DE230317C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezweckt, Anordnungen zur Transformierung von Wechselströmen zu schaffen, bei denen der transformierte Strom eine andere Kurvenform als der ursprüngliche erhält. Nutzbar lassen sich solche Anordnungen für die verschiedensten Wechselstromapparate machen, insbesondere aber können sie zur Umwandlung der Frequenz des. erregenden Wechselstromes benutzt werden.

ίο Die Grundform des Transformators, wie sie Fig. ι schematisch darstellt, ist bereits bekannt. Der Eisenkern ι mit der. Primärwicklung 2 besitzt mehrere parallel geschaltete magnetische Kreise 3 und 4, auf denen die Se- kundärwicklungen 5 und 6 angebracht sind. Gibt man den Zweigen 3 und 4 verschiedenen Querschnitt, so werden bei wachsender Erregung, also wachsendem Kraftfluß in 2 die magnetischen Widerstände von 3 und 4 nicht mehr in gleichem Verhältnis zunehmen (wie es der Fall wäre, wenn die Querschnitte, also auch die Kraftliniendichten in beiden einander gleich wären). Der Zweig mit dem kleineren Querschnitt wird sich schneller sättigen, also . sein Widerstand stärker wachsen als derjenige des anderen. Infolgedessen wird sich auch die Verteilung des Kraftflusses auf die beiden Zweige verändern, und zwar wird bei steigender Erregung der geringere Querschnitt immer weniger und der größere immer mehr Kraftlinien aufnehmen. Es tritt das besonders dann zutage, sobald in dem einen Zweig das Knie der Magnetisierungskurve erreicht ist. Es 45

findet daher auch eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses der transformierten Spannung in den Spulen 5 und 6 statt.

Man kann übrigens dasselbe, was durch die Verschiedenheit des Querschnittes bewirkt wird, auch durch die Verschiedenheit der magnetischen Qualität des Eisens in den einzeln nen Zweigen bei sonst gleicher Querschnittsdimensionierung erreichen.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich nun auf die Einschaltung von Brückenzweigen zwischen die parallel geschalteten Zweige des Eisenkörpers und die dadurch hervorgerufenen Wirkungen. In Fig. 2 ist zwischen die Parallelzweige 7, 8 und 9, 10 die Brücke 11 gelegt, die einen Teil des Kraftflusses von einem Parallelzweig zum anderen hinüberleitet. Der durch einen solchen Brückenzweig gehende Fluß ist dann offenbar abhängig von der Differenz der Amperewindungszahlen, die an den beiden Enden der Brücke wirksam sind; diese Amperewindungen sind wiederum eine Funktion der magnetischen Widerstände der Parallelzweige. Ändern sich diese in der vorbeschriebenen ungleichmäßigen Art, so müssen dies auch die Kraftflüsse in den Brückenzweigen tun. Daher werden die in den Sekundärspulen solcher Brückenzweige erzeugten Spannungen ähnliche Kurvenänderungen aufweisen, wie sie vorher beschrieben wurden.

Durch die Einschaltung von Brückenzweigen werden die Parallelzweige in einzelne Teile zerlegt. Gibt man nun den einzelnen Teilzweigen

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verschiedene Querschnitte und, falls erforderlich, auch verschiedene Längen, so erreicht . man eine weitere Beeinflussung der Kraftlinienflüsse in den Brückenzweigen.
Besonders wichtig sind jene Fälle, wo die Dimensionierung so vorgenommen wird, daß bei einer bestimmten Erregung kein Kraftfluß durch den oder die Brückenzweige geht. Das ist beispielsweise der Fall bei der speziellen

ίο Anordnung nach Fig. 2. Es sind hier die Querschnitte der Teilzweige 7 und 10 doppelt so groß gemacht wie die der Zweige 8 und 9, ferner stehen die Längen der einzelnen Zweige im Verhältnis ihrer Querschnitte. Dadurch wird erreicht, daß bei Beginn der Erregung die magnetischen Widerstände aller Zweige bei gleicher Permeabilität einander gleich sind und daher in dem Brückenzweig 11 kein Kraftfluß auftritt, also die darüber gelegte Wicklung 12 keine Spannung erhält. Erst bei steigender Erregung hört die Gleichheit der Permeabilität auf und in 11 entsteht ein mit zunehmender Erregung wachsender Kraftfluß, wie ihn das Diagramm Fig. 3 in Funktion des primären Kraftflusses bzw. der primären Erregung darstellt. Es wird auf diese Weise eine Veränderung der Kurve der induzierten Spannung erreicht. Insbesondere nimmt die induzierte Spannung bei schwacher Erregung sehr kleine Werte an. Die Spannung steigt erst dann mehr an, wenn die Erregung so stark geworden ist, daß in den Zweigen mit geringerem Querschnitt das Knie der Magnetisierungskurve erreicht ist.

Es ist nun keineswegs nötig, daß der Zeitpunkt, wo in dem Brückenzweige 11 keine Induktion auftritt, mit der Erregung Null zusammenfällt. Vielmehr kann die Dimensionierung der Teilzweige auch so erfolgen, daß dieser Punkt erst bei einer bestimmten Höhe der Erregung eintritt. Man wird dann Querschnitt und Länge der Teilzweige so wählen, daß vor diesem Punkt die Zweige 8 und 9 einen geringeren,, nachher einen größeren magnetischen Widerstand haben als 7 und 10. In diesem Falle geht anfangs durch den Brückenzweig .11 ein Kraftlinienstrom in der entgegengesetzten Richtung wie später. Um dies in dem Beispiel der Fig. 2 zu erreichen, müssen die magnetischen Widerstände der Zweige 8 und 9 anfangs kleiner sein als diejenigen der Zweige 7 und 10, also die Längen der Zweige zueinander in einem Verhältnis stehen, das kleiner als das Verhältnis der Querschnitte ist. Bedeute in Fig. 4 die Kurve a diejenige des primären Flusses, so wird die Kurve des Flusses im Zweige 11 etwa den Verlauf der Kurve b nehmen, wo yo derjenige primäre Fluß ist, bei dem durch die Brücke keine Kraftlinien gehen. Innerhalb einer halben Periode des primären Flusses ändert also der durch die Brücke gehende sekundäre Fluß seine Richtung zweimal; es entsteht ein Fluß von der dreifachen Periode des Primärflusses. Die in der Spule 12 induzierte Spannung erhält somit ebenfalls die dreifache Periodenzahl gegenüber der Periodenzahl der Primärspannung. Das Schema der Fig. 2 stellt gleichzeitig eine besondere Ausführungsform des Transformators dar. Der Eisenkörper ist hier nach Art einer Wheatstoneschen Brückenkombination eingerichtet. Man kann nämlich die beiden Zweige 11 mit Sekundärwicklung 12 und 13 mit Primärwicklung 14 als Brücken auffassen, so daß der Transformator auch umkehrbar ist. D. h., es kann auch 12 zur Primärwicklung und 14 zur Sekundärwicklung werden. Es ist also bei dieser Anordnung wieder völlige Symmetrie zwischen primärer und sekundärer Seite wie bei einem gewöhnlichen Transformator vorhanden.

Man kann nun die Konstruktion des Eisenkörpers auch so vornehmen, daß in dem oder in den Brückenzweigen nicht nur bei einer, sondern bei mehreren bestimmten Erregungen kein Kraftfluß auftritt, und das Feld in der Brücke während des Anstieges der Erregung mehrmals seine Richtung wechselt. Es ist in diesem Fall erforderlich, daß die betreffende Brücke nicht nur zwischen zwei Teilzweigen liegt, sondern zwischen mehr als zweien.

Für einen speziellen Fall zeigen Fig. 5 und 5 a die Ausführung schematisch. Die Querschnitte und Längen der Zweige 15, 16, 17, 18 und der diesen bzw. gleichdimensionierten 22, 21, 20, 19 sind von verschiedener Größe, wie dies Fig. 5 a andeutet, in der die Verbindungen zwischen den Zweigen und die Brücke fortgelassen sind. Der Widerstand der Gruppe 15, 16 ist zunächst kleiner als derjenige der Gruppe 17, 18. Bei steigender Erregung sättigt sich zuerst 15 mit dem kleinsten Querschnitt. Dadurch wird der Kombinationswiderstand von 17, 18 der kleinere. Bei weiter steigender Erregung gelangt auch 17 in das Bereich der Sättigung. Da der Widerstand von 18 von vornherein größer als 16 war, wird nun wieder die Kombination 15, 16 diejenige des geringeren Widerstandes. Sobald auch 16 in das Sättigungsbereich tritt, kann nochmals ein Wechsel eintreten. Man sieht, daß auf diese Weise bei drei verschiedenen Erregungen die magnetomotorische Kraft zwischen den Punkten 23 und 24 durch Null geht und ihre Richtung wechselt. In der Brücke 25 wird dadurch der Kraftfluß während jedes Wechsels der Grundschwingung seine Richtung sechsmal wechseln, also eine Spannung von der siebenfachen Frequenz der Grundschwingung induziert werden.

Fig. 5 und 5 a zeigen nur einen Spezialfall.

Insbesondere können auch bei Beginn der Erregung alle Zweige gleichen Widerstand haben, also einer der Nullpunkte des Kraftflusses in der Brücke mit dem Nullpunkt der Erregung zusammenfallen. Auch ist es nicht erforderlich, daß die Widerstände von 19, 20, 21, 22 mit den entsprechenden der andern Seite des Schemas der Fig. 5 übereinstimmen. Es ist ferner nicht erforderlich, daß die Erregung so hoch getrieben wird, daß alle möglichen Kombinationen der Teilwiderstände ausgenutzt werden ; also kann auch eine kleinere als die siebenfache Frequenz der Grundschwingung erreicht werden. Schließlich kann die Zahl der Teilzweige, zwischen denen die Brücke liegt, eine beliebige sein, und daher auch die erreichbare Frequenz ein beliebiges Vielfache der Grundfrequenz.

Man kann nun die Sekundärspulen mehrerer der beschriebenen ' Anordnungen zusammenschalten, in Parallel- oder Reihenschaltung, und erzielt dadurch Spannungen von neuen gewünschten Kurvenformen, falls die zusammengeschalteten Sekundärwicklungen selbst Spannungen verschiedener Formen geben. Eine weitere Beeinflussung der Kurvenform läßt sich dadurch erreichen, daß Spannungen verschiedener Phase zusammengeschaltet werden.

Die beschriebenen Transformationsanordnungen leiden daran, daß die Streuung zwischen Primär- und Sekundärwicklung, weil diese Wicklungen räumlich ziemlich getrennt sind, bedeutend ist. Um dem abzuhelfen, kann der gesamte Eisenkörper, in eine Vielheit einzelner magnetischer Kreise zerlegt werden. Jeder einzelne Kreis ist ähnlich dimensioniert, wie es der entsprechende ungeteilte Kreis sein würde, aber alle Dimensionen sind verkleinert. Jeder einzelne Kreis besitzt nur einen kurzen Eisenweg und nur eine oder wenige Windungen. Alle Primär- bzw. alle Sekundärwindungen werden je nach Bedarf in Reihe oder parallel geschaltet, so daß in der Wirksamkeit des ganzen Apparates keine Änderung eintritt.

Noch günstigere Streuungsverhältnisse werden erhalten, wenn man die so entstehenden Einzeltransformatoren derart zusammenbaut, daß jeder Zweig gleichzeitig zwei benachbarten Transformatoren angehört. Auf diese Weise werden die durch Luft verlaufenden magnetischen Nebenschlüsse größtenteils vermieden, weil die äußeren Begrenzungen der Zweige nicht mehr aus Luft, sondern gewissermaßen aus Eisen bestehen. Der Eisenkörper bildet so ein Netzwerk, das sich am besten aus Blechen herstellen läßt, in denen die Löcher für die Wicklungen wie bei Ankern ausgespart sind. Für die Ausführungsform der Schaltung nach Art der Wheatstoneschen Brücke zeigt Fig. 6 einen Querschnitt durch den Eisenkörper. Die Wicklungen 26 sind die Primärspulen, die Wicklungen 27 die Sekundärspulen.

Die Transformationsanordnung nach Fig. 6 kann man sich aus der ursprünglichen Anordnung in der Weise entstanden denken, daß die Wheatstonesche Brückenschaltung der magnetischen Kreise (Fig. 7) in der Mitte auseinandergeklappt worden ist (Fig. 8), wodurch die Anordnung Fig. 9 erhalten wird. Die magnetischen Verhältnisse und die Wirkungsweise bei der Transformation sind bei den Anordnungen der Fig. 7 und 9 völlig identisch. Die Anordnung nach Fig. 9 bringt den Vorteil mit sich, daß der primäre und der sekundäre Brückenzweig in ein und derselben Ebene angeordnet werden können, ohne daß die Symmetrie der Anordnung leidet.

Claims (11)

Pate nt-Ansprüche:

1. Transformationsanordnung zur Umwandlung von Wechselströmen in solche anderer Kurvenform oder anderer Periodenzahl, bei der mehrere magnetische Wege für die Kraftlinien vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung zur Primärwicklung so angeordnet ist, daß die erzeugten Kraftlinien sich sämtlich schließen können, ohne durch die Sekundärwicklung zu gehen, d. h. also, die Sekundärwicklung über einem Brückenzweige angeordnet ist, für den die magnetomotorische Kraft zu Null werden kann, auch wenn der primär erzeugte Kraftfluß von Null verschiedene Werte aufweist, ζ. B. im Falle der Anordnung des magnetischen Kreises in Form der Wheatstoneschen Brückenschaltung, wobei Primär- und Sekundärwicklung auf den beiden Brückenzweigen angeordnet sind.

2. Transformationsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Widerstände der zu den Enden eines Brückenzweiges führenden Teilzweige nach Querschnitt, Länge und magnetischer Qualität des Materials so dimensioniert werden, daß die Permeabilitäten eines oder mehrerer Teilzweige sich mit der Höhe der Erregung ändern, also auch die Verteilung des Kraftflusses auf die einzelnen magnetischen Kreise und ebenso die magnetomotorische Kraft des die Sekundärwicklung tragenden Brückenzweiges sich mit der Höhe der Erregung verändert, so daß der Fluß auch in diesem Brückenzweige nicht mehr proportional dem primären Kraftflusse ansteigt und abnimmt und daher in der Sekundärwicklung Spannungen veränderter Kurvenform auftreten.

3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Widerstände der zu den beiden Enden eines Brückenzweiges führenden Teilzweige, oder, falls ein Brückenzweig zwischen mehr als zwei Teilzweigen liegt, die magnetischen Widerstände der beiden zu den Enden der Brücke führenden Gruppen von Teilzweigen . nach Querschnitt und Länge so dimensioniert werden, daß sie bei gleicher Permeabilität, also bei Beginn der Erregung, oder bei einer oder mehreren in den einzelnen . Teilzweigen auftretenden Permeabilitäten von bestimmter Höhe infolge der Veränderung der Kraftliniendichte einander gleich werden, wodurch dann für diese Zeitpunkte die Brücke kraftflußlos wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Längen der einzelnen magnetischen Teilzweige gleich dem Verhältnis ihrer Querschnitte gemacht wird, wodurch erreicht wird, daß bei Beginn der Erregung die zwischen diesen Teilzweigen liegenden Brückenzweige keinen Fluß führen.

5. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Zweige nach Art einer Wheatstoneschen Brückenschaltung angeordnet sind, bei der in der einen Brücke die Erregerspule, in der anderen die Sekundärspule liegt.

6. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand der Teilzweige mit dem geringeren Querschnitt anfangs kleiner ist als derjenige der Zweige mit dem größeren Querschnitt, also die Längen dieser Zweige zueinander in einem Verhältnis stehen, das kleiner ist als das Verhältnis der Querschnitte, daß jedoch bei einer bestimmten Erregung Gleichheit der magnetischen Teilwiderstände erreicht wird, so daß bei weiter steigender Erregung das Verhältnis der magnetischen Widerstände der Teilzweige und ebenso die Richtung des Kraftlinienflusses in der Brücke sich umkehrt, also der Kraftfluß in der Brücke während jedes Wechsels der Grundschwingung zweimal durch Null geht und die Sekundärspule einen Strom liefert, der die dreifache , Periodenzahl des Primärstromes hat.

7. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei korrespondierende Teilzweige der Wheatstoneschen Brückenschaltung Querschnitte erhalten, die im Verhältnis ihrer Längen stehen, so. daß bei Beginn der Erregung die magnetischen Widerstände dieser Teilzweige einander gleich sind und die Brücke keinen Kraftfluß erhält, dieser vielmehr erst dann merkliche Werte bekommt, wenn die Permeabilität in dem kleineren Querschnitte durch Zunahme der Kraftlinienzahl beträchtlich geringer geworden ist als in dem größeren Querschnitte.

8. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Stelle je eines Teilzweiges der Wheatstoneschen Brückenschaltung mehrere treten, die nach Querschnitt und Länge so bemessen sind, daß der Kraftfluß in der mit der Sekundärwicklung versehenen Brücke seine Richtung während eines Wechsels der Primärerregung mehrmals ändert, also die Periodenzahl der Sekundärspannung ein Vielfaches derjenigen der Grundschwingung wird.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher Sekundärwicklungen, die Spannungen von untereinander verschiedener Kurvenform oder von verschiedener Phase liefern, parallel oder hintereinander geschaltet werden, zum Zwecke, eine neue Spannung von gewünschter Kurvenform oder gewünschter Periodenzahl zu erhalten.

10. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen und elektrischen Kreise derart in eine Vielheit solcher Kreise aufgelöst sind, daß jeder magnetische Kreis nur geringe Länge hat, und die Primär- und Sekundärwicklung je nur eine oder wenige Windungen enthält, wobei die entsprechenden Windungen verschiedener Kreise zusammengeschaltet sind, zum Zwecke, die Amperewindungen der Streuflüsse möglichst herabzudrücken.

11. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die äußere Begrenzung der magnetischen Kreise bildenden Teile gleichzeitig den benachbarten Teilen angehören, so daß der Eisenkörper ein Netzwerk bildet, das mit Aussparungen zur Aufnahme der Wicklungen versehen ist, zum Zwecke, die in Luft verlaufenden Streuflüsse möglichst herabzusetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.