DE684817C

DE684817C - Pendulum inverter

Info

Publication number: DE684817C
Application number: DEB167461D
Authority: DE
Original assignee: WALTER M BANK
Current assignee: WALTER M BANK
Priority date: 1934-11-03
Filing date: 1934-11-03
Publication date: 1939-12-06

Description

Pendelwechselrichter Gegenstand der Erfindung ist ein Pendelwechselrichter, d. h. ein Gleichstrom in Wechselstrom umformendes Gerät, bei dem in an sich bekannter Weise das mit der einen Gleichstromzuleitung verbundene und nur zwei ortsfeste Kontakte schaltende Pendel von zwei magnetischen Feldern gesteuert wird und die durch die andere Gleichstromzuleitung elektrisch in zwei Abschnitte geteilte Primärwicklung eines Transformators an diese beiden ortsfesten Kontakte geführt ist.Pendulum inverter The subject of the invention is a pendulum inverter, d. H. a device converting direct current into alternating current, in which in per se known Way that is connected to the one direct current lead and only two stationary contacts switching pendulum is controlled by two magnetic fields and which are generated by the other direct current feed line, primary winding electrically divided into two sections a transformer is led to these two stationary contacts.

Bei den bisher bekanntgewordenen Pendelwechselrichtern dieser Art werden die beiden magnetischen Steuerfelder für das Pendel von zwei wechselweise im Takt des schwingenden Pendels strombeschickten Spannungsspulen erzeugt, von denen jede parallel zu einer Hälfte der geteilten Primärwicklung eines Transformators geschaltet ist. . Außer dem Nachteil, daß beim Einschalten ein starker Stromstoß, der die Betriebssicherheit mindert und die Lebensdauer verkürzt, unvermeidbar ist, weil stets ein Steuerkontakt geschlossen sein muß, um überhaupt ein Anspringen des Pendels zu ermöglichen; haben diese Geräte weiterhin den schwerwiegenden Nachteil, daß ihre Wirkungsweise nicht in dem zur Erfüllung neuzeitlicher Anforderungen unumgänglichen Ausmaß unabhängig von der Belastung und von der Belastungsart ist, .so daß z. B. eine induktive Bürde des Transformators eine andere Bemessung zweier, den beiden Hälften der Transformatorprimärwicklung parallel geschalteten Kondensatoren erfordert als eine induktionsfreie Bürde. Beide Nachteile sind im übrigen allen bisher bekanntgewordenen Pendelwechselrichtern eigen.In the case of the pendulum inverters of this type that have become known so far the two magnetic control fields for the pendulum are alternated by two in the rhythm of the swinging pendulum generated voltage coils, of which each in parallel to one half of a transformer's divided primary winding is switched. . Apart from the disadvantage that when switching on a strong current surge, which reduces operational safety and shortens the service life, is unavoidable, because a control contact must always be closed in order for the To enable pendulum; these devices still have the serious disadvantage that their mode of action is not that which is inevitable to meet modern demands The extent is independent of the load and the type of load, so that z. B. an inductive load of the transformer another dimensioning of two, the two Halves of the transformer primary winding requires capacitors connected in parallel as an induction-free burden. By the way, both disadvantages are known to all so far Pendulum inverters own.

Zur Vermeidung dieser Nachteile und zum Gewährleisten besonderer Vorteile geht die Erfindung einen anderen Weg der Pendelsteuerung. Nach der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß das eine magnetische Steuerfeld für das Pendel von einer zwischen diesem und einem ortsfesten Kontakt liegenden und von einem durch die Pendelbewegung erzeugten pulsierenden Gleichstrom durchflossenen Spannungsspule, das andere magnetische Steuerfeld für das Pendel von einer mit einem Abschnitt der Primärwicklung des Transformators in Reihe geschalteten Stromspule erzeugt wird. Dadurch ist erreicht worden, daß erstens dem Pendel eine neutrale Mittellage zwischen den beiden ortsfesten Kontakten gegeben werden kann, aus der es beim Einschalten verläßlich anspringt, ohne daß auch nur ein irgendwie merklicher Stromstoß entsteht, und daß zweitens die völlige Unabhängigkeit der Wirkungsweise von der Belastung und von der Belastungsart im gesamten Bereich zwischen Leerlauf und Kurzschluß sichergestellt ist; denn durch das Zusammenwirken des von der Primärspannung und damit auch von der Sekundärspannung des Transformators abhängigen magnetischen Steuerfeldes mit dem vom Primärstrom und damit auch vom sekundären Belastungsstrom des Transformators ' abhängigen Steuerfeld erhält da§ Pendel jeweils den Antrieb, der nach bekannten Grundsätzen der Elektrotechnik zugleich dem Spannungsabfall im Transformator und der Phasenlage des Belastungsstroms relativ zur Primär- bzw. zur Sekundärspannung des Transformators entspricht.To avoid these disadvantages and to ensure special advantages the invention is a different way of pendulum control. According to the invention is the arrangement made so that the one magnetic control field for the pendulum of one between this and a stationary contact and one through the pendulum motion generated pulsating direct current flowing through the voltage coil, the other magnetic control field for the pendulum from one with a section of the Primary winding of the transformer in series-connected current coil is generated. It has thereby been achieved that, firstly, the pendulum has a neutral central position between can be given to the two stationary contacts from which it is switched on starts reliably without causing any noticeable current surge, and secondly, the complete independence of the mode of action from the load and ensured by the type of load in the entire area between no-load and short-circuit is; because through the interaction of the primary voltage and thus also of the Secondary voltage of the transformer dependent magnetic control field with the the primary current and thus also the secondary load current of the transformer 'dependent control field receives the pendulum in each case the drive, which according to known Principles of electrical engineering at the same time the voltage drop in the transformer and the phase position of the load current relative to the primary or secondary voltage of the transformer.

Die unmittelbare technische Folge dieser erfinderischen Maßnahme ist die, daß stets mit mindestens sehr großer Annäherung in Zeitpunkten geschaltet wird; in denen die Kurve des Primärstroms durch Null geht. Dadurch ist eine funkenfreie Umschaltung bei allen Belastungen gewährleistet. Schaltet man bei gewöhnlichen Pendelivechselrichtern in bekanntgewordener Weise zur Transformatorwicklung oder zu einem Teil von ihr einen Kondensator oder mehrere Kondensatoren parallel; so daß ein Schwingungskreis entsteht, dessen Eigenfrequenz mit der Schwingungszahl des Pendels übereinstimmt, dann kann man dadurch nur die Phasenverschiebung zwischen Sekundärspannung und Sekundärstrom des Transformators für eine bestimmte Belastung biw. für einen engen Belastungsbereich ausgleichen; für andere Belastungsbereiche gilt dann das für bekannte Pendelwechselrichter mit zwei spannungsabhängigen magnetischen Steuerfeldern Auseinandergesetzte.The immediate technical consequence of this inventive step is the fact that switching is always carried out with at least a very close approximation in points in time; in which the curve of the primary current goes through zero. This makes it spark-free Switching guaranteed under all loads. Switches on with ordinary pendulum inverters in a manner that has become known to the transformer winding or to a part of it one capacitor or several capacitors in parallel; so that an oscillatory circuit arises whose natural frequency corresponds to the number of oscillations of the pendulum, then you can only see the phase shift between secondary voltage and secondary current of the transformer for a certain load biw. for a narrow load range equalize; the same applies to known pendulum inverters for other load areas with two voltage-dependent magnetic control fields set apart.

Es ist ein Pendelgleichrichter mit wenigstens zwei. elektrisch verbundenen Pendelschaltwerken und insgesamt einer Vielzahl von Kontakten bekanntgeworden, bei dem die Pendel je polarisiert sind und von einem spannungsabhängigen magnetischen Wechselfeld sowie von stromabhängigen magnetischen Wechselfeldern beeinflußt werden, um unter Heranziehung eines Schwingungskreises das Arbeiten des Gleichrichters mit der Frequenz des Eingangswechselstroms sicherzustellen innerhalb eines Bereiches mit verschieden großer Phasenverschiebung. Diese Maßnahme ist wesensverschieden von der Lehre der Erfindung; die von dieser gelöste Aufgabe liegt bei Pendelgleichrichtern nicht vor. Keiner der bekannten Pendelgleichrichter läßt sich in der Umkehrung verwenden, daß aus Gleichstrom ein Wechselstrom erzeugt wird, also ein Pendelwechselrichter entsteht, denn der für Pendelgleichrichter erforderliche Steuerwechselstrom ist als Eingangsstrom bei Pendelwechselrichtern gar nicht vorhanden; der Steuerwechselstrom müßte erst erzeugt werden, und das schafft besondere Verhältnisse, für die es bezeichnend ist, daß die eingangs erläuterten Nachteile der bisher bekanntgewordenen Pendelwechselrichter beson-@.4rs ausgeprägt auftreten, z. B. besonders '9,olie Einschaltstromstöße unvermeidbar sind; daß weiterhin die Frequenz des mit ,diesen Geräten erzeugbaren Wechselstroms von der Belastung abhängig ist. Infolgedessen vermögen Pendelgleichrichter als Pendelwechselrichter nicht frequenzbeständig zu arbeiten, und das schließt allgemein ein funkenfreies Arbeiten aus. Um für eine einzige Belastung ein funkenfreies Arbeiten zu erreichen, bedarf es der bereits erwähnten Zuordnung eines Schwingungskreises bestimmter Frequenz; zu den allgemeinen Nachteilen kommt dann noch der Übelstand hinzu, daß das Pendel der so als Wechselrichter benutzten Gleichrichter besonders rasch bei Belastungsschwankungen außer Tritt fällt: Von diesem empfindlichen Nachteil ist der Gegenstand der Erfindung frei, und der Zuordnung eines auf die Schwingungszahl des Pendels abgestimmten Schwingungskreises bedarf es nicht. Dagegen läßt sich eine andere Abstimmung des an sich bekannten Schwingungskreises mit besonderem Vorteil verwenden. Nach der Erfindung wird nämlich die Eigenfrequenz dieses Schwingungskreises gleich einem ganzen Vielfachen der Schwingungszahl des Pendels bemessen mit der vorteilhaften Wirkung, daß der Wirkung,sgrad des Erfindungsgegenstandes durch Verbesserung der Kurvenform des erzeugten Wechselstroms gesteigert wird.It's a pendulum rectifier with at least two. electrically connected Pendulum switch mechanisms and a large number of contacts have become known at which the pendulums are ever polarized and of a voltage-dependent magnetic Alternating field as well as current-dependent magnetic alternating fields are influenced, to allow the rectifier to work with the help of an oscillation circuit the frequency of the input AC current within a range with different phase shifts. This measure is of different nature of the teaching of the invention; the task solved by this lies with pendulum rectifiers not before. None of the known pendulum rectifiers can be used in the reverse, that an alternating current is generated from direct current, i.e. a pendulum inverter arises because the control current required for pendulum rectifiers is not available as input current for pendulum inverters; the control alternating current would first have to be created, and that creates special relationships for which it is indicative is that the disadvantages of the previously known pendulum inverters explained at the beginning especially - @. 4rs occur distinctly, e.g. B. especially '9, olie inrush currents unavoidable are; that continues to be the frequency of the alternating current that can be generated with these devices depends on the load. As a result, pendulum rectifiers can act as pendulum inverters not to work in a frequency-stable manner, and that generally includes non-sparking Working out. In order to achieve spark-free work for a single load, the already mentioned assignment of an oscillation circuit of a certain frequency is required; In addition to the general disadvantages, there is also the disadvantage that the pendulum the rectifier used as an inverter particularly quickly with load fluctuations falls out of step: This sensitive disadvantage is the subject of the invention free, and the assignment of an oscillation circuit that is matched to the number of oscillations of the pendulum there is no need. On the other hand, a different coordination of what is known per se can be used Use the oscillation circuit with particular advantage. According to the invention is namely the natural frequency of this oscillation circuit is equal to a whole multiple of the oscillation number of the pendulum measured with the advantageous effect that the effect, sgrad of the subject of the invention is increased by improving the waveform of the alternating current generated.

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.The drawing schematically illustrates an embodiment the invention.

An den Klemmen G1 wird die speisende Gleichspannungsquelle angeschlossen. Das Pendel a.steht zwischen den Kontakten b und c, ohne diese zu berühren. Der Stromverlauf in diesem Einschaltzustand ist von der unteren Klemme G1 über die Spannungsspule 1, die eine Hälfte der Transformatorwicklung d nach der oberen Klemme GL. Die Spule l hat eine vergleichsweise hohe Windungszahl mit hohem Ohmschen Widerstand, so daß nur eine geringe Stromstärke fließt, welche praktisch ohne Einflüß auf die Spule k oder die eine Hälfte der Transformatorwichlung d ist. Die Stromstärke genügt jedoch, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches das federnde Pendel a so anzieht, ' daß der Kontakt c geschlossenwird. Im gleichenAugenblick bricht das Magnetfeld der Spule l zusammen, da diese kurzgeschlossen wird. Das Pendel a federt nunmehr durch seine mechanische Eigenschwingungskraft über seine Anfangsstellung zurück und berührt den Kontakt b. Inzwischen hat sich das Magnetfeld der Spule l neu gebildet, der Vorgang wiederholt sieh, und zwar ,mit einer durch die Massen-und Federwirkung des Pendels und die Größe der magnetischen Kräfte bedingten Häufigkeit (Frequenz) in der Zeiteinheit. Während des beschriebenen Vorganges erhielt die rechte Hälfte der Transformatorwicklung d einen von rechts nach links geridhteten Stromstoß und die .linl>e -Hälfte- einen von links nach rechts gerichteten Stromstoß, so daß im. Transformator primärseitig ein - Strom wechselnder Richtung wirksam wurde und sekundärseitig an der Wicklung e ein Wechselstrom abgenommen werden konnte. Durch. die beschriebene Anordnung der Spule L . ist erreicht, daß das Pendel aus der Ruhelage selbsttätig angeworfen wird. und in der bestimmten- Frequenz weiterschwingt. Eine anormale Beanspruchung der Kontakte und Stromquelle ist damit vermieden.The supplying DC voltage source is connected to terminals G1. The pendulum a. Stands between contacts b and c without touching them. The current curve in this switched-on state is from the lower terminal G1 via the voltage coil 1, one half of the transformer winding d to the upper terminal GL. The coil l has a comparatively high number of turns with a high ohmic resistance, so that only a low current intensity flows, which is practically without any influence on the coil k or one half of the transformer winding d. However, the current strength is sufficient to generate a magnetic field which attracts the resilient pendulum a so that the contact c is closed. At the same moment the magnetic field of the coil 1 collapses because it is short-circuited. The pendulum a now springs back through its own mechanical oscillation force via its initial position and touches the contact b. In the meantime the magnetic field of the coil 1 has formed anew, the process is repeated, namely with a frequency in the unit of time determined by the mass and spring action of the pendulum and the magnitude of the magnetic forces. During the process described, the right half of the transformer winding d received a current surge directed from right to left and the .linl> e -Half received a current surge directed from left to right, so that in the. Transformer on the primary side a current of alternating direction became effective and on the secondary side an alternating current could be drawn from the winding. By. the arrangement of the coil L described. it is achieved that the pendulum is automatically started from its rest position. and continues to oscillate at the specific frequency. This avoids abnormal stress on the contacts and power source.

Die so erzeugte Wechselstromkurve ist bis zu .einem gewissen Grade abhängig von der Kontaktdauer und hat zunächst einen nahezu rechteckigen Verlauf. _ Der in der Abbildung mit f bezeichnete Kondensator bildet mit der Wicklung d einen elektrischen Schwingungskreis, und die Anordnung ist so getroffen, daß bei jeder Belastung jeweils im Nullpunkt der Stromkurve geschaltet wird, so daß der Kondensator f -nur so groß bemessen wird, als es für- die Verbesserung der gewünschten Wechselstromkurvenform notwendig ist, d. h. der Kondensator/ wird gegenüber seinem Größenwert in den bekannten Schaltungen hier verhältnismäßig klein bemessen. Die Eigenschwingungszahl des elektrischen Schwingungskreises f-e wird infolgedessen um ein Mehrfaches größer als die Schwingungszahl des Pendels a in der gleichen Zeiteinheit, wobei jedoch ein ganzzahliges Verhältnis zwischen der Schwingungszahl des Schwingungskreises und der Schaltfrequenz des Wechselrichters gewahrt sein muß. Es hat sich gezeigt, daß trotzdem eine funkenfreie Umschaltung erf olgt.The alternating current curve so produced is to a certain extent depends on the duration of contact and initially has an almost rectangular shape. _ The capacitor marked f in the figure forms one with winding d electrical oscillatory circuit, and the arrangement is such that at each Load is switched in each case in the zero point of the current curve, so that the capacitor f -is dimensioned only as large as it is for- improving the desired alternating current waveform is necessary, d. H. the capacitor / is compared to its magnitude in the known Circuits dimensioned here relatively small. The natural frequency of the electrical As a result, the oscillation circuit f-e is several times greater than the oscillation number of the pendulum a in the same unit of time, but with an integer ratio between the number of oscillations of the oscillating circuit and the switching frequency of the inverter must be preserved. It has been shown that a non-sparking switchover he follows.

Die vorher beschriebene Spannungsspule L genügt infolgedessen stets allein zur funkenfreien Umschaltung, solange keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung auftritt.The voltage coil L previously described is therefore always sufficient only for spark-free switching, as long as there is no phase shift between the current and tension occurs.

Die Verschiebung des Schaltzeitpunktes entsprechend der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung erfolgt selbsttätig durch die Spule h. Die Spule h besitzt eine Hauptstromwicklung, welche gegenüber der Spule L einen vergleichsweise starken Drahtquerschnitt und geringen Ohmschen Widerstand hat.The shifting of the switching point in time according to the phase shift between current and voltage takes place automatically by the coil h. The coil h has a main current winding which, compared to the coil L, has a comparatively large wire cross-section and low ohmic resistance.

Die Wirkung der Spule h besteht darin, daß. sie" z. B. bei nacheilendem Strom das Pendel a im gleichen Augenblick,,.: in. dem, die Nacheilung eintritt, um einen Zeitbetrag länger anhält und- damit den Umschaltzeitpunkt verschiebt. Das geschieht so oft, als ein Unterschied in der Phasenlage entsteht, und in einem der jeweiligen Verschiebung entsprechenden Maß. Vermindert sich die Nacheilung, so wird auch die Einwirkung auf das Pendel schwächer, und es übernimmt bei Phrasengleichheit wieder die Spule L allein oder fast allein die Steuerung. des Pendels. Da jeder sekundären Stromabgabe eine primäre Stromentnahme vorangeht und das Verhältnis der sekundären Stromkurve zur primären Stromentnahme stetig gleichbleibt und sich gleichmäßig verschiebt, ist die Steuerung des Pendels -in Abhängigkeit von der Stromkurve vollkommen erreicht.The effect of the coil h is that. they "for example in the case of a trailing Current the pendulum a at the same moment ,,.: In. The lag occurs, lasts longer by an amount of time and thus shifts the switchover time. That happens as often as there is a difference in the phase position and in one of the respective displacement corresponding dimension. If the lag is reduced, so will The action on the pendulum is also weaker, and it takes over if the phrases are the same again the coil L alone or almost alone the control. of the pendulum. Because everyone secondary power output is preceded by a primary power consumption and the ratio of secondary current curve for the primary current consumption remains constant and evenly shifts, the control of the pendulum - depending on the current curve - is complete achieved.

Bei plötzlichen starken Phasenverschiebungen kann es eintreten, daß das Pendel beim ersten Schaltvorgang nicht genügend schnell folgt, so daß zwei oder mehrere Schaltungen notwendig sind, bis das Pendel in der neuen Phasenlage schwingt. Für diesen Fall- ist ein Ausgleichkondensator p angeordnet. In der Regel ist dieser Kondensator kleiner als f.With sudden strong phase shifts it can happen that the pendulum does not follow sufficiently quickly during the first switching process, so that two or several switching operations are necessary until the pendulum swings in the new phase position. A compensation capacitor p is arranged for this case. Usually this is Capacitor smaller than f.

Wie bereits vorher dargelegt, ist die Kurvenform des erzeugten Wechselstroms im wesentlichen abhängig von der Kontaktdauer, und- man hat es damit in der Hand, durch Bemessung der Kontaktdauer und der Öffnungszeit eine mehr oder weniger spitze oder breite Kurvenform zu erreichen.As stated earlier, the waveform of the generated alternating current is essentially depends on the duration of contact, and - you have it in your hand, by measuring the contact duration and the opening time a more or less peak or wide curve shape.

Durch entsprechende Bemessung der Spule k läßt es sich erreichen, daß die Kurvenbreite bzw. der Effektivwert der Kurve trotz höherer Scheitelspannung im Leerlauf gering ist gegenüber Vollast und damit auch, daß die Effektivspannung vom Leerlauf bis zur Vollast annähernd gleichbleibt.By appropriate dimensioning of the coil k it can be achieved that the curve width or the effective value of the curve in spite of the higher peak voltage when idling is low compared to full load and therefore also that the effective voltage remains approximately the same from idling to full load.

In vielen Fällen wird nicht Wechselstrom, sondern Gleichstrom anderer Spannung auf der Ausgangsseite gewünscht. Die Wiedergleichrichtung des erzeugten und gegebenenfalls im Transformator in der Spannung geänderten Wechselstroms läßt sich durch Kopplung eines zweiten Pendels, das Kontakte der Sekundärwicklung schaltet, ohne weiteres, und nahezu verlustfrei ermöglichen, da keinerlei weitere Erregerwicklungen dafür notwendig sind.In many cases it is not alternating current but direct current of others Tension required on the output side. The rectification of the generated and if necessary leaves alternating current in the transformer with changed voltage by coupling a second pendulum that switches the contacts of the secondary winding, without further ado, and with almost no loss, since there are no further excitation windings are necessary for this.

In der Abbildung ist noch eine Drosselspule h mit einer Ableitung i dargestellt, welche den an den Kontakten b und c entstehenden hochfrequenten Störschwingungen den Eintritt in die Gleichstromleitung verhindert und diese zur Erde ableitet.In the figure there is also a choke coil h with a discharge i shows which are the high-frequency interfering vibrations occurring at contacts b and c prevents entry into the direct current line and conducts it to earth.

Um das Geräusch der aufschlagenden Kontakte zu dämpfen bzw. unhörbar zu machen, genügt es, das eigentliche Pendelschwing-:system. in.- ein Gehäuse einzubauen und notwendigenfalls noch unter Vakuum zu setzen. Auch die Füllung des Gehäuses mit einem beliebigen Gas kann besondere Vorteile bringen.To muffle the sound of the impacting contacts or inaudible To do this, it is sufficient to create the actual pendulum swing: system. in.- to build in a housing and if necessary still to be put under vacuum. Also the filling of the housing with any gas can bring particular advantages.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Pendulum inverter with two magnetic control fields for the pendulum connected to one direct current supply line and switching only two stationary contacts and a transformer whose primary winding, which is electrically divided into two sections by the other direct current supply line, is fed to these two stationary contacts, characterized in that the one magnetic control field for the pendulum (a) from a voltage coil (l) located between this and a stationary contact (c) and through which a pulsating direct current generated by the pendulum movement flows, the other magnetic control field for the pendulum (a) from a with a section of the Primary winding (d) of the transformer - (d, e) series-connected current coil (k) is generated. Pendulum inverter according to claim i with a known assignment of an oscillation circuit formed from an induction coil and at least one capacitor assigned to it to increase the efficiency by improving the curve shape of the generated alternating current, characterized in that the natural frequency of this oscillation circuit (d, f) is a whole multiple is the oscillation number of the pendulum (a). 3. Pendulum inverter according to. Claim i or claims i and 2, characterized in that the pendulum (a) is coupled to a second pendulum which rectifies the alternating current generated.