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Einrichtung zur Umwandlung von Gleichstrom höherer Spannung in solchen
von niedrigerer Spannung Es ist auf verschiedenen Wegen versucht worden, mit Hilfe
von Kondensatoren Gleichstrom in solchen von anderer Spannung umzuwandeln. Bei der
einfachsten Schaltanordnung, die diesem Zweck dient, wird eine Reihe von Kondensatoren
in Parallelschaltung aufgeladen und in HintereinanderschaItung entladen. Bei einer
anderen Urnformeinrichtung werden Drehkondensatoren verwendet, finit Hilfe deren
eine Spannungssteigerung oder Spannungsverminderung durch Änderung der Eigenkapazität
erzielt werden kann.
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Weiterhin ist eine Einrichtung zur Umformung von Gleichstrom höherer
Spannung in solchen von niedrigerer Spannung vorgeschlagen worden, bei der zwei
Kondensatoren von verschieden großer Kapazität verwendet werden. Der Kondensator
mit der kleineren Kapazität wird zuerst mit der höheren Spannung aufgeladen und
dann auf den Kondensator mit der größeren Kapazität umgeladen. Parallel zu diesem
Kondensator ist d'er 'Verbr aucherstro:mkreis geschaltet.
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Die Spannung, die der Kondensator mit der größeren Kapazität - im
folgenden Se kundärkondensator genannt - annimmt, ist stets kleiner als die des
Kondensators mit der kleineren Kapazität - im folgenden Primärkondensator genannt
-, und zwar um so, kleiner, je größer seine Kapazität gegenüber der Kapazität des
Primärkondensators ist. Ist die Kapazität des Primärkondensators Cl gleich der Kapazität
des Sekundärkondensators C2, dann wird die Primärspannung Ui, mit der der Primärkondensator
aufgeladen wird, auf die Hälfte herabgesetzt, es- ist also
Im Augenblick der Umladung sind Primär- und Sekundärkondensator parallel geschaltet,
und die gesamte Kapazität, auf die sich die Ladung des Primärkondensators verteilt,
ist auf das Doppelte vergrößert, so daß die Spannung auf die halbe Spannung zurückgehen
muß. Ist die Kapazität des Sekundärkondensators C2 zehnmal so groß wie die des Primärkondensators
C1, dann sinkt die Spannung auf den elften Teil herab, ist sie aomal so groß, auf
den 2z. Teil usf. Das Übersetzungsverhältnis des Umformers ist sonach gegeben durch
das Verhältnis der Kapazität von Primär-. und Sekundärkondensatoren zueinander.
Ist dieses Verhältnis
dann ist Ui = (n + z) U2. Ist das Verhältnis der Kapazitäten sehr groß, so daß die
Primärkapazität gegen die Sekundärkapazität vernachlässigt werden kann, dann ist
das Übersetzungsverhältnis der Spannungen praktisch gleich dem Verhältnis der Kapazitäten
der Kondensatoren zueinander, d. h. es ist
Die Trägheit der bei der bekannten Kondensatorumladeschaltung verwendeten mechanischen
Kontaktgebung
ermöglicht jedoch nur die Umwandlung von verhältnismäßig
geringen Leistungen. Außerdem konnte die Aufladung des Primärkondensators nur stoßweise
erfolgen.. Die Erfindung dient nun dem Zweck, die K(#n@@ densatorumladeschaltung
in eine Form zur' bringen, die es ermöglicht, ihre Vorteile in " der Praxis in wirtschaftlicher
Weise auszunutzen. Nach. der Erfindung wird der Primärkondensator mit der kleineren
Kapazität in mindestens vier Kondensatoren unterteilt, die von der Gleichstromquelle
über vier elektrische Ventile einzeln und nacheinander aufgeladen und über vier
weitere elektrische Ventile einzeln und nacheinander auf den Kondensator mit der
größeren Kapazität umgeladen werden. Die Unterteilung des Primärkondensators in
mindestens vier eülzelne Kondensatoren ist notwendig, wenn ein ununterbrochener
Stromfluß gewährleistet sein soll.
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Die Entladung und gleichzeitige Umladung eines der Primärkondensatoren
kann erst dann vorgenommen werden, wenn der in der ersten Schaltperiode erfolgte
Ladungsvorgang vollkommen abgeschlossen und der Lade-Lichtbogen erloschen ist. Sonach
darf die Entladung des ersten Primärkondensators nicht in der sich unmittelbar daran
anschließenden zweiten Schaltperiode vorgenommen werden. Ein genügend großer Grad
der Sicherheit verlangt, daß die Entladung erst in der Schaltperiode vorgenommen
wird, in der der dritte Primärkondensator geladen wird, so d'aß also die Ladung
des dritten Kondensators und die Entladung des ersten Kondensators gleichzeitig
erfolgen: Es wird auf diese Weise mit Sicherheit vermieden, daß eine leitende Verbindung
zwischen dem Primär- und Sekundärnetz über den Lade- und Entladelichtbögen des ersten
Kondensators eintritt. Auch. die Wiederladung des ersten Kondensators darf erst
dann vorgenommen werden, wenn der Entladungsvorgang vollkommen beendet ist und der
Entladungslichtbogen erloschen ist. Die Ladung darf daher unter Berücksichtigung
der -Verzögerung des Löschvorganges des Entladelichtbögens und seine Fortdauer bis
in die Schaltperiode des Ladevorgangs des vierten Kondensators hinein erst nach
Beendigung der Ladung des vierten Kondensators eintreten, d: h. in der fünften Schaltperiode
vorgenommen werden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden .Ladevorgängen eines Primärkondensators
müssen sonach drei Schaltperioden liegen, in denen drei andere Primärkondensatoren
geladen werden. Die Bedingung des ununterbrochenen Stromflusses auf der Primärseite
und der Sicherheit, mit der der Umformer arbeitet, verlangt daher die Anordnung
von mindestens vier Primärkondensatoren. Auch der Sekundärkondensator erhält dadurch
einen praktisch ununterbrochenen Stxomzufluß und kann auf der Sekundärseite des
Umformers seine Ladungen mit großer . Sfetigkeit abgeben. Einen wesentlichen Beitrag
zur Erzielung eines konstanten Leistungsflusses liefert außer der Unterteilung des
Primärkondensators die Anwendung von elektrischen Lichtbogenventilen an Stelle von
mechanischen Schaltern. Der Quecksilberdärnpf-Lichtbogen ist bekanntlich praktisch
trägheitslos und kann daher mit außerordentlich großer Geschwindigkeit entstehen
und erlöschen und dadurch die Ladung eines Kondensators in einer außerordentlich
kurzen Zeit von z. B. 1;10-s Sek. vornehmen. Die Zahl der in z Sekunde übertragenen
Ladungen wird sonach mit Hilfe der Lichtbogenkontaktgebung auf ein Vielfaches heraufgesetzt
und damit die Leistung des Umformers beträchtlich vergrößert.
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In folgendem soll der Aufbau und die Wirkungsweise des Umformers nach
der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnnug schematisch
dargestellt ist, näher erläutert werden. Der in vier Kondensatoren unterteilte Primärkondensator
mit der kleineren Kapazität und der Sekundärkondensator mit der größeren Kapazität
ist bei dem in Abb. z dargestellten Umformer zu einem Kondensatorblock A zusammengefaßt.
Der Kondensatorb-lock A enthält demnach vier Kondensatoren A,, A2, A3 und A4, die
alle dieselbe Kapazität Cl, die Kapazität des Primärkondensators, besitzen, und
einen Kondensator A22; den Sekundärkondensator, der die größere Kapazität C2 besitzt.
Die zum Zu- und Abschalten der einzelnen Kondensatoren verwendete Quecksilberdampfschalteinrichtung
B besteht aus vier Ventilen B1, B2, Bs und B4, die die vier Kondensatoren A1, A2,
A$ und A4 mit der Spannung U,, des Primärnetzes 01 laden, und aus vier Ventilen
B,', B2', B3' und B4, die die geladenen Primärkondensatoren A,, A2, A3 und A4 auf
den Se-
kundärkondensator A22 umladen. Die in der Zeichnung gezeigten und
in folgendem mit Relaistransformatoren bezeichneten Wandler R;" R2, R3 und R4 dienen
zum Zünden der Ventile der Schalteinrichtung B. Sie sind Höchfrequenztransformatoren,
deren Primärwicklung von dem Ladestrom der -Kondensatoren A,, A2, A3 und A4 durchflossen
wird undderen Sekundärwicklung eine Spannung UZ von z. B. rooo Volt erzeugt, die
die Ventile zündet. Die Primärspannung U,. des vorhandenen Gleichstromnetzes wird
an die Primärklemmen I,0 gelegt, und an den Klemmen Il, 0 wird die Sekundärspannung
U2 abgenommen. Primär- und Sekundärnetz haben
dabei den Pol 0 gemeinsam,
der z. B. mit Erde verbunden sein kann.
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Die Kondensatoren Al, A2, As und A4 werden nun einzeln und
nacheinander über die Ventile Bi, B2, B3 und B4 mit der Primärspannung Ui geladen,
wobei der Ladestrom des ersten Kondensators A1 über den Relaistransfo,rmato@r Ri
das Ventil B2 zündet, so daß über das brennende Ventil B2 der Kondensator A2 geladen
wird. Der Ladestrom dieses Kondensators A2 zündet mit Hilfe des Relaistransformators
R2 das Ventil B3, das sodann den Kondensator A3 lädt, und der La@destrorn des Kondensators
As zündet mit Hilfe des Relaistransformators R3 das Ventil B4, das den Kondensator
A4 lädt. Durch den Relaistransformator R4 wird der Kreislauf geschlossen, und zwar
dadurch, daß mit seiner Hilfe der Ladestrom des Kondensators A4 das Ventil B1 zündet,
das den Kondensator Al lädt. Die Relaistransformatoren R1, R2, R3 und R4 vermitteln
aber gleichzeitig auch die Zündung der Umladeventile B: L', B2, B2 und
B4, denn die Schaltung ist so ausgeführt, daß der Relaistransformator R,
das Umladeventil B4 zündet, so daß gleichzeitig mit der Aufladung des Kondensators
A2 der Kondensator A4 entladen wird. Der Relaistransformator R2 zündet dann während
der nächsten Schaltperiode gleichzeitig mit dem Ventil B3 das Umladeventil BI',
so daß sowohl "der Kondensator As geladen als auch der Kondensator Al entladen wird.
Der Relaistransformator R3 zündet gleichzeitig mit dem Ventil B4 das Umladeventil
B2', so daß sowohl der Kondensator A4 geladen als auch der Kondensator A2 entladen
wird. Schließlich zündet der Relaistransformator R4 gleichzeitig mit dem Ventil
B1 das Umladeventil B3', so daß sowohl der Kondensator Al geladen als auch der Kondensator
As entladen wird. In der Schalteinrichtung B brennen sonach während einer jeden
Schaltperiode zwei Lichtbögen, ein Ladelichtbogen und ein Entlade- bzw. Umladelichtbogen.
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Die Zündeinrichtung der Quecksilberdampfschalteinrichtung ist dabei
so, ausgeführt, daß die Primärwicklung des Zündtransformators vom Ladestrom des
Kondensators durchflossen wird. Diese Schaltung der Zündeinrichtung zeigt die Abb.
6. Die Zündtransforinatoren können jedoch auch in anderer Weise geschaltet werden.
In Abb-. 7 ist die Primärwicklung des Relaistransformators R1 in Reihe mit einem
Hilfs- oder Zündkondensator All parallel zu dem zu ladenden Kondensator Al geschaltet,
so daß sie von dem Ladestrom des Hilfskondensators All durchflossen wird.
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Wird, wie in Abb. 8 gezeigt ist, der Sekundärwicklung des Relaistransformators
R1 ein Kondensator All parallel geschaltet, so daß die Kapazität dieses Kondensators
und die parallel dazu liegende Kapazität des aus Zündelektrode und Kathode bestehenden
Kreises mit der Induktivität der Sekundärwicklung des Relaistransformators auf den
Primärkreis de's Relaistransformators abgestimmt ist, dann entsteht die Zündspannung
durch Spannungsresonanz im Kondensator A11.
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Bei der in Abb. g wiedergegebenen Schaltung liegt die Primärwicklung
des Relaistransformato-rs R1 in Reihe mit einem Hilfskondensator parallel zu einer
Drosselspule, durch die der Ladestrom des Kondensators Al fließt.
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Nach Abb. ro wird die Zündschaltung so. ausgeführt, daß ein mit dem
Hauptkondensator Al in Reihe liegender Hilfskondensator All' über das Ventil B1
und die Primärwicklung des Relaistransformators R, entladen und in der Sekundärwicklung
des Relaistransformators die Zündspannung für das Ventil B2 erzeugt wird. Um zu
vermeiden, daß der Ladestrom des Hauptkondensators Al über die Primärwicklung des
Relaistransformators fließt, kann, wie aus Abb. z r zu ersehen ist, die Primärwicklung
des Relaistransformators auch in Reihe mit dem Hilfskondensator A" und Jem Hauptkondensator
Al gelegt und durch das Ventil B1 der Hilfskondensator All' und die Primärwicklung
des Relaistransformators R1 überbrückt werden.
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Die Belastung des Umformers erfolgt dadurch, daß an die beiden Beläge
des Sekundärkondensators A22 der Belastungswiderstand bzw. der Verbraucherstromkreis
angeschlossen wird. Die Gleichspannung am Kondensator A22 stellt sich dann so ein,
daß die abfließende Elektrizitätsmenge stets gleich der von der Primärseite zufließenden
Elektrizitätsmenge ist. Die Sekundärspannung ist in diesem Falle bestimmten geringen
Schwankungen in der Größenordnung von einigen Prozenten unterworfen, die durch den
Unterschied zwischen dem Zu- und Abfluß am Kondensator A22 zu Beginn und am Ende
einer Aufladeperiode entstehen, weil die Entladung des Kondensators A22, konstanten
Belastungswiderstand vorausgesetzt, gleichbleibend vor sich geht, während der Zufluß
bzw. die Rufladung stufenweise oder stoßweise erfolgt. Zur Vergleichsmäßigung dieser
Schwankungen kann man in bekannter Weise den Kondensator A22 über eine Drosselspule
L2 (siehe Abb. a) in einen theoretisch unendlich großen Kondensator A2o entladen
lassen, dessen Spannung absolut konstant bleibt, wie das Diagramm Abb. q, zeigt.
Die Drosselspule L2 ist dabei so abgestimmt, daß die halbe Periodendauer des, Entladungsstromes
I22 bzw. der Kondensatorspannung U22 gerade dem Zeitabschnitt zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Rufladungen von der Primärseite aus entspricht.
Die Spannung des
Kondensators A22 schwankt dabei sinusförmig um den Wert U2 herum, während auf der
Primärseite des Kondensators A20 ein sinusförmiger Entladestrom und auf der Sekundärseite
des Kondensators A2, hingegen ein absolut konstanter Entladestrom I2 fließt. Wird
der unendlich große Kondensator A20 durch die Reihenschaltung eines Kondensators
A21 und einer Induktivität L21 ersetzt (s. Abb: ß), .deren Eigenfrequenz gleich
der doppelten Frequenz von L2 und A22 ist (s. Diagramm Abb. 5), dann wird der durch
L2 fließende sinusförmige Entl-adestrom 122 durch den von A21 herkommenden Strom
121 doppelter Frequenz zu einem Gleichstrom 12 ergänzt. Dem Sekundärkondensator
A22 kann auf diese Weise die Sekundärleistung der Umwandlungseinrichtüng mit konstanter
Spannung U2 und konstantem Strom I2 entnommen werden.
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Bei diesen Schaltungen ist es gleichgültig, ob die Primärspannung
direkt von einem Gleichstromnetz oder über einen Gleichrichter von einem Wechselstromnetz
herkommt.