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Vorrichtung für einen Wechselstromgenerator, der mit permanenten Feldmagneten
versehen ist. Es ist bereits eine Vorrichtung für einen Wechselstromgenerator vorgeschlagen
worden, der mit permanenten Magneten versehen ist, insbesondere für einen Generator,
der eine flache Stromspannungskennlinie hat und mit einem derart bemessenen Kondensator
in Reihe mit der Belastung des Generators verbunden ist, daB bei großen Strombelastungen
eine schädliche entmagnetisierende Rückwirkung des vom Strom in der Wicklung erzeugten
Feldes auf den Dauermagnet vermieden wird. Dabei kann, falls aus irgendeinem Grunde
Funkenbildung entsteht, wie z. B. bei Kurzschluß der Belastung,. trotzdem eine schädliche
Entmagnetisitrung eintreten. Um diesem Übelstand abzuhelfen, wurde vorgeschlagen,
in Reihe mit dem Generator an eine seiner Klemmen eine Selbstinduktion anzuschließen,
wobei einerseits parallel zu dieser Reihenschaltung und andererseits zu derjenigen
des Kondensators und ,der Belastung ein Kondensator angeordnet ist, und die Selbstinduktion
und der zusätzliche Kon.-densator .derart bemessen sind, daß der Generator gegen
die entmagnetisierende Wirkung des bei Funkenbildung auftretenden Belastungsstroms
gesichert ist. Hierbei wurde von dem Grundgedanken ausgegangen, daß die verschiedenen
auftretenden Frequenzen als Ursache der Entmagnetisierung zu
betrachten
sind, so daß die Kombination der Drossel und des zusätzlichen Kondensators als Filter
gegen diese Frequenzen vorgeschlagen wurde. In der Praxis kommt man mit einer derartigen
Vorrichtung häufig aus. Es wurde aber gefunden, daß trotz dieser Vorkehrungen Entmagnetisierung
der Dauermagnete eintreten kann, wenn die Umstände ungünstig sind, und zwar auf
Grund der folgenden Erkenntnis, die der Erfindung zugrunde liegt.
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Es hat sich herausgestellt, daß :die schädliche Entmagnetisierung
den bei Kurzschlüssen auftretenden Schaltungserscheinungen zuzuschreiben ist. Der
Kurzschlußstrom ändert sich während der Ausgleichsperiode in Bezug auf Amplitude
und Phase, die u. a. von folgendem abhängig sind: a) dem Zeitpunkt, an dem der Kurzschluß
stattfindet, z. B. gerade in der Spitze der Wechselspannungskurve, b) der Momentanladung
des in Reihe mit der Belastung angeschlossenen Kondensators, c) der Art der Unterbrechung
und des Kontaktes an der Kurzschlußstelle (periodische Bogenbildung innerhalb einer
gewissen Zeit), d) der momentanen elektromotorischen Kraft des Generators und e)
den verschiedenen Werten der Selbstinduktionen, der Kapazitäten und der Ohmschen
Widerstände, die im Generator- und Belastungskreis vorhanden sind. Die erwähnten
verschiedenen Frequenzen, die mittels der bekannten Vorrichtung mit Filtern soviel
wie möglich unschädlich gemacht werden, werden von den unter e) genannten Faktoren
bestimmt. Die Amplitude des Stromes hingegen wird von den unter a) bis d) genannten
Faktoren bestimmt. Die Phase des Kurzschlußstromes in Bezug auf die Lage des Dauermagnets
bestimmt, ob in einem gewissen Augenblick der Magnet von dem vom Strom erzeugten
Feld entmagnetisiert werden wird, nämlich wenn dieses Feld demjenigen im Magnet
entgegengesetzt gerichtet ist.
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Ferner ist die Amplitude des Kurzschlußstromes u. a. von b) abhängig,
d. h. von der Momentanladung des Reihenkondensators. Diese Ladung wird durch die
Größe des Ladestromes bestimmt, der seinerseits von der Art und von dem Moment des
Kurzschlusses abhängig ist. Es hat sich z. B. herausgestellt, daß die Ladung maximal
ist, wenn ein Kurzschluß stattgefunden hat, so daß ein hoher Ladestrom für den Kondensator
erzielt wird, wenn der Augenblick, in dem dieser Kurzschluß stattfindet, mehr oder
weniger in der Spitze der Wechselstromspannungskurve, also ungünstig liegt.
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Erst nach eitler sehr großen Anzahl Kurzschlußversuchen (weit über
iooo) hat man festgestellt, daß die genannten Faktoren, falls diese eine ungünstige
Kombination bilden, ' trotz Verwendung eines Reihenkondensators und eines Filters
häufig eine schädliche Entmagnetisierun:g herbeiführen können.
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Auf dieser Erkenntnis fußend, wurde als Lösung für diese Aufgabe ein
anderer, einfacherer und vorteilhafterer Weg gefunden als die Verwendung eines aus
einer Selbstinduktion in Reihe mit-der von einem zusätzlichen Kondensator überbrückten
Dynamowicklung bestehenden Filters.
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Gemäß der Erfindung ist bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten
.\rt parallel zum in Reihe mit d"°r Belastung li.egenclen Kcn.cl,ensator ein Über-,
spannungsbegrenzer angeordnet, der derart bemessen ist, daß .die Konc1ensatorspannung
auch bei wirksamen Kurzschlüssen beschränkt wird. Der Überspannungsbegrenzer kann
z. B. aus einer Entladungsstrecke oder aus einen Widerstand hestehen. Durch Anwendung
der Maßnahme nach der Erfindung kann an einem günstigen Arbeitspunkt der Entmagnetisierungskurve
gearbeitet werden, wodurch die Bemessung des Dauermagnets wirtschaftlicher ist,
wie in der Beschreibung näher erläutert wird.
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Die Maßnahme nach der Erfindung fußt auf der erst jetzt erkannten
Tatsache, daß der bei einem Kurzschluß auftretende hohe Ladestrom des Kondensators
an sich meistens wegen seines voreilenden Charakters keinen schädlichen entmagnetisierenden
Einfluß hat, sondern daß die infolgedessen auftretende starke Kondens.atorauflad-ung
bei einem zweiten, schnell nach dem ersten auftretenden Kurzschluß (bei wiederholter
Funken- oder Bogenbildung) zu einem starken Entladestoß über die Generatorwicklungen
führt, der ein entgegenwirkendes entmagnetisierendes Feld erzeugt, welches für den
Dauermagnet schädlich ist. Diese Aufladung kann durch verschiedene Aufschaukelwirkungen
im Kovdensatorgenera-torwicklungskreis bei sehr hoher Spannung entstehen. Es hat
sich gezeigt, daß die Spannung bei ungünstigen Kurzschlüssen leicht bis zu
300 Volt und höher steigen kann, wenn die Spannung über dem Kondensator beim
normalen Vollastbetrieb z. B. 5o Volt beträgt. Diese Spannung wird vom über.spannungsbegrenzer
beschränkt. Im allgemeinen kann die Beschränkung derart gewählt sein, daß bei den
meisten Kurzschlüssen keine schädlichen entmagnetisierenden Einflüsse auf den Dauermagnet
einwirken. Die Bemessung des Überspannungs.begrenzers ist einerseits also von .der
bei normalen Kurzschlüssen gewünschten Spannungsbeschränkung und andererseits vom
Energieverlust abhängig, den man. im Überspannungsbegrenzer aus wirtschaftlicher
Hinsicht zuzulassen wünscht. Daraus kann der Begrenz,erwert für jeden einzelnen
Entwurf ermittelt werden.
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Ein Vorteil bei Verwendung des Überspannungsbegren-zers statt einer
Selbstinduktion mit Kon.densator als Filter besteht darin, daß die Verluste niedriger
sein können, da das von I_ und C gebildete Filter ziemlich groß bemessen sein muß.
Es tritt dadurch ein Spannungsverlust auf. der, soweit es IR-Verlu:ste betrifft,
die von höheren Harmonischen verursacht werden, nicht ausgeglichen werden kann.
Auch im L entstehen noch zusätzliche Verluste.
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Nach einem weiteren Kennzeichen dier Erfindung wird zur weiteren Beschränkung
der Anzahl möglicher besonders wirksamer Kurzschlüsse, die sich trotz der erwähnten
Maßnahme immer noch einstellen können, ein Überspannungsbegrenzer gewählt, der derart
spannungsabhängig ist, daß sein Widerstand bei höheren Spannungen am Kondensator
niedriger als bei geringeren Spannungen ist. Durch diese Maßnahme entsteht selbsttätig
eine Art
Anpassung des .Ableitungsweges an die möglicherweise auftretende
Spannung. Der eine Kurzschluß wird entsprechend seines weniger schädlichen Charakters
zu einer verhältnismäßig niedrigen Spannungssteigerung Veranlassung geben, die leicht
von dem dafür gewählten Ableitungsweg beschränkt wird, während bei einem wirksameren
Kurzschluß, der eine viel größere Spannungssteigerung herbeiführen kann, die Spannung
am Kondensator ebenfalls von dem bei wachsender Spannung einen niedrigeren Widerstand
aufweisenden Ableitungsweg auf einen hinreichend niedrigen Wert beschränkt werden
kann.
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In Fig. i ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung
nach der Erfindung dargestellt. Der Rotor i des Generators besteht aus Ani,sotropdauermagnetstahl
und ist zweipolig mit den Polen N und Z ausgebildet.
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Die Wicklung des Dynamos ist mit 2 bezeichnet. Ein Kondensator 3 ist
in Reihe mit der Belastung 4 an die Generatorklemmen angeschlossen. Der Überspannungsbegrenzer
ist in Form einesWiderstandes 5 in Parallelschaltung mit dem Kondensator 3 verbunden.
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Der Widerstand 5 ist spannungsabhängig und z. B. derart gewählt, daß
bei den meisten Kurzschlüssen die Spannung über den Kondensator höchstens 150 V
beträgt, während bei normaler Vollast diese Spannung etwa 5o V beträgt. In Fig.
2 ist die Entmagnetisierungskurve (Induktion B [Gs] über der Feldstärke
H [AW]) eines Anisotrop tahles mit einem (BH) .",-Wert von etwa 48ooooo
dargestellt. Die umkehrbare Kurve, auf der der Arbeitspunkt 6 des Dauermagnets gewählt
ist, ist mit 7 bezeichnet. Bei den meisten Entmagnetisierungen, bei denen die Spannung
über dem Kondensator 3 höchstens i 5o V beträgt, wird'sich der Arbeitspunkt nach
links bewegen, jethoch nicht den Punkt 8 oberhalb des (BH)"",.,-Punktes 9 erreichen.
Nach Ablauf des Kurzschlusses gelangt der Arbeitspunkt infolge der wiedermagnetisierenden
Wirkung des Kondensators 3 wieder in den Arbeitspunkt 6. Für diese Fälle ist der
Generator also verhältnismäßig kurzschlußsicher. Tritt jedoch ein sehr wirksamer
Kurzschluß auf, so kann die Spannung über den Konden@ sator 3 derart ansteigen,
daß der Punkt 8 überschritten wird, wonach der Arbeitspunkt längs der sehr steil
verlaufenden Entmagnetisierungskurve z. B. auf den Punkt io absinkt. Nach Ablauf
des Kurzschlusses gelangt der Arbeitspunkt irgendwo auf der sich durch den Punkt
io erstreckenden umkehrbaren Kurve i i, z. B. bei 12. Es leuchtet ein, daß hier
eine Entmagnetisierung stattgefunden hat, so daß der Generator nicht weiter die
erforderliche Spannung zu liefern vermag.
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Um die Entmagnetisierungsgefahr weiter herabzusetzen, ist im Schaltbild
nach Fig. i ein Parallelkondensator 13 angeordnet, der als Filter dient, um gegebenenfalls
noch schädliche Frequenzen von der Wicklung 2 fernzu.halten. Die Streureaktanz der
Wicklung wirkt dabei als die dem Filter zugeordnete Selbstinduktion.
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Auch dann ist der Generator aber noch nicht vollkommen kurzschlußsicher.
Eine weitere Verbesserung wird erzielt, indem zwei Kurzschlußwindungen 14 auf den
Polen des Dauermagnets angeordnet werden, wodurch beim Auftreten eines entmagnetisierenden
Feldes eine elektromotorische Kraft in den Windungen 14 induziert und ein Gegenfeld
erzeugt wird, welches das entmagnetisierende Feld teilweise oder größtenteils ausgleicht.
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Durch die Kombinierung dieser Maßnahmen ist die Möglichkeit schädlicher
Entmagnetisierung äußerst gering, und es kann trotzdem ein verhältnismäßig sehr
günstiger Arbeitspunkt gewählt werden. Falls der Generator dazu bestimmt ist, in
entlegenen Gegenden an Privatpersonen, Bauernhöfe o. dgl. z. B. zusammen mit einem
Heißgasantriebsmotor -geliefert zu werden, empfiehlt es sich sehr, den Generator
in bezug auf die Entmagnetisierungsmöglichkeit vollkommen zuverlässig auszubilden,
da es praktisch unmöglich ist, den Generator zur Wiedermagnetisierung nach einer
Fabrik zu senden. Es würde dann einige Zeit keine Elektrizität zur Verfügung stehen.
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Durch die ganz einfache Hilfsmaßnahme, d. h. Anordnung eines Kurzschlußschalters,
i5 parallel zur Belastung4, wird nach einer trotzdem erfolgten Entmagnetisierung
die Belastung einen Augenblick kurzgeschlossen, wodurch der große Kondensator 3
parallel zum sich drehenden Generator gelegt wird, was eine Wiedermagnetisierung
bewirkt. Findet dabei keine vollständige Wiedermagnetisierung bis zum Arbeitspunkt
6 statt, so kann diese durch Umkehrung .des permanentmagnetischen Rotors oder aber
der Drehrichtung des Generators erzielt werden, indem der Kurzschlußschalter wieder
einen Augenblick geschlossen wird. Bei dieser kombinierten Ausbildung der Schaltung
mit sämtlichen vorerwähnten Kennzeichen ist immer eine vollständige Wiedermagnetisierung
erzielbar, so daß eine vollkommen zuverlässige Vorrichtung entsteht, die bei Tausenden
von Kurzschlüssen geprüft worden ist. Bei einem Generator von 150 W betrug die Kapazität
des Kondensators 3 etwa 40,uF, des Kondensators 13 etwa il/2,uF; der spannungsabhängige
Widerstand 5 war iooo 0 bei 5o V.