DE709102C

DE709102C - Arrangement for supplying power consumers working with arcs

Info

Publication number: DE709102C
Application number: DES117494D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erich Friedlaender
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Priority date: 1935-03-12
Filing date: 1935-03-12
Publication date: 1941-08-06

Description

Anordnung zur Speisung von mit Lichtbogen arbeitenden Stromverbrauchern Für den Anschluß von Gleichrichtern an ein mehrphasiges Wechselstromnetz ist eine Transformatoranordnung vorgeschlagen worden, über .die der Gleichrichter mit trapezförmigen Anodenspannungen gespeist werden kann. Diese Anordnung hat die Eigenschaft, daß der primäre elektrische Sternpunkt des im Sättigungsgebiet arbeitenden Speisetransformators für die dreifache Netzfrequenz frei beweglich ist und daß sich die jeder Anode des Gleichrichters zugeführte Spannung aus n um je versetzten Phasenspannungen des speisenden Wechselstromnetzes zusammensetzt. Die freie Beweglichkeit des primären Sternpunktes wird dabei entweder durch einen oder mehrere zusätzliche bzw. überzählige Schenkel des Speisetransformators oder auch .dadurch erzielt, daß der Transformator aus mehreren Einphasentransformatoren besteht. Der Vorteil .dieser Transformatoranordnung liegt darin, daß denn angeschlossenen Apparat, also im vorliegenden Fall dem Gleichrichter bzw. den Gleichrichteranoden, eine annähernd rechteckförmige Wechselspannung zugeführt wird.Arrangement for feeding power consumers working with arcs For the connection of rectifiers to a polyphase alternating current network, a transformer arrangement has been proposed over which the rectifier can be fed with trapezoidal anode voltages. This arrangement has the property that the primary electrical star point of the supply transformer working in the saturation region is freely movable for three times the mains frequency and that the voltage supplied to each anode of the rectifier varies from n by each offset phase voltages of the feeding AC network. The free mobility of the primary star point is achieved either by one or more additional or surplus legs of the supply transformer or by the fact that the transformer consists of several single-phase transformers. The advantage of this transformer arrangement is that an approximately square-wave alternating voltage is supplied to the connected apparatus, that is to say in the present case to the rectifier or the rectifier anodes.

Diese Transformatoranordnung wird nun zur Speisung von mit Lichtbogen arbeitenden Stromverbrauchern verwendet, bei denen also der Lichtbogen der Verbraucherwiderstand ist. Zu diesem Zweck wird bei einer Anordnung zur Speisung von mit Lichtbogen arbeitenden Stromverbrauchern erfindungsgemäß zwischen die Verbraucher und ein mehrphasiges Wechselstromnetz eine Speisetransformatoranordnung geschaltet, bei der der primäre elektrische Sternpunkt der im Sättigungsgebiet arbeitenden Transformatoranordnung, die entweder aus einem Mehrphasentransformator mit einem oder mehreren überzähligen Schenkeln oder aus mehreren Einphasentransformatoren besteht, für die dreifache Netzfrequenz frei beweglich ist und sich weiterhin die Verbraucherspannung aus n um je versetzten Phasenspannungen des mehrphasigen Wechselstromnetzes zusammensetzt. An die Stelle des Gleichrichters und des Gleichstromverbrauchers der obererwähnten vorgeschlagenen Anordnung tritt somit ein Lichtbogengerät; solche Geräte sind beispielsweise Schweißgeräte, Bogenlampen, Hochdruckdampflampen (Natrium- oder Quecksilberdampflampen), Lichtbogenöfen und ähnliche. Durch die Anwendung der für Gleichrichter vorgeschlagenen Anordnung für diese Geräte erreicht man den Vorteil, daß der Lichtbogen nahezu während der ganzen Periode mit konstantem Strom arbeitet, so daß die Strom-und Energiepausen sehr kurz sind, was wiederum bewirkt, daß keine zu hohe Zündspannungsspitze nach dem Erlöschen des Lichtbogens zum Neuzünden erforderlich ist: Auch wird das Flimmern der Bogenlampen und Hochdruckdampflampen weitgehend herabgesetzt.This transformer arrangement is now used to feed power consumers working with arcs, in which the arc is the consumer resistance. For this purpose, in an arrangement for supplying power consumers working with arcs, according to the invention, a feed transformer arrangement is connected between the consumers and a polyphase alternating current network, in which the primary electrical star point of the transformer arrangement operating in the saturation area, which either consists of a polyphase transformer with one or more redundant legs or consists of several single-phase transformers, for which three times the mains frequency is freely movable and the consumer voltage continues from n to each offset phase voltages of the multiphase alternating current network. In place of the rectifier and the direct current consumer of the above-mentioned proposed arrangement there is thus an arc device; such devices are, for example, welding devices, arc lamps, high pressure vapor lamps (sodium or mercury vapor lamps), electric arc furnaces and the like. Using the arrangement proposed for rectifiers for these devices has the advantage that the arc works with constant current for almost the entire period, so that the current and energy pauses are very short, which in turn prevents an excessively high ignition voltage peak the extinguishing of the arc is necessary to re-ignite: The flickering of arc lamps and high-pressure vapor lamps is also largely reduced.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. i zeigt die Speisung eines Schweißlichtbogens mit annähernd rechteckförmiger Spannung. An das Wechselstromnetz mit den Phasen R, S. T sind die im Sättigungsgebiet arbeitenden Transformatoren f, 11, 11I, IV, V und VI angeschlossen. Die Transformatoren I, III und V bilden den einen, die Transformatoren 1I, IV und VI den zweiten Satz. An Stelle dreier Einphasentransformatoren kann auch ein Dreiphasentransformator mit einem oder mehreren überzähligen Schenkeln treten. Die Primärwicklungen 21, 22, 23, 2.1, 25 und 26 der Transformatoren sind in Zickzack geschaltet, und zwar derart, daß die Grundwellen der Flüsse in je zwei übereinanderliegenden Transformatorensätzen um 30° gegeneinander versetzt sind. Die Unterteilung der Wicklungen und der Anschluß an das Drehstromnetz muß also so erfolgen, daß gegenüber einer positiven Richtung die Flüsse in den oberen Transformatoren I, IIT und V um i5° nach der einen, die Flüsse in den unteren Transformatoren 1I, IV und VI um 15' nach der anderen Seite verdreht sind. Statt alle Transformatoren in Zickzack-Zickzack- zu schalten, könnte man auch den einen Satz in Stern- und den anderen Satz mit 30° Zickzackschaltung schalten.Various exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. Fig. I shows the feeding of a welding arc with an approximately rectangular voltage. The transformers f, 11, 11I, IV, V and VI operating in the saturation area are connected to the alternating current network with the phases R, S.T. Transformers I, III and V form one set, transformers 1I, IV and VI form the second set. Instead of three single-phase transformers, a three-phase transformer with one or more redundant legs can also be used. The primary windings 21, 22, 23, 2.1, 25 and 26 of the transformers are connected in zigzag in such a way that the fundamental waves of the fluxes in two superimposed transformer sets are offset from one another by 30 °. The subdivision of the windings and the connection to the three-phase network must therefore be done in such a way that, in relation to a positive direction, the flows in the upper transformers I, IIT and V by 15 ° to the one, the flows in the lower transformers 11, IV and VI by 15 ' are twisted to the other side. Instead of switching all transformers in zigzag zigzag, you could also switch one set in star and the other set with 30 ° zigzag.

Jeder Transformator erhält eine Sekundärwicklung 11, 12, 13, 14, 15 bzw. 16. Die Sekundärwicklungen sind in Reihe geschaltet und speisen den Schweißlichtbogen 17. Die Wicklungen 13 und 14 sind gegenüber den anderen Sekundärwicklungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn angeschlossen. Da jeder Transformator zwei Teilspannungen liefert, eine positive und eine um i8o° versetzte negative, so setzt sich also die Gesamtspannung aus sechs um je 30° gegeneinander versetzten positiven und sechs um je 30° gegeneinander versetzten negativen Teilspannungen zusammen.Each transformer has a secondary winding 11, 12, 13, 14, 15 or 16. The secondary windings are connected in series and feed the welding arc 17. The windings 13 and 14 are connected in opposite directions to the other secondary windings. Since each transformer supplies two partial voltages, one positive and one negative offset by 180 °, the total voltage is made up of six positive partial voltages offset by 30 ° and six negative partial voltages offset by 30 °.

In Fig. 2 sind diese Teilspannungen, die mit i bis 12 bezeichnet sind, dargestellt. Der Transformator i liefert die Teilspannungen i und 7,. der Transformator II liefert die Teilspannungen 2 und 8 usw. Da die von den Transformatoren III und IV gelieferten Teilspannungen um i8o° in :der Phase verschoben sind, so schließen sich die Spannungen 3 und :4 an die Spannungen i und 2 in der Weise an, wie es in der Figur dargestellt ist.In Fig. 2 these partial voltages, which are denoted by i to 12, shown. The transformer i supplies the partial voltages i and 7 ,. the transformer II supplies the partial voltages 2 and 8, etc. Since the transformers III and IV supplied partial voltages are shifted by 180 ° in: the phase, so close voltages 3 and: 4 correspond to voltages i and 2 in the manner shown in the figure is shown.

Auf ,den Schweißlichtbogen wirkt daher @::ene Spannung ein, die nahezu rechteckg ist. Dadurch wird erreicht, daß auch ';c,`t^ Strom nahezu rechteckförmig wird.The welding arc therefore acts on a voltage that is almost is rectangular. It is thereby achieved that also '; c, `t ^ current is almost rectangular will.

der Anordnung nach Fng. i war angenommen worden, daß alle Transformatoren eine gleich große Spannung liefern. Für Schweißlichtbogen, aber auch für die anderen obengenannten Geräte, kann es vorteilhaft sein, ,die Spannungen verschieden groß zu machen, um einen schroffen Nulldurchgang von Strom und Spannung zu erzwingen. Wie bekannt, neigt der Lichtbogen stets dazu, den Stromdurchgang durch Null zu verzögern, um dadurch eine erhöhte Zündspannungsspitze für die nächste Halbwelle zur Verfügung zu erhalten. Diese erhöhte Zündspannung kann man nun durch entsprechend erhöhte Windungszahlen derjenigen Transformatorwicklung, welche zur Zeit nach dem Nulldurchgang der Verbraucherspannung den Spannungsbetrag liefert, erzwingen, so daß der Strom sehr scharf durch Null hindurchgeht. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise bei der Anordnung nach Fig. i die Windungszahl des Transformators I gegenüber,den Windungszahlen der übrigen Transformatoren erhöhen. Wie sich die resultierende Spannung dann gestaltet, zeigt die Fig.3, in welcher die Spannung, welche auf den Lichtbogen einwirkt, dargestellt ist, wenn die vom Transformator I gelieferten Spannungen größer sind als die von den übrigen Transformatoren gelieferten Spannungen. Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, auch den Spannungsbetrag vor dem Nulldurchgang zu erhöhen.according to the order in Fng. It was assumed that all transformers supply the same voltage. For welding arcs, but also for the other devices mentioned above, it can be advantageous to make the voltages different in order to force a sharp zero crossing of current and voltage. As is known, the arc always tends to delay the passage of current through zero in order to thereby obtain an increased ignition voltage peak for the next half-wave. This increased ignition voltage can now be enforced by a correspondingly increased number of turns of the transformer winding which delivers the amount of voltage at the time after the consumer voltage has passed zero, so that the current passes through zero very sharply. For this purpose, for example, in the arrangement according to FIG. As the resulting voltage is then designed, showing the Figure 3, in which the stress applied on the arc, is shown when the voltages supplied from the transformer I are greater than the voltages supplied from the other transformers. Under certain circumstances it can be advantageous to also increase the amount of voltage before the zero crossing.

Es ist auch möglich, unsymmetrische Spitzen, d. h. Teilspannungen, die eine steil ansteigende und flach abfallende bzw. eine flach ansteigende und steil abfallende Form besitzen, zu verwenden.It is also possible to have asymmetrical tips, i.e. H. Partial voltages, the one steeply rising and gently sloping or one gently rising and have a steeply sloping shape to use.

Ein Beispiel einer, solchen Zusammensetzung von unsymmetrischen Spitzen zeigt die Fig. q.. Die Teilspannungen, welche die Transformatoren I, III und V liefern, besitzen einen steilen Anstieg und einen flachen Abfall, die Spitzen, die die Transformatoren 1I, IV und VI liefern, einen flachen Anstieg und steilen Abfall. Außerdem ist noch bei der Anordnung nach Fig.4 durch entsprechende Wahl der Windungszahlen dafür gesorgt, daß die Teilspannungen der Transformatoren I und VI eine höhere Amplitude besitzen. Zur Erzeugung dieser unsymmetrischen Spitzen kann man für alle sechs Transformatoren einen gemeinsamen Eisenkern verwenden, der zweimal sechs Schenkel und ein Mitteljoch besitzt. Auf die ersten beiden oberen Schenkel werden die Wicklungen des Transformators I aufgebracht, auf den ,dritten und vierten oberen Schenkel die Wicklungen des Transformators III und auf den fünften und sechsten .die Wicklungen des Transformators V. Auf .den ersten und- zweiten unteren Schenkel werden die Wicklungen des Transformators 1I, auf den dritten und vierten unteren die Wicklungen des Transformators IV und auf den fünften und sechsten unteren die Wicklungen .des Transformators VI aufgebracht. Die Transformatoren I, III und V sind in offenem Stern, die Tranform:atoren II, IV und VI in Zickzack geschaltet. Wählt man bei dieser Anordnung das Mitteljoch so, daß im ungesättigten Gebiet sein magnetischer Widerstand nicht mehr gegenüber .dem der Schenkel im ungesättigten Gebiet zu vernachlässigen ist, dann treten unsymmetrische Spitzen in der Phasenspannung der einzelnen Transformatoren auf, und zwar sind die Spannungen der Transformatoren I, III und V in der Form gleich, besitzen aber die entgegengesetzte Unsymmetrie wie die untereinander formgleichen Spannungen der Transformatoren II, IV und VI. Welche von beiden Gruppen eine steil ansteigende Spannung besitzt und welche eine flach ansteigende, hängt von der Phasenfolge, in welcher die Transformatoren erregt werden, ab. Wesentlich ist, daß in dem gemeinsamen Weg, in dem die um 30° versetzten Flüsse von zwei Transformatoren auftreten, ein beiden Transformatoren gemeinsamer Amperewindungsverbrauch auftritt, der gegenüber dem Amperewindungsverbrauch des übrigen Teiles des magnetischen Kreises nicht mehr zu vernachlässigen ist. In Fig. 4 wurde angenommen, .daß dieTransformatoren I, III und V ,eine steil ansteigende Spannung besitzen.An example of such a composition of asymmetrical peaks is shown in FIG. Q .. The partial voltages which the transformers I, III and V supply have a steep rise and a flat fall, the peaks which the transformers 1I, IV and VI supply , a flat rise and a steep fall. In addition, in the arrangement according to FIG. 4, by appropriate selection of the number of turns, it is ensured that the partial voltages of the transformers I and VI have a higher amplitude. To generate these asymmetrical peaks, a common iron core can be used for all six transformers, which has six legs and a central yoke twice. The windings of the transformer I are applied to the first two upper legs, the windings of the transformer III are applied to the third and fourth upper legs and the windings of the transformer V to the fifth and sixth legs. The first and second lower legs are applied the windings of the transformer 1I, the windings of the transformer IV on the third and fourth lower ones and the windings of the transformer VI on the fifth and sixth lower ones. The transformers I, III and V are in open star, the transformers II, IV and VI in zigzag. If you choose the center yoke in this arrangement so that its magnetic resistance in the unsaturated area is no longer negligible compared to the leg in the unsaturated area, then asymmetrical peaks in the phase voltage of the individual transformers occur, namely the voltages of the transformers I. , III and V have the same shape, but have the opposite asymmetry as the mutually identical voltages of transformers II, IV and VI. Which of the two groups has a steeply rising voltage and which a gently rising voltage depends on the phase sequence in which the transformers are excited. It is essential that in the common path in which the fluxes from two transformers offset by 30 ° occur, an ampere turn consumption common to both transformers occurs, which is no longer negligible compared to the ampere turn consumption of the remaining part of the magnetic circuit. In Fig. 4 it was assumed that transformers I, III and V, have a steeply increasing voltage.

Es ist nicht erforderlich, zur Erzeugung der unsymmetrischen Spitzen allen Transformatoren einen gemeinsamen Eisenkern zu geben, sondern es .genügt, daß zwei Transformatoren, deren Flüsse um 30° gegeneinander versetzt sind, einen Teil des magnetischen Kreises gemeinsam haben, dessen Widerstand gegenüber dem Widerstand der Schenkel im ungesättigten Teil nicht mehr zu vernachlässigen ist.It is not necessary to generate the unbalanced peaks to give all transformers a common iron core, but it is enough that two transformers, whose fluxes are offset by 30 ° from each other, one Part of the magnetic circuit have in common its resistance to resistance the leg in the unsaturated part can no longer be neglected.

Die für die Stabilisierung des Lichtbogens erforderlichen Widerstände oder Induktivitäten sind im Ausführungsbeispiel in Serie mit den Primärwicklungen der Transformatoren geschaltet. Diese Drosselspulen sind im Ausführungsbeispiel mit 18, i9 und 2o bezeichnet. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, die Widerstände bzw. die Drosselspulen auf die Sekundärseite, also unmittelbar in Reihe mit dem Lichtbogen zu legen. Wenn man in diesem Fall der Spannung eine Kurvenform gibt, wie sie in Fig.3 dargestellt ist, so erhält man einen rechteckförmigen Strom. Untersucht man nämlich, wie bei einem Lichtbogen mit einer Vordrossel die Spannung. bei annähernd rechteckförmigem Strom verlaufen muß, so findet man, daß beim Nulldurchgang des Stromes eine hohe Spitze in der Spannung auftritt. Sorgt man .daher dafür, -daß wie bei der Anordnung nach Fig. 3 diese Spitze in der Spannung vorhanden ist, so wird der Strom rechteckförmig.The resistances required to stabilize the arc or inductances are in series with the primary windings in the exemplary embodiment of the transformers switched. These choke coils are in the exemplary embodiment denoted by 18, i9 and 2o. However, it is particularly useful to use the resistors or the choke coils on the secondary side, so directly in series with the To place an arc. In this case, if the voltage is given a curve shape, as shown in Fig. 3, a square-wave current is obtained. Investigated namely, as with an arc with a choke, the voltage. at approximately rectangular current must run, it is found that at the zero crossing of the Current a high peak in voltage occurs. One. Therefore ensures that as in the arrangement according to FIG. 3, this peak is present in the voltage, so the current becomes rectangular.

Es ist nicht erforderlich, :besondere Vorwiderstände oder Vordrosseln zu nehmen. Man kann auch dasselbe erreichen, wenn man den Transformator mit Streuung zwischen Primär- und Sekundärwicklung ausbildet, wie es bei .dem Transformator III durch Anbringung eines Mittelschenkels mit Luftspalt angedeutet ist. Die übrigen Transformatoren werden entsprechend .ausgebildet. Sättigt man bei einer derartigen Anordnung nur den Schenkel, auf welchem die Primärwicklung liegt, so wirkt der magnetische Nebenschluß so, als ob eine Drossel in dem Lichtbogenkre?s läge. Sättigt man nur den Schenkel, auf welchem die Sekundärwicklung liegt, so wirkt die Anordnung so, als ob eine Drosselspule in Reihe mit der Primärwicklung läge.It is not necessary: special series resistors or chokes gain weight. You can also achieve the same thing by using the transformer with leakage between primary and secondary winding, as it is with .dem transformer III is indicated by attaching a central leg with an air gap. The remaining Transformers are trained accordingly. One saturates with one of these If only the leg on which the primary winding lies is arranged, the magnetic one acts Shunted as if there were a choke in the arc circuit. One only saturates the leg on which the secondary winding lies, the arrangement acts as follows, as if a choke coil were in series with the primary winding.

An Stelle eines Schweißlichtbogens können auch, wie bereits erwähnt, andere Geräte treten, bei denen der Licht-bogen den Verbraucherwiderstand bildet. Insbesondere ist die Anordnung nach der Erfindung geeignet, für Bogenlampen normaler Konstruktion und für Hochdruckbogenlampen (Quecksilberdampf- und Natriumlampen), weil man durch den nahezu rechteckförmigen Strom, den man durch eine derartige Anordnung erreichen kann, das Flimmern der Lampen auf ein Mindestmaß herabsetzen kann.Instead of a welding arc, as already mentioned, other devices occur in which the arc forms the consumer resistance. In particular, the arrangement according to the invention is suitable for arc lamps more normal Construction and for high pressure arc lamps (mercury vapor and sodium lamps), because one by the almost rectangular current that one by such an arrangement can reduce the flicker of the lamps to a minimum.

Im Ausführungsbeispiel wurden zur Erzeugung der rechteckförmigen Spannung sechs Transformatoren verwendet und die resultierende Spannung aus sechs positiven und sechs negativen Spitzen zusammengesetzt, die um 3o° gegeneinander verschoben sind. Man kann aber auch eine annähernd rechteckförmige Spannung bereits bei Verwendung von drei Transformatoren erzielen, deren Grundwellenflüsse um izo° gegeneinander versetzt sind.In the exemplary embodiment, the square-wave voltage was generated six transformers are used and the resulting voltage is six positive and composed of six negative peaks which are shifted by 30 ° from one another are. But you can also use an approximately square-wave voltage of three transformers whose fundamental wave flows are izo ° against each other are offset.

Es ist aber auch möglich, eine größere Anzahl von Transformatoren als sechs zu verwenden. Die Flüsse werden dann entsprechend um einen geringeren Betrag versetzt.But it is also possible to have a larger number of transformers to use as six. The rivers will then decrease accordingly Amount shifted.

Claims

PATENT FRUITS: i. Arrangement for supplying power consumers working with arcs, such as welding arcs, high-pressure vapor lamps or the like, characterized in that a supply transformer arrangement is connected between the consumers and a multiphase alternating current network, in which the primary electrical star point of the transformer arrangement working in the saturation area, which either consists of a Polyphase transformer with one or more redundant legs or from several single-phase transformers, is freely movable for three times the mains frequency, and that the load voltage is n to each offset phase voltages of the alternating current network.

2. Arrangement according to Claim i, characterized in that that secondary winding of the transformer arrangement which is the voltage contribution lying at the time after the zero crossing of the consumer voltage supplies, has an increased number of turns compared to the other secondary windings.

3. Arrangement according to claim i, characterized in that the resulting consumer voltage is composed of asymmetrical partial voltages. .

4. Arrangement according to claim i, characterized in that between the arc and (las feeding alternating current network Choke coils are connected.

5. Arrangement according to claim i, characterized in that that the transformer arrangement with scatter between primary and secondary windings is executed.