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Anordnung für durch eine Wechselspannung gespeiste Stromkreise mit
gittergesteuerten Entladungsstrecken Die in Verbraucherschwerpunkten und Unterwerken
aufgestellten Transformatoren und Umformer werden vielfach automatisch betrieben.
Solange in den gespeisten Netzteilen keine Störungen auftreten, gewährleisten die
dafür benötigten Steuereinrichtungen einen ordnungsgemäßen Betrieb. Treten Kurzschlüsse
oder ähnliche Vorgänge auf, so bewirken diese Steuereinrichtungen ein Abschalten
des Netzteiles bzw. des Verbrauchers. Die Abschaltung wird im allgemeinen zeitlich
begrenzt sein, so daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit die Anschaltung des Netzteiles
bzw. des Verbrauchers erneut erfolgt, sei es von Hand oder durch Fernsteuerung,
sei es selbsttätig. Auf die verschiedenen Möglichkeiten soll hier nicht näher eingegangen
werden. Bisher waren hierfür mechanisch bewegte Teile für Relais und Schalter erforderlich.
Abgesehen von der vielfach starken Beanspruchung einzelner Teile, insbesondere der
Schalter bei Kurzschlüssen, sind auch die sich aus den mechanischen Trägheiten ergebenden
Zeitverzögerungen im allgemeinen unerwünscht.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung für durch eine Wechselspannung
gespeiste Stromkreise mit gittergesteuerten Entladungsstrecken. Besondere Bedeutung
für die Starkstromvorgänge haben wegen ihres kleinen Spannungsabfalles die gittergesteuerten
Dampf-' oder Gasentladungsgefäße, bei denen bekanntlich das Gitter nur'das Einsetzen
der Entladung bestimmt, aber auf eine bestehende Entladung ohne Einfluß ist. Sie
können z. B. in Wechselstromkreisen als Schalter oder regelbarer Wechselstromwiderstand
Verwendung finden, indem nämlich zwei Entladungsgefäße mit eindeutiger Stromdurchlaßrichtung
gegensinnig parallel geschaltet werden. Hauptsächlich finden die gittergesteuerten
Entladungsgefäße, vorzugsweise die gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsgefäße,
eine Anwendung bei Umformungseinrichtungen, von- denen der Gleichrichter der bekannteste
Umformer ist. In den letzten Jahren haben noch zwei weitere Umformer an Bedeutung
gewonnen, der Wechselrichter, d. h. die Gleichstrom-Wechselstrom-Umformung, und
der Umrichter, d. h. - die Wechselstrom-Wechselstrom-Umformung. Für alle solche
Stromkreise, bei denen der Energiefluß durch gittergesteuerte Entladungsgefäße beeinflußbar
ist oder beeinflußt wird, hat nun die Erfindung Bedeutung.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Abschaltung unter Mitwirkung gittergesteuerter
Hilfsentladungsstrecken, wobei die Hauptentladungsstrecken
mittels
eines elektrischen Zeitkreises nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit wieder freigegeben
werden; die Zahl der möglichen aufeinanderfolgenden Wiedereinschaltungen ' durch
einen weiteren rein elektrischen Zeitki (Zählkreis) begrenzt. Bemerkt wird, daß
feil-Anlagen, für die die Erfindung Bedeutung hat', auch schon ungesteuerte Hilfsentladungsstrecken
vorgeschlagen worden sind.
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Nachstehend wird in erster Linie die Gittersteuerung mit phasenveränderbarer
Steuerwechselspannung behandelt werden. Jedoch soll dies keine Beschränkung darstellen,
da auch andere Steuerungsverfahren mit Vorteil im Rahmen vorliegender Erfindung
angewendet werden können, beispielsweise das Verfahren mit regelbarer Gittergleichspannung,
bei welchem der Zeitkreis unmittelbar in den Gitterkreis der Hauptentladungsstrecken
gelegt werden kann.
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Bei der Ausbildung des. rein elektrischen Zeitkreises (Zählkreises)
wird man zweckmäßig in Verbindung mit Hilfsentladungsgefäßen eine Speicherung eines
Impulses vornehmen, die bewirkt, daß das Zurückdrehen der Phase der Gitterwechselspannung
erst nach einer vorbestimmten Zeit erfolgt und dann auch erst die Hauptentladungsgefäße
wieder leitend werden bzw. betriebsmäßig gesteuert werden. Soll die Schaltfolge
der nacheinander erfolgenden Ein- und Ausschaltung bei Fortbestehen der Überlastbedingung
begrenzt sein, so empfiehlt es sich, in Verbindung mit dem erstgenannten Hilfsentladungsgefäß
ein weiteres Hilfsentladungsgefäß vorzusehen, das erst nach Erreichen einer vorbestimmten
Zahl von Aus- und Einschaltungen die endgültige Abschaltung bewirkt. Zur Vermeidung
von Unterbrechungen mit unkontrollierbarer Zeitdauer wird man zweckmäßigerweise
Mittel vorsehen, die die Speicherung der Impulse rückgängig machen; bei elektrischer
Speicherung der Impulse in einem Kondensator erreicht man dies durch einen Widerstand,
über. den sich der Kondensator entladen kann. Bei einigen Ausführungsmöglichkeiten
gemäß der Erfindung erfolgt die Abschaltung in der bereits erläuterten Weise. Außerdem
besteht eine Steuerung durch eine Brückenanordnung, bei der der Belastungskreis
einen Zweig der Brückenschaltung bildet. Besteht eine vorbestimmte Unsvmmetrie,
wie sie sich bei Überlast o. dgl. ergibt, so bleiben die Entladungsgefäße gesperrt.
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In Abb. i der Zeichnung ist der Erfindungsgedanke an einem Ausführungsbeispiel
veranschaulicht, das einen gittergesteuerten Gleichrichter betrifft. Der Gleichrichter
dient zur Speisung eines Gleichstromverbrauchernetzes io aus einem Wechselstromnetz
ii und enthält einen Transformator 12 sowie gittergesteuerte Entladungsgefäße 13
und 14, vorzugsweise mit Dampf- oder Gasfüllung. ben Gitterkreisen der Gefäße 13
und 14 wird eine Steuer-.,,@#.echselspannung durch die Sekundärwicklung <e"s
Gittertransformators 15 und außerdem >AYft im allgemeinen negative Vorspannung 16
7ügeführt. Die Primärwicklung dieses Transformators wird über eine Phaseneinstellvorrichtung
vom Primärnetz. ii gespeist. Die Phaseneinstellvorrichtung enthält eine Induktivität
17 mit Mittelanzapfung, ferner eine weitere Induktivität 18 und eine veränderbare
Induktivität i9, die in Reihe mit der Induktivität 18 parallel zur Induktivität
17 geschaltet ist. Die veränderbare Drosselspule ig ist mit einer Sättigungswicklung
20 versehen, die über einen Transformator 21 und ein gittergesteuertes Gefäß 22,
das vorzugsweise ein ionisierbares Medium enthält, aus dem Primärnetz i1 gespeist
wird. In den Gitterkreis des Gefäßes 22 ist eine vorzugsweise negative Vorspannung
22z und ein Kondensator 23 eingefügt. Der Kondensator 23 wird durch eine Gleichrichteranordnung
geladen, die aus einem Transformator 24. und gittergesteuerten Entladungsgefäßen
25 und 26 besteht. Parallel zum Kondensator 23 ist ein Widerstand 27 geschaltet.
Die Steuerung der Gefäße 13 und 14 in Abhängigkeit von Überlastungsbedingungen
erfolgt nun in der Weise, daß ein Stromtransformator 28 in Verbindung mit einem
Potentiometer 29 und einem Gittertransformator 3o die Gitterkreise der Gefäße 25
und 26 speist. Erforderlichenfalls können in den Gitterkreisen auch noch Vorspannungen
31 und 32 vorgesehen sein. Die Wiedereinschaltung nach einem Abschaltvorgang infolge
Überlastung o. dgl. erfolgt mit einer Zeitverzögerung, die sich aus der Zeitkonstante
des Kondensatorkreises 23, 27 ergibt. Damit bei Weiterbestehen derüberlastungsbedingung
die Wiedereinschaltung nicht beliebig oft erfolgt, sind Schaltelemente vorgesehen,
die zusätzlich in Abhängigkeit von der Zahl der aufeinander- , folgenden Abschaltungen
die Steuerung der Hauptgefäße beeinflußen. Hierzu dient ein Kondensator 33, der
bei jedesmaligem Abschalten einen Ladungszuwachs unter Verwendung eines Entladungsgefäßes
35 und eines veränderbaren Widerstandes 36 erfährt. Der Gitterkreis des Gefäßes
35, das vorzugsweise ein Dampf- oder Gasentladungsgefäß ist, enthält eine negative
Vorspannung 37 und erhält außerdem durch das Potentiometer 38 Spannungsstöße, die
durch die Ladeströme des Kondensators 23 hervorgerufen werden. Der Kondensator 33
ist ferner in einem weiteren Stromkreis mit einem Entladungsgefäß 39 und einem Widerstand
q.o angeordnet. Auch das Gefäß 39 soll vorzugsweise ein ionisierbares Medium enthalten.
Das Gitter dieses Gefäßes
wird durch eine negative Vorspannung 41
und durch die Spannungen an dem Kondensator 33' und dem Widerstand 4o beeinflußt.
Der Widerstand 40 ist nun seinerseits in den Gitterkreis eines Gefäßes 42 eingeschaltet,
dessen Anodenkreis eine Gleichspannung 43, einen Schalter 44 und den Widerstand
27 enthält. Zur Einstellung des richtigen Zündpunktes des Dampfgefäßes 42 dient
eine Vorspannung 45 im Gitterkreis. -Im folgenden soll die Wirkungsweise des beschriebenen
Ausführungsbeispiels erläutert werden. Wir nehmen an, daß der gittergesteuerte Gleichrichter
zunächst normal belastet sei. Steigt die Last im Netz io infolge eines Kurzschlusses
o. dgl. an,- so wächst auch die von dem Stromtransformator 28 ' den Gittern der
Gefäße 25 und z6 zugeführte Wechselspannung. Dabei nimmt die resultierende Gitterspannung
solche Werte an, daß die Gefäße 25 und 26 leitend werden. Der Kondensator 23 wird
infolgedessen geladen. Sobald die Ladespannung des Kondensators 23 einen vorbestimmten
Wert überschreitet, wird das Entladungsgefäß 22 leitend und der Sättigungswicklung
2o der Drosselspule ig aus dem Transformator zi Strom zugeführt. Es ist zu beachten,
daß beide Parallelkreise der Phaseneinstellvorrichtung Induktivitäten enthalten.
Ist die Drosselspule ig nicht gesättigt, so wird die Gitterspannung, die den Gefäßen
13 und 14 durch den Gittertransformator 15 zugeführt wird, in Phase sein mit der
zugehörigen Anodenspannung. Bei Auftreten von Überlastungen aber wird die Wicklung
2o gesättigt, wodurch die Induktivität der Drosselspule ig so weit verringert wird,
daß die den Gittern der Gefäße 13 und 14 zu-' geführte Wechselspannung ihre Polarität
umkehrt, d. h. in Phasenopposition zur entsprechenden Anodenspannung steht. Die
Gefäße 13 und 14 sind nunmehr vollständig gesperrt, d. h. der Verbraucherkreis ist
abgeschaltet. Die vom Stromtransformator 28 gelieferte Steuerspannung wird kleiner,
so daß die Gefäße 25 und 26 dem Kondensator 2,3 keinen weiteren Ladestrom
mehr zuführen. Vielmehr wird der Kondensator 23 langsam durch den Widerstand 27
entladen. Ist der Kondensator 23 nahezu vollständig entladen,_so geht die Gitterspannung
des Gefäßes z2 auf einen Wert zurück, der unterhalb der kritischen Gitterspannung
liegt; dies hat' zur Folge, daß der Strom, der in der Sättigungswicklung 2o fließt,
auf den Wert Null zurückgeht. Infolge der Veränderung der Induktivität ig werden
die Gefäße 13 und 14 erneut leitend. Ist der Kurzschluß noch nicht beseitigt, so
erfolgt die Abschaltung von neuem und gegebenenfalls eine Wiedereinschaltung in
der bereits beschriebenen Weise. Im allgemeinen ist es nicht erwünscht, daß das
Abschalten und das Wiedereinschalten beliebig oft wiederholt wird, da das Fortbeytehen
der Überlastungsbedingungen nicht nur Überspannungen o. dgl. zur Folge hat, sondern
hierdurch.auch die einzelnen Teile der Umformungseinrichtung (Transformator) in
unzulässiger Weise beansprucht werden. Man kann nun die Zahl der Abschaltungen durch
einen besonderen Zählstromkreis begrenzen. Dies kann man z. B. in der Weise durchführen,
daß ein Widerstand 38. in den Ladestromkreis des Kondensators 23 eingefügt wird
und die an diesem Widerstand auftretenden Spannungsstöße auf den Gitterkreis eines
Gefäßes 35 einwirken. Während derselben Zeit, während der der Kondensator 23 geladen
wird, ist das Gefäß 35 leitend, so daß der Kondensator 33 gleichzeitig mitgeladen
wird. Der in dem Kondensator 33 während dieser Zeit aufgespeicherte Energiebetrag
ist naturgemäß von dem veränderbaren Widerstand 36 abhängig. Die Konstanten der
Stromkreise können so ausgewählt werden, daß der Kondensator 33 nach einer vorbestimmten
Zahl von Abschaltungen im wesentlichen vollständig geladen ist. Im allgemeinen wird
man eine dreimalige Abschaltung zugrunde legen. Der Kondensator 33 gehört einerseits
dem Gitterkreis des Gefäßes 39 zusammen mit der negativen Vorspannung 41
an, andererseits auch dem Anodenkreis desselben Gefäßes. Das Gefäß 39 bleibt
so lange gesperrt, bis der Kondensator 33 im wesentlichen aufgeladen ist. Dann wird
das Gefäß. 39 leitend, und der Kondensator 33 entlädt sich über den Widerstand
40. Die an diesem Widerstand auftretende Spannung wirkt nun auf den Gitterkreis
des Gefäßes 42, und zwar in dem Sinne, daß dieses Gefäß leitend wird, wenn der Schalter
44 geschlossen ist. Da die Spannung im Anodenkreis dieses Gefäßes eine Gleichspannung
ist, so genügt zum Einsetzen des Entladungsstromes ein kurzzeitiger Spannungsstoß.
Da das Gitter bei Dampfentladungsgefäßen auf eine bestehende Entladung ohne Einfluß
ist, so ergibt sich somit, daß, solange das Gefäß 42 Strom führt, die Hauptgefäße
13 und 14 gesperrt sind. Man kann daher diese Sperrung nur beseitigen, indem man
den Entladungsstrom im Gefäß 42 unterbricht. Hierzu dient ein Schalter 44, der entweder
von Hand betätigt oder ferngesteuert wird. Ist einmal die Entladung im Gefäß 42
unterbrochen, so ist die Sperrwirkung des zugehörigen Gitters wiederhergestellt.
Infolgedessen ändern sich auch die Steuerbedingungen des Gefäßes 2z und damit auch
die Steuerbedingungen der Gefäße 13 und 14, d. h. der normale Betriebszustand wird
wiederhergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel verlaufen somit sämtliche Schaltoperationen
ohne
Betätigung von bewegten Teilen, mit Ausnahme des Schalters 44, der von Hand betätigt
oder ferngesteuert wird.
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Der in Abb. 2 dargestellte Umformer, ebenfalls ein gittergesteuerter
Gleichrichter, stellt nun eine Ausführungsform des Erfindungsgedankens dar, bei
dem jegliche bewegten Teile vermieden sind. Es wird zunächst bemerkt, daß die Abschaltung
des Verbrauchers in derselben Weise erfolgt wie bei dem Ausführungsbeispiel in Abb.
z. Jedoch ist die Steuerung für den Wiedereinschaltvorgang verschieden. Hierfür
ist eine Brückenanordnung 5o vorgesehen, bei der der Belastungskreis zo den einen
Zweig der Brücke bildet. In die anderen Zweige der Brücke sind Widerstände 51, 52
und 53 eingeschaltet. An die Eckpunkte der einen Brückendiagonale ist der Wechselstromkreis
xz über einen Vollweggleichrichter mit Transformator 54 und zwei Ventilen 55 angeschlossen.
Ein Widerstand 56 liegt in Reihe hiermit, um den in der Brücke fließenden Strom
zu begrenzen. Befindet sich die Brücke 5o nicht im Gleichgewicht, so wird der Wicklung
57 einer veränderbaren Induktivität 58 über ein Ventil 59 Gleichstrom zugeführt.
Manchmal kann es erwünscht sein, ein Glühkathodenventil 6o parallel zu dem Ventil
59 mit umgekehrter Polarität zu schalten, damit das Ventil 59 geschützt
wird vor den hohen Betriebsspannungen, die im normalen Betriebszustand an der Brücke
liegen. Die veränderbare Induktivität 58 bildet den einen Zweig einer Wechselsrtombrücke,
in deren anderen Zweigen eine Induktivität 68 und Widerstände 61 und 62 angeordnet
sind. Die bei Störung des Gleichgewichtes der Brücke sich ergebende Spannung wird
einem Potentiometer 63 zugeführt, an dem ein Teil der Spannung abgegriffen und dem
Gitterkreis des Gefäßes 65 zugeführt wird. Das Gefäß 65 ist zweckmäßigerweise ein
gittergesteuertes Gas- oder Dampfentladungsgefäß und enthält in seinem Anodenkreis
den Widerstand 66 und den bereits mehrfach erwähnten Widerstand 27 parallel zum
Kondensator .23. Gespeist wird der Anodenkreis durch einen Transformator 67. Es
wird bemerkt, daß die Wechselstrombrücke an sich keine Notwendigkeit ist, vielmehr
dient sie nur zur Erhöhung der Steuerempfindlichkeit und kann in einzelnen Fällen
fortgelassen werden.
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Wie bereits im letzten Absatz erläutert ist, verläuft der Abschaltvorgang
in derselben Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel in Abb. z. Bei normalem Betrieb
ist die Gleichstrombrücke 5o in der Weise verstimmt, daß am Ventil 59 eine
Sperrspannung liegt, d. h. die Drosselspule 58 ist ungesättigt. Infolgedessen wird
dem Gitter des Gefäßes 65 keine Spannung zugeführt, so daß das Gefäß infolge der
negativen V orspannung gesperrt ist. Wenn jedoch die Belastung abgeschaltet wird,
so "Wird infolge des Abschaltvorganges die Brücke 5o wirksam. Infolge des Bestehens
eines Kurzschlusses o. dgl. wird die Brücke 5o in entgegengesetzter Richtung verstimmt,
so daß der Gleichstromwicklung 57 der Drosselspule 58 Strom zugeführt wird und infolge
der Verstimmung der Wechselstrombrücke das Gefäß 65 durch eine entsprechende Gitterspannung
leitend wird. Der Entladungsstrom des Gefäßes 65 durchfließt den Widerstand 27 parallel
zum Kondensator 23 in der gleichen Richtung wie der von den Gefäßen 25 und 26 gelieferte
Strom. Solange die Verstimmung beider Brückenanordnungen besteht, wird daher das
Gefäß 22 Strom führen und infolgedessen die Gefäße 13
und 14 gesperrt halten.
Ist der Kurzschluß beseitigt, d. h. ist der Belastungswiderstand innerhalb des zulässigen
Größenbereiches, so gelangt die Brücke 5o ins Gleichgewicht, d. h. die Drosselspule
58 hat wieder ihren vollen Wert. Infolgedessen wird das Gefäß 65 nicht mehr erneut
leitend werden und der Kondensator 23 sich allmählich über den Widerstand 27 entladen.
Ist der Entladevorgang im wesentlichen beendet, so wird das Gefäß 22 gesperrt, d.
h. die Hauptgefäße 13 und 1:I erhalten wieder ihre betriebsmäßige Steuerung. Die
übrigen Bezugszeichen der Abb.2 entsprechen denen der Abb. z.
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Die Sättigungswicklungen 2o und 57 sind in je zwei Teile geteilt,
und die Kerne der Drosseln zg und 58 bestehen ebenfalls aus je zwei magnetisch voneinander
getrennten Kernen. Auf jedem Kern befindet sich außer der entsprechenden Teilwicklung
der Drosselspule zg bzw. 58 eine Sättigungswicklung. Die beiden zu einer Drosselspule
gehörenden Sättigungswicklungen sind in bezug auf die Wechselstromamperewindungen
der Drossel gegeneinandergeschaltet, so daß aus der Drosselspule in den betreffenden
Sättigungskreis keine Wechselspannung übertragen wird.
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Wie bereits weiter oben erläutert wurde, ist der Erfindungsgedanke
grundsätzlich überall da anwendbar, wo zwischen der Primärspannung und dem Verbraucher
gittergesteuerte Entladungsgefäße eingeschaltet sind. Daher kann mit Erfolg die
vorliegende Erfindung nicht nur bei Gleichrichtern, die als wichtiges Anwendungsbeispiel
vorzugsweise beschrieben wurden, sondern auch bei Wechselrichtern und Umrichtern
und anderen Schaltungen, bei denen der Energiefluß durch gittergesteuerte Entladungsgefäße
gesteuert wird, angewendet werden.