-
Einrichtung zur Verminderung der Eisenverluste in elektrischen Wechselstromapparaten,
Maschinen und Transformatoren für Niederfrequenz durch Überlagerung eines Wechselfeldes
im magnetischen Kreis. Die Eisenverluste in elektrischen Wechselstromapparaten,
Maschinen und Transformatoren stellen einen großen Teil der Leerlaufsarbeit dar
und beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Auch setzen sie infolge der
durch sie verursachten Erwärmung der Materialausnutzung eine gewisse Grenze. Eine
Herabsetzung der Eisenverluste würde unter anderm eine höhere Kraftlinieninduktion,
also die Verwendung stärkerer Felder, zulassen und damit wäre bei gegebenem Modell
und gleichem Gesamtverlust eine größere Leistung, also ein entsprechend höherer
Wirkungsgrad, erreichbar. Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zur
Verminderung der Eisenverluste, bei welcher dem ursprünglichen Wechselfeld im magnetischen
Kreis des, elektrischen Apparates, der Maschine oder des, Transformators durch eine
Hilfswicklung ein Wechselfeld überlagert wird, dessen Frequenz ein Vielfaches der
Frequenz des ursprünglichen Wechselfeldes beträgt. Der Gedanke, die Eisenverluste
der Grundfrequenz durch überlagerte Wechselfelder höherer Frequenz herabzusetzen,
ist an sich nicht mehr neu, Versuche dieser Art führten aber bisher nicht zu dem
gewünschten Ziel, weil die höhere
Frequenz nicht hoch genug gewählt
wurde und weil daher die Summe der Eisenverluste der Grund- und der höheren Frequenz
größer waren als die Eisenverluste der Grundfrequenz ohne überlagerung. Zum Ziel
gelangt man erst durch die Erkenntnis, daß die Eisenverluste bei gegebener Wicklung
und Spannung mit Zunahme der Frequenz erst zu-, dann aber wieder abnehmen. Bei Frequenz
O ist der Strom und das Feld ein Maximum, aber die Eisenverluste sind O. Steigt
die Frequenz von O auf einen nicht sehr hohen Wert, dann nimmt bei gleichbleibender
Steigerung das Feld ab, aber die Eisenverluste nehmen zu. Bei immer weiterer Steigerung
der Frequenz nimmt das ,Feld weiter ab, und schließlich nehmen auch die Eisenverluste
ab, weil das Streufeld prozentual zunimmt, dieses aber keine Verluste verursacht.
Wählt man zur Oberlagerung demnach eine Frequenz von solcher Höhe, daß die -zusätzlichen
Verluste durch die überlagerte Frequenz kleiner sind als die Ver-, minderung der
ursprünglichen Eisenverluste, dann wird das angestrebte Ziel der Verminderung der
gesamten Eisenverluste erreicht. Hierbei ist es vorteilhaft, die Hilfswicklung so
anzuordnen, daß sie mit den übrigen Wicklungen des Apparates p, p magnetisch nicht
gekoppelt ist, damit eine gegenseitige Induktion der beiden Wicklungssysteme vermieden
wird. Dies ist von erheblicher Bedeutung; denn zwei frequenzfremde Netze, innig
miteinander gekoppelt, stellen bis zu einem gewissen Grade Kurzschlußkreise für
einander dar. Im betrachteten Falle würde eine innige Koppelung demnach zu unzulässig
hohen Strömen und großen zusätzlichen Verlusten führen, wodurch der Vorteil der
Anordnung wieder verlorenginge.
-
Die. Beeinflussung der 1@Iagnetisierungsarbeit des Wechselstromes
der Grundfrequenz durch Lberlagerung des Wechselfeldes höherer Frequenz läßt sich
auf folgende Weise erklären: Es ist eine bekannte Erscheinung, daß man durch Klopfen
eines Eisenkörpers, also durch bloße mechanische Erschütterung, die Magnetisierung
fördern kann, weil die auf diese Weise in Schwingung gebrachten »Molekularmagnete«
mit weniger Energieaufwand gerichtet werden, als wenn sie sich in ihrer natürlichen
Ruhelage befinden. Eine ähnliche Wirkung kann man erreichen, wenn man die mechanische
Erschütterung durch eine elektrische ersetzt, indem man hochfrequente Magnetisierungsströme
auf das Eisen einwirken läßt. Die Drehung der Molekularmagnete erfolgt dann nicht
nur mit der einfachen Grundfrequenz des erregenden Wechselstromes, sondern sie weist
eine oberharmonische Schwingung auf als Folge der zusätzlichen Erregung mit hochfrequentem
Strom. Die Rechnung ergibt, wie bereits ausgeführt, daß bei geeigneter Wahl der
überlagerten Frequenz die Summe der in beiden Erregungen aufgewendeten Energien
erheblich kleiner ist als die bei Erregung mit der gegebenen Niederfrequenz erforderliche
Magnetisierungsenergie.
-
Die Verhinderung der gegenseitigen Induktion der Erregerwicklungen
für den nieder-und den hochfrequenten Erregerstrom ließe sich z. B. dadurch erreichen,
daß der Eisenkern 'aus zwei parallelen Hälften gebildet wird, und daß die Erregerwicklung
für den niederfrequenten Strom beide Hälften in gleichem Sinne, die Erregerwicklung
für den hochfrequenten Strom dagegen die beiden Hälften in entgegengesetztem Sinne
erregt. Eine andere Anordnung wäre bei Ein- oder Mehrphasentransformatoren durch
Verwendung eines besonderen Magnetschenkels für die zusätzliche Erregerwicklung
möglich. Ein Einphasentransformator erhielte hiernach einen dritten Kern zur Aufnahme
der Wicklung für den hochfrequenten Strom. Es würde auch genügen, die Erregerwicklungen
auf die gleichen Magnetkerne zu bringen und die :Magnetwicklung für den hochfrequenten
Strom in zwei räumlich getrennte, in bezug auf den Magnetkreis einander entgegenwirkende
Hälften zu teilen, deren Streuung gegeneinander derart groß ist, daß ihre Streufelder
zur Erzielung der gewollten Wirkung ausreichen. Im letztgenannten Falle kann man
auch mit nur einer Erregerwicklung für beide Erregerströme auskommen, wenn man die
Magnetwicklung aus zwei parallelen Zweigen herstellt, an deren Enden der Erregerstrom
für die eine Frequenz, und an deren Mitten der Erregerstrom für die andere Frequenz
zugeführt werden. Die Erregerwicklung stellt in diesem Falle eine Art Brückenschaltung
dar, bei welcher die Erregerströme über je zwei zugeordnete gegenüberliegende Punkte
der Brücke fließen.
-
Zur Veranschaulichung der vorgenannten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
diene die Abb. i bis 3.
-
In Abb. i stellt F den Magnetkörper eines dreischenkligen Transformators
dar, auf dessen beiden äußeren Schenkeln die Wicklungen für die niedere Frequenz
(in der Abbildung ist nur die Sekundärwicklung, NI, IV, gezeichnet, die Primärwicklung
ist nicht dargestellt), auf dessen mittleren Schenkel dagegen die Wicklung H zum
Anschluß an die Hochfrequenz -N Sich befinden. Die Wicklungen für die niederfrequenten
Ströme sindso angeordnet, daß sie nur die beiden äußeren, nicht aber den mittleren
Schenkel erregen, während die Wicklung H 'für den hochfrequenten
Strom
den mittleren Schenkel und die beiden äußeren Schenkel derart erregt, daß sich die
beiden äußeren Schenkel für das hochfrequente Feld in Parallelschaltung befinden.
Dadurch ist eine gegenseitige Induktion der verschieden frequenten Stromkreise vermieden.
-
In Abb. z stellt F den zweischenkligen Magnetkörper, z. B. einer Drosselspule,
dar, auf dessen einem Schenkel die Wicklung tV für
die niedere Frequenz --,v,
und auf dessen anderem Schenkel die gegeneinandergeschalteten Wicklungen Hl und
Hz gleicher Windungszahl für die Hochfrequenz --h sich befinden. Infolge der Gegenschaltung
der Wicklungen Hl und H.> bildet sich kein hochfrequentes Hauptfeld im Eisen der
Drosselspule, sondern nur ein hochfrequentes Streufeld aus, dessen Verlauf teilweise
durch das Eisen der Magnetgestelle geht. Dies genügt vollständig zur Herabsetzung
der Gesamteisenverluste der Drosselspule, ohne daß eine gegenseitige Induktion der
Wicklungen Hl, H., auf N und umgekehrt stattfindet.
-
In Abb.3 ist die Anordnung so getroffen, daß ein und dieselbe Wicklung
a, b, c, d zum Anschluß an die niedere Frequenz ---N und an die Hochfrequenz
--N dient. Die Wicklungsteile ar, b, c und d sind so miteinander verbunden,
daß sie eine Brückenschaltung darstellen, wobei zwei gegenüberliegende Punkte der
Brücke mit dem Netz der hohen, die beiden anderen gegenüberliegenden Punkte dagegen
mit dem Netz der niederen Frequenz verbunden sind. Der Wicklungssinn der einzelnen
Teile ist dabei ein solcher, daß der niederfrequente Strom im Magnetgestell ein
Hauptfeld, der hochfrequente Strom dagegen nur ein Streufeld erregt, und zwar derart,
daß weder eine Induktion in Richtung des niederfrequenten Brückenzweiges durch das
hochfrequente Streufeld noch eine Induktion in Richtung des hochfrequenten Brückenzweiges
durch das niederfrequente Hauptfeld stattfindet. Auch in diesem Falle können die
Gesamteisenverluste durch die zusätzliche Erregung mit hochfrequentem Strom verkleinert
werden.
-
Die Abb. 4. zeigt eine Anordnung, bei welcher der magnetische Kreis
aus zwei parallelen Hälften besteht. Diese beiden Hälften werden von der Erregerwicklung
für das niederfrequente Feld N in gleichem Sinne, von der Erregerwicklung für das
hochfrequente Feld H in entgegengesetztem Sinne magnetisiert.