DE701197C

DE701197C - Static frequency converter

Info

Publication number: DE701197C
Application number: DE1938I0061152
Authority: DE
Inventors: Eugene Peterson
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1937-04-29
Filing date: 1938-04-23
Publication date: 1941-01-10

Description

Statischer Frequenzwandler Die'Erfindung bezieht sich auf einen statischen Frequenzwandler, mit dem elektrische Energie .einer Frequenz in elektrische Energie einer anderen Frequenz oder anderer Frequenzen umgewandelt werden kann. Solche Frequenzwandler werden insbesondere bei Tnägerstromanlagen mit mehreren Kanälen verwendet. Die verschiedenen Trägerfrequenzen werden aus einer Grundfrequenz durch einen Frequenzwandler gewonnen, welcher aus einer mit einem magnetischen Kern versehenen Spule besteht und die Grundfrequenz so verzerrt, daß zahlreiche Oberschwingungen auftreten. Aus dem Ausgangskreis des Frequenzwandlers können dann die Oberschwingungen durch Filter ausgesiebt werden.Static frequency converter The invention relates to a static one Frequency converter, with which electrical energy. A frequency in electrical energy another frequency or frequencies can be converted. Such frequency converters are used in particular in Tnäger power systems with several channels. The different Carrier frequencies are obtained from a basic frequency by a frequency converter, which consists of a coil provided with a magnetic core and the fundamental frequency so distorted that numerous harmonics occur. From the starting circle of the Frequency converter, the harmonics can then be filtered out by filters.

Es ist schon bekanntgeworden, elektrische Leiter mit einer dünnen Schicht eines ferromagnetischen Materials zu umgeben, um sie als Frequenzwandler zu benutzen. Es wurde hier aber nur eine einzige Drahtwindung verwendet, so daß sehr starke Ströme für die Sättigung des die Drahtwindung umgebenden Eisens erforderlich waren. Man hat auch schon mehrere Drahtwindungen in eine Röhre aus magnetischem Material gesteckt. Aber auch bei dieser Anordnung konnte man eine Sättigung nicht mit so schwachen Strömen erreichen, wie es beim Erfindungsgegenstand möglich ist.It is already known that electrical conductors with a thin Layer of a ferromagnetic material to surround it as a frequency converter to use. But only a single turn of wire was used here, so that very strong currents are required for the saturation of the iron surrounding the wire winding was. You already have several turns of wire in a tube made of magnetic material Material plugged. But even with this arrangement one could not achieve saturation with currents as weak as possible with the subject matter of the invention.

Gemäß, der Erfindung besteht das magnetische Material, welches eine nichtlineare Beziehung zwischen der Induktion B und der magnetischen Feldstärke H hervorruft, die für die Erzeugung der Oberschwingungen nötig ist, aus einer Schicht, welche einen Leiter geritig,2n Querschnitts umgibt. Vorzugsweise bildet dieser Leiter die einzige Sekundärwindung ein cs Transformators, welcher eine Primärwicklung mit vielen Windungen und einen Eisenkern geeigneter Konstruktion besitzt. Der erfindungsgemäße Frequenzw-andler besteht aus einem ringförmigen Kern von relativ geringem Durchmesser, auf den eine Primär,A-iclzlung mit vielen Windungen aufgebracht ist, und einer einzigen sekundären Windung. Diese Sekundärwindung besteht aus einem Leiter geringen Durchmessers, welcher wenigstens auf einem Teil - seiner Länge mit einer Schicht magnetischen Materials bedeckt ist. Das magnetische Material des sekundären Leiters kann als Streifen spiralförmig auf den sekundären Draht gleichmäßig über seine ganze Länge aufwerden. «erden. Der Streifen kann auch in mehreren Lagen auf nur einen Teil der Länge des sekundären Leiters aufgebracht werden.According to the invention, there is the magnetic material which is a nonlinear relationship between induction B and magnetic field strength H, which is necessary for the generation of the harmonics, from a layer, which a ladder geritig, 2n cross-section surrounds. Preferably this conductor forms the only secondary turn of a transformer, which a primary winding with many turns and an iron core of suitable construction owns. The frequency converter according to the invention consists of an annular core of relatively small diameter, on which a primary winding with many turns is applied, and a single secondary turn. This secondary turn exists from a conductor of small diameter, which on at least one part - his Length is covered with a layer of magnetic material. The magnetic material The secondary conductor can be used as a spiral strip on the secondary wire evenly rise over its entire length. "earth. The strip can also be in several layers can be applied to only part of the length of the secondary conductor.

Bei einer solchen Anordnung kann die Primärwicklung in dem Bereich betrieben werden, in welchem die Nichtlinearität der B-H-Beziehung in dem primären ringförmigen Kern nicht groß ist, so daß der hauptsächliche, nichtlineare Effekt durch die viel größere magnetisierende Kraft erzeugt wird, welche unter dem Einüuß des starken, in der einzigen sekundären Windung erzeugten Stromes auf den magnetischen Streifen einwirkt. Dadurch wird es möglich, den primären ringförmigen Kern aus viel dickeren Blechen aufzubauen, als es der Fall wäre, wenn der Hauptkern starken magnetischen Feldern unterworfen wäre, welche entsprechend große Wirbelstromverluste hervorrufen, ein Punkt, der von besonderer Bedeutung bei der Anwendung hoher Frequenzen ist. Die eben beschriebene Konstruktion hat ein viel größeres Verhältnis der magnetischen Kraft zu dem angewendeten Strom, als es bei der bekannten Konstruktion des Frequenzwandlers der Fall ist, bei welchem eine einzige Windung auf einem geeigneten Kern verwendet wird.With such an arrangement, the primary winding can be in the area be operated in which the non-linearity of the B-H relationship in the primary annular core is not large, so the main, non-linear effect produced by the much greater magnetizing force which is under the influence the strong current generated in the only secondary winding on the magnetic Acts on the strip. This makes it possible to make the primary annular core out a lot Build thicker sheets than would be the case if the main core were strong magnetic Would be subject to fields which cause correspondingly large eddy current losses, a point that is of particular importance when using high frequencies. The construction just described has a much larger ratio than the magnetic Force to the applied current than is the case with the known design of the frequency converter is the case in which a single turn is used on a suitable core will.

Der erfindungsgemäße statische Frequenzwandler, welcher in den Abb. 2, 3 und 4 dargestellt ist, besteht aus einem aus ringförmigen Blechen aufgebauten Kern 5, auf den gleichförmig eine mehrlagige primäre Wicklung 6 aufgebracht ist, die mit einem isolierenden Streifen 7 umwickelt ist. Die Sekundärwicklung besteht aus einer einzigen Windung des Leiters B. Der Leiter 8 ist spiralförmig mit einem dünnen Streifen g aus magnetischem Material umwickelt. Der Kern 5 und der Streifen 9 bestehen vorzugsweise aus magnetischem Material mit hoher Anfangspermeabilität, welches sich bei relativ niedrigen Feldstärken sättigen läßt, also z. B. eine I Legierung, welche im wesentlichen aus 2 % Moly-bdän, 1601,'o Eisen und 82% Nickel' besteht.The static frequency converter according to the invention, which is shown in Fig. 2, 3 and 4, consists of a built up of annular metal sheets Core 5, on which a multi-layer primary winding 6 is uniformly applied, which is wrapped with an insulating strip 7. The secondary winding exists from a single turn of the conductor B. The conductor 8 is helical with a wrapped around a thin strip g of magnetic material. The core 5 and the strip 9 are preferably made of magnetic material with high initial permeability, which can be saturated at relatively low field strengths, so z. B. an I. Alloy consisting essentially of 2% molybdenum, 1601, 'o iron and 82% nickel' consists.

Um die Verluste möglichst herabzusetzen, überlappen sich die einzelnen Windungen des magnetischen Streifens 9. Die kurzgeschlossene Windung 8 hat einen solchen Durchmesser und eine solche Form, daß sie sich dicht an die primäre Wicklung 6 anlegt und ein möglichst kleiner Luftraum zwischen der Primärwicklung und der sekundären Wicklung bestehen bleibt. Zweckmäßigerweise wird zwischen dem Leiter 8 und dem Streifen 9 ein Isolationsmaterial angebracht, da sonst starke Wirbelstromverluste auftreten können, wenn der Streifen 9 einen guten elektrischen Kontakt mit dem Leiter 8 besitzt. Auch die sich überlappenden Teile des Streifens müssen gut voneinander isoliert sein. Kristallines Aluminiumoxyd- oder Quarzpulver ist ein geeignetes Isolationsmaterial.In order to reduce the losses as much as possible, the individual ones overlap Turns of the magnetic strip 9. The short-circuited turn 8 has one such a diameter and shape that it fits snugly against the primary winding 6 applies and the smallest possible air space between the primary winding and the secondary winding remains. Appropriately, is between the head 8 and the strip 9 attached an insulation material, otherwise strong eddy current losses can occur when the strip 9 makes good electrical contact with the conductor 8 owns. The overlapping parts of the strip also need to be snug from each other be isolated. Crystalline aluminum oxide or quartz powder is a suitable insulation material.

Obwohl in den Zeichnungen nur eine Sekundärwicklung 8 dargestellt ist, welche aus einer einzigen Windung besteht, können auch mehrere Sekundärwicklungen benutzt werden, die aus je einer einzigen kurzgeschlossenen Windung bestehen. Auch kann eine einzige kurzgeschlossene Sekundärwicklung verwendet werden, welche aus einer Mehrheit von Windungen besteht.Although only one secondary winding 8 is shown in the drawings which consists of a single turn, several secondary windings can also be used are used, each consisting of a single short-circuited turn. Even a single short-circuited secondary winding can be used which consists of consists of a majority of turns.

In der Abb. i ist die Schaltung des statischen Frequenzwandlers dargestellt. Die Primärwicklung 6 ist über die Leiter i o und i i und den abgestimmten Schwingungskreis 12, 13 mit der Wechselstromquelle 14, welche die Grundfrequenz liefert, verbunden. Der Strom, welcher durch die Primärwicklung 6 fließt, erzeugt einen viel stärkeren Strom in der Sekundärwicklung 8, welcher den magnetischen Streifen 9 in einem Bereich beeinflußt, wo die Nichtlinearität der B-H-Beziehung groß ist, so daß in bekannter Weise Oberschwingungen der Grundfrequenz erzeugt werden. Diese Oberschwingungen werden über die Leitungen 16 und 17 dem Belastungskreis 15 zugeführt. Dieser Belastungskreis kann abgestimmt sein.The circuit of the static frequency converter is shown in Fig. I. The primary winding 6 is connected via the conductors io and ii and the tuned oscillating circuit 12, 13 to the alternating current source 14, which supplies the fundamental frequency. The current flowing through the primary winding 6 generates a much stronger current in the secondary winding 8, which influences the magnetic strip 9 in a region where the non-linearity of the BH relationship is large, so that harmonics of the fundamental frequency are generated in a known manner . These harmonics are fed to the load circuit 15 via lines 1 6 and 1 7. This load circle can be coordinated.

Bei einem Ausführungsbeispiel wurden folgende Zahlenwerte verwendet. Der mittlere Durchmesser des ringförmigen Kerns 5 war 2 cm und hatte eine Querschnittfläche von o,2 cm2.- Der wirksame Querschnitt des Streifens 9 war 5 # i o-3 em2. Die Primärwickwicklung 6 hatte Zoo Windungen, und der Durchmesser des Drahtes 8 war o,2 cm. Unter diesen Umständen ist die magnetisierende Kraft, welchd auf den Streifen g einwirkt, die gleiche, wie sie auf einen ringförmigen Kern mit dem Durclunesser o,2 cm und dem. magnetischen Querschnitt 5 # i o-3 cm2 einwirken würde, wenn der Kern mit einer einzigen Wicklung von 200 Windungen umgeben ist. Der erfindungsgemäße Frequenzwandler ist also ein Äquivalent für einen Frequenzwandler so kleiner Größe, wie er praktisch nicht herstellbar wäre. Diese Verminderung der Kerngröße des Frequenzwandlers ermöglicht es, das Verhältnis der magnetisierenden Kraft zu dem angewendeten Strom so zu vergrößern, daß eine bestimmte Nichtlinearität bei einem viel kleineren Strom erhalten werden kann. Dieses Verfahren, große magnetisierende Kräfte pro Stromeinheit zu erhalten, ermöglicht es, daß der Frequenzwandler bei viel schwächeren Strömen wirksam arbeitet, als sie bei der üblichen Konstruktion erforderlich sind, bei welcher eine einzige Wicklung auf dem ringförmigen Kern untergebracht ist.In one embodiment, the following numerical values were used. The mean diameter of the annular core 5 was 2 cm and had a cross-sectional area of 0.2 cm2. The effective cross-section of the strip 9 was 5 # i o-3 em2. The primary winding 6 had Zoo turns, and the diameter of the wire 8 was 0.2 cm. Under these Circumstances is the magnetizing force which acts on the strip g, the same as they are on a ring-shaped core with a diameter of 0.2 cm and the. magnetic cross-section 5 # i o-3 cm2 would act if the core with a single Winding is surrounded by 200 turns. The inventive Frequency converter is therefore an equivalent for a frequency converter so small in size, as it would be practically impossible to produce. This reduction in the core size of the frequency converter allows the ratio of the magnetizing force to the applied current so that a certain non-linearity with a much smaller current can be obtained. This method, large magnetizing forces per unit of current allows the frequency converter to operate at much weaker currents works more effectively than are required in the conventional construction in which a single winding is housed on the annular core.

Claims

h'ATisNTANsPi2ÜcHr ,: i. Frequency converter with a core made of magnetic Material, characterized in that the core consists of a primary winding with many Turns which, however, essentially do not saturate the core, and one short-circuited Secondary winding - surrounded by a small number of turns and that the secondary winding is enclosed by a magnetic jacket of such a dimension that it is saturated will.

2. Frequency converter according to claim i, characterized in that the magnetic Material the secondary winding only on part of the length of the secondary conductor surrounds.

3. Frequency converter according to claim i and 2, characterized in that the Core is made up of annular metal sheets. q .. frequency converter according to claim i to 3, characterized in that the magnetic material is in the form of a strip is helically wound around the secondary conductor.