Einrichtung zur Feldregelung elektrischer Stromerzeuger. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Feldregelung elek trischer Stromerzeuger, bei denen das von einer primären Feldwicklung erzeugte Feld durch ein Gegenfeld verringert wird, das sich gleichsinnig mit dem Hauptstrom än dert und unter gewissen Betriebsbedingungen dem Wert des primären Feldes nahekommt. Gemäss der Erfindung wird durch Verschie bung eines Einsatzstückes der Eisenquer schnitt an einer Stelle des Magnetfeldes ver ändert, zum Zwecke, den von der Maschine abgegebenen Strom innerhalb weiter Grenzen stabil zu regeln.
Es handelt sich beispielsweise um Ma schinen, bei denen den primären erregenden Amperewindungen andere entgegenwirken, die sich gleichsinnig mit dem Nutzstrom des Ankers ändern. Es gibt zum Beispiel wohl bekannte Maschinen, ähnlich wie in Abb. 1 dargestellt, mit zwei Bürstensätzen, deren einer, an normaler Stelle befindlicher kurz geschlossen, ist und dazu dient, um durch die Ankerrückwirkung des sie durchfliessen- den "Hilfsstromes" den Anker quer zu mag netisieren. Der zweite Bürstensatz ist gegen den ersten um eine halbe Polteilung ver schoben und führt den "Nutzstrom". Die durch den Nutzstrom durchströmten Anker windungen wirken dem ursprünglichen Feld entgegen.
Wäre Streuung und magnetischer Widerstand des Feldes zu vernachlässigen, so würde der Nutzstrom des Ankers bei sehr hoher Drehzahl oder bei Kurzschluss des äussern Stromkreises einen solchen Wert er reichen, dass seine Amperewindungen mit dem zugehörigen Wicklungsfaktor multi pliziert, den erregenden Amperewindungen nahezu gleich werden. Es ist bekannt, dass sich dies dadurch verhindern lässt, dass man Sättigung in einem Teil des Feldes herstellt und die Streuung von Kraftlinien zwischen den primären und den ihnen entgegenwir kenden Amperewindungen begünstigt. Hier durch wird es ermöglicht, den Nutzstrom zu begrenzen, auch wenn die Primärwicklung eine Reihenwicklung ist, die vom Nutzstrom durchflossen, wird.
Solche Maschinen sind in ETZ 1906, Seite 1036 ff. beschrieben; dort haben alle Maschinenpole die gleiche Form, wie der in Abb. 1 dargestellte untere Pol 1.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes veranschaulicht schema tisch die beiliegende Zeichnung.
Die Maschine von Abb. 1 ist zweipolig. Der untere Pol 1, mit Polschuhen 2, ist voll gezeichnet. Der obere Pol 3, im folgenden manchmal auch "Regulierpol" genannt, hat eine Öffnung, in der das Einsatzstück 4 durch Verschraubung gegen den Anker zu oder von ihm weg bewegt werden kann. 5 stellt das Gehäuse der Maschine dar, 6 sind zwei Hilfsbürsten, die an der gewohnten Stelle befindlich, aber kurzgeschlossen sind, 7 die dagegen um eine halbe Polteilung ver setzten Nutzbürsten, von denen die obere mit der Magnetwicklung 8, die untere mit dem durch einen Stern 9 dargestellten äussern Stromkreis (zum Beispiel einem Lichtbogen) verbunden ist, während das zweite Ende dieses äussern Stromkreises zum zweiten Ende der Hauptstromwicklung 8 führt.
Ist der äussere Stromkreis nicht geschlos sen, so wird durch den remanenten Magne tismus zwischen den Hilfsbürsten 6 ein Strom erzeugt, der den Anker quer mag netisiert und zwischen den Nutzbürsten 7 eine merkliche Spannung schafft. Schaltet man im Nutzstromkreis 9 einen hohen Wi derstand ein und verringert ihn allmählich, so wird vorerst die Stärke des Feldes zu nehmen, dadurch auch der Hilfsstrom und die Spannung zwischen den Nutzbürsten. Wenn aber die Verringerung des äussern Widerstandes und die Grösse des Nutzstromes ein gewisses Mass erreicht haben, so wird das primäre Feld sich der Sättigung nähern, während das Rückwirkungsfeld des Anker stromes, wenn geeignete Streupfade geboten sind, immer weiter steigt, so dass von da an eine Schwächung des Hilfsstromes und eine Verringerung der Nutzspannung eintritt.
Bei Kurzschluss des äussern Stromkreises er reicht der Nutzstrom einen bestimmten Grenzwert. In Abb.2 ist die bekannte Kurzschluss charakteristik 11 einer solchen Maschine ge zeichnet, nämlich unter der Annahme, dass die Maschine fremd erregt ist, so dass der als Abszisse<I>0 x</I> eingezeichnete Strom durch die Magnetspulen kleiner oder grösser sein kann als der durch die Ordinate<I>0 y</I> dar gestellte Anker-Nutzstrom. Die Nutzbürsten des Ankers sind kurzgeschlossen, und es ist die Maschine vor Aufnahme der Charak teristik entmagnetisiert worden. Im Anfang der Kurve findet annähernde Proportionali tät zwischen Erreger- und Nutzstrom statt, während im weiteren Verlauf der Nutzstrom in immer geringerem Masse zunimmt als der Erregerstrom.
Sind Anker und Magnet wicklung in Reihe geschaltet, so zeigt für ein bestimmtes Verhältnis der Windungs zahlen ein vom Koordinaten-Ursprungspunkt O ausgehender Strahl 12, welcher Feldstrom als Abszisse dem Ankernutzstrom als Or dinate zugehört, und der Schnittpunkt 112 zeigt den Strom, den die Maschine bei Rei henschlusserregung im Kurzschluss geben wird. Um diesen Strom auf einen geringeren Wert zu begrenzen, ist es bekanntlich mög lich, einen Parallelwiderstand zur Reihen schlusswicklung anzuwenden. Dann zeigt der Strahl 13 die Beziehung zwischen Feld- und Ankerstrom, und die Ordinate des Schnitt punkte, 1l3 zeigt den Grenzstrom bei Kurz schluss.
Geht man bei dem in Abb. 2 darge stellten Beispiel so weit, dass durch den Pa rallelwiderstand der gleiche Strom fliesst, wie durch die Magnetwicklung, so dass die einer bestimmten Ordinate zuggeordnete Ab szisse des Strahles 14 halb so gross ist, wie die des Strahles 12, so fällt der Strahl 14 mit dem geradlinigen Teil der Kurzschluss- cbarakteristik zusammen, ergibt also keiner lei bestimmten Schnittpunkt mit der Kurz schlusscharakteristik, daher ist eine stabile Regelung bei einem solchen Parallelwider stand nicht mehr möglich.
Der Strom, der bei Anwendung eines solchen Parallelwider- standes entsteht, kann durch geringe Zufäl ligkeiten, zum Beispiel durch eine kleine Änderung in der Grösse des remanenten Magnetismus, sich in weiten Grenzen än dern.
Durch die Anwendung des Einsatzstückes 4 lässt sich nun die Kurzschlusscharakteristik nach Belieben ändern. In Abb. 3 ist eine Schar von Kurzschlusscharakteristiken her ausgezeichnet. Die Kurve 21 gilt, wenn das Einsatzstück sich in der tiefsten Stellung (zunächst dem Anker) befindet und ist iden tisch mit der Kurve 11 von Abb. 2. Schiebt man das Einsatzstück heraus, so wird die Charakteristik 22, dann die Charakteristik 23, 24, 25 erreicht. In diesem Falle ist es zur Regelung unnötig, einen Parallelwider stand zur Magnetwicklung anzuwenden. Der Strahl 26 in Abb. 3, der dem Strahl 13 von Abb. 2 entspricht, schneidet jede Kurve der Schar unter einem günstigen Winkel. Die erreichten Kurzschlussströme sind durch die Koordinaten der Punkte 121, 1252<B>....</B> 125 dargestellt.
Durch geeignete Dimensio- nierung des Einsatzstückes im Verhältnis zum Polquerschnitt lässt sich beispielsweise eine stabile Regelung des Grenzstromes bis auf ein Zehntel des maximalen erzielen. Sehr wertvoll ist dies bei der elektrischen Licht bogenschweissung. Es ist möglich, mit der selben Maschine ohne fremde Widerstände ganz grosse und ganz kleine Schweissarbeiten auszuführen, wobei der Strom von 500 bis 50 Amp. verändert wird.
Ein grosser Vorteil ist es, dass dabei auf Parallelwiderstände zur Reihenschlusswick lung verzichtet werden kann; denn solche Widerstände sind nicht nur durch die be grenzte Zahl der Stufen und durch die Un bestimmtheit des Kontaktwiderstandes der hier beschriebenen Methode unterlegen, son dern haben auch den Nachteil, dass der in duktionslose Parallelwiderstand zu der mit Induktivität behafteten Magnetspule bei plötzlichen Stromänderungen ein ganz an deres Verhältnis des Magnetstromes zum An herstrom ergibt, als während des stationären Betriebszustandes.
Die Erfindung erlaubt auch eine Er sparnis an Baustoffen. Soll beispielsweise bei einer Maschine nach Abb. 1 der Kurzschluss- strom ohne Anwendung von Regulierpolen nur durch Verwendung eines Parallelwider standen zur Magnetwicklung verändert wer den, so muss die Sättigung im Magnetkreis so gewählt werden, dass auch bei kleinem Strom und Verwendung des Parallelwider standes das Verhältnis zwischen Feld- und Anker-Amperewindungen den für stabilen Betrieb nötigen Wert hat.
Soll durch Aus schaltung des Parallelwiderstandes der hö here Strom erreichbar sein, so muss die Mag netwicklung offenbar sehr stark sein, also sehr viel Kupfer enthalten, damit sie das bei höherem Strom nötige stärkere Feld durch die schon bei kleinem Strom gesättigten Eisenquerschnitte durchtreiben kann, und das Verhältnis zwischen Feld- und Anker- Amperewindungen ist bei vollwirkender Er regerwicklung weitaus grösser, als es die Sta bilität erfordert. Bei Regulierung der mag netischen Querschnitte können Magnetspulen mit geringerer Windungszahl, daher geringe rem Kupferaufwand verwendet werden.
Auch bei Maschinen mit Nebenschluss oder Fremderregung, bei denen dem von einer primären Feldwicklung erzeugten Feld ein grosser Teil der Ankerwicklung oder eine zusätzliche Feldwicklung entgegenwirken, hat die Feldregelung mittelst Einsatzstücken einen bedeutenden Vorteil.
Für Zugsbeleuchtung werden bekanntlich Maschinen mit Anker- und Bürstenanord nung wie in Abb. 1, aber mit Nebenschluss- oder Fremderregung, verwendet, ferner auch gewöhnliche Maschinen mit Nebenschluss- oder Fremderregung und gegengeschalteter Hauptstromwicklung.
Wenn dieselbe Maschine für Wagen mit verschiedenem Strombedarf verwendet wird, so wurde die Grenzstromstärke bisher durch in den Erregerkreis geschaltete Widerstände geregelt. Bei Zu- und Abschaltung der Ma schine werden durch Transformatorwirkung in den Erregerspulen Ströme induziert. Sind im Erregerstromkreis hohe Widerstände ein geschaltet, so verursacht dies Überspan nungen in den Erregerspulen. Durch Ver wendung der herausschraubbaren Einsatz stücke lässt sich der Grenzstrom ohne Ver wendung von Widerständen verändern.
Maschinen für begrenzten Kurzschluss strom werden bekanntlich auch ohne Ver wendung eines doppelten Bürstensatzes ge baut, indem einer erregenden Primärwicklung eine irgendwo auf dem Magnetfeld ange brachte, vom Hauptstrom durchflossene Ge genwicklung entgegenwirkt. Die Primär wicklung ist oft fremd erregt. Hier kann die Erfindung zur Anwendung kommen, indem der Aufbau der Maschine derart erfolgt, dass Primär- und Gegenwicklung räumlich ge trennt angebracht und die Streuung der Kraftlinien für jeden Teil begünstigt wird. Abb.4 zeigt dies bei einer bekannten Ma schine, wo sowohl die Primär-, als auch die Gegenwicklung vom Hauptstrom durchflos sen sind. Die Maschine ist nach Art der alten Manchestermaschine gebaut. Sie hat äussere Magnetsäulen 31, Joche 32 und daran befestigte Polschuhe 33.
Auf den äussern Säulen sind die hauptstromerregten Spulen 35, auf den Polschuhen die entgegen wirkenden Spulen 36, die infolge grosser Streuung von einem bestimmten Sättigungs zustand an das Feld bei steigendem Strom mehr schwächen als die Haupterregung 35 sie verstärken kann. Durch Verschiebung der Einsatzstücke 4 in den Magnetsäulen kann dieser Sättigungszustand nach Belieben höher oder tiefer gewählt werden.
Anstatt des einfachen Einsatzstückes nach Abb. 1 und 4 kann auch gemäss Abb. 5 ein Einsatzstück gewählt werden, das aus mehreren teleskopartig verschiebbaren Stük- ken 41, 42, 43 besteht.
Es können entweder alle Pole der Ma schine oder ein Teil derselben als Regulier pole im Sinne der Erfindung ausgebildet werden. Bei Verwendung einer geeigneten Ankerwicklung kann nicht nur bei einer zweipoligen, sondern auch bei einer mehr- poligen Maschine unter Umständen ein ein ziger Regulierpol verwendet werden.
Verwendet man mehrere Regulierpole an der gleichen Maschine mit der Absicht, äu ssere Erregerwiderstände vollkommen zu spa- ren und die Pole im Betrieb zu verstellen, so ist es zweckmässig, eine gleichzeitige Betä tigung aller Pole oder der Hälfte aller Pole vorzunehmen. Bei Ausführungsform von Abb. 6 ist dies dadurch erreicht, dass ein Verdrehring 51 mit spiralförmigen Nuten 52 in Führungsstifte 53 der glatten prisma tischen oder zylindrischen Poleinsätze 54 eingreift. Wird der Ring 51 um irgend einen Winkel verdreht, so bewegen sich die vier Einsatzstücke 54 gleichmässig gegen den Anker oder von ihm weg.
Anstatt die Einsatzstücke in den Polen anzubringen, können sie auch nach Abb.7 am Joch angebracht werden. Die dort ge zeichneten Platten 64 können herausgezogen oder verdreht werden, um den örtlichen Quer schnitt des Joches 65 zu verringern. Steht das Einsatzstück 64 parallel mit der Kraft linienrichtung, wie in Fig. 7 gezeichnet, so bietet es einen geringen magnetischen Wider stand. Wird es um 90 verdreht, so ist der magnetische Widerstand fast ebenso gross, als bei Entfernung des Einsatzstückes.
Derselbe Erfolg, der durch Änderung des wirksamen Pol- oder Jochquerschnittes er zielt werden kann, wird durch eine Änderung des Streuweges der Maschine erreicht. Pol schuhe mit verdrehbaren Teilen, die es er lauben, die Spitzen der Nachbarpolschuhe gegeneinander zu bewegen, sind bekannt. In Abb. 8 ist eine vierpolige Maschine gezeichnet, bei der zwischen den Polen 70 Streuplatten 71 angewendet werden, die mittelst geeigneter, hier nicht gezeichneter Vorrichtungen pa rallel zur Achse der Maschine verschoben werden können.
Einen je grösseren Eisen querschnitt die Streuplatten dem Wege von einem Pol zum andern bieten, desto gerin gere Teile des primären Kraftflusses werden in den Anker eindringen und desto grösser wird der von den Ankeramperewindungen hervorgebrachte gegenwirkende Streufluss sein.
Ebenso wie bei der Maschine nach Abb.1 die Erfindung es erlaubt, den Grenzstrom stabil unter jenen Wert zu regulieren, der durch Widerstandsregelung im Feld sonst möglich wäre, gilt dies auch für Erreger maschinen und Stromerzeuger, die für stark veränderliche Drehzahl bestimmt sind.
Bei Wechselstromgeneratoren kommt es häufig vor, dass der Erregerstrom bei der zulässigen betriebsmässigen Überlastung mehr als doppelt so gross ist als bei Leerlauf. Bei einer Erregermaschine kommt oft die feld schwächende Wirkung des Ankerstromes der Erregermaschine in ganz besonderem Masse in Betracht. Durch Versuche hat man ge funden, dass beim Stosskurzschluss des Genera- tors die Feldwicklung des Generators und dadurch auch der Erregeranker von einem Vielfachen des Normalstromes durchflossen wird, so dass durch die verstärkte Anker rückwirkung das Feld der Erregermaschine manchmal umgepolt wird, besonders wenn es vorher durch die Magnetspulen nur schwach erregt war.
Die gleiche schädliche Rück wirkung kann auch bei schwach erregtem Feld auftreten, wenn die Maschine dadurch spannungslos gemacht wird, dass das Feld der Erregermaschine ausgeschaltet wird. Der durch die Selbstinduktion des Generator feldes länger andauernde Strom im Genera torfeld und Erregeranker kann eine Um- polung bewirken.
Man hat deshalb früher zwischen Anker der Erregermaschine und Feld des Generators oft einen regelbaren Widerstand geschaltet oder wenigstens teil weise Fremderregung für die Erregerma schine verwendet, manchmal auch einen Teil des Magnetkreises der Erregermaschine sehr hoch gesättigt, so dass die Magnetisierungs- charakteristik bei kleiner Spannung schon umbog und eine gewisse Stabilität ermög lichte. Nur ist die Vorausberechnung eines Magnetkreises bei sehr hoch getriebener Sät tigung nicht leicht, so dass es sich oft nach Fertigstellung der Maschine ergab, dass ent weder nicht die gewünschte Spannung, oder nicht die gewünschte Stabilität erreicht war, was einen zeitraubenden Umbau der Ma schine erforderlich machte.
Ein grosser Übel stand ergab sich dann, wenn die Betriebs drehzahl der Maschine verändert, oder wenn der Generator manchmal mit, manchmal ohne Verwendung eines selbsttätigen Schnell reglers arbeiten sollte. In ersterem Falle ist es nämlich erforderlich, dass die Erreger maschine eine grosse Reserve an Spannung gibt, was nicht erreicht werden kann, wenn die Maschine stark gesättigte Stellen im Magnetkreis enthält.
Verwendet man für Erregermaschinen, bei denen die Gefahr einer übergrossen Rück wirkung des Ankers besteht, Regulierpole im Sinne der Erfindung, so ist es möglich, den Sättigungszustand von aussen ohne De montage der Maschine zu verändern, derart, dass die Spannungs- oder Stromgrenzen, für welche die Maschine stabil bleibt, beliebig verschoben werden können. In solchen Fällen wird man vielfach auf den Magnetregler der Erregermaschine nicht verzichten, weil die Betätigung desselben von der Schalttafel aus oft bequemer ist als die Betätigung von an der Maschine angebrachten Einsatzstücken. Die Einsatzstücke werden dann für den je weiligen Betriebszustand der Maschine der art eingestellt, dass die gewünschte Regu lierfähigkeit erreicht wird.
Im allgemeinen wird man das Einsatz stück 4 so bemessen, dass bei Zurückziehen desselben im geschwächten Querschnitt eine sehr hohe Sättigung, zum Beispiel bei Schmiedeeisen mehr als 20 000 Linien pro cm2, erzielt werden kann, damit schon bei kleiner Verschiebung eine grosse Änderung in der für den geschwächten Querschnitt ver brauchten Zahl von Amperewindungen ein tritt.
Die Charakteristik einer solchen Ma schine, bezogen auf den vom Anker abgege benen Strom oder auf die Ankerspannung, die dem Strom fast proportional ist, wird bei Verwendung der verschiebbaren Einsatz stücke durch die Kurvenschar von Abb.3 dargestellt, und es ist klar, dass bei der Kurve 25 eine Stabilität für einen viel klei neren Ankerstrom erreicht werden kann als bei Kurve 21. Durch die so hergestellte Sta bilisierung wird es auch bei kleiner Span nung oder hoher Drehzahl wirksam ver hindert, dass etwa bei gurzschluss =des Haupt- generators der plötzlich erhöhte, den Erreger anker durchfliessende Strom die Maschine umpolarisiert.