DE713910C

DE713910C - Multi-phase switching power converter working with mechanically moved switching contacts

Info

Publication number: DE713910C
Application number: DES125865D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Wilhelm Leukert
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens Corp
Priority date: 1937-01-30
Filing date: 1937-01-30
Publication date: 1941-11-20

Description

Mehrphasiger, mit mechanisch bewegten Schaltkontakten arbeitender Schaltstromrichter Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrphasigen Schaltstromrichter, der mit mechanisch bewegten Schaltkontakten arbeitet und bei dem in an sich bekannter Weise. Ventile oder Schaltdrosseln als Kommutierungshilfsmittel vorgesehen sind. Die Ventile bzw. die Schaltdrosseln haben dabei die Aufgabe, in der Umgebung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte den Strom der betreffenden Phase bzw. die an den Schaltkontakten auftretende Spannung ganz erheblich herabzusetzen, so da$ eine Funkenbildung- vermieden wird. Unter Schaltdrosseln sind Drosselspulen zu verstehen, die durch Verwendung besonderer Eisensorten eine sehr scharf geknickte Magnetisierungskennlinie besitzen und durch entsprechende Bemessung schon bei sehr ge-. ringen Strömen sprunghaft -ihren Sättigungszustand erreichen.Multi-phase, working with mechanically moved switching contacts Switching converter The invention relates to a multi-phase switching converter, which works with mechanically moved switch contacts and which is known per se Way. Valves or switching chokes are provided as commutation aids. The valves or the switching throttles have the task of being in the vicinity of the Switch-on and switch-off times, the current of the relevant phase or that of the switching contacts reduce the voltage that occurs quite considerably, so that spark formation is avoided will. Switching reactors are to be understood as being reagent coils which, through use special types of iron have a very sharply bent magnetization characteristic and by appropriate dimensioning already at very low. wrestling streams leaps and bounds - reach their state of saturation.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Schaltstromrichter der genannten Art bei Ausbildung des Transformators nach Art. einer elektrischen Maschine, auf deren Ständer sowohl die Primärwicklung als auch die in sich geschlossene. und mit Anzapfungen versehene Sekundärwicklung angeordnet sind, der mit einer Gleichstromerregung versehene Läufer dieser Maschine zum Antrieb .der Kontakteinrichtung des Schaltstromrichters benutzt. Der Gedanke, einen Stromrichtertransformator nach Art einer elektrischen Maschine ntit einem gleichstromerregten Läufer auszubilden und auf deren Ständer die Primärwicklung zusammen mit -der in sich geschlossenen angezapften Sekundärwicklung anzuordnen, ist für Quecksilberdampfgleichrichter bereits bekannt. Durch die geschilderte Verwendung eines solchen Transformators bei Schaltstromrichtern wird jedoch der Vorteil erzielt, daB ein- besonderer Antriebsmotor für die Schaltkontakte fortfallen kann. Dadurch wird es gleichzeitig unmöglich gemacht, daB Störungen im Synchronismus zwischen der Kontaktbewegung und der Spannung des Wechselstromnetzes auftreten, Geralde in dieser Beziehung sind Schaltstromr ichter sehr empfindlich, da sich dabei leicht Kommutierungsschwierigkeiten einstellen. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß die Spannungsbeanspruchung, die während des U formungsvorganges an den Ventilen bzw. dk Schaltdrosseln auftritt, durch Wahl einer m lichst hohen Anzahl von Anzapfungen an def Sekundärwicklung weitestgehend herabgesetzt werden kann.According to the invention, the aforementioned is used in a switching converter Art when training the transformer according to Art. An electrical machine on whose stator has both the primary winding and the self-contained one. and with Taps provided secondary winding are arranged, the with a direct current excitation equipped rotor of this machine to drive the contact device of the switching converter used. The idea of a converter transformer in the manner of an electrical one Machine with a DC excited rotor and on its stand the primary winding together with the self-contained tapped secondary winding is already known for mercury vapor rectifiers. By the described However, the use of such a transformer in switching converters is The advantage achieved is that there is no need for a special drive motor for the switching contacts can. This at the same time makes it impossible for disturbances in synchronism occur between the contact movement and the voltage of the alternating current network, Geralde in this regard are switching currents ichter very sensitive, since commutation difficulties can easily arise. Another advantage it should be mentioned that the voltage stress that occurs during the U forming process occurs at the valves or dk switching throttles, by choosing as high a value as possible The number of taps on the secondary winding can be reduced as far as possible can.

Zur Erläuterung dieser Vorteile möge der Verlauf des Kommutierungsvorganges bei einem Umformer mit Ventilen als Strombegrenzungseinrichtung verfolgt werden. Dabei soll zunächst einmal volle Aussteuerung vorausgesetzt werden, die bei Gleichrichterbetrieb auf der Gleichstromseite dann erreicht ist, wenn die Einschaltung der Folgephase (ablösende Phase} im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit zwischen den beiden einander ablösenden Phasen erfolgt. Von diesem Augenblick an besteht infolge der Überlappung ein innerer Stromkreis, in dem die Differenz zwischen der Spannung der Folgephase und der der abzulösenden Phase als treibende Spannung wirksam ist. Da die Spannung der Folgephase steigt, die der abzulösenden Phase dagegen sinkt, so entsteht in dem inneren Stromkreis ein Kurzschl.ußstrom, der in der Folgephase als einziger Strom vorhanden ist, in der abzuschaltenden Phase dagegen dem ursprünglich darin fließenden Strom entgegengesetzt-gerichtet ist. Nach einiger Zeit, deren Dauer von den Induktivitäten des Stromkreises abhängt, wird der Strom in der abzulösenden Phase bis auf Null abgebaut sein. Nunmehr tritt das in dieser Phase liegende Ventil in Wirkung, indem es nämlich ein Wiederanwachsen des Stromes in umgekehrter Richtung vermöge seiner Sperrwirkung verhindert. Von diesem Augenblick an kann also die abzulösende Phase funkenlos unterbrochen werden. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei der Verwendung von Schaltdrosseln, nur tritt die die Kommuti.erung erleichternde Wirkung hier nicht bei Stromrichtungsumkehr, sondern beim Unterschreiten des Sättigungsstromes -der- Drosselspulen auf. Sie bleibt allerdings nur eine bestimmte Zeit lang bestehen, nach. ,deren Ablauf der Strom nach Überschreitung des Sättigungswertes rasch- in umgekehrter Richtung wieder ansteigt." Aus dem Gesagten geht hervor, daß bei Einschaltung im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit die höchste Spannungsbeanspruchung des Kommutierungshilfsmittels gleich der Spannungsdiffernz zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Phasen am Ende der Überlappungszeit ist. Da die LUberlappungszeit, wenn die Induktivitäten des-geschlossenen Stromkreises nicht allzu groß sind, verhältnismäßig kurz gewählt werden kann, so tritt eine nennenswerte Spannungsbeanspruchung in diesem Fall nicht auf. Anders dagegen wenn bei Teilaussteuerung die Zuschaltung der Folgephase verspätet erfolgt. Dann is=t bereits in dem Augenblick des Zuschaltens eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Phasen vorhanden, und man kann diese Spannungsdifferenz in Anbetracht der Kürze der Kommutierungszeit in erster Annäherung als Sperrspannungsbeanspruchung des Ko.mmutierungshilfsmittels betrachten. Bei einer sechsphasigenAnordnung ergibt sich bei einer Einschaltverspätung von 30° bereits eine Spannungsbeanspruchung gleich der halben Phasenspannung, bei einer Verzögerung von 9o° sogar eine solche gleich der vollen Phasenspannung. Diese Verhältnisse w,rden jedoch wesentlich günstiger, wenn man statt der sechsphasigen Umformung beispielsweise auf zwölfphasige Umformung übergeht, da dann die Spannungskurven aufeinanderfolgender Phasen dichter aneinanderrücken. Die ungünstige Spannungsbeanspruchung ist in diesem Fall gleich der Hälfte der Phasenspannung. Konnte- man bisher erhöhte Phasenzahlen nur mit verhältnismäßig verwickelten und vor allen Dingen hinsichtlich ihrer Ausnutzung unwirtschaftlichen Transformatoranordn:ungen erzielen, so läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Umformer die Zahl der Anzapfungen an die Sekundärwicklung beliebig hoch wählen, ohne daß sich daraus irgendwelche Schwierigkeiten baulicher Natur ergeben: Andererseits führt aber hier nicht immer nur eine Phase bzzv. es führen während der Überlappungs:zeiten auch zwei oder drei Phasen Strom, sondern die ganze Sekundärwicklung ist ständig an der Stromlieferung beteiligt. Es wird hier also das Höchstmaß an Ausnutzung des wirksamen Materials erreicht. Als Spannungsbeanspruchung der Kommutierungshilfsmittel - tritt stets nur die Spannung zwischen zwei benachbarten Wicklungsanz.apfungen auf.To explain these advantages, let the course of the commutation process in the case of a converter with valves as a current limiting device. First of all, full modulation should be assumed, which is the case with rectifier operation on the direct current side is reached when the subsequent phase is switched on (alternating phase} at the point in time when the two voltages are equal replacing phases takes place. From that moment on, there is overlap as a result an internal circuit in which the difference between the voltage of the subsequent phase and that of the phase to be separated acts as the driving voltage. Because the tension the following phase increases, while that of the phase to be replaced decreases, so in a short-circuit current in the internal circuit, which is the only one in the subsequent phase Electricity is present in the phase to be switched off, on the other hand that originally in it flowing current is oppositely directed. After some time, the duration of which is from depends on the inductances of the circuit, the current in the to be removed Phase to be reduced to zero. The valve in this phase now occurs in effect by namely a regrowth of the current in the opposite direction prevented by virtue of its blocking effect. From this moment on, the Phase can be interrupted without sparking. The conditions are similar when it comes to use of switching reactors, only the effect of facilitating commutation does not occur here with reversal of current direction, but when falling below the saturation current -der- Choke coils on. However, it only lasts for a certain period of time, after. , the flow of which the current rapidly expires after the saturation value is exceeded increases again in the opposite direction. "From what has been said it follows that when switched on The highest voltage stress of the commutation aid at the point in time when the voltages are equal equal to the voltage difference between the two successive phases am The end of the overlap time is. Because the L overlap time when the inductors des-closed circuit are not too large, chosen to be relatively short can be, a significant voltage stress does not occur in this case on. On the other hand, it is different if the connection of the following phase is delayed in the case of partial modulation he follows. Then there is already a voltage difference at the moment of connection exists between the two phases, and one can consider this voltage difference the shortness of the commutation time in a first approximation as a reverse voltage stress consider the co-mutation aid. In a six-phase arrangement results If the switch-on is delayed by 30 °, the voltage load is the same half the phase voltage, with a delay of 90 ° it is even equal to this the full phase voltage. However, these conditions would be much more favorable if instead of the six-phase reshaping, for example, twelve-phase reshaping is used passes over, since then the voltage curves of successive phases move closer together. In this case, the unfavorable voltage stress is equal to half the phase voltage. Up to now, increased numbers of phases could only be achieved with relatively complex and above all with regard to their utilization of uneconomical transformer arrangements can be achieved in the converter according to the invention, the number of taps to the secondary winding as high as you want, without any Difficulties of a structural nature arise: On the other hand, it does not always lead here only one phase or there are also two or three times during the overlap Phases of electricity, but the whole secondary winding is constantly supplying electricity involved. So the maximum possible utilization of the effective material will be achieved here achieved. As voltage stress on the commutation aid - always occurs only the voltage between two adjacent winding taps.

Die Erfindung möge an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert werden. An das Drehstromnetz z ist die als verteilte Wicklung ausgebildete Primärwicklung z angeschlossen. die sowohl in Stern als auch in Dreieck geschaltet sein kann. Diese Wicklung ist in den Nuten eines als Maschinenständer ausgebildeten Eisenkörpers untergebracht. Dieser Ständer besitzt außerdem die ebenfalls verteilte sekundäre Ringwicklung 3, die zur Herabsetzung der Streuung zweckmäßig in den gleichen Nuten angeordnet ist wie die Pri:märxv icklung 2. Die sekundäre Ringwicklung 3 -besitzt in dem- gezeigten Ausführungs-. Beispiel sechs Anzapfungen. _ Diese verhältnismäaig ge@inge..Anzahl.-vön:AnT.apflxngen wurde j.edoch_ nur gewählt,. um die Übersichtlichkeit der Zeichnung nicht zu beeinträchtigen. Man wird, wie schon erwähnt, im allgemeinen bestrebt sein, soweit das mit Rücksicht, auf die übrigen Verhältnisse zulässig erscheint, eine möglichst hohe Anzahl von Anzapfungen zu :wählen. Die Schältkontakteinrichtungen 4 und 5 .sind-:als umlaufende Verteiler ausgebildet, von denen jeder zwei Gruppen von auf einer Kontaktwalze schleifenden Bürsten besitzt. Jede Bürstengruppe besteht aus je sechs um i/12 des Umfanges gegeneinander verschobenen nebeneinanderliegenden Bürsten. Die Bürstender einen Gruppe jedes Verteilers sind in cyclischer Reihenfolge an: die sechs Anzapfungen der Sekundärcvick-Jung 3 angeschlossen, während die gegenüberliegenden Bürsten abwechselnd über das eine oder das andere von zwei Ventilen 6 bnv. 7 mit dem positiven bzw. dem negativen Gleichstromleiter in Verbindung stehen. Zum Zwecke der Spannungsregelung sind die Bürsten verdrehbar angeordnet. Die Kontaktwalze bzw.9 jedes Verteilers trägt an ihrem Umfang an diametral gegenüberliegenden Stellen je zwei nebeneinanderliegende Kontaktsegmente io bz.w. i i. Die Breite jedes einzelnen Kontaktsegmentes ist kleiner, -die Gesamtbreite beider Kontaktsegmente jedoch größer als die Entfernungen zweier benachbarter Bürsten. Dabei sind die einander diametral gegenüberliegenden Kontaktsegmente miteinander leitend verbunden. Die Synchronlagen der Kontaktsegmente des Verteilers sind, bezogen auf die Wicklungsanzapfungen, um iSo° elektrisch, das sind hier 9o° räumlich, gegeneinander versetzt. In dem Augenblick, in dem also der linke Verteiler eine bestimmte Anzap:fung einschaltet, schaltet der rechte Verteiler die um i8o° elektrisch versetzte Anzapfung ein. Man erkennt, daß in der oben angegebenen, Weise während der Überlappungszeit zweier benachbarter Anschlüsse an jedem Verteiler in dem so gebildeten Kurzschlußkreis jeweils zwei Ventile mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung liegen. Es sei hier darauf hingewiesen, daß an die Stelle der als Stromwender ausgebildeten Verteiler auch eine andere Verteilerkonstruktion treten kann, beispielsweise durch Nockenwellen angetriebene Kontakte.The invention may be based on the embodiment shown in the drawing will be explained in more detail. To the three-phase network z is as a distributed winding trained primary winding z connected. those in both star and triangle can be switched. This winding is in the slots of a machine stand trained iron body housed. This stand also has the distributed secondary ring winding 3, which is useful for reducing the scatter is arranged in the same grooves as the primary winding 2. The secondary Ring winding 3 owned in the embodiment shown. Example six taps. _ These proportionally ge @ inge..Anzahl.-vön: AnT.apflxngen was j.edoch_ only chosen. so as not to impair the clarity of the drawing. As already mentioned, one will generally endeavor, insofar as this is done with consideration, to the remaining ratios appears permissible, the highest possible number of Taps to: choose. The switching contact devices 4 and 5 .sind-: as circumferential Distributors formed, each of which has two groups of rubbing on a contact roller Owns brushes. Each group of brushes consists of six against each other by 1/12 of the circumference shifted adjacent brushes. The brushes tend a group of each distributor are on in cyclic order: the six taps of the secondary Cvick-Jung 3 connected, while the opposite brushes alternately over one or the other of two valves 6 bnv. 7 with the positive or the negative DC conductors are connected. For the purpose of voltage regulation, the Brushes arranged to be rotatable. The contact roller or 9 of each distributor applies their circumference at diametrically opposite points each two adjacent Contact segments io or w. i i. The width of each individual contact segment is smaller, -The total width of both contact segments, however, greater than the distances between two neighboring brushes. The contact segments are diametrically opposed to one another conductively connected to each other. The synchronous positions of the contact segments of the distributor are, based on the winding taps, by iSo ° electrical, that is 9o ° here spatially, offset from one another. At the moment when the left distributor If a certain tap is switched on, the right distributor switches the by 180 ° electrically offset tap. It can be seen that in the manner indicated above during the overlap time of two adjacent connections on each distributor in the short circuit formed in this way two valves with opposite flow direction lie. It should be noted here that instead of the one designed as a commutator Manifold can also pass through a different manifold construction, for example Camshaft driven contacts.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß der Antrieb der Kontakteinrichtung durch den Läufer der den Transformator bildenden Maschine erfolgt. Der Läufer besitzt eine Gleichstromerregerwicklung 1a, so daß er synchron mit der Frequenz des speisenden Wechselstromnetzes i läuft. Der Läufer ist dabei mechanisch lediglich durch das Bürstenreibungs,moment der Kontakteinrichtung belastet,. -so daß keine Verschiebungen seiner Relativlage zum Ständerdrehfeld zu befürchten sind. Es wird dadurch erreicht, daß die Schaltzeitpunkte, bezogen auf :die Wech@selsÜ?annungskurve,keinerlei unbeabsichtigten Schwankungen unterworfen sind, die etwa zu Isommutierungsstörungen oder zu Änderungen der Gleichspannung führen könnten. Insbesondere haben auch plötzlich .auftretende Spannungsabsenkungen oder Unsymmetrien in dem speisenden Netz auf diese Weise keinen oder einen zumindest stark herabgesetzten Einfluß .auf die Kommutierung. Die Gleichstromerregung des Läufers bietet weiterhin die Möglichkeit, stets mit einem guten Leistungsfaktor zu arbeiten. Bei der Herabregelung-'der Spannung durch Verzögerung der Einschaltzeitpunkte arbeitet man nämlich mit Stromstücken, die -gegenüber den Spannungswellen der einzelnen Wicklungselemente zeitlich verzögert sind, so daß sich ein verringerter Leistungsfaktor ergibt, der sich auch in dem speisenden Drehstromnetz bemerkbar macht. Der :gleichstromerregte Läufer wirkt nun zusammen mit der Primärwicklung des Ständers wie eine Synchronmaschine, und man kann durch entsprechende Übererregung des -Läufers den Leistungsfaktor im Sinne der Voreilung verschieben. Durch eine zweiachsige Erregung, mit -der man die Lage des Erregerfeldes in bezug auf den Läufer verdrehen kann, kann man in an sich bekannter Weise die Synchronlage der Schaltzeitpunkte verändern und damit eine Spannungsregelung durchführen, ohne die Bürsten verstellen zu müssen. Dabei kann Hand in Hand mit einer Herabregelung der Spannung eine Erhöhung der resultierenden Gleichstromerregung erfolgen; so daß zwangsläufig ein guter Leistungsfaktor aufrechterhalten bleibt. Diese gleichzeitige Erhöhung der Erregung bei Verdrehung der Erregerachse kann dadurch erreicht werden, daß nur die eine Erregerkomponente erhöht wird, während -die andere konstant bleibt. Selbstverständlich kann man auch noch für andere Zwecke mechanische Leistung an der Motorwelle abnehmen.It is essential for the invention that the drive of the contact device takes place through the rotor of the machine forming the transformer. The runner owns a DC excitation winding 1a so that it is synchronous with the frequency of the feeding AC network i is running. The rotor is only mechanically through the Brush friction moment of the contact device loaded. -so that no shifts its relative position to the stator rotating field are to be feared. It is achieved by that the switching times, based on: the Wech @ selsÜ? approximation curve, no unintentional Are subject to fluctuations, such as isommutation disturbances or changes the direct voltage. In particular, sudden In this way, there are no voltage drops or asymmetries in the feeding network or at least a greatly reduced influence on the commutation. The DC excitation The runner still offers the option of always having a good power factor to work. When reducing the voltage by delaying the switch-on times namely one works with current pieces, the-opposite to the voltage waves of the individual Winding elements are delayed in time, so that a reduced power factor results, which is also noticeable in the feeding three-phase network. The: DC excited The rotor now works together with the primary winding of the stator like a synchronous machine, and by appropriate overexcitation of the rotor, the power factor in Shift the sense of the lead. By means of a biaxial excitation with which one can Can twist position of the excitation field in relation to the runner, one can in itself known way change the synchronous position of the switching times and thus a voltage regulation without having to adjust the brushes. This can go hand in hand with regulation of the voltage down, an increase in the resulting DC excitation take place; so that a good power factor is inevitably maintained. This simultaneous increase in excitation when the exciter axis is rotated can thereby can be achieved that only one excitation component is increased, while -the other remains constant. Of course, mechanical ones can also be used for other purposes Decrease power on the motor shaft.

Wie schon erwähnt, können als Ventile Trockengleichrichter zur Anwendung gelangen. Statt dessen kann aber auch jede andere Ventilart benutzt werden; insbesondere dürfte für hohe Spannungen die Verwendung von gas- oder dampfgefüllten Entladungsgefäßen zweckmäßig sein.As already mentioned, dry rectifiers can be used as valves reach. Instead, any other type of valve can also be used; in particular The use of gas or vapor-filled discharge vessels is likely to be the case for high voltages be appropriate.

Claims

PATENT APPEAL i. Multi-phase, with mechanically moved switch contacts working switching converter with valves or switching chokes as commutation aids, characterized by the fact that at Aüsbil- Jung of the transformer like an electric machine; on their stator both the primary winding as well as the self-contained and tapped secondary winding are arranged, the rotor provided with a DC excitation of this machine serves to drive the contact device of the switching converter. Converter arrangement according to claim z, characterized in that upon rotation of the axis of the two DC excitation of the rotor composed of mutually perpendicular components in the sense of reducing the voltage, the resulting value of the excitation is increased becomes, in particular, to such an extent that the power factor depends on the voltage regulation is independent.