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Anordnung zur Verminderung der Verluste in Hochfrequenzerzeugern.
Vorliegende Erfindung bezweckt, die Verluste in Hochfrequenzmaschinen bzw. Transformatoren
zu verringern.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens ist in Abb. r schematisch
eine Hochfrequenzanlage in der einfachsten Weise dargestellt. In der Abbildung bedeuten:
M die Hochfrequenzmaschine oder im allgemeinen die Hochfrequenzquelle (Frequenzwandler,
Transformator usw. ), A die - Antenne, La deren Verlängerungsspule
(Selbstinduktion) und E die Erdung. Um stabile Verhältnisse zu bekommen, muß bekanntlich
die Eigenfrequenz des Antennenkreises, bestehend aus Maschine bzw. Elektrizitätsquelle,
Verlängerung und Antenne, etwas größer als die Frequenz des Wechselstromes sein,
d. h. die Antenne müß auf dem aufsteigenden Ast der bekannten Resonanzkurve arbeiten
(Punkt P der Abb. z).
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In diesem Falle liefert aber die Maschine einen Strom, der ihrer inneren
EMK in der Phase voreilt. Dieses verursacht eine wesentliche Steigerung der Klemmenspannung
über den Wert der EMK, wodurch nicht nur eine größere Isolation benötigt wird, sondern
auch große Eisenverluste entstehen und als deren Folge eine große Erwärmung stattfindet.
Andererseits wird die Leistung der Maschine durch den benötigten größeren Raum für
die Isolation verkleinert. Nach der Erfindung werden alle diese Nachteile dadurch
vermieden, daß parallel zur Maschine eine gegebenenfalls einstellbare Selbstinduktion
L, geschaltet wird (s. Abb.3), die dem Antennenkreis den voreilenden Strom liefert,
also die Maschine von diesem Strom ganz oder teilweise entlastet, und zwar in solchem
Maße, daß die Klemmenspannung der Maschine bei der Belastung nicht oder nicht wesentlich
über ihre innere Spannung bzw. die Leerlaufspannung hinausgehen kann. Man kann zweckmäßigerweise
die Größe von L, so wählen, daß die Klemmenspannung der Maschine gleich oder nahezu
gleich ist ihrer inneren EMK, d. h. ihrer Leerlaufspannung (bei der gleichen Gleichstromerregung).
Statt L, direkt parallel zur Maschine zu legen, kann man sie natürlich auch indirekt
mit der Maschine kapazitiv oder induktiv (vermittels Transformatoren) koppeln.
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Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der die Verlängerungsspule
statt in Reihe parallel zur Antenne gelegt wird. Diese Anordnung verfolgt den Zweck,
zur direkten Speisung der Antenne eine Hochspannungsmaschine (d. h. deren Spannung
nahe an der Antennenspannung liegt) verwenden zu können. Bei dieser Anordnung ist
die Bemessung der Parallelinduktion (Verlängerungsspule
) so getroffen,
daß der Maschinenstrom in Phase mit der inneren EMK der Maschine ist. Bei dieser
Bemessung steigt die Klemmenspannung mit der Belastung beträchtlich über den Leerlaufswert.
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Demgegenüber wird nach der vorliegenden Erfindung die Parallelselbstinduktion
so bemessen bzw. eingestellt, daß die Spannung bei der Belastung gegenüber der Leerlaufspannung
nicht oder nicht wesentlich ansteigt; dies ist aber nur dann möglich, wenn die Parallelselbstinduktion
gegenüber der bekannten Anordnung so verkleinert ist, daß der Maschinenstrom der
inneren EMK nacheilt.
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Das wird im nachstehenden an Hand der Vektordiagramme (Abb.4 bis 6)
näher erklärt.
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Abb.4 stellt ein Spannungsdiagramm bei Voreilung des Maschinenstromes
gegenüber der inneren Spannung dar. Hier bedeuten e - 0A die in der Armatur
durch das Magnetfeld induzierte innere Spannung und i den etwa um einen Zeitwinkel
cp voreilenden Strom (effektiver -Wert). Dieser Strom erzeugt in der Armatur infolge
ihrer Reaktanz eine dem Strom um 9o° nacheilende S@elbstinduktionsspannung (induktiver
Spannungsabfall) AB=!. L," w (L," ist der Selbstindnktionskoeffizient
der Maschine und w die Kreisfrequenz), die also mit der inneren Spannung
ei einen stumpfen Winkel (go+cp) bildet. Die innere Spannung 0A und der induktive
Spannungsabfall summieren sich vektoriell zu einer Klemmenspannung ek
= OB,
die, da sie dem stumpfen Winkel des Dreiecks O-A-B gegenüberliegt,
größer ist als die Seite 0A. Der induktive Spannungsabfall bedingt also in diesem
Fall eine bedeutende Erhöhung der Klemmenspannung gegenüber der inneren Spannung
bzw. der Leerlaufspannung.
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Diese unerwünschte Spannungserhöhung besteht immer, wie klein auch
der Voreilungswinkel cp sein mag.
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Auch im Falle, daß der Strom i nicht mehr voreilend, sondern wie bei
der bekannten Anordnung phasengleich mit der inneren Spannung e ist, erhält man
eine bedeutende Klemmenspannungserhöhung bei der Belastung, wie dies die Abb.5 zeigt;
der zu dem Stromvektor senkrechte Vektor AB des induktiven Spannungsabfalles
ist jetzt auch senkrecht zu dem Vektor e der inneren Spannung; folglich ist die
Klemmenspannung ek als Hypotenuse größer als die Kathete 0A = ei.
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Wie groß die Spannungserhöhung in diesem Falle sein kann, zeigt am
besten ein Zahlenbeispiel aus der Praxis: ein Hochfrequenzgenerator für
500 Volt Leerlaufspannung und io ooo Perioden pro Sekunde besitzt eine Selbstinduktion
von 1,75.1a-4 Henry, also bei der oben angegebenen Frequenz eine Induktanz von
w L"L = 2 7r it L"= = 2 r # 10000 # 1,75 -10 @ = 1.1 Ohm. Der normale
Belastungsstrom beträgt etwa 4o Amp. Der induktive Spannungsabfall i (wL"), d. h.
die Kathete AB in Abb. 5, ist also gleich 40 # i i = 440 Volt und die Klemmenspannung
(Hypotenuse) gleich
gegenüber der Leerlaufspannung von nur 500 Volt.
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Diese unerwünschte Spannungserhöhung bekämpft eben die vorliegende
Erfindung; soll die Parallelinduktanz so eingestellt werden, daß die Klemmenspannung
der Maschine bei voller Belastung gleich oder nahezu gleich ist ihrer inneren EMK
(bzw. ihrer Leerlaufspannung), so ist dies, wie aus den obigen Betrachtungen ohne
weiteres einleuchtet, nur dann möglich, wenn der Maschinenstrom der Spannung ei
nacheilt, wie dies Abb.6 zeigt; eilt nämlich der Maschinenstrom. i der inneren Spannung
um cp° nach, so bildet dann der Vektor AB des induktiven Spannungsabfalles
einen spitzen Winkel (-go - cp) mit der inneren Spannung 0A, so daß die Klemmenspannung
OB jetzt in gewünschten Grenzen gehalten werden kann.
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Will man insbesondere die Klemmenspannung gleich der inneren Spannung
erhalten, so wählt man den Nacheilungswinkel cp, so daß das Dreieck A-O-B ein gleichschenkliges
ist, mit der Basis A-B und gleichen Schenkeln O- A und 0-B; dazu ist es notwendig
und hinreichend, daß der zur Basis A-B senkrechte Stromvektor i den Winkel
A-O-B halbiert; es muß also cp in diesem Falle so gewählt werden, daß der Maschinenstrom
der inneren Spannung um so viel nacheilt, um wieviel er der Klemmenspannung voreilt,
und der Nacheilungswinkel cp bestimmt sich in diesem Falle aus Abb. 6 wie folgt:
Bei den Verhältnissen des obigen Zahlenbeispieles wäre der Nacheilungswinkel wie
folgt:
25,2° cos cp - 0,9-Aus obigen Ausführungen ist es ersichtlich, daß, während bei
der bekannten Anordnung der ganze Kreis (die Selbstinduktion der Maschine einbegriffen)
so abgestimmt ist, daß man eine Resonanz hat, nach der vorliegenden Erfindung die
Parallelselbstinduktion kleiner bemessen wird, so daß die Eigenfrequenz des ganzen
Kreises kleiner und die
Eigenfrequenz des Antennenzweiges -größer
ist als die Frequenz des Wechselstromes.
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Die richtige Einstellung der Parallelinduktanz ist leicht zu treffen;
man ändert das Variometer L", bis das Voltmeter bei der vollen Belastung die gewünschte
Klemmenspannung hat.