DE401534C - Einrichtung zur Frequenzsteigerung - Google Patents

Description

(G 53972

Nach dem Buche von Steinmetz »Theorie und Berechnungen der Wechselstromerscheinungen«, Berlin 1900, Seite 118 bis 123 und nach dem Patent 286531 ist es bekannt geworden, vermittels stark gesättigter Eisendrosseln außer einer gegebenen Grundfrequenz höhere Frequenzen zu erzeugen. Es entstehen aber dabei mehrere stark ausgeprägte Frequenzen gleichzeitig, 'während meistens nur eine von diesen erwünscht ist. Vorliegende Erfindung gibt nun Mittel in die Hand, die gewünschte höhere Frequenz möglichst rein zu erzeugen. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Bemessung der Drosseln und insbesondere das Verhältnis des die Drosseln speisenden Stromes (bzw. der entsprechenden Amperewindungen) zu dem Sättigungsstrom (bzw. zu den zur Erreichung der Sättigung genügenden Amperewindungen·) so gewählt ist, daß die Zeit, während der die Sättigung der Drossel von Null auf einen genügend großen Wert der Sättigung (Kniestelle) ansteigt, sich zur Dauer einer Viertelperiode der Grundwelle des Wechselstromes verhält wie 1 : n, wobei η die gewünschte Frequenzvervielfachung ist.

Die Wirkungsweise dieser Einrichtung wird wie folgt erläutert:

Eine Drossel d (Abb. 1), die auch aus mehreren in Reihe liegenden Körpern bestehen kann, möge vom Generator über den Kreis I mit einer Grundfrequenz gespeist werden und möge selbst die gewünschte Oberfrequenz einem entsprechend abgestimmten Sekundärkreis II übermitteln.

Im Kreise I können in Reihe mit der Drossel d noch bekannte variable Abstimmittel (/.. B. eine Induktanz in Serie mit einer Kapazität) liegen, die bewirken, daß der vom Generator erzeugte Strom möglichst sinusartigen Verlauf hat, ferner kann man parallel

zum Generator bekannte Mittel zur Entlastung des Generators vom wattlosen Strom, bzw. zur Stabilisierung, wie Kondensatoren oder Drosseln, verwenden. Diese Mittel, wie auch der Generator selbst, sind in der Abbildung nicht zur Darstellung gebracht, da sie nicht Gegenstand der Erfindung sind.

Der mit der gewünschten höheren Frequenz gespeiste Sekundärkreis II kann entweder, wie ίο gezeichnet, direkt an die eisengesättigte Drossel d (z. B. an bestimmte Zwischenwiudungen oder Außenwindungen oder-die bereits an den Kreis I angeschalteten Klemmen) angeschlossen oder mit der Drossel induktiv mittels einer an dieser angebrachten Sekundärwicklung gekoppelt werden.

Dieser Sekundärkreis kann entweder die Antenne mit ihrer Verlängerungsspule enthalten oder als Zwischenkreis mit der Antenne induktiv oder galvanisch gekoppelt sein.

Die einzelnen Teile des Sekundärkreises II sind in der Zeichnung, weil nicht zur eigent- : liehen Erfindung gehörend, ebenfalls nicht zur Darstellung gebracht. '

Unter Umständen könnte die Eisendrossel mit dem Kreis II auch durch einen Serientransformator gekoppelt sein.

Im nachstehenden ist der Leerlauf der Anlage zugrunde gelegt, wobei der von der Maschine in die Eisendrossel geschickte Strom / als sinusförmig angenommen sein mag. Besitzt die Eisendrossel keine Gleich- ! stromamperewindungen, so sind ihre Ampere- j windungen proportional ihrem Wechselstrom, und ihre Induktion B ändert sich — wenn man von der Hysterese absieht — entsprechend ihrer Magnetisierungskurve (Abb. 2). j DurchdieseFluxwanderung wird in der Drossel i eine E. M. K. induziert, die beim sinusform igen Verlauf des Stromes im allgemeinen, wie bekannt, den in Abb. 3 dargestellten Verlauf hat (wiederum abgesehen von dem Einfluß der Hysterese). Die Spannungskurve nach Abb. 3 enthält außer der Grundwelle i noch verschiedene obere Harmonische, von denen man aber nur eine einzige als Nutzwelle braucht, die jedoch in der Regel nicht stark genug ausgeprägt ist.

Wird nun die Wahl der Verhältnisse gemaß der Erfindung getroffen, so erhält man jedesmal eine Spannungskurve, bei der die betreffende gewünschte Nutzoberwelle stark ausgeprägt ist, die anderen dagegen fast vollkommen zurücktreten. Wünscht man z. B. die fünfte Oberwelle als Nutzwelle zu be- ' nutzen, so wählt man nach der Erfindung die ■ Bemessung so, daß die Spannungskurve den in Abb. 5 dargestellten zeitlichen Verlauf hat. Das charakteristische dieser Kurve besteht darin, daß sie zunächst nach einer negativen \ Halbwelle verläuft, deren Zeitdauer 2 t_s ziem- i Hch genau den fünften Teil der halben Pe-

T
riode -7- der Grundwelle bildet und sich der

Form nach sehr nahe an die erforderliche sinusoidale Halbwelle der fünften Harmonischen anschmiegt, dann eine längere Zeit sich nur wenig ändert, dann eine positive Halbwelle von fünffacher Periode bildet, die von der vorangehenden positiven Halbwelle genau um

— absteht und diese in ihrer Wirkung also

unterstützen kann usf.

Zur Erzeugung dieser Spannungskurve von günstigster Gestalt ist es nötig, daß das Feld zeitlich verläuft, wie dies in Abb. 4 dargestellt ist; damit die Spannung zwischen den Punkten S₁ S dauernd nur klein bleibt, muß das Feld während dieser Zeit sich nur wenig ändern, d.h. die Werte der B-Kurve (Abb. 4) zwischen den Punkten P, P müssen im Bereich starker Sättigung (über dem Knie) liegen. Der Teil P₁-P der B-Kurve dagegen muß im Bereich der starken Änderung, also geringerer Sättigung liegen. Also müssen die Beträge der Induktion B in den Punkten P₁ und P (Abb. 4), den Kniepunkten P₁ und P der Magnetisierungskurve (Abb. 2) entsprechen, und die Zeit t_s (Abb. 4 und 5) muß diejenige sein, während der die Sättigung ,der Drossel von Null bis auf den Kniewert ansteigt.

Nun muß aber nach dem Obigen 2 t_s im gegebenen Falle (für die Erzeugung der fünften

Oberwelle) ein Fünftel der Zeit ~ (halbe Grundperiode) betragen; also es muß sein:

2 ί_ν: — — — oder t_s : — = —. ' 25 4 5

Für den allgemeinen Fall einer «-fachen Frequenzsteigerung kommt man in analoger Weise zur allgemeinen Bedingung:

T
4

ι.

Man kann also die Bedingung für die w-fache Frequenzsteigerung wie folgt ausdrucken: die Zeit t_s> während der die Sättigung der Drossel bzw. der Drosseln von Null auf einen genügend großen Wert (Kniestelle) ansteigt, muß sich zur Zeit einer Viertelperiode der Grundwelle verhalten wie 1 : n.

Die obige Bedingung liefert auch die Formel für die Abhängigkeit zwischen demjenigen Momentan werte i_s des Stroms, der die genügende Sättigung ("bis zum Knie) erzeugt (dieser Strom wird fortan kurzweg »Sättigungsstrom« genannt) und dem Amplitudenwerte J_m des von der Maschine in die Drossel geschickten Wechselstromes. Das. ergibt sich ohne weiteres aus dem Vektordiagramm (Abb. C). i_s ist ein Momentanwert des Stro-

mes zur Zeit t_s, bei Amplitude /_m und Zeitperiode T, also es gilt:

is = Jm sin 2 π -

ts

oder unter Benutzung der Bedingung ι:
. = /. sin (^j 3.

Aus dieser Gleichung kann man den Sättigungsstrom berechnen, wenn die gewünschte Frequenzvervielfachung η und der Maximalstrom, welcher durch die Drossel fließt, gegeben sind, und aus diesem Strom wiederum den Eisenquerschnitt und die nötige Windungszahl der Drosseln bestimmen.

Ist umgekehrt eine Drossel gegeben und somit auch der Sättigungsstrom, so kann aus Gleichung 3 der zur Erhaltung der w-fachen Frequenzsteigerung erforderliche Maximalstrom berechnet werden.

Die oben gefundenen Verhältnisse gelten auch annähernd für den Fall der Belastung und für den Fall, daß der Primärstrom von der Sinusform etwas abweicht.

Ist die gewünschte Frequenzvervielfachung?! größer als 2, so kann man in der Gleichung 3 mit genügender praktischer Genauigkeit den

Sinus von ■ durch seinen Bogen ersetzen

und man erhält dann die folgende einfache Beziehung:

Jm ^ is

TC

4·

Werden .hisendrosseln wie im vorher behandelten Erläuterungsbeispiel ohne Gleichstrommagnetisierung verwendet, so fließen die Ströme i_s und J_m im allgemeinen durch ein und dieselben Windungen der Drosseln. Verwendet man aber dagegen Gleichstrommagnetisierung, so wird die Sättigung durch Gleichstrom erzielt, wobei dieser Strom ein anderes Windungssystem durchfließen kann als der Wechselstrom. In diesem Falle kommen in Gleichung 3 oder 4 statt der Ströme die entsprechenden Ampejrewindungen. Man muß dann in diesen Gleichungen unter i_s und I_m Amperewindungen verstehen.

Will man z. B. mit einer oder mehreren gleichstrommagnetisierten Eisendrosseln eine geradzahlige, beispielsweise sechsfache Frequenzsteigerung erzeugen und stellt die Abszisse i_s in Abb. 2 jetzt die Gleichstromamperewindungen dar, die die genügende Sättigung der Drossel hervorbringen, kann man nach der Formel 3 bzw. 4 den Amplitudenwert der Wechselstromamperewindungen be rechnen und man erhält dann für jede Drossel eine Feldkurve mit dem zeitlichen Verlauf der Induktion nach Abb. 7, woraus sich dann die Spannungskurve nach Abb. 8 ergibt.

Da der Wechselstrom an den Kniepunkten in diesem Falle den Wert Null hat, so stellt in Abb. 7 die Strecke S, S die Zeit zwischen zwei Durchgängen des Wechselstromes durch Null

dar, also — (die halbe Grundperiode). Die

Punkte O der Kurve (Abb. 7) entsprechen den Zeitpunkten, in denen sich die Gleichstrom- und Wechselstromamperewindungen vollkommen aufheben, so daß die Induktion gleich Null ist und die Zeitpunkte S₁ sind diejenigen Momente, in denen die Induktion durch die Kniewerte P₁ des negativen Teiles der Magnetisierungskurve hindurchgeht. Die Zeiten S₁, S = 2t_s sind wiederum die Zeiten der intensiven Änderung der Induktion, die Zeiten S, S und S₁, S₁ dagegen sind die Zeiten der geringen Änderung.

Die Zeit 2 i. ist bei der Abb. 8 ein Sechstel

der gewünschten

der Zeit —.(entsprechend

sechsfachen Frequenz), und die positive HaIbwelle sechsfacher Frequenz ist derart gegenüber der Mittellage zwischen zwei negativen Halbwellen sechsfacher Frequenz nach rechts verschoben, daß sich die positiven und negativen Halbwellen in ihrer Wirkung auf die eingeleitete Schwingung sechsfacher Frequenz unterstützen.

Man sieht, daß auch in diesem Fall die oben für dieDrosseln ohne die Gleichstromerregung aufgestellte Bedingung erfüllt ist, da auch hier die Zeit O, S = t_s (Abb. 7), während der die Sättigung von Null bis auf einen genügend großen Wert der Sättigung ansteigt, einen

T «-ten, gegebenenfalls sechsten Teil der Zeit —_r

ausmacht.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Einrichtung zur Frequenzsteigerung vermittels stark gesättigter Eisendrosseln, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung der Drosseln sowie das Verhältnis des die Drosseln speisenden Stromes zu dem Sättigungsstrom so gewählt sind, daß die Zeit, während der die Sättigungen der Drosseln no von Null auf einen genügend großen Wert der Sättigung (Kniewert) ansteigen, sich zu der Zeit einer Viertelperiode der Grundwelle des Wechselstromes verhält wie 1 : n, wobei η die gewünschte Frequenzvervielfachung ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.