DE1488146A1 - Frequenzvervielfacher - Google Patents

Description

£he E.M.Ü. Company, Incorporated, Roekford, Illinoie, VoStoAe

Frequenzvervielfacher

Die Erfindung betrifft einen Frequenssvervielf acher ohne bewegte !Delle zur Umwandlung von mehrphasigem Wechselstrom einer ersten Frequenz in ein» oder mehrphasigen Wecheelstrom einer zweiten Frequenz, die ein Vielfaches der ersten Frequenz 1st, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Frequenssvervielfacherae .!

Es ist bekannt, die magnetische Sättigung bestimmter Kernmaterialien für Sättigungs- oder Impulstransformator«!! ecu verwenden, deren Auegangssignale die Frequenz der Eingänge« signale haben. Hierbei wird ein magnetischer Kern durch ein Wechselstrom-Elngangseignal abwechselnd zur positiven und negativen Sättigung gebracht. Bei jeder iinderung dee Vor «eichene

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des Eingangssignals wird die Polarität der Sättingung umgekehrt, wodurch in dem Kern eine Änderung des Magnetflusses erzeugt wird, die in einer zugehörigen Wicklung ein Ausgangssignal hervorruft., nachdem der Kern während der einen Halbperiode des Eingangssignals zur Sättigung gebracht ist, bewirkt der weitere Stromfluss keine Änderung des Magnetflusses<>

In vielen Füllen ermöglicht eine Erhöhung der Frequenz des zugeführten Wechselstromes eine Verbesserung, Verbilligung und Verkleinerung der von dem Strom gespeisten Einrichtungen sowie eine Erhöhung ihrer Leistung· Wenn Leuchtröhren beispielsweise mit Strom einer Frequenz von 540 statt von 60 Perioden gespeist werden, kann ein billigerer Ausgleichskondensator verwendet werden, wobei gleichzeitig die Lichtauebeute und die Lebensdauer der Leuchtröhren erhöht wird. Dies gilt auch für andere Gasentladungsröhren, beispielsweise für Ultraviolett- und Infrarotstrahler. Darüber hinaus haben hohe Frequenzen Vorteile bei Schall- und Ültraschallvorrichtungen, beim Antrieb von hochtourlgen Induktionsmotoren für Y/erkzeugmaachinen (da die Leistung eines Induktionsmotor mit der Frequenz des Speisestromes steigt), beim Antrieb von Induktionsmotoren für konstante Drehzahlen, die dann leichter und kleiner ausgeführt werden können, bei der Verwendung von Induktions-Heiz- und -Schweias^eruten und bei der Prüfung von Flugzeugauerüstungen,

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die mit einer Frequenz von 400 Perioden arbeiten.

Um die Frequenz einer Eingangswelle zu vervielfachen, wird die Sättigung einer Mehrzahl von Teilen eines mehrpoligen Kerns oder einer Mehrzahl von Einzelkernen nacheinander derart geändert, dass in ihnen Änderungen des Magnetflueses erzeugt werden, die ihrerseits in einer zugehörigen Ausgangswicklung eine Auegangsspannung erzeugen, deren Frequenz ein Mehrfaches der Frequenz der Eingangswelle ist.

Die bisher bekannten Vorrichtungen dieser Art sind jedoch auBserordentlich kompliziert und teuer, sowie darüber hinaus nur für geringe Belastungen geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzvervielfacher ohne bewegte Teile zu schaffen, der eine grosse Ausgangsleistung und einen hohen Vervielfachungsfaktor hat, der keine bewegten Teile enthält, der nicht beschädigt wird, wenn der Ausgang kurzgeschlossen wird, der sich leicht und billig auch in geringen Stückzahlen herstellen lässt, der keine komplizierten Teile benötigt und der eine grosse Leistung mit einem guten Wirkungsgrad, geringem Gewloht, kleinen äusseren Abmessungen und geringen Unterhaltungskosten vereinigt.

Die Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie aus den Ansprüchen hervor.

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Fig. 1 ist ein Sehaltschema eines einfachen Süttigungstransformators, dessen Prinzip der Erfindung zugrunde liegt·

Figo 2 ist eine graphische Darstellung des Eingangsstrome β , der durch diesen in dem Kernmaterial erzeugten Änderung des Magnetflusses und des Ausgangsstromes eines Sättigungstransformators nach Figo 1.

Fig« 3 ist eine perspektivische Ansicht eines E-förmigen Kerns, wie er bei dem Frequenzvervielfacher nach der Erfindung zur Anwendung gelangt.

Fig« 4 zeigt sohematisch die schaltung eines Frequenz« vervielfachers nach der Erfindung, der den Vervielfachungsfaktor "9" hat.

Fig. 5 zeigt schematisch die Anordnung der üingangswicklungen für die drei Pansen eines Frequenzvervielfachers nach der Erfindung.

Fig. 6 zeigt im schnitt den mittleren Kern der Fig« 4 und 5»

Figo 7 ist eine graphische Bar stellung, aus welcher das Verhältnis der Windungszahl en der Eingangswioklungen nach Fig» 5 hervorgeht.

Figo 8 ist eine Tabelle, welche das Verhältnis der Windungszahlen der Eingangswicklungen gemäas Figo 7 erläutert.

Fig. 9 ist eine Tabelle, welche die Anzahl der '..'indungen der Eingangswicklung für die Phase A gemäss Fig. 8 darstellt·

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Pig. 10 zeigt schematisoh die Schaltung der Ausgange* wicklungen gemäas Pig· 4» wenn ein dreiphasiger Ausgangs* strom mit einem Vervielfachungsfaktor "5" erzeugt werden soll.

Fig. 11a zeigt, wie die einzelnen Kerne der Fig· 4 in den Zustand der positiven oder negativen Sättigung gebracht werden»

Fig· 11b zeigt den Ausgangsstrom, der durch die kerne nach Fig· 4 erzeugt wird, wenn ein einphasiger Ausgangsetrom erhalten werden soll.

Fig. 11c zeigt den durch die Kerne nach Fig· 4 erzeugten Ausgangsetrom, wenn ein dreiphasiger Auagangsstrom erhalten werden soll.

Fig· 12 zeigt die schaltung eines Besonanzkrelses, der mit den A«flgangeVI emnen für einen einphasigen Ausgangsstrom nach Fig. 4 verbunden wird, um einen sinusförmigen AuegangectroM zu erhalten·

Me Erfindung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Aueführungebeispiel, sondern umfasst auch Abänderungen, die im Hahnen des Krfindung&gedankene liegen.

SIg. 1 zeigt die OrundBChaltung eines Süttigungstraneformatora mit einem Kern 20 in Form einer "Acht", dessen Mittelschenkel 20a durch eine von einer stromquelle 22 gespeiste TSI nganggwlcklung 21 abwooheelnd zur positiven und negativen

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Sättigung gebracht wird. Der Speisestrom der Quelle 22 hat positive und negative Halbperioden, wie in fig· 2 oben dargestellt. Jedesmal» wenn die Stromrichtung sich umkehrt, ändert sich die Richtung des Magnetflusses in dem Kern 20, so dass dessen Mittelschenkel 20a zur positiven bzw« negativen Sättigung gebracht wird (s. mittlere Kurve der Fig. 2). Wenn der Magnetfluss die Nullachse durchschreitet, wird in der Ausgangswicklung 23 ein Ausgangestrom induziert. Zur Zeit t₁ steigt der Magnetfluss im Mittelschenkel 20a rasch von der negativen zur positiven Sättigung an, wie in Figo 2 dargestellt; danach findet praktisch keine Änderung des Magnetflusses statt. Bei der nächsten Halbperiode des Eingangestromes fällt der Magnetfluss im Mittelschenkel 20a während der Zeit t₂ rasch von der positiven zur negativen Sättigung. AIa folge davon werden während einer jeden vollen Periode dee Eingangsetromee zwei AusgangBimpulse 25 und 26 (β. untere Kurve der Pig. 2) von entgegengesetzter Polarität in der Ausgangswicklung 23 erzeugt.

ErfindungsgemäsB ist eine Mehrzahl von Sättigungstransformatoren so angeordnet, dass der Magnetfluss der verschiedenen Xransformatorkerae bei Speisung der Eingangewicklungen durch einen mehrphasigen Wechselstrom zu verschiedenen Zeiten duroh die Nullinie hindurchgeht, so dass eine Mehrzahl von

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positiven oder negativen Ausgangsimpulsen erzielt wird, deren Anzahl der Zahl der verwendeten !Transformatoren bzw. Kerne entspricht· Jedesmal} wenn der Magnetfluss eines der Kerne die Nullinie durchschreitet, findet in den übrigen Kernen keine Änderung des Magnetflusses statt, vielmehr verbleiben sie in dem gesättigten Zustand, den sie zu dieser Zeit haben. Es kann jede geeignete Anzahl von Kernen oder Transformatoren verwendet werden. Nachstehend wird ein Aueführungsbeiepiel mit neun Transformatoren beschrieben, bei welchen jede volle Welle des dreiphasigen Eingängestromes achtzehn Durchechrcitungen der Nullinie, d.h. achtzehn Ausgangeimpulse der einen oder anderen Polarität ergibt. Es versteht sich, dass die mehrphasige Eingangswelle auch dadurch erhalten werden kann, dass ein einphasiger Eingangostrom auf einen Phasenteiler gegeben wird» Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel werden Kerne in Form einer "Acht" verwendet? es versteht sich, dass auch Kerne anderer Art verwendet werden können.

In Fig. 4 iet ein Aueführungebeiepiel eines Frequenzvervielfachers nach der Erfindung schematisch dargestellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden neun sättigbare Transformatorkerne verwendet, die mit den Bezugszeichen 3OA bis 301 bezeichnet sind. Der dreiphasige Eingangskreiß

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mit den Phasen A₁ B und C ist mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet. Der Ausgangskreis 32 enthält eine Mehrzahl von Ausgangswicklungen 32A bis 321, die den einzelnen Kernen zugeordnet sind. Jeder der Kerne hat für jede der in Sternschaltung angeordneten Phasen eine Eingangswicklung. Das zu jedem gegebenen Zeitpunkt auf einen der Kerne einwirkende PeId ist daher gleich der Summe der Felder, die durch seine drei JBingsngswioklungen erzeugt werden· Beispielsweise haben die Wicklungen 35A, 36A und 37A des ersten Kerne 3OA verschiedene Wlndungszahlen, die entsprechend dem Phasenverhältnis der Eingangewellen in einer Weise bestimmt werden, die weiter unten erläutert wird. Darüber hinaus ist der Wicklungsslnn der Wicklung 37A dem der Wicklungen 35A und 36A entgegengesetzt, wie in der Zeichnung schematlech angedeutet. Der Magnetfluss des Kerns 3OA ist daher nur dann gleich Null, wenn die algebraische Summe der Ampere-Windungen der drei Eingangswicklungen in dem betrachteten Augenblick gleich Null ist; in diesem Augenblick ändert der Kern seinen Zustand von der positiven Sättigung zur negativen Sättigung oder umgekehrt·

In ähnlicher Welse entsprechen die Windungszahlen der drei Eingangswicklungen der übrigen Kerne 30b bis 301 dem Phasenverhältnis der Eingangewellen; die Windungsverhältnisse sind für alle Kerne verschieden, d.h. keiner der Kerne hat die gleichen Windungszahlen wie einer der anderen Kerne. Der fluss

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eines jeden Kerne kreuzt daher die Nullach.se zu einer anderen Zeit als der der übrigen Kerne. Dies bedeutet, dass die neun Kerne während einer vollen Periode des dreiphasigen Eingangs» stromes der Reihe nach von einem ersten Sättigungszustand in einen zweiten Sättigungszustand und dann der Reihe nach vom zweiten Sättigungszustand in den ersten Sättigungszustand gebracht werden.

Es versteht sich, dass die in Fig. 4 dargestellten Windungszahlen der Eingangswicklungen nur dem Zweck der Erläuterung dienen und nicht den tatsächlichen Windungszahlen entsprechen, die entsprechend den Sinusfunktionen gewählt sind, wie weiter unten erläuterte

Gemäss einem wesentlichen Merkmal der Erfindung erhalten die Kerne 5OA bis 301 verteilte Eingangswicklungen, d.h«, Wicklungen mit gespreizten Windungen, die eine vorherbestimmte Anzahl von Kernen umfaeeeru Sie drei Eingangswicklungen werden vor dem Einsetzen der Kerne derart gewickelt, dass die YJindungszahlen, die einen jeden der Kerne umgeben, für die drei Phasen ein anderes Verhältnis aufweisen als bei jedem anderen der Kerne« Danach werden die Kerne derart eingesetzt, dass die verteilten Wicklungen die Mittelschenkel der Kane «mit der gewünschten Anzahl von Windungen umgeben· Flg. 5 zeigt die verteilten Eingangswicklungen 31A, 31B und 31C (die jeweils aus

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den Teilen 31A₁ und 31A₂, 31B₁ und 31B₂ sowie 31O₁ und 31C₂ bestehen), wobei die in der Zeichnung dargestellten Windungszahl en ebenfalls nur der Erläuterung dienen und nicht den tatsächlichen Windungszahl en entsprechen.

Wie aus Fig. 5 zu ersehen, besteht jede der Wicklungen 31A bis 31C aus zwei Teilen (beispielsweise 31A₁ und 31A₂), die in entgegengesetzter Richtung gewickelt sind. Sie Windungen der einen Richtung stellen eine positive Richtung dar, die der anderen eine negative Richtung. JSs müssen daher entweder einseine gespreizte Windungen (oder Windungegruppen mit der gleichen Spreizung) vorgesehen werden, oder es müssen für jede Phase zwei verteilte Wicklungen verschiedenen Wicklungssinnes hergestellt werden, die nachträglich durch einen Leiter verbunden werden· Beispielsweise können die verteilten Wicklungen 31A₁ und 51A₂, 31B₁ und 31B₂ sowie 31C₁ und 31C₂ unabhängig voneinander hergestellt und vor oder nach dem Einsetzen der Kernteile durch die Leiter 38A, 38B bzw. 38C verbunden werden. Es versteht sich, dass die verteilten Wicklungen von Hand oder automatisch hergestellt werden können· Darüber hinaus versteht sich, dass das Wicklungsschema im Einzelfall ■won dem dargestellten Ausführungsbeispiel abweichen kann·

Ss, werden also zunächst die verteilten wicklungen hergestellt, beispielsweise die drei E1 ngangawicklungen der Flg. 5,

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die die gewünschten Windungsverhältniese entsprechend der gewählten Anzahl von Kernen haben. Die Wicklungen bestehen beispielsweise aus isoliertem Kupferdraht· Ebenso wird vor dem Einsetzen der Kerne eine Hehrzahl von Ausgangswicklungen hergestellt, deren Zahl der gewünschten Anzahl der Kerne entspricht. Sie Ausgangswicklungen können aus normalem, isoliertem Kupferdraht hergestellt werden, wie er für Traneformatorzwecke verwendet wird. Die verteilten Eingangswicklungen und die Ausgangswioklungen werden dann auf einem Hontagegestell derart befestigt, dass die verteilten Eingangswicklungen die Ausgangswicklungen umgeben. Danach werden die Eisenkerne eingesetzt. Die Eingangewicklungen und die Ausgangs· Wicklungen können dann in gewünschter Weise geschaltet werden. Wie weiter oben in Verbindung mit Flg. 3 erwähnt, werden die Kerne in an sich bekannter Weise dadurch gebildet, dass die E- und die I-förmigen Kernbleche überlappt ineinandergeschoben werden, d.h. die Richtung der E-förmigen Kernbleche wird abwechselnd umgekehrt. Es versteht sich natürlich, dass auch andere Kernformen und Bleche verwendet werden können, beispielsweise U- oder L-förmige Kernbleche. Für normale Frequenzvers-ielfacher können die KernW^chö aus normalem Transformatorbleoh *»c;/«einen, während die Kernbleche bei höheren Frequenzen aus einem dünneren Material bestehen müssen.

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Für normale Frequenzvervielfacher können beispielsweise Eisenbleche mit hohem Siliziumgehalt, Bleche aus Permalloy od. dgl. der Stärkenummer 29 verwendet werden« Pa die Kernbleche überlappt angeordnet werden müssen} müssen die Kerne in die Wicklungen eingesetzt werden. Die -Unförmigen Kernbleche werden daher abwechselnd von der einen und der anderen Seite her mit dem Mittelschenkel in die Ausgangswicklung eingesetzt. Pur jedes der unförmigen Kernbleche wird ein I-förmiges JSrgänzungsblech von der anderen Seite her eingesetzt, so dass der fertige Kern die Form einer "Acht" hat.

Es versteht sich, dass die gespreizten Windungen der verteilten Wicklungen nach Fig. 5 einen gewiesen streufluss erzeugen. Dieser streufluss ist wünschenswert, da er die Anordnung von Eingangsreaktanzen in Heihe mit den Eingangswicklungen entbehrlich maoht. Bei Frequenzvervielfaehern, bei denen die Kerne von einzelnen, ungespreizten Wicklungen umgeben sind, und bei denen ein geringer Streufluss auftritt, müssen Eingangsreaktanzen in Reihe mit den Eingangswicklungen vorgesehen sein, um die Stärke des Stromes zu begrenzen und den Frequenzvervielfacher gegen Beschädigung infolge von unerwünschten Stromspitzen oder Änderungen der .Eingangsspannung zu schützen. Bei der Anordnung nach Fi^. 5 übernimmt der Streufluss die gleiche Funktion und schützt daher den Frequenz-

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vervielfacher gegen unerwünschte Stromspitzen und Änderungen der Eingangespannung. Es versteht sich jedoch, dass der StreuflUBS nicht zu gross werden darf. Die Kerne und die verteilten Wicklungen müssen daher räumlich zueinander so angeordnet sein« dass nur ein Streufluse gewünschter Grosse auftritt.

Die räumliche Anordnung der Wicklungen ist in Figo 6 dargestellt, die einen Querschnitt zeigt, der neben dem fünften Kern 3OA der Pig. 4 und 5 geführt ist. Wie aus Fig· 6 zu ersehen, umgibt die Ausgangswicklung 322 den Mittelschenkel des Kerns. Die verteilten Wicklungen 31A₂, 31B₁ und 31C₂ sind in gewissem Abstand von dem Mitteisohenkel angeordnet· Zwischen den drei Eingangswicklungen können Isoliereoheiben 39 angeordnet sein.

Erfindungsgemü88 sind die verteilten Eingangswicklungen gemüse Funktionen ausgebildet, welche direkt den Funktionen der Eingangswellen entsprechen· Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die verteilten Wicklungen nach Hasegabe von Sinusfunktionen ausgebildet. In Fig· 7 sind die Verhältnisse der Eingangswindungen der drei in Fio 4- und 5 gezeigten Eingangswicklungen graphisch dargestellt» Wie aus dieser Darstellung ersichtlich, werden die Windungezahlen für die einzelnen Kerne durch Sinusfunktionen bestimmt, die den drei

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Eingangsphasen entsprechen, d.h. bei denen die Sinuswellen um 120° gegeneinander versetzt sind· Die relativen Zahlen der durch diese graphische Darstellung bestimmten Windungen bei Anordnung von neun Kernen gemäss Fig· 4 und 5 sind in der Tabelle der Fi&. 8 dargestellt, wobei η eine gewählte Konstante bedeutet. Darüber hinaus sind in Fig· 8 die tatsächlichen Windungszahlen für einen i.ert von n=96 angegeben. JBs versteht sich, dass die tatsächlichen Windungszahlen für die Arbeitsweise der Vorrichtung nicht entscheidend sind, sondern vielmehr die Verhältnisse dieser Windungszahlen zueinander*

Die Kurven der Fig* 7 können auch um ein halbes Intervall, bei dem dargestellten AusfUhrungebeispiel mit neun Kernen also um 10°, nach rechts verschoben werden, so dass symmetrische Wicklungen entstehen.

Fig· 9 ist eine Tabelle, welche die einzelnen Schritte zur Herstellung der verteilten Wicklung 31A₂ zeigt, wenn eine Wicklung gemüse Fig« 5 hergestellt r/erden soll, wobei die Windungszahlen den in Fig. 8 dargestellten Zahlen für einen Wert von n=96 entsprechen. Zunächst werden die sechs Windungen in positiver Richtung erstellt, welche lediglich den Mittelsohenkel des Kerns 5OF umgeben. Danach werden siebzehn positive Windungen hergestellt, welche die Mittelschenkel der Kerne

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K bis 30G- umgeben. Danach werden fünfundzwanzig Windungen gefertigt, welche die Kerne 30D bie 30H umgeben« Dann werden einunddreissig positive Windungen gewickelt, welche die Mittelschenkel der Kerne 30C bie 301 umgeben. Schliesslich werden siebzehn positive Windungen hergestellt, welche die Mittelachenkel der Kerne 30B bis 301 umgeben. Wie daraus zu ersehen, entspricht die Gesamtzahl der Windungen, welche die Kerne 30B bis 301 umgeben, den in Fig. 8 angegebenen Zahlen, wobei die den Kernen zugeordneten Windungszahlen einer Sinusfunktion entsprechen«. Da die Anzahl der Windungen der Wicklung 31A₁, welche den MIttel schenkel des Kerns 3OA umgibt, minus siebzehn ist, werden für diesen Kern gesondert siebzehn Windungen hergestellt· Danach können die Wicklungen 31A₁ und 31A₂ durch den Leiter 38A miteinander verbunden werden. In ähnlicher Weise werden die Eingangewicklungen für die Phasen B und C hergestellt.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen, ist die Anzahl der Auegangswicklungen 32A bis 321 gleich der Zahl der Kerne 3OA bis 301. Diece Wicklungen oind derart angeordnet, dass benachbarte Ausgangswicklungen in entgegengesetztem Sinn gewickelt sind, so dass sie in entgegengesetzter Weise auf gleichsinnige Änderungen des Magnetflusses der zugehörigen Kerne ansprechen. Dies bedeutet, dass bei einer Änderung des Magnetflusses In

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einem der Kerne ein Ausgangsimpuls einer ersten Polarität in der zugehörigen Ausgahgswicklung erzeugt wird, während infolge einer gleichen Änderung des Magnetflusses in dem benachbarten Kern ein Ausgangsimpuls der entgegengesetzten Polarität hervorgerufen wird_Q

ErfindungsRemäsa sind Einrichtungen vorgesehen, um entweder alle Ausgangswicklungen 32A bis 321 in Reihe zu schalten, so dass ein einphasiger Wechselstrom mit einem Vervielfachungsfaktor "9" entsteht, oder aber die Ausgangs-Wicklungen gemäße Fig. 3 in Sternschaltung zu verbinden, so dass ein dreiphasiger Wechselstrom mit einem Vervielfachungsfaktor "3" entsteht, Zu diesem Zweck sind die Wicklungen 32A, 32D und 32G in Beine geschaltet ι ebenso sind die Wicklungen 32B, 32K und 32H und die Wicklungen 520, 32F und 321 in Reihe geschaltet. Ferner sind vier Schalter 4OA bis 4OS vorgesehen, die zwischen die Reihenschaltungen der Auegangswicklungen gelegt sind. Werden die Schalter 4OA bis 4OD nach links der Fig. 4 gelegt, so sind alle Ausgangswioklungen 32A bis in Reihe geschaltet, so dass an den Klemmen 42 ein einphasiger Wechselstrom abgenommen werden kann, dessen Frequenz das Neunfache der .Eingangsfrequenz betrügt. An die Klemmen 42 kann daher ein entsprechender Verbraucher angeschlossen werden. Werden die Schalter 4OA bis 4OD nach rechte gelegt, so sind

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die Ausgangswicklungen 32A bis 521 gemäss Fi&. 3 in Sternschaltung angelegt, so dass an den Klemmen 43 ein dreiphasiger Wechselstrom abgenommen werden kann, dessen Frequenz das Dreifache der Eingangsfrequenz beträgt.

Die Einrichtung zur Umschaltung der Ausgangswicklungen kann natürlich auch in irgendeiner anderen an eich bekannten Weise ausgebildet sein.

Zum besseren Verständnis des Zustandekommens der Frequenzvervielfachung mittels einer Einrichtung naoh der Erfindung wird auf Figo 11a bis Fig. 11c verwiesen· Fig· 11a zeigt den Magnetfluss eines jeden der neun Kerne nach Fig· 4 und 5· Wenn die algebraische Summe der durch die Ströme der drei Eingangswicklungen erzeugten Hagnetfelder eines jeden Kerns ihre Polarität umkehrt, durchschreitet der Magnetfluss des betreffenden Kerns die Nullacnee. Die magnetischen Kräfte wechseln dabei von einem Maximum der einen Polarität zu einem Maximum der anderen Polarität, wobei der Kern von einem Sättigungszustand der einen Polarität zum Sättigungszustand der entgegengesetzten Polarität gebracht wird. Der Kern 3OA der Fig« 4 beispielsweise ändert das Vorzeichen der magnetischen Sättigung während des Zeitintervalls 1. Während dieses Zeitraumes ändert sich die algebraische Summe der durch die drei Phasen A, B und C der Eingangewellen erzeugten magnetischen

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Kräfte von einem Maximum der einen Polarität zum Maximum der entgegengesetzten Polarität; der Kern 3OA wird somit von der poeitiven magnetischen Sättigung zur negativen magnetischen Sättigung gebracht. In ähnlicher Weise ändert sich der Magnetfluss des Kerns 3OB der Fig. 4 während des Zeitraumes 2 von der positiven Sättigung zur negativen Sättigung, wobei er die Nullachse durchschreitet. Andererseits verbleibt beispielsweise der Kern 3OA während des Zeitraumes 2 unverändert im Zustand der negativen magnetischen Sättigung« Während der Zeiträume 3 bis 9 wird nacheinander der Magnetfluss der Kerne 32C bis 321 derart geändert» dass er die Nullachse durchschreitet, wie in Pig. 11a dargestellt.

Während der Zeiträume 10 bis 18 wiederholt sich dieser Vorgang in umgekehrter Richtung. Der Zustand der einzelnen Kerne ändert sich dabei nacheinander von der negativen Sättigung zur poeitiven Sättigung, wobei der Magnetfluss ebenfalls die Nullachse durchschreitet. Während des Zeltraumes 10 beispielsweise durchschreitet der Fluss des Kerns 3OA die Nullachse, wenn er von der negativen Sättigung zur positiven Sättigung gebracht wird.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, sind die verteilten Wicklungen derart angeordnet, dass die Ummagnetisierung gleiohmäseig von Kern zu Kern fortschreitet, wobei der Magnetfluss

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eines jeden Kerne zweimal während einer Periode von 360 elektrischen Graden die Nullachse durchschreitet. In jeder der Ausgangswicklungen 32A bis 321 werden daher während einer vollen Periode zwei Impulse induziert, wie weiter oben in Verbindung mit Fig· 2 erläutert.

Fig. 11b zeigt den Ausgangsstrom eines Frequenzvervielfachers nach Fig. 4» wenn alle seine Auegangswicklungen 32A bis 321 in Reihe geschaltet sind. Die Ausgangsfrequenz ist dann neunmal so gross wie die Frequenz der Eingangsströme. Wie weiter oben in Verbindung mit Fig* 4 erläutert, ist die Wicklungsrichtung der aufeinanderfolgenden Ausgang swi cklungen jeweils umgekehrt, so dass die induzierten Ausgangsimpulse die entgegengesetzte Polarität haben, wenn der Hagnetfluss benachbarter Kerne sich in der gleichen Richtung ändert. Der an den Ausgangsklemmen 42 abgenommene Ausgangsstrom besteht daher aus einer Reihe von Impulsen wechselnder Polarität, wie in Fig. 11b dargestellt. Dieο ist leicht einzusehen: Wenn der magnetfluss des Kerns 3OA sich während des Zeitraumes 1, wie in Fig» 11a dargestellt, von der positiven zur negativen Sättigung ändert, wird in der Wicklung 32A ein negativer Impuls erzeugt, der an den Ausgangsklemmen 42 erscheint. Während des Zeiträumeβ 2 ändert sich der Magnetfluss des Kerns 3OB in der gleichen Richtung (d.h. von der positiven zur negativen Sätti-

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gung); da der Wicklungssinn der Wicklung 32B jedoch entgegengesetzt dem der Wicklung 32A ist, erscheint an den Ausgangsklemmen ein Impuls der entgegengesetzten Polarität, in diesem Falle also ein positiver Impuls* Während der Zeitspannen 10 bis 18 ändert sich der Hagnetfluss der Kerne in entgegengesetzter Richtung· Die Aus^angsimpulse während der Zeitspannen 1 und 10 haben daher die entgegengesetzte Polarität wie die Ausgangsimpulse, die während der Zeitspannen 2 und 11 erzeugt werden. Sa eine ungerade Anzahl von Kernen zur Anwendung gelangt, haben die Impulse der Zeitspannen 9 und 10 die entgegengesetzte Polarität. Die Ausgangsklemmen 42 können mit einem parallelgeschalteten Resonanzkreis, wie er in Pi^. 12 dargestellt ist, verbunden werden, um eine sinusförmige Ausgangswelle zu erhalten« Erforderlichenfalls kann auch eine Hehrzahl von Resonanzkreisen verwendet werden.

Fig. 11c zeigt den dreiphasigen Ausgangsstrom für den Fall, dass die Schalter 4OA bis 4OD sich in der rechten Stellung der Fig. 4 befinden, in welcher die Auegangewicklungen 32A bis 321 in Sternschaltung angeordnet Bind, wobei die Auegangsfrequenz dreimal so gross ist wie die Eingangefrequenz. Die Arbeitsweise ist hierbei die gleiche wie bei der einphasigen Ausgangsschaltung· Der einsige Unterschied ist die Schaltung der Auegangewicklungen· Wenn bei dieser dreiphasigen Schaltung

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sinusförmige Ausgangswellen gewünscht werden, können im Dreieck geschaltete Resonanzkreise, die denen der Pig. 12 entsprechen, oder andere bekannte Dreiphasenschaltungen mit den Ausgangsklemmen verbunden werden.

Bei der Darstellung der Fig. 11a nimmt die Diakehr der Magnetisierung jeweils weniger als ein ganzes Zeitintervall ein. Es versteht sich, dass die Werte des Frequenzvervielfachers so gewählt werden können, dass die Änderung des Magnetflusses jeweils ein volles Zeitintervall beansprucht· In diesem Falle werden statt der in Fig· 11b dargestellten Impulse Rechteckwellen an den Ausgangsklemmen 42 erhalten, so dass eine bessere Sinusform der Ausgangswellen erzielt wird, wenn der Resonanzkreis hinzugefügt wird·

Durch die Anordnung nach der Erfindung wird ein Frequenzvervielfacher für eine hohe Ausgangsleistung geschaffen. Der Frequenzvervielfacner nach der Erfindung ist ferner imstande, einen einphasigen oder mehrphasigen Ausgangsstrom abzugeben, der einen ungeraden Vervielfachungsfaktor hat; ein geradzahliger Tervielfaohungefaktor ist nicht möglich· Beispielsweise kann bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein einphasiger Auegangsetrom abgegeben werden, dessen Frequenz neunmal so grose ist wie die Frequenz des dreiphasigen Kingangsstromes, oder, wenn die Ausgangswicklungen in Sternschaltung

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angeordnet sind, ein dreiphaeiger Ausgangsstrom, dessen Frequenz dreimal so gross 1st wie die frequenz des dreiphasigen Eingangsstromes. Wenn der dreiphasige Jälngangeetrom eine Frequenz von 60 Perioden hat, kann daher entweder ein ein» phasiger Ausgangsstrom mit einer Frequenz von 540 Perioden oder ein dreiphasiger Ausgangsetrom mit einer Frequenz von 180 Perioden abgegeben werden» Bei einphasigem Ausgangsstrom 1st die Ausgangsfrequenz gleich der Anzahl von Kernen mal der Eingangefrequenz, während bei Abgabe eines mehrphasigen Ausgangsstromes die Auegangsfrequenz gleich der Anzahl der Kerne mal der Eingangsfrequenz, geteilt durch die Anzahl der Ausgangsphasen, ist.

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Claims (1)

1. U88146

   München, den 13. Oktober 1964

   Patentansprüche

   1 .J Frequenzvervielfacher, dessen Eingangskreis von einem mehrphasigen Wechselstrom gespeist wird, mit einer Mehrzahl von Kernen mit geschlossenem Magnetkreis, welche Auegangewicklungen tragen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Einzelkernen (3OA bis 301) vorgesehen ist, deren Anzahl dem Vervielfachungsfaktor entspricht, und dass diese Einseikerne mit Eingangewicklungen (3SA bis 351, 36A bis 361, 37A bis 37J) versehen sind, deren Ansahl der Zahl der Eingangsphasen entspricht, und deren Windungen derart über eine vorherbe etimmte Ansahl von Kernen verteilt sind, dass der Magnetfluss der Kerne unter Änderung der magnetischen Sättigung von der einen zur anderen Polarität nacheinander die Hullaohse durchschreitet, so dass in den Auegang ewicklungen (32A bis 321) Impulse wechselnder Polarität induaiert werden, deren Frequenz gleich der Anzahl der Kerne nal der lingangefrequenz ist.

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   SI

   2. Frequenzvervielfaeher nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswicklungen (32A bis 321) aller Kerne (3OA bis 301) in abwechselnd entgegengesetztem Wicklungsßinn in Reihe geschaltet und zu gemeinsamen Ausgangsklemmen (42) geführt sind, so dass ein Wechselstromauegang erhalten wird, dessen frequenz gleich der Anzahl der Kerne aal der Eingangsfrequenz ist.

   3· Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Ausgängen (43A bis 43C₉ Fig.4) Torgesehen ist, wobei jeweils die Ausgangewicklungen ausgewählter Kerne in abwechselnd entgegengesetztem tficklungssinn in Reihe geschaltet und zu einem der Ausgange geführt sind, so dasB an Jedem der Ausgänge ein Wechselstrom erhalten wird, dessen frequenz gleich der ΑτμμΉΊ der jeweils in Reihe geschalteten Kerne mal der Singangefrequenz ist (vgl· fig. 10)·

   4. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung 3S- und I-förmiger Kernbleche (Fig. 3) einzelne Ausgangswicklnngen (z.B. 32E, Fig. 6} auf dem Mittel schenkel des Kerns angeordnet und von den verteilten Windungen (z.B. 31Ag, 31B^ und 31Cg) der Singangswicklungen umgeben sind.

   5. Frequenevervielfaoher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das· die Windungssahlen der verteilten Eingangs-

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   wicklungen gemüse funktionen auegebildet sind, welche den Sinusfunktionen der Eingangsstrome entsprechen, so dass die Kerne nacheinander vom Zustand der einen Sättigung zum Zustand der entgegengesetzten Sättigung gebracht werden, wodurch in den Ausgangswicklungen Wechselströme induziert werden, deren frequenz gleich der Anzahl der in !leihe geschalteten Ausgangswicklungen mal der Eingangefrequenz ist. 6. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die verteilten Eingangswicklungen den im Abstand voneinander angeordneten Kernen derart zugeordnet sind, dass ein Streuflusa gewünschter Grosse entsteht. 7« Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schalteinrichtungen (4OA bis 4OD, FIg* 4) vorgesehen sind, die in einer ersten Stellung alle Ausgangswicklungen in abwecheelnd entgegengesetztem Wicklungssinn in Beihe schalten, so dass ein Wechselstrom erhalten wird, dessen Frequenz gleich der Anzahl der Kerne mal der Eingangefrequenz ist, und die in einer zweiten Stellung jeweils ausgewählte Ausgangswicklungen in abwechselnd entgegengesetztem Wicklungssinn in Reihe schalten, so dass an jedem der Ausgange ein Wechselstrom erhalten wird, dessen Frequenz gleich der Anzahl der jeweils in Beihe geschalteten Ausgangawicklungen mal der Eingangefrequenz ist.

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   8. Verfahren zur Herstellung eines Frequenzvervielfachere, dadurch gekennzeichnet» dass eine Mehrzahl von verteilten Eingangswicklungen hergestellt wird, dass eine Mehrzahl von Ausgangswicklungen hergestellt wird, dass die Eingangs- und Ausgangewicklungen so zueinander angeordnet werden, dass jede der Ausgangswicklungen von der gewünschten Anzahl von Windungen der Eingangswicklungen umgeben iat und dass diese die gewünschten Abstände voneinander haben, dass danach die magnetischen Kerne derart in die Eingangs- und Ausgangswicklungen eingesetzt werden, dass einer ihrer Schenkel von den Eingangs- und Ausgangswicklungen umgeben ist, und dass dann die Eingangs- und Ausgangswicklungen in der gewünschten Weise miteinander verbunden werden·

   9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kerne in Form einer "Acht" verwendet werden, die aus abwechselnd JS- und I-förmigen Kernblechen zusammengesetzt sind, wobei die Ausgangswicklungen die Mittelschenkel der Kerne in geringem Abstand umgeben, während die verteilten Eingangswicklungen in einem gewissen Abstand von den Ausgangswicklungen angeordnet werden·

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