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Starkstromsendeanlage zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie durch den freien oder
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Bisher erfolgte die Fortleitung bzw. Verteilung der in den Zentralstationen erzeugten elektrischen Energie ausschliesslich mit ober-und unterirdisch verlegten Leitungen, die bis zu den Stromkonsumenten führen. Nur für den Nachriehtenverkehr besteht die Möglichkeit, elek-
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noch nicht möglich gewesen, grössere Energiemengen, z. B. für Kraft-und Beleuchtungszwecke usw., durch den freien Raum den Interessenten zuzubringen.
Vorliegende Erfindung betrifft nun eine Starkstromsendeanlage zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie durch den freien oder verbauten Raum und besteht darin, dass hochfrequenter Wechselstrom zwei oder mehrere, zweckmässig radial und sternförmig zum Mittelpunkt des Versorgungsgebietes angeordnete, primäre Sendesektoren durchfliesst, wodurch ein elektromagnetisches Kraftfeld ohne wesentliche Streuung entsteht. dessen Wirkungsbereich durch Breite und Höhe der Sendesektoren begrenzt wird, während durch Empfänger (Windungen oder Schleifen sekundärer Art), die im Kraftfeldgebiet aufgestellt werden, elektrische Energie durch Induktionswirkung empfangen werden kann.
In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen dargestellt, u. zw. zeigen die Fig. 1-8 schematisch den Aufbau und die Schaltung der verschiedenen Sender.
Im Energieabsatzgebiet werden zwei, drei bzw. vier oder auch mehr entsprechend hohe und breite Leiterschleifen (Windungen) sternförmig gruppiert und alle diese grossen Windungen - in Serie oder parallel geschaltet-an eine Hochfrequenzstromquelle angeschlossen. In Fig. 1 sind z. B. vier solche Leiterschleifen 81 bis S4 sternförmig um den Mittelpunkt A vorgesehen.
Ein diese Windungen durchfliessender Hochfrequenzstrom erzeugt nun ein elektromagnetisches Feld. dessen magnetische Kraftlinien annähernd den in Fig. 2 angegebenen Querschnitt einnehmen, welcher den ungefähren Wirkungsbereich der Anlage darstellt.
Ist die Frequenz der Wechselstromquelle und der die Windungen durchfliessende Erregerstrom genügend gross. so ist man in der Lage. im Kraftfeldgebiete nach Fig. 2 mittels entsprechend dimensionierten Leitergebilden E, nach Art der Rahmenempfänger wie beim Radio, elektrische Energie für elektrische Beleuchtung, Kraftzwecke usw. zu empfangen. Die gesamte in den grossen (primären) Windungen fliessende Energie kann so im Kraftlinien-oder Wirkungsbereich durch Induktionswirkung auf viele kleinere (sekundäre) Windungen der Empfänger aufgeteilt bzw. übertragen werden.
Der Wirkungsbereich ist also durch die Grösse der primären Windungen gegeben ; ausserhalb desselben hört jede Induktionswirkung und Energieubertragungsmöghchkeit auf. Die ganze Anlage gleicht gewissermassen einem riesigen Transformator mit dem Unterschied, dass der Eisenkern fehlt und die sekundären Windungen, Empfänger E, wohl zahlreich. aber im Vergleich zu den primären Schleifen (Sender) gewöhnlich kleiner sind. Der Einfachheit werden im folgenden die sternförmig im Stromverleilgebiet vorgesehenen primären Windungen als Sendeanlage bzw. die einzelnen Windungsschleifen derselben Sendesektoren (81 bis S4) und die kleineren sekundären Rahmenwindungen bei den Stromabnehmern kurz als Empfänger (E) bezeichnet.
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Um annähernd ein Bild über die Leistungsfähigkeit einer derartigen Energieverteilanlage zu bekommen, sei ein praktisches Beispiel angeführt :
Zur Versorgung einer kleinen Stadt von zirka 2 lem Durchmesser sei eine Betriebsfrequenz von 100 Kilohertz und vier Sendesektoren vorgesehen. Der nötige Erregerstrom für das induzierende Kraftfeld beträgt pro Sendesektor zirka 315 Amp. bei 4400 Volt Spannung. Jeder
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meter Empfängerwindungsfläche induzierte mittlere Spannung beträgt zirka 0'22 Volt bzw. in einer Empfängerschleife von 15 X 331/3 m = 500 m2 ergibt sich eine Gesamtspannung von zirka 110 Volt, bei der also schon ganz nennenswerte Energiemengen empfangen werden können.
Der im Beispiel genannte Erregerstrom von zirka 315 Amp. pro Sektor dient ausschliesslich nur zur Aufrechterhaltung des elektromagnetischen Feldes im Wirkungsbereich des Senders und eilt um zirka 90 der Senderspannung nach. Aus diesem Grunde ist also der Erregerstrom wattlos, u. zw. genau so wie der Magnetisierungsstrom bei einem gewöhnlichen Starkstrom- transformator.. Je grösser die Betriebsfrequenz, um so kleiner ist der Erregerstrom und die mittlere Ranmfeldstärke bei gleicher Leistungsfähigkeit der Anlage und umgekehrt. Um also den Erregerstrom und damit das Senderkupfer auf einen Minimalwert zu bringen, muss eine entsprechende Hochfrequenz festgelegt werden.
Je grösser der Wirkungsbereich, um so grösser muss die Betriebsfrequenz sein.
Die beschriebene Starkstromsendeanlage hat wohl den Vorzug einer grossen Einfachheit, ist aber nur für bestimmte Sonderzwecke und nur für kleinere Reichweiten anwendbar. Um eine Sendeanlage für grössere Reichweiten mit vollkommen gleichmässiger Energieübertragung zu schaffen, ist folgende Einrichtung getroffen : Die einfachen Sendesektoren 81 bis 84 nach
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Fig. 3 oder in elektrisch getrennter Form nach Fig. 4 oder 4 a, ersetzt. In jedem dieser sich ergebenden Teilquerschnitte (Fenster) F eines Sendesektors arbeitet ein eigener Transformator für die Raumfelderregung und zur Energieabgabe. Alle diese Einzellransformatoren T in jedem Sendesektor werden an eine längs den Sektoren mitgeführten Speiseleitung L parallel angeschlossen.
Durch die gitterförmige Sektorkonstruktion werden Betriebsverhältnisse geschaffen, die allen praktischen Anforderungen entsprechen, welche im nachstehenden angeführt sind. So wird das in der Aufsicht gesehene, nahezu kreisförmige Kraftfeld in ringförmige Teile zerlegt,
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Teil, arbeiten vollständig unabhängig von allen andern an der Raumfelderregung und Energieabgabe nur in dem zugehörigen ringförmigen Raum, wie in Fig. 5 schraffiert angegeben. Alle Empfänger, die in dem zugehörigen Fensterquerschnitt (Fig. 5) liegen, werden von vorgenanntem Transformator Tl bis T4 ausschliesslich erregt und mit Energie versorgt.
Im Mittel jedes Fensterquerschnittes a : & , c, ... (Fig. 3-5) kann die mittlere Raumfeld- stärke auf einen gegebenen Wert Hm gehalten werden, wodurch die Energicabgabeverhältnisse an jeder Stelle im Wirkungsbereich der gesamten Sendeanlage gleich günstig werden.
Ferner kann durch eventuelle Phasenverschiebungen des Kraftfeldes benachbarter Fensterquerschnitte das Auftreten höherer Empfängerspannungen in grösseren Metallbauten, wo eine Induktionswirkung nicht erwünscht wäre, teilweise oder ganz verhindert werden.
Durch eine mehrfache horizontale Senderunterteilung ist man in der Lage, auch die verschiedenen Höhen der Empfänger günstig für die Empfangsverhältnisse abzugleichen (Fig. 3 und 4).
Schliesslich gestattet die Senderunterteilung, im Bedarfsfalle in einzelnen ringförmigen Raumschichten die Energielieferung einzustellen, wobei die andern Teile des Übertragungsgebietes vollständig unbeeinflusst und ungestört bleiben.
Durch Verkleinerung der getrennten Sendefenster a, b, e, cl... in den Sektoren nach Fig. 4a ist man in der Lage, das aufzuwendende Senderkupfer herabzusetzen und mit Hilfe der durch Kondensatoren erregten Empfängerschleifen eS1 worauf im folgenden noch näher eingegangen wird, das Erregerkraftfeld in ganz bestimmte Kanäle zu drängen. Jede Sender- und Empfänger- schleife umschliesst gewissermassen das zugehörige ringförmige Kraftfeld. Zwischen diesen einzelnen Ringkraftfeldern Z ergeben sich freie Räume R (Fig. 4 a), die dann noch andern Übertragungszweeken, wie Radio, Stadtbeleuchtung usw., dienen können.
Durch die kanalförmige Anordnung der einzelnen Kraftfelder ist man auch in der Lage, mit Hilfe der erregten Empfänger den Kraftstrom von solchen Objekten abzulenken bzw. zu verschieben, wo eine Induktionswirkung aus bestimmten technischen Gründen unerwünscht oder sonst von Nachteil wäre.
Alle in einem ringförmigen Teilgebiet des Senders liegenden Empfänger e, %, < %... s (in Fig. 5 schraffiert angedeutet) werden von dem in den Senderteilen 81, Sg, 83, 84 befindlichen Transformator gespeist und befinden sich zueinander in Parallelschaltung.
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Um die Empfangsverhältnisse im ganzen Wirkungsbereich gleich günstig zu gestalten, muss, wie schon gesagt, die mittlere Kraftliniendichte Hm in jedem ringförmigen Teil gleich gross sein.
Aus diesem Grunde steigert sich die Erregerstromstärke stufenförmig vom Sendermittel in jedem Teilsektor bis zu den Grenzen des Übertragungsbereiches, wie in den Fig. 3 und 4 angegeben (i, 2i, 3i, 4i). Bei gleichmässig dichtem Empfang steigert sich aber auch nach den Rändern des Bereiches die Energieabgabe, weshalb die einzelnen Sendersektorteile vom Mittel nach aussen mit immer grösseren Leitungsquerschnitten ausgestattet sein müssen.
Sind die zu übertragenden Leistungen oder die Betriebsfrequenz zu klein, so kann die Erregerstromstärke- nach der dann der Sender zu dimensionieren wäre-ziemlich gross ausfallen. Diesem Übelstand wird, wie folgt, begegnet :
An die Endklemmen eines jeden Energieempfängers wird ein entsprechend dimensionierter Kondensator parallel und dauernd angeschlossen.
Alle diese um 900 der Empfangsspannung voreilende Empfängerblindstrome reduzieren dann-nach den Gesetzen der Energieübertragung- den Erregerstrom im Sender, ja man ist sogar auf diese Weise in der Lage, die gesamte Raumfelderregung durch alle Empfänger allein aufbringen zu lassen, während der Sender nur den Wattstrom übernimmt. Ausserdem ergibt sich hiebei eine viel günstigere und gleichmässigere Kraftlinienverteilung, als wenn die an Zahl meist beschränkten Sendesektoren, die in diesem Falle sogar auf einen Sektor allein reduziert werden können, die Erregung selbst besorgen.
Werden bei der einfachsten vierteiligen Sendeanlage nach Fig. 1 die horizontalen Verbindungen weggelassen und gewissermassen als Ersatz dafür auf den frei werdenden stehenden Senderteilenden entsprechend grosse Metallsammlungsflächen K1 und K2 für die Elektrizität angeordnet (Fig. 6), so wird hiedurch die Sendeanlage sehr vereinfacht und aus dem geschlossenen Sender eine offene Senderanlage. Mit dieser kann man ebensogut wie mit dem geschlossenen Sender Energie übertragen und auch den Wirkungsbereich abgrenzen, wenn Grosse und Richtung der Erregerströme Je, wie in Fig. 6 angegeben, eingehalten wird.
Auch die Anzahl der Sendesektoren kann erhöht, nötigenfalls auch noch vermindert werden. Der Erregerstrom durchfliesst aber hier nicht wie in Fig. 1 die Windungen, sondern
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übertragung muss aber auch hier jeder Sendesektor unterteilt werden, u. zw. so, wie in diesem Fall in Fig. 7 bei einem Sektor angegeben ist.
Vom Mittelpunkt der Anlage M-1VJ steigert sich wieder der Erregerstrom zum Rande des Kraftfeldbereiches ; an den Rändern fliesst der Erregerstrom in der Gesamtsumme der aufwärts fliessenden Teilströme nach abwärts. Sämtliche Einzeltransformatoren T zur Energieversorgung der ringförmigen Teilgebiete sind an eine längs den Sendesektoren verlegten Speiseleitung. L angeschlossen. Damit die Kapazitätsflächcn nicht zu gross werden. sind für den Betrieb schon höhere Frequenzen notwendig, welche wieder reduziert werden können, wenn die Empfänger zur Raumfelderregung mit herangezogen werden, u. zw. in analoger Weise wie beim geschlossenen Sender.
Eine Vereinigung von geschlossenen und offenen Sendesektoren zu einer Anlage sei als "Kombinierte Sendeanlage''bezeichnet. Aufbau und Schaltung zweier Sektoren zeigt Fig. 8, u. zw. in einfachster ungeteilter Ausführung. Die senkrechten Senderleitungen mit den
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zur Herstellung des elektromagnetischen Raumfeldes. und in diesen Teilen pendelt nur der Erregerstrom Je zur Raumfelderregung.
Die geschlossenen Senderwindungen haben dagegen den Wattstrom Jtp bei der Energieabgabe zu übernehmen. Die Speisung erfolgt normal über Transformatoren T bei Parallelschaltung von Kondensatoren C direkt in offenem und geschlossenem Sender zugleich.
Zur gleichmässigen Energieverteilung ist eine sinngemässe Unterteilung der Anlage wie beim geschlossenen und offenen Sender ebenfalls notwendig.
Der Vorteil dieser kombinierten Anlage ist eine günstigere Ausnutzung der Senderkupferquerschnitte bei höheren Frequenzen, wobei allerdings die etwas kompliziertere Unterteilung mit in Kauf genommen werden muss.
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