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Ruhender Frequenztransformator für geradzahlige Frequenzvervielfachung,
insbesondere für Frequenzverdoppelung Man hat früher angenommen, daß ruhende Frequenztransformatoren
nur dann eine doppelte, vierfache, sechsfache usw. der primären Frequenz abgeben
können, wenn sie eine wesentliche überlagerte Gleichstrommagnetisierung haben.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis ,aus, daß dies nicht
unbedingt nötig ist, und daß ein ruhender Frequenzwandler eine sekundäre Leistung
einfach durch Selbsterregung ,abgeben kann, wenn auch keine Überlagerung durch Gleichstrommagnetisierung
stattfindet oder wenn man nur eine verhältnismäßig geringe Gleichstromvormagnetisierung
zum Anstoß der Selbsterregung verwendet. Man kann nämlich die Wirkung der Gleichstromerregung
durch die Rückwirkung eines selbsterregten voreilenden Wechselstromes ersetzen,
wenn die Größe dieses voreilenden Stromes geeignet eingestellt wird.
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Welche Größe des, voreilenden Wechselstromes notwendig ist,-damit
die Selbsterregung stattfindet, und welche Beziehung für die Konstanten des die
vervielfachte Frequenz abgebenden Kreises dafür bestehen soll, ergibt sich aus der
nachstehenden Überlegung.
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In einem bekannten ruhenden 'Frequenzwandler mit einer wesentlichen
überlagerten Gleichstronimagnetisierung entsteht im sekundären Kreis eine EMK der
gewünschten vervielfachten Frequenz, z. B. doppelte Frequenz, die von der Größe
der überlagerten Gleichstrommagnetisierung abhängig ist. Wenn die Gleichstrommagnetisierung
von Null aus wächst, so. wächst mit ihr zusammen auch die sekundäre EMK der gewünschten
vervielfachten Frequenz bis zum BetriebspunktP und .auch darüber hinaus bis zum
Eintritt eines gewissen Sättigungszustandes, nach dessen Übertretung sie wieder
abnimmt(dieser letztere Änderungsbereich kommt .aber für den Betrieb nicht in Frage).
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Wenn man nun bei diesem bekannten Frequenzwandler seine sekundären
Klemmen kurzschließt, so entsteht hierdurch ein Kurzschlußstrom il" der die ihn
erzeugende sekundäre EMK bzw. den die letztere verursachenden magnetischen Flux
im wesentlichen abdrosselt. Die Wirkung des Kurzschlußstromes ik hebt .also die
Wirkung der überlagerten Gleichstrommagnetisierung im wesentlichen auf. Könnte man
also statt des Kurzschlußstromes (der, wie bekannt, der ihn - erzeugenden inneren
EMK .angenähert um 9o° in der Phase nacheilt) in- der betreffenden Wicklung einen
Strom gleichen Betrages, aber entgegengesetzter Richtung erzeugen, so, würde dieser
voreilende Strom .auf die E.MK bzw. den sie erzeugenden resultierenden magnetischen
Flux die gleiche, aber entgegengesetzte Wirkung ,ausüben als der Kurzschlußstrom,
d. h. die Wirkung dieses voreilenden Stromes
wäre mit der der überlagerten
Gleichstrommagnetisierung identisch. Die letztere könnte daher- entfallen und durch
den erwähnten voreilenden,, dem Kurzschlußstrom dem Betrag nach gleichen selbsterregten
Wechselstrom ersetzt werden.
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Damit nun der gewünschte voreilende zur Selbsterregung nötige Strom
entsteht, müssen gewisse Bedingungen erfüllt werden. Zur Ableitung dieser Bedingungen
möge die Abb. i der Zeichnung dienen. Die Kurve e, il, zeigt die Abhängigkeit, die
zwischen der Größe der im Sekundärkreis winkenden inneren EMK (diese kann auch als
Leerlaufspannung bezeichnet werden) und dem Kurzschlußstrom il,, besteht; die .erstere
bildet die Ordinaten, der letztere die Abszissen. Es sei ferner .angenommen, daß
zur Erzeugung des voreilenden Erregerstromes de Sekundärwicklung des Frequenzwandlers
kapazitiv belastet ist. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß an die Sekundärklemmen
ein Parallelkondensator .passender Größe angelegt ist. Seine Größe sei so.- gewählt,
daß der ganze resultierende Widerstand, auf den die innere Sekundärspannung e des
Frequenzwandlers wirkt, ein kapazitiver ist. Die Charakteristik dieses resultierenden
kapazitiven Widerstandes, d. h. die Abhängigkeit zwischen der EMK e und dem durch
sie erzeugten voreilenden Strom, ist durch die Linie G dargestellt. Sie ist im allgemeinen
nicht ganz geradlinig, da die einzelnen Teile des resultierenden Widerstandes, wenn
sie z. B. Eisen enthalten, vom Strom abhängig sein können. Man kann aber hier zur
einfacheren Darstellung annehmen, daß diese Charakteristik G einen geradlinigen
Verlauf hat, d. h., daß der resultierende kapazitive Widerstand einen vom Strom
unabhängig konstanten Betrag tg, a hat. Man kann nun nachweisen, daß eine Selbsterregung
nur dann stattfinden kann, wenn die Charakteristik G anfangs, d. h. bei kleineren
Strömen und Spannungen, tiefer liegt als die Charakteristik e, ik des Frequenzwandlers
und dann bei größeren Strömen und Spannungen sie in einen Punkt P schneidet.
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Es sei z. B. angenommen, daß bei der Einschaltung des Vrequenzwandlers,
d. h. beim Anschluß seiner P 'nmärwicklunZ an die primäre Spannung bzw. primäre
Frequenz, infolge der etwa vorhandenen Spuren der magnetischen Remanenz in der Sekundärwicklung
eine bestimmte, wenn auch überaus kleine Spannung der vielfachen Nutzfrequenz, z.
B. dei doppelten Frequenz, entsteht. Diese kleine innere Anfangsspannung sei a,
A. Diese Spannung, a, A wirkt auf den kapazitiven Widerstand mit der Charakteristik
G und entspricht der Ordinate b, B' der letzteren. Hierdurch wird durch den resultierenden
Widerstand ein voreilender dem Betrag tg, a entsprechender Strom 0"b erzeugt,
der in der Sekundärwicklung die innere Spannung auf den Betrag b, B bringt.
Diese entspricht wiederum der Ordinate c, C der Charakteristik G, verstärkt
also. den voreilenden Strom auf den Betrag O, c, der seinerseits die EMK der Sekundärwicklung
auf die Höhe c, .C treibt usw. Das Anwachsen der EMIZ und des sie erregenden voreilenden
Stromes dauert solange, bis der SchnittpunktP der beiden Charakteristiken erreicht
wird, der einen Stabilitätspunkt bildet.
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Der obigen Betrachtung war die Annahme zugrunde gelegt, daß an den
Frequenzwandler sekundär nur ein Parallelkondensator angeschlossen ist. Wird der
Sekundärkreis nun auch durch den Verbraucher belastet, so wird man, um den durch
diese Belastung hinzugekommenen Spannungsabfall des FreUuenzwandlers auszugleichen,
den Kondensator entsprechend größer machen. Umjedoch größere Leerlaufverluste durch
Einschaltung eines einzigen großen Kondensators zu vermeiden, kann man einen Hauptkondensator
nehmen, der nur die Leerlaufspannung erzeugt und jedesmal mit Zuschaltung einer
Nutzlast gleichzeitig einen entsprechenden Kondensator parallel zuschalten.
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Man kann auch gleichzeitig mit dem Parallelkondensator .oder anstatt
desselben in den an die Sekundärklemmen angeschlossenen Verbraucherkreis einen Reihenkondensator
einschalten. Wesentlich ist auch hierbei, daß der ganze aus dem induktiven Widerstand
des Frequenzwandlers und der an diesen sekundär angeschlossenen Apparate (Induktanzen,
Kapazitäten, Verbraucher usw.) resultierende, für die Größe des wattlosen Stromes
maßgebende Widerstand kap.azitiv ist und eine geeignete Charakteristik hat.
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@Im allgemeinen sind die gpuren von Remanenzmagnetismus fast immer
vorhanden. Ist dies jedoch nicht der Fall oder will inan, daß die Selbsterregung
immer mit vollkommener Sicherheit erfolgt, so empfiehlt es sich, zum Anstoß der
Selbsterregung eine kleine zusätzliche Gleichstromerregung i, zu verwenden.
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Dies ist in der Abb. 2 zum Ausdruck gebracht. Hier wird eine kleine
zusätzliche Gleichstromhilfsmagnetisierung i, als eine zum Anstoß der Selbsterregung
genügende innere Anfangsspannung a, A erzeugt, die in der oben beschriebenen Weise
die weitere Selbsterregung bewirkt. Hat der kapazitive. resultierende Widerstand
eine Charakteristik gl, so kommt man auf einen BetriebspunktPl, dem die EMK el und
der voreilende die Selbsterregung bewirkende Strom ra, p entspricht.
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Durch Änderung des kapazitiven resultierenden
Widerstandes
tg, a kann man die Richtung der entsprechenden Charakteristik G ändern und
dadurch den Stabilitätspunkt P (Durchschnitt mit e, ilz Charakteristik) nach
Belieben verstellen. So kann man auf verschiedene den Charakteristiken gi, g2, g3,
g4entsprechende Spannungen elf e2, e3, ei kommen.
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Ist jedoch, wie dies bei den der Abb. i entsprechenden Verhältnissen
der Fäll ist, keine zusätzliche Hilfsgleichstromerregung vorhanden, so@ kann die
Neigung a der Charakteristik G nicht einen bestimmten Wert Überschreiten. Darüber
hinaus kann keine Selbsterregung stattfinden.
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Die Bedingung, die erfüllt werden muß, damit sowohl im Fall der Abb.
i wie im Fall der Abb. 2 eine Selbsterregung stattfindet, kann man wie folgt formulieren:
Für das Zustandekommen der Selbsterregung ist es notwendig und zureichend, daß die
Charakteristik (Stromspannungskurve) des aus den Widerständen des Frequenztransformators
und der angeschlossenen Apparate (Kapazitäten, Induktanzen, Verbraucher usw.) resultierenden,
für die Größe des wattlosen. Stromes maßgebenden kapazitiven Widerstandes für kleine
Ströme und Spannungen unterhalb der Charakteristik des -Frequenzwandlers (Kurve
der Abhängigkeit zwischen der EMK bzw. Leerlaufspannung und dem entsprechenden Kurzschlußstrom
bzw. äquivalenten Erregerstrom) liegt; bei größeren Strömen bzw. Spannungen aber
diese letztere Charakteristik schneidet.
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Für den Fall der Abb. i (ohne jede Hilfserregung durch Gleichstrom)
kann man die obige Bedingung auch wie folgt ausdrücken: Für das Zustandekommen der
Selbsterregung muß der erwähnte resultierende kapazitive Widerstand zu Beginn der
Erregung kleiner sein als der Wert von
wobei e die innere EMK und ik den dieser EMK entsprechenden Kurzschlußstrom bedeuten.
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Ein Ausführungsbeispiel für einen Frequenzverdoppler ist in der Abb.
3 schematisch dargestellt.
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Es bedeutet hier V einen gewöhnlichen Frequenzverdoppler (Epstein-Joly-Frequenztransformator),
auf dessen Eisenkernen zwei primäre Wicklungen D1, D2 und die entsprechenden zu
diesen differentiell gewickelten sekundären Wicklungen Di , D2' angeordnet
sind. I(1 ist der Haupterregerkondensator, der im Nebenschluß zum Verbraucher R
-geschaltet ist. Er liefert den ausschließlich- oder hauptsächlich zur Selbsterregung
dienenden voreilenden Strom. B ist eine kleine Gleichstromquelle, die nur dem Anstoß
zur Erzeugung von Wechselstrom doppelter Frequenz dient. Um zu verhindern, daß Gleichstrom
in den Verbraucher kommt, ist ein HilfskondensatorlK2 diesem vorgeschaltet. K2 dientgleichzeitig
als teilweise Reihenerregung.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Parallelkapazität I(,
ausschließlich durch einen Kondensator -(oder Kondensatoren) gebildet ist. Unter
Umständen kann es sich empfehlen, in diesen Zweig in Reihe mit denn Kondensator
I(, noch eine Selbstinduktion einzuschalten, derart, daß der resultierende Widerstand
kapazitiv bleibt. Man könnte auf diese Weise mit kleineren Kondensatoren K, auskommen
und .außerdem durch passende Einstellung dieser Induktanz eine beliebige G-Charakteristik
(s. Abb. z) und somit eine einfache Regelung der Leistung erhalten.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb. q. unterscheidet sich von dem vorigen
nur dadurch, daß hier für die Selbsterregung beim unbelasteten Transformator ein
Hauptkondensator I(1, der nur die Leerlaufspannung erzeugt, verwendet wird und jedesmal
mit Zuschaltung einer Belastung 12 gleichzeitig ein entsprechender zusätzlicher
Kondensator I( parallel zugeschaltet wird.
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Es sei noch bemerkt, daß bei allen vorstehenden Erklärungen vorausgesetzt
wurde, daß der den voreilenden Erregerstrom liefernde Parallelkondensator I(, an
die Sekundärklemmen des Frequenzwandlers angeschlossen ist. Dies ist jedoch nicht
unbedingt erforderlich. Vielmehr kann er an eine besondere Wicklung angeschlossen
werden, die eine ähnliche Lage hat wie die Sekundärwicklung D,, D2 und mit
dieser elektromagnetisch gekoppelt ist. In diesem Falle muß man natürlich die erregenden
Amperewindungen des voreilenden Stromes auf die Am perewindungen der Sekundärwicklung
umrechnen.
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Das im obigen auseinandergesetzte Selbsterregungsprinzip ist selbstverständlich
nicht nur auf Frequenzverdoppler, sondern auch ganz allgemein auf Wechselstromapparate,
die bis jetzt durch Gleichstrom erregt wurden, also auch auf Frequenzwandler für
höhere geradzahlige Vervielfachung, anwendbar.