DE183103C

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Description

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O II.

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21c. GRUPPE .45. / ίί

' CLARENCE FELDMANN in DARMSTADT.

Wechselstrom gespeist werden.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Mai 1905 ab.

Beim Antriebe eines Stromerzeugers von der Laufachse eines Wagens ändert sich dessen Umdrehungszahl mit der Zuggeschwindigkeit, und es sind daher zur Regelung des Betriebes besondere Hilfsmittel notwendig. Ein neues und sehr einfaches Mittel zu diesem Zwecke bietet sich aber dann, wenn als Betriebsstrom ein- oder mehrphasiger Wechselstrom gewählt wird.

ίο In einem mit veränderlicher Frequenz betriebenen Wechselstromkreise nähert sich die Stromstärke einem konstanten Werte um so mehr, je kleiner der Ohmsche Widerstand gegenüber dem induktiven Widerstände oder der Reaktanz wird.

Während man daher im allgemeinen das Verhältnis des induktiven zum Ohmschen Widerstände zugunsten einer möglichst geringen Phasenverschiebung in Wechselstrom-Verteilungssystemen so klein als möglich zu halten sucht, soll beim Gegenstande der vorliegeaden Erfindung dieses Verhältnis tunlichst groß gewählt werden,: um ohne Rücksicht auf Phasenverschiebung eine von der Periodenzahl möglichst unabhängige Konstanz der Stromstärke zu erzielen und so jede besondere Regelung der Stromstärke entbehrlich zu machen oder doch in wesentlich engere Grenzen einzuschließen.

Die Vergrößerung des Quotienten des induktiven durch -den Ohmschen Widerstand läßt sich nun sowohl durch Vergrößerung

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des Zählers als auch durch Verkleinerung des Nenners oder schließlich durch beide Mittel zugleich bewirken. Wie dies geschehen kann, sei an einem Beispiele erläutert. Für den Betrieb von Lichtquellen ist erfahrungsmäßig die kleinste Frequenz, bei der das Flimmern noch erträglich ist, ρ = 25 Perioden in der Sekunde. Es sei nun der Ohmsche Widerstand des Stromkreises R = 2 Ohm, der Koeffizient der Selbstinduktion oder die Induktanz L, der induktive Widerstand oder die Reaktanz 2 π ρ L oder w L ebenfalls 2 Ohm für ρ = 25, die elektromotorische Kraft E sei 15 Volt bei ρ = 25, dann ist die Stromstärke

J =

oder j/i?² + co² L²

= 5,3 Amp.

35

40

45

Bei doppelter Umdrehungsgeschwindigkeit des Stromerzeugers wäre ρ = 50, also co L= 4 Ohm und -E= 30 Volt, folglich

J = 6,7 Amp.

Bei ρ = 100 wäre u> L = 8 Ohm, E = 60 Volt, also

τ 60

J = -^= = 7,28 Amp.

I/ + 6

60

Für ρ = 2OO wäre ω L = i6 Ohm, E-120 Volt, also

T

120

= 7,44 Amp.

I/4 + 256

Von ρ = 100 aufwärts ist also die Stromstärke Jannähernd konstant und folglich auch die Leistung J² R, denn für ρ = ioo beträgt sie 106 Watt und für ρ = 200 etwa iii Watt.

Wählt man nun R noch kleiner oder L noch größer, oder benutzt man beide Mittel gleichzeitig, so wird die Konstanz der Stromstärke sich bereits bei einer unter 100 liegenden Periodenzahl einstellen.

Diese ganz selbsttätig und ohne Benutzung veränderlicher Widerstände erfolgende Regelung auf konstante Stromstärke kann nun dadurch noch erweitert werden, daß daneben noch von einer Veränderung des induktionsfreien oder des induktiven Widerstandes oder beider gleichzeitig in Abhängigkeit von der Periodenzahl Gebrauch gemacht wird.

Zur Erläuterung werde die ^Formel für die Stromstärke J zunächst dadurch einer Umformung unterzogen, daß die elektromotorische Kraft E proportional der Periodenzahl, also = cp gesetzt wird, dann ergibt sich

c ρ

(2 -π ρ L)²

und durch Kürzung des Bruches mit ρ schließlich

J

V(

Die Konstanz der Stromstärke ist damit in alleinige Abhängigkeit gebracht von der Konstanz des Nenners. Diese aber kann bei abnehmendem ρ erreicht werden durch Verkleinerung, bei zunehmendem ρ durch Vergrößerung von R oder L oder beider Widerstände zugleich.

Wie dadurch die Grenzen für die Konstanz von J, die im vorigen Beispiele praktisch erst bei p=z 100 begann, erweitert werden, wird aus folgendem Beispiele ersichtlich werden. Nehmen wir an, der Ohmsche Widerstand des Stromkreises werde durch die Vorschaltung eines regelbaren induktionsfrei angeordneten Widerstandes r, z. B. eines Widerstandes, aus Eisen*) oder einem anderen Materiale mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten proportional zur Periodenzahl ρ so verändert, daß unter der Annahme eines konstanten Nutzwiderstandes R = 2 Ohm, für ρ = 25, R+ r = 2,5 Ohm, für ρ = 50,

*) Die geringe Induktanz des Drahtes selbst ist hier als praktisch vernachlässigbar angenommen worden.

R -\- r = 5,0 usw. sei, dann wird für alle Periodenzahlen von 25 aufwärts

y ioo

Nach den obigen Festsetzungen ist für ρ = 25, E = cp= 15 Volt und 2 π ρ L = 2, also

3 2 c = — und 2 π L = .

5 ' · 25

Führt man diese Zahlenwerte in die Gleichung für J ein, so ergibt sich J= 4,69 Amp.

Die Nutzleistung J²R wäre dabei konstant, nämlich 44 Watt, die verlorene Leistung und die scheinbare Leistung würden aber stark zunehmen, weshalb man sich im allgemeinen dieses Verfahrens nur zum Zwecke einer Hilfsregelung, sei es innerhalb engerer Geschwindigkeitsgrenzen, sei es zur Ausgleichung einzelner Teile eines im übrigen auf andere Weise geregelten Systems bedienen wird.

Frei von diesen Bedenken ist die Regelung mittels der Induktanz L, die so in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bezw. von der Periodenzahl ρ gebracht werden muß, daß die . Summe

genau oder angenähert konstant ist.

Diese Abhängigkeit kann auf verschiedene Weise, z. B. dadurch erreicht werden, daß _g, durch einen mit der Antriebswelle des Stromerzeugers in mechanischem Zusammenhange stehenden Fliehkraftreglers ein Eisenkern in · einer Drosselspule verschoben wird. Wenn z. B. bei der geringsten Frequenz ρ = 25 durch diesen Bewegungsvorgang die Drosselspule kurzgeschlossen wird, so würde bei dieser Frequenz im vorgenannten Beispiele die Stromstärke

J =

cp_ R

=z 7,5 Amp.

betragen, und es ist leicht auszurechnen oder durch Versuche festzustellen, wie groß in jedem Falle die Induktanz werden muß, damit der Strom und infolgedessen auch die Leistung in dem konstant gedachten Nutzwiderstande konstant bleibe. Es wird dadurch bei hohem Wirkungsgrade z. B. eine Beleuchtung möglich sein, bei der die Lampen einzeln oder in Gruppen in Reihe geschaltet sind und so von einem konstanten Strome völlig unabhängig, von der Umlaufszahl und der Spannung des Stromerzeugers durchflossen werden, und dieses Beleuchtungssystem würde mit einem hohen Wirkungsgrade innerhalb weiter Geschwindigkeitsgrenzen mit konstantem Strome arbeiten.

In welche Teile der Anlage man die konstante oder die regelbare Induktanz oder den regelbaren Zusatzwiderstand legt, ist für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung be-5. langlos, insbesondere kann die Induktanz auch ganz oder zum Teil in den Stromerzetiger selbst verlegt werden, etwa derart, daß man eine Wechselstrommaschine für konstanten Strom mit starkem Abfalle, also

ίο starker Induktanz baut und verwendet. Die Induktanz kann auch in verschiedene, teils im Stromerzeuger, teils im Stromkreise liegende Teile zerlegt werden, während man als konstanten, induktionsfreien Widerstand im Interesse der Wirtschaftlichkeit tunlichst die Nutzwiderstände, also die Lampen selbst, verwenden wird.

Ein Beispiel für einen mit allen diesen Regelungen gleichzeitig ausgestatteten Stromkreis ist in der Figur schematisch dargestellt. Darin bedeutet L eine in dem Stromerzeuger liegende Induktanz, / eine regelbare Induktanz, ζ. B. ein'e Drosselspule mit verschiebbarem Eisenkerne, R\E?,R^Z Lampen oder Lampengruppen, Z¹, /², I^s zu diesen parallel geschaltete Drosselspulen, r einen regelbaren induktionsfreien Widerstand. Die Regelung des Stromerzeugers selbst, die auch noch zur Unterstützung der Regelung des Systems benutzt werden kann, ist in diesem Schema nicht dargestellt.

Das vorliegende Verfahren ist gleichmäßig bei ein- oder mehrphasigem, verkettetem oder unverkettetem Wechselstrome und unabhängig davon anwendbar, ob etwa noch von anderen Regelungsmethoden Gebrauch gemacht wird/ auch ist es belanglos, ob und in welcher Weise etwa Stromsammler mit der Anlage verbunden sind.

Gemäß der Erfindung kommt es immer nur darauf an, daß die Stromstärke des die Lampen speisenden Wechselstromes durch das beschriebene Verfahren im wesentlichen konstant gehalten wird.

Das vorbeschriebene Verfahren ist nicht auf die elektrische Beleuchtung von Eisenbahnwagen oder anderen Fahrzeugen beschränkt, man wird vielmehr überall da mit Vorteil von ihm Anwendung machen können, wo der Stromerzeuger mit veränderlicher Umdrehungszahl oder auch veränderlicher Drehrichtung zu laufen hat.

Claims

Patent-An Sprüche:

1. Regelungsverfahren für Zugbeleuchtungsanlagen, die mit ein- oder mehrphasigem Wechselstome gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke des die Lampen speisenden Wechselstromes durch Wahl einer im Verhältnis zum Ohmschen Widerstand großen Induktanz unabhängig von der Umdrehungszahl des Stromerzeugers im wesentlichen konstant gehalten wird.

2. Ausführungsform des im Anspruch 1 genannten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Induktanz

. oder des Ohmschen Widerstandes oder beider zugleich in derartiger Abhängigkeit von der Periodenzahl bewirkt wird, daß ihre Werte mit der Periodenzahl wachsen oder abnehmen.

3. Ausführungsform des im Anspruch 1 genannten Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanz oder ein Teil derselben in Drosselspulen verlegt wird, die zu den Lampen oder Lampengruppen parallel geschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.