Anordnung zur Frequenzumwandlung
Die Prüfung der elektrischen Isolationsfestigkeit wird oft mit Wechselspannung mit Netzfrequenz, in der Regel 50 oder 60 Hz, ausgeführt. Eine solche Prüfung umfasst sowohl eine normenmässige Kontrolle als auch die Herstellungs- und laufende Unterhaltskontrolle.
Bei einer solchen Prüfung von Gegenständen mit grosser Kapazität wie Maschinenwicklungen, Kabeln, Kondensatoren usw. kann die erforderliche Prüf- leistung den Wert von mehreren hundert kVA erreichen. Eine Prüfausrüstung für diese Leistungen wird notwendigerweise schwer, nimmt viel Platz ein und ist auch kostspielig. Es liegt deshalb ein Bedarf an anderen Prüfmethoden mit einer leich- teren und billigeren Prüfaurstüstung vor, die aber doch im wesentlichen dieselbe Information über die Isola tionsfestigkeit geben wie die einleitungsweise genannte Prüfung mit Netzfrequenz.
Um die Prüfung von Gegenständen mit grosser Kapazität zu erleichtern und in gewissen Fällen zu ermöglichen, sind m gewissem Masse Gloichspannungs- prüfungen verwendet worden. Dieses Prüfverfahren ergibt eine leichtere Prüfausrüstung, aber die Span nungsvertelung in der Isolation wird eine andere als bei Wechselspannungsprüfungen. Die isolation ist in der Regel aus Schichten aus verschiedenem Ma terri, mit verschiedenen Diedektrizitätskonstanten E und verschiederen Resistivität p aufgebaut.
Bei Wechsellspannungsprüfungen wird die Spannungsverteilung in der Isolation von e für die verschiedenen Materia- lien bestimmt, wahrend bei Gleichspannungsprüfun- gen die SpanmngsvertaMung von der Resistivität p der verschiedenen Schichten bestimmt wird. Dies kann immer ganz verschiedene Spannungsverteilungen bei Prüfung mit Wechseilspannung und mit Gleichspan- nung zur Follge haben.
Bei Prüfung von Widdungs- -spleen für Hochspannungsmaschinen kann ausserdem unter gewissen Umständen Prüfung mit Gleichstrom in einer unproportionail hohen Beanspruchung der Wickelköpfe verglichen mit Wechselspannungsprü- fungen resultieren.
Um die oven genannten Nachteile bei Prüfung mit Wechselspannung von Netzfrequenz und mit Gleich- spannung zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, Prüfungen mit Wechselspannung von niedriger Frequenz auszuführen. Um den Leistungsbedarf so viel wie möglich zu reduzieren, muss die Frequenz niedrig gewählt werden, doch nicht mediiger, als dass m der Hauptsache dieselbe Spamiungsverteilung erhalten wird wie bei Prüfung mit Kfaftfrequenz. Untersuchun- gen deuten darauf hin, dass diese Forderungen erfüllt werden, wenn man eine Frequenz der Grössenord- nung 0, 1 Hz verwendet.
Dadurch, dass die Frequenz dann 1/500 der Frequenz bei Prüfung mit 50-periodi- scher Wechselspannung ist, wird die erforderliche Prüfleistung in ungefähr demselben Grad reduziert und erreicht beispielsweise für einen grossen Kraft werkgenerator ein oder einige kVA.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Anordnung zum Umwanddn einer ersten Wechselspan- nng mit einer gewissen Frequenz in eine zweite Wechselspannung mit einer anderen Frequenz. Die Erfindung ist vorzugsweise zum Umwandeln einer Wechselspann, ung mit der Frequenz 50 Hz in eine Wechselspannung mit der Frequenz 0, 1 Hz vorgesehen, aber ist auch h für andere Ferquenzumwandlun gen anwendbar.
Die Erfindung ist dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Organ angeordnet ist mit dem Zwekke, mit einer periodischen und mtermittierenden Be- wegung, deren Frequenz von der Frequenz der ersten WechselspannungNabweicht, die erste Wechselspannung mit einer Belastung elektrisch zu verbinden, die wenigstens eine kapazität enthält, über welcher dabei die zweite Spannung entsteht.
Die Erfindung wird nun mit Hilfe der beigefügten Zeichnung näher beschrieben, in der Fig. 1 eine bei spielsweiseAusführungsfonn der ertindungsgemässen Anordnung darstellt. Fig. 2 zeigt, wie ein Teil einer Periode einer Wechselspannung mit niedriger Fre quenz durch Umwandlung von 50-poriodische]-Wech- selspannung erhalten werden kann. Die Fig. 3 und 4 zeigen Lösungen, bei der jede postive und negative Halbwolle der ersten Wechselspannung ausgenützt wird, und Fig. 5 ist eine Darstellung der beiden Wechselspannungen in einem Wellendiagramm. Fig.
6 zeigt, wie die Anordnung nach Fig 4 modifiziert werden kann, um eine Erdung sowohl des Transformators als auch des Prüflings zu ermöglichen. Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen, wie die Anordnung bei Speisung mit Dreiphasenspannung aussehen kann, während Fig. 9 eine Modifikation dieser Anordnung darstellt.
In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Einphasentransfor- mator, dessen PrimärwicMung 2 an ein 50-periodi- sches Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Die Sekundärw, ickllung 3 des Transformators ist an ihrem einen Ende 4 geerdet. Ein rotierbares Organ 6 kann aus einer kreisförmiigen Scheibe aus Iso'liermaierial mit einer diametral verlaufenden, leitenden Verbin- dung 7 bestehen. Diese leitende Verbindung ist an ihren Enden auf der Peripherie der Scheibe mit Kontaktespmenten 8 ausgebildet.
Unmittlebar ausserhalb der Scheibe sind zwei diametral entgegengesetzte feste Kontakte 9 so angeordnet, dass sie mit ausreichendem Kontaktdruck an der Peripherie der Scheibe 6 anliegen.
Der in der Figur links liegende Kontakt 9'ist an das nicht geerdete Ende 5 der Sekundärwickilung 3 angeschlossen. Der andere feste Kontakt 9 ist an eine Belastung angeschlossen, die hier von einem Kondensator 10 repräsentiert wird. Das andere Ende des Kondensators s ist bei 11 geerdet.
DaFs rotierbare Ongan 6 kann auch aus einer Stange aus leitendem Material bestehen, die an beiden Enden mit Kontaktsegmenten ausgerüstet ist, oder aus einer Stange aus Isoliermaterial mit einer leitenden Verbin- dung mit an den Enden der Stange angeordneten Kon taktsegmenten.
Das rotierbare Organ ist angeordnet, um in der Ebene der Figur mittels eines nicht gezeigten Motors zu rotieren, dessen Drehzahl so eingeregelt ist, dass das rotierbare Organ sich etwas weniger als ein halbe Dre- hung in einer Periode dreht, d. h. 1/50 Sekunden. Der Antriebmotor ist in diesem Fall eine vier, polige Syn chronmaschine, die mit einer Wechselsparnung mit einer Frequenz von 49, 9 Hz gespeist wird.
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 wird nun mit Hilfe der Fig. 2 näher erklärt, in der die voll ausgezogene Sinuskurve der Wechselspannung der Sekundärwicklung des Transformators entspricht.
Zu der Zeit t = 0, die der in Fig. 1 gezeigten Lage entspricht, ist die Spannung über der Sekundärwick- lung = 0. Nach einer Periode hat sich das rotierbare Organ nicht ganz eine hadbe Drehung gedreht, und erst nach einer weiteren 1/500 Periode verbindet die leitende Verbindung 7 wieder die beiden festen Kontakte 9 miteinander. Dann ist jedoch die Spannung über der Sekundärwicklung auf einen Wert gestiegen, der dem Punkt 21 auf der sinusförmigen Kurve entspricht. Die Folge ist, dass ein Meiner Stromimpuls den Kondensator 10 speist und diesen wieder etwas lädt Nach einer weiteren 1/500 Periode sind die Kontakte 9 erneut miteinander verbunden.
Dann ist die Span nung über der Sekundärwicklung 3 weiter auf den Punkt 22 gestiegen, und die Kondensatorspannung steigt noch mehr. Nach 125 Perioden werden die Kontakte 9 miteinander verbunden, gerade in dem Augenblick, da die Spannung über der Sekundärwicklung ihren Maximallwert hat. Die Spannung über dem Kon densator 10 ist also während 125 Perioden, d. h. 2, 5 Sekunden sukzessiv von Null bis zum Spitzenwert der Sekundärspannung aufgebaut worden, was sche matisoh mit der gestricheftten Linie 23 in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 2 ist - nur wegen Platzumangel diese Spannungssteigerung nur während einer geringen Anzahl von Perioden gezeigt.
Während der folgenden 2, 5 Sekunden sinkt die Spannung über dem Konden- sator 10, weil dieser für jede halbe Drehung des Totie renden Organs mit der Sekundärspannung des Transformators verbunden wird, die niedriger ist als die Kondensatorspannung, so dass der Kondensator jedesmal mit einem kleinen Betrag entladen wird, wenn er mit der Sekundärwicklung verbunden wird. Nach h 5 Sekunden von der Ausgangslage an ist die Spannung über dem Kondensator NuX. Während der folgenden 5 Sekunden wird der oben beschriebene Vorgang wiederholt, aber mit umgekehrter Polarität der Spannung.
Das Resultat ist dann, dass über dem Kondensator 10 eine Wechselspannung mit der Frequenz 0, 1 Hz auftritt, d. h. dem Unterschied zwischen der Netzfrequenz und der Frequenz des Stromes der Antriebsanordnung für das rotierbare Organ. Um die Energiemenge in dem Impuls zu erhöhen, der bei Kontakbschliessen von der Sekundärwicklung 3 zum Kondensator 10 übergeführt wird, kann es zweck- mässig sein, die Sekundärwicklung mit einem Kon densator 12 parallelzuschalten.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird die niederfrequen- te Spannung des Kondensators 10 aus kleinen Teilen 21, 22 usw. zusammengesetzt, die herausgenommen werden, je einer während jeder Periode der 50-periodisohen Spannung. Es ist jedoch auch möglich, die niederfrequente Spannung aus Teilen jeder positiven und negativen Halbperiode der 50-periodischen Spannung aufzubauen, und dies kann mit Anordnungen nach Fig. 3 und 4 gemacht werden.
Nach Fig. 3 ist die Sekundärwicklung 3 des Transformators an ihrem Mittelpunkt 30 geerdet. Die beiden Wicklungshälften sind in ähnlich Weise wie in Fig. 1 je mit einem Kondensator 31 und 32 parallelge- schaitet. Das freie Ende 5 der oberen Wicklungs- hällfte ist an einen festen Kontakt 33 angeschlossen, während das freie Ende 4 der unteren WicMungs- hälfte an einen zweiten festen Kontakt 34 angeschlossen ist, der um 90'vom Kontakt 33 entfernt ist.
Diametral entgegengesetzt den Kontakten 33 und 34 sind zwei andere feste Kontakte 35 und 36 angeordnet und miteinander und mit der einen Seite des Kondensators 10 verbunden. Die andere Seite des Kondensators ist geerdet.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung sei anhand der Fig. 5 erklärt. Zur Zeit t=0 hat das rotierbare Organ 6 die Lage, die in Fig. 3 gezeigt ist. Die Span- nung in Punkt 5 ist Nul, und damit ist die Spannung über dem Kondensator 10 auch Null. Wenn das ro bierbare Organ 6 eine Vierteldrehung vollzogen hat, werden die Kontakte 34 und 36 mittels der leitenden Verbindung 7 miteinander verbunden. Die Spannung über der Sekundärwiddung 3 tist nun entgegenge- richtet und hat einen Wert, der durch Punkt 51 auf der Sinuskurve repräsentiert wird.
In dem Augen- blick, da die Verbindung zwischen den Kontakten 34 und 36 entsteht, bekommt der Kondensator 10 einen Ladeimpuils. Nach einer weiteren Drehung des rotier- baren Organs 6 um 90 wird die Verbindung zwi- schen den Kontakten 33 und 35 hergestellt. Die Span- nung über der Sekundärwicklung hat dann den Wert, der dem Punkt 52 entspricht, und der Kondensator 10 erhält einn neuen Impuls mit einer etwas höheren Spannung. Die Spannung über dem Kondensator 10 wird somit von einem Ladeimpuls in jeder Halbperiode der 50-periodischen Spannung aufgebaut.
Jeder zweite Ladeimpuls wird dabei während der positiven und jeder nächste zweite während der negativen Halbperiode der 50-periodischen Spannung geliefert, und die Ladung bzw. Entladung des Kondensators 10 erfolgt dadurch in doppelt so vielen Schritten als in der Anordnung nach Fig. 1. Dagegen wird nur die halbe Sekundärspannung in jedem Ladeimpuls ausgenützt. In Fig. 5 ist nur schematisch und nur mit einer geringen Zahl von Perioden der 50-periodischen Wechselspannung gezeigt, wie ein Teil einer Periode der niederfrequenten Wechsolspannung entsteht.
Aus dem in Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 2 dürfte jedoch ohne weiteres hervorgehen, wie die niederfrequente Wecbselspannung entsteht.
Mit der in Fig. 4 gezeigten Anordnung erhät der Kondensator 10 einen Ladeimpuls in jeder Halbperiode, und dabei wird die ganze Sekundärspannung für jeden Ladeimpuls ausgenützt. Das eine Ende 4 der Sekundärwicklung 3 ist an einen festen Kontakt 40 angeschlossen, wogegen ihr anderes Ende 5 an einen diametral zum Kontakt 40 gelegenen Kontakt 41 angeschlossen ist. Der Kondensator 10 ist an zwei Kontakte 42 und 43 angeschlossen. Das rotierbare Organ 6 hat vier symmetrisch angeordnete Kontaktsegmente 44, 45, 46 und 47. Von diesen sind zwei benachbarte Kontaktsegmente miteinander verbunden. So sind die Kontaktsegmente 44 und 46 mittels einer leitenden Verbindung 48 und die Kontakte 45 und 47 mittels der Verbindung 49 miteinander verbunden.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Lage ist somit das eine Ende 4 der Sekundärwiicklung an das eine Ende des Kondensators mittels der Kontakte 40 and 42, der Kontaktsegmente 44 und 46 der Verbindung 40 angeschlossen. Das andere Ende der Sekundärwick- lung ist in ähnlicher Weise mit der anderen Seite des Kondensators verbunden, und die ganze Sekundär- spannung liegt über dem Kondensator 10. Die Wir kungsweise der Anordnung stimmt im Pmnzip mit der der Anordnung nach Fig. 3 überein.
Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist es nicht mög lich, das eine Ende der Sekundärwicklung zu erden, weil auch das andore Ende zweimal pro Drehung des rotierenden Organs geerdet wird. Man kann dann die Anordnung so vervollständigen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, in der das eine Ende 4 der Sekundärwicklung geerdet ist. In dieser Anordnung ist ein zweites rotierbares Organ 6 vorhanden, das synchron mit dem schon vorhandenen rotiert. Das zweite rotierbare Organ ist mit vier symmetrisch angeordneten Kontaktsegmenten 64, 65, 66 und 67 versehen, wobei die diagonal liegenden Kontaktsegmente mittels Verbindungen 68 und 69 miteinander verbunden sind.
Längs der Peripherie dieses rotierbaren Organs sind vier symmetrisch gelegene feste Kontakte 60, 61, 62 und 63 angeordnet, die mit den Kontaktsegmenten auf diesem rotierbaren Organ bei dessen Rotation zusam menwirken. Die Kontakte 60 und 61 sind mit dem Kondensator 10 verbunden, wogegen die Kontakte 62 und 63 mit einem Kondensator 100 verbunden sind.
Die beiden rotierbaren Organe 6 sind so eingestellt, dass die Kondensatoren 10 und 100 nicht verbunden sind, wenn der Kondensator 10 einen Ladeimpuls vom Transformator erhält oder diesem einen Ent ladeimpuls sendet. Das zweite rotierbare Organ hat die Aufgabe, die Ladung vom Kondensator 10 zum Kondensator 100 oder vom Kondensator 100 zum Kondensator 10 zu überführen. Der Kondensator 100 stellt in diesem Fall die Belastung dar.
Bei sämtlichen bisher gezeigten Anordnungen wird Einphasenspannung verwendet. Es ist jedoch auch möglich, Dreiphasenspannung zu benützen. Fig. 7 zeigt eine solche Anordnung. Das rotierende Organ 6 trägt hier einen Kontaktarm 70, der im Rotationszentrum mit einem Schleifring 71 verbunden ist. Eine Bürste 72 liegt am Schleifring an und ist ausserdem mit dem Kondensator 10 verbunden. In genügendem Isolationsabstand vom Kontaktarm 70 ist ein zweiter Kontaktarm 73 angeordnet, der mit einem zweiten Schleifring 74 verbunden ist, gegen welchen eine zweite Bürste 75 anliegt. Diese Bürste ist erdverbunden und damit auch mit der geerdeten Seite des Kondensators 10 verbunden.
Es sei angenommen, dass disse drei letztgenannten Elemente auf der Unterseite des rotierbaren Organs 6 liegen; sie sind deshalb ge strichelt gezeichnet. Die beiden Kontaktarme haben einen Winkelabstand von 120 . Die drei Sekundär- wicklungen Tl, T2, T3 des Transformators T sind je an einen festen Kontakt 76, 77, 78 angeschlossen, welche Kontakte in angegebener Weise symmetrisch rund um das rotierbare Organ angeordnet sind, so dass sie mit den rotierbaren Kontaktarmen zusammenwirken können. über die Klemmen der Sekundär- wicMung des Transformators können hier auch Kondensatoren 12 in derselben Weise wie in Fig. 1 angeschlossen werden.
Durch die gezeigte Anordnung von Kontaktarmen und festen Kontakten wird der Kondensator 10 auf die verkettete Spannung des Trans formators geraden.
Fig. 8 zeigt, wie die Anordnung nach Fig. 1 für Verwendung bei, dreiphasigen Belastungsobjekten mo difiziert werden kann. Diese Anordnung kann z. B. für gleichzeitige Spannungsprüfung aller drei Phasen in einer dreiphasigen Maschine oder einem dreiphasigen Apparat verwendet werden. Das rotierbare Organ 6 trägt drei voneinander isoliert angeordnete leitende Verbindungen 80, 81 und 82, die symmetrisch verteilt sind und je zwei diametral gelegene Kontaktsegmente tragen. Die Anordnung enthält weiter sechs sym- metrisch um das rotierbare Organ 6 angeordnete feste Kontakte 83, 84, 85, 86, 87 und 88.
Von diesen Kontakten sind 83, 84 und 85 je an eine Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen, während die Kontakte 86, 87 und 88 je mit einem Kondensator 101, 102 und 103 verbunden sind. Die anderen Seiten der Kondensatoren sind miteinander verbunden und geerdet. Da die Spannung auf jedem Kondensator von Spannungsimpulsen von allen drei Phasen aufgebaut wird, muss die Rotationsgeschwindigkeit des rotierbaren Organs 6 nur ein Drittel der Rotationsgeschwin- digkeit der Anordnung nach Fig. 1 betragen.
Die bisher gezeigten und beschriebenen Ausfüh- rungsformen sind nicht als die einzig denkbaren zu betrachten, sondern geben nur einige mögliche Lösungen des Problems, in einer einfachen Weise eine niederfrequente Hochspannung zu erzeugen, die besonders geeignet für Prüfungszwecke ist. Es ist daher vorausgesetzt, dass das rotierbare Organ mit einer untersynchronen Geschwindigkeit angetrieben wird und dass sein Antriebsmotor mit 49, 9 Hz gespeist wird, wenn die Netzspannung die Frequenz 50 Hz hat. Es ist jedoch selbstverständlich, dass das rotier- bare Organ übersynchron angetrieben werden kann, d. h. mit 50, 1 Hz, wobei das Resultat dasselbe wird.
Aus demselben Grunde ist es auch ksar, dass das rotier, bare Organ wenn man eine Wechselspannung von 1 Hz erzeugen wilt-mit 49 oder 51 Hz angetrieben werden muss.
Da es sich hier um verhältnismässig hohe Spannungen von der Grössenordnung 100 kV handelt, müssen die Dimensionen des robierbaren Organs ziemlich gross sein, damit das Isolationsniveau ausreichend wird. Indem man die Apparate in ein Druck gefäss einbaut und den Druck erhöht, kann man die Dimensionen herabsetzen.
Die Antmebsanordnung für das rotierbare Organ 6 kann in verschiedener Weise ausgeführt werden. Eine von diesen ist, dass ein Synchronmotor für 50 Hz das Organ über eine übersetzung antreibt, die ein einfaches Zahnradgetriebe sein kann, oder mittels Keil- riemen. Eine andere Artsist, das rotierbare Organ mit einem Synchronmotor anzutreiben, dessen Stator von einem anderen Motor gedreht wird. Wenn der Synchronmotor 4-polig ist und sein Stator drei Drehungen in der Minute macht, rotiert das rotierbare Organ mit derselben Geschwindigkeit, wie wenn sein Antriebsmotor mit 49, 9 oder 50, 1 Hz gespeist sein würde, je nach der Rotationsrichtung des Stators im Verhältnis zum Rotor.
Bei einer dritten Art wird das rotierbare Organ von einem Synchronmotor angetrieben, dem Wechsel- spannung mit der Frequenz 49, 9 oder 50, 1 Hz zugeführt wird. Weahselspannungen mit diesen Frequen zen könnenfin bekannter Weise erzeugt werden, und es braucht dies deshalb hier nicht näher behandelt zu werden. Auch andere Antriebsarten sind denkbar.
Bei der in Fig. 9 gezeigten Modifikation besteht das rotierbare Organ aus vier kreisförmigen Scheiben 6 aus Isoliermaterial, die auf einer Achse 13 angeord- net sind, die zweckmässig auch aus Isoliermaterial ist.
Die Achse 13 wird von einem nicht gezeigten Syn chronmotor gedreht, der mit einer Frequenz von 49, 9 oder 50, 1 Hz gespeist wird. Die Achse 13 ist in drei zueinander parallelen, vertikalen Platten 14 aus Iso Mormaterial galagert, die von einer horizontalen Platte 15 und einer vertikalen Seitenwand 16, auch aus Isobiermater, ial, getragen werden. Das rotierbare Organ ist somit in eine Art Kasten eingebaut, der nach oben tund nach einer Seite zu offen ist und der durch die mittlere der Platten 14 in zwei Teile geteilt ist.
Jede der Scheiben 6 weist eine diametral verlaufende leitende Verbindung 7 auf, die an jedem Ende mit einem auf der Peripherie der Scheibe angeordneten Kontaktsegment verbunden ist. Unmittelbar ausser- halb jeder Scheibe sind zwei diametral entgegen- gesetzte feste Kontakte 9 so angeordnet, dass sie mit genügendem Kontaktdruck an der Peripherie der Scheibe und dadurch auch am Kontaktsegment 8 anliegen. Bei jeder Scheibe wird einer der festen Kontakte 9 von einemleitenden Element 17 getragen, das in jeder der Platten 14 befestigt ist. Die anderen festen Kontakte9werden von leitenden Elementen 18 getragen, die mittels Konsolen 19 an der vertikalen Seitenwand 16 befestigt sind.
Der eine der festen Kontakte 9, der mit der linken der rotierbaren Schei- ben 6 zusammenwirkt, ist mit dem einen Ende der Sekundärwicklung des Transformators verbunden.
Der entsprechende feste Kontakt 9, der mit der rech ten rotierbaren Scheibe zusammenwirkt, ist an den Kondensator 10 angeschlossen, der einen Prüfling repräsentiert. Zweimal pro Umdrehung des rotierbaren Organs wird also der Kondensator 10 an den Transformator durch die leitenden Elemente 17, die Kontakte 9, die Kontaktsegmente 8 und die auf den Schei- ben 6 angeordneten leitenden Verbindungen 7 angeschlossen.
Die mfittlere der Platten 14 dient nicht nur dazu, Lager für die Achse 13 zu tragen, sondern bildet in erster Linie die IsoWierung zwischen zwei axial nahe- liegenden festen Kontakten 9, die nicht ständig miteinander vrbunden snd. Ii : as bringt mit sich, dass zwei der rotierenden Scheiben 6, die durch eine sol- che isolierende Wand getrennt werden, sehr nahe aneinander angeordnet werden können ohne Über schlaggefahr zwischen den Kontakten. In derselben Weise können isolierende Platten zwischen den zwei linken und den zwei rechten rotierenden Scheiben 6 eingesetzt werden, wodurch die axialen Dimensionen der ganzen Anordnung beträchtlich herabgesetzt werden können.
Durch die oben beschriebene Ausführungsform der Erfiindung erhält man eine Aufteilung der Unter- brechungsstrecke in mehrere Teille. Die dadurch erhal- tene Feldverteilung ist bedeutend günstiger in Hinblick auf die Isolationsfestigkeit, und der totale Durchmesser der rotierenden Scheiben kann kleiner gemacht werden ails der Scheibendurchmesser, der erforderlich ist, wenn eine einzige Scheibe verwendet wird. Ausserdem erhält man eine wesenbliche Reduzierung der rotierenden Masse und ihrer Trägheits-und Gyrokräfte.
Die gezeigte Variante ist ebenfalls nur als Beispiel der Verwirklichung der Erfindung zu betrachten und kann auf viele Arten variiert werden. Dies betrifft besonders das rotierende Organ. Die massive Scheibe 6 kann durch einen Ring ersetzt werden, der von einer Anzahl Speichen getragen wird, die in einer auf der Achse 13 angeordneten Nabe befestigt sind. Eine andere Möglichkeit ist, die Kontaktsegmente 8 auf einem Stab anzuordnen, der winkelrecht zur Achse befestigt ist. Um Schläge gegen die Kontaktsegmente 9 bei Kontaktschluss zu vermeiden, können die Kontaktsegmente 8 durch ein an jedem Ende des Stabes angeordnetes blattfederähnliches Kontaktorgan ersetzt werden, dessen Ebene in der Rotabionsebene des Stabes liegt.
Die festen Kontakte können dann aus zwei gegeneinander liegenden Federelementen bestehen, zwischen denen sich das rotierendeKontaktorgan bewegenkann.
Bei einerModifikation der in Fig. 4 gezeigten Ausfüh- rung kann das rotierende Organ aus zwei winkelrecht zueinander auf der Achse 13 angeordneten Stäben bestehen. Auch andere Ausführungsformen sind denkbar. Die Anzahl der rotierbaren Organe kann leicht dem erforderlichen Spannungsniveau angepasst werden. Weiter kann das Anordnen und AusbiNden der festen Kontakte auf verschiedene Weise gelöst worden.
Ein solcher Kontakt kann z. B. in leitendem Material eingeschilossen werden, wobei eine besonders günstige Feldvertoilung erhalten wird, und dies kann zur Folge haben, dass die zwischen den rotierbaren Organen angeordneten Platten 14 unnötig werden.
Arrangement for frequency conversion
The test of the electrical insulation strength is often carried out with alternating voltage with mains frequency, usually 50 or 60 Hz. Such an inspection includes both a standard inspection and manufacturing and ongoing maintenance inspections.
When testing objects with a large capacity, such as machine windings, cables, capacitors, etc., the required testing power can reach a value of several hundred kVA. Test equipment for these services necessarily becomes heavy, takes up a lot of space, and is also expensive. There is therefore a need for other test methods with a lighter and cheaper test equipment, which, however, essentially provide the same information about the insulation strength as the test with mains frequency mentioned in the introduction.
In order to facilitate the testing of objects with large capacities and to enable them in certain cases, global voltage tests have been used to a certain extent. This test method results in a lighter test equipment, but the voltage distribution in the insulation will be different from that of AC voltage tests. The insulation is usually made up of layers of different materials, with different dielectric constants E and different resistivities p.
In AC voltage tests, the voltage distribution in the insulation is determined by e for the various materials, while in DC voltage tests the voltage distribution is determined by the resistivity p of the various layers. This can always result in very different stress distributions when testing with AC voltage and with DC voltage.
When testing for high voltage machines, testing with direct current can, under certain circumstances, result in a disproportionately high load on the winding overhangs compared to AC voltage tests.
In order to avoid the disadvantages mentioned in the oven when testing with alternating voltage of mains frequency and with direct voltage, it has been proposed to carry out tests with alternating voltage of low frequency. In order to reduce the power requirement as much as possible, the frequency must be selected to be low, but not more mediocre than that the main thing is that the same spam distribution is obtained as in the test with a vehicle frequency. Investigations indicate that these requirements are met if a frequency of the order of 0.1 Hz is used.
Because the frequency is then 1/500 of the frequency when testing with 50-period AC voltage, the required test power is reduced to approximately the same degree and reaches one or a few kVA for a large power plant generator, for example.
The present invention relates to an arrangement for converting a first alternating voltage with a certain frequency into a second alternating voltage with a different frequency. The invention is preferably provided for converting an alternating voltage with the frequency 50 Hz into an alternating voltage with the frequency 0.1 Hz, but can also be used for other frequency conversions.
The invention is characterized in that an organ is arranged with the purpose of electrically connecting the first alternating voltage to a load which contains at least one capacitance, with a periodic and mtermitting movement, the frequency of which differs from the frequency of the first alternating voltage over which the second voltage arises.
The invention will now be described in more detail with the aid of the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows an exemplary embodiment of the arrangement according to the invention. Fig. 2 shows how a part of a period of a low frequency alternating voltage can be obtained by converting 50-poriodic] alternating voltage. 3 and 4 show solutions in which each positive and negative half-wool of the first alternating voltage is used, and FIG. 5 is a representation of the two alternating voltages in a wave diagram. Fig.
Figure 6 shows how the arrangement of Figure 4 can be modified to allow both the transformer and the device under test to be grounded. FIGS. 7 and 8 illustrate how the arrangement can look when supplied with three-phase voltage, while FIG. 9 shows a modification of this arrangement.
In FIG. 1, 1 denotes a single-phase transformer, the primary winding 2 of which is connected to a 50-period AC voltage network. The secondary winding 3 of the transformer is grounded at one end 4. A rotatable organ 6 can consist of a circular disk made of Iso'liermaierial with a diametrically extending, conductive connection 7. This conductive connection is formed at its ends on the periphery of the disc with contact particles 8.
Immediately outside the disk, two diametrically opposed fixed contacts 9 are arranged such that they rest against the periphery of the disk 6 with sufficient contact pressure.
The contact 9 ′ on the left in the figure is connected to the non-grounded end 5 of the secondary winding 3. The other fixed contact 9 is connected to a load, which is represented here by a capacitor 10. The other end of the capacitor s is grounded at 11.
The rotatable element 6 can also consist of a rod made of conductive material, which is equipped with contact segments at both ends, or a rod made of insulating material with a conductive connection with contact segments arranged at the ends of the rod.
The rotatable member is arranged to rotate in the plane of the figure by means of a motor, not shown, the speed of which is regulated so that the rotatable member rotates a little less than half a rotation in one period, i.e. H. 1/50 seconds. The drive motor in this case is a four-pole Syn chron machine, which is fed with an alternating saving at a frequency of 49.9 Hz.
The mode of operation of the arrangement according to FIG. 1 will now be explained in more detail with the aid of FIG. 2, in which the fully drawn sine curve corresponds to the alternating voltage of the secondary winding of the transformer.
At the time t = 0, which corresponds to the position shown in FIG. 1, the voltage across the secondary winding = 0. After one period the rotatable organ has not rotated quite a hadbe turn, and only after a further 1 / 500 periods, the conductive connection 7 connects the two fixed contacts 9 to one another again. Then, however, the voltage across the secondary winding has risen to a value which corresponds to point 21 on the sinusoidal curve. The result is that a Meiner current pulse feeds the capacitor 10 and charges it again. After another 1/500 period, the contacts 9 are connected to one another again.
Then the voltage across the secondary winding 3 has risen further to point 22, and the capacitor voltage rises even more. After 125 periods, the contacts 9 are connected to one another, precisely at the moment when the voltage across the secondary winding has reached its maximum value. The voltage across the capacitor 10 is therefore during 125 periods, i. H. 2, 5 seconds have been built up successively from zero to the peak value of the secondary voltage, which is shown by the dashed line 23 in FIG. In FIG. 2, this increase in voltage is shown only during a small number of periods, only because of the lack of space.
During the following 2, 5 seconds, the voltage across the capacitor 10 drops because this is connected to the secondary voltage of the transformer, which is lower than the capacitor voltage, for each half turn of the dead-generating organ, so that the capacitor is connected to a small one each time Amount is discharged when connected to the secondary winding. After 5 seconds from the initial position, the voltage across the capacitor is NuX. The process described above is repeated over the next 5 seconds, but with the polarity of the voltage reversed.
The result is then that an alternating voltage with the frequency 0.1 Hz occurs across the capacitor 10, i. H. the difference between the mains frequency and the frequency of the current of the drive arrangement for the rotatable organ. In order to increase the amount of energy in the pulse that is transferred from the secondary winding 3 to the capacitor 10 when the contact is made, it can be useful to connect the secondary winding in parallel with a capacitor 12.
As can be seen from FIG. 2, the low-frequency voltage of the capacitor 10 is composed of small parts 21, 22 etc. which are taken out, one during each period of the 50-periodic voltage. However, it is also possible to build up the low-frequency voltage from parts of each positive and negative half-cycle of the 50-period voltage, and this can be done with arrangements according to FIGS.
According to FIG. 3, the secondary winding 3 of the transformer is grounded at its center point 30. The two winding halves are connected in parallel with a capacitor 31 and 32 each in a manner similar to that in FIG. The free end 5 of the upper winding half is connected to a fixed contact 33, while the free end 4 of the lower winding half is connected to a second fixed contact 34 which is 90 ′ away from the contact 33.
Two other fixed contacts 35 and 36 are arranged diametrically opposite the contacts 33 and 34 and are connected to one another and to one side of the capacitor 10. The other side of the capacitor is grounded.
The mode of operation of this arrangement will be explained with reference to FIG. At time t = 0, the rotatable member 6 has the position shown in FIG. 3. The voltage in point 5 is zero, and thus the voltage across the capacitor 10 is also zero. When the rotatable organ 6 has completed a quarter turn, the contacts 34 and 36 are connected to one another by means of the conductive connection 7. The voltage across the secondary winding 3 t is now directed in the opposite direction and has a value which is represented by point 51 on the sinusoidal curve.
At the moment when the connection between the contacts 34 and 36 is established, the capacitor 10 receives a charging pulse. After rotating the rotatable member 6 a further 90, the connection between the contacts 33 and 35 is established. The voltage across the secondary winding then has the value that corresponds to point 52, and capacitor 10 receives a new pulse with a somewhat higher voltage. The voltage across the capacitor 10 is thus built up by a charging pulse in each half cycle of the 50-period voltage.
Every second charging pulse is delivered during the positive and every second during the negative half-cycle of the 50-periodic voltage, and the capacitor 10 is charged or discharged in twice as many steps as in the arrangement according to FIG only half the secondary voltage is used in each charging pulse. 5 shows only schematically and only with a small number of periods of the 50-periodic alternating voltage how a part of a period of the low-frequency alternating voltage is produced.
From this in connection with the description of FIG. 2, however, it should readily emerge how the low-frequency alternating voltage arises.
With the arrangement shown in FIG. 4, the capacitor 10 receives a charging pulse in each half cycle, and the entire secondary voltage is used for each charging pulse. One end 4 of the secondary winding 3 is connected to a fixed contact 40, while its other end 5 is connected to a contact 41 located diametrically to the contact 40. The capacitor 10 is connected to two contacts 42 and 43. The rotatable member 6 has four symmetrically arranged contact segments 44, 45, 46 and 47. Of these, two adjacent contact segments are connected to one another. The contact segments 44 and 46 are connected to one another by means of a conductive connection 48 and the contacts 45 and 47 are connected to one another by means of the connection 49.
In the position shown in FIG. 4, one end 4 of the secondary winding is thus connected to one end of the capacitor by means of contacts 40 and 42, contact segments 44 and 46 of connection 40. The other end of the secondary winding is connected in a similar manner to the other side of the capacitor, and the entire secondary voltage is across the capacitor 10. The mode of operation of the arrangement corresponds in principle to that of the arrangement according to FIG.
In the arrangement according to FIG. 4, it is not possible, please include to ground one end of the secondary winding because the andore end is also grounded twice per rotation of the rotating member. The arrangement can then be completed as shown in Fig. 6, in which one end 4 of the secondary winding is grounded. In this arrangement there is a second rotatable organ 6 which rotates synchronously with the one already present. The second rotatable organ is provided with four symmetrically arranged contact segments 64, 65, 66 and 67, the diagonally lying contact segments being connected to one another by means of connections 68 and 69.
Along the periphery of this rotatable organ, four symmetrically located fixed contacts 60, 61, 62 and 63 are arranged, which cooperate with the contact segments on this rotatable organ as it rotates. The contacts 60 and 61 are connected to the capacitor 10, while the contacts 62 and 63 are connected to a capacitor 100.
The two rotatable members 6 are set so that the capacitors 10 and 100 are not connected when the capacitor 10 receives a charging pulse from the transformer or sends it a discharge pulse. The second rotatable member has the task of transferring the charge from the capacitor 10 to the capacitor 100 or from the capacitor 100 to the capacitor 10. The capacitor 100 represents the load in this case.
Single-phase voltage is used in all of the arrangements shown so far. However, it is also possible to use three-phase voltage. Fig. 7 shows such an arrangement. The rotating member 6 here carries a contact arm 70 which is connected to a slip ring 71 in the center of rotation. A brush 72 rests on the slip ring and is also connected to the capacitor 10. A second contact arm 73, which is connected to a second slip ring 74, against which a second brush 75 rests, is arranged at a sufficient isolation distance from the contact arm 70. This brush is connected to earth and thus also to the earthed side of the capacitor 10.
It is assumed that these last three elements are located on the underside of the rotatable member 6; they are therefore drawn with dashed lines. The two contact arms have an angular distance of 120. The three secondary windings T1, T2, T3 of the transformer T are each connected to a fixed contact 76, 77, 78, which contacts are arranged symmetrically around the rotatable member in the specified manner so that they can interact with the rotatable contact arms. Capacitors 12 can also be connected here in the same way as in FIG. 1 via the terminals of the secondary winding of the transformer.
Through the arrangement of contact arms and fixed contacts shown, the capacitor 10 is straight to the chained voltage of the transformer.
Fig. 8 shows how the arrangement according to FIG. 1 can be modified for use in three-phase load objects. This arrangement can e.g. B. used for simultaneous voltage testing of all three phases in a three-phase machine or a three-phase apparatus. The rotatable member 6 carries three conductive connections 80, 81 and 82 which are arranged isolated from one another and which are symmetrically distributed and each carry two diametrically located contact segments. The arrangement further contains six fixed contacts 83, 84, 85, 86, 87 and 88 arranged symmetrically around the rotatable organ 6.
Of these contacts, 83, 84 and 85 are each connected to a secondary winding of the transformer, while the contacts 86, 87 and 88 are each connected to a capacitor 101, 102 and 103. The other sides of the capacitors are connected together and grounded. Since the voltage on each capacitor is built up by voltage pulses from all three phases, the speed of rotation of the rotatable member 6 only has to be a third of the speed of rotation of the arrangement according to FIG.
The embodiments shown and described up to now are not to be regarded as the only conceivable ones, but only provide a few possible solutions to the problem of generating a low-frequency high voltage in a simple manner, which is particularly suitable for testing purposes. It is therefore assumed that the rotatable organ is driven at a subsynchronous speed and that its drive motor is fed with 49.9 Hz when the mains voltage has the frequency 50 Hz. It goes without saying, however, that the rotatable member can be driven over-synchronously, d. H. at 50, 1 Hz, the result being the same.
For the same reason it is also clear that the rotating, bare organ, if one wants to generate an alternating voltage of 1 Hz, has to be driven at 49 or 51 Hz.
Since these are relatively high voltages of the order of magnitude of 100 kV, the dimensions of the organ that can be robbed must be quite large so that the insulation level is sufficient. By installing the apparatus in a pressure vessel and increasing the pressure, the dimensions can be reduced.
The drive arrangement for the rotatable organ 6 can be implemented in various ways. One of these is that a synchronous motor for 50 Hz drives the organ via a transmission, which can be a simple gear drive or by means of a V-belt. Another way is to drive the rotatable member with a synchronous motor, the stator of which is rotated by another motor. If the synchronous motor is 4-pole and its stator makes three rotations per minute, the rotatable member rotates at the same speed as if its drive motor were fed with 49, 9 or 50, 1 Hz, depending on the direction of rotation of the stator in proportion to the rotor.
In a third type, the rotatable member is driven by a synchronous motor to which alternating voltage with a frequency of 49, 9 or 50, 1 Hz is fed. Alternating voltages with these frequencies can be generated in a known manner and therefore need not be dealt with in more detail here. Other types of drive are also conceivable.
In the modification shown in FIG. 9, the rotatable organ consists of four circular disks 6 made of insulating material, which are arranged on an axis 13, which is expediently also made of insulating material.
The axis 13 is rotated by a synchronous motor, not shown, which is fed at a frequency of 49, 9 or 50, 1 Hz. The axis 13 is mounted in three parallel, vertical plates 14 made of Iso Mormaterial, which are supported by a horizontal plate 15 and a vertical side wall 16, also made of Isobiermater, ial. The rotatable organ is thus built into a kind of box which is open at the top and to one side and which is divided into two parts by the middle of the plates 14.
Each of the disks 6 has a diametrically extending conductive connection 7 which is connected at each end to a contact segment arranged on the periphery of the disk. Immediately outside of each disk, two diametrically opposed fixed contacts 9 are arranged in such a way that they rest against the periphery of the disk and thereby also against the contact segment 8 with sufficient contact pressure. For each disc, one of the fixed contacts 9 is carried by a conductive element 17 fixed in each of the plates 14. The other fixed contacts 9 are carried by conductive elements 18 which are attached to the vertical side wall 16 by means of brackets 19.
One of the fixed contacts 9, which interacts with the left one of the rotatable disks 6, is connected to one end of the secondary winding of the transformer.
The corresponding fixed contact 9, which cooperates with the rotatable disc right th, is connected to the capacitor 10, which represents a test object. The capacitor 10 is therefore connected to the transformer twice per revolution of the rotatable member through the conductive elements 17, the contacts 9, the contact segments 8 and the conductive connections 7 arranged on the disks 6.
The middle of the plates 14 not only serves to carry bearings for the axle 13, but primarily forms the insulation between two axially close fixed contacts 9 which are not permanently connected to one another. Ii: as implies that two of the rotating disks 6, which are separated by such an insulating wall, can be arranged very close to one another without the risk of flashover between the contacts. In the same way, insulating plates can be inserted between the two left and the two right rotating disks 6, whereby the axial dimensions of the whole arrangement can be reduced considerably.
The embodiment of the invention described above results in the interruption path being divided into several parts. The field distribution thereby obtained is significantly more favorable in terms of insulation strength, and the total diameter of the rotating disks can be made smaller than the disk diameter which is required when a single disk is used. In addition, there is a substantial reduction in the rotating mass and its inertia and gyro forces.
The variant shown is also to be regarded only as an example of the implementation of the invention and can be varied in many ways. This particularly affects the rotating organ. The solid disk 6 can be replaced by a ring carried by a number of spokes fixed in a hub arranged on the axle 13. Another possibility is to arrange the contact segments 8 on a rod which is fastened at right angles to the axis. In order to avoid knocks against the contact segments 9 when the contact is closed, the contact segments 8 can be replaced by a leaf spring-like contact element arranged at each end of the rod, the plane of which lies in the rotation plane of the rod.
The fixed contacts can then consist of two opposing spring elements, between which the rotating contact element can move.
In a modification of the embodiment shown in FIG. 4, the rotating member can consist of two rods arranged at right angles to one another on the axis 13. Other embodiments are also conceivable. The number of rotatable organs can easily be adjusted to the level of tension required. Furthermore, the arrangement and formation of the fixed contacts can be solved in various ways.
Such a contact can e.g. B. be enclosed in conductive material, a particularly favorable field distribution is obtained, and this can have the consequence that the plates 14 arranged between the rotatable organs are unnecessary.