Verfahren zur Umrichtung eines Wechselstroms Das Problem der Frequenzumformung lässt sich sowohl mit Maschinen als auch mit Stromrichtern lösen. Die Maschinenlösungen haben den Nachteil, dass sie gewichts- und platzmässig sehr aufwendig sind und verhältnismässig schlechten Wirkungsgrad haben, während die Stromrichterlösungen unter Um ständen Schwierigkeiten mit Oberwellen, Blindlast und Energierichtungswechsel aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Umrichtung zu schaffen, dem diese Nachteile nicht anhaften. Je höher die Phasenzahl beider Seiten eines Umrichters ist, um so mehr nähern sich auf beiden Seiten die Ströme und Spannungen der Sinusform bzw. der Form des speisenden Netzes. Ausserdem werden die Kommutierungsvorgänge um so leichter beherrschbar, in je feineren Stufen die Kommutierung vor sich geht. Von dem letzteren Prinzip wird bei den Kollektoren von Maschinen Gebrauch gemacht, bei denen bekanntlich bis zu mehreren hundert Lamellen und entsprechend viele Phasen verwendet werden.
Die Erfindung geht über diese Ausführung der.Maschine hinaus, indem sie nicht nur eine der beiden Frequen zen vielphasig wählt, sondern auch die andere. Da durch wird die Kommutierung noch weiter erleich tert und die Sinusform noch mehr angenähert, so dass die Obenwellenschwierigkeiten noch weiter zurück treten und die Ausnutzung der Wicklungen, Trans formatoren und Schalter bzw. Stromrichterlamellen noch günstiger wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umrich tung eines Wechselstroms der Phasenzahl m2 und der Frequenz f2 aus einem Wechselstrom der Phasenzahl ml und der Frequenz f 1. Erfindungsgemäss, sind so wohl ml als auch m2 grösser gleich 3.
Weiterhin wird ein Umrichter zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens angegeben, dessen Kennzeichen darin besteht, dass er zur Umrichtung einen reinen Schaltapparat aufweist.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt zur Erläuterung der Erfindung zunächst den bekannten Frequenzwandler (asynchroner Einankerumformer), der in Fig. 1 mit drei Schleifringen auf der Frequenzseite f 1 und mit drei Bürsten auf der Frequenzseite f2 gezeichnet ist. Statt der drei Schleifringe f1 werden auch sechs Schleifringe angewendet.
Nach der Erfindung soll auch die Zahl der Bürsten mindestens gleich drei, praktisch im allgemeinen jedoch grösser als sechs oder sogar ein Vielfaches davon sein. Die Strombelastung der in Fig. 1 gezeichneten Wicklung des Frequenz- wandlers wird nämlich um so geringer, je höher die Phasenzahl beider Stromsysteme gewählt wird.
Im Grenzfall unendlich hoher Phasenzahl auf beiden Seiten könnte die Wicklung ganz fortfallen; es ent stände ein Vielphasenumrichter ohne Wicklungen als reiner Schaltapparat, wie er in Fig. 2 mit ml=m2=24 dargestellt ist. Bekanntlich errechnet sich aus der pri mären Frequenz f <I>1</I> die sekundäre Frequenz<I>f 2</I> nach der Gleichung f 2 = f 1 -
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-, j e nach dem, ob die Tourenzahl<I>n</I> in Richtung des Drehfeldes f <I>1</I> oder ent gegengesetzt dazu gewählt wird.
Es ist bekannt, dass der Frequenzwandler nach Fig. 1 infolge fehlender Stromwendespannungen nur für kleine Lamellen spannungen von der Grössenordnung 1 V gebaut werden kann. Man gewinnt wesentlich grösseren Spielraum in der möglichen Bauweise dieser Ma schinenart, wenn man m1 und m2 grösser wählt.
Wird beispielsweise statt m2 = 3 in Fig. 1 m2 = 30 ge wählt, so wird bei gleicher Gesamtleistung der Wech selstrom je Bürste ein Zehntel, so dass sich eine er hebliche Erleichterung der Stromwendung ergibt. Das gleiche gilt für die Ausführung eines Umrichters nach Fig. 2, bei dem die Phasenzahl ml und m2 so hoch gewählt ist, dass keine Wicklung, die in Fig. 1 als Phasenspalter wirksam ist, erforderlich ist.
Die Kommutierung kann allein durch den Widerstand der Bürsten erfolgen, es können jetzt auch in bekannter Weise in den Kommutierungskreis zusätzliche Span nungen zur Erleichterung der Kommutierung ein gefügt werden. Fig. 2 liegt der konstruktive Gedanke des Kollektors zugrunde, d. h.
die schwarz gezeich neten, mit Widerstand behafteten Bürsten f, gleiten auf den weissen Metallamellen<B>f l.</B> Statt dessen kann man auch wie in Fig. 3 zwei metallische Lamellen- kränze einander auf einem Zylindermantel oder auf einem Scheibenumfang gegenüberstellen, mit einem gewissen kleinen Abstand voneinander, und kann den Zwischenraum zwischen den Lamellenkränzen durch ein widerstandsbehaftetes Medium, insbesondere eine leitende Flüssigkeit oder ein leitendes Gas, z. B. ioni siertes Gas (Plasma), ausfüllen. Als.
Flüssigkeit kommt unter Umständen Quecksilber oder anderes, nicht ideal leitendes flüssiges Metall oder auch Elektrolyte in Frage. Man erhält auf diese Weise einen ver- schleissfesten Umrichter, bei dem ausserdem die Kommutierung durch den variablen Widerstand der Zwischenschicht wesentlich vollkommener vor sich geht als an den auf- und ablaufenden Bürstenkanten.
Man kann andererseits die Wirksamkeit der üblichen Bürstenkollektoren auch dadurch erhöhen, dass man den Schaltapparat nicht in atomsphärischer Luft, son dern in einem geeigneten Schutzgas, beispielsweise Wasserstoff, insbesondere unter erhöhtem Druck, ar beiten lässt. Man wird das Schutzgas so auswählen, dass einerseits der Verschleiss der Bürsten, beispiels weise durch Fortfall der Oxydation, geringer wird, dass andererseits aber auch die Kühlung des. Schalt apparates erhöht wird, wie es besonders bei Wasser stoff der Fall ist.
In den Fig. 2 und 3 ist ml = m2 ge- wählt. Dies ist nicht notwendig, vielmehr können beide Phasenzahlen voneinander abweichen. Nach der Erfindung sollen jedoch beide mindestens drei, ins besondere aber grösser als sechs oder sogar ein Mehr faches oder höheres Vielfaches von sechs sein. Die Speisung eines Umrichters nach der Erfindung kann beispielsweise aus einem dreiphasigen Netz über einen ruhenden oder umlaufenden Phasenspalter er folgen.
Einen ruhenden Phasenspalter bildet beispiels weise ein Polygon-Transformator, einen umlaufenden Phasenspalter bildet ein Synchronmotor, dessen drei- phasig gespeiste Statorwicklung vielphasige Anzap- fungen hat, die zum Umrichter führen. Mit einem solchen, durch Gleichstrom erregten Motor kann be kanntlich gleichzeitig Blindleistung erzeugt werden.
Auf der Verbraucherseite des Umrichters nach der Erfindung kann man auf einen rückwärts betriebenen Phasenspalter gehen, der beispielsweise aus der Pha senzahl 24 drei macht. Man kann auch, wenn es sich um den in der Tourenzahl regelbaren Antrieb eines Synchron- oder Asynchronmotors handelt, die Stator- wicklungen dieser Motoren vielphasig ausführen und sie direkt vom Vielphasenumrichter speisen. Die Tou- renzahl dieser Motoren lässt sich dann durch die Umdrehungszahl n des Schaltapparates des Umrich ters regulieren.
Durch Umdrehen der Tourenzahl n kann auch die Drehrichtung des Motors umgedreht werden.
Wie schon erwähnt, hat der Umrichter nach der Erfindung um so weniger Oberwellen, je weiter man in den beiden Phasenzahlen über drei hinausgeht. Er folgt die Stromwendung, wie es besonders bei hohen Phasenzahlen möglich ist, durch den Widerstand des Schaltapparates, so löst sich dadurch auch das Blind leistungsproblem des Umrichters, d. h. das Gerät ver mag in beliebiger Weise Wirk- und Blindleistung zu liefern. So lange man für den Schaltapparat mecha nische Kontakte oder auch gegensinnig parallel ge schaltete gesteuerte Entladungsstrecken oder Dioden verwendet, kann der Strom beliebige Richtung an nehmen.
Man hat dann einen universellen Umrichter vor sich, der Leistung und Blindleistung in beiden Richtungen beliebig und ohne Oberwellen übertragen kann. Auch das vom Wechselrichter her bekannte Trittgrenzproblem tritt dabei nicht mehr auf. Man kann auch den Erfindungsgedanken mit Vierschicht trioden oder mit Transistoren verwirklichen. Auch magnetisch gesteuerte Halbleiterwiderstände können verwendet werden.
Da bei hoher Phasenzahl, insbesondere wenn die Lamellenspannung kleiner als 10 V ist, keine Gefahr von Rückzündungen oder anderen Lichtbogenerschei- nungen besteht, kann der Schaltapparat unter Um ständen auch mit Hilfe von Rollkontakten verwirk licht werden. Statt durch magnetisch gesteuerte Halb leiterwiderstände können die Schaltfunktionen auch durch Widerstandselemente verwirklicht werden, die auf andere Weise, beispielsweise durch Temperatur, Druck oder Bestrahlung, beeinflussbar sind.
Man kann auch derartige veränderliche Widerstände oder elektronische Elemente in Kombinationen, d. h. in Reihen- oder Parallelschaltung mit mechanischen Kontakten oder Flüssigkeitskontakten, benutzen. Zweckmässigerweis.e wählt man dabei Konstruktio- nen, die zumindest auf der Seite eines der beiden Systeme jedes Schaltelement mehrfach ausnutzen, da andernfalls die Zahl der Schaltelemente sehr hoch, nämlich von der Grössenordnung ml <I>-</I> m., wird.
Von besonderem Nutzen würde es sein, statt der Wider stände Schwellenspannungen im Kommutierungskreis anzuordnen, welche unterhalb einer bestimmten Span nungsgrenze stromundurchlässig, darüber hinaus je doch in ihrem Spannungsabfall konstant sind.
Eine derartige Charakteristik erhält man beispielsweise durch die Antiparallelschaltung von Siliziumdioden mit einer Schwellenspannung von etwa 1 V. Zweck- mässigerweise wählt man dabei die Schwellenspan nung etwa von der Grössenordnung der Lamellen spannung, d. h. der Spannung zwischen zwei Phasen des Vielphasensystems.
Der Umrichter nach der Erfindung kann je nach der Konstruktion des Schaltapparates sowohl für kleine Ströme und kleine Spannungen als auch für sehr grosse Ströme und Spannungen, beispielsweise auch für Netzkupplungen, verwendet werden.
Method for converting an alternating current The problem of frequency conversion can be solved both with machines and with converters. The machine solutions have the disadvantage that they are very costly in terms of weight and space and have relatively poor efficiency, while the converter solutions may have difficulties with harmonics, reactive load and changes in energy direction.
The object of the invention is to create a method for converting which does not have these disadvantages. The higher the number of phases on both sides of a converter, the closer the currents and voltages on both sides of the sinusoidal shape or the shape of the supply network. In addition, the commutation processes become easier to control, the finer the steps the commutation takes place. The latter principle is used in the collectors of machines in which, as is known, up to several hundred lamellae and a correspondingly large number of phases are used.
The invention goes beyond this embodiment of the machine in that it not only selects one of the two frequencies in multiple phases, but also the other. As a result, the commutation is made even easier and the sinusoidal shape is even more approximated, so that the harmonic waves are even further reduced and the use of the windings, transformers and switches or converter segments is even more favorable.
The invention relates to a method for converting an alternating current of the number of phases m2 and the frequency f2 from an alternating current of the number of phases ml and the frequency f 1. According to the invention, both ml and m2 are greater than or equal to 3.
Furthermore, a converter for carrying out the inventive method is specified, the characteristic of which is that it has a pure switching device for converting.
Fig. 1 of the drawing shows to explain the invention first the known frequency converter (asynchronous single armature converter), which is shown in Fig. 1 with three slip rings on the frequency side f 1 and with three brushes on the frequency side f2. Instead of the three slip rings f1, six slip rings are also used.
According to the invention, the number of brushes should also be at least equal to three, but in practice generally greater than six or even a multiple thereof. The current load on the winding of the frequency converter shown in FIG. 1 is namely all the lower, the higher the number of phases of both current systems is selected.
In the limit of an infinitely high number of phases on both sides, the winding could be omitted entirely; A multi-phase converter without windings would be created as a pure switching device, as shown in FIG. 2 with ml = m2 = 24. As is well known, the secondary frequency <I> f 2 </I> is calculated from the primary frequency f <I> 1 </I> according to the equation f 2 = f 1 -
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-, depending on whether the number of revolutions <I> n </I> is selected in the direction of the rotating field f <I> 1 </I> or in the opposite direction.
It is known that the frequency converter according to FIG. 1 can only be built for small lamellar voltages of the order of magnitude of 1 V due to the lack of commutation voltages. You gain significantly more leeway in the possible construction of this type of machine if you choose larger m1 and m2.
If, for example, instead of m2 = 3 in FIG. 1 m2 = 30 is selected, the alternating current per brush is one-tenth for the same total power, so that it is considerably easier to turn the current. The same applies to the design of a converter according to FIG. 2, in which the number of phases ml and m2 is selected so high that no winding, which is effective as a phase splitter in FIG. 1, is required.
The commutation can take place solely through the resistance of the brushes; additional voltages can now also be inserted into the commutation circuit in a known manner to facilitate commutation. Fig. 2 is based on the design concept of the collector, i.e. H.
the black drawn, resistive brushes f slide on the white metal lamellas <B> f l. </B> Instead, as in FIG. 3, two metallic lamellar rings can be placed opposite one another on a cylinder jacket or on a disk circumference , with a certain small distance from each other, and can the space between the lamellae rings by a resistive medium, in particular a conductive liquid or a conductive gas, z. B. ionized gas (plasma) fill out. When.
Liquid may be mercury or other, not ideally conductive liquid metal or electrolytes. In this way, a wear-resistant converter is obtained, in which, in addition, the commutation is much more perfect due to the variable resistance of the intermediate layer than on the brush edges moving up and down.
On the other hand, the effectiveness of the usual brush collectors can also be increased by not letting the switchgear work in atomic air but in a suitable protective gas, for example hydrogen, especially under increased pressure. The protective gas will be selected so that on the one hand the wear of the brushes, for example by the elimination of oxidation, is reduced, but on the other hand the cooling of the switching device is increased, as is the case especially with hydrogen.
In FIGS. 2 and 3, ml = m2 is selected. This is not necessary, rather the two phase numbers can differ from one another. According to the invention, however, both should be at least three, but in particular greater than six or even a multiple or higher multiple of six. A converter according to the invention can be fed, for example, from a three-phase network via a stationary or rotating phase splitter.
A stationary phase splitter, for example, is a polygon transformer, a rotating phase splitter is a synchronous motor whose three-phase stator winding has multi-phase taps that lead to the converter. With such a motor excited by direct current, it is known that reactive power can be generated at the same time.
On the consumer side of the converter according to the invention you can go to a reverse-operated phase splitter, which makes the number of phases 24 three, for example. If the number of revolutions of a synchronous or asynchronous motor is to be regulated, the stator windings of these motors can also be multi-phase and fed directly from the multi-phase converter. The number of revolutions of these motors can then be regulated by the number of revolutions n of the switching device of the converter.
By reversing the number of revolutions n, the direction of rotation of the motor can also be reversed.
As already mentioned, the converter according to the invention has fewer harmonics the further one goes beyond three in the two phase numbers. It follows the current reversal, as it is possible especially with high number of phases, through the resistance of the switching device. This also solves the reactive power problem of the converter, i.e. H. the device is able to deliver active and reactive power in any way. As long as you use mechanical contacts for the switchgear or controlled discharge paths or diodes connected in parallel in opposite directions, the current can take any direction.
You then have a universal converter in front of you, which can transmit power and reactive power in both directions as required and without harmonics. The step limit problem known from the inverter no longer occurs. The idea of the invention can also be implemented with four-layer triodes or with transistors. Magnetically controlled semiconductor resistors can also be used.
Since with a high number of phases, especially when the lamella voltage is less than 10 V, there is no risk of re-ignition or other arcing phenomena, the switching device can also be implemented with the help of rolling contacts. Instead of using magnetically controlled semiconductor resistances, the switching functions can also be implemented using resistance elements that can be influenced in other ways, for example by temperature, pressure or radiation.
One can also use such variable resistors or electronic elements in combinations, i. H. in series or parallel connection with mechanical contacts or liquid contacts. Expediently, one selects constructions that use each switching element multiple times, at least on the side of one of the two systems, since otherwise the number of switching elements is very high, namely of the order of magnitude ml <I> - </I> m .
It would be of particular benefit to arrange threshold voltages in the commutation circuit instead of the resistors, which voltage limit is impermeable to current below a certain voltage limit, but is constant in its voltage drop beyond that.
Such a characteristic is obtained, for example, through the anti-parallel connection of silicon diodes with a threshold voltage of about 1 V. The threshold voltage is expediently selected to be of the order of magnitude of the lamellar voltage, i.e. H. the voltage between two phases of the multi-phase system.
The converter according to the invention can, depending on the construction of the switching apparatus, be used both for small currents and small voltages and for very large currents and voltages, for example also for network couplings.