DE1173584B

DE1173584B - Phase shifter

Info

Publication number: DE1173584B
Application number: DEL42224A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Bernhard Kalkner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-06-14
Filing date: 1962-06-14
Publication date: 1964-07-09
Also published as: FR1360609A; AT240461B; CH423966A

Description

Phasenschieber Die Erfindung betrifft einen Phasenschieber und kennzeichnet sich dadurch, daß durch ein umlaufendes Steuerfeld in einer mittels Stromrichtern zeitweise nahezu kurzgeschlossenen Querfeldwicklung ein starker Strom hervorgerufen wird, der das Hauptfeld erzeugt und in der Wechselstromwicklung der Maschine die Ausgangsspannung induziert. In der einen möglichen Ausführungsforin besitzt die Maschine noch einen innerhalb eines Stators drehbaren Rotor, der die Steuerfeldwicklung trägt. Nach einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich aber ein Phasenschieber nach dem eingangs erwähnten Prinzip aufbauen, der keine bewegten Teile mehr besitzt. An Stelle des sich drehenden Rotors mit dem umlaufenden, von einer Gleichstromquelle erregten Steuerfeld tritt bei dieser Ausführungsforrn ein synchron umlaufendes Steuerfeld, das gegenüber dem Hauptdrehfeld um 90' phasenverschoben ist.Phase shifter The invention relates to a phase shifter and is characterized in that a rotating control field in a transverse field winding that is temporarily short-circuited by means of converters produces a strong current which generates the main field and induces the output voltage in the alternating current winding of the machine. In one possible embodiment, the machine also has a rotor which can be rotated within a stator and which carries the control field winding. According to a further development of the invention, however, a phase shifter can be constructed according to the principle mentioned at the beginning, which no longer has any moving parts. Instead of the rotating rotor with the revolving control field excited by a direct current source, in this embodiment there is a synchronously revolving control field which is 90 'out of phase with the main rotating field.

Ein Ausführungsbeispiel der zuerst erwähnten Ausführungsform ist in der Zeichnung F i g. 1 schematisch dargestellt. Der Statorl trägt in Nuten die Wicklungsspulen R, S, T. Diese stehen mit dem Netz in Verbindung, an das der Blindstrom geliefert werden soll. Es ist der übersicht halber nur die Phase R gezeichnet, und die Wirkungsweise wird auch nur in bezug auf die Phase R erläutert. Bezüglich der Phasen S und T ist die Beschreibung sinngemäß zu ergänzen.An embodiment of the first-mentioned embodiment is shown in the drawing F i g. 1 shown schematically. The stator carries the winding coils R, S, T in slots. These are connected to the network to which the reactive current is to be supplied. For the sake of clarity, only the R phase is shown, and the mode of operation is also only explained with reference to the R phase. With regard to phases S and T, the description should be supplemented accordingly.

Zur Phase R gehört eine im Stator 1 untergebrachte Querfeldwicklung 2, die ähnlich wie bei einer Verstärkermaschine für Gleichstrom in sich geschlossen ist, allerdings über einen gesteuerten Stromrichter 3. Der Stromrichter 3 ist gesperrt zu Zeiten, in denen die Phase der Wechselspannung ihre Amplitude erreicht und ist freigegeben in einem um den Nulldurchgang der Spannung herum liegenden Bereich. Für die Phasen S und T gilt sinngemäß das entsprechende.Phase R includes a transverse field winding 2 accommodated in the stator 1 , which is self-contained, similar to an amplifier machine for direct current, but via a controlled converter 3. The converter 3 is blocked at times when the phase of the alternating voltage reaches its amplitude and is released in a range around the zero crossing of the voltage. The same applies analogously to phases S and T.

Der Rotor 4 ist mit kleinen Steuerpolen 5 versehen, auf denen eine Steuerfeldwicklung 6 angebracht ist. Diese Steuerfeldwicklung wird über nicht dargestellte Schleifringe von einer Gleichstromquelle erregt. Auf den Steuerpolen ist gegebenenfalls noch eine Kompensationswicklung 7 vorhanden.The rotor 4 is provided with small control poles 5 on which a control field winding 6 is attached. This control field winding is excited by a direct current source via slip rings (not shown). A compensation winding 7 may also be present on the control poles.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei grundsätzlich folgendes bemerkt: Belastet man einen mehrphasigen Wechselstromgenerator mit einem mehrphasigen gesteuerten Gleichrichter und regelt man diesen Gleichrichter durch Verschiebung der Gittersteuerung auf eine sehr kleine Gleichspannung, so kann der Gleichstromkreis in seinem Widerstand und bei entsprechender Vielphasigkeit auch in seiner Induktivität so weitgehend reduziert werden, daß nahezu ein Kurzschluß vorliegt, der Gleichstrom aber trotzdem von Anode zu Anode weiter kommutiert wird. Der so betriebene Stromkreis kann weitgehend die Aufgabe der Erregung des gesamten Generators übernehmen, wobei seine Stromstärke bei festgelegter Gleichrichteraussteuerung von der Feldwicklung des Generators gesteuert wird. Für die Haupterregung des Generators wird somit die Verstärkerwirkung der Maschine ausgenutzt.To explain the mode of operation, the following should be noted in principle: If you load a multiphase alternator with a multiphase controlled one Rectifier and you regulate this rectifier by shifting the grid control to a very small DC voltage, the DC circuit in its resistance and with a corresponding multiphase also in its inductance so largely can be reduced so that there is almost a short circuit, but the direct current is still commutates further from anode to anode. The circuit operated in this way can largely take over the task of exciting the entire generator, taking its amperage controlled by the field winding of the generator with a fixed rectifier modulation will. For the main excitation of the generator, the amplifier effect is the Machine used.

Für das vorliegende Ausführungsbeispiel gilt demnach folgendes: Die Steuerfeldwicklung 6 ruft in der Querfeldwicklung 2 entspechend dem zeitweise geringen Widerstand dieses Kreises bei geöffnetem Stromrichter3 einen großen Strom hervor, der das Hauptfeld der Maschine zur Folge hat, das sich über den aus der Zeichnung ersichtlichen wicklungslosen Teil des Rotors 4 und des Stators 1 schließt. Dieses Hauptfeld ruft bei der Drehung des Rotors in der PhaseR die EMK hervor, die bei der gezeichneten Stellung des Rotors zur Phase R gerade ihr Maximum hat.The following applies to the present exemplary embodiment: The control field winding 6 causes a large current in the transverse field winding 2, depending on the temporarily low resistance of this circuit when the converter 3 is open, which results in the main field of the machine, which extends over the winding-free part shown in the drawing of the rotor 4 and the stator 1 closes. When the rotor rotates in phase R, this main field causes the EMF, which is at its maximum when the rotor is in the position shown in relation to phase R.

Die Maschine benötigt keinen mechanischen Antrieb, denn der Rotor stellt sich mit seinem Rückschlußweg für das Hauptfeld selbsttätig in die richtige Phasenlage ein und läuft synchron mit. Durch die Größe der Erregung des Steuerfeldes wird die Blindleistung auf den gewünschten Wert gebracht. Zweckmäßig ist der Rotor mit einer Dämpferwicklung versehen, die beim Phasenschieberbetrieb auch den Anlauf bis zum Synchronismus erleichtert. Nach dem Hochlauf stellt sich der Rotor so ein, daß seine Rückschlußpole mit dem Drehfeld synchron umlaufen. Dann steht das Steuerfeld mit seiner Gleichstromwicklung stets senkrecht zum Vektor des Drehfeldes, so wie es die Wirkung der Maschine gemäß der Erfindung verlangt.The machine does not need a mechanical drive, because the rotor is automatically in the correct position with its inference path for the main field Phase position and runs synchronously with. By the size of the excitation of the control field the reactive power is brought to the desired value. The rotor is useful provided with a damper winding, which also initiates the start-up during phase-shifting operation relieved to the point of synchronism. After the run-up, the rotor adjusts itself in such a way that that its return poles rotate synchronously with the rotating field. Then there is the control field with its direct current winding always perpendicular to the vector of the rotating field, so as required by the operation of the machine according to the invention.

Die Lieferung kapazitiven Blindstromes ist dadurch möglich, daß die Spannung und damit der Gleichstrom in der Steuerfeldwicklung erhöht wird. Das in dieser Weise verstärkte Steuerfeld induziert somit in der Querfeldwicklung eine höhere EMK, die einen entsprechend größeren Strom über die Stromrichterelemente und damit die gewünschte Verstärkung des Hauptfeldes bewirkt, die zur Blindstromlieferung notwendig ist.The delivery of capacitive reactive current is possible because the Voltage and thus the direct current in the control field winding is increased. This in This way, increased control field induces a transverse field winding higher emf, which has a correspondingly larger current through the converter elements and thus the desired reinforcement of the main field causes the reactive current supply necessary is.

Es wurde bereits erwähnt, daß der synchrone Lauf durch die Polform und den Flußweg weitgehend gewährleistet ist, so daß man dem synchron laufenden Phasenschieber auch eine gewisse Wirklast, z. B. zur Deckung der Erregerverluste, zumuten kann. Man wird daher erforderlichenfalls zusätzliche Mittel zur Kompensation des Wirkstromanteiles vorsehen.It has already been mentioned that the synchronous run is due to the pole shape and the flux path is largely guaranteed, so that one can run synchronously Phase shifter also have a certain real load, e.g. B. to cover pathogen losses, can expect. If necessary, additional means of compensation are therefore used of the active current component.

Als Vorteil eines solchen Phasenschiebers ist vor allem die kleine Steuerleistung und die niedrige Zeitkonstante zu nennen, wie sie durch das Prinzip der Verstärkermaschine gegeben ist.The main advantage of such a phase shifter is its small size To name control power and the low time constant, as represented by the principle the amplifier machine is given.

Bei dem bisher behandelten Ausführungsbeispiel F i g. 1 ist vor allem durch die Ausbildung des Rotors dafür gesorgt, daß das Steuerfeld stets senkrecht zum Vektor des Hauptfeldes, also des Drehfeldes, steht. Eine Sicherung der gegenseitigen Lage ist aber auch durch die Steuerung des Stromflusses in den einzelnen Phasen des Querfeldes mit Hilfe gesteuerter Stromrichter möglich.In the exemplary embodiment F i g discussed so far. 1 , the design of the rotor ensures that the control field is always perpendicular to the vector of the main field, i.e. the rotating field. Securing the mutual position is also possible by controlling the current flow in the individual phases of the cross-field with the help of controlled power converters.

Ein Beispiel hierfür zeigt vereinfacht die Fig. 2. Der Stator der Maschine trägt drei Wicklungen, und zwar eine Steuerwicklung 11, eine Stromrichterwicklung 12 und eine Drehstromwicklung 13. Die Steuerwicklung 11 ist über einen Drehregler 14 und einen Regeltransfonnator 15 an das Drehstromnetz 16 angeschlossen. In der Steuerwicklung 11 entsteht daher ein Drehfeld, dessen Phasenlage und Amplitude einstellbar ist. Das Drehfeld induziert in der Stromrichterwicklung 12 eine Spannung. An die Anzapfungen nl, n 2 * » I der Stromrichterwicklung 12, sind nicht dargestellte Stromrichter angeschlossen, die in bestimmten Takt zeitweise geöffnet bzw. gesperrt werden und dadurch abschnittsweise Teile der Stromrichterwicklung kurzschließen. Die Kurzschließung erfolgt in einem der Umlaufzahl des Drehfeldes entsprechenden Takt. Diese Abschnitte der Stromrichterwicklung bilden dadurch eine ihre Lage bzw. Stromführung ständig ändernde Querfeldwicklung, die, ähnlich wie bei einer Verstärkermaschine für Gleichstrom, das Hauptfeld hervorruft, das wiederum in der Drehstromwicklung 13 die Ausgangsspannung induziert. Durch den Drehregler 14 und gegebenenfalls eine nicht dargestellte Steuereinrichtung für die Öffnung der Stromrichter, kann die Winkellage des Vektors dieser Spannung gegenüber dem Drehfeld und ihre Amplitude festgelegt werden. Der Rotor 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel unbewickelt und bildet den magnetischen Rückschluß. Dieser Rotor kann mit einer Dämpferwicklung zum Hochlaufen versehen sein. Er synchronisiert sich dann selbst wie bei einem Reluktanzmotor.An example of this simplified showing Fig. 2. The stator of the machine carries three windings, one control winding 11, a power converter winding 12 and a three-phase winding 13. The control winding 11 is connected through a knob 14 and a Regeltransfonnator 15 to the three-phase network 16. A rotating field, the phase position and amplitude of which is adjustable, therefore arises in the control winding 11. The rotating field induces a voltage in the converter winding 12. Converters, not shown, are connected to the taps nl, n 2 * » I of the converter winding 12, which are temporarily opened or blocked in a certain cycle and thereby short-circuit parts of the converter winding in sections. The short circuit takes place in a cycle corresponding to the number of revolutions of the rotating field. These sections of the converter winding thereby form a transverse field winding that constantly changes its position or current conduction, which, similar to an amplifier machine for direct current, produces the main field, which in turn induces the output voltage in the three-phase winding 13. The angular position of the vector of this voltage with respect to the rotating field and its amplitude can be determined by the rotary regulator 14 and possibly a control device (not shown) for opening the converters. In this embodiment, the rotor 17 is not wound and forms the magnetic yoke. This rotor can be provided with a damper winding for acceleration. It then synchronizes itself like a reluctance motor.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt aber auch den Aufbau eines Phasenschiebers ganz ohne bewegte Teile zu. An Stelle des sich drehenden Rotors mit dem umlaufenden Gleichstromsteuerfeld wie in F i g. 1 tritt ein synchron umlaufendes Steuerfeld, das gegenüber dem Hauptdrehfeld um 90' phasenverschoben ist. An Stelle des bisher aus massivem Eisen aufgebauten Rotors tritt unter Fortfall des Luft-Spaltes ein in üblicher Weise aus Blechen geschichteter Magnetkörper. Die richtige Phasenlage und der synchrone Lauf des Steuerdrehfeldes ergibt sich durch Anschluß an die Speiseleitung des Hauptdrehfeldes, wobei durch eine geeignete Transformatorschaltung für die richtige 90"-Winkellage gesorgt wird. Damit ist zugleich die richtige Relativlage zu den Steuerimpulsen und damit zum Stromfluß in den Wicklungen des Querfeldes gegeben. Betrag und Vorzeichen der zu liefernden Blindleistung werden durch Änderung der Amplitude des Steuerfeldes, beispielsweise mit Hilfe eines Stelltransformators, eingestellt. Zu Gunsten dieser völlig ohne bewegte Teile ausgeführten Bauform ist anzuführen, daß die Nachteile, die bei einem Phasenschieber mit rotierendem Anker auftreten, wegfallen. Statt der üblichen Kühlung durch Luft oder Wasser kann eine ölkühlung verwendet werden, die eine bessere Kühlwirkung ergibt. Als weiterer Vorteil ist noch zu erwähnen, daß ein Phasenschieber dieser Bauform bei Belastungsstößen nicht außer Tritt fallen kann, da er keine bewegten Massen besitzt und demgemäß stoßartigen Vorgängen unverzüglich folgen kann.The basic idea of the invention also allows the construction of a phase shifter without any moving parts. Instead of the rotating rotor with the revolving DC control field as in FIG. 1 there is a synchronously rotating control field that is 90 'out of phase with the main rotating field. Instead of the rotor, which was previously made of solid iron, there is a magnetic body layered in the usual way from sheet metal, with the air gap being eliminated. The correct phase position and the synchronous running of the control rotating field result from connection to the feed line of the main rotating field, whereby a suitable transformer circuit ensures the correct 90 "angle position The amount and sign of the reactive power to be supplied are set by changing the amplitude of the control field, for example with the aid of a variable transformer. In favor of this design, which is completely without moving parts, the disadvantages of a phase shifter with rotating armature Instead of the usual cooling by air or water, oil cooling can be used, which results in a better cooling effect. Another advantage that should be mentioned is that a phase shifter of this design cannot fall out of step in the event of load surges, since it does not have any moving masses esp itzt and can therefore immediately follow sudden processes.

Claims

Claims: 1. Phase shifter, characterized in that a rotating control field in a transverse field winding that is at times almost short-circuited by means of converters produces a strong current that generates the main field and induces the output voltage in the alternating current winding of the machine.

2. Phase shifter according to claim 1, characterized in that the output winding of a phase in the stator (for example R) and the associated transverse field winding (2) are arranged offset from one another by 90 '. 3. Phase shifter according to claim 1 and 2, characterized in that the transverse field winding (2) has a short-circuit connection via a converter (3) , the converter being blocked at times when the alternating voltage reaches its amplitude and is released in one order Zero crossing of the voltage lying around the area. 4. Phase shifter according to claim 1 to 3, characterized in that the control field winding (6) is mounted on small control poles (5) of a rotor (4), over the unwound part of which the main flow closes. 5. Phase shifter according to claim 1 to 4, characterized in that a control device is present which establishes the synchronism between the rotation of the rotor and the blocking or enabling of the converter. 6. phase shifter according to claim 1 to 3, characterized in that the revolving control field is generated by a stationary winding (11). 7. Phase shifter according to claim 1 to 3 and 6, characterized in that the stationary control field winding (11) is connected to an alternating voltage generating a rotating field, in particular to the feed line of the main rotating field. 8. phase shifter according to spoke 1 to 3, 6 and 7, characterized in that a transformer circuit is provided which ensures compliance with the 90 'angular position between the control field and the main rotating field. 9. phase shifter according to claim 1, 3, 6 to 8, characterized in that an unwound, the magnetic yoke representing rotor (17) is present in the stator bore. 10. Phase shifter according to claim 1, 3, 6 to 8, characterized in that an unwound magnetic yoke inserted without an air gap is present in the stator bore. 11. Phase shifter according to claim 1 or the following, characterized in that the amount and sign of the reactive power to be supplied are set by changing the amplitude of the control field.