DEP0012866DA

DEP0012866DA - Converter for converting multi-phase electricity into single-phase electricity

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Publication number: DEP0012866DA
Authority: DE
Original assignee: LICENTIA Patentverwaltungs-GmbH, Hamburg
Publication date: 1951-03-29

Description

Es sind Umrichter bekannt, mit deren Hilfe Drehstrom von üblicher Frequenz, beispielsweise 50 Hz, in Einphasenstrom niedrigerer Frequenz, beispielsweise 16 2/3 Hz, umgeformt wird, wie er für den Betrieb elektrischer Fernbahnen benötigt wird. Diese Umrichter verwenden gesteuerte Entladungsstrecken, insbesondere dampf- oder gasgefüllte Entladungsstrecken, wie z.B. gittergesteuerte Quecksilberdampfgefäße.Converters are known with the aid of which three-phase current of the usual frequency, for example 50 Hz, is converted into single-phase current of lower frequency, for example 16 2/3 Hz, as is required for the operation of electric long-distance trains. These converters use controlled discharge paths, in particular vapor or gas-filled discharge paths, such as grid-controlled mercury vapor vessels.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen zur Erläuterung der Erfindung bekannte Umrichterschaltungen und die Kurvenverläufe der zugehörigen Spannungen und Ströme. In der Fig. 1 ist mit I ein Drehstromumspanner bezeichnet, der mit seinen Primärwicklungen RST an das speisende Drehstromnetz von beispielsweise 50 Hz angeschlossen ist. Er besitzt zwei sechsphasige Sekundärwicklungen mit den Phasenwicklungen 1 bis 6 und 1' bis 6', die mit den entsprechend bezeichneten Anoden des zwölf-anodigen Quecksilberdampfgefäßes G verbunden ist. Die zugehörigen Mittel zur Steuerung des Stromflusses der einzelnen Anoden, beispielsweise Steuergitter, sind der Einfachheit halber in der Fig. 1 fortgelassen worden. Die Kathode des Gefäßes G ist mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung eines Sekundärumspanners II verbunden, deren Enden an die beiden Sternpunkte der Sekundärwicklungen des Umspanners I angeschlossen sind. Der Umspanner II ist für die sekundäre niedrigere Frequenz, beispielsweise 16 2/3 Hz, bemessen; die Sekundärspannung u(sub)fII wird an seiner Sekundärwicklung abgenommen. Die beiden Sekundärwicklungen des Drehstromumspanners I mit den ihnen zugeordneten Anoden bilden zwei parallel geschaltete, selbständig arbeitende Gleichrichter a und b, deren Stromkreise sich über je eine Hälfte der Primärewicklung des sekundären Einphasen-Umspanners II schließen. Die Gleichrichter werden so gesteuert, dass jeweils nur ein Gleichrichter arbeitet und der andere während dieser Zeit gesperrt ist. Da ihre Ströme die Primärwicklung des Umspanners II in entgegengesetzter Richtung durchfließen, erhält man sekundärseitig Wechselstrom von der gewünschten niedrigen Frequenz. Wenn man die Gleichrichter periodisch im Takt von 3 (Pi) elektrischen Graden, bezogen auf die höhere Frequenz, umsteuert. Soll sekundärseitig ein Strom entnommen werden, der gegenüber der Spannung eine Phasenverschiebung, z.B. in nacheilendem Sinne, aufweist, so muss die Steuerung der einzelnen Entladungsstrecken in bekannter Weise entsprechend ausgebildet sein, sodass einige Anoden nach Art eines Wechselrichters arbeiten.Figures 1 to 4 show known converter circuits to explain the invention and the curves of the associated voltages and currents. In FIG. 1, I denotes a three-phase transformer, which is connected with its primary windings RST to the feeding three-phase network of, for example, 50 Hz. It has two six-phase secondary windings with phase windings 1 to 6 and 1 'to 6', which are connected to the correspondingly designated anodes of the twelve-anodic mercury vapor vessel G. The associated means for controlling the current flow of the individual anodes, for example control grids, have been omitted in FIG. 1 for the sake of simplicity. The cathode of the vessel G is connected to the center tap of the primary winding of a secondary transformer II, the ends of which are connected to the two star points of the secondary windings of transformer I. The transformer II is dimensioned for the secondary lower frequency, for example 16 2/3 Hz; the secondary voltage u (sub) fII is taken from its secondary winding. The two secondary windings of the three-phase transformer I with the anodes assigned to them form two independently working rectifiers a and b connected in parallel, whose circuits each close over half of the primary winding of the secondary single-phase transformer II. The rectifiers are controlled in such a way that only one rectifier works and the other is blocked during this time. Since their currents flow through the primary winding of transformer II in the opposite direction, alternating current of the desired low frequency is obtained on the secondary side. If the rectifier is periodically reversed at a rate of 3 (Pi) electrical degrees, based on the higher frequency. If a current is to be drawn on the secondary side that has a phase shift, e.g. in a lagging sense, compared to the voltage, the control of the individual discharge paths must be designed accordingly in a known manner so that some anodes work like an inverter.

Die sekundärseitig abgegebene Spannung verläuft, wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, trapezförmig mit einer ausgeprägten Oberwelle von dreifacher Frequenz, also von 50 Hz, wenn die Frequenz der Grundwelle 10 2/3 Hz beträgt. Ihr Verlauf lässt sich durch Überlagerung einer dem Drehstromnetz entnommenen Zusatzspannung der Sinusform annähern. Die praktische Erfahrung hat ergeben, dass auf die Komplikation der Annäherung von der Trapez- an die Sinusform, für die auch noch verschiedene andere Anordnungen vorgeschlagen sind, insbesondere dann verzichtet werden kann, wenn der sekundäre Wechselstrom über einen verhältnismäßig hochgesättigten Umspanner den Verbrauchermotoren zugeführt wird, wie es beispielsweise bei Verwendung des Umrichters im Betriebe elektrischer Lokomotiven der Fall ist. Dort trägt außerdem eine flach verlaufende Spannungskurve dazu bei, die Kommutierung der Motoren zu verbessern und damit die Abnutzung der Kollektoren und der Bürsten zu verringern.As can be seen from FIG. 2, the voltage emitted on the secondary side is trapezoidal with a pronounced harmonic of three times the frequency, that is of 50 Hz when the frequency of the fundamental wave is 10 2/3 Hz. Its course can be approximated to the sinusoidal shape by superimposing an additional voltage taken from the three-phase network. Practical experience has shown that the complication of approximating the trapezoidal to the sinusoidal shape, for which various other arrangements are also proposed, can be dispensed with, in particular, if the secondary alternating current is fed to the consumer motors via a relatively highly saturated transformer, as is the case, for example, when the converter is used in the operation of electric locomotives. A flat voltage curve there also helps to improve the commutation of the motors and thus to reduce wear on the collectors and brushes.

Die Schaltung nach Fig. 3, die sich von der vorherigen dadurch unterscheidet, dass für jeden Gleichrichter ein besonderes sechs-anodiges Gefäß vorgesehen ist, bietet den Vorteil, dass auf den Sekundärumspanner verzichtet werden kann, oder zumindest, dass ein normaler Zweiwicklungs-Umspanner ohne Anzapfung der Primärwicklung verwendet werden kann. Im übrigen stimmen die Bezugszeichen der Fig. 3 mit denen der Fig. 1 überein, und die in der Fig. 2 dargestellten Spannungsverläufe gelten auch für die Anordnung nach Fig. 3. Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der bisher anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Umrichter. Durch die Verwendung ein-anodiger Gefäße ergibt sich die Möglichkeit,den Drehstromumspanner I wesentlich zu vereinfachen. Man benötigt in diesem Falle nur einen beispielsweise sechs-phasigen Stern als Sekundärwicklung. Während die Typenleistung der Drehstromspanner bei den Schaltungen nach Fig. 1 und 3 etwa 1,9 beträgt, geht sie bei der Schaltung nach Fig. 4 auf etwa 1,5 zurück. Die Beziehungszeichen der Fig. 4 entsprechen denen der Fig. 1.The circuit according to FIG. 3, which differs from the previous one in that a special six-anode vessel is provided for each rectifier, offers the advantage that the secondary transformer can be dispensed with, or at least that a normal two-winding transformer without Tapping the primary winding can be used. Otherwise, the reference numerals in FIG. 3 correspond to those in FIG. 1, and the voltage profiles shown in FIG. 2 also apply to the arrangement according to FIG. 3. FIG. 4 shows a modification of the previously based on FIG to 3 described inverters. The use of single-anode vessels makes it possible to simplify the three-phase transformer I considerably. In this case, only a six-phase star, for example, is required as a secondary winding. While the type power of the three-phase tensioner in the circuits according to FIGS. 1 and 3 is about 1.9, it goes back to about 1.5 in the circuit according to FIG. The relational symbols in FIG. 4 correspond to those in FIG. 1.

Diese bisher bekannten Umrichter besitzen außer dem eben erwähnten Nachteil verhälnismäßig großer und teurer Umspanner die weiteren Mängel, dass, abgesehen von den beiden Anoden 1 und 4, sämtliche Anoden in sechs Perioden des 50 Hz-Netzes nur einmal während einer Dauer von nur 60° el. ausgenutzt werden, und dass das Gleiche für die zugehörigen Sekundärwicklungen der Umspanner I gilt. Nur nach der Anordnung nach Fig. 4 ist die Ausnutzung des Transformators I etwas günstiger. In allen Fällen muss die sekundäre Phasenspannung des Umspanners I für die volle Einphasenspannung bemessen sein, derart, dass die Scheitelwerte der Drehstrom- und der Einphasenspannung einander gleich sind. Alle Entladungsstrecken müssen für eine Sperrspannung bemessen sein, die dem doppelten Scheitelwert der Sekundärspannung entspricht. Bei der für den Bahnbetrieb üblichen Fahrdrahtspannung von 16 kV müssen daher die Gefäße für eine Sperrspannung von rund 36 kV vorgesehen werden, da bei trapezförmiger Einphasenspannung deren Effektivwert gleich ist dem 1,25-fachen Betrag der Sternspannung auf der Drehstromseite.These previously known converters have, in addition to the disadvantage just mentioned, relatively large and expensive transformers, the other shortcomings that, apart from the two anodes 1 and 4, all anodes in six periods of the 50 Hz network only once for a duration of only 60 ° el are used, and that the same applies to the associated secondary windings of the transformer I. Only after the arrangement according to FIG. 4 is the utilization of the transformer I somewhat more favorable. In all cases, the secondary phase voltage of transformer I must be dimensioned for the full single-phase voltage in such a way that the peak values of the three-phase and single-phase voltage are equal to one another. All discharge paths must be dimensioned for a reverse voltage that corresponds to twice the peak value of the secondary voltage. With the contact wire voltage of 16 kV that is usual for rail operations, the vessels must therefore be designed for a blocking voltage of around 36 kV, since with a trapezoidal single-phase voltage, the effective value is equal to 1.25 times the amount of the star voltage on the three-phase side.

Die Erfindung beseitig die eben erwähnten Mängel der bisher bekannten Umrichter. Sie betrifft Umrichter zur Umformung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom niedrigerer Frequenz mit Hilfe gesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken und ist dadurch gekennzeichnet, dass an die Phasen des primären Netzes oder TransformatorsThe invention eliminates the above-mentioned shortcomings of the previously known converters. It relates to converters for converting multiphase electricity into single-phase electricity with a lower frequency with the help of controlled vapor or gas discharge paths and is characterized in that it is connected to the phases of the primary network or transformer

Gruppen von in Brückenschaltung verbundenen Entladungsstrecken angeschlossen sind, wobei jede Gruppe aus vier Entladungsstrecken besteht, die zwei gegensinnig parallel geschaltete Brückenzweige bilden.Groups of discharge paths connected in a bridge circuit are connected, each group consisting of four discharge paths which form two bridge branches connected in parallel in opposite directions.

Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, während in der Fig. 6 die zugehörigen Spannungs- und Stromverläufe dargestellt sind. Der an das speisende Drehstromnetz angeschlossene Transformator I besitzt sekundärseitig eine einzige, nur dreiphasige Sternwicklung. Die drei Enden dieser Wicklung sind mit den einanodigen Gefäßen 1 bis 6 und 1`bis 6' nach Art von Brückenschaltungen verbunden, wobei bei dem hier zunächst betrachteten Umrichter zur vorzugsweisen starren Frequenz-Umformung je zwei Brückenzweige unmittelbar antiparallel geschaltet sind. Bei geeigneter Spannungshöhe des primären Drehstromnetzes kann unter Umständen sogar auf den Primärumspanner I ganz verzichtet werden. Der Spannungswechsel auf der Einphasenseite wird dadurch herbeigeführt, dass die Brückensysteme im Takt der gewünschten Periodenzahl wechselweise durch ihre Steuerung eingeschaltet und gesperrt werden, wie dies auch bei den bekannten Umrichtern in ähnlicher Weise durchgeführt wird. Die zugehörigen Spannungsverläufe sind in Fig. 6 dargestellt; die Phasenspannungen des Primärnetzes sind mit den zugehörigen Wicklungen des Primärumspanners nach Fig. 5 gleichlautend bezeichnet. Die Zusammensetzung der sekundären Einphasenspannung aus den Primärspannungen geht aus dem stark ausgezogenen Kurvenverlauf in der oberen Zeile der Fig. 6 hervor, ebenso, wie dies schon in der Fig. 2 gezeigt war. Die sekundär abgegebene Spannung weist den gleichen Verlauf auf wie bei den bisher bekannten Umrichtern.FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the invention, while FIG. 6 shows the associated voltage and current profiles. The transformer I connected to the feeding three-phase network has a single, only three-phase star winding on the secondary side. The three ends of this winding are connected to the single-anode vessels 1 to 6 and 1` to 6 'in the manner of bridge circuits, with two bridge branches being connected directly in antiparallel with the converter initially considered for the preferably rigid frequency conversion. If the voltage level of the primary three-phase network is suitable, it may even be possible to dispense with the primary transformer I entirely. The voltage change on the single-phase side is brought about by the fact that the bridge systems are alternately switched on and blocked by their control system at the rate of the desired number of periods, as is also carried out in a similar way with the known converters. The associated voltage curves are shown in FIG. 6; the phase voltages of the primary network are denoted identically with the associated windings of the primary transformer according to FIG. The composition of the secondary single-phase voltage from the primary voltages can be seen from the strongly drawn-out curve in the upper line of FIG. 6, as was already shown in FIG. The secondary voltage output has the same profile as with the previously known converters.

Die besonderen Vorteile der Anordnung nach der Erfindung seien wiederum anhand des Beispiels einer Umrichtung von 50 Hz Drehstrom in 16 2/3 Hz Einphasenstrom erläutert. Bei der Verwendung eines Umspanners auf der Drehstromseite benötigt man nur einen normalen Umspanner ohne mehrphasige Sekundärwicklungen, wobei dieser Umspanner nur eine Typenleistung von 1,05 aufweisen muss. Die Scheitelwerte der Drehstrom- und Einphasenspannung sind nicht mehr, wie bei den bekannten Schaltungen, einander gleich, vielmehr genügt auf der Drehstromseite eine Sternspannung, deren Scheitelwert <Formel> Teil des Scheitelwertes der trapezförmigen Einphasenspannung beträgt. Für die Effektivwerte ergibt sich die Beziehung: The particular advantages of the arrangement according to the invention will again be explained using the example of a conversion from 50 Hz three-phase current to 16 2/3 Hz single-phase current. When using a transformer on the three-phase side, you only need a normal transformer without multi-phase secondary windings, whereby this transformer only needs to have a rating of 1.05. The peak values of the three-phase and single-phase voltage are no longer the same as in the known circuits; instead, a star voltage is sufficient on the three-phase side, the peak value of which is part of the peak value of the trapezoidal single-phase voltage. The relationship for the effective values is:

Alle Entladungsstrecken sind gegenüber den bekannten Anordnungen nur für etwa die Hälfte der Sperrspannungen zu bemessen, nämlich für Compared to the known arrangements, all discharge paths are only dimensioned for about half of the blocking voltages, namely for

Da die Anzahl der Entladungsstrecken die gleiche ist wie bei den bekannten Anordnungen, ergibt sich eine erhebliche Verringung der Gefäßkosten. Die Entladungsstrecken sind bei der Anordnung nach der Erfindung wesentlich besser ausgenutzt als bei den bekannten Umrichtern. Dies ergibt sich aus der verlängerten Brenndauer, mit der sie arbeiten. Diese beträgt für die mittleren Anoden 120° el. anstatt 60° el. und für die beiden Endanoden 300° el. anstatt 240° el.Since the number of discharge paths is the same as in the known arrangements, there is a considerable reduction in the cost of the vessel. The discharge paths are used significantly better in the arrangement according to the invention than in the known converters. This is due to the extended burn time with which they work. This is 120 ° el. Instead of 60 ° el. For the middle anodes and 300 ° el. Instead of 240 ° el. For the two end anodes.

Bei dem Umrichter nach der Erfindung, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, kann ebenso wie bei den vorher beschriebenen bekannten starren Umrichtern eine Annäherung der Kurvenform der Sekundärspannung an die Sinusform dadurch bewirkt werden, dass aus einem besonderen Zusatztransformator, der an das speisende Drehstromnetz mit passender Phasenlage angeschlossen ist, eine Zusatzspannung in den Sekundärkreis eingefügt wird. Eine Annäherung der Sekundärspannung an die Sinusform durch die Verwendung abgestufter Phasenspannungen des Primärumspanners, wie sie für bekannte Umrichterschaltungen schon früher vorgeschlagen war, ist bei der Anordnung nach Erfindung nicht möglich.In the converter according to the invention, as shown in Fig. 5, as with the previously described known rigid converters, an approximation of the curve shape of the secondary voltage to the sinusoidal shape can be brought about that from a special additional transformer connected to the feeding three-phase network is connected with a suitable phase position, an additional voltage is inserted into the secondary circuit. An approximation of the secondary voltage to the sinusoidal shape through the use of graduated phase voltages of the primary transformer, as was proposed earlier for known converter circuits, is not possible with the arrangement according to the invention.

Die übrigen Bezugszeichen der Fig. 5 entsprechen denen der Fig. 1.The remaining reference symbols in FIG. 5 correspond to those in FIG. 1.

Gemäß einem weiteren in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Umrichter auch für elastischen Betrieb mit den gleichen Vorzügen gegenüber den bekannten Anordnungen verwendbar. Die Schaltung nach Fig. 7 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 5 dadurch, dass die Endpunkte der Brückenzweige nicht unmittelbar zusammengefasst, sondern über Umkehrdrosseln A und B miteinander verbunden sind, von deren Mitten die Einphasenspannung U(sub)fII abgenommen wird. Diese Umkehrdrosseln dienen zur Hauptsache dazu, den Kommutierungsstrom zu begrenzen. Sie können gegebenenfalls auch zu einer Drossel mit vier Wicklungen vereinigt werden. Im übrigen stimmt die Anordnung nach Fig. 7 weitgehend mit derjenigen nach Fig. 5 überein, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.According to a further exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 7, the converter can also be used for elastic operation with the same advantages over the known arrangements. The circuit according to FIG. 7 differs from that according to FIG. 5 in that the end points of the bridge branches are not combined directly, but are connected to one another via reversing chokes A and B, from the centers of which the single-phase voltage U (sub) fII is taken. The main purpose of these reversing chokes is to limit the commutation current. If necessary, they can also be combined to form a choke with four windings. Otherwise, the arrangement according to FIG. 7 largely corresponds to that according to FIG. 5, the same parts being provided with the same reference numerals.

Claims

1. Converter for converting multi-phase current into single-phase current of lower frequency with the help of controlled gas or vapor discharge paths, characterized in that groups of discharge paths connected in a bridge circuit are connected to the phases of the primary network or transformer, each group consisting of four discharge paths, the two Form bridge branches connected in parallel in opposite directions (Fig. 5).

2. Converter for, preferably rigid, conversion of multi-phase current into single-phase current according to claim 1, characterized in that the end points of the bridge branches are connected directly to the busbars of the secondary voltage (Fig. 5).

3. Converter for, preferably elastic, conversion of multiphase current according to claim 1, characterized in that the end points of the bridge branches are connected to the busbars of the secondary voltage via reversing chokes (Fig. 7).

4. Converter according to claim 1 or 2, for converting multi-phase current into single-phase current of 1/3 frequency, characterized in that to approximate the curve shape of the secondary voltage to the sinusoidal shape, an additional transformer connected to the primary network is provided for inserting an additional voltage into the secondary circuit.