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Umrichter Der Anschluß von einphasigen Verbrauchern großer Leistung
an ein vorhandenes Drehstromnetz durch ruhende Umformer ist eine dringende Forderung,
die insbesondere von seiten der SchweiCmaschinenindustrie immer wieder gestellt
wird. Bekanntlich benötigt man zum Punkt-, Naht- und auch Stumpfschweißen relativ
große Leistungen, die ohne Zwischenschaltung eines rotierenden Umformers mit entsprechenden
Schwungmassen nicht an das vorhandene Drehstromnetz angeschlossen werden können.
Die bei Schweißmaschinen auftretenden Stoßbelastungen, die bei rein transformatorischem
Anschluß an zwei Phasen des Drehstromnetzes auftreten, sind sowohl in den allgemeinen
Versorgungsnetzen als auch speziell in den Fabriknetzen ungern gesehen, da sie die
Symmetrie des Drehstromnetzes stark gefährden. Schon bei Lichtbogenschweißtransformatoren
versucht man deswegen, durch Kunstschaltungen einen Anschluß an drei Phasen zu erreichen,
aber auch hierbei erzielt man nur eine Belastung der Phasen im Verhältnis 1:2:1.
Bei Lichtbogenschweißgleichrichtern sind die Verhältnisse insofern einfach, als
man einen dreiphasigen Umspanner wählen kann und auf der Sekundärseite des Transformators
einen Gleichrichter für eine mehrphasige Gleichrichtung vorsehen kann. Bei Punkt-
und Nahtschweißmaschinen geht man neuerdings ähnliche Wege, wobei es allerdings
sehr schwierig ist, die Gleichrichtersätze, die für zo ooo Amp. und mehr ausgelegt
werden müssen, zu bauen.
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Selbst wenn mit der Zeit eine Vervollkommnung der Trockenplattengleichrichter
für diese enorm hohen
Stromstärken möglich sein wird, ist immer
noch eine weitere Forderung für die Schweißmaschinen nicht gelöst, nämlich die Regulierung
der Schweißstromstärke selbst und das Schalten von Schweißimpulsen. Hierzu verwendet
man bekanntlich Stromrichtergefäße, die, in den bisherigen Ausführungen antiparallel
geschaltet, die Schweißmaschinen an ein Einphasennetz anzuschließen gestatten.
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Grundsätzlich ist eine Lösung des angeschnittenen Problems, die Schweißmaschinen
aus dem Drehstromnetz bei symmetrischer Belastung aller Phasen zu speisen, nur mit
dem Umrichter möglich, welcher eine höhere Frequenz als das Einphasennetz liefert.
Es wurden von dem Erfinder) bereits derartige Umrichterschaltungen eingehend untersucht,
und es ist ohne weiteres möglich, unter Verwendung eines Umrichters eine Schweißmaschine
mit beispielsweise iSo Hz bei symmetrischer Belastung des Drehstromnetzes von 5o
Hz zu betreiben. Die Steuerspannung kann wie bei einem normalen gittergesteuerten
Gleichrichter dem Drehstromnetz von 50 IIz entnommen werden. Allerdings ist
der Aufwand dadurch besonders groß, da für die Stromrichteranlage ein besonderer
Stromrichtertransformator mit einem Typenleistungsfaktor vom -1,48fachen Wert der
Schweißleistung in sechsphasiger Sekundärausführung benötigt wird und außerdem eine
Kondensatorenbatterie, deren Ladeleistung etwa das 1,25 fache der Schweißleistung
beträgt, zur sicheren Kommutierung der Stromrichteranlage erforderlich ist.
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Die Erfindung wählt deshalb einen neuen Weg, indem sie für den Anschluß
der Schweißmaschine die Frequenz. von 75 Hz, also das 1,5 fache der Netzfrequenz,
vorsieht. Bei dieser Ausführung können die beiden Stromrichtergefäße direkt an das
Drehstromnetz mit vollbelastbarem Nulleiter angeschlossen werden, so daß der große
Stromrichtertransformator gespart wird. Ferner ist die Kondensatorenbatterie nicht
mehr erforderlich, da eine natürliche Kcimmutierung der Anodenströme bei einer in
der Phasenlage entsprechend günstigen Brennzeit des Anodenstroms gewährleistet ist.
Darüber hinaus werden die Anoden bei einem Betrieb mit 75 Hz mit 120' Brennzeit
gegenüber 6o' Brennzeit bei 15o Hz belastet, so daß das Stromrichtergefäß ebenfalls
günstiger beansprucht ist und somit kleiner gewählt werden kann.
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Will man die Spannung eines derartigen Umrichters durch Gittersteuerung
mittels Zündverzögerung stufenlos regulieren, so benötigt man für die Steuerung
eine Frequenz, für welche folgende Gesetzmäßigkeit besteht Ist Fp -- Frequenz des
speisenden Primärnetzes, F8 = Frequenz des zu speisenden Sekundärnetzes und F,t
= Steuerfrequenz für die Gitter, dann muß erfindungsgemäß F, = 1,5 - Fp sein und
F" = 0,5 - Fp oder F" = 0,33 - F8 sein, d. h. die Steuerfrequenz
beträgt F" = 25 Hz bei F, = 5o Hz und F, = 75 Hz.
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Ist diese Gesetzmäßigkeit gegeben, dann kann die *) Dissertation an
der Technischen Hochschule Aachen mit dem Thema »Umrichter zur Umformung von Ein-
oder Mehrphasenstrom gegebener Frequenz in solche höherer Frequenv< aus dem Jahre
1937. Umrichterspannung stufenlos von Null bis zum Maximum geregelt werden, wenn
die Steuerspannung von 25 Hz beispielsweise durch einen Drehregler in ihrer Phasenlage
gegenüber der Anodenspannung verschoben wird.
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Der Gedanke sei an Hand eines Ausführungsbeispiels noch einmal näher
erläutert. Abb. i zeigt eine Umrichterschaltung, welcher gegenüber den anderen bekannten
Umrichterschaltungen dadurch der Vorzug gehört, daß sie einen direkten Anschluß
der Stromrichtergefäße an das vorhandene Drehstromnetz gestattet. Der dreiphasige
Transformator mit der Frequenz F, = 5o Hz speist zwei dreianodige Stromrichtergefäße
mit den Anoden 1, 2, 3 bzw. l', 2', 3'. An jede Phase des Drehstromnetzes ist von
jedem Gefäß eine Anode angeschlossen. Die Kathoden der Stromrichtergefäße führen
zu dem Sekundärtransformator für die Frequenz Ff = 75 Hz, an welchem die einphasige
Leistung abgenommen wird. Zur Gittersteuerung ist für jedes Stromrichtergefäß ein
dreiphasiger Steuertransformator vorgesehen, der in bekannter Weise angeschlossen
ist. Primär werden die beiden Steuertransformatoren über einen Drehregler gespeist.
Die Frequenz muß entsprechend der erfindungsgemäß angegebenen Lehre 25 Hz sein.
Die Wirkungsweise der Anordnung offenbaren die Abb. 2, 3 und 4. In der Abb. 2 sind
zunächst die drei Spannungen des Drehstromsystems aufgetragen. Die Brennzeiten der
Anoden sind schraffiert. Der maximale Zündverzögerungswinkel beträgt 30°. Die Anoden
brennen in folgender Reihenfolge: i - 2' - 3 - I' - 2 - 3' - i usw. Abb. 3 zeigt
die Steuerimpulse, die bei einer Frequenz von 25 Hz an der Anode i liegen. Die Steuerimpulse
für die Anoden 2 und 3 sind entsprechend dem dreiphasigen Steuersystern um 12o °
versetzt wirksam. Abb. 4 zeigt die Zusammensetzung der neugewonnenen Spannung von
75 Hz aus der Abb. 2. Sinngemäß liefern die positiven Halbwellen der neugewonnenen
Umrichterspannung von 75 Hz die An= oden 1, 3, 2, während die negativen Halbwellen
von den Anoden 2', 1', 3' geliefert werden. Der Zündverzögerungswinkel kann durch
Verändern der Phasenlage der in Abb. 3 gezeigten Steuerspannung vergrößert werden,
so daß die Umrichterspannung stufenlos von Null bis zum Maximum geregelt werden
kann. Ferner ist es möglich, anfallende Blindströme der Sekundärseite zu übertragen,
sofern der Steuerwinkel entsprechend der Größe des Blindstroms eingestellt wird.
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Zum Schluß sei erwähnt, daß die durch die Erfindung angegebene Lehre
nicht nur auf das in der Abb. i niedergelegte Schaltbild beschränkt ist, sondern
es können alle anderen Umrichterschaltungen ebenso verwendet werden. Der Unterschied
gegenüber der beschriebenen Schaltung besteht nur darin, daß dann der Transformator
entweder in zwei Dreiphasensysteme und ein sechsanodiges Gefäß aufgeteilt wird oder
ein Dreiphasensystem und ein sechsanodiges Gefäß und ein mehrfach aufgeteilter Sekundärtransformator
oder ein einfacher Sekundärtransformator und ein Seehsphasensystem mit sechs einanodigen
Gefäßen erforderlich sind. Diese Möglichkeiten sind an Hand der hier niedergelegten
Lehre und der bereits bekannten Umrichterschaltungen leicht zusammenzustellen. Genau
so ist es möglich, den niedergelegten Gedanken für
zwei-, drei-
und mehrphasige Sekundärnetze auszubauen.