DE896399C

DE896399C - Schaltung zur Erzeugung einer im wesentlichen konstanten Verbraucherspannung in Hochfrequenzheizsystemen fuer primaere dielektrische Beheizungen

Info

Publication number: DE896399C
Application number: DEW6674A
Authority: DE
Inventors: Richard Hagop Hagopian
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1950-10-27
Filing date: 1951-09-09
Publication date: 1953-11-12
Also published as: GB683998A; US2727212A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Erzeugung einer im wesentlichen konstanten Verbraucherspannung in Hochfrequenzheizsystemen für primäre dielektrische Beheizungen.

Bei dielektrischen Heizsystemen besteht die Neigung, daß sich die Verbraucherimpedanz durch die Wirkungen des elektrostatischen Feldes auf das zu beheizende Material beträchtlich verändert. Besonders bei Fördereinrichtungen für die Durchführung von Wärmebehandlungen in der Massenherstellung wird diese Änderung der Verbraucherimpedanz durch die Änderung der physikalischen Eigenschaften des' Materials auf dem Förderer zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert verursacht. Weitere Änderungen der Verbraucherimpedanz werden durch die unterschiedliche Zahl der Werkstücke auf der Fördereinrichtung zur Beschickung der Heizungsanlage verursacht. Indessen ist es erwünscht, daß die Elektrodenspannung im wesentlichen konstant bleibt, wenn sich der Verbrauch von voller Belastung bis auf Leerlauf ändert.

Das gewöhnliche Verfahren zur Aufrechterhaltung einer verhältnismäßig konstanten Verbraucherspannung besteht in einer selbsttätigen Steuerung eines oder mehrerer der Verbraucherkreisabstimmelemente. Eine solche selbsttätige Regelung ist im Betrieb sehr störungsanfällig und erfordert ferner technisch geschultes Personal für Einstellung und Bedienung.

Der letzte Umstand ist besonders nachteilig, da bei Verwendung solcher dielektrischer Heizvorrichtungen in derJ Industrie im allgemeinen kein technisch geschultes Personal zur Verfügung steht. Aufgabe der Erfindung ist eine Schaltung zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten Verbraucherspannung ohne Rücksicht auf Belastungsänderungen, welche diese Nachteile nicht aufweist. Gemäß der Erfindung wird der Verbraucherkreis ίο parallel zu einer verhältnismäßig hohen Impedanz abgestimmt. Er wird jedoch gegen die Parallelresonanz und auf ihre induktive Seite derart verstimmt, daß der Verbraucherkreis während des Normalbetriebes der dielektrischen Heizvorrichtung und während der Normaländerung der Verbraucherimpedanz auf der induktiven Seite der Parallelresonanz bleibt und weder die Parallelresonanz erreicht noch auf die kapazitive Seite der Pärallelresonanz hinüberwechselt. Dieser mit einer verhältnismäßig hohen Impedanz versehene Verbraucherkreis wird an die Aufnahmeseite einer Viertelwellenlängenübertragungsleitung angeschaltet, so daß die reflektierte Verbraucherimpedanz oder die senderseitige Impedanz dieser Übertragungsleitung einen verhältnismäßig geringen Wert hat. Die Sendeseite dieser Übertragungsleitung wird an einen Hochfrequenzoszillator über einen Koppelkreis angeschaltet. Dieser Koppelkreis ist gegen die Reihenresonanz verstimmt, so daß die effektive Impedanz des Koppelkreises, wie sie durch den Oszillator dargestellt wird, verhältnismäßig hoch gegenüber der Senderseitenimpedanz der Übertragungsleitung ist. Auf diese Weise beeinträchtigen alle Änderungen der senderseitigen Impedanz, die sich aus den Änderungen der Verbraucherimpedanz infolge der Wirkung der dielektrischen Heizung auf die Belastung ergeben, nicht wesentlich die Netzreihenimpedanz des Koppelkreises. Daher bleibt der Strom im Koppelkreis im wesentlichen konstant. Die - senderseitige Impedanz der Übertragungsleitung ist in Wirklichkeit eine Reihenkomponente des Koppelkreises, und infolgedessen ist der Koppelkreisstrom der senderseitige Strom der Übertragungsleitung. Durch Wahl einer Viertelwellenübertragungsleitung bestimmt der senderseitige Strom der Übertragungsleitung die empfängerseitige Spannung und daher die Spannung im Verbraucherkreis. Indem man den senderseitigen Strom im wesentlichen konstant hält, wird die empfängerseitige Spannung und damit die Verbraucherspannung im wesentlichen konstant gehalten.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sind im folgenden einige Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Zeichnung zeigt in

Fig. ι ein Schaltbild eines dielektrischen Heizsystems,

Fig. 2 einen äquivalenten Kreis für einen Teil des •in Fig. ι gezeichneten Systems und in den ·

Fig. 3 und 4 mengenmäßig verschiedenes Verbrauchermaterial zwischen den Elektroden. In Fig. ι ist ein Generatorkoppelkreis nach der Erfindung dargestellt, bei dem ein Hochfrequenzgenerator 10 über einen Regeltransformator 12 an die Eingangs- oder Sendeseite einer Übertragungsleitung 14 angeschaltet ist. Ein Koppelkondensator 16 hegt in Reihe mit der Sekundärwicklung 18 des Regelkoppeltransformators 12. Ein Nebenschlußkondensator 20 ist parallel zur Primärwicklung 22 des Koppeltransformators 12 geschaltet. Eine Leitung der Übertragungsleitung 14 ist geerdet. Die Ausgangs- oder Aufnahmeseite der Übertragungsleitung 14 ist an die dielektrischen Heizelektroden 24 geschaltet, zwischen denen sich das Werkstück 26 befindet. Eine veränderliche Abstimminduktanz 28 ist parallel zu den Verbraucherelektroden 24 gelegb.

In Fig. 2 ist ein äquivalenter Verbraucherkreis für das Hochfrequenzgeneratorkoppelnetz nach Fig. 1 dargestellt. Die wirksame Induktanz 30 des Koppeltransformators 12 liegt in Reihe mit dem Koppelkondensator 32 und der senderseitigen Impedanz 34 der Übertragungsleitung 14.

In den Fig. 3 bzw. 4 ist ein Verbraucher von geringer kapazitiver Reaktanz und ein Verbraucher von größerer Reaktanz zwischen den Belastungselektroden 24 dargestellt.

Beim Betrieb einer dielektrischen Heizvorrichtung, bei der sich die Menge der der Hitzebehandlung unterworfenen Werkstücke ändert, ändert sich die wirksame Belastung Q des Verbraucherkreises merklich. Vermindert sich die Menge der Verbraucher, wie es in Fig. 4 im Gegensatz zu Fig. 3 dargestellt ist, so wächst die wirksame kapazitive Reaktanz der Verbraucher, die sich zwischen den Verbraucherelektroden befinden, und der wirksame Belastungswiderstand fällt ab und führt zu einem Ansteigen der Gesamtbelastung Q. Die Belastung Q ist nummerisch gleich der Verbraucherreaktanz X durch den Verbraucherwiderstand R gemäß der folgenden Gleichung:

_R-

(i)

Für einen gegebenen Abstand der Verbraucherelektroden 24 ergibt sich bei abnehmender Menge des Verbrauchermaterials eine Abnahme der effektiven Belastungskapazität und dementsprechend eine Zunahme der kapazitiven Reaktanz. Nimmt die Menge des Verbrauchermaterials ab, so nimmt auch sein Widerstand ab. Infolgedessen wächst die Belastung Q des Verbrauchers wegen einer Steigerung der Verbraucherreaktanz und des Abfalls des Verbraucherwiderstandes .

Enthält der Verbraucherkreis das parallel abgestimmte Netz einschließlich des Verbrauchermaterials 26 und der Verbraucherelektroden 24, die durch die veränderliche Impedanz 28 überbrückt sind, so hat die Netzimpedanz des Verbraucherkreises einen Maximalwert, wenn der Verbraucherkreis auf Parallelresonanz abgestimmt ist. Zur Wirkungsweise der Belastung Q auf die Verbraucherkreisimpedanz soll erwähnt werden, daß bei wachsender Belastung Q die Parallelresonanzimpedanz des Verbraucherkreises zunimmt. Wie später noch erläutert wird, gibt es eine Kompensation oder Abgleichbeziehung zwischen der Wirkung der Q-Änderung auf die Verbraucherimpedanz und der Wirkung der Belastungsänderung auf die Verbraucherkreisimpedanz, wenn der Verbraucherkreis auf die induktive Seite der

Parallelresonanz abgestimmt wird und die Belastungskapazität abnimmt.

In Fig. ι ist die empfängerseitige Impedanz der Übertragungsleitung 14 gleich der oben beschriebenen Verbraucherkreisimpedanz. Es ist für eine Viertelwellenlängenübertragungsleitung charakteristisch, daß die senderseitige Impedanz Z₈ oder die reflektierte Verbraucherimpedanz, wie sie sich an den Eingangsklemmen der Übertragungsleitung ergibt, eine Funktion der charakteristischen Impedanz Z₀ der Übertragungsleitung und der empfängerseitigen Impedanz Z_R ist. Die folgende Gleichung zeigt diese Beziehung:

.5 ^{Zs =} ir· ⁽²⁾

Wenn deshalb die Impedanz des parallel abgestimmten Verbraucherkreises verhältnismäßig hoch ist (beispielsweise annähernd das Zwei- oder Mehrfache des Wellen Widerstandes der Übertragungsleitung), so ist die senderseitige Impedanz Z₈ der Leitung 14 immer eine verhältnismäßig kleine Größe.

Nach Fig. 2, wo die senderseitige Impedanz Z₈ der Übertragungsleitung 14 schematisch durch das Blockzeichen 34 angegeben ist und in Reihe mit dem Koppelkondensator 32 und der wirksamen Impedanz30 der Transformatorkopplung zwischen dem Hochfrequenzgenerator 10 und der Übertragungsleitung 14 liegt, ist die sich ergebende Impedanz dieses Kreises, falls der in Fig. 2 gezeichnete äquivalente Kreis reihenverstimmt gegen die Reihenresonanz ist, verhältnismäßig hoch im Vergleich zur senderseitigen Impedanz Z₈. Für einen Reihenresonanzkreis ist es charakteristisch, daß an der Stelle der Reihenresonanz die Impedanz einen Minimälwert aufweist und die eigentliche Impedanz des Reihenkreises proportional größer ist als eine Funktion der Verstimmung gegen den Reihenresonanzpunkt, in dem der Kreis abgestimmt ist.
Die Theorie nach der Erfindung kann wie folgt entwickelt werden. Die allgemeine Gleichung für die Spannung am Empfängerende einer Übertragungsleitung und bei Annahme einer verlustlosen Übertragungsleitung drückt sich durch den empfängerseitigen Strom und die Spannung wie folgt aus:

E_R = £_s · cos · β ■ I + / · I₃ · Z₀ sin ß. (3) ■

Dabei bedeutet E_R die Spannung an der Empfangsseite der Übertragungsleitung, E₈ die Spannung an der Sendeseite der Übertragungsleitung, β eine Fort-

pflanzungskonstante, I die Länge der Übertragungsleitung, / den Ausdruck für V — 1, I₈ den senderseitigen Strom der Übertragungsleitung und Z₀ die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung. Macht man die Übertragungsleitung annähernd eine Viertelwellenlänge lang, so wird die empfängerseitige Spannung E_R eine Funktion von /_s, da der Kosinus von β den Kosinus von 90⁰ erreicht und daher Null wird. Die empfängerseitige Spannung E_R, die die Spannung am Verbraucherkreis darstellt, kann verhältnismäßig konstant gehalten werden, selbst bei einer Änderung der Verbraucherimpedanz Z_R, wenn der senderseitige Strom I₈ irgendwie konstant gehalten wird.

Um I₈ konstant zu halten, wird der dielektrische Verbraucher 26 mit den Elektroden 24 mit ihrer veränderlichen Überbrückungsimpedanz 28 parallel abgestimmt, so daß sich eine verhältnismäßig hohe Impedanz für die Empfangsseite der Übertragungsleitung 14 ergibt. Vorzugsweise wird der Verbraucherkreis auf die induktive Seite seines Parallelresonanzpunktes abgestimmt, so daß bei Änderung der Belastungskapazität der Kreis niemals parallel resonant wird oder durch die Parallelresonanz und auf die kapazitive Seite der Resonanz läuft. Wenn beispielsweise die Verbraucherkapazität abnimmt, was unter Normalbedingungen leicht vorkommt, weicht der Verbraucherkreis weiter vom Parallelresonanzpunkt ab. Wie bereits erwähnt, ist ein.solches Absinken der Verbraucherkapazität von einer Abnahme des wirksamen Verbraucherwiderstandes begleitet, und infolgedessen wächst die Belastung Q des Verbraucherkreises. Die Folge davon ist, daß die gewachsene Belastung Q die Änderung der Verbraucherimpedanz abgleicht und eine wirkungsvolle teilweise Abstimmung desselben bewirkt. Die sich ergebende und wirksame Verbraucherkreisimpedanzänderung ist geringer, als wenn der Verbraucherkreis auf die kapazitive Seite des Parallelresonanzpunktes abgestimmt worden wäre.

Wird die Verbraucherkreisimpedanz verhältnismäßig hoch, d. h. in der Größenordnung des Doppelten des Wellenwiderstandes der Leitung oder darüber gehalten, so hat die wirksame Impedanz an der Sendeseite der Übertragungsleitung 14 immer einen verhältnismäßig geringen Wert. Dies läßt sich leicht aus der Gleichung für die senderseitige Impedanz einer Viertelwellenlängenübertragungsleitung verstehen [vgl. die obige Gleichung (2)].

Wird der Wert der senderseitigen Impedanz Z_s infolge der Verbraucherimpedanzreflektionseigenschäften der Übertragungsleitung 14 verhältnismäßig niedrig gehalten, so kann der Generatorkoppelkreis nach dem Vorhergehenden abgestimmt werden, so daß der senderseitige Strom /_s der Übertragungsleitung 14 entsprechend unabhängig von der senderseitigen Impedanz Z₈ im Bereich der Werte ist, die zum Betrieb der beschriebenen dielektrischen Heizvorrichtung notwendig sind. Der in Fig. 2 gezeigte Kreis kann zur Erklärung dieser Behauptung herangezogen werden. Die senderseitige Impedanz 34 der Übertragungsleitung 14 ist sicher eine Reihenkomponente des Koppelkreises. Der Rest des Kreises besteht aus der wirksamen Impedanz 30 des Koppeltransformators und der Impedanz 32 des Kopplungskondensators. Wenn dieser Reihenkreis gegen die Reihenresonanz und damit gegen die Reihenresonanzminimalimpedanz verstimmt wird, so kann die Netzkreisimpedanz verhältnismäßig hoch gegen die senderseitige Impedanz Z₈ der Übertragungsleitung 14 und sehr empfindlich für beträchtliche Änderungen der senderseitigen Impedanz Z_s infolge der Verbraucheränderung selbst gemacht werden.

Infolgedessen ist der senderseitige Strom I₈ verhältnismäßig konstant und wird durch Änderungen der Eigenschaften des Belastungskreises selbst nicht berührt. Da der Koppelkreis bei Reihenresonanz

betrieben wird, muß die durch den Generator io erzeugte Spannung groß genug sein, um den erforderlichen senderseitigen Strom I_s zuzuführen.

Obwohl der Verbraucherkreis parallel abgestimmt ist, damit die wirksame Verbraucherkreisimpedanz und damit die Impedanz an der Empfangsseite der Übertragungsleitung Z_R zunimmt, soll doch der Verbraucherkreis nicht vollständig auf Parallelresonanz abgestimmt werden. Es gibt dafür versehiedene Gründe. . Einer davon ist, daß' bei einer Änderung des Verbrauchers der Verbraucherkreis auf eine der beiden Seiten des Parallelresonanzpunktes wechseln kann. Ein anderer Grund liegt in den meisten Fällen darin, daß der Hochfrequenzoszillator 10" seine Betriebsfrequenz überspringen läßt, bevor der Parallelresonanzpunkt erreicht ist. Ferner ist es vorzuziehen, den Verbraucherkreis auf die induktive Seite des Parallelresonanzpunktes abgestimmt zu betreiben, da Änderungen in der Impedanz des Verbrauchers 26 selbst eine geringere Wirkung auf die Netzimpedanz des Verbraucherkreises und die Impedanz haben, die durch die Empfangsseite der Übertragungsleitung dargestellt wird.

Claims

Patentansprüche:

i. Schaltung zur Erzeugung einer im wesentlichen konstanten Verbraucherspannung in Hochfrequenzheizsystemen für primäre dielektrische Beheizungen gekennzeichnet durch einen parallel abgestimmten Verbraucherkreis, der diesen Verbraucher und eine zu ihm parallel geschaltete Abstirnmimpedanz enthält, durch einen Hochfrequenzgenerator (10), durch eine mit einem Ende

am Verbraucherkreis angeschaltete Übertragungsleitung und durch einen zwischen das andere Ende der Übertragungsleitung und den Oszillator geschalteten Koppelkreis, wobei der Verbraucherkreis gegen Parallelresonanz durch die Abstirnmimpedanz verstimmt ist, die Übertragungsleitung im wesentlichen die Länge einer Viertelwellenlänge hat und der Koppelkreis eine gegenüber der senderseitigen Impedanz der Übertragungsleitung verhältnismäßig hohe Impedanz aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmimpedanz eine veränderliche Induktivität ist und der Verbraucherkreis dadurch auf die induktive Seite der Resonanz abgestimmt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherkreis parallel auf die induktive Seite der Kreisresonanz abgestimmt und gegen die Parallelresonanz verstimmt ist, die Abstimmung jedoch so nahe an der Parallelresonanz liegt, daß die Verbraucherkreisimpedanz die Parallelresonanzimpedanz erreicht.
4. Vorrichtung nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung eine auf die Frequenz der Schwingungen abgestimmte Länge aufweist, so daß die reflektierte Verbraucherkreisimpedanz, die an der Sendeseite der Übertragungsleitung auftritt, einen verhältnismäßig geringen Wert hat.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis gegen Reihenresonanz verstimmt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis eine andere Reihenimpedanz als die senderseitige Impedanz der Übertragungsleitung aufweist, die wesentlich größer als die senderseitige Impedanz der Übertragungsleitung ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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