DE658501C

DE658501C - Device for converting direct current into those of higher and practically constant voltage

Info

Publication number: DE658501C
Application number: DED66687D
Authority: DE
Original assignee: Deutsche Telephonwerke und Kabelindustrie AG
Current assignee: Deutsche Telephonwerke und Kabelindustrie AG
Priority date: 1933-09-28
Filing date: 1933-09-28
Publication date: 1938-04-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrom-Gleichstromumformer, bei denen die Umwandlung des Gleichstromes in solchen von höherer und praktisch konstanter Spannung mit Hilfe eines Wechselstromtransformators erfolgt, der auf der Primärseite zwei einander entgegenwirkende Wicklungen hat, denen mit Hilfe eines umlaufenden Schalters unterbrochener Gleichstrom zugeführt wird, während die Sekundärwicklung des Transformators über einen umlaufenden Gleichrichter mit den beiden Verbraucherklemmen verbunden ist. Ein derartiger Umformer mit auf beiden Seiten des Transformators vorgesehenen und miteinander synchron laufenden Stromwendern ist insbesondere bei kleinen Leistungen, bei denen auf den Wirkungsgrad geachtet werden muß, anderen bekannten Umformern, wie Motorgeneratoren oder Röhrengleichrichtern,, die für kleine Leistungen einen ungünstigen Wirkungsgrad haben, vorzuziehen, da er bei einer Leistung von etwa 20 bis 50 Watt einen guten Wirkungsgrad besitzt und einen praktisch konstanten Gleichstrom liefert. ■The invention relates to DC-DC converters, in which the conversion of direct current in those of higher and practically constant voltage with the help of an AC transformer takes place, the two opposing on the primary side Has windings, which with the help of a rotating switch interrupted direct current is fed while the secondary winding of the transformer has a rotating Rectifier is connected to the two consumer terminals. Such a converter with on both sides of the transformer provided and mutually synchronously running commutators is particularly in small performances, in which attention must be paid to the efficiency, other well-known Converters, such as motor-generators or tube rectifiers, which are used for small outputs have an unfavorable degree of efficiency, to be preferred, since it has an output of around 20 to 50 watts has a good efficiency and supplies a practically constant direct current. ■

Wenn Gleichstrom-Gleichstromumformer dieser Art trotzdem keinen Eingang in die Praxis gefunden haben, so liegt das an der Schwierigkeit der Bekämpfung der an den umlaufenden Kontakten auftretenden starken Funken, die die Erzielung einer brauchbaren Kurvenform für die sekundäre Gleichspannung verhindern. Man hat bisher zur Vermeidung der Funkenbildung verwickelte Abhilfemaßnahmen getroffen. So wurde für diesen Zweck z. B. die Verwendung einer auf der Welle der umlaufenden Stromwender angeordneten Zweiphasenwechsel-Stromerregermaschine vorgeschlagen. Durch eine solche Anordnung wird aber zweifellos die Wirtschaftlichkeit des Umformers ungünstig beeinflußt. If DC-DC converters of this type still have no input into practice found, it is due to the difficulty of combating the circulating Contacts occurring strong sparks, which the achievement of a usable waveform for the secondary DC voltage. So far, one has to avoid sparking Complicated corrective actions taken. So was z. B. the use a two-phase alternating current exciter machine arranged on the shaft of the rotating commutator suggested. Such an arrangement, however, undoubtedly adversely affects the efficiency of the converter.

Durch die Erfindung wird eine Funkenbildung am umlaufenden Schalter dagegen ohne komplizierte zusätzliche Hilfsmittel unterdrückt und gleichzeitig eine konstante sekundäre Gleichspannung erzielt. Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine solche Ausbildung der stromleitenden Sektorteile des primärseitigen Unterbrechers und des mit diesem im gleichen Rhythmus umlaufenden sekundärseitigen Gleichrichters, daß eine kurze Lücke zwischen der Öffnung des Primärstromkreises und der Schließung des Sekundärstromkreises entsteht.By contrast, the invention makes sparking on the rotating switch without complications additional aids suppressed and at the same time a constant secondary DC voltage achieved. According to the invention, this is achieved by such a design of the electrically conductive Sector parts of the primary-side breaker and that with this in the same rhythm circumferential secondary rectifier that a short gap between the opening of the primary circuit and the closure of the secondary circuit occurs.

Durch eine in die primäre und entsprechend in die sekundäre Umschaltung gelegte stromfreie Übergangsstrecke am Stromwender wird nicht nur eine durch die Art der sekundären Schaltung begründete Kurzschließungsgefahr an den sekundären Bürsten, die eine Verzerrung der Nutzspannung bedingen würde, verhindert, sondern auch die Induktionsspitzen an den primären Stromunterbrechungsstellen unterdrückt, die ebenfalls zu Verzerrungen Anlaß geben würden. Versuche haben bestätigt, daß bei einer Länge der Unterbrechungsstrecke von nur etwa ¹Z₁₀ des halben ,Kreisumfanges diese WirkungenA current-free transition section at the commutator, which is placed in the primary and correspondingly in the secondary switchover, not only prevents the risk of short-circuiting on the secondary brushes caused by the type of secondary circuit, which would cause a distortion of the useful voltage, but also prevents the induction peaks at the primary ones Current interruption points suppressed, which would also give rise to distortions. Tests have confirmed that with a length of the interruption section of only about ¹ Z ₁₀ of half the circumference these effects

unter Wahrung eines hohen Gesamtwirkungsgrades von etwa Jo⁰J₀ erzielt werden und daß durch Anwendung von Überbrückungskondensatoren und genügend hoher Umlaufgeschwifl^ digkeit ein funkenfreier Lauf des Stromwendef^ erreichbar ist.can be achieved while maintaining a high overall efficiency of about Jo ⁰ J ₀ and that by using bridging capacitors and a sufficiently high circulation speed, a spark-free running of the Stromwendef ^ can be achieved.

Dadurch, daß die Kontaktschließungen unä! -öffnungen nicht wie bei Pendelankerumformern in Zeiten einer verlangsamten Bewegung der ίο Kontaktglieder fallen, entfallen auch alle auf diesen Ursachen beruhenden Abstimmungsnotwendigkeiten, die eine Hauptschwierigkeit bei den Pendelankerumformern bedingen. Derartige Synchronisierungsschwierigkeiten treten beim Umformen nach der Erfindung nicht auf, weil die stromfreie Strecke kleine Abweichungen der primären und sekundären Öffnungszeiten überbrückt. Because the contact closings unä! -openings not as with pendulum armature converters in times of slowed movement of the ίο contact links fall, they also all fall on Tuning needs based on these causes are a major problem with the pendulum armature converters. Such synchronization difficulties occur when Forming according to the invention does not occur, because the current-free path has small deviations in the bridged primary and secondary opening times.

Die stromfreie Strecke wird durch eine Sektor-Verkürzung hergestellt, wobei die Schleifbürsten um 180 ° gegeneinander versetzt bleiben. Die durch die Verkürzung des Sektors entstehende stromlose Lücke zwischen der öffnung des einen und Schließung des anderen primären Wicklungsstromkreises kann noch durch Kondensatoren überbrückt werden, so daß eine praktisch konstante sekundäre Gleichspannung vorhanden ist. Der hohe Wirkungsgrad, bei dem die Verluste des von der primären Gleichstromquelle gespeisten kleinen Motor zum Antrieb der Stromwender miteinschließt, ist wesentlich dadurch bedingt, daß der primäre Stromwender eine vollkommen symmetrische und fast lückenfreie Stromumkehrung erzeugt, die unter Mithilfe von Parallelkondensatoren auf der Sekundärseite des Wechselstromtransforma-. tors zu einer Geraden geglättet werden kann.The current-free section is produced by a sector shortening, using the grinding brushes remain offset from one another by 180 °. the The currentless gap between the opening of the one created by the shortening of the sector and closure of the other primary winding circuit can still be achieved by capacitors be bridged, so that a practically constant secondary DC voltage is present is. The high efficiency at which the losses of the from the primary DC power source powered small motor to drive the commutator includes is essential requires that the primary commutator is completely symmetrical and almost completely free of gaps Current reversal is generated with the help of parallel capacitors on the secondary side of the alternating current transformer. tors can be smoothed to a straight line.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung schematisch veranschaulicht. In Abb. 1 ist mit 1 die Gleichstromquelle, z. B. eine Batterie, bezeichnet, deren Spannung E₁ umgeformt werden soll. Von dieser Batterie führen Leitungen einerseits zum Mittelpunkt einer Transformatorwicklung 2, andererseits zum Körper einer Schaltwalze 3, die den erfindungsgemäßen Stromwender bildet und auf dem größeren Teil des Umf anges aus isolierendem Material, auf dem kleineren Teil 4 aus Metall besteht. Auf der Walzen schleifen zwei Bürsten 5 und 6, die mit den Enden 7, 8 der erwähnten Transformatorwicklung verbunden sind. Parallel zu den Bürsten 5 und 6 können zwecks Funkenlöschung Kondensatoren 9 und 10 geschaltet werden. Die beiden gleich großen Teile der Primärwicklung werden durch den metallischen Sektor 4 der Walze 3 abwechselnd in Gegenschaltung auf die Batterie 1 geschaltet, so daß in dem Transformator ein Wechselfluß entsteht und infolge davon in der gemeinsamen Sekundärwicklung 11 eine Wechselspannung erzeugt wird. Die Wicklung 11 ist nur für die halbe abzunehmende Gleichspannung bemessen ; ihre Spannung kann mittels der nachfolgend beschriebenen, an sich bekannten Kondensator-■'schaltung verdoppelt werden. Die Wicklung 11 :^f.ist einerseits bei 12 zwischen zwei in Reihe ge-■Isjhalteten Kondensatoren 13 und 14, anderer-"seits an einen zweiten leitenden Sektor 15 der Walze 3 angeschlossen. Der Sektor 15 läuft synchron mit dem Sektor 4. Dabei wird bei jeder Wechselstromhalb welle abwechselnd der Kondensator 13 über die Schleifbürste 16 und der Kondensator 14 über die Schleifbürste 17 geladen. An den Klemmen 18, 19 bzw. den Schleifbürsten 16, 17 wird die erhöhte Gleich-Stromnetzspannung E₂ abgenommen.The invention is illustrated schematically in the drawing. In Fig. 1, 1 is the direct current source, z. B. denotes a battery whose voltage E _{1 is} to be converted. From this battery lines lead on the one hand to the center of a transformer winding 2, on the other hand to the body of a shift drum 3, which forms the commutator according to the invention and consists of insulating material on the larger part of the circumference, and metal on the smaller part 4. Two brushes 5 and 6, which are connected to the ends 7, 8 of the aforementioned transformer winding, slide on the roller. In parallel to the brushes 5 and 6, capacitors 9 and 10 can be connected for the purpose of spark suppression. The two equally large parts of the primary winding are alternately connected in counter-circuit to the battery 1 by the metallic sector 4 of the roller 3, so that an alternating flow is generated in the transformer and, as a result, an alternating voltage is generated in the common secondary winding 11. The winding 11 is only dimensioned for half the direct voltage to be removed; Their voltage can be doubled by means of the known capacitor circuit described below. The winding 11: ^f. Is connected on the one hand at 12 between two capacitors 13 and 14 held in series, on the other hand to a second conductive sector 15 of the roller 3. The sector 15 runs synchronously with the sector 4 with each alternating current half-wave, the capacitor 13 is alternately charged via the grinding brush 16 and the capacitor 14 via the grinding brush 17. The increased DC mains voltage E _{2 is} taken from the terminals 18, 19 and the grinding brushes 16, 17, respectively.

Der Antriebsmotor für die Walze 3 besteht aus einem Gleichstrommotor, dessen Magnetfeld bei kleinen Leistungen zweckmäßig durch einen permanenten Magnet gebildet wird.The drive motor for the roller 3 consists of a direct current motor whose magnetic field is at small powers is expediently formed by a permanent magnet.

Abb. 2 stellt eine Abwicklung der Walze 3 dar. Auf dem Grundkörper 20 der Walze 3, der aus Isoliermaterial besteht, sind Kontaktsegmente 21 und 22 angebracht. Die Segmente kommen beim Umlauf der Walze um ihre Achse 24 zeitweilig mit den Schleifbürsten 5, 6 bzw. 16,17 in Berührung, während die Bürsten 23, 25 als Stromzu- und -ableiter dauernd auf den teilweise den ganzen Umfang der Schaltwalze bedeckenden Segmenten schleifen. Die Segmente 21, 22 sind gegeneinander um 180 "versetzt, um einen Gewichtsausgleich zu erzielen und dadurch bei der schnellen Umdrehung der Walze 3 Schwingungen zu vermeiden. Aus dem gleichen Grunde sind die Schleifbürstendrücke, wie ersichtlich, ausbalanziert. Die Bürsten 5 und 6 des Primärstromkreises und die Bürsten 16 und 17 des Sekundärstromkreises sind in Richtung der Achse der Walze gegeneinander versetzt, um Luftionisierungen, die den Funkenüberschlag begünstigen, zu erschweren. Die Kontaktsegmente nehmen gemäß der Erfindung nur ⁹I₁₀ des halben Walzenumfangs ein. Praktisch ist es zweckmäßig, den Stromschluß an den primären Bürsten 5, 6 etwas eher als an den sekundären Bürsten 16,17 erfolgen zu lassen, um den Anstieg des Primärstromes zugunsten einer besseren Kurvenform des Sekundärstromes zu beschleunigen. Fig. 2 shows a development of the roller 3. On the base body 20 of the roller 3, which consists of insulating material, contact segments 21 and 22 are attached. The segments come into contact with the grinding brushes 5, 6 or 16, 17 as the roller rotates around its axis 24, while the brushes 23, 25 as current feeders and diverters continuously grind on the segments that partially cover the entire circumference of the shift drum . The segments 21, 22 are offset from one another by 180 "in order to achieve a weight balance and thereby avoid vibrations during the rapid rotation of the roller 3. For the same reason, the grinding brush pressures are balanced, as can be seen. The brushes 5 and 6 of the primary circuit and the brushes 16 and 17 of the secondary circuit are offset from one another in the direction of the axis of the roller in order to make air ionization, which favors ^{arcing more difficult. According to the invention, the contact segments occupy only 9} I ₁₀ of half the roller circumference To allow the current to be connected to the primary brushes 5, 6 a little earlier than to the secondary brushes 16, 17, in order to accelerate the increase in the primary current in favor of a better curve shape of the secondary current.

Die Abb. 3 bis 5 stellen schaubildlich die Wir- no kungsweise des Umformers dar. Die Kurve 29 (Abb. 3) zeigt den Verlauf des zugeführten Gleichstromes. Während der Zeit einer Periode, die einer ganzen Umdrehung der Schaltwalze entspricht, erfolgen zwei Stromstöße von einer Zeitdauer t_& je Stromstoß, vor bzw. hinter denen eine Pause t_s liegt. Die Kurve 30 (Abb. 4) zeigt den Verlauf der Wechselspannung in der Transformatorwicklung 11. In den Pausend, erfolgt jedesmal die Umschaltung mit Hilfe der Walze 3. iaoFigs. 3 to 5 graphically show how the converter works. Curve 29 (Fig. 3) shows the course of the direct current supplied. During the time of a period, which corresponds to a full revolution of the switching drum, two current impulses of a duration t _& per current impulse occur, before or after which there is a pause t _s . The curve 30 (Fig. 4) shows the course of the alternating voltage in the transformer winding 11. In the pause, the changeover takes place every time with the help of the roller 3. iao

Abb. 5 stellt den zwischen 18 und 19 abgenommenen Nutzgleichstrom dar.Fig. 5 shows the person who was taken between 18 and 19 Useful direct current.

Claims

Patent claims:
ι. Device for converting direct current into those of higher and practically constant voltage with the help of an alternating current transformer, which has two opposing windings on the primary side, to which interrupted direct current is fed with the help of a rotating switch, while the secondary winding of the transformer via a rotating rectifier with the two consumer terminals is connected, characterized by such a design of the current-conducting sector parts of the primary-side breaker and the secondary-side rectifier rotating with this in the same rhythm that there is a short gap between the opening of the primary circuit and the closing of the secondary circuit.

, 2. Device for converting direct current according to claim i, characterized in that to produce the gap, the sectors (4, 15, 21, 22) when using a single sector for the primary and secondary circuit of the transformer by about ¹ J ₁₀ are shortened to less than half a circumference.

3. Device for converting direct current according to claim 1 and 2, characterized in that that the brushes (5,6) of the primary circuit and the brushes (16,17) of the secondary circuit are offset from one another in the direction of the axis of the roller.

1 sheet of drawings