DE971838C

DE971838C - Device for voltage regulation of alternating current circuits through partial control of the voltage half-waves

Info

Publication number: DE971838C
Application number: DES4317D
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl-Ing Streich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1944-10-27
Filing date: 1944-10-28
Publication date: 1959-04-02

Description

Einrichtung zur Spannungsregelung von Wechselstromkreisen durch Teilaussteuerung der Spannungshalbwellen Es ist bekannt, die Spannung eines Wechselstromkreises mit Hilfe von zwei in Gegenschaltung angeordneten gittergesteuerten Entladungsventilen zu regeln, mit denen aus jeder Halbwelle nur ein Teil ausgesteuert wird. Damit kann eine praktisch stufenlose Spannungsregelung in Wechsel- und Drehstromkreisen erreicht werden.Device for voltage regulation of alternating current circuits through partial control of voltage half-waves It is known to use the voltage of an alternating current circuit With the help of two grid-controlled discharge valves arranged in opposition to regulate, with which only part of each half-wave is controlled. So can a practically stepless voltage regulation in AC and three-phase circuits is achieved will.

Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, an Stelle von Ventilen eine mechanische Schalteinrichtung mit periodisch betätigten, synchron gesteuerten Kontakten, die zur Spannungssenkung jedesmal nur während eines Teiles einer Halbwellendauer geschlossen sind, und mit einer Einrichtung zur Verstellung der gegenseitigen Lage des Kontaktschließungs- und des Kontaktöffnungszeitpunktes zu verwenden. Wesentliche Vorteile einer solchen Regeleinrichtung sind unter anderem kleine Abmessungen, einfacher Aufbau und bequeme Bedienung der Regelgeräte wie bei den bekannten Einrichtungen mit Entladungsventilen, außerdem aber geringere Verluste als bei jenen, wo der Spannungsabfall der Entladungsstrecke den Wirkungsgrad erheblich beeinträchtigen kann.According to the invention it is proposed, instead of valves, a mechanical switching device with periodically actuated, synchronously controlled contacts, those for reducing the voltage each time only during part of a half-wave period are closed, and with a device for adjusting the mutual position of the contact closure and contact opening times. Essential Advantages of such a control device are, inter alia, small dimensions, simpler Structure and convenient operation of the control devices as with the known devices with discharge valves, but also lower losses than those where the voltage drop the discharge path can significantly impair the efficiency.

Zur Spannungsregelung können ähnliche Kontakteinrichtungen verwendet werden wie für Kontaktgleichrichter, bei denen die Regelung der Gleichspannung durch Teilaussteuerung durch Verstellung der Schaltzeitpunkte bekannt ist. Bestehen die Kontakteinrichtungen aus je zwei ruhenden Kontakten und einer beweglichen Schaltbrücke, die von einem Synchronmotor durch Exzenter od. dgl. über Stößel entgegen einer Rückstellkraft abgehoben wird, so kann die Zeitspanne, in der die Kontakte geöffnet sind, durch Verstellung der ruhenden Kontakte gegenüber dem Hubbereich des Stößels geregelt werden. Da hierbei der Einschaltzeitpunkt stets um den gleichen Betrag in entgegengesetztem Sinne verstellt wird wie der Ausschaltzeitpunkt, so werden vorteilhaft bei Belastung die Schaltzeitpunkte zusätzlich gemeinsam gegenüber der Phasenlage der Wechselspannung gleichsinnig um so viel verstellt, daß der Ausschaltzeitpunkt in die Nähe des Stromnullwertes fällt. Diese zusätzliche Verstellung kann durch Ständerverdrehung des antreibenden Synchronmotors oder durch einen diesem vorgeschalteten Drehregler beispielsweise zwangläufig durch ein Getriebe bewirkt werden, sofern die Phasenlage des Stromes gegenüber der Spannung unveränderlich ist, wie z. B. in reinen Wirkstromkreisen für Heizung und Beleuchtung. Ändert sich jedoch die Phasenlage des Stromes während des Betriebes, so ist eine stromabhängige Steuerung der Kontakte angebracht, damit sich die Kontakte bei verschiedenen Belastungszuständen stets in der Nähe des Stromnullwertes öffnen. Bei Starkstrom kann zur Erleichterung der Stromunterbrechung mit den Kontakten ein veränderlicher Widerstand in Reihe geschaltet sein, durch dessen periodische Veränderung in der Nähe des Stromnullwertes eine stromschwache Pause hervorgerufen wird, z. B. eine Schaltdrossel mit beim Nennstromwert hochgesättigtem Magnetkern, der sich in der Nähe des Stromnullwertes entsättigt.Similar contact devices can be used to regulate the voltage are as for contact rectifiers, where the regulation of the DC voltage by Partial modulation is known by adjusting the switching times. Pass the Contact devices made up of two static contacts and a movable switching bridge, that of a synchronous motor through eccentrics or the like. Via plungers against a restoring force picked up , the time span in which the contacts are open can be adjusted by adjusting of the resting contacts can be regulated in relation to the stroke range of the plunger. Since here the switch-on time is always adjusted in the opposite sense by the same amount is like the switch-off time, the switching times are advantageous when there is a load in addition to the same direction in relation to the phase position of the alternating voltage adjusted so much that the switch-off time falls near the current zero value. This additional adjustment can be made by rotating the stator of the driving synchronous motor or by a rotary control connected upstream of this, for example, inevitably a gear can be effected, provided the phase position of the current with respect to the voltage is immutable, such as B. in pure active circuits for heating and lighting. However, if the phase position of the current changes during operation, then a current-dependent control of the contacts attached, so that the contacts are at different Always open load states in the vicinity of the current zero value. With heavy current can be a changeable with the contacts to facilitate power interruption Resistance to be connected in series, through its periodic change in the A low-current pause is caused near the current zero value, e.g. Legs Switching choke with a magnet core which is highly saturated at the rated current value and which is located in the Desaturated near the current zero value.

Während Ventile wegen ihrer Sperrwirkung immer nur paarweise für beide Stromrichtungen verwendbar sind, genügt dazu eine einzige Kontakteinrichtung, wenn diese mit der doppelten Wechselspannungsfrequenz arbeitet. Die Verwendung von zwei oder noch mehr zueinander parallel geschalteten Kontakteinrichtungen, die abwechselnd nacheinander je eine Stromhalbwelle bzw. bei herabgeregelter Spannung nur einen Teilausschnitt davon übertragen, kann im Hinblick auf eine Stromentlastung bei hohen Stromstärken und zur mechanischen Entlastung durch kleinere Betätigungsfrequenz jeder einzelnen Kontakteinrichtung vorteilhaft sein. Es ist auch möglich, eine Teilaussteuerung nicht in jeder Halbwelle, sondern nur in jeder zweiten oder dritten Halbwelle usw. vorzunehmen und in den dazwischenliegenden Halbwellen die Kontakte geschlossen zu lassen. Ebenso besteht die Möglichkeit, nicht von jeder Halbwelle, sondern nur von jeder zweiten oder dritten Halbwelle usw. einen Ausschnitt zu übertragen. Mit den vorgenannten Mitteln kann unter Umständen eine erhöhte Regelgenauigkeit innerhalb eines begrenzten Regelbereiches erzielt werden. Wenn vermieden werden soll, daß der geregelte Strom eine Gleichstromkomponente hat, so ist zur Teilaussteuerung bzw. zur übertragung jede dritte, fünfte oder siebente usw. Halbwelle auszuwählen.While valves, because of their blocking effect, only ever in pairs for both Current directions can be used, a single contact device is sufficient if this works with twice the alternating voltage frequency. The use of two or even more contact devices connected in parallel to one another, which alternately one after the other a current half-wave or only one if the voltage is down-regulated Partial part of it can be transferred with regard to a current discharge at high Currents and for mechanical relief through lower actuation frequency each individual contact device be advantageous. Partial control is also possible not in every half-wave, but only in every second or third half-wave, etc. and the contacts are closed in the half-waves in between permit. There is also the possibility of not of every half-wave, but only of to transmit a section every second or third half-wave, etc. With the The aforementioned means can under certain circumstances increase the control accuracy within a limited control range can be achieved. If you want to avoid that the regulated current has a direct current component, then it is for partial control or to select every third, fifth or seventh etc. half-wave for transmission.

Eine hohe Anpassungsfähigkeit an wechselnde Belastungszustände wird durch eine Einrichtung zur elektromagnetischen Betätigung und Steuerung der Kontakte erreicht. Eine solche Einrichtung mit besonders geringer magnetischer und mechanischer Trägheit und mit dementsprechend sehr kleinen Eigenzeiten kann z. B. für die Kontaktschließung und -öffnung mit je einem Haltemagneten mit einer in der Nachbarschaft seines Ankers angeordneten Auslösewicklung und einem zwischen der magnetischen Spannungsquelle seines Hauptkraftflusses und der Steuerwicklung vom Magnetkreis des Haltekraftflusses abgezweigten, einen Luftspalt enthaltenden magnetischen Nebenschluß ausgerüstet sein. Ein Beispiel dafür zeigt Fig. i der Zeichnung.A high adaptability to changing load conditions is by a device for electromagnetic actuation and control of the contacts achieved. Such a device with particularly low magnetic and mechanical Inertia and with correspondingly very small proper times can, for. B. for contact closure and opening each with a holding magnet with one in the vicinity of its armature arranged trigger winding and one between the magnetic voltage source its main power flow and the control winding from the magnetic circuit of the holding power flow branched off, equipped with an air gap containing magnetic shunt be. An example of this is shown in FIG. 1 of the drawing.

Die Schalteinrichtung i i enthält zwei Ausschaltmagneten 12, die zugleich ruhende Kontaktstücke darstellen, einen Anker 13, der eine bewegliche Kontaktbrücke bildet und an gespannten Klaviersaitendrähten 1q. schwingfähig aufgehängt ist, und einen dreischenkligen Einschaltmagneten 15. Die Hauptkraftflüsse der Magneten können durch Erregung mit Gleichstrom hervorgerufen werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rühren sie von Dauermagneten her, deren Pole mit N und S bezeichnet sind. Die Magneten 12 sind seitlich mit Messingplatten abgedeckt, von denen in der Zeichnung die vorderen weggelassen sind. An den Polschuhen sind silberne Kontaktleisten angelötet. Auch der Anker 13 ist zur guten Kontaktgabe mit zwei seitlich angelöteten Silberleisten versehen. Die Schenkel der Magneten 12 enthalten Durchbrechungen, in denen die Ausschaltsteuerwicklung 16 angeordnet ist. Ein Strom in dieser Wicklung wirkt also nicht in Längsrichtung des Hauptkraftflusses magnetisierend, sondern seine feldschwächende bzw. feldverdrängende Wirkung beruht ausschließlich auf Quermagnetisierung. Außerdem schützen magnetische Nebenschlüsse 17 die Dauermagneten vor einer übermäßigen Verringerung des Hauptkraftflusses. Sie sind nicht gesättigt, damit sie auch den über den Anker 13 verlaufenden Teil des Hauptkraftflusses bei dessen Verdrängung ohne weiteres aufnehmen. Der Einschaltmagnet 15 hat ebenfalls einen Dauermagneten, dazu eine um den mittleren Schenkel angeordnete Steuerwicklung 18 und magnetische Nebenschlüsse i9. Die Steuerwicklung 18 wirkt längsmagnetisierend. Sie kann in feldverstärkendem Sinne erregt werden, so daß der Anker 13 vom Magneten 15 angezogen wird. Hier wird er dann auch nach dem Verschwinden der Erregung festgehalten. Damit ist die Schalteinrichtung i i betriebsbereit. Die Betriebsbereitschaft kann auch durch mechanische Bewegung des Ankers 13 zum Magneten 15 hin herbeigeführt werden. Die Steuerwicklung des Einschaltmagneten kann ebenso wie diejenige der Ausschaltmagneten so angeordnet sein, daß sie nicht längsmagnetisierend wirkt.The switching device i i contains two switch-off magnets 12, which at the same time represent stationary contact pieces, an armature 13, which is a movable contact bridge forms and on tensioned piano wires 1q. is suspended so that it can vibrate, and a three-legged switch-on magnet 15. The main force flows of the magnets can caused by excitation with direct current. In the illustrated embodiment they come from permanent magnets whose poles are marked N and S. The magnets 12 are laterally covered with brass plates, of which the front ones in the drawing are omitted. Silver contact strips are soldered to the pole pieces. Even the anchor 13 is for good contact with two laterally soldered silver strips Mistake. The legs of the magnets 12 contain openings in which the switch-off control winding 16 is arranged. A current in this winding does not act in the longitudinal direction of the main force flux is magnetizing, but rather its field-weakening or field-displacing one Effect is based solely on transverse magnetization. Magnetic ones also protect Shunts 17 prevent the permanent magnets from unduly reducing the main flow of force. They are not saturated, so that they also cover the part that runs over the armature 13 of the main force flow when it is displaced without further ado. The closing magnet 15 also has a permanent magnet, one around the middle leg Control winding 18 and magnetic shunts i9. The control winding 18 acts longitudinally magnetizing. It can be excited in a field-enhancing sense, so that the Armature 13 is attracted by magnet 15. It will be here even after disappearing held on to the excitement. The switching device i i is thus ready for operation. the Operational readiness can also be achieved by mechanical movement of the armature 13 to the magnet 15 can be brought about. The control winding of the closing magnet can also like that of the switch-off magnet, it can be arranged in such a way that it is not longitudinally magnetized works.

In Fig.2 ist eine Regelanordnung mit solchen Kontakteinrichtungen für eine Drehstromanlage als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Für jede Phase sind zwei Schalteinrichtungen i i vorgesehen, von denen die eine die positiven und die andere die negativen Halbwellen führt. In Reihe damit liegt ein Verbraucher 2o, dessen einzelne Phasen über Schaltdrosseln 21 an ein Drehstromnetz 22 angeschlossen sind. Die Anordnung der Kontakteinrichtungen am Sternpunkt ist insofern vorteilhaft, als solche Kontakteinrichtungen einseitig gemeinsames Potential haben. Die Steuereinrichtung ist nur für eine Phase vollständig gezeichnet. Zur Steuerung der Haltemagneten dienen beispielsweise Sättigungswandler. Für den Einschaltvorgang ist ein Sättigungswandler 23 für jede Phase vorgesehen. Er wird von einer Hilfsspannung gleicher Frequenz wie die Hauptwechselspannung und regelbarer Phasenlage gegenüber der Hauptwechselspannung erregt und ist hierzu über einen Drehregler 24 an das Drehstromnetz 22 angeschlossen. Die Phasenlage der Einschaltimpulse kann statt mit einem Drehregler auch durch eine regelbare Wechselstromvormagnetisierung der Sättigungswandler 23 oder mit Hilfe geeigneter Scheinwiderstände mit regelbarer Wirk-und Blindkomponente verstellt werden. Die Einschaltsteuerwicklungen der beiden Kontakteinrichtungen einer Phase sind hintereinandergeschaltet. Da diese Wicklungen längsmagnetisierend auf das Hauptfeld wirken, so spricht jeder Einschaltinagnet nur auf Stromstöße einer Richtung an. Die Einschaltung der beiden Kontakteinrichtungen einer Phase erfolgt also mit einem Zeitwinkelabstand von i8o°. Die Auslösewicklungen der Ausschaltinagneten sind an eine Schaltdrosselwicklung angeschlossen. Sie haben keine längsmagnetisierende Komponente, die Magneten wirken infolgedessen nicht polarisiert. Damit sie abwechselnd arbeiten, sind mit ihnen Ventile 25 gegensinnig in Reihe geschaltet. Das Ausschalten erfolgt in jedem Falle stromabhängig und damit selbsttätig durch die in der Schaltdrossel. bei ihrer Entsättigung in der Nähe der Stromnullwerte hervorgerufenen Stromimpulse. Es können geeignete zusätzliche 1littel gegen schädliches Schaltfeuer und Materialwanderung vorgesehen werden, z. B. Einschaltkerne für die Schaltdrosseln, Vormagnetisierung derselben sowie vorzugsweise kapazitive Nebenwege zu den Trennstrecken.In Fig.2 is a control arrangement with such contact devices for a three-phase system as an embodiment of the invention shown schematically. Two switching devices i i are provided for each phase, one of which the positive and the other the negative half-waves leads. In Series with it is a consumer 2o, whose individual phases via switching chokes 21 are connected to a three-phase network 22. The arrangement of the contact devices at the star point is advantageous in that such contact devices are one-sided have common potential. The control device is only complete for one phase drawn. Saturation converters, for example, are used to control the holding magnets. A saturation converter 23 is provided for each phase for the switch-on process. It is powered by an auxiliary voltage of the same frequency as the main alternating voltage and adjustable phase position with respect to the main alternating voltage and is excited about this a rotary control 24 is connected to the three-phase network 22. The phase position of the switch-on pulses can also be done with an adjustable alternating current bias instead of a rotary control the saturation converter 23 or with the help of suitable apparent resistances with adjustable Active and reactive components can be adjusted. The switch-on control windings of the two Contact devices of a phase are connected in series. Because these windings Every switch-on magnet speaks in a longitudinally magnetizing manner on the main field only respond to one-way power surges. The activation of the two contact devices a phase therefore takes place with a time angle interval of 180 °. The trigger windings the switch-off solenoids are connected to a switching inductor winding. They have no longitudinally magnetizing component, as a result, the magnets are not polarized. So that they work alternately, valves 25 are connected in series with them in opposite directions. Switching off is always current-dependent and therefore automatic those in the switching throttle. when they are desaturated near the current zero values caused current impulses. It can be suitable additional 1littel against harmful Switching lights and material migration are provided, e.g. B. switch-on cores for the Switching chokes, premagnetization of the same and, preferably, capacitive secondary paths to the isolating distances.

In den Endlagen des gesamten Regelbereiches kann die Betätigung der Kontakteinrichtungen unterdrückt werden, d. h., bei der Spannung Null wird das Einschalten und bei der vollen Spannung das Ausschalten der Kontakteinrichtungen unterbrochen. Bei den obenerwähnten mechanisch angetriebenen Kontakten ergibt sich dies ohne weiteres durch eine über die Endlagen der Regelung hinausgehende weitere Verstellung der Lage der ruhenden Kontakte gegenüber der Hubstrecke des Stößels, wodurch die bewegliche Schaltbrücke jenseits der einen Endlage außer Eingriff mit den ruhenden Kontakten und jenseits der anderen Endlage außer Eingriff finit dem Stößel kommt. Damit ist die Vereinigung von Regel- und Schaltgerät erreicht. Bei elektromagnetisch betätigten Kontakteinrichtungen können die Steuerstromkreise der Einschaltmagneten und der Ausschaltmagneten durch Hilfsschalter unterbrochen werden. Statt dessen können die Kerne der steuernden Sättigungswandler so hoch vormagnetisiert werden, daß sie dauernd gesättigt bleiben und infolgedessen keine Steuerimpulse abgeben. Die Regeleinrichtung kann so ausgestaltet werden, daß sie zugleich als Leitungs- und Kurzschlußschutz dient.In the end positions of the entire control range, the actuation of the Contact devices are suppressed, d. That is, when the voltage is zero, it is switched on and at full voltage, the switching off of the contact devices is interrupted. In the case of the mechanically driven contacts mentioned above, this is easy to do through a further adjustment of the Position of the resting contacts in relation to the stroke length of the plunger, whereby the movable Switching bridge beyond the one end position out of engagement with the resting contacts and beyond the other end position comes out of engagement finitely with the plunger. So is the unification of control and switching devices is achieved. When operated electromagnetically Contact devices can control the switching solenoids and the Switch-off solenoids are interrupted by auxiliary switches. Instead, the Cores of the controlling saturation converter are so highly pre-magnetized that they are permanent remain saturated and consequently do not emit any control pulses. The control device can be designed in such a way that it serves as line and short-circuit protection at the same time serves.

Die ganze Steuereinrichtung kann besondere Bedeutung vor allem für Beleuchtungsanlagen (Saal-oder Bühnenbeleuchtung) erreichen, wobei sich durch die praktisch ohmsche Belastung ein außerordentlich geringer Schaltdrosselaufwand ergibt. Für solche Anwendungen kann die Steuerung der einzelnen Kontakte in an sich bekannter Weise in Stellwerken mit entsprechendem Gruppenantrieb od. dgl. vorgenommen werden. Die Einzel- und Summensteuerung der einzelnen Steuerkreise kann durch mechanische Mittel oder durch entsprechende Vormagnetisierungen oder durch Drehtransformatoren, die den einzelnen Steuerstromkreisen bzw. Gruppen solcher Stromkreise zugeordnet sind, durchgeführt werden. Die in solchen Anlagen übliche Vorwahl der Stromkreise kann durch Schaltung der Steuerstromkreise erreicht werden, wodurch sich außerordentlich kleine und übersichtliche Steuergeräte (Stellwerke) ergeben.The whole control device can be of particular importance especially for Lighting systems (hall or stage lighting) achieve, being through the practically ohmic load results in an extremely low switching throttle effort. For such applications, the control of the individual contacts can be known per se Way in interlockings with a corresponding group drive or the like. Be made. The individual and total control of the individual control circuits can be done by mechanical Means or by appropriate pre-magnetizations or by rotary transformers, assigned to the individual control circuits or groups of such circuits are to be carried out. The usual circuit preselection in such systems can be achieved by switching the control circuits, which makes itself extraordinarily small and clear control devices (interlockings) result.

Für die Regelung von Elektroöfen od. dgl. ist die unmittelbare Beeinflussung der Steuergeräte durch einen Thermostaten oder ein Thermoelement, gegebenenfalls über magnetische Verstärker, möglich.For the regulation of electric ovens or the like is the direct influence the control devices by a thermostat or a thermocouple, if necessary via magnetic amplifier, possible.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for voltage regulation of alternating current circuits by partial modulation of the voltage half-waves, characterized by a mechanical one Switching device with periodically actuated, synchronously controlled contacts that opened to reduce the voltage each time during part of a half-wave period are, and with a device for adjusting the mutual position of the contact closure, ngs- and the contact opening time.

2. Device according to claim i, characterized by current-dependent control of the contacts in such a way that they move when loaded open near the current zero value.

3. Device according to claim 2, characterized characterized in that with the contacts a periodically variable, current distorting Resistance, in particular a switching inductor with a high saturation at the rated current value Magnetic core whose desaturation near the current zero value causes the current to be interrupted relieving low-current break is caused, is connected in series.

Facility according to claim i, characterized by a device for electromagnetic actuation and control of contacts.

5. Device according to claim .4, characterized in that that for contact closure and a holding magnet for opening the contact with a release winding arranged in the vicinity of its anchor and with one between the magnetic voltage source of its main power flow and the Trigger winding branched off from the magnetic circuit of the holding force flow, an air gap containing magnetic shunt is provided.

6. Device according to claim 5, characterized by such an arrangement of the control winding of the switch-off magnet, that the total excitation caused by it practically none on the path of the main force flow exerts a longitudinal magnetizing effect.

7. Device according to claim 5, characterized by such an arrangement of the control winding of the switch-on magnet that the excitation caused by it has a longitudinal magnetizing effect. B. Device according to claim 5, characterized in that the contact closure is controlled by an auxiliary voltage of the same frequency as the alternating voltage, with an adjustable phase position relative to the main voltage. G. Device according to Claim 5, characterized in that the contact opening is controlled by the course of the current in the vicinity of the current zero value. ok Device according to Claims 8 and 9, characterized by a saturation converter excited by the auxiliary AC voltage for controlling the switch-on magnet and a saturation converter excited by the current to be interrupted for controlling the switch-off magnet. i i. Device according to claims 3 and io, characterized in that the release winding of the switch-off magnet is connected to a switching inductor winding. Documents considered: German Patent No. 378 225; French Patent Nos. 863,046, 876 68o 878 429, 88 1500.