DE1085248B

DE1085248B - Electrical switching arrangement for medium frequency

Info

Publication number: DE1085248B
Application number: DES50708A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing Heinz Rieger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-09-29
Filing date: 1956-09-29
Publication date: 1960-07-14

Description

Wird eine Spannungsquelle belastet, so entsteht infolge ihres Innenwiderstandes ein Spannungsabfall. Erfolgt die Tielastung intermittierend mit einer Zeitdauer unterhalb einerHalbperiode, so wird dadurch die Klemmenspannung der Spannungsquelle verzerrt. Treten beispielsweise Belastungsstöße periodisch mit etwa symmetrischer Lage beiderseits des Scheitelwertes der Spannungskurve auf, so wird die ursprüglich sinusförmige Klemmenspannung um so stärker abgeflacht, je größer der Innenwiderstand der Spannungsquelle ist. Solche Belastungsfälle können vor allem gegeben sein in Gleichrichteranlagen, die auf eine Gegenspannung arbeiten. Auch teilausgesteuerte Gleichrichter haben eine — allerdings unsymmetrische — intermittierende Belastung der vorerwähnten Art zur Folge. In Anlagen normaler Betriebsfrequenz von z. B. 50Hz entstehen daraus in der Regel keine Schwierigkeiten. If a voltage source is loaded, it arises as a result their internal resistance is a voltage drop. If the tiel load takes place intermittently with a duration below half a period, the terminal voltage of the voltage source is thereby distorted. For example, there are impacts periodically with an approximately symmetrical position on both sides of the peak value of the voltage curve, the originally sinusoidal terminal voltage is flattened all the more, the greater the internal resistance the voltage source is. Such load cases can be given in particular in rectifier systems that are based on work a counter voltage. Partially modulated rectifiers also have an - albeit asymmetrical - result in intermittent exposure of the type mentioned above. In systems with normal operating frequency of z. B. 50Hz, this usually does not cause any problems.

Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit dem Gebiet der mittleren Frequenzen von einigen hundert bis zu einigen tausend Hz, die meist noch mittels umlaufender Generatoren erzeugt werden. Sie geht von einer Reihe von Erkenntnissen aus. Die erste besteht darin, daß infolge der verhältnismäßig großen Streuinduktivität der Mittelfrequenzgeneratoren die Verzerrung der Spannungskurve durch eine periodische Belastung, die jeweils nur während eines Teiles einer Halbwelle auftritt, so beachtliche Ausmaße annehmen kann, daß zu ihrer Beherrschung eine wesentliche Vergrößerung der Generator-Typenleistung, unter Umständen auf ein Mehrfaches, nötig wäre. Eine zweite Erkenntnis besagt, daß bei Mittelfrequenzgeneratoren eine Vergrößerung der Nennleistung wesentlich mehr Aufwand und Kosten erfordert als vergleichsweise bei Maschinen für die Netzfrequenz 50Hz. Demzufolge ergibt sich als Aufgabe, die durch die Erfindung zu lösen ist, bei einer intermittierenden Belastung eine stoßweise Beanspruchung von der mittelfrequenten Spannungsquelle fernzuhalten. Zur Lösung dieser bekannten Aufgabe macht die Erfindung von Mitteln der Hochfrequenztechnik Gebrauch, nämlich von einem an sich bekannten Schwingungskreis zur Erzeugung bzw. Unterdrückung gegebener Frequenzen.In contrast, the invention is concerned with the field of medium frequencies from a few hundred to to a few thousand Hz, which are mostly still generated by rotating generators. She goes from a number from knowledge. The first is that due to the relatively large leakage inductance of the Medium frequency generators the distortion of the voltage curve by periodic loading, each only occurs during part of a half-wave, so considerable that it can be controlled a significant increase in the generator type output, possibly several times over, would be necessary. A second finding is that with medium-frequency generators an increase in the nominal power Requires significantly more effort and costs than in comparison with machines for the mains frequency 50Hz. Accordingly, there is an object to be achieved by the invention when the load is intermittent to keep intermittent loads away from the medium-frequency voltage source. To solve this known The object of the invention makes use of means of high-frequency technology, namely one known oscillation circuit for generating or suppressing given frequencies.

Dem liegen die weiteren Erkenntnisse zugrunde, daß von den beiden Elementen des Schwingungskreises, Kondensator und Drosselspule, der erstere für den vorliegenden Zweck die Hauptrolle spielt und daß ferner der Aufwand für den Kondensator, der die Verwendung von Schwingungskreisen in Schaltungen für 50 Hz praktisch unmöglich macht, in Mittelfrequenzanordnungen wirtschaftlich von Vorteil sein kann, insbesondere gegenüber der obenerwähnten Vergrößerung des Generators.This is based on the further findings that of the two elements of the oscillation circuit, Capacitor and choke coil, the former playing the main role for the present purpose and that also the Expenditure on the capacitor, which makes the use of resonant circuits in circuits for 50 Hz practical impossible, can be economically advantageous in medium-frequency arrangements, especially over the above mentioned enlargement of the generator.

Von vorstehenden Überlegungen geht die Erfindung aus. Sie betrifft eine elektrische Schaltanordnung mit einer Mittelfrequenz-Spannungsquelle, die periodisch jeweils nur während eines Teilabschnittes einer HalbwelleThe invention is based on the above considerations. It relates to an electrical circuit arrangement a medium-frequency voltage source that is periodic only during a section of a half-wave

Elektrische Schaltanordnung
für MittelfrequenzElectrical circuit arrangement
for medium frequency

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Heinz Rieger, Erlangen,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Ing. Dr.-Ing. Heinz Rieger, Erlangen,
has been named as the inventor

belastet wird, und besteht darin, daß zur Entlastung der Spannungsquelle von Oberwellen parallel zur Last eine an sich bekannte auf Resonanz mit der Grundwelle der Speisespannung abgestimmte Parallelschaltung eines Kondensators und einer Drosselspule geschaltet ist und daß die Kapazität des Kondensators so groß gewählt ist, daß für die niedrigste betriebsmäßig vorkommende Oberwellenfrequenz der Leitwert des Schwingungskreises größer ist als der doppelte Leitwert der Spannungsquelle.is loaded, and consists in the fact that to relieve the voltage source of harmonics parallel to the load a known parallel connection of a tuned to resonance with the fundamental wave of the supply voltage Capacitor and a choke coil is connected and that the capacitance of the capacitor is chosen so large, that for the lowest operationally occurring harmonic frequency the conductance of the oscillating circuit is greater than twice the conductance of the voltage source.

Fig. 1 enthält das Schaltschema eines Ausführungsbeispieles, die Fig. 1 contains the circuit diagram of an embodiment that

Fig. 2 und 3 zeigen Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise.FIGS. 2 and 3 show diagrams for explaining the mode of operation.

Nach Fig. 1 ist an einen Mittelfrequenzgenerator G, dessen innerer, hauptsächlich induktiver Widerstand besonders dargesteEt und mit L₂ bezeichnet ist, über einen Transformator Tr und einen Gleichrichter Gl ein Verbraucher R angeschlossen, dem ein Strom mit sehr hoher, möglichst konstanter Gleichspannung zugeführt werden soll. Dazu ist ein Kondensator C vorgesehen. Derartige Anordnungen können beispielsweise Teil einer Gleichrichterkaskade zur Erzeugung von hochgespanntem Gleichstrom für Untersuchungs- und Prüfzwecke sein. Der Kondensator C wird periodisch aufgeladen und entladen. In Fig. 2 ist der Verlauf des Ladestromes I und der Spannungen dargestellt. Der Strom tritt nur intermittierend jeweils in der Zeit auf, während welcher am Gleichrichter eine Spannung in Durchlaßrichtung liegt. Dieser Strom erzeugt an der Streuinduktivität L₂ einen erheblichen Spannungsabfall, so daß die Klemmenspannung U des Generators abgeflacht wird. Sie enthält in diesem Beispiel eine starke dritte Oberwelle in jeder zweiten Halbperiode. Bei Speisung einer ganzen Gleichrichterkaskade sind beide Halbperioden abgeflacht.According to Fig. 1, a consumer R is connected to a medium-frequency generator G, the inner, mainly inductive resistance of which is particularly shown and denoted by L ₂ , via a transformer Tr and a rectifier Gl , to which a current with a very high, as constant as possible direct voltage is fed target. A capacitor C is provided for this purpose. Such arrangements can, for example, be part of a rectifier cascade for generating high-voltage direct current for examination and testing purposes. The capacitor C is charged and discharged periodically. In Fig. 2, the course of the charging current I and the voltages is shown. The current only occurs intermittently during the time during which a forward voltage is applied to the rectifier. This current generates a considerable voltage drop across the leakage inductance L ₂ , so that the terminal voltage U of the generator is flattened. In this example it contains a strong third harmonic in every other half-period. When feeding an entire rectifier cascade, both half-periods are flattened.

009 550/151009 550/151

Das Auftreten von Oberwellen in der Spannungskurve kann dadurch sehr stark reduziert werden, daß parallel zur Wechselspannungsquelle G ein Schwingungskreis angeordnet wird, der die Lieferung der Stromoberwellen übernimmt. Er besteht aus dem Kondensator C₁ und der Drosselspule L₁. Dieser Parallelschwingungskreis wird auf die Frequenz der speisenden Wechselspannung abgestimmt, so daß sein Leitwert für die Grundwelle des Stromes gleich Null wird. Die Grundwelle wird also von der Wechselspannungsquelle selbst geliefert. Die von dem angeschlossenen Gerät benötigten Oberwellen des Stromes werden zum Teil von der Wechselspannungsquelle, zum Teil von dem Schwingungskreis geliefert, wobei der Anteil des Schwingungskreises an der Stromlieferung von dem Verhältnis der Leitwerte von Schwingungskreis und Spannungsquelle und von der Ordnungszahl der Oberwelle abhängt.The occurrence of harmonics in the voltage curve can be greatly reduced by arranging an oscillating circuit parallel to the AC voltage source G, which takes over the supply of the current harmonics. It consists of the capacitor C ₁ and the choke coil L ₁ . This parallel oscillation circuit is matched to the frequency of the alternating voltage supply, so that its conductance value for the fundamental wave of the current is equal to zero. The fundamental wave is thus supplied by the AC voltage source itself. The harmonics of the current required by the connected device are partly supplied by the AC voltage source and partly by the oscillating circuit, the proportion of the oscillating circuit in the current supply depending on the ratio of the conductance of the oscillating circuit and voltage source and on the ordinal number of the harmonic.

Um die verlangte Wirkung des Schwingungskreises zu erzielen, muß eine Mindestgröße der Kapazität des Kondensators C₁ eingehalten werden. Betrachtet man gemäß Fig. 3 die Leitwerte der beiden parallel liegenden Zweige, des Schwingungskreises und des Generators, für eine Oberwelle bestimmter Ordnung, so hat der hauptsächlich induktive Leitwert Iq des Generators eine fest gegebene Größe. Der in der Hauptsache kapazitive Leitwert Is des Schwingungskreises nimmt von dem Wert Null für C₁ = 0 auf den Wert oc für C₁ = oc zu. Der Gesamtleitwert Xs + Ag der beiden parallelen Zweige nimmt also von dem Leitwert des Generators aus ab bis auf den Wert Null an der Stelle 1 und dann wieder zu bis auf den Wert oc. Das Einfügen eines Schwingungskreises hat erst dann Sinn, wenn der Gesamtleitwert von Schwingungskreis und Generator erheblich größer ist als der Leitwert des Generators allein für die Oberwelle kleinster Ordnungszahl, die im Strom auftritt. In order to achieve the required effect of the oscillating circuit, a minimum size of the capacitance of the capacitor C ₁ must be observed. If, according to FIG. 3, the conductance values of the two parallel branches, the resonant circuit and the generator, are considered for a harmonic of a certain order, the mainly inductive conductance value Iq of the generator has a fixed value. The mainly capacitive conductance Is of the oscillation circuit increases from the value zero for C ₁ = 0 to the value oc for C ₁ = oc. The overall conductance Xs + Ag of the two parallel branches thus decreases from the conductance of the generator down to the value zero at point 1 and then again down to the value oc. It only makes sense to insert a resonant circuit if the overall conductance of the resonance circuit and generator is considerably greater than the conductance of the generator alone for the harmonic of the smallest atomic number that occurs in the current.

An der Stelle 2 der Fig. 3 hat die Summe der Leitwerte von Schwingungskreis und Generator gerade den gleichen Wert wie der Leitwert des Generators allein. Der Leitwert des Schwingungskreises beträgt an dieser Stelle das Doppelte des Generatorleitwertes. Der Einbau eines Schwingungskreises hat also nur einen Sinn, wenn sein Leitwert größer wird als das Doppelte des Generatorleitwertes, und zwar bezogen auf die Oberwelle geringster Ordnungszahl, die auftreten kann. Bezeichnet man diese Ordnungszahl mit n, so ergibt sich für den Schwingungskreis At point 2 in FIG. 3, the sum of the conductance values of the oscillating circuit and generator has exactly the same value as the conductance value of the generator alone. The conductance of the oscillation circuit at this point is twice the generator conductance. The installation of a resonant circuit only makes sense if its conductance is greater than twice the generator conductance, based on the harmonic of the lowest atomic number that can occur. If one denotes this ordinal number with n, then this results for the oscillation circuit

- 1 1- 1 1

L₁ < L₂ L ₁ <L ₂

oder C₁ or C ₁

CO_n CO _n

Durch den Einbau des Schwingungskreises soll eine bestimmte Herabsetzung des Leitwertes für die entstehenden Oberwellen erreicht werden. Bezeichnet man das Verhältnis des Gesamtleitwertes zum Leitwert des Generators allein mit a, By installing the oscillation circuit, a certain reduction in the conductance value for the harmonics produced is to be achieved. If the ratio of the overall conductance to the conductance of the generator is denoted by a,

zielung einer bestimmten Verbesserung der Spannungskurve gilt dann Aiming at a certain improvement in the voltage curve then applies

L₁ = L₂ oder C₁ = ■ . L ₁ = L ₂ or C ₁ = ■.

Eine obere Grenze für die Werte von C₁ und α ist dadurch gegeben, daß mit wachsender Kapazität C₁ auch die Verluste des Schwingungskreises zunehmen, so daß schließlich zu ihrer Deckung eine Vergrößerung des Generators nötig werden würde, die mit Hilfe des Schwingungskreises ja gerade vermieden werden soll. An upper limit for the values of C ₁ and α is given by the fact that as the capacitance C ₁ increases, so do the losses in the oscillation circuit, so that ultimately an increase in the size of the generator would be necessary to cover them, which is precisely avoided with the aid of the oscillation circuit shall be.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für die vorliegende Erfindung sind Steuer- und Regelanordnungen, welche mit Magnetverstärkern arbeiten und zwecks Abkürzung der Eigenzeiten eine mittelfrequente Speisespannung für die Magnetverstärker benutzen. Die Magnetverstärker weisen insbesondere in Kombination mit Trockengleichrichtern häufig Sättigungsabschnitte mit hohen Stromwerten auf, deren Länge nur einen Teil einer HaIbwellendauer der Speisespannung ausmacht.A further field of application for the present invention are control and regulating arrangements, which work with magnetic amplifiers and a medium-frequency supply voltage for use the magnetic amplifiers. The magnetic amplifiers are particularly useful in combination with dry rectifiers often saturation sections with high current values, the length of which is only part of a half-wave duration the supply voltage.

Auch für Schweißzwecke, z. B. zur Nahtschweißung mittels aneinandergereihter Schweißpunkte, wobei mit sehr kurzzeitigen, jedoch schnell aufeinanderfolgenden Schweißstromimpulsen gearbeitet wird, kann eine Mittelfrequenzschaltung nach der Erfindung mit Vorteil benutzt werden.Also for welding purposes, e.g. B. for seam welding by means of juxtaposed welding points, with very brief, but rapidly successive welding current pulses are used, a medium-frequency circuit can be used according to the invention with advantage.

Claims

Patent claims:

1. Electrical switching arrangement with a medium-frequency voltage source, which is periodically loaded only during a section of a half-wave, characterized in that a capacitor known per se, tuned to resonance with the fundamental wave of the supply voltage, parallel connection of a capacitor to relieve the voltage source of harmonics parallel to the load and a choke coil is connected, and that the capacitance of the capacitor is selected so large that the conductance of the oscillating circuit is greater than twice the conductance of the voltage source for the lowest harmonic frequency occurring during operation.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the load from a high-voltage direct current consumer consists, which is connected to a capacitor, which is through a high voltage rectifier is charged periodically.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the load from a magnetic amplifier arrangement consists.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the load circuit is a welding circuit is.

so α is a measure for the reduction of the harmonic content of the voltage curve of the generator. Publications to be considered:
German Patent No. 683,749;
U.S. Patent No. 2,008,515;
G. Oberdorfer, "Textbook of Electrical Engineering", Vol. I, 4th edition, published by R. Oldenbourg, Munich and Berlin (1944), p. 467.

1 sheet of drawings