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Anordnung zur Verbindung einer erdunsymmetrischen mit einer erdsymmetrischen
Hochfrequenzanordnung Es sind bereits Anordnungen zur Verbindung einer an ihren
Anschlußklemmen erdunsymmetrischen mit einer an ihren Anschlußklemmen erdsymmetrischen
elektrischen Schaltung, sogenannte Symmetrieranordnungen, bekannt, bei denen eine
Doppelleitung benutzt wird, deren Leiter in Form zweier fest miteinander gekoppelter
Spulen aufgewickelt sind. Die Wirkung dieser Anordnungen beruht darauf, daß durch
die große Gegeninduktivität zwischen den Spulen der induktive Längswiderstand für
Gegentaktanregung, also für in den Spulen in entgegengesetzter Richtung fließende
Ströme, sehr klein, praktisch gleich Null, gemacht werden kann, so daß die beiden
Spulen einfach als Leitungssystem mit einem bestimmten Wellenwiderstand und einer
bestimmten Länge aufgefaßt werden können. Für Gleichtaktanregung, wie sie durch
verschiedenartige Erdung am Eingang und Ausgang zusätzlich auftritt, wird der die
Symmetrie störende Ausgleichsstrom durch den hohen Blindwiderstand des Spulensystems
sehr klein gehalten.
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Man kann also bei einer solchen Anordnung eine der Eingangsklemmen,
d. h. ein Ende einer Spulenwicklung, erden, während auf der anderen Seite ein Symmetriepunkt
zwischen den beiden Ausgangsklemmen mit Erde verbunden sein kann. Aus demselben
Grunde können auch bei Verwendung mehrerer Spulenpaare die Anschlüsse auf der einen
Seite in Parallelschaltung, auf der anderen Seite in Reihenschaltung miteinander
verbunden sein, um gleichzeitig mit der Umsymmetrierung eine Widerstandstransformation
zu bewirken (deutsche Patentschrift 846874).
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Derartige Transformations- und Symmetrieranordnungen mit aufgewickelten
Paralleldrahtleitungen funktionieren daher im allgemeinen so lange gut, wie die
Reaktanz der aus den aufgewickelten Leitungen gebildeten Drossel groß genug gegen
die primäre oder sekundäre Impedanz des Systems ist. Diese Bedingung läßt sich bei
Anordnungen für kleine zu übertragende Leistungen leicht erfüllen. Etwaige Resonanzerscheinungen
der Drossel lassen sich dämpfen, z. B. durch Verwendung eines verlustbehafteten
ferromagnetischen Kernmaterials, welches gleichzeitig die Induktivität der Drossel
erhöht.
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Bei Anordnungen für die Übertragung größerer Leistungen werden zwangläufig
größere Abstände der Leiter erforderlich, und es ergeben sich kleinere Induktivitäten
der Drossel und kleinere Dämpfungen der Drosselresonanzen. Daher ist die erwähnte
Bedingung schwer zu erfüllen. Die Folge ist dann, daß sich in gewissen Gebieten
des Arbeitsfrequenzbereiches Störungen der Symmetrierwirkung und Änderungen des
Transformationsfaktors ergeben, welche durch die infolge mangelhafter Drosselwirkung
fließenden Ströme verursacht werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
derartigen Anordnungen Störungen der Symmetrierwirkung zu vermeiden. Wird durch
dieselbe Anordnung gleichzeitig eine Transformation bewirkt, so sollen auch Änderungen
des Transformationsfaktors vermieden werden.
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Bei einer Anordnung zur Verbindung einer erdunsymmetrischenSchaltungmiteinererdsymmetrischen,
vorzugsweise mit gleichzeitiger Transformation, mittels wenigstens einer Doppelleitung,
welche in Form zweier fest miteinander gekoppelter Spulen (Spulenpaar) aufgewickelt
ist und bei der auf der unsymmetrischen Seite ein nicht die elektrische Mitte bildender
Spulenanschluß geerdet ist, während auf der symmetrischen Seite an den Anschlüssen
erdsymmetrische Spannungen liegen, ist erfindungsgemäß zur Kompensation des von
der Spannung auf der unsymmetrischen Seite über die Spulenreaktanz zur symmetrischen
Seite fließenden unsymmetrischen induktiven Blindstromes wenigstens ein zur Spulenreaktanz
parallel wirksamer kapazitiver Leitwert vorgesehen, der auf der unsymmetrischen
Seite mit dem Spannung gegen Erde aufweisenden Anschluß und auf der symmetrischen
Seite in symmetrischer Weise mit den Spulenanschlüssen verbunden ist. - Bei Verwendung
wenigstens zweier Spulenpaare, deren Anschlüsse auf der einen Seite in Parallelschaltung,
auf der anderen Seite in Reihenschaltung miteinander verbunden sind, ist vorzugsweiße
außer dem zur frequenzunabhängigen Kompensation des durch die beiden Spulen jedes
Paares -für in ihnen in untereinander gleichen Richtungen von
der
Spannung der symmetrischen Seite zur unsymmetrischen Seite fließende Ströme - dargestellten
induktiven Leitwertes der sich durch einen unmittelbar zwischen den äußeren Anschlüssen
der symmetrischen Seite liegenden Leitwert darstellen läßt, zwischen diesen Anschlüssen
eine Ergänzung des genannten Leitwertes zu einem an sich bekannten L-Glied oder
7c-Glied vorgesehen.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt die bekannte Symmetrieranordnung, von der die Erfindung ausgeht. Der
Generator 1 mit der Klemmenspannung U, ist an die Anschlüsse 2 und 3 der
Symmetriereinrichtung angeschlossen. Der Verbraucherwiderstand besteht aus den Teilwiderständen
6 und 7, von denen jeder den Wert Z/2 besitzt, wobei Z der Wellenwiderstand
des zwischen den Klemmen 2, 3 und 4, 5 vorhandenen Leitungssystems ist. Die Spulen
8 und 9 sind durch spulenförmiges Aufwickeln einer Paralleldrahtleitung
entstanden, welche den Wellenwiderstand Z und die Länge 1 besitzt. Denkt man sich
die beiden Spulenleiter auf beiden Seiten an den Anschlüssen 2, 3 und 4,5 unmittelbar
miteinander verbunden, so wirkt die Anordnung - für Gleichtaktkomponenten - als
Drossel mit der Induktivität LD. Die Anordnung ist auf der rechten Seite mit dem
Widerstand Z erdsymmetrisch und ohmisch abgeschlossen. Ihr Eingang auf der linken
Seite ist dann gewissermaßen nur über die Reaktanz der Drossel mit dem Ausgang verbunden.
Er läßt sich beispielsweise, wie mit unterbrochenen Linien eingezeichnet, einseitig
erden. Die Anordnung dient dann zur Umsymmetrierung.
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Fig.2 stellt eine Ersatzschaltung der Anordnung nach Fig.l dar. Die
Übertragungseigenschaften zwischen den Klemmen 2, 3 und 4, 5 werden durch
die beiden idealen Transformatoren mit dem Übersetzungsverhältnis 1 : 1 nachgebildet.
Die Wirkung der aufgespulten Paralleldrahtleitung wird durch die zwischen den Transformatoren
dargestellte Leitung mit demselben Wellenwiderstand Z und gleicher Länge 1 dargestellt.
Für erdunsymmetrische Strom- bzw. Spannungskomponenten bildet die Drossel D mit
ihrer Reaktanz XD zwischen den Mittelpunkten der Transformatoren die Drosselwirkung
des aufgewickelten Leitungssystems nach.
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Verwendet man die Anordnung zur Symmetrierung einer unsymmetrischen
Stromquelle mit der Spannung U,, wie dargestellt, so fließt über die Drossel
D der Ausgleichsstrom JD. Dieser wird von der halben Primärspannung
gespeist und hat, wie sich aus Fig. 3 ergibt, eine Störung der Symmetrie der an
sich symmetrischen Seite zur Folge.
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Fig. 3 a zeigt in einem Vektorbild die beiden Hälften der Primärspannung
U" und U,2, von denen U" den Strom JD mit 90° Nacheilung durch die Drosselinduktivität
treibt. Denkt man sich zunächst JD = 0 und die Länge der Leitung 1= 0, so
hätten die Spannungen U22 und U2, an den Belastungswiderständen 6 und 7 die
in Fig. 3 b dargestellten Größen und Lagen U@ und U=,. Tatsächlich eilen diese aber
infolge der Laufzeit auf der Leitung um einen gewissen Winkel gegenüber diesem Zustand
nach, wie dies Fig. 3c zeigt. Die Ströme in den beiden Abschlußwiderständen 6 und
7 haben infolge des ohmschen Charakters die gleiche Lage und lassen sich nach geeigneter
Wahl des Maßstabes durch die gleichen Vektoren darstellen. Zu den beiden Stromvektoren
in den Teilwiderständen 6 und 7 des Verbrauchers addiert sich je der halbe Drosselstrom
JD/2, womit sich die beiden Ausgangsströme J22 und J2, und die tatsächlichen Ausgangsspannungen
U22 und U2, ergeben. Fig. 3 c zeigt deutlich, wie JD auf der an sich symmetrischen
Seite die Symmetrie stört. Auf der unsymmetrischen Seite, im vorliegenden Fall der
Eingangsseite, tritt Fehlanpassung auf, da der Blindstrom JD ebenso wie der
Wirkstrom der Leitung von U, gespeist werden muß.
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Der störende Drosselstrom JD läßt sich in Anwendung der Erfindung
durch Ergänzung der Drossel mittels eines parallel geschalteten, in Fig. 2 mit unterbrochenen
Linien eingezeichneten Kondensators C zu einem auf die Arbeitsfrequenz abgestimmten
Sperrkreis kompensieren. Für die praktische Durchführung sind jedoch die Mittelpunkte
der Transformatoren in Fig. 2 nicht zugänglich, da sie in der tatsächlichen Anordnung
nach Fig. 1 nicht existieren. In Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer Anordnung
nach der Erfindung dargestellt, bei welcher der kapazitive Leitwert durch zwei vorzugsweise
einstellbare Kondensatoren gebildet wird, deren Belegungen auf der unsymmetrischen
Seite miteinander verbunden sind, während ihre Belegungen auf der symmetrischen
Seite je mit einem der Spulenanschlüsse eines Spulenpaares verbunden sind. Der Drosselstrom
JD in Fig. 2 liefert einen gewissen Blindstrom auf die Ausgangsseite. Dieser
Blindstrom wird von der halben Spannung U, gespeist. Legt man den kompensierenden
Kondensator an die volle Spannung U,, so erreicht man die gleiche Wirkung auf der
Ausgangsseite, wenn man seinen Kapazitätswert gegenüber C in Fig. 2 halbiert. Die
Wirkung ist in Fig. 2 auf die beidenWiderstände6 und? gleichmäßig. Dies wird in
der Anordnung nach Fig. 4 dadurch erreicht, daß man den Kondensator C/2 abermals
halbiert und die so entstehenden Kondensatoren C/4 direkt mit den beiden Ausgangsklemmen
verbindet. Die beiden Kondensatoren sind in der Schaltzeichnung als Drehkondensatoren
angegeben, da sie für die Arbeitsfrequenz auf Resonanz mit der Drosselinduktivität
abgestimmt werden sollen. Ohne Berücksichtigung der Störungen durch den nicht beliebig
klein zu haltenden Drosselstrom wäre die Anordnung nach Fig. 1 als solche in großem
Frequenzbereich ohne Abstimmung wirksam.
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Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit zwei Spulenpaaren, die eingangsseitig
parallel, ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Die Anordnung dient zur Widerstandstransformation
im Verhältnis 1 : 4 (Z/2 auf 2 Z). Wenn eine Klemme des die Eingangsspannung U,
liefernden Generators 1 geerdet wird, dient die Anordnung gleichzeitig zur Umsymmetrierung.
Die Teile des zweiten Spulenpaares sind zum Unterschied von denen des ersten Spulenpaares
zwar mit denselben Bezugsziffern, jedoch mit einem beigefügten Strich bezeichnet.
Fig. 6 zeigt die Ersatzschaltung für die Anordnung nach Fig. 5 in derselben Weise,
wie Fig. 2 die Ersatzschaltung für die Anordnung nach Fig. 1 bildete. In die einzelnen
Zweige sind, wie in Fig. 2, die zum Fließen kommenden Ströme eingetragen. Fig.7
gibt die Vektordiagramme für die Ersatzschaltung. JD" und JD" bezeichnen die von
der Eingangsseite gespeisten Ströme in den beiden Drosseln, während JD22 und JD,2
die von der Ausgangsseite gespeisten Drosselströme bezeichnen. Denkt man sich zunächst
die Anordnung eingangsseitig erdsymmetrisch gespeist, so haben die Mittelpunkte
der Primärtransformatoren Erdpotential. Die Spannungen an den
Drosseln
DZ und Dl sind erdsymmetrisch und entsprechen der halben Ausgangsspannung des Systems.
Das Diagramm in Fig. 7a entspricht vollkommen demjenigen nach Fig. 3a. In Fig. 7
b bezeichnen U." und U@ die erdsymmetrischen Ausgangsspannungen ohne Berücksichtigung
der störenden Drosselströme. Die Drosselströme JD22 und Jv12 sind eingezeichnet.
Sie haben eine 90° nacheilende Phasenverschiebung gegenüber den sie speisenden halben
Ausgangsspannungen. Die ungestörten Ausgangsströme J.=_ und J._, werden durch entsprechende
Wahl des Maßstabes wieder durch die entsprechenden Spannungsanzeiger dargestellt.
Kehrt man die Laufrichtung des Stromes JD"
und damit sein Vorzeichen
um (-JD"), so erkennt man, daß dieser Strom sich gleichmäßig auf die beiden Pole
des oberen ausgangsseitigen Transformators verteilt. Zu J._',.= addiert sich also
ebenso zu J21 der Strom
Die am Reihenschaltungspunkt der Sekundärseite auftretenden gleich starken Komponenten
kompensieren sich, da sie entgegengesetzt gleich sind. Primärseitig kann man sich
die Mittelabgriffe der Transformatoren, wie punktiert angedeutet, miteinander verbunden
denken. Hier kompensieren sich die Ströme ebenfalls.
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Zu dieser Wirkung addiert sich die Wirkung der Ströme JD21 und
JD", die infolge der einseitigen Erdung der speisenden Quelle von der halben
Primärspannung erregt werden. Sie sind in Fig.7a dargestellt und haben 90° nacheilende
Phasenverschiebung gegenüber U,. Diese Ströme sind gleichphasig, können also am
Reihenschaltungspunkt der Sekundärseite sich nicht kompensieren und fließen deshalb
in voller Stärke in den Abschlußwiderstand. Im Diagramm Fig. 7b addieren sich zu
den bisherigen Strömen also die Ströme JD, und JD" und ergeben so die tatsächlichen
Ausgangsströme J22 und J2,, die durch die Zeiger für U22 und U2, dargestellt sind.
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Fig. 7b zeigt deutlich, daß die sekundären Verhältnisse durch einen
symmetrischen Effekt (JD, und JD22) gestört werden, der Fehlanpassung verursacht,
und daß sich diesem ein unsymmetrischer Effekt (JD21 und JD") überlagert, der ausgangsseitig
Unsymmetrie und eingangsseitig in gleicher Weise wie in Fig. 2 Fehlanpassung verursacht.
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In Fig.8 ist gezeigt, wie sich entsprechend der Erfindung die unerwünschte
Wirkung der Drosselströme kompensieren läßt. Die Wirkung der beiden Drosseln Dl
und D2 läßt sich hinsichtlich ihrer von der symmetrischen Spannung der Ausgangsseite
gespeisten Wirkung durch eine doppelt so große, von der vollen Sekundärspannung
gespeiste, zur Sekundärseite parallel liegende Spule darstellen, die in Fig. 8 punktiert
angedeutet ist. Diese Spule stellt den auf die Ausgangsklemmen übertragenen Leitwert
der durch die Spulenpaare gebildeten Drosseln dar. Ihre Wirkung läßt sich in bekannter
Weise dadurch kompensieren, daß aus dem genannten induktiven Leitwert als Querglied
und wzei Kapazitäten C2 als Längsglieder ein L-Glied gebildet wird. Man kann aber
auch aus dem induktiven Leitwert als Querglied sowie einem weiteren Querglied gleicher
Größe und zwei als Längsglieder zwischen beiden liegenden Kapazitäten C2 ein n-Glied
bilden. Diese Kompensation ist bekanntlich frequenzunabhängig, und die dazu vorgesehenen
Bauelemente brauchen bei Änderungen der Arbeitsfrequenz nicht nachgestellt zu werden.
Die Wirkung des von der Primärspannung erzeugten störenden Drosselstromes läßt sich
durch den Kondensator Cl kompensieren, dessen Funktion ähnlich ist wie die der Kondensatoren
C'4 in Fig. 4 und der in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequenz auf Resonanz des Sperrkreises
abzustimmen ist.
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Die Fig.9 und 10 zeigen die Anwendung des Erfindungsgedankens auf
eine Anordnung mit drei Spulenpaaren zur Widerstandstransformation im Verhältnis
l : 9 mit oder ohne Unsymmetrierung. Denkt man sich hier die Eingangsseite zunächst
symmetrisch gespeist, so erkennt man, daß die Drosselspule D2 der Ersatzschaltung
Fig. 9 von der Sekundärseite her aus Symmetriegründen keine Spannung bekommt. An
Dl und D3 dagegen liegen erdsymmetrische Spannungen, deren Größe je U, entspricht.
Diese treiben erdsymmetrische Ströme entsprechend JD" und JD", die in Fig. 6 sich
primärseitig kompensieren. Die Wirkung dieser unvermeidlichen symmetrischen Belastung
läßt sich also in gleicher Weise wie in Fig. 8 auch hier durch eine ausgangsseitig
parallel geschaltete Spule darstellen, die in Fig. 10 punktiert angedeutet ist.
Sie stellt den auf die Ausgangsklemmen bezogenen Leitwert der Drosselanordnung dar.
Hinsichtlich des störenden Drosselstromes, der von der halben Eingangsspannung erregt
wird, gilt ähnliches wie im Fall der Fig. 6. Wendet man den Erfindungsgedanken auf
diese Anordnung an, so ergibt sich die Kompensationsmöglichkeit nach Fig. 10. Die
punktiert eingezeichnete Spule wird auch hier zu einem L- oder -r-Glied ergänzt,
wodurch sich eine frequenzunabhängige Kompensation ergibt, während zur Kompensation
der von der Primärseite gespeisten unsymmetrischen Komponente die beiden Kondensatoren
C, vorgesehen sind, die frequenzabhängig auf Resonanz eingestellt werden.