DE903607C

DE903607C - Method and device for generating high-voltage pulsating direct current

Info

Publication number: DE903607C
Application number: DES5453D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Richard Heinrich
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1943-05-27
Filing date: 1943-05-27
Publication date: 1954-02-08

Description

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von hochgespanntem pulsierendem Gleichstrom Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von hochgespanntem pulsierendem Gleichstrom durch mechanische Gleichrichtung eines Transformatorwechselstromes. Das Verfahren nach der Erfindung ist vorzugsweise für Kleinstromverbraucher, z. B. Elektrofilter, insbesondere solche bestimmt, die auf Fahrzeugen aller Art, z. B. Motorkraftwagen, untergebracht sind.Method and device for generating high voltage pulsating Direct current The invention relates to a method for generating high voltage pulsating direct current through mechanical rectification of a transformer alternating current. The method according to the invention is preferably for small power consumers such. B. electrostatic precipitators, especially those determined on vehicles of all types, eg. B. motor vehicles are housed.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der magnetische Kraftfluß im Transformatoreisenkern durch eine mit Gleichstrom gespeiste Wicklung in der Weise erzeugt wird, daß durch periodische Veränderung (Vergrößerung und Verkleinerung) eines den Eisenweg des Transformators unterbrechenden Luftspaltes im ständigen Wechsel eine Schwächung und Verstärkung des Kraftflusses hervorgerufen und der durch diese Kraftflußänderungen in der Hochspannungswicklung des Transformators entstehende Wechselstrom durch den synchron mit der periodischen Veränderung des Luftspaltes umlaufenden mechanischen Gleichrichter als pulsierender hochgespannter Gleichstrom in dem Stromverbraucher zur Geltung gebracht wird.The essence of the invention is that the magnetic flux in the transformer iron core by a winding fed with direct current in the way it is generated that by periodic change (enlargement and reduction) an air gap interrupting the iron path of the transformer in constant change a weakening and strengthening of the power flow and caused by this Changes in force flow in the high-voltage winding of the transformer Alternating current through the synchronous with the periodic change of the air gap rotating mechanical rectifier as pulsating high voltage direct current in which the electricity consumer is brought to bear.

Durch diese Erzeugungsweise der Gleichspannung werden gegenüber bekannten Verfahren und Einrichtungen dieser Art erhebliche betriebliche und bauliche Vereinfachungen und andere Vorteile erzielt, die in der nachstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der für das Verfahren benötigten Einrichtung näher erläutert sind.This way of generating the direct voltage is compared to known Procedures and facilities of this type have made considerable operational and structural simplifications and other advantages achieved in the description below a few exemplary embodiments of the device required for the method are explained.

Im lamellierten Eisenkern I des Trafos befindet sich eine Unterbrechung 4, in der nach Fig. I ein auf der Welle 8 sitzender Umlaufkörper 2 untergebracht ist. Der Körper 2 besteht vorteilhaft ebenfalls aus lamelliertem Blech und bildet einen beweglichen Teil des Eisenkernes I. Die Welle 8 wird mit Hilfe eines Riemenantriebes 3 od. dgl., z. B. von dem Motor des Kraftfahrzeuges, in schnelle Umdrehung versetzt. Durch den Rotor 2 wird der durch die Unterbrechung 4 im Eisenkern geschaffene Luftspalt periodisch zwischen einem Mindest- und einem Größtwert geändert. Eine Erregerwicklung 5, die durch die Batterie 6 gespeist wird, erzeugt in dem Eisenkern I einen starken magnetischen Kraftfluß, wenn die Unterbrechung 4 durch den Rotor 2 überbrückt, also der Luftspalt entsprechend klein ist. Wird durch Verdrehung des Rotors aus der Unterbrechung 4 der Spalt und damit der magnetische Widerstand im Eisenkern größer, so sinkt der magnetische Kraftfluß praktisch auf Null ab. Es entsteht somit beim Umlauf des Rotors 2 im Eisenkern I ein ständig zwischen Null und einem oberen Grenzwert schwankender Kraftfluß, der in der Wicklung 7 des Transformatorkernes einen hochgespannten Wechselstrom hervorruft.There is an interruption in the laminated iron core I of the transformer 4, in which, according to FIG. I, a recirculating body 2 seated on the shaft 8 is housed is. The body 2 is advantageously also made of laminated sheet metal and forms a movable part of the iron core I. The shaft 8 is driven by a belt 3 or the like, e.g. B. from the engine of the motor vehicle, set in rapid rotation. The air gap created by the interruption 4 in the iron core is created by the rotor 2 periodically changed between a minimum and a maximum value. An excitation winding 5, which is fed by the battery 6, generates a strong one in the iron core I. magnetic flux when the interruption 4 bridged by the rotor 2, so the air gap is correspondingly small. Is caused by the rotation of the rotor from the interruption 4 the gap and thus the magnetic resistance in the iron core is larger, so the decreases magnetic flux practically to zero. It thus arises when the rotor rotates 2 in the iron core I a constantly fluctuating between zero and an upper limit value Power flow, the high voltage alternating current in the winding 7 of the transformer core evokes.

Auf der dem Antrieb 3 gegenüberliegenden Seite ist auf der Welle 8 des Rotors 2 ein metallischer Kontaktarm oder -finger 9 angebracht. Am Drehungsmittelpunkt dieses Kontaktfingers schleift eine an Erde oder Masse liegende Kontaktfeder IO. Der Kontaktfinger 9 bewegt sich bei seinem Umlauf in geringem Abstand an ortsfesten Kontaktsegmenten II vorbei, die mit dem einen Ende der Hochspannungswicklung 7 verbunden sind. Die Einrichtung 9, IO, II wirkt so als mechanischer Gleichrichter, der den an das andere Ende der Wicklung 7 angeschlossenen Stromverbraucher, z. B. ein Elektrofilter, mit Hochspannungsstößen gleicher Polarität, z. B. negativer Elektrizität, versorgt.On the side opposite the drive 3 is on the shaft 8 of the rotor 2, a metallic contact arm or finger 9 is attached. At the center of rotation this contact finger slides a contact spring IO which is connected to earth or ground. The contact finger 9 moves at a small distance on stationary as it rotates Contact segments II over, which are connected to one end of the high-voltage winding 7 are. The device 9, IO, II acts as a mechanical rectifier that the connected to the other end of the winding 7 power consumers, z. B. an electrostatic precipitator, with high voltage surges of the same polarity, e.g. B. negative electricity.

Bei Verwendung der Einrichtung auf einem Kraftfahrzeug ändert sich mit der Drehzahl des Fahrzeugmotors auch die Drehzahl des Rotors 2 und damit die Periodenzahl des Kraftflusses im Hochspannungstransformator. Dies hat auch eine Änderung der erzeugten Hochspannung zur Folge, die mit zunehmender Drehzahl stark ansteigen würde, wenn nicht Gegenmaßnahmen getroffen werden.When using the device on a motor vehicle changes with the speed of the vehicle engine also the speed of the rotor 2 and thus the Number of periods of the power flow in the high-voltage transformer. This also has a The result is a change in the high voltage generated, which increases with increasing speed would increase if countermeasures are not taken.

Eine solche unerwünschte Spannungssteigerung kann auf verschiedene Weise unterbunden werden. Zum Beispiel kann die Eisensättigung des Trafos so hoch gewählt sein, daß bei zunehmender Periodenzahl eine wesentliche Spannungssteigerung in der Hochspannungswicklung nicht mehr auftreten kann. Ferner kann die Hochspannungswicklung aus Stahldraht hergestellt und so bemessen sein, daß infolge der hohen Induktivität dieser Wicklung und des Skineffektes, der mit der Frequenz des Wechselstromes wächst, eine unzulässige. Spannungserhöhung ausgeschlossen wird.Such an undesirable increase in tension can result in various Way to be prevented. For example, the iron saturation of the transformer can be so high be chosen that with increasing number of periods there is a substantial increase in voltage can no longer occur in the high-voltage winding. Furthermore, the high-voltage winding Made of steel wire and sized so that due to the high inductance this winding and the skin effect, which increases with the frequency of the alternating current, an impermissible. Voltage increase is excluded.

Weiter kann im Stromkreis der Erregerwicklung 5 ein Widerstand I3 in mehr oder weniger langen Zeiträumen eingeschaltet oder kurzgeschlossen werden. Hierdurch wird je nach der Schalthäufigkeit der Kraftfluß im Eisenkern herabgesetzt und eine Spannungssteigerung in der Hochspannungswicklung 7 vermieden. Die Ein-und Ausschaltung des Widerstandes I3 geschieht vorteilhaft durch ein Schütz I4. Dieses wird durch eine niedrige Wechselspannung betätigt, die in einer Hilfswicklung I5 des Eisenkernes I erzeugt wird. Je höher bei wachsender Drehzahl des Rotors 2 die Spannung in der Wicklung I5 steigt, um so häufiger tritt das auf eine bestimmte Höchstspannung ansprechende Schütz I4 in Tätigkeit und um so mehr wird damit auch der durch die Erregerwicklung 5 erzeugte Kraftfluß abgedrosselt, so däß auf diese Weise in der Hochspannungswicklung 7 eine praktisch gleichmäßig hohe Gleichspannung zustande kommt.Furthermore, a resistor I3 can in the circuit of the excitation winding 5 switched on or short-circuited in more or less long periods of time. As a result, the flow of force in the iron core is reduced depending on the switching frequency and an increase in voltage in the high-voltage winding 7 is avoided. The input and The resistor I3 is advantageously switched off by a contactor I4. This is operated by a low AC voltage, which is in an auxiliary winding I5 of the iron core I is generated. The higher with increasing speed of the rotor 2 the The voltage in winding I5 increases, the more often it occurs to a certain one Very high voltage responsive contactor I4 in action and all the more so too the power flow generated by the excitation winding 5 throttled, so däß on this Way in the high-voltage winding 7 a practically uniformly high DC voltage comes about.

In den Erregerstromkreis 5 ist außerdem noch ein Regelwiderstand I6 eingeschaltet, mit dessen Hilfe die erzeugte pulsierende Gleichspannung des Transformators den Bedürfnissen des Betriebes entsprechend eingeregelt werden kann.In the excitation circuit 5 there is also a control resistor I6 switched on, with the help of which the generated pulsating DC voltage of the transformer can be adjusted according to the needs of the company.

Gegebenenfalls kann für die Spannungsregelung anstatt des Regelwiderstandes I6 ein Kohledruckwiderstand in dem Erregerstromkreis 5 eingebaut sein. Der Kohledruckwiderstand kann durch einen Elektromagneten betätigt sein; der durch die in der Hilfswicklung I5 erzeugte Wechselspannung gespeist wird. Bei steigender Hilfsspannung wird der Widerstand des Kohledruckreglers vergrößert, bei fallender Spannung entsprechend vermindert. An Stelle eines Elektromagneten kann z. B. auch ein Zentrifugalregler auf der Welle 8 des Rotors 2 verwendet sein. Bei zunehmender Drehzahl vermindert der Zentrifugalregler den Druck auf den Kohlewiderstand, so daß dessen elektrischer Widerstand ansteigt. Bei fallender Drehzahl dagegen wird der Druck erhöht und der elektrische Widerstand entsprechend vermindert. Auf diese Weise kann die erzeugte Gleichspannung des Aggregats bei wechseinder Drehzahl des Rotors nach Belieben konstant gehalten werden.If necessary, the voltage control can be used instead of the variable resistor I6 a carbon pressure resistor can be built into the excitation circuit 5. The coal pressure resistance can be operated by an electromagnet; the one in the auxiliary winding I5 generated alternating voltage is fed. When the auxiliary voltage increases, the Resistance of the carbon pressure regulator increases, with falling voltage accordingly reduced. Instead of an electromagnet can, for. B. also a centrifugal regulator be used on the shaft 8 of the rotor 2. Reduced with increasing speed the centrifugal regulator applies the pressure to the carbon resistor so that its electrical Resistance increases. When the speed drops, however, the pressure is increased and the electrical resistance is reduced accordingly. In this way the generated DC voltage of the unit is constant at will with changing speed of the rotor being held.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Batterie 6 der Fig. I durch einen Trockengleichrichter I7 ersetzt ist. Dieser ist an die niedrig gespannten Wechselstrom führende Hilfswicklung 15 des Eisenkernes i angeschlossen.FIG. 2 shows an embodiment in which the battery 6 of FIG. I is replaced by a dry rectifier I7. This one is tied to the low tension AC conducting auxiliary winding 15 of the iron core i connected.

Bei der dargestellten und beschriebenen Anordnung können nicht nur der Rotor 2 aus Stahlblech, sondern auch die Wicklungen des Trafos aus Stahldraht hergestellt sein, so daß Kupfer ganz erspart wird.In the illustrated and described arrangement can not only the rotor 2 made of sheet steel, but also the windings of the transformer made of steel wire be made so that copper is completely spared.

Da bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors 2 vier Kraftflußwechsel auftreten, wird in der'-Hochspannungswicklung auch bei geringerer Drehzahl des Rotors ein Wechselstrom verhältnismäßig hoher Frequenz erzeugt. Diese kann noch gesteigert werden, wenn man den -Umlaufkörper anstatt zweipolig, vier- oder mehrpolig ausbildet.Since with one complete revolution of the rotor 2 four changes of power flow will occur in the high-voltage winding even at a lower speed of the rotor generates an alternating current of relatively high frequency. This can be increased when you get the circulating body instead of two-pole, four- or multi-pole training.

Infolge des hohen Wechsels des Kraftflusses kann auch bei verhältnismäßig geringer Windungszahl der Hochspannungswicklung 7 eine hohe Wechselspannung bzw. durch Zwischenschaltung des Kontaktfingers 9 eine entsprechend hohe pulsierende Gleichspannung zustande gebracht werden.As a result of the high change in the flow of force can also be relatively low number of turns of the high-voltage winding 7 a high alternating voltage or by interposing the contact finger 9 a correspondingly high pulsating DC voltage can be brought about.

Da der umlaufende Kontaktfinger 9 ständig an Masse oder Erde liegt, ist an dieser Stelle eine elektrische Isolierung, die bei hoher Beanspruchung und Verschmutzung leicht zu Betriebsstörungen Anlaß geben kann, nicht notwendig. Die feststehenden Kontakte II des Gleichrichters können auf Isolatoren mit den gegebenen Verhältnissen entsprechend ausreichend langem Kriechweg angeordnet werden. Die Hochspannungswicklung 7 kann ferner vollständig in einem Gehäuse aus Isoliermaterial eingegossen sein; in diesem Fall können auch bei hohen Spannungen an den Wicklungsenden keine Isolationsschwierigkeiten auftreten, da die benötigten Kriechweglängen leicht unterzubringen sind.Since the rotating contact finger 9 is constantly connected to ground or earth, is an electrical insulation at this point, which under high stress and Pollution can easily give rise to operational malfunctions, not necessary. the fixed contacts II of the rectifier can be given on insulators with the Conditions are arranged according to a sufficiently long creepage distance. The high voltage winding 7 can also be completely encapsulated in a housing made of insulating material; In this case, even with high voltages at the winding ends, there are no insulation problems occur because the required creepage distances can easily be accommodated.

Es ist ohne weiteres möglich, das Aggregat auf Fahrzeugen unmittelbar in der Nähe des Motors anzubringen und z. B. von dem Keilriemen mit antreiben zu lassen, der die Lichtmaschine oder den Ventilator des Motors antreibt. Um günstige Abkühlungsverhältnisse für das Aggregat zu schaffen, können auf der Welle 8 des Umlaufkörpers 2 Lüfterflügel oder -schaufeln angeordnet sein.It is easily possible to use the unit directly on vehicles to be installed near the engine and z. B. from the V-belt to drive with that drives the alternator or fan of the engine. To cheap To create cooling conditions for the unit, can be done on the shaft 8 of the Circulating body 2 fan blades or blades be arranged.

Die Erfindung gibt weiter die Möglichkeit, an Stelle eines Umlaufkörpers einen hin und her schwingenden Körper aus lamelliertem Blech im Luftspalt 4 des Eisenkernes I unterzubringen, um im wesentlichen dieselben Wirkungen zu erzielen. Von sonstigen Abänderungsmöglichkeiten ist zu erwähnen, daß der magnetische Fluß anstatt durch die mit Gleichstrom gespeiste Wicklung 5 auch durch einen im Eisenweg des Trafos angeordneten permanenten Magneten erzeugt werden kann. Man kann einen permanenten Magnetkörper als Rotor oder Schwingkörper im Eisenkernluftspalt verwenden, doch hat ein Rotor oder Schwingkörper der dargestellten Art gegenüber einem permanentmagnetischen Polpaar den Vorteil, daß sich die doppelte Frequenz erreichen läßt.The invention also provides the option of replacing a recirculating body a body swinging back and forth made of laminated sheet metal in the air gap 4 of the To accommodate iron core I to achieve essentially the same effects. Of other possible changes it should be mentioned that the magnetic flux instead of the winding 5 fed with direct current also by one in the iron path the transformer arranged permanent magnets can be generated. One can use permanent magnet body as rotor or oscillating body in the iron core air gap, however, a rotor or oscillating body of the type shown has a permanent magnet compared to a rotor Pole pair have the advantage that double the frequency can be achieved.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bei Anwendung für Elektrofilter auf Motorfahrzeugen ergeben sich aus der folgenden Gegenüberstellung. Bisher wurde die für Fahrzeugelektrofilter benötigte Hochspannung in der Weise erzeugt, daß der von der Lichtmaschine bzw. der Batterie gelieferte Gleichstrom von etwa I2 V in einem Einankerumformer in einphasigen Wechselstrom von IOO Hz umgerichtet wird. Diese Wechselspannung wurde durch einen kleinen Hochspannungstransformator auf etwa I5 kV erhöht. Die Umwandlung dieses hochgespannten Wechselstromes in pulsierenden Gleichstrom geschah durch einen auf der Welle des Einankerumformers angeordneten mechanischen Gleichrichter. Auf diese Weise war es möglich, trotz z. B. zwischen 7OO bis 3OOO U/min schwankender Drehzahl des Fahrzeugmotors eine praktisch konstante Gleichspannung für den Filterbetrieb zu erzielen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die zusätzliche Belastung der Lichtmaschine bzw. Batterie des Kraftfahrzeuges mit etwa I3O W. Da die Lichtmaschine bei den meisten Fahrzeugen, insbesondere Lastkraftwagen bis 3,5 t, nur eine Leistung von etwa I3O W abgeben kann, müssen für den Elektrofilterbetrieb Lichtmaschinen von etwa 3OO W Leistung eingebaut bzw. gegen die vorhandenen ausgetauscht werden. Ähnliches gilt von der Batterie. Außerdem braucht man für die Wicklungen des Einankerumformers Kupfer. Allen diesen Schwierigkeiten geht die Erfindung dadurch aus dem Wege, daß sie die Erzeugung der für das Elektrofilter erforderlichen hohen Gleichspannung auf einfachste Weise und unter praktisch ausschließlicher Verwendung von Stahl ohne Mehrbelastung der Lichtmaschine oder Batterie ermöglicht.The particular advantages of the invention when used for electrostatic precipitators on motor vehicles result from the following comparison. So far has been the high voltage required for vehicle electrostatic precipitators generated in such a way that the DC current supplied by the alternator or battery of around I2 V in is converted into single-phase alternating current of 100 Hz using a single armature converter. This alternating voltage was reduced to approximately by a small high-voltage transformer I5 kV increased. The conversion of this high-tension alternating current into pulsating Direct current was carried out by a device arranged on the shaft of the single-armature converter mechanical rectifier. In this way it was possible, despite z. B. between 700 to 3OOO rpm fluctuating speed of the vehicle engine a practically constant To achieve DC voltage for the filter operation. A disadvantage of this arrangement is the additional load on the alternator or battery of the motor vehicle with about I3O W. As the alternator in most vehicles, especially trucks up to 3.5 t, can only deliver an output of around I3O W, must for the electrostatic precipitator operation Alternators of around 300 W power installed or exchanged for the existing ones will. The same applies to the battery. You also need for the windings of the single armature converter copper. The invention addresses all of these difficulties from the way that they generate the high required for the electrostatic precipitator DC voltage in the simplest possible way and with practically exclusive use of steel without additional load on the alternator or battery.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Method for generating high voltage pulsating Direct current through mechanical rectification of a transformer alternating current, preferably for small consumers, e.g. B. electrostatic precipitators, especially those on Vehicles, characterized in that the magnetic flux in the transformer (I) by a winding (5) fed with direct current or one in the Eisenweg des Transformer lying permanent magnet is generated in such a way that by periodic change (enlargement and reduction) of one of the iron pathways of the Transformer interrupting air gap (4) in constant change a weakening and amplification of the power flow and caused by these power flow changes alternating current generated in the high-voltage winding (7) of the transformer the mechanical rotating synchronously with the periodic change in the air gap (4) Rectifier (9, io, i i) as a pulsating high-voltage direct current in the consumer (i2) is enforced.

2. Facility for carrying out the procedure according to Claim i, characterized in that in the air gap (4) of the transformer (i) a rotating or oscillating, e.g. B. made of laminated sheet metal iron body (2) is housed as a moving part of the transformer iron core.

3. Establishment for performing the method according to claim i, characterized in that a permanent Magnet as a movable, e.g. B. rotating or vibrating body in the air gap (4) of the transformer is arranged.

4. Device according to claim 2 or 3 for installation on motor vehicles, characterized in that the shaft (8) of the rotary or Vibrating body from the vehicle engine or the drive pulleys of the engine fan or the alternator is powered off.

5. Device according to claim 2 to 4, characterized in that that the drive shaft (8) of the rotating or vibrating body in the air gap (4) of the transformer is provided with a cooling air flow generating blades or vanes.

6th Device according to claim 2 or 3, characterized in that the saturation im Iron core of the transformer selected and / or the winding of the transformer Made of steel wire and dimensioned so that, despite the changing speed of the Circulating or oscillating body (2) a practically constant high DC voltage supplied by the rectifier.

7. Device according to claim 2 or 3, characterized characterized in that to regulate the high-voltage DC voltage in the through low voltage direct current flowing through the excitation winding (5) of the transformer a control resistor (I6) is switched on, with the help of which the strength of the power flow can be determined in the transformer core.

8. Device according to claim 7, characterized characterized in that a resistor arranged in the DC excitation winding (5) (I3) can be switched on or off in more or less short periods of time by a contactor (I4) is that by an alternating voltage generated in one on the iron core of the transformer arranged auxiliary winding (I5) is generated when a certain value is exceeded selectable voltage level is operated.

9. Device according to claim 7 and 8, characterized through the use of a carbon pressure resistor as a control resistor, which by an electromagnet connected to the auxiliary winding (I5) of the transformer can be influenced.

IO. Device according to Claims 7 to 9, characterized in that that the control resistor designed as a coal pressure resistor is under the effect a centrifugal governor stands on the shaft of the circulating or vibrating body is appropriate.

II. Device for performing the method according to claim I, characterized characterized in that the excitation winding (5) of the transformer from one preferably designed as a dry rectifier small rectifier (I7) is fed, the is connected to the AC auxiliary winding (I5) of the iron core (I).

12th Device according to Claim 2 or 3, characterized in that the circulating body (2) as a two-, four- or multi-pole flat piece in adaptation to the at the point of the air gap (4) given course of the iron body (i) of the transformer is.