DE951741C

DE951741C - Multi-phase switching converter

Info

Publication number: DE951741C
Application number: DES37242D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Oskar Schmutz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1937-07-17
Filing date: 1937-07-17
Publication date: 1956-10-31

Description

Mehrphasiger Schaitstromrichter Es ist bekannt, den Erregerstrom von Synchronmaschinen über Gleichrichter dem von der Synchronmaschine ,gespeisten Wecbsels:tromnetz zu entnehmen und -dabei die Erregung aus eineu von der Spannung der Synchronmaschine abhängigen Grunderregung und einer weiteren von dem Strom der Synchronmasemiine abhängigem Komponente :usammenzusetzen. Eine derartige Schaltung zeigt Fig. r der Zeichnung. Die Erregerwicklung 2 der Synchronrrnaschine r wird aus der Gleichrichteranondnung 5 gespeist. Die spannungsaibhängige Weühsels.tromkomponentewnrd dieser Gleichrichteranordnung über dien Transformator q., die stromabhängige Komponente über den Stromtransiformator 3 zugeführt. Bai einer solchen Schaltung ist nun im Gegensatz zu den ,sonst üblichen Betriebsverhältnissen die von idem Glieichridhter gbgegebene Spannung von dem Gleichstrom nicht mehr praktisch unabhängig, sondern hängt wiegen der Indhzktivität des Transformators 3 noch sehr stark von dem Erregerwechselstrom ab. Das kommt auf dasselbe hinaus, wie wenn ein Gleichrichter von einer WedhseIspanntuigsquelle mit .einem entsprechend, hohen inneren Widerstand gespeist wird. Um für die Transformatoren 3 und q. ein Minimum an notwendiger Typenleistung zu erreichen, wird man den inneren Widerstand dieser Ersatz-Wechselsitroanquel'le etwa gleich dem Nutzwiderstand, d. h. gleich dein Erregerwiderstand, machen. In vielen Fällen wird es jedoch zweckmäßig sein, den .innerem Widerstand der Ersatzstromquelle noch erheblich größer zu machen, beispielsweise damit die Erregung von Änderungen in dem inneren Widerstand des Gleichvic hters sowie von Änderungen des Erregerwiderstandies infolge von Temperaturschwankungen unabhängig wird, oder wenn die Regelung des. Erregerstromes. durch Widerstände bzw. vormagnetisierte Drosseln erfolgen soll, die dem Gleichrichter auf der Wechselstromseite paraddel geschaltet sind.Multi-phase switching converter It is known to reduce the excitation current of Synchronous machines via rectifier to the Wecbsels fed by the synchronous machine: tromnetz and the excitation is derived from the voltage of the synchronous machine dependent basic excitation and a further one from the current of the synchronous generator dependent component: put together. Such a circuit is shown in FIG Drawing. The field winding 2 of the synchronous machine r is derived from the rectifier arrangement 5 fed. The voltage-dependent current component of this rectifier arrangement via the transformer q., the current-dependent component via the current transformer 3 supplied. Bai such a circuit is now in contrast to the otherwise usual Operating conditions the voltage of the direct current given by the rectifier no longer practically independent, but depends on the inductivity of the transformer 3 still depends very much on the alternating excitation current. That comes to the same thing as if a rectifier from a voltage source with a corresponding, high internal resistance is fed. In order for transformers 3 and q. a Achieve minimum required type performance will one the internal resistance of this replacement alternating nitrogen source approximately equal to the useful resistance, d. H. equal to your exciter resistance. In many cases, however, it becomes useful be to make the internal resistance of the substitute power source even greater, for example, thereby exciting changes in the internal resistance of the equivic as well as changes in the excitation resistance as a result of temperature fluctuations becomes independent, or if the regulation of the excitation current. through resistances or pre-magnetized chokes should be made to the rectifier on the alternating current side paraddles are switched on.

Man kann nun, wie es ebenfalls bereits bekannt ist, den in Fig. i dargestellten ruhenden Gleichrichter 5 d'urc'h einen Schaltstrom-rdchter ersetzen. Auf die Ausbildung dieses Schaltstromrichters bezieht sich die beiliegende Erfindung. Es sei dabei jedoch von vornherein ,darauf hingewiesen, draß der erfindungsgemäße Schaltstromrichter keineswegs nur beschränkt ist auf die Verwendung zur Erregung von Synchronmaschinen, sondern ebenso gut auch Anwendung finden kann nn allen arideren Fällen, in dienen ähnliche Betriebsverhältnisse vor= lieben, indenen also der Widerstand der speisenden Wechselstromquelle verhältnismäßig groß isst. Als weiteres Anwendun@gs:gelbiet sei nur beispielsweise der Betrieb von Lichtbogen etwa für Schweißzwecke genannt, bei dem zur Begrenzung des Kurzsch:lußstromes bzw. zur Erzielung einer Charakteristik ebenfalls vielfach Stromquellen m@i,t hoher innerer Impedanz benutzt werden.You can now, as is also already known, the in Fig. I The resting rectifier shown here can replace a switching current rectifier 5 d'urc'h. The enclosed invention relates to the design of this switching converter. However, it should be pointed out from the outset that the invention Switching converters is by no means restricted to use for excitation of synchronous machines, but can also be used just as well in all other machines Cases in which similar operating conditions serve, i.e. in which the resistance of the feeding AC source eats relatively large. Another application: geliet the operation of electric arcs for welding purposes is just one example, in the one to limit the short-circuit current or to achieve a characteristic power sources m @ i, t with a high internal impedance are also often used.

Bei den bisher bekanntgewordenen Schaltstromrichtern bleiben die einzelnen Phasen während jeder Periode nur kurze Zenit eingeschaltet und werden, nachdem ,die Foligepihase den Strom übernommen ,hat, wieder abgeschaltet. Bei einer solchen Stromrichteranordnung ergeben sich jedoch im al.lge:meinen erhebliche Kontaktschwierigkeiten, die nur unter Zuhilfenahme umfangreicher Kommutierungs-Hi:lfsenrichtungen zu ,beheben sind. Das gilt insbesondere dann, wenn bei der Kontaktöffnung jedesmal ein induktiver Strom mit einer gegenüber der Nutzspannung um ein Mehrfaches höherer wieder!kehrendien Spannung abzuschalten isst, wie .das beispielsweise bei der Erregung von Synchronmaschinen der Fall Ist.In the case of the switching converters that have become known so far, the individual ones remain Phases switched on only briefly zenith during each period and are turned on after that Foligepihase took over the electricity, switched it off again. With such a converter arrangement However, in general: I mean considerable contact difficulties, which only with the aid of extensive commutation directions to be corrected. This is especially true if an inductive contact is opened each time Current with a return several times higher than the useful voltage Turning off the voltage eats like .that for example with the excitation of synchronous machines the case is.

Gemäß der Erfindung werden diiese Schwierigkeiten des Schaltstromridhters ;dadurch überwunden, daß die einzelnen Phasen während der ganzen Periode ständig Strom führen, also niciht unterbrochen werden. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die ,einzelnen Phasen jeweils beim Nulldurchgang dies Stromes kurzgeschlossen werden. Dieser Grundgedanke :d-er Erfindung möge zunächst an dien in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es ist dort wiederum angenommen, drraß es sich um die Erregung feiner Synchronmaschine handele und daß der Schialtstromrichter nach Art eines umlaufenden Kommutators ausgebildet und auf der Welle der !befestigt sei. Auf . ,dem Kommutator schleifen die sechs den einzelnen Phasen @entsprechenden Bürsten RST und, R'S'T' Bei der angenommenen zweipoligen Anordnung, bei der also i8o° elektriech auch einem räumlichen Drehwinkel von i8o° entsprechen, besitzt der Kommutatorkörper zwei Kontaktsegmente 7 und 8, die an die Erregerwicldung 2 angescihlossen sind, und deren jedes einen Bogen von nahezu i8o° bedeckt. Die isolierenden Trennstücke zwischen beiden sind so schmal, idaß sie durch die Bürsten übeiribrückt werden können. Die Bürstenstellung ist so gewählt, daß die isolierenden Zwischenstücke sich immer gerade unter .denjenigen Bürsten befinden, in jenen der Strom durch Null hindurchgeht. Jede Phase bleibt, wie rain sieht, ständig in dem einen oder dem anderen Sinn mit der Erregerwicklung verbunden und wiird in dem Kommutie:rungs,augienblick durch die leitenden Segmente 7 und 8 kurzg eschlosisen. Gleichzeitig wird:' aber auch die Erregerwicklung 2 kurzgeschlossen, so daß der von .den Bürsten R und T' nach dien Bürsten R' und T fließende Strom über diesen Kurzschluß fließen könnte. Andererseits versucht aber die kurzgeschlossene Erregerwicklung -ihren Strom während der Kurzschlußzeit aufrechtzuerhalten, und dieser Strom hat in der dien ' Kurzsch@luß !herstellenden überbrü kun!g das umgekehrte Vorzeichen, wie der von den Bürsten RT' .herrührende Strom, so daß durch die- Bürsten S und S' in der angegebenen Stellung die Erregerspannung kurzgeschhlossen w nrdi, ohne daß ein merklicher Kurzschdußstrom zustande kommt.According to the invention, these difficulties of the switching current driver are overcome by the fact that the individual phases continuously carry current during the entire period, i.e. are not interrupted. It is particularly useful if the individual phases are short-circuited when this current crosses zero. This basic idea: the invention should first be explained in more detail using the exemplary embodiment shown in FIG. It is again assumed there that it is a question of the excitation of fine synchronous machines and that the Schialt converter is designed in the manner of a rotating commutator and is attached to the shaft of the! On . The commutator is grinded by the six brushes RST and, R'S'T 'corresponding to the individual phases are connected to the excitation winding 2, and each of which covers an arc of almost 180 °. The insulating separators between the two are so narrow that they can be bridged over by the brushes. The brush position is chosen so that the insulating spacers are always just below those brushes in which the current passes through zero. As rain sees, each phase remains permanently connected in one sense or the other to the excitation winding and is briefly closed in the commutation, moment view through the conductive segments 7 and 8. At the same time: 'But the excitation winding 2 is also short-circuited, so that the current flowing from the brushes R and T' to the brushes R 'and T could flow through this short circuit. On the other hand, however, the short-circuited excitation winding tries to maintain its current during the short-circuit time, and this current has the opposite sign in the bridge that creates the short-circuit, as does the current coming from the brushes RT , so that through the - Brushes S and S 'in the specified position short-circuited the excitation voltage without causing a noticeable short-circuit current.

Versuche halben ergeben, daß ,bei geeigneter Bemessung sämtlicher Teile, insbesondere bei geefigneter Wahl der Induktivität der Erregerwicklung an dien Srhleifningsohli.tzen, nicht einmal eine Spannung kurzgieschlossen zu wenden brauchfit. Diesle Verhältnisse zeigt Eig. 3, die einem Oszillogramm entspricht, welches mit einer Schaltung gemäß Riig. i aufgenommen wurde. J ist dabei der zeitliche Verlauf des Wechselstromes, wahrend JE der Verlauf des Stromes. in Erregerwicklung ist. Die Spannung an der Erregerwicklung verläuft nach einer sägeblattartiaglen Kurve UE, und: es zeigt sich, daß UE jeweils. gerade dann den Wert Null -erreicht., wenn der Strom J einer Phase ebenfalls dux,h Null hindurchgeht. Schließt man also die betreffende Phase Im Nulldurchgang des Stromes 4curz, so braucht in ,diesem Augenblick keine Erregerspannung geliefert zu werden.Tests halfway show that, with suitable dimensioning, all Parts, especially with a suitable choice of the inductance of the excitation winding They are used to avoid even turning a voltage short-circuited need fit. These conditions are shown by Eig. 3, which corresponds to an oscillogram, which with a circuit according to Riig. i was recorded. J is the temporal one Course of the alternating current, while JE is the course of the current. in excitation winding is. The voltage on the excitation winding runs like a saw blade Curve UE, and: it turns out that UE in each case. just then reaches the value zero., when the current J of one phase also passes through dux, h zero. So one closes the phase in question In the zero crossing of the current 4 short, so needs in this Momentary no excitation voltage to be supplied.

Die :bisher beschriebene Ausführungsform der Erfindung hat noch den Nachteil, daß an dien verhältnismäßig schmalen Isolierstegen zwischen den Sichlenfrinähälften eine ve@rhältmiiismäßig hohe Spannung, nämlich ,der Scheitelwert der Erregerspannung, auftritt. Dieser Nachteil kann dadurch beseitigt werden, daß mehrere Isolierende Zwischenstüdee vorgesehen werden, sodaß dementsprechend, wie Fig. q. zeigt, zwischen den beiden Hauptkontaktsiegmenten 7 und 8 eine Mehrzahl von Zwischenkontaktsegmenten g .und io entsteht.. Die Gesamtspannung isst nunmehr auf mehrere Isolierstücke verteilt. Die einzelnen Zwischenkontaktsegmente können entweder, wie in Fig. q., paarweise an verschiedene Anzepfpunkte der Erregerwicklung angeschlossen werden, man kann aber auch jedes dieser Segmente mit dem um 18o° elektrisch dagegen verschobenen unmittelbar verbinden, so daß die betreffenden Bürsten, die auf diesen Kontaktsegmenten schleifen, ständig kurzgeschlossen sind.The embodiment of the invention described so far still has the Disadvantage that on the relatively narrow insulating bars between the sickle halves a relatively high voltage, namely, the peak value of the excitation voltage, occurs. This disadvantage can be eliminated by having several isolators Intermediate stages are provided so that accordingly, as Fig. Q. shows between the two main contact segments 7 and 8, a plurality of intermediate contact segments g .and io arises .. The total voltage is now distributed over several insulating pieces. The individual intermediate contact segments can either, as in Fig. q., be connected in pairs to different pick-up points on the excitation winding, but you can also use the one electrically shifted by 180 ° against each of these segments connect directly so that the relevant brushes on these contact segments loops, are constantly short-circuited.

Es ist nun auch möglich, die erfindungsgemäße Anordnung @so au.szuges.tadtem, daß ein Kurzschluß -des Gleischstromverbrauchers, also, beispielisweisse der Erregerwicklung, völlig,verrni,edien wird. Eiaue derartige Ausgestaltung zeigt Fig. 5. Hier liegen zwischen #den Hauptkontaktsegmenten 7 und 8 Hilfssegmente ii und i2, dieren jedes mit den beiden Hauptsegmenten durch Ventile eindeutiger Durchlaß:richtung 13 und 13' bzw. 14 .und 1q' verbunden is,t. Die- Durchlaßrichtung der Ventile muß dabei so gewählt sein, sdaß sie für die Erregerwi:oklung keinen Parallelpfad, darstellen. Betrachtet man den Verlauf des Stromes in einer Phase, so erkennt man, daß beim Übergang auf die Kontaktstücke i i und 12 der Strom, der vorher unmittelbar der Erregerwicklung 2 zufloß, nunmehr über Ventile, beispielsweise die Ventile 13 und iq@, fließen muß. Sobald seich nun die Polarität des betreffenden Bürstenpaares ;umkehrt, treten an die Stelle der vorher stromführenden Ventile, die beiden anderen V;en.tile, in diesem Fall also die Ventile 1q. und i3', so daß dis, leitende Verbindung ,der betreffenden Phase mit der Erregerwicklung leinen Augenblick unterbrochen wind. Bei der Bemessung der Zwisclhenlamellen ii und 12 braucht nur auf die Größe der zwischen der Kontaktbewegung und den zugeführten Wechselströmen bei verschiedenen Betriebsverhältnissen zu erwartende Phasenverschiebung Rücksicht genommen zu wcrden..Die Gleichrichtier'brauchen nur für geringen Strom rausgelegt zu sein, sda sie nur dien Strom einer Bürste und auch diesen nur in der Nähe des Nudldürohgansges führen müssen. Während der übrigen Zeitdauer können dis, dleichrichber; um eise nicht unnötig zu beanspruchen, durch, besondere Maßnahmen abgeschaltet werden.It is now also possible to use the arrangement according to the invention @so au.szuges.tadtem, that a short-circuit of the DC power consumer, for example the exciter winding, totally, verrni, edien will. One such embodiment is shown in FIG. 5. Located here between # the main contact segments 7 and 8, auxiliary segments ii and i2, are each with the two main segments clear passage through valves: direction 13 and 13 'or 14. And 1q' is connected, t. The direction of flow of the valves must be be chosen so that they do not represent a parallel path for the excitation process. If you look at the course of the current in a phase, you can see that with Transition to the contact pieces i i and 12 of the current that was previously immediately the Excitation winding 2 flowed in, now through valves, for example valves 13 and iq @, must flow. As soon as you see the polarity of the relevant pair of brushes ; vice versa, the previously energized valves take the place of the other two V; en.tile, in this case the valves 1q. and i3 ', so that dis, conductive connection , the phase in question with the excitation winding is interrupted for a moment. When dimensioning the intermediate lamellae ii and 12, only the size of the between the contact movement and the supplied alternating currents at different The phase shift to be expected in the operating conditions must be taken into account Rectifiers only need to be laid out for small currents, since they only serve Electricity of a brush and only have to lead this near the Nudldürohgansges. During the rest of the time, dis, dleichrichber; so as not to be unnecessary claim to be switched off by special measures.

Eine bessere Gleichrichterausnutzung kann auch durch eine Erhöhung der Phasenzahl der Speisung erzielt werden. Bei einer Kommutierungsbreite von bseisp;i,elsweise 2o° elektrisch könnte man die Pshas@enz@ahsl gegenwberdem Ausführungssbeaispiel ohne weiteres auf das Doppelte oder im Grenzfall auch auf sdas Dreifache steigern. Dis, P!haSenstefgerung kann dabei ,in bekannter Weise durch melhrere Wicklungen auf der Drossel* 3 und dem Transformator q. in entsprechender Zickzackschaltung erreicht werden.A better utilization of the rectifier can also be achieved by increasing the the number of phases of the supply can be achieved. With a commutation width of bseisp; i, alternatively 20 ° electrical could be the Pshas @ enz @ ahsl compared to the example without further ado to double or, in the borderline case, to threefold. Dis, P! HaSenstefgerung can be done in a known manner by multiple windings on the choke * 3 and the transformer q. in a corresponding zigzag circuit can be achieved.

Auch bei der Verwendung von Ventilen kann mari wieder eine Erhöhung der Zahlder isolierenden Zwischenteile vornehmen, wie das .biensspielsweise in Fig. 6 dargestelilt isst. Hier liegt zwischen dien Hauptkontaktsegmenten 7 und 8 beiderseitig eine Gruppe 15 b@zw. 16 von je drei Zwisdhensegmentem, sdie sinngemäß über Ventile 17 und 18 untereinander und mit sclen Hauptsegmenten verbunden sind. Die durch das einzelne Segment zu schaltende Spannung wird dadurch auf ein Bruchteil herabgesetzt. Diese mehrfache Unterteilung isst auch dann zweckmäßig, wcam bei Verwendung einer hohen Phasenzahl und einer durch die Betriebsverhältnisse bedingten großen Kommutierungsbreite,der Bürstenabstand kleiner wird als die Kommutierungssbmeite.Even when using valves, mari can again increase the number of insulating intermediate parts, as shown in FIG. 6, for example. Here lies between the main contact segments 7 and 8 on both sides a group 15 b @ zw. 16 of three intermediate segments each, which are mutually connected to each other and to other main segments via valves 17 and 18. The voltage to be switched through the individual segment is thereby reduced to a fraction. This multiple subdivision is also expedient, wcam when using a high number of phases and a large commutation width due to the operating conditions, the brush spacing becomes smaller than the commutation width.

Fiig. 7 zeigt eine Anordnung, bei. der die Gleichrichter zeitweise überhaupt nicht beansprucht werden. Hier isst ebenfalls eine Mehrzahl von Zwischensegmenten *verwendet, die abwechselnd nur mit dem einen bzw. nur mit dem anderen Hauptsegment 7 bzw. 8 über je eine Ventilstrecke verbunden sind. Eine ständige Verbindung der beiden Hauptsegmente durch Ventile besteht also nicht. Die Bürsten müssen d Saubei so breit ausgeführt sein, daß,siie immer zweii, Zwischensegmente gleichzeitig Überdecken. Für die beiden- in dieser Weise durch die Bürsten parallel geschalteten Zwischensegmente ergibt siech scann jeweils edier gleiche Schaltzustand, wie ihn beispielsweise Fisg. 5 zeigt. An Stelle dieser Aufspaltung der Kom@mutierungssegmente kann ihre Aufspaltung senkrecht zur Drehachse erfolgen und die Gleichrichter in analoger Waise wie in Fig. 6 mit dien Teilsegmenten verbunden werden. Durcfh,das sbekannte Einschalten von gesättigten Drosseln in dem. Phasen wird ein abgeflsadhter Stromnulldurchgang erhalten, z. B. können sdadurch die zur Kommutierung verwendeten Gleichrichter noch weiter verkleinert werden.Fiig. 7 shows an arrangement at. which the rectifier intermittently not be claimed at all. Here, too, eat a plurality of intermediate segments * used, which alternate only with one or only the other main segment 7 and 8 are each connected via a valve section. A constant connection to the two main segments by valves does not exist. The brushes have to be cleaned be made so wide that they always cover two intermediate segments at the same time. For the two intermediate segments connected in parallel in this way by the brushes results in each scan of the same switching status, as shown, for example, in FIG. 5 shows. Instead of this splitting up of the commutation segments, their splitting perpendicular to the axis of rotation and the rectifiers in an analog orphan as in Fig. 6 are connected to the sub-segments. Through, the familiar switch-on of saturated chokes in that. Phases becomes a discharged current zero crossing received, e.g. B. As a result, the rectifier used for commutation can still be used can be further reduced.

Bei dein bisher dargestellten Ausführungs-Beispielen wurde der besseren Übersichtlichkeit wegen stets die Ausbildung ,der Schaltkontakte als umlaufender Kommutator angenommen. Diese Ausführungsform ist aber keineswegs unerläßlich. Man kann die an Hand @ämeser Ausführungsform erläuterten Schaltmaßnahmen auch bei anders ausgebildeten Schalbstromrichtern, beispielsweise bei Schailtstromrichtern mit angetrIdbenen Einzelkontakten, verwenden.In the exemplary embodiments shown so far, the better one was Clarity because of always the training, the switching contacts as a circumferential Commutator adopted. However, this embodiment is by no means indispensable. Man the switching measures explained in Hand @ ämeser embodiment can also be used differently trained converters, for example with Schailt converters with driven planes Single contacts.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Schafstromri.chtr, preferably for Spesisunsg the excitation winding of syncb; ron machines with one of the stator voltage and an excitation current component dependent on the stator current, characterized in that so that the individual phases are not interrupted during the entire period.

2. Switching converter according to claim i, characterized in that the phases when The zero crossing of the stroma can be short-circuited.

3. Switching current converter according to claim i and 2, characterized in that s the time constant of the equilibrium circuit and the number of phases is dimensioned so that the voltage across it at the zero crossing of the Current of each phase is also zero. q :.

Designed as a revolving commutator Schaltstrom.richtar according to claim i pumice 3, characterized in that that the commutator body, two or more each to one pole of the direct current consumer has connected contact segments that each cover approximately i8o ° electrically.

Switching converter according to claim q., Characterized in that the intermediate spaces between the contact segments are narrower than a contact brush.

6. As a circumferential A commutator-trained backup power supply according to claim 1, characterized in that, that the main contact segments connected to the poles of the field winding through .multiple close. at: one-and-another e intermediate insulating pieces of smaller width when the brushes are separated from each other.

7. Shaft device according to claim 6, characterized in that @ that divided by the Isoli-Erzwiscbemstüoke Intermediate contact segments each two electrically offset from one another by 180 ° .with one another are connected. B. switching current inverter according to claim 6, characterized in that the intermediate contact segments are connected to various tapping points on the field winding are. g, ScbaItStromrli: Chter according to claim 6, characterized in that i Zwisohenkontakts-segments on each side of this commutator body with each other and are connected to the adjacent main segments by valves such that a Electricity from an intermediate segment to the electrical only shifted by 180 ° can flow in the same direction over the field winding. ok Switched current direction according to claim 6, characterized in that the intermediate contact pieces are split open and their length is only limited to one or the other of the two main contact segments are each connected via a valve. i i. Switching converter according to claim i, dadu.rdh characterized that in series with .dien individual phases saturated chokes -connected will.