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Verfahren zur Vergrößerung d esi Leistungsfaktors hei der Steuerung
des Stromdurchganges durch, beispielsweise mittels Steuergitter, zündpunktgesteuerte
Dampf- oder Gasentlad'ungsgefäße Es ist bekannt, daß gesteuerte gas- oder dampfgefüllte
Entladungsgefäße in Gleichrichterschaltung eine praktisch verlustlose Regelung der
Gleichspannung durch Verlegung des Zündzeitpunktes gestatten. Diese Spannungsregelung
hat jedoch den Nachteil, daß der Belastungsfaktor, d. h. das Verhältnis der abgegebenen
Gleichstromleistung zur aufgenommenen Wechselstromleistung, immer kleiner wird,
j e mehr sich die geregelte Gleichspannung dem Nullwert nähert. Analysiert man die
primäre Stromkurve eines Gleichrichtertransformators, so findet man eine Grundwelle,
die je nach der Größe der geregelten Gleichspannung gegen die Wechselspannung mehr
oder weniger im Sinne einer Nacheilung verschoben ist, und Oberwellen. Die Grundwelle
kann man in eine Wirk- und Blindstromkomponente zerlegen. Die Blindstromkomponente
ist umgekehrt proportional der geregelten Gleichspannung. Da bekanntlich nur die
Grundwelle, die mit der Spannung in Phase ist, Arbeit leisten kann, so bringen die
Blindkomponente und die Oberwellen nur unerwünschte Vergrößerungen des effektiven
Wechselstromes hervor, durch welche un-. nötige Verluste in den Maschinen und Transformatoren
des Netzes verursacht werden. Entsprechend der Zerlegung des Wechselstromes in Blindkomponente
und Oberwellen unterscheidet man einen Verschiebungsfaktor und einen Verzerrungsfaktor,
deren Produkt den Belastungsfaktor darstellt.
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Bei den bisher bekannten Verfahren zur Regelung der Gleichrichterspannung
bei vorzugsweise mit mehr als drei Phasen betriebenen Entladungsgefäßen werden bei
voller Aussteuerung die Kuppen und bei Teilaussteuerung nur die abfallenden Flanken
der den Anoden aufgedrückten positiven Sinushalbwellen verwendet. Bei einem derartigen
Verfahren ergibt sich ein verhältnismäßig günstiger Verzerrungsfaktor, der ziemlich
unabhängig von der geregelten Gleichspannung ist, und ein Verschiebungsfaktor, der
bei voller Aussteuerung den Wert z besitzt und proportional mit der geregelten Gleichspannung
kleiner wird. Die Verkleinerung des Verschiebungsfaktors mit der durch die Regelung
erzielten Verminderung der Gleichspannung bedingt aber gleichzeitig eine steigende
Blindstromentnahme aus dem Wechselstromnetz.
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Um diese Blindstromentnahme aus dem speisenden Wechselstromnetz zu
vermeiden, ist bereits der Vorschlag gemacht worden, die Entladungsstrecken so zu
steuern, daß die
Schwerpunkte der Stromflächen der einzelnen Strompfade
gegenüber dem Maximum der zugeordneten Phasenspannungen- im Sinne der Voreilung
verschoben sind. Eine derartige Verschiebung der Stromflächen kann z. B. dadurch
erreicht werden; daß die vor dem Spannungsmaximum gezündete Entladungsstrecke in
einem bestimmten Zeitpunkt vorzeitig wieder gelöscht wird. Um wenigstens innerhalb
eines bestimmten Bereiches der regelbaren Gleichspannung einen günstigen Leistungsfaktor
zu erhalten; ist weiterhin bereits der Vorschlag gemacht worden, zwei an verschiedene
Transformatorspannungen angeschlossene Anodengruppen vorzusehen, von denen die an
die niedrigere Transformätorspannung angeschlossene Gruppe ungesteuert ist. Wenn
dann die Schnittpunkte der zu der an niedriger Spannung liegenden Anodengruppe gehörigen
Spannungskurven auf den Anodenspannungskurven der anderen Gruppe liegen, so läßt
es sich durch entsprechende Steuerung der steuerbaren Anodengruppe erreichen, daß
abwechselnd die steuerbare Anodengruppe längs eines absteigenden Astes ihrer Spannungskurve
und die urigesteuerte Anodengruppe längs eines ansteigenden Astes ihrer Spannungskurve
Strom führt. In den urigesteuerten Anoden eilt dann der Strom vor, während er in
den gesteuerten Anoden nacheilend ist. Die voreilenden und nacheilenden Ströme'
heben sich dann zum großen Teil zugunsten des Leistungsfaktors auf.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein weiteres Steuerverfahren,
bei welchem der ungünstige Einfloß der Spannungsregelung auf das speisende Wechselstromnetz
vermieden wird. Voraussetzung ist dabei, daß das gesteuerte gas- oder dampfgefüllte
Entladungsgefäß mindestens zwei dem gleichen Stromkreis angehörige Entladungsstrecken
besitzt, deren Anodenwechselspannungen um weniger als i8o° in der Phase gegeneinander
verschoben sind. Gemäß der Erfindung werden bei von der Phasenfolge abweichender
Brennfolge zur Bildung der Kurve der gleichgericheten Spannung auch solche Teile
der Anodenspannungskurven benutzt, längs deren die Wechselspannung der zugehörigen
Anöde von dem Schnittpunkt mit der Spannungskurve der in der Brennfolge vorangehenden
Anode an unter die Wechselspannung dieser vorangehenden Anode sinkt. Solche Teile
der Anodenspannungskurven waren bei dem bisher bekannten Steuerverfahren, gleichviel
für welche Betriebsart, von der Kurvenbildung der gleichgerichteten Spannung ausgeschlossen.
Durch das erfindungsgemäße Steuerverfahren wird erreicht, daß sich bei der Spannungsregelung
mehrere Stufen ergeben, bei denen der Strom gegenüber der Spannung der Grundwelle
praktisch überhaupt nicht verschoben ist, sondern daß die Spannungsregelung nur
durch Änderung der Amplitude der Grundwelle zustande kommt. Bei gleichbleibendem
Effektivstrom wird also das Verhältnis der Amplitude der Oberwellen zu der Amplitude
der Grundwelle geändert. An den betreffenden Regelstufen wird also kein zusätzlicher
Blindstrom aus dem Wechselstromnetz entnommen.
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Die Beteiligung von j e zwei Anoden an der Stromführung für jeden
einzelnen Stromanteil kann nun mit Hilfe der Steuerung der Entladungen derart erfolgen,
daß die Aussteuerung des Entladungsgefäßes über den ganzen Steuerbereich aus dem
Wechselstromnetz kontinuierlich erfolgt. Werden beispielsweise die Steuerorgane
zwecks Regelung der Einsatzpunkte der einzelnen Anoden mit Spannungen beaufschlagt,
die aus regelbaren Kondensatorentladungen gewonnen werden, so kann erfindungsgemäß
für jede einzelne Anode ein besonderer Steuerkreis vorgesehen sein; von diesen Steuerkreisen
sind je zwei zur Steuerung der beiden für jeden Aussteuerungsgrad des Entladungsgefäßes
an der Stromführung beteiligte Anoden miteinander in Abhängigkeit gebracht. Es können
jedoch auch gewisse Stufen der Aussteuerung zur Gewinnung eines Gleichstromes bestimmter
Höhe ohne gleichzeitige Blindstromentnahme aus dem Wechselstromnetz vorgesehen werden.
In diesem Fall kann beispielsweise die Regelung der Spannung der Steuerorgane zwecks
Regelung der Einsatzpunkte der Entladungen mit Hilfe von Kontaktwalzen vorgenommen
werden, die ebenfalls wieder jeweils die beiden an der Stromführung beteiligten
Anoden steuern. Für eine derartige stufenweise Aussteuerung des Entladungsgefäßes
sind in den beiliegenden Zeichnungen (Fig. i bis q.) Beispiele wiedergegeben; aus
denen der Verlauf der jeweiligen Spannungen und das Prinzip der Steuerung von Entladungsgefäßen
gemäß der Erfindung zu entnehmen ist.
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Fig. i stellt vergleichsweise den Verlauf der Spannung bei einem sechsphasigen
Gleichrichter mit voller Aussteuerung dar; i, 2, 3, 4, 5, 6 bedeuten die einzelnen
den sechs Anoden des Gleichrichters aufgedrückten Phasenspannungen.
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In Fig.2, 3 und 4 ist der Verlauf der Spannungen wiedergegeben, wie
er sich bei Benutzung des Steuerverfahrens gemäß der Erfindung ergibt, und zwar
stellt Fig. 2 den Fäll einer des Gleichrichters, Fig.3 den Fall der 1/2-Aussteuerung
und Fig. 4 den Fall einer 1/4 Aussteuerung des Gleichrichters dar.
In
Fig. 2 wird die Hälbwelle jeder Phase zweimal angeschlagen, und die Stücke a-b bzw.
a'-b', a"-b" usw. und e-f, e'-f', e"-f" usw. werden aus der Sinuskurve herausgeschnitten.
Phase i wird z. B. im Punkte a gezündet und führt Strom bis zum Punkte b, wo die
vorhergehende Phase 6 im Punkte e gezündet wird, die dann den Strom übernimmt, da
sie im Punkt e höheres Potential besitzt als die Phase i. Die Zündung der Phase
6 muß so früh erfolgen, daß der Lichtbogen der Phase i bis zum Zeitpunkt c erloschen
ist, da sonst das Potential der Phase i größer wird und demgemäß Phase i wieder
den Strom führen würde. Während der Zeitr b-c überlappen sich die beiden Ströme
der Phase i und 6, und es besteht die Bedingung, daß die Überlappung so klein ist,
daß die Phase i im Zeitpunkt e gelöscht ist. Innerhalb der Zeit b-c muß also die
Lichtbogenstrecke der Phase i entionisiert sein. Im Punkte ä übernimmt die Phase
:2 den Strom, da in diesem Zeitpunkt die Sperrung der Anode durch die Steuerorgane
aufgehoben wird und sie nun ein höheres Potential besitzt als Phase 6. Im Punkte
b' wird Phase i nochmals gezündet unter Beachtung der erforderlichen Entionisierungszeit
b'-c' für Phase 2; sie brennt dann wieder bis zum Punkte f', wo Phase 3 den Strom
übernimmt usw. Es sei noch besonders darauf aufmerksam gemacht; daß bei diesem Steuerverfahren
die Brennfolge der einzelnen Anoden nicht mehr mit der Phasenfolge übereinstimmt.
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In Fig. 3 ist der Fall einer 1/,-Aussteuerung des Entladungsgefäßes
dargestellt. Phase i wird wieder im Punkte a gezündet und brennt bis zum Punkte
b; im Punkte e
wird die vorhergehende Phase 6 gezündet, die dann bis
zum Punkte f' brennt. Der Punkt f'
fällt mit dem Punkt ä zusammen,
wo die Phase 3 mit der Stromführung beginnt. Diese dauert bis b'. In e' beginnt
Phase 2 Strom zu führen, und zwar bis f" bzw. ä'.
In c' ist Phase 3
erloschen. Die Zeit b-c bzw. b'-c' muß dabei wieder größer sein als die. Entionisierungszeit
der Lichtbogenstrecke. Es wird also von den Phasen i, 3, 5 eine ansteigende Flanke
und von den Phasen 6, 2, q. eine absteigende Flanke benutzt.
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In Fig. q. ist eine noch kleinere Spannungsstufe, und zwar der Fall
einer 1/4-Aussteuerung des . Entladungsgefäßes wiedergegeben. Phase i wird wieder
im Punkte a gezündet und brennt bis zum Punkte b; im Punkte e wird die vorhergehende
Phase 6 gezündet, die dann bis zum Punkte f bzw. ä brennt. Im Punkte
f bzw. ä übernimmt Phase 2 den Strom bis b', Phase i übernimmt den
Strom nochmals im Punkte e' und führt ihn bis zum Punkte f' bzw. ä'. -Auch
hier tnuß die Zeit b-c bzw. b'-c' größer sein als die Entionisierungszeit der 'Lichtbogenstrecke.
Im Punkte f' bzw. ä' beginnt die Phase 3 mit der Stromführung; sie
wird im Punkt e" von der Phase i abgelöst.
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Wäre nach der Einrichtung gemäß der Erfindung die Entionisierungszeit
Null, dann würden die Punkte b bzw. e und -c praktisch zusammenfallen, der Verschiebungsfaktor
wäre i, d. h. cos 9 gleich i. Wegen der Entionisierungszeit muß die vorhergehende
Phase vorzeitig gezündet werden. Deshalb tritt noch eine geringe Phasenverschiebung
der Grundwelle auf. Dagegen ist im Gegensatz zu den bekannten Verfahren eine Verzerrung
vorhanden. Während die bei den bekannten Verfahren auftretende Phasenverschiebung
nur durch entsprechend große und kostspielige Kondensatorbatterien oder Blindstrommaschinen
kompensiert werden kann, kann die beim Verfahren gemäß der Erfindung auftretende
Verzerrung durch Verwendung von zwei Transformatoren, deren Sekundärwicklungen entsprechend
geschaltet sind, kompensiert werden, so daß die meisten Oberwellenströme auf der
Primärseite nur zwischen den Primärwicklungen der Transformatoren fließen, während
das Netz hauptsächlich nur die Grundwelle liefert.
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Die Spannungsregelung gemäß der Erfindung wird besonders dort mit
Vorteil anzuwenden sein, wo verschiedene konstante Spannungsstufen verlangt werden,
z. B. wenn ein Gleichstrommotor mit mehreren Drehzahlen laufen soll. Hierbei kann
derart vorgegangen werden, daß zum Anlassen des Gleichstrommotors das bekannte Verfahren
der Ausnutzung nur der abfallenden Flanken der Spannungshalbwellen angewendet und,
nachdem man die verlangte Drehzahlstufe erreicht hat, die Gittersteuerung des Entladungsgefäßes
gemäß der Erfindung umgeschaltet wird.
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Soll der Anker eines Gleichstrommotors mit Hilfe eines erfindungsgemäß
gesteuerten Gleichrichters aus dem Stillstand bis zur geforderten Drehzahl mit vollem
Drehmoment hochgefahren werden, so kann man vorteilhaft im gleichen Entladungsgefäß
eine besondere Anodengruppe vorsehen, die über einen Hilfstransformator mit dem
Wechselstromnetz verbunden ist und einen konstanten Erregerstrom für den Motor liefert.