DE1488770A1

DE1488770A1 - Frequenzumwandler

Info

Publication number: DE1488770A1
Application number: DE1965A0049320
Authority: DE
Inventors: Gunnar Nilsson; Jarle Sletback; Lars-Goeran Virsberg
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1964-06-04
Filing date: 1965-05-26
Publication date: 1969-04-10
Also published as: AT261068B; FR1442642A; US3359482A; CH423971A; GB1101840A; SE309806B

Description

DIPL-ING. H.MISSLING 1488770 63 Gießenden 25.5.1965 PATENTANWALT !SSKS

Μ/ΕΙ¹ 8307 ._

Allmänrta Svenska Elektriska Aktiebolaget, Yästerst-s /Schweden

ffrequenzumwandler

Die Prüfung der Isolationsfestigkeit elektrischer Geräte, Maschinen oder von Teilen hiervon wird meist mit einer Wechselspannung mit Kraftfrequenz, in der Regel 50 oder 60 Hz, ausgeführt. Derartige Prüfungen werden normenmäßig bei der Herstellung der Geräte usw. und auch später zur Kontrolle im Betrieb vorgenommen.

Bei der Prüfung elektrischer Teile mit großer Kapazität, wie z.B. von Maschinenwicklungen, Kabeln, Kondensatoren usw. kann bei der üblichen Frequenz die erforderliche Prüfleistung den Wert ^ von mehreren hundert kVA erreichen. Eine Prüfausrüstung für solche Leistungen wird notwendigerweise schwer, nimmt viel Platz ein und ist auch kostspielig. Erwünscht wären daher Prüfmethoden, die eine leichtere und billigere Prüfausrüstung gestatten, aber doch im wesentlichen dieselbe Aussage über die Isolationsfestigkeit geben wie die einleitend genannte Prüfmethode mit Kraftfrequenz.

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Um die Prüfung von Gegenständen mit großer Kapazität^zu erleichtern und in gewissen Fällen überhaupt zu ermöglichen, sind diese "bereits mit Gleichspannung durchgeführt worden. Dieses Prüfverfahren ergibt eine leichtere Prüfausrüstung, aber die Spannungsverteilung in der Isolation wird eine andere als bei Wechselspannungsprüfungen. Die Isolation ist in der Regel aus Schichten verschiedenen Materials, also mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten C und verschiedener Resistivität ^ aufgebaut. Bei Wechselspannungsprüfungen wird die Spannungsverteilung in der Isolation von -£ für die verschiedenen Materialien bestimmt, während bei Gleichspannungsprüfungen die Spannungsverteilung von der Resistivität ϊ der verschiedenen Schichten bestimmt wird. Dies kann ganz verschiedene Spannungsverteilungen bei der Prüfung mit Wechselspannung und mit Gleichspannung zur Folge haben. Bei der Prüfung von Wicklungsspulen für Hochspannungsmaschinen kann außerdem unter gewissen Umständen die Prüfung mit Gleichstrom zu einer unproportional hohen Beanspruchung der Wickelköpfe verglichen mit Wechselspannungsprüfungen führen.

Um die oben genannten Nachteile bei Prüfung mit Wechselspannung von Kraftfrequenz und mit Gleichspannung zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, Prüfungen mit Wechselspannung von niedriger Frequenz auszuführen. Um den Leistungsbedarf so viel wie möglich zu reduzieren, muß die Frequenz niedrig gewählt werden, doch nicht niedriger, als daß in der Hauptsache dieselbe Spannungsverteilung erhalten wird wie bei Prüfung mit Kraftfrequenz. Untersuchungen deuten .daraufhin, daß diese Forderungen erfüllt werden, wenn man

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eine Frequenz der Größenordnung o,1 Hz verwendet. Dadurch, daß die Frequenz dann 1/5G0 der Frequenz bei Prüfung mit 50-periodischer Wechselspannung wird, wird die erforderliche Prüfleistung in ungefähr demselben Grad reduziert und erreicht beispielsweise für einen großen Kraftwerksgenerator ein oder einige kVA.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umwandeln einer ersten Wechselspannung mit einer gewissen Frequenz in eine zweite Wechselspannung mit einer niedrigeren Frequenz. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits einen Transforms- m tor und Anordnungen für Polumkehrung und für periodische Variation der dem Transformator zugeführten Spannung und andererseits Organe umfaßt, die synchron mit der Frequenz der ersten Wechselspannung intermittierend'und periodisch den Transformator mit einer kapazitiven Belastung verbinden, über welcher die zweite Wechselspannung dabei auftritt.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform

der Erfindung, '

Fig. 2 die Herleitung der niederfrequenten Spannung aus der hochfrequenten und

Fig. 3 und 4 zwei Anordnungen zum Verdoppeln der niederfrequenten Spannung.

An einem Wechselstromnetz mit der Frequenz 50 per/sek ist eine Spahnungseinstellanordnung 1 angeschlossen. Zwischen dem beweglichen Kontakt 2 und der einen Polklemme des Netzes liegt die

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Wicklung 4 eines. Dreh transforms, tors 3. -Die Spannung über der Wicklung kann somit mit Hilfe des Kontakts 2 eingestellt werden. Der Drehtransformator hat eine feste Anzapfung 5 in der Mitte der Wicklung und einen beweglichen Kontakt 6, der längs der ganzen Wicklung verschoben werden kann» Der Kontakt 6 wird hier mit einer solchen Bewegung angetrieben, daß die zwischen der festen Anzapfung 5 und dem Kontakt 6 entnommene Spannung.sinusförmig wird und ihren Fullwert hat, wenn der Kontakt 6 gegenüber der Anzapfung 5 steht. Diese Spannung wird der Mederspannungswicklung 7 eines Transformators 8 zugeführt. Die Hochspannungswicklung 9 ist an ihrem einen Ende 10 geerdet.

Ein drehbares Organ, hier eine kreisförmige Scheibe 12 aus Isoliermaterial trägt eine diametral verlaufende leitende Verbindung 13· Am Umfang der Scheibe sind zwei leitende Kontaktsegmente 14 angeordnet. Diese liegen diametral gegenüber und sind an der leitenden Verbindung 13 angeschlossen. Außerhalb der Scheibe befinden sich zwei feste Schleifkontakte 15 und 16, die am Umfang der Scheibe anliegen. Der Schleifkontakt 15 ist an dem nicht geerdeten Ende 11 der Hochspannungswicklung 9 angeschlossen und der Schleifkontakt 16 an einer Belastung, die hier als Kondensator 17 dargestellt ist. Der Kondensator ist bei 18 geerdet.

Die Wirkungsweise der Anordnung geht aus der Pig. 2 hervor, sie zeigt, wie eine Periode der niederfrequenten Spannung erzeugt wird. Wenn diese Spannung die Frequenz o,1 Perioden pro Sekunde haben soll, wird-die Periodendauer 10 Sek., was 500 Perioden der

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50-periodischen Spannung entspricht. Um eine einigermaßen deutliche Figur zu bekommen, ist eine bedeutend kleinere Anzahl von Perioden der 5Q~periodischen Spannung eingezeichnet worden.

•Die Scheibe 12 rotiert synchron mit der hochfrequenten Spannung, •und da sie eine diametrale Verbindung hat, muß sie mit 1500 Umdrehungen pro Minute rotieren. Wenn die hochfrequente Spannung durch Null geht, muß die Verbindung zwischen den Schleifkontakten 15 und 16 unterbrochen und die abgegebene Spannung des Drehtransformators KuIl sein, d.h. sein beweglicher Kontakt 6 befindet sich somit in seiner Mittellage. Der Kontakt 6 wird mit einer sinusförmig variierenden Bewegung angetrieben, so daß er sich nach 2,5 sek. in seiner höchsten Lage befindet, wonach er sich wendet und nach weiteren 2,5 sek. wieder in seiner Mittellage ist.

Nach einer Viertelperiode der hochfrequenten Spannung hat diese eine Amplitude, die bei 21 gezeigt 'ist. In diesem Augenblick steht die Verbindung 13 horizontal und schließt die Verbindung zwischen der Wicklung 9 und dem Kondensator 17» so daß dieser auf den momentanen Spitzenwert der Spannung geladen wird, lach einer weiteren Periode der hochfrequenten Spannung hat diese den Spitzenwert 22, in der Zwischenzeit hat sich die Scheibe um eine halbe Drehung gedreht, so daß die Verbindung zwischen dem Transformator 5 und dem Kondensator 17 wieder hergestellt ist und der Kondensator auf den Wert 22 geladen wird. Nach 2,5 sek. steht der Kontakt 6 in seiner höchsten Lage, dann ist der Kondensator auf den höchsten Spitzenwert 23 der hochfrequenten Spannung geladen.

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Danach beginnt der Kontakt 6 seine Bewegung nach un|en, und eine immer niedrigere Spannung wird dem Transformator'8 zugeführt, wobei auch der Wert der Ladespannung des Kondensators sinkt. Nach weiteren 2,5 sek. befindet sich der Kontakt in seiner Mittellage, wobei die Spannung über dem Transformator 8 und über dem Kondensator Null ist.

Der Kontakt 6 setzt seine Abwärtsbewegung fort, demzufolge wird die Spannung über der Niederspannungswicklung des Transformators

W um 180° phasenverschoben. Der bewegliche Kontakt 6 und die feste Mittelanzapfung 5 bringen somit, wenn sie aneinander vorbeibewegt werden, eine Polumkehrung zustande. Der rechte Teil der Kurve in Fig. 2 wird folglich ein Spiegelbild des linken Teils. Weil die Rotation des rotierbaren Organs 12 nicht von der Polumkehrung beeinflußt wird, wird während der folgenden 5 sek. die Hochspannungswicklung des Transformators an den Kondensator angeschlossen, wenn die hochfrequente Spannung ihren negativen Maximalwert hat, und die Ladung des Kondensators bekommt eine entgegengesetzte

| Polarität.

Eine positive Halbperiode der Spannung über dem Kondensator wird somit während 250 Perioden von den positiven Spannungs spitz en der 50-periodisehen Spannung aufgebaut. Danach 'wechselt die Polarität, und während der folgenden 250 Perioden wird die negative Halbperiode der Spannung von 250 negativen Spannungsspitzen aufgebaut. Die Spannung über dem Kondensator bekommt folglich das Aussehen, das die voll ausgezogene Kurvenlinie 24 zeigt, d.h. eine Wechselspannung mit Frequenz o,1 Hz und demselben Momentanwert wie die

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50-periödische Spannung. Dadurch, daß der Kondensator seine Ladeimpulse bekommt, wenn die hochfrequente Spannung ihren Spitzenwert hat, kann die Kontaktzeit zwischen den Kontakten 14, 15 und 16 verhältnismäßig lang gemacht werden, in der Regel kann eine genügende Energiemenge in dieser- Zeit zu'dem Kondensator übertragen werden. Wenn dies nicht der Pail sein sollte, kann ein Kondensator 19 parallel zu der Primärwicklung 9 geschaltet werden.

Die gezeigte Anordnung für 'Spannungsregelung, Spannungsvariation und Po!umkehrung ist nur alL8xein.<Beispiel dafür zu betrachten, wie M diese Einzelteile ausgeführt ·sein können. Viele andere an sich bekannte Mittel sind anwendbar. Ebenso kann das drehbare Organ gegen steuerbare mechanische Kontaktoren, gesteuerte elektronische Anordnungen o.dgl. für den Anschluß des Transformators an die Belastung ausgetauscht werden. '

Es ist auch möglich, den Kondensator von jeder Halbperiode der hochfrequenten Spannung laden zu lassen, indem man das drehbare Organ 12 so abändert, daß der Kondensator viermal pro Umdrehung | angeschlossen wird. Das drehbare Organ wird dann wie ein Kommutator wirken.

Die Anordnung kann außerdem so entwickelt werden, daß sie eine dreiphasige hochfrequente Spannung in eine niederfrequente umwandeln kann, und zwar durch Verwendung eines Dreiphasen-Transformators und durch Ergänzung des drehbaren Organs mit zwei weiteren Kontaktsätzen und leitenden Verbindungen, die um 120° im Verhältnis zueinander verschoben sind.

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Der Frequenzumwandler nach der Erfindung kann auch mit einer an .sich bekannten Frequenzverdoppelungsanordnung vervollständigt werden. Fig. 3 zeigt eine solche Anordnung. Die Hochspannungswicklung 9 des Transformators 8 ist an ihrem nicht geerdeten Ende an einem Reihenkondensator 50 angeschlossen, der an zwei festen Kontakten 31 und 32 angeschlossen ist, die im Anschluß an zwei gleiche drehbare Organe 33 und 34 angeordnet sind. Das drehbare Organ 33 hat eine diametrale leitende Verbindung 35 mit zwei leitenden Kontaktsegmenten 36 und 37· Gegenüber dem festen Kontakt 31 ist ein zweiter fester Kontakt 38, der mit Erde verbunden ist.

In ähnlicher Weise ist das drehbare Organ 34 mit einer leitenden Verbindung 39 mit zwei Kontaktsegmenten 40 und 41 versehen und weiter mit einem festen Kontakt 42, der über einen Kondensator mit Erde verbunden ist. Die zwei leitenden Verbindungen sind mit einer Achse o.dgl. mechanisch zusammengekuppelt, so daß sie synchron angetrieben werden, aber sie sind winkelrecht zueinander angeordnet.

Wenn das leitende Organ 35 eine horizontale Lage einnimmt, ist der Kondensator 30 über die Kontakte 31 und 36, die Verbindung und die Kontaktsegmente 37 und 38 mit Erde verbunden. Der Kondensator wird dabei bis zum Potential des Punkts 11 geladen. Nach einer halben Periode der hochfrequenten Spannung hat der Punkt eine entgegengesetzte Polarität. Die Verbindung 35 nimmt dann eine lotrechte Lage ein, während die Verbindung 39 horizontal ist und den Kondensator 30 mit dem Kondensator 43 verbindet. Der Konden-

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ORIGINAL INSPECTED ~⁹~

sator 43 wird dann auf eine Spannung geladen, die doppelt so noch wie die Spannung des Kondensators 30 ist, weil die Spannung über der Wicklung 9 zu der Spannung des Kondensators 30 addiert wird. Über dem Kondensator 43 tritt also eine niederfrequente Spannung mit einem Spitzenwert auf, der im wesentlichen den doppelten Wert der Spannung über der Wicklung 9 hat.

Die fig. 4 zeigt eine Vereinfachung der Anordnung nach Fig. 3· Hier wird ein einziges drehbares Organ 45 mit zwei leitenden Kontaktsegmenten 46 und 47 verwendet sowie mit vier festen Kontakten 48, 49, 50 und 51, die symmetrisch um das drehbare Organ herum angeordnet sind. Die Kontakte 48 und Sxtx 51 sind miteinander und mit dem-Kondensator 30 verbunden, während der Kontakt 49 mit Erde und der Kontakt 50 mit dem Kondensator 43 verbunden ist.

Wenn die Verbindung 45 in vertikaler Lage ist, wird der Kondensator 30 auf die Spannung der Wicklung 9 geladen. Hach einer halben Periode der hochfrequenten Spannung hat die Verbindung 45 eine horizontale Lage und der Kondensator wird mit einer Spannung geladen, die ungefähr die doppelte Spannung über dem Kondensator I 30 ist, wie in Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben ist.

KLt solchen Anordnungen ist es möglich, die Spannung über dem Belastungskondensator 43 noch mehr zu erhöhen, die gezeigten Anordnungen sind aber nur als Ausführungsbeispiele zu betrachten.

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Claims

Patentansprüche;

1/ Anordnung zum Umwandeln einer ersten Wechselspannung mit einer gewissen frequenz in eine zweite Wechselspannung mit einer niedrigeren Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits einen Transformator und Anordnungen für Polumkehrung und für periodische Variation der dem Transformator zugeführten Spannung umfaßt, andererseits Organe, die synchron mit der Frequenz der ersten Wechselspannung intermittierend und periodisch den Trans- W formator mit einer kapazitiven Belastung verbinden, über der dabei die zweite Wechselspannung auftritt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den genannten Anordnungen für Polumkehrung und für periodische Variation des Transformators zugeführten Spannungen auf der Fiederspannungsseite des Transformators eingeschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

*. genannten Anordnungen für Polumkehrung und für periodische Variation der dem Transformator zugeführten Spannung aus einem Drehtransformator (3) bestehen, dessen Wicklung einen festen (5) und einen beweglichen Kontakt (6) hat, und die Fiederspannungswicklung (7) des Transformators zwischen den genannten zwei Kontakten ^angeschlossen ist.

cn 4· Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der οDrehtransformator so gedreht wird, daß die FiederSpannungswicklung

Transformators mit einer Spannung gespeist wird, deren tude kontinuierlich sinusförmig von Null bis zu einem einstellbaren Maximalwert und wieder bis Full variiert. ₁₁

i <f$ö / /U

5. Anordnung nach Anspruch 2 und 3.r, _t dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung für Po !umkehrung jedesmal wirksam ist, wenn die Spannung auf der Eiederspannungsseite des Transformators Null ist.

6. Anordnung..nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungswicklung,--(9.) des Transformators an ihrem, einen End^. (10;) g,eeichet.ist, während das andere Ende (11) intermittierend un$ ,periodisch mit einer kapazitiven Belastung (17) verbunden ist« ,···.,.,- -,:,,,,.- ■.,..;

7· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch.gekennzeichnet, daß die Anordnung, die die Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators mit der kapazitiven Belastung -verbindet, aus einem drehbaren Organ (12) besteht, das synchron mit der Frequenz der ersten Weehs.elspannung.roijiert und das. die genannte Verbindung mindestens einmal, pro Period.e ,der ersten Wechselspannung herstellt.

8. Anordnung nach, Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das . drehbare Organ (12) aus einer kreisförmigen Scheibe aus Isoliermaterial besteht, die mit einer diametral verlaufenden leitenden Verbindung (13) versehen ist und mit zwei diametral auf der Peripherie der Sgheibe angeordneten leitenden Kontaktsegmenten (14)., die mittels der genannten leitenden Verbindung verbunden sind, wobei zwei feste Schleifkontakte (15, 16) außerhalb der Scheibe diametral einander entgegengesetzt derart angeordnet sind, daß sie bei Drehung der Scheibe gleichzeitig je an einem Kontakt^- segment (14) der Scheibe anliegen, und daß der eine dieser festen

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Kontakte (15) an der Sekundärwicklung (9) des Transformators .und der zweite feste Kontakt (16) an der Belastung (17) angeschlossen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Organ aus zwei leitenden Verbindungen (35, 39) besteht, die synchron miteinander angetrieben werden und winkelrecht zueinander sind, wobei ein Reihenkondensator (30) zwischen der Hochspannungswicklung (9) und dem drehbaren Organ angeordnet ist, und daß der genannte Reihenkondensator einmal während jeder zweiten Halbperiode der hochfrequenten Spannung mittels der einen der Verbindungen (35) an Erde und' einmal während jeder der übrigen Halbperioden derselben Spannung an die Belastung (43) angeschlossen wird.

10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Organ aus einer leitenden Verbindung (45) besteht, die einmal während jeder zweiten Halbperiode der hochfrequenten SpannungHeinen in Reihe mit der Hochspannungswicklung (9) liegenden Reihenkondensator (30) an Erde und einmal während jeder der übrigen Halbperioden den genannten Kondensator (30) an die Belastung (43) anschließt.

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