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Statischer Frequenzwandler Die'Erfindung bezieht sich auf einen statischen
Frequenzwandler, mit dem elektrische Energie .einer Frequenz in elektrische Energie
einer anderen Frequenz oder anderer Frequenzen umgewandelt werden kann. Solche Frequenzwandler
werden insbesondere bei Tnägerstromanlagen mit mehreren Kanälen verwendet. Die verschiedenen
Trägerfrequenzen werden aus einer Grundfrequenz durch einen Frequenzwandler gewonnen,
welcher aus einer mit einem magnetischen Kern versehenen Spule besteht und die Grundfrequenz
so verzerrt, daß zahlreiche Oberschwingungen auftreten. Aus dem Ausgangskreis des
Frequenzwandlers können dann die Oberschwingungen durch Filter ausgesiebt werden.
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Es ist schon bekanntgeworden, elektrische Leiter mit einer dünnen
Schicht eines ferromagnetischen Materials zu umgeben, um sie als Frequenzwandler
zu benutzen. Es wurde hier aber nur eine einzige Drahtwindung verwendet, so daß
sehr starke Ströme für die Sättigung des die Drahtwindung umgebenden Eisens erforderlich
waren. Man hat auch schon mehrere Drahtwindungen in eine Röhre aus magnetischem
Material gesteckt. Aber auch bei dieser Anordnung konnte man eine Sättigung nicht
mit so schwachen Strömen erreichen, wie es beim Erfindungsgegenstand möglich ist.
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Gemäß, der Erfindung besteht das magnetische Material, welches eine
nichtlineare Beziehung zwischen der Induktion B und der magnetischen Feldstärke
H hervorruft, die für die Erzeugung der Oberschwingungen nötig ist, aus einer Schicht,
welche einen Leiter
geritig,2n Querschnitts umgibt. Vorzugsweise
bildet dieser Leiter die einzige Sekundärwindung ein cs Transformators, welcher
eine Primärwicklung mit vielen Windungen und einen Eisenkern geeigneter Konstruktion
besitzt. Der erfindungsgemäße Frequenzw-andler besteht aus einem ringförmigen Kern
von relativ geringem Durchmesser, auf den eine Primär,A-iclzlung mit vielen Windungen
aufgebracht ist, und einer einzigen sekundären Windung. Diese Sekundärwindung besteht
aus einem Leiter geringen Durchmessers, welcher wenigstens auf einem Teil - seiner
Länge mit einer Schicht magnetischen Materials bedeckt ist. Das magnetische Material
des sekundären Leiters kann als Streifen spiralförmig auf den sekundären Draht gleichmäßig
über seine ganze Länge aufwerden. «erden. Der Streifen kann auch in mehreren Lagen
auf nur einen Teil der Länge des sekundären Leiters aufgebracht werden.
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Bei einer solchen Anordnung kann die Primärwicklung in dem Bereich
betrieben werden, in welchem die Nichtlinearität der B-H-Beziehung in dem primären
ringförmigen Kern nicht groß ist, so daß der hauptsächliche, nichtlineare Effekt
durch die viel größere magnetisierende Kraft erzeugt wird, welche unter dem Einüuß
des starken, in der einzigen sekundären Windung erzeugten Stromes auf den magnetischen
Streifen einwirkt. Dadurch wird es möglich, den primären ringförmigen Kern aus viel
dickeren Blechen aufzubauen, als es der Fall wäre, wenn der Hauptkern starken magnetischen
Feldern unterworfen wäre, welche entsprechend große Wirbelstromverluste hervorrufen,
ein Punkt, der von besonderer Bedeutung bei der Anwendung hoher Frequenzen ist.
Die eben beschriebene Konstruktion hat ein viel größeres Verhältnis der magnetischen
Kraft zu dem angewendeten Strom, als es bei der bekannten Konstruktion des Frequenzwandlers
der Fall ist, bei welchem eine einzige Windung auf einem geeigneten Kern verwendet
wird.
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Der erfindungsgemäße statische Frequenzwandler, welcher in den Abb.
2, 3 und 4 dargestellt ist, besteht aus einem aus ringförmigen Blechen aufgebauten
Kern 5, auf den gleichförmig eine mehrlagige primäre Wicklung 6 aufgebracht ist,
die mit einem isolierenden Streifen 7 umwickelt ist. Die Sekundärwicklung besteht
aus einer einzigen Windung des Leiters B. Der Leiter 8 ist spiralförmig mit einem
dünnen Streifen g aus magnetischem Material umwickelt. Der Kern 5 und der Streifen
9 bestehen vorzugsweise aus magnetischem Material mit hoher Anfangspermeabilität,
welches sich bei relativ niedrigen Feldstärken sättigen läßt, also z. B. eine I
Legierung, welche im wesentlichen aus 2 % Moly-bdän, 1601,'o Eisen und 82% Nickel'
besteht.
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Um die Verluste möglichst herabzusetzen, überlappen sich die einzelnen
Windungen des magnetischen Streifens 9. Die kurzgeschlossene Windung 8 hat einen
solchen Durchmesser und eine solche Form, daß sie sich dicht an die primäre Wicklung
6 anlegt und ein möglichst kleiner Luftraum zwischen der Primärwicklung und der
sekundären Wicklung bestehen bleibt. Zweckmäßigerweise wird zwischen dem Leiter
8 und dem Streifen 9 ein Isolationsmaterial angebracht, da sonst starke Wirbelstromverluste
auftreten können, wenn der Streifen 9 einen guten elektrischen Kontakt mit dem Leiter
8 besitzt. Auch die sich überlappenden Teile des Streifens müssen gut voneinander
isoliert sein. Kristallines Aluminiumoxyd- oder Quarzpulver ist ein geeignetes Isolationsmaterial.
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Obwohl in den Zeichnungen nur eine Sekundärwicklung 8 dargestellt
ist, welche aus einer einzigen Windung besteht, können auch mehrere Sekundärwicklungen
benutzt werden, die aus je einer einzigen kurzgeschlossenen Windung bestehen. Auch
kann eine einzige kurzgeschlossene Sekundärwicklung verwendet werden, welche aus
einer Mehrheit von Windungen besteht.
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In der Abb. i ist die Schaltung des statischen Frequenzwandlers dargestellt.
Die Primärwicklung 6 ist über die Leiter i o und i i und den abgestimmten Schwingungskreis
12, 13 mit der Wechselstromquelle 14, welche die Grundfrequenz liefert, verbunden.
Der Strom, welcher durch die Primärwicklung 6 fließt, erzeugt einen viel stärkeren
Strom in der Sekundärwicklung 8, welcher den magnetischen Streifen 9 in einem Bereich
beeinflußt, wo die Nichtlinearität der B-H-Beziehung groß ist, so daß in bekannter
Weise Oberschwingungen der Grundfrequenz erzeugt werden. Diese Oberschwingungen
werden über die Leitungen 16 und 17 dem Belastungskreis 15 zugeführt.
Dieser Belastungskreis kann abgestimmt sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wurden folgende Zahlenwerte verwendet.
Der mittlere Durchmesser des ringförmigen Kerns 5 war 2 cm und hatte eine Querschnittfläche
von o,2 cm2.- Der wirksame Querschnitt des Streifens 9 war 5 # i o-3 em2. Die Primärwickwicklung
6 hatte Zoo Windungen, und der Durchmesser des Drahtes 8 war o,2 cm. Unter diesen
Umständen ist die magnetisierende Kraft, welchd auf den Streifen g einwirkt, die
gleiche, wie sie auf einen ringförmigen Kern mit dem Durclunesser o,2 cm und dem.
magnetischen Querschnitt 5 # i o-3 cm2 einwirken würde, wenn der Kern mit einer
einzigen
Wicklung von 200 Windungen umgeben ist. Der erfindungsgemäße
Frequenzwandler ist also ein Äquivalent für einen Frequenzwandler so kleiner Größe,
wie er praktisch nicht herstellbar wäre. Diese Verminderung der Kerngröße des Frequenzwandlers
ermöglicht es, das Verhältnis der magnetisierenden Kraft zu dem angewendeten Strom
so zu vergrößern, daß eine bestimmte Nichtlinearität bei einem viel kleineren Strom
erhalten werden kann. Dieses Verfahren, große magnetisierende Kräfte pro Stromeinheit
zu erhalten, ermöglicht es, daß der Frequenzwandler bei viel schwächeren Strömen
wirksam arbeitet, als sie bei der üblichen Konstruktion erforderlich sind, bei welcher
eine einzige Wicklung auf dem ringförmigen Kern untergebracht ist.