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Anordnung zur Frequenzverdoppelung mittels vormagnetisierter Drosseln
Es ist bekannt, daß in der Gleichstromwicklung vormagnetisierter Drosseln in Reihenschaltung
(Fig. i) eine Oberwellenspannung vorwiegend doppelter Frequenz erzeugt wird. Diese
Einrichtung besteht aus zwei Ringkernen K i und K:2, deren Wicklungen P i und P
2 an eine Wechselspannung von beispielsweise 5o Hz gelegt werden. Die Wicklungen
G i und G:2 werden vom Gleichstrom aus der Batterie B gleichsinnig durchflossen.
An den gleichsinnig in Reihe geschalteten Wicklungen A i und A:2 entsteht
dann eine Wechselspannung von ioo Hz, deren Effektivwert beim Übersetzungsverhältnis
P i : G i = i und P 2 : G 2 = i annähernd gleich mit
der angelegten primären Wechselspannung ist. Die Ringkerne K i und K2 bestehen aus
magnetischem Material, dessen Magnetisierungskennlinie schon bei kleiner Feldstärke
ihr Maximum erreicht und bei weiterer Erhöhung der Feldstärke nicht mehr ansteigt.
Die Ringkerne sind durch den Gleichstrom aus der Batterie B so vormagnetisiert,
daß der maximale Fluß schon erreicht ist. Wenn jetzt an die Wicklungen P i und P
2 die Wechselspannung U angelegt wird, muß sich in den Ringkernen dem Gleichfluß
ein Wechselfluß überlagern.
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An Hand von Fig. 2 und 3 sei erläutert, welche Verhältnisse sich dabei
in den Ringkernen K i und K 2 ergeben. In der ersten Halbperiode sei die Wechseistrommagnetisierung
im Ringkern K i der Gleichstrommagnetisierung gleichgerichtet, im Ringkern K 2 entgegengerichtet.
Da im Ringkern K i infolge der bereits durch den Gleichstrom erreichten Sättigung
eine Flußerhöhung nicht mehr stattfinden kann, ist der Wechselfluß 0 1 im Ringkern
K
i Null. Damit muß auch die Teilspannung U I - an der Wicklung P i des Ringes K i
Null sein; die volle Spannung liegt an der Wicklung P2 des Ringes K2. In der zweiten
Halbwelle ist die Wechselstrommagnetisierung im Ringkern K 2 der Gleichstrommagnetisierung
gleichgerichtet, im Ringkern K i entgegengerichtet. Jetzt ist der Wechselfluß 011
und damit die Teilspannung U II - an der Wicklung P 2 des Ringkernes K 2 Null; die
volle Spannung liegt an der Wicklung P i des Ringkernes K i. Die Teilspannungen
U I - und U II -, die auch in den Wicklungen A i und f12 auftreten,
werden durch die Reihenschaltung dieser Wicklungen addiert (Fig. q.). Man erhält
dann als Gesamtspannung die Spannung U2 mit der Frequenz ioo Hz.
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Um diese Wechselspannung U2 von den Gleichstromwicklungen G i, G 2
oder von den zusätzlichen Arbeits.,wicklungen A i, A2 abgreifen und nutzbar machen
zu können, ist es notwendig, ihren Kurzschluß im Gleichstromkreis zu verhindern.
Dieses kann durch eine zusätzliche Induktivität X im Gleichstromkreis oder durch
einen an deren Stelle tretenden Sperrkreis erreicht werden. Diese Sperreinrichtung
erfordert, da sie vom Gleichstrom vormagnetisiert wird, einen verhältnismäßig großen
Materialaufwand. Ferner hat die bekannte Anordnung den Nachteil, daß sie das speisende
Netz nur einphasig belastet, während in. den meisten Fällen eine dreiphasige Belastung
des speisenden Netzes vorteilhafter wäre.
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Die Erfindung beseitigt diese beiden Nachteile, die in der zusätzlichen.
Sperreinrichtung und in der einphasigen Belastung des Netzes liegen. Sie betrifft
eine Anordnung zur Umformung von Mehrphasenstrom gegebener Frequenz in Einphasenstrom
doppelter Frequenz mittels gleichstromvormagnetisierter Drosseln und ist dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Sätze derartiger Drosseln in einer Schaltung nach der Art
,der Scott-Schaltung derart an das Mehrphasennetz angeschlossen sind, daß das Mehrphasennetz
bei symmetrischer Belastung seiner Phasen eine Einphasenspannung doppelter Frequenz
liefert, deren Kurzschlußstrom mittels. der Gleichstromvormagnetisierung steuerbar
ist.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zur
Erzeugung einer einphasigen Werhselspannung von doppelter Netzfrequenz. In Fig.
7 und 8 sind die Primärwicklungen für diese beiden Ausführungsbeispiele nochmals
gesondert herausgezeichnet. Fig. 9 und io sind Erläuterungsdiagramme. Fig. i i zeigt
eine Abänderung der Ausführungsbeispiele nach Fig. 5 und 6. Fig. 12 und 13 zeigen
zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zur Erzeugung eines Drehstromes von doppelter
Netzfrequenz. In Fig. 5 sind mit R, S, T die drei Phasen eines Drehstromnetzes bezeichnet.
Es sind zwei Sätze I und II vormagnetisierter Drosseln vorgesehen, von denen jede
in entsprechender Weise ausgebildet ist, wie der in Fig. i dargestellte Drosselsatz,
und für die einzelnen Teile sind die gleichen Bezugszeichen wie dort gewählt, wobei
lediglich die Teile des Drosselsatzes II mit einem Indexstrich versehen sind. Die
Gleichstromwicklungen aller Ringkerne sind gleichsinnig hintereinander in Reihe
geschaltet und an die Batterie B gelegt. Die Arbeitswicklungen sind ebenfalls sämtlich
hintereinandergeschaltet, wobei jedoch die Wicklungen A i und A 2 des Satzes I in
entgegengesetzter Richtung gewickelt sind wie die zugehörigen Gleichstromwicklungen
G i und G2. Die aus den Teilen P i, P2 und P i', P2' bestehenden Primärwicklungen
sind in Seott-Schaltung an das Drehstromnetz angeschlossen, das sie bei gleicher
Scheinleistungsaufnahme symmetrisch belasten. Während die Primärwicklung
P i, P2 des Satzes I an den Phasen R und S liegt, ist die Primärwicklung
P i', P2' Ides Satzes II mit der v3 -fachen Windungszahl an die Phase T und an die
Mitte eines induktiven Spannungsteilers P angeschlossen"der zwischen den Phasen
R und S liegt. Die an den Klemmen der Primärwicklung P i, P 2 auftretende Wechselspannung
ist hierbei gegenüber der an den Klemmen der Primärwicklung P i', P2' auftretenden
Wechselspannung um go° phasenverschoben.
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Durch die Verwendung des Spannungsteilers P und die Gegeneinanderschaltung
der primären Wicklungsteile P i und P2 wird, wie aus Fig. 7 erkennbar ist, der Drosselstrom
JII, der sich im Anschlußpunkt des Spannungsteilers P in zwei gleiche Teilströme
verzweigt, innerhalb jeder Teildrossel des Satzes I kompensiert. Nach dem Ausführungsbeispiel
in Fig. 6, bei dem die Schaltung bis auf die Anordnung der Primärwiclclttngen die
gleiche wie nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 ist, wird der Drosselsatz I unmittelbar
als Spannungsteiler benutzt, indem man dafür sorgt, daß der Drosselstrom J II, der
sich im Anschlußpunkt A nach R und S in zwei gleiche Teilströme verzweigt (s. Fig.
8), innerhalb jeder Teildrossel des Satzes I kompensiert wird. Das erreicht man
beispielsweise durch die in Fig.6 und 8 dargestellte Aufteilung der primären Weehselstrosnwicklung
des Satzes I in vier gleiche Teile P i, P 2 und H i,
H2, die so geschaltet werden, daß jeder Teilstrom J II über jede Drossel
des Satzes I fließen muß, wie dies in Fig. 6 und 8 .gezeigt ist. In Fig. 8 sind
dabei zur Kennzeichnung des Wicklungssinnes die einzelnen Wicklungen mit Buchtaben
y und L versehen.
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In Abänderung der Schaltung können. sowohl in Fig. 5 wie auch in Fig.
6 die Teile A i, A 2 der Arbeitswicklung des Satzes I mit den Teilen A i', Aa' des
Satzes II statt in Reihe auch parallel geschaltet sein, wie -dies in Fig. 9 dargestellt
ist.
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In Fig. io ist mit U i I die Spannungskurve der an -der Primärwicklung
P i, P2 des Satzes I liegenden Wechselspannung und mit U i II die demgegenüber um
go° phasenverschobene Wechselspannung an den Primärwicklungen P i', P2' des
Satzes II bezeichnet. Mit U2 I ist die zweite Harmonische der Wechselspannung U
i I und mit U211 ist die zweite Harmonische der Wechselspannung U i II bezeichnet.
Wie diese zweiten Harmonischen mit doppelt so großer Frequenz als. die zugehörige
Primärwechselspannung zustande kommen, dürfte
auf Grund der an Hand
von Fig. i bis 4 gegebenen Erläuterungen ohne weiteres klar sein. Die zweite Harmonische
U2II im Drosselsatz II ist gegen die zweite Harmonische U21 im Drosselsatz i um
X go° = i8o° elektrisch phasenverschoben. Sie tritt daher in der Gleichstromwicklung
nicht auf, und daher ist eine zusätzliche Induktivität X oder ein Sperrkreis im
Gleichstromkreis wie bei der bekannten Ausführung nach Fig. i nicht mehr nötig.
Da die sekundäre Arbeitswicklung A i, A2 im Satz I gegenläufig und die Arbeitswicklung
A i', A2' im Satz II gleichläufig zu den zugehörigen Gleichstromwicklungen gewickelt
ist, so addieren sich in: der Arbeitswicklung die Teilspannungen der zweiten Harmonischen
im vollen Betrag, wie in Fig. i i dargestellt ist, in der mit U i
I und U 111 wieder die um go° phasenve-rschobenen Wechselspan,
nungen an den Primärwicklungen der Sätze I und II bezeichnet sind und in der die
sich aus den sich addierenden Teilspannungen U21 plus U2II ergebene Spannungskurve
mit doppelter Netzfrequenz gezeichnet ist. Bei einer Belastung der sekundären Arbeitswicklung
erfolgt die Rückwirkung auf die Primärseite eines jeden Satzes gleichmäßig wie bei
getrenntem einphasigem Anschluß. Die Effektivwerte aller Phasenströme auf der Drehstromseite
sind dadurch gleich groß.
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Der beschriebene Frequenztrans-formator nach der Erfindung, der neben
einer Frequenzwandlung auch noch eine Dreiphasen-Einphasen-Transformation vornimmt,
kann sehr vorteilhaft als Schweiß-und Ofentransformator Verwendung finden. Ebenso
wie ein Schweißtransformator hat er eine hohe innere Reaktanz und kann daher unmittelbar
zur Wechselstromlichtbogenschweißung dienen. Die Kurzschlußstromstärke ist der Gleichstromvormagnetisierung
proportional und damit einfach regelbar. Auch als Spannungserzeuger für Widerstandsschweißanlagen
und Schmelzöfen sind derartige Frequenztransformaboren nach der Erfindung vorteilhaft
zu verwenden, zumal durch zusätzliche kapazitive Belastung auf der Sekundärseite
(Kondensator C in Fig. 5) die Typenleistung stark herabgesetzt und der Leistungsfaktor
erheblich verbessert werden kann. Über die Gleichstromvormagnetisierung ist eine
stufenlose Selbstregelung derartiger Anordnungen mit einfachen Mitteln möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Anordnung nach der
Erfindung auch zur Erzeugung eines Drehstroms von doppelter Netzfrequenz benutzt
werden. Verwendet man drei Sätze vormagnetisierter Drosseln in Stern- oder Dreieckschaltung
und schaltet die sekundären Arbeitswicklungen in Dreieck, die Gleichstromwicklungen
dagegen nach Art einer offenen Dreieckwicklung, so ist die Summenspannung-der zweiten
Harmonischen wiederum in der Gleichstromwicklung gleich Null.
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Die Schaltungen von zwei Ausführungsbeispielen dieser Art sind in
Fig. 12 und 13 dargestellt, wobei die Drosselsätze mit I, II und III bezeichnet
sind und die zugehörigen Primärwicklungen, Gleichstromwicklungen und Arbeitswicklungen
sowie die zugehörigen Kerne mit denselben. Bezugszeichen versehen sind wie in den
vorhergehenden Figuren. Ferner ist jede Wicklung zur Kennzeichnung ihres Wicklungssinnes
mit einem der Buchstaben y bzw. l
bezeichnet. Sowohl in Fig. 12 als auch in
Fig. 13 sind die sekundären Arbeitswicklungen A i, A i', A2, A2' und
A3, A3', ,deren Klemmen mit U, Tl und W bezeichnet sind, nach
Art einer offenen Dreieckwicklung geschaltet. Dagegen unterscheidet sich die Schaltung
der Primärwicklung insofern, als in Fig. 12 die Primärwicklungen P i,
P2 usw. in Dreieckschaltung mit ihren Klemmen R, S und T an das Drehstromnetz
gelegt sind, während sie in Fig. 13 in Sternschaltung gelegt sind, wobei die Wicklungen
mit ihren einen Endklemmen R, S und T an die gleich benannten Phasenleitungen des
Drehstromnetzes angeschlossen sind, während die anderen Endklemmen X, Z und Z im
Sternpunkt 0 zusammengefaßt sind.
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Die Phasenwinkel der Primärspannungen sind o°, 1200, 24o'; diejenigen
der entsprechenden zweiten Spannungsoberwellen. sind doppelt so groß, also o°, 24o0,
48o0 oder o°, 24o°, I20° o. a. Es bildet also auch die zweite Harmonische ein symmetrisches
Drehstromsystem aus. Eine derartige Anordnung kann, beispielsweise in Verbindung
mit Kondensatoren, als statischer Frequenzverdoppler für schnellaufende Drehstrommotoren
dienen, wie sie beispielsweise für Holzbearbeitungsmaschinen gebraucht werden.