DE561636C

DE561636C - Device for converting high-voltage direct current into mechanical energy using a valve-controlled motor

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Publication number: DE561636C
Application number: DE1930561636D
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1930-03-08
Filing date: 1930-03-08
Publication date: 1934-06-09

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM 9. JUNI 1934ISSUED ON June 9, 1934

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 21 dV GRUPPECLASS 21 dV GROUP

Patentiert im Deutschen Reiche vom 8. März 1930 abPatented in the German Empire on March 8, 1930

Die fortgesetzte Steigerung der auf große Distanzen zu tibertragenden Leistungen und die der Übertragung mittels hochgespanntem Drehstrom anhaftenden Nachteile hinsichtlich Blindleistung, Spannungsabfall und Betriebssicherheit führen immer wieder dazu, die Übertragung durch hochgespannten Gleichstrom über Kabel herbeizuführen. Die praktische Verwendbarkeit einer solchen Hochspannungsgleichstromübertragung hängt davon ab, ob der hochgespannte Gleichstrom am Verbrauchsorte in eine für den Verbrauch praktische Stromart umgeformt werden kann. Im allgemeinen wird es sich darum handeln, den Hochspannungsgleichstrom am Verbrauchsort in Drehstrom mit Frequenz 50 umzuformen. Dieses Problem ist z. Zt. wenigstens theoretisch gelöst. In gewissen Sonderfällen kann es sich aber auch darum handeln, an eine solche Übertragungsleitung unmittelbar Motoren anzuschließen, ohne daß erst eine Umformung auf Drehstrom vorausgehen soll.The continued increase in the performance to be transmitted over great distances and the disadvantages associated with transmission by means of high-tension three-phase current Reactive power, voltage drop and operational reliability lead time and again to the To bring about transmission by high-voltage direct current via cable. The practical one The usability of such a high-voltage direct current transmission depends on whether the high-voltage direct current is at the Consumption locations can be converted into a type of electricity that is practical for consumption. In general, it will be about the high-voltage direct current at the place of consumption to be converted into three-phase current with a frequency of 50. This problem is e.g. At least theoretically solved at the moment. In certain special cases but it can also be a matter of direct connection to such a transmission line To connect motors without first converting to three-phase current.

Es ist nun bekannt, daß ventilgesteuerte Gleichstrommotoren, bei denen die verschiedenen Speisepunkte der Arbeitswicklung über Ventile mit der Gleichstromzu- oder -ableitung verbunden sind, mit Gleichstrom von verhältnismäßig hoher Spannung gespeist werden können. Die für derartige Maschinen zulässige Spannung ist indessen durch die Isolation der Maschinen nach oben begrenzt. Diese zulässigen Spannungen sind aber als Übertragungsspannungen viel zu klein und somit für eine wirtschaftliche Fernübertragung nicht brauchbar.It is now known that valve controlled DC motors, in which the various Feed points of the working winding via valves with the direct current supply or discharge are connected to be fed with direct current of relatively high voltage can. The voltage permissible for such machines is, however, due to the insulation of the machines limited upwards. However, these permissible voltages are much too small and as transmission voltages thus not usable for an economical long-distance transmission.

Es ist weiterhin bekannt, daß die in den Wicklungsteilen der Arbeitswicklung eines Gleichstrommotors induzierte Spannung eine reine Wechselspannung ist. Bei ventilgesteuerten Motoren, also Motoren ohne mechanischen Kommutator, zünden die Gitter die zugehörigen Anoden in demjenigen Moment, in welchem die in ' dem zugehörigen Motorwicklungsteil induzierte Gegenspannung ungefähr gleich der aufgedrückten Gleichspannung ist. Da also die mit den einzelnen Anoden verbundenen Wicklungsteile des Motors eine reine Wechselspannung gegenüber dem Sternpunkt der Arbeitswicklung des Motors führen, ergibt sich die Möglichkeit, die im Motor selbst induzierte Wechselspannung den Anoden des Ventils indirekt, d. h. über einen Transformator, zuzuführen.It is also known that in the winding parts of the working winding one DC motor induced voltage is a pure alternating voltage. With valve-controlled Motors, i.e. motors without a mechanical commutator, ignite the grid and the associated anodes at the moment in which the counter voltage induced in 'the associated motor winding part is approximately equal to the applied DC voltage. So there the one with the individual anodes connected winding parts of the motor a pure alternating voltage with respect to the star point of the working winding of the motor lead, there is the possibility of the AC voltage induced in the motor itself Anodes of the valve indirect, d. H. via a transformer.

Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zur Umformung von hochgespanntem Gleichstrom in mechanische Energie unter Verwendung eines ventilgesteuerten Motors, bei der erfindungsgemäß die ankommende Gleichspannung der Arbeitswicklung des Motors mittelbar über einen Transformator zugeführt wird.The invention now relates to a device for forming high-tension materials Direct current into mechanical energy using a valve controlled motor, in the case of the invention the incoming DC voltage of the working winding of the motor indirectly via a transformer is fed.

Auf diese Weise muß also nicht mehr die vom Motor selbst erzeugte Spannung, sondern seine hinauftransformierte Gegenspan-In this way, the voltage generated by the motor itself no longer has to be used, but its up-transformed counter-tension

nung mit der ankommenden Gleichspannung im Gleichgewicht sein. Es kann somit ein derartiger ventilgesteuerter Motor über einen Transformator von einem Hochspannungsgleichstromsystem gespeist werden, dessen Spannung beliebig größer als die dem Motor unmittelbar zugeführte Spannung sein kann. Der im Gleichstromsystem selbst fließende Strom fließt dabei überhaupt nicht über den ίο Motor. Die konstruktive Ausbildung des Motors in Abb. ι und 2 entspricht derjenigen einer normalen Synchronmaschine.voltage must be in equilibrium with the incoming DC voltage. It can thus be a such valve controlled motor via a transformer from a high voltage direct current system are fed, the voltage of which can be any greater than the voltage directly supplied to the motor. The current flowing in the direct current system itself does not flow through the ίο engine. The design of the engine in Fig. Ι and 2 corresponds to that a normal synchronous machine.

Gegenüber der unmittelbaren Speisung eines ventilgesteuerten Motors ergibt sich für den Betrieb insofern eine Abweichung, als ein mittelbar gespeister Motor nicht selber anläuft, denn die Oberspannungswicklung des Transformators, also die Primärwicklung, darf ja erst dann mit dem Gleichstromnetz verbunden werden, wenn die im Transformator erzeugte Wechselspannung der ankommenden Gleichspannung das Gleichgewicht hält, ganz abgesehen davon, daß ein in der Primärwicklung des Transformators fließender Gleichstrom in der Sekundärwicklung des Transformators keinen Strom induziert. Aus diesen Gründen muß ein derartiger mittelbar •gespeister Motor durch einen Anwurfmotor erst auf eine bestimmte Geschwindigkeit gebracht werden. Die Verbindung mit dem Gleichstromnetz kann in dem Moment erfolgen, wo die von der Transformatorprimärwicklung über das gesteuerte Ventil erzeugte Gleichspannung gleich der ankommenden Gleichspannung ist.Compared to the direct supply of a valve-controlled motor, the result is for the operation is a deviation insofar as an indirectly fed motor is not itself starts, because the high-voltage winding of the transformer, i.e. the primary winding, may not be connected to the direct current network until the in the transformer generated alternating voltage keeps the incoming direct voltage in equilibrium, quite apart from the fact that one in the Primary winding of the transformer direct current flowing in the secondary winding of the transformer Transformer does not induce any current. For these reasons, such an indirect • The powered motor is first brought to a certain speed by a starter motor will. The connection to the direct current network can be made at the moment when the transformer primary winding DC voltage generated by the controlled valve is equal to the incoming DC voltage.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Abb. 1 eine Einrichtung zur Umformung von hochgespanntem Gleichstrom in mechanische Energie mit dem zugehörigen Anwurfmotor und zur Erzeugung der positiven Spannungsimpulse für die Gittersteuerung durch die die Feldwicklung des Motors speisenden Hilfsanoden. Abb. 2 zeigt die Erzeugung der positiven Spannungsimpulse durch eine besondere Kontaktvorrichtung. In beiden Abbildungen ist angenommen, daß der Minuspol des ankommenden Gleichstromnetzes geerdet ist. Um den Motor α in Betrieb zu setzen, muß dieser mit Hilfe des Anwurfmotors b, der als normaler Gleichstrommotor mit mechanischem Stromwender ausgeführt ist und mit dem Hauptmotor mechanisch gekuppelt ist, auf eine bestimmte Geschwindigkeit gebracht werden. Zu diesem Zweck wird der ankommende Gleichstrom vom Pluspol über den Anlaßwiderstand w, die Primärwicklung p des Haupttransformators t, das gezündete Ventil ν in den Anker d und die Feldwicklung e_x des Anwurfmotors b, von da über die Feldwicklung e₂ des Motors α und über den Kontakt ι des Umschalters n in den Minusleiter geführt. Parallel zu d, e_t und e₂ liegen die Widerstände w₃, W₂ und W₁, die zur Anpassung der in den vier Anlaßstufen durch die einzelnen Zweige fließenden Ströme dienen. Der Anwurfmotor b nimmt eine durch den vom Widerstand w zugelassenen Anfahrstrom bestimmte Drehzahl an. Der durch die Feldwicklung e₂ erregte Motor α gibt über die Leitungen X, Y, Z, U, V, W Spannung auf die Sekundärwicklung des Transformators t, so daß die Anoden c des Ventils ν eine Wechselspannung führen. Die Anoden c werden durch die gesteuerten Gitter g in ganz bestimmten Phasen der Wechselspannung mit der Kathode k verbunden. Die Phase wird so gewählt, daß der Mittelwert der Spannung gegenüber dem Sternpunkt während der Dauer der Verbindung um den Ohmschen Spannungsabfall des Betriebsstromes kleiner als die ankommende Gleichspannung und dieser entgegengerichtet ist, genau wie dies beim normalen Gleichstrommotor auch der Fall ist. Die Phasenlage der Gitterspannung kann durch den Phasenregler/, der als normaler Induktionsregler ausgeführt werden kann, beliebig eingestellt werden. Die in Stern geschaltete Sekundärwicklung des Phasenreglers / speist eine Gruppe von Hilfsanoden h des Ventils v, welche den für die Speisung der Hauptfeldwicklung e_a des Motors α notwendigen Erregerstrom liefert. Der Motor α besitzt somit zwei Feldwicklungen e₂ und e_s, deren erstere e₂ durch Umschaltung des Umschalters u von Stellung 1 auf Stellung 2 überbrückt werden kann, sobald die Wicklung e_s einen gewissen Strom führt. Ist nach dieser Umschaltung das oben beschriebene Spannungsgleichgewicht erreicht, so kann der Schalter m eingelegt, der Widerstand w also überbrückt werden. Durch Umlegen des Umschalters u von Stellung 2 auf Stellung 3 wird sodann der Anwurfmotor b spannungslos gemacht und durch Umschalten auf Stellung 4 dessen Anker d mit Hilfe des mit Schleppkontakt versehenen Schalters u überbrückt, womit der Anlaßvorgang beendet ist. Die Spannung an der Feldwicklung e_s des Motors α und damit auch der Erregerstrom in dieser Wicklung verändert sich proportional mit der ankommenden Gleichspannung. Dies ergibt eine bessere Stabilität der Drehzahl des Motors gegenüber Spannungsschwankungen im Gleichstromnetz. Die Erregung des Feldsystems des Motors α kann in gleicher Weise wie bei normalen Gleichstrommotoren sowohl in Abhängigkeit von der ankommenden Gleichspannung als auch in Abhängigkeit des Gleichstromes im Gleichstromsystem wie auch in Abhängigkeit von StromIn the drawing, exemplary embodiments of the invention are shown schematically, namely Fig. 1 shows a device for converting high-voltage direct current into mechanical energy with the associated starter motor and for generating the positive voltage pulses for the grid control through the auxiliary anodes feeding the field winding of the motor. Fig. 2 shows the generation of positive voltage pulses by a special contact device. In both figures it is assumed that the negative pole of the incoming direct current network is earthed. In order to put the motor α into operation, it must be brought to a certain speed with the help of the starter motor b, which is designed as a normal DC motor with a mechanical commutator and is mechanically coupled to the main motor. For this purpose, the incoming direct current from the positive pole via the starting resistor w, the primary winding p of the main transformer t, the ignited valve ν in the armature d and the field winding e _{x of} the starting motor b, from there over the field winding e _{2 of} the motor α and over the contact ι of the switch n led into the negative conductor. The resistors w ₃ , W ₂ and W ₁ , which serve to adapt the currents flowing through the individual branches in the four starting stages, are parallel to d, e _t and e _2. The starting motor b assumes a speed determined by the starting current permitted by the resistor w. The motor α excited by the field winding e ₂ sends voltage to the secondary winding of the transformer t via the lines X, Y, Z, U, V, W , so that the anodes c of the valve ν carry an alternating voltage. The anodes c are connected to the cathode k by the controlled grid g in very specific phases of the alternating voltage. The phase is chosen so that the mean value of the voltage against the star point during the duration of the connection is less than the incoming DC voltage by the ohmic voltage drop of the operating current and this is opposite, exactly as is the case with a normal DC motor. The phase position of the grid voltage can be set as required using the phase regulator /, which can be designed as a normal induction regulator. The star-connected secondary winding of the phase regulator / feeds a group of auxiliary anodes h of the valve v, which supplies the excitation current required to feed the main field winding e _{a of} the motor α. The motor α thus has two field windings e ₂ and e _s , the former e _{2 of} which can be bridged by switching the switch u from position 1 to position 2 as soon as the winding e _s carries a certain current. If the voltage equilibrium described above is reached after this switchover, the switch m can be engaged, the resistor w thus bridged. By switching the switch u from position 2 to position 3, the starter motor b is de-energized and by switching to position 4, its armature d is bridged with the aid of the switch u provided with a drag contact, thus ending the starting process. The voltage at the field winding e _{s of} the motor α and thus also the excitation current in this winding changes proportionally with the incoming DC voltage. This results in a better stability of the speed of the motor against voltage fluctuations in the direct current network. The excitation of the field system of the motor α can, in the same way as with normal DC motors, both as a function of the incoming direct voltage and as a function of the direct current in the direct current system and also as a function of the current

und Spannung des Gleichstromsystems zugleich erfolgen. Die äußeren Eigenschaften eines derartigen Motors decken sich dann vollkommen mit denjenigen eines normalen Gleichstromnebenschluß- bzw. -reihenschluß- bzw. Kompoundmotors in Einschluß der Drehzahlregelung. Der Strom in den Hilfsanoden h wird gleichzeitig zur Erzeugung der zur Steuerung der Gitter g notwendigen positiven Spannungsimpulse herangezogen, indem der den Hilfsanoden h zufließende Strom in den Stromwandlern %, n₂ usf. einen Spannungsimpuls erzeugt, der den Gittern g der Hauptanoden c des Ventils ν zugeführt wird.and voltage of the direct current system take place at the same time. The external properties of such a motor then completely coincide with those of a normal direct-current shunt or series-wound or compound motor, including the speed control. The current in the auxiliary anodes h is used at the same time to generate the positive voltage pulses necessary to control the grid g , in that the current flowing to the auxiliary anodes h generates a voltage pulse in the current transformers%, n _2, etc., which the grid g of the main anodes c of the valve ν is supplied.

Die Drehzahl des Motors α kann durch einfaches Verstellen des Phasenreglers völlig verlustlos oder mit Hilfe von Widerständen durch Verändern der Felderregung in weiten Grenzen stetig reguliert werden. Damit der Motor α richtig arbeitet, muß der Phasenregler / so eingestellt werden, daß die Zündung einer Anode in einem Moment erfolgt, wo die Yom Motor induzierte Spannung in dem mit dieser Anode verbundenen Wicklungsteil kleiner ist als die entsprechende Spannung der zeitlich unmittelbar vorher brennenden Anode. In der Zwischenzeit zwischen zwei positiven Spannungsimpulsen sind die Gitter g gegenüber der Kathode k des Gleichrichters negativ geladen, was durch Verbinden der Gittersammelleitung ο mit dem Nullpunkt der Sekundärwicklung von f erreicht wird.The speed of the motor α can be regulated completely losslessly by simply adjusting the phase regulator or with the help of resistors by changing the field excitation continuously within wide limits. So that the motor α works correctly, the phase regulator / must be set so that the ignition of an anode takes place at a moment when the voltage induced by the motor in the part of the winding connected to this anode is lower than the corresponding voltage of the anode which was burning immediately before . In the meantime between two positive voltage pulses, the grids g are negatively charged with respect to the cathode k of the rectifier, which is achieved by connecting the grid bus line ο to the zero point of the secondary winding of f .

Die Schaltung nach Abb. 2 unterscheidet sich von derjenigen der Abb. 1 dadurch, daß die positiven Spannungsimpulse für die Steuerung der Gitter £ nicht durch die die Feldwicklung e₃ des Motors speisenden Hilfsanoden h, sondern durch eine besondere Kontaktvorrichtung q erzeugt werden. Diese Kontaktvorrichtung q besitzt eine rotierende Bürste r, welche synchron mit dem Motor a mit einer derartigen Drehzahl rotiert, daß auf ähnliche Weise, wie oben beschrieben, jedes Gitter periodisch im gleichen Takt wie die Wechselspannung der zugehörigen Anoden einen positiven Spannungsimpuls pro Periode erhält. Die Gittersammelleitung 0 ist mit dem Minuspol, die Bürste r mit dem Pluspol einer Hilfsstromquelle χ verbunden, während ein zwischen dem Plus- und Minuspol der Hilfsstromquelle χ gelegener Punkt 0 mit der Kathode des Ventils ν verbunden ist. An Stelle der Hilfsstromquelle χ kann auch eine auf der Motorwelle sitzende Gleichstromhilfsmaschine verwendet werden. Alle Anodengitter sind über Ballastwiderstände dauernd mit dem Minuspol der Hilfsstromquelle χ verbunden, während die rotierende Bürste r die Segmente des Kontaktapparates q nacheinander bestreicht. Das mit der Bürste r jeweils verbundene Segment am Kontaktapparat q nimmt somit gleichzeitig mit dem zugehörigen Gitter g das Pluspotential an, und im gleichen Moment setzt der zugehörige Anodenstrom ein, um so lange zu brennen, bis er beim Einsetzen der nächstfolgenden Anode ausgelöscht wird. Das Anlassen des ventilgesteuerten Motors α kann auch über einen besondern, mit diesem verbundenen Kommutator erfolgen. Der Motor α erhält dann' konstruktiv die Form eines Einankerumformers und kann in dieser Form sowohl mechanische Energie als auch elektrische Energie in Form von Gleichstrom oder Drehstrom abgeben, auch kann der Einankerumformer mit zwei getrennten Wicklungen für die Gleichstrom- und für die Drehstromseite ausgeführt werden.The circuit according to Fig. 2 differs from that of Fig. 1 in that the positive voltage pulses for controlling the grid £ are not generated by the auxiliary anodes h feeding the field winding e _{3 of} the motor, but by a special contact device q. This contact device q has a rotating brush r which rotates synchronously with the motor a at such a speed that, in a similar manner to that described above, each grid periodically receives a positive voltage pulse per period at the same rate as the alternating voltage of the associated anodes. The grid manifold 0 χ is connected to the negative pole, the brush r to the positive terminal of an auxiliary power source, while a is connected between the positive and negative poles of the auxiliary power source χ situated point 0 to the cathode of the valve ν connected. Instead of the auxiliary power source χ , a DC auxiliary machine sitting on the motor shaft can also be used. All anode grids are permanently connected to the negative pole of the auxiliary power source χ via ballast resistors, while the rotating brush r sweeps the segments of the contact apparatus q one after the other. The segment on the contact apparatus q connected to the brush r thus assumes the positive potential at the same time as the associated grid g , and at the same time the associated anode current begins to burn until it is extinguished when the next following anode is inserted. The valve-controlled motor α can also be started via a special commutator connected to it. The motor α then takes the form of a single armature converter and in this form can deliver both mechanical energy and electrical energy in the form of direct current or three-phase current, the single armature converter can also be designed with two separate windings for the direct current and three-phase current side.

Claims

Patent claims:

1. Device for converting high-voltage direct current into mechanical energy using a valve-controlled motor, characterized in that the incoming DC voltage is fed indirectly to the working winding of the motor (0) via a transformer (i) and a controlled electric valve (v).

2. Device according to claim 1, characterized in that the primary winding (p) of the transformer (i) is connected in star or in zigzag.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the anodes (c) of the valve connected to the primary winding of the transformer are ignited at a moment in which their voltage relative to the neutral point of the winding is less than the corresponding voltage of the immediate temporal previously burning anode.

4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the ignition point of the anodes is shifted with the aid of a phase regulator (f).

5. Device according to claim 1 to 3, characterized in that a contact device (q) is used to shift the ignition point of the anodes.

6. Device according to claim 1 to 5, characterized in that the valve-controlled Motor receives two separate field windings, one of which depends on the current, the other in Depending on the voltage of the working winding of the motor is excited.

7. Device according to claim 1 to 6, characterized in that for feeding An auxiliary anode system is used for the voltage-dependent field winding of the motor.

8. Device according to claim 7, characterized in that the auxiliary anode system is used directly or indirectly to control the main anodes (c) of the valve (v) .

G. Device according to Claims 1 to 8, characterized in that the working winding of the motor itself or a winding magnetically coupled to it is led to the lamellae of a commutator on which brushes slide to draw off direct current.

ok Device according to claim ι to S, characterized in that multiphase current from the transformer or from the motor is tapped, which is converted back into direct current via special rectifiers or converters.

1 sheet of drawings