DE621927C - Gleichstrom-Gleichstromumformer - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AlB 15. NOVEMBER 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Vr 621 KLASSE 2Id¹ GRUPPE

Berthold Springer in Berlin-Schöneberg Gleichstrom-Gleichstromumformer

Patentiert im Deutschen Reiche vom 3. Oktober 1933 ab

Es ist bereits bekannt, niedrig gespannten Gleichstrom in höher gespannten Gleichstrom dadurch umzuwandeln, daß eine Mehrzahl einzelner Kondensatoren mit der umzuwandelnden Grundspannung aufgeladen werden und dann die Summenspannung sämtlicher Einzelkondensatoren abgenommen wird. Die Höhe der Summenspannung entspricht dann der Anzahl der Kondensatoren multipliziert _

ίο mit der Grundspannung.

Eine solche Art der Umwandlung mittels Kondensatoren hat gegenüber den mit einem Wechselstromtransformator arbeitenden Gleichstrom-Gleichstromumformern den Vorteil, daß sie praktisch verlustfrei arbeitet. Die bisher nach diesem Prinzip gebauten Gleichstrom - Gleichstromumformer waren aber praktisch nicht verwendbar. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß es im Betrieb außerordentlich schwer ist, die erforderlichen Umschaltungen der Kondensatoren vorzunehmen. Es ist nämlich eine sehr große Schaltfolge pro Sekunde erforderlich, um eine kontinuierliche Gleichspannung zu erzielen. Außerdem sind die zum Teil mehrere tausend Volt betragenden Spannungen zu berücksichtigen, und schließlich soll die Umschaltvorrichtung nur einen geringen Kraftbedarf haben. Die bisher entwickelten selbsttätigen Umschaltvorrichtungen, die in der Hauptsache mit umlaufenden Kontakttrommeln arbeiten, haben den zu stellenden Anforderungen in keiner Weise genügt, da sich in kurzer Zeit zwischen den einzelnen Metallkontakten metallisch leitende Bahnen auf dem Trommelumfang bildeten, die zum Kurzschluß führten. Weiterhin sind auch rasch umlaufende Kontakttrommeln für einen Dauerbetrieb nicht ohne besondere Wartung betriebssicher zu bauen. Ferner erfordern die bekannten Umschaltvorrichtungen sehr umständliche Kondensatorenschaltungen mit zahlreichen Kontakten.

Gemäß der Erfindung wird nun eine ständig betriebssichere und einwandfreie Um- +5 Schaltung der Kondensatoren dadurch erreicht, daß Gruppen von nebeneinander- oder übereinanderliegenden Federkontakten gebildet sind, von denen ein zwischen je zwei Kontakten liegender federnder Kontakt derart in hin und her gehende Bewegungen versetzt wird, daß er abwechselnd einen der beiden äußeren Kontakte berührt und daß die Einzelkondensatoren untereinander und mit den Kontakten derart verbunden sind, daß die Einzelkondensatoren, bei Berührung der Mittelkontakte mit den äußeren Kontakten an der einen Seite mit der umzuwandelnden Grundspannung in Parallelschaltung und bei Berührung mit den äußeren Kontakten an der an.deren Seite mit dem Verbraucherkneis in Reihenschaltung verbunden sind oder umgekehrt.

Der Erfindungsgegenstand ist überall da anwendbar, wo die Umwandlung¹ einer Gleichstromspannung in Frage kommt; z. B. ist hochgespannter Gleichstrom zum Prüfen von Leitungsanlagen auf Isolation usw. erforderlich. Diese Prüfung muß mit verhältnis-

mäßig hohen Spannungen vorgenommen werden, zu deren Erzeugung- bisher die ziemlich ungenauen und kostspieligen Kurbelinduktoren oder besondere große Maschinen verwendet werden. Ferner ist der hochgespannte Gleichstrom geeignet zum Betrieb von mit Edelgas gefüllten Leuchtröhren, weiterhin zur Kraftübertragung usw. Die Abwärtstransformierung der Gleichstromspannung kommt ίο z. B. in Frage beim Aufladen von Akkumulatoren aus einem Speisenetz, beim Betrieb von Sendern, bei der Röhrenheizung für Netzanschlußgeräte usw.

An Hand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung an Hand eines Transformators für Aufwärtstransformierung näher erläutert werden.

Fig. ι zeigt die Einzelkondensatoren in Parallelschaltung.'

ao Fig. 2- zeigt die Einzelkondensatoren auf Reihenschaltung umgeschaltet.

Fig. 3 stellt eine selbsttätige Umschaltvorrichtung gemäß der Erfindung für einen Gleichstrom-Gleichstromumformer für Aufwärtstransformierung dar.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Umschaltvorrichtung inr Längsschnitt. Fig. S zeigt einen Querschnitt der Fig. 4. Figv 6 stellt ein Schaltschema zur Aufwärjstransformierung für die Ausführung gemäß den Fig. 4 und 5 dar.

Fig. 7 zeigt ein Schaltschema für Abwärtstransformierung in der Aufladestellung der Einzelkondensatoren.

Fig. 8 zeigt die Schaltung der Einzelkondensatoren in der Schaltstellung zur Abnahme der abwärts transformierten Spannung, i, 2, 3 sind die Einzelkondensatoren, deren Zahl natürlich beliebig ist, 4 ein Außgleichskondensator, der zum Aufrechterhalten der Spannung während der Umschaltungen dient; 5 ist der Anschluß für den Verbraucherkreis, der an den Ausgleichskondensator angeschlossen ist. An Stelle eines einzigen Ausgleichs- *5 kondensators können selbstverständlich auch mehrere vorgesehen sein; der Ausgleichskondensator kann aber auch unter Umständen ganz weggelassen werden. 6 ist der Anschluß für die Stromquelle mit der umzuwandelnden Gleichstromgrundspannung.

Bei dem Schaltschema gemäß Fig. 1 liegen die drei Einzelkondensatoren in Parallelschaltung an der Grundspannung' 6, so daß sie aufgeladen werden, und bei dem Schaltschema gemäß Fig. 2 sind sie in Reihenschaltung an den Sammel- oder Ausgleichskondensator 4 angeschlossen. Dieser wird demgemäß auf die dreifache Grundspannung praktisch verlustfrei aufgeladen, so daß an den Verbraucherkreis 5 hochgespannter Gleichstrom abgegeben werden kann.

Die Umschaltung spielt sich so ab, daß die Kondensatoren immer abwechselnd aus der einen Schaltstellung in die andere gebracht werden. Um dies in rascher Folge selbsttätig durchzuführen, ist die in Fig. 3 dargestellte Umschalteinrichtung vorgesehen.

Bei dieser sind immer je drei Kontaktfedern a, h, c in einem Block 7 aus Isoliermaterial befestigt und bilden Federgruppen, die in einem Kreisbogen angeordnet sind. Mit den einzelnen Federn sind die Einzelkondensatoren 1, 2, 3, der Ausgleichskondensator 4 und der Primärstromkreis 6 in der aus Fig. 3 deutlich erkennbaren Weise verbunden. Die verlängerten Enden der Mittelfedern b greifen in Ausnehmungen 8 eines um die Achse 9 pendelnd gelagerten Schaltelements 10 ein. ■ Dieses besteht entweder aus Isoliermaterial oder es können die Enden der Federn b isoliert sein; jedenfalls muß eine Isolierung zwischen den einzelnen Federn b vorgesehen sein. Das Schaltelement 10 wird in irgendeiner geeigneten Weise in Schwingungen versetzt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist ein gewichtsbelasteter Pendelarm 11 vorgesehen, der ganz oder teilweise aus magnetisierbarem Metall besteht. Dieser Pendelarm 11 wird durch einen Magneten 12 abwechselnd angezogen und losgelassen. Um dies zu erreichen, ist die Magnetspule 13 mit einem Ende mit dem Pendelarm 11 verbunden; außerdem ist ein federnder Kontakt 14 vorgesehen. Sobald sich der Pendelarm in der gezeichneten Mittelstellung befindet, ist der Magnetstromkreis über den Pendelarm 11 geschlossen, und der Magnet zieht den Pendelarm 11 an, wodurch der Erregerstromkreis unterbrochen wird; der Pendelarm schwingt infolgedessen in die Gegenstellung unter Zurückdrängung des federnden Kontaktes 14, worauf der Erregerstromkreis von neuem geschlossen wird usw. Das Schaltelement 10 wird also in bekannter Weise in Schwingungen versetzt, deren Rhythmus von der Bemessung des Pendelarmes, der Art der Spannungsquelle abhängt und beliebig geändert werden kann. Sobald nun der Pendelarm 11 nach links ausschwingt, kommen die Kontaktfedern b und c in Berührung. Ein Verfolgen der Stromkreise ergibt ohne weiteres, daß hierdurch sämtliche Einzelkondensatoren i, 2, 3 in Parallelschaltung an die Grundspannung 6 gelegt werden, so daß das Schaltbild gemäß Fig. 1 vorliegt. Die Einzelkondensatoren werden also aufgeladen. Beim Ausschwingen des Pendelarmes 11 nach rechts kommen die Kontaktfedern α und b in Berührung. Ein Verfolgen der Stromkreise ergibt, daß nunmehr auf die Schaltstellung gemäß Fig. 2 umgeschaltet ist, in der die Summenspannung der Einzelkondensatoren an den Ausgleichskondensator 4 abgegeben

wird, von dem der Verbraucher die gewünschte Spannung abnehmen kann.

Bei jeder Hinundherschwingung wird demgemäß der Kondensator 4 erneut auf die volle Endspannung aufgeladen. Bei genügend großer Bemessung des Ausgleichskondensators 4 sinkt während des UmSchaltens die Endspannung durch die Entnahme nur um einige Prozent. Durch den Ausgleichskondensator werden also, wie es an sich bekannt ist, Spannungsschwankungen ausgeglichen.Außerdem bewirkt der Ausgleichskondensator in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schaltanordnung, daß zwischen der Kontaktfeder b und den äußeren Kontakten a, c praktisch keine Funkenbildung entstehen kann, da zwischen den Federkontakten und den äußeren Kontakten immer nur die geringe Spannungsdifferenz vorhanden sein kann, um welche die Spannung des Ausgleichskondensators bei der Entnahme sinkt.

Die Größe der Schwingungszahlen des Schaltelements 10 ist nur begrenzt durch die endliche Aufladezeit der Kondensatoren. Diese ist aber so klein, daß sie praktisch keine Rolle spielt, so daß jede Schwingungszahl benutzt werden kann, die mechanisch erreichbar ist.

Die Art der Umschalteinrichtung hat auch den besonderen Vorteil, daß die Mittelfedern & nur ganz kleine Wege innerhalb der Ausnehmungen 8 zurückzulegen brauchen. Ferner stehen in keinem Zeitpunkt der Ausgleichskondensator 4 und damit der Verbraucherkreis 5 in leitender Verbindung mit der Grundspannung 6. Infolgedessen bleiben Kurzschlüsse in dem Verbraucherkreis, die gerade bei Prüfungen öfters vorkommen können, ohne Einwirkung auf den Primär-Stromkreis und haben nur eine stärkere Entladung des Kondensators 4 zur Folge.

Bei der Ausführung gemäß den Fig. 4 und 5 sind die Federgruppen a, b, c übereinander in den Wandungen eines Zylinders 15 aus Isoliermaterial, z.B. Fiber, angeordnet und auf den Zylinderumfang verteilt, wie die Fig. 5 erkennen läßt. Zwischen den Federkontaktgruppen ist ein Schaltelement 16 angeordnet, das aus zwei· Platten 17 und 18 aus go Isoliermaterial besteht, die auf einer Stange aus elektrisch leitendem Material befestigt sind. Die Mittelfedern b greifen in Ausnehmungen 19 der Platten 17 und 18 ein, so daß das Schaltelement 16 elastisch federnd und schwebend gehalten wird. Um das Schaltelement in Schwingungen zu versetzen, ist ein Magnet 20 vorgesehen, der den Anker 21 und damit das Schaltelement 16 abwechselnd anzieht und freigibt. Um dies zu erreichen, ist ein federnder Kontakt 22 vorgesehen, der in der gezeichneten Mittelstellung des Schaltelements gegen dessen leitende Mittelstange anliegt. Wie die Fig. 4 zeigt, ist dann der Erregerstromkreis für den Magneten 20 geschlossen, so daß der Anker 21 angezogen wird. Sobald dies der Fall ist, wird der Stromkreis unterbrochen, und das Schaltelement 16 federt zurück, worauf der Stromkreis wieder geschlossen wird usf.

Durch die S chwingungen des S chaltelements, deren Zahl durch Änderung der Hubwege, der Erregung usw. geändert werden kann, kommt der Mittelkontakt b abwechselnd mit dem oberen und dem unteren Federkontakt a, c in Berührung.

In Fig. 6 ist das Schaltschema für die Fig. 4 und 5 dargestellt.

Die Punkte bedeuten die herausragenden Enden der Federn a, b und c. Durch die Schwingbewegung des S chaltelements iowirdib abwechselnd mit c und α verbunden. Wie ein Verfolgen der Stromkreise ohne weiteres ergibt, liegen bei Verbindung von b mit c die Kondensatoren 1, 2 und 3 in Parallelschaltung an der Niederspannungsquelle, so daß sich das Schaltschema gemäß Fig. 1 ergibt, während bei Verbindung von b mit α die Kondensatoren Ί, 2, 3 in Reihenschaltung gemäß Schaltschema (Fig. 2) umgeschaltet werden.

Durch die Übereinanderanordnung der Federgruppen ergibt sich eine praktisch sehr einfache Lösung, da man als Verbindung für sämtliche Kontaktfedern, c einfach Messingringe verwenden kann.

Die Ausführung gemäß den Fig. 4 und 5 hat noch den besonderen Vorteil, daß die für die Umschaltung zu bewegenden Massen äußerst gering sind und zur Erregung des Magneten 20 eine ganz kleine Stromquelle, z. B. eine Täschenlampenbatterie, verwendet werden kann, deren Spannung mittels irgendeiner bekannten Vorrichtung . konstant gehalten werden kann, um eine ständig gleichbleibende Schwingungszahl und damit auch eine konstante Aufladung des Sammelkondensators zu bekommen. Die Erregerstromstärke für den Magneten kann insbesondere dann sehr klein sein, wenn die Anzahl der Stromunterbrechungen je Sekunde praktisch gleich der Eigenschwingungszahl des schwingenden Schaltelements 16 gemacht ist; denn dann ist es nur nötig, die Mittelfedern b durch den Magneten anzustoßen. Sie kommen dann rasch durch Resonanz auf die zur Kontaktgabe erforderliche Amplitudengröße.

Bei den Schaltschemen zur Abwärtstransformierung gemäß Fig. 7 und 8 ist 6 ebenfalls der Anschluß für die Stromquelle mit der umzuwandelnden Grundspannung, in diesem Falle mit der Hochspannung.

Zuerst werden die Einzelkondensatoren gemäß Fig. 7 in Reihe geschaltet, so daß sie

mit der Hochspannung aufgeladen werden; dann erfolgt gemäß Fig. 8 die Trennung von der Hochspannungsquelle und die Umschaltung in Parallelschaltung. Infolgedessen kann von dem Ausgleichskondensator 4 eine im Verhältnis 3 : 1 abwärts transformierte •Spannung abgenommen werden.

Zur Durchführung der Umschaltung können die in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Vorrichtungen benutzt werden. Die Stromkreise sind dann entsprechend den Fig. 7 und 8 abzuändern.

Claims (1)

1. Patentansprüche :·

   ι. Gleichstrom - Gleichstromumformer, bei dem zur Umwandlung von niedrig gespanntem Gleichstrom in solchen von höherer Spannung und umgekehrt eine Mehrzahl von Einzelkondensatoren mittels einer selbsttätigen Umschaltvorrichtung abwechselnd par-allel und in Reihe geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur selbsttätigen Umschaltung der Einzelkondensatoren (1,2,3) Gruppen von nebeneinander- oder übereinanderliegenden Federkontakten (a, b, c) gebildet sind, von denen ein zwischen je zwei Kontakten (a,c) liegender federnder Mittelkontakt

   (b) derart in hin und her gehende Bewegungen versetzt wird, daß er abwechselnd einen der beiden äußeren Kontakte (a, c) berührt, und daß die Einzelkondensatoren (1, 2, 3) untereinander und mit den Kontakten derart verbunden sind, daß die Einzelkondensatoren bei Berührung der Mittelkontakte (6) mit den äußeren Kontakten' (c) an der einen Seite mit der umzuwandelnden Grundspannung (6) in Parallelschaltung und bei Berührung mit den äußeren Kontakten (α) an der anderen Seite mit dem Verbraucherkreis (5) in Reihenschaltung verbunden sind oder umgekehrt.

   +5 2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, daß parallel zu den Verbraucherleitungen ständig ein oder mehrere Ausgleichskondensatoren (4) geschaltet sind.

   3. Selbsttätige Umschaltvorrichtung für den Umformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelkontakte (b) Teile eines schwingfähigen Gebildes sind, das bei einem Anstoß z. B. mittels eines magnetischen Unterbrechers in Schwingungen versetzt wird und hierbei die Mittelkontakte (b) abwechselnd mit den äußeren. Kontakten, (a, c) in Berührung bringt.

   4. Selbsttätige Umschaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Mittelkontakt (b) tragende Feder jeder Gruppe über den Kontakt hinaus verlängert ist und mit ihrem verlängerten Teil isoliert in eine Ausnehmung (8, 19) eines in Schwingungen versetzten Schaltelements (10, 16) derart eingreift, daß der Mittelkontakt (b) entsprechend der Schwingungszahl des Gebildes abwechselnd mit den äußeren Federn (a, c) in Kontakt kommt, ohne daß das freie Ende der- Mittelkontaktfeder (&) seine Ausnehmung (8) verläßt.

   5. Selbsttätige Umschaltvorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktgruppen (α, b, c) in einem Kreisbogen angeordnet sind und daß die Enden ihrer verlängerten Mittelkontaktfedern (&) in je einer Ausnehmung (8) eines pendelnd aufgehängten Schaltelements (10) eingreifen, das durch eine elektromagnetische Unterbrechereinrichtung (11 bis 14) in Schwingungen versetzt wird.

   6. Selbsttätige Umschaltvorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktgruppen (a, b, c) übereinander angeordnet sind und die verlängerten Mittelkontaktfedern (fc) in Ausnehmungen (19) eines axial verschieb- go bar gelagerten Schaltelements (16) eingreifen, das durch eine elektromagnetische Unterbrechereinrichtung (20, 21, 22) in axiale Schwingungen versetzt wird, wodurch die Mittelkontakte abwechselnd mit den beiden äußeren Kontakten in Berührung kommen und hierbei die gewünschten Umschaltungen" vornehmen.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen