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Vorrichtung zum Anzeigen und Regeln in Wechselstrom-Kraftiibertragungsanlagen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Instrument für Wechselstromanlagen, in denen
Motoren durch eine %@"echselstromquelle gespeist werden und Verhältnisse eintreten
können, unter denen ein Motor so hoch belastet wird, daß er aus dem Tritt fällt.
Es ist außerordentlich wünschenswert, festzustellen, bis zu welcher Grenze der Motor
noch arbeiten kann, bevor er außerstande ist, sein Drehmoment zu verstärken. Aus
solcher Feststellung erkennt der Maschinenmeister, daß er die geeigneten Schritte
tun muß, um die Belastungsverhältnisse wieder in normalen Zustand zu bringen. Manchmal
können die Betriebsverhältnisse zu gleichförmig sein, was ebenfalls nicht wünschenswert
ist. Denn in diesem Falle liegt die Leistung des 1Iotörs zu tief unter ihrem Maximum,
und das Feld der Wechselstrominaschine wird zu heiß. Es ist daher ratsam, die Motoren
dicht, aber nicht bis in gefährliche Nähe an die Grenze heranzuregeln, an der sie
nicht imstande wären, ihr Drehmoment zu vergrößern, wenn die Belastung wächst. Dieser
Spielraum innerhalb dessen es ratsam erscheint, den 'Motor nachzuregulieren, wird
im folgenden als stabiler Bereich bezeichnet.
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Der Einfachheit wegen wird ein gewöhnlicher Induktionsmotor betrachtet,
der die einzige Belastung eines Wechselstromgenerators bildet. Der Punkt der Drehmomentkurve,
nach welcher der Motor arbeiten wird, ist abhängig von den Geschwindigkeitsdrehmomentkurven
der Belastung sowohl als auch des Motors. Der Schnittpunkt dieser zwei Kurven gibt
den Punkt an, bei welchem der Motor arbeitet. Ob diese Betriebsweise stabil oder
nicht stabil ist, bestimmt sich nach den Formen der beiden Geschwindigkeitsdrehmonientkurven.
Bei einem gewöhnlichen Induktionsmotor liegt das stabile Betriebsbereich gewöhnlich
zwischen dem maxianalen Drehmoment und dem Svnchronismus. Wenn die Geschwindigkeitsdrehmomentkurve
der Belastung im Schnittpunkt eine ansteigende Richtung hat, so ist die Belastung
stabil. Dies geht aus folgender Betrachtung hervor: Sinkt die Geschwindigkeit aus
irgendeinem beliebigen Grunde, so wird das von der Belastung geforderte Drehmoment
entsprechend herabgemindert. Dies verursacht aber ein Anwachsen der Geschwindigkeit
gemäß den Motorkurven. Durch diese Geschwindigkeitszunahme kann nur die ursprüngliche
Geschwindigkeit erreicht werden, weil eine größere Geschwindigkeit ein größeres
Drehmoment verlangen würde, um die Belastung zu treiben, als der Motorliefernkönnte.
Die Stabilitätsbedingungen und der Stabilitätsspielraum sollen jetzt unter Berücksichtigung
der von dem Motor verbrauchten Energie untersucht werden. Renn der Motor schrittweise
bis zum Kurzschluß belastet und wenn die Spannung als eine Funktion des Stromes
angesehen wird, wobei die Erregung der Wechselstrommaschine unverändert bleibt,
so tritt der Höchstwert der vom Motor geleisteten Energie etwa halbwegs zwischen
Kurzschluß und offenem Stromkreis der die Belastung liefernden Wechselstromdvnamo
ein. Versuche zur Vergrößerung der Belastung über das Maximum werden eine Zunahme
der Stromstärke und eine viel schnellere Abnahme der elektromotorischen Kraft verursachen,
so daß das Endergebnis eine Abnahme der gelieferten Energie bedeutet, Vorausgesetzt,
daß der Belastungsfaktor konstant ist. Diese Analyse ist sowohl auf Svnchronmotoren
als auch- auf Induktionsmotoren anwendbar.
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Es ist sehr erwünscht, daß die Motoren entsprechend einem solchen
Punkte ihrer Stromspannungskennlinie arbeiten, der bei einer weiteren kleinen Zunahme
der Stromstärke auch einen Zuwachs an Energie verursacht; andernfalls wird der Motor
seine Belastung fallen lassen. Auch eine zu große Stabilität kann aus den bereits
angegebenen Gründen verwerflich sein.
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Die Erfindung ermöglicht, die Motoren nahe ihrer Maximalleistung bei
bestimmter Erregung der Dynamo arbeiten zu lassen, d. h. innerhalb ihres Stabilitätsspielraumes.
Diese Arbeitsweise kann von Hand oder auch selbsttätig eingeleitet werden, jedoch
wird dazu in beiden Fällen uin Instrument benutzt, das man einen StabilitJasindikator
nennen kann, das aber auch auf die Regelorgane für eine selbsttätige Nachregelung
der 'Totoren einwirken kann. Dieses Instrument ist so angeordnet, daß, sobald der
1lotor von seiner maximalen Leistung abweicht, die Nadel des Instrumentes anzeigt,
daß die Betriebsweise des Motors einem Punkt der Drehmomentkurve von zu hoher Stabilität
entspricht oder daß der Motor in Gefahr ist, aus dem Tritt zu fallen. Solche Instrumente
und Regelungsmittel können für Schiffsantriebsanlagen nützlich sein, in denen die
Erregung der Wechselstrommaschine entsprechend dem J)rehmoment von Hand geregelt
wird und in denen solche Erregung nicht lediglich deshalb verändert
wird,
um, wie bei den gewöhnlichen `Vechselstromanlagen, die Spannungsschwankungen auszugleichen.
Eine andere Eigenart in der Regelung von Motoren in Schiffsantriebsanlagen liegt
darin, daß die Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine, so wie sie durch die Turbinengeschwindigkeit
geregelt wird, auch die Geschwindigkeit festlegt, mit der die Motoren infolge der
Veränderung der Frequenz des zugeführten Stromes zu laufen haben. Es könnte beispielsweise
ratsam sein, die Turbinengeschwindigkeit und daher auch die Frequenz der Steuerungsanlage
zu ermäßigen. Gemäß der Erfindung verzeichnet oder korrigiert das Instrument Veränderungen,
die vom Stabilitätsspielraum abweichen, selbst wenn die W echselstrommaschine mit
veränderlichen Geschwindigkeiten getrieben wird.
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Zur Ausführung der Erfindung wird eine Vorrichtung benutzt, die geeignet
ist, das Verhältnis zwischen dem dem Motor gelieferten Strom und der Spannung zu
messen. Dieses Verhältnis dient zur genauen Angabe der Stabilitätsverhältnisse des
Motors. Besitzt der Motor eine zu hohe Stabilität, d. h., wird die Maximalleistung
des Motors für die gegebene Erregung der Wechselstrommaschine nicht gerade erreicht,
so ist das Verhältnis der Stromstärke zur Spannung zu klein. M%enn hingegen der
Motor im Begriffe ist, seine Belastung bei zu starker Annäherung an die maximale
Leistung fallen zu lassen, so ist das Verhältnis der Stromstärke zur Spannung zu
groß. Die Messung dieses Verhältnisses dient entweder dazu, dem Maschinenmeister
anzuzeigen, daß die Anlage einer \ achhilfe bedarf oder sie bewirkt die notwendigen
Änderungen selbsttätig durch besondere Schaltvorrichtungen. Die Nachregelung der
Anlage bei zu großer Abweichung von dem Stabilitätsspielraum kann beliebig geschehen.
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In den Zeichnungen zeigt Abb. r den Schaltplan für ein Instrument
zur Anzeige der Stabilität einer Anlage, die einen Wechselstromgenerator und einen
Motor enthält. Abb. -q ist ein Schaltplan einer Anlage nach Abb. z, jedoch mit dem
Unterschiede, daß das Instrument die Stabilitätsverhältnisse der Anlage selbsttätig
anzeigt und korrigiert. Abb. 3 zeigt eine abweichende Ausführungsform des Instrumentes.
Abb. 4. ist ein weiteres Ausführungsbeispiel. Abb. 5 zeigt eine Ausführungsform
des Instrumentes für eine anderweitige Regelung des Hilfsstromkreises. Die Abb.
6 und 7 zeigen die Betriebscharakteristiken der Motoien.
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Die Erfindung wird mit Hilfe der Kurven in Abb. 6 und 7 erläutert.
Abb. 6 bezieht sich auf die Betriebscharakteristiken eines Induktionsmotors. Die
vertikale Linie auf der rechten Seite entspricht der synchronen Geschwindigkeit,
während die nach links zu zählenden Abszissen die Schlüpfung in Umdrehungen pro
Minute geben. Es kann nachgewiesen werden, daß bei solcher Darstellung die Motoren
gewisse Ähnlichkeit mit solchen Induktionsmotoren zeigen, die von einer mit konstanter
Erregung arbeitenden, aber mit veränderlicher Geschwindigkeit angetriebenen Wechselstrommaschine
gespeist werden. Beispielsweise bleibt das Maximaldrehmoment T' ungefähr an derselben
Stelle, ohne Rücksicht auf die Geschwindigkeit der Mrechselstrommaschine. Dies wird
später näher erklärt. Die bei einer gewissen Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine
erzeugte elektromotorische Kraft wird durch die Kurve E und der Stromverbrauch durch
die Kurve J dargestellt. Es ist erkennbar, daß, wenn die vom Fußpunkt der rechten
vertikalen Linie gemessene Schlüpfung wächst, der Strom ebenfalls steigt, während
die Spannung abnimmt. Für die gegebene Generatorgeschwindigkeit liegt der wünschenswerte
Stabilitätsspielraum zwischen dem Maximaldrehmoment T' und dem Synchronismus. Sobald
der Motor zu nahe dem Punkt T' arbeitet, kann er aus dem Schritt fallen und, anstatt
fähig zu sein, ein weiteres Drehmoment entsprechend der Belastung auszuüben, schließlich
stehen bleiben. Eine Stelle von guter Stabilität ist durch die Linie T''- angegeben,
welche die Drehmomentkurve auf ihrem abwärts gehenden Ast zwischen dem Höchstwert
und dem Svnchronismus schneidet. Die Impedanz Z des ganzen Motors kann als das Verhältnis
zwischen E und J aufgefaßt werden. Dieses Verhältnis ist durch die in der Abbildung
mit dem Bezugszeichen Z bezeichnete Kurve veranschaulicht. Das Instrument, welches
für die Anzeige und die Regulierung der Stabilitätsverhältnisse benutzt wird, mißt
diese Impedanz Z. Der Verlauf der Kurven, wie in dieser Abbildung dargestellt, entspricht
ungefähr der Wirklichkeit, und es wurde festgestellt, daß die Kurve Z in der Nähe
der oben als gut bezeichneten und daher erwünschten Stabilität R eine verhältnismäßig
starke Steigung hat. So wird bei diesem Punkte R, der innerhalb des erforderlichen
Stabilitätsspielraumes liegt, schon eine kleine Änderung in der einen oder in der
anderen Richtung eine bedeutende Änderung in der Impedanz und somit eine große Empfindlichkeit
des Kontrollinstruments für den gewünschten Spielraum bedeuten. Wenn beispielsweise
die Impedanz sich dem Punkte Ri stark nähert, bei dem der Motor seine Belastung
verlieren kann, spricht das Instrument schnell an und korrigiert selbsttätig die
Verhältnisse derart, daß der Motor wieder in denStabilitätsspielraum zurückgebracht
wird.
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Das Instrument ist bisher insofern beschrieben, als es das Verhältnis
von E und J mißt. Es muß aber auch imstande sein, in seiner @Virkungsweise und Anzeige
die Änderung der Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine zu berückrichtigen.
Wenn
die Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine herabgemindert wird, so ermäßigt sich
die Frequenz der Anlage entsprechend, und es tritt eine etwas verschiedene Arbeitsweise
ein. In einem Induktionsmotor ist die von der Selbstinduktion herrührende Reaktanz
immer viel größer als der Widerstand. Wenn die Geschwindigkeit herabgemindert wird,
sinkt die Frequenz der Anlage entsprechend, und infolgedessen wird auch die Reaktanz
des Induktionsmotors in dem gleichen Verhältnis vermindert. Da bei Verminderung
der Frequenz das Verhältnis des sekundären Widerstandes zur Reaktanz größer wird,
hat die Drehmomentkurve jetzt ihren Höchstwert verhältnismäßig näher beim Stillstand.
Wenn aber die Drehmomentkurve in Abhängigkeit zur Schlüpfungsumdrehung pro Minute
aufgezeichnet wird, wie es in Abb. 6 geschehen ist, verbleibt trotzdem der Höchstwert
(Ordinate T1) annähernd an der gleichen Stelle wie zuvor. Es kann ferner nachgewiesen
werden, daß der Maximalwert des Drehmomentes annähernd ebenso groß wie zuvor bei
Nichtänderung der Erregung wird. Das ist der Tatsache zuzuschreiben, daß das Maximalmoment
sich im gleichen Verhältnis, wie das Quadrat der elektromotorischen Kraft und umgekehrt
wie die Frequenz und die Impedanz des Motors verändert. Eine Veränderung in der
Geschwindigkeit beeinflußt alle diese Faktoren, so daß das Endergebnis unverändert
ist. Man kann daher die Sache so ansehen, als ob die Drehmomentkurve T der Abb.
6 allen Bedingungen der Regelung ohne Rücksicht auf die Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine
so lange entspricht, als die Erregung nicht verändert worden ist. Wenn jedoch die
Geschwindigkeit vermindert wird, fällt die Spannung in ihrem Wert im gleichen Verhältnis,
wie es die gestrichelte Kurve F_ 1 darstellt. Die Stromkurve J indessen bleibt ziemlich
gleich wegen der verminderten Impedanz des Motors, wenn derselbe mit verminderter
Frequenz läuft. Die Impedanzkurve wird im gleichen Verhältnis wie die Frequenz gesenkt
und ist durch die gestrichelte Kurve Z1 veranschaulicht. Natürlich erhält man die
stabilen Verhältnisse annähernd in demselben Spielraum als bei dem früheren Drehmoment.
In diesem Fall wird die Impedanz in demselben Verhältnis wie die Frequenz vermindert,
so daß das Instrument so angeordnet werden muß, daß dieser Wechsel in der Frequenz
selbsttätig berücksichtigt wird und so, daß das Instrument selbst bei verminderter
Impedanz denselben Wert anzeigt, wie vor der Verringe-, rung der Frequenz. Dieses
Resultat wird dadurch erreicht, daß das vom Strom abhängige Element nur für die
Stromveränderungen der Stromstärke empfindlich gemacht wird, während das Spannungselement,
welches dem vorerwähnten Element entspricht, unmittelbar für die Spannung und für
die Frequenz empfindlich gemacht wird. Beispielsweise wird eine starke Induktanz
in Reihenschaltung mit der Spannungsspule benutzt. Es ist klar, daß, wenn die Spannung
allein verändert wird, die Wirkung der genannten Spule sich in direktem Verhältnis
ändert, während, wenn die Frequenz allein verändert wird, die Wirkung sich umgekehrt
wie die Frequenz ändert. Natürlich muß mit Rücksicht auf die Genauigkeit der Wert
dieser Induktanz verhältnismäßig groß sein. Es ist klar, daß, wenn das Instrument
den Wert
oder den Wert
ablesen läßt, wobei J den Belastungsstrom, f' die Frequenz und E die elektromotorische
Kraft bedeutet, das Instrument, gleichgültig auf welche Weise, genau die Stabilitätsverhältnisse
der Anlage anzeigen wird.
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Die Arbeitsweise der Anlage bei Verminderung der Erregung ist folgende:
Solch eine Änderung wirkt wie eine Änderung der elektromotorischen Kraft. Die Ordinaten
des Drehmomentes auf der Kurve werden geändert, jedoch sind die Schlüpfungsverhältnisse
für den stabilen Spielraum dieselben und das Aussehen der Kurven im allgemeinen
das gleiche wie vor der Änderung der Erregung. Die Ordinaten der Stromstärkekurve
sind ebenfalls kleiner. Die Impedanz bleibt daher dieselbe für den Stabilitätsspielraum.
Die Änderungen der kurven infolge der Sättigung des Motoreisens und des Generatoreisens
sind vernachlässigbar klein.
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Die in Abb. 6 dargestellten Kurven beziehen sich nur auf einen Induktionsmotor.
Jedoch können auch Synchronmotoren von den Wechselstrommaschinen gespeist werden.
Die neuen Mittel für die Anzeige und Regelung der Stabilität sind auch für diesen
Fall anwendbar, wie beim Betrieb von Induktionsmotoren.
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Abb. 7 zeigt Wechselstrommaschinenkurven, die sowohl für Induktionsmotoren
als auch für Synchronmotoren gelten. In diesem Fall geben die Abszissen, die dem
:Motor gelieferte Stromstärke an, während die Ordinaten die von dem Motor verbrauchte
Energie bzw. die Spannung darstellen. Die Kurve I' zeigt Änderung der Spannung bei
Änderung der Stromstärke bei bestimmter Erregung und Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine.
Der Punkt, in welchem die Spannungskurve die Abszissenachse sc@neidet, gibt die
Verhältnisse bei Kurzschluß an. Die Energiekurve TV' stellt die vom Motor
verbrauchte Energie dar und ist das Produkt der Spannungen und Stromstärken. Diese
Kurve veranschaulicht also den Energiefaktor, der für die Zwecke dieser Erörterung
als konstant innerhalb des ganzen Stabilitätsspielraumes angesehen wird. Diese Energiekurve
TU' besitzt einen Höchstwert u,1 (Schnittpunkt mit der gestrichelten Ordinate).
jeder Versuch, den
7 otor noch weiter zu belasten, führt
zu einem Anwachsen der Stromstärke, aber zu einem so schnellen Sinken der Spannung,
daß die von dem Motor tatsächlich verbrauchte Energie verringert wird. Es ist natürlich
wünschenswert, zu verhüten, daß die Motoren in der Nähe der Höchstleistung w1 mit
einer gewissen Gefahr arbeiten. Der Stabilitätsspielraum soll daher zwischen den
Punkten w2 und w3 liegen. Angenommen, die Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine
wäre vermindert, wobei die Erregung und der Energiefaktor unverändert geblieben
sind. Dann nimmt die Kurve der elektromotorischen Kraft das Aussehen der gestrichelten
Kurve V2 an. Die Abnahme der elektromotorischen Kraft ist proportional der Abnahme
an Geschwindigkeit. Die .Impedanz des Motorstromkreises wird entsprechend kleiner,
da die Frequenz geringer wird, so daß für dieselbe Stromstärke nur eine kleinere
elektromotorische Kraft auf den Motor wirken muß. Der Kurzschlußstromkreis ist gerade
so groß wie zuvor und ist durch die Tatsache gekennzeichnet, daß die gestrichelte
Kurve T'2 die J-Achse in demselben Punkte schneidet wie die Kurve TT. Die Energiekurve
ist jetzt durch die gestrichelte Kurve V2 dargestellt. Der größte Energieverbrauch
erfordert dieselbe Stromstärke wie zuvor die Geschwindigkeitsverringerung. Die Impedanz
ist kleiner geworden, weil das Verhältnis von E zu J kleiner wurde. Wenn indessen
das Instrument das Verhältnis zwischen der Stromstärke. und einer direkt mit der
Spannung und umgekehrt mit der Frequenz veränderlichen Größe mißt, so dient es zur
Angabe der Abweichungen von dem genauen Stabilitätsspielraum bei einer Verminderung
der Geschwindigkeit der W echselstrommaschine.
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Jetzt sei angenommen, daß die Erregung der Wechselstrommaschine ohne
eine Geschwindigkeitsänderung vermindert wird. Wenn diese Erregung geringer wird,
so sinkt die Spannung ohne irgendeine Verkleinerung der Reaktanz. Daher wird die
Stromstärke entsprechend verringert, ebenso wie die Leistung. Der Punkt, bei welchem
die neue Spannungskurve T'3 die J-Achse schneidet, liegt jetzt näher zur E-Achse.
Die Leistung ist durch die Kurve TV-" dargestellt. Das Instrument zeigt wiederum
die Abweichung vom eigentlichen Stabilitätsspielraum an, da in die-,em Falle sowohl
die Spannung als auch die Stromstärke fast proportional zur Erregung geringer geworden
sind.
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Diese Erläuterung ist natürlich ziemlich elementar, da die Änderung
in den Arbeitskurven der Motoren nicht nur von der Erregung bzw. der Geschwindigkeit
der Wechselstrommaschine abhängt, sondern auch von den Verhältnissen dei= Belastung,
die in mehr als einer Beziehung zu gleicher Zeit sich verändern können. Z. B. können
in Schiffsantriebsanlagen die Schiffsschraubenmotoren innerhalb des stabilen Spielraumes
arbeiten, während die Frequenz hoch ist; wenn aber die Geschwindigkeit bei einer
entsprechenden Frequenzabnahme geringer wird, so tritt eine Abweichung vom stabilen
Spielraum ein, wenn die Erregung konstant bleibt, mit Rücksicht auf die Tatsache,
daß das von der Belastung geforderte Moment mit dem Quadrat der Geschwindigkeit
abnimmt. Eine bloße Geschwindigkeitsabnahme des Motors verkleinert nicht sein Drehmoment
in einem ähnlichen Verhältnis, daher ist es wohl möglich, daß eine Verringerung
in der Geschwindigkeit der Wechselstrommaschine den Stromverbrauch des Motors so
sehr verringert, daß der Motor zu stabil wird, ein Vorgang, der durch das neue Instrument
genau angezeigt oder korrigiert wird.
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In Abb. r ist eine Anlage der erläuterten Art veranschaulicht, in
welcher die Wechselstrommaschine zz für die Speisung eines Motors 12 vorgesehen
ist, der entweder ein Synchronmotor oder ein Induktionsmotor sein kann. Das Instrument
13 ist in diesem Ausführungsbeispiel nur als eine Anzeigevorrichtung dargestellt,
die einen Zeiger 14 und eine zugehörige Skala 15 besitzt. Der für das Instrument
erforderliche Energieaufwand wird mittels Umformers abgenommen, jedoch kann auch
direkter Anschluß an die Anlage benutzt werden. Der Stromumformer 16 liefert den
Strom an die ortsfesten Spulen 17, die übereinander angeordnet sind und einen Magnetkörper
18 besitzen. Der Potentialumformer rg ist zur Stromlieferung für ein Paar von Spulen
2o vorgesehen, die von den Spulen 17 getrennt sind, denselben jedoch ähneln und
gleichfalls einen Magnetkörper 21 besitzen. Innerhalb des Bereiches des von den
Spulen 17 erzeugten Magnetfeldes ist ein Element 22 angeordnet, welches in der dargestellten
Ausführungsform als magnetische Drehfahne ausgebildet ist. Die Spulen 2o haben ein
gleichartiges Element 23, welches auf das von den Spulen 2o erzeugte :Magnetfeld
reagieren soll. Diese Drehfahnen werden zweckmäßig von einer durchgehenden frei
drehbaren Achse 24 gehalten. Die Ebenen der beiden Drehfahnen 22 und 23 gehen durch
die Achse der Stange 24, sind aber gegeneinander um einen Winkel von ungefähr 75
bis 8o ° versetzt. Die Kraftlinien, die durch die Spulen 17 erzeugt werden, sind
bestrebt, die Stange 24 im Sinne des Uhrzeigers zu drehen, während die von den Spulen
2o erzeugten Kraftlinien die Stange in der Richtung gegen den Uhrzeiger drehen wollen.
Auf die Eigenart der hier beschriebenen Einrichtung braucht zunächst nicht näher
eingegangen zu werden, da die entgegengesetzten Einflüsse der Spulen 17 und 2o auf
die frei drehbare Stange derart einwirken, daß ihre Bewegung der resultierenden
Wirkung der beiden Spulengruppen entspricht. In Reihenschaltung mit den Spannungsspulen
2o
ist eine Spule 25 vorgesehen, die eine verhältnismäßig große Induktanz besitzt.
Wenn indessen die Spule 20 selbst eine hinreichend große Induktanz hat, kann man
eine zusätzliche außenliegende Induktanz vollkommen entbehren. Der Zeiger 14 sitzt
an einem Ende der Stange und dient zur Anzeige des Verhältnisses der Wirkungen,
die von den beiden Spulengruppen 17 und 2o hervorgebracht werden. Die Stromspule
17 ruft eine Wirkung hervor, die der Stromstärke in der Anlage proportional ist,
während die Wirkung, welche von der Spule 2o wegen der Induktanz 25 hervorgerufen
wird, proportional der Größe f" ist, wobei E die Spannung und f die Frequenz der
Anlage bedeuten. Das Instrument 13 mißt daher das Verhältnis zwischen der Stromstärke
und einer Größe, welche direkt proportional der Spannung und umgekehrt proportional
der Frequenz ist. Wie in der Erläuterung der in den Abb. 6 und 7 dargestellten Kurven
bereits erklärt wurde, gibt eine Veränderung in diesem Verhältnis eine Änderung
in den Stabilitätsverhältnissen an, und die Skala 15 kann so eingerichtet werden,
daß der Stabilitätsspielraum etwa von der Mitte der Skala an fällt und eine Abweichung
davon dem Maschinenmeister zu erkennen gibt, daß korrigierende Einflüsse in das
Spiel gebracht werden müssen, um den Zeiger wiederum in den stabilen Spielraum zurückzubringen.
Geeignete Schaltvorrichtungen sind in der Anlage zweckmäßig vorgesehen.
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In der in Abb. 2 gezeigten Anlage ist ein Instrument 26 veranschaulicht,
welches im wesentlichen ebenso wie das Instrument 13 der Abb. i arbeitet, mit der
Ausnahme, daß es auch noch zum selbsttätigen Regeln der Abweichungen von dem stabilen
Spielraum dient. Der Stromumformer 16 und der Potentialumformer 1g sind durch die
Schalter 27 und 28 an die Spulen 17 bzw. 2o anschließbar. Die Induktanz 25 ist wiederum
von der Spule 2o getrennt angenommen. Die Stange 24. dient hier zur Betätigung einer
Kontaktvorrichtung, deren Zeiger 14, auf einer Skala 15 arbeitet. Diese Kontaktvorrichtung.regelt
einen Hilfsstromkreis, durch den die Stange 24 des Instrumentes in den stabilen
Spielraum zurückgebracht wird, der angibt, daß die Anlage wieder zwischen den gewünschten
Stabilitätspunkten arbeitet. Die Wechselstrommaschine 1i besitzt ein erregendes
Feld 29, welches mit einem Rheostaten 3o in Reihenschaltung angeordnet ist. Das
erregende Feld und der Rheostat sind über die Pole eines kleinen Gleichstromerregers
31 verbunden, der beispielsweise durch dieselben Mittel wie der Wechselstromdynamo
1i angetrieben werden kann. Das Feld des Erregers ist chematisch veranschaulicht
und mit 32 bezeichnet. Ein Steuermotor 33 dient zum Umdrehen der Welle 34, die den
Rheostatenhebel 35 bedient. Der Steuermotor wird beispielsweise von der Erregermaschine
31 gespeist. Eine Abweichung von dem Stabilitätsspielraum veranlaßt den Steuermotor
in derjenigen Umdrehungsrichtung zu laufen, die eine Zunahme oder eine Abnahme der
Erregung der Wechselstrommaschine hervorruft, um den -Motor 12 wieder in den stabilen
Spielraum zurückzubringen. Der Steuermotor kann in der einen oder in der anderen
Richtung umlaufen, je nach Einstellung des Zeigers 14, sobald dieser mit einem der
beiden ortsfesten Kontakte 36 oder 37 in Berührung ist. Die Feldwickelung 38 des
Steuermotors ist in zwei Teile geteilt. Renn zwischen ,;6 und 14 eine Berührung
hergestellt ist, wird der untere Teil der Wickelung in Wirksamkeit treten, während,
wenn der Kontakt bei 37 stattfindet, die obere Hälfte in Wirksamkeit tritt. Die
magnetomotorischen Kräfte dieser beiden Felder sind, wie die Pfeile andeuten, einander
entgegengesetzt, so daß die Umdrehungsrichtung des Steuermotors davon abhängig ist,
welche Abteilung des Feldes gerade zur Wirkung kommt. Hier wird eine Veränderung
der Erregung der Wechselstrommaschine zur L berführung des Motors in den Stabilitätsspielraum
benutzt.
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Wenn der Motor zum Antrieb einer Schiffsschraube benutzt und verlangt
wird, das Schiff beim Steuern langsamer fahren zu lassen, so wird die Geschwindigkeit
der Turbine und infolgedessen auch die Frequenz der Anlage ermäßigt. Die Herabminderung
der Schiffsgeschwindigkeit ohne Verminderung der Erregung veranlaßt den Motor, viel
weniger Strom als zuvor aufzunehmen, wie es der Eigenart der Belastung entspricht,
und derart auf einem Punkte der Leistungskurve zu arbeiten, der zu weit vom Höchstwert
entfernt liegt. Dies bedeutet, daß die Wechselstrommaschine zu stark erregt ist.
Diese überschüssige Erregung mag für gewöhnlich nicht schädlich sein. Infolge der
geringeren Geschwindigkeit der Dynamo werden aber ihre Erregerspulen nicht mehr
so gut ventiliert und werden zu heiß. Ein anderer Grund, weshalb der Motor möglichst
nahe bei seinem stärksten Energieverbrauch arbeiten müßte, ist, daß in fast allen
elektrischen Anlagen die günstigste Leistung in der Nähe dieses Punktes erreicht
wird. Es ist daher außerordentlich ökonomisch, Maschinen möglichst innerhalb des
angegebenen Stabilitätsspielraumes arbeiten zu lassen.
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In Abb. 3 ist eine der Abb. 2 ähnliche Anlage dargestellt. Die gleichen
Teile sind mit gleichem Bezugszeichen versehen. Hier ist eine andere Ausführungsform
des Instrumentes veranschaulicht. Ein Hebel 39 ist nahe seiner Mitte mittels des
Zapfens 40 gelenkig befestigt. Er trägt an seinen Enden ein Paar :Magnetkerne 41
und 42, die durch Solenoide 43 bzw. 44 erregbar und in
der gleichen
`'eise wie die Spulen 17 und 2o in den vorhergehenden Abbildungen angeschlossen
sind. Die Einstellung des Hebels hängt vom Verhältnis der Wirkungen der Spulen 43
und 44 zueinander ab. Dieses Instrument kann ebenfalls einen Zeiger 45 tragen, der
auf einer Skala 46 spielt und mit ortsfesten Kontaktpunkten 36 und 37 zusammen arbeitet.
In diesem Falle jedoch wird die Regelung durch die Veränderung des Erregerstromkreises
der Erregermaschine 31 bewirkt. Der Steuermotor bedient einen Rheostaten 3o, der
mit dem Erregerfeld 32 der Erregermaschine 31 in Reihe geschaltet ist. Auf diese
Weise kann ein kleinerer Rheostat und ein kleinerer Steuermotor benutzt werden.
Die Arbeitsweise ist jedoch dieselbe wie in Abb. 2.
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In Abb. 4 ist die dargestellte Anlage ähnlich der schon beschriebenen
mit Ausnahme einer abweichenden Form des Instrumentes 48. In diesem Falle trägt
die horizontal angeordnete Stange 49 des Instrumentes an einem Ende eine kurzgeschlossene
Spule 5o, wie solche ein einphasig gewickelter Rotor eines Induktionsmotors besitzt.
Eine gleichartige Spule 51 befindet sich am anderen Ende der Stange 49, jedoch sind
die Achsen dieser beiden Spulen gegeneinander verdreht. Die ortsfesten Spulen 52
und 53 wirken ähnlich der Spulen 17 und 2o. Ein Drehmoment wird wie in einem
einphasigen Induktionsmotor mit einphasig gewickeltem Rotor zwischen den ortsfesten
Spulen 52 und 53 und den beweglichen Spulen 50 und 51 ausgeübt. Diese Drehmomente
sind infolge der Verdrehung der Achsen der beweglichen Spulen 50 und 51 einander
entgegengesetzt, und wenn sie sich ausgleichen, steht der Zeiger 54 des Instrumentes
fest. In jeder anderen Beziehung arbeitet diese Anlagewie diej enigen, die-bereits
beschrieben sind.
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In Abb. 5 ist ein anderer Schaltplan dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Benutzung des Steuermotors erspart worden. Das gleiche Instrument wie in
Abb. 3 findet sich hier wieder, nur ist ein verhältnismäßig kleiner M iderstand
55 derart vorgesehen, daß er durch die Kontaktvorrichtung kurzgeschlossen werden
kann. Dieser Widerstand ist in Reihenschaltung mit dem Erregerfeld 32 dargestellt.
Die Tätigkeit der Kontaktvorrichtung verursacht in diesem Falle Vibrationen oder
Schwankungen, wie sie in ähnlicher Weise bei einem Vibrationsspannungsregulator
(z. B. nach Tiraillart) zu beobachten sind. Der Widerstand 56 ist im Verhältnis
zu dem kleinen Widerstand 55 so gewählt, daß, wenn dieser letztere kurzgeschlossen
ist, die Erregung zu groß für die genaue Innehaltung des Stabilitätsspielraumes
ist, während, wenn der kleine Widerstand 55 in Reihe mit dem Widerstande 56 liegt,
zu geringe Erregung für die Anlage vorhanden ist. Die tatsächliche Erregung fällt
daher zwischen die beiden Werte, wie esbei denVibrationsschnellreglernbekannt ist.