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Selbsttätiger elektrischer Regler in Gestalt_eines_mehrschenkligen
Transformatörs Die Erfindung betrifft einen selbsttätigen elektrischen Regler, der
die Gestalt eines mehrschenkligen . Transformators hat. Die Primärwicklungen dieses
Transformators werden von dem Betriebsstrom durchflossen, dessen Regelung beabsichtigt
ist, während die Sekundärwicklungen, die unterteilt und differential gegeneinandergeschaltet
sind, von dem Steuerstrom durchflossen werden.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Speisung des Sekundärstromes
nicht nur durch die induktive Kopplung mit dem Primärkreis auf dem Transformator
erfolgt, sondern daß außerdem noch durch eine paraliele Abzweigung von diesem Primärkreis
eine galvanische Kopplung des Sekundärkreises stattfindet.
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Durch diese Anordnung wird erreicht, daß sich die Änderungen bzw.
Umkehrungen des gesteuerten Stromes erheblich rascher und weitgehender vollziehen,
als es mittels der bisher bekannten Einrichtungen möglich war.
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Gemäß weiterer Erfindung wird der eine Schenkel des als Regler verwendeten
Transformators drehbar gelagert, so daß er sich unter dem Einfluß der magnetischen
Zugkräfte drehen und damit die Luftspaltbreiten ändern kann. Durch diese Maßnahme
wird ein noch schärferes Einsetzen der Regelvorgänge erreicht.
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Auf der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, wie er in Verbindung mit einem elektrischen Flammenbogenofen verwendet
wird. 7' ist ein Leistungstransformator, der den Ofen und den Regler mit Strom versorgt
und der jede beliebige Bauart aufweisen kann. i ist seine Primärwicklung und 2 seine
Sekundärwicklung. Der Einfachheit halber ist ein Einphasentransformator dargestellt,
und es ist selbstverständlich, daß die Erfindung in gleicher Weise auch für Mehrphasenöfen
der gewöhnlichen Art verwendbar wäre.
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Eine Seite der Sekundärwicklung 2 ist durch eine Leitung 3 mit der
Ofenhülse ,4 verbunden. Die Elektrode 5 des Ofens ist, wie üblich, in senkrechter
Richtung beweglich und durch Leitungen 6 und 8 mit der anderen Seite der Sekundärwicklung
2 verbunden. In dem Stromkreis 6, 8 ist eine Primärspule 7 des Reglers enthalten,
die später noch näher beschrieben wird.
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Der Regler besteht aus einem Transformator, der aus einem festen Kernteil
9 mit zwei Schenkeln io und ii und einem beweglichen Schenkel 12, der zwischen den
Enden der Schenkel io und i i liegt und normal von ihnen durch die Luftspalte
a und b getrennt ist, gebildet wird. Der bewegliche Schenkel 12 ist
bei 13 drehbar gelagert und von dem Querstück des festen Schenkels durch einen Luftspalt
c getrennt.
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Die Primärspule 7 des Transformators ist um den beweglichen Schenkel
12 gewickelt und mit dem zu regelnden Strom in Serie geschaltet. Es ist klar, daß
der im Schenkel 12 durch die Spule 7 erzeugte magnetische Fluß zwei geschlossene
Kreise bildet, und zwar den einen quer durch den Luftspalt a und
den
Schenkel i o und den anderen durch den I_tiftspalt b und den Schenkel i r, wobei
der Schenkel 12 zti beiden Kreisen gehört.
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Der Schenkel io ist erheblich kleiner im Querschnitt gemacht als der
Schenkel i i, und fier Querschnitt des beweglichen Schenkels 12 ist annähernd ebenso
groß als die Summe der Querschnitte der Schenkel io und ix. Wenn sich der Fluß in
der Spule 7 unter der Einwirkung des Stromes entwickelt, tritt zunächst eine gleichmäßige
Teilung auf die beiden Kreise, die durch die Schenkel io und ii gehen, ein. Wenn
der Strom aber weiter ansteigt und entsprechend der Fluß größer wird, wird der Schenkel
io bald gesättigt, und es erhält dann der Schenkel i i einen größeren Anteil am
Fluß.
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Das bewegliche Glied 12 wird in der Lage zwischen den beiden Schenkeln
durch Sätze von Stützfedern rq. und 15 gehalten, die auf beiden Seiten angebracht
sind. Jeder Satz besteht beispielsweise aus drei Federn verschiedener Länge, so
daß bei der Bewegung des Schenkels i2 nacheinander diese Federn berührt werden.
Dadurch entsteht bei der Bewegung des Schenkels 12 gegen den Schenkel io oder ii
ein Widerstand, der im selben Maße wächst, wie sich der bewegliche Schenkel dem
festen Schenkel nähert, so daß z. B. bei jeder Zunahme des Flusses der bewegliche
Schenkel 12 dichter an den festen Schenkel i i heranrückt und in dieser Stellung
verbleibt, da der magnetische Zug durch den Widerstand der Federn ausgeglichen wird.
Mit anderen Worten, da der magnetische Zug zwischen den beiden Schenkeln sich umgekehrt
mit dem Quadrat der Entfernung ändert, ist es klar,. daß eine einfache Feder die
Berührung zwischen dem beweglichen Schenkel 12 mit den Enden der festen Schenkel
nicht hindern könnte, sobald der Fluß in den beiden Schenkeln verschieden wäre,
und es ist aus diesem Grunde erforderlich, eine zusammengesetzte Federbauart der
angegebenen Art zu wählen, damit der bewegliche Schenkel 12 sich den festen Schenkelenden
allmählich und in fortschreitenden Stufen nähert. An Stelle einer zusammengesetzten
Feder, die aus einer Reihe von Einzelfedern besteht, könnte aber auch eine einfache
entsprechend gebaute Feder treten. Ausschlaggebend ist allein die Eigenschaft, daß
der durch die Feder gebildete Widerstand sich etwas stärker vermehrt als der Bewegung
des Schenkels 12 entspricht.
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A ist der Anker oder der drehende Teil und F das Feld oder der unbewegliche
Teil eines kleinen Elektromotors, dessen Welle im gegenwärtigen Falle mit der üblichen,
nicht gezeichneten Winde verbunden ist und die Elektrode 5 hebt und senkt. Man benutzt
ge-«-nhnlich einen Kommutatormotor, obgleich auch andere Arten verwendbar wären.
Das Feld F, das als Nebenschlußwicklung ausgeführt ist, wird getrennt `erregt und
ist mit einem Ende direkt mit einer Seite des Leistungstransformators T durch die
Leitungen 16 und 22 verbunden, während die andere Seite der Feldwicklung durch einen
Widerstand R' mit einer Leitung 21, die mit der mit der einen Seite der Transformatorwickhing
2 verbundenen Ofenleitung 3 zusammenhängt, verbunden ist. In dieser Weise wird das
Feld F ständig durch den Leistungstransforinator T erregt, der als praktisch konstante
Wechselstromquelle angesehen werden kann. Der Widerstand R' hat den Zweck, eine
zu große N acheilung des Feldstromes zu verhindern, die eintreten würde, wenn die
ganze Impedanz des Feldstromes nur aus der Reaktanz der Feldspule bestehen würde.
Mit anderen Worten, es ist erwünscht, daß der zu regelnde Strom im Stromkreis, namentlich
in der Spule 7 des Reglertransformators, praktisch in Phase mit dem Strom der Feldspule
F ist.
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Auf den beiden Schenkeln io und ii des Transformatorkernes 9 sind
sekundäre Spulen 17 und i9 gewickelt, die annähernd die gleiche Zahl von Windungen,
aber im entgegengesetzten Sinne, enthalten. Die gleichwertigen Enden der Spulen
sind durch eine Leitung 18 verbunden. Das andere Ende der Spule 17 ist über einen
Widerstand R und eine Leitung 16 an das eine Ende der Leistungstransformatorwicklung
2 angeschlossen und das andere Ende der Spule i9 durch eine Leitung 2o mit einer
Seite des Ankers A verbunden, dessen andere Seite mit der Leitung 2i verbunden ist.
Es sind also die zwei Spulen 17 und i9 miteinander und mit dem Anker A des Motors
in Serie geschaltet, und alle diese Teile liegen in einem Stromkreis an der Wicklung
2 des Leistungstransformators und in Reihe mit dem Widerstand R.
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Die Wicklungen 17 und i9 sind so angeordnet, daß der im gleichen Sinne
durch die beiden Schenkel ro und ii verlaufende Fluß Spannungen in den Spulen in
solcher Richtung hervorbringt, daß sie gegeneinander wirken, wenn die Verbindung
in Serie, wie geschehen, erfolgt ist. Wenn demnach der Fluß in den beiden Schenkeln
io und ii gleich ist, ist die in den Spulen 17 und i 9 entstehende Spannung Null.
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Der Leistungstransformator 1' hat die Neigung, ständig einen Strom
durch den Kreis 16, R, 17, 18, 19, 2o und den Anker A des Motors zu
treiben und dies so lange, als die Spannungen in den Spulen 17 und i9 sich gegenseitig
ausgleichen. In diesem Stromkreis fließt so ständig Strom, und da dieser in Phas4
mit dem Strom im Feld F ist infolge der Wirkung
des Widerstandes
R', läuft der Motoranker A tun. Das gleiche Ergebnis entsteht natürlich, wenn der
Stromkreis 6 offen ist und keine Spannung in den Spulen 17 und ig entsteht.
Es wird angenommen, daß dies letztere der Fall ist und daß die Drehrichtung des
Motors unter diesen Umständen Sie Senkung der Elektrode 5 in dem Ofen herbeiführen
würde. Sobald .die Elektrode mit der Beschickung in Berührung kommt, entsteht ein
plötzlicher Stromstoß im Kreis 6 und der Spule 7 und dementsprechend ein kräftiger
Fluß im Schenkel 12. Dieser Fluß teilt sich durch die beiden Schenkel io und ii,
wobei der Schenkel io fast sofort gesättigt wird un-l der Fluß im Schenkel i i noch
dauernd ansteigt. Dadurch entsteht eine hohe Spannung in der Spule ig, die nicht
nur die Spannung in 17 überwiegt, sondern, da sie auch um i8o° außer Phase mit der
Spannung in der Wicklung 2 des Leistungstransformators ist, die Spannung dieses
Transformators überwindet und einen Strom durch den Kreis 16, R, 17, 18,
1g und 2o und den Motoranker treibt, und zwar in einer Richtung, die der-vorher
beschriebenen entgegengesetzt ist. Unter Umkehrung wird natürlich verstanden, daß
dieser Strom um i 8o0 mit dem ersten Strom außer Phase ist und dementsprechend die
Wirkung hat, die Drehrichtung des Motorankers A umzukehren. Dieser Anker läuft dann
in einem solchen Sinne um, daß die Elektrode.5 von der Beschickung abgehoben und
ein Bogen gezogen wird. Diese plötzliche Umkehr des Motors wird in dem beschriebenen
Fall dadurch unterstützt, daß die Berührung der Elektrode 5 mit der Beschickung
den Leistungstransformator T momentan kurzschließt und seine Spannung herabsetzt,
so daß die Spannung in der Spule ig sie leicht überwinden kann.
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Wenn die Elektrode gehoben und der Bogen ausgezogen ist, nimmt der
durch den Stromkreis 6 und die Spule 7 fließende Strom ab, und der Fluß durch den
Schenkel 12 wird immer geringer, bis er einen Punkt erreicht, wo die in den Spulen
17 und ig entstehenden Spannungen gerade die Spannung ausgleichen, die auf den -Ankerstromkreis
durch den Leistungstransformator T übertragen wird. Wenn dies eintritt, sinkt der
in diesem Stromkreis fließende Strom auf Null, und der Anker bleibt stehen. Würde
nun die Leistungszufuhr zum Ofen unter einen vorgeschriebenen Punkt fallen, dann
würde die auf den Ankerkreis durch den Leistungstransformator aufgedrückte Spannung
wiederum die Spannung überwiegen, die durch die Spulen 17 und ig hervorgebracht
wird und den Motor wieder in solcher Richtung in Bewegung setzen, daß die Elektrode
gesenkt würde. Dieses Senken würde anhalten, bis der -zunehmende Fluß durch den
Schenkel 12 in den Spulen 17 und i g wieder eine so starke Spannung hervorbringt,
daß sie die Spannung durch den Leistungstransformator ausgleichen würde.
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Man erkennt, daß der Motor je nach Bedarf in der einen oder anderen
Richtung umläuft oder stillstehen kann, und daß sein Verhalten ganz von den Verhältnissen
im zu regelnden Stromkreis abhängt, wobei der gewünschte Erfolg erreicht wird, ohne
daß irgendwelche kontaktmachende Einrichtungen in Tätigkeit treten.
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Die überwiegende Wirkung der Spule ig wird durch die Bewegung des
Schenkels 12 gegen den Schenkel i i vermehrt, da dadurch der Fluß über einen vorbestimmten
Wert hinaus wächst. Diese Bewegung bewirkt nämlich eine Verkleinerung des Luftspaltes
b und eine Vergrößerung des Luftspaltes a, wodurch ein größerer Unterschied der
beiden Flüsse hervorgerufen wird, anders ausgedrückt, sind also Mittel vorgesehen,
um in der Spule ig eine größere Veränderung der Spannung hervorzurufen, als sie
den entsprechenden Stromschwankungen der Spule 7 entspräche, wodurch die Stromschwankungen
und damit die Empfindlichkeit des Apparates vergrößert werden.
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Selbstverständlich müssen geeignete Mittel vorgesehen werden, um die
Größe der Luftspalte a, b, c einzustellen und auch Mittel für die Regelung des Widerstandes
der Federn 1q. und 15, so daß der Motoranker bei jeder beliebigen Stromstärke in
dem Kreis 6 stehenbleiben kann.
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In manchen Fällen erhält man befriedigende Ergebnisse bei Anwendung
der Spulen 7 und ig allein, ohne die Spule 17 und den Schenkel i o. In diesen
Fällen wird die Spannung der Spule ig ausgeglichen durch die Spannung, die vom Leistungstransformator
dem Ankerkreis aufgedrückt wird.
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Es ist klar, daß die Größe des Spannungsüberschusses im Ankerkreis
von der Größe der Änderung der Belastung (unter oder über normal) abhängt und daß
die Umlaufsgeschw indigkeit und die Zugkraft des Motors der Größe der wirksamen
übertragung proportional sind. Mit anderen Worten, die Kraft, die die Belastung
auf ihre normale Höhe zurückzuführen strebt, ist größer oder geringer, je nachdem
die Abweichung von der normalen Last größer oder kleiner ist.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht nur bei dem dargestellten
elektrischen Ofen verwendbar, sondern auch für viele andere Zwecke. So kann beispielsweise
der Apparat bei Anwendung einer Spannungsspule an Stelle der Primärspule 7 verwendet
werden, um die Spannung irgendeiner beliebigen Stromquelle zu regeln, oder durch
Verbindung des Motors
mit einer Wasserschütze kann die Geschwindigkeit
und Spannung einer hydroelektrischen Maschine geregelt werden. Andere Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich von allein.
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An Stelle der gezeigten Ausführungsform, wonach der Anker des Motors
das umkehrbare Element darstellt, kann selbstverständlich auch eine andere gewählt
werden, bei der der Strom konstant durch den Anker fließt und die Felderregung durch
den Regler umgeschaltet wird.