DE476149C

DE476149C - Process for converting electrical voltages using a single capacitor

Info

Publication number: DE476149C
Application number: DEB122566D
Authority: DE
Original assignee: ARTHUR BACHMANN DIPL ING
Current assignee: ARTHUR BACHMANN DIPL ING
Priority date: 1925-11-04
Filing date: 1925-11-04
Publication date: 1929-05-14

Description

Verfahren zur Umformung von elektrischen Spannungen mit Hilfe eines einzigen Kondensators Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Umformung-"von elektrischen Spannungen.Process for converting electrical voltages with the help of a single capacitor The subject of the invention forms a method for the transformation "of electrical voltages.

Ändert man die Kapazität eines Kondensators bei konstanter Ladung, so ändert sich die Spannung an seinen Belegungen derart, daß das Produkt aus Kapazität und Spannung konstant bleibt. Man hat diese Tatsache bereits benutzt, um hohe elektrische Spannungen aus niedrigen zu erzeugen, indem der Kondensator nach Einstellung seiner größten Kapazität an eine Gleichstromquelle niedriger Spannung gelegt wird; wird nach Abtrennung des Kondensators seine Kapazität merklich verringert, so entsteht an seinen Belegungen eine hohe Spannung, die beliebig verwendet werden kann, z. B. zur Rufladung eines Meßinstrumentes.If one changes the capacitance of a capacitor with constant charge, so the voltage on its assignments changes in such a way that the product of capacity and voltage remains constant. One has already used this fact to make high electrical Generate voltages from low by using the capacitor after setting its maximum capacitance is applied to a low voltage direct current source; will after the capacitor has been disconnected, its capacitance is noticeably reduced on its assignments a high voltage that can be used arbitrarily, z. B. for Rufladen a measuring instrument.

Es ist grundsätzlich möglich, dieses Verfahren durch fortlaufende Wiederholung zur Übertragung größerer Energiemengen aus einem Netze niedriger Spannung in ein Netz höherer Spannung oder, schon schwieriger, umgekehrt zu benutzen. Praktisch scheitert dies Verfahren jedoch daran, daß bei der Umsetzung nennenswerter-Energiebeträge starkes Funken auftritt, welches---ein Arbeiten nach "diesem Verfahren unmöglich macht. Der Kondensator darf nämlich, bevor er an ein Netz gelegt wird, nicht die gleiche Spannung haben wie das Netz, sondern eine höhere oder niedrigere, je nachdem ob er Energie abgeben oder aufnehmen soll. Die jedesmalig überfließende Elektrizitätsmenge ist proportional dem Unterschiede der Spannungen. Infolge der Spannungsdifferenz treten bei jeder Ladung und Entladung Funken auf, in denen ein wesentlicher Teil der zu übertragenden Energie vernichtet wird.It is basically possible to follow this procedure through Repetition for the transmission of larger amounts of energy from a low voltage network in a network with a higher voltage or, even more difficult, vice versa. Practically this method fails, however, because the implementation of significant amounts of energy strong spark occurs, which --- working according to "this method" is impossible power. Before it is connected to a network, the capacitor must not have the have the same voltage as the mains, but higher or lower, as the case may be whether he should give up or take up energy. The amount of electricity that overflows each time is proportional to the difference in voltages. As a result of the voltage difference sparks occur with every charge and discharge, in which a substantial part the energy to be transmitted is destroyed.

Den Gegenstand der Erfindung bildet nun ein Verfahren zur Umformung von elektrischen Spannungen, welches auch bei Übertragung großer Energiemengen ein vollständig funkenfreies Arbeiten ermöglicht, so daß die Umformung praktisch verlustfrei vor sich geht, Erfindungsgemäß wird die Energieaufnahme aus dem Netz oder die Energieabgabe in dasselbe dadurch bewirkt, daß die Kapazität des Kondensators vergrößert oder verkleinert wird, während er am Netze liegenbleibt. Es besteht damit die Möglichkeit, die Spannung des Kondensators gleich der des Netzes zu machen. bevor beide miteinander in Berührung treten, also den Kondensator funkenfrei anzulegen und trotzdem einen Energieumsatz zu erzielen.The subject of the invention now forms a method for forming of electrical voltages, which also occurs when large amounts of energy are transmitted Allows completely spark-free work, so that the forming process is practically loss-free is going on, according to the invention, the energy consumption from the network or the energy output in the same caused by the fact that the capacitance of the capacitor increases or is reduced while it remains on the net. There is thus the possibility of to make the voltage of the capacitor equal to that of the network. before both of them come into contact, so apply the capacitor spark-free and still one To achieve energy turnover.

Dieses Verfahren erlaubt Gleichspannung in Gleichspannung - sowohl niedrige in hohe als auch hohe in niedrige - und Wechselspannung in Gleichspannung umzuformen. Alle di ei Umformungsarten lassen sich mit ein und derselben Vorrichtung ohne jegliche Änderung derselben bewerkstelligen.This method allows DC voltage in DC voltage - both low to high as well as high to low - and alternating voltage to direct voltage to reshape. All di types of deformation can be carried out with one and the same device without making any changes to the same.

Soll Wechselspannung in Gleichspannung umgeformt werden, so ist nur erforderlich, daß i. die Kapazitätsänderung des Kondensators periodisch im Takte der Wechselspannung erfolgt, und daß 2. der Kondensator im richtigen Zeitpunkte an das Wechselspannungsnetz angeschlossen und wieder abgetrennt wird. Ändert sich z. B., wie in Abb. i dargestellt, die Wechselspannung sinusförmig mit der Zeit, so wird der Kondensator etwa im Augenblicke t., in dem er die Spannung el besitzt, an das Wechselspannungsnetz gelegt und wird im Augenblicke t2, in dem die Wechselspannung ihren Maximalwert e2 erreicht hat, wieder abgetrennt.If alternating voltage is to be converted into direct voltage, then only required that i. the change in capacitance of the capacitor periodically in a cycle the alternating voltage takes place, and that 2. the capacitor in the correct Times connected to the AC voltage network and disconnected again. If z. B., as shown in Fig. I, the AC voltage with sinusoidal of the time, the capacitor becomes about at the moment t., in which it the voltage el owns, placed on the AC voltage network and is at the moment t2, in which the alternating voltage has reached its maximum value e2, disconnected again.

Die Kapazitätsänderung kann auf verschiedene Weise bewirkt werden. Bedient man sich z. B. eines ebenen Plattenkondensators, so erfolgt sie durch Näherung und Entfernung der Platten. Oder man bedient sich umlaufender Anordnungen. Hierbei sind die Belegungen des Kondensators auf der Oberfläche oder im Innern konzentrischer Zylinder oder paralleler Scheiben angebracht, bei deren gegenseitiger Drehung Änderung der Kapazität eintritt.The change in capacitance can be brought about in various ways. If you use z. B. a flat plate capacitor, it is done by approximation and removal of the plates. Or you can use circular arrangements. Here the assignments of the capacitor on the surface or inside are more concentric Cylinders or parallel disks attached, with their mutual rotation change the capacity occurs.

Da man mit Leichtigkeit große wie auch kleine Kapazitätsänderungen herstellen kann, so kann man das Übersetzungsverhältnis der Spannungen nach Belieben groß oder klein machen. Mit einem großen Übersetzungsverhältnis gelingt es, sehr große oder sehr kleine Spannungen herzustellen bzw. umzuformen. Etwaige Vorentladungen, die bei sehr hohen Spannungen auftreten können, lassen sich beseitigen, indem man in an sich bekannter Weise die Belegungen mit einem festen Isolierstoff umkleidet oder sie in denselben einbettet oder indem man die ganze Vorrichtung in einem komprimierten Gase arbeiten läßt.Because you can easily make large and small changes in capacity can produce, so you can change the ratio of the voltages at will make it big or small. With a large gear ratio it works very well to produce or transform large or very small voltages. Any previous discharges, which can occur at very high voltages can be eliminated by in a manner known per se, the coverings are covered with a solid insulating material or embedding them in them, or by compressing the whole device into one Let gases work.

Die Möglichkeit, mit Leichtigkeit hohe Gleichspannungen bei geringen Umformungsverlusten zu erzeugen - die sonst in den Maschinen und Transformatoren vorhandenen Kupfer- und Eisenverluste kommen gänzlich in Fortfall-, macht das Verfahren besonders geeignet zur elektrischen Energieübertragung mit hochgespanntem Gleichstrom, wobei dann außerdem noch alle Vorteile zur Geltung kommen, die die Übertragung mit hochgespanntem Gleichstrom gegenüber der Ubertragung mit hochgespanntem Wechselstrom an sich auszeichnen, wie geringere Isolierung bei der gleichen Übertragungsspannung, Fortfall der Kapazitätsströme, Vereinfachung des Parallelschaltensund der Spannungsregulierung, Leistungsfaktor immer gleich eins usw. Man hat berechnet, daß die Anlagekosten der Fernleitung bei Übertragung von ioo ooo kW auf 32o km mit 22o ooo Volt Wechselstrom =o Millionen Mark und dasselbe mit 3oo ooo Volt Gleichstrom nur 6 Millionen Mark betragen, wenn der Leistungsfaktor bei der Wechselstromübertragung gleich eins ist.The ability to with ease high DC voltages at low Generate forming losses - otherwise in the machines and transformers Existing copper and iron losses are completely eliminated, the process makes particularly suitable for electrical energy transmission with high-voltage direct current, in addition, all the advantages that the transfer comes into play high-voltage direct current versus transmission with high-voltage alternating current distinguish themselves, such as lower insulation at the same transmission voltage, Elimination of capacitance currents, simplification of parallel switching and voltage regulation, The power factor is always equal to one, etc. It has been calculated that the investment costs of the Long-distance line when transmitting 100,000 kW to 32,000 miles with 220,000 volts alternating current = o million marks and the same with 300,000 volts direct current only 6 million marks when the power factor in alternating current transmission is one.

Auf der Zeichnung ist eine Einrichtung zum Ausführen des Verfahrens in Vorderansicht (Abb. 2) und Seitenansicht (Abb. 3) veranschaulicht. Auf einer Welle a ist eine Sektorscheibe b aus festem Isolierstoff befestigt. In geringem Abstande von der Scheibe b ist parallel dazu eine ganz ähnliche Scheibe c fest angeordnet, so daß bei der fortlaufenden Umdrehung der Welle a beide Scheiben sich zeitweise decken. Im Innern besitzen beide Scheiben Metalleinlagen d und e, die mit den metallischen Vorsprüngen g und f leitend verbunden sind. Vor der beweglichen Scheibe b befinden sich zwei kreisbogenförmige Metallbügel h und i, die durch die an dem Vorsprung f befestigte Bürste k bisweilen mit der Metalleinlage d der beweglichen Scheibe b Kontakt erhalten.The drawing shows a device for carrying out the method in front view (Fig. 2) and side view (Fig. 3). A sector disk b made of solid insulating material is attached to a shaft a. At a short distance from the disk b, a very similar disk c is fixedly arranged parallel to it, so that as the shaft a continues to rotate, the two disks temporarily coincide. Inside, both discs have metal inserts d and e, which are conductively connected to the metallic projections g and f. In front of the movable disk b there are two circular arc-shaped metal brackets h and i, which sometimes come into contact with the metal insert d of the movable disk b through the brush k attached to the projection f.

Soll nun z. B. niedriggespannter Gleichstrom in hochgespannten umgeformt werden, so wird das Unterspannungsnetz an den Vorsprung g und den Metallbügel i, das Oberspannungsnetz an den Vorsprung g und den Metallbügel h gelegt und die Scheibe b in der Richtung l (Abb. 2) gedreht.Should z. If, for example, low-voltage direct current is converted into high-voltage, the low-voltage network is placed on the projection g and the metal bracket i, the high-voltage network on the projection g and the metal bracket h, and the disk b is rotated in the direction l (Fig. 2).

Angenommen, die Bürste k schleife gerade auf dem Metallbügel i, dann wird die Einlage d eine Potentialdifferenz von der Größe der Unterspannung gegenüber der Einlage e haben. Je mehr die beiden Einlagen sich einander nähern, desto größer wird die Kapazität des aus ihnen gebildeten Kondensators, so daß der Kondensator sich aufladet, also Energie aus dem Unterspannungsnetz entnimmt. In dem Augenblicke, in dem die beiden Einlagen sich decken, also der Kondensator die größte Ladung besitzt, verläßt die Bürste k den Bügel i : der Kondensator ist dann vom Unterspannungsnetz abgetrennt. Da die beiden Einlagen sich jetzt voneinander entfernen, verringert sich die Kapazität des Kondensators bei konstanter Ladung, so daß die Spannung steigt. Hat sie die Größe der Oberspannung erreicht, dann berührt dieBürstek den Bügel h, der Kondensator liegt nunmehr am Oberspannungsnetz, und da er bei konstanter Spannung seine Kapazität weiter verringert, entladet er sich, gibt also Energie ins Oberspannungsnetz ab. Die Energieabgabe setzt sich so lange fort, bis die beiden Einlagen die größte Entfernung voneinander haben, die Kapazität also ein Minimum erreicht hat. In. diesem Augenblicke verläßt die Bürste k den Bügel h, und es erfolgt nun Abnahme der Potentialdifferenz infolge wachsender Kapazität bei konstanter Ladung. Wenn die Potentialdifferenz der Unterspannung erreicht ist, berührt die Bürste k wieder den Bügel i, und der Kondensator nimmt infolge wachsender Kapazität bei konstanter Spannung Ladung und damit Energie aus dem Unterspannungsnetz auf. Damit ist der Zustand wieder erreicht, von dem ausgegangen wurde.Assuming that the brush k is just dragging on the metal bracket i, then the insert d will have a potential difference equal to the size of the undervoltage compared to the insert e. The closer the two deposits to each other, the greater the capacity of the capacitor formed from them, so that the capacitor is charged, that is, it takes energy from the low-voltage network. At the moment when the two deposits coincide, i.e. the capacitor has the greatest charge, the brush k leaves the bracket i: the capacitor is then disconnected from the low-voltage network. Since the two inserts are now moving away from each other, the capacitance of the capacitor is reduced with a constant charge, so that the voltage increases. When it has reached the size of the high voltage, the brush touches the bracket h, the capacitor is now connected to the high voltage network, and since it further reduces its capacity at constant voltage, it discharges, i.e. it releases energy into the high voltage network. The energy release continues until the two deposits are the greatest distance from each other, i.e. the capacity has reached a minimum. In. At this moment the brush k leaves the bracket h, and the potential difference now decreases as a result of increasing capacitance with a constant charge. When the potential difference of the undervoltage is reached, the brush k touches the bracket i again, and the capacitor takes charge and thus energy from the undervoltage network due to the increasing capacity at constant voltage. The state from which it was assumed has thus been achieved again.

Soll umgekehrt hochgespannter Gleichstrom in niedriggespannten verwandelt werden, so ist es nur erforderlich, die Drehrichtung umzukehren (Richtung m in Abb. 2). Ebenfalls läßt sich dieselbe Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom verwenden; zweckmäßig wird hierbei die Welle a von einem Synchronmotor gesteuert.Conversely, high-voltage direct current is to be converted into low-voltage it is only necessary to reverse the direction of rotation (direction m in Fig. 2). The same device for converting alternating current can also be used use in direct current; In this case, the shaft a of a synchronous motor is expedient controlled.

Claims

PATENT CLAIMS: x. Method for converting electrical voltages with the help of a single capacitor which is alternately connected to primary and secondary networks and whose voltage prevailing at the occupancies can be brought to a desired amount by changing its capacitance at constant charge, characterized in that the capacitance of the Capacitor, while it is on these networks, is temporarily enlarged or reduced and that this desired amounts of energy are withdrawn from the networks or supplied. a. Method according to Claim z, characterized in that the voltage on the capacities of the capacitor is brought to the corresponding values of the primary and secondary network voltages before it is connected to these networks. 3. The method according to claim z and z, characterized in that the assignments of the capacitor are surrounded in a known manner by solid insulating material or by compressed gases or by both. q .. device for carrying out the method according to claim x to 3, characterized in that an insulating washer (b), the metal coating (d) of which is expediently embedded in its mass and conductively connected to a metallic projection (f) protruding over its surface, turns past a stationary disc (c, e, g), temporarily covering it, and that the coating (d) of the rotating disc (b) is replaced by a brush (k) on its projection (f), alternating with two circular-arc-shaped Contact with metal brackets (h, i) , of which one is connected to one conductor of the primary, the other to one conductor of the secondary network, while the conductor common to the primary and secondary networks is connected to the metallic projection (g) of the covering (e) the stationary insulating washer (c).