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Anordnung zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom mittels einer
Gruppe abwechselnd arbeitender Röhrenumformer Die Erfindung hat Anordnungen zum
Gegenstand, mit deren Hilfe unter Benutzung von Umformern, vorzugsweise Röhrenumformern,
Gleichstrom in Wechselstrom verlustlos oder nahezu verlustlos umgeformt wird. Es
ist bekannt, daß man bei dieser Klasse von Umformern geringe Verluste dadurch erzielt,
daß man die Spannung an der Röhre während des Zeitraumes einer- Steuerperiode verhältnismäßig
niedrig hält, während deren der Strom durch die Röhre geschlossen ist. Es sind zwei
Verfahren vorgeschlagen worden, um sich diesem Resultat zu nähern. Man macht entweder
den Zeitabschnitt der Periode, während der der Strom durch die Röhre geschlossen
ist, klein, so daß die Spannung an der Röhre sich nur wenig zu ändern braucht, obwohl
sie die Differenz zwischen einer Gleichstromspannung und einer- sinoidalen -Spannung
darstellt. Oder man führt in die Spannung an der Röhre Oberwellen ein, indem man
einen Wechselstrombelastungskreis benutzt, der mit diesen Oberwellen in Resonanz
ist. Beide Methoden haben den Nachteil, daß das gewünschte Resultat nur annähernd
erreicht wird und daß unerwünschte Harmonische von erheblicher Größe auftreten.
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Der Erfindung gemäß wird die Spannung an der Röhre während eines verhältnismäßig
langen Zeitabschnittes der Steuerperiode, während der der Strom geschlossen ist,
bis an die Grenzen verringert, die durch die Eigenschaften der benutzten physikalischen
Apparate bedingt sind, ohne daß es erforderlich wäre, irgendwelche Oberwellen in
die Nutzspannung oder den Nutzstrom einzuführen, und wobei die Oberwellen in der
Röhrenspannung und im Stromkreise im Verhältnis zu den zugehörigen Grundwellen klein
sind. Die Erfindung ist anwendbar sowohl bei selbsterregten Schwingungserzeugern
als auch bei fremderregten.
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Die Erfindung hat ferner Anordnungen zum Gegenstand, bei denen mehrere
selbsterregte Schwingungserzeuger derart zusammenwirken, daß sich ein Mehrphasenwechselstromsystem
ergibt, dessen Energie in beliebiger Weise, beispielsweise für die Zwecke der drahtlosen
Telegraphie, ausgenutzt werden kann. Der Mehrphasenschwingungserzeuger vermeidet
gewisse Harmonische, die im Einphasenschwingungserzeuger unvermeidlich vorhanden
sind.
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Um nun eine Stromart in eine andere, beispielsweise Gleichstrom inWechselstrom,
mittels einer Gruppe abwechselnd arbeitender Röhrenformer umzuformen, werden erfindungsgemäß
in den beiden Anodenkreisen (entweder im gemeinsamen Speisekreis oder in den getrennten-
Nutzkreisen
) und gegebenenfalls in den Steuerkreisen der Röhren
ein oder mehrere Selbstinduktionen derart eingeschaltet und miteinander gekoppelt,
daß Oberwellen des Stromes bestimmter Ordnungszahl und Oberwellen der Spannung der
übrigen Ordnungszahlen unterdrückt werden: Der Vorgang kann vergleichsweise so angesehen
werden, daß beispielsweise bei der Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom die
Ströme der Anodenkreise annähernd Rechteckform aufweisen, während die Anodenspannungen
. eine Kurvenform haben, die annähernd aus Sinushalbwellen besteht, die mittels
horizontaler Linien verbunden sind. Hierbei wird die Rechteckform des Stromes vorwiegend
aus Oberwellen ungerader Ordnung gebildet, während die der Spannung vorwiegend aus
Oberwellen gerader Ordnung bestehen. Bei diesen Verhältnissen treten durch die Oberwellen
keine Energieverluste auf, da niemals Oberwellen des Anodenstromes und Oberwellen
der Anodenspannung gleicher Frequenz gleichzeitig auftreten.
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Die erfindungsgemäß in einen der Anodenkreise (Speisekreis oder Nutzkreis)
einzuschaltende Selbstinduktion kann hierbei in jeder induktiven Einrichtung erzeugt
werden, deren Selbstinduktion unter den gegebenen Verhältnissen groß ist gegenüber
ihrem Ohmschen Widerstand, also z. B. in einer Doppelspule oder einem Transformator
oder einer Synchron- oder einer sonstigen Wechselstrommaschine. ' Umformergruppen
aus symmetrisch angeordneten Röhrengruppen sind bekannt, auch hat man diesen bereits
Drosselspulen zugeordnet, jedoch so, daß im Stromkreis jeder Röhre der Gruppe eine
Drosselspulenhälfte lag, die in Reihe mit der Umformergruppe liegende Selbstinduktion
also nicht den Röhren der Gruppe gemeinsam zugeordnet war. Die Drosselspule diente
dort dazu, den Netztransformator für den Gleichstrom zu überbrücken, dessen Energie
in Wechselstrom umgeformt werden sollte. Die Hälften der Drosselspule führen dort
in die Anodenkreise einander entgegenwirkende Spannungskomponenten ein, aber nicht
gleiche, mit Hilfe deren unerwünschte Oberwellen der Spannung beseitigt werden können.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
veranschaulicht. Hiermit sind jedoch nicht die Anordnungen erschöpft, durch die
die Erfindung verwirklicht werden kann, wonach sowohl der. Wirkungsgrad erhöht als
auch die unerwünschten Harmonischen beseitigt werden können.
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In Abb. i der Zeichnung sind 16 und 23 zwei elektrostatisch gesteuerte
selbsterregte Röhren, die ihre Energie aus einem für beide Röhren gemeinsamen Gleichstromgenerator
empfangen, und die ihrerseits in an sich bekannter Weise einen gemeinsamen Wechselstrombefastungskreis
speisen. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die gemäß der Erfindung
eingeschaltete Selbstinduktion 25 in einem gemeinsamen Gleichstrom-Stromzweig,
dessen Energie die Gruppe speist. Die Wirkungsweise der Anordnung soll nun im. Zusammenhang
mit den Kurven der Abb. 2a und 2b erläutert werden.
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Die Kurve der Abb. 2 a zeigt die Abhängigkeit des Anodenstromes i.
jeder Röhre von der Spannung e" der Steuerelektrode, wenn man die Änderungen der
Anodenspannung ey zuläßt, die die Änderungen an der Steuerelektrodenspannung begleiten.
Die Kurven der Abb. 2b zeigen den zeitlichen Verlauf dieser drei Größen, wobei die
Gestalt dieser Kurven bedingt ist durch die Anordnung gemäß der Erfindung, wie sie
im einzelnen im folgenden beschrieben ist.
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Die Selbstinduktion 25, die in der gemeinsamen Leitung der Anodenkreise
der Abb. x liegt, bietet dem Gleichstrom einen kleinen Widerstand, läßt jedoch den
Wechselstrom nur schwer hindurch. Der Strom durch diese Spule, der somit nahezu
ein reiner Gleichstrom ist, verteilt sich gleichmäßig auf die beiden Hälften der
Primärwicklung des Transformators 9, wobei jede Hälfte des Stromes den zugeführten
Strom je eines Anodenkreises darstellt. Der resultierende Anodenstrom wird periodisch
durch die Wirkung der Steuerelektrode unterbrochen, und, da die Summe der beiden
resultierenden Anodenströme dem gesamten Gleichstrom in jedem Augenblick entspricht,
so ist immer der Strom der einen Anode konstant, während der Strom der anderen Anode
gleich Null ist. Der Strom jeder Anode nähert sich daher der Rechteckform, wie sie
durch die Kurve i. der Abb. 2b dargestellt ist. Der Nutzstrom, den der Schwingungserzeuger
abgeben muß, ist diejenige Komponente des Stromes der Primärwicklung des Transformators
9, die dem Sekundärstrom das Gleichgewicht hält.
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Während des Zeitabschnittes eines Zyklus, während dessen je ein Anodenkreis
geöffnet ist, wird dieser Nutzstrom im allgemeinen durch den Gleichstrom, der der
Anode zugeführt wird, nicht balanciert werden können. Es wird deshalb in weiterer
Ausbildung der Eifindung parallel den Umformern eine Kapazität 31 geschaltet, die
die Oberwellen des Stromes aufnimmt, die jeweils erforderlich sind, um beim Stromdurchgang
im Umformer Rechteckform oder annähernd Rechteckform des Stromes bei einer Röhrenspannung
zu erzeugen, die so klein oder annähernd so klein ist, als es die Röhrencharakteristik
gestattet. Der die Anodenwicklung des Nutztransformators 9 überbrückende Kondensator
31- öffnet also den ungeraden Oberwellen des Anodenstromes einen parallelen Weg
nach der zweiten Hälfte der Anodenwicklung des Transformators g. Der Kondensator
erfüllt noch die weitere Aufgabe, den Erregerstrom des
Transformators
9 zu liefern, stimmt den Stromkreis also auf die gewünschte Schwingungsfrequenz
ab.
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Der Kondensator 31 und die Primärspule des Transformators werden vorzugsweise
so an-,geordnet, daß sie für sich geringe Impedanzen habenbei der erwünschtenSchwingungsfrequenz,
daß sie aber gemeinsam eine hohe Impedanz haben, oder in anderen Worten, daß sie
in scharfer Resonanz mit dieser Frequenz sind. Der Kondensator hat dann eine niedrigere
Impedanz bei höheren Frequenzen und erzwingt somit, daß die Spannung an seinen Klemmen
nahezu sinoidal und von der Grundfrequenz ist, wobei diese Spannung der Spannungsdifferenz
zwischen den Anoden entspricht. Dank der Rückkupplung, von der die Schwingung erzeugt
r'ist alsöTer`Spä
[email protected]ün'terscliied zwischen eeideri4Steüerelektroden nahezu sinöidal.
.A-#gesehen von dieser Rückkupplung- zeigt die Anordnung der Abb. r eine weitere
Ausgestaltung der Erfindung, wonach nämlich in die Steuerkreise der Röhren eine
Selbstinduktion derart geschaltet ist, daß sie in dem den Gruppen gemeinsamen Speisestromzweig
die Oberwellen des Stromes drosselt, während sie-die-Teilströme der Nutzstromzweige
nicht beeinflußt.
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Im besondere4ist hier bei diesemAusführungsbeispiel die Selbstinduktion
25 der Anodenkreise mit der Selbstinduktion 32 der Steuerkreise induktiv gekoppelt,
so daß die Spannung jeder Steuerelektrode sich proportional der entsprechenden Anodenspannung,
jedoch im umgekehrten Sinne ändert. Während des Abschnittes einer Steuerperiode,
während deren der Anodenstrom konstant ist, ist daher nicht nur die gemeinsame Wirkung
der Anodenspannung und der Steuerelektrodenspannung konstant, sondern jede einzelne
Spannung ist auch für sich konstant, und während des Abschnittes einer Steuerperiode,
während deren der Anodenstrom Null ist, ändern sich die Spannungen sinoidal, wie
durch die Kurven ep der Anodenspannung und die Kurve eg der Steuerelektrodenspannung
in Abb. 2b veranschaulicht ist. Man sieht also, daß die Impedanzspule 25 im wesentlichen
dazu dient, den Unterschied zwischen der zugeführten Gleichstromspannung und der
Wechselstromnutzspannung (an den Klemmen der halben Primärwicklung desTransformators
9) jeder Röhre aufzunehmen während des Zeitabschnittes einer Steuerperiode, während
deren der Strom durch die Röhre geschlossen ist.
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Während des Abschnittes einer Steuerperiode, während deren der Anodenstrom
geschlossen ist, -muß die Differenz zwischen der Gleichstromspannung des Generators
und der sinoidalen SpannunganderhalbenPrimärwicklungdesTransformators insgesamt
im Anodenkreis innerhalb der Röhre und in der Drosselspule 25 absorbiert werden.
Die Impedanzspule hat eine so hohe Selbstinduktion, daß sie den Strom nahezu konstant
hält, obgleich sogar die Spannung an ihren Klemmen veränderlich ist. Der Anodenkreis,
der einen reinen Ohmschen Widerstand darstellt, absorbiert eine Spannung, die konstant
ist, solange der Strom konstant ist; und wenn der Widerstand klein ist, ist die
absorbierte Spannung ebenfalls klein und unter günstigen Umständen sogar vernachlässigbar.
Diese Spannung ist in Abb.2b durch die niedrige und nahezu konstante Anodenspannung
e" veranschaulicht, die auftritt während des Abschnittes einer Steuerperiode, während
deren der Strom geschlossen ist. Abgesehen von dieser niederen Spannung wird somit
der gesamte Spannungsunterschied zwischen der zugeführten Gleichstromspannung und
der von der Röhre abgenommenen Wechselstromspannung durch die Impedanzspule 25 aufgenommen,
sobald der Strom durch den Umformer fließt.
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Die Spannungen an den Impedanzspulen 25 und 32 bestehen aus halben
Sinuswellen mit verschobener Achse und weisen die doppelte Frequenz der Grundwelle
auf; oder in anderen Worten, sie bestehen nur aus geraden Harmonischen. Die Wellen
der Anoden- und Steuerelektrodenspannung enthalten dementsprechend nur gerade Harmonische.
Andererseits enthalten die Anodenströme nur ungerade Harmonische. Es ist daher keine
Energie mit irgendeiner der Oberwellen verknüpft. Alle Harmonischen der= Anodenströme
sind klein im Vergleich mit den entsprechenden Grundwellen, und alle werden von
Apparatenteilen aufgenommen, die außerhalb des Nutzkreises liegen.
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Abb. 3 zeigt eine Abänderung der Anordnung nach Abb. z. An Stelle
der Rückkupplung, durch die der Schwingungserzeuger selbsterregend wird, ist ein
besonderer Meister- (oder Steuer-) Oszillator x vorgesehen, der dem Gitterstromkreis
der Schwingungsröhren 5 und 6 eine sinoidale Spannung aufprägt. Die Selbstinduktion
ist hier nicht wie in dem Ausführungsbeispiel der Abb. x in den Gleichstrom-Stromzweig
geschaltet, dessen Energie die Gruppe speist, sondern sie besteht aus einzelnen
induktiv gekoppelten Elementen 28, 29, die in den Stromzweigen der abwechselnd arbeitenden
Umformer liegen. Sie sind untereinander induktiv seit solcher Polarität gekoppelt,
daß sie den geraden Harmonischen eine hohe Impedanz bieten, der Grundwelle dagegen
eine vernachlässigbare Impedanz. Anstatt die Impedanzspule 32 in der gemeinsamen
Leitung der Steuerelektrodenkreise mit den Impedanzspulen in den Anodenkreisen zu
kuppeln, wird die Impedanz der Drosselspule 32 hoch genug gewählt, um die geraden
Harmonischen der Steuerelektrodenspannungen zu absorbieren, so daß die Wellenform
eg der Abb. 2b übrigbleibt. Schließlich kann eine einseitig wirkende Batterie E"
im
Steuerelektrodenkreis an Stelle des Widerstandes 33 der Abb.
x benutzt werden.
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Für den Fall, daß der Wechselstromanteil des Steuerelektrodenstromes
in der Schaltung der Abb. 3 sehr klein ist, würde es vorteilhaft sein, der Spule
32 ausreichende Impedanz zu geben. In einem solchen Falle kann man die Spule 32
mit den Spulen 28 und 29 elektromagnetisch kuppeln, wie dies in Abb. 4 veranschaulicht
ist, so daß die geradezahhgen Spannungsharmonischen aus den Spulen 28 und 2g in
die Spule 32 hineintransformiert werden. Diese Einrichtung wirkt ähnlich wie die
Kupplung der Spulen 25 und 32 der Abb. z.
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Abb. '5 zeigt eine Schaltanordnung, bei der die Batterie E, und die
Spule 32 der Abb. 3 und 4 durch einen Widerstand 33 ersetzt sind. Der Strom, der
den Widerstand durchfließt, besteht aus Gleichstrom und geraden Harmonischen und
wird eine Spannung der gleichen Wellenform . an seinen Klemmen hervorrufen. Es ergeben
sich somit ähnliche Verhältnisse, wie sie sich durch Verwendung der Batterie E,
und der Spule 32'in Abb. 3 ergeben, obwohl die wirkliche Wellenform der Steuerspannung
nicht identisch mit 'der der Abb. 2b ist.
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An Stelle des einzigen Widerstandes 33 der Abb. 5 in der gemeinsamen
Steuerleitung kann man auch zwei getrennte Widerstände verwenden, von denen jeder
eine Steuerelektrode mit der gemeinsamen Kathodenklemme verbindet, wie 33' und 33"
in Abb. 6 zeigen.
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Wenn die Schwingungsröhren der Abb. 6 infolge vorhandener Restgase
ausreichende positive Ionisation aufweisen, so kann diese als innerer Widerstand
oder Spannungssprung verwendet werden, der die äußeren Widerstände 33' und 33" entbehrlich
macht, so daß sich die einfachere Anordnung der Abb. 7 ergibt.
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Die Erfindung stellt ein elektrisches System dar, das nicht nur eine
verlustfreie oder nahezu verlustfreie Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom
gestattet, sondern darüber hinaus ermöglicht, Mehrphasenwechselstrom zu erzeugen.
So können durch eine Mehrzahl wechselweise arbeitender Umformer oder Umformergruppen,
z. B. durch ein symmetrisches Mehrphasensystem elektrostatisch gesteuerterRöhren,
mehrere voneinander unabhängige Stromquellen, z, B. von Einphasenwechselstromenergie,
derart (z. B. induktiv oder kapazitiv) gekuppelt werden, daß jene Stromquellen °
synchron als Hochfrequenzmehrphasenwechselstromsystem, z. B. fürZwecke der drahtlosenTelephonie,
zusammenarbeiten. Hierbei kann beispielsweise zur Umformung von Gleichstromenergie
in Mehrphasenwechselstromenergie eine der Mehrphasenzahl entsprechende Mehrzahl
wechselweise arbeitender Umformer oder Umformergruppen synchron als Mehrphasenwechselstromsystem
zusammenwirken. Auch können als Umformer Schwingungserzeuger dienen, die aus je
einer Röhrengruppe, z. B. aus je einem Paar elektrostatisch gesteuerter Röhren,
für je eine Phase bestehen,, und die zusammen auf einen gemeinsamen, die Schwingungserzeuger
synchronisierenden geschlossenen Mehrphasenstromkreis arbeiten.
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Abb. 8 zeigt drei Schwingungserzeuger, bei denen zur Aufrechterhaltung
des Synchronismus und der Phasenbeziehungen dieser das Mehrphasensystem bildenden
Umformersysteme _die Kreise der wechselweise arbeitenden Umformer i'd Primärspule-
-Beines *T gemeinsamen Trans-@rinätörs enthalten, dessen Sekundärspulen 46, 47,
48 zu dem Mehrphasensystem verkettet sind. Stellt man die Schwinun serzeuger auf--
gleiche Frequenz ein, so synchronisieren sie sich durch diese Spulen _
Macht- m=an fern=er ihre Nutzspanriungen#lech, so ergeben -sie in Drei--Tas6nsystem.
Dieses kann dann durch be-`kännte Methoden in jedes beliebige Mehrphasensystem umgewandelt
werden, wie es für unmittelbare drahtloselKraftübertragung benutzt werden kann.
Hierbei können die in den einzelnen Röhrenkreisen erzeugten Spannungen so verkettet
sein, daß sich durch Ausgleich aller Oberwellen, deren Ordnungszahl gleich oder
um eins größer oder kleiner als ein Vielfaches der Röhrenzahl ist, im Belastungsnetz
symmetrische Lastverteilung bei Sinusform oder annähernd Sinusform des Stromes ergibt.
Bei dem Beispiel der Abb. 8 schließen die drei Spulen 46, 47, 48 die dritten Harmonischen
kurz, die sonst in der Nutzspannung auftreten können.
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Daß die Schwingungserzeuger sich synchronisieren, beruht auf dem bekannten
Umstand, daß voneinander unabhängige Röhrenschwingungserzeuger, die auf nahezu gleiche
Frequenz abgestimmt sind, sich synchronisieren. Es ist auch bekannt, daß, je enger
die, Kopplung i zwischen jenen voneinander unabhängigen Oszillatoren ist, desto
weiter ihre natürlichen Frequenzen voneinander abweichen können, bis sie außer Tritt
fallen. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ist die Kopplung der Schwingungserzeuger
außerordentlich eng, und die Versuche haben bestätigt, daß die synchronisierende
Kraft dementsprechend sehr stark ist, so daß die Kreise sehr stark verstimmt sein
können, bevor sie- außer Tritt fallen.