DE244223C

DE244223C -

Info

Publication number: DE244223C
Application number: DENDAT244223D
Authority: DE

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- Mi 244223 -■ KLASSE 21 e. GRUPPE

HUGO GROB in ZÜRICH.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Februar 1910 ab.

Für viele Zwecke der Elektrotechnik, z. B. für elektrische Zugbeleuchtung, für elektrische Zentralen mit stark wechselnder Belastung, für von Windrädern angetriebene Stromerzeuger usw., ist es erwünscht, die Spannung der Stromerzeuger in möglichst sicherer und augenblicklich wirkender Art selbsttätig zu regeln. Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Stromerzeugungsanlage besitzt die Eigenschaft,

ίο ihre Spannung unabhängig von der Antriebstourenzahl des Stromerzeugers und der Größe der Strombelastung in augenblicklich wirkender Art auf einen konstanten Wert zu regeln. Erreicht wird dies dadurch, daß die Erregerspule des Generators an zwei Punkte des Nutzstromkreises angeschlossen ist, die einerseits an einer vom Generator erzeugten Zusatzspannung liegen, und von denen andererseits ein Nebcnschlußstromkreis abgezweigt ist, in dem der den Erregerspulenstrom schwächende Stromfluß bei steigender Generatorspannung schneller zunimmt als der von der Generatorzusatzspannung erzeugte· Stromfluß.

Eine scheinbar auf ähnlicher Grundlage beruhende Regelungsanordnung ist bereits bekannt geworden. Bei deren näherer Prüfung ergeben sich jedoch grundsätzliche Unterschiede. Audi wenn man die Vereinigung zweier Erregerwicklungen in eine einzige im allgemeinen als bekannt voraussetzt, so wird bei der vorliegenden Erfindung diese Vereinigung erst möglich durch Verwendung eines zusätzlichen, nicht direkt regulierten Spannungsteils des Generators als erregende Spannungsquelle.

Ferner gestattet. jene bekannte Anordnung auch nicht, die eingeschalteten elektrolytischen Zellen mit einem beliebigen Strom zu versorgen, da die Größe dieses Stromes durch das Hauptnetz bestimmt wird. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen hat man es durch entsprechende Dimensionierung des den Spannungsabfall erzeugenden Organs in der Hand, das stromverbrauchende Organ ganz beliebig mit Strom zu speisen.

Die Zeichnung erläutert schematisch verschiedene Ausführungen von nach der Erfindung möglichen Schaltungen.

Fig. ι stellt die Erfindung in ihrer allgemeinen Form dar, und die Fig. 2 bis 8 bedeuten spezielle Ausführungsbeispiele.

In Fig. ι stellen AA¹ zwei Punkte in der Stromerzeugungsanlage dar, zwischen welchen konstante Spannung gewünscht wird. B ist eine Erregerwicklung, welche entweder direkt auf dem Stromerzeuger oder auch auf einer Erregermaschine des· Stromerzeugers sitzen kann. F F¹ sind zwei Klemmen, zwischen welchen eine vom Generator selbst stammende Spannung für den in B fließenden Erregerstrom vorhanden ist. C bedeutet. ein stromverbrauchendes Organ mit der Eigenschaft, unterhalb einer bestimmten kritischen Spannung keinen oder nur sehr wenig Strom durchzu-

(■2. Auflage, ausgegeben am 6. Februar rf

lassen, hingegen oberhalb dieser Spannung von außen kommenden Strom nur sehr wenig Widerstand entgegenzusetzen, so daß schon eine ganz geringe Erhöhung der von außen aufgedrückten Spannung über den kritischen Wert genügt, um einen beträchtlichen Stromnuß durch das Organ C zu veranlassen. Diese Eigenschaft besitzen z. B. alle elektrischen Zellen, die bekanntlich unterhalb der so-ι ο genannten kritischen Zersetzungsspannung praktisch keinen Strom durchlassen, oberhalb dieser kritischen Spannung j edoch nur geringen Ohmschen Widerstand aufweisen. Ähnlich ver-. halten sich die Quecksilberbogenlampen, ebenso die sogenannten elektrischen Gleichrichterzellen, die in der einen Stromrichtung schon von kleinen Spannungen ab, in der anderen Richtung jedoch erst von einem gewissen Spannungswert an den Stromdurchgarig gestatten. Ob dabei das stromverbrauchende Organ C eine Eigenspannung besitzt, auch wenn von außen keine fremde Spannung aufgedrückt wird, wie z. B. eine Akkumulaiorenbatterie, ein Primärelement oder z. B. ein zwangläung angetriebener Elektromotor, so. daß also bei verminderter äußerer Spannung Strom nach außen fließt, ist in diesem Falle belanglos.

An zwei Punkten SS¹ der Erregerstromzuleitung zweigt ein Nebenschlußstromkreis ab (Fig. 1), der einerseits das stromverbrauchende Organ C enthält und der andererseits an die zwei Punkte AA¹ der Stromerzeugungsanlage angeschlossen ist, zwischen welchen konstante Spannung gewünscht wird.

Solange die Spannung am Organ C kleiner als der kritische Wert ist, wird dieses keinen Strom aufnehmen. Hebt sie sich über jenen Wert, so fließt sofort ein Strom in der Richtung A-C. Der von den Klemmen FF¹ herrührende Erregerstrom habe die durch Pfeile angedeutete Richtung F^l-B-F. Nun kann der von A nach C fließende Strom seinen Weg entweder über die Klemmen FF¹ oder durch die Spule B nehmen. Nimmt man an, die zwisehen F F¹ vorhandene Spannungsquelle besitze keinen Spannungsabfall, so ist die Spannung zwischen 5 und S¹ und demgemäß auch der Erregerstrom in B unveränderlich. Der von A nach C fließende Strom nimmt daher seinen Weg über die Klemmen F F¹ und besitzt somit keinen Einfluß auf den Erregerstrom in B. Sobald jedoch die Spannungsquelle F F¹ Spannungsabfall aufweist, so wird der von A über FF¹ fließende Strom die Spannung S S¹ und somit auch den Stromfluß in B erniedrigen. Um den Spannungsabfall der Erregerstromquelle F F¹ zu vergrößern, kann in Reihe zu ihr auch ein besonderes, Spannungsabfall erzeugendes Organ G (Fig. 2) eingeschaltet werden. Man sieht leicht ein, daß sich nun, abgesehen von. der Wirkung des remanenten Magnetismus, die Generatorspannung selbst bei beliebig hoher Tourenzahl nur noch so weit steigern kann, bis der vom Organ C aufgenommene Strom gleich dem von der Erregerstromquelle F F¹ gelieferten Strom geworden ist; denn dann ist der Erregerstrom in B gleich Null geworden. Die Erregerspüle B wird so dimensioniert, daß der Spannungsabfall in ihr nur sehr geling ist. Dann heftet sich die zu regelnde Spannung zwischen den Klemmen A A¹ unabhängig von der Tourenzahl und der Belastung praktisch an die Gegenspannung an, die das Organ G dem durchfließenden Strom entgegensetzt. Ist diese unabhängig von der Größe des durchfließenden Stromes konstant, so bleibt auch die regulierte. Generatorspannung konstant. Bedingung, daß eine Spannungsregelung auf diesem Wege überhaupt erfolgt, ist also, daß bei steigender Generators'pannung der vom stromverbrauchenden Organ C aufgenommene Strom schneller steigt als der von der erregenden Spannungsquelle F F¹ abgegebene Strom. Diese Wirkung wird in vermehrtem Maße dadurch erreicht, daß man als Spannungsabfall erzeugendes Organ G einen selbstveränderlichen Eisendrahtwiderstand verwendet, der bekanntlich einen durchgehenden Strom auf einen nahezu konstanten Wert abdrosselt.

Für eine vollkommene Spannungsregelung ist es, wie schon erwähnt, wesentlich, daß die Gegenspannung, welche' das Organ C dem durchfließenden Strom entgegensetzt, möglichst konstant und unabhängig von der Größe und Zeitdauer dieses Stromes ist. In elektrischen Zellen kann zu diesem Zweck der Elektrolyt künstlich bewegt -und in Zirkulation gebracht werden, um die konzentrierten und verdünnten Grenzschichten fortwährend wegzuschwemmen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. AA¹ sind direkt die Generatorklemmen und B eine Generatorerregerspule von sehr geringem Ohmschen Widerstand.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ist nun folgendermaßen:

Die Richtung des Erregerstromes in B werde durch den Pfeil angedeutet. Solange die. Spannung zwischen dem nach der Klemme F¹ gerichteten Ende der Erregerspule und der Leitung L¹ kleiner als die Durchlaßspannung des Organs C ist, wird von A nach C kein Strom fließen, und durch die Spule B fließt genau so viel Strom, als der Widerstand G passieren läßt. Sobald jedoch die Spannung zwischen den Klemmen A A ^x so hoch steigt,¹ daß das Organ C Strom durchläßt, so wird sofort der Strom in B abnehmen und erreicht sogar den Wert Null, wenn C so viel Strom aufnimmt, als der Widerstand G durchläßt. Es kann also die Spannung des Generators auch bei beliebig iao hoher Tourenzahl höchstens so weit steigen, bis dieser letztere Fall eintritt; denn dann ist

die Erregung- des Generators Null geworden. Da der Spannungsabfall in der Erregerspule wegen ihres geringen Widerstandes sehr klein ist, so wird also die Generatorspannung bei

■ 5 jeder Tourenzahl und Belastung praktisch gleich der Spannung sein, welche das Stromdurchlaßorgan C dem Strom entgegensetzt.

Die zwischen den Punkten F und F¹ vorhandene Quelle für den erregenden Strom wird

ίο vom Hauptgenerator selbst geliefert, doch nicht j von den Klemmen A A ^x, weil der Erregerstrom umgekehrt wie die zwischen ihnen vorhandene Spannung gerichtet sein muß. Die Verwendung der Generatorspannung als erregende Spannung läßt sich dadurch erreichen, daß die direkt geregelte Spannung zwischen AA¹ nicht die totale, im Generator erzeugte Spannung ist, sondern nur ein Teil davon, wobei der zusätzliche Rest als Quelle für den Erregerstrom verwendet werden kann. Die Unterteilung der Spannung kann z. B. mit Hilfe eines Widerstandes geschehen, wie Fig. 3 zeigt.

Es wird hier der nach dem Verbrauchsneiz Q fließende Strom erst durch einen Widerstand R geführt. Die zwischen dessen Endpunkten A und N -auftretende Spannungsdifferenz wird dann als erregende Spannung verwendet, während der Rest durch die bei N anschließende Erregerwicklung direkt reguliert wird.

Selbstredend kann am Widerstand. R nur dann eine Spannung entstehen, wenn Strom durch ihn fließt, d.. h. wenn das Netz Q Strom verbraucht. Um auch bei ausgeschaltetem Netz Spannung erzeugen zu können, kann der Generator (Fig. 4) durch einen Widerstand T künstlich belastet werden, wobei zweckmäßigerweise der Widerstand R gleichzeitig durch einen größeren (U) ersetzt werden kann.

Eine andere Art der Spannungsunterteilung besteht darin, daß die Ankerwicklung in zwei Gruppen geteilt wird, wie die Fig. 5 Und 6 zeigen.

Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist auf dem Kollektor des Generators die zwischen den Bürsten A¹, F¹ auftretende maximale Spannung durch Aufsetzung einer weiteren Bürste A unterteilt, und liefern die Bürsten A¹ A die direkt regulierte Nutzspannung und die Bürsten A, F¹ die erregende Spannung.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Leiter des Ankers in zwei voneinander isolierte Gruppen mit je einem Kollektor getrennt, und sind diese Kollektoren, die in Fig. 6 die Bürsten AA¹ und F .F¹ besitzen, in Serie geschaltet. Die Spannung zwischen AA¹ wird direkt geregelt, und bildet der andere Kollektor FF¹ die Quelle für den Erregerstrom. Das stromverbrauchende Organ kann auch aus einer Akkumulatorenbatterie bestehen. Für den Fall, daß diese anderweitig auch als Stromreserve zu dienen hat, muß die Möglichkeit vorhanden sein, sie wieder aufzuladen. Dies kann auf zweierlei Art geschehen. Erstens kann durch geeignete Dimensionierung des Wider-Standes G der Stromzufmß zur Batterie beliebig groß gemacht werden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß dabei die Gegenspannung der Batterie infolge der starken Ladung schnell ansteigt und damit auch die ganze Netzspannung in die Höhe hebt. Ein anderer Weg besteht darin, die zwischen den Bürsten A¹ und P¹ (Fig. 5 und 6) bzw. die zwischen den Punkten A¹ und A (Fig. 3 und 4) vorhandene erhöhte Spannung zur Ladung einer Batterie C¹ zu verwenden, die gleich groß ist wie die Batterie C, und die dann mit dieser von Zeit zu Zeit vertauscht werden kann. Fig. 7 zeigt ein Beispiel hierfür, beispielsweise bezogen auf den Fall von Fig. 6. Um zu vermeiden, daß die zu ladende Batterie zu viel Strom aufnimmt, kann in der. Ladeleitung mit Vorteil eine Vorrichtung, z. B. ein Widerstand W, der auch aus Eisen bestehen kann, eingeschaltet werden, welche die Stromstärke nach oben begrenzt.

Die in Fig. 7 gezeichnete Anordnung kann mit Vorteil in Anlagen zur Beleuchtung·, Heizung oder Ventilierung von Eisenbahnwagen verwendet werden. In solchen Anlagen ist oft das Bedürfnis vorhanden, die Batterie etwas schneller zu laden, wenn das Licht brennt. Dieser Zweck kann dadurch erreicht werden, daß die in den Fig. 5 und 6 enthaltenen Grundlagen mit dem Prinzip der Fig. 3 kombiniert werden, d. h. daß, auf das Beispiel von Fig. 6 bezogen, zwischen die Bürste A und den Punkt N, wo sich die Leitung nach den Lampen Q und die Leitung zur Erregerspule B trennen, ein Widerstand R eingeschaltet wird gemäß Fig. 8.

Dann ist der Generator genötigt, um so viel mehr Spannung zu erzeugen, als der Lampenstrom im Widerstand R verzehrt, und wird die dadurch bedingte Spannungserhöhung auch bei der zu ladenden Batterie C¹ wirksam.

Bei der vorliegenden Anordnung wird die Batterie C fortwährend etwas geladen, und zwar mit der Differenz des von dem Widerstand G dufchgelassenen und des von der Erregerwicklung B gebrauchten Stromes. Infolge dieser Ladung wird die Gegenspannung der Batterie und damit auch die Spannung der ganzen Anlage mit zunehmender Säurekonzeritration an den Platten und mit zunehmendem Ladezustand der Batterie steigen. Um die Lampen vor zu hoher Spannung zu bewahren, ist es sehr zweckmäßig, einen· selbsttätigen Ausschalter Z in die Zuleitung des Erregerstromes zu setzen, welcher den Erregerstrom unterbricht, sobald die Lichtspannung iao einen gewissen maximalen Wert erreicht hat. Dann tritt die im deutschen Patent 216955

Claims

beschriebene Schaltung ein, bei welcher die Batterie C den Erregerstrom zu liefern hat. Die Schaltung nach vorliegender Erfindung hat gegenüber derjenigen nach dem deutschen Patent 216955 den Vorteil, daß die Netzspannung normal ist, auch wenn die Batterie C vollständig erschöpft ist, weil die Gegenspanming auch einer erschöpften Batterie mindestens 2 Volt pro Zelle beträgt, wenn sie etwas Ladestrom empfängt.

Wenn der Generator in intermittierender Weise angetrieben wird, z. B. wie bei Zugbeleuchtungsänlagen, so muß er natürlich vom Netz abgetrennt werden, bevor er stillsteht.

Diese Abtrennung kann mit Vorteil durch einen Zentrifugalregulator erfolgen.

Bei Verwendung von Polarisationszellen ohne eigene Spannung ist der Fall denkbar, daß die Stromverriegelung nicht .schon im ersten Moment eintritt. Es ist deshalb von Vorteil, die Einschaltung des Stromerzeugers in zwei Stufen vorzunehmen. In der ersten Stufe wird die Erregung eingeschaltet und damit die Polarisationszelle unter Spannung gesetzt, wobei zweckmäßig der Generator durch einen Hilfswiderstand vorübergehend belastet wird, um den Erregerstrom zu veranlassen, sich gleich in voller Stärke einzustellen. In der zweiten Stufe wird dann der Stromerzeuger mit dem Lichtnetz verbunden. Das vorgängige Schließen des Erregerstromkreises hat den weiteren Vorteil, daß der Erregerstrom trotz der verzögernden Wirkung der .Selbstinduktion Zeit hat, sich voll zu entwickeln, bevor Lichtstrom abgegeben wird.

Γλϊκ.ν t-An s ΐ'κί'κΜΜί:

ι. Anlage zur Erzeugung und Aufspeicherung elektrischer Energie mittels eines mit veränderlicher Umdrehungszahl und Belastung arbeitenden Generators, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (B) des Generators bzw. seiner Erregermaschine an zwei Punkten angeschlossen ist, die einerseits an einer vom Generator erzeugten Zusatzspannung liegen und von denen andererseits ein Neben-

■ schlußstromkreis abgezweigt ist, in dem der den Erregerspulenstrom schwächende Stromfluß bei steigender Generatorspannung schneller zunimmt als der von der Generatorzusatzspannung erzeugte Stromfluß.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Generator und den Abzweigpunkten des Nebenschlußstromkreises von der Erregerspule ein Spannungsabfall erzeugendes Organ (C) eingeschaltet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neben- schlußstromkreis ein stromverbrauchendes Organ (C) mit der Eigenschaft enthält, unterhalb einer gewissen aufgedrückten Spannung wenig oder keinen Strom durchzulassen oder noch Strom zurückzusenden, bei nur geringer Überschreitung jener Spannung jedoch ein schnelles Anwachsen des Durchgangsstromes zu gestatten.
4. Anlage nach Anspruch 1 bis 3 bei Verwendung von elektrolytischen Zellen als stromverbrauchendes Organ, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt behufs möglichster Konstanthaltung der von den elektrolytischen Zellen dem Strom entgegengesetzten Spannung zwischen den Elektroden bewegt bzw. erneuert wird, um die konzentrierten und verdünnten Flüssigkeitsschichten wegzuspülen.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung in einer gesonderten Generatorwicklung mit eigenem Kollektor erzeugt wird (Fig. 6).
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung in der gewöhnlichen Ankerwicklung des Generators erzeugt und von einer Haupt- und einer auf demselben Kollektor angeordneten Hilfsbürste abgenommen wird (Fig. 5).
7. Anlage nach Anspruch 1 bis .6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung an einem in den Nutzkreis eingeschalteten Widerstand (R) erzeugt wird.
8. Anlage nach Anspruch 1 und 7, da-

.durch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) bei ausgeschaltetem Nutzstrom durch einen Hilfsstrom belastet wird.
9. Anlage nach Anspruch 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) bei ausgeschaltetem Nutzstrom durch einen solchen von höherer Ohmzahl (U) ersetzt wird (Fig. 4).
10. Anlage nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Erzeugung der Zusatzspannung in einer gesonderten Generatorwicklung mit eigenem Kollektor ein besonderer Widerstand in Reihe mit dieser und dem Nutzkreis geschaltet ist, um die Ladung einer als stromverbrauchendes Organ dienenden Batterie no abhängig voin Nutzstrom zn machen.
11. Anlage nach Anspruch 2, dadurch ge-, kennzeichnet, daß das den Spannungsabfall erzeugende Organ ein selbst veränderlicher Widerstand (G) (z. B. Eisenwiderstand) ist.
12. Anlage nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung des Generators auf das Netz in 'zwei Stufen erfolgt, um in der ersten Stufe sowohl die Polarisation der etwa vorhandenen, als stromverbrauchende Organe (C) dienenden Polarisationszelle als auch die Erreger-

stromgröße in den stationären Zustand zu bringen, bevor auf der zweiten Stufe die Nutzstromlieferung beginnt.
13. Anlage nach Anspruch 1 und 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung zwischen dem Generator und dem Punkt, an dem der Nebenschlußkreis vom Erregerspulenkreis abzweigt, ein Abschalter vorhanden ist, der bei Erreichung einer gewissen Höchstspannung des Generators die Stromzufuhr vom Generator zur Erregerwicklung (B) unterbricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.