STAHL UND EISEN
Z E I T S C H R I F T F Ü R D A S D E U T S C H E E I S E N H Ü T T E N W E S E N
H era u sg eg eb en vom V erein deutscher E isen h ü tten leu te G e le ite t v o n D r.-Ing. D r. m ont. E. h. O . P e t e r s e n
unter verantwortlicher Mitarbeit von Dr. J ^ \. Reichert und Dr. W . Steinberg für den wirtschaftlichen Teil
HEFT 3 21. J A N U A R 1937 57. J A H R G A N G
Steuergleichrichter für elektrische Anlagen in der Industrie.
Von C a rl T h e o d o r B u ff in Berlin-Siemensstadt.
[B ericht N r. 65 des M aschinenausschusses des Vereins deutscher E isen h ü tten leu te1).]
(Physikalisches Wesen und elektrische Eigenschaften der Entladungsgefäße. Hochvakuumgefäße und gas- oder dam pf ge füllte I akuumgefäße. Beeinflussung des Stromdurchganges in Entladungsgefäßen durch Gittersteuerung. Anwendungsbereiche, der beiden A rten von Entladungsgefäßen. Stromrichtergefäße. Gittersteuereinrichtungen.JtÄre Schaltungen und deren A nw en
dungsgebiet. Umkehrantriebe mit Gleichrichtern in Kreuzschaltung; ihre Wirkungsiveise und Spannungsverlauf bei einem Umsteuervorgang. Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik von Antrieben mit Gleichrichtern. Energieverbrauch. Rückw irkung der Steuergleichrichter a uf die Drehstromnetze. Praktische Verwendbarkeit der Steuergleichrichter in der Ind u strie.)
D
ie Q uecksilberdam pfgleichrichter sind seit etwa 40 Jahren bekannt. Sie tra te n bereits frühzeitig m it den Maschinenumformern als M ittel zur Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom in W ettbewerb. Ihre E n twicklung erschien für die Starkstrom technik aussichtsreich, weil der W unsch bestand, sich bei dem immer weiteren Vor
dringen der D rehstrom versorgungen für die verbleibenden Fälle des Gleichstrombedarfs von umlaufenden Umformern freizumachen und zu ruhenden und deshalb praktisch frei von Bedienung arbeitenden Umformeranlagen zu gelangen.
Die Betriebssicherheit der Gleichrichter und der beherrsch
bare Leistungsbereich blieben jedoch zunächst beschränkt, weil die tiefere K enntnis der physikalischen Vorgänge und deshalb auch die Treffsicherheit bei den technischen Maß
nahmen noch fehlten. Den Anstoß zu gründlicher Forschung auf dem Gebiete der elektrischen Entladungsgefäße, zu denen der Gleichrichter gehört, gab dann die Entw icklung der drahtlosen Telegraphie und des Rundfunks.
Das Steuergitter des Elektronenrohres, das ursprünglich für diese Gebiete entwickelt wurde, erwies sich später auch als ein außerordentlich wertvolles H ilfsm ittel für den Bau sicher arbeitender Großgleichrichter und als eine Regelvor
richtung von äußerster Feinfühligkeit, m it deren Hilfe man die Spannungen und Drehzahlen von A pparaten und Ma
schinen größter Leistungen ohne Verwendung irgendwelcher Zwischenrelais und somit u n ter Vermeidung selbst kleinster Zeitverluste m it Steuerström en von wenigen W a tt beein
flussen konnte. D urch Einführung des gittergesteuerten Gleichrichters sind Regelaufgaben lösbar geworden, für welche die früher bekannten M ittel auch bei sorgfältigster D urch
bildung nicht ausreichten. A ber auch auf Anwendungs
gebieten, die m it M aschinenumformern und den für diese entwickelten Regelverfahren bereits beherrschbar waren, vermag der Steuergleichrichter technische und w irtschaft
liche Vorteile zu bieten, so daß alle Voraussetzungen gegeben scheinen, daß er sich dort gleichfalls in weitem Umfange durchsetzt.
') E rs ta tte t in der 22. V ollsitzung des M aschinenausschusses am 23. April 1936. — S onderabdrucke sin d vom V erlag S tah l
eisen m. b. H ., Düsseldorf, P ostschließfach 664, zu beziehen.
Im ersten Teil der nachfolgenden Ausführungen w ird v er
sucht, einen kurzen Ueberblick über das p h y s i k a l i s c h e W e s e n u n d d ie e l e k t r i s c h e n E i g e n s c h a f t e n d e r S t e u e r g l e i c h r i c h t e r zu verm itteln; weiterhin soll dann auf ihre technische Anwendung eingegangen werden.
Um die Möglichkeit der B e e i n f lu s s u n g d e s S t r o m d u r c h g a n g e s in E n t l a d u n g s g e f ä ß e n m i t t e l s G i t t e r s t e u e r u n g verständlich zu machen, sei kurz wiedergegeben, wie sich die neuzeitliche Physik den Mechanismus des Strom verlaufs in derartigen Gefäßen vorstellt.
D er'S trom übergang zwischen den E lektroden in dem evakuierten Entladungsgefäß wird durch die E lektronen be
werkstelligt. Die Elektronen, welche die kleinsten elek
trischen Teilchen darstellen, werden nach dieser neueren Anschauung von allen glühenden K örpern an ihrer Ober
fläche ausgestrahlt, wobei die Menge der frei werdenden Elektronen m it der Größe und T em peratur der glühenden Oberfläche zunimmt. Ordnet m an nun in einem evakuierten Entladungsgefäß (A lb. 1) eine Elektrode aus einem glühen
den K örper und eine andere E lektrode aus einem n ich t
glühenden K örper an, und m acht m an die glühende E lek
trode durch Verbindung m it dem negativen Pol einer Strom quelle zur K athode, die nichtglühende E lektrode durch Ver
bindung m it dem positiven Pol zur Anode eines Stromkreises, so werden die von dem glühenden Körper ausgesandten E lek
tronen nach der nichtglühenden Elektrode hin in Bewegung gesetzt und bringen dadurch einen elektrischen Strom zu
stande; nim m t m an den Anschluß dagegen um gekehrt vor, verbindet m an also die nichtglühende E lektrode m it dem negativen Pol und die glühende Elektrode m it dem positiven Pol der Stromquelle, so werden die Elektronen durch das negative Feld an der nichtglühenden E lektrode in die glühende Elektrode zurückgetrieben, und es ist kein Strom fluß möglich. L egt m an die beiden Elektroden a n s ta tt an eine Gleichstromquelle an eine W echselstromquelle, so kom m t n u r die Halbwelle der einen R ichtung in einem Strom fluß zur Auswirkung, die der anderen R ichtung wird dagegen unterdrückt. Man bezeichnet dieses m it der Arbeitsweise eines Rückschlagventils vergleichbare V erhalten als V e n t i l w i r k u n g ; das Ergebnis derselben ist, daß der über das E n t
7 3 . « 53
54 S tah l und Eisen. C. T h. Buff: Steuergleichrichter fü r elektrische Anlagen in der Industrie. 57. Ja h rg . N r. 3.
ladungsgefäß verlaufende Stromkreis nur Strom in einer Richtung, also Gleichstrom führt. Dieser Gleichstrom fließt, wie auf Grund seiner Entstehungsweise ohne weiteres be
greiflich ist, zunächst nicht stetig, sondern nur interm ittie
rend; benutzt man aber s ta tt einer einphasigen Wechsel
stromquelle eine mehrphasige — wobei am einfachsten ein Gefäß Verwendung findet, das für jede Phase eine besondere Anode und für sämtliche Phasen eine gemeinschaftliche Kathode enthält (Abb. 2) —, so ergänzen sich die Teilströme des interm ittierenden Gleichstroms der einzelnen Phasen mehr oder weniger vollkommen zu einem Dauergleichstrom, dessen Gleichmäßigkeit sich nach Bedarf durch Einschaltung von Glättungsdrosselspulen noch weiter verbessern läßt.
Bei den Entladungsgefäßen sind nun verschiedene Arten zu unterscheiden. Die sogenannten H o c h - V a k u u m g e f ä ß e nach Abb. 1 enthalten fast überhaupt keine gasför
mige Materie. Der Strom
übergang erfolgt bei ihnen praktisch ausschließlich durch die von der Kathode em ittierten Elektronen.
Demgegenüber sind in den g a s - o d e r d a m p f g e f ü l l t e n V a k u u m g e f ä ß e n , zu denen der Quecksilber
dam pfstrom richter mit seiner durch flüssiges Quecksilber gebildeten Kathode gehört (Abb. 2), die Moleküle der allerdings auch noch außerordentlich verdünnten Edelgas- oder Metalldampfatmosphäre an dem Zustandekommen des Stromes stark m itbe
teiligt. Die Gasmoleküle werden nämlich durch die von der Kathode ausge
sandten und auf sie stoßen
den Elektronen gespalten in Elektronen und positiv ge
ladene Ionen, wobei die durch die Spaltung gebildeten neuen Elektronen gleichfalls zur positiven Anode wandern,während die Ionen zu einer gegenläufigen Wanderung in Richtung zur Kathode veranlaßt werden. Diesen Spaltungsvorgang be
zeichnet man als S t o ß i o n i s a t i o n . Da in der letztgenannten A rt von Gefäßen die Strom träger außerordentlich rasch akti
viert werden und ihre Zahl dabei vielfach größer wird als bei den zuerst erwähnten Hochvakuumgefäßen, eignen sie sich besonders zur Bewältigung großer Strom stärken.
Die Hochvakuumgefäße, in denen die Ionen m it positiver Ladung fehlen, enthalten — wie gesagt — als Strom träger nur negativ geladene Körperchen, nämlich die Elektronen.
Diese Elektronen zeigen gegenüber ihrer Umgebung und untereinander unbeschadet ihrer schnellen Bewegung das Verhalten elektrischer Ladungen. Wie von dem Schulver- such m it dem Goldblattelektroskop her bekannt, stoßen sich gleichnamige elektrische Ladungen ab. Diese Eigenschaft h at im Falle des Hochvakuumgefäßes zur Folge, daß die von der Kathode em ittierten Elektronen auf die nachfolgenden Elektronen eine abstoßende W irkung ausüben, so daß nur ein Teil der von der Kathode ausgehenden Elektronen zur Anode gelangen kann. Zur Ueberwindung dieser sich zu einer sogenannten negativen Raumladung summierenden ab
stoßenden K räfte der Elektronen und zur Erzwingung größerer Strom stärken sind recht erhebliche Spannungen zwischen den Elektroden erforderlich. Das Hochvakuum
A bbildung 1. Schaltung eines Hochvakuum rohres.
v = H o c h v a k u u m ro h r,
e = S tro m q u e lle des H a u p ts tr o m k reises,
a = A node, k = G lü h k a th o d e ,
h = H e iz stro m k re is d er G lü h k a th o d e , g = G itte r,
s = S te u e re in ric h tu n g fü r d as G itte r m it S te u e rstro m q u e lle , w = V e rb ra u c h e r (d a rg e s te llt d u rc h
r e g e lb a re n W id e rs ta n d ).
gefäß h at im Zusammenhang m it diesen Erscheinungen einer
seits die Fähigkeit, seine Ventilwirkung bis zu beträchtlichen Spannungen hinauf aufrechtzuerhalten, zeichnet sich also, wie man das ausdrückt, durch die Möglichkeit hoher Sperr
spannungen aus, läßt aber anderseits nur beschränkte Strom
stärken zu. Bei den Entladungsgefäßen m it verdünnter Gas
oder Dam pfatm osphäre h a t m an es dagegen m it einer weit
gehenden Durchmischung negativer Ladungen der Elek
tronen und positiver Ladungen der Ionen zu tun, die ein
ander aufheben und eine negative Raum ladung nicht zu
stande kommen lassen, so daß der aufzuwendende Span
nungsunterschied zwischen K athode und Anode viel geringer zu sein braucht. Bei den hier vorliegenden günstigen Vor
aussetzungen für das Zustandekomm en einer starken elek
trischen E ntladung spielt die vorbeschriebene reine Elek
tronenbewegung nur noch die Rolle eines Impulsgebers im Anfänge des Ionisierungs
vorganges, den man wegen seines selbsttätig weiter
greifenden schnellen Ver
laufes m it dem Entstehen einer Lawine verglichen h at. Zusammengefaßt sind also für das H o c h v a k u u m g e f ä ß h o h e Ge
f ä ß s p a n n u n g u n d g e r i n g e S t r o m s t ä r k e ,f ü r
das G a s e n t l a d u n g s g e f ä ß g e r in g e G e fä ß s p a n n u n g u n d h ohe S t r o m s t ä r k e kennzeich
nend.
Als eines wirksamen M ittels zur Regelung der Strom stärke bedient sich nun die neuere Technik des S t e u e r g i t t e r s . Es handelt sich um ein gitter- oder netzartiges Gebilde aus Metall oder Graphit, das in den Entladungsweg zwischen K athode und Anode eingefügt wird. E in Beispiel für seine Anordnung und elektrische Schaltung ist in
Abb. 1
ersichtlich gemacht. Das Steuergitter erhält über einen Regelwider
stand Spannung von dem Minuspol einer besonderen Span
nungsquelle, deren Pluspol m it der K athode verbunden ist.
Verkleinert man den W iderstandsw ert des Regelwiderstandes, so nim m t das G itter gegenüber der K athode in steigendem Maße negatives P otential an; deshalb werden die von der Kathode ausgesandten Elektronen vom G itter abgestoßen und in die K athode zurückgedrängt, so daß die Elektronen die Anode nicht zu erreichen vermögen und somit trotz dem Druck der H auptspannung kein Strom fluß zustande kommt. In diesem Zustand ist das Entladungsgefäß also durch die Einwirkung des G itters gesperrt. Vergrößert man dagegen den W iderstandsw ert des Regelwiderstandes, so wird das P otential des G itters weniger negativ; ein Teil der von der K athode ausgesandten Elektronen kann nunmehr, dem Druck der H auptspannung folgend, zur Anode gelangen, und der Strom fließt. Je größer man den W iderstandswert einregelt, desto mehr Elektronen gelangen zur Anode, und um so mehr steigt der Strom an. Eine noch größere Strom
stärke stellt sich ein, wenn man das G itter auf gleiches Po
tential gegenüber dem der K athode bringt oder ihm sogar durch Zuführung einer Spannung m it um gekehrter Polarität positives P otential gegenüber der K athode gibt. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, m it Hilfe der außerordent-
A bbildung 2. Schaltung eines Strom richters m it Queck
silberkathode.
v = S tro m ric h te rv a k u u m g e fä ß (d reip h a sig ),
t = S tr o m r ic h te r tr a n s f o r m a to r , s = S te u e re in ric h tu n g f ü r die
G itte r,
w = V e rb ra u c h e r (d a r g e s te llt d u rc h re g e lb a re n W id er
s ta n d ).
21. J a n u a r 1937. C. Th. Buf f : Steuergleichrichter fü r elektrische Anlagen in der Industrie. S tahl un d Eisen. 55
z z d b d b i
lieh kleinen Hilfsströme, die zur Einwirkung auf das G itter- potential benötigt werden, die Vorgänge im H auptstrom - kreis m it seinen vielfach stärkeren Ström en zu beeinflussen.
In der A rt der Beeinflussungsmöglichkeit bestehen nun allerdings grundlegende Unterschiede zwischen den Hoch
vakuumgefäßen einerseits und den Vakuumgefäßen m it Gas
oder Dampffüllung anderseits. Beim H o c h v a k u u m g e f ä ß nach Abb. 1 verm ag m an nämlich durch Veränderung der Gitterspannung den verhältnism äßig dünnen Elektronen
strom b e l ie b i g s c h n e l l u n d b e l i e b i g s t e t i g zu v e r s t ä r k e n u n d w ie d e r zu s c h w ä c h e n . Beim G e fä ß m it G a s - o d e r D a m p f f ü l l u n g nach Abb. 2 ist dagegen der einmal zustande gekommene, infolge der Stoßionisa
tion auf s äuß erste inten
sivierte E l e k t r o n e n s t r o m d u r c h n a c h t r ä g l i c h e A e n d e r u n - g e n d e r G i t t e r s p a n n u n g n i c h t m e h r
b e e i n f l u ß b a r und nim m t seinen Fortgang, 0 solange die an der K a
thode und Anode auf
gedrückte H auptspan
nung aufrechterhalten bleibt. W ird also ein Hochvakuum gefäß an eine W echselspannung von 50 H ertz angelegt, o so ist es in jedem be
liebigen Zeitteilchen, etwa in der Größenord
nung von Vioooo s, mög
lich, den durch Freigabe des Gitters zustande ge
brachten Strom durch Sperren des G itters wieder zum Verschwin
den zu bringen; beim gasgefüllten E ntla-
Im / Wh. /
\
VJL JL
_______,'9 ' Abbildung 3. W irkungsweise d e r Spannungsregelung von Quecksilber- Strom richtern durch G ittersteuerung.
Ua = A n o d e n s p a n n o n g , z = Z ündspannung, ßgi = G itte rs p a n n u n g ,
0 = N oll-L inie d e r G itt e r s p a n n u n g (e n tsp re c h e n d d e r S p a n n u n g a n d e r K a th o d e ).
Die g esch rafften F lä c h e n v e ra n s c h a u lic h e n die Z eiten, w ä h re n d w elc h er d e r S tro m flu ß d u rch die G itte rs te u e ro n g fre ig e g e b e n is t.
dungsgefäß jedoch gelingt das nicht, sondern der Strom fährt fort, m it der durch die elektrischen Daten des Stromkreises (Ohmscher, induktiver und kapazitiver W iderstand, elektro
motorische Gegenspannungen) bedingten In ten sität weiter zu fließen, bis die Spannungskurve der Wechselspannung durch den N ullpunkt schwingt. Deshalb kann man den von einem Gasentladungsgefäß abgegebenen Strom nur in der Weise regeln, daß man den Strom durchgang nicht sofort zu Beginn der nutzbaren Wechselspannungshalbwelle freigibt, sondern m it einer größeren oder kleineren zeitlichen Ver
schiebung, wie es in Abb. 3 dargestellt ist. Der Mittelwert des abgegebenen Stromes wird um so kleiner, je später die Stromführung der Anode freigegeben wird. E r fließt aber vom Augenblick der Zündung an unter allen U m ständen so lange weiter, bis die Spannung durch Null geht. Auf den Mechanismus der Stromfreigabe mit, Hilfe der G ittersteuerung wird später noch eingegangen werden. W ährend man den S tro m b e i d e n H o c h v a k u u m r ö h r e n s t e t i g u n d n a c h b e lie b ig e n G e s e tz e n zu v e r ä n d e r n vermag, kann er b e i den G a s e n tla d u n g s g e f ä ß e n n u r d u r c h d a s V o r - o d e r Z u r ü c k s c h ie b e n d es E i n s a t z z e i t p u n k t e s in s e in e r D u r c h s c h n i t t s s t ä r k e b e e i n f l u ß t w e r d e n und bleibt nach dem Einsatz jeweils bis zum Abklingen der betreffen
den Spannungshalbperiode seinem eigenen Gesetz über
lassen.
Aus diesem unterschiedlichen Verhalten ergeben sich die verschiedenen A n w e n d u n g s b e r e ic h e d e r b e id e n A r t e n v o n E n t l a d u n g s g e f ä ß e n . Das Hochvakuumgefäß findet hauptsächlich Verwendung als Sende- und Em pfangsröhre in der Rundfunktechnik, wo die stetige Veränderlichkeit Vorbedingung dafür ist, den akustischen Vorgängen m it ge
nügender Anpassungsfähigkeit zu folgen, und wo auch der Energieverbrauch keine ausschlaggebende Rolle spielt. Das Gasentladungsgefäß, besonders in der Form des Quecksilber- dampf-Gleichrichters, wird dagegen vorwiegend den Zwecken der Starkstrom technik nutzbar gem acht, wo die U nstetig
keiten des geschilderten Regelverfahrens durch entsprechend hoch gewählte Phasenzahlen und Einfügung von G lättungs
drosselspulen in hinreichendem Maße unschädlich gem acht werden können und der aus energiewirtschaftlichen Gründen zu fordernde hohe W irkungsgrad besondere Vorteile bietet.
Wenn es zweck
mäßig erschien, bis so weit die Hoch
vakuumgefäße und die Gefäße m it Gas
füllung nebeneinan
der zu betrachten, um durch den Ver
gleich die besonde
ren physikalischen Eigenschaften kla
rer herauszuheben, so genügt es, sich weiterhin wegen ihrer besonderen Be
deutung für die Auf
gaben der S tark
strom technik auf die Q u e c k s ilb e r-
d a m p f - S t r o m r i c h t e r als die H auptvertreter der S tark strom-Gasentladungsgefäße zu beschränken. Vorweg sei kurz erwähnt, daß man unter Strom richtern die Gesamtheit der Gasentladungsgefäße versteht, die dem Zwecke dienen, irgendeine Strom art in eine andere umzuwandeln. H andelt es sich um die Verwendung eines Strom richters zur Umwand
lung von Wechselstrom in Gleichstrom, so nennt m an ihn G l e i c h r i c h t e r , im Falle der Umwandlung von Gleich
strom in Wechselstrom W e c h s e l r i c h t e r , bei Umwandlung von Wechselstrom einer Frequenz in solchen einer anderen Frequenz U m r ic h t e r . Der grundsätzliche Aufbau der Strom richter ist in allen diesen Fällen der gleiche; die U nter
schiede liegen in der Schaltung der H auptstrom kreise und in der Durchbildung der Steuerorgane für die G itter, denen die Aufgabe zufällt, aus den einzelnen Halbwellen des speisenden Stromsystems passende Stücke herauszuschneiden und zu dem gewünschten neuen Strom system zusammen
zufügen. Die bei weitem größte Bedeutung unter den Strom
richtern haben bisher die G l e i c h r i c h t e r erlangt, die des
halb im folgenden bevorzugt behandelt werden sollen.
Die G l e i c h r i c h t e r g e f ä ß e werden bis zu Strom stärken von etwa 500 A je Einheit aus Glas
(Abb. 4)
hergestellt. Die K athode wird durch flüssiges Quecksilber gebildet. Die Anode und die zu denselben gehörigen Steuergitter sind in angeschmolzenen Armen untergebracht. F ü r größere Stromstärken verwendet man Eisengefäße
(Abb. 5),
die sich durch besonders hohe W iderstandsfähigkeit gegen Ueberlastungen und Kurzschlüsse auszeichnen; allerdings benötigen sie zur A ufrechterhaltung des Vakuums besondere Pum peneinrich-A bbildung 4. S tro m rich ter in G lasaus
führung fü r 400 A m it S te u e rg itte m (m it sechs A noden).
56 S tahl un d Eisen. C. Th. Buff: Steuergleichrichter fü r elektrische Anlagen in der Industrie. 57. Ja h rg . N r. 3.
tungen. Zur Erreichung möglichst geringer Welligkeit des abgegebenen Gleichstromes und des aufgenommenen Netz
stromes w ählt man eine verhältnismäßig große Phasenzahl, bei m ittleren Leistungen sechs, bei höheren Leistungen sogar zwölf. Zur Beschränkung der Strombelastung der einzelnen Anoden werden bei größeren Strom stärken mehrere Anoden für jede Phase angeordnet.
■ Da die Quecksilberkathode eine Quecksilberdampfmenge liefert, die zwanzig- bis hundertm al so groß ist, als für den Stromübergang erforderlich wäre, muß dafür gesorgt werden, daß der überschüssige Quecksilberdampf möglichst rasch kondensiert und nur eine ganz bestimmte Dampfmenge zu den Anoden gelangt. Bei zu großen Quecksilberdampf- mengen bzw. großen Dampfdichten vor den Anoden können sich nämlich unter Umständen flüssige Quecksilbertropfen
Abbildung 5. Strom richter in Eisenausführung für 5000 A m it S te u erg itte m (m it 18 Anoden).
an irgendwelchen unerwünschten Stellen, so auch auf den Anoden, absondern. Diese würden dann während der Sperr- phase als Nebenkathoden wirken und Elektronen aussenden, womit die Gefahr des Versagens der Ventilwirkung und des A uftretens innerer Kurzschlüsse im Gleichrichter — so
genannter Rückzündungen — verbunden ist. Man ordnet deshalb bei Glasgleichrichtern die Anoden in besonderen Armen an und sieht eine gründliche Luftkühlung des Kolbens vor; bei Eisengleichrichtern um gibt man aus dem gleichen Grunde die Anoden m it einem eisernen Schutzrohr und bringt gegenüber der Kathode wassergekühlte Kühlzylinder an. Einen weiteren und nahezu vollkommenen Schutz gegen die Rückzündungen, die ja bekanntlich praktisch die einzige Störungsquelle beim Gleichrichter darstellen, bringt aber die Anordnung der G itter vor den Anoden m it sich. Die G itter sind also nicht nur von Bedeutung für die Spannungs
regelung, sondern haben auch dazu geführt, die Betriebs
sicherheit der Gleichrichter außerordentlich zu erhöhen.
Wie durch Abb. 3 veranschaulicht, muß die zum Steuern dienende Gitterspannung während jeder Periode im Gleich
ta k t m it der speisenden Wechselspannung vom negativen Sperrwert auf einen positiven Zündwert gebracht werden, welcher etwas höher zu liegen h at als die zur Freigabe des G itters mindestens erforderliche Zündspannung. Man kann dies durch G i t t e r s t e u e r e i n r i c h t u n g e n erreichen,
die als umlaufende K ontaktgeber ausgebildet sind
(Abb. 6)
und den G ittern der einzelnen Anoden in ganz bestim m ten Zeitmomenten positive Spannungsstöße zuleiten, in ähnlicher A rt wie die Zündverteiler der Kraftwagen
verbrennungsm otoren der Reihe nach auf die einzelnen Zylinder arbeiten. D er K ontaktgeber m uß dabei durch einen Motor synchron m it dem Netz angetrieben werden. Die Ver
schiebung des Zündzeitpunktes und dam it die Spannungs
regelung erfolgt durch mechanische Verdrehung der Kontakt
scheibe oder, wie in A l l. 6, durch Verdrehung der Polrad
stellung des Synchronmotors m it Hilfe einer regelbaren zwei
achsigen Erregung. Neben dieser Steuerung gibt es noch andere Anordnungen, bei denen um laufende Teile vermieden sind und die für
die Zündung er
forderlichen po
sitiven Span
nungsstöße von stark gesättigten Transform ato
ren abgenommen werden.
Die Beein
flussung des H auptstrom krei
ses durch die G ittersteuerung veranschaulicht A l l. 7 für den F all eines drei
phasigen Gleich
richters. Ist der Gleichrichter voll
ausgesteuert (oberstes Teil
bild), so wird die Strom führung jeweils von der
jenigen Phase übernommen, deren Spannung
am größten ist, geht also, sobald der Spannungswert der nächsten Phase höher wird als der der vorausgegangenen, ohne weiteres auf diese über. Die vom Gleichrichter ab
gegebene Spannung setzt sich also aus K uppen von Sinus
halbwellen zusammen. Diese wellige Gleichspannung wird durch eine Drosselspule, die durch Abgabe von Zusatz- spannungen infolge ihrer magnetischen Trägheit die Span
nungstäler ausfüllt, zu einer praktisch reinen Gleich
spannung geglättet, die in der Abbildung gestrichelt ange
deutet ist. L äß t man die Freigabe der Stromführung der Anode m it Hilfe der G ittersteuerung n icht schon beim natür
lichen Z ündpunkt im S chnittpunkt zweier aufeinander
folgenden Halbwellen, sondern erst später erfolgen, so tritt eine Verkleinerung der Aussteuerung und dam it eine Ver
ringerung der abgegebenen Gleichspannung ein. Bei auf diese Weise verkleinerter Aussteuerung, z. B. in
Abb. 1,
zweitoberstes Teilbild, bei einem Zündverzögerungswinkel von ij; = 60°, schneidet der Gleichrichter aus den Spannungskurven nicht m ehr die ganzen Kuppen der Sinus
halbwellen, sondern kleinere Flächen heraus, so daß der M ittelwert der abgegebenen Gleichspannung — in der Abbildung wieder durch eine gestrichelte waagerechte Linie angedeutet — niedriger wird. Der Zündverzöge
rungswinkel gibt dabei an, um wieviel elektrische Grade die Zündung der Anode gegenüber dem natürlichen Zünd-
Steuerung m ittels K ontaktscheiben.
v = S tro m r ic h te r v a k u u m g e f ä ß , t = S tr o m r ic h te r tr a n s f o r m a to r ,
k = K o n ta k ts c h e ib e m it u m la u fe n d e r B ü rs te für d ie Z ü n d u n g ,
m = S y n c h ro n m o to r,
r = W id e r s ta n d f ü r d ie R e g e lu n g d er P h asen s te llu n g zw isch en P o lr a d u n d D reh feld des S y n c h r o n m o to r s z u m Z w ecke d e r Z ünd
p u n k tv e r s c h ie b u n g ,
b = B a tte r ie f ü r S p e rr- u n d Z ü n d s p a n n u n g .
21. J a n u a r 1937. C. Th. Buff: SteuerghichrichUr für elektrische Anlagen in der Industrie. S tah l u n d Eisen. 57 punkt im S chnittpunkt zweier aufeinanderfolgenden H alb
wellen verschoben erfolgt. Von einem gewissen B etrag der Zündverzögerung an setzt sich die Gleichspannung vor der Glättungsdrosselspule aus positiven und negativen Span
nungsflächen zusammen. Die nutzbare m ittlere Gleich
spannung hinter der Glättungsdrosselspule, also an den Sammelschienen, errechnet sich dann aus der Differenz der positiven und negativen Spannungsflächen. Bei einer Aus
steuerung von beispielsweise 60" ist sie n u r halb so groß, wie bei voller Aussteuerung, und wird endlich bei einem Zünd
verzögerungswinkel von 90° zu Null, da nunm ehr die posi
tiven und negativen Spannungsflächen gleich groß werden und sich gegenseitig aufheben. Bemerkenswert ist beim Zu-
Energie- fluü
Ubergangszustand m il wirksamen Gleichspannung
=Null
Energie- fluß
Abbildung 7. W irkungsw eise d e r Spannungsregelung durch die Zündpunktverschiebung bei Q uecksilberdam pf-S trom richtem m it G ittersteuerung beim A rb eiten vo n einem D rehstrom netz auf ein
G leichstrom netz u n d in u m g ek eh rter R ichtung.
1, 2, 3 = A n o d e n s p a n n u n g e n ,
E ^ = d e m G le ic h s tro m n e tz a n f g e d r ü c k te G le ic h s p a n n u n g , Eq = G eg en sp an n u n g d er am G leichstrom necz liegenden G le ic h s tr o m -
m a sc h in e;
= re su ltie ren d e S p a n n u n g (verbleibend z u r D eckung d e s O h m s c h e n S p a n n u n g sa b fa lls),
ip = Z u n d veraogem ng3w inke 1.
stand der Teilaussteuerung die Feststellung, daß die Anoden auch dann noch Strom führen, wenn die Spannung der zu
gehörigen Transform atorphase bereits in den negativen Be
reich übergegangen ist. Dies erk lärt sich daraus, daß die schon abgeklungene Anodenspannung durch die Zusatz
spannung der Glättungsdrosselspule bis auf den jeweils ge
strichelt angedeuteten Spannungsm ittelw ert ergänzt wird, der immer positiv gegenüber der K athode ist. Auf diese Weise bleibt die grundsätzliche A rbeitsbedingung des Gleich
richters, daß ein Strom im m er n u r in R ichtung eines posi
tiven Spannungsgefälles von der Anode zur K athode fließen kann, gewahrt.
Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß m it Größerwerden des Zündverzögerungswinkels 6 , also m it verkleinerter Aus
steuerung, der gestrichelt gezeichnete M ittelwert der dem gleichstromseitigen Verbraucher vom Gleichrichter aufge
drückten Spannung E A im m er kleiner w ird, um schließlich bei einem Zündverzögerungswinkel von ¿/ = 90° zu ver
schwinden. Die S p a n n u n g E A lä ß t sich also v o n e in e m H ö c h s t w e r t b is h i n a b a u f N u ll s t e t i g r e g e ln .
Soll die Möglichkeit zum W e c h s e l r i c h t e r b e t r i e b ge
geben sein, d. h. also Energie in um gekehrter R ichtung von
der Gleichstromseite nach der D rehstrom seite zu übertragen, so ist dies m it der eben beschriebenen Schaltung nicht ohne weiteres möglich, weil sich dieser B etriebszustand dadurch kennzeichnet, daß der Strom nicht m ehr im Sinne der gleichstromseitig aufgedrückten Spannung E A fließt, son
dern in entgegengesetzter Richtung, was durch die Ventil
wirkung verhindert wird. Es ist also ein besonderer K unst
griff notwendig. Man kom m t zum Ziel, indem m an den Gleichrichter m it vertauschten Polen auf das Gleichstrom
netz schaltet (Abb. 7, unten) und gleichzeitig die Zündung m it Hilfe des Steuerapparates so weit verschiebt, daß nun
mehr die Aufhebung der G ittersperrung für die einzelnen Phasen nicht m ehr in der Zeit der Halbwellen oberhalb der Null-Linie, sondern unterhalb der Null-Linie erfolgt. Hier
durch wird die äußere Spannung zwischen Transform ator
nullpunkt und K athode um gekehrt, während die Richtung des Spannungsgefälles und des Stromes innerhalb des Ge
fäßes dieselbe bleibt; die Anlage kann also in diesem Zu
stand Energie von der Gleichstromseite in das Wechsel
strom- bzw. Dreh- strom netz übertragen.
Die beschriebene Umschaltung auf W echselrichterbetrieb kom m t beispielsweise in Frage, wenn ein Motor aus irgendwel
chen Gründen e le k t r i s c h e A b b r e m s u n g erfordert. H an
delt es sich n u r um ein gelegentliches Ab
bremsen, so können die für die Umschal
tung erforderlichen Schaltm anöver (dop- pelpolige Umschal
tung des H auptstrom kreises und Verschie
bung der G itterzünd
punkte durch den Steuerapparat) in Kauf genommen wer
den. Bei U m k e h r
a n t r i e b e n m it häufigen Umsteuerungen, wie bei F örder
maschinen, U m kehrwalzenstraßen u. dgl., lä ß t sich die geschilderte U m schaltnotwendigkeit dadurch umgehen, daß man die sogenannte K r e u z s c h a l t u n g m it zwei besonderen Gleichrichtern anwendet, wie sie in Abb. 8 gezeigt wird. Jede der beiden Strom richteranlagen bleibt dann dauernd an dem A ntriebsm otor angeschlossen, die eine jedoch m it um gekehrter P o laritä t wie die andere. Diese K om bination er
gibt für den Betrieb ähnliche Möglichkeiten wie die altbe
k annte Leonardschaltung m it einem Steuerum form er und gestattet eine stufenlose Regelung von einem positiven H öchstw ert durch N ull zu einem negativen H öchstw ert u n te r stetiger Beschleunigung und Verzögerung der geregel
ten Antriebsm aschine zur H erbeiführung der durch den Steuerhebel eindeutig vorgeschriebenen Geschwindigkeiten.
Es ist vielleicht nützlich, die W ir k u n g s w e is e e i n e r d e r a r t i g e n K r e u z s c h a l t u n g bei einem U m kehrantriebe durch die verschiedenen Z eitabschnitte eines U m steuer
vorganges hindurch an H and eines Schemas zu verfolgen (Abb. 9). Die Felderregung des Gleichstromm otors bleibt der R ichtung nach und — wenn m an die Möglichkeit, besonders hohe Drehzahlen m it geringem D rehm om ent-
A bbildung 8. K reuzschaltung zweier S tro m rich ter fü r U m kehrantriebe.
Vj, v2 = S tro m ric h te rg e fä ß e ,
t j = P rim ä rw ic k lu n g d e s S tr o m r ic h te r - T ra n s fo rm a to rs ,
t a , t^ j = S e k u n d ä rw ic k lu n g e n d e s S tr o m ric h te r tr a n s f o r m a to r s ,
&!, &2 = G itte rs te u e rre g le r, m = G le ic h s tro m m a s c h in e ,
—-—> = S tro m v e rla u f b ei R e c h ts la u f d e r G le ic h s tro m m a s c h in e ,
--- > = S tro m v e rla u f b ei L in k s la u f d e r G le ic h stro m m a s c h in e .
58 S tah l u n d Eisen. C. Th. Buff: Steuergleichrichter für elektrische Anlagen m der Industrie. 57. Jah rg . N r. 3.
bedarf durch Feldschwächung zu erreichen, außer Betracht läß t — auch der Stärke nach unverändert. Es ist dann die Drehrichtung des Gleichstrommotors abhängig von der Rich
tung und sein aktives Drehmoment abhängig von der Stärke des Ankerstromes J. Der Ankerstrom J seinerseits hängt nach Richtung und Stärke ab von der im Stromkreis resultierenden Spannung E R, die sich als Differenz der auf- gedriickten Spannung E A und der bei laufender Maschine unter den Feldpolen in den Ankerstäben induzierten Gegen
spannung E G ergibt und dazu dient, die Ohmschen W ider
stände zu überwinden. Solange das aktive Drehmoment des Motors das passive Dremoment der angetriebenen Arbeits
maschine überwiegt, wirkt der Drehmomentüberschuß be
schleunigend; im umgekehrten Falle, bei Ueberwiegen des passiven Drehmoments, tr itt eine Verzögerung ein. Bei Gleichheit des aktiven und passiven Drehmoments bleibt der
Er gegensinnig zu EA inergieverlauf von der Maschine zum Netz, also Brems-(Generator) ¿ustand
Eq-0
Er = Ea so groß, daß für Drehmoment erforder
licher Strom J fließt
i R gleichsinnig zu i A tnergieverlauf vom Neu
lur Maschine, a/so Antriebs-(Motor) ¿ustand
a) Rechtslauf, volle Drehzahl Bremszustand « - 1 Antriebszustand
b) Rechts lauf, halbe Drehzahl Bremszustand—I — Antnebszustand
Aisr^ fok»
c) Stillstand Linksdrehmoment | — Dechtsdrehmoment
■/Ifrn fr, V d ) Linkslauf. halbe Drehzahl Antriebszustand ■*-1 -*• Bremszustand
e) Unkslauf, volle Drehzahl Antriebszusrand 1 — Bremszustand
-'!&et_
Linkslauf hinein beschleunigt wird und dann m it weiterer Vergrößerung von E A im neuen Richtungssinne die in Abb. 9d und e dargestellten Antriebszustände im Linkslauf erreicht. Die abermalige U m steuerung vom Linkslauf zum Rechtslauf ist beginnend m it dem rechten Teil von Abb. 9e und weiter über die Abb. 9d, c, b nach a rechter Teil dargestellt.
Der vorstehend geschilderte Verlauf des Umsteuer
betriebes einer Gleichstrommaschine m it Regelung der Ankerspannung gilt in gleicher Weise für Speisung durch Leonardumformer wie durch Gleichrichter in Kreuzschaltung.
W ährend aber beim Leonardum form er alle Betriebsphasen durch ein und dieselbe Steuerdynam o zu beherrschen sind, werden bei der Gleichrichteranlage die auf dem linken Teil der Abb. 9a bis e dargestellten Betriebsphasen, also Antriebs
zustand bei Linkslauf und Brem szustand bei Rechtslauf, von dem einen und die in dem rechten Teil der Abbildungen dar
gestellten Fälle, also A ntriebszustand bei Rechtslauf und Brem szustand bei Linkslauf, von dem anderen Gefäß be-
£« > Es in gleichsinnig zu i A inergieverlauf vom Netz
zur Maschine, also Antriebs -(Motor! Zustand
e6 =o i n - i A so groß, daß für Drehmoment erforder
licher Strom J fließt
Ea ( itf
in gegensinnig zu i A inergieverlauf von der Maschine zum Netz, also Brems-(ßenerator)Zustand
Spannung
Spannungen bet : Beschleunigung Verzögerung
aufgedrückte Spannung induzierte Gegenspannung der Maschine
Abbildung 9. B etriebszustände eines U m kehrantriebes m it ankergeregelter Gleichstrommaschine.
E A = a u fg e d rü c k te S p an n u n g ,
Eq = in d u z ie rte G eg en sp an n u n g d e r M aschine, e R = e A — Eg = re s u ltie re n d e S p a n n u n g , J = S tr o m s tä r k e , ab h ä n g ig v o n E ^ .
jeweilige Geschwindigkeitszustand erhalten. Um einen Be
harrungszustand m it einer bestimmten Geschwindigkeit zu erreichen, h a t man also die aufgedrückte Spannung E A so groß einzustellen, daß die nach Abzug der der Drehzahl ent
sprechenden Gegenspannung E G verbleibende Spannung E R zur Erzeugung der dem passiven Drehmoment der Arbeits
maschine entsprechenden Strom stärke J ausreicht. Die rechte Seite des obersten Teilbildes (Abb. 9a), zeigt die Verhältnisse bei Rechtslauf m it voller Drehzahl; es be
steht Antriebszustand, d. h. es wird Energie vom Netz entnommen und der Gleichstrommaschine zur Weitergabe an die Arbeitsmaschinenanlage zugeführt. Um umzusteuern, wird nunm ehr — wie auf der linken - Seite der gleichen Abbildung gezeigt — E A vermindert, so daß E A kleiner als E 0 wird; dam it kehren E e , J und das Drehmoment ihren W irkungssinn um, der Strom fließt nunmehr entgegen der Richtung der aufgedrückten Spannung, was gleich
bedeutend m it Rücklieferung der aufgespeicherten Schwung
massenenergie an das Netz ist, und die Maschine wird ab
gebremst. Um diese Bremswirkung aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, m it der durch die Verlangsamung des Laufes bedingten Abnahme von E G auch E A ständig weiter zu ver
mindern; linker Teil von Abb. 9b. Bei Abb. 9c, linker Teil, ist die Geschwindigkeit und dam it E G = 0 geworden, E A jedoch bereits durch Null hindurch geregelt, so daß die aus dem Rechtslauf abgebremste Maschine nunm ehr weiter in den
Spannung e
resultierende Spannung, lug/eich für Richtung des Strom es maßgeblich Abbildung 10. D rehzahl-Spannungs-D iagram m einer
Um kehrperiode bei Strom richterspeisung von G leichstrom -U m kehrantrieben.
Ea = a u fg e d rü c k te S p a n n u n g ,
Eg = in d u z ie r te G e g e n s p a n n u n g d e r M asch in e , E R = r e s u ltie re n d e S p a n n u n g , z u g le ic h f ü r R ic h tu n g des
S tro m e s m a ß g eb lic h .
stritten. Beide Gefäße sind — wie gesagt — dauernd ein
geschaltet und in Bereitschaft, zu den von den Steuergittern freigegebenen Zeitmomenten die Strom führung zu über
nehmen, je nachdem wie ihre Inanspruchnahm e bei der jeweiligen Drehzahl und dem jeweilig angesteuerten Energie
verlauf notwendig ist.
Um das Gesagte noch deutlicher zu machen, ist in der nächsten Abb. 10 der Verlauf der Spannungen bei einem Umsteuervorgang und die abwechselnde Beteiligung der beiden Gefäße an ihm durch Schaulinien dargestellt. Die Gegenspannung E G der von der Gleichrichteranlage ange
triebenen Maschine verläuft, solange das Feld voll erregt ist, proportional der Drehzahl. Stellt m an m it Hilfe des Steuer
hebels die aufgedrückte Spannung E A so ein, daß sie bei der jeweiligen Geschwindigkeit der Maschine größer ist als EG, so ergibt sich eine resultierende Spannung E R, die EG ent
gegengesetzt ist und demgemäß Strom entgegen der Richtung von E g durch die Maschine hindurchtreibt, so daß sie sich beschleunigt. V erkleinert m an dagegen die auf gedrückte Spannung E A, so daß sie niedriger wird als E G, so ist die resultierende Spannung E R gleichsinnig m it E 0, und die Maschine gibt nun wie ein Generator Strom an das Netz ab, wodurch sie sich verzögert. W ährend eines Umsteuervor
ganges, beispielsweise von Höchstgeschwindigkeit Linkslauf auf Höchstgeschwindigkeit Rechtslauf, behält der Strom während des V erzögerungsabschnittes bis auf Null und des
21. J a n u a r 1937. C. T h . Buf f : Steuergleichrichter fü r elektrische Anlagen in der Industrie. S tahl un d Eisen. 59 nachfolgenden Beschleunigungsabschnittes beim Anlauf in
umgekehrter R ichtung sein Vorzeichen bei, so daß während dieses ganzen Vorganges das eine Gefäß in Tätigkeit ist; bei der U m steuerung im entgegengesetzten Sinne ist ent
sprechend n u r das andere Gefäß in Tätigkeit.
In den weiteren A usführungen soll nunm ehr die p r a k ti s c h e V e r w e n d b a r k e i t d e r S t e u e r g l e i c h r i c h t e r
— unter besonderer Berücksichtigung der H üttenindustrie — besprochen w erden, wobei neben dem Verhalten auf dem engeren antriebstechnischen Gebiet auch die Fragen der W irtschaftlichkeit und der Rückwirkungen auf die Elek
trizitätsversorgungsanlagen zu berühren sind.
Die c h a r a k t e r i s t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n der an einen Steuergleichrichter angeschlossenen Gleiehstrommaschine selbst werden natürlich durch diese A rt der Speisung in keiner Weise verändert. Man kann also beispielsweise eine Gleichstrom-Nebenschlußmaschine genau wie bei Speisung von einem G leichstromnetz gleichbleibender Spannung oder von einem Leonardum form er durch Feldschwächung auf höhere Drehzahlen bringen; m an kann ihr Verbundwick
lungen geben, um ih r eine gewisse N achgiebigkeit gegenüber Belastungsstößen zu verleihen, usw. Unterschiede im Ver
halten ergeben sich lediglich aus den Besonderheiten der Verbindung von Maschine und Steuergleichrichter zusammen
genommen.
Die D r e h m o m e n t - D r e h z a h l - C h a r a k t e r i s t i k des Strom richters verläuft ähnlich wie die eines Leonardum formers. E in U nterschied ist n u r insofern vorhanden, als sich die L aststöße beim S trom richter vollkommen unver
ändert sofort auf die D rehstrom seite übertragen, während beim umlaufenden Umformer eine gewisse dämpfende W ir
kung durch die Schwungmassen, besonders bei asynchronen Umformern, und ferner durch die magnetischen Trägheiten in den Maschinenfeldern zustande kom m t. Man kann jedoch auch bei Gleichrichterbetrieb überm äßig h arte Strom stöße dadurch vermeiden, daß m an die G ittersteuerung vom Be
triebsstrom zusätzlich in dem Sinne beeinflussen läßt, daß eine Verringerung der A ussteuerung ein tr itt ; es lä ß t sich auf diesem Wege eine ähnliche W irkung erreichen, wie durch Verbundwicklungen auf einem Motor oder durch Gegen
verbundwicklungen auf einer Leonardsteuerdynam o.
H andelt es sich darum , einem A ntrieb ein bestimm tes genau einzuhaltendes G e s c h w i n d i g k e i t s g e s e t z aufzu
erlegen, so ist dies gleichfalls auf dem Wege über die G itter
steuerung zu bewerkstelligen. Man verm ag beispielsweise eine g l e i c h b l e i b e n d e Geschwindigkeit dadurch zu er
zwingen, daß man die A ussteuerung in A bhängigkeit von der Spannungsdifferenz zwischen einer gleichbleibenden Ver
gleichsspannung und der Spannung einer m it dem betreffen
den Antrieb gekuppelten Tachom eterdynam o arbeiten läßt, so daß bei einem Zurückbleiben eine Vergrößerung, bei einem Vorauseilen eine Verkleinerung der A ussteuerung erfolgt. In anderen Fällen kann m an die E inrichtung so wälilen, daß die Geschwindigkeit des A ntriebes v e r ä n d e r l i c h gesteuert wird, um irgendwelche sonstigen W erte unveränderlich zu halten. Dies gilt beispielsweise für Schlingensteuerungen bei kontinuierlichen Walzwerken, bei denen der D urchhang des Walzgutes zwischen je zwei Gerüsten weder zu groß noch zu klein werden darf, ferner bei Maschinen für die Verarbeitung von Bändern, Fäden und sonstigen Stoffen irgendwelcher A rt, deren Behandlung eine unabhängig von dem Durchmesser der Aufwickelvorrichtung stets gleichbleibende günstigste Zugkraft verlangt, usw. In allen derartigen F ällen wird man die Beeinflussung der A ussteuerung im m er möglichst in un
m ittelbarer A bhängigkeit von derjenigen Größe vornehmen, auf die es ankom m t, also in den erw ähnten Beispielen von
dem Durchhang der Schlinge oder von der auf den W erkstoff in der Verarbeitungsmaschine ausgeübten Zugkraft.
Bei Lösung solcher Aufgaben ist die hervorstechendste Eigenschaft des Steuergleichrichterantriebes das a u ß e r o r d e n t l i c h s c h n e ll e A n s p r e c h e n infolge der praktischen Trägheitslosigkeit; denn w ährend bei Motoren m it F eld
regelung die magnetische Trägheit des Motorfeldes, bei Leonardgruppen diejenige der Steuerdynam o und oft auch noch des auf die Steuerdynamo arbeitenden Erregerumformers Verzögerungen in der Größenordnung von halben bis m ehre
ren Sekunden verursachen, bleibt beim A ntrieb m it Steuer
gleichrichter als einzige Verzögerungsquelle von fühlbarem Maß das magnetische Streufeld der Ankerstäbe des Motors übrig, so daß die Verzögerungen des Ansprechens hier nur einen winzigen Bruchteil der vorerwähnten Zeitspannen aus
machen. Oft wird es deshalb sogar notwendig, durch künst
liche Verzögerungsmaßnahmen in den impulsgebenden Teilen ein allzu schnelles Einsetzen der Geschwindigkeitsberichti
gungen, das zu nachteiligen ruckartigen W erkstoffbean- spruchungen führen könnte, zu vermeiden.
etwa llo o m ^u H etwaMSm3uJL
-16000- rWO-t
Leonard-Umformer
Abbildung 11. Vergleich des R aum bedarfes eines U m form erhauses fü r eine U m kehrw alzenstraße m it L eonard-U m form er u n d m it
Strom richtern.
f = E rre g e ru n ifo rm e r, g = A n lasse r, h = G le ic h ric h te r, i = S c h a lta n la g e ,
k = T r a n s f o r m a to r , 1 = R ü c k k ü h le r , m = S a u g d ro s se ln , n = O elg ru b e.
a = L e o n a rd -U m fo rm e r, b = S c h a ltw a rte , c = U m s c h a lts c h ra n k , d = F ilte r,
e = V e n tila to re n ,
Wie schon erwähnt, haben die Steuergleichrichter auf einer Reihe von Anwendungsgebieten neue sehr wertvolle technische Lösungen ermöglicht und sich dadurch unent
behrlich gem acht. Wo die Lösungen dagegen m it den früher bekannten M itteln an sich schon beherrschbar w aren, wird ihre Einführung m ehr von w i r t s c h a f t l i c h e n E i n f l ü s s e n abhängen. In dieser H insicht erscheint zunächst die Frage des E n e r g i e v e r b r a u c h s d e s G le i c h r ic J ite r s beachtens
w ert. Kennzeichnend für ihn im Gegensatz zu den um laufenden Umformern ist nun, daß der Gleichrichter, wenn man von dem geringfügigen V erbrauch der zur A ufrecht
erhaltung der Zündfähigkeit benötigten Hilfselektrode, des Steuergeräts u nd des Transform ators absieht, durch keinerlei Leerlaufverluste beschwert ist. Der innere Spannungsabfall des Gefäßes liegt in der Größenordnung von 20 bis 30 V und verändert sich zwischen Leerlauf und Vollast n u r un
erheblich. W ählt m an, um diesen gegebenen inneren Span
nungsverlust anteilm äßig niedrig zu machen, die B etriebs
spannung genügend hoch — erw ünscht sind etw a 800 V — , so erhält m an einen Gefäßwirkungsgrad in der Größen
ordnung von etwa 9 7% und für die Gleichrichteranlage im
60 S tah l un d Eisen. C. Th. Buff: Steuergleichrichter für elektrische Anlagen m der Industrie. 57. Jahrg. Nr. 3.
ganzen einen W irkungsgrad von etwa 95% , der sich bei Belastungsrückgang sogar zunächst noch etwas bessert. Der durchschnittliche Betriebswirkungsgrad eines vollständigen Umkehrantriebes m it 800-V-Gleichrichter kann somit zu etwa 89% angenommen werden, während eine gleichwertige Anlage m it Leonardschaltung nur etwa 78% erreicht. Es ergibt sich also unter der Voraussetzung, daß man zur W ahl einer günstigen Betriebsspannung in der Lage war, eine E r s p a r n i s an E n e r g i e v e r b r a u c h auf seiten des Gleich
richters in der Größenordnung von etwa einem Siebentel. Die A n s c h a f f u n g s k o s t e n liegen beim Steuergleichrichter
antrieb und Leonardantrieb für den Lieferumfang des elek-
richters selbst, sondern Angelegenheit der B e l a s t b a r k e i t d e r K r a f t v e r s o r g u n g s a n l a g e n . Wo diese imstande sind, die Stöße in den vorkommenden Größenordnungen von 5000,10000 und bis hinauf zu 15000 kW aufzunehmen, ohne daß ihre Spannung oder Frequenz in Mitleidenschaft gezogen werden, läßt sich der Steuergleichrichterantrieb ohne Schwie
rigkeiten wählen; trifft diese Voraussetzung aber nicht zu, bleibt der Ilgnerumformer die einzig mögliche Lösung. Die Einführung der Steuergleichrichter für die Antriebe der schweren Straßen, die nicht nur die Verbrauchsdifferenz gegenüber den Leonardantrieben, sondern auch die erheb
lichen Leerlaufverluste der Schwungräder einsparen würden, erscheint grundsätzlich sehr erstrebensw ert, wird aber aus
schlaggebend davon abhängen, wie sich die Spitzenbelastbar
keit der Netze und der betei
ligten Kraftwerke weiter ent
wickeln wird. Hoffentlich wer
den die durch das neue Ener
giewirtschaftsgesetz erleich
terten Zusammenschließungen der einzelnen Kraftwerke sich auch hier günstig auswirken.
Es sei nun noch kurz ein P u n k t gestreift, der vor allem den Elektrizitätswerksfach
m ann angeht, nämlich die R ü c k w ir k u n g d e r S te u e r g l e i c h r i c h t e r a u f die D r e h s t r o m n e t z e durch Oberwellenströme und Blind- Abbildung 12. Vergleich der Spannungsregelung von Strom richtern durch Zündpunktverschiebung strö m e .
und durch Verminderung der zugeführten D rehstrom spannune. , , . . .
& & ~ , q ... O b e r w e ll e n s tr o m e ent-
c = S tro m - u n d S p a n n u n g s v e rh a lt- . . . .
n isse au f d er G leich- u n d W echsel- S teh en beim Gleichrichter-
s tro m s e ite , w en n d ie G le ic h sp a n n u n g i ± • u u 1 xi* j j u d u r c h T r a n s f o r m a t o r a n z a p - betrieb bekanntlich dadurch,
f u n g e n au f 5 0 % v e r r in g e r t w ird . d a ß aus (Jeil einzelnen Halb-
( H a l b e A n o d e n s p a n n u n g , ■, r \ i x
v o l l e A u s s t e u e r u n g . ) wellen des Drehstromnetzes nur bestim m te, für die Bildung des Gleichstroms erforderliche
b = S tro m - u n d S p a n n u n g s v e rh ä lt
nisse au f d er G leich- u n d W echsel
stro m s e ite , w enn die G leich sp an n u n g d u r c h G i t t e r s t e u e r u n g au f 50 % h e ra b g e re g e lt w ird.
( V o l l e A n o d e n s p a n n u n g , h a l b e A u s s t e u e r u n g . ) 1, 2, 3 (o b e rste R eihe) = P h a s e n s p a n n u n g e n des p rim ä re n D re h stro m n e tz e s,
6, 1, 2, 3, 4, 5 (z w eito b erste R eih e) = P h a s e n s p a n n u n g e n des s e k u n d ä re n S ech sp h a se n sy stem s.
= d em G leich stro m n etz a u fg e d rü c k te S p an n u n g ,
I G = G leich stro m (g e g lä tte t), g e sc h ra ffte F läc h en b e d e u te n die a u s d er N e tz p h a se 1 s ta m m e n d e n G le ic h stro m te ile , Stücke entnommen Werden,
a = S tro m - u n d S p a n n u n g s v e rh ä lt
n isse a u f d er G leich- u n d W echsel
stro m se ite , w enn d er G leich rich ter die volle G leich sp an n u n g a b g ib t.
( V o l l e A n o d e n s p a n n u n g , v o l l e A u s s t e u e r u n g . )
= P rim ä rs tro m d er N e tz p h a se 1,
= P h a s en v e rsch ie b u n g sw in k e l zw ischen I j u n d 1.
irischen Teiles annähernd gleich hoch. Wesentliche Einspa
rungen zugunsten des Gleichrichterantriebes ergeben sich je
doch wegen des geringeren P l a t z b e d a r f s (Abb. 11) und der kleineren G e w ic h te an den G e b ä u d e - und F u n d a m e n t k o s te n . Der K apitaldienst fällt also bei der Gleichrichter
anlage gleichfalls billiger aus. Diese Angaben gelten, wie ausdrücklich betont sei, für Anlagen m ittlerer und größerer Leistungen. Bei kleineren Anlagen wird man sich in der Regel genötigt sehen, niedrigere weniger wirtschaftliche Be
triebsspannungen anzuwenden; es fallen dort auch die Kosten der Steuereinrichtung und der sonstigen Nebengeräte anteil
mäßig stärker ins Gewicht, so daß die Verbrauchs- und Kapi
taldienstkosten für den Gleichrichterantrieb dann im Verhält
nis ungünstiger werden. Zunächst darf also im Bereiche der größeren Leistungen ein Sichdurchsetzen der Steuergleich
richter erw artet werden, nachdem bereits beachtliche E rst
ausführungen auf verschiedenen Anwendungsgebieten ihre Brauchbarkeit und Betriebssicherheit voll erwiesen haben.
Allerdings kann der Steuergleichrichterantrieb seinem Wesen nach nur als E rsatz für die reinen Leonardumformer bewertet werden, nicht dagegen für die Ilgnerumformer m it Schwungradpufferung. Seine Verwendung für Umkehr
walzenstraßen größter Leistungen ist heute keineswegs mehr eine Frage der technischen Zuverlässigkeit des Steuergleich-
so daß die drehstromseitigen Prim ärström e nicht rein sinus
förmig, sondern nur sinusähnlich abgetreppt verlaufen (Abb. 12, unten). Uebrigens findet m an die durch die Trep- pung der Prim ärström e bedingten Oberwellenströme sowohl bei gesteuerten als auch bei ungesteuerten Gleichrichtern;
sie sind also nicht durch die G ittersteuerung bedingt. Die Elektrotechnik h at nun aber M ittel und Wege gefunden, durch Sonderschaltungen der Transform atoren die Ober
wellenströme so weit zu verringern, daß keine nachteiligen Wirkungen auf das Netz und die angeschlossenen Verbraucher mehr auftreten können, so daß auch größte Stromrichter
anlagen unbedenklich an gleichzeitig anderen Verbrauchern dienende Elektrizitätsversorgungsanlagen angescldossen wer
den können.
Was die B l i n d s t r ö m e betrifft, so h a t der gesteuerte Gleichrichter die Eigenschaft, daß sich der primäre Leistungs
faktor, der bei voller Aussteuerung in der Nähe der Ein
heit liegt, m it Verringerung der Aussteuerung verkleinert.
In der Abb. 12 ist links u nter a der Betrieb bei voller Aussteuerung, d. h. bei voller Spannung, dargestellt. Das oberste Bild zeigt die drei Phasenspannungen des Dreh
stromnetzes. Das zweite Bild von oben gibt die sechs Anodenspannungen wieder, von denen die Phasen 1 und 4 stark herausgezeichnet sind. Jede Phase fü h rt während des zweiten D rittels einer jeden Halbwelle den Strom , der durch
21. J a n u a r 1937. C. T h. Buf f : Steuergleichrichter fü r elektrische Anlagen in der Industrie. S tahl u n d Eisen. 61 eine Glättungsdrosselspule zu einem reinen Gleichstrom ge
g lättet wird, wie es in dem dritten Bilde von oben dar
gestellt ist. Das vierte Bild von oben veranschaulicht den Verlauf des Prim ärstrom es, der sich durch Umrechnung der von dem sekundären Sechsphasensystem erzeugten Strom
rechtecke der Gleichstromseite auf die dreiphasige D rehstrom seite erg ib t; die scharfen Abtreppungen im P rim ärstrom wer
den allerdings in W irklichkeit durch die N etzinduktivitäten weitgehend verm indert. Bei voller Aussteuerung liegen die Stromrechtecke der Gleichstromseite in der M itte der zu
gehörigen Anodenspannungen (für Phase 1 und 4 geschrafft
A bbildung 13. B a n d stah lstra ß en a n trie b m it Speisung durch G leichrichteranlage, 1500 kW H öchstleistung.
Nunm ehr seien noch einige A n w e n d u n g s b e is p ie le für die Verwendung von Gleichrichtern in der Industrie gebracht.
Was zunächst die H ü t t e n w e r k e anbelangt, so haben verschiedene einige Jah re zurückliegende Ausführungen von Gleichrichteranlagen, bei denen von der G ittersteuerung noch kein Gebrauch gem acht wurde, die Eignung der Großgleichrichter für die dort vorliegenden besonders schwierigen Betriebsverhältnisse voll und ganz erwiesen.
Zum Teil arbeiteten diese Gleichrichter parallel m it Generatoren auf die Sammelschienen der Gleichstrom
hüttennetze, zum Teil wurden sie aber auch für Zwecke des Einzelantriebes ver
wendet, wie z. B. im Falle des in Abb. 13 ge
zeigten Antriebes einer B andstahlstraße, bei der es möglich war, die er
forderliche D rehzahlän
derung noch ausschließ
lich m it Hilfe der Feld
regelung durchzuführen.
Die erste Versuchsaus
führung eines U m kehran
triebes m it gittergesteu
erten Gleichrichtern in Kreuzschaltung wurde im Jah re 1933 an einem kleinen Metallwalzwerk im Kabelwerk Gartenfeld der Siemens-Schuckert- werke, A.-G., zusammen-*
gestellt; die Leistung dieser Anordnung betrug 110kW. Mittlerweile sind, nachdem die Wiederbelebung der W irtschaft auch in der H üttenindustrie das Bedürfnis nach größeren Neuanlagen entstehen ließ, eine Reihe von Steuergleichrichteranlagen für angedeutet) und der P rim ärstrom ist m it der Netzspannung
in Phase. Bei Betrieb m it Teilaussteuerung, beispiels
weise in der m ittleren Bildersäule von Abb. 12 u nter b für halbe Aussteuerung gezeigt, bleiben die Strom rechtecke nicht mehr in der M itte, sondern sind nach dem letzten D rittel der zugehörigen Anodenspannungshalbwelle verla
gert, und der P rim ärstrom erscheint gegenüber der N etzspan
nung um den W inkel <p, der gleich dem Zündverzögerungs
winkel t]; ist, verschoben. Eine solche Verschiebung des Prim ärstromes h a t eine B lindstrom entnahm e aus dem D reh
stromnetz zur Folge. Diese an sich ungünstige Erscheinung wird aber im allgemeinen nur für gewisse Zeitspannen, be
sonders während des Anlassens oder Umsteuerns, auftreten.
Wo infolge der Betriebsverhältnisse längeres Verweilen in Bereichen erheblich verm inderter Spannung in Frage kommt, wird m an die Blindstrom entnahm e dadurch zu ver
meiden suchen, daß m an die A nodenspannung durch An
zapfungen am Transform ator verringert. Man erhält dann beispielsweise für halbe Gleichspannung die in Abb. 12 unter c dargestellten Strom - und Spannungsverhältnisse, die für Welligkeit der Gleichspannung und Blindleistung wieder ge
nau so günstig sind wie die in Abb. 12a für volle Spannung gezeigten W erte. Diese M aßnahme beeinträchtigt allerdings infolge der notwendig werdenden Transform atorum schaltun- gen die Einfachheit der Anlage und wird deshalb nur bei längeren Benutzungszeiten der unteren Spannungsstufen ge
rechtfertigt sein. — Um M ißverständnisse zu vermeiden, sei noch darauf hingewiesen, daß die in Abb. 12b, zweites Bild von oben, gezeigte sägeförmige Gleichspannung nur zwischen Kathode und T ransform atorsternpunkt a u ftritt, w ährend an den Motorklemmen die durch eine entsprechend bemessene Drosselspule geglättete G leichspannung E A (strichpunk
tiert) herrscht.
f-fl—fl---Hfl-1fl"— *— fl— 5--- fl--- fl--- fl--- fl--- fl-
a --d . Motoren je 100 kVJ, ¡tso—iooo U/min e - y Motoren j e USO kW , ¡*50 ■■■1000 U/min 71---771 Motoren j e 600 kW , 380■■■ 320 U/min
A bbildung 14. S chaltbild einer fo rtlau fen d a rb eite n d e n W alzenstraße m it S trom richtersteuerung.
L in k e r T e il: V o rg e rü s te (M o to re n a b is g) d u r c h g e m e in s a m e n G le ic h ric h te r g e sp e ist.
B e c h te r T e il: F e r tig g e r ü s te (M o to ren h b is m ) d u rc h ein zeln e G le ic h ric h te r g esp e ist.
durchlaufende W alzenstraßen von teilweise recht hohen Leistungen in Ausführung gekommen, über die leider zur Zeit noch keine Einzelheiten m itgeteilt werden können. Als A nhalt für die bem erkenswerten Anwendungsmöglichkeiten der Steuergleichrichter diene jedoch ein schematisches E n t
w urfschaltbild für die elektrische A usrüstung einer fo rt
laufend arbeitenden Straße (Abb. 14), Bei dieser werden die Vorgerüste, bei denen es auf eine genaue Abgleichung der gegenseitigen Geschwindigkeiten nicht so sehr ankom m t,
