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Bezeichnung: Elektrostatischer Weohaelstrom-
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erzeuger
Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen
Wechsel stromerzeuger iit einem Satz von Statorplatten und einem Satz von Rotorplatten,
wobei die Statorplatten und die Rotorplatten wie in einer Lamellentung geschichtet
angeordnet sind, und wobei Jede Statorplatte Jede d Jede Rotorplatte eine grosse
Anzahl von winkelmässig getrennten elektrisch leitenden Kondensatorplattenstücken
aufweist, so dass die Kapazität zwischen den Stator- und den Rotor-Kondensatorplattenstücken
während Jedes Umlaufes der Rotorplatten vielmals wechselt.
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Fig. la ein Schaltschema Uber die Kondensatoranordnung, Fig. Ib eine
Kondensatoranordnung mit mehreren Dioden, Fig. lc ein Spannungs-Kapazitätschaltschema,
Fig. 2 den Einfluss des Luftspaltes auf die resultierende Dielektrizitätskonstante,
Fig. 3 die kondensatorgeometrischen gegenseitigen Verbindungen, Fig. 4a ein Kapazi
tätsflächenmuster einer Rotorscheibe, Fig. 4b ein Kapazitätsflächenmuster einer
Statorscheibe, Fig. 4 c ein Rillenmuster zur Gasschmierung, und Fig. 5 den elektrostatischen
Erzeuger.
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Der in Fig. 5 dargestellt elektrostatische Erzeuger gemäss der Erfindung
ist für maximal 50 Plattenpaare eingerichtet. Der Durchmesser der Rotorplatten ist
ca. 190 mm. Die Kondensatorplatten sind laminierte Kunststofffolien, die eingebettete
Kapazitätsflächen tragen, die aus kolloidalem Graphit durch Filmdruck oder serigraphischen
Druck hergestellt sind. Die Dicke der Kunststoffplatten ist ca. 0,5 mm. Ein Luftzwischenraum
von ca. 0,1 mm ist anzustreben. Die Luftzwischenräume verursachen eine Reduktion
der effektiven Dielektrizitätskonstante im Verhältnis zum festen Stoff.
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Die Dielektrizitätskonstante kann zwischen 3 und 8 variieren. Man
rechnet mit einem Mittelwert von 5, wobei der Wert von fef 3 ist.
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Die Kapazität in pF per cm3 ist:
wobei n (die Anzahl von Laminatplatten per cm) = 17.
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Die spezifische Kapazität wird hierdurch 81,5 pF/cm3. Aus Rücksicht
auf die Kapazitätsvariation müssen die Kondensatorbeläge die Oberflächen weniger
als die Hälfte bedecken. Dies verursacht, dass die maximale spezifische Kapazität
auf 40 pF/cm3 reduziert wird, d.h.
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4 nF/Liter oder 40 pF/m3 Wn = 8 V2 F. (3) Mit einer Ausgangsspannung
von 4 kV und einer Wechselfrequenz von 1 kHz ist eine Effektdichte von 128 kW/m3
erreicht. Der ausnehmbare Netto effekt einer gegebenen maximalen Kapazität und Frequenz
hängt von der maximalen Spannung Vmax, der Injektionsspannung Vmin und dem Verhältnis
zwischen der minimalen und der maximalen Kapazität Cmin/Cmax der Formel:
ab.
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Die maximale Leistung fUr Cmin/Cmax = 0,1 findet bei einer InJektionsspannung
Vmin auf 33,' der Ausgangsspannung Vmax statt. Es ist ersichtlich, dass der Nettoeffekt
fUr sowohl Vmin = Vmax als auch Cmin/Cmax = Vmin/V null ist. Gemäss (3) und (4)
wird der man Netto effekt von 128 kW/m auf 149 kV/m durch Reduzierung der InJektionsspannung
(Vmin) von 2 kV auf 1,35 kV erhöht. In dieser Verbindung ist zu bemerken, dass der
ausnehmbare Effekt aus dem Effektivwert aus Vmin und Vmax abgeleitet wird. Wenn
VXin und Vmax Spitzenwerte bedeuten, drücken die Gleichungen den Wert des Effektausganges
aus. Der Mittelwert des Effektausganges entspricht der Hälfte des Spitzenwertes.
Der spezifische r.m.s.-Wert der Energiedichte entspricht bei 1 kHz und 4 kV dem
Spitzenwert 74,5 kW/a30 Fig. la zeigt ein Schaltschema einer Kondensatoranordnung.
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Fig. lb zeigt eine Kondensatoranordnung mit mehreren Dioden. Die Kondensatoren
sind hier gegenseitig periodisch verschoben, wobei der resultierende InJektionsstrom
und der Ausgangsstrom in Jeder Halbperiode gleichmässig variiert.
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Fig. lc illustriert die Spannung als Funktion der Kapazität, wobei
a die InJektionsperiode, b die Spannungs-Steigerungsperiode, c die Stromausgangsperiode
, und d die Spannungsfallperiode bedeutet.
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Fig. 2 illustriert den Einfluss des Luftspaltes auf die resultierende
Dielektrizitätskonstante.
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Fig. 3 zeigt die kondensatorgeometrischen gegenseitigen Verbindungen,
wobei die Ordinale das Verhältnis zwischen der Periodenlänge und dem Plattenzwischenraum,
und Wn den Ausgangseffekt angibt.
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Fig. 5 zeigt den elektrostatischen Erzeuger mit einer Rotornabe 21,
einem Lagerring 22, einer Lagerscheibe 23, einer Statorscheibe 25, einem Erzeugergehäuse
26, einer Rotorscheibe 27, einer Statorsche5-be 28, einer Statorscheibe 30, einer
Ventilationsöffnung 32 und einem Ventilationsloch 33.
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Der elektrostatische Erzeuger ist im Prinzip ein Hochfrequenzerzeuger,
der einen Tonfrequenzeffekt abgibt, der von einer niederfrequenten Wechselspannung
moduliert wird, wonach der modulierte Effekt lit Je 10 18 mit dem Nulldurchgang
der Netzumwandlungsspannung synchrom gleichgerichtet und polumgewandelt wird. Der
Rotor und der Stator sind wie in einer Lamellenschaltung geschichtet angeordnet.
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Jede Rotor- und Jede Statorscheibe besitzt mit der gleichen Teilung
eine grosse Anzahl von radial verlaufenden Speichen (KondensatorplattenstAcken),
die während der Rotation abwechselnd einander bedecken bzw. voneinander freigehen.
Die Speichen des Rotors und des 8tators, die aus elektrisch leitender Paste sind,
sind durch Filndruck oder serigraphischen Druck zuwegegebracht worden. Die Speichen
dad in Kunststoffplatten mit einer Dicke von 0,5 am eingebettet.
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Während der Rotation wechselt die Kapazität zwischen dem maximalen
Wert und ca. 10,' dieses Wertes. Der Rotor ist zweckmässig mit der Erde verbunden.
Die Wechselperiode ist z.B. 1 mS. Die Zeit, die die Kapazität benötigt um von 1,0
µF auf 0,1 >lF zu fallen, ist 0,45 mS. Der Stator ist zweckmässig mit einer Gleichspannung
von 2 kV über eine Gleichrichterdiode versehen. Während der Steigerung der Kapazität
von 0,1yF auf 1,0 XF variiert die Kapazität mit einer Geschwindigkeit von 2pF/mS.
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Da die Spannung 2 kV ist, ist der notwendige Ladestrom I = V dC dt
(5) Die Spannung des Stators wird von einer Gleichrichterdiode zu einem Kollektor
mit der Spannung 4 kV überführt.
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Y = V0 Cmax (6) C In der nächsten Phase, während der die Kapazität
fällt, steigt die Spannung mit dem Kapazitätsfall in Übereinstimmung mit (6). Bei
einer Kapazität von 50," ist die Spannung auf das Doppelte der InJektionsspannung
gestiegen, und die Diode sendet danach einen Strom von 8 A während des folgenden
40%igen Kapazitätsfalles in Übereinstimmung mit (5). Die Kapazität ist Jetzt auf
ihr Minimum reduziert worden und steigt in der folgenden Phase während des Kondensatorspannungsfalles.
Diese Änderungen finden gemäss (6) statt, wobei Vmax der neuen Ausgangsspannung
entspricht, die anstatt VO eingesetzt wird, und Cmin der neuen Ausgangskapalitlt,
die anstatt Cmax eingesetzt wird. Wenn die Kapazität 20% passiert, ist die Spannung
auf die InJektionsspannung V0 = 2 kV gefallen.
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Während der folgenden 0,4 mS steigt die Kapazität auf l,o»F mit einem
resultierenden Ladestrom von 4 A. Jede Millisekunde werden 4 A . 0,4 mS Coulomb
empfangen, und 8 A . 0,2 mS = 1,6 m Coulomb werden abgegeben. Da der abgebene Strom
dem zugefUhrten Strom entspricht und die abgegebene Spannung der doppelten Spannung,
ist der abgebene Effekt doppelt so gross wie der zugeführte Effekt. Der
Nettoeffekt
Wn ist 3,2 kW oder Wn = 0,2 CV2F wobei C der maximalen Kapazität in UF, V der maximalen
Spannung in Volt, und F der Wechselfrequenz des Kondensators in kHz entspricht.
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Man rechnet in dieser Formel mit einem Kapazitätsverhältnis V Cmax
von 10 und einem Spannungsverhältnis max von 2.
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7- V min min Die obige Kondensatorwirkung setzt voraus, dass keine
bedeutenden statischen Ladungen auf den Oberflächen der Rotor- und Statorplatten
im Verhältnis zur Spannung von eingekapselten Kondensatorflächen vorhanden sind.
Diese Voraussetzung gilt nur, wenn das Kunststoffmaterial schlechter isoliert als
die Luftzwischenräume. In der Praxis fällt die Wechselspannung mit einer Zeitkonstante,
die von der Luftkapazität zwischen den Obefflächen und dem Isolierwiderstand dieser
Luftschichten bestimmt ist. Aus Rücksicht auf diese Zeitkonstante muss man abwechselnd
positive und negative Spannung über Bi e die Netzumaandlungsspannung mittels eines
gesteuerten Gleichrichters, siehe Fig. la und lb, inJizieren, wobei die gesamte
Umwandlung in den Nulldurchgängen der Wechselspannung stattfindet.
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In dieser Weise ist es möglich, das Kondensatorprinzip für Spannungen
auszunutzen, bei denen die Zeitkonstante in der Luftabgabe auf ungefähr 10 mS reduziert
ist. Aus Rücksicht auf den Wirkungsgrad ist eine so niedrige Zeitkonstante aber
nicht erwünscht. Zeitkonstanten unter 100 mS sind nicht akzeptierbar. Bei der praktischen
Ausbildung der Isolierkondensatorplatten sind zwei Schichten aus leitendem Material
verwendet worden. Beide Schichten sind den Kunststoffplatten vor der Laminierung
aufgeführt worden. Die erste 8chicht.1st~nur schwach leitend (ca. 20 Mm per Quadrat).
Diese Schicht markiert die Oberfläche des ganzen Kondensators und dient als "Priser"
für die zweite Schicht. Diese zweite Schicht, die dünner als die erste ist, dient
als ZRAckgratw für die Strolverteilung und besitzt einen Widerstand von ca. 20 ohm
per Quadrat.
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Dieses schwach leitende "Primer wurde zuwegegebracht, um das Isoliermaterial
gegen einen destruktiven Randeffekt zu schützen. Aus Rücksicht auf die Feldgeometrie
sind die Kondensatorspeichen bei diesen hohen Spannungen zweckmässig mit einem ellipsenförmigen
Querschnitt ausgebildet. Bei den auftretenden Spannungen wechselt die elektrostatische
Anziehung zwischen den Kondensatorplatten von einem Spitzenwert von ca. 16 g per
cm2 auf einen Mittelwert von 5 g per cm2. Um trockene Friktion zu vermeiden, ist
es daher notwendig, eine Gasschmierung der Platten vorzunehmen, wobei man gleichzeitig
einen leidlich konstanten Plattenabstand erreicht. Die erwünschte Schmierung wird
beispielsweise durch filmgedruckte oder geprägte Spiralrillen, siehe Fig. 4 c, vorgenommen,
die während der Rotation Luft zwischen die Platten pumpen. Die Luftfriktion, die
aus Rücksicht auf die Schmierung notwendig ist, verursacht einen Verlust, der mit
dem Quadrat der Peripheriegeschwindigkeit der Rotorplatten proportional ist. Aus
der Gleichung (4) ist ersichtlich, dass der Effekt des Ereeugers mit der Frequenz
und damit mit der Peripheriegeschwindigkeit linear steigt.
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Die gegenseitigen dynamischen Verhältnisse der Scheiben sind nicht
nur von der elektrischen Anziehung dominiert, sondern auch von der gegenseitigen
Anziehung der Platten, die aufgrund der Tendenz der Scheiben, als Zentrifugalpumpe
zu dienen, entsteht. Hierdurch werden die Scheiben gegeneinander gezogen, bis "die
Schmierrillenw bei ca. 0,1 mm Abstand in Funktion treten und ein Luftkissen bilden.
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Diese Verhältnisse lassen sich ohne Schwierigkeiten unter Kontrolle
halten.
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Die Betriebssicherheit hängt in hohem Grad von der Materialwahl und
dem Schutz der rotierenden Flächen gegen eindringe Fremdkörper und einem Anlaufverfahren
ab, so dass das System erst unter Spannung kommt, wenn eine akzeptierbare Minimumsgeschwindigkeit
erreicht worden ist.
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Hierdurch ist ein verhältnismässig langsam laufender elektrostatischw;
Wechselstromerzeuger
zur Verwendung in Verbindung mit Windmühlen der Mittelgrösse (100 kW) geschaffen.
Der Wirkungsgrad ist ca. 90%.
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