DE658559C - Funkenstrecke mit rotierender Elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Funkenstrecken, die insbesondere für elektrische Hochfrequenzöfen verwendbar sind und die parallel zu einem mit einem Kondensator versehenen Schwingungskreis geschaltet sind. Es ist an sich bekannt, als Funkenstrecken umlaufende Elektroden zu verwenden, die an ihrem Umfang mit Zähnen oder Vorsprüngen versehen sind und die für jede Halbperiode der Speisespannung mindestens zwei Unterbrechungen bewirken. Bei diesen bekannten Funkenstrecken sind aber die Abmessungen sämtlicher Zahne und Zahnlücken vollkommen gleich ausgebildet.
Es hat sich nun herausgestellt, daß bei gleichmäßiger Ausbildung der Zähne und Zahnlücken zwischen der Netzspannung und der Netzstromstärke eine Phasenverschiebung entsteht, die eine Verschlechterung des Leistungsfaktors zur Folge hat, so daß man selten über einen Leistungsfaktor von 0,6 hinausgekommen ist.

Durch die Erfindung wird dieser Nachteil behoben und, wie experimentelle Versuche gezeigt haben, ein Leistungsfaktor von 0,96 erzielt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Abstand der Zähne voneinander und bzw. oder die Breite der Zähne in der Umfangsrichtung der umlaufenden Elektrode derart ungleich bemessen sind, daß die Stromstärke, mit der der Kondensator des Schwingungskreises aufgeladen wird, periodisch im gleichen Augenblick wie die Spannung Null wird. Hierbei wird zweckmäßig die Drehgeschwindigkeit der gezahnten Elektrode von der Netzfrequenz derartig abhängig gemacht, daß auf je eine halbe Periode der Ladespannung eine mindestens aus zwei Zähnen bestehende Zahngruppe wirksam ist. Man kann durch geeignete Bemessung der Zahnbreite erreichen, daß sich die Elektrode während des Vorbeigangs eines j edenZahnes an der anderen Elektrode praktisch vollkommen entladen kann, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Wirkungsweise der Funkenstrecke ergibt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. ι in Seitenansicht eine elektrische Funkenstrecke gemäß der Erfindung.

Fig..2 stellt ein Schaltungsschema dar, welches die Wirkungsweise einer solchen Funkenstrecke erläutert.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Wirkungsweise der bekannten Funkenstrecken mit gleichmäßigen Zahnbreiten und Zahnlücken.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung einer Funkenstrecke gemäß der Erfindung.

Die in der Zeichnung dargestellte Funkenstrecke ist vorzugsweise für einen elektrischen Hochfrequenzofen bestimmt. Diese Funkenstrecke besitzt eine erste Elektrode τ, welche aus einer Metallscheibe besteht, die an ihrem Umfang mit Zähnen oder Vorsprüngen 2¹, 2² versehen ist. Die Elektrode 1 wird um ihre horizontale Achse im Sinne des Pfeiles/ in

Drehung versetzt, und zwar geschieht dies "beispielsweise mit HUfe eines Elektromotors 3 Mit der ersten Elektrode 1 arbeitet eine ■zweite Elektrode 5 zusammen, die fest oder beweglich angeordnet ist. Zweckmäßigerweiße besteht auch diese zweite Elektrode aus eitler Metallscheibe, welche um ihre vertikale Achse in Drehung versetzt wird. Hierzu dient beispielsweise der gleiche Motor 3, der mit der to Elektrode 5 über ein Getriebe verbunden ist, das aus einem Riemen 4, einem Gesch. windigkeitsreduktionsgetriebe 4¹ und einer biegsamen Welle 6 besteht.

Die genannten Elektroden sind durch Leitufigen i¹ und 5¹ an die Klemmen einer Wechselstromquelle 7, die einen Hochspannungsstrom liefert, angeschlossen (Fig. 2). Die nähere Art dieses Anschlusses ist weiter unten erläutert. Die Elektroden 1 und 5 sind derart zueinander 2Q angeordnet, daß ein Zwischenraum, der vorzugsweise regelbar ist und sehr klein gemacht werden kann, zwischen der Elektrode 5 und dem freien Ende jedes der Zähne 2¹, 2² der anderen Elektrode in dem Augenblick besteht, in dem jeweils ein Zahn der Elektrode 1 an der Elektrode 5 vorbeigeht, so daß ein Funken zwischen beiden Elektroden überspringen kann. Vorzugsweise wird die in Rede stehende Funkenstrecke mit einer Funkenlöschvorrichtung versehen, welche ein oder zwei Düsen zur Erzeugung eines Strahles von komprimierter Luft oder komprimiertem Gas aufweist. Diese Düsen 8 sind derart angeordnet, daß die Achse des von ihnen erzeugten Strahles möglichst weitgehend mit derjenigen Richtung übereinstimmt, in der der Funken überspringt, während sich der Zahn der Elektrode 1 von der Elektrode 5 entfernt. Auf diese Weise wird der Funke plötzlich unmittelbar, nachdem der Rand des Zahnes die Ebene der Oberseite der Elektrode 5 verläßt, unterbrochen oder gelöscht. Es sei daraufhingewiesen, daß die Achse des Gasstromes während der eigentlichen Entladung senkrecht zur Richtung des Funkens steht und daß der Funke erst am Ende der Entladung eine plötzliche Änderung seiner Richtung erfährt, indem er weiterhin die beiden Elektroden 1 und 5 längs ihrer geringsten Entfernung voneinander verbindet. In diesem Augenblick muß jedoch der Funke gelöscht werden. Dieser Bedingung wird genügt, wenn die Düse 8 bzw. die Düsen 8 eine Stellung einnehmen, bei der sich ihre Achse in einer im wesentlichen vertikalen Ebene befindet, sofern es sich um eine Anordnung handelt, die dem in Fig. ι dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht.

Wenn eine Funkenstrecke für einen Hochfrequenzofen verwendet wird, so wird häufig die in Fig. 2 schematisch dargestellte, elektrische Schaltung benutzt. Gemäß dieser Schaltung ist die eine Quelle 7¹ des Wechselstromnetzes 7 an die Elektrode 1· über eine Selbstinduktionsspule L angeschlossen, während die andere .'Klemme 7² des gleichen Netzes direkt mit der zweiten Elektrode 5 verbunden ist. Das Ganze bildet auf diese Weise einen Stromkreis A. Ferner werden die Elektroden 1 und 5 unter sich durch einen Stromkreis B verbunden, der auf der Seite der Elektrode 1 mindestens einen Kondensator C aufweist, welcher von der Elektrode 5 durch eine Induktionsspule S geeigneter Größe getrennt ist. In dem Augenblick, der der Auslöschung des Entladungsfunkens, welcher sich zwischen den Elektroden ι und 5 bildet, vorausgeht, wird der Stromkreis A von einem Strom durchlaufen, der über die Selbstinduktion L und den Funken geht. Wenn nun der genannte Funke plötzlich durch die Vergrößerung des Abstandes der Funkenstrecke und die Wirkung der Löschvorrichtung unterbrochen wird, ist der Strom gezwungen, in den Kreis D hineinzufließen und den Kondensator C aufzuladen, während sich der Zahn von der Elektrode 5 entfernt. Diese Aufladung hängt bei einer gegebenen Einrichtung einerseits von der Spannung an den Klemmen 7¹, 7² im Augenblick des Beginns der Aufladung und andererseits von der Stärke des Stroms in dem Kreis A im gleichen Augenblick ab. Wenn sich der nächste Zahn der Elektrode 5 nähert, entlädt sich der Kondensator C in Form eines Hochfrequenzstromes über einen Funken, dessen Dauer sehr kurz sein kann, was zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Funkenstrecke beiträgt.

Die Breite jedes Zahnes reicht aus, um eine praktisch vollkommene Entladung des Kondensators und infolgedessen der Elektrode 1 herbeigeführt zu haben, wenn sich der Zahn von der Elektrode 5 entfernt und der Funken durch die Düse 8 bzw. die Düsen 8 gelöscht ist.

Wenn die Funkenstrecke gut geregelt ist, müssen die gleichen Erscheinungen alle halben Perioden eine identische Wiederholung erfahren. Vor allem muß also die Funkenstrecke synchronisiert sein, d. h. die Elektrode 1 muß eine Drehzahl haben, die der Frequenz der Speisespannung oder einem Bruchteil dieser Frequenz entspricht. Die Zahl der Zähne der Elektrode 1 hängt von der Zahl der Entladungen oder Funken ab, die in einer Halbperiode auftreten sollen. Es sei angenommen, daß die Hochspannung, welche an die Klemmen 7¹, 7² angelegt ist, Sinusform hat. Man kann dann in dem Fall des Synchronismus im eigentlichen Sinne die Zähne der Elektrode 1 in zwei Gruppen aufteilen, die zwei aufeinanderfolgenden Halbperioden der Speisespannung entsprechen. Da in dem betrachteten Fall die genannten Halbperioden wenigstens angenähert gleich sind, müssen die beiden Zahngruppen untereinander identisch sein, d. h. die Stellungen ihrer Zähne und ihre Dimensionen sind einander analog. Bei dem in Fig. ι dargestellten

synchronen Funkenerzeuger gibt es also in zwei Gruppen zwei Zahne der gleichen Art, z. B. die Zähne 2¹ und 2^a, welche einander entsprechen und bei denen die Entladung in dem gleichen Augenblick der aufeinanderfolgenden HaIbperioden vor sich geht. Bei einer Funkenstrecke, die im Halbsynchronismus umläuft, bei der also die Elektrode 1 in jeder Periode der Speisespannung eine halbe Umdrehung macht, sind vier Gruppen von Zähnen vorzusehen, und vier Zähne der gleichen Art entsprechen sich in den vier Gruppen.

In Fig. ι bezeichnet α den Winkelabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen und δ im Winkermaß die Zahnbreiten eines Zahnes der beweglichen Elektrode.

Es ist bekannt, derartige Funkenstrecken so auszuführen, daß die Werte α und b für alle Zähne der Elektrode 1 gleich groß sind. Die graphische Darstellung in Fig. 3 bezieht sich auf diese bekannten Anordnungen. Hierbei ist angenommen, daß die gezahnte Scheibe 1 der Funkenstrecke synchron mit der Netzspannung rotiert und daß entsprechend der Fig. 1 zwei Zähne für jede Halbperiode angeordnet sind.

Das Diagramm der Fig. 3 zeigt einen abgewickelten Teil der Peripherie der gezahnten Scheibe 1 mit den Zähnen 2¹^² und 2³, deren Abstände α und deren Breiten b untereinander gleich sind. Diese Elektrode ist als feststehend angenommen, während die Elektrode 5 sich gegenüber der Elektrode 1 bewegen soll. Die Stellungen 5°, $^b und 5^C zeigen drei charakteristische Lagen der Elektrode 5, und zwar in den Augenblicken, in denen ein Funke zwischen der Elektrode 5 und einem der Zähne der Elektrode 1 überspringt.

Die Sinuskurve u entspricht der Netzspannung an den Klemmen 7¹ und 7². Die Kurve i entspricht der Stromstärke des Netzstroms und die Sinuskurve i¹ der Stromstärke in dem Stromkreis A der Fig. 2 unter der Voraussetzung, daß die Elektroden 1 und 5 der Funkenstrecke dauernd miteinander in Kontakt sind, d. h. unter der Voraussetzung, daß die Funken dem Durchgang des Stroms keinerlei Widerstand entgegensetzen. Es ist bekannt, daß

die Kurve i mit Hilfe der Formel J = CV, ent-

dt

wickelt werden kann und daß die Teile r-s und t-u dieser Kurve während des Funkenübergangs parallel sind zu den entsprechenden Teilen T¹S¹ und f-y¹ der Sinuskurve i¹. Es ist vorausgesetzt, daß die Lage der Scheibe 5 zu der Elektrode 1 derart ist, daß bei Beginn einer bestimmten Halbperiode die Stromstärke i und die Spannung u gleichzeitig Null sind, m bezeichnet die Spannungskurve an den Elektroden der Funkenstrecke, und diese Spannung ist Null, solange der Funke überspringt.

Um die Kurve m zu konstruieren, kann man folgendermaßen verfahren: Bei der Phase O hat die Kurve m ihr Minimum bei M, die Stromstärke i ist Null und geht durch den Punkt 0, Die Stromstärke wächst entsprechend der Kurve Or, während die absolute Größe der Kondensatorspannung abnimmt. Bei R wird die Überschlagsspannung erreicht, so daß der erste Funke überspringt. Infolgedessen wird die Spannung m Null, und die Stromstärke ändert sich während dieser Zeit längs der Kurve r-s, die parallel liegt zu den Teilen r^-s¹ der Stromkurve i¹. Die Entladung ist bei S beendet, wobei sich die Stromstärke entsprechend der Kurve s-t ändert. Dann tritt eine zweite Entladung auf, die bei V beendet ist. Während einer weiteren Ladung des Kondensators erreicht die Spannung m einen Wert W in dem Augenblick, in dem die Spannung u an den Klemmen der Funkenstrecke 7, 7¹ gleich Null ist. In diesem Augenblick hat die Stromstärke i noch einen Wert O¹W. Das Maximum M¹ der Kurve m wird erst hinter dem Punkt W erreicht, und zwar zu einer Zeit, wenn sowohl die Spannung u als auch die Stromstärke i einen von Null abweichenden Wert besitzt. Demgemäß entsteht zwischen der Netzspannung u und der Netzstromstärke i eine Phasenverschiebung, so daß die Anfangsbedingungen, wie sie an dem Punkt 0 auftraten, nur zufällig wieder auftreten können. '

Wenn man demgegenüber die Abmessungen der Funkenstrecke entsprechend Fig. 4 wählt, also derart, daß die Werte α und b für zwei aufeinanderfolgende Zähne 2¹ und 2² deutlich voneinander verschieden sind, so erreicht man, daß die Stromstärke i zu der gleichen Zeit Null wird wie die Spannung u. Man erreicht also, daß alle Funken unter den gleichen Bedingungen arbeiten.

Man erkennt aus der Figur, daß im Punkt O¹ die gleichen elektrischen Bedingungen (abgesehen vom Vorzeichen) wieder gegeben sind wie im Punkt O. Diese Eigentümlichkeit, daß die Stromstärke i und die Netzspannung u die gleichen Perioden haben und gleichmäßig in zwei gleiche Halbperioden geteilt werden, kann man als Gleichperiodizität bezeichnen. Man kann diese Bedingungen in einfacher Weise durch Experimente und Berechnungen jederzeit erhalten, und eine solche Bemessung gibt einen guten Leistungsfaktor für das Netz.

Hieraus ergibt sich, daß zur Erreichung der Gleichperiodischkeit der Schritt und bzw. oder die Breite der Zähne der gleichen Gruppe unegal sein müssen, wie dies aus Fig. χ ohne weiteres ersichtlich ist. Gemäß dieser Figur ist der Zwischenraum zwischen den Zähnen 2² und 2³ ganz wesentlich größer als der Zwischenraum zwischen den Zähnen 2³ und 2⁴. Ferner besitzen gemäß Fig. 1 die Zähne 2³ und 2" eine Breite, die wesentlich größer ist als die Breite der übrigen Zähne. Um die Schritte und die Breiten für einen jeden speziellen Fall zu ermitteln, müssen unter

anderem die Zahl der Zähne, die Kurve der Spannungen, die Kurve der Stromstärken beim Laden des Kondensators, die Veränderung des Potentials an den Klemmen des Kondensators berücksichtigt werden. Wenn alle diese Werte feststehen, kann man mit Hilfe graphischer Darstellungen leicht diejenige Form und Anordnung der Zähne ermitteln, durch welche es möglich ist, die Stärke des Ladestroms des Kondensators C ίο derart zu beeinflussen, daß sie den Bedingungen eines guten Leistungsfaktors, zu denen die Isoperiodizität gehört, genügt. Insbesondere wird man dafür sorgen, daß die Stärke des Ladestroms Null ist, wenn auch die Ladespannung Null ist.

Auf die beschriebene Weise erhält man eine Funkenstrecke, deren Leistungsfaktor sehr nahe an den Wert 1 herankommt. Ferner geht die Entladung des Kondensators regelmäßig und vollständig mit einem guten Wirkungsgrad vor sich, ohne daß man Überspannungen in der Anlage zu fürchten braucht, die bei Funkenstrecken mit aus mehreren Zähnen bestehenden Zahngruppen von gleichem Schritt und gleicher Breite und mit einer Drehgeschwindigkeit, die zu der Frequenz der Speisespannung in keinem be^ stimmten Verhältnis steht, auftreten können.

Wie sich von selbst versteht und wie auch aus den obigen Darlegungen hervorgeht, ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsarten und Ausführungsformen beschränkt, vielmehr sind zahlreiche Abänderungen möglich, ohne daß hierdurch das Wesen der Erfindung beeinflußt wird.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Parallel zu einem mit einem Kondensator versehenen Schwingungskreis geschaltete Funkenstrecke mit mindestens einer umlaufenden und an ihrem Umfang mit Zähnen oder Vorsprüngen versehenen Elektrode, die für jede Halbperiode der Speisespannung mindestens zwei Unterbrechungen bewirkt, insbesondere für Hochfrequenzöfen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Zähne voneinander und bzw. oder die Breite der Zähne in der Umfangsrichtung der umlaufenden Elektrode derart ungleich bemessen sind, daß die Stromstärke, mit der der Kondensator des Schwingungskreises aufgeladen wird, periodisch in dem gleichen Augenblick wie die Spannung Null wird.
2. 2. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit der gezahnten Elektrode (1) von der Netzfrequenz derart abhängig ist, daß, wenn die Elektrode eine volle Umdrehung innerhalb einer vollen Periode ausführt, zwei Gruppen von mindestens zwei Zähnen vorhanden sind, während, wenn die Elektrode ^fi° eine volle Umdrehung innerhalb einer Halbperiode ausführt, vier Gruppen von mindestens zwei Zähnen vorgesehen sind, und so weiter, so daß bei jeder Halbperiode der Ladespannung eine aus mindestens zwei Zähnen bestehende Zahngruppe wirksam ist.
3. 3. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der rotierenden Elektrode (1) eine solche Breite haben, daß sich die Elektrode während des 7»· Vorbeiganges eines jeden Zahnes an der anderen Elektrode (5) praktisch vollständig entladen kann.
4. 4. Funkenstrecke mit Funkenlöschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- 75 ■ net, daß die Richtung des zur Funkenlöschung dienenden Gas- oder Luftstromes im wesentlichen mit der Richtung des Funkens übereinstimmt, welche dieser in dem Augenblick, in dem er gelöscht werden soll, hat, wobei die Achse des Gas- oder Luftstromes vorzugsweise senkrecht zu derjenigen Richtung steht, die der Funken während des eigentlichen Entladungsvorganges hat.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen