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Apparat zur Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie in Form
von Wechselstrom hoher Frequenz. Die Erfindung betrifft ein System der Verteilung
elektrischer Energie und insbesondere einen Apparat zur Erzeugung und Verteilung
von elektrischer Energie in der Form von Wechselstrom hoher Frequenz.
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Bei den bekannten Systemen zur Verteilung von Wechselstrom hoher Frequenz,
welcher unmittelbar aus dynamoelektrischen Maschinen entnommen wird, die nach dem
einfachen Wechselstromprinzip arbeiten, pflegt man einen Hochfrequenztransformator
zwischen die dynamoelektrische Maschine und den Belastungsstromkreis zu schalten,
da es im allgemeinen nicht vorteilhaft ist, in der Ankerwicklung der dynamoelektrischen
Maschine unmittelbar elektromotorische Kräfte von solcher Höhe zu erzeugen, wie
sie ein solches System erfordert. In einer Anlage für drahtlose Telegraphie z. B.
wird gewöhnlich die Hochfrequenzwechselstrommaschine mit der Antenne durch einen
besonders dazu bestimmten Aufwärtstransformator verbunden. Wo verhältnismäßig hohe
Energiemengen so erzeugt, transformiert und verteilt werden sollen, wird der Ankerstrom
der Maschine wegen der verhältnismäßig niedrigen Spannung, für welche die Ankerwicklung
entworfen ist, verhältnismäßig groß, und es ist daher von wesentlicher Bedeutung,
für solche Fälle der Hochfrequenzwechselstrommaschine und dem Aufwärtstransformator
eine besondere Bauart und Anordnung zu geben.
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Beispielsweise hat sich gezeigt, daß mit besonderer Vorsicht verhütet
werden muß, daß Querströme in der Ankerwicklung der Hochfrequenzwechselstrommaschine
fließen und übermäßige statische Potentiale in der Ankerwicklung auftreten. Der
Hauptzweck der Erfindung besteht hiernach darin, eine vollkommener wirkende Verbindung
einer Hochfrequenzwechselstrommaschine mit einem Aufwärtstransformator zur Erzeugung
und Verteilung verhältnismäßig großer Mengen Wechselstromenergie von hoher Frequenz
zu gewinnen.
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Gemäß der Erfindung wird die Ankerwicklung der Hochfrequenzwechselstrommaschine
in eine Anzahl unabhängiger Ankerstromkreise gruppiert, und diese unabhängigen Ankerstromkreise
werden wahlweise mit entsprechenden unabhängigen Primärstromkreisen des Aufwärtstransformators
verbunden, so daß jeder der Primärstromkreise mit nur einem Ankerstromkreise in
einem geschlosenen elektrischen Stromkreis liegt; ferner wird erfindungsgemäß die
primäre Wicklung des Transformators aus einer Mehrzahl von Spulen gebildet und jede
dieser Spulen aus so vielen unabhängigen elektrischen Leitungsdrähten oder Stromkreisen
gewickelt, als unabhängige Ankerstromkreise vorhanden sind. Wenn demnach die Ankerwicklung
der Hochfrequenzwechselstrommaschine in Gruppen geteilt wird, deren jede n unabhängige
Ankerstrotnkreise enthält, so ist auch jede Primärspule aus n unabhängigen Leitern
oder Stromkreisen zusammengesetzt. Diese n unabhängigen Leiter oder Primärstromkreise
werden zweckmäßig in ein Kabel von n Litzen zusammengefaßt und als Einheit aufgewickelt.
Die n unabhängigen Leiter oder Primärstromkreise jeder Primärstromspule werden dann
wahlweise mit den n unabhängigen Ankerstromkreisen so verbunden, daß der unmittelbare
Übergang des elektrischen Stromes vom einen Ankerstromkreis in einen andern verhindert
ist.
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Der Gegenstand der Erfindung ist auf der Zeichnung in einer beispielsweisen
Ausführungsart dargestellt. Es ist Abb. i eine Ansicht der Hochfrequenzwechselstrommaschine
und des Transformators, Abb. 2 ein in größerem Maßstabe dargestellter, teilweiser
Schnitt des in Abb. i gezeigten Transformators, Abb. 3 ein Schema der elektrischen
Verbindungen des in Abb. i gezeigten Apparats, Abb. 4. eine schaubildliche Darstellung
der Wicklung der Primärspulen des Transformators, Abb. 5 ein, Schanbild der Wicklung
der Sekundärspulen des Transformators, und Abb. 6 und 7 sind Ansichten des Transformators
in abgeänderter Bauart.
Der in Abb. i dargestellte Apparat besteht
aus einer Hochfrequenzwechselstrommaschine A und einem Transformator T.
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Die Hochfrequenzwechselstrommaschine der Abb. i ist vom bekannten
Induktortyp und besitzt einen umlaufenden Induktor für hohe Drehungszahl und eine
ortsfeste Ankerwicklung, in welcher Wechselströme von hoher Frequenz induziert werden.
Gemäß der Erfindung ist die Ankerwicklung der Wechselstrommaschine in eine Anzahl
unabhängiger Stromkreise geteilt, wie unter Hinweis auf Abb. 3 näher beschrieben
werden soll. Der Transformator T ist auf der Wechselstrommaschine angeordnet, und
in Abb. i ist er auf einem Traggestell des Gehäuses der Maschine A mittels Bolzen
befestigt. Der Transformator ist ein Luftkerntransformator und besonders zum Transformieren
von Wechselstromenergie mit einer für drahtlose Telegraphie erforderlichen Frequenz
bestimmt, wie sie die Wechselstrommaschine A erzeugt. Überhaupt ist der Apparat
nach Abb. i besonders für Anlagen zur drahtlosen Telegraphie bestimmt, bei denen
die sekundäre Wicklung des Transformators T mit der Antenne verbunden ist.
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Der Transformator T besteht aus zwei senkrechten Ständern oder Wandungen
io und i i, welche auf einer Grundplatte 12 befestigt sind. Die Ständer io und ii
sind durch Stangen 9 miteinander verbunden und bestehen, wie auch die Grundplatte,
aus isolierendem Stoff, Zweckmäßig aus Holz. In Abb. i ist die Grundplatte 12 mit
einem Traggestell 13 auf dem Gehäuse der Wechselstrommaschinen A verbolzt. Abb.
i zeigt die sekundäre Seite des Transformators, Abb. 2 die primäre Seite.
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Die primären und sekundären Spulen P und S des Transformators sind
zwischen den beiden Ständern io und ii aufgebaut. Die Ankerwicklung der Wechselstrommaschine
A ist in 32 Stromkreise geteilt, von denen io in Abb. 3 mit 14 bezeichnet sind.
Diese 32 Ankerstromkreise 14 sind in vier Gruppen zu je 8 Stück eingeteilt, und
da die Anordnung und die elektrischen Verbindungen alleyrGruppen im wesentlichen
die gleichen sind, so sind nur die elektrischen Verbindungen einer dieser Gruppen
in Abb. 3 vollständig dargestellt. Die Spulen des Transformators T sind in vier
Gruppen oder Einheiten geteilt, deren jede acht Primärspulen P und acht Sekundärspulen
S enthält. Die acht Primärspulen jeder Gruppeneinheit des Transformators sind wechselweise
zu den acht Sekundärspulen S angeordnet. In Abb. i und 2 sind nur zwei,dder vier
Gruppen von Transformatorspulen gezeigt, zwei gleiche Einheiten von 16 Spulen stehen
unmittelbar hinter den in Abb. i gezeigten beiden Gruppeneinheiten. Die Zahl und
Anordnung der primären und sekundären Transformatorspulen oder die Zahl der unabhängigen
Leiter oder Stromkreise ist an sich ohne Belang, da der Transformator ebensogut
auch eine größere oder kleinere Zahl primärer und sekundärer Spulen und eine andere
Anordnung der Spulen und unabhängigen Stromkreise im Rahmen der Erfindung besitzen
kann.
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In der dargestellten Ausführungsart besteht jede Primärspule P aus
acht unabhängigen Leitungsdrähten 15. Diese acht Leiter sind in zwei Schichten zu
j e vier Leitern geteilt und als Einheit gewickelt, wie aus Abb. q. erkennbar ist.
An einem Ende sind die acht Leiter 15 jeder Spule P elektrisch miteinander verbunden,
wie bei 16 (Abb. 3) gezeigt ist. Am anderen Ende sind die acht Leiter 15 jeder Spule
P unabhängig mit acht Stangen 17 verbunden, welche übereinander auf der Primärseite
des Transformators T angebracht sind, wie aus Abb.2 deutlich erkennbar ist. Die
Sammelschienen 17 sind unabhängig verbunden mit dem einen Pol der acht unabhängigen
Stromkreise 14 einer Gruppe der Ankerwicklung der Wechselstrommaschine A. Die anderen
Polenden der acht Ankerstromkreise 1.4 sind untereinander und zugleich mit den gewöhnlichen
Verbindungen 16 jeder der Primärspulen P elektrisch verbunden. Diese Verbindungen
16 der Primärspulen P gehen durch die Mitte der Spulen hindurch und sind in Klemmen
18 auf den Ständern i o und i i eingespannt, für jede Transformatoreinheit sind
vier Klemmen i8 an jedem Ständer angebracht. Die acht Klemmen 18 jeder Transformatoreinheit
sind dann elektrisch mit dem gemeinsamen Polende der acht Ankerstromkreise 14 verbunden;
wie aus dem Schema der Abb. 3 ersichtlich ist. Eine Reaktanz i9 ist zwischen die
gewöhnliche Verbindung 16 jeder Primärspule P und Erde geschaltet, wodurch jeder
der acht Leitungsdrähte 15 durch die Reaktanz i9 geerdet und jeder Ankerstromkreis
14. durch eine Reaktanz i9 in gleicher Weise mit Erde verbunden ist. Die Primär-
und die Sekundärspulen P und S sind wechselweise angeordnet und voneinander durch
je eine isolierende Scheibe 2o getrennt. Zwischen jeder dieser Scheiben 2o und den
beiden durch sie getrennten Transformatorspulen besteht ein enger Luftspalt, wie
aus Abb. 2 deutlich ersichtlich ist. Jede Sekundärspule S besteht aus vier Leitern
21, welche, wie Abb. 5 zeigt, nebeneinander liegen. An ihren inneren Enden sind
diese vier Leitungsdrähte 21 der Sekundärspulen S paarweise miteinander verbunden,
wie aus Abb. 2 und 3 zu ersehen ist. Auf diese Weise werden die vier Leiter 2i jeder
Sekundärspule S verbunden. An ihren anderen oder äußeren Enden
sind
die Sekundärspulenpaar e S mit den sekundären Sammelschienen 22 verbunden. Auf diese
Weise sind die vier Leiter 21 jeder Sekundärspule S in Parallelschaltung miteinander
und in Reihe mit den vier parallelgeschalteten Leitern 21 einer benachbarten Sehundärspule
S verbunden. In der Schaltanordnung nach Abb. 3 sind die vier Paar Sekundärspulen
S jeder Transformatoreinheit zwischen die Schienen 22 parallel geschaltet. Doch
können diese vier Paar Spulen natürlich auch auf andere Weise miteinander verbunden
werden. Die sekundären Schienen 22 sind zwischen den Ständern io und i i, und zwar
auf der den Primärschienen 17 gegenüberliegenden Seite angeordnet. In dem mit vier
Einheiten versehenen Transformator T nach Abb. i sind dann vier Satz Sekundärschienen
22 vorhanden. Diese Sammelschienen haben Polenden 23, und nach der Zeichnung sind
die vier Satz Schienen 22 durch Kabel 24 miteinander verbunden. Diese Verbindung
kann als Reihen- oder als Parallelschaltung oder als gemischte Schaltung ausgeführt
sein.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß jeder Leiter
15 jeder Primärspule P einen unabhängigen Primärstromkreis bildet, der tatsächlich
in einen geschlossenen Stromkreis mit nur einem Ankerstromkreis 1.1 eingeschlossen
ist. Mit anderen Worten, der elektrische Strom, der durch irgendeinen einzelnen
Leiter fließt, kann in einem und nur in einem Ankerstromkreis rd. fließen. Durch
diese Anordnung ist der unmittelbare Übertritt von Querströmen aus .einem Ankerstromkreis
in einen anderen wirksam verhindert. Entsprechende Leiter der Primärschulen jeder
Transformatoreinheit sind miteinander parallel geschaltet und in Reihenschaltung
mit ihrem entsprechenden Ankerstromkreis verbunden. Auf diese Weise sind die acht
Leiter 15, welche mit derselben Schiene leitend verbunden sind, miteinander parallel
geschaltet und in Reihenschaltung mit dem Ankerstromkreis rd gebracht, der an dieselbe
Schiene 17 angeschlossen ist. jeder primäre Leiter i5 wird durch eine Induktanz
i9 mit Erde verbunden, wodurch die Spannung mit Erde irgendeines Teils der Anker-
oder Primärstromkreise beschränkt wird. Dadurch wird auch (las statische Potential
beschränkt, das in den Anker- oder primären Wicklungen des Apparates bestehen kann.
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Hochfrequenzwechselstrominaschinen der hier benutzten Art werden mit
besonderer Vorsicht gebaut, um die in den verschiedenen Stromkreisen der Ankerwicklung
erzeugten Spannungen an Größe und Phase gleichzuhalten. Trotz aller Vorsicht ist
es jedoch praktisch unmöglich, im Fabrikbetriebe eine solche Maschine zu bauen,
bei der die TCTngenauigkeiten so geringfügig sind, daß die Unterschiede in der Spannung
in den verschiedenen Ankerstromkreisen verschwindend klein werden. Diese Schwierigkeit
wird zum allergrößten Teil durch die neuartige Anordnung und Verbindung zwischen
den Primärstromkreisen des Transformators und den Ankerstromkreisen überwunden,
da jeder Ankerstromkreis tatsächlich elektrisch unabhängig von den anderen Ankerstromkreisen
ist und Ungleichheiten in der Spannung der verschiedenen Ankerstromkreise daher
keine aus einem Ankerstromkreise zum andern laufenden OOuerströme hervorrufen können.
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Während unmittelbare OOuerströme zwischen den Ankerstromkreisen durch
deren elektrische Trennung somit durchaus unmöglich gemacht sind, ist doch das Auftreten
solcher Querströme nicht gänzlich ausgeschlossen, weil die Ankerstromkreise durch
die Primärstromkreise des Transformators magnetisch verkettet sind. Obgleich die
Querströme sehr beträchtlich und für die meisten Zwecke auch hinreichend durch die
elektrische Isolierung der Ankerstromkreise verkleinert werden, so kann doch eine
weitere Verminderung ihrer Größe durch eine magnetische Isolierung dieser Stromkreise
herbeigeführt werden, in denen die Phase und Höhe der Spannungen derart sind, daß
sie den Durchiluß verhältnismäßig großer Querströmungen hervorrufen können.
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Zu diesem Zwecke werden die Größe und Phase der Spannungen in den
verschiedenen Ankerstromkreisen gemessen und die Stromkreise in zwei oder in vier
Gruppen geteilt, so daß die in einer Gruppe befindlichen Stromkreise Spannungen
von möglichst vollkommener Gleichheit an Größe und Phase erzeugen. Diese Gruppen
von Ankerstromkreisen werden dann mit zwei oder vier unabhängigen Transformatoren
verbunden, deren Kraftfelder nicht oder kaum gegenseitig verkettet sind, so daß
keine Querströmung in den verschiedenen Gruppen auftreten kann. Wenn -lie sekundären
Wicklungen in Reihe geschaltet sind, so werden offenbar keine Querströme als Folge
der Transformation zwischen den Transformatorwicklungen entstehen können, «ras der
Fall sein könnte, wenn die sekundären Wicklungen der verschiedenen Gruppen parallel
geschaltet wären. Es ist ferner einleuchtend, daß, sofern die sekundären Stromkreise
der verschiedenen Gruppen in Reihenschaltung stehen, alle Gruppen denselben sekundären
Strom führen, woraus folgt, daß die Strombelastung gleichmäßig auf alle Primärspulengruppen
verteilt ist, selbst wenn die Spannungen nicht gleiche Phase haben. Die Folge davon
ist, daß, da der Strom in bezug auf die erzeugte Spannung in einer Gruppe mehr voreilt
als
in einer anderen, der induktive Potentialanstieg in den verschiedenen Gruppen verschieden
sein wird, während der Strom derselbe bleibt.
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Ein weiterer Vorteil der neuartigen Anordnung der Anker- und Transformatorwicklungen
liegt in der größeren Zuverlässigkeit, die der Apparat dadurch gewinnt. Wenn irgendeiner
der Ankerstromkreise eine Beschädigung erleiden sollte, so kann gegebenenfalls genügend
Strom aus dem Transformator in den beschädigten Ankerstromkreis übertreten, um den
Leitungsdraht abzuschmelzen, aber in solchem Falle wird nur ein kleinerer Teil der
Maschine außer Wirksamkeit gesetzt, da alle übrigen Ankerstromkreise nach wie vor
betriebsfähig bleiben, ohne daß ihr Betrieb gestört wird. Auf diese Weise ist es
möglich, den Betrieb der Maschine im Falle eines Unfalls aufrechtzuerhalten, auch
wenn die Ankerwicklung in beträchtlichem Umfange beschädigt ist. Der einzige Nachteil,
der in solchem Falle auftritt, besteht darin, daß die Maschine im Verhältnis zur
Zahl der beschädigten Ankerstromkreise dann entsprechend weniger leistet.
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Das Prinzip der Erfindung kann in verschiedenartigsten Ausführungsweisen
des Apparats seine Verwirklichung finden. In Abb. 6 und 7 ist beispielsweise ein
Transformator dargestellt, Svelcher in bestimmten Fällen besondere Vorteile bietet.
Die Windungen der Primärspulen .P dieser Ausführungsform verlaufen schneckenförmig,
anstatt konzentrisch, wie bei den Wicklungen P. Jede Primärspule P setzt sich aus
acht Leitungsdrähten 15 zusammen, welche, um sie leichter zeichnen und erklären
zu können, in Abb. 6 und 7 als ein zusammenhängendes Kabel in zwei Lagerschichten,
mit- vier Leitern in jeder Schicht, dargestellt sind. Dieses Kabel mit acht Drähten
ist schraubenförmig auf einem hohlen Zylinder aus isolierendem Stoff 30 gewickelt.
An einem Ende (dem linken Ende in Abb. 6)
sind die acht Drähte 15 jeder Spule
P wahlweise mit den acht primären Sammelschienen 17 der Abb. 2 verbunden, während
am anderen Ende die acht Drähte miteinander verbunden und an die Polklemme 18, entsprechend
der Klemme 18 in Abb. 2, angeschlossen sind. In elektrischer Beziehung sind somit
die Spulen P' genau so verbunden wie die Spulen P in einer Einheit des Transformators
T. Die zylindrische Doppelschicht von Spulen P wird bedeckt von einer Hülle 31 aus
isolierendem Stoff, und auf diese Umhüllung sind die Sekundärwicklungen S' des Transformators
aufgewickelt. Für diese sekundäre Wicklung S' kann einfacher Leitungsdraht oder
ein mehrfacher Draht benutzt werden, so daß man nach Belieben verschiedene sekundäre
Spannungen erhält. In Abb. 6 besteht die sekundäre Wicklung S' aus vier parallel
geschalteten Drähten, die in einer Schicht angeordnet und schraubenförmig als ein
einheitliches Kabel auf die isolierende Hülle 31 gewickelt sind. In dieser Ausführung
ist jeder Leitungsdraht oder Primärstromkreis i5-magnetisch mit der einzigen sekundären
Wicklung verbunden.
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Im vorstehenden ist die Erfindung nur in einigen Ausführungsformen
beschrieben worden, um den Erfindungsgedanken bezüglich seiner Verwirklichung an
einem Beispiele zu erläutern. Es können aber zahlreiche Änderungen in den Einzelheiten
der Bauart und der Anordnung der Teile vorgenommen werden, ohne daß damit an dem
Wesen des Ganzen etwas geändert wird.