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Elektrostatischer Generator Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die Spannung elektrostatischer Generatoren vollkommen konstant, d. h. praktisch
unabhängig von der Stromstärke zu machen.
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Bekanntlich arbeiten elektrostatischeGeneratoren ihrer Natur nach
mit konstantem Strom, während elektromagnetische Generatoren @im allgemeinen Stromerzeuger
mit konstanter Spannung sind. Die von den zu influenzierenden Elektrizitätsträgern
eines elektrostatischen Generators abgegebene elektrisc'he Ladung ist nämlich bei
konstanter Erregerspannung und ohne Berücksichtigung von Ladeverlusten und Streukapazitäten
.konstant, und daraus ergibt sich bei gleichbleibender Geschwindigkeit eine von
der gelieferten Spannung unabhängige konstante Stromstärke. Dieser Zusammenhang
zwischen Ladung und S-tromstärtke wird durch die auftretenden Ladeverluste und Streukapazitäten
mehr oder weniger beeinflußt, aber die Spannung an den Maschinenklemrilen verändert
sich sehr rasch mit der verlangten Leistung.
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Diese Eigenschaft dier übliichen elektrostatischen Generatoren ist
für deren Verwendung zur Speisung Irestimnrter Verbraucher, wie z. B. Elektronenröhren,
die eine praktisch konstante, wenig durch die Leistungsänderungen @beeinflußte Spannung
erfordern, durchaus ungünstig. Bei Röntgenröhren und in ähnlichen Fällen, ist eine
vollkommen von der Leistung unabhängige Spannung eine große Bequemlichkeit für die
Benutzung des Gerätes, weil
sie die Möglichkeit (bietet, die Güte
und die Menge der Strahlung getrennt zu regeln. Bisher hat man die Konstanz der
Spannung elektrostatischer Generatoren nur durch sehr verwickelte, zahlreiche Elektronenröhren
enthaltende Schaltanordnungen erreichen können, die dabei doch nicht restlos ihren
Zweck erfüllt haben.
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Nach,der Erfindung wird nun diese Aufgabe auf außerordentliich einfache
Weise durch Verwendung von nur einem oder einigen wenigen elektrischen, eine spannungsabhängige
Stromänderung nach einer Kennlinie mit Knie aufweisenden Hilfsmitteln gelöst. Es
!hat sich erfindungsgemäß gezeigt, daß man die Spannung an den Klemmen eines elektrostatischen
Generators 'konstant halten kann, wenn nian zwischen jedem induzierenden Erregerpol
oder jeder auf gleichem Potential befindlichen Erregergruppe des Generators und
einem anderen während des Arbeitens der Maschine ein konstantes Potential in Bindung
an die abzugebende Spannung aufweisenden Teil des Generators einen Verlustwiderstand
von einer besonderen Bedingungen entsprechenden Beschaffenheit einschaltet.
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Wenn nämlich U die Spannung ist, unter welcher Strom von einem elektrostatischen,
angenommener Weise nur einen einzigen induzierenden Erregerpol besitzenden Generator
von der Bauart Toepler geliefert werden soll, dessen eine Klemme isoliert und auf
dem Potential + U ist und dessen andere Klemme an die Masse des Maschinenrahmens
mit dem Potential Null Ansc'hluß hat, so wird für ein Potential - V das Erregerpols,
der von der Maschine abgegebene Strom I durch die Formel: I = Ah - BU (i)
bestimmt, in welcher A und B Koeffizienten sind, die der Umlaufgeschwindigkeit
der Maschine proportional sind und von denen der erstere positiv und der zweite
für gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise, auch positiv ist.
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Der Erregerpol bewahrt sein Potential -h nur, wenn er mit einer die
Verluste ausgleichenden Elektrizitätsquelle verbunden ist. Wenn I' der Strom dieser
Elektrizitätsquelle ist, die ein kleiner, der zu erregenden Maschine ähnlicher und
selbst von dieser erregter elektrostatischer Hilfsgenerator sein kann, so gilt -für
diesen Strom die Gleichung 1' = A'U-B'h, (a) worin A' und
B' zwei den Koeffizienten A, B der Hauptmaschirne entsprechende Koeffizienten
der Hilfsmaschine sind.
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Ist anderseits Z der Differentialwert eines zwischen den Erregerpol
mit dem Potential - V und die isolierte Maschinenklemme mit dem Potential U eingeschalteten
Verlustwiderstandes, an dess:il Klemmen die Potentialdifferenz U + V herrscht, so
bestimmt sich die Änderung d I" des den Widerstand durchfließenden Stromes
I" nach der Gleichung: Zdl" = dU + dV (3)
Im allgemeinen ist
Ader Erregerpol hinreichend gut isoliert und die Leistung der Hilfserregermasehine
genügend groß, so daß man I' und I" vertauschen kann, wodurch man
erhält: Z(A'dU-B'dl') = dU + dh (4)
Anderseits :ist
dl = AdV-BdU (5)
Daher muß man, damit die a.lagege >ene Spannung L7
unabhängig vom gelieferten Stro,in I, d. h. von dein Potential h ist, dU
- o für eil = o, <l. 1i. für dl' = o
haben. Demnach .bleibt -ZB'dV
= d1 (6)
oder ZB, + i = o (7) als hinreichende Bedingung, wenn ZA'
von i vexschieden ist; und woraus anderseits sich ergibt, daß B' ein vom Vorzeichen
von Z verschiedenes Vorzeichen haben, 4.11. die Hilfserregermaschine einen negativen
Koeffizienten B' aufweisen. muß, wenn die Impedanz Z positiv ist, was im allgemeinen
bei den zu jihrer Verwirklichung zur Verfügung stehenden -Mitteln der Fall ist.
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Außerdem ist es nicht möglich, daß ,Z ein von dem Strom 1' unabhängiger
Ohnischer Widerstand ist, weil ein stabiler Betriebszuutänd U, 1 auch stabil bleibt,
wenn n 1an U und I durch irgendeinen Faktor dividiert. Das trifft im besonderen
auf den Betriebszustand o, o zu, und infolgedessen wird die Maschine nicht dazu
neigen, (diesen neutralen Zustand zu verlassen und infolgedessen nicht in Betrieb
kommen. Es ist unbedingt notwendig, daß Z ein Widerstand,ist, der .in Abhängigkeit
von der an seine Klemmen gelegten Potentialdifferenz veränderlich und gleich -i/B'
für beinahe den Wert U + V erreichende Werte dieses Potentialunterschiedes h .und
gleich einem gewöhnlich größeren, z. B. unendlichen Wert für kleinere Werte dieser
Potentialdifferenz ist.
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Nach der Erfindung wird demnach bei einem elektrostatischen Generator
mit mindestens einem durch eine Hilfselektrizitätsquelle auf ein Potential-V gebrachten.
induzierenden Erregerpol eine konstante, praktisch von der Stäke des abgegebenen
Stromes unabhängige Spannung dadurch erzielt, d@aß ein Verlustwiderstand, der einen
als Funktion des Potentialunterschiedes an seinen Klemmen nicht linear veränderlichen
Differentialwert Z aufweist, zwischen jedem Erregerpol oder jeder Gruppe von auf
gleichem Potential befindlichen Erregerpolen und mindestens einem während des Betriebes
auf einem konstanten Potential bleibenden Teil des Generators, z. B. dem isolierten
Abnahmepol der .Maschine, eingeschaltet ist -und der Proportionalität.skoeffizient
B' zwischen dem von der Hilfselektrizitätsquellle gelieferten Strom und der an ihren
Klemmen .herrschenden Spannung ein dem Vorzeichen des Wertes Z_ entgegengesetztes
Vorzeichen aufweist und daß der Verlustwiderstand so gewählt ist, daß der veränderliche
Wert Z gleich -i/B' für dem Wert L' + V nahekommende Werte des zwischen den Klemmen
des Widerstandes vorihandenen Potentialunterschiedes und gleich einem größeren,
z.
B. unendlichen Wert für kleinere Werte dieses Potential,unterschie,des,ist.
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Als Verlustwiderstand kann man für die praktische Ausführung der Erfindnzn.g
ein elektrisches Entladungsgerät mit selbständiger normaler Lumineszenzentladung
verwenden, das z. B. aus mindestens einer Spitze und einer Platte besteht und bei
dem der Abstand dieser Teile regelbar ist und zwischen Spitze und Platte eine dunkle
Entladung übertreten kann. Dieses Entladungsgerät wird mit einem Ohmschen Widerstand
in Reihe geschaltet, der so bemessen ist, daB .bei Auftreten einer Entladung in
dem Entladungsgerät die Differentialimpedanz des aus diesem Gerät und dem Ohrnschen
Widerstand bestehenden elektrischen Gesamtbildes gleich i/B',i.st.
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Die Zeichnung veranschaulicht den elektrostatischen Generator nach
der Erfindung beispielsweise in zwei A Ausführungsformen in schematischer schaubildlicher
Darstellung.
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Abb. i zeigt einen elektrostatischen Generator, der durch eine Gruppe
von zwei gewöhnlichen Toepler-Maschinen erregt wird, die .sich selbst gegenseitig
erregen und von denen nur eine Strom liefert und mit der anderen eine sieh selbsterregende
Gesamtheit mit einem negativen Koeffizienten B' und mit einem Koeffizienten A' gleich
Null bildet.
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Abt>. 2 gibt eine elektrostatische Maischine mit einem doppelt wirkenden,
influenzierten Elektrizitätsträger, d. h. mit einem Elektrizitätsträger wieder,
der nicht nur Elektrizität von einem bestimmten Vorzeichen einem Verbraucherstromkreis
zuführt, ,sondern diesem auch eine gleiche Elektrizitätsmenge von entgegengesetztem
Vorzeichen entzieht.
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Der aus Abb. i ersichtliche Generator weist in an sich bekannter Bauart
einen induzierenden Erregerpol i und einen Schirm 2 auf, und jeder dieser beiden
Teile besteht aus zwei parallelen leitenden feststehenden Platten, mvischen denen
sich nacheinander zwei zu influenzierende leitende, ebenfalls plattenförmige Elektrizitätsträger
3 und 4 h.indurchbewegen, die isoliert auf einer Welle 5 gehalten sind. Die Elektrizitätsträger
3 und .4 sind mit der einen bzw. der anderen von zwei Lamellen 6 und 7 eines auf
der Welle 5 sitzenden Kollektors verbunden, die mit zwei Bürsten 8 ,und 9 usammenarbeiten,
von denen die Bürste 8 an das schematisch durch die Erdung io angedeutete Metallgehäuse
der Maschine angeschlossen ist und deren einen Pol bildet, während die Bürste 9
m-it einer den anderen Xiasehinenpol darstellenden Klemme i i in Verbindung steht.
An diesen beiden Polen liegt der Verbrauchsstromkreis, und an die Klemme i i ist
auch der Sc;luirm 2 angeschlossen.
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Der Erregerpol i ist mit der aus zwei kleinen elektrostatischen Hilfsgeneratoren
20 und 30 bestehenden Erregergruppe für die -Maschine 1, 2, 3, 4 verbunden.
Diese Hilfsgeneratoren 20, 30 sind ähnlich wie die Hauptmaschine 1, 2, 3,
4 gebaut, weisen aber keinen Schirm 2 auf, d. h. sie umfassen je einen induzierenden
Erregerpol 21 hzw. 31 und zwei zu influenzierende drehbare Elektrizitätsträger 23,
24 bzw. 33, 34 sowie zwei mit diesen in Verbindung stehende Kollektorlamellen 26,
27 bzw. 36, 37 und zwei mit diesen zusammenarbeitende Bürsten 28, 29 und 38, 39.
Der Erregerpol 21 des Generators 20 ist an die auf dem Potential - V befindliche
Bürste 39 des Generators 30 und der Erregerpol 31 dieses Generators 3o an
die Bürste 29 des anderen Generators 20 und, an den Erregerpol i -der Hauptmaschine
angeschlossen. Die Bürsten 28 und 38 der Hilfsgeneratoren sind geerdet.
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Zwischen der isolierten Klemme i i und dem Induktor i der Maschine
ist das erfindungsgemäß als Verlustwiderstand mit nicht l,inea.r veränderlichem
Wert wirksame elektrische Gerät eingeschaltet, das durch einen Ohmschen Widerstand
12 und eine mit diesem in Reihe liegende elektrische Entladungsvorrichtung gebildet
ist, die schematisch durch eine Spitze 13 und eine dieser gegenüberstehende Platte
14 dargestellt ist und bei welcher der Abstand, zwischen -diesen beiden Teilen regelbarist.
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Die zur Erregung der Maschine i Iris 4 dienende Gesamtheit der beiden
Hilfsgeneratoren 20, 30 liefert einen der abgegebenen Spannung proportionalen Strom,
und der Proportionalitätskoeffizient hängt dabei von den Nutz- und den Streukapazitäten
ab. Die Hidfsgeneratörengruppe 20, 30 verhält sich somit durchaus
wie eine Erregermaschine mit einem negativen Koeffizienten B' und mit einem Koeffizienten
A' gleich Null.
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Der elektrostatische Generator nach Abb. 2 steht ebenfalls .mit zwei
kleinen Hilfsgeneratoren in Verbindung und besteht aus den gleichen Teilen wie die
Maschine nach Abb. i. Jedoch ist der Schirm 2 nicht wie bei Abb. i an den Maschinenpol
i i, sondern an die Bürste 39 des Hifsgemerators 30 angesdhlassen und bildet
so einen auf das Potential U + h gebrachten zweiten induzierenden Erregerpol
neben den stets auf dem Potential - h gehaltenen Erregerpol i, so -daß sich ein
elektrostatischer Generator mit doppelt wirksamem, d. h. einmal Elektrizität von
bestimmtem Vorzeichen einem Stromkreis zuführenden und wiederum aus diesem Elektrizität
von entgegengesetztem Vorzeichen entnehmenden Elektrizitätsträger ergibt.
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Jeder der beiden Hilfsgeneratoren 20, 3o der Anordnung nach Abb. 2
ist eine gewöhnliche Maschine der Bauart Toepler, die durch die Potentialdifferenz
L' erregt wird und zwischen ihren Polen den Potentialunterschied U + V aufweist.
Der von dem Hilfsgenerator 2o !bzw. 30 gelieferte Strom ist von der Form
AIB-Bi (U + V), wobei A1 und Bi positiv und auch A1 größer als Bi ist. Der
Koeffizient B' einer jeden Erregermaschine 2o bzw. 30, der gleich Bi-Ai ist, hat
negatives Vorzeichen. Gemäß Abb. 2 sind naturgemäß zwei Verlustwiderstände erforderlich,
von denen der eine, das Reihenschaltgebilde,..m-it dem Ohmschen Widerstand 12 und
der Entladungsvorrichtung 13, 14 wie bei Abb. i zwischen dem auf dem Potential -h
befindilichen Erregerpol i und der isolierten Maschinenklemme i i liegt und der
andere, d'as aus dem Ohmscheu Widerstand 42 und der Enblaidungsvorrichtung
43,
44 bestehende Reihenschaltgebilde, zwischen dem das Potential U + V aufweisenden
Erregerpol 2 und der Erde io vorgesehen ist. Vorteilhafter Weise sind die (beiden
Verlustwiderstände 12 bis 14 und 42 bis 44 von gleicher Ausführung, und ihre Regelung
erfolgt zwecks genauer Aufrechterhaltung der Symmetrie der zwei Generatoren 20,
30 zur gleichen Zeit und in demselben Maß.
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In allem Fällen ist die von der Hauptmaschine i bis 4 gelieferte konGtante
Spannung :beliebig dadurch regelbar, daß man den Albstand zwischen den Teilen 13,
14 bzw. 43,44 der Enladungsvorrichtung, d. h. die Potentialdifferenz ändert, für
welche der Differentialwiderstand Z den Wert-ilB' annimmt, der das Arbeiten der
Maschine mit konstanter Spannung gewährleistet. Man braucht zu diesem Zweck nur
die Spitze 13 bzw. 43 auf eine größere oder geringere Entfernung von der Platte
14 bzw. 44 einzustellen, um die von -der Maschine i bis 4 abgegebene konstante Spannung
im gleichen Sinn entsprechend zu ändern.
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In -bestimmten Sonderfällen kann es vorteilhaft sein, wenn die Spannung
des elektrostatischen Generators nicht unbedingt von der Stänke des gelieferten
Stromes unabhängig ist, sondern bei deren Zunahme etwas wächst oder sinkt. Dies
läßt sich ohne weiteres ,dadurch erreichen, daß man den Differentialwert Z dies
oder der Verlustwiderstände je nach dem Erfordernis das Einzelfalles ein wenig erhöht
oder vermindert.
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Statt den oder die Verlustwiderstände zwischen denn auf das Potential
U gebrachten Abgabepol und denn auf dem Potential - h (befindlichen Erregerpol der
Maschine einzuschalten, kann es in dem Fall einer sehr hohen Spannung U von Vorteil
sein, durch einen Spannungsteiller nur einen konstanten Bruchteil des Potentials
U, z. B. nur k # U, wobei KG i, abzunehmen. und den Potentialunterschied
k U + V statt der Spannung U + V an die Klemmen des Verlustwiderstandes
zu legen. Es muß dann dafür gesorgt werden, @daß ZA' von k verschieden ist.
Man kann sogar k = o annehmen rund den Verlustwiderstand- zwischen - V und Erde
einschalten. Man muß aber dann darauf bedacht sein, daß der Koeffizient A' einen
genügend großen Wert hat, da ZB' + i = o nicht mehr dU = o zur Folge hat,
wenn k - o :und A'= o ist.
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Die theoretische Untersuchung der Stabilität der Maschinenspannung
zeigt, daß es sich im allgemeinen empfiehlt, wenn der Koeffizient B der Hauptmaschine
positiv ist, wie dies gewöhnlich der Fäll ist.
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Die Erfindung kann im -einzelnen auch in einer von den Ausführungsformen
nach der Zeichnung abweichenden Weise verwirklicht werden,. indem z. B. die Hilfserregermasdh,inen
durch ,irgendeine andere das gleiche Ergebnis hervorbringende, d. h. einen negativen
Koeffizienten B' aufweisende Maschinengruppe ersetzt wird.