DE1085248B - Elektrische Schaltanordnung fuer Mittelfrequenz - Google Patents

Description

Wird eine Spannungsquelle belastet, so entsteht infolge ihres Innenwiderstandes ein Spannungsabfall. Erfolgt die Tielastung intermittierend mit einer Zeitdauer unterhalb einerHalbperiode, so wird dadurch die Klemmenspannung der Spannungsquelle verzerrt. Treten beispielsweise Belastungsstöße periodisch mit etwa symmetrischer Lage beiderseits des Scheitelwertes der Spannungskurve auf, so wird die ursprüglich sinusförmige Klemmenspannung um so stärker abgeflacht, je größer der Innenwiderstand der Spannungsquelle ist. Solche Belastungsfälle können vor allem gegeben sein in Gleichrichteranlagen, die auf eine Gegenspannung arbeiten. Auch teilausgesteuerte Gleichrichter haben eine — allerdings unsymmetrische — intermittierende Belastung der vorerwähnten Art zur Folge. In Anlagen normaler Betriebsfrequenz von z. B. 50Hz entstehen daraus in der Regel keine Schwierigkeiten.

Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit dem Gebiet der mittleren Frequenzen von einigen hundert bis zu einigen tausend Hz, die meist noch mittels umlaufender Generatoren erzeugt werden. Sie geht von einer Reihe von Erkenntnissen aus. Die erste besteht darin, daß infolge der verhältnismäßig großen Streuinduktivität der Mittelfrequenzgeneratoren die Verzerrung der Spannungskurve durch eine periodische Belastung, die jeweils nur während eines Teiles einer Halbwelle auftritt, so beachtliche Ausmaße annehmen kann, daß zu ihrer Beherrschung eine wesentliche Vergrößerung der Generator-Typenleistung, unter Umständen auf ein Mehrfaches, nötig wäre. Eine zweite Erkenntnis besagt, daß bei Mittelfrequenzgeneratoren eine Vergrößerung der Nennleistung wesentlich mehr Aufwand und Kosten erfordert als vergleichsweise bei Maschinen für die Netzfrequenz 50Hz. Demzufolge ergibt sich als Aufgabe, die durch die Erfindung zu lösen ist, bei einer intermittierenden Belastung eine stoßweise Beanspruchung von der mittelfrequenten Spannungsquelle fernzuhalten. Zur Lösung dieser bekannten Aufgabe macht die Erfindung von Mitteln der Hochfrequenztechnik Gebrauch, nämlich von einem an sich bekannten Schwingungskreis zur Erzeugung bzw. Unterdrückung gegebener Frequenzen.

Dem liegen die weiteren Erkenntnisse zugrunde, daß von den beiden Elementen des Schwingungskreises, Kondensator und Drosselspule, der erstere für den vorliegenden Zweck die Hauptrolle spielt und daß ferner der Aufwand für den Kondensator, der die Verwendung von Schwingungskreisen in Schaltungen für 50 Hz praktisch unmöglich macht, in Mittelfrequenzanordnungen wirtschaftlich von Vorteil sein kann, insbesondere gegenüber der obenerwähnten Vergrößerung des Generators.

Von vorstehenden Überlegungen geht die Erfindung aus. Sie betrifft eine elektrische Schaltanordnung mit einer Mittelfrequenz-Spannungsquelle, die periodisch jeweils nur während eines Teilabschnittes einer Halbwelle

Elektrische Schaltanordnung
für Mittelfrequenz

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Heinz Rieger, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

belastet wird, und besteht darin, daß zur Entlastung der Spannungsquelle von Oberwellen parallel zur Last eine an sich bekannte auf Resonanz mit der Grundwelle der Speisespannung abgestimmte Parallelschaltung eines Kondensators und einer Drosselspule geschaltet ist und daß die Kapazität des Kondensators so groß gewählt ist, daß für die niedrigste betriebsmäßig vorkommende Oberwellenfrequenz der Leitwert des Schwingungskreises größer ist als der doppelte Leitwert der Spannungsquelle.

Fig. 1 enthält das Schaltschema eines Ausführungsbeispieles, die

Fig. 2 und 3 zeigen Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Nach Fig. 1 ist an einen Mittelfrequenzgenerator G, dessen innerer, hauptsächlich induktiver Widerstand besonders dargesteEt und mit L₂ bezeichnet ist, über einen Transformator Tr und einen Gleichrichter Gl ein Verbraucher R angeschlossen, dem ein Strom mit sehr hoher, möglichst konstanter Gleichspannung zugeführt werden soll. Dazu ist ein Kondensator C vorgesehen. Derartige Anordnungen können beispielsweise Teil einer Gleichrichterkaskade zur Erzeugung von hochgespanntem Gleichstrom für Untersuchungs- und Prüfzwecke sein. Der Kondensator C wird periodisch aufgeladen und entladen. In Fig. 2 ist der Verlauf des Ladestromes I und der Spannungen dargestellt. Der Strom tritt nur intermittierend jeweils in der Zeit auf, während welcher am Gleichrichter eine Spannung in Durchlaßrichtung liegt. Dieser Strom erzeugt an der Streuinduktivität L₂ einen erheblichen Spannungsabfall, so daß die Klemmenspannung U des Generators abgeflacht wird. Sie enthält in diesem Beispiel eine starke dritte Oberwelle in jeder zweiten Halbperiode. Bei Speisung einer ganzen Gleichrichterkaskade sind beide Halbperioden abgeflacht.

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Das Auftreten von Oberwellen in der Spannungskurve kann dadurch sehr stark reduziert werden, daß parallel zur Wechselspannungsquelle G ein Schwingungskreis angeordnet wird, der die Lieferung der Stromoberwellen übernimmt. Er besteht aus dem Kondensator C₁ und der Drosselspule L₁. Dieser Parallelschwingungskreis wird auf die Frequenz der speisenden Wechselspannung abgestimmt, so daß sein Leitwert für die Grundwelle des Stromes gleich Null wird. Die Grundwelle wird also von der Wechselspannungsquelle selbst geliefert. Die von dem angeschlossenen Gerät benötigten Oberwellen des Stromes werden zum Teil von der Wechselspannungsquelle, zum Teil von dem Schwingungskreis geliefert, wobei der Anteil des Schwingungskreises an der Stromlieferung von dem Verhältnis der Leitwerte von Schwingungskreis und Spannungsquelle und von der Ordnungszahl der Oberwelle abhängt.

Um die verlangte Wirkung des Schwingungskreises zu erzielen, muß eine Mindestgröße der Kapazität des Kondensators C₁ eingehalten werden. Betrachtet man gemäß Fig. 3 die Leitwerte der beiden parallel liegenden Zweige, des Schwingungskreises und des Generators, für eine Oberwelle bestimmter Ordnung, so hat der hauptsächlich induktive Leitwert Iq des Generators eine fest gegebene Größe. Der in der Hauptsache kapazitive Leitwert Is des Schwingungskreises nimmt von dem Wert Null für C₁ = 0 auf den Wert oc für C₁ = oc zu. Der Gesamtleitwert Xs + Ag der beiden parallelen Zweige nimmt also von dem Leitwert des Generators aus ab bis auf den Wert Null an der Stelle 1 und dann wieder zu bis auf den Wert oc. Das Einfügen eines Schwingungskreises hat erst dann Sinn, wenn der Gesamtleitwert von Schwingungskreis und Generator erheblich größer ist als der Leitwert des Generators allein für die Oberwelle kleinster Ordnungszahl, die im Strom auftritt.

An der Stelle 2 der Fig. 3 hat die Summe der Leitwerte von Schwingungskreis und Generator gerade den gleichen Wert wie der Leitwert des Generators allein. Der Leitwert des Schwingungskreises beträgt an dieser Stelle das Doppelte des Generatorleitwertes. Der Einbau eines Schwingungskreises hat also nur einen Sinn, wenn sein Leitwert größer wird als das Doppelte des Generatorleitwertes, und zwar bezogen auf die Oberwelle geringster Ordnungszahl, die auftreten kann. Bezeichnet man diese Ordnungszahl mit n, so ergibt sich für den Schwingungskreis

- 1 1

L₁ < L₂

oder C₁

CO_n

Durch den Einbau des Schwingungskreises soll eine bestimmte Herabsetzung des Leitwertes für die entstehenden Oberwellen erreicht werden. Bezeichnet man das Verhältnis des Gesamtleitwertes zum Leitwert des Generators allein mit a,

zielung einer bestimmten Verbesserung der Spannungskurve gilt dann

L₁ = L₂ oder C₁ = ■ .

Eine obere Grenze für die Werte von C₁ und α ist dadurch gegeben, daß mit wachsender Kapazität C₁ auch die Verluste des Schwingungskreises zunehmen, so daß schließlich zu ihrer Deckung eine Vergrößerung des Generators nötig werden würde, die mit Hilfe des Schwingungskreises ja gerade vermieden werden soll.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für die vorliegende Erfindung sind Steuer- und Regelanordnungen, welche mit Magnetverstärkern arbeiten und zwecks Abkürzung der Eigenzeiten eine mittelfrequente Speisespannung für die Magnetverstärker benutzen. Die Magnetverstärker weisen insbesondere in Kombination mit Trockengleichrichtern häufig Sättigungsabschnitte mit hohen Stromwerten auf, deren Länge nur einen Teil einer HaIbwellendauer der Speisespannung ausmacht.

Auch für Schweißzwecke, z. B. zur Nahtschweißung mittels aneinandergereihter Schweißpunkte, wobei mit sehr kurzzeitigen, jedoch schnell aufeinanderfolgenden Schweißstromimpulsen gearbeitet wird, kann eine Mittelfrequenzschaltung nach der Erfindung mit Vorteil benutzt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltanordnung mit einer Mittelfrequenz-Spannungsquelle, die periodisch jeweils nur während eines Teilabschnittes einer Halbwelle belastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlastung der Spannungsquelle von Oberwellen parallel zur Last eine an sich bekannte auf Resonanz mit der Grundwelle der Speisespannung abgestimmte Parallelschaltung eines Kondensators und einer Drosselspule geschaltet ist, und das die Kapazität des Kondensators so groß gewählt ist, daß für die niedrigste betriebsmäßig vorkommende Oberwellenfrequenz der Leitwert des Schwingungskreises größer ist als der doppelte Leitwert der Spannungsquelle.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung aus einem Hochspannungs-Gleichstromverbraucher besteht, der an einen Kondensator angeschlossen ist, der über einen Hochspannungsgleichrichter periodisch geladen wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung aus einer Magnetverstärkeranordnung besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsstromkreis ein Schweißstromkreis ist.

so ist α ein Maß für die Herabsetzung des Oberwellengehaltes der Spannungskurve des Generators. Zur Er-In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 683 749;
USA.-Patentschrift Nr. 2 008 515;
G. Oberdorfer, »Lehrbuch der Elektrotechnik«, Bd. I, 4. Auflage, Verlag von R. Oldenbourg, München und Berlin (1944), S. 467.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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