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Verfahren zum Betrieb von Wechselrichtern Bei Wechselrichtern mitgesteuerten
Entladungsstrecken muB jede Entladungsstrecke bekanntlich eine ausreichende Zeit
vor dem Phasenschnittpunkt, also .dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der einander
.ablösenden Phasen, gezündet werden. Dies ist erforderlich, weil nicht nur die Kommutierungszeit
zwischen dem ablösenden und -dem abgelösten Strommweig vor dem Phasenschnittpunkt
beendet sein muB, sondern außerdem die abgelöste Enitladungsstrecke auch, um ein
Wiederzünder zu vermeiden, eine bestimmte Freiwerdezeit benötigt, bevor ihre Anode
wieder positiv gegenüber der Kathode werden darf. Man wird andererseits, bestrebt
sein, den Zündzeitpunkt der Entladungsstrecken so nahe wie möglich an den Phasenschnittpunkt
heranzulegen, da hierdurch die Aufnahme induktiver Blindleistung durch den Wechselrichter
verringert wird.
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Es ist nun im allgemeinen nicht möglich, nach dem Zündzeitpunkt der
Entladungsstrecken, der j a gegebenenfalls an der Vorrichtung zum Verändern der
Zündzeitpunkte angezeigt werden kann, die den Entladungsstrecken jeweils nach zurEntfonisierung
zur Verfügung stehende Zeit zu beurteilen, da die Dauer der Kommutierung stark von
-der Belastung und dem jeweiligen Arbeitspunkt. des Wechselrichters abhängt. Da
durch eine zu gering bemessene Ruhezeit der Entladungssbreckeni aber ein Wiederzündern
hervorgerufen wird und damit ein Kippen des Wechselrichters eintritt, :ist es für
den. Betriebsingenieur,
der eine größere Wechselrichteranlage zu
betreuen hat, die etwa einen; Teil einer Kraftübertragungsanlage mit hochgespanntem
Gleich-Strom ,bildet, besonders wichtig, jeweils die bei .dem gerade vorliegenden
Betriebszustand den Entladungsstrecken noch zur Entionisierung ,zur Verfügung stehende
Zeit zu kennen.
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Nach der Erfindung wind nunc bei Anlagen der oben beschriebenen Art
die den, Entladungsstrecken zur Entionisierung zur Verfügung stehende Zeit, d. h.
die Zeit zwischen dem Stromloswerdern einer-Entladungsstrecke und dem Wiederauftreten
positiver Anodenspannung analer gleichen Entladungsstrecke, mindestens in einer
Phase dauernd durch ein Meßinstrumen;t angezeigt. Es ist- selbstverständlich auch
möglich, eine derartige Anzeige für mehrere Phasen vorzusehen, wodurch gleichzeitig
eine Kontrolle ,de:s gleichmäßgenArbeiten@s aller Phasen möglich ist.
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An Hand der Fig. i und 2 seien die hier vorliegenden Verhältnisse
erläutert. Die Fig. i zeigt einen eindachendreiphasigen, Wechselrichter, der Energie
aus :dem Gleichstromnetz i an das Drehstromnett 2 liefert. Er besteht aus dem Stromrichtertrarns,formatOr3,:drei
gesteuertem Entladungsstrecken 4 ... 6 und einer Glättungsdrossel 7. Die Fig.2 zeigt
die wichtigsten Spannungsverläufe in dem Wechselrichter nach Fig. i. Es bedeuten;
8, 9 und io die Phasenspannungen des Stromrichtertransformators, gemessen gegenüber
dem Transformatorsternpunkt. i i stellt die Spannung des Verbindungspunktes, der
Kathoden der Entladungsstrecken 4... 6 dar, die jeweils während der Arbeitsdauer
einer einzelnen Entladungsstrecke mit der zugehörigen Phasenspannung zusammenfällt.
Die Spannung 12 ist .die Sperrspannung einer Entladungsstrecke, beispielsweise der
Entladungsstrecke 4, -die ans der Phasenspannung 8 liegt. Im Zeitpunkt 13 wird:
die Entladungsstrecke 5 gezündet; his zum Zeitpunkt 14 führen die beiden Entladungsstrecken
4 und 5 Strom, und dementsprechend verläuft die Spannung ii zwischen den Spannungen:
8 und 9. Im Zeitpunkt 14. ist die Stromüberrnahme auf die Entladungsstrecke 5 beendet,
die Entladungsstrecke 4 wird, stromlos. In diesem Augenblick springt,die Sperrspannung
an der Entladungsstrecke 4 (Spannung 12) auf einen negativen Wert, der nun, der
Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen i i und 8 folgend, abnimmt, um im Zeitpunkt
15 durch Null zu positiven Werten, überzugehen. Die Zeit von 14 bis 15 ist die hier
interessierende Zeit, die der Entladungsstrecke 4 zur Entionisierung zur Verfügung
steht. Ist im Zeit-Punkt 15 die Entionisienung noch nicht genügend fortgeschritten,
so daß durch die jetzt im positiven Sinne zunehmende Anodenspannung ein Wiederzünden
eintreten kann, wird ein. Kippen des Wechselrichters ausgelöst. Der Abstand zwischen
den Zeitpunkten 13 und 15 ergibt sich aus den Zündzeitpunkten der Entladungsstrecken,
die Zeit 14 bis 15 soll nach der Erfindung dauernd durch ein anzeigendes Meßinstrument
überwacht werden. Inder Fig. 3 ist der Verlauf der Spannung 12 in dem interessierenden
Bereich nochmals herausgezeichnet. Nach .der Erfindung wird nun nicht die gesamte
Sperrspannung, die in der Zeit 14 bis 15 an der zu überwachenden. Entladungsstrecke
auftritt, einem Meßinstnument, zugeführt, sonldern es wird unter Zuhilfenahme von
gesteuerten oder urgesteuerten,dampf- oder gasgefüllten Entladungsstrecken, Elektronenröhren
.oder anderen gleichrichtenden, Elementen ein zumindest annähernd rechteckförmiiger
Stromblock jeweils während der Zeit 14 Ibis 15 gebildet, unid diese periodisch auftretenden
Stromblöcke werden einem anzeigenden Meßinstrument zugeführt. Als Instrument wird
vorteilhaft ein Drehspulinstrument verwendet; da dies bei der Bildung der rechteckförmig
en, Str:omblöcke eine annähernd geradlinige Skaleneinteilung in elektrischen Graden
erhält. Die Bildung des in Fig.3 schraffiert dargestellten Stromblockes von bestimmter
Höhe hat außerdem den Vorteil, d@aß hierdurch die Messung unabhängig wird von der
Amplitude der Wechselrichterphasenspannung, so daß :das Meßergebni:s durch eine
Umschaltung am Stromrichtertransiforinator rieht nennenswert beeinfiußt wird. Außerdem
wird eine Beeinflussung des Meßergebnisses durch Überschwingungen, .die im Verlauf
der Sperrspannung, insbesondere im Zeitpunkt 14, häufig entstehen, vermieden.
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Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfinidnzn!g. Die Entladungsstrecke
4 ist einte der obenerwähnten, Hauptentladungsstrecken :des Wechselrichters. Zu
dieser Entladungsstrecke wird eine Reihenschaltung aus einem gesteuerten oder urgesteuerten
gleichrichteniden Element 16, zwei Widerständen 17 und iß und dem Meßinstrument
i9 parallel geschaltet. Der Widerstan:di i8 und das Meßinstrument i9 sind außerdem
durch einen Stabilisator 2o überbrückt, -der ein Anwachsen der Span@nung:an-der
Reihenschaltung 18, i9 über einen bestimmten Wert hinaus zuläßt. Zweckmäßig wird
an dieser Stelle ein Stabilisator mit niedriger Zündspitze verwendet. Dies kann
in bekannter Weise durch -besondere Ionisierungselektroden in dem Stabiliis.ator
erreicht wenden, die beispielsweise aus einer besonderen Spannungsquelle 21 gespeist
werden. Je niedriger die Spannjung an der Reihenschaltung 18 und i9 im Verhältnis
zu der Spannung an der Entladungsstrecke 4 ist, um so mehr nähert -sich der Stromblock,
.der das Meßinstrument durchfließt, der Rechteckform an.
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Bei dem nach Fig.4 wird das Element 16 beispielsweise als Dampf- oder
Gasentladungsstrecke ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, an dieser Steile eine
Elektronenröhre zu verwenden, die durch ihre Bauart oder Schaltung unabhängig von
der Höhe der Anodenspannung einen im wesentlichen konstanten Strom führt. Dies kann
beispielsweise durch eine Elektronenröhre mit Wolframkathode, die einen ausgesprochenen
Sättigungsstrom besitzt, oder -durch eine Schirmgitterröhre erreicht wenden. In
diesem Falle ist dann unter Umständen eine weitere Spannungsbegrenzung :durch einen;
Stabilisator zo, nicht erforderlich.
Bei Verwendung einer steuerbaren
Entladungsstrecke als gleichrichtendes Element 16 iwird vorteilhaft fauch von der
Steuerung Gebrauch gemacht. Wenn nämlich der zeitliche Abstand zwischen 14 und 15
bei einem dreiphasigen Wechselrichter größer ist als 6d° e1., so tritt im Verlauf
der Sperrspannung 12 ein weiterer Spanrungsnulldurchgang eich, in, diesem Falle
würde also bei urgesteuerten Entladungss,treoken 16 zu dem rechteckförmi:gen Stromblock,
der unimittelbar an die Arbeitsdauer der überwachten Entladungsstrecke anschließt,
noch ein zweiter, 12o° später beginnender Stromblock hinzukommen, der das Meßergebnis
verfälschen würde. Zweckmäßig wird daher.dieHilfsentladungsstrecke 16 gleichzeitig
mit der :die zu überwachende ablösenden: Hauptentladungsstrecke freiigegeben, wobei
darauf zu achten ist, daß bei dampf- oder gasgefüllten Entladungsstrecken 16 der
Zündimpuls mindestens eine solche Dauer haben maß"daß deren Gitter in. Ballen möglichen
Betriebsfällen nach Beendigung der Kommutierung, also im Zeitpunkt 14, noch positiv
ist. @Bei Verwendung einer Hochvakuu mröhre 16 maß der Gitterimpuls weiterhin mindestens
bis zum Zeitpunkt 15 positiv sein. Durch diese Steuerung der Emtladiun@gsstrecke
16 wird erreicht, .daß in dem Parallelpfad zu der zu überwachenden Entladungsstrecke
jeweils nur im unmittelbaren Anschluß an: deren Arbeitszeit ein Strom fließen kann.
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In den meisten Fällen wird jedoch eine Messung über einen so großen
Anizeigebereich nicht erforderlich sein, da es für den Betriebsingenieur genügt,
die den Entladungsstrecken zur Verfügung stehende Zeit ibi.s etwa -3o° oder etwas
darüber genau zu kennen, Bei Überschreiten :dieses Bereiches genügt es gewöhnlich,
zu wissen, daß die Zeit größer ist. In diesem Falle wird, man die Instrumentskala
bis 3o° beschriften. Dies kann: entweder den gesamten Anzeigebereich des Inistrumente.s
darstellen, oder der restliche Teil der Skala bleibt, frei.
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Die Anordnung nach Fig.4 weist jedoch den Nachteil auf, daß der Strom
zur Anzeige unmittelbar dem eigentlich-en, Stromrichter entnommen wird. Eine solche
Anordnung ist brauchbar, wenn an der zu überwachenden Entladungsstrecke verhältnismäßig
niedrige Spannungen auftreten. Handelt es sich aber um Hochspannungsstromrichter,
bei denen ein Spannungsteiler an die zu überwachende Entladungsstrecke angeschlossen
werden maß, so würde dieser Spannungsteiler einen erheblichen Querstrom führen müssen,
.damit mit der geschilderten Anordnung genaue Maßergebnisse izu erzielen sind. Gemäß
einer Weiterbildung der Erfindung kann die Messung auch so durchgeführt werden,
daß die Spannung an: der zu überwachenden Entladungsstrecke oder ein Teil dieser
Spannung dem Gitterkreis einer Elektronenröhre zugeführt wird, deren Anodenstrom
durch ein Meßinistrument angezeigt wird. Die Fig.5 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel.
Die Entladungsstrecke 4 ist durch einen Spannungsteiler aus den Widerständen. 22
und 23 überbrückt. Diese Widerstände können entweder Ohmsche oder kapazitive Widerstände
sein., oder spie können auch aus beiden Widerstandsarten zusammengesetzt sein. Die
Spannung am Widerstand a3 wird raun dem Gitter der Elektronenröhre a4 zugeführt,
und zwar in Odem Sinne, d.aß die während des gewünschten Meßbereiches negative Sperrspannungsspitze
(vgl. Fg. 6) im positiven 'S'inne auf das Gitter einwirkt. Um, wie in Fig. 6 schraffiert
dargestellt, einen möglichst rechteckigen Stromblock während der zu messenden Zeit
zu erhalten:, liegt im Gitterkreis ein sehr hoherOhmscher Widerstand 25, der wegen
des im positiven Gitterspannungsgebiet auftretenden Gitterstromes bewirkt, @daß
die Gitterspannung nicht wesentlich über den Wert Null ins Positive ansteigen kann.
Wenn der Widerstand 23 rein kapazitiv ist, maß ferner durch einen hochohmigen Widerstand
26 einte Gleichstromverbindung zwischen Gitter und Kathode der Röhre 24 hergestellt
werden. An, dein Spannungsteiler 27 wird die negative Gittervorspa;nnunig für die
Röhre 2:4 eingestellt, durch deren Höhe der Arbeitspunkt der Elektronenröhre festgelegt
wird. Sie wird einerseits so gewählt, .daß während der positiven Augehblick.swerte
der Sperrspannunig 12 kein Strom durch die Röhre 24 fließen kann, andererseits,
wird sie so niedrig eingestellt, daß bei möglichst, allen negativen Werten der Sperrspannung
r2 bereits der volle Anodenstrom in der Röhre 24 fließt. Dies ist besonders dann
möglich, wenn eine Elektronenröhre mit geteilter Kennlinie verwendet wird,, die
.schon bei niedrigenGitterspannungswerten keinen Anodenstrom mehr führt. An Stelle
einer einfachen Dreielektrodenröhre 24 kann auch eine Schirrngitterröhre verwendet
werden, die ,durch ihre Betriebsweise .das Ansteigen des Anodenstromes, über eine
gewisses Maß nicht zuläßt. Die Anzeige des Drehspulgeräte.s t9 ist unmittelbar von
der angelegten Anodenspannung abhängig. Es ist also vorteilhaft, die Betriebsspannungen
für die Meßanordnung durch einen Glimmstabilisator 28 konstant zu Malten.
Der Anodenstrom der Röhre 24 wird, durch einen Anodenwiderstand 29 begrenzt, durch
dessen Wert der Meß:bereich der ,Geräte festgelegt und damit @dessen Eichung bewirkt
wird.
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Wie schon erwähnst, ist es im allgemeiner nicht erforderlich, die
Anzeige über einen größeren Bereich als beispielsweise o bis 30° oder höchstens
Ibis 5o° zu bewirken. Es kann jedoch vorübergehend vorkommen, idaß die Zündzeitpunkte
der Entladungsstrecken so ungewöhnliche Werte annehmen, daß der Meßbereich des Instrumentes
wesentlich überschritten wird. Das gleiche, wird eintreten, wenn der Stromrichter
vom Wechselrichterbetrieb in den Gleichrichterbetrieb übergeführt wird, dann weist
die Spannung an den Entladungsstrecken während etwa 24o° negative Augenblickswerte
auf, so daß in diesem Falle das Anzeigeinstrument, .dessen Vollausschlag beispielsweise
bei 30 liegen möge, aber stark überlastet wird. Vielfach ist es nun möglich, als
Anzeigen-Instrument z9. ein Gerät zu verwenden, das, ohne Schaden ;zu nehmen, mehrfach
überlastbar ist. Man kann jedoch auch durch eine besondere Vorrichtungbewirken,
@daß
bei Überschreiten des Merßbereiches ein weiteres Anwachsen des Instrumentenstromesverhindert
wird. Wird beispielsweise in der Anordnung mach Fig. 4 eine Dampf- oder Gasentla.dungsstrecke
16 verwendet, so kann zu der Reihenschaltung von Instrument i9 und Widerstand
18 eine weitere Dampf- oder Gasentladungsstrecke parallel geschaltet werden, die
eine eo hohe negative Vorspannung erhält, daß sie erst freigegeben wird, wenn die
Spannung 12" im Zeitpunkt 14 einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Es kann also
hierdurch beispielsweise diese weitere Hilfsentladun;gsstrecke i.mmcr dann freigegeben
werden, wenn der Abstand zwischen den Zeitpunkten 14 und 15 größer ist als
der Meßbereich der Anzeigeeinrichtung. In diesem Falle kann durch das Aufleuchten
einer Signallampe oder durch das Fortbleiben der Skalenbeleuchtung für das Instrument
i9 angezeigt werden, daß :die zumessende Ruhezeit der Entladungsstrecken größer
ist als der Meßbereich der Anzei-geeinrichtung. Durch das Parallelschelten der weiteren
Hilfsentladungsstreckezu dem Meßinstrument wird dessen Anzeige wegen des Brennspannungsabfalles
an dieser ,zusätzlichen Hilfsentladungsstrecke vielfach nicht auf Null zurückgehen,
so d@aß in diesem Bereich ein falscher Wert für die zu messende Zeit angegeben wird.
Es ist daher in diesem Falle zweckmäßig, für das Instrument eine durchsichtige,
von hinten beschriftete und beleuchtete Skala zu verwenden, so daß eine, Ablesung
nach Abschalten der Skalenbeleuchtung nicht mehr möglich ist.
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Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist es in ähnlicher Weise möglich, eine
Überlastung des Me@ßinsbrumentes ig zu verhindern. Die Fig. 7 zeigt hierfür ein
Ausführungsbeispiel. Die -mit der Fig. 5 übereinstimmenden Schaltungselemente sind
in der Fig. 7 gleichl.auten@d bezeichnet. Der Anodenwiderstand 29 ist hier in die
Widerstände 30 und 3 i aufgelöst, zwischen, denen. eine weitere Elektronenröhre
32 angeschlossen ist, diese bildet einen Umgehungsweg für das Instrument i9. Sie
kann., wie oben beschrieben, jeweils dann freigegeben werden, wenn der Augenblickswert
der Sperrspannung im Zeitpunkt 14 einen gewissen Wert überschreitet. Es ist jedoch
auch möglich, sie so zu steuern, diaß sie jeweils während -der für die Meßvorrichtung
vorgesehenen Strom führung s dauergesperrt, während der gesamten übrigen. Zeit jedoch
leitend ist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß dem Gitter die Reihenschaltung
aus einer positiven Gleichspannung und einer Wechselspannung spitzer Kurvenform
zugeführt wird. Diese Wechselspannung kann in bekannter Weise durch eine Einrichtung
33, die aus einer Drossel und einem Transformator mit leicht sättigbarern Eisenkern
besteht, erzeugt werden. Die Phasenlage :der genannten Wechselspannung spitzer Kurvenform
wird dann so gewählt, daß die Röhre 32 nur etwa in, dem Zeitintervall von 40° vor
dem Zeitpunkt 15 bis zum Zeitpunkt 15 oder kurz danach gesperrt ist. Vielfach
ist es auch möglich, die Röhren, 24 und 32 zu einer Verbundröhre zusammenzufassen.
Da die oben beschriebenen Meßeinrichtun;gen nur für den. Wechselrichterbetrieb des
Stromrichters Bedeutung haben, ist es zweckmäßig, sie beim Übergang zum Gleichrichterbetrieb
selbsttätig abzuschalten. oder zu überbrücken.