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Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzvervielfachung von Wechselstrom
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzvervielfachung von Wechselstrom
und Vorrichtungen zur Ausübung dieses Verfahrens. Die Frequenzvervielfachung von
Wechselstrom wird in der Technik für die verschiedensten Zwecke benötigt, und, abgesehen
von dem wichtigen Anwendungsfall der Fernmeldetechnik, spielt die Verwendung von
Wechselstrom eine besondere Rolle für die Zwecke des Erhitzens. Unter Ausnutzung
der induktiven Wirkung von Wechselströmen werden Öfen der verschiedensten Art, wie
'Schmelzöfen, Glühöfen u. dgl., betrieben. Die Induktionswirkung wird ferner ausgenutzt
bei Geräten zum Erwärmen von metallischen Gegenständen aller Art, um die verschiedensten
Wärmebehandlungen, wie Härten, Anlassen, Glühen u. dgl., durchzuführen. Die Induktionswirkung
von Wechselströmen wird sogar dazu ausgenutzt, nichtmetallische Werkstoffe zu den
verschiedensten Zwecken zu erwärmen.
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Für alle diese Zwecke und vor allem auch für das Induktionserhitzen
werden meist Wechselströme benötigt, die eine höhere Frequenz besitzen, als sie
im allgemeinen im Netz zur Verfügung stehen, d. h. also Ströme, die eine höhere
Frequenz haben als r62/3, 50 oder 6o Hz. Um diesen höherfrequenten Strom zu erzeugen,
bedient man sich in
erster Linie der Maschinenumformer, bei denen
ein geeigneter Generator von einem Motor entsprechender Stärke angetrieben wird
und bei denen dem Generator die höhenfrequente Energie entnommen wird. Es ist ferner
bekannt, die höhenfrequente Energie mittels sogenannter Umrichter oder mit Funkenstreckengeneratoren
und Hochvakuumröhrengeneratoren zu erzeugen. Es sind außerdem ruhende Frequenzwandler
bekannt. Trotz ihrer allgemeinen Anwendung haben diese bekannten Einrichtungen jeweils
gewisse Nachteile. Maschinenumformer haben einen beträchtlichen Platzbedarf und
machen schwere Fundamentierungsarbeiten notwendig. Dafür können aber mit ihnen die
praktisch meist benötigten Frequenzen erzeugt werden. Bei Umrichtern dagegen, die
einen geringeren Platzbedarf haben, ergeben sich Schwierigkeiten, wenn höhere Frequenzen
erzeugt werden sollen, weil vielfach die Entionisieritngszeiten für eine sichere
Löschung des Lichtbogens im Vakuumgefäß nicht ausreichen. Funkenstreckengeneratoren
können nur mit verhältnismäßig geringer Leistung arbeiten, und die Arbeitsweise
ist ungleichmäßig. Röhrensender sind besonders für höchste Frequenzen geeignet;
in der Herstellung sind sie teuer und haben einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad.
Für alle bekannten Vorrichtungen ist ein umfangreicher Schaltapparat erforderlich,
der mit Ausnahme der Schalteinrichtungen für Maschinenumformer sehr verwickelt und
damit im Betrieb sehr störanfällig ist.
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Es besteht daher ein dringender Bedarf für einen Frequenzvervielfacher,
der billig in der Anschaffung ist, einen geringen Raumbedarf hat und keine Fundamentierungsarbeiten
erforderlich macht, da-
bei aber in der Lage ist, jede gewünschte Frequenzvervielfachung
zu gewährleisten, ohne daß hierzu ein verwickelter Schaltapparat erforderlich ist.
Wesentlich ist auch, daß die Vorrichtung unmittelbar an das normale Netz angeschlossen
werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein neues Verfahren und Vorrichtungen
zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung sind überall
anwendbar, wo hochfrequenter Wechselstrom benötigt wird, und zwar insbesondere für
!Zwecke des Induktionserhitzens. Lediglich für die Fernmeldetechnik gelten diesbezüglich
gewisse Einschränkungen.
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Das Verfahren besteht darin, dsß dem Magnetfern einer Wicklung, die
den höhenfrequenten Wechselstrom abgeben soll, mindestens zwei Magnetflüsse im Takt
der gewünschten Vervielfachung aufeinanderfolgend mit wechselnder Richtung zugeleitet
werden. Hierzu werden zwei synchron gespeiste Einzelspulen vorgesehen, die auf Magnetkernen
sitzen. Diese Magnetkerne sind magnetisch leitend mit dem Magnetkern der den zöherfrequenten
Wechselstrom abgebenden Wicklung verbunden. Die Frequenzvervielfachung wird iervorgerufen,
indem die magnetischen Leitwege ?wischen den Kernen der synchron gespeisten Einzelwicklungen
einerseits und dem Magnetkern ler den höhenfrequenten Wechselstrom abgebenden Wicklung
andererseits wechselweise geschlossen und geöffnet werden. Auf diese Weise entsteht
im Magnetkern der den höhenfrequenten Wechselstrom abgebenden Wicklung ein ununterbrochener
Wechselfluß. Die Anzahl der Wechsel ist abhängig von der erregenden Grundfrequenz
und davon, wie oft in der Zeiteinheit die magnetischen,Leitwege geöffnet und geschlossen
werden. Es ist bei diesem Verfahren auch ohne weiteres möglich, an Stelle einer
stromabgebenden Wicklung mehrere, vorzugsweise zwei stromabgebende Wicklungen vorzusehen.
Ferner können an Stelle von nur zwei synchron und gegensinnig gespeisten Einzelwicklungen
auch mehrere solcher Einzelwicklungen benutzt werden.
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Zur Erläuterung der bei einem solchen Verfahren gegebenen Verhältnisse
wird Bezug genommen auf das Schwingungsschaubild Abb. i. Zwei verschiedene, mit
je einem Eisenkern versehene Wicklungen werden von einem Wechselstrom synchron gespeist.
Die Schaltung bzw. die Wicklung ist so getroffen, daß beide Wicklungen gegensinnig
stromdurchflossen sind. Hierdurch entsteht im Kern der einen Wicklung ein Wechselmagnetfeld
01 und in der anderen Wicklung ein Wechselmagnetfeld 02. Werden die beiden Kerne
abwechselnd kurzzeitig innerhalb der einzelnen Halbwellen mit einem dritten Eisenkern
in magnetisch leitende Verbindung gebracht, so entsteht in diesem dritten Kern ein
magnetischer Wechselfluß 03 und in einer Wicklung, die um ihn herumgelegt ist, eine
Wechselspannung entsprechender Frequenz. Das aus dieser Maßnahme resultierende Feld
'»3 hat, wie ersichtlich, eine höhere Frequenz als die beiden Felder 01 und 02.
Die Spannungswerte des Feldes 03 schwellen im Takt der Grundfrequenz an und ab,
und die Werte entsprechen jeweils den Werten der iGrundfrequenz im .Augenblick der
Herstellung des entsprechenden magnetischen Leitweges. Zur Erzeugung der Felder
01 und 02 kann eine Wechselspannung beliebiger Frequenz verwendet werden, die durch
die Maßnahmen gemäß der Erfindung in ihrer Frequenz vervielfacht wird. Besonders
vorteilhaft ist es aber, zur Erzeugung der Felder 01 und 02 die Wechselspannungen
üblicher Frequenz von i62/3, 5o oder 6o Hz zu benutzen.
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Zur Ausübung der Verfahrens sind nur einfache technische Mittel erforderlich,
und im nachfolgenden werden an Hand schematischer Darstellungen einige Ausführungsbeispiele
für solche Vorrichtungen beschrieben.
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In Abb. 2 ist ein dreisohenkliger Eisenkörper i vorgesehen. Dieser
Eisenkörper besteht aus Blechen, die nach Art eines Transformatorkernes geschichtet
sind, oder aus sogenannter Masse, wie sie in der Hochfrequenztechnik allgemeine
Anwendung findet. Auf den Außenschenkeln 2 und q. dieses Eisenkörpers ist je eine
Wicklung 5 bzw. 6 angeordnet. Diese Wicklungen 5 und 6 werden synchron und gegensinnig
gespeist, wie durch die Pfeile 7 und 8 angedeutet. Auf dem mittleren Schenkel 3,
des Eisenkörpers befindet sich die den höhenfrequenten Strom abgebende Wicklung
15. Durch die Stege 9 und io wird eine weitere magnetische Verbindung
zwischen
den Schenkeln 2 und q. einerseits und dem Schenkel 3 andererseits hergestellt. In
diesen Stegen befinden sich Mittel, die gestatten, die magnetische Leitfähigkeit
der Stege zu verändern bzw. sie praktisch ganz aufzuheben und wiederherzustellen.
Hierzu werden aus geschichteten Blechen oder aus Masse hergestellte gezahnte Körper
ii und 12 benutzt, die in Richtung der Pfeile 13, 14 in synchronen Umlauf versetzt
werden. Die Anordnung wird hierbei so getroffen, daß beim synchronen Umlauf beispielsweise
der magnetische Leitweg im Steg g durch den Körper i i unterbrochen ist, während
gleichzeitig der Körper 12 den magnetischen Leitweg im Steg io schließt.
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In dem in Abb. 2 festgehaltenen Betriebsaugenblick ist der Leitweg
io geschlossen, und es ergibt sich mithin im Schenkel 3 des Eisenkörpers i ein Magnetfluß
in Richtung des Pfeiles 16. In der Wicklung 15 wird infolgedessen eine Spannung
mit entsprechendem Vorzeichen induziert. Durch das synchrone Weiterdrehen der Körper
ri und 12 wird im nächsten Augenblick der Magnetfluß des Schenkels 2 im Schenkel
3 zur Auswirkung gebracht, so daß in diesem ein Magnetfluß in Richtung des Pfeiles
17 entsteht, der dem des Pfeiles 16 entgegengerichtet ist. Es wird mithin in der
Wicklung 15 eine Spannung mit einem Vorzeichen erzeugt, das dem der zuerst erzeugten
Spannung entgegengesetzt ist. An den Klemmen der Wicklung 15 kann mithin bei stetigem
synchronem Umlauf der um einen gewissen Betrag gegeneinander versetzten Körper i
i und 12 eine Spannung abgenommen werden, die der erregenden Frequenz der Wicklungen
5 und 6 entspricht und überlagert ist durch eine Frequenz, deren Höhe bedingt ist
durch die Zahnung der Körper i i und 12 und die für diese Körper eingehaltene Drehzahl.
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Während in der Abb. 2 nur in den die offenen Enden der Schenkel verbindenden
Stege 9 und io synchron umlaufende, die magnetischen Leitwege öffnende und schließende,
aus Blechen geschichtete oder aus Masse hergestellte Körper vorgesehen sind, sind
nach Abb. 3 solche Körper auch in den anderen Leitwegen zwischen den Schenkeln 2
und q. und dem Mittelschenkel 3 angeordnet. In derAbb.3 sind die gleichen Bezugszeichen
wie in Abb. 2 gewählt, und die zusätzlichen umlaufenden Körper sind bei ii' und
i2' in den Leitwegen g' und io' vorgesehen. Die Wirkungsweise einer Vorrichtung
nach Abb. 3 ist praktisch die gleiche wie nach Abb.2. Sie hat gegenüber der Ausführungsform
nach Abb. 2 den Vorzug, daß ein Leitweg zwischen jedem der beiden Schenkel 2 und
q. einerseits und dem Schenkel 3 andererseits nicht vorhanden ist, der unter ungünstigen
Bedingungen zum Aufbau eines wenn auch nur schwachen Gegenfeldes Veranlassung geben
könnte.
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Die Unterbrechungsstellen in den Leitwegen werden zweckmäßigerweise
polschuhartig ausgebildet, so daß sie die Drehkörper auf einer gewissen Strecke
umfassen. Die Polflächen der Leitwegenden werden mit einer Zahnung versehen, die
der Zahnung des mit dein betreffenden Polschuh zusammenwirkenden Drehkörpers entspricht.
Um die abwechselnde Einwirkung des Magnetflusses der Schenkel2 und q. auf den Schenkel
3 sicherzustellen, ist es notwendig, entweder den verzahnten Körper im einen Leitweg
um eine halbe Zahnteilung versetzt gegen den verzahnten Körper im anderen Leitweg
umlaufen zu lassen oder die Verzahnung der Polflächen im einen Leitweg gegen die
Verzahnung im anderen Leitweg um eine halbe Zahnteilung zu versetzen, dabei aber
die verzahnten Körper in den verschiedenen Leitwegen nicht gegeneinander versetzt
synchron umlaufen zu lassen.
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Die Unterbrecherkörper i i und 12 müssen zu synchronem Umlauf angetrieben
werden. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, die Körper auch synchron mit dem erregenden
Wechselfeld umlaufen zu lassen, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist.
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Eine Vorrichtung der beschriebenen Art arbeitet mit einem hohen Wirkungsgrad,
der insbesondere höher ist als der Wirkungsgrad eines Maschinenumformers, und läßt
sich mit geringerem Aufwand an Werkstoff und Arbeitszeit erstellen. Der Raumbedarf
ist außerordentlich gering, und Fundamentierungsarbeiten werden praktisch überflüssig.
Da die umlaufenden Teile Kräfte nennenswerter Art nicht zu übertragen haben, ist
der Verschleiß bei einer solchen Vorrichtung denkbar gering. Die Vorrichtung ist
daher weniger kostspielig als andere Anlagen zur Erzeugung höherfrequenter Wechselströme.
Es können mit solchen Vorrichtungen Frequenzen bis zu 5o ooo Hz erzielt werden,
was bisher nur mit Röhrensendern möglich war, die jedoch im Betrieb sehr störanfällig
sind. Die Frequenzhöhe ist in außerordentlich einfacher Weise durch Veränderung
der Drehzahl des Hilfsantriebes regelbar.
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Hinzu kommt, daß sämtliche Betriebswerte auf der Niederfrequenzseite
gemessen werden können, und zwar mit normalen Weicheiseninstrumenten. Da ferner
das Schalten im Betrieb ebenfalls ausschließlich auf der Niederfrequenzseite vorgenommen
werden kann, ergeben sich sowohl für die Meßnstrumente als auch für die Betriebssteuerung
sehr einfache Schaltanlagen.
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Die abzugebende Leistung läßt sich durch Anzapfen der erregenden Wicklungen
bei hohem Wirkungsgrad regeln.
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Während bei den bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Vervielfachung
einer gegebenen Frequenz eine Spannung einheitlicher Frequenz erzeugt wird, kann
auf Grund der Maßnahmen gemäß der Erfindung lediglich eine Spannung erzeugt werden,
deren Maximalwerte im Takt der Grundfrequenz an- und abschwellen und deren Frequenz
durch die Zahnung und die Drehzahl der in den Leitwegen befindlichen Körper bestimmt
ist. Dieses An- und Abschwellen der Spannung im Takt der Grundfrequenz mag für gewisse
Anwendungszwecke nicht geeignet sein und könnte beispielsweise in der Fernmeldetechnik
störend empfunden werden. Für Heizzwecke spielt diese Eigenart des erzeugten höherfrequenten
Wechselstromes indes
keine Rolle, und in vielen Fällen ist sie sogar
erwünscht.
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Die Abb. 2 und 3 geben eine Verkörperung des Erfindungsgedankens in-
seiner einfachsten Form wieder unter Verwendung der geringstmöglichen Anzahl von
Wicklungen. Es ist indes auch möglich, mit einer größeren Anzahl von Wicklungen
zu arbeiten, und zwar sowohl auf der felderregenden als auch auf der stromabgebenden
Seite. Eine derartige Ausführungsform ist beispielsweise in Abb-. 4 dargestellt,
die gegenüber den einfachen Ausführungsformen nach Abb. 2 und 3 besondere Vorzüge
besitzt. Bei den Ausführungsformen nach Abb. 2 und 3 werden die Erregerwicklungen
infolge der Schaltbewegung der Drehkörper in ständigem Wechsel vollkommen entlastet
und wieder belastet. Bei der Vorrichtung nach Abb. 4 ist die Anordnung so getroffen,
daß die nicht erwünschte vollkommene Entlastung der Erregerwicklungen vermieden
wird. Zu diesem Zweck sind zwei getrennte Eisenkörper 30 und 3 1 vorgesehen,
die jeweils mit drei Schenkeln 3'0', 3o" und 3o" bzw. 31', 3 i" und 31""
versehen sind. Die Erregerwicklungen 5 und 6 umfassen jeweils zwei nebeneinanderliegende
Außenschenkel der beiden Eisenkörper: dieWicklung 6 die Schenkel 30" und 3r", die
Wicklung 5 die Schenkel 30"' und 3i"'. Auf den beiden Mittelschenkeln 30' und 31'
ist je eine stromabgebende Wicklung 32' bzw. 32" vorgesehen. In jedem Leitweg jedes
Eisenkörpers laufen gezähnte Schaltkörper 33, 34 3,5 und 36 um, und zwar sind für
parallel nebeneinanderliegende Leitwege die Eisenkörper konaxial gelagert. Ferner
sind diejenigen gezähnten Körper, die auf einer Achse sitzen, so gegeneinander versetzt,
daß sie den Leitweg im einen Eisenkörper schließen, während sie den Leitweg im anderen
Eisenkörper öffnen. Sämtliche Eisenkörper 33-36 bzw. deren Achsen werden synchron
angetrieben. In den Schenkeln 30' und 31' werden auf diese Weise pulsierende Magnetfelder
erzeugt, die in ihrer Richtung ständig wechseln. Die an den Wicklungen 32 und 3z"
abzunehmende höherfrequente Spannung kann getrennt verschiedenen Verbraucherstellen
zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, die erzeugte Energie an einer Verbraucherstelle
wirken zu lassen, wozu man sich einer Reihenschaltung über Kreuz bedient.
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Eine in ihrer Wirkung der Anordnung nach Abb. 4 ähnliche Schaltung
ergibt sich nach Abb. 5. Der Eisenkörper hat nach diesem Ausführungsbeispiel die
Form eines Gestelles 5o. Die magnetischen Leitwege, die auch hier aus geschichteten
Blechen oder Masse bestehen, bilden die Kanten eines Quaders. Auf den Längskanten
5 r-54 dieses Quaders sind miteinander abwechselnd die Erregerwicklungen 55 und
56 und die stromabgebenden Wicklungen 57 und 58 angeordnet. In den Stirnkanten
59, 6o, 61 und 62 sind die die Leitwege unterbrechenden und schließenden
Drehkörper 63, 64, 65 und 66 vorgesehen. Diese rotieren derart gegeneinander versetzt,
daß jede der Erregerwick-.ungen 55 und 56 bzw. die als Magnetkerne wirkenden Längskanten
5r und 53, einmal die linksseitig und einmal die rechtsseitig neben ihnen liegenden
als Kerne für die stromabgebende Wicklung 57 bzw. 58 dienenden Längskanten 52 und
54 speist. Der Ubersicht halber sind die Drehkörper lediglich an einem Stirnende
des quaderförmigen Gestelles vorgesehen. Es können aber selbstverständlich auch
in den Leitwegen, die die Stirnkanten des anderen Quaderendes bilden, ebenfalls
solche Drehkörper vorgesehen werden, deren Umlauf sinngemäß so synchronisiert wird,
wie dies in Verbindung mit Abb. 3 und 4 beschrieben worden ist.