DE756933C

DE756933C - Arrangement for mechanical current conversion by means of mechanically moved contacts in the manner of pendulums

Info

Publication number: DE756933C
Application number: DEL96295D
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl-Ing Gumprecht
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1938-11-22
Filing date: 1938-11-22
Publication date: 1953-04-09

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Stromrichter, bei dem einer Pendelanordnung die umzuformenden Ströme zugeführt werden. Die Hauptschwierigkeit bei derartigen Anordnungen besteht darin, die durch die Bewegung des Pendels erzeugte Energie beim Schließen der Kontakte zu vernichten. Man hat zur Aufnahme der_ Prellungskräfte zusätzliche Federn vorgesehen, ohne durch diese Maßnahme, insbesondere bei größeren Schaltleistungen, befriedigende Ergebnisse zu erhalten. The invention relates to a mechanical converter in which a pendulum arrangement the currents to be converted are supplied. The main difficulty with such arrangements consists in destroying the energy generated by the movement of the pendulum when the contacts are closed. Man has provided additional springs to absorb the bruising forces without causing them Measure, especially with larger switching capacities, to obtain satisfactory results.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, eine wechselstromdurchflossene Spule in einem Gleichfeld schwingen zu lassen, wobei die Frequenz des Wechselstromes in der Spule im allgemeinen höher ist als der umzuformende Wechselstrom. Eine derartige Anordnung beruht auf dem Prinzip, daß jeweils eine Halbwelle des höherfrequenten Stromes zur Beschleunigung und die folgende zur Abbremsung zur Verfügung steht, wobei der betreffende Schwingkörper entweder'die Spule selbst oder ein mit ihr verbundener Kontakt-It has also already been proposed to have an alternating current-carrying coil in one To let oscillate DC field, the frequency of the alternating current in the coil im is generally higher than the alternating current to be converted. Such an arrangement is based on the principle that in each case a half-wave of the higher-frequency current is used Acceleration and the following for deceleration is available, with the oscillating body in question either'die coil himself or a contact associated with her

arm sein kann. Die auf die beiden erstgenannten Halb wellen folgende Halb welle des Stromes steht dann zur Ausübung eines Kontaktdruckes zur Verfügung. Durch ein derartiges Verfahren lassen sich tatsächlich die unerwünschten Prellungskräfte vermeiden, so daß ein geräuschloser Betrieb mit hohen Schaltleistungen und geringer Kontaktabnutzung durchgeführt werden kann,
ίο Bei Stromrichteranordnungen sind nun Wegkurven der betreffenden mechanisch bewegten Ventilanordnungen erwünscht, die sich im wesentlichen trapezförmig ändern; das sind also Wegkurven, die während einer bestimmten Zeit unveränderlich bleiben und sich sodann von diesen unveränderlichen positiven oder negativen Werten nach den anderen, beispielsweise gemäß einer Sinuskurve höherer Frequenz, als dem umzuformenden Wechselstrom entspricht, ändern. Hierzu kann man das Prinzip der Überlagerung von Spannungen bzw. Strömen verwenden. Diese gestatten es, Kräfte auszuüben, die derartige, nicht mehr rein sinusförmige Wegkurven hervorrufen können. Zur Erzeugung einer Trapezform in einem Kraftverlauf genügt in erster Annäherung die Überlagerung einer dritten Harmonischen über eine Grundwelle. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Steuerung der Bewegung der Kontakte durch die Grundwelle des umzuformenden Stromes und Harmonische derart, daß die Harmonischen Kontaktdauer, Kontaktdruck und ein prellfreies Aufsetzen der Kontakte mit einer Geschwindigkeit, die praktisch gleich Null ist, bewirken. In der Abb. 1 der Zeichnung sind die Kontakte K₁ und /C₂, zwischen denen das Pendel schwingt, der besseren Übersicht wegen längs der Zeitachse gegeneinander versetzt dargestellt". Die dort dargestellte Wegkurve ändert sich während der Zeit A-B nach einem Sinusgesetz, während der Zeit B-C bleibt sie konstant und ändert sich in der folgenden Zeit C-A wieder sinusförmig, jedoch in entgegengesetzter Richtung gegenüber dem Abschnitt A-B. Die Geschwindigkeits-, Kraft- und Beschleunigungsvorgänge an den betreffenden Pendelanordnungen haben folgende Bedingungen zu erfüllen: Der Pendelanordnung wird elektrisch oder magnetisch eine Stromkurve zugeführt, die in ihrem Verlauf der auf das Pendel ausgeübten Kraft entspricht. Durch diesen Kraftverlauf ergeben sich am Pendel Geschwindigkeiten, wie sie für einen einwandfreien Kontaktvorgang notwendig sind. Das Pendel verläßt nämlich seine Ruhelage mit einer Geschwindigkeit, die sich gemäß einer Kurve der Funktion i-cos α ändert. Das Pendel legt sich dann an den gegenüberliegenden Kontakt mit einer Geschwindigkeit Null, also vollkommen stoßfrei, an. In der nun folgenden Zeit muß zur Kontaktgabe auf das Kontaktstück ein Druck ausgeübt werden. Dieser Druck steht in Form einer höherfrequenten Halbwelle des Stromes zur Verfügung. Die Überlagerung der einzelnen Strom-, Geschwindigkeits- und Wegkurven wird später an Hand der Abb. 5 noch näher erläutert werden.can be poor. The half-wave of the current following the two first-mentioned half-waves is then available for the application of a contact pressure. Such a method can actually avoid the undesired bounce forces, so that noiseless operation with high switching capacities and low contact wear can be carried out.
ίο In the case of converter arrangements, path curves of the mechanically moved valve arrangements in question are now desired, which change essentially trapezoidally; These are path curves that remain unchanged for a certain time and then change from these unchangeable positive or negative values to the others, for example according to a sinusoidal curve with a higher frequency than the alternating current to be converted. The principle of superimposing voltages or currents can be used for this purpose. These allow forces to be exerted which can cause such, no longer purely sinusoidal path curves. To generate a trapezoidal shape in a force curve, it is sufficient as a first approximation to superimpose a third harmonic on a fundamental wave. According to the present invention, the movement of the contacts is controlled by the fundamental wave of the current to be transformed and harmonics in such a way that the harmonics bring about contact duration, contact pressure and a bounce-free contact of the contacts at a speed which is practically zero. In Fig. 1 of the drawings, the contacts K ₁ and / C _2, between which the pendulum swings, shown displaced for clarity along the time axis relative to one another. "The displacement curve shown therein changes during the period AB according to a sinusoidal law, while the time BC it remains constant and changes again sinusoidally in the following time CA , but in the opposite direction compared to the section AB.The speed, force and acceleration processes on the pendulum arrangements in question must meet the following conditions: The pendulum arrangement is electrical or magnetic A current curve is supplied which corresponds in its course to the force exerted on the pendulum. This course of force results in speeds on the pendulum that are necessary for a perfect contact process Function i-cos α changes, the pendulum then settles n to the opposite contact with a speed of zero, i.e. completely free of bumps. In the time that follows, pressure must be exerted on the contact piece in order to make contact. This pressure is available in the form of a higher-frequency half-wave of the current. The superimposition of the individual current, speed and path curves will be explained in more detail later with reference to Fig. 5.

Zur Ausführung des Erfindungsgedankens stehen mehrere Wege zur Verfügung. In der einfachsten Form kann der Erfindungsgedanke dadurch verwirklicht werden (vgl. Abb. 2), daß ein Pendel 1 mit der Masse m_v das im Punkt 2 gelagert ist, vorgesehen ist. Durch einen oder mehrere Wechselstrommagnete 3 wird dieses Pendel entsprechend der gewünschten Frequenz des umzuformenden Wechselstromes hin und her bewegt. Die Kontakte K₁ und K₂, auf die das Pendel auftrifft, sind ihrerseits ebenfalls in den Punkten 4 und 5 drehbar nach Art weiterer Pendel gelagert. Sorgt man nun beispielsweise dafür, daß durch Erregung der Federn 6 und y, bzw. 6' und 7' zu Schwingungen die Kontakte K₁ und K₂ ebenfalls sinusförmige Bewegungen mit dreifacher Frequenz gegenüber dem Pendel 1 ausführen, so kann ein stoßfreies Aufsetzen und eine stoßfreie Kontaktgabe erzielt werden. Will man jedoch einen entsprechenden Kontaktdruck erzeugen, so muß man den Schwingungsvorgang als solchen, wenigstens in bezug auf die Kontakte K₁ und K₂, abbremsen.There are several ways of carrying out the inventive concept. In its simplest form, the idea of the invention can be implemented (see Fig. 2) in that a pendulum 1 with the mass m _v, which is supported at point 2, is provided. This pendulum is moved to and fro by one or more alternating current magnets 3 according to the desired frequency of the alternating current to be converted. The contacts K ₁ and K ₂ on which the pendulum strikes are in turn also rotatably mounted in points 4 and 5 in the manner of further pendulums. If you now ensure, for example, that by exciting the springs 6 and y, or 6 'and 7' to vibrate, the contacts K ₁ and K ₂ also perform sinusoidal movements with three times the frequency of the pendulum 1, a shock-free landing and a seamless contact can be achieved. However, if you want to generate a corresponding contact pressure, you have to slow down the oscillation process as such, at least with respect to the contacts K ₁ and K _2.

Diesen Nachteil und diese Schwierigkeiten vermeidet man gemäß einer Fortbildung der Erfindung dadurch, daß die Lage des Aufhängepunktes eines einfachen Pendels, das in seiner Eigenfrequenz auf die Schwingungsdauer des umzuformenden Wechselstromes abgestimmt ist, längs einer Gleitbahn in Riehtung der festen Kontakte λ-erschiebbar ist. Diese Verschiebung muß sinusförmig, und zwar mit dreifacher Frequenz gegenüber der eigenen Schwingungszahl, erfolgen. Außerdem muß zur Aufrechterhaltung der grundfrequenten Schwingung eine grundfrequente Verschiebung vorgesehen werden. In Abb. 3 ist diese Anordnung schematisch dargestellt. Der Aufhängepunkt 2 des Pendels 1 ist längs der festen Gleitbahn in Richtung der durch Pfeile angedeuteten Richtungen verschiebbar angeordnet. Der Aufhängepunkt 2 des Pendels 1 kann gemäß Abb. 4a mit Hilfe des Kurbeltriebes T längs der Gleitbahn G sinusförmig mit dreifacher Frequenz verschoben werden. Der zusätzliche Antrieb mittels der Grundfrequenz ist zwecks Vereinfachung nicht dargestellt worden. Befindet sich das Pendel im eingeschwungenen Zustand, so legt es sich während der Dauer einer höherfrequenten Halbwelle jeweils an die Kontakte 1 und 2 an. Das gleiche erreicht man durch eineThis disadvantage and these difficulties are avoided according to a further development of the invention in that the position of the suspension point of a simple pendulum, whose natural frequency is matched to the period of oscillation of the alternating current to be transformed, can be λ-shifted along a slide in the direction of the fixed contacts. This shift must be sinusoidal, with three times the frequency of its own number of oscillations. In addition, a fundamental frequency shift must be provided to maintain the fundamental frequency oscillation. This arrangement is shown schematically in Fig. 3. The suspension point 2 of the pendulum 1 is arranged displaceably along the fixed slide in the direction of the directions indicated by arrows. The suspension point 2 of the pendulum 1 can be displaced sinusoidally with three times the frequency along the sliding path G according to Fig. 4a with the aid of the crank mechanism T. The additional drive by means of the basic frequency has not been shown for the sake of simplification. If the pendulum is in the steady state, it is applied to contacts 1 and 2 for the duration of a higher-frequency half-wave. The same can be achieved with a

Anordnung, bei der der Kontaktkörper oder ein den Kontaktkörper bewegender anderer Körper zwischen zwei auf Grund- und Oberfrequenz abgestimmte Federn eingespannt ist, wie in Abb'. 4 b dargestellt ist. Wird beispielsweise durch einen Kurbeltrieb T das freie Ende der Feder 9, die in ihrer Schwingungszahl der Grundfrequenz entspricht, während die Frequenz der Feder 8 der Oberwelle entspricht, hin und her bewegt, so werden mit dem Körper W₁ die gewünschten Kontakt- und Bewegungszeiten erzielt. Auch hier wird noch ein auf die Feder 8 einwirkender, aber nicht gezeichneter Antrieb mittels der Grundfrequenz benötigt.Arrangement in which the contact body or another body moving the contact body is clamped between two springs tuned to the fundamental and upper frequency, as in Fig. 4 b is shown. If, for example, the free end of the spring 9, whose number of oscillations corresponds to the fundamental frequency, while the frequency of the spring 8 corresponds to the harmonic, is moved back and forth by a crank drive T, the desired contact and movement _{times are achieved with the body W 1} . Here, too, a drive acting on the spring 8, but not shown, is required by means of the basic frequency.

Schließlich besteht noch die Möglichkeit, ein sog. Doppelpendel aufzubauen, wie das die Abb. 5 zeigt. An Hand dieses Beispiels sollen auch die Schwingungsverhältnisse-näher dargestellt werden. Diese ganzen^; Verhältnisse gelten jedoch auch sinngemäß für die anderen Pendelanordnungen, bei denen ebenfalls zusammengesetzte Schwingungen ausgeführt werden. Stimmt man das in Abb. 5 dargestellte Pendel mit den Massen M₁ und W₂ in seiner Gesamtlänge I auf eine Frequenz f ab, so ist es bei Vorhandensein der Anschläge K₁ und K₂ in der Lage, entsprechende Sinusschwingungen auszuführen. Wird nun die erregende Kraft beispielsweise durch Stromspulen an den Anschlägen K₁ und K₂ größer gemacht als dem Ausschlagwinkel α des Pendels entspricht, so legt sich die Masse W₁ an K₁ bzw. K₂ an, und es kann nunmehr nur noch die Masse m₂ mit der Pendellänge I₂ nach links oder rechts schwingen. Die entsprechenden Kurven des Schwingungsvorganges sind in Abb. 6 dargestellt. Zum Zweck einer genauen mathematischen Untersuchung müßte.Finally, there is also the possibility of building a so-called double pendulum, as shown in Fig. 5. Using this example, the vibration conditions should also be shown in more detail. This whole ^; However, conditions also apply mutatis mutandis to the other pendulum arrangements in which composite vibrations are also carried out. If you tune the pendulum shown in Fig. 5 with the masses M ₁ and W ₂ in its total length I to a frequency f , it is able to carry out corresponding sinusoidal oscillations if the stops K ₁ and K _{2 are present.} If the exciting force is now made greater than the deflection angle α of the pendulum, for example by current coils at the stops K ₁ and K ₂ _{, the mass W 1 is applied} to K ₁ or K ₂ , and only the mass can now be used m ₂ swing to the left or right with the pendulum length I _2. The corresponding curves of the oscillation process are shown in Fig. 6. For the purpose of a precise mathematical investigation would have to.

man bei den einzelnen Phasen des Schwingungsvorganges die beiden Massen m_± und m₂ und die sich daraus ergebenden Pendellängen entsprechend zu einer Masse und einer reduzierten Pendellänge zusammenziehen. Die Abweichungen sind jedoch in den hier betrachteten Fällen so gering,, daß sie vernachlässigt werden können. Das Pendel mit der Masse m₂ und der Länge I₂ muß nun so abgestimmt werden, daß es in der Lage ist, gegenüber dem Gesamtpendel mit der Länge Z mit dreifacher Frequenz zu schwingen. Bis zum maximalen Ausschlag des Winkels α ergibt sich nun die in Abb. 6 a mit ω bezeichnete Pendelgeschwindigkeit, mit der sich das gesamte Pendel während der Zeit A-B bewegen kann (vgl. Abb. 1). Das gleiche gilt für die Kurve ω', die die Pendelgeschwindigkeit des Pendels mit der Masse m₂ und der Länge I₂ darstellt. Beide Schwingungen, sowohl die des gesamten Pendels mit der Länge I wie die des kleineren Pendels mit der Länge I₂, überlagern sich, und zwar dergestalt, daß eine Geschwindigkeitshalbwelle des kleineren Pendels die Gesamtgeschwindigkeit" des gesamten Pendels während der Zeit, in der das Pendel durch die Nullage schwingt, vergrößert. Die beiden anderen Halb wellen wirken entweder verzögernd auf die Geschwindigkeit oder aber bewirken sogar, daß die gesamte Geschwindigkeitskurve W genau oder angenähert während längerer Zeit den Wert Null annimmt. Die auf das Pendel wirkende -Kraft ist der Beschleunigung proportional. Die Beschleunigungskurven erhält man als erste Ableitung der Geschwindigkeitskurven nach der ZeitIn the individual phases of the oscillation process, the two masses m _± and m ₂ and the resulting pendulum lengths are drawn together to form a mass and a reduced pendulum length. In the cases considered here, however, the deviations are so small that they can be neglected. The pendulum with the mass m ₂ and the length I ₂ must now be tuned so that it is able to oscillate with three times the frequency compared to the total pendulum with the length Z. Up to the maximum deflection of the angle α, there is now the pendulum speed designated by ω in Fig. 6 a, with which the entire pendulum can move during the time AB (see Fig. 1). The same applies to the curve ω ', which represents the pendulum speed of the pendulum with the mass m ₂ and the length I ₂ . Both oscillations, both that of the entire pendulum with length I and that of the smaller pendulum with length I ₂ , overlap in such a way that a speed half-wave of the smaller pendulum is the total speed "of the entire pendulum during the time in which the pendulum The two other half-waves either have a decelerating effect on the speed or even cause the entire speed curve W to assume the value precisely or approximately over a longer period of time. The force acting on the pendulum is proportional to the acceleration The acceleration curves are obtained as the first derivative of the speed curves with respect to time

cLw _n deo ,- dco' -J₇- oder -τ- oder —7— . dt dt dt cLw _n deo, - dco ' -J ₇ - or -τ- or -7-. dt dt dt

In der Abb. 6 b sind diese Verhältnisse für die beiden Pendel mit den Längen I und I₂ dargestellt. Außerdem" sind die durch Integration aus ω und ω' entstandenen Wegkurven s und / angegeben.In Fig. 6 b these relationships are shown for the two pendulums with lengths I and I ₂ . In addition, the path curves s and / resulting from integration from ω and ω ' are given.

Die Schwingleistung kann den Pendeln beispielsweise durch Elektromagnete zugeführt werden, wobei der Stromfluß in den betreffenden Magneten bereits den gewünschten trapezförmigen Kraftverlauf, der sich aus Grundwelle und Harmonischer zusammensetzt, haben kann. Es können jedoch auch mehrere Elektromagnete vorgesehen werden, von denen jeder nur von einem Strom einer Frequenz durchflossen wird. Beim Doppelpendel besteht auch, zum Ausgleich von Verlusten, die Möglichkeit, dem Pendel der höheren Frequenz eine zykloidenförmige Auflaufbahn zu geben (vgl. C₁ und C₂ in Abb. 7). Diese zykloidenförmige Auflaufbahn kann gleichzeitig auch als Magnetpol ausgebildet sein.The oscillating power can be supplied to the pendulums, for example, by electromagnets, whereby the current flow in the relevant magnet can already have the desired trapezoidal force curve, which is composed of the fundamental wave and harmonic. However, several electromagnets can also be provided, each of which is only traversed by a current of one frequency. With the double pendulum there is also the possibility of giving the pendulum of the higher frequency a cycloid trajectory to compensate for losses (cf. C ₁ and C ₂ in Fig. 7). This cycloidal run-up track can also be designed as a magnetic pole at the same time.

Entsprechend den an die Anordnung gestellten Anforderungen in bezug auf Leistung · usw. kann man die Erregung der Pendel durch leistungsfähige Elektromagnete vornehmen. Handelt es sich um verhältnismäßig geringe Schwingfrequenzen, so empfiehlt es sich, die in ihrer Schwingungsdauer bereits auf diese Frequenzen abgestimmten Pendel mit drehbar gelagerten Aufhängepunkten zu verwenden. Kommen. höhere Frequenzbereiche in Frage, no so verwendet man zweckmäßigerweise entsprechende Aufhängeblattfedern für die Pendel, wenn man es nicht vorzieht, Anordnungen, wie sie die Abb. 4 zeigt, zu verwenden.According to the requirements placed on the arrangement in terms of performance etc. one can excite the pendulum by means of powerful electromagnets. If the vibration frequencies are relatively low, it is recommended that the The pendulum is already tuned to these frequencies in terms of its oscillation period and can be rotated to use supported suspension points. Come. higher frequency ranges in question, no so it is advisable to use appropriate suspension leaf springs for the pendulums, if one does not prefer, arrangements, as shown in Fig. 4.

Claims

PATENT CLAIMS:

i. Arrangement for mechanical current conversion by means of mechanically moved Pendulum type contacts, characterized in that the movement is controlled the contacts through the fundamental wave of the current to be transformed and

Harmonic takes place in such a way that the harmonics contact duration, contact pressure and bounce-free contact placement at a speed that is convenient is zero.

2. Arrangement according to claim i, characterized in that a on the fundamental frequency coordinated simple pendulum in its suspension point according to the

ίο The superposition of the harmonics is shifted laterally over the fundamental wave.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the exciting Force is generated by solenoids.

4. Arrangement according to claim 1 or 3, characterized by a single coil, to which the different frequency currents are fed together.

5. Arrangement according to claim 1 or the following, characterized by several Coils, each of which is fed to only one frequency.

6. Arrangement according to claim 1, 3 or the following, characterized in that that a double pendulum is provided that is matched with its total length to the basic frequency, its upper pendulum serves to make contact and its lower pendulum to three times the basic frequency is matched.

7, arrangement according to claim 6, characterized in that for the lower pendulum Cycloid-shaped, at the same time designed as magnetic poles collecting tracks are provided.

To differentiate the subject matter of the invention from the state of the art, the granting procedure the following publications have been considered:

German patent specification No. 302 099,
403 210;

French Patent No. 563,807;

U.S. Patent No. 2,013,513.

1 sheet of drawings

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