DE539780C - Anordnung zur Frequenzwandlung aus einem Mehrphasensystem - Google Patents

Description

Anordnungen zur Frequenzwandlung, die aus ruhenden Apparaten bestehen, sind besonders zur Erzeugung von hohen und höchsten Frequenzen, die beispielsweise für drahtlose Telegraphic benötigt werden, erforderlich, weil derartig hohe Frequenzen sich in einer Maschine nicht unmittelbar erzeugen lassen. Man geht bei einer Frequenzwandlung auf hohe und höchste Frequenzen so vor, daß man zuerst Ströme verhältnismäßig niederer Periodenzahl in. den Maschinen und erst dann die Ströme der gewünschten hohen Frequenz in ruhenden Frequenzwandlern erzeugt. Im allgemeinen kann man sagen, daß Ströme von mehr als etwa io ooo Hertz sich mit Maschinen nur sehr schwer erzeugen lassen.

Zur Erzeugung der praktisch erforderlichen Frequenz aus der von einer Maschine gelieferten Frequenz sind nun bereits sogenannte Frequenzverdoppler oder auch Verdreifacher mit Gleichstromvormagnetisierung bekannt. Derartige ruhende Frequenzwandler eignen sich aber schlecht zur Erzeugung kürzerer Wellen, so daß bei einer stufenweis wiederholten Verdopplung oder Verdreifachung der Frequenz sehr bald der Wirkungsgrad der immer verwickelter werdenden Anordnung unter das zulässige Maß sinkt.

Weiterhin ist noch ein Frequenzvervielfachungsverfahren bekannt, bei dem ein sinusförmiger Strom durch eine eisengeschlossene, sehr hoch gesättigte Drossel geschickt wird, so daß die EMK nicht entfernt mehr sinusförmige Gestalt hat, sondern im wesentlichen nur noch aus einzelnen ziemlich scharfen Spitzen besteht. Die gewünschte höhere Frequenz kann zwar nach diesem Verfahren unmittelbar in einer Stufe erhalten werden, und zwar dadurch, daß Resonanzkreise, die auf ein Vielfaches der Grundfrequenz abgestimmt sind, durch die hohen Spannungsspitzen angestoßen werden. Der Nachteil dieser Anordnung besteht aber darin, daß der Wandler zwar hauptsächlich die gewünschte Frequenz, nebenher aber, wenn auch mit erheblich geringerer Energie, ein ganzes Spektrum von Nebenfrequenzen erzeugt. Bei der Empfindlichkeit der heutigen Empfänger und bei der engen Belegung des zur Verfügung stehenden Wellenbereiches mit Sendern muß aber die Strahlung von ungewollten Frequenzen, wenn sie auch nur mit verschwindenden Bruchteilen der Energie der Sollfrequenz erfolgt, unbedingt unterdrückt werden.

Grundsätzlich wäre es nun freilich möglich, ungewollte Frequenzen in scharf abstimmfähigen Resonanzkreisen abzusieben. Scharf abstimmfähige Resonanzkreise jedoch dürfen nur sehr geringe Dämpfung haben. Das hat zur Folge, daß in solchen Kreisen Spannung und Strom sich auf außerordentlich hohe Beträge hinaufschaukeln. Kondensatoren und Spulen der Kreise müssen für die sich ergebende große Blindleistung bemessen sein, sie werden infolgedessen teuer, und zwar um so mehr, je schärfer die Abstimmfähigkeit

und je besser die Siebwirkung des Kreises sein soll, so daß praktisch die Verwendung mehrerer Zwischenkreise oftmals auf unübeiwindliche Schwierigkeiten stößt. Die Erfindung vermeidet sämtliche Nachteile der bekannten ruhenden Frequenzwandler, und zwar dadurch, daß der aus einem Mehrphasensystem gespeiste Frequenzwandler in an sich bekannter Weise aus in Stern geiQ schalteten, eisengeschlossenen Drosseln besteht, deren Zahl gleich der Zahl oder einem Bruchteil der Zahl des gewünschten Frequenzübersetzungsverhältnisses ist, und daß der Nutzstrom gewünschter Frequenz gemäß der Erfindung zwischen dem Drosselsternpunkt und dem Maschinennullpunkt oder dem Drosselsternpunkt und einem künstlichen Nullpunkt abgenommen wird. Gegenüber bekannten Einrichtungen besitzt die erfindungsao gemäße Anordnung den Vorteil, daß eine Sekundärwicklung nicht vorhanden ist.

Die freien Enden aer in Stern geschalteten Drosseln sind mit den Klemmen der Mehrphasenmaschine verbunden.
Sind unter diesen Umständen die Verhält-' nisse. so gewählt, daß sich eine erhebliche Sättigung des Eisenkernes der Drosseln ergibt, so müßte der magnetisierende Strom sehr stark verzerrt werden, wenn eine sinusförmige Phasenspannung an den Klemmen jeder Drossel erhalten bleiben soll, und zwar enthält der einem sinusförmigen Flusse und damit einer sinusförmigen Spannung entsprechende Strom sämtliche ungeraden Oberfrequenzen mit abnehmender Amplitude. Im Vielphasensystem in Sternschaltung können nun aber Ströme derjenigen Oberfrequenzen, deren Ordnungszahl gleich der Phasenzahl oder gleich einem ganzen Vielfachen davon ist, nicht fließen, und zwar deswegen nicht, weil sie sich im Gegensatz zu allen anderen Strömen nicht zu Null addieren, so daß sie nur fließen können, wenn der Nullpunkt der Maschine mit dem Nullpunkt des Drossel Sternes verbunden ist. 1st dies nicht der Fall, so werden im magnetisierenden Strom in einem 45-Phasen-System z. B. die Stromoberwellen der 45 fachen, der 3 X 45 fachen, der 5 X 45 fachen Usw. Frequenz fehlen, so daß der Fluß in den Wandlern und damit die induzierte Phasenspannung sich entsprechend verzerren muß. Der Nullpunkt des Drosselsternes wird gegenüber dem Maschinennullpunkt eine Spannung aufweisen, deren Ffequenz das 45fache, 3 X 45fache, 5 X 45fache der Mahchinenfrequenz ist. Allgemein gesprochen tritt zwischen Drosselsternpunkt und Maschinennullpunkt eine Spannung auf, deren Frequenz gleich der Maschinenfrequenz multipliziert mit der Phasenzahl und den ungeraden Vielfachen dieser Frequenz ist, die jedoch frei ist von allen anderen Frequenzen. Dies ist die Nutzspannung der erfindungsgemäßen Anordnung. Sie kann dazu verwendet werden, unmittelbar oder unter Vermittlung eines Zwischenkreises die Antenne des Senders zu erregen. Da durch die Belastung Ströme zum Fließen kommen, deren Frequenz derjenigen der Spannung entspricht, wird die Verzerrung des Flusses durch die Belastungsströme verkleinert, die Nutzspannung sinkt. Sache der Konstruktion des Senders ist es, den scheinbaren. Widerstand des Nutzkreises so zu bemessen, daß ein Maximum an Leistung der Anordnung entnommen werden kann.

Ein Strahlen ungewollter Frequenzen wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung kaum auftreten; denn wenn man beispielsweise wie oben die Maschinenfrequenz in einem 45-Phasen-System auf das 45fache wandelt, also etwa transformiert von 10 000 auf 450 000 Hertz, so tritt als nächst benachbarte Störspannung an dem Frequenzwandler eine Spannung von 3 X 450 000 Hertz auf. Gegenüber dieser Spannung ist die Antenne um 200 °/o. verstimmt, und etwaige Reste, die doch noch durchkommen sollten, werden sich leicht durch einen Zwischenkreis beseitigen lassen, wie von den Röhrensendern her bekannt ist. Bei dem bekannten Wandler mit Stoßerregung liegen die Verhältnisse in dieser Beziehung wesentlich ungünstiger; wird dort etwa auf das 45 fache auf 450 000 Hertz gewandelt, so treten als S tor spannungen solche von 43- und 47facher Frequenz auf. Spannungen also, denen gegenüber die Verstimmung der Antenne oder des Zjvischenkreises nur etwas mehr als 4 °/„ beträgt.

Man kann die Vorzüge der erfindungsgemäßen Anordnung auch noch auf andere Weise zur Darstellung bringen. Es ist ja bekannt, daß eine Einphasenwechselstrommaschine Leistung nicht kontinuierlich, sondern pulsierend abgibt, und zwar schwankt die Leistungsabgabe mit der doppelten Frequenz zwischen Null und einem Höchstwerte, wenn Strom und Spannung in Phase sind. Die Leistungsabgabe einer 10000-Hertz-Maschine schwankt also mit einer Frequenz no von 20 000 Hertz. Für die Leistungsabgabe der Antenne gilt dasselbe. Wird also, um die Zahlenwerte des obigen Beispiels beizubehalten, die Antenne mit 450 000 Hertz erregt, so pulsiert ihre Leistungsabgabe mit 900000 Hertz. Bei einem Frequenzwandlungssystem, das von der Einphasenmaschine ausgeht, werden demnach stets Energiespeicher, Kondensatoren und Drosseln vorhanden sein massan von solcher Größe, daß die Energiezufuhr, die im vorliegenden Falle seitens der Maschine in viel zu langsamem Takte erfolgt, während

der Zwischenzeit von den Drosseln und Kondensatoren aus erfolgen kann, und zwar muß die Energiezufuhr sehr gut ausgeglichen sein, da sonst nicht mit konstanter, sondern mit schwankender Amplitude gestrahlt wird. Dies kommt einer Modulation der gestrahlten Welle gleich, und bekanntlich ist eine modulierte Welle zusammengesetzt zu denken aus einem ganzen Spektrum von Frequenzen.

ίο Bei einer Mehrphasenmaschine dagegen erfolgt die Leistungsabgabe durchaus konstant, und die Energiespeicher brauchen nur so groß zu sein, daß sie die sehr schnellen Variationen der Leistungsabgabe seitens der Antenne zu decken vermögen. Das Ergebnis dieser Überlegung, nämlich daß Kondensatoren und Drosseln erheblicher Blindleistung, erheblicher Arbeitsspeicherungsfähigkeit aufgewendet werden müssen, um in den praktischen Anforderungen genügender Art und Weise die Leistung einer Einphasenmaschine auf höhere Frequenzen transformieren zu können, stimmt in seinen Ergebnissen durchaus überein mit der eingangs angestellten Überlegung, die mit Rücksicht auf die Absiebung ungewollter Frequenzen zu demselben praktisch die Ausführung einer derartigen Anordnung erheblich erschwerenden Ergebnis führte.

Die Verwendung einer Vielphasenmaschine könnte zunächst als ein Nachteil des beschriebenen Verfahrens erscheinen. Eine Hochfrequenzmaschine erhält ja bekanntlich von Natur eine sehr enge Nutteilung, so daß einer Vermehrung der Nutenzahl zwecks Einwickelns von Leitern mehrerer Phasen erhebliche Bedenken gegenüberstehen. Es ist nun aber nicht erforderlich, in jeder Polteilung je einen Leiter jeder Phase unteizubringen. Man kann bei Hochfrequenzmaschinen so vorgehen, daß man bei einer Dreiphasenmaschine beispielsweise über linke Kante Pol 1 einen Leiter der Phase 1, über Mitte Pol 2 einen Leiter der Phase 2, über rechte Kante Pol 3 einen Leiter der Phase 3 wickelt. Pol 4 bleibt dann frei. Über linke Kante Pol 5 wird ein Leiter der Phase 1 gewickelt, über Mitte Pol 6 ein Leiter der Phase 2 usw. Allgemein gesprochen, wird über jeden Pol nur ein Leiter

So gewickelt, und zwar kommt er an eine seiner Phase entsprechend gegen seinen Vorgänger verschobene Stelle zu liegen. Das Ergebnis ist. daß auf diese Weise die Nutteilung sogar gröber wird als die einer Einphasenmaschine.

Die Verwendung einer Mehrphasenmaschine bringt jedoch noch weitere Vorteile mit sich: Verluste durch inverse Drehfelder fallen fort, und als ganz besonderer Vorteil erscheint, daß eine vielphasige Hochfrequenzmaschine sich ohne weiteres als Asynchrongenerator ausführen läßt. Dies macht eine sehr einfache Läuferausführung — etwa als Walzenläufer mit Verkupferung als Käfig — möglich und sichert der Anordnung noch einen weiteren, sehr bedeutsamen Vorteil: Bei der Asynchronmaschine ist die Frequenz nicht streng der Drehzahl proportional; einer kleinen Drehzahländerung entspricht nicht ohne weiteres eine entsprechende Frequenzänderung, sondern der Schlupf und damit die abgegebene Leistung verschiebt sich. Eine kleine Änderung der abgegebenen Leistung ist nicht von einschneidender Bedeutung, und dementsprechend braucht man an die Drehzahlregulierung einer derartigen Maschine nicht so hohe Anforderungen zu stellen wie bei synchronem Antrieb.

Die Asynchronmaschine bedarf induktiven Stromes zur Erregung. Er läßt sich bei den hohen, in Frage kommenden Frequenzen ohne weiteres durch Kondensatoren liefern, durch Kondensatoren, die man bei etwaigem Betriebe mit einer Synchronmaschine ohnehin verwenden würde, um die Magnetisierungsblindleistung für die eisengeschlossenen Dros- sein von der Maschine fernzuhalten. Praktisch kommen hierfür zwei verschiedene Schaltungen in Frage: Parallelschaltung der Kondensatoren zu den Drosseln und Serienschaltung, also Einschaltung der Kondensatoren in die Zuführungsleitungen, die von der Maschine zum Frequenzwandler führen. Eine Parallelschaltung darf dabei nicht so erfolgen, daß den einzelnen Drosseln Kondensatoren parallel geschaltet werden; dies würde die Höhe 95· der induzierten Spannung höherer Frequenz herabdrücken. Die Kondensatoren sind demnach entweder im Polygon oder in Stern so zu schalten, daß der Kondensatorensternpunkt nicht mit dem Drosselsternpunkt verbunden wird. Im praktischen Falle wird es sich unter Umständen empfehlen, beide Schaltungen zu vereinigen; es ergibt sich auf diese Weise das Schaltbild Abb. 1. Eine derartige Schaltung hat den Vorzug, daß bei ihr ti; Steigerung der Oberwellenscheitelwerte im magnetisierenden Strome, die bei reiner Serienschältung zu einer unter Umständen lästigen Erhöhung der Verluste im Wandler führen könnte, herabgedrückt wird und doch der Vorzug der Serienschaltung, nämlich die Erhöhung der Spannungen durch Spannungsresonanz, erhalten bleibt. Eine Einschaltung von nicht eisengeschlossenen Induktivitäten in den Kreis, die bei dem bekannten Frequenzwandlungsverfahren mit Stoßerregung erforderlich ist, um nahe sinusförmigen Magnetisierungsstrom zu sichern, ist hier nicht erforderlich ; es ist ja gerade kennzeichnend für die erfindungsgemäße Anordnung, daß Magnetisierungsströme, die die gewünschte Spannungsverzerrung hindern könnten, nicht fließen

können, und zwar auch nicht bei Einschaltung von Kondensatoren.

Der erfindungsgemäße Frequenzwandler selbst kann in der praktischen Ausführung noch erheblich abgeändert werden. Um an Eisen und — was bei den in Frage kommenden hohen Frequenzen wichtiger ist — an Eisenverlusten zu sparen, kann man die Flüsse verketten, wie dies vom Dreiphasentransformator her bekannt ist. Alle Flüsse aer Grundfrequenz und derjenigen Oberfrequenzen, deren Ordnungszahl durch die Phasenzahl nicht teilbar ist, ergänzen sich gegenseitig zu Null. Sie können also durch gegenseitige Verbindung der Eisenkerne durch ein Joch o. dgl. geschlossen werden. Für die hier wichtigsten Flüsse der übrigen Frequenzen muß dann ein magnetischer Rückschluß durch einen oder mehrere unbewickelte Schenkel

ao oder ähnliche Anordnungen gesorgt werden. Auf diese Weise wird aus den zahlreichen Drosseln — ihre Zahl wäre gleich der Phasenzahl der Anordnung — eine mehrphasige Drossel, ein Vielphasenwandler.

Es ist auch nicht erforderlich, die Spannung höherer Frequenz zwischen Wandlersternpunkt und Maschinennullpunkt zu entnehmen. Man kann dann so vorgehen, daß man die Nutzspannung zwischen dem Wandlersternpunkt und einem künstlichen Nullpunkt, der z. B. aus den schon erwähnten in Stern geschalteten Kondensatoren gebildet sein kann, entnimmt. Eine derartige Anordnung zeigt Abb. 2.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Frequenzwandlung aus einem Mehrphasensystem, bestehend aus in Stern geschalteten, eisengeschlossenen Drosseln, deren Zahl gleich der Zahl oder einem Bruchteil der Zahl des gewünschten Frequenzübersetzungsverhältnisses ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzkreis zwischen Drosselsternpunkt und Maschinennullpunkt oder Drosselsternpunkt und einem künstlichen Nullpunkt angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Maschine und den Drosseln Kondensatoren in Stern- oder Polygonschaltung angeordnet sind, daß der Drosselsternpunkt nicht mit dem Kondensatorensternpunkt zusammenfällt, und daß gegebenenfalls der Kondensatorensternpunkt als künstlicher Nullpunkt dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrphasenmaschine weniger als einen Leiter jeder Phase pro Polteilung enthält, etwa einen Leiter der Phase 1 in der Polteilung i, einen Leiter der Phase 2 in der Polteilung 2 usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen