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Einrichtung zur Frequenzumformung mittels statischer Transformatoren.
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Falls aber im Frequenzwandler ausserdem ein (wenn auch zunächst unendlich kleiner) Strom il niedrigerer Frequenz n vorhanden ist, der ein entsprechendes (wenn auch zunächst ganz schwaches) Feld N1 erzeugt, so besitzt das Eisen zur Zeit als der Strom z3 nach einer positiven Halbwelle verläuft, eine andere Permeabilität als zur Zeit der nächsten negativen Halbwelle dieses Stromes. Dies hat zur Folge, dass das vom Strom i, erzeugte Feld jetzt gleichfalls-wie in Fig. 1 unten dargestellt-ungleiche negative und positive Hälften hat. Die Feldkurve N3 liefert daher, da sie eine Periode = T besitzt, bei der Zerlegung nach der Fourierschen Reihe eine Komponente mit dieser Periode, d. h. mit der Frequenz n.
Somit wird das Eigenfeld Vg des Primärstromes t3 unter anderm auch eine sekundäre Spannungskomponente von der Frequenz n erzeugen, wenn nur eine ursprüngliche, wenn auch eine unendlich kleine Anregung von dieser Periode vorhanden war. Dann kann man diese Feldkomponente durch passende Abstimmung, insbesondere durch Selbsterregung, zur genügenden Entwicklung bringen.
Es handelt sich also darum, die erste Anregung zur Entstehung der Schwingung niedrigerer Frequenz n zu geben. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass man auf den Frequenzwandler durch irgendeinen passenden Taktgeber von der Frequenz n einwirkt. Als ein derartiger Taktgeber kann z. B. ein bereits vorhandenes schwaches Netz niedrigerer Frequenz dienen, das dann natürlich nur ganz schwache taktliefernde Magnetisierungsströme liefert, während die ganze Nutzleistung durch den Frequenzwandler geliefert wird. Im allgemeinen wird aber kein besonderer Taktgeber nötig sein, und der nötige Anstoss durch die Selbsterregung erzeugt.
Denn da die Anlage, ideell gesprochen, sieh nie ganz gleich bleibt bei jeder Halbwelle der Ausgangsfrequenz, insbesondere die Zähne des Generators nie mathematisch einander gleich ausgebildet sind, so gibt es gewöhnlich in der Spannungskurve sozusagen im Keime unmerklich kleine Komponenten der niedrigeren Frequenz, die durch Selbsterregung mittels kapazitiver Abstimmung auf die genügende Grösse heraufgeschaukelt werden können.
In Fig. 2 stellt G einen Hochfrequenzgenerator dar, der z. B. eine Frequenz 5 n entsprechend
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und den Frequenzwandler T. Der Sekundärkreis des Frequenztransformators T ist mittels passenden Abstimmelementes J-i auf die gewünschte niedrigere Frequenz n entsprechend der Welle Xi abgestimmt. Zur Hervorbringung der Selbsterregung liegt im Sekundärkreis noch eine Kapazität Cp und die Nutzleistung der Frequenz n ist z. B. in einem parallel zu Op liegenden Ohmschen Widerstand R verbraucht ; natürlich könnte dieser Widerstand auch, statt parallel, in Serie mit Op liegen, oder er könnte auch induktiv z. B. mit der Induktanz des Abstimmelementes Ai oder mit irgend andern im Sekundärkreis
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stand, in einem andern Verbraucher, z.
B. mechanisch in einem Synchronmotor M, Fig. 3, ausnutzen.
Wie aus der Fig. 3 ersichtlich, stellt sie gewissermassen eine Umkehrung der bekannten Schaltung für die Frequenzvervielfachung dar ; denn wäre der Motor M als Generator zur Lieferung der Energie mit Frequenz n angetrieben, so könnte man in bekannter Weise an Stelle des Generators G einen Verbraucher für die 5-n-Frequenz benutzen.
Wird der Synchronmotor M gemäss der Erfindung als Verbraucher der Energie niedrigerer Frequenz n benutzt, so kann man seine Erregung in bekannter Weise so einstellen, dass er phasenvoreilende Ströme aufnimmt (bei Übererregung), dann wirkt er als eine Kapazität und übernimmt teilweise die Funktion der Kapazität Op ; man kann aber bei passender Erregung des Synchronmotor auch erreichen, dass die Kapazität Op ganz entbehrlich wird. Dann nimmt er sowohl den ganzen zur Selbsterregung des Frequenzwandlers nötigen wattlosen, wie auch den die Nutzleistung verrichtenden Wattstrom auf.
Man kann die in beschriebener Weise erzeugten Ströme niedrigerer Frequenz n dazu heranziehen. nun wiederum im Transformator T die oberen Harmonischen dieser Frequenz, z. B. dreifache, siebenfache usw., zu erzeugen, die somit zur Frequenz des Generators G in einem bruehzahligen Verhältnis stehen (sogenannte Quasi-Harmonischen) 0 Wenn man z. B. gemäss Fig. 4 bei der vorher beschriebenen Schaltung mit einem Synchronmotor mit oder ohne Kapazität Op oder mit der Kapazität Cp allein ohne
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führen.
Benutzt man als Verbrauchs kreis A7 einen Antennenkreis, so hat man die Schaltung nach Fig. 5.
Eine genauere theoretische Betrachtung der Vorgänge, die sich in durch Eisen gekoppelten Schwingungssystemen abspielen, ist recht kompliziert. Die Eigentümlichkeit dieser Vorgänge ist darauf begründet.
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dass die Wirkungen der magnetomotorischen Kräfte bei Systemen mit mehr oder weniger gesättigtem Eisen nicht linear zu supponieren sind. Eine eingehende Theorie der Erscheinung ist im Aufsatze von Kurt Heegner ,,Über Selbsterregungserscheinungen bei Systemen mit gestörter Superposition"in der Zeitschrift für Physik 1924, Band 29. S. 91 ff., veröffentlicht. Die Ergebnisse dieser Theorie wurden auch durch Versuche gut bestätigt.
Das Hauptergebnis der Theorie besteht darin, dass es immer möglich ist. durch Zuführung der Energie von einer Frequenz # an einen Stromkreis in andern mit diesem durch Eisen gekoppelten Systemen elektrische Schwingungen Mi und #2 zu erzeugen, die nicht unbedingt ausschliesslich vielfache höhere Harmonische der primären Frequenz zu sein brauchen, sondern vielmehr mit dieser durch eine allgemeinere, nämlich eine lineare Beziehung verknüpft sind. Unter der linearen Beziehung wird verstanden die Form
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wobei a, bund e positiv ganze Zahlen sind.
Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Theorie besteht darin. dass, wenn die Summe a + b + c eine ungerade Zahl ist, zur Erzeugung von durch eine derartige lineare Beziehung verknüpften Frequenzen Mi und Ma eine zusätzliche Gleichstrommagnetisierung des Eisenkernes erforderlich ist ; wenn aber a-)-b + c eine gerade Zahl ist, so ist die Vormagnetisierung nicht nötig. Die einfachsten Fälle dieser linearen Beziehung liegen vor, wenn die sämtlichen Koeffizienten a, b
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fache Fälle möglich und leicht ausführbar.
Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Umwandlung einer höheren Frequenz in eine niedrigere, bei der an den Eisenkern Schwingungskreise eingeschaltet sind, die so dimensioniert sind, dass die Eigenfrequenzen aller Kreise in einer linearen Abhängigkeit stehen. Der einfachste Fall dieser Art ist der, dass die Summe der beiden erregten Frequenzen Mi und Ms gleich der erregenden Frequenz (I) ist.
#1 + #2 = #.
Der Generator arbeitet auf den einen Kreis mit der Frequenz (1). in den beiden andern Kreisen entstehen die Frequenzen #1 and #2. sobald die Kreise auf diese Frequenzen abgestimmt werden und dem Eisenkern noch eine Vormagnetisierung erteilt wird. Auch ohne Vormagnetisierung sind solche Frequenzen möglich, wenn die Beziehung besteht (i1 + 2 Ms = M, es findet jedoch kein selbständiges Anschwingen statt, d. h. die durch diese Beziehung verknüpften Frequenzen Mi und Ms können zwar, wenn sie von aussen durch irgendeinen Anstoss nur angeregt werden, sieh von selbst verstärken und aufrecht erhalten. müssen aber immer zunächst von aussen angeregt werden.
Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich, sobald #1 in der Nähe der Erregerfrequenz # liegt, mit
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kann eine Vereinfachung der Schaltung vorgenommen werden, indem die Kreise der Frequenzen to und Mi in einen zusammengelegt werden, und der Generator auf einen verstimmten Kreis arbeitet (Fig. 7). Ist der Generator ein Röhrensender, so muss auf Schaltung Fig. 6 zurückgegriffen werden, weil dieser nur eine Eigenschwingung des Systems anregt. Werden die Kreise der Frequenzen Mi und #2 in Fig. 6 in einen
Kreis zusammengelegt, so haben Versuche ergeben, dass eine Halbierung der Generatorfrequenz statt- findet.
Eine weitere Anwendung des Prinzips der linearen Verknüpfung der sekundären Frequenzen mit der Primärfrequenz kann für die Beziehung 2 M = Mi- (- Ms gemacht werden, unter der Annahme, dass Mi und Ma genügend weit von M entfernt sind. Der Fall ist realisierbar, wenn, wie die Fig. 8 zeigt, drei Kreise durch einen Eisenkern gekoppelt werden. Auf den einen Kreis arbeitet der Generator von der Frequenz to, die beiden andern Kreise schwingen in ihren
Eigenfrequenzen Mi und #2. Mit dieser Anordnung ist es einerseits möglich, eine gegebene Frequenz beliebig zu vertiefen, anderseits in eine höhere beliebig veränderliche Frequenz umzuformen.
Man kann die beschriebene Frequenzumformung mit Vorteil bei Empfangsanlagen verwenden, um die empfangene
Energie von Schwingungen höherer Frequenz (s zu verstärken und zugleich auf eine niedrigere Frequenz Mi zu reduzieren ; stellt man nämlich das System so ein, dass die Frequenzen #1 und #2 dicht vor dem An- schwingen stehen, aber zur Erzeugung von Schwingungen noch einer-wenn auch ganz kleinen-äusseren
Anregung bedürfen, so kann eine einfallende Welle von der Periode der höheren Frequenz #2 diese Schwin-
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tieferen Frequenz auslösen.
Man kann nun die Einrichtung, bei der die Magnetisierung des Eisenkerns in einer Frequenz erfolgt. die mit den Eigenfrequenzen der sekundären Schwingungskreise in einer besonderen linearen Abhängigkeit steht, weiter dahin ausbilden, dass zwei von dem primären Wechselstrom magnetisierte Eisenkerne durch Wicklungen so miteinander verbunden werden, dass an diesen Wicklungen keine Leerspannungen induziert
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abge timmten sekundären Wicklungen, wenn diese offen sind. durch die primäre die Frequenz M führende Wicklung induziert werden. Verwendet man mehrere sekundäre Schwingungskreise, so können in diesen Frequenzen nach demselben Gesetz erzeugt werden, wie im vorher beschriebenen Fall.
Es ist aber auch möglich. nur einen solchen Sekundärkreis zu benutzen und diesen auf eine Oberschwingung des primär
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Fig. 9 zeigt ein Beispiel für eine solche Schaltung mit zwei Eisenkernen. Danach werden zwei Eisenkerne Ä, K, von einem Wechselstrom von der Frequenz CI) in entgegengesetztem Sinn magnetisiert.
Die Eisenkerne werden von einer gemeinsamen Wicklung Le umschlungen, so dass der Sinn der Magnetisierung, wie er durch die Pfeile angegeben ist bzw. die Anordnung der Wicklung Le so getroffen ist, dass keine Spannungen der Grundfrequenz to entstehen. Die Wicklungen Le sind über eine Spule L und eine Kapazität C geschlossen und dieser gesamte Kreis ist auf eine Schwingung von der Frequenz m CI) abgestimmt, wobei in das Verhältnis der Frequenz der in diesem Kreise zu erzeugenden Schwingungen zu der Frequenz des primären Wechselstromes angibt. Die so erhaltene sekundäre Frequenz m (0 kann einem entweder direkt in den Sekundärkreis eingeschalteten oder mit diesem irgendwie gekoppelten Verbraucher zugeführt werden.
Ist der sekundäre Kreis offen, so wird in ihm, da die beiden Teile der Primärwicklung auf ihn entgegengesetzt wirken, keine Leerspannung induziert ; ist aber der Sekundärkreis geschlossen, so kann in diesem in genau derselben Weise wie bei den vorher besprochenen Ausführungsbeispielen die gewünschte Frequenz angeregt und weiter durch Selbsterregung aufrecht erhalten werden. Man kann auch in ähnlicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 zwei sekundäre Kreise verwenden, z. B. zur Erzeugung einer höheren Nutzfrequenz, indem man einen sekundären Hilfskreis verwendet, der auf eine niedrigere Schwingung abgestimmt ist und einen sekundären Nutzkreis, der auf die höhere Nutzfrequenz abgestimmt und auf den in Frage kommenden Verbrauchswiderstand zur Energieabgabe geschaltet ist.
Dieser Fall der Verwendung zweier Kreise, die auf die Frequenzen m ; ;, Mg abgestimmt sind, wobei die aufgedrückt Frequenz gleich Cl) ist, ist in Fig. 10 dargestellt. Die theoretische und experimentelle
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des zweiten Hilfskreises im letzteren jede beliebige Frequenz zu erzeugen. Bei einer Anordnung nach Fig. 10 besteht die Beziehung, dass die Summe der Eigenfrequenzen beider Hilfskreis gleich einem geraden Vielfachen der Maschinenfrequenz ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass man die Schwingungskreise mit an sich bekannten Mitteln zur Dämpfungsreduktion versieht, also z. B. in Verbindung mit rückgekoppelten Elektronenröhren anordnet.
Aus der Beziehung, wonach die Summe der in den Schwingungskreisen, die an den oder die Eisenkerne angekoppelt sind, erregten Schwingungen gleich einem geraden Vielfachen der Generatorfrequenz ist, ist ersichtlich, dass die Frequenz der in dem einen Schwingungskreise entstehenden Schwingung von
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Dieser Effekt kann zur Frequenzregulierung an einem Frequenzwandler ausgenutzt werden, d0 h0 also z. B. zur Konstanthaltung der Sendefrequenz. Die Methode der Frequenzregelung besteht darin, dass beim Schwanken der Generatorfrequenz automatisch die Eigenfrequenz des einen Schwingungkreises (des Kreises, der nicht die Nutzfrequenz führt) derart verändert wird, dass die Summe der Nutzfrequenz und der Eigenfrequenz des zweiten Schwingungskreises stets gleich dem geraden Vielfachen der Generatorfrequenz bleibt. Diese Regulierung kann dadurch erfolgen, dass die Abstimmittel des die Nutzfrequenz nicht führenden Hilfskreises zwangläufig mit dem Generator gekoppelt sind und somit bei Schwankungen des Generators die entsprechende Änderung der Abstimmung des Hilfskreises hervorgerufen wird.
Diese zwangläufige Abstimmungsändenll1g kann beispielsweise durch Betätigung eines Drehkondensators und somit durch Veränderung der Kapazität des Sehwingungskreises, oder auch durch Änderung der Selbstinduktion erfolgen. Für die Änderung der Selbstinduktion kann entweder die Drehung eines Variometers benutzt werden, oder es kann auch die Selbstinduktion bei Verwendung einer Spule mit Eisenkern durch mechanische Verschiebung des Eisenkerns, oder auch durch Änderung der Magnetisierung desselben bewirkt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Frequenzumformung mittels statischer Transformatoren, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld eines oder mehrerer Transformatoren einen eine bestimmte Speisefrequenz führenden Kreis mit einem oder mehreren andern Kreisen koppelt, die so bemessen sind, dass in ihnen niedrigere oder zugleich niedrigere und höhere Frequenzen durch besondere Mittel oder durch Selbsterregung angeregt und ausgebildet werden.