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Umrichter.
Der Name Umrichter hat sich neuesten für Einrichtungen eingebürgert, die unter Zuhilfenahme von gesteuerten Entladungsstrecken Ein-oder Mehrphasenstrome einer Frequenz beliebig in Ein-oder
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Ringschaltung ausgeführt ist und dass je Anzapfung dieser Wicklung und je Leiter des Sekundärsystems zwei gegensinnig parallel geschaltete Ventile vorgesehen sind.
Es ist zwar sowohl die Ringsehaltung bei Umrichtern, die mit einem mehranodigen Entladungsgefäss und Sekundärtransformator arbeiten, bekannt als auch die Verwendung von zwei gegensinnig parallel gesciialteten Entladungsgefässen je Leiter des Sekundärsystems und je Anzapfung der Ringwieklung bei einem als Gleich-und Wechselrichter arbeitenden Stromrichter, nicht aber die Anwendung letzterer Schaltung zur Vernichtung. Dabei tritt der neuartige Vorteil auf, dass bei guter Ausnutzung der Transformatorwieklung und guter Kurvenform der Spannung kleinerer Periodenzahl eine elastische Umrichtung ermöglicht wird.
Als Nachteil der Verwendung einer Ringschaltung für Gleich-oder Wechselrichter gegenüber Gleich-oder Wechselrichteranordnung mit ausgeprägtem Nullpunkt wird allgemein die Verwendung getrennter Gefässe angeführt, deren jedes eine eigene Kathode besitzt, wohingegen bei Sternschaltungen die Verwendung von mehranodigen Gefässen vom Quecksilberdampfgleichrichter-Typus möglich ist. Es war naheliegend, die gleichen Überlegungen auch auf die Beurteilung von Umrichterscha1tungen auszudehnen, und dies ist der Grund, warum bisher für Umrichterschaltungen vorzugsweise Schaltungen angegeben wurden, die einen ausgeprägten Nullpunkt besitzen-also Stern-oder daraus abgeleitete Gabelsehaltungen, etwa nach Schema Fig. 2.
Als besonderer Vorteil für diese Anordnung wurde insbesondere die Möglichkeit hingestellt, mit Gefässen, bei denen mehrere Anoden einer einzigen Kathode zugeordnet sind, auszulangen und dadurch den konstruktiven Aufbau des Umrichters sehr einfach zu halten.
Der wesentliche Unterschied zwischen Gleich-bzw. Wechselrichter-und Umrichtersehaltungen liegt nun darin, dass bei den ersteren auf der Gleichstromseite von vornherein rechteckige bzw. angenähert rechteckige strom-und Spannungsimpulse verlangt werden, wohingegen bei Umrichterbetrieb möglichst weitgehende Anpassung an sinusförmige Spannungen auf beiden Seiten des Systems verlangt werden müssen. Es kommt daher, hinausgehend über Gleich-und Wechselrichter, für Umrichtersehaltungen die Notwendigkeit hinzu, die einzelnen nacheinander wirkenden Impulse gegeneinander abzustufen.
Die bekannteste Anordnung hiezu ist in Fig. 3 dargestellt, wo die Wicklungen der einzelnen Phasen eines 6-Phasen-Systems nach einem Sinusgesetz abgestuft sind und auf diese Weise eine Sekundärspannung von angenäherter Sinusform ergeben. Durch die Unsymmetrie der einzelnen Wicklungsteile zueinander ergibt sich jedoch eine feste Bindung zwischen Primär- und Sekundärphasenlage, was als starre Kupplung bezeichnet wird.
Da nun in vielen Fällen Elastizität der Kupplung sowohl hinsichtlich der Frequenz, als auch hinsichtlich der momentanen Phasenlage gefordert wird, können derartige starre Einrichtungen nur einen sehr engen Verwendungsbereich finden, und es sind bereits verschiedene Vorschläge erfolgt, um durch zusätzliche meistens kompliziert rotierende Einrichtungen eine Elastizität in die Kupplung hineinzubringen.
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im nachstehenden näher beschriebenen Gesetzmässigkeiten der Steuerung.
Die prinzipielle Anordnung der Ventile für einen Umrichter nach der gegenständlichen Erfindung zeigt die Fig. 4, wobei die Wicklung mit den gleichmässig verteilten Anzapfungen 1-8 versehen ist. Bei Fehlen von Induktivitäten in den Zuleitungen zu den Ventilen wird, wenn nicht die Steuerung dies verhindert, immer das Ventilpaar mit maximaler Durchmesserspannung in Betrieb stehen ; bei ungerader Zahl der Anzapfungen wirkt jeweils das Ventilpaar mit maximaler Sehnenspannung. Die hier geschilderte Anordnung mit je einem Ventilpaar in der Zu-und Ableitung der geschlossenen Wicklung gibt einerseits dadurch, dass die Transformatorwieklung nicht nur von Strömen eines einzigen, sondern aller Ventile durchflossen wird, einen guten Ausnutzungsfaktor ;
ausserdem weist sie den besonderen Vorteil für höhere Spannungen auf, dass immmer zwei Ventile in Serie geschaltet sind und damit die Spannungsbeanspruchung eines einzigen Ventils auf die Hälfte herabgesetzt ist. An jeder Anzapfung liegen zwei in ihrer Wirkung gegeneinandergerichtete Ventile parallel.
Zur Erläuterung der für die Steuerung der Ventile erfindungsgemäss erforderlichen Gesetzmässigkeiten möge Fig. 5 dienen, die als vereinfachtes Modell der erfindungsgemässen Umrichtersehaltung dienen kann. Die Analogie der angezapften Ringwieklung mit einer geschlossenen Trommelwicklung, wie sie für Gleicbstrommaschinen verwendet wird, ergibt sich von selbst. Die Anzapfungen sind dann durch die entsprechenden Kollektorlamellen zu ersetzen. Ein mit der Kreisfrequenz Mi umlaufendes Drehfeld 0 ergibt dann eine im System umlaufende Wechselspannung, deren Maximalwert entsprechend V1 ebenfalls mit #1 im System umläuft.
Sieht man von der bei Wechselstromsystemen möglichen Phasenver- schiebung zwischen Strom und Spannung ab, so kann eine noch grösserer Anschaulichkeit dienende weitere Vereinfachung des Modells nach Fig. 5, wie folgt, vorgenommen werden.
Die ringförmig geschlossene, stark gezeichnete Linie L bedeutet dann einen homogenen Wider-
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Es herrscht dann immer an jenen Punkten des Widerstandsringes, wo die Bürsten Ba und B# gerade aufliegen, die maximale Potentialdifferenz. Bewegen sich die Bürsten mit der Kreisfrequerenz 001 im Sinne
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Die Achse dieser Sekundärspannung, gegeben durch die Bürstenrichtung B,.-B, möge weiterhin mit V2 bezeichnet werden.
Die Verbindung des vorangeführten Modells mit der erfindungsgemässen Umnrichterschaltung ist durch folgende Überlegungen gegeben :
1. Die Achse der Maximalspannung Vi entspricht dem Maximalwert der von dem Primiirnctz aufgedruckten, in einer Ringwieklung mit der Kreisfrequenz des Primärnetzes umlaufenden Maximal spannung.
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in Fig. 4 mit l'und s bezeichnet.
3. Die Achse V2 gibt einerseits durch ihren Schnittpunkt mit der Ringwieklung die freizugebenden Anzapfungen an und anderseits durch ihren Pfeilsinn die durch Öffnung der Ventilgruppen anzusehliessenden Selundärphasen.
Aus diesem Grunde soll weiterhin die Kreisfrequenz #s als ,,Umlauffrequenz der Steuerung" bezeichnet werden.
Bei der praktischen Ausführung mit gesteuerten Ventilen ist natürlich aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen eine derart weitgehende Anzahl von Anzapfungen, wie es dem vergleichsweise herangezogenen Widerstandsring entspricht, nicht möglich, sondern man wird sich mit einer möglichst beschränkten Anzahl von Anzapfungen bzw. Ventilen begnügen. Selbstverständlich wird dadurch die resultierende Spannungskurve der Sekundärseite ihren glatten Verlauf mehr oder weniger einbüssen.
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frequenz der Primärspannung beträgt, erhält man unter Wahrung der natürlichen Kommutierung einen Spannungsverlauf nach Fig. 7 mit einer Sekundärfrequenz, die ein Drittel der Primärfrequenz ist.
Hier ist die Spannungskurve unter Annahme einer Ringwicklung mit sechs Anzapfungen konstruiert. Die
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in Fig. 7 angegebene Kurvenform weicht nun von der für die meisten Zwecke gewünscirten möglichst sinusförmigen Spannungsform zu weit ab, um in dieser Anordnung die Schaltung bereits für den praktischen Betrieb geeignet zu machen. Ohne von dem Prinzip der natürlichen Kommutierung abzugehen, lässt sich nun unter Beibehaltung des Grundprinzips nach Schaltung 4 eine weitgehende Anpassung an die Sinusform dadurch erzielen, dass z. B. bei einer Schaltung nach Fig. 4, ausgehend von einem bestimmten Anzapfungspunkt, z.
B. ?, nicht sofort die elektrisch diametral gegenüberliegende Anzapfung 5, sondern erst die ganz unmittelbar benachbarte Anzapfung 2, dann Anzapfung. 3 usw. bis zum Erreichen der Durchmesserspannung freigegeben wird, worauf immer im Sinn der natürlichen Kommutierung fortschreitend die verschiedenen Durchmesser bzw. auch Maximalsehnen bis 6 durchlaufen werden. Dann erfolgt das weitere Zuschalten der Ventile entsprechend den immer kurzer werdenden Sehnen, so dass eine Abstufung der Spannung genau so wie beim Aufbau der Halbwelle erfolgt. Die auf diese Weise gewonnene Halbwellenform zeigt Fig. 8.
Auch zur Veranschaulichung dieser Steuerung kann die Fig. 5 zweckmässig herangezogen werden ; man muss sich hiezu den Pfeil V2 halbiert denken, derart, dass das Stück or das die Freigabe der Ventilgruppen für die Phase l'bestimmt, bzw. das zweite Stück os während einer einzigen Sekundärperiode gegeneinander zuerst vor und dann zurück verdreht werden, so dass, über die ganze Periode gerechnet, die Achse der Umlauffrequenz wieder unverändert bleibt.
Es liegt nun im Interesse einer guten, sekundärseitig resultierenden Spannungsform, einen möglichst sinusförmigen Verlauf derselben zu erhalten. Mit der Anwendung des Erfindungsgedankens der Ringschaltung lässt sich dies einfach dadurch erzielen, dass in den Verlauf der Spannungsimpulse, wie sie der natürlichen Kommutierung entsprechen und wie sie sich aus den einzelnen Durchmessern bzw. Sehnen ergeben, noch Pausen eingeschaltet werden, um die Grundharmonisehe der resultierenden Spannungskurve des sekundärsystems ein Optimum werden zu lassen. So ergibt sich z. B. für die in Fig. 4 angegebene
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wenn zwei Pausen in den Verlauf der Spannungsimpulse eingeschaltet werden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist.
Soweit bis jetzt die Gesetzmässigkeit der Steuerung unter Verwendung der Fig. 5 erläutert worden ist, ergibt sich immer noch eine starre Kupplung des Primär- und Sekundärnetzes, was dadurch charakterisiert ist, dass der Pfeil V2 seine Umlauffrequenz 00, beibehält.
Unter elastischer Kupplung zweier Netze versteht man bekanntlich ein Nachfolgen der vom Umrichter abgegebenen Spannung nach dem Sekundärnetz von anderer Seite aufgedrüekten Änderungen sowohl hinsichtlich der Phasenlage als auch der Frequenz. Eine nachträgliche Veränderung der Phasenlage der Sekundärspannung gegenüber der anfänglichen entspricht in Diagramm 5 einer Achse V3, die ebenso wie V2 mit ws umläuft, jedoch gegenÜber V2 einen Winkel tp einschliesst, der gleich der betriebsmässigen Phasenverschiebung der Sekundärspannung ist.
Die hiezu notwendige Verschiebung der Steuerungsachse V3 von der Anfangslage V2 auf die spätere Betriebslage V3 lässt sich durch ein kurzzeitiges Verzögern und nachträgliches Beschleunigen der Steuerungsumlaufgesehwindigkeit in jedem beliebigen Umfang erzielen.
Eine Änderung der Sekundärfrequenz ergibt sich durch Veränderung der"Steuerumlauf-
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erzielen lässt. Die einzelnen aufeinanderfolgenden Frequenzen sind, wenn symmetrische Kurvenform und natürliche Kommutierung zugrunde gelegt wird, durch die Anzahl der Anzapfungen an der Ringwieklung bestimmt.
Ist nämlich 0) die Frequenz des zugeführten Stromes und a die Anzahl der Anzapfungen an der Ringwicklung, so sind unter den obigen Voraussetzungen die möglichen Sekundärfrequenzen gegeben durch den Ausdruck
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in welchem Ausdruck n jeden beliebigen ganzzahligen positiven Wert annehmen kann.
Die Berücksichtigung dieser Einschränkung in der Anzahl der verfügbaren Frequenzen ist deswegen besonders zu beachten, da bekanntlich in den verschiedenen Netzen die Frequenzen nicht mehr starr gehalten werden, sondern sich zeitweilig um einige Prozente ändern. Die bei einer solchen Abweichung der Frequenz von dem Normalwert sich ergebenden Verhältnisse sollen der Einfachheit halber an einem Zahlenbeispiel auseinandergesetzt werden. Ist z. B. die Umrichtung von 50 auf 16 % Hz beabsichtigt und besitzt die Ringwicklung acht Anzapfungen, so erhält man, wie in Fig. 8 angegeben, eine Sekundärfrequenz von 16 % dz für n = 8, genau so wie gefordert.
Bleibt nun aber das Primärnetz in seiner Frequenz konstant auf 50 Hz und verschiebt sich aus irgendwelchen Gründen das Sekundärnetz auf 16 Hz, so lässt sich diese Frequenz nicht mit der angegebenen Bingwieklung mit acht Anzapfungen erzielen.
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Umrichter möglichen Frequenzen Gangunterschiede von 3'75 bzw. 4#35%, d. s. also, bezogen auf die Frequenz von 16 Hz, 13#5 bzw. 15-5 .
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zwischen aufgedrückter Spannung und Spannung des Sekundärsystem am Ende jeder zweiten Welle dem Sollwert entsprechen, während für die dazwischenliegenden Wellen eine zusätzliche Verschiebung der vorerwähnten Grösse vorhanden ist.
Die diesbezüglichen Verhältnisse sind in Fig. 10 der Anschaulichkeit halber etwas verzerrt an-
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ketten. Die eine ist die ganz allgemeine, wo die geschlossene Wicklung durch ein Drehfeld induziert wird.
Man erzeugt dann so wie im Stator einer Drehstrommaschine mittels einer Stabwicklung ein Drehfeld, das man auf das im gleichen Eisenkörper eingebaute Sekundärwicklungssystem einwirken lässt. Selbstverständlich entfällt dabei jeder Luftspalt. Dabei kann das Sekundärwicklungssystem entweder als Ring- oder zweckmässiger als Trommelwicklung-ebenfalls als Stabwieklung-eingebaut werden.
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Spannungspolygone auf der Sekundärseite erzielen.
Die andre Möglichkeit basiert auf der Verwendung von Mehrphasentransformatoren bekannter Bauart, bei denen an Stelle der Ringwicklung ein geschlossencs Vieleck tritt. In Fig. 11 ist eine solche Schaltung für ein Drehstromnetz angegeben, wo in den Polygonen 12 Anzapfungen vorhanden sind.
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nissen der Umrichterschaltungen angepasst werden kann.
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Converter.
The name converter has recently become naturalized for devices which, with the aid of controlled discharge paths, convert single or multi-phase currents of any frequency into single or multiple phases
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Ring circuit is executed and that two valves connected in parallel in opposite directions are provided for each tap of this winding and for each conductor of the secondary system.
Both the ring configuration in converters that work with a multi-anode discharge vessel and secondary transformer and the use of two oppositely parallel discharge vessels for each conductor of the secondary system and each tapping of the ring balance in a converter working as a rectifier and inverter is known, but not the use of the latter circuit for destruction. This has the new advantage that with good utilization of the transformer oscillation and a good curve shape of the voltage with a smaller number of periods, an elastic conversion is made possible.
The disadvantage of using a ring circuit for rectifiers or inverters compared to rectifier or inverter arrangements with a pronounced zero point is generally cited as the use of separate vessels, each of which has its own cathode, whereas with star circuits the use of multi-anode vessels of the mercury vapor rectifier type is possible. It was obvious to extend the same considerations to the assessment of converter circuits, and this is the reason why circuits with a pronounced zero point have been specified for converter circuits up to now - that is, star positions or fork positions derived therefrom, for example according to the diagram in Fig. 2 .
As a particular advantage for this arrangement, the possibility of using vessels in which several anodes are assigned to a single cathode was made sufficient and thereby keeping the structural design of the converter very simple.
The main difference between equal or. Inverter and converter settings are based on the fact that with the former, rectangular or approximately rectangular current and voltage pulses are required from the outset on the direct current side, whereas with converter operation the greatest possible adaptation to sinusoidal voltages must be required on both sides of the system. Therefore, going beyond rectifiers and inverters, there is also the need for converter configurations to graduate the individual pulses acting one after the other.
The best-known arrangement for this is shown in FIG. 3, where the windings of the individual phases of a 6-phase system are graded according to a sine law and in this way result in a secondary voltage of approximately sinusoidal shape. Due to the asymmetry of the individual winding parts to one another, however, there is a firm bond between the primary and secondary phase position, which is referred to as a rigid coupling.
Since in many cases elasticity of the coupling is required both in terms of frequency and in terms of the instantaneous phase position, such rigid devices can only find a very narrow range of application, and various proposals have already been made to achieve elasticity by additional, mostly complex rotating devices bring into the coupling.
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The principles of control described in more detail below.
The basic arrangement of the valves for a converter according to the present invention is shown in FIG. 4, the winding being provided with the evenly distributed taps 1-8. If there are no inductances in the supply lines to the valves, if the control does not prevent this, the valve pair will always be in operation with the maximum diameter voltage; if the number of taps is odd, the pair of valves acts with maximum tension. The arrangement described here with one pair of valves each in the inlet and outlet of the closed winding gives, on the one hand, a good utilization factor due to the fact that currents from not only one valve but all valves flow through the transformer;
In addition, it has the particular advantage for higher voltages that two valves are always connected in series, thus reducing the stress on a single valve by half. At each tap there are two parallel valves that are directed against one another.
5, which can serve as a simplified model of the converter configuration according to the invention, should serve to explain the principles required for controlling the valves according to the invention. The analogy of the tapped ring oscillation with a closed drum winding, as it is used for DC machines, arises automatically. The taps must then be replaced by the corresponding collector lamellas. A rotating field 0 rotating at the angular frequency Mi then results in an alternating voltage circulating in the system, the maximum value of which, corresponding to V1, also circulates in the system with # 1.
If one disregards the phase shift between current and voltage that is possible with alternating current systems, a further simplification of the model according to FIG. 5 can be carried out as follows, which serves even greater clarity.
The ring-shaped, closed, strongly drawn line L then means a homogeneous reflection
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The maximum potential difference then always prevails at those points of the resistance ring where the brushes Ba and B # are in contact. The brushes move with the circular frequency 001 in the sense
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The axis of this secondary voltage, given by the brush direction B, - B, may continue to be designated V2.
The connection of the preceding model with the converter circuit according to the invention is given by the following considerations:
1. The axis of the maximum voltage Vi corresponds to the maximum value of the maximum voltage imprinted by the primary and circulating in a circular oscillation with the angular frequency of the primary network.
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in Fig. 4 denoted by 1 'and s.
3. The axis V2 indicates on the one hand the taps to be released through its point of intersection with the ring wedge and on the other hand the secondary phases to be connected by opening the valve groups through the direction of the arrow.
For this reason, the angular frequency #s will continue to be referred to as "the rotational frequency of the control".
In the practical version with controlled valves, of course, for structural and economic reasons, such a large number of taps as it corresponds to the comparatively used resistance ring is not possible, but one will be satisfied with the smallest possible number of taps or valves. Of course, the resulting voltage curve on the secondary side will more or less lose its smooth course.
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frequency of the primary voltage, a voltage curve according to FIG. 7 with a secondary frequency which is one third of the primary frequency is obtained while maintaining the natural commutation.
Here the voltage curve is constructed assuming a ring winding with six taps. The
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7 now deviates too far from the voltage form which is as sinusoidal as possible, which is desired for most purposes, to make the circuit suitable for practical operation in this arrangement. Without departing from the principle of natural commutation, while maintaining the basic principle according to circuit 4, an extensive adaptation to the sinusoidal shape can be achieved by z. B. in a circuit according to FIG. 4, starting from a certain tapping point, z.
B.?, Not immediately the electrically diametrically opposed tap 5, but first the very immediately adjacent tap 2, then tap. 3 etc. is released until the diameter voltage is reached, whereupon the different diameters or also maximum chords up to 6 are progressively traversed in the sense of natural commutation. Then the valves are switched on again according to the increasingly shorter chords, so that the voltage is graded exactly as when the half-wave was built up. The half-waveform obtained in this way is shown in FIG. 8.
FIG. 5 can also be used appropriately to illustrate this control; you have to think of the arrow V2 halved, so that the piece or that determines the release of the valve groups for phase 1 ', or the second piece os are rotated against each other first forwards and then backwards during a single secondary period, so that, calculated over the entire period, the axis of the rotational frequency remains unchanged again.
It is now in the interest of a good voltage waveform resulting on the secondary side to obtain the most sinusoidal curve possible. With the use of the inventive concept of the ring circuit, this can be achieved simply by adding pauses in the course of the voltage pulses, as they correspond to the natural commutation and as they result from the individual diameters or chords, in order to achieve the basic harmony of the resulting To make the voltage curve of the secondary system an optimum. So z. B. for the one indicated in FIG
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if two pauses are switched on in the course of the voltage pulses, as shown in FIG.
As far as the regularity of the control has been explained using FIG. 5, there is still a rigid coupling of the primary and secondary network, which is characterized by the fact that the arrow V2 maintains its rotational frequency 00.
As is well known, elastic coupling of two networks is understood to mean a follow-up of the voltage output by the converter after the secondary network changes, both in terms of the phase position and the frequency. A subsequent change in the phase position of the secondary voltage compared to the initial one corresponds to an axis V3 in diagram 5, which, like V2, revolves with ws, but includes an angle tp with respect to V2 which is equal to the operational phase shift of the secondary voltage.
The necessary shift of the control axis V3 from the initial position V2 to the later operating position V3 can be achieved to any extent by briefly decelerating and subsequently accelerating the speed of the control system.
A change in the secondary frequency results from changing the "tax circulation
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can be achieved. If symmetrical curve shape and natural commutation are used as a basis, the individual successive frequencies are determined by the number of taps on the ring wave.
If namely 0) is the frequency of the supplied current and a is the number of taps on the ring winding, the possible secondary frequencies are given by the expression under the above conditions
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in which expression n can take any positive integer value.
The consideration of this restriction in the number of available frequencies must therefore be taken into account, as it is known that the frequencies in the various networks are no longer kept fixed, but change temporarily by a few percent. For the sake of simplicity, the relationships resulting from such a deviation of the frequency from the normal value should be explained using a numerical example. Is z. If, for example, the conversion from 50 to 16% Hz is intended and the ring winding has eight taps, one obtains, as indicated in FIG. 8, a secondary frequency of 16% dz for n = 8, exactly as required.
If, however, the frequency of the primary network remains constant at 50 Hz and the secondary network shifts to 16 Hz for whatever reason, this frequency cannot be achieved with the specified bangling with eight taps.
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Frequency converter possible path differences of 3'75 or 4 # 35%, i.e. s. So, based on the frequency of 16 Hz, 13 # 5 or 15-5.
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between the applied voltage and the voltage of the secondary system at the end of every second wave correspond to the nominal value, while there is an additional shift of the aforementioned value for the waves in between.
The relevant relationships are somewhat distorted in Fig. 10 for the sake of clarity.
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chains. One is the very general one, where the closed winding is induced by a rotating field.
As in the stator of a three-phase machine, a rotating field is generated by means of a bar winding, which is allowed to act on the secondary winding system built into the same iron body. Of course, there is no air gap. The secondary winding system can be installed either as a ring or, more appropriately, as a drum winding - also as a bar-like winding.
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Achieve stress polygons on the secondary side.
The other option is based on the use of multi-phase transformers of known design, in which a closed polygon takes the place of the ring winding. FIG. 11 shows such a circuit for a three-phase network where there are 12 taps in the polygons.
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nissen of the converter circuits can be adapted.
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