DE1283348B

DE1283348B - Arrangement for converting direct current into alternating current

Info

Publication number: DE1283348B
Application number: DE1960L0036760
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Floris Koppelmann; Dr Phil Karl Steimel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1960-08-05
Filing date: 1960-08-05
Publication date: 1968-11-21

Description

Anordnung zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bestimmte Funktionen von Stromrichtern (Ignitrons, Thyratrons, Vierschichttrioden usw.) auch von der Serienschaltung eines Schalters und eines Gleichrichterelementes ausgeübt werden können. Für viele technische Aufgaben ergeben sich daraus sehr wertvolle Lösungen in Verbindung mit den neuen Gleichrichterarten, insbesondere den Germanium- und Silizium-Gleichrichtern.Arrangement for converting direct current into alternating current The present Invention is based on the knowledge that certain functions of converters (Ignitrons, Thyratrons, four-layer triodes, etc.) also from the series connection of one Switch and a rectifier element can be exercised. For many technical Tasks result from this very valuable solutions in connection with the new ones Types of rectifiers, especially the germanium and silicon rectifiers.

Es ist bereits bekannt, zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom eine aus einer mechanischen Kontaktvorrichtung und Halbleitergleichrichterelementen bestehende Kommutierungsanordnung zu verwenden, in welcher die mechanische Kontaktvorrichtung Einschaft- und leistungslose Ausschaltfunktionen sowie Stromwenden und Stromverteilen ausübt, während die mit in Reihe liegenden Gleichrichterelemente die Ausschaltvorgänge in Betrag und Phase so unkritisch machen, daß sie leistungslos durchgeführt werden können. Eine derartige Anordnung ist zur Regelung einer Betriebsgröße bei Stromrichtern sowohl mit gesteuerten Dampf- und Gasentladungsstrecken als auch mit ungesteuerten Gleichrichterelementen, z. B. Trockengleichrichtern, ausgerüstet worden. Bei bekannten Anordnungen mit hin- und hergehenden Schaltkontakten sind die Grenzen ihres Einsatzbereiches dann erreicht, wenn elektrische Energien mit hoher Frequenz und großer Phasenzahl umgerichtet werden sollen. Die Höhe der Frequenz ist bedingt durch die Trägheit der bewegten Massen und die Phasenzahl durch die sich mit ihnen vergrößernde Anzahl der Schaltkontakte. Vielphasigkeit ist jedoch dann insbesondere notwendig, wenn man den Oberwellengehalt eines Wechsel- bzw. Drehstromes gering halten will, wobei von einer Gleichspannungsquelle konstanter Spannung als Speisequelle ausgegangen wird. Die Erfindung hat die Aufgabe, den Einsatzbereich von mechanisch arbeitenden Stromrichtern hinsichtlich der Höhe der Frequenz und Anzahl der Phasen zu erweitern.It is already known to convert direct current into alternating current one of a mechanical contact device and semiconductor rectifier elements to use existing commutation arrangement in which the mechanical contact device Single-shaft and powerless switch-off functions as well as power reversal and power distribution exercises, while the rectifier elements lying in series with the switch-off processes Make it so uncritical in terms of amount and phase that they are carried out without performance can. Such an arrangement is for regulating an operating variable in converters both with controlled vapor and gas discharge paths and with uncontrolled ones Rectifier elements, e.g. B. dry rectifiers have been equipped. At acquaintances Arrangements with switching contacts going back and forth are the limits of their area of application then achieved when electrical energies with high frequency and large number of phases should be rearranged. The level of the frequency is due to the inertia of the moving masses and the number of phases due to the increasing number with them the switching contacts. However, multiphase is particularly necessary when you want to keep the harmonic content of an alternating or three-phase current low, with assumed a DC voltage source of constant voltage as the supply source will. The invention has the object of the field of application of mechanically working Converters to expand in terms of frequency and number of phases.

Demzufolge geht die Erfindung aus von einer Anordnung zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom mit einem Laststromkreis und einem Steuerstromkreis, bei der der Laststromkreis im wesentlichen aus einer Gleichstromquelle, der Reihenschaltung mechanischer Kontakte und Gleichrichterelementen sowie einem Verbraucher und Schalttransformator aufgebaut ist und bei der die mechanischen Kontakte aus relativ zueinander bewegten Segmenten und Bürsten bestehen. Die Erfindung wird darin gesehen, daß der Laststromkreis und der Steuerstromkreis induktiv miteinander gekoppelt sind und der Stromfluß des Laststromkreises über die induktive Kopplung durch Mittelfrequenzimpulse, die von einem im Steuerstromkreis neben der Reihenschaltung mechanischer Kontakte und Gleichrichterelemente vorgesehenen Mittelfrequenzgenerator geliefert werden, veränderlich und periodisch unterbrochen wird.Accordingly, the invention is based on an arrangement for conversion from direct current to alternating current with a load circuit and a control circuit, in which the load circuit consists essentially of a direct current source, the series connection mechanical contacts and rectifier elements as well as a consumer and switching transformer is constructed and in which the mechanical contacts are moved relative to one another Segments and brushes are made. The invention is seen in the fact that the load circuit and the control circuit are inductively coupled to one another and the current flow of the Load circuit via the inductive coupling by means of medium frequency pulses from one in the control circuit next to the series connection of mechanical contacts and rectifier elements provided medium frequency generator are supplied, variable and periodic is interrupted.

An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.A schematic exemplary embodiment is given with the aid of a drawing the invention explained.

Das Grundprinzip wird in F 'i g. 1 gezeigt. Eine Gleichspannungsquelle 1 kann über einen Schalter 2, einen Gleichrichter 3 und einen Schalttransformator 4 auf eine Last, dargestellt durch eine Induktivität 5 und einen Widerstand 6, geschaltet werden. Eine zweite Wicklung des Schalttransformators liegt in einem aus den Elementen eines Mittelfrequenzgenerators 7, eines Schalters 8 und eines Gleichrichters 9 gebildeten Stromkreis.The basic principle is illustrated in FIG. 1 shown. A DC voltage source 1 can be switched to a load, represented by an inductance 5 and a resistor 6, via a switch 2, a rectifier 3 and a switching transformer 4. A second winding of the switching transformer is located in a circuit formed from the elements of a medium-frequency generator 7, a switch 8 and a rectifier 9.

Die Anordnung arbeitet in folgender Weise: Nach Schließen des Schalters 2 fließt ein Strom im Laststromkreis. Nach Schließen des Schalters 8 fließt in einer Halbwelle des Mittelfrequenzgenerators 7 ein Stromstoß, der an der im Laststromkreis liegenden Wicklung des Schalttransformators 4 einen Spannungsstoß erzeugt, welcher den Strom im Laststromkreis unterbricht. In diesem Augenblick kann der Schalter 2 leistungslos, d. h. lichtbogenfrei, geöffnet werden. Der Schalter 8 muß synchron mit dem Mittelfrequenzgenerator 7 betätigt werden und zweckmäßig so, daß er in der Halbwelle vor dem Stromstoß geschlossen und in der nachfolgenden Halbwelle geöffnet wird. Die Sperrwirkung des Gleichrichters 9 erlaubt auch die Öffnung des Schalters 8 ohne Leistungsvernichtung, also lichtbogenfrei. Durch periodische Wiederholung der eben beschriebenen Schaltvorgänge entsteht ein zerhackter Gleichstrom, der in bekannter Weise auch in einen reinen Wechselstrom verwandelt werden kann. Da die Schaltoperationen in zeitlich fester Zuordnung zu der Wechselspannung erfolgen müssen, werden zweckmäßig der Mittelfrequenzgenerator 7 und die Schalter 2 und 8 motorisch miteinander gekoppelt. In F i g. 1 ist das durch den Motor 10 und die gestrichelte Verbindungslinie der Elemente angedeutet. Die Motordrehzahl bestimmt die Frequenz des erzeugten Wechselstromes; die Frequenz im Mittelfrequenzgenerator 7 wird automatisch eine Harmonische der erzeugten Wechselfrequenz. Für das Verständnis der Funktion des Vorganges ist noch wichtig, daß die in der Induktivität 5 gespeicherte (magnetische) Energie beim Öffnen des Hauptstromes in den Mittelfrequenzgenerator 7 wandert.The arrangement works in the following way: After the switch 2 is closed, a current flows in the load circuit. After the switch 8 is closed, a current surge flows in a half-wave of the medium-frequency generator 7, which generates a voltage surge on the winding of the switching transformer 4 in the load circuit, which interrupts the current in the load circuit. At this moment, the switch 2 can be opened without power, ie without an arc. The switch 8 must be operated synchronously with the medium-frequency generator 7 and appropriately so that it is closed in the half-wave before the current surge and opened in the following half-wave. The blocking effect of the rectifier 9 also allows the switch 8 to be opened without any loss of power, that is to say without an arc. By periodically repeating the switching processes just described, a chopped direct current is created, which can also be converted into a pure alternating current in a known manner. Since the switching operations must take place in a fixed temporal assignment to the alternating voltage, the medium-frequency generator 7 and the switches 2 and 8 are expediently coupled to one another by a motor. In Fig. 1 this is indicated by the motor 10 and the dashed connecting line of the elements. The engine speed determines the frequency of the alternating current generated; the frequency in the medium frequency generator 7 automatically becomes a harmonic of the alternating frequency generated. To understand the function of the process, it is also important that the (magnetic) energy stored in the inductance 5 migrates into the medium-frequency generator 7 when the main current is opened.

Die besonderen Vorteile, die durch die Gleichrichter 3 und 9 in die Schaltung gebracht werden, können folgendermaßen beschrieben werden: Der Gleichrichter 3 ermöglicht durch den übergang aus dem Durchlaß- in den Sperrbereich seiner Kennlinie ein lichtbogenfreies Öffnen des Laststromkreises mittels eines Spannungsimpulses, der nur eine bestimmte Mindesthöhe zu haben braucht, sonst aber unkritisch ist. Der Gleichrichter 9 macht die zeitliche Zuordnung der Betätigung des Schalters 8 zu dem Wechselstrom im Löschkreis unkritisch und praktisch überhaupt erst ausführbar. Weiterhin erlaubt der Schalter 8 eine Steuerung des Anschnittes der Halbwelle des Mittelfrequenzgenerators 7, die zur Erzeugung des Spannungsstoßes im Laststromkreis benutzt wird.The special advantages brought about by the rectifiers 3 and 9 in the Circuit can be described as follows: The rectifier 3 made possible by the transition from the open to the blocked range of its characteristic curve an arc-free opening of the load circuit by means of a voltage pulse, which only needs to have a certain minimum height, but is otherwise uncritical. The rectifier 9 makes the chronological assignment of the actuation of the switch 8 uncritical to the alternating current in the extinguishing circuit and practically feasible in the first place. Furthermore, the switch 8 allows control of the cut of the half-wave of the Medium frequency generator 7, which is used to generate the voltage surge in the load circuit is used.

Eine Weiterbildung des Grundprinzips zeigt F i g. 2 als Schaltschema. Der Mittelabgriff an der Gleichspannungsquelle 1 und die Mittelanzapfung des übertragungstransformators 25 erlauben das Ausnutzen beider Halbwellen des Mittelfrequenzgenerators 7 zur Erzeugung von Spannungsstößen im Laststromkreis als Voraussetzung für vorzunehmende Schaltoperationen. Die Schalter 2 und S arbeiten in Gegenphase zu Schaltern 26 und 27. Gespeist wird ein Verbraucher 24.A further development of the basic principle is shown in FIG. 2 as a circuit diagram. The center tap on the DC voltage source 1 and the center tap of the transmission transformer 25 allow both half-waves of the medium frequency generator 7 to be used for generation of voltage surges in the load circuit as a prerequisite for switching operations to be carried out. The switches 2 and S work in phase opposition to switches 26 and 27. It is fed a consumer 24.

Wichtig ist, daß bei geeigneter zeitlicher Zuordnung der beiden Schaltoperationen im (Doppel-) Laststromkreis das Schließen des einen Stromzweiges den anderen fast stromlos macht, so daß die Leistung des Mittelfrequenzgenerators 7 entsprechend klein sein kann, Voraussetzung ist dabei allerdings, daß der Strom im Laststromkreis keine nennenswerte Phasenverschiebung gegen die Spannung hat, sonst muß die noch vorhandene magnetische Energie in den Mittelfrequenzgenerator 7 übergeführt werden.It is important that the two switching operations are appropriately timed In the (double) load circuit, one branch of the current closes almost the other makes currentless, so that the power of the medium frequency generator 7 accordingly can be small, but the prerequisite is that the current in the load circuit has no significant phase shift with respect to the voltage, otherwise it still has to existing magnetic energy are transferred to the medium frequency generator 7.

Besonders vorteilhaft wird die Anordnung bei der Umwandlung von Gleichstrom in Vielphasenwechselstrom, weil dabei die Unterbrechung eines Phasenstromes als eines kleinen Teilstromes des ganzen relativ einfach wird. Bei geeignetem Aufbau der Gesamtanordnung kann der Vielphasenwechselstrom leicht in bekannter Weise in Dreiphasenstrom umgewandelt werden. F i g. ä zeigt beispielsweise eine Anordnung, mittels deren Gleichstrom in 1S-Phasenwechselstrom umgewandelt und mittels i eines Phasenzahlwandlers 28 als normaler Dreiphasenstrom (RST) abgegeben werden kann.The arrangement is particularly advantageous when converting direct current in multi-phase alternating current, because it is the interruption of a phase current as a small partial flow of the whole becomes relatively easy. With a suitable structure of the overall arrangement, the multiphase alternating current can easily be incorporated in a known manner Three-phase electricity can be converted. F i g. ä shows, for example, an arrangement converted into 1S phase alternating current by means of their direct current and by means of i a Phase number converter 28 can be delivered as normal three-phase current (RST).

In der Darstellung F i g. 3 sind die Schalter aus Lamellen und Bürsten aufgebaut. Für den Laststromkreis und den Steuerstromkreis sind je eine Lamellen- f und Bürstenanordnung vorhanden. Ein Teil der Lamellen des Laststromkreises wird über Schleifringe mit den Plus- und Minuspolen der Gleichspannungsquelle 1 verbunden, angedeutet durch die Zeichen (-f-) und (-). Die Zahl der Bürsten ist sowohl für den Laststromkreis als auch für den Steuerstromkreis gleich der Phasenzahl, im vorliegenden Beispiel also 15.In the illustration F i g. 3 are the switches made of slats and brushes built up. For the load circuit and the control circuit, one lamellae each are f and brush arrangement available. Part of the lamellas of the load circuit becomes connected to the plus and minus poles of the DC voltage source 1 via slip rings, indicated by the characters (-f-) and (-). The number of brushes is for both the load circuit as well as the control circuit equal to the number of phases, in this case Example 15.

Die Bürsten der Hauptlamellenanordnung sind über die Schalttransformatoren 4 hinweg mit den Phasenenden des Pliasenzahlwandlers 28, die der Hilfslamellenanordnung mit den zweiten Wicklungen der Schalttransformatoren verbunden. In die Zeichnung sind zur Wahrung der übersichtlichkeit lediglich die Zuleitungen zweier Bürsten eingezeichnet. Desgleichen sind die Verbindungen des positiven Pols der Gleichspannungsquelle 1 zu der positiven, fast 180° breiten Lamelle 11 und auch die der negativen Polarität nicht näher ausgeführt. Statt des in der F i g. ä dargestellte. Phasenzahlwandlers können auch beliebige andere, den vorgcschriebenen Zweck erfüllende Anordnungen, z. B. eine Ringwicklung reit Anzapfungen, Verwendung finden.The brushes of the main lamella arrangement are over the switching transformers 4 away with the phase ends of the plias number converter 28, those of the auxiliary lamellar arrangement connected to the second windings of the switching transformers. In the drawing are only the supply lines of two brushes to maintain clarity drawn. Likewise are the connections of the positive pole of the DC voltage source 1 to the positive, almost 180 ° wide lamella 11 and also that of the negative polarity not detailed. Instead of the one shown in FIG. ä shown. Phase number converter Any other arrangements that fulfill the prescribed purpose can also be used, z. B. find a ring winding riding taps, use.

Die im Ausführungsbeispiel vorgesehene ungrade Anzahl der Bürsten soll verhindez, da ß nicht gleichzeitig zwei Phasen am Kommutierungsvorgang beteiligt sind.The odd number of brushes provided in the exemplary embodiment should prevent that two phases are not involved in the commutation process at the same time are.

Die Lamellenanordnung des Laststromkreises besteht aus zwei fast 1.80° breiten Lamellen 11(+) und 1.2 (-). Zwischen den beiden: breiten Lamalien befinden sich zwei Leerlamellen 1 3 und 1.4. Sie sind über Gleichrichter 15 und 1.6 mit der (-f-)- und (-)-Lamelle 1.1. bzw.12 verbunden.The lamellar arrangement of the load circuit consists of two almost 1.80 ° wide lamellas 11 (+) and 1.2 (-). Between the two: wide lamellae there are two empty lamellas 1 3 and 1.4. You are via rectifier 15 and 1.6 with the (-f -) - and (-) - lamella 1.1. or 12 connected.

Die Lamellenanordnung des Steuerstromkreises besteht aus zweimal drei Sehinallamellen 17 und 115, ähnlich den Leerlamellen 1.3 und 1,4 im Laststromkreis, und zwei den Restwinkel ausfüllenden breiteren Lamellen 19 und 20. Die mittleren Schmallamellen sind über die Gleichrichter 21. und 22 und einen Schleifring 23 niit dem Mittelfrequenzgenerator 7 verbunden. Die Winkelzuordnung zwischen den beiden Lamellenanordnungen des Last- und Steuerstromkreises einschließlich ihrer Bürsten und dem Mittelfrequenzgenerator 7 muß so sein, daß die Phase, deren Bürste gerade den Leerkontakt im Laststromkreis verläßt, finit Sicherheit durch den zugeordneten Löschimpuls stromlos gemacht ist.The lamellar arrangement of the control circuit consists of two three linear lamellas 17 and 115, similar to the empty lamellas 1.3 and 1.4 in the load circuit, and two wider lamellas 19 and 20 that fill the remaining angle connected to the medium frequency generator 7. The angular assignment between the two lamellar arrangements of the load and control circuit including their brushes and the medium frequency generator 7 must be such that the phase whose brush is just leaving the empty contact in the load circuit is de-energized by the assigned extinguishing pulse.

Die Arbeitsweise der Gesamtanordnung ergibt sich nach dem bisher Gesagten in folgender Weise: Die Doppel-Lamellenanordnung il, 12 wird zusammen mit dem Mittelfrequenzgenerator 7 in Pfeilrichtung gedreht. Dabei werden die einzelnen Phasenenden abwechselnd mit den Plus- und Minuspolen der Spannungsquelle 1. verbunden. Der Umschaltvorgang erfolgt in der Weise, daß beim übergang einer Bürste von einer breiten Lamelle 1.1 oder 12 auf eine Leerlamelle 13 bzw. 14 der Gleichrichter 15 oder 1.6 in die entsprechende Phasenzuleitung eingeschaltet wird. Der zugeordnete Löschimpuls macht dann diese Phase stromlos. Weil sich in diesem Augenblick der Gleichrichter im Sperrzustand befandet, kann die Phase mit denn Gegenpol der Gleichspannungsquelle verbunden werden, ohne daß ein Kurzschluß dieser stattfindet.The mode of operation of the overall arrangement results from what has been said above in the following way: The double lamella arrangement il, 12 is used together with the medium frequency generator 7 rotated in the direction of the arrow. The individual phase ends alternate with connected to the plus and minus poles of the voltage source 1.. The switching process takes place in such a way that the transition of a brush from a wide slat 1.1 or 12 on an empty lamella 13 or 14 of the rectifier 15 or 1.6 in the corresponding Phase lead is switched on. The assigned erase pulse then does this Phase de-energized. Because at this moment the rectifier is in the blocking state found, the phase can be connected to the opposite pole of the DC voltage source, without a short circuit taking place.

Claims

Claims: 1. Arrangement for converting direct current into alternating current time a load circuit and a control circuit in which the load circuit essentially from a direct current source, the series connection mechanical contacts and rectifier elements as well as a consumer and switching transformer is constructed and in which the mechanical contacts are moved relative to one another Segments and brushes exist, characterized in that the load circuit and the control circuit are inductively coupled to one another and the current flow of the load circuit via the inductive coupling through medium frequency pulses from one in the control circuit in addition to the series connection of mechanical contacts and rectifier elements (21, 22) provided medium frequency generator (7) are supplied, variable and periodic is interrupted.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the Medium frequency generator (7) and the mechanical contacts coupled to one another and are driven by a motor. Considered publications: German Patent No. 739 642; German interpretation document No. 1001372.