DE501402C

DE501402C - Equipment on electrical machines for commutation of direct current in a multi-phase winding

Info

Publication number: DE501402C
Application number: DEA52227D
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1927-10-16
Filing date: 1927-10-16
Publication date: 1930-07-09

Description

Einrichtung an elektrischen Maschinen zur Kommutierung von Gleichstrom in einer Mehrphasenwicklung Es ist bekannt, daß die Betriebsspannung von Gleichstrommotoren hauptsächlich durch die Lamellenspannung am Kollektor und die zugehörige Lamellenzahl, somit also durch die Kommutierungsschwierigkeiten begrenzt ist. Man hat bereits vorgeschlagen, die Stromwendung am Kollektor durch Verwendung von Ventilen zu verbessern. Hierbei hat man die Schleifbürsten des Kollektors in mindestens zwei Teilbürsten aufgelöst und zwischen die Teilbürsten die Ventile eingeschaltet. Bei Einrichtungen zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom hat man auch vorgeschlagen, den Gleichstrom über Ventile unmittelbar auf die Wicklung des Umformers zu leiten. Mit den hierbei für die Kom:mutierung des Gleichstromes angegebenen Mitteln wird .aber im praktischen Betrieb das angestrebte Ziel noch nicht erreicht. Es hat sich nun herausgestellt, d.aß es möglich ist, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, daß die mechanische Kommutierung des Gleichstrommotors durch einen Kommutierungsvorgang ersetzt wird, wie er z. B. in einem Ouecksilberdampfgleichrichter stattfindet.Equipment on electrical machines for commutation of direct current in a polyphase winding It is known that the operating voltage of DC motors mainly through the lamellar tension on the collector and the associated number of lamellas, is therefore limited by the commutation difficulties. One already has proposed to improve the commutation at the collector by using valves. Here you have the collector brushes in at least two part brushes dissolved and switched on the valves between the partial brushes. With facilities For converting direct current into alternating current, it has also been proposed to use direct current Directly to the winding of the converter via valves. With the here the means given for the commutation of the direct current are .aber in practice Operation has not yet achieved the intended goal. It has now turned out d.that it is possible to circumvent these difficulties by using the mechanical Commutation of the DC motor is replaced by a commutation process, how he z. B. takes place in a mercury vapor rectifier.

Bei einer Einrichtung zur Kommutierung von Gleichstrom in einer Mehrphasenwicklung, bei der die verschiedenen Speisepunkte nacheinander unter Umgehung mechanischer, den Arbeitsstrom führender Kommutatoren über Ventile oder Lichtbögen mit der Gleichstromzu- oder -ableitung verbunden werden, wird nun gemäß der Erfindung dem in den Ventilanoden fließenden Arbeitsstrom ein Wechselstrom überlagert, dessen Frequenz größer ist als die Frequenz der Grundharmonischen des gleichzeitig in der M:ehrphasenwicklung :erzeugten Mehrphasenstromes. Dieses geschieht dadurch, daß die verschiedenen Anzapfpunkte einer Gleichstromankerwicklung zwangsläufig über Ventile oder Lichtbögen :mit der Gleichstromzu-oder -.ableitung verbunden werden. Die Anwendung von Elektronenröhren zu diesem Zweck ist ohne weiteres möglich. Will man aber zwecks Aufnahme größerer Leistung die Elektronenröhren durch Quecksilberdampfventile ersetzen, so tritt ;insofern eine Schwierigkeit auf, als ein einmal gezündeter Quecksilberd.ampflichtbogen durch eine an das zugehörige Gitter angelegte Minusspannung nicht ohne weiteres gelöscht werden kann. Es ist vielmehr nur möglich, mit Hilfe dieser Minusspannung das Zünden des Lichtbogens, also das Entstehen eines Stromes, zu verhindern. Dieser Nachteil bei Anwendung des Ouecksiiberdampfgleichrichters für den vorliegenden Zweck kann dadurch vermieden werden, daß die ,Stromzu- bzw. -ableitun.g je an mindestens zwei Punkten der Ankerwicklung getrennt erfolgt und daß zwischen die Anschlußpunkte die Wechselspannung gemäß der Erfindung gelegt wird. Diese Wechselspannung erzeugt einen Wechselstrom, der dem ,eigentlichen Arbeitsgleichstrom überlagert ist, der zu jie gleichen Teilen in den verschiedenen Zu- oder Ableitungen der Ankerwicklung fließt. Die Amplitude des Wechselstromes stellt sich ohne weiteres so groß,ein, wie der betreffende Teilgleichstrom in den Zu- oder Ableitungen. Damit ist :erreicht, daß die Teilgleichströme in den Zu- bzw. Ableitungen zum Anker periodisch durch Null gehen, während der durch den Anker geführte Gleichstrom durch den überlagerten Wechselstrom nicht berührt wird. Dieser periodische Durchgang der Teilströme durch Null gestattet nun die Beeinflussung des Quecksilberdampflichtbogens durch ein gesteuertes Gitter mit Hilfe der im nachstehenden beschriebenen Schaltungen, die ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind.In the case of a device for commutating direct current in a multi-phase winding, in which the various feed points one after the other, bypassing mechanical, the working current of commutators via valves or arcs with the direct current supply or drainage is now, according to the invention, that in the valve anodes An alternating current is superimposed on the flowing working current, the frequency of which is greater than the frequency of the fundamental harmonics of the simultaneously in the multi-phase winding : generated multiphase current. This happens because the various tapping points a DC armature winding necessarily via valves or arcs: with the Direct current feed or discharge can be connected. The application of electron tubes for this purpose is easily possible. But if you want to accommodate larger ones Power to replace the electron tubes with mercury vapor valves, so occurs; insofar a difficulty than a mercury vapor arc, once ignited a negative voltage applied to the associated grid is not easily deleted can be. Rather, it is only possible to ignite with the help of this negative voltage of the electric arc, i.e. the creation of a current. This disadvantage when using the steam rectifier for the present purpose be avoided in that the, Stromzu- or -ableitun.g each at at least two Points of the armature winding takes place separately and that between the connection points AC voltage is applied according to the invention. These AC voltage generates an alternating current that is superimposed on the actual working direct current is that of the same parts in the various feed or discharge lines of the armature winding flows. The amplitude of the alternating current is easily so large that like the relevant partial direct current in the supply or discharge lines. This means: achieved, that the partial direct currents in the supply and discharge lines to the armature through periodically Go to zero while the direct current passed through the armature passes through the superimposed AC current is not touched. This periodic passage of the partial flows through Zero now allows the mercury vapor arc to be influenced by a controlled one Grid using the circuits described below, which are also subject of the invention.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Es ist angenommen, daß das Feld umläuft und der Anker stillsteht. Mit dem Feld a, b mechanisch starr verbunden sind derKommutator c und die Schleifringe d, e. Die Ankerwicklung f ist der übersichtlichkeit wegen in acht gleiche Teile unterteilt; die Anschlußpunkte sind mit I bis VIII bezeichnet. Diese Punkte sind zu den Doppelventilen g,-g, geführt, deren Steuergitter an den Kommutator c geführt sind, und zwar sind die Gitter der diametral gegenüberliegenden Doppelventile derart verbunden, daß das den Einlaß steuernde Gitter des einen mit dem den Auslaß steuernden Gitter des anderen Ventils über eine :gemeinsame Schleifbürste :mit dem Kommutator c verbunden ist. Der Kommutator c besitzt zwei Lamellen x, y, von denen die :eine mit dem Schleifring d und die andere mit dem Schleifring e leitend verbunden ist. An d-en Schleifring d ist die positive Gittersteuerspannung aus der Batterie B, und an den Schleifring e die negative Gittersteuerspannung der Batterie B; gelegt. Die Elektroden der Doppelventile sind zu .Sammelleitungen h geführt, die von den Wechselstromquellen. W" W. gespeist werden. Die Nullpunkte der Wechselstroemquellen W,, W> sind herausgeführt und mit der Gleichstromzu- und -ableitung verbunden, ebenso sind die Gittersteuerbatteri:en B,, B. an die Nullpunkte angeschlossen.An exemplary embodiment is shown schematically in the drawing. It is assumed that the field is rotating and the anchor is stationary. The commutator c and the slip rings d, e are mechanically rigidly connected to the field a, b. The armature winding f is divided into eight equal parts for the sake of clarity; the connection points are labeled I to VIII. These points are led to the double valves g, -g, whose control grids are led to the commutator c, namely the grids of the diametrically opposed double valves are connected in such a way that the grille controlling the inlet of one with the grating controlling the outlet of the other Valve via a: common grinding brush: is connected to the commutator c. The commutator c has two lamellas x, y, one of which is conductively connected to the slip ring d and the other to the slip ring e. The positive grid control voltage from battery B is applied to d-en slip ring d, and the negative grid control voltage from battery B is applied to slip ring e; placed. The electrodes of the double valves are led to manifolds h from the alternating current sources. W "W. are fed. The zero points of the alternating current sources W ,, W> are brought out and connected to the direct current supply and discharge line, and the grid control batteries B, B. are also connected to the zero points.

Bei dem gezeichneten Beispiel liegen die nicht mit der Ankerwicklung verbundenen Anoden der Ventile g,-g$ an den beiden äußeren positiven Ringleitungen h der Stromzuleitung, die Kathoden aber an den beiden inneren negativen Ringleitungenh der Stromableitung. Die Ventile g. und g" wirken in der gezeichneten Stellung als Einlaßventile und die diametral gegenüberliegenden. Ventile g, und g., als Auslaßventile. Der Gittersteuerstrom aus der Batterie B, drückt den durch Schleifbürsten untereinander verbundenen Gittern i., i3, i, i7 dieser Ventile ein zusätzliches Pluspotential über den Schleifring d und die Pluslamelle x des Kommutators c auf. Diese Ventile sind also leitend, so daß der Strom aus den positiven äußeren Ringleitungen h .über die Ventile g2 und g3 zu den Punkten II, III der Ankerwicklung fließt und sich zu beiden Seiten verteilend an den Punkten VI, VII über die Ventile g,,, g., in die negativen Ringleitungen h austritt. Bei der hierdurch hervorgerufenen Drehung des Ankers gegenüber dem Feld in der Pfeilrichtung gleitet die Bürste des Gitters i., von der Pluslamelle x des Kommutators c ab und gelangt auf die Minuslamelle y derselben. Das Gitter i7 und das über die Schleifbürste mit ihm verbundene Gitter i3 werden hiermit an die negative Gittersteuerspaunung gelegt, während _ gleichzeitig die Schleifbürste des Gitters i. des Ventils g, auf die Pluslamelle des Kommutators c aufläuft. Damit ist das Ventil g, und das mit ihm diametral verbundene Ventil g 1 leitend gemacht, und diese übernehmen nun die Stromführung zusammen mit den noch erregten Ventilen g., g,;. Dieses Spiel wiederholt sich mit der weiteren Drehung des Erregerfeldes. Der Kominutator c kann auch, unter Weglassung des Erregerfeldes, relativ zu den Bürsten mit beliebiger Tourenzahl rotieren zwecks Erzeugung eines Drehfeldes beliebiger Drehzahl oder von Mehrphasensystemen beliebiger Frequenz.In the example shown, the anodes of the valves g, -g $ that are not connected to the armature winding are connected to the two outer positive ring lines h of the power supply line, but the cathodes are connected to the two inner negative ring lines h of the power line. The valves g. and g "act in the position shown as inlet valves and the diametrically opposed valves g, and g., as outlet valves. The grid control current from battery B, presses the grids i., i3, i, i7 of these valves, which are connected to one another by grinding brushes additional positive potential via slip ring d and positive lamella x of commutator C. These valves are conductive, so that the current flows from the positive outer ring lines via valves g2 and g3 to points II, III of the armature winding and closes Exiting on both sides at points VI, VII via the valves g ,,, g., into the negative ring lines h. When the armature rotates in the direction of the arrow as a result of this, the brush of the grille slides off the plus lamella x of the commutator c and arrives at the minus lamella y of the same. The grid i7 and the grid i3 connected to it via the grinding brush are hereby attached to the negative grid Your grating is laid while _ at the same time the grinding brush of the grid i. of valve g, runs onto the plus lamella of commutator c. The valve g and the valve g 1 diametrically connected to it are thus made conductive, and these now take over the current flow together with the valves g., G,;., Which are still energized. This game repeats itself with the further rotation of the exciter field. The comminutator c can also, omitting the excitation field, rotate relative to the brushes with any number of revolutions for the purpose of generating a rotating field of any speed or of multi-phase systems of any frequency.

Die Frequenz der Wechselstromquellen TV, und W, muß ein Vielfaches der Frequenz des im Anker selbst erzeugten Mehrphasenstromes sein. Der Grund, warum dieFrequenz der Hilfswechselstromquellen ein Vielfaches der Frequenz des im Anker erzeugten Wechselstromes sein muß, liegt darin, daß das Verhältnis der Frequenzen zueinander mindestens gleich der Hälfte der Zahl :der auf dem Mehrphasensystem wirksamen Speisepunkte ist, weil während einer Arbeitsperiode der Ventile der Hilfswechselstrom mindestens einmal vom Scheitelwert in der einen Richtung zum Scheitelwert in der anderen Richtung variiert, also mindestens eine Halbperiode durchlaufen muß, damit der zugeordnete Gesamtstrom mit Einbezug &s Arbeitsgleichstromes -vom Maximalwert auf den Wert Null gebracht und die Kommutier ung möglich wird. Der Einfachheit halber wird man W, und W. als Transformatoren ausbilden, die von einem gemeinsamen Generator gespeist werden. Die Primärwicklungen der Transformatoren können in Serie geschaltet werden zu dem Zweck, eine Gleichheit der Amplituden der Wechselströme zuerzwingen.The frequency of the alternating current sources TV, and W, must be a multiple of the frequency of the polyphase current generated in the armature itself. The reason why the frequency of the auxiliary alternating current sources must be a multiple of the frequency of the alternating current generated in the armature is that the ratio of the frequencies to each other is at least equal to half the number of the feed points effective on the multiphase system, because during a working period of the valves the auxiliary AC least varied once the peak value in the one direction to the peak value in the other direction, so must go through a half-cycle at least, so the associated total current with inclusion & s working direct current - brought from the maximum value to the value zero and the commutating is ung possible. For the sake of simplicity, W and W will be designed as transformers that are fed by a common generator. The primary windings of the transformers can be connected in series for the purpose of forcing the amplitudes of the alternating currents to be equal.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist nicht auf dieVerwendung beiHochspannungsgl.eichstroinmotoren beschränkt, sondern ist auch anwendbar bei Gleichstrom-Gleichstrom-Hochspannungsumformern, indem man beispielsweise das im Anker erzeugte elektrische Mehrphasensystem mit einem künstlichen Nullpunkt versieht und durch Primäranzapfungen am Nullpunkttransformator oder von der Sekundärseite desselben über einen Gleichrichter die gewünschte niedere Gleichspannung erzeugt, oder aber, indem man auf dem Anker selbst eine zweite in Stern geschaltete Mehrphasenwicklung mit beliebiger Windungszahl anbringt, von der man über einen Gleichrichter oder über einen Kommut.ator die gewünschte Gleichspannung abnimmt. Die Einrichtung ist auch verw.end@bar für Gleichstrom-Drehstrom- sowie für Frequenzumformer. Die Trommelwicklung kann sinngemäß durch die Wicklung eines Mehrphasentransformators ersetzt werden in Vieleckschaltung, oder einer Verbindung der Vieleckschaltung mit der Sternschaltung. Hierbei können flie Bürstensätze mechanisch mit beliebiger, der gewünschten Frequenz entsprechender Tourenzahl gedreht werden.The device according to the invention is not intended for use in high voltage equi-flow motors limited, but can also be used for DC-DC high-voltage converters, for example by using the electrical multi-phase system generated in the armature provides an artificial zero point and through primary taps on the zero point transformer or from the secondary side of the same via a rectifier the desired lower DC voltage is generated, or by adding a second in Attaches star-connected polyphase winding with any number of turns from which the desired DC voltage is obtained via a rectifier or a commutator decreases. The facility is also verw.end@bar for direct current three-phase as well as for frequency converters. The drum winding can analogously by winding a Polyphase transformers can be replaced in polygonal connection, or a connection the polygon connection with the star connection. Here, brush sets can flow mechanically can be rotated with any number of revolutions corresponding to the desired frequency.

Zwecks Verbesserung der Verteilung des Arbeitsgleichstromes auf die verschiedenen Zu- und Ableitungen können neben der Haupterregerwicklung noch eine Kompensationswicklung und Wendepole vorgesehen werden.In order to improve the distribution of the working direct current on the various supply and discharge lines can be used in addition to the main excitation winding Compensation winding and reversing poles are provided.

Der für die Kommutierung erforderliche Wechselstrom kann auch einem Hilfsmehrphasensystem entnommen werden, dessen Frequenz so groß sein muß, daß während einer Periode desselben :der Verteiler je eine der den einzelnen Phasen des Hilfs,mehrphasensystems zugeordneten -Anoden zum .,nsprechen bringt, in ähnlicher Weise wie für Einphasenstrom beschrieben.The alternating current required for commutation can also be a Auxiliary multiphase system are taken, the frequency must be so large that during one period of the same: the distributor each one of the individual phases of the auxiliary, multiphase system associated with anodes, in a similar way as for single-phase current described.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device .an electrical machines for commutation v of direct current in .einer polyphase winding, in which the various feed points are connected to the direct current supply or discharge line one after the other by bypassing mechanical commutators via valves or arcs, characterized in that the working current flowing in the valve anodes is a Alternating current is superimposed, the frequency of which is greater than the frequency of the fundamental harmonics of the multi-phase current generated at the same time in the multi-phase winding. @. Device according to Claim i, characterized in that the alternating current of higher frequency superimposed on the working current is so great that the resulting anode current periodically drops approximately to the value zero. 3. Device according to claim i, characterized in that the alternating current is only sent into the circuit formed by the commutating winding parts and the associated anodes. , 1 .. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the multi-phase winding (f) is connected to the inlet and outlet via double valves (gl-gs), whereby the control grids (i) of the diametrically opposite one and outlet valves are alternately connected to the positive and negative grid control voltage and their electrodes are connected to auxiliary power sources (W1, W,) on the one hand via ring lines (h.), and to the polyphase winding (f) on the other hand, and that the zero point of the Auxiliary AC power sources (W1, W @) are connected to the supply and discharge lines and, at the same time, to one pole of the grid control batteries (B1, B,). Device according to claim .4., Characterized in that the grids (i) of the diametrically opposite double valves (g, -gu) are connected in such a way that the grille (i »of one (g.) Controlling the E, inlet control with the : outlet-controlling grille (i ") of the other valve (g") is connected via a: common grinding brush with a K mmutator (c). 6. Device according to claims i to q., characterized in that the inlet and outlet controlling grid (i) of the double valves (gl-gs) are fed via separate commutators (c, t), and that the commutator 1 f) for the measuring grid is provided with lamellae, which are connected in potentiometers by resistors and with two points of the grid control batteries connected, each of which is a certain amount below the plus and minus value of the working voltage. 7. Device according to claim i, characterized in that the auxiliary AC voltage is generated in transformers which are fed by a common generator. S. Device according to Claim 7, characterized in that the primary windings of the transformers are connected in series for the purpose of forcing the amplitudes of the alternating currents to be equal. G. Device according to Claims 1 to 8, characterized in that the commutator is mechanically connected to a DC exciter field which is opposite the polyphase winding serving as an armature, the controlled valves performing the function of the collector of a DC machine. ok Device according to Claims 1 to 8, characterized in that the commutator is rotated with any number of revolutions when the excitation field is omitted for the purpose of generating rotating fields and electrical multiphase systems of any variable number of revolutions or frequency in the multiphase winding. ii. Device according to claim 10, characterized in that the multi-phase winding is formed by the primary winding of a transformer system for the purpose of generating multi-phase systems of any number of phases with a variable frequency.