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Elektrostatische Maschine zur Erzeugung von Wechselströmen hoher Frequenz.
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Da eine statische Maschine mit Streukapazitäten behaftet ist, wird die beschriebene Anordnung dadurch vervollkommnet, dass im Feld wie im Anker durch Parallelschaltung von ver- änderlichen Se ! bstinduktionen zu den schädlichen Kapazitäten Stromresonanzkreise geschaSen werden, deren Abstimmung und Zahl von der Gradzahl der der Maschine entnommenen Harmonischen abhängt. In Reihe mit den Selbstinduktionen oder parallel zu ihnen oder zu einem Teil von ihnen können regelbare Kapazitäten gelegt werden, um die Abstimmung zu erleichtem und um in den Resonanzkreisen Energie aufspeichern zu können, die ausgleichend auf den Gang der Maschine wirkt. Der Maschine können mehrere Frequenzen gleichzeitig ent-
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In Fig. 2 ist die Schaltung einer Maschine zur Gewinnung der dreifachen Frequenz gegeben.
Zur Erregung dient-die Gleichspannungsquelle a, die hier beispielsweise durch Induktionsspulen gegen das Eindringen von Wechselspannungen geschützt ist. c, b sollen die Kapazitäten des Feldes und Ankers einschliesslich der Streukapazitäten vorstellen.
Die zur Beseitigung der schädigenden Wirkung der Streukapazitäten dienenden Stromresonanzkreise, deren Zahl von der Gradzahl der der Maschine entnommenen Harmonischen abhängt, sind : Grundwelle : Streukapazität c und Selbstinduktion 1. Die zur Selbstinduktion 1 parallelliegende Kapazität dient zur Erleichterung der Abstimmung und als Energiespeicher.
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durch den vorgeschalteten Kondensator. Die parallel zur Selbstinduktion 2 liegende Kapazität dient demselben Zwecke wie bei der Selbstinduktion 1. Dritte Harmonische : Streukapazität c und Selbstinduktion 3, welche gegen das Eindringen der ersten Harmonischen durch einen Kondensator geschützt ist. Zu der Selbstinduktion 3 kann ebenso wie bei Selbstinduktion 1 und 2 Kapazität parallel gelegt werden.
Durch die Reihenschaltung von Kapazität und Selbstinduktion ist der Nutzstromkreis d gegen das Eindringen der Grundwelle geschützt. Die Ausbildung ungewünschter höherer Spannungsglieder verhindert der Spannungsresonanzkreis 4, welcher für die vierte Harmomsche einen Kurzschluss vorstellt, dagegen der zweiten Harmonischen einen hohen kapazitiven Widerstand bietet.
Eine in dieser Schaltung arbeitende Maschine leidet unter dem Nachteile, dass die Spannung nicht die theoretisch günstigste Lage besitzt, weiche für das Maximum des Energieumsatzes erforderlich ist. Da nun die Spannung, mit welcher eine statische Maschine arbeiten kann, durch die Durchbruchfestigkeit begrenzt ist, bedeutet es einen grossen Fortschritt, wenn die arbeitende Maschine dazu gezwungen wird, unter allen Umständen mit der vektoriellen Lage der Anker-und
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liefert. Dieser erwünschte Fortschritt wird dadurch erreicht, dass aus Eigenkapazität und passenden Selbstinduktionsspulen Resonanzkreise geschaffen werden, deren Zahl von der Zahl der ververteten Spannungsglieder abhängt, und welche auf die einzelnen Frequenzen der gewünschten Spannungsglieder abgestimmt sind.
Durch geeignete Verbindung der Selbstinduktionen m] T Kapazitäten wird die Abstimmung erleichtert und können Energiespeicher geschaffen werden. Zur Sperrung der einzelnen Selbstinduktionskreise gegen das Eindringen niedrigerer Frequenzen dienen Kondensatoren.
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bezeichnen kann, gehen die vorstehend beschriebenen Massnahmen der Sperrung der Erregerquelle, der Sperrung des Nutzstromkreises und der Schaffung von Spannungsresonanzkreisen, die als Kurzschluss für die nicht gewünschten Spannungsglieder dienen.
1 ist in der Fig. 2 Abstimmsatz für die Grundwelle, der mit der Summenkapazität c des Ankers für die Grundwelle zur Resonanz gebracht wird, d. h. 1 und c sind in sich auf die Grundfrequenz abgestimmt. Die zu der Selbstineduktion parallelliegende Kapazität erleichtert die Abstimmung und dient als Speicher. 2 ist der Abstimmaatz für die zweite Harmonische. Er ist durch eine vorgeschaltete Kapazität gegen das Eindringen von Gleichstrom gesperrt und wird mit der Summenkapazit. b des Feldes zur Resonanz gebracht. Die zu der Selbstinduktion parallel liegende Kapazität dient dem gleichen Zweck wie im Kreis 1. Im Satz J verhindert die vorgeschaltete Kapazität das Eindringen der Spannung der Grundfrequenz.
Der Satz 3 wird mit der 8ummenkapazität c zur Resonanz für die dreifache Harmonische gebracht. Selbstredend beeinflussen sich diese Abstimmkreise gegenseitig. Die Reihenschaltung 3 wirkt wie eine Vergrösserung der Streukapazität für die Grundwelle, während die Anordnung 1 je nach Wahl der parallelgeschalteten Kapazität als Verkleinerung oder Vergrösserung der Streukapazität für die dreifache Harmonische wirken kann.
Der grundsätzliche Erfindungsgedanke wird durch diese Einzelheiten der Abstimmung in keiner Weise berührt.
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Gegen das Eindringen unerwünschter Glieder ist der Nutzstiomkreis d in üblicher Weise gesperrt.
Statt die Maschine mit Gleichspannung zu erregen, kann mit pulsierender Gleichspannung, z. B. Überlagerung von Mikrophonwellen oder mit einer Wechselspannung beliebiger Frequenz erregt werden, ein Fall, der für die Wellentelegraphie (tönender Empfang) von besonderer Bedeutung ist.
Alle für die einphasige elektrostatische Wechselstrommaschine gegebenen Betriebamöglich- keiten lassen sich in gleicher Weise auf die elektrostatische Mehrphasenmaschine übertragen. Um das wechselseitige Emporarbeiten der Frequenzen zu ermöglichen, muss das Feld mit dem Anker, am besten über Resonanzkreise, galvanisch oder induktiv gekoppelt werden. Die im
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und erzeugt vom Feld aus die Frequenz 3 n im Anker usw. In jeder Phase des Feldes und des Ankers sind die gleichen Vorkehrungen zu treffen. wie sie in der Beschreibung für die Einphasenmaschine gegeben sind.
Das Prinzip der Frequenzsteigerung ist nicht nur anwendbar für Wechselspannungen, welche in der Maschine selber erzeugt werden, sondern auch für Wechselspannungen, welche dieser statischen Maschine von aussen her zugeführt werden. Die Maschine erhält in diesem Fall die Eigenschaften eines Frequenzwandlers. Wird das Feld oder der Anker nut einer Wechseiapannung gespeist, deren Frequenz n. 8 in einem beliebigen ganzen oder gebrochenen Verhältnis s zu der Eigenfrequenz n der Maschine steht-unter Frequenz n ist die Frequenz zu verstehen, welche die Maschine bei Gleichspannungserregung gibt-so erzeugt diese Wechselspannung in dem induzierten Teile die Frequenzen n + ns und n - ns.
Diese beiden Frequenzen können wiederum, auf das induzierte System rückwärts einwirkend, die Frequenzen 2 -t-M s und 2n - ns (sowie + ns und - ns) hervorbringen. Diese Frequenzsteigerung bzw. -änderung lässt sich wie bei der ursprünglichen statischen Maschine in beliebig vielen Stufen fortführen.
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in sich auf die betreffende Frequenz abgestimmte Reihenschaltungen von Kapazität und Selbstinduktionen.
Als einfachsten Fall der Frequenzwandlung greifen wu'den heraus, bei welchem die Frequenz
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gespeist. Diese Frequenz induziert im induzierten Teile die Frequenz tt-r-n und M-M s In der Regel wird nun eine dieser beiden Frequenzen zur Verwertung kommen tioiien. Dem- entsprechend wird die ungewünschte Frequenz entweder n + @s oder n - ns durch einen Resonanzkreis zu beseitigen sein. Die nutzbar verwertete Frequenz 1I - n s oder n @ ns bringt
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Da deren Existenz nicht erwünscht ist, falls man nur die eine Stufe der Frequenzsteigerung ausnutzen will, so wird dieses Glied durch einen Resonanzkreis-reiner Kurzschluss -zu beseitigen sein.
Wird dagegen durch wechselseitige Induzierung die Bildung einer höheren Stufe erwünscht, so wird der Kurzschluss erst für die auf diese gewünschte Stufe folgende Frequenz im Feld oder im Anker vorzusehen sein.
Es ist ebensogut möglich, die beiden ersten Spannungen n + ns und n - ns zur Entwicklung kommen zu lassen. Die gesamte Ankerspannung würde z. B. in diesem Fall durch das Zusammenwirken der sich um den Betrag 2 n s unterscheidenden Frequenzen Schwebungen aufweisen, welche für den tönenden Empfang in der drahtlosen Telegraphie von Bedeutung sind.
Neben dieser rein elektrischen Tonschaltung gibt es noch eine zweite. Möglichkeit, Töne mit einer Frequenz zu erzeugen, die kleiner ist als die der Hauptschwingung.
Im Felde oder im Anker oder in beiden gleichzeitig werden nach einer willkürlichen Teilung Pole oder Zähne weggelassen oder Pol-oder Zahnlücken ausgefüllt. Fig. 3 zeigt, schematisch eine Maschine, in welcher sowohl im Felde Pole wie auch im Anker Zähne weggelassen sind. Die normale Form einer Ankerabteilung ist durch Fig. 4 angegeben. Fig. 5 zeigt die eine Möglichkeit der Weglassung von Zähnen, Fig. 6 die andere Möglichkeit de ? Ausfüllung von Zahnlücken. Der Gedanke lässt sich in der mannigfaltigsten Weise ausführen.
Die beiden in der elektrischen Tonschaltung im Anker zur Ausbildung gezwungene@ Frequenzen würden ihrerseits im Felde Frequenzen 2n + ns und 2n - ns hervorbringen.
Ist ein weiteres Emportreiben der Frequenzen nicht beabsichtigt, so ist die Ausbildung dieser beiden Spannungsglieder im Felde unerwünscht, und man wird jedes der beiden Spannnngsglieder durch einen besonderen Kurzschluss-Resonanzkreis unterdrücken. Im gegenteiligen Falle
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Die Schaffung der Leerlaufbedingungen, weiche die Voraussetzung für die Arbeitsweise der statischen Maschine bildet, geschieht hier in der gleichen Weise durch Sperrung der Wechselspannungsquelle mit Hilfe passender Sperrvorrichtungen, welche die Wechselspannungsquelle gegen alle ihre fremden Frequenzen blockieren. Die störende Wirkung der Streukapazität ist durch stufenweise Bildung von Stromresonanzkreisen für jede der im betreffenden Teil der Maschine vorkommenden Spannungen bzw. deren Frequenzen zu erreichen.
Die spannungserniedrigende Wirkung der inneren Ströme ist zu beseitigen durch die Bildung von Resonanzkreisen, gebildet aus der Eigenkapazität der Maschine und passenden Setbstinduktionssputen, welche gleichfalls für alle in Frage kommenden Frequenzen zu schaffen sind.
Ein Sonderfall des vorstehend beschriebenen Frequenzwandlers entsteht dann, wenn die Frequenz der zugeführten Wechselspannung ein ganzzahliges Vielfaches der Eigenfrequenz der Maschine ist. Der allgemeine Frequenzwandler, den man als Asynchronmaschine bezeichnen kann, kann in diesem Sonderfall den Namen synchroner Frequenzwandler erhalten. Dieser Umstand bringt hinsichtlich der Schaltungen mit Ausnahme einer Vereinfachung (Fortfall eines KurzschlussResonanzkreises) keine Erweiterungen mit sich. Seine Schaltung wird nach genau den gleichen
Grundsätzen wie bei dem allgemeinen Frequenzwandler hergestellt.
Wird der Anker einer Maschine, welche mit Gleichspannungserregung die Frequenz ; ! im Anker liefern. würde, z. B. mit der Frequenz 3 n gespeist (erregt), so wird diese Frequenz 3 o im Felde Wechselspannungen der Frequenz 4 n und 2 n induzieren. In der allen Ausführungen der
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Schaffung eines in sich auf die Frequenz des nicht gewünschten Gliedes abgestimmten KurzschlussResonanzkreises beseitigt werden. Soll also z. B. die Frequenz 2 n ausgenutzt werden, so würde ein an sich auf die Frequenz 4 : n abgestimmter Resonallzkrcis, der für die Frequenz 4 : einen vollkommenen Kurzschluss vorstellt, an das Feld anzulegen sein.
Dieser Resonanzkreis 4 o. welcher gegen 2 n gesperrt ist, verhindert die Ausbildung der Frequenz 4 ? t an sich und weiterhin die Ausbildung höherer harmonischer Glieder. Die ausgenutzte Frequenz 2 n würde nun ihrerseits im Anker die Frequenz n und 3 n induzieren. Für die Frequenz n-möge keine Verwertung bestehen.
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auf die Frequenz M abgestimmten Kurzschluss-Resonanzkreises im Anker zu beseitigen ist.
Wird im Gegensatz zu der ersten Annahme nicht die Frequenz 2 H, sondern die Frequenz 4 n ausgenutzt, die ihrerseits im Anker ausser der Frequenz 3 tt die Frequenz 5n induziert, so stellen 2 n
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ebenso wie bei der statischen Maschine möglich, durch wechselseitige Induzierung beliebig hohe Frequenzen hervorzubringen. Die Schaltungen sind auch in diesem Fall stets die reichen wie bei der statischen Maschine.
In Fig. 7 stellt a die Eigenkapazität des Ankersystems, b die Eigenkapazität des veldsystems eines Frequenzwandlers vor, welcher als Beispiel eine Frequenzwandlung von w.' < auf 3 it + n s geben soll. Dem Feldsystem wird von der Wechselspannungsquelle c die Frequenz 11 11 zugeführt. Gegen die später im Felde induzierten Wechselspannungen abweichender Frequenz ist die Wechselspannungsquelle gesperrt durch die Sperrspulen d, d. Die zugeführte Wechsel- spannung ra s induziert im Anker die Wechselspannung n + ns und n - ns.
In dem auf die Frequenz n - ns abgestimmten Kurzschluss-Resonanzkreise e wird der reine Kurzschluss für die unerwünschte Frequenz n - n 8 dargestellt. Die allein verbleibende Spannung n + ns des Ankers bringt im Felde die Spannung 2 tl + n s hervor, welche sich ungestört ausbilden kann, da die Wirkung der Eigenkapazität oder der Streukapazität durch den Abstimmsatz/\ der mit Hilfe einer Kapazität gegen die Frequenz ns gesperrt ist und welcher mit der Eigenkapazität oder der Streukapazität auf die Frequenz 211 + M 8 abgestimmt ist, beseitigt wird. Die Spannung 2 n + ns im Felde induziert im Anker die im vorliegenden Beispiele ausgenutzte
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Abstimmung aus beliebigen Verbindungen von Induktionsspulen und Kondensatoren bestehen.
Wenn an das Feld einer mehrphasigen elektrostatischen Asynchronmaschine, deren bewegter Teil mit der Rotationsgeschwindigkeit umläuft, welche bei Gleichspannungserregung die Frequenz) n (1 + s) ergeben würde, Spannungen der Frequenz n s gelegt werden, so induzieren
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diese Spannungen im Anker Spannungen der Frequenz n (1 + s) - ns = n. Da der Anker eine bestimmte, sich aus Nutz-und Streukapazität zusammensetzende Eigenkapazität bat, welche man sich parallel zu seinen Klemmen gelegt denken kann, setzt die Ausbildung dieser Spannungen das Fliessen von Strömen in der Nutz-und Streukapazität des Ankers voraus. Diese erscheinen,
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Ströme in diesem Netz.
Die Asynchronmaschine kann von dem Netze freigemacht werden dadurch, dass sie auf Se ! bstinduktionen geschattet wird, deren Grösse so zu bemessen ist, dass sie bei der Frequenz n gerade den von der Stren- und Nutzkapazität verlangten wattlosen Strom liefert. Sie müssen sich also in Resonanz mit der Summe von Streu-und Nutzkapazitäten, d. h. mit der Eigenkapazität, befinden.
In ähnlicher Weise können auch die Erregerspannungen des Feldes von einer fremden Spannungsquelle der Frequenz ns freigemacht werden. Die Erregerspannungen verursachen in der Streu- und Nutzkapazität des Feldes Ladeströme, die zunächst von der fremden Erregerquelle gedeckt werden. Legt man jedoch im Felde parallel zu den Streu-und Nutzkapazitäten Selbstinduktionen, so sind diese imstande, die wattlosen Ladeströme zu liefern.
Eine in dieser Art und Weise von jeder fremden Stromquelle freigemachte Asynchronmaschine wäre, falls sie verlustlos arbeitet. in der Lage, ihre Spannung beizubehalten. Bei der geringsten Nutzlast würde sie jedoch jede Spannung verlieren.
Der Hauptpun1.. -t der Erfindung stützt sich auf die Erkenntnis, dass zur Energielieferung unbedingt eine ganz bestimmte relative Wmkelstettung zwischen den Spannungen des Feldes und des Ankers herrschen muss, da sonst keinerlei elektrostatische Drehmomente entstehen können.
Und diese Winkelstellung kann nur dadurch erreicht werden, dass die Spannungen des Feldes auf effektverzehrende Widerstände arbeiten, deren Ohmwert in einem ganz bestimmten Verhältnis zu dem gewählten Schlupfe steht. Er muss dem willkürlich gewählten Schlupfe umgekehrt proportional eingestellt werden. Diese Widerstände können parallel zu den erwähnten Selbst- induktionen des Feldes liegen, können jedoch auch mit diesen in beliebiger Weise vereinigt werden. Die Vereinigungen von Selbstinduktionen und Ohmschen Widerständen, zu denen der bequemeren
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zustellen ist.
In der Einphasenmaschine erscheint gegenüber der Mehrphasenmaschine die Verwlcklung, dass die Feldspannung der Frequenz n s neben der gewünschten Ankerspaullung der Frequenz tt (oder tl + 2 n s) auch noch eine so) che der Frequenz n + 2ns (oder n) induziert. Diese kann jedoch dadurch unschädlich gemacht werden, dass an den Anker ein auf die Frequenz n + 2 11 s
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Spannungsresonanzkreisunschädlichgemacht.
In Fig. 8 sind mit f ! und b die Streu-und Nutzkapazitäten des Ankers 6 und des Feldes a
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Beide sich um den Betrag 2ns unterscheidende Spannungen können zur stufenweisen Frequenzerhöhung weiterverarbeitet werden. Es ergeben steh dann gleichfalls Schwebungen in allen Spannungsgliedern.
Die Ausbildung von immer je zwei zusammengehörigen Spannungen erfolgt dadurch, dass
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ungefähr vierfacher Frequenz den erforderlichen Kurzschluss. Die Reihenschaltung t erleichtert die Einstellung der Spannungen.
Die Möglichkeit eine der beiden Frequenzen der einzelnen Stufen, die sich um den
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der Wahl der einzelnen Grössenverhältnisse als Abstimmsatz für die beiden Frequenzen oder als Abstimmsatz (reiner Leerlauf) für die eine, und als in sich abgestimmter Resonanzkreis (reiner Kurzschluss) für die andere der beiden sich um den Betrag 2 n s unterscheidenden Frequenzen dienen.
Das beschriebene Verfahren ist sinngemäss für jede beliebige Frequenz verwendbar.
PATENT-ANSPRÜCHE:
1. Elektr@statische Maschine zur Erzeugung von Wechselströmen hoher Frequenz, dadurch gekennzeichnet, dass unter Benutzung des Prinzips der stufenweisen Frequenzerhöhung durch Rückwirkung zwischen Anker und Feld un Ankerkrels für die ungeradzahligen und im Feldkreis für die gradezahligen harmonischen Spannungen von unterhalb der gewünschten hegender Frequenz
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resonanzkreises an Feld oder Anker, und dass das Auftreten von Spannungen von oberhalb der gewünschten liegender Frequenz durch Anlegung eines auf die nächst oberhalb der Nutzfrequenz liegende Frequenz abgestimmten Spannungsresonanzkreises an den Anker bzw. an das Feld verhindert wird.