoden bzw. Anodenteile übergeht. Auf diese Weise wird
also der zur Stabilität der Parallelschaltung beim Betriebsdruck erforderliche,
mit zunehmendem Druck zunehmende Spannungsabfall in unmittelbarer Nähe der Anode
mindestens bei Strömen von solcher Größe erreicht, bei denen eine ungleichmäßige
Verteilung der Ströme auf die parallel geschalteten Anoden bzw. Anodenteile eine
unzulässige Belastung der Anodenoberfläche bedeuten würde.
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Die Abbildungen: zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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In Abb. z ist eine Quecksilberdampfgleichrichteranlage dargestellt,
bei der gemäß der vorliegenden Erfindung Einrichtungen vorgesehen sind, die das
Parallelschalten der Anoden auch ohne äußere Vorschaltwiderstände gestatten.
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Abb. 2 zeigt die Stromspannungskennlinie für den einzelnen zu einer
Anode brennenden Lichtbogen und den durch die parallel geschalteten Anoden bei verschiedener
Belastung fließenden Strom.
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Abb. 3 und q. stellen eine bewährte Form der Anodenkammer dar und
die Abb. 5 eine andere Ausführungsform.
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In Abb. fi= bedeutet ro das Gleichrichtergefäß mit den Anoden xz bis
22, von denen jede mit einer ungeraden Nummer versehene Anode parallel mit der darauffolgenden,
mit einer geraden Nummer bezeichneten Anode an eine der Sekundärphasen eines Transformators
23 angeschlossen sind. Dieser Transformator besteht aus einer Dreiphäsenprimärwicklung;
welche an die Wechselstromklemmen 25 angeschlossen ist, und aus einer Sechsphasensekundärwicklung,
welche in zwei Dreiphasenteile 26 und 27 aufgeteilt ist, die durch einen Zwischentransformator
28 miteinander verbunden sind. Der Mittelpunkt 29 des Transformators 28 stellt den
negativen Pol des Gleichstromkreises dar.
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Bei ähnlichen Anlagen hat man es in der letzton Zeit für nötig gehalten,
in jeden der Anodenstromkreise Stromteilerdrosseln einzubauen, die die parallel
geschalteten Stromkreise induktiv miteinander so verbinden, daß eine gleichmäßige
j Verteilung des Stromes auf die parallel zueinander geschalteten Anoden bewirkt
wird. Es hat sich nun herausgestellt, daß es bei geeigneter Bemessung des Gleichrichters
möglich ist; bei geeignetem Dampfdruck im Gleichrichtergefäß i den Anodenstrom in
jeder Gruppe von parallel geschalteten Anoden so zu verteilen, daß eine zufriedenstellende
Stromverteilung auch ohne die erwähnten Anoden- oder Stromverteilerdrosseln herbeizuführen
ist.
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Es ist bekannt, daß der Spannungsanfall von Quecksilberdampflichtbogen
von kleinem Strom bis zu dem Strom, den man bisher als Vollast angesehen hat, mit
zunehmendem Strom abnimmt. Solche Stromspannungscharakte- i ristiken nennt man fallend,
oder man spricht auch von einem negativen Widerstand. Wird
ein solcher
Widerstand von Strom durchflossen, so wird nach dem Jouleschen Gesetz auch in ihm
Wärme erzeugt wie in einem ebenso großen positiven Widerstand.
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Es ist bekannt, daß bei höherem Strom der Spannungsabfall wieder zunimmt
und schließlich bei großem Strom auf einen beträchtlichen Wert ansteigt. Diese Zunahme
des Lichtbogenabfalles mit zunehmendem Strom ist kennzeichnend für Quecksilberdampfgleichrichter
mit niedrigem Dampfdruck und hoher Belastung, während in dem vorher erwähnten Bereich
des negativen Lichtbogenwiderstandes trotz hohen Dampfdruckes die Stromstärke niedrig
ist. Der positive Widerstand ist daher wahrscheinlich eine Folge der Annäherung
an den Zustand restloser Ionisation aller in dem Raum vor den Anoden befindlichen
Quecksilberatome. Ein Beispiel einer derartigen Kurve ist mit a in Abb. 2 gezeichnet.
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Es hat sich ferner herausgestellt, daß der Grenzstrom, der mit Sicherheit
durch eine Anode bewältigt werden kann, beträchtlich über dem Wert liegt, bei dem
der Lichtbogenwiderstand positiv wird.
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Wenn mehrere Anoden parallel geschaltet sind, führt die Anode, die
die kleinste Zündspannung hat, bei kleiner Belastung praktisch den Gesamtstrom,
und dieser Zustand bleibt bei zunehmendem Gesamtstrom während des ganzen fallenden
Teiles der Stromspannungskennlinie des Lichtbogens und im steigenden Teil dieser
Kurve bis zu dem Punkt bestehen, bei dem die Zündspannung einer anderen der parallel
geschalteten Anoden überwunden wird. Dann beginnt auch diese Anode Strom zu führen.
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Diese Verhältnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Mit a ist die Stromspannungskennlinie
eines mit niedrigem Dampfdruck arbeitenden Queck, silberdampfgleichrichters wiedergegeben,
bei dem der Lichtbogenabfall, also die Spannung zwischen Anode und Kathode als Ordinate
und der Anodenstrom als Abszisse aufgetragen sind. Der Grenzstrom für eine einzelne
Anode liegt beispielsweise ungefähr beim Punkt 3o der Kurve a, und er entspricht
einer Spannungsdifferenz von ungefähr 50 V zwischen Anode und Kathode. Die
Kurven b und c stellen den Strom dar von zwei parallel geschalteten Anoden, beispielsweise
von den Anoden i= und 12 der Abb. i. Wenn der als Abszisse aufgetragene Strom klein
ist, wird er vollkommen durch eine Anode, z. B. die Anode 1ß, des Anodenpaares fließen,
wie es die Kurve b wiedergibt. Der Lichtbogenabfall nimmt nämlich bei so kleinem
Strom mit zunehmendem Strom ab, so daß der Gesamtverlust kleiner ist, wenn eine
Anode den ganzen Strom führt, als wenn zwei parallel geschaltete Anoden je etwa
den halben Strom führen. Wenn der Strom den Bereich des negativen Lichtbogen= widerstandes
überschritten und einen bei 31 angedeuteten Wert erreicht hat, der dem Punkt
32 im positiven Bereich des Widerstandes der Kurve a entspricht, bei dem der Spannungsabfall
gerade so groß ist wie die Zündspannung der zweiten Anode (Anode ii), beginnt diese
Anode Strom zu führen, wie Kurve c darstellt. Von diesem Punkt an beginnt die gleichmäßigere
Verteilung des Stromes auf die parallel geschalteten Anoden. Der noch bestehende
Unterschied des von ihnen geführten Stromes ist hauptsächlich eine Folge des durch
die Verschiedenheit der Länge des Lichtbogens zwischen Anode und Kathode verursachten
Unterschiedes im Lichtbogenwiderstand.
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Da beim Punkt 31 der Strom kleiner ist als der höchste für eine einzelne
Anode zulässige Strom, nämlich kleiner als der Strom bei Punkt 30, ist die ungleichmäßige
Verteilung bis zu dieser kleinen Belastung nicht nachteilig für die allein brennendeAnode.
BeigroßenBelastungen, die sich dem Grenzwert 3o nähern, verteilt sich der Strom
ziemlich gleichmäßig auf die Anoden. Es ist demnach der Gesamtstrom, der durch das
Anodenpaar übertragen werden kann, ungefähr doppelt so groß wie der, der mit Sicherheit
durch eine einzige Anode übertragen werden kann. In derselben Weise können drei
oder mehr Anoden miteinander oder mit einer einzigen Transformatorklemme verbunden
werden. Der gesamte Anodenstrom kann dann auf das drei- oder mehrfache desjenigen
Stromes vergrößert werden, der durch eine einzige Anode gleicher Größe übertragen
werden kann, ohne daß äußere Mittel zur Stabilisierung der Parallelschaltung erforderlich
sind.
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Ein weiterer Schritt, der besonders für Gleichrichter mit Metallgefäß,
bei denen der Querschnitt des Durchführungsleiters sehr groß gewählt werden kann,
von Bedeutung ist, besteht in der Vereinigung dieser kleinen Anoden zu einer großen
Anode mit einem bis dicht vor die Anodenoberfläche unterteilten Lichtbogenführungsrohr.
Anstatt also die parallel geschalteten Anoden außerhalb des Metallgefäßes miteinander
zu verbinden, können sie innerhalb des Gefäßes miteinander verbunden oder sogar
zu einer einzigen großen Anode vereinigt sein, zu der der Lichtbogen über zwei oder
mehr parallele Wege geleitet wird. Es -hat sich herausgestellt, daß eine Anode,
der in dieser Weise der Strom zugeführt wird, denselben Strom mit Sicherheit führen
kann wie zwei oder mehr kleinere in der oben beschriebenen Weise parallel geschaltete
Anoden. Wenn jedoch eine einzelne große Anode innerhalb eines großen Anodenarmes
mit einem einzigen zu ihr führenden Durchlaß angeordnet ist, arbeitet sie bei demselben
Dampfdruck nicht so zufriedenstellend wie die kleineren Anoden bei demselben Dampfdruck.
Es muß vielmehr der Druck so weit erniedrigt werden, daß die große Anode nicht
mehr
Strom führt als eine einzelne kleine Anode. Beispielsweise muß eine in einem Arm
von 25 cm Durchmesser angeordnete Anode bei einem Druck von ungefähr o,ooo6
mm Hg arbeiten, damit sie denselben Strom führen kann wie eine in einem Arm von
7,5 cm :angeordnete und bei ungefähr 0,005 mm Dampfdruck arbeitende Anode.
Falls in beiden Fällen nur eine Gleichspannung von 3000 V entnommen werden
soll, ist es nicht erforderlich, daß die parallelen Wege zu der Anode vollkommen
getrennt verlaufen, sondern sie können- auch dicht nebeneinander liegen.
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Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festzulegen, kann man annehmen,
daß das Kriterium für eine geeignete Bauart von der Wahrscheinlichkeit abhängt,
mit der ein Elektron, das von der Anode zur Kathode wandert, die Wände der Lichtbogenführung
oder des Gefäßes berührt, bevor es mit einem Quecksilberatom zusammentrifft. Wenn
diese Wahrscheinlichkeit unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, ist ein zufriedenstellendes
Arbeiten möglich. Wenn diese Wahrscheinlichkeit größer ist, können Rückzündungen
auftreten. Die kritische Zusammenstoßwahrscheinlichkeit hängt von der gleichzurichtenden
Spannung ab, und sie ist um so kleiner, je höher die Spannung ist.
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Die Lichtbogenführungsrohre müssen so bemessen sein, daß oberhalb
eines Stromwertes, bei dem ein einem Führungsrohr zugeordnetes Oberflächenelement
durch den Gesamtstrom überlastet würde, der Lichtbogenwiderstand positiv ist und
groß genug, um eine ausreichende gleichmäßige Verteilung des Stromes auf die parallel
geschalteten Rohre zu bewirken. Es ist klar, daß die Lichtbögenführung ihren Zweck
nur erreicht, wenn die Führungswände bis an die Anoden geführt werden. Beträgt der
Abstand zwischen ihrem Ende und der Anode mehr als zo cm, so hört die Wirkung vollkommen
auf. Die günstigste Entfernung ist etwa i cm. Bei zu kleinem Abstand stört die im
Anodenfall frei werdende Wärme, weil durch sie die Führungswände schmelzen. Hinsichtlich
der Abmessungen der Führungskanäle hat man einen weiten Spielraum, da mit langen,
weiten Kanälen dieselbe Wirkung erzielt werden kann wie mit kurzen, engen.
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Die durch diese Führungen erzwungenen Lichtbogenverluste sollten schon
mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad nicht unnötig groß gemacht werden: Es besteht
aber auch die Gefahr; daß bei zu großem zusätzlichen Lichtbogenabfall, der eine
Potentialdifferenz zwischen dem Eingang und Ausgang des Bogens in den Kanal darstellt,
diese Differenz sich über die Führungswände des Kanals, falls sie aus Leitern bestehen,
ausgleichen. Es bildet sich dann an der der Anode zugewandten Seite ein Kathodenfleck
und auf der abgewandten Seite eine anodische Entladung. Diese Gefahr kann durch
Verwendung von Führungswänden aus Isoliermaterial oder auch durch Unterteilen der
Führungswände in voneinander isolierte Abschnitte beseitigt werden.
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Wenn andererseits die Stromdichte zu groß gewählt wird; ist ein zu
großer Prozentsatz der Dampfatome ionisiert. Diese Ionen werden aus dem Führungskanal
durch das elektrische Feld entfernt, und es tritt ein Mangel an Dampf und damit
an Ionen ein. Der Lichtbogenabfall nimmt dann während jeder Stromperiode von Anfang
bis zum Ende zu. Der Lichtbogen reißt dann häufig gerade bei großer Stromstärke
in so kurzer Zeit ab, daß wegen der Induktivität des vom Anodenstrom durchflossenen
Kreises sehr hohe Überspannungen auftreten.
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Eine andere wichtige Bedeutung hat die Beseitigung der Ionen, welche
am Ende eines Stromwechsels in dem Raum unterhalb der Anoden verbleiben. Wenn diese
Ionen nicht schnell absorbiert werden, können sie die Anode bombardieren und auf
ihr einen Kathodenfleck erzeugen. Um diese Ionen zu absorbieren, ist der Räum unterhalb
der Anode innerhalb der Anodenkammer in die erwähnten engen und verhältnismäßig
langen Räume unterteilt, deren Oberflächen zum Absorbieren von Ionen geeignet sind.
Auch für diese Wirkung der Führungswände ist es nicht erforderlich, daß sie aus
leitendem Material bestehen; Wände aus Isoliermaterial haben dieselbe Wirkung. Selbstverständlich
dürfen Wände aus leitendem Material weder mit der Anode noch mit der Kathode in
leitender Verbindung stehen. Die wichtigste Dimensionierung von Größe und Abstand
derartiger Oberflächen hängt von der an die Anoden anzulegenden Spannung und vom
Strom ab.
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Abb. 3 und q., welche einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in der
Abb. 3 in Richtung der Pfeile darstellt, zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem die Anodenkammer unterhalb der Anode durch Enbeulungen4z der Kammerwandung
verengt ist. Die Anzahl und Größe dieser Einbeulungen ist derart, daß die hierdurch
geschaffenen Durchlässe in Breite und Länge so sind, daß sie wiederum den obengenannten
Bedingungen entsprechen. Die Länge der Einbeulungen ist größer als der Durchmesser
der Anodenkammer.
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Abb. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem Teile 42 und
43 aus Graphit oder anderem geeigneten Material vorgesehen sind, die senkrecht aufeinanderstehend
die Anodenkammer kreuzen. Dadurch wird die Kammer in mehrere getrennte parallele
Kammern aufgeteilt und verschiedene Wege für den Lichtbogen geschaffen. Es herrscht
dann derselbe Zustand wie bei mehreren getrennten parallel geschalteten Anoden (vgl.
Abb. z).