-
Anordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei der Spannungsregelung
von Stromrichtern Bekanntlich besitzt die Regelung der Gleichspannung von Stromrichtern
durch Gittersteuerung sowohl bei Gleichrichter- als bei Wechselrichterbetrieb den
Nachteil, daß dabei die Phasenlage des Wechselstromes (Grundwelle) gegenüber der
Wechselspannung um den Steuerwinkel a vergrößert wird und der Stromrichter infolgedessen
eine mit der Aussteuerung steigende Blindleistung verbraucht. Dies ist besonders
nachteilig bei Anlagen, die mit einem großen Regelbereich arbeiten und dazu noch,
wie z. B. elektrische Bahnen, Fördermaschinen, Walzwerksantriebe od. dgl., zum Anlaufen,
also bei kleinen Spannungen, erhebliche Überströme verlangen. Die bekannte Kompensation
der Blindleistung durch Kondensatoren ist kostspielig und bedeutet außerdem eine
Erschwerung des Betriebes, weil die hierzu notwendige Regelbarkeit der Kondensatorleistung
verwickelte Schalteinrichtungen erfordert. Eine andere bekannte Lösung, den Blindleistungsverbrauch
bei der Spannungsregelung zu verkleinern, besteht darin, Stufentransformatoren zu
verwenden, also die Gleichspannung durch Regelung der Wechselspannung zu verändern
und die Gittersteuerung nur zum Feinregeln zwischen den einzelnen Transformatorstufen
zu verwenden. Die durch die Steuerung der Entladungsstrecken zu regelnde Spannung
beträgt
dann nur i,"zz, wenn der Stufentransformator von Null bis
Voll regelbar ist und n gleiche Stufen besitzt. Unausgesteuert ist der Blindstromverbrauch
bei jeder Stufeneinstellung Null. Bei dieser Regelung, die ohnehin praktisch nur
für mäßige Leistungen in Frage kommt, wird jedoch die Anwendung der Gittersteuerung
wesentlich eingeschränkt und damit einer der Hauptvorteile des Stromrichterbetriebes
geopfert.
-
Die vorliegende Erfindung löst nun die Aufgabe, eine Stufenregelung
der Spannung, wie sie der eben erwähnte Stufentransformator vorsieht, rein durch
die Steuerung der Stromrichterentladungsstrecken zu erzielen, dabei den Blindleistungsverbrauch
ebenfalls entsprechend der Stufenzahl zu vermindern und in den Ausgangsstellungen
der einzelnen Stufen, in denen die Arbeitsanoden voll beaufschlagt sind, zu Null
zu machen, dort also jeweils mit cos (p = i zu arbeiten.
-
Gemäß der Erfindung wird. dies dadurch- erreicht, daß mehrere unabhängig
voneinander steuerbare Stromrichtersysteme gleichstromseitig in Reihe geschaltet
sind, wobei ein, mehrere oder alle Stromrichtersysteme außer den Phasenanoden auch
Nullanoden enthalten, so daß bei vollständiger Sperrung der Phasenanoden eines derartigen
Systems dessen Spannungsanteil Null wird und der Gleichstrom allein über die zugehörige
Nullanode fließt.
-
Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Abbildungen näher erläutert.
-
Fig. i zeigt eine an sich bekannte zweiphasige Einwegschaltung mit
den z. B. durch Gitter steuerbaren einanodigen Entladungsgefäßen i -und 2, dem Nutzwiderstand
R" und der Nullanode o. Die Kathodendrossel D sei so groß, daß die Oberwelligkeit
des Gleichstromes vernachlässigt werden kann. Die Nullanode übernimmt bei plötzlicher
Sperrung der Gefäße den Gleichstrom, bis dieser völlig abgeklungen ist; sie bildet
mithin für den Gleichstrom einen freien Stromdurchlaß, wenn man die Arbeitsgefäße
des Systems sperrt, was gleichbedeutend ist mit der Abschaltung der zugehörigen
Transformatorwicklung. Ein Gleichstromfluß über die Nullanode verursacht daher keinerlei
Blindleistungsverbrauch auf der Wechselstromseite.
-
Wird die Nullanode eines als Gleichrichter arbeitenden Stromrichtersystems
ungesteuert betrieben, so wird die Gleichspannung nicht bei der Aussteuerung a =
T.;'2 entsprechend
(p = Phasenzahl, a = Zündwinkel, gerechnet vom positiven Schnittpunkt der Phasen
i und 2, also von
zu Null, sondern erst bei der Aussteuerung ao - 2 + , also im Zeitpunkt
Der Strom der arbeitenden Anode geht, auch wenn die Folgeanode noch gesperrt ist,
beim Nulldurchgang der Phasenspannung i, also im Zeitpunkt n, auf Null zurück und
wird von diesem Augenblick ab selbsttätig von der Nullanode übernommen, bis die
Folgeanode freigegeben wird und zündet, d. i. im Zeitpunkt z9, = z7, -V-
a. Istr > a also a > n - t%, so ist der Transformator in jeder Arbeitsperiode in
der Zeit von @.T n bis stromlos, also praktisch abgeschaltet;- er verbraucht also
während dieser Zeit weder Wirk- noch Blindstrom. Der Gleichstromkreis wird in dieser
Zeit von der Feldenergie der Kathodendrossel D gespeist.
-
Diese ungesteuerte Nullanode verringert also, wie vorstehende Betrachtung
zeigt, den Blindleistungsverbrauch verglichen mit einem System ohne Nullanode und
bietet außerdem den Vorteil, daß der Blindleistungsverbrauch bei unverändertem Strom
mit dem Spannungsrückgang nicht bis zum Schluß ansteigt, also im Grenzzustand U,
= o seinen Höchstwert erreicht, sondern von einer bestimmten Spannung ab mit abnehmender
Spannung zurückgeht und im Grenzzustand U, = o selbst Null wird. Andererseits verhindert
aber die ungesteuerte oder freigegebene Nullanode die Umschaltung des Systems in
den Wechselrichterbetrieb und somit das Rückarbeiten vom Gleichstromnetz in das
Wechselstromnetz, weil sich dabei die Gleichspannung umkehrt und infolgedessen der
Gleichstrom frei über die Nullanoden zurückfließen könnte. Will man einen Stromrichter
mit Nullanode als Wechselrichter betreiben, so muß man auch die Nullanoden mit Steuereinrichtungen
versehen. Wird die Nullanode völlig gesperrt, so arbeitet der Stromrichter naturgemäß
normal mit der Gleichspannung Null bei der Aussteuerung
Fig. z zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar eine Reihenschaltung
von zwei z. B. gittergesteuerten Stromrichtersystemen I und II in zweiphasiger Einwegschaltung;
jedes System- ist unabhängig von dem anderen steuerbar. Man erhält die volle Gleichspannung
2 U, (U9 = Gleichspannung jedes Systems), wenn die Gitter der Entladungsstrecken
beider Systeme voll geöffnet sind; dabei ist der Blindleistungsverbrauch Null. Sperrt
man eines der beiden Systeme, z. B. System I, so wird damit der Gleichstrom nicht
unterbrochen; er kann über die Nullanode 1o ungehindert weiterfließen. Da in diesem
Fall nur noch das System II arbeitet, geht die Gleichspannung auf die Hälfte zurück,
wenn beide Systeme für die gleiche Spannung bemessen sind, was wir vorläufig annehmen
wollen. In diesem Betriebszustand entsteht kein Blindleistungsverbrauch, weil das
System II annahmegemäß mit voll geöffneten Gittern arbeitet. Werden beide Systeme
gesperrt, so ist die Spannung Null. Diese Schaltung ergibt also bei gleicher Teilspannung
der beiden Systeme eine Spannungsregelung durch Gitterbetätigung in zwei Stufen;
bei denen der Blindleistungsverbrauch Null ist, wenn man von den Induktivitäten
in den Anodenkreisen und deren Wirkung absieht.
-
Die stetige Spannungsregelung (Feinregelung) zwischen den (cos (p
= i)-Stufen wird in der üblichen Weise durch Aussteuerung der Gitter bewirkt. Dabei
kann man verschieden vorgehen, entweder in der Weise, daß man nur das System steuert,
das beim Herunterregeln der Spannung als nächstes für die Sperrung in Frage kommt,
oder indem man eines oder mehrere der übrigen Systeme gleichzeitig mit aussteuert.
Zweckmäßig wird man bei der Feinregelung unter sonst gleichen Bedingungen die Steuerung
der
Systeme so ausführen, daß man bei jeder Zwischenspannung einen
möglichst geringen Gesamtverbrauch an Blindleistung erhält.
-
Arbeitet man beispielsweise bei Wechselrichterbetrieb bis kurz vor
Sperrung der Arbeitsanoden mit gesperrter Nullanode, so ist es unter Umständen zweckmäßig,
um plötzliche Übergänge des Blindleistungsverbrauches zu vermeiden, nicht das System,
das man als nächstes zu sperren wünscht, allein von Voll auf Null zu regeln, sondern
gleichzeitig eines oder mehrere der anderen Systeme mit zu regeln. Sobald die Gesamtspannung
den mit der nächsten (cos(p = i)-Stufe erstrebten Wert (bei der Schaltung Fig. 2
z. B. Ug) erreicht hat, geht man mit der Spannung des Systems 1 stetig auf Null
zurück bei gleichzeitiger E höhung der Spannung von System II um den gleichen Betrag,
so daß die Gesamtspannung U, während dieses Regelvorganges unverändert bleibt. Dabei
geht der Blindstromverbrauch von seinem Höchstwert allmählich auf Null zurück entsprechend
der Endstellung der Steuerwinkel a, = 9o° und a p = o bei dem Beispiel Fig.
2.
-
Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß man durch derartiges Aneinanderreihen
von Einzelsystemen mit Nullanoden eine Unterteilung der Gleichspannung in beliebig
viele (cos 99 = i)-Spannungsstufen erreichen kann wie bei Regelung mittels Stufentransformatoren
und daß der durch die Feinregelung bedingte Blindleistungsverbrauch um so kleiner
wird, je feinstufiger die Unterteilung vorgenommen wird. Für sämtliche Systeme genügt
ein Transformator mit einer gemeinsamen Primärwicklung. Sie ist der Einfachheit
halber auf den Abbildungen fortgelassen. Jedes System erfordert eine eigene Sekundärwicklung,
so daß sich bei n Stufen n Wicklungen ergeben. Wegen der Isolationsverhältnisse
kann es in manchen Fällen jedoch zweckmäßig sein, mehrere getrennte Transformatoren
zu verwenden.
-
Fig.3 zeigt den Erfindungsgegenstand für die Brückenschaltung. Hierbei
ist der Mittelpunkt (Sternpunkt) der Transformatorwicklung herausgeführt; er dient
zum Anschluß der Nullanoden, von denen je eine zur Plus- und Minusschiene führt.
Man erhält zwei Einzelsysteme I und 1I und infolgedessen eine Spannungsregelung
mit den Stufen i-1/2 und i/2 o wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Zum
Unterschied von der Sternschaltung benötigt die Brückenschaltung für n Stufen nur
Transformatorwicklungen; sie bietet außerdem den Vorteil einer wesentlich besseren
Transformatorausnutzung. Die Wirkungsweise ist im übrigen ähnlich wie bei der Schaltung
nach Fig. 2.
-
Fig. q. zeigt eine Doppelbrückenschaltung mit zwei in Reihe geschalteten
Einfachbrücken oder vier Einzelsystemen. Sie ergibt bei gleichen Teilspannungen
der Systeme die vier Spannungsstufen 4/4 3/4, 3I4 2/4, '/4--'/4 und '/4--0. In Fig.
q. a ist ein ebenfalls an vier Einzelsystemen aufgebauter Stromrichter gezeigt,
der aus der Reihenschaltung von vier Teilsystemen nach Fig. i bzw. 2 entsteht.
-
Fig. 5 zeigt eine Doppelbrückenschaltung, bei der die beiden Gefäßsysteme
II und III der Schaltung nach Fig. q. zu einem System vereinigt sind und demnach
für die gleiche Zahl von (cos 99 = i) -Stufen q. statt acht nur sechs Gefäße und
statt vier Nullanoden nur drei benötigt werden. Um dies zu ermöglichen, sind die
Wicklungen A und B so anzuschließen, daß die in ihnen induzierten
Spannungen entgegengesetzt gerichtet sind (vgl. - die eingezeichneten Richtungspfeile)
und demnach das System II in Fig. 5 eine Doppelstufe entsprechend 2 Up ergibt.
Die Stufenregelung kann dann z. B. in folgender Weise erfolgen: I+II+III=4Ug, I+II
oder II+III=3Ug, I +III oder II = 2 Up, I oder III --- i Up.
-
Die Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele für dreiphasige Einfach- und Doppelbrückenschaltungen
mit zwei und vier Regelstufen. Die Nullanoden werden dabei an die herausgeführten
Sternpunkte angeschlossen, so daß auch für n Mehrphasensysteme beliebiger Phasenzahl
nur n Nullanoden benötigt werden. Naturgemäß wird man bei Reihenschaltung mehrphasiger
Systeme in bekannter Weise von der Möglichkeit Gebrauch machen, ihre Achsen gegeneinander
zu schwenken, um hochphasige Welligkeit der Gleichspannung zu erzielen und die Oberwelligkeit
des Wechselstromes zu verkleinern. Gegebenenfalls können in einem oder mehreren
Systemen auch anTransformatoranzapfungen liegende Anoden (Anzapfanoden) verwendet
werden.
-
Soll die gleiche Regelung für Wechselrichterbetrieb verwandt werden,
so sind, wie bereits erwähnt, die Nullanoden steuerfähig, also beispielsweise auch
mit Gittersteuerung auszuführen, da die Polarität der Gleichspannung sich bei Wechselrichterbetrieb
umkehrt. Um eine Systemstufe abzuschalten, kann man entweder seine Spannung unter
Aussteuerung der Nullanode stetig herunterregeln oder man verfährt in der Weise,
daß die Steuerung der Phasenanoden des betreffenden Systems auf a - 9o° eingestellt
und hiernach die zugehörige Nullanode freigegeben wird, wobei man, um plötzliche
Schwankungen der Blindleistung zu vermeiden, das an früherer Stelle beschriebene
Verfahren der gleichzeitigen Regelung von mehreren Systemen anwenden kann. Die Zuschaltung
einer Systemstufe erfolgt sinngemäß in umgekehrter Reihenfolge.
-
Bisher ist unterstellt worden, abgesehen von Fig. 5 und 7, daß alle
für die Abstufung benutzten Systeme die gleiche Klemmspannung besitzen und daher
die (cos 99 = i)-Regelung in gleichen Spannungsstufen erfolgt. Dabei werden,
um n Stufen zu erhalten, bei Sternschaltung n Systeme und bei normaler Brückenschaltung
Systeme benötigt.
-
Es ist aber ohne weiteres zulässig, die Klemmspannungen der Systeme
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung verschieden zu wählen und beliebig abzustufen,
wenn man die zugehörigen Gefäße und Nullanoden entsprechend bemißt. Wir haben ferner
gesehen, daß wir es durch Sperrung und Freigabe der Systeme und der Nullanoden in
der Hand haben, die Zusammenarbeit der Systeme beliebig zu gruppieren. Wenn die
Systeme alle gleiche Spannungen besitzen, ergeben sich nur vier Spannungsstufen.
Bemißt man dagegen die Spannung der einzelnen Systeme verschieden, so ist es möglich,
die Zahl der Spannungsstufen
der Anzahl der möglichen Gruppierungen
anzugleichen, also bei der Schaltung nach Fig. 4a die Zahl der Spannungsstufen von
4 auf 15 zu erhöhen. Dieses Ergebnis wird erzielt, wenn man die Gleichspannungen
der vier Systeme wie folgt abstuft:
| System i 1 = Z Uy |
| - II (r + 1) = 2u '7 |
| - 111 (1+2 +1) = 4 Un |
| - IV (I+2+4+ 1) = 8 U, |
| Volle Gleichspannung = 15 U9 |
Hiermit ist es möglich, außer der Nullspannung bei gleichzeitiger Sperrung aller
vier Systeme, 15 verschiedene Gleichspannungen herzustellen, die jeweils um den
gleichen Spannungssprung, nämlich 1/r5 der vollen Gleichspannung, voneinander verschieden
sind und wechselstromseitig überhaupt keinen Blindleistungsverbrauch erfordern.
Bei dieser großen Zahl von (cos(p = i)-Stufen ist der durch die Feinregulierung
anfallende Blindleistungsbedarf so gering, daß er kaum ins Gewicht fällt. Nach Möglichkeit
wird man die Feinregelung mit dem System mit den niedrigsten Anodenspannungen durchführen.
Vier in Reihe geschaltete Systeme mit der vorerwähnten Spannungsabstufung genügen
daher bereits, um eine praktisch blindstromfreie Spannungsregelung durch Gittersteuerung
über den vollen Spannungsbereich zu ermöglichen. In vielen praktischen Fällen wird
man mit einer viel geringeren Stufenzahl und daher schon mit zwei oder drei Systemen
auskommen. Wird nur eine Spannungsregelung in geringeren Grenzen, aber nicht bis
auf die Spannung Null herab verlangt, so wird man die Anodenspannungen in den einzelnen
Systemen so wählen, daß innerhalb dieses gewünschten Regelbereiches ein Höchstwert
der möglichen Spannungsstufen ohne Blindleistungsverbrauch erreicht wird.
-
Bei dem Beispiel Fig. 3 ist in Reihe mit der Nullanode II ein Widerstand
BW vorgesehen. Er kann u, a. dazu dienen, bei Rückarbeitung aus dem Gleichstromnetz,
wie es z. B. im Bahnbetrieb vorkommt, die von den Bahnmotoren bei Verlangsamung
ihrer Geschwindigkeit zurückgelieferte Energie aufzunehmen und dadurch den Zug abzubremsen.
Der Widerstand kann also zur Bremsung von Motoren benutzt werden, wenn man aus irgendwelchen
Gründen das Rückarbeiten ins Wechselstromnetz vermeiden will. Werden derartige Widerstände
in mehreren Systemen verwendet, so bietet sich dabei zusätzlich die Möglichkeit,
den gesamten Widerstand in Stufen zu regeln, indem man durch Sperren oder Freigabe
der zugehörigen Arbeitsanoden die einzelnen Teilwiderstände nach Belieben zu- und
abschaltet. Im normalen Stromrichterbetrieb können diese Widerstände zur Vermeidung
von Wirkverlusten durch Schalter oder gesteuerte Entladungsstrecken überbrückt werden.
-
Werden ein oder mehrere Stromrichtersysteme nach dem Steuerplan für
längere Zeit mit gesperrten Phasenanoden betrieben, so ist es unter Umständen zweckmäßig,
die zugehörigen Nullanoden durch Schalter zu überbrücken, um die durch ihren Spannungsabfall
sonst bedingten Verluste zu vermeiden und um ihre Lebensdauer zu erhöhen. Dieser
Schalter muß dann nur rechtzeitig vor erneuter Inbetriebnahme des betreffenden Stromrichtersystems
wieder geöffnet werden.
-
Die durch die Erfindung offenbarte Regelung kann wie jede andere Regelung
sowohl von Hand als auch selbsttätig erfolgen unter Verwendung eines beliebigen
Impulsgebers von bekannter Ausführung. Weiterhin ist es möglich, ebenfalls unter
Anwendung bekannter Mittel, die Aufeinanderfolge der Zu- und Abschaltung der einzelnen
Systeme und Nullanoden und ihre Feinsteuerung zwangsläufig so zu gestalten, daß
eine einzige Betätigung (Walzenschalter, Druckknopfsteuerung od. dgl.) genügt, um
jede beliebige Gleichspannung einzustellen und dabei die vom Standpunkt des Blindleistungsverbrauchs
und der Blindleistungsänderung günstigste Gruppierung der Systeme und deren Feineinstellung
durch Gittersteuerung zu erzwingen.