DE959029C

DE959029C - Mechanical switching converter

Info

Publication number: DE959029C
Application number: DES29535A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erich Rolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1952-07-30
Filing date: 1952-07-30
Publication date: 1957-02-28

Description

Mechanischer Schaltstromrichter Die Erfindung betrifft einen mechanischen Sohaltstromrichter, dessen Kontakte mittels einer elektromagnetisch gesteuerten oder mit einem Synchronmotor gekuppelten Antriebsvorrichtung geschlossen und geöffnet werden und mit denen Schaltdrosseln in Reihe liegen, die in der Nähe der Stromnullwerte eine stromschwache Pause, bei der Kontaktöffnung Ausschaltstufe und bei der Kontaktschließung Einschaltstufe genannt, zur Entlastung der Kontakte hervorrufen. Nach Ablauf der Ausschaltstufe soll die Schaltdrossel schon vor der erneuten Kontaktschließung mehr oder weniger in Richtung der durch den nachfolgenden Laststrom hervorgebrachten Sättigung rückmagnetisiert werden, damit die nach der Kontaktschließung auftretende Einschaltstufe nicht die volle Länge hat, sondern nur kurz ist oder zum Zwecke der magnetischen Spannungsregelung in ihrer Länge willkürlich geregelt werden kann. Die Rückmagnetisierung soll dabei nur innerhalb eines begrenzten Zeitabschnittes kurz vor dem Einshalten stattfinden und im Augenblick des Einschaltens beendet sein, damit nicht in diesem Augenblick eine Spannung an der Schaltdrossel erzeugt wird, die als Einschaltspannung den Kontakt beansprucht.Mechanical switched-mode converter The invention relates to a mechanical converter Sohalt converter, the contacts of which by means of an electromagnetically controlled or drive device coupled with a synchronous motor, closed and opened and with which switching reactors are in series that are close to the current zero values a low-current pause, when the contact is opened, the switch-off stage and when the contact is closed Called the switch-on stage, to relieve the contacts. After the The switching throttle should be switched off before the contact closes again or less in the direction of that brought about by the subsequent load current Saturation are magnetized back, so that that occurs after the contact closure Switch-on level does not have the full length, but is only short or for the purpose of magnetic voltage regulation can be regulated arbitrarily in length. The reverse magnetization should only occur within a limited period of time take place shortly before stopping and be finished at the moment of switching on, so that a voltage is not generated at the switching throttle at this moment, which demands the contact as switch-on voltage.

Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe dient erfindungsgemäß ein an eine Hilfswicklung der Schaltdrossel angeschlossener Rückmagnetisierungskreis, dessen Strom außerhalb des Rückmagnetisierungsabschnitts jeder Periode durch eine Reihenschaltung einer vormagnetisierten Sättigungsdrossel und eines Ventils auf einen für die Rückmagnetisierung der Schaltdrossel nicht ausreichenden Wert begrenzt wird.According to the invention, an to a is used to achieve the above object Auxiliary winding of the switching choke connected reverse magnetization circuit, whose Current outside the reverse magnetization section every period by connecting a pre-magnetized saturation reactor and a valve in series to a value that is not sufficient for the reverse magnetization of the switching throttle is limited.

In der Zeichnung ist in Fig. i ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Die Fig. 2 und 3 dienen zur Erläuterung ,der Wirkungsweise. Fig. i zeigt einen Schaltstromrichter in Drehstrom-Sternpunktschaltung. Schaltungen mit anderer Phasenzahl können daraus in an sich bekannter Weise abgeleitet werden. An eine Speisewicklung i i, beispielsweise die Sekundärwicklung eines Gleichrichtertransformators, sind die Schaltdrosseln 12 und die Kontakte 13 angeschlossen. Die Antriebsvorrichtungen der letzteren sind der besseren Übersicht halber weggelassen. Auf der Gleichstromseite liegen ein Verbraucher 14 und eine Glättungsdrossel 15. Die Schaltdrosseln können in an sich bekannter Weise bzw. nach früheren Vorschlägen, insbesondere nach Patent 869 983 und gig o59, so vormagnetisiert sein, daß der Stufenstrom einen ganz geringen positiven Wert hat bzw. praktisch Null wird. Ferner können die Schaltdrosseln in an sich bekannter Weise mit Streckkreisen ausgerüstet sein. Die vorerwähnten Einrichtungen sind ebenfalls der besseren übersieh4 halber in der Zeichnung nicht dargestellt.In the drawing, an exemplary embodiment of the invention is shown schematically in FIG. FIGS. 2 and 3 serve to explain the mode of operation. Fig. I shows a switching converter in three-phase star-point connection. Circuits with a different number of phases can be derived therefrom in a manner known per se. The switching inductors 12 and the contacts 13 are connected to a supply winding ii, for example the secondary winding of a rectifier transformer. The drive devices of the latter are omitted for the sake of clarity. A consumer 14 and a smoothing choke 15 are located on the direct current side. becomes practically zero. Furthermore, the switching throttles can be equipped with circuit circuits in a manner known per se. The aforementioned devices are also not shown in the drawing for the sake of clarity.

Der Rückmagnetisierungskreis besteht aus einer Wechselspannungsquelle mit der Spannung UR, einer Sättigungsdrossel 18, einem Ventil 17 und der Rückmagnetisierungswicklung 16- auf dem Kern der Schaltdrossel i2. Die Sättigungsdrossel i8 enthält, wie die Schaltdrossel i2, einen Kern aus Textureisen mit Rechteckschleife. Sie wird mit einem Gleichstrom vormagnetisiert, der durch eine Drossel 2o stabilisiert ist und dessen Höhe durch einen Regelwiderstand 21 eingestellt werden kann. Die Rückmagnetisierungsanordnung ist in Fig. i nur für eine Phase dargestellt, für die übrigen Phasen ist sie in entsprechender Weise zu ergänzen.The reverse magnetization circuit consists of an alternating voltage source with the voltage UR, a saturation choke 18, a valve 17 and the reverse magnetization winding 16- on the core of the switching choke i2. The saturation choke i8, like the switching choke i2, contains a core made of textured iron with a rectangular loop. It is premagnetized with a direct current which is stabilized by a throttle 2o and the level of which can be adjusted by a variable resistor 21. The reverse magnetization arrangement is shown in FIG. I for only one phase; it is to be supplemented accordingly for the remaining phases.

Fig. 2 zeigt die Magnetisierungskurve M = f (H) des Kernes der Sättigungsdrossel 18 und Fig.3 die Spannungs- und Stromkurven des Rückmagnetisierungskreises. Die Phasenlage der Spannung UR ist so gewählt, daß der durch den Kurvenzug 3 ... 4... 5 der Stromkurve ilz wiedergegebene Rückmagnetisierungsimpuls kurz vor dem Einschaltzeitpunkt für den Steuerwinkel a = 0 beendet ist. Da der steile Abfall des Impulses mit dem Nulldurchgang der Spannung UR in negativer Richtung zusammenfällt, muß dieser Nulldurchgang zweckmäßig etwa io bis i5° vor dem Punkte a = 0 liegen.FIG. 2 shows the magnetization curve M = f (H) of the core of the saturation reactor 18 and FIG. 3 shows the voltage and current curves of the reverse magnetization circuit. The phase position of the voltage UR is chosen so that the reverse magnetization pulse reproduced by the curve 3 ... 4 ... 5 of the current curve ilz ends shortly before the switch-on time for the control angle a = 0. Since the steep drop in the pulse coincides with the zero crossing of the voltage UR in the negative direction, this zero crossing must expediently be about 10 to 15 degrees before the point a = 0.

Unter Vernachlässigung der ohmschen Widerstände im Rückmagnetisierungskreis sei eine Periode der Rückmagnetisierungsspannung UR betrachtet, beginnend mit ihrem Nulldurchgang in positiver Richtung - Punkt i. Der zugeordnete Zustandspunkt auf der Magnetisierungskurve der Fig. 2 liegt auf der linke% abfallenden Flanke bei Punkt i. Dieses ist der untere Umkehrpunkt der praktisch durchlaufenen Hysteresisschleife, da bis dahin durch die negativen Augenblickswerte uR eine Ummagnetisierung in negativer Richtung stattgefunden hat, während nach dem Nulldurchgang der Spannung ihre positiven Augenblickswerte einen Wechsel der Ummagnetisierungsrichtung mit sich bringen. Die Lage des Punktes i auf der Schleife ist eindeutig durch die Feldstärke HV der jeweils eingestellten Gleichstromvormagnetisierung festgelegt, weil wegen des Ventils 17 negative Ströme im Rückmagnetisierungskreise nicht fließen können, der Strom iR zu diesem Zeitpunkt also Null ist, und außer dem Vormagnetisierungsgleichstrom dann kein anderer Strom den Kern der Drossel 18 durchflutet. Der untere Teil der Hysteresisschleife wird also nicht bis zur Sättigung durchlaufen, sondern der Polarisationswert des Umkehrpunktes hängt allein von der Höhe der Gleichstromvormagnetisierung ab. Der Strom iR hat, wenn ein ideales Ventil für unsere Betrachtung vorausgesetzt wird, wegen dieses Ventils während der ganzen Periode positive Werte und berührt nur im Punkte i momentan seile Nulllini.e.Neglecting the ohmic resistances in the back magnetization circuit consider a period of the back magnetization voltage UR, starting with its Zero crossing in positive direction - point i. The assigned state point the magnetization curve of FIG. 2 is on the left% falling edge Point i. This is the lower turning point of the practically passed hysteresis loop, since until then the negative instantaneous values uR cause a reversal of magnetization into negative ones Direction took place while after the zero crossing of the voltage its positive Instantaneous values bring about a change in the direction of magnetization reversal. the The position of the point i on the loop is clearly indicated by the field strength HV of each set direct current bias because valve 17 negative currents in the reverse magnetization circuit cannot flow, the current iR at this point in time is therefore zero, and then apart from the direct bias current no other current flows through the core of the choke 18. The lower part of the hysteresis loop is therefore not traversed to saturation, but the polarization value of the The reversal point depends solely on the level of the direct current bias. Of the Current has iR, if an ideal valve is assumed for our consideration, because of this valve positive values during the whole period and only touches im Points i currently ropes zero lines.

Ausgehend vom Punkt i steigt der Strom iR im Rückmagnetisierungskreise infolge der positiven Augenblickswerte von uR schnell über Punkt 2 auf Werte an, die durch den Abstand der rechten Flanke der Hysteresisschleife von der durch die Vormagnetisierung nach links verschobenen M-Achse (gemäß Fig.2) gegeben sind, und die Drossel 18 wird in Richtung auf .die positive Sättigung ummagnetisiert. Während des Ablaufes der Ausschaltstufe der Schaltdrossel 12 wird in der Wicklung 16 als transformierte Wendespannung noch eine Spannung induziert, die die gleiche Richtung wie uR hat, so daß sich der positiven Halbwelle von ug noch eine Spannungsfläche FD der Schaltdrossel aufsetzt. Während dieses Abschnittes findet die Ummagnetisierung der Sättigungsdrossel 18 mit entsprechend erhöhter Geschwindigkeit statt. Bei Punkt 3 wird unter dem Einfluß von uR die positive Sättigung erreicht; eine weitere Flußänderung in der Drossel 18 ist von jetzt ab nicht mehr möglich, und die Begrenzung des Stromes iR durch die Drossel 18 hört daher auf. Die Spannung uR legt sich infolgedessen an die Schaltdrossel 12, wobei der Strom ig auf'den Wert 4 des natürlichen Magnetisierungsstromes der Schaltdrossel 12 ansteigt. Die SchaltdrosseI wird jetzt rückmagnetisiert, und sie ist es, die nun den Strom iR begrenzt. Die Rückmagnetisierung dauert so lange an, bis die restliche Spannungsfläche FR der positiven Halbwelle von uR aufgebraucht ist. Von der Lage des Punktes i auf der in Fig. 2 dargestellten Hysteresisschleife der Sättigungsdrossel 18, d. h. also von der Höhe der eingestellten Gleichstromvormagnetisierung iy bzw. Hv, hängt es ab, wieviel der gesamten verfügbaren positiven Spannungsfläche für die Ummagnetisierung der Sättigungsdrossel 18 verbraucht wird, und wieviel danach als Fläche FR noch für die Rückmagnetisierung der Schaltdrossel 12 verbleibt. In Fig. 3 sind die Verhältnisse so gewählt, daß nur eine teilweise Rückmagnetisierung stattfindet (FR<FD) und nach dem bei d-= 0 stattfindenden Einschalten noch eine Einschaltstufe von etwa 3o° Länge entsteht. Wird aber z. B. durch Erhöhung der Vörmagnetisierung HV der Punkt i so weit auf der linken Flanke der Hysteresisschleife nach unten verschoben, daß zur Erreichung des Punktes 3 die ganze positive Spannungsfläche, die sich aus der Halbwellenfläche F" von uR und der aufgesetzten Drosselfläche FD zus4mmensetzt, erforderlich ist, so verschiebt sich in Fig. 3 der Punkt 3 weiter nach rechts bis zum Nulldurchgang von uR. Eine Rückmagnetisierung erfolgt vor dem Einschaltzeitpunkt dann überhaupt nicht, und es entsteht die größt= mögliche Einschaltstufe entsprechend der vollen Fläche FD. Wird dagegen die Vormagnetisierung erniedrigt, so rückt der Punkt 3 auf der Hysteresisschleife weiter nach oben und in Fig. 3 weiter nach links. Die Fläche FR nimmt infolgedessen zu. Bei Gleichheit der Flächen FR und 'FD findet eine völlige Rückmagnetisierung statt; eine Einschaltstufe bildet sich nicht mehr aus, die volle Aussteuerung ist erreicht.Starting from point i, the current iR in the back magnetization circuit rises rapidly above point 2 as a result of the positive instantaneous values of uR to values that are determined by the distance between the right flank of the hysteresis loop and the M-axis shifted to the left by the premagnetization (according to Fig. 2) are given, and the choke 18 is magnetized in the direction of .die positive saturation. During the course of the switch-off stage of the switching choke 12, a voltage is induced in the winding 16 as a transformed reversing voltage, which has the same direction as uR, so that the positive half-wave of ug still has a voltage area FD of the switching choke. During this section, the magnetization reversal of the saturation reactor 18 takes place at a correspondingly increased speed. At point 3 the positive saturation is reached under the influence of uR; a further change in the flow in the throttle 18 is no longer possible from now on, and the limitation of the current iR through the throttle 18 therefore ceases. The voltage uR is consequently applied to the switching inductor 12, the current ig increasing to the value 4 of the natural magnetization current of the switching inductor 12. The switching throttle is now magnetized back, and it is it that now limits the current iR. The reverse magnetization continues until the remaining voltage area FR of the positive half-wave of uR is used up. From the position of point i on the hysteresis loop of the saturation choke 18 shown in FIG. 2, that is to say on the level of the set direct current bias iy or Hv, it depends on how much of the total available positive voltage area is consumed for the remagnetization of the saturation choke 18, and how much then remains as the area FR for the reverse magnetization of the switching inductor 12. In FIG. 3, the relationships are chosen so that only partial reverse magnetization takes place (FR <FD) and, after switching on at d- = 0, a switch-on stage of about 30 ° in length is created. But z. B. by increasing the pre-magnetization HV, the point i shifted so far down on the left flank of the hysteresis loop that the entire positive voltage area, which is made up of the half-wave area F "of uR and the attached throttle area FD, is required to reach point 3 3, point 3 shifts further to the right up to the zero crossing of uR. Reverse magnetization then does not take place at all before the switch-on time, and the largest possible switch-on level occurs corresponding to the full area FD , point 3 moves further up on the hysteresis loop and further to the left in FIG. 3. The area FR increases as a result. If the areas FR and 'FD are equal, a complete reverse magnetization takes place; full modulation is reached.

Im folgenden wird noch der Verlauf der Vorgänge während der negativen Halbwelle von uR betrachtet. Im Nulldurchgang der Spannung uR in negativer Richtung hat auch der Strom iR das Bestreben, seine Richtung zu wechseln. Er kann aber nur von Punkt q. nach Punkt 5 abfallen, weil dann wieder eine Ummagnetisierung der Drossel i8 in negativer Richtung einsetzt, wobei der Strom nach unten jetzt durch die linke Flanke der Hysteresisschleife begrenzt ist, und zwar auf Werte, die noch um ein geringes im positiven Gebiet liegen. Die Ummagnetisierung der Sättigungsdrossel i8 erfolgt bis zum Punkt a = 0 nur unter dem Einfluß von zsR. Vom Einschaltzeitpunkt ab aber wird während des Ablaufes der Einschaltstufe in der Wicklung 16 jetzt wieder eine Spannung induziert, die sich den Werten von uR noch zusetzt in der Form der Fläche FE. Als gesamte in negativer Richtung ummagnetisierende Fläche ist also die Summe der vollen Halbwellenfläche FH wirksam. Eine Betrachtung der Spannungsflächen lehrt, daß die Ummagnetisierung der Drossel 18 bis wieder zum Ausgangspunkt i gerade am Ende der negativen Halbwelle von uR beendet ist. Es ist nämlich die an der Drossel 18 während der positiven Halbwelle verbrauchte Spannungsfläche FH -f- FD - FR gleich der während der negativen Halbwelle verbräuchten Fläche FH -I- FE, da die Flächen FR und FE zusammen die Fläche FD ergeben mÜssen. Damit ist ein voller Zyklus durchlaufen, und die Vorgänge wiederholen sich in der nächsten Periode von neuem.In the following, the course of the processes during the negative half-wave of uR is considered. When the voltage uR crosses zero in the negative direction, the current iR also tends to change its direction. But it can only go from point q. decrease after point 5, because then a reversal of magnetization of the choke i8 starts again in the negative direction, the current downward now being limited by the left flank of the hysteresis loop, namely to values that are still slightly in the positive area. The magnetic reversal of the saturation reactor i8 takes place up to point a = 0 only under the influence of zsR. From the switch-on time onwards, however, a voltage is again induced in the winding 16 during the course of the switch-on stage, which voltage is added to the values of uR in the form of the area FE. The sum of the full half-wave area FH is therefore effective as the entire area that is magnetized reversely in the negative direction. A consideration of the voltage areas shows that the magnetization reversal of the choke 18 up to the starting point i is just ended at the end of the negative half-wave of uR. This is because the voltage area FH -f- FD- FR consumed at the choke 18 during the positive half-wave is equal to the area FH -I-FE consumed during the negative half-wave, since the areas FR and FE together must result in the area FD. A full cycle has thus been run through, and the processes are repeated anew in the next period.

Daß das Flächengleichgewicht immer gerade am Ende der negativen Spannungshalbwelle hergestellt ist, wenigstens innerhalb des für den praktischen Betrieb allein in Frage kommenden Bereiches von FR = 0 bis FR = FD, hat zur Folge, daß das Ventil fast gar nicht auf Sperrspannung beansprucht wird; es hat lediglich geringe ohmsche Spannungsabfälle zu sperren.The fact that the area equilibrium is always established just at the end of the negative voltage half-wave, at least within the range from FR = 0 to FR = FD, which is the only area in question for practical operation, means that the valve is almost not subjected to reverse voltage; it only has to block small ohmic voltage drops.

Der Fall, daß infolge entsprechender Herabsetzung ,der Vormagnetisierung HV die Fläche FR = FD wird, d. h., daß eine völlige Rückmagnetisierung stattfindet und sich überhaupt keine Einschaltstufe ausbildet, ist, wenn der Einschaltzeitpunkt genau bei a = 0 liegt, theoretisch gefahrlos, da in diesem Falle die Einschaltspannung Null ist und der Stromanstieg sowieso mit waagerechter Tangente beginnt. Der erwähnte Schaltzeitpunkt ist praktisch aber nicht mit mathematischer Genauigkeit zu erreichen. Daher ist doch eine kurze Einschaltstufe zur Verhinderung eines sofortigen Laststromanstiegs erforderlich, die unter keinen Umständen durch die Rückmagnetisierung beseitigt werden kann. Zu diesem Zweck wird die Rückmagnetisierungswicklung 16 so angeordnet, daß sie nur mit einem Teil des gesamten Eisenquerschnitts der Schaltdrossel 12 verkettet ist. Bei einem aus einer Mehrzahl von Einzelkernen aufgebauten Schaltdrosselkern ist eine besonders einfache Lösung möglich, indem die Rückmagnetisierungswicklung so angeordnet wird, daß sie nicht alle Kerne umfaßt, sondern einen der Einzelkerne frei läßt. Dieser wird dann auf jeden Fall erst im Ansehluß an die Kontaktschließung durch die Einschaltspannung ummagnetisiert und erzeugt infolgedessen die gewünschte Einschaltstufe ganz unabhängig von der jeweiligen Einstellung der Rückmagnetisierung.The case that, as a result of a corresponding reduction in the premagnetization HV, the area FR = FD, that is, that a complete reverse magnetization takes place and no switch-on stage develops at all, is theoretically safe if the switch-on time is exactly at a = 0, since in this If the switch-on voltage is zero and the current rise begins with a horizontal tangent anyway. The switching time mentioned can be achieved in practice but not with mathematical accuracy. Therefore, a short switch-on stage is necessary to prevent an immediate increase in load current, which under no circumstances can be eliminated by the reverse magnetization. For this purpose, the reverse magnetization winding 16 is arranged in such a way that it is linked to only part of the entire iron cross-section of the switching inductor 12. In the case of a switching inductor core made up of a plurality of individual cores, a particularly simple solution is possible in that the reverse magnetization winding is arranged in such a way that it does not encompass all cores, but rather leaves one of the individual cores free. This is then in any case only remagnetized by the switch-on voltage after the contact has been closed and consequently generates the desired switch-on level completely independent of the respective setting of the reverse magnetization.

Eine Rückmagnetisierungsanordnung, wie beschrieben, kann auch für etwa vorhandene Einschaltdrosselkerne zwecks Verkürzung der Einschaltstufe mit Vorteil verwendet werden.A reverse magnetization arrangement as described can also be used for Any switch-on reactor cores that may be present are advantageous for the purpose of shortening the switch-on level be used.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Mechanical switching converter with switching chokes arranged in series with the contacts, characterized by a reverse magnetization circuit connected to an auxiliary winding of the switching choke, whose current outside the reverse magnetization section of each period is limited by a series connection of a premagnetized saturation choke and a valve to a value that is not sufficient for the reverse magnetization of the switching choke will.

2. Switching converter according to claim i, characterized in that the reverse magnetization winding only is chained to part of the entire magnet cross-section of the switching throttle. Publications considered: Swiss Patent No. 201 0g2.